• 검색 결과가 없습니다.

참여연구진

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "참여연구진"

Copied!
92
0
0

로드 중.... (전체 텍스트 보기)

전체 글

(1)

핵융합발전의 사회경제적 인식 분석

수시 연구 보고서

16-02

박 찬 국

핵융합발전의

사회경제적 인식 분석

(2)
(3)

참여연구진

연구책임자 : 부연구위원 박찬국

연구참여자 : 전문연구원 이대연

위촉연구원 김양수

(4)
(5)

<요 약>

1. 연구 필요성 및 목적

핵융합발전에 관한 관심이 증대되고 세계무대에서 우리나라가 주도 적인 역할을 하고 있지만, 핵융합기술에 대한 기존의 연구들은 기술공 학적 접근이 대부분이며, 사회경제적인 측면에서 분석을 시도한 연구 는 부족한 상황이다. 특히, 핵융합기술에 대한 사회적 인식에 관한 논 의가 부족하다. 신기술의 확산이 원활하게 진행되려면 그 기술에 대한 사회적 수용성이 뒷받침되어야 한다.

본 연구는 이에 핵융합발전에 관한 사회경제적 인식의 현 주소를 이해하고 개선점을 도출하고자 한다. 핵융합과 관련한 전문가 인식은 기존 연구문헌을 검토하고 종합함으로써 정리하고, 일반인의 인식은 텍스트 형태의 빅데이터를 분석하여 탐구하고자 한다. 이를 통해 핵융 합발전과 관련한 인식 현황을 살펴보고 보다 발전된 방향으로 개선할 방안을 모색한다. 나아가 사회과학 차원에서 핵융합발전 관련 정책연 구 과제를 제시함으로써 핵융합 연구개발의 균형 있는 발전에 기여하 고자 한다.

2. 내용 요약 및 정책제언

본 연구는 핵융합발전의 경제성, 환경성, 안전성에 관한 기존 연구 문헌들을 종합적으로 검토함으로써 핵융합발전에 관한 전문가 인식을

(6)

종합하였다. 검토 결과, 환경성과 안전성 면에서는 핵융합발전의 우수 성이 전반적으로 인지되고 있다고 할 수 있다. 그러나 경제성 측면에 서는 핵융합발전이 타 전원 대비 경쟁력을 갖추지 못하고 있는 것으 로 평가받고 있다.

본 연구는 또한 텍스트마이닝을 이용하여 한국, 미국, 영국의 핵융 합 관련 인식을 조사하였다. 조사 결과, 우리나라는 핵융합에 관한 논 의가 아직 일반인들에게는 미국과 영국에 비해 상대적으로 덜 확산된 상황이다. 그리고 그 SNS 포스트조차 언론기사의 내용을 재전송하는 역할을 함으로써 개인적 의견이 많지 않다는 특징이 있다. 또한, 핵융 합에 관한 긍정적 인식이 신시장 창출 및 수출 등과 연관되어 있고, 친환경, 안전성, 에너지 안보 등과 같은 요소와의 연계성이 미국과 영 국에 비해 약한 것으로 나타났다. 부정적 인식에서는 핵융합 확산으로 값싼 에너지가 풍부해지는 상황이 만들어지는 경우 인간의 탐욕이 만 들어낼 수 있는 부작용에 대한 철학적 논의가 상대적으로 부족한 것 으로 보인다.

앞으로 핵융합발전 관련 주요 경제사회적 연구과제를 살펴보면 다 음과 같다. 첫째, 핵융합 경제성을 보다 엄밀히 살펴볼 필요가 있다.

핵융합발전의 경제성 관련 불확실성 요인들을 탐구하고 그 불확실성 요인들의 세부 영향을 검토할 필요가 있다. 둘째, 핵융합발전의 높은 안전성과 무기와의 비연계성 인식을 촉진할 대안이 필요하다. 핵융합 발전의 우수한 안전성에도 불구하고, 핵융합발전 안전성에 관한 잘못 된 인식이나 대량살상무기와 연계되어 핵융합을 기피하는 과도한 우 려를 축소할 수 있는 방안을 검토할 필요가 있다. 셋째, 핵융합 산업 생태계를 육성하기 위한 전략 연구가 필요하다. 핵융합발전 부문에서

(7)

인재양성, 기술상용화, 수출산업화 등을 달성하기 위해 우리나라의 핵 융합 산업생태계를 어떻게 구축해가야 할지 장기적 안목에서 검토해 야 할 것이다. 넷째, 핵융합발전은 기술개발이 성공적으로 이뤄진다는 전제 하에 성공적인 핵융합발전의 보급이 사회경제적으로 미치는 영 향을 살펴볼 필요가 있다. 이러한 논의는 인류가 지속 발전하기 위한 에너지 부문의 철학 기반을 다지는 일이 될 수 있을 것이다.

(8)
(9)

ABSTRACT

1. Research Background and Purpose

Although Korea has been playing a leading role in the development of fusion power generation and Korea is playing a leading role in the world stage, existing researches on fusion technology are mostly technological engineering approaches and there are insufficient studies in socioeconomic aspects. In particular, there is a lack of discussion on the social perception of fusion technology.

In order for the diffusion of new technology to proceed smoothly, the social acceptability of the technology should be supported.

This study aims to understand the current status of socioeconomic understanding of nuclear fusion and to elucidate the problems to be improved. Expert awareness related to nuclear fusion is summarized by reviewing and synthesizing existing research literature, and public perception is reviewed by analyzing big data in text form. Through this method, we will look at the current status of recognition related to nuclear fusion power generation and look for ways to improve it in a more advanced direction. In addition, we will contribute to the balanced development of nuclear fusion R&D by presenting some social science research projects related to nuclear fusion.

(10)

2. Summary and Policy Implications

This study comprehensively reviews the existing research literature on the economic, environmental, and safety aspects of fusion power generation, and synthesizes expert knowledge on fusion power generation. As a result of the review, it can be said that the superiority of fusion power generation is generally recognized in terms of environmental safety and safety. However, in terms of economics, fusion power generation is estimated to be less competitive than other sources.

This study also investigated the fusion - related perceptions of Korea, USA, and UK using text mining. As a result, the discussion about nuclear fusion in Korea is still relatively less common to the general public than the US and the UK. And even the SNS posts are characterized by the fact that they do not have much personal opinions because they are usually retransmitting the contents of the press articles. In addition, the positive perception of nuclear fusion is associated with the creation of new markets and exports, and its linkages with factors such as environment, safety, and energy security are weaker than those of the US and UK. In the negative perception, it seems that the philosophical argument about the side effect that human greed can produce is relatively insufficient when the fusion energy diffusion becomes rich.

In the future, some economic and social research projects related

(11)

to nuclear fusion should be discussed. First, we need to look more closely at the economics of nuclear fusion. It is necessary to explore the uncertainty factors related to the economic feasibility of nuclear fusion power generation and to examine the detailed effects of those uncertainty factors. Second, there is a need for alternatives that promote the perception of high safety of nuclear fusion and the non-linkage to weapons. Third, strategic research is needed to nurture fusion ecosystem. Fourth, it is necessary to examine the socioeconomic impact of the successful dissemination of fusion power generation on the assumption that the successful development of fusion technology. These discussions could be the foundation for the philosophy base of the energy sector for the sustainable development of mankind.

(12)
(13)

제목 차례

제1장 서 론 ··· 1

제2장 핵융합발전 기술개발 동향 ··· 3

1. 핵융합발전의 원리와 장단점 ··· 3

가. 핵융합의 원리 ··· 3

나. 핵융합의 장단점 ··· 5

2. ITER 프로젝트 추진현황 ··· 6

가. ITER 건설 추진 배경 ··· 6

나. ITER 프로젝트 추진 현황 ··· 7

3. 주요국 핵융합발전 기술개발 추진동향 ··· 10

가. 미국 ··· 10

나. 러시아 ··· 12

다. EU ··· 12

라. 일본 ··· 14

마. 중국 ··· 16

바. 인도 ··· 17

사. 한국 ··· 18

아. 종합 ··· 20

4. 핵융합발전 상용화의 주요 난제 ··· 22

가. 안정적 전력생산 ··· 22

나. 극한 상황을 견디는 재료의 개발 ··· 23

(14)

다. 삼중수소, 헬륨 등 원료 공급 ··· 23

라. 경제성 ··· 24

제3장 핵융합발전의 경제성, 환경성, 안전성 검토 ··· 25

1. 핵융합발전의 경제성 ··· 25

2. 핵융합발전의 환경성 ··· 31

3. 핵융합발전의 안전성 ··· 34

제4장 핵융합발전 인식 분석 ··· 37

1. 핵융합발전 인식 분석 방법 ··· 37

가. 텍스트 자료 활용 ··· 37

나. 텍스트마이닝 방법 ··· 38

2. 핵융합 관련 언론기사 주요 키워드 분석 ··· 39

가. 국가별 추출된 언론기사 개수 ··· 39

나. 국가별 상위 빈도 20개 단어 추출 결과 및 시사점 ··· 39

3. 핵융합 관련 SNS 감정 분석 ··· 48

가. SNS 긍부정 문서 건수와 변화 추이 ··· 48

나. 라쏘 회귀분석을 통한 텍스트 감정분석 ··· 50

제5장 결론 및 시사점 ··· 65

참고문헌 ··· 71

(15)

표 차례

<표 2-1> 수정 이전 ITER 프로젝트 단계별 사업비와 기간 ··· 8

<표 2-2> 미국의 핵융합 연구개발 예산 ··· 11

<표 2-3> EU의 핵융합 R&D 예산 ··· 13

<표 2-4> 일본의 핵융합 R&D 예산 ··· 15

<표 2-5> 핵융합 관련 사업 투자액 ··· 19

<표 2-6> 세계 주요 핵융합장치 비교 ··· 21

<표 3-1> 2050년 에너지원별 발전비용 추정(1) ··· 26

<표 3-2> 2050년 에너지원별 발전비용 추정(2) ··· 28

<표 3-3> 2050년 에너지원별 발전비용 추정(3) ··· 29

<표 3-4> 에너지원별 전주기 온실가스 배출량 비교 ··· 32

<표 3-5> 에너지원별 전주기 이산화탄소 배출량 비교 ··· 33

<표 3-6> 에너지원별 연간 대기오염물질 배출량 비교 ··· 34

<표 4-1> 국가별 추출된 언론기사 개수 ··· 39

<표 4-2> 한국의 상위 20개 빈출 단어 ··· 45

<표 4-3> 미국의 상위 20개 빈출 단어 ··· 46

<표 4-4> 영국의 상위 20개 빈출 단어 ··· 47

<표 4-5> 각국별 핵융합 관련 SNS 문서 건수 ··· 48

<표 4-6> 한국의 핵융합 관련 SNS 주요 긍정단어 ··· 54

<표 4-7> 한국의 핵융합 관련 SNS 주요 부정단어 ··· 56

<표 4-8> 미국의 핵융합 관련 SNS 주요 긍정단어 ··· 57

<표 4-9> 미국의 핵융합 관련 SNS 주요 부정단어 ··· 59

<표 4-10> 영국의 핵융합 관련 SNS 주요 긍정단어 ··· 61

<표 4-11> 영국의 핵융합 관련 SNS 주요 부정단어 ··· 62

(16)

그림 차례

[그림 2-1] 2050년 에너지원별 발전비용 추정 ··· 4

[그림 2-2] 토카막과 스텔러레이터의 비교 ··· 5

[그림 2-3] ITER 부대설비의 국가별 현물출자 현황 ··· 9

[그림 2-4] ITER 건설현장 ··· 10

[그림 2-5] 세계 주요 핵융합 실험로의 발전단계 ··· 20

[그림 3-1] 2050년 에너지원별 발전비용 추정(1) ··· 26

[그림 3-2] 2050년 에너지원별 발전비용 추정(2) ··· 27

[그림 3-3] 발전원별 LCOE ··· 30

[그림 4-1] 한국의 핵융합 관련 SNS 문서 건수 추이 ··· 49

[그림 4-2] 미국의 핵융합 관련 SNS 문서 건수 추이 ··· 50

[그림 4-3] 영국의 핵융합 관련 SNS 문서 건수 추이 ··· 50

(17)

제1장 서 론

핵융합발전은 기술이 완성된다는 전제 하에 최적의 미래 대체에너 지원이 될 수 있다는 기대를 갖게 한다. 핵융합 기술은 기존 원자력 발전에 비해 고준위 방사성폐기물이 발생하지 않으며 사고위험도 현 저히 낮은 것으로 알려져 있다. 또한 온실가스 배출도 거의 없으며 원 료가 되는 중수소는 바닷물 속에 거의 무한정 존재한다.

한국은 핵융합발전 기술 개발에 있어 선진국들과 함께 공동개발을 진행하는 등 주도적인 역할을 담당하고 있다. 국제핵융합실험로 공동 건설 프로젝트인 ITER에 회원국으로 참여하고 있으며, 독자적으로 한 국형 핵융합연구장치인 KSTAR를 개발하여 상용화 기술 개발을 추진 중이다. 핵융합기술 도입은 사회·경제적으로 상당한 파급효과를 일으 킬 것으로 보이는데, 에너지원들이 저마다의 장단점을 가지고 있으나, 핵융합에너지는 기타 에너지원 대비 다양한 측면에서 경쟁우위를 가 지고 있어, 상용화된다면 타 에너지원의 강력한 대체원이 될 수 있다.

핵융합발전에 관한 관심이 증대되고 세계무대에서 우리나라가 주도 적인 역할을 하고 있지만, 핵융합기술에 대한 기존의 연구들은 기술공 학적 접근이 대부분이며, 사회경제적인 측면에서 분석을 시도한 연구 는 부족한 상황이다. 특히, 핵융합기술에 대한 사회적 인식에 관한 논 의가 부족하다. 신기술의 확산이 원활하게 진행되려면 그 기술에 대한 사회적 수용성이 뒷받침되어야 한다.

본 연구는 이에 핵융합발전에 관한 사회경제적 인식의 현 주소를 이해하고 개선점을 도출하고자 한다. 핵융합과 관련한 전문가 인식은

(18)

기존 연구문헌을 검토하고 종합함으로써 정리하고, 일반인의 인식은 텍스트 형태의 빅데이터를 분석하여 탐구하고자 한다. 이를 통해 핵융 합발전과 관련한 인식 현황을 살펴보고 보다 발전된 방향으로 개선할 방안을 모색한다. 나아가 사회과학 차원에서 핵융합발전 관련 정책연 구 과제를 제시함으로써 핵융합 연구개발의 균형 있는 발전에 기여하 고자 한다.

(19)

제2장 핵융합발전 기술개발 동향

1. 핵융합발전의 원리와 장단점

가. 핵융합의 원리

핵융합은 원자핵이 합쳐지는 반응으로, 고온에서 가벼운 원자핵들 을 융합시켜 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서 에너지를 얻어내는 것이다. 원자가 가벼울수록 핵융합 반응이 일어날 가능성이 커지는 데, 가장 가벼운 원소가 수소이기 때문에 핵융합의 원료로는 수소 가 사용되며, 중수소-삼중수소 반응이 핵융합 반응에 가장 유리한 조 건이다1).

현재 운영 중인 원자력발전소는 무거운 원자(우라늄)을 분열시키는 과정에서 나오는 에너지를 활용하는 것이다. 핵융합과 핵분열 과정 에서 생기는 질량 차이가 E=mc2 원리에 의해 에너지로 변환되어 나 오는데, 핵융합 과정에서 나오는 에너지가 핵분열보다 7배 이상 많 다2).

1) 태양이 핵융합으로 에너지를 생산하는 대표적인 예인데, 태양은 수소가 핵융합 반응으로 헬륨으로 바뀌는 과정에서 나오는 에너지를 방출한다. 중수소는 수소 원자 내에 양성자 1개와 중성자 2개가 있는 것이고, 삼중수소는 양성자 1개와 중성자 3개가 있는 것이다.

2) 우라늄-235 1kg이 핵분열할 때 나오는 에너지가 200억kcal 정도인 반면, 수소

(20)

[그림 2-1] 2050년 에너지원별 발전비용 추정

[핵융합에너지 발생원리] [핵분열에너지 발생원리]

자료 : 국가핵융합연구소 홈페이지(https://www.nfri.re.kr/pr/nuclear_01.php; 검색일 : 2016.10.13.)

핵융합반응을 유도하는 방식은 자기 가둠 핵융합과 관성 가둠 핵융 합으로 나뉜다. 자기 가둠 핵융합(Magnetic Confinement Fusion, MCF) 이란 플라즈마3)를 자기장을 이용하여 가두어놓는 방식이며, 이에 해당 하는 핵융합로는 토카막(Tokamak)과 스텔러레이터(Stellarator)가 있다.

관성 가둠 핵융합(Inertial Confinement Fusion, ICF)이란 중수소와 삼중수소의 혼합물로 이루어져 있는 연료 펠릿에 레이저를 쏘아 열 과 압력을 가함으로써 핵융합 반응을 일으키는 것으로 에너지 생산 뿐 아니라 무기생산과도 연관되어 연구가 진행 중이다.

3) 플라즈마란 고체, 액체, 기체 등 3가지 상태와 다른 네 번째 상태로, 기체를 계 속 가열하면 너무 많은 에너지를 흡수한 전자가 원자로부터 떨어져 나오고, 전자 를 잃은 원자는 양이온 상태가 되는데, 이처럼 고온에서 이온과 전자가 뒤섞여 존재하는 상태를 가리킨다. 핵융합은 플라즈마 상태에서 일어난다.

(21)

[그림 2-2] 토카막과 스텔러레이터의 비교

자료 : The Economist(2015.10)

나. 핵융합의 장단점

핵융합에너지의 장점으로는 청정한 에너지, 풍부한 연료, 대규모 전력의 안정적 공급, 사고위험과 사용후핵연료 문제가 거의 없는 점 등이 꼽힌다.

핵융합에너지는 발전과정에서 이산화탄소나 미세먼지를 배출하지 않는다. 연료인 중수소는 바닷물에서 전기분해를 통해 얻을 수 있고 삼중수소는 리튬에 중성자를 가해 얻을 수 있다. 핵융합발전이 상용 화 될 경우 발전용량은 1GW 이상이 될 것으로 예상되며, 연료를 얻 는 비용이 낮아 기저전원으로 쓰일 수 있다. 대형사고의 위험이 거 의 없는데, 그 이유는 핵융합 반응로 안에서 일어나는 핵융합 반응 은 연료를 지속적으로 공급해주어야 하며, 그렇지 않으면 반응이 금 방 끝나버리기 때문이다. 또한 세심한 제어과정이 없으면 반응이 지 속되지 않는다. 핵융합발전에서 나오는 방사성 폐기물은 삼중수소와

(22)

방사능에 오염된 구조물인데, 방사능 준위가 낮은 중저준위 폐기물 이고, 삼중수소의 반감기는 12년에 불과하다. 핵무기로 쓰이는 우라 늄과 플루토늄을 사용하지 않기 때문에 핵확산의 위협에서 자유롭다.

이러한 장점들 때문에 핵융합에너지는 미래 에너지원으로 주목받고 있으며, 주요국들은 연구개발에 대해 활발히 투자하고 있다.

그러나 핵융합발전을 실현시키기 위한 기술개발에 난제가 너무 많 아 상용화에 너무 많은 시간과 자본이 소요된다는 단점이 있다. 핵 융합의 상용화는 너무 먼 미래의 일인 반면 온실가스 증가에 의한 기후변화 문제 해결은 시급한 사안인데, 핵융합에 투자되는 막대한 자본을 신재생에너지 등에 투자하는 것이 더 낫다는 주장이 제기되 고 있다.

2. ITER 프로젝트 추진현황

가. ITER 건설 추진 배경

핵융합발전의 상용화를 위해서는 핵융합로의 대형화가 필요하며, 이에 따른 대규모 투자가 필요하다. 현재 핵융합 기술 수준에서는 핵융합반응을 위해 투입되는 에너지에 비해 핵융합으로 인해 생산되 는 에너지(Q)4)가 많지 않은 상황이다. 핵융합로의 부피를 키우는 것 이 Q값을 높이는 방안 중에 하나이다. 핵융합로의 반경을 늘리면 생

4) Q(에너지증배율)은 핵융합로 안의 플라즈마를 가열하는데 투입되는 에너지와 핵 융합으로 인해 생산되는 에너지의 비율을 의미한다. 현재 Q값의 최고 기록은 일 본의 JT-60U에서 달성한 1.25임. 핵융합발전이 경제성을 갖추려면 Q값이 최소 20 이상 되어야 하며, 차후 핵융합 실증로의 Q값은 30으로 설계될 것으로 예상 된다.

(23)

산되는 에너지의 양은 세제곱에 비례해 늘어나고 손실되는 양은 반 경에 비례에 늘어나기 때문이다. 핵융합로를 크게 짓는 데는 천문학 적인 금액의 투자가 필요하며 리스크가 크다. 핵융합을 연구개발하 는 개별 국가 입장에서는 다른 나라가 먼저 대형 핵융합로를 짓고 검증하는 것을 기다렸다가 그 결과를 본 이후에 투자하려는 유인이 있다.

이에 세계 핵융합 연구개발 국가들이 모여 공동으로 대형 토카막을 건설하기로 했으며, 이것이 바로 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor, 국제핵융합실험로)이다. ITER사업은 1985년 미·소 정상회담에서 채택된 ‘핵융합 연구개발 추진에 관한 공동성명’

이 계기가 되었다. 당시 미국, EU, 소련, 일본 등 몇몇 국가들이 핵 융합 연구를 독자적으로 행하고 있었으나, 위의 정상회담을 계기로 4개 국가가 ITER사업을 추진하였다. 1988년 IAEA 산하에 ITER 이 사회를 구성하였고, 2003년 한국과 중국이, 2005년에는 인도가 회원 국으로 참여하여 총 7개 국가가 참여 중이다.

ITER를 자국에 유치하려고 했던 EU와 일본이 건설부지 선정을 놓고 치열하게 경쟁하였고, 2005년 6월 각 참여국은 ITER 장치를 프랑스 남부 카다라쉬 지방에 짓기로 결정하였다. 2006년 11월 7개 국이 ITER 공동이행 협정에 서명함으로써 ITER 프로젝트가 공식적 으로 시작되었다.

나. ITER 프로젝트 추진 현황

ITER 프로젝트는 건설단계, 운영단계, 방사능 감쇄 단계, 폐로 단

(24)

계 등 4단계로 진행된다. 당초 계획은 2007년에 건설을 시작하여 2020년에 ITER를 완공하고 운영을 시작할 계획이었으나5), 올해 6월 이사회에서 완공시점이 5년 지연되어 2025년에 완공되는 것으로 결 정되었다. ITER 이사회는 수정된 프로젝트 일정을 올해 11월 최종 승인하였다.

사업비용도 원래 131.8억 유로로 예상되었으나 40억 유로가 추가 되었다. 총 건설비에서 45.46%를 ITER를 유치한 EU에서 분담하고 나머지 54.54%를 6개국에서 9.09%씩 분담한다. 이후 운영, 감쇄, 폐 로 단계에서는 EU가 34%, 미국과 일본이 각각 13%씩, 나머지 4개 국이 10%씩 분담한다.

재원분담 방식은 장치제작, ITER 국제기구 직원 파견 등을 포함한 현물 분담이 78%, 직접비, ITER 국제기구 운영비, 직접고용 인건비 등을 포함하는 현금분담 22%로 구성된다. 현물 분담시 참여국은 할 당된 조달품목을 제작 및 납품하고, ITER 기구가 주도하여 현장에서 조립 및 완성한다. 이 때 출자한 것으로 인정되는 금액은 참여국이 실제로 투입한 비용과는 상관없이 납품 완료 후 ITER 기구로부터

5) 당초 계획은 건설단계 2007~2019년(12년), 운영단계 2019~2037년(18년), 감쇄단 계 2037~2042년(5년)이며, 해체단계는 2042년 이후에 이루어지는 것이었다.

건설단계 71.1억 유로(4574.7kIUA) 2007~2019년(12년)

운영단계 매년 2.9억 유로(188kIUA, 총 52.5억 유로) 2019~2037년(18년)

감쇄단계 2.8억 유로 2037~2042(5년)

해체단계 5.3억 유로 2042년 이후

합계 131.8억 유로

주 : kIUA는 kilo ITER UNIT of Accounts의 준말로 ITER 화폐단위이며, 1kIUA 는 1.552백만 유로임..(2010년 6월 말 기준)

자료 : ITER 한국사업단 홈페이지(http://www.iterkorea.org/0202; 검색일: 2016.10.18.)

<표 2-1> 수정 이전 ITER 프로젝트 단계별 사업비와 기간

(25)

인정받는 금액이다.

ITER 프로젝트의 최종 목표는 50MW의 에너지를 투입하여 열 출 력 500MW를 달성하는 것이며, ITER 회원국들은 ITER 운영경험을 바탕으로 각국에 핵융합 발전 실증로를 건설할 계획이다. ITER 건설 부지 면적은 42ha(60만m2)로 축구장 60개의 크기와 같다. 2007년 부지정비 작업으로 착공에 들어갔고, 2014년 기준으로 약 25%의 공 사가 진행되었다. ITER 프로젝트는 출력 500MW, Q값 10 이상, 핵 융합 시간 400초 이상 등의 주요 지표를 달성하는 것이 목표이다.

ITER를 통해 얻은 연구결과는 향후 각국에서 핵융합 실증로 (DEMO)를 설계 및 건설, 운영하는데 중요한 자료로 사용될 예정이 다.

[그림 2-3] ITER 부대설비의 국가별 현물출자 현황

자료 : ITER(2006)

(26)

[그림 2-4] ITER 건설현장

자료 : ITER국제기구 홈페이지(https://www.iter.org/newsline/-/2555; 검색일 : 2016.10.18.)

3. 주요국 핵융합발전 기술개발 추진동향

가. 미국

미국은 1950년대부터 군사적 목적으로 핵융합 연구를 시작하였으 며, 이후 에너지 확보를 위한 연구도 진행 중이다. 에너지부(DOE) 에너지부 산하에 있는 과학국(Office of Science)과 국가핵안보국 (NNSA)에서 관련 연구를 담당하고 있다. 과학국은 에너지원 개발을 목표로 하는 자기 가둠 핵융합을, 국가핵안보국(NNSA)는 핵무기 개 발과 관련된 관성 가둠 핵융합을 담당한다.

세계에서 가장 많은 금액을 핵융합 기술 개발에 투자하고 있으며, 세계 핵융합 기술개발의 거의 모든 분야에서 가장 높은 수준의 역량

(27)

을 보유하고 있는 것으로 평가받고 있다. 오바마 정부 출범 이후 저 탄소 정책을 강화함에 따라 핵융합 연구개발에 대한 정책적 지원도 확대되고 있다.

구분 2012년 2013년 2014년 2015년 2016년

자기장 핵융합 393 377 504 467 420

관성 핵융합 474 456 512 512 502

867 833 1016 979 922

주 : 2016년은 예산 요구서 기준 자료 : DOE(2015.2)

<표 2-2> 미국의 핵융합 연구개발 예산

(단위 : 백만 달러)

주요 핵융합 연구장치로는 군수업체인 General Atomic社가 운영 중인 DIII-D, 프린스턴 플라즈마 물리연구소(PPPL)의 토카막 장치인 NSTX, MIT의 토카막 C-Mod 등이 있다. 현재 시점에서 PPPL의 NSTX는 지난 4년 간 업그레이드 중이고, MIT의 C-Mod는 예산 문 제로 가동 정지 중이어서, 가동 중인 핵융합로는 DIII-D가 유일하다.

자기 가둠 핵융합과 관성 가둠 핵융합 연구 결과에 따라 핵융합 실증로(DEMO) 노형을 결정하고, 2035년까지 실증로를 완공 및 운 영하고자 한다. 국립점화시설(NIF)에서 연구 중인 관성 가둠 핵융합 의 연구결과와 토카막 장치인 ITER의 연구결과를 비교하여, 2019 년 둘 중 하나를 택하여 집중 추진할 계획이다.

(28)

나. 러시아

1951년 구소련의 사하로프라는 연구자가 토카막 개념을 고안하여 제안하였다. 구소련의 토카막 장치(T-3)에서의 연구성과는 전 세계 대부분의 핵융합 연구가 토카막을 중심으로 수행되는 데 중요한 계 기가 되었다.

주요 연구장치로는 1968년 세계 최초로 1,000만℃의 플라즈마를 생산해 낸 토카막인 T-3가 있고, 그 후로도 T-7, T-10, T-15 등이 건설되었다. 가장 최근까지 활용된 것은 1988년 운전을 시작한 T-15 이다.

그러나 T-15의 운영이 예산부족 문제로 중단되면서 토카막 장치를 이용한 연구는 중단되었고, 현재는 개별 연구소 차원에서 핵융합 관 련 연구가 진행 중이다.

다. EU

EU에서는 핵융합을 미래 주요 에너지기술로 평가하고 이를 위한 투자를 확대하고 있다. EU의 핵융합에너지 개발은 27개 가입국이 EURATOM(유럽원자력공동체) 조약에 따라 핵융합 연구개발을 공동 으로 수행하고 있다. 2050년대까지 핵융합 상용화를 달성하기 위한

‘EU 핵융합에너지 개발 로드맵’을 발표하였다.

(29)

구 분 2012 2013 2014~2018 2019~2020 합계

ITER 7.5 5.5 25.5 3.4 40

EU Fusion 1.2 1.5 7.08* 3.8 13.58

구 분 2014 2015 2016 2017 2018 합계

Fusion Joint

Programme 0.77 0.72 0.82 1.02 1.25 4.58

JET 0.63 0.50 0.50 0.50 0.37 2.50

Total 1.40 1.22 1.32 1.52 1.62 7.08

자료 : 주벨기에·유럽연합대사관(2011); EFDA(2012); European Commission Decision C(2015); 국가핵융합연구소(2016.1)

<표 2-3> EU의 핵융합 R&D 예산

(단위 : 억 유로)

EU에서 공동으로 추진하는 핵융합 장치로는 영국 Culham에 위치 한 JET가 있다. JET는 유럽 국가들의 합작 결과이며, 유럽 각국에서 40개 이상의 연구소들이 공동으로 사용하고 있다. 유럽 전체에서 모 인 350명 이상의 과학자와 엔지니어가 JET 프로그램에 기여하고 있 다. JET는 현존하는 토카막 장치 중에 가장 크고 가장 높은 핵융합 출력을 기록한 바 있어, 가장 높은 수준의 장치로 인정받고 있다. 현 재 운영되는 핵융합 장치 중에 유일하게 중수소-삼중수소 반응을 실 험하고 있다.

개별 국가차원에서는 영국, 프랑스, 독일, 이탈리아, 스페인 등 5개 국가가 핵융합 기술개발 연구를 진행 중이다. 영국은 JET를 유치하 여 국립 Culham핵융합연구소를 중심으로 관련 연구를 진행 중이다.

중수소-삼중수소 핵융합 반응 실험, 로봇팔을 이용한 원격작업 등에 강점을 보이고 있다. 프랑스는 토카막 장치인 Tore Supra를 건설하 여 1988년부터 독자적으로 운영해 왔다. 독일은 1990년부터

(30)

ASDEX-U 토카막 장치를 가동했으며, 내열이 중요시 되는 토카막 내벽재료로 텅스텐 벽을 실험 중이다. 이탈리아는 FT-U를 운영하면 서 점화장치의 설계와 개발을 추진 중이다. 스페인은 JT-Ⅱ를 운영 하며 플라즈마 진단연구를 주로 수행한다.

관성 가둠 핵융합 연구도 진행 중인데, 프랑스에서 건설 중인 LMJ(Laser Mega Joule)은 총 30억 유로를 투자하여 2012년 완공하 였으며, 군사목적의 물리실험을 위해 2014년 10월 첫 번째 실험을 하였다. 또한 영국, 이탈리아 등 6개국은 HiPER(High Power laser Energy Research)를 건설 추진 중이다.

라. 일본

자원이 부족한 일본은 핵융합을 에너지와 환경 문제를 동시에 해 결할 수 있는 에너지로 인식하고 관련 연구에 적극적으로 참여하고 있다. 일본은 1950년대 말부터 핵융합 연구를 시작하였으며 1970년 대 초 JT-60 건설에 착수하면서 본격화되었다. 1990년부터 대규모의 투자가 이루어졌으며, 자기 가둠 핵융합과 관성 가둠 핵융합을 동시 에 연구개발하고 있다. EU와 공동협력 협정(Broader Appoch, BA)을 체결하여 ITER 운영 및 실증로 실험연구를 위한 선행 연구장치로 JT-60SA를 조립 진행 중이며, 핵융합재료 연구시설을 공동으로 설계 중이다. 미국, EU와 함께 세계에서 핵융합 기술수준이 가장 높은 국 가로 평가되고 있다.

(31)

ITER Broad Approach(BA)

Large Helical

Device 기타 합계1)

2012 51 42 44 145 282

2013 145 47 44 162 398

2014 217 34 44 - 295

2015 184 35 44 - 263

주 : 연도별 예산은 직접비만 산정, JT-60U 사업, GEKKO XII 사업, NIFS 및 JAEA 기관운영비 미포함

자료 : http://www.mext.go.jp/a_menu/kaikei/index.htm; http://www.jaea.go.jp/02/2_13.shtml;

국가핵융합연구소(2016)

<표 2-4> 일본의 핵융합 R&D 예산

(단위 : 억 엔)

주요 연구장치로는 토카막 장치인 JT-60SA, 스텔러레이터인 LHD, 레이저 핵융합 장치인 LFEX, 차세대 레이저 핵융합 장치 FIREX-Ⅱ 등 다양한 핵융합 연구장치가 있다. JT-60SA는 1985년 가동을 시작 한 JT-60(Japanese Tokamak-60)를 개조하여 1991년 JT-60U로 업그 레이드하고, 이를 다시 초전도자석으로 업그레이드하는 작업을 2013 년 시작하여 2019년 완공을 목표로 하고 있는 모델이다. LHD(Large Helical Device)는 일본 나고야의 일본핵융합연구소에 설치된 초전도 스텔러레이터로 1998년 운영을 시작하였고, 세계 최대 규모이며 2017년부터 중수소를 이용한 실험을 할 예정이다. LFEX(Laser Energy EXperiment)는 2014년 11월 건설을 완료하였다. FIREX-Ⅱ 는 차세대 레이저 핵융합 장치로 2025년까지 국제 고속점화 실현, 2040년 이전 전력 생산이 목표이다.

2050년대 1세대 핵융합 상용화 실현 계획 하에 핵융합 연구 로드

(32)

맵을 수립하여 추진 중이다6). 2036년 핵융합 원형로(proto type) 건 설을 목표로 18개 분야 1,000개 항목에 대한 로드맵을 작성하여 추 진 중이다. 자장 가둠 핵융합과 관성 가둠 핵융합 2가지 유형의 DEMO 건설을 추진하고 있다. 2030년대 DEMO 건설 및 2040년대 운영을 목표로 한다.

마. 중국

중국은 급증하는 자국 내 에너지수요에 대응하기 위해 핵융합에너 지 개발을 적극적으로 추진 중이다. 1950년대 말부터 소규모로 플라 즈마에 대한 연구를 시작하였고 1960년대 중반 들어 CNNC가 남서 물리연구소(SWIP)를 설립하면서 핵융합 연구가 본격화 되었으며, 1970년대 중국과학원 플라즈마물리연구소(ASIPP)를 설립하였다. 후 진타오 전 주석과 시진핑 주석이 플라즈마물리연구소를 방문하는 등 핵융합에너지에 대한 적극적인 관심과 개발의지를 표명하고 있다.

자기 가둠 핵융합 연구를 위해 2008년~2015년까지 113개의 프로 그램을 운영하고 약 35억 위안(약 6,400억원)을 지원하였다. 또한 향 후 10년간 ITER 및 관련 연구개발에 12억 달러를 투자할 예정이 다7).

주요 연구장치로는 플라즈마물리연구소가 운영하는 EAST가 있다.

EAST는 2006년 완공된 초전도 토카막 장치로, 최근 몇 년간 성능개

6) 일본의 핵융합 개발 단계 : 기초연구·개발 → 실험로(이론 실증) → 원형로(실용화 가능성 타진) → 실증로(안전성과 경제성 입증) → 상업로(상업적 이용)

7) 중국은 정부차원의 공식적인 전체 핵융합 예산을 공개하고 있지 않으나, 한국 국가 핵융합연구소에서 중국과학원 등의 발표자료를 토대로 추정한 금액이다.

(33)

선을 위한 대규모 투자가 이루어져 장치성능이 대폭 개선되었다. 중 국은 EAST를 ITER 프로젝트를 위한 기술의 시험장으로 사용한다는 계획이다. EAST외에도 러시아에서 1984년에 들여온 초전도 토카막 을 기초로 제작한 HT-7, 레이저 핵융합 시설인 SG-Ⅱ, 2020년 완공 을 목표로 건설 중인 세계 최대 규모(2MJ)의 레이저 핵융합 시설 SG-Ⅲ 등이 있다.

2020년대 혼성원자로8)를 개발하고 2030년대 DEMO를 건설한다는 공격적인 상용화 목표를 제시하였다. 2010년부터 150MW 규모의 혼 성원자로 설계를 시작으로 ITER 참여를 통한 순수 핵융합 DEMO도 추진한다는 계획이다. 2030년까지 실증로인 CFETR(China Fusion Engineering Testing Reactor)를 완공하여 Q값을 10 이상 기록하는 것을 목표로 하고 있다9).

바. 인도

인도는 일찍부터 원자력을 개발해 왔으며, 급증하는 에너지 수요 에 대응하면서 청정에너지를 확보하고자 핵융합 기술개발을 추진하 고 있다. 인도는 1970년대 초반 우주 플라즈마 현상에 대한 연구가 핵융합 연구의 기초가 되었고, 이후 1978년 트로이달 장치를 이용한 플라즈마 연구를 수행하였다. 1982년부터 고온 플라즈마의 자기 가

8) 혼성원자로(Fusion-Fission Hybrid Reactor, FFHR) : 핵융합으로 발생된 다량의 중성 자를 핵분열의 결과물로 생성된 사용후핵연료에 반응시켜 에너지를 생산하는 방식.

이 방식에 따르면 사용후핵연료를 이용해 에너지를 생산할 수 있을 뿐 아니라 폐 기물 처리문제도 해결된다.

9) 중국의 핵융합 R&D 로드맵 : EAST(2010년대) → ITER(2020년대) → CFETR(2030년대)

(34)

둠 연구를 시작으로 플라즈마 물리 프로그램을 시작하였다.

주요 연구장치로는 ADITYA와 SST-1이 있다. ADITYA는 1989년 가동을 시작한 중간 정도 크기의 토카막으로 현재까지 운영 중이며 장치 업그레이드가 지속적으로 이루어졌다. SST-1은 2005년 완공된 중대형 토카막 장치이며, 고성능 플라즈마를 정상상태로 운전하는 것이 목표이다.

사. 한국

우리나라는 주요국들에 비해 핵융합 연구에 참여하는 시기가 가장 늦었지만, 중간진입전략10)으로 짧은 기간에 안에 주요 핵융합 연구 개발 국가로 도약하였다. 1970년 후반부터 서울대(SNUT-79), 원자력 연구원(KT-1), KAIST(KAIST-T), 기초과학지원연구원(한빛) 등 개별 대학이나 연구소 차원에서 기초과학 수준의 연구를 수행하였다.

1995년 대형 초전도 토카막(KSTAR) 건설을 목표로 국가핵융합연구 개발 기본계획을 수립하면서 연구가 본격화되었다. 2007년까지 3,090억원을 투자하여 KSTAR를 완공하고 2008년 최초 플라즈마 발 생 실험에 성공함으로써 주요 핵융합 연구개발 국가로 부상하였다.

2007년 ‘1차 핵융합에너지 개발진흥 기본계획’을 시작으로 5년마다 동 계획을 수립하여 핵융합에 대한 정책적 지원을 하고 있다. 정부 의 핵융합 R&D 투자도 2007년 573억원에서 2015년 1,424억원으로 증가하였다.

10) 중간진입전략 : 외국의 다양한 기초연구 성과를 중간단계에서 도입하여 짧은 시 간과 적은 비용으로 선진국의 기술성과를 따라잡는 전략

(35)

사업명 2013년 2014년 2015년

KSTAR 연구 32,714 34,404 35,654

ITER 공동개발 사업 84,200 66,400 84,600

대학중심 핵융합 기초연구 및

인력양성지원 사업 6,700 5,712 6,712

국가핵융합연구소 기관고유 사업 15,069 18,349 15,494

합계 138,683 124,865 142,460

자료 : 미래창조과학부(2015.5)

<표 2-5> 핵융합 관련 사업 투자액

(단위 : 백만 원)

주요 연구장치로는 KSTAR가 있다. 프린스턴 대학교가 설계하여 추진하던 토카막 물리실험장치(TPX)가 연구예산 축소로 건설하지 못 하게 되자, 1996년 우리나라 정부가 TPX의 설계도를 넘겨받아 대전 에 핵융합 실험로를 짓겠다는 연구협정을 제안하였다. 제안이 받아들 여져 실험로 건설이 시작되었고 2007년 완성되었는데 이것이 KSTAR 이다. KSTAR는 초전도 토카막 장치로서 전 세계에서 유일하게 ITER 에 사용되는 초전도 자석과 동일한 재료의 자석을 사용한다. KSTAR 를 개발하면서 초전도 자석 기술과 진공용기 제작 및 조립 기술이 발 달하였고, ITER 프로젝트에서 해당 기술 분야는 우리나라가 담당하고 있다.

우리나라는 2040년대 상용 핵융합발전소 건설을 목표로 하고 있다.

2037년경 DEMO에 의한 전기생산 실증을 목표로 2010년 DEMO 설 를 시작하여 2020년경 건설을 시작할 계획이다. 한국형 핵융합발전소 는 2037년경에 공학설계를 완성하여 2040년대 상용발전소를 통한 대 용량 전기생산을 목표로 하고 있다.

(36)

아. 종합

세계 주요국들은 핵융합 기술개발을 위해 국가간 협력과 함께 자 국만의 핵융합 기술개발 노력을 동시에 경주하고 있다. ITER는 국제 사회의 협력으로 프로젝트가 추진되고 있는 대표적인 예이며, 영국 에 있는 JET은 EU국가들의 공동 노력으로 건설된 것이고 일본의 JT-60SA 역시 일본과 EU간 협력으로 건설되고 있다. 동시에 각국은 자국만의 핵융합 기술개발을 추진하면서 상용화를 앞당기고자 노력 하고 있다. 현재 각국의 핵융합기술 상용화 계획을 종합해보면, ITER의 완공 및 가동 이후 각국에서 2020년대 중반에 DEMO의 설 계를 시작하여 2030년대에 DEMO가 완공 및 운영되고, 2040년대에 상용로 개발을 시작하여 2050년대에 상용화가 이루어질 것으로 보인 다.

[그림 2-5] 세계 주요 핵융합 실험로의 발전단계

자료 : ITER 한국사업단 홈페이지(http://www.iterkorea.org/0202; 검색일: 2016.10.21.)

(37)

구분 초전도토카막 상전도토카막

KSTAR(한국) EAST(중국) JT-60SA(일본) ITER(국제공동) DⅢ-D(미국) JET(영국) ASDEX-U(독일)

기관

(위치) NFRI(대전) 중국과학원

(Hefei)

JAEA(Naka) EU와 공동건설

ITER국제기구 카다라쉬

General Atomics (San Diego)

EFDA(Culham) (EU 공동건설)

Max Planck (Garching)

완공 2007년 2006년 2019년(예정) 2025년(예정) 1986년 1983년 1991년

주반경

(장치크기) 1.8m 1.7m 3.16m 6.2m 1.66m 2.96m 1.65m

자석재료 Nb3Sn & NbTi

(ITER 동일재료) NbTi Nb3Sn(CS)&

NbTi(TF, PF)

Nb3Sn(TF, CS)

& NbTi(PF) Cu(상전도) Cu(상전도) Cu(상전도) 최고성과 및

의의

고성능 장시간 운전기술확보

장시간

운영기술 확보 Q ~ 1.25 달성

핵융합출력(500 MW) 공학적

실증

고성능 AT 운전

핵융합출력 16MW 달성(1997)

최초로 H-모드 발견, 텅스텐벽

실험

의의

Nb3Sn 초전도자석을 사용한 세계 최초의

핵융합 장치

NbTi 초전도자석을

사용한 장치

JT-60U(상전도 토카막) 장치를 초전도자석으로 업그레이드 중

핵융합에너지 상용화를 위한

최종 공학적 실증로

기존 H-mode를 초과한 고성능 AT 운전 달성

현재 최대 규모의 상전도 토카막 장치로 핵융합 출력 16MW 달성

최초로 H-mode 발견 주 : H-mode는 토카막 내에서 발견된 높은 가둠 성능(온도, 밀도상승 등)을 보이는 운전영역을 의미함.

자료 : 교육과학기술부(2011.12)

<표 2-6> 세계 주요 핵융합장치 비교

(38)

4. 핵융합발전 상용화의 주요 난제11)

가. 안정적 전력생산

핵융합 발전은 초기 건설비용이 높고 연료비가 낮기 때문에 기저 전원으로서 역할을 할 것으로 예상되며, 따라서 이용율을 최소 80%

이상 유지하면서 비정상적으로 정지하는 일이 거의 없어야 한다. 그 러나 토카막은 본질적으로 펄스에 의해 전력이 생산되는데, 매우 긴 펄스 모드로 운전된다고 하더라도 단속적으로 가동된다는 점에는 변 함이 없다. 연구자들은 초기 전압상승 이후 플라즈마의 움직임과 안 정성이 몇 시간 동안 유지될 수 있을 것이라고 제안하지만, 이러한 긴 펄스 운전은 안정적이고 지속적인 가동과는 분명한 차이가 있다.

이에 지속적인 가동을 위해 여러 가지 방안이 고려되고 있는데, 최 후의 대안으로는 하나의 발전소 안에 여러 개의 토카막을 두는 방법 이 있다. 예를 들어, 두 개의 토카막이 번갈아가며 가동하여 지속적 인 전력생산을 하는 것이다.

이렇게 안정적이고 지속적인 전력생산이 어렵다는 점에 대용량 전 원이라는 특성이 겹치면 더 큰 문제가 발생할 수 있다. 핵융합 발전 은 1.5GW 이상의 용량을 가질 것으로 예상되는데, 갑자기 가동이 멈춘다면 안정적인 전력수급에 위험한 요소가 된다. 또한 핵융합 발 전은 초기 가동을 위해 대규모의 전력이 필요하기 때문에, 재가동을 위한 전력을 공급받는데도 어려움이 있을 것으로 예상된다.

11) 본 절은 Institute of Physics(2008.9), “Fusion as an Energy Source : Challenges and Opportunities”와 국가핵융합연구소(2015.3), “인류가 원하는 미래에너지 - 핵융합의 세계”를 참고하여 작성하였음.

(39)

나. 극한 상황을 견디는 재료의 개발

핵융합 발전에 이용되는 구조물들은 극한의 상황에 처하게 되며, 이러한 극한의 상황을 견딜 수 있는 재료기술의 개발이 필요하다.

토카막 안에서 핵융합반응으로 인해 발생한 플라즈마는 매우 뜨거 운데, 이와 직접 접촉하는 것은 블랑켓과 다이버터이다. 블랑켓은 핵 융합이 일어나는 진공용기를 감싸는 것으로 중성자 에너지를 열로 변환하고 리튬을 이용해 삼중수소를 증식하는 역할을 한다. 다이버 터는 핵융합 반응에 쓰이지 않은 연료나 헬륨재를 핵융합 반응에 방 해가 되지 않도록 배출해주는 장치이다. 이 두 가지 장치가 받는 열 부하가 매우 높기 때문에 열 부하를 최소화하거나 견딜 수 있는 재 료를 개발해야 한다. 특히 블랑켓은 중성자의 운동에너지를 효율적 으로 흡수하고 냉각재에 열을 전달해야 하고, 삼중수소도 만들어야 하기 때문에 이러한 역할을 수행할 수 있는 재료의 개발이 필요하 다.

또한 핵융합 발전과정에서 플라즈마를 제어하기 위해 매우 높은 자기장이 반복적으로 가해지는데, 이로 인해 구조물에 피로가 쌓이 게 된다. 이러한 요인들은 구조물의 내구성을 약화시켜 부품을 자주 교체해야만 한다.

다. 삼중수소, 헬륨 등 원료 공급

삼중수소는 지구상에 자연적으로 거의 존재하지 않는다. 전 세계 에서 자연적으로 존재하는 삼중수소는 4kg이고, 인공적으로 약 40kg 이 만들어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 핵융합발전소 1기가 1년

(40)

에 사용하는 삼중수소의 양은 약 100kg에 달할 것으로 예상된다.

따라서 블랑켓에서 충분한 양의 삼중수소를 공급해주어야 하는데, 한 개의 중성자가 블랑켓에서 만들어내는 삼중수소는 현재의 설계값 기준으로 1.15개를 넘지 못하고 있다. 이 정도의 양으로는 자체적으 로 핵융합발전에 필요한 삼중수소를 충당할 수 없으며, 더 많은 삼 중수소를 만들어내는 블랑켓을 개발해야 한다.

라. 경제성

핵융합발전의 경제성을 위협하는 요소들이 많아 상용화에 장애물 이 될 수 있다. 핵융합으로 인해 발생한 중성자들은 주변의 장치들 과 부딪히고, 그 장치들은 방사화가 된다. 방사화된 장치들을 자주 교체해주어야 하는데 그 과정에서 경제성이 악화될 수 있다. 또한 방사화된 물질은 사람 손으로 직접 처리할 수 없기 때문에 원격 조 종 로봇을 사용해야 하는데 이 과정에서도 비용이 상승할 여지가 있 다. 또한 아래 3장에서 핵융합발전비용에 대해 분석한 선행연구들을 살펴보면 경쟁 에너지원에 비해 핵융합의 발전비용이 높은 것으로 나타나고 있어, 상용화에 가장 중요한 경제성 확보가 시급한 것으로 보인다.

(41)

제3장 핵융합발전의 경제성, 환경성, 안전성 검토

1. 핵융합발전의 경제성

핵융합발전의 발전비용에 대한 추정에는 많은 난제가 존재한다.

가장 큰 문제는 아직 핵융합발전의 상용화가 먼 미래의 일이기 때문 에, 추정을 위해 과감한 가정을 해야 하고 그 가정에 따른 추정값을 사용한다는 것이다. 이러한 어려움에도 불구하고 몇몇 연구자들은 핵융합발전의 경제성을 검토하기 위한 연구를 지속해왔다. 대부분의 연구는 LCOE(levelized cost of electricity) 방법을 이용하여 발전비 용을 추정하였는데, LCOE는 발전소 건설비용, 연료비, 운전유지비, 기타 비용 등 발전소 수명기간 중 발생하는 모든 비용을 현재가치로 환산하고 그것을 현재가치로 환산한 발전량으로 나눈 값이다. 본고 에서 검토한 연구들은 모두 온실가스 배출비용을 발전원가 산정 시 포함하였다.

Delene et al.(1999)는 2050년 핵융합의 발전비용을 69~99m$12) /kWh(1999년 달러 기준)으로 추정하였는데, 기준값은 87.4m$/kWh 이다. 이는 경쟁 에너지원의 발전비용에 비해 높은 것으로 평가된 것이다.

(42)

  석탄 가스복합 원자력 풍력 핵융합

Capital 26.7 8.8 29.7 24.7 72.1

O&M 8.5 4.5 8.6 4.6 9.0

Fuel 9.4 26.6 5.6 - 5.4

Decommiss-

ioning  - - 0.8 - 0.9

Other 20.0 8.7 - - -

Total COE 64.6 48.6 44.7 29.3b 87.4

Range 47–82 30–65 38–62 18–62 69–99

<표 3-1> 2050년 에너지원별 발전비용 추정(1)

(단위 : m$(1999년)/kWh)

자료 : Delene et al.(1999).

[그림 3-1] 2050년 에너지원별 발전비용 추정(1)

(단위 : m$(1999년)/kWh)

주 : 화석연료는 온실가스 배출비용이 포함된 값이며 노란색 점은 기준값을 의미함.

핵융합발전의 경우 1000~1300MW 규모의 발전소를 가정. 실질할인율은 5.02%

자료 : Delene et al.(1999).

(43)

Ward(2000)는 2050년 핵융합의 발전비용을 70~130m$/kWh로 추 정하였다. 이는 석탄발전과 원자력발전, 풍력발전보다는 높은 비용이 지만, 가스화력발전 보다 다소 낮은 비용이고 태양광발전에 비해서 는 상당히 낮은 비용이다. Ward(2000)는 2050년은 핵융합발전의 초 기단계이므로 향후 건설실적 증가에 따른 건설비용 하락으로 발전원 가는 더욱 경쟁력을 갖출 것으로 예상하였다.

[그림 3-2] 2050년 에너지원별 발전비용 추정(2)

(단위 : m$(1996년)/kWh)

주 : 추정비용의 최소값과 최대값 범위를 표시하였으며, 노란점은 중간값을 의미함.

자료: Ward, et al.(2000) 수정인용

(44)

발전원 현재 비용 (m$/㎾h)

’50년 추정 비용 (m$/㎾h)

석탄화력 30∼70 50∼120

가스화력 30∼80 60∼200

원자력 30∼80 30∼80

수력 20∼60 20∼100

바이오매스 80∼150 80∼150

풍력 40∼75 80∼300

태양광 200∼600 200∼600

조력 50∼100 70∼140

핵융합 70∼130

주 : 할인율은 5%, 7%, 10%를 각각 적용 자료: Ward, et al.(2000) 수정인용

<표 3-2> 2050년 에너지원별 발전비용 추정(2) (단위 : m$(1996년)/kWh)

그러나 Ward(2000)의 결과는 신재생에너지의 기술개발 가속화에 따른 발전비용 하락 등을 고려하지 않아 연구결과가 현실과 다소 동 떨어져 있다는 문제가 있다. 예를 들어 태양광발전의 비용이 2000년 과 2050년이 동일한 것으로 되어 있는데, 태양광발전 기술이 발전하 고 발전비용이 떨어지고 있는 현실을 감안했을 때 미래 태양광발전 비용은 현재보다 더욱 하락할 것으로 예상된다. 또한 2000년에 추정 한 발전비용으로 추정시점이 너무 오래되었기 때문에, 최근의 발전 비용 추정치를 반영하여 비교할 필요가 있다.

Gnansounou&Bedniaguine(2005)는 기술개발에 따른 발전비용 하락 을 반영하여 에너지원별 발전비용을 아래와 같이 추산하였다.

(45)

CO2

intensity

Invest.

Cost

O&M costs

Capacity factor

Average cost of electricity

% Effic-

iency  tCO2/M

Wh €/kW €/kW·

yr % €/kWh

2000 - 2020            

가스복합 56 0.36 550 29.5 85 0.034

원자력 37 - 1872 54.0 87 0.032

석탄(초임계) 46 0.77 1132 46.0 83 0.026

육상 풍력 - - 921 22.3 25 0.037

태양광 - - 4354 19.2 16 0.216

2040 - 2060

가스복합 62 0.33 415 25.7 87 0.042

원자력 42 - 1728 49.9 89 0.031

핵융합 46 - 6765 308.7 70 0.115

석탄가스복합 56 0.63 1037 52.7 85 0.028

석탄가스복합

+CCS 50 0.07 1417 133.8 80 0.046

육상풍력 - - 642 18.6 30 0.023

태양광 - - 2021 9.5 20 0.080

2080 - 2100

가스복합 66 0.31 368 24.3 89 0.062

원자력 48 - 1595 46.1 91 0.034

핵융합 50 - 4089 150.6 83 0.054

석탄가스복합 60 0.59 920 50.4 89 0.030

석탄가스복합

+CCS 54 0.07 1183 110.1 85 0.043

육상풍력 - - 751 35.3 44 0.020

태양광 - - 1104 7.0 24 0.038

<표 3-3> 2050년 에너지원별 발전비용 추정(3)

주 : 화폐단위는 2004년 유로 기준이며 할인율은 연 5% 적용 출처: Gnansounou&Bedniaguine(2005).

이에 따르면 핵융합발전의 초기단계인 2040~2060년에는 핵융합 의 발전비용이 다른 에너지원에 비해 가장 높고, 2080~2100년에 이 르러 경쟁력을 갖추게 될 것으로 추정되었다.

위의 3개 연구에서 제시한 핵융합 발전비용을 물가상승률을 반영

(46)

하여 2013년 기준으로 환산하면, 122.2m$/kWh(Delene et at., 1999) 에서 189.9m$/kWh(Gnansounou&Bedniaguine, 2005) 사이의 값을 보이고, 중간값은 150.7m$/kWh(Ward et at., 2000)이다. 이렇게 도 출된 핵융합 발전비용을 IEA/NEA에서 2015년에 발간한 ‘Projected Costs of Generating Electricity’에서 추산된 에너지원별 발전비용과 비교해 보았다. 그 결과, 핵융합의 추정 발전비용은 태양광 발전비용 과 비슷한 수준이며, 그 외의 가스, 석탄 등 화석연료와 원자력(핵분 열) 발전, 육상 풍력의 발전비용에 비해서는 높은 수준인 것으로 나 타났다.

[그림 3-3] 발전원별 LCOE

(m$(2013년)/kWh)

주 : 핵융합을 제외한 에너지원의 발전비용은 IEA/NEA(2015) Projected Cost of Generating Electricity에서 7%의 할인율 적용 값이며, 각 국가별 발전비용 중에서 최소값과 최대 값을 이용하여 범위를 그리고, 중간값은 노란점으로 표시. 태양광, 풍력발전비용은 상 업용 발전의 값 이용했으며, 풍력발전은 육상풍력의 값 이용.

자료 : IEA/NEA(2015)와 Delene et al.(1999), Ward et al.(2000), Gnansounou&

Bedniaguine(2005)을 이용하여 저자 작성

(47)

핵융합의 발전비용이 높게 추정되는 것은 초기 건설비용이 높은 것이 결정적인 원인으로 꼽힌다. Delene et al.(1999)의 연구에서 핵 융합발전소 건설비용은 kW당 3,120달러로 추산되었는데, 이는 석탄 발전소 1,282달러, 가스복합발전소 1,252달러, 원자력발전소 1,329달 러, 풍력발전소 650달러에 비해 최소 2.3배에서 최대 4.8배 높은 것 이다. Gnansounou&Bedniaguine(2005)의 연구에서도 2040~2060년 핵융합발전의 초기투자비용은 kW당 6,765유로로 가스복합발전소 415유로, 원자력발전소 1,728유로, 석탄가스화발전소 1,037유로, 육 상풍력발전소 642유로, 태양광발전소 2,021유로에 비해 최소 3배 이 상 비싼 수준이다.

핵융합발전소의 건설비용은 건설경험이 축적되면 점차 낮아질 것 으로 예상된다. 또한 주요 장비와 부품의 교체주기에 따라 발전비용 추정치가 달라지는데, 향후 재료공학 기술이 발전하여 교체주기가 길어진다면, 비용이 더 낮아질 여지가 있다. 다만, 그 비용 감소 속 도가 어느 정도 빠를 것인가가 관건이다.

2. 핵융합발전의 환경성

핵융합발전 중에는 온실가스나 미세먼지 등 대기오염물질이 발생 하지 않고 건설 및 해체과정 중에서 소량만 발생한다. 따라서 석탄, 가스 등 화석연료 발전원에 비해 환경성이 뛰어나다고 할 수 있다.

기존 원자력발전 역시 대기오염물질을 발생하지 않는다는 점에서 핵 융합발전과 비교되는데, 연구자에 따라 핵융합발전이 원자력발전보다 대기오염물질이 더 많이 배출되는 것으로 추정되기도 하고 더 적게

(48)

추정되기도 한다.

일본원자력연구소(이하 JAERI)는 건설, 운영, 해체 등 전주기 과정 중에서 발생하는 온실가스 배출량을 원자력발전의 경우 kWh당 5.7gCO2로 추정하였고, 핵융합발전은 6~12gCO2로 추정하였다(JAERI, 2000).

자료 : JAERI(2000).

<표 3-4> 에너지원별 전주기 온실가스 배출량 비교

White(1995.10)는 전주기 과정에서 석탄발전과 원자력발전, 핵융합 발전의 대기오염물질 배출 정도를 비교하였는데, 이 연구에서는 핵 융합발전의 온실가스배출량이 원자력보다 적은 것으로 분석되었다.

원자력발전에서 GWh당 15tonCO2가 발생하는 반면, 핵융합발전에서 는 9tonCO2가 발생하는 것으로 추정되었다. Meier(2000)는 가스발전 과정에서의 온실가스배출량을 추정하여 이 수치와 비교하였다.

(49)

자료 : Meier(2000).

<표 3-5> 에너지원별 전주기 이산화탄소 배출량 비교

White(1995.10)는 또한 전주기 과정에서 석탄발전과 원자력발전, 핵융합발전이 대기오염에 미치는 영향을 이산화탄소 외에도 이산화 황, 이산화질소, 일산화탄소, 미세먼지 배출량 측면에서도 비교해보 았다. 연구에 따르면, 핵융합은 원자력발전보다 이산화질소 배출량은 작으나 일산화탄소와 이산화황을 더 많이 배출할 것으로 추정되었고, 미세먼지 배출량은 비슷할 것으로 추정되었다.

(50)

자료 : White(1995.10).

<표 3-6> 에너지원별 연간 대기오염물질 배출량 비교

(단위 : 1,000톤/GW)

3. 핵융합발전의 안전성

핵융합발전은 원자력발전과 달리 사고위험이 거의 없는 것으로 알 려져 있다. 그 이유는 핵융합이 일어나기 위한 조건이 까다롭기 때 문이다. 핵융합이 일어나려면 외부에서 대규모의 전력을 공급하여 핵융합로를 뜨겁게 가열해 플라즈마 상태를 만들고 강력한 전자기장 을 형성하여 플라즈마를 가두어야 하는데, 전력공급이 차단되면 전 자기장이 소멸된다. 또한 핵융합을 위해서는 진공상태의 용기에 중 수소와 삼중수소를 지속적으로 공급해주어야 하는데, 자연재해 같은 비상사태가 발생하면 연료공급이 중단된다. 또한 세심한 제어과정이 없으면 핵융합은 저절로 이루어지지 않는다.

(51)

방사성폐기물도 원자력발전보다 현저히 작다. 핵융합의 결과물은 헬륨으로 방사성이 없다. 핵융합 과정에서 중성자로 인해 핵융합로 장비가 방사화되어 중준위 정도의 방사성물질이 되고, 원료인 삼중 수소는 반감기가 12년인 저준위 방사성 물질이다. 그러나 원자력발 전의 결과물인 사용후핵연료에 비하면 방사성폐기물 문제가 작다고 할 수 있다.

(52)

참조

관련 문서

2) On Apr.2, 2001, KEPCO's power generation division was divided into 6 generation subsidary companies and a Power Exchange Source : Korea Electiric Power

Walker, D. A naturalistic model for curriculum development. Guidelines for better staff development.. A Study on the Development of Early Childhood Parental

North Korea is not the country which deserves to be invested, but it could play a crucial role in the process of propelling the South Korea's new

Fifth, leading person that Hair designer role achievement affects in job satisfaction appeared by thing which ambiguity and role discord of role exert

Since the two countries have established diplomatic relations in 1992, the trade between Korea and China has been developing rapidly, By the end of 2006, Korea

In the past year, it is obvious that this cooperation development has also promoted in Vietnam the formation and development of a Korean studies training

We found that FoxO1 is constantly increased in MCF-7/ADR, adriamycin-resistant breast cancer cells, and FoxO1 has a critical role in the MDR1 gene expression (16).. There is

A revision of the Eleotrid goby genus Odontobutis in Japan, Korea and China... A revision of the eleotrid goby genus Odontobutis in Japan, Korea