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전기 에너지와 원자력발전

  • 2014.05.22.
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우리나라의 에너지 문제를 종합적으로 다룬 서적이  얼마전에 출간되었습니다. <한국 사회는 에너지 문제를 넘을 수 있나>라는 제목의 이 책은 한국과학기술원(카이스트) 석사 출신으로 미국 프린스턴 대학교 플라즈마 물리학연구소 선임연구원을 역임했고 현재 ITER(국제열핵융합실험로) 프로젝트를 맡고 있는 전창훈 박사가 쓴 역작입니다.

이 책에서 전 박사는 전기, 석유, 원자력, 수소, 태양 등 각 에너지원의 특징과 역할, 장단점을 알려주고, 미래 에너지에 대한 고민과 대안을 제시하고 있습니다. 그중에서 전기 에너지와 원자력에 관한 부분을 발췌해 소개드리겠습니다.

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우리나라는 아파트가 보급되기 전까지 ‘연탄’이 주 에너지원이었습니다. 일제의 정책에 의해 해방 전까지 북한은 공업이, 남한은 농업이 발달해, 해방 후 한동안 남한은 북한에 돈을 주고 전력을 공급 받아야 했습니다.

그러다 6.25 전쟁을 겪은 뒤 남한은 1960년이 되어서야 겨우 20만kW 가량의 발전시설을 갖추게 됐습니다. 이런 전기 생산 설비의 취약성을 타개하기 위해 한국 정부는 1959년 원자력 연구소를 발족했고, 1977년에는 고리 원자력 발전소가 세워졌습니다.

현재는 총 23기의 원자력발전소가 가동 중인데, 그 덕분에 우리나라의 전기요금은 외국에 비해 저렴한 편이라고 합니다.

현재 우리나라의 전기요금은 kWh당 평균 100원 정도입니다. 이는 TV를 10시간가량 틀어 놓았을 때의 요금 수준으로 매우 저렴하다고 볼 수 있습니다.

독일, 일본, 이탈리아는 전기요금이 우리나라의 4배이며, 영국은 2배, 프랑스는 1.5배에 달합니다. 국민 소득 대비 전기요금을 보면 프랑스가 가장 저렴하고, 우리나라와 영국은 비슷한 수준이라고 합니다.

석유나 석탄 등 타 에너지에 비하면 전기는 가격 대비 효율이 매우 뛰어난 에너지입니다. 

 

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전창훈 박사는 전기를 ‘유령’같은 존재라고 말합니다. 왜냐하면 전기는 만들기도 쉽고 무게도 거의 없지만, 물이나 기름처럼 탱크에 받아 놓고 사용할 수 없기 때문입니다.

요즘은 에너지저장시스템(ESS) 등 신형 전기저장 장치가 있어 전기를 저장할 수도 있지만, 전기를 저장하는 가장 원시적인 방법은 펌프를 돌려 전력 생산에 쓰인 물을 댐 위로 다시 퍼 올리는 방식입니다.

이밖에 다른 전기 저장방법으로 축전기와 건전지가 있지만 축전기는 성능이 너무 떨어지고, 건전지는 전기를 그대로 저장한 것이 아니라 화학적으로 바꾸어 저장한 장치입니다.

전기는 저장하기가 어려운 반면 운송이 쉽습니다. 전기는 빛의 속도만큼 빠르기 때문에 전선만 있으면 수백 킬로미터의 거리도 순식간에 이동합니다. 또 전기는 공해물질이나 소음을 만들지 않아 친환경적이면서도 안전합니다.

전기는 주로 금속에만 작용하지만, 플라스틱, 돌, 나무 등의 물질에도 존재할 수는 있습니다. 이렇게 원자에 의해 구속되지 않고 자유롭게 다닐 수 있는 전자를 ‘자유전자’라고 부르는데, 이런 자유전자를 일정한 방향으로 유도해 흐르게 하는 것이 바로 전기인 것입니다.

전기도 물처럼 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 그리고 동일한 전압을 주었을 때 저항을 가하면 전류가 적게 흐르는 원리를 갖고 있습니다. 예를 들어, 리모컨에 저항 조절기를 넣어두고 이를 조작해 채널을 돌리거나 볼륨을 높이고 줄일 수 있는 것입니다.

 

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원자력은 현재까지 알려진 에너지원 중 가장 효율적이면서도 친환경적인 에너지원입니다. 원자력은 쉽게 말해 ‘열을 발생시키는 보일러’와 비슷합니다. 원자력발전의 원리는 원자로가 열을 발생시켜 증기를 만들고, 그 증기가 터빈을 돌려 전기를 만드는 것입니다.

물론 좋은 점이 큰 만큼 위험이 따르기도 합니다.

원자력의 원료인 우라늄은 철보다 4배 무겁습니다. 양성자가 92개, 중성자가 146개 들어있기 때문입니다. 이렇게 무거운 원소는 대부분 ‘방사성’ 물질인데, 이 방사성 원소들은 몸집이 너무 무거워 스스로 가벼운 원소로 변하려는 성질을 갖고 있습니다.

그 변화 과정에서 배출되는 것이 방사선입니다. 원자력 발전의 원료로 사용되는 우라늄235는 열중성자 하나를 흡수하면 몸집이 더 가벼운 바륨과 크립톤으로 변하면서 중성자 2~3개를 뱉어냅니다.

우라늄235가 바륨과 크립톤으로 변할 때 약간의 질량을 잃게 되는데, 이때 질량이 사라지면서 엄청난 에너지를 뿜어내게 됩니다. 보통 우라늄235 1g이 핵분열을 하면, 석탄 3톤 분량의 에너지를 발생시킵니다.

원자력발전의 원료로 사용되는 우라늄235는 분열이 다 될 때까지 연료로 사용되지 않습니다. 다 쓰고 남은 건전지에도 약간의 전압이 남아 있듯 원자력발전에 쓰인 핵연료에도 우라늄235가 남아 있습니다.

사용되고 남은 핵연료는 두꺼운 금속 통에 담아 지하에 묻어 오래 보관하는 것이 일반적인 처리방법인데, 최근 폐기물처리가 문제돼 우라늄235를 끝까지 사용하는 방법과 이미 사용한 핵연료를 재활용하는 방법을 연구 중에 있습니다.

 

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사실 원자력을 비롯해 석탄, 석유할 것 없이 모든 에너지원들은 각자 장단점을 가지고 있습니다. 원자력이 에너지 효율이 큰 대신 안전에 유의해야할 위험이 따르는 에너지원이라면, 석탄과 석유는 상대적으로 안전하지만 환경오염이라는 만만치 않은 부작용이 따릅니다.

환경오염이나 사고 위험성, 고갈의 문제없이 지속 사용이 가능한 에너지가 바로 전기 에너지가 아닐까 생각됩니다.

전창훈 박사는 책에서 지속적인 전기 사용을 위해서는 시간대별, 날짜별 전기 사용량을 알 수 있는 계량 시스템을 구축해 차등제를 적용하고, 전기 사용량을 일정하게 유지하되 최대 사용시간대에 전기 사용량을 줄이는 지혜가 필요하다고 주장합니다.

시간 및 날짜별 사용량 계량 시스템을 구축하면 기업과 가정에서 자신들의 전기 사용 패턴을 알 수 있고, 그에 따라 전기를 아낄 수 있는 합리적인 관리로 전력난을 막을 수 있기 때문입니다.

 

지금까지 전창훈 박사의 저서 <한국 사회는 에너지 문제를 넘을 수 있나>에서 언급한 전기 에너지와 원자력에 대한 부분을 발췌해 내용을 전해드렸습니다. 이 책은 전기와 원자력 외에도 다양한 에너지원들에 대해 쉽고 명료하게 설명되어 있어 에너지를 공부하는 학생들에게 큰 도움이 될 것 같습니다.

다음에는 다른 에너지원에 대해서도 소개해 드리겠습니다.

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