원전이 점점 더 위험해지고 있는 이유

[Succegator]

전력계통에 무리를 주는 원전의 전기생산

전력 공급과 수요는 일치해야 한다. 전력 수요가 공급을 초과해도 문제지만 전력이 남아도 주파수 급변동 등의 영향으로 인해 전력망 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 전력 수요가 적은 경부하기간에 공급 과잉이 우려되면서 태양광‧풍력 발전시설을 중심으로 출력제한이 이뤄지고 있다. 출력제한은 생산한 전력을 저장하거나 송출하지 못해 발전을 강제로 중단하는 조치다. 재생에너지뿐만 아니라 원전의 출력제한도 이뤄지고 있는데, 국내에서는 2020년 5월 신고리 3·4호기에서 처음 시행된 바 있다.

일반적으로 재생에너지와 원자력발전은 경직성 전원으로 분류된다. 경직성 전원이란 전력수요가 늘거나 줄어도 발전량을 조절할 수 없는 전원을 일컫는다. 11차 전력수급기본계획(전기본)을 둘러싼 논란이 일고 있는 이유 중 하나는 신규 원전 3기가 추가될 경우 경직성 전원 비중이 늘어나기 때문이다. 다만 원전의 탄력 운전을 반영했다는 것이 정부 입장이다. 재생에너지 비중이 확대되면서 적정 수준의 유연성 전원을 확보하지 못할 경우, 장기적으로는 원전 출력감발이 아닌 가동을 멈춰야 할 수도 있다는 전망이 나온다. 실시간 수급 조절이 어려울 뿐만 아니라 단위 용량이 크고, 사고 발생 시 시스템 안전성에 큰 영향을 미친다는 점에서 개선점 모색이 시급하다는 지적이다.

1. 발전기 속도와 주파수

주파수는 교류 전기의 주기적인 변화 빈도를 나타내며, 1초 동안에 전압이 변하는 횟수를 의미한다. 단위는 Hz(헤르츠)이다. 예를 들어 60Hz는 발전기가 1초에 60번 회전한다는 뜻이다. 주파수는 발전기의 회전 속도로, 발전기 속도와 주파수는 일치한다. 주파수를 일정하게 유지한다는 것은 발전기 회전 속도를 일정하게 유지한다는 것이다. 따라서 주파수 제어는 발전기의 속도 제어로 이뤄진다.

전력시스템에는 다양한 발전기가 연계되어 있다. 특정 발전기의 속도가 상승하면 다른 발전기도 함께 상승하고, 속도가 줄어들면 다른 발전기도 같이 떨어진다. 전영환 홍익대학교 전자전기공학부 교수는 ‘에너지전환과 전력계통-원자력발전소를 중심으로’라는 주제로 열린 웨비나에서 주파수 제어 원리를 다양한 유형의 차량이 큰 바퀴를 끌고 올라가는 것에 비유했다.

전 교수는 “주파수가 상승하면 특정 발전기만 올라가는 것이 아니라 전체 발전기와 에너지를 공유한다”며 “모든 자동차가 동일 속도로 올라가야 60km/h 속도로 끌고 올라가는 것이 되는데 이 과정에서 자동차 한 대가 정지하면 속도가 떨어진다. 속도가 떨어지면 다른 자동차들이 정지한 자동차도 함께 끌고 가야 하는데 이 자동차도 동일한 속도를 유지한다는 의미”라고 설명했다. 이어 “특정 발전기가 고장나더라도 다른 발전기의 에너지 출력을 높이면 된다는 것”이라며 “가동을 멈춘 발전기가 많아질수록 다른 발전기의 부담은 커진다”고 덧붙였다. 아래 그림에서 60km/h는 60Hz, 바퀴를 끌고 올라가는 자동차들은 다양한 유형의 발전기를 뜻한다.

출처‘에너지전환과 전력계통’ 웨비나 

전력수요가 늘어나면 발전기 속도와 주파수가 줄어든다. 반면, 전력수요가 감소하면 발전기 속도와 주파수는 올라간다. 1000MW(메가와트) 발전기 10대가 연계되어 있고, 발전기 1기당 900MW 출력을 낸다고 가정했을 때 총 전력 생산량은 9000MW이다. 전 교수는 “회전하는 발전기는 운동에너지라고 하는 에너지저장장치를 가지고 있는데 순간적으로 에너지가 필요하면 방출하고 필요 없으면 에너지를 흡수 및 저장하는 버퍼(Buffer) 역할을 한다”며 “에너지가 변동하면 저장하고 있는 운동에너지가 변동하고 이에 따라 속도가 변한다. 순간적으로 에너지 미스매치(mismatch)가 일어나면 속도 변화로 나타나기 때문에 속도를 제어함으로써 전체 에너지 수급을 맞추는 구조”라고 설명했다.

그는 “수요가 100MW 늘어나면 총수요는 9100MW가 되는데 100MW가 어디서 공급되느냐는 것”이라며 “100MW는 발전기가 저장하고 있는 운동에너지에서 빠져나간다. 발전기 자체가 에너지를 저장하고 있어 들어오는 양보다 방출되는 양이 많게 되면, 발전기 저장분에서 에너지가 빠져나가는 것”이라고 전했다. 발전기가 저장하고 있는 운동에너지는 속도의 제곱에 비례하고, 에너지가 방출되면 속도는 줄어든다.

2. 경직성 전원과 부하추종운전

경직성 전원이란 전력수요가 늘거나 줄어도 발전량을 조절할 수 없는 전원을 일컫는다. 일반적으로 재생에너지 발전과 원자력발전이 경직성 전원으로 분류된다. 원전의 경우 기술적으로 발전량 조절이 어렵고, 태양광·풍력 등은 일조량이나 풍속·풍향 등 날씨 요인이 발전량을 결정하기 때문이다. 반면 전력거래소로부터 기동·정지·출력조정 등의 지시를 받는 석탄화력과 액화천연가스(LNG)복합, 양수발전, 수력 등은 비경직성 전원으로 분류된다. 석탄화력은 출력 조정시 발전효율 하락 폭이 크기 때문에 중경직성 전원으로, 양수발전과 에너지저장장치(ESS)는 과잉 공급일 경우 부하 조절 역할을 맡는 특성이 있어 유연성 전원으로 분류된다.

발전량 조절 가능 여부에 따른 전원의 분류. 출처 한국에너지공단 '주간 에너지 이슈브리핑(2016)'

부하추종운전(Load-following)은 전력계통의 부하 변동에 대응하여 발전기의 출력량을 조정하는 운전을 말한다. 수요 및 공급 불일치로 전력망이 마비되는 사태가 발생하지 않도록 주파수가 일정하게 유지될 수 있도록 하는 조치이다. 전력망을 흐르는 전기의 주파수는 공급이 부족하거나 수요가 넘쳐 전력이 부족하면 내려가고, 공급이 넘치거나 수요가 부족해 전력이 남아돌면 올라간다.

3. 원전의 부하추종운전과 안전성

대표적 경직성 전원으로 알려진 원전은 전력수요에 따라 수시로 발전량을 늘리거나 줄이는 부하추종운전이 사실상 어렵다. 발전량을 조절하려면 우선 원자로 내 핵분열 속도를 조절해야 하는데, 그때마다 핵연료 제어봉을 넣고 빼거나 붕산을 주입하는 게 가능하지 않고 적잖은 위험이 뒤따라서다.

일각에서는 원전을 경직성 전원으로 분류하면 안 된다며 문제를 제기하기도 한다. 백원필 원자력학회 회장은 지난해 7월 열린 대한전기학회·원자력학회·신재생에너지학회 공동좌담회에서 “원전은 프랑스에서 입증되었듯 일일부하추종이나 주파수제어 탄력운전 기능을 갖추고 있다”고 말한 바 있다. 다만 백 회장은 “국내 원전이 당장 탄력운전을 할 수 있다는 얘기는 아니다”며 “원전 탄력운전은 주파수제어운전과 계획 일일부하추종으로 나눌 수 있는데, 터빈전단의 가버너밸브를 이용한 시간당 2~3% 조정은 현재도 가능하다는 의미”라고 덧붙였다. 아울러 시간당 10% 정도를 조정하려면 원자로 자체에 대한 기술 검토 등이 필요하다는 것.

이에 대해 이정윤 원자력안전과미래 대표는 “부하추종은 한국형 원전의 모델인 CE형에서 이미 반영된 바 있지만 프랑스처럼 원전 주변 인구가 적은 데다가 규제를 제대로 하는 국가와 비교하면 안 된다”며 “원전 출력은 노물리 특성상 긴급하게 조정하기 어렵기 때문에 시간당 10% 등의 조절이 어려운 것”이라고 말했다.

그는 “천천히 출력 조정하는 것은 현재도 가능하지만 이 같은 조치가 출력변동 측면에서 봤을 때 무슨 의미가 있는지 의문”이라며 “일례로 지난해 추석 연휴를 비롯한 경부하기간에는 보수기간을 조정하여 원전을 사전에 정지시키거나 출력을 천천히 내려서 75%, 50% 등의 감발 출력을 일정 시간 유지한 바 있다”고 설명했다. 이론적으로는 긴급 출력 조정이 가능할지라도 노물리상 출력이 급변동하면 사고 발생이 우려되므로 신중하게 접근해야 한다고 이 대표는 강조했다. 앞서 2022년 10월 열린 국정감사에서 당시 정재훈 한국수력원자력 사장도 ”국내에 가동 중인 원전은 부하추종을 하기 어렵다“고 언급한 바 있다.

원전의 부하추종운전은 크게 두 가지로 나뉜다. 하루를 단위로 전력수요가 낮은 시간대에는 출력을 50%까지 낮춰 운전하는 ‘(일일)부하추종운전’과 가스발전기 등과 같이 터빈을 이용해 주파수를 제어하는 방식인 ‘주파수제어운전’이 있다. 원전 출력을 낮추는 방법은 중성자를 흡수하는 붕산을 원자로에 투입하는 방법과 연료 제어봉을 삽입하는 등 2가지가 있다.

원전의 탄력운전 종류. 출처 한국전력기술 '부하추종운전 적용을 위한 설계변경과 안전해석(2022).

일각에서는 적어도 APR1400 원자로 모델의 경우 부하추종운전이 가능하다고 주장하고 있지만 실제 운전 경험을 쌓는 것은 별개의 문제라는 지적이다. 앞서 이 대표도 지적했던 것처럼 원전 출력을 임의로 조절하는 행위가 원전 안전에 어떤 영향을 미칠지 아직 검증이 이뤄지지 않았다는 이유에서다. 기존 출력감발이나 현재 검토 중인 계획된 부하추종운전도 핵연료 노심에 농도가 다른 붕산을 쏟아부어 반응속도를 조절하는 방식이다. 프랑스나 독일, 캐나다 등 해외 원전도 설계는 다르지만 안전을 위해 증‧감발 속도를 크게 높이지 않고 있다.

원전 출력감발과 안전성을 둘러싼 논쟁은 과거부터 불거진 바 있다. 2000년 3월 7일자 <동아일보>에 따르면 당시 정부가 발전노조 파업에 대응하기 위해 원전 가동률을 조절하자 노조 측은 전력 공급을 줄이면서 원전 가동률을 낮추는 것은 비정상이고 안전에도 위험이 따를 수 있다고 주장했다. 발전노조는 징검다리 연휴를 파업 성공 여부 기간으로 판단했다. 파업으로 총 전력 공급의 60% 정도를 담당하는 화력발전소의 출력을 줄일 수 없게 되면 공급 과잉을 피할 수 없어 정부가 손을 들 것으로 예상해서다. 이 과정에서 정부는 원전 가동률을 낮추는 방법으로 수요 감소에 대응했는데 3∼5% 정도 낮춘 것으로 파악된 바 있다.

3-1. 제논 축적과 제어 문제

원전은 갑자기 출력을 낮출 경우 제논(Xe-135)이 증가하면서 노심 반응도가 감소한다. 제논은 원자로의 핵분열 과정에서 직접 혹은 간접 분열로 생성되는 핵분열 물질 중 하나로, 중성자를 흡수한다.

제논이 축적될 경우 2019년 6월 발생한 한빛 1호기 저출력 제어봉 조작 오류 및 출력 급증 사고, 체르노빌 원전 사고 등 예기치 않은 위험이 발생할 수 있다는 지적이다. 이 대표는 “제논이 쌓일 경우 중성자 컨트롤이 어렵게 되는데 출력조절이 어려우니 출력 폭주도 배제할 수 없다는 것”이라고 말했다. 저출력 상태에서의 위험성을 인지하는 것은 원전 운영의 기본이다. 저출력이 발전소에 구체적으로 어떤 영향을 끼치는지는 연구 중인 단계이므로 신중해야 한다는 것이 전문가 의견이다.

3-2. 출력조절이 핵연료에 미치는 영향

원전 출력감발이 일정횟수를 넘게 되면 핵연료 안정성에 영향을 미친다. 그동안 특수 경우를 제외하고 상시 감발운전을 실시하지 않은 이유이다. 핵연료 주기와 원전 감발 여력은 상관관계가 있는데, 새 핵연료를 투입할 원전일수록 노심연소율이 적어 출력감소 가능일이 더 길다. 지난해 한수원은 노심연소율이 60%를 넘어선 원전과 정비원전을 4~5월 감발불가 원전으로 분류한 바 있다.

프랑스의 경우 원전 비중이 높아 원전도 일일부하추종을 하고 있지만 노심이나 계통에 영향을 미쳐 이에 따른 노후화가 문제로 부각되고 있다. 국부과열로 핵연료가 손상될 가능성도 배제할 수 없으므로 출력제어에 대한 충분한 검증이 필요하다는 지적이다.

이 대표는 “출력변동이 잦아질 경우 핵연료가 심한 부하가 작용하게 되는데 피로현상으로 핵연료가 조기에 파손될 수 있다는 점이 핵심”이라며 “핵연료 파손 시 계통 전체 방사능 준위가 상승하게 되고 특히 증기발생기를 통해 소량의 방사성물질이 누설될 수 있는데 이는 대기 중으로 누설될 가능성이 커진다는 뜻”이라고 말했다.

증기발생기 배관에는 방사선 감시기가 설치되어 있지만, 지난 2014년 한빛 3호기 증기발생기 방사능 누출 사고 과정에서 오작동한 것으로 뒤늦게 나타났다. 사고 발생 당시 복수기 등에서는 방사능이 측정됐지만 정착 누출이 일어난 증기발생기 감시기는 수치가 그대로여서 문제가 된 바 있다. 조사 결과, 2012년 3월 사업자 측이 감시기의 전압을 임의로 조절했고, 설비의 감시 영역이 당초 측정하고자 하는 영역에서 크게 벗어난 것으로 드러났다.

4. 원전과 전력 계통 안전성

원전이 전력 계통 안전성에 영향을 미치는 경우는 두 가지로 요약할 수 있다. 전 교수는 웨비나에서 “첫 번째는 원자력발전기가 고장이나 사고로 불시 정지할 경우 그 영향을 다른 발전기가 커버할 수 있느냐 하는 것이고, 두 번째는 태양광이 출력이 증가하다가 줄어들었을 때 다른 발전기가 출력변화의 슬로프(slope)를 쫓아갈 수 있는지 여부”라고 설명했다. 안정적인 계통 운영을 위해선 이 두 가지 조건을 동시에 만족해야 한다는 것. 원전과 재생에너지가 서로 밀어내는 관계일 수밖에 없다는 것이 전 교수의 설명이다.

앞서 2020년 5월 2일 오후 7시부터 이튿날 자정까지 신고리 3‧4호기를 대상으로 출력 감발이 이뤄졌다. 연휴기간 전력수요가 최저 4100만kW까지 낮아지면서 발전기 1기 고장 시 계통주파수가 기준치(59.7Hz) 아래로 떨어질 것을 예상해서다.

원전은 발전기 1기의 용량이 커 고장 시 계통 안정성에 큰 영향을 미친다. 전력계통에서 주파수 안정도는 발전기 용량에 따라 미치는 영향이 다르다. 주파수는 발전기 용량이 클수록, 수요가 낮을수록 발전기 고장 시 크게 떨어진다.

전 교수는 “1000MW 용량 발전기 50대와 상대적으로 용량이 작은 500MW 발전기 100대를 운전하는 경우를 비교해보자. 발전기 1대 고장 시 어느 쪽이 훨씬 더 안정적이냐의 문제”라면서 “재생에너지 비중이 늘어나면 계통에 남아있는 발전기 단위 용량 크기가 상당히 중요한 문제로 부각될 것”이라고 말했다.

이어 “향후 재생에너지 비중이 늘어나면 부하가 줄어들게 되고, 운전하는 발전기 숫자가 줄어들기 때문에 1대가 정지했을 시 미치는 영향이 기존 대비 커지는 문제가 발생한다”며 “현재 국내에서 가동 중인 원전 가운데 1400MW의 경우 재생에너지 비중이 확대되는 상황에서 1대가 고장 혹은 사고에 의해 불시 정지할 시 전체 계통에 지대한 영향을 미칠 것“이라고 강조했다.

전 교수는 2030년 기준 1400Mw 신고리 3호기(시나리오 1)와 신고리 3‧4호기(시나리오2)가 동시에 탈락하는 경우를 가정하여 계통 주파수 영향을 검토했다. 그는 “2030년 저관성에서 최대 용량 발전기 1대가 탈락할 경우 주파수는 59.7Hz로 최저 주파수 유지 조건을 만족시키지 못하게 된다”며 “2대가 탈락하면 59.2Hz로 마찬가지로 주파수 유지기준 위반”이라고 설명했다.

‘에너지전환과 전력계통’ 웨비나 자료

다른 발전기가 출력변화 슬로프(slope)를 따라가지 못한다면 어떤 일이 발생할까. 전 교수는 “수요만큼 발전을 하지 못한다면 관성이 가진 운동에너지에서 에너지를 뺏기게 되고 속도가 줄어든다. 속도가 계속 줄어들면 발전기가 탈락되는데 발전기가 모자란 상황에서 탈락시키면 전력시스템 전체가 무너지는 것”이라며 “실제 주파수가 떨어지면 부하를 자동으로 차단하고 정전이 발생하게 된다”고 말했다.

또 “원전 숫자가 많아도 출력을 조정할 수 있다면 순수요의 슬로프는 쫓아갈 수 있다”며 “그러나 단위 용량이 크다면 발전기 1기가 탈락할 때 최저주파수 유지 기준을 만족시킬 수 없을 것”이라고 전했다. 아래 자료는 원전의 경직성으로 인해 슬로프를 쫓아가지 못하는 시나리오를 시뮬레이션한 것이다. 신속한 출력조절에 위험성이 따른다면 출력변동이 심할 것으로 예상되는 시기에는 아예 가동을 중단해야 하는 상황까지 몰릴 수 있다는 설명이다.

'에너지전환과 전력계통' 웨비나 자료

2011년 경제협력개발기구(OECD)의 ‘원전 부하추종의 기술·경제적 측면’ 보고서에 따르면 유럽연합(EU)은 원전에 최소 분당 3~5%의 출력변동이 가능한 설계를 요구하고 있다. 이에 프랑스, 독일 등에서는 원전의 부하추종 운전이 가능한 것이다.

최근 재생에너지와 원자력 발전량이 동시에 늘어나면서 서울시 내 일부 교육시설에 설치된 태양광 설비(20kW 초과)조차 매주 토‧일 가동을 중지한 바 있다. 이는 석탄·가스발전기 등의 출력을 최소수준으로 낮추거나 정지해도 원전 가동량이 20GW 이상으로 평년 대비 많고, 태양광의 한낮 순간 발전량이 20GW를 넘어서는 경우가 잦아졌기 때문이라는 분석이다. 산업통상자원부에 따르면 원전 공급능력은 지난해 4월말 19기 19.4GW에서 지난달 기준 24기 25GW로 5기 5.6GW 증가했다. 또 봄철 수급대책기간 경직성 전원 설비용량은 지난해 봄 47.9GW에서 올해 51.3GW로 3.4GW 증가했다.

5. 부하추종이냐 경제성이냐

원전의 부하추종 관련 핵심은 경제적 문제이다. 회계적 관점에서 보면 기존의 감가 상각된 발전소 측면에서는 문제가 없지만 기회비용 측면을 고려한다면 사정이 달라진다. 특히 신규 원전에서의 부하추종은 균등화발전비용에 부정적인 영향을 미친다. 프랑스나 독일 사례를 미뤄봤을 때 기술적인 차원에서 부하추종이 가능하더라도 이는 비용적인 문제로 인해 경제성 악화로 이어질 수밖에 없다는 분석이다.

출처 : 원전이 점점 더 위험해지고 있는 이유 < 민들레 들판 < 기사본문 - 세상을 바꾸는 시민언론 민들레 (mindlenews.com)