핵연료 탐색 범위가 우라늄 광산에서부터 바다, 심지어 달까지 확대되고 있다.

[이매진]

핵연료 탐색 범위가 우라늄 광산에서부터 바다, 심지어 달까지 확대되고 있다.

CNA의 '핵 옵션' 보고서에 따르면, 2040년까지 우라늄 수요가 두 배로 증가할 것으로 예상됨에 따라 각국은 광산을 재개하고, 농축 능력을 확대하며, 대체 연료, 해수 추출 및 핵융합 기술을 모색하고 있습니다.

https://www.channelnewsasia.com/cna-insider/nuclear-power-revival-sparks-global-race-uranium-mines-fuel-6329336

The search for nuclear fuel expands, from uranium mines to oceans to the moon

흔히 '인공 태양'이라 불리는 중국의 실험용 첨단 초전도 토카막 시설은 핵융합 에너지 생산을 위한 조건을 조성하는 것을 목표로 합니다.

샌안토니오: 남부 텍사스의 새벽 5시 30분, 헤수스 "제시" 가르자 주니어는 알타 메사 우라늄 프로젝트에서 교대 근무를 준비하고 있다.

그의 할머니 메리 루 로드리게즈는 한때 같은 광산에서 일했고, 그의 가족은 마을 주변 우라늄 광산에서 돌아가는 중장비 소리에 잠에서 깨곤 했다.

냉전 시대에 텍사스주는 미국의 핵 프로그램과 민간 발전 부문에 필요한 우라늄을 생산하며 연간 약 800만 가구에 전력을 공급할 수 있을 만큼의 우라늄을 생산했습니다.

하지만 수요 감소와 저렴한 수입품의 등장으로 1990년대 후반부터는 국내 사업 운영이 수익성이 떨어지게 되었습니다. 2011년 후쿠시마 원전 사고는 원자력 안전에 대한 우려를 다시 불러일으키며 시장을 더욱 약화시켰습니다.

하지만 그 후퇴는 반전되고 있습니다. 가르자는 할머니로부터 알타 메사의 생산 재개 소식을 듣고 2024년에 현장 감독으로 합류했습니다. 작년에 알타 메사는 미국에서 두 번째로 큰 우라늄 생산 업체가 되었습니다.

텍사스주 알타 메사 우라늄 프로젝트 현장에서 헤수스 "제시" 가르자 주니어(왼쪽)와 팟캐스트 '더 뉴클리어 옵션' 진행자 브렌던 페르난데스가 함께 포즈를 취하고 있다.

그는 “가문의 유산을 이어가고 제 발자취를 남기고 싶습니다. 원자력은 깨끗한 에너지입니다. 미래이고, 저는 그 미래의 일부가 되고 싶습니다.”라고 말했습니다.

원자력 발전의 부활은 텍사스를 넘어 전 세계로 확산되고 있습니다. 40개국 이상이 새로운 원자로 건설을 계획하거나 검토 중인데, 이는 정부들이 안정적이고 탄소 배출량이 적은 전력을 확보하고자 하는 한편, 인공지능 및 암호화폐 채굴과 같은 산업이 에너지 수요를 증대시키고 있기 때문입니다.

원자력 발전의 매력 중 하나는 우라늄의 높은 에너지 밀도에 있습니다. 손가락 끝만 한 크기의 우라늄 연료 알갱이는 석탄 1톤이나 천연가스 17,000세제곱피트에 해당하는 에너지를 공급합니다.

하지만 원자력 발전 능력에 대한 세계적인 관심 증가는 장기간의 우라늄 생산량 감소 이후에 나타난 현상입니다. 수요는 2040년까지 두 배로 증가할 것으로 예상되며, 2030년 이후에는 공급을 초과하기 시작할 수 있고, 향후 20년 동안 연료 부족 사태가 발생할 수 있다는 경고도 나오고 있습니다.

2022년 러시아의 우크라이나 침공은 핵연료 공급망의 상당 부분이 소수의 국가에 의해 통제되고 있음을 드러냈습니다.

그해 미국 민간 원자력 발전소에 사용된 우라늄의 84%는 캐나다, 카자흐스탄, 러시아, 우즈베키스탄, 호주 등 5개국에서 수입되었으며, 러시아는 미국에서 사용된 농축 우라늄의 24%도 공급했다.

이제 새로운 핵 시대의 연료를 확보하고 기술과 공급망을 장악하기 위한 경쟁이 벌어지고 있습니다.

그 모든 연료는 어디에서 나올 것이며, 누가 통제할 것인가, 그리고 핵무기 부활은 지속될 수 있을까? CNA의 '핵 옵션'은 8개국을 통해 그 해답을 찾아본다.

영상 보기: 우라늄 경쟁 — 누가 핵무기 부활의 동력이 될 것인가? (46:35)

다양한 장소에서 우라늄을 찾다

우라늄은 금보다 약 500배 더 흔하지만, 채굴 가능한 최대 매장량은 10개국 미만에 집중되어 있습니다. 그리고 세계 최대 생산국은 카자흐스탄입니다.

카자흐스탄 남부에 위치한 카라산-2 광산에서는 현장 회수(ISR) 방식을 통해 우라늄을 채굴합니다. 시추공을 통해 용액을 지하로 주입하여 우라늄을 용해시킨 후, 이를 지표면으로 끌어올려 핵연료 제조에 사용되는 농축 분말인 옐로케이크로 가공합니다.

ISR은 전 세계 생산량의 절반 이상을 차지하며, 카자흐스탄이 전 세계 1차 우라늄 생산량의 약 40%를 생산하는 데 기여해 왔습니다.

하지만 우라늄을 땅에서 캐내는 것은 단지 첫 단계일 뿐입니다. 카자흐스탄은 원자로 연료로 사용하기 전에 우라늄을 농축하는 과정을 주로 러시아에 의존하고 있습니다.

우크라이나 전쟁으로 인해 러시아를 경유하는 수출 경로가 더욱 복잡해졌으며, 일부 서방 고객들은 카스피해를 건너 아제르바이잔과 조지아를 거쳐 흑해로 이어지는 중부 회랑을 통한 선적을 요청하고 있다.

대체 공급처에 대한 관심이 높아지면서 호주가 다시 주목받고 있습니다. 호주는 카자흐스탄의 두 배에 달하는 세계 최대 규모의 우라늄 매장량을 보유하고 있습니다. 하지만 이러한 매장량을 실제 공급으로 전환하는 데는 거의 10년이 걸릴 수 있습니다.

남호주 샘파이어 우라늄 프로젝트를 소유 및 운영하는 앨리게이터 에너지의 최고경영자 안드레아 마스랜드-스미스는 기업들이 매장량 시추 및 평가에 약 5년, 이후 허가 취득에 또 5년을 소요할 수 있다고 말했다.

접근권은 정치적, 사회적으로도 민감한 문제입니다. 2017년 이후 새로운 우라늄 채굴 프로젝트가 허가되지 않은 서호주에서는 일부 우라늄 매장지가 원주민 공동체에 매우 중요한 의미를 지닌 땅에 묻혀 있습니다.

우라늄 채굴은 일자리 창출과 기반 시설 확충에 기여할 수 있습니다. 지난 10년간 우라늄 공급과 수요 변동으로 가격이 파운드당 약 40달러에서 85달러로 상승했기 때문입니다. 하지만 채굴은 조상, 정신, 정체성과 관련된 경관을 파괴할 수도 있습니다.

앨리게이터 에너지의 최고경영자 안드레아 마스랜드-스미스가 회사 광산 지역에서 페르난데스와 이야기를 나누고 있다.

모라포이 오지 목장에서 왕카타 부족의 원로인 그레고리 스텁스는 이렇게 말했습니다. "만약 우라늄 채굴이 이루어진다면, 그 영향은 무엇일까요? 우리 중 일부는 아직 마음의 준비가 되지 않았습니다."

하지만 호주의 에너지 미래에 대한 논의가 진행되고 있으며, "앞으로 우라늄 채굴의 중요성에 관해 이전에는 없었던 대화가 오가고 있다"고 광산 도시 칼굴리-볼더의 글렌 윌슨 시장이 말했다.

분명히 그 시기를 훨씬 앞당길 수 있는 몇 가지 요인이 있는데, 특히 호주가 현재 직면하고 있는 에너지 위기가 그렇습니다."

마찬가지로, 유럽에서 알려진 우라늄 매장량의 27%를 보유하고 있는 스웨덴의 경우, 매장량이 아직 개발되지 않은 채 명반 셰일층에 풍부하게 매장되어 있는데, 이 셰일층은 교란될 경우 중금속을 지하수와 하천으로 방출할 수 있습니다.

환경 문제와 광범위한 정치적 고려 사항 속에서 스웨덴은 2018년에 우라늄 채굴을 금지했습니다. 그러나 유럽에서 전기 요금이 급등함에 따라, 특히 러시아로부터의 수입 연료에 대한 의존도를 줄이고 에너지 안보를 강화해야 한다는 압력이 커지고 있습니다.

스웨덴은 환경 감독을 유지하면서 1월부터 해당 금지 조치를 해제했습니다.

원자력 발전에 필요한 우라늄을 전량 수입하는 국가 중 하나인 일본은 다른 대안을 모색하고 있습니다. 일본은 해양 우라늄 추출을 검토하고 있습니다.

캐논 국제연구소의 스기야마 타이시 연구장은 "해양에는 육지에 매장된 것으로 알려진 우라늄보다 약 500~1,000배 많은 우라늄이 매장되어 있으며, 이는 전 세계 원자력 발전소를 6만 년 동안 가동할 수 있는 양"이라고 밝혔습니다.

일본 과학자들은 해수에서 우라늄 화합물을 포집하는 꼬임 소재를 시험했습니다. 하지만 바닷속 우라늄 농도가 매우 낮기 때문에 추출 비용이 많이 듭니다.

과학자들은 현재 비용 절감을 위해 노력하고 있습니다. 국립양자과학기술연구소 프로젝트 책임자인 세코 노리아키는 "이를 위해 여러 번 재사용할 수 있도록 재료를 개선하는 연구를 진행하고 있다"고 밝혔습니다.

그들은 유명한 구사쓰 온천에서도 실험을 진행하고 있는데, 산성이 강한 온천수가 표면으로 끌어올리는 금속을 포집하는 것입니다. 이 기술과 재료의 상업적 실현 가능성이 입증된다면 일본은 에너지 자립을 향한 길을 열 수 있을 것입니다.

미래의 핵연료 생산을 위해 박차를 가하다

하지만 우라늄 확보는 국가 에너지 미래를 보장하는 데 있어 일부분에 불과합니다. 해외 공급에 대한 의존도를 줄이기 위해 각국 정부는 원자력 발전소에 사용할 우라늄을 농축할 수 있는 능력 또한 원합니다.

현재 많은 관심이 소형 모듈형 원자로(SMR)에 집중되어 있습니다. SMR은 기존 원자력 발전소보다 건설 속도가 빠르고 비용도 저렴하며, 전력 수요 증가에 따라 규모를 확장할 수 있을 것으로 예상됩니다.

소형 원자로는 크기가 작아 대형 발전소 건설이 비현실적인 지역에도 원자력 발전을 배치할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 많은 소형 원자로 설계에는 기존 원자로 연료보다 핵분열성 물질이 더 많이 함유된 고농축 저농축 우라늄(HALEU)이 필요합니다.

미국 에너지부 첨단 연료 캠페인의 국가 기술 책임자인 댄 왁스에 따르면, 고농축 우라늄(HALEU) 연료 집합체는 재장전 간격이 훨씬 길어지면서 사용 후 핵연료 발생량은 표준 연료의 약 4분의 1에 불과합니다.

현재 러시아와 중국만이 상업적 규모로 고농축 우라늄(HALEU)을 생산할 수 있는 국가입니다. 미국은 이러한 격차를 줄이기 위해 노력하고 있습니다.

지난해 6월, 센트러스 에너지(Centrus Energy)는 미국 기업 최초로 약 1톤에 달하는 고농축 우라늄(HALEU)을 생산 및 공급하는 데 성공했습니다. 이는 미국 사회에 중요한 이정표였지만, 동시에 해결해야 할 과제의 규모도 드러냈습니다.

"그 정도면 중형 원자로 하나를 가동할 수 있을 겁니다."라고 원자력 엔지니어 닉 투란은 말했다. "하지만 첨단 원자로를 대규모로 건설하려면 매년 수만 킬로그램이 필요할 겁니다."

소형 모듈형 원자로 하나에 필요한 고농축 우라늄(HALEU)을 생산하려면 수천 대의 원심분리기가 끊임없이 가동되어야 합니다.

센트러스는 미국 에너지부가 국내 농축 능력 확대를 위해 추진하는 27억 달러 규모의 프로그램의 지원을 받는 미국 기업 세 곳 중 하나입니다.

미국과 같은 국가들은 우라늄을 더욱 안전하게 사용하기 위해 첨단 연료 개발에 주목하고 있습니다. 테네시주 오크리지 국립연구소의 과학자들은 삼중 구조 등방성(TRISO) 연료를 개발하고 있습니다.

양귀비 씨앗 크기의 TRISO 연료 입자 하나하나는 방사성 물질을 가두고 원자로 사고 시 예상되는 온도보다 훨씬 높은 최대 1,800도에 달하는 시험 온도를 견딜 수 있는 여러 층으로 우라늄 핵을 밀봉합니다.

투란은 또한 연료가 열을 전달할 수 있어 과열 시 원자로 노심이 스스로 냉각될 수 있으며, 이는 복잡한 원자로 안전 시스템의 필요성을 줄일 수 있다고 말했다.

페르난데스에게 삼중 구조 등방성(TRISO) 연료 입자가 제시되었습니다.

이와 같은 안전 혁신은 원자력 발전 확대를 위해 특히 중요합니다.

찰스 오펜하이머는 "핵에너지 발전을 가로막는 주요 요인 중 하나는 위험성에 대한 인식"이라며, 대중이 두려움을 넘어 핵에너지 산업을 뒷받침하는 과학, 공학 및 안전 기준을 고려해 주기를 바란다고 말했다.

또 다른 과제는 원자폭탄의 아버지로 불리는 그의 조부 J. 로버트 오펜하이머 시대와 마찬가지로 핵연료 생산에 협력하되, 그것을 무기로 사용하지 않도록 선택하는 것이라고 그는 지적했다.

"우리는 이 과학으로 인해 위협받는 대신, 전 세계가 이 과학의 혜택을 받는 시스템을 구축할 수 있을 것입니다."

우라늄을 넘어서

과학적 이유와 지정학적 이유 모두 다른 국가들이 우라늄 의존도를 줄이는 방안을 모색하는 이유입니다. 현재 소비 속도를 기준으로 육상에 매장된 우라늄은 약 120년에서 130년 정도 사용할 수 있을 것으로 추정됩니다.

샤먼대학교 중국에너지정책연구소 소장인 린보창은 "지정학적 요인으로 인해 우라늄이 있더라도 구매할 수 없을 수도 있다"고 말했다.

우라늄의 80% 이상을 수입하는 중국은 고비 사막에서 자연적으로 발생하는 방사성 원소인 토륨을 연료로 사용하는 용융염 원자로를 시험 가동하고 있다.

수냉식 원자로는 고압에서 작동해야 하는 반면, 용융염은 그 고온에서도 끓지 않습니다. 과열이 발생하면 연료는 저장 탱크로 배출되고, 누출이 발생하면 염이 냉각되어 방사성 물질 주변에서 굳어집니다.

토륨 지지자들은 토륨이 더 적은 연료로 더 많은 에너지를 생산할 수 있고, 폐기물 발생량과 방사능 수치도 낮으며, 무기화하기도 더 어렵다고 주장합니다.

린에 따르면 중국의 에너지 매장량은 약 1만 년 동안의 수요를 충족할 수 있다. 하지만 그에 앞서 2035년까지 100메가와트급 열에너지 실증 원자로를 건설할 계획인데, 이는 수만 가구에 전력을 공급하기에 충분한 양이다.

상하이 응용물리연구소 연구원들이 중국 최초의 토륨 기반 용융염 원자로 장비를 점검하고 있다.

세계 최대 토륨 매장량을 보유한 인도는 에너지 자립도를 높이기 위해 비슷한 길을 걷고 있습니다.

인도 원자력위원회 전 위원장인 아닐 카코드카르는 "인도의 토륨은 주로 해변 모래에서 발견됩니다. 말 그대로 해안선 전체가 토륨으로 가득 차 있습니다."라고 말했습니다.

우리는 에너지 수요를 충족할 뿐만 아니라 주요 에너지 공급업체가 될 수 있는 절호의 기회를 맞이하고 있습니다.”

인도는 현재 24개의 원자로를 운영하고 있으며 2047년까지 원자력 발전 용량을 11배로 늘리는 것을 목표로 하고 있습니다. 토륨은 이러한 전략의 핵심이지만, 야심찬 목표를 상업적 현실로 구현하는 데는 시간이 걸릴 것입니다.

현재 인도 정부는 미국에 본사를 둔 클린 코어 토륨 에너지(Clean Core Thorium Energy)와 중수로용으로 설계된 토륨-고농도 우라늄(HALEU) 혼합 연료를 공급하는 계약을 체결했습니다. 과학자들은 토륨이 우라늄을 연료로 사용하는 원자로에 어떻게 도움이 될 수 있는지 연구하고 있습니다.

더 먼 미래를 내다보면, 과학자들은 원자를 결합하여 에너지를 방출하는 핵융합, 즉 태양에서 일어나는 과정을 꿈꾸고 있습니다.

지구에서 이를 재현하려면 수소를 섭씨 1억도 이상의 고온에서 플라즈마라는 기체로 융합하고, 거의 영하 270도까지 유지되는 강력한 자석으로 이를 고정해야 합니다.

"우주에서 가장 차가운 물체가 우주에서 가장 뜨거운 물체에서 불과 몇 피트 떨어져 있는 겁니다."라고 투란이 말했다.

원자로 벽을 약화시킬 수 있는 고속 중성자와 더불어 그러한 극한 환경을 견디기 위해 중국은 방사선 저항성이 뛰어난 초강력 강철을 개발했습니다.

또한, 이 실험 시설인 첨단 초전도 토카막은 태양 핵 온도의 거의 7배에 달하는 플라즈마를 17분 이상 유지했습니다.

영상 보기: 핵무기의 부활 - 이를 실현하려면 무엇이 필요할까요? (44:59)

핵융합 연구 개발에 25억 파운드(34억 달러)를 투자한 영국에서는 연구원들이 방사성 폐기물을 덜 발생시키는 강철을 개발하고 있습니다.

하지만 핵융합 발전기가 작동하게 되더라도 연료가 걸림돌입니다. 핵융합은 일반적으로 해수에 있는 중수소와 핵 반응의 부산물인 희귀한 수소 형태인 삼중수소를 결합하는 방식입니다.

영국에 본사를 둔 아스트랄 시스템즈와 일본의 교토 퓨전니어링은 삼중수소 공급량을 늘리는 방법을 시험하고 있는 회사들 중 하나입니다.

헬륨-3은 중수소와 융합할 수도 있는데, 이 과정에서 수명이 긴 방사성 폐기물이나 원자로 부품을 손상시키는 중성자가 발생하지 않습니다. 하지만 이러한 형태의 헬륨이 가장 풍부하게 매장된 곳은 달입니다.'

2020년 중국의 창어 5호 임무는 헬륨-3이 함유된 달 토양을 지구로 가져왔습니다. 그리고 오늘날, 미국에 본사를 둔 마그나 페트라는 달 먼지에서 헬륨-3을 추출하는 기술을 개발하고 있습니다. 제프리 맥스 CEO는 "헬륨-3은 청정에너지를 위한 궁극적인 무한 연료"라고 말했습니다.

한 가지 분명한 것은 지구의 에너지 수요가 증가함에 따라 가능성의 한계를 뛰어넘으려는 의지 또한 커지고 있다는 점입니다.