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인류도, 지구도 겪어본 적 없는

기후변화의 위기 대안은 재생에너지와 원자력

환경 문제는 인류가 당면한 공동 과제이다. 20세기 후반에 들어서면서, 전 세계적으로 환경에 대한 우려와 경고의 목소리가 급증하고 있다. 그동안 인류는 물질의 풍요로움과 생활의 편리함을 추구하며 살아왔으며, 현대 과학 기술은 인간의 보편적 욕구를 충족시키기 위한 물질 문명의 발달에만 그 목표를 두고 발전해 왔다. 과학은 현대사회의 발달에 기여한 바도 크지만, 그에 못지않게 여러 가지 환경 문제를 유발한 책임도 있다고 하겠다. 다만 지구 온난화, 에너지 고갈, 오존층의 파괴 등 환경문제의 구체적인 실상을 밝혀낸 것도, 그리고 이에 대한 구체적인 해결 방안을 제시할 수 있는 것도 과학의 힘이다.

인간 활동의 영향을 받지 않고 지구 대기 중 이산화탄소 농도를 측정할 수 있는 하와 이의 마우나로아 측정소의 이산화탄소 수 치가 올해 415ppm을 돌파했다. 산업혁명 이전 40만년간 이산화탄소 농도 최고치는 300ppm이었다. 빙하기에는 이산화탄소 농도가 200ppm 이하로 떨어지고 간빙기 에는 300ppm 근처로 올라가는 주기적인 반복을 거듭해오고 있었는데 산업혁명 이 후 화석연료 사용 증가로 그 패턴이 깨지고 현재는 415ppm까지 올라와 있다. 현재는 연간 2ppm 이상 증가하고 있으며 그 증가 속도도 더 빨라지고 있다. 빙하기와 간빙기 사이의 이산화탄소 농도 차이가 100ppm 에 그쳤다는 것을 감안하면 현재 지구에서 는 인간에 의해 빙하기와 간빙기 차이를 능 가하는 기후변화가 일어나고 있는 것이다. 지난 40만년간 경험해보지 못한 영역이기 에 앞으로 닥쳐올 변화의 종류와 크기를 제 대로 가늠할 수 없다. (표 1)

지난 10억년간 경험해보지 못한 급격한 산소농도 저하!

오늘날 우리가 호흡하고 있는 산소는 원 래 지구 대기 중에 없었다. 23억년전 시아 노박테리아가 출현하기 전까지 지구상에는 산소를 만드는 생물체가 없었기 때문이다. 시아노박테리아가 만든 산소는 물속에 있 던 철 이온과 결합하여 철 산화물이 되었 다. 물속의 철 이온이 거의 사라지고 물에 산소가 충분히 녹은 다음 비로소 대기 중으 로 자유로운 산소기체가 나오기 시작했다. 21억년 된 바위에 선명하게 새겨진 붉은 줄 무늬는 철산화물이 얼마나 많이 축적이 되 었었는지 보여주고 있다. 처음에 생물체에게 산소는 독소였으나 이내 적응하고 이를 이용하는 생물들로 지 구 생태계는 번성하기 시작한다.

캄브리아 기를 거치면서 생물이 폭발적으로 늘어났 고, 석탄기를 거치면서 거대 식물들이 자라 나면서 산소농도는 35%에 이르렀다. 그랬 기 때문에 1미터에 가까운 거대 잠자리가 날아다닐 수 있었다. 그 시절의 거대 식물 들과 수많은 동식물들이 땅속에 묻혀 현재 의 석탄, 원유, 가스가 만들어졌다. (표2) 다양한 생명체가 나타난 이후 지난 5억 년간 5번의 대멸종이 있었는데 기후변화, 극심한빙하기, 화산폭발, 운석충돌등다양 한 원인으로 대멸종이 일어났을 것으로 추 정한다. 가장 최근에는 6,500만 년 전 운석 충돌로 공룡을 비롯한 많은 동식물이 멸종 한 사건이 있다. 이 때 묻힌 생명체들도 석 탄, 원유, 가스가 되었다. 약 2억 5천만 년 전에 있었던 대멸종은 가장 큰 규모의 멸종 이었는데 바다 생물의 96%, 육지 생물의 70%가 멸종해서 지구상 생물의 90%가 사 라진 대멸종이었다. 이 때 산소농도가 20% 가량 줄어드는 데 약 3천만년 정도 걸렸다.

현재 우리가 사용하는 화석연료로 인해 해마다 이산화탄소 농도는 2ppm씩 늘어나 고 있다. 반면 산소는 2ppm씩 줄어들고 있 다. 단위가 백만분의 일을 의미하는 ppm이 기에 별 것 아닌 것처럼 보일 수 있다. 이대 로 10만년만 지나면 어떻게 될까? 이산화 탄소 농도는 20%가 되고, 산소 농도는 0% 가 된다! 가장 급격하고 거대했던 2억 5천 만 년 전의 대멸종 시기에도 산소농도 20% 가 사라지는데 3천만년이 걸렸다. 지금의 이산화탄소 증가속도와 산소고갈속도가 대 멸종시기의 속도보다 훨씬 더 빠르다. 이미 지구는 제6의 대멸종기에 들어갔다고 할 수 있다. 이미 20세기에 일어난 멸종 속도 가 19세기 이전의 멸종 속도의 100배에 이 른다는 연구결과도 있으니 말이다. 화석연료는 무궁무진한가?, 답은 그렇다와 아니다 그런데 과연 10만년이나 사용할 화석연료가 있기는 한가? 답은 그렇다와 아니다. 대기 중의 20% 산소는 모두 광합성으로 만들어진 것이다.

 ·광합성 : 이산화탄소 + 물 → 설탕 + 산소 ·연 소 : 화석연료(설탕) + 산소 → 이산화탄소 + 물 

산소와 같이 만들어진 설탕은 식물을 이 루고, 동물에게 먹혀 동물의 몸을 이루었 다. 그리고 이들은 화석연료로 바뀌었다. 산소는 철 이온에게 잡힐 만큼 다 잡히고, 물에도 녹을 만큼 다 녹은 다음에야 비로소  대기 중으로 풀려났다. 따라서 현재 대기 중에 있는 산소는 같이 만들어졌던 설탕 짝 을 찾는다면 모두 화석연료 안에 들어있다. 그러나 화석연료 중에는 그 짝인 산소를 대 기 중에서 못 찾는 화석연료가 있다. 그 짝 산소는 철산화물에 들어있거나 물에 녹아 있기 때문이다. 즉, 우리가 화석연료를 마 지막 한 덩이, 마지막 한 방울까지 찾아서 그 짝이었던 산소를 짝지어주면 대기 중의 산소가 먼저 동이 나게 된다. 그렇다. 화석연료의 물리적 고갈보다 대 기 중의 산소 고갈이 먼저 올 수 밖에 없다. 대기중산소의양이더적기때문이다. 그러 나마지막한덩이, 마지막한방울의화석연 료를 채굴해서 태우는 일은 벌어질 수 없다. 채굴하는 비용과 기술의 한계가 있기 때문 이다. 화석연료는 비싸지고, 채굴할 기술이 없어서 미래에는 고갈되고 말 것이다. 만약 채굴기술이극도로발달하고비용의한계를 무시한다면 어떻게 될까? 그래도 화석연료 를 다 태우지 못한다. 산소가 먼저 고갈되기 때문이다. 이렇게 무궁무진한 화석연료가 현재 가격이 아주 저렴하다는 것이 인류의 행복과 비극의 원인이다. 화석연료는 양이 풍부하고, 저렴하기 때문에 인류는 이것으 로 에너지와 의식주를 해결하고 있지만 한 편 제6차 대멸종의 원인이 되고 있다. 화석연료 사용에 의한 기후변화와 멸종 은 이미 벌어지고 있다. 산소농도가 대폭 줄어드는 데 까지 가지도 않을 것이다. 즉 10만년씩이나 걸리지도 않는다. 지금 예측 으로는 21세기 말에 4~5도 온도가 증가될 것이며 대규모 멸종의 시작은 피할 수 없다 는 것이다. 그리고 인간이라고 대멸종의 예 외가 될 방법도 없다. 생태계가 완전히 사 라진 다음에 인간만 홀로 살아남을 수는 없 기 때문이다. 그렇기 때문에 지구온도 증가 를 산업혁명 이전 대비 2도 이내에서 제한 하고, 가능하다면 1.5도 이내에서 제한해야 한다는 것이 2018년 발간된 UN이 만든 기 후변화 대처를 위한 정부간패널 특별보고 서의 내용이다. 

화석연료를 끊을 방법은… 현재 어떤 대안이 있을까?

에너지변환 과정에서 이산화탄소를 배출 하지 않는 에너지원은 원자력과 재생에너 지가 있다. 원자력은 우라늄의 핵분열에서 나오는 에너지이고, 재생에너지는 태양의 핵융합에서 나온 에너지를 태양광, 태양열, 풍력, 수력의 형태로 이용하는 것이다. 재 생에너지의 원천은 태양에너지이다. 태양 광을 직접 전기로 바꾸면 태양광, 집광해서 모은 열로 전기를 만들거나 열을 그대로 사 용하면 태양열, 태양광이 지면과 바다를 불 균일하게 데워서 생긴 불균형이 일으키는 바람을 이용하면 풍력, 태양광이 증발시킨 물이 다시 순환하는 과정에서 생기는 위치 에너지를 이용하면 수력이 되는 것이다. 바 닷물의 조수간만의 차이를 이용하는 조력 발전의 근원도 태양과 달의 인력 때문이니 태양이 기여하는 바가 크다고 할 수 있다. 석탄이나 가스(LNG 포함)발전을 대신하 여 원자력이나 수력을 했더라면 이산화탄 소 농도를 현재보다 더 낮출 수 있었을 것이 다. 만약 전 세계의 수력발전소가 모두 석 탄발전소였다면 이산화탄소 농도는 현재보 다 16ppm 높았을 것이고, 원자력발전소가 모두 석탄발전소였다면 12ppm 높았을 것 이다. 태양광과 풍력 및 기타 재생발전소가 모두 석탄발전소였다면 0.3ppm 높았을 것 이다. 현재까지 이산화탄소 감축기여를 보 면 수력이 16ppm, 원자력이 12ppm, 기타 재생에너지가 0.3ppm인 것이다. 이들이 모두 석탄발전소였다면 이산화탄소 농도는 현재보다 28ppm 높았을 것이다. 앞으로도 이들 청정에너지들이 더 큰 이산화탄소 감 축 역할을 해주어야 인류와 지구생태계가 당면한 기후변화와 대멸종을 피할 수 있다 고 본다. 이들 원자력과 재생에너지는 나름 의 장단점을 가지고 있는데 간략하게 살펴 보면 다음과 같다. 

무궁무진하지만, 대규모 보조발전 필요한 태양광과 풍력

태양광과 풍력은 연료비가 없다는 것과 태양의 활동이 지속되는 한 고갈되지 않고 쓸 수 있다는 장점이 있다. 일조량이 좋고 강한 바람이 일정하게 자주 불어주는 몇몇 지역의 경우 경제성이 우수한 태양광 풍력 도 일부 있다. 그러나 우리나라의 경우에는 불행히도 일조량과 풍량이 우수하지 못하 여 미국 캘리포니아의 태양광이나 덴마크 의 풍력에 비해 2배 정도 비쌀 수밖에 없는 한계점을 가지고 있다. 태양광과 풍력의 가장 큰 문제점은 필요 할 때 쓸 수 없을 수도 있다는 것이다. 우리 가 전기를 필요로 할 때 반드시 태양이 비추 고 바람이 부는 것이 아니기 때문이다. 생 산할 수 있는 최대 전기에너지 대비 생산된 전기에너지의 비인 이용률을 보면 우리나 라의 경우 태양광이 15%, 풍력이 25% 정도 이다. 즉 태양광이나 풍력은 하루 4~6시간 정도 사용이 가능하다는 것이다. 나머지 18~20시간도 전기를 써야하는데 이때는 소위 보조발전기가 가동되어야 한다.

보조 발전기는 LNG(가스) 발전이 주로 사용될 수 있다. 하루 4~6시간 발전하는 태양광 풍력이 주력발전이고, 18~20시간 가동하 는 LNG 발전이 보조발전이라는 것이 어폐 가 있지만 여하간 그러하다. 결국 태양광과 풍력은 그 자체로서는 가 동 중에는 이산화탄소 배출이 없지만 대규 모의 보조발전이 반드시 필요하기 때문에 이산화탄소 배출을 대폭 줄이는 것은 불가 능하다. 대안으로서 배터리를 사용해서 전 기를 저장해두었다가 바람이 없거나 태양 이 없을 때 사용하는 방법이 있으나 용량이 미미하여 대규모로 사용하는 것은 불가능 하다. 따라서 태양광과 풍력은 최대한 이용 해도 전체 전기의 20-30% 정도 생산하는 것이 한계가 된다. 반면 재생에너지 중 수력발전소는 댐이 자연적인저장장치가되기때문에우리가원 할때발전할수있다는장점을가지고있다. 노르웨이의 경우에는 수력자원이 풍부하여 전기의 100% 가까이를 수력에 의존하고 있 다. 수력은 저장할 수 있는 재생에너지이기 에가능한것이다. 그러나전세계를보면안 타깝게도 현재 수력발전 용량은 이미 포화 상태에가까워서현재용량의2~3배를늘리 는 것이 사실상이 한계라고 할 수 있다.

경제적이고 친환경이지만, 안전 때문에 불신 받는 원자력

우리나라의 원자력 발전단가는 LNG의 1/2 수준, 태양광의 1/3 수준으로 원자력은 다른 발전원에 비해 아주 경제적이다. 또한 원자로에 들어가 있는 연료와 저장중인 연 료만으로도 몇 년간 발전할 수 있어 원자력 발전은 저장성이나 에너지 안보 측면에서 도 아주 우수한 에너지원이다. 그러나 체르노빌과 후쿠시마 사고의 여 파로 방사선 피폭 위험에 대한 우려가 크 다. 우려는 크지만 실상 위험은 미미한 수 준이다. 후쿠시마 사고로 인해 작업자나 일 반인이 받은, 그리고 앞으로 받을 피폭에 의해서 암 발생이 증가하거나 유전적인 질 병이 생길 가능성이 많지 않다는 것이 UN 방사선과학위원회와 WHO의 결론이다. 방 사선 피폭에 의한 실제 건강영향은 극히 미 미하기 때문이다. 한 가지 예를 들자면 2g 정도의 국내산 마른 멸치 한 마리를 먹을 경우 멸치에 자연적으로 포함되어 있는 폴로 늄-210에 의한 피폭 위험은 세슘기준치 (100 베크렐/kg) 검출된 고등어 9마리 (1.8kg)의 피폭위험과 같은 양이다. 국내산 전복 한 마리는 세슘기준치 검출 고등어 135마리(27kg)에 해당한다. 또한 후 쿠시마 사고로 인해 주민이 받을 평생의 피 폭의 합이 약 10~20mSv(밀리시버트) 정도 인데 일본인의 평생 자연피폭량이 170mSv 이기 때문에 후쿠시마 주민은 총 180- 190mSv 피폭을 받게 되는 것이다. 이는 한 국인의 평생 자연피폭량 240mSv에 못미치 는 양이다. 그리고 우리나라 부산과 강원도 주민의 평생 자연피폭 차이가 80mSv를 넘 어가는데 사고로 인한 후쿠시마 주민의 평 생피폭 증가량은 부산-강원도 변동폭에도 미치지 못하는 작은 양이다. 즉 후쿠시마 사 고의 사회적인 파장과 우려에 비해 실제 방 사능 피폭의 위험은 극히 미미한 수준이라 고 할 수 있다. 방사능피폭 사망자는 없고, 앞으로도 기대할 수 없다.

우리나라 원전에는 두껍고 튼튼한 격납 건물이 있어 후쿠시마와 같은 사고가 나도 방사능물질이 외부로 누출될 일 조차도 없 다. 1979년 원자로가 녹아내리는 사고가 난 미국 스리마일아일랜드(TMI) 원전은 우리 나라 원전과 같은 격납건물을 가지고 있었 는데 사고로 인한 유의미한 방사성 물질의 외부 누출은 없었다. 그럴 가능성은 매우 낮지만 만약에라도 우리나라 원전에 노심 이 녹는 사고가 발생한다고 해도 미국 TMI 사고와 같은 사고에 그칠 것이다. 발전소는 망가지겠지만 외부영향은 없을 것이다. 남은 문제는 사용후핵연료인데 사용후핵 연료는 그 양이 매우 작아서 우리나라 사람 이 평생 사용한 핵연료를 모아도 야구공 하 나보다 작다. 사용후핵연료는 우리가 사용 하는 그 어떤 에너지에 의한 폐기물량보다 극히 작다. 그러나 방사능 물질 누출에 대한 우려가 있다.

사용후핵연료는 금속용기에 넣어서 지하 500m 정도에 처분하게 되는데 금속용기밖에는점토를채워서만약에라도 금속용기가 뚫릴 경우 빠져나올 수 있는 원 소들을 이동하지 못하도록 방어한다. 사용후핵연료에는 크게 봐서 두 종류의 물질이 들어 있다. 첫 번째는‘장수만세 방 콕족’이다. 물에 거의 녹지 않고, 반감기가 수천 년에서 만년으로 길다. 반감기가 길어 오래 살아남지만 이동이 아주 느려서 물에 가까스로 녹더라도 35cm 진흙층을 통과하 는데 수십만 년 걸려서 점토층도 못 빠져나 가고 모두 없어지는 것들로서 플루토늄, 아메리슘, 큐륨 등이 있다. 이들은 수십만 년 이 지나야 사라지지만(이 때문에 처분은 수 십만 년 걸린다는 이야기를 하게 됨) 지하 에 묻어두면 설령 용기가 뚫리더라도 묻어 둔 그 자리에 그대로 머무를 수밖에 없는 것 들이기에 안전문제는 처음부터 없다고 할 수 있다. 두 번째는‘짧고 굵은 인생 광란족’이다. 물에 비교적 잘 녹고, 이동도 비교적 빠른 것들로서 세슘이나 스트론튬 등이 대표적 이다. 이들은 누출될 경우 그 정도는 미미하 지만 방사능 영향을 줄 수 있다. 그러나 이 들은 결정적으로 반감기가 30년 정도로 짧 다. 따라서 300년이면 1/1,000로, 600년이 면 1/1,000,000로 줄어들어 사실상 방사능 을 잃고 사라진다.

이들‘짧고 굵은 인생 광 란족’이 멸종되는 수백 년 이후에는 움직일 수 없는 반감기 긴 핵종만 지하에 남기 때문 에 안전문제는 더 이상 문제가 되지 않는다. 따라서 사용후핵연료 처분 문제는 처분장 소를 구하기만 한다면 문제는 해결할 수 있 다고 할 수 있다. 안전성 문제는 수십만 년 의 문제가 아니고 수백 년의 문제이다. 인류가 처한 기후변화와 대멸종의 위기 는 너무 많은 화석연료를 사용하는 것 때문 에 발생했다. 해결방안은 화석연료를 버리 고 수력, 풍력, 태양광, 원자력과 같은 청정 에너지를 사용하는 것이다. 각각의 한계 때 문에 이 중 어느 한 가지만으로 인류 에너지 문제를 다 해결할 수는 없다. 이들 모두를 적절히 조합하여 에너지믹스를 구현하는 것이 가장 타당한 친환경 에너지 사용이다.

정용훈 교수님은 KAIST에서 원자력 및 양자공학으로 박사학위를 받았다. MIT 박사후 연구원을 거쳐 현재, KAIST 원자력 및 양자공학과 교수로 재직하고 있으며, KAIST 미래형 고속 로 설계 및 안전해석 WCU 사업단 단 장을 겸하고 있다. 주 연구분야는 원 자력발전소 설계 및 안전해석, 원자력수소, 해수담수화, 전 기자동차, 전력수송 시스템 등이다.