<2> 원자력 안전ㆍ선진화의 일등공신 원자력연
고온가스로·IS공정·전기분해법 관건
제4세대 원전개발 9개국 합심
원자력 수소란 원자력을 이용해 고온의 열을 얻고 이 고온의 열을 이용해 물을 직접 분해해 생산한 수소를 말한다. 화석연료를 전혀 사용하지 않는 원자력 수소는 물과 원자력만을 이용한다. 원자력 수소시스템은 크게 열원인 원자로 그리고 그 열과 물을 이용해 수소를 생산하는 수소생산 공장으로 구성된다. 원자력 수소 생산과 관련한 핵심 개념은 고온가스로, IS공정, 전기분해법이다.
수소는 지금까지 발견된 에너지원 중에서 가장 환경 친화적인 것으로 알려져 있다. 에너지 자원이 부족한 우리 입장에서 원자력과 물을 이용한 수소 생산은 에너지 안보 그리고 수소 에너지가 추구하고 있는 환경보호 측면에서 가장 적합한 수소 생산방법중의 하나로 꼽히고 있다.
이러한 원자력 수소생산의 축에는 고온의 열(1000℃)을 얻기 위해 고온가스로가, 그리고 물로부터 수소를 생산하기 위한 수소 생산법으로는 열화학법인 요오드-황(Iodine-Sulfur, IS)공정과 고온전기분해법이 있다.
원자력 중에서 고온의 열을 가장 손쉽게 얻을 수 있는 방법이 흔히 제4세대 원자로로 일컬어지는 고온가스로라는 원자로다.
제4세대 원자로란 현존하는 원자로보다 핵연료의 활용성을 높이고 폐기물 발생량을 줄이며 안전성 및 신뢰성을 획기적으로 향상시킨 차세대 원자력발전 시스템을 일컫는다.
이 계획은 우리나라와 미국, 프랑스, 일본, 영국, 캐나다, 아르헨티나, 남아프리카공화국, 브라질, 스위스, 유럽연합 원자력개발기구가 참가하는 `제4세대 원자력 시스템 국제포럼'에서 6개 개념형 모델을 기초로 추진되고 있다.
내년부터 본격 개발작업에 들어가 오는 2020~2030년께 실제로 가동될 것으로 관련 학계는 보고 있다.
고온가스로는 미국, 독일, 영국 등에서 이미 사용됐고, 일본, 중국은 최근에 원자력 수소 생산용 실험로를 건설했다. 남아프리카 공화국에서는 상용로를 건설 중이다. 뿐만 아니라, 우리나라를 비롯해 미국, 캐나다, 영국, 프랑스, 스위스, 일본, 남아프리카 공화국, 브라질, 아르헨티나 등 10개국이 모여, 초고온가스로(VHTR)를 개발 중에 있다.
관련업계에 따르면 초고온가스로는 지속 성장 가능성, 핵확산 저항성, 경제성 및 안전성 측면에서 경수로 등 기존의 원자로 보다 획기적인 개선이 기대 되는 시스템이다.
원자력 수소 생산방법과 관련 고온에서 요오드와 황산을 촉매로 사용해 물을 분해하는 IS 열화학 공정은 연속적인 화학반응을 이용해 물로부터 수소와 산소를 생산하는 기술이다.
열화학공정에 대한 연구는 1960년대부터 시작됐고 그간 미국, 일본, 유럽 등지에서 여러 열화학 공정이 연구됐다. 그러나 효율과 비용 측면에서 요오드와 황산을 매개로한 IS 공정이 가장 우수한 것으로 평가받고 있다.
IS공정은 750~1000 ℃ 또는 그 이상의 고온 열은 주로 황산 분해반응을 유도하기 위해 사용된다. 그리고 공정에서 사용된 모든 화학물질은 재순환되므로 오로지 수소와 산소만이 부산물이 된다. 아직 않은 기술적인 난관들이 극복돼야 하지만 50% 이상의 생산효율을 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
원자력 수소에서 사용되는 또 하나의 수소생산방법이 고온전기분해법이다. 고온 전기분해(900 ℃이내)의 골자는 열에너지(30%이내)와 전기에너지(70%이내)를 혼합해서 물을 분해하는 방식이다. 이를 열역학적 측면에서는 고온의 열은 전기분해에 필요한 전기에너지 요구량 (깁스에너지)을 감소시킨다. 고온 가스로와 결합된 고온전기분해의 전체적인 효율은 50%에 이를 것으로 전망된다.
원유가격에 따른 수소생산가격과 관련 원자력 수소는 원유가가 34달러 이상이 되면 현재 상업화돼 이용되고 있는 천연가스 증기 개질법에 대해서 충분한 경쟁력을 가지는 것으로 평가받고 있다.
장익창ㆍ최영수기자 cys@e2news.com