The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World

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하라 운
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1 The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World AN INTERDISCIPLINARY MIT STUDY 보고서 요약

2 The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World AN INTERDISCIPLINARY MIT STUDY 보고서요약 Translation by MIT students Jee Hyun Seong and Haeseong Kim

3 보고서요약 원자력에너지의평화적인이용은 2세기과학 기술의가장위대한성취중하나이며의학, 안보, 에너지분야에도움을주었다. 하지만, 수십년동안의빠른성장후, 많은선진국에서원자력에너지에대한투자를멈추었고, 원자력에너지는현재세계주요에너지생산의 5% 만을구성하고있다. 21 세기에들어, 세계는수십억인구에대한에너지접근성향상및경제적기회의확대와더불어온실가스의방출을대폭줄여야하는새로운과제를맞이했다. 이보고서에서는심층적탈탄소화의대표적인방안으로써전력부문을검토했다. 대부분의지역에서 25 년예상되는전력부하를해결하는동시에탄소배출량을줄이기위해서는기존시스템과는다른발전 ( 發電 ) 믹스모델이필요하다. 이번분석을통하여다양한종류의저탄소혹은무탄소기술을이용하는발전믹스들가운데, 원자력에너지가급전가능저탄소기술로서기여할수있음을보였다. 원자력에너지를발전믹스에서배제할경우, 심층적인탈탄소화의비용은현저하게증가한다 (Figure E.1, 왼쪽열참조 ). 최저비용의포트폴리오는원자력에너지비중이큰경우이며원전건설비용이낮아지면발전비용은훨씬더줄어든다. 이러한가능성에도불구하고, 세계의많은지역에서원자력에너지확대전망은그다지밝지않다. 가장핵심적인문제는비용이다. 최근수십년동안다른발전 ( 發電 ) 기술은저렴해진데반해, 신규원전건설비용은여러요인들로인해증가해왔다. 이는원자력에너지의잠재적기여도를감소시키며심층적인탈탄소화비용을증가시킨다. 이번연구에서는이러한추세의원인과해결방안에대해조사했다. 본연구에서는전세계의최근경수로건설프로젝트를조사하고, 다양한선진원자로의개념, 설계및건설에적용될수있는최신기술의발전을조사했다. 원자력에너지가갖는비용문제의해결을위한제안은다음과같다 : (1) 검증된프로젝트및건설관리사례를통한신규원자력발전소건설의성공확률증대최근미국과유럽의원전건설프로젝트에서는예정공사기간및예산범위내에서제품을조달하는데있어반복적으로실패한건설관리사례가발생했다. 이와관련해몇몇시정조치가시급히요구된다 : (a) 건설에들어가기전에세부설계의상당부분을완료한다. (b) 입증된공급망및숙련된노동력을사용한다. (c) 설계과정의초기단계부터제조와건설사를설계팀에합류시켜, 제작과시공이효율적으로이루어지도록발전소시스템, 구조및부품이관련표준에따라설계되도록한다. (d) 다수의독립적협력업체를관리하는데있어입증된전문지식을가진단독계약관리자를임명한다. (e) 모든계약자가프로젝트의성공을통해얻을수있는확정된권리를가지고있음을보장하는계약구조를수립한다. (f) 설계및건설중예기치않은변화를적기에수용할수있는유연한규제환경을조성한다.

4 (2) 복잡하고부지종속적인기존의건설방식에서표준화된발전소제작으로의전환신규원자력발전소의자본비용을대폭줄이고건설일정을단축할수있는방법은다음과같다. 첫째, 표준화된원전의다수호기건설특히단일부지에서의다수호기건설은매호기건설로부터상당한경험을얻을수있다. 건설생산성이낮은미국과유럽에서는높은생산성을갖는공장생산을확대하여복잡한시스템, 구조및부품을제작하는것을권장한다. 공장및조선소에서의모듈화제작, 개량콘크리트기술 ( 예 : 강판복합재, 고장도철근, 초고성능콘크리트 ), 면진기술및진보된발전소배치 ( 예 : 매립, 해양부지선정 ) 등을포함한최신기술활용은신규원자력발전소건설비용및공기에긍정적인영향을줄수있다. 기존보다덜복잡한시스템, 구조및부품의제조또는건설현장에서의생산성이높은지역 ( 예 : 아시아 ) 에서는반대로기존방식을고수하는것이가장비용이적게드는방법일수있다. 모든원자로개념및설계전반에걸쳐앞에서언급된권장사항을광범위하게적용할수있다. 비용절감은특히 3세대개량형경수로, 소형모듈형원자로 (SMR) 및 4세대원자로와밀접한관련이있다. 설계표준화나건설부문의혁신이없는단순한선진원자로기술만으로는다른발전기술보다가격경쟁력을갖지못할것이다. 높은비용뿐만아니라, 기존의 2세대원자로중대사고에대한사회적우려는원자력에너지의발전을저해시켰다.( 예 : 211년후쿠시마사고 ) 이로인해몇몇국가들이탈원전정책을결정하게되기도하였다. 이러한원자력안전문제를해결하기위해다음사항을제안한다 : (3) 고유및피동안전성을갖는원자로설계로의전환우수한노심재료 ( 높은화학, 물리적안전성, 높은열용량, 음의궤환효과, 핵분열생성물보유특성 ) 와비상발전기및외부개입이최소화된안전시스템계통은원자로운전을단순화하고인적오류의위험성을감소시킨다. 이러한개선사항은일부 3세대원자로설계시이미반영되었으며, 현재중국, 러시아, 미국에서건설중인원자로에서도나타난다. 피동안전설계는중대사고의발생확률을낮춤과동시에사고인근지역의피해를줄일수있다. 이러한설계는신규원자력발전소의인허가를유리하게하며선진국과개발도상국에서의배치를가속시킨다. 소형경수로 ( 예 : NuScale) 와같은개량형원자로및 4세대원자로개념 ( 예 : 고온가스로, 소듐고속냉각로 ) 은앞에서언급된특성을가지고있으며상업적으로이용될준비가되었다. 또한, 이연구에서수행된미국및국제규제환경평가는현재의규제시스템이선진원자로의인허가에있어충분히융통적임을시사한다. 기존규제체계의개선은인허가검토의효율및효과를더욱향상시킬수있다. 1 원자로설계는주로네세대로분류된다. 195 년대후반과 196 년대에건설된최초의상업용원자로는 1 세대시스템으로분류된다. 2 세대시스템은 197 년에서 199 년사이에건설된상업용원자로를포함한다. 3 세대원자로는 2 세대시스템에서혁신적으로발전된설계를포함한상업용원자로이다. 4 세대는오늘날개발되고있는물이외의냉각제를사용하는선진원자로설계를일컫는다.

5 Figure E.1 미국뉴잉글랜드지역과중국의천진 - 베이징 - 당산 (T-B-T) 지역의탄소배출량규제 (gco2/kwhe) 에따른 25 년예상평균발전비용 ($/MWhe) ( 좌 ) 및원자력시설용량 ( 첨두수요량대비 %) ( 우 ). 세가지시나리오 : (a) 원자력비허용 (b) 명목상순건설비용에서원자력허용 ( 뉴잉글랜드에서 $5,5 per kwe, T-B-T 에서 $2,8 per kwe) (c) 개선된순건설비용에서원자력허용 ( 뉴잉글랜드에서 $4,1 per kwe, T-B-T 에서 $2,1 per kwe). 시뮬레이션은 GenX 라는 MIT 시스템최적화도구로수행되었다. 주어진전력시장에대해필요한입력값은모든발전소 ( 원자력, 풍력, 태양, 화력 ) 에대한시간당전력수요, 시간별날씨패턴, 경제적비용 ( 자본, 운영및연료 ) 과모든입력값의변화율이다. GenX 시뮬레이션은각시장에서평균시스템의전력요금을최소화하는발전믹스를식별하는데사용되었다. 강력한탄소제약조건하에비핵화시나리오에서확인되는비용의상승은에너지저장장치의증축및건설비용에기인한다. 변동성을갖는신재생에너지기술에전적으로의존하는경우이러한에너지저장장치는필수적이다. 오늘날전세계에너지원의평균이산화탄소배출량은 5 g/kwhe 이다. 217 년국제에너지기구 (International Energy Agency) 에서발표된기후변화안정화시나리오에의하면, 지구온난화를현재기준평균 2 이내로제한하기위한전력부문에서의탄소배출목표량은 25 년까지 1~2 g/kwhe, 26 년까지 2 g/kwhe 이다. New England, United States New England, United States Average Generation Cost ($/MWh e ) Nuclear - None Nuclear - Nominal Cost Nuclear - Low Cost Nuclear Installed Capacity (% Peak Demand) Nuclear - Nominal Nuclear -Low Cost T-B-T China T-B-T China Average Generation Cost ($/MWh e ) Nuclear - None Nuclear - Nominal Cost Nuclear - Low Cost Nuclear Installed Capacity (% Peak Demand) Nuclear - Nominal Nuclear -Low Cost

6 마지막으로, 원자력에너지의이점을살리기위해서정책결정자들에게다음과같은사항이요구된다 : (4) 탈탄소화정책을통한저탄소기술의고유경쟁력향상원자력혁신개발의투자자들은해당투자를통한, 이산화탄소배출절감의효과를비롯한외부요인들만큼이나, 이윤의회수가중요하다. 또한원자력에너지를배제하는정책은원자력기술에대한투자를감소시킨다. 그리고이와같은정책과그로인한투자위축은저탄소화의비용을증가시키며기후변화억제에관한목표달성을현실적으로어렵게한다. 이에따라탄소배출비용을전력요금에포함시키는방식으로에너지원을평가한다면, 여타의저탄소에너지기술들과비교하여원자력이공정한기준하에평가받을수있다. 그리고현재운영중이거나계획중인원자력발전은경쟁에서큰이점을가지고있는기술이다. (6) 선진원자로의실증로시험및상업적이용을위한재정지원계획의수립 : (a) 규제인허가비용의분담, (b) 연구및개발비용의분담, (c) 세부적기술목표달성의지원,(d) 초기신규실증로및새로운유형의원자로에대한지원본연구에대한자세한논의는연구보고서의개관및본문에수록되었으며, 각장은원자력에너지의가능성, 원자력발전소의비용, 선진원자로기술의평가, 원자력산업의비즈니스모델과정책, 원자로안전규제및인허가의다섯가지주제로구성되었다. (5) 기업의인허가용실증로건설부지를정부 가마련 실증로부지는기업이선택한다양한원자로형을수용할수있어야한다. 정부는적절한지원과감독 ( 안전규약, 설비, 환경평가및승인, 핵연료주기서비스 ) 을제공하며모든시험에함께직접참여해야한다.

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증

+ 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 그림 3 지역 및 에너지원별 1차 에너지 수요 증가율 그림 4 최종 에너지 소비량 중 에너지원별 점유율 시장 전망에서 세계 GDP 성장률은 연평균 3.4% 인 증가를 선도하겠지만 이후에는 인도가 지배적인 역할 구는 0.9% 증 Special Issues 특집 세계 에너지시장 전망(WEO 2014) 1 개황 국제에너지기구(IEA)는 매년 세계 에너지시장에 대한 중장기 전망을 발표해 오고 있다. 2014년 세계 에너지시장 전망은 분석기간을 2040년까지 확대해 장기 전망과 분석을 수행했고 에너지소비와 수급측면의 종합적인 동향과 석유 천연 가스 석탄 전력 신재생에너지 및 에너지효율 등의