Nuclear Energy and its Future POSTECH 첨단원자력공학부 March 31, 2016 Maeng-Ho, YANG, Ph.D.
Contents I. Introduction of Nuclear Energy II. Role of Nuclear Energy in Energy Policy III. International Trends and its Perspectives IV. Conclusion 2
I. Introduction of Nuclear Energy Einstein s Theory : Released energy DE = Dm c 2 Mass defects in reaction 3
원자력이란? o 원자력은핵반응을이용한것으로핵분열반응과핵융합반응, 방사성동위원소와방사선의이용및응용기술로크게구분함. - 핵분열및핵융합반응은상업목적으로열과전기를생산하는데이용. - 방사성동위원소및방사선은산업, 농업, 환경, 의료분야등에서이용과응용이세계적으로보편화되고있음. o 세계제 2 차대전중핵분열반응의군사적이용 ( 원자폭탄개발 ) o 1953 년 12 월유엔총회 Atom for Peace - 미국아이젠하워대통령의원자력의평화적이용선언으로원자력은제 3 의불로서세계적으로도입되기시작함. - 1970 년대 2 차례석유파동으로선진국중심으로원자력발전도입본격화 - 초창기선진국중심의도입에서현재는개도국으로도입이확산 o 현재다양한원전의개발과성숙된에너지산업으로서위상을갖게되었음. 4
원자력의특성 o 원자력은고밀도에너지 - 원자력은상용에너지원중가장높은고밀도에너지원임. - 원자력의에너지밀집도는석탄의 100 만배이상임. o 원자력은기술의존형에너지기술 - 화석에너지는자원소비형에너지 - 원자력발전비용의우라늄비용은 5~6% 수준 - 대규모, 장기투자불가피 ( 정책, 안전규제, 사회적수용, 투자타당성등 ) o 핵비확산조약 (NPT) 에따른국제적규제와감시 - 민감기술 ( 우라늄동위원소농축, 조사핵연료의재처리기술 ) 및핵물질 - 양자및다자간체제를통하여수행 o 원자력시설의안전및핵물질보안확보 - 원전, 핵연료주기시설, 방사성폐기물관리시설, 연구개발시설등 - 국가책임아래법, 제도구축및국제협력수행 - 안전문화기반, 사회적합의필수적 5
원자력이용분야 의료용기구멸균 RI 투여핵의학검사 식품조사 해충방재 암치료 품종개량 X 선검사 두께측정 미량원소분석 비파괴검사 원자력발전 연대측정 ( 고고학 ) 원자력선지역난방우주동력 형광등스타트전구 내열성전선 ( 에너지이용 ) 해수담수화수소제조 산업공정열
과학기술패러다임의변천 20C 과학기술패러다임 20 세기패러다임 원자 ( 原子 ) 원자 전자 e- 전자 핵 빛 고체물리 / 전자기학 핵물리 광학 전기 / 전자산업 (1930 년대이후 ) 원자력산업 (1950 년대이후 ) 레이저산업 (1970 년대이후 ) 가전제품컴퓨터원자력발전 RI 이용광통신의료기기 21C 과학기술패러다임 21 세기패러다임 핵자 ( 核子 ) 핵 핵자 중성자 양성자 중성자과학 양성자공학 중성자산업 (1990 년대이후 ) 양성자산업 (2000 년대이후 ) 21 세기과학기술은학제간경계가없어지고, 분자및원자수준의연구를대상으로함 중성자와양성자는이수준의관찰과가공의수단으로서의필수적인역할을할것임 생명정보물질정보미래원천기술신의료기술신방위기술 7
원자력발전 원자력발전의원리 핵분열열 물을통해열전달 증기생산 터빈회전 발전기 원자로 원자로출구물온도 : 300, 압력 : 150 기압 크기 ( 높이 : 13 m, 지름 : 5.5 m, 벽두께 : 25 cm ) 8
원자로형비교 경수로 (LWR) 가압경수로 (PWR) 비등경수로 (BWR) 중수로 (CANDU) 가스냉각로 (GCR) 고속증식로 (LMFBR) 냉각재 경수 (H 2 O) H 2 O 중수 (D 2 O) CO 2 나트륨 (Na) 감속재 핵연료 농축도 H 2 O H 2 O D 2 O 흑연 N/A UO 2 UO 2 UO 2 UC or UO 2 MOX (U+Pu)O 2 3% 3% 0.7% 0.7% 15% 장점 보통물사용 연료소요량적음 핵비확산에적합 운전중연료교체 농축불필요 연료비저렴 높은이용률 농축불필요 연료비저렴 핵연료증식 단점 농축필요 높은중수가격 안전성문제 핵확산위험 높은건설비 실용성미입증 9
원자력발전핵연료 경수로핵연료 중수로핵연료 가스냉각로 (5MWe) 핵연료 길이 : ~ 4 m 길이 : ~ 50 cm 길이 : ~ 60 cm 단면적 : ~ 20cm x 20cm 핵연료무게 : ~ 450 kgu 우라늄농축도 : 3-5 % 지름 : ~ 10cm 핵연료무게 : ~ 20 kgu 우라늄농축도 : 천연우라늄 지름 : ~ 30cm 핵연료무게 : ~ 6.25 kgu 우라늄농축도 : 천연우라늄 10
11 원전의안전개념 1 방호벽연료펠렛 5 4 3 2 방호벽연료피복관 3 방호벽원자로용기 2 4 방호벽 원자로건물철판 1 5 방호벽원자로건물외벽 차폐벽충돌시험 F4 팬텀기
방사선피폭 ( 법정관리대상 ) ㅇ 1 Sv : I J/ kg 에해당하는방사선량노출ㅇ국제방사선방호협회기준제정적용
원전사고척도 (IAEA) 13
경수로내에서우라늄연료의성분전환 14
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Disposal of Radioactive Wastes: repository 18
핵연료주기 우라늄원광 전략적이용 정련 / 변환 우라늄농축 고농축 핵연료제조 원자력발전 사용후핵연료관리 재처리 Pu 핵물질확보 의학 / 농학 / 산업분야활용 안보적활용 국제적민감분야 19
다자간핵비확산체제 안전조치 수평적확산방지 수출통제 핵비확산조약 (NPT) 물리적방호 수직적확산방지 NPT : Treaty on the Non- Proliferation of Nuclear Weapons IAEA : International Atomic Energy Agency NSG : Nuclear Suppliers Group CTBT : Comprehensive Test Ban Treaty FMCT : Fissile Material Cut-off Treaty INFCIRC : Information Circular 수평적확산 : 핵보유국증가수직적확산 : 핵무기보유량증가및질적개량 IAEA 안전조치체제 쟁거위원회 핵물질방호협약 전면핵실험금지조약 (CTBT) 원자력공급국그룹 (NSG) IAEA 권고 (INFCIRC/225) 무기용핵물질생산금지조약 (FMCT) 20
II. Role of Nuclear Energy 21
원자력기술자립 - 국산에너지 22
제 1 회원자력전시회 (1956. 9, 덕수궁현대미술관, ) 사진. 왼쪽사진은이승만대통령과정부인사참석사진 ( 전기박물관소장. 오른쪽사진은일반국민들 ( 미국국가기록원소장 ). 연구로 1 호기가동기념우표 ( 왼쪽 ) 와동일일보보도사진 ( 오른쪽 23
1971 년 3 월 19 일고리 1 호기기공, 1978 년 4 월 29 일상업운전 ( 세계 21 번째원자력발전보유국, 수명기간 30 년에서 10 년연장과폐로결정으로 2017 년 6 월 18 일까지가동예정 ). 24
산업용전기요금의국제비교 (2005-2014) Energy Prices and Taxes, 2014 25
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구분태동기 (1950-1960년대) 기반조성기 1970년대기술자립기 (1980년대) 기술자립성숙기 (1990년대) 기술고도화기 (2000년대) 현재 주요정책추진내용한미원자력협력협정체결, 국제원자력기구가입, 원자력법제정, 원자력행정체제구축 ( 원자력원, 원자력연구소설립등 ), 원자력전시회개최, 연구로 1호기건설, 운영, 원자력발전도입추진등고리 1호기건설과원자력발전시대개막원자력발전소 A-E회사육성및기자재국산화추진, 핵연료주기사업추진중수로핵연료국산화, 경수로핵연료국산화다목적연구로 ( 하나로 ) 자력설계 건조원자로계통설계기술자립정책추진원전산업육성및체제구축원자로계통설계기술자립성공, 한국표준형원전개발, 경수로핵연료및발전로계통기자재국산화연구용원자로하나로완공, 연구로용핵연료개발원자력진흥종합계획. 원자력연구개발중 장기계획수립중소형원전 SMART원전개발, 고연소도핵연료피복관개발, 신형원자로 APR-1400 개발, 연구로요르단수출, APR-1400 4기 UAE수출성공미래원자력시스템개발 ( 수소생산고온가스로, 자원재활용핵연료주기기술및액체금속로등, 연구로용핵연료및연구로기술수출, SMART 원전수출, 원자력산업의성장동력과전략수출산업으로육성 원자력이용개발정책추진과기술자립 27
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출처 : OECD/NEA, 2010 한국에너지안보지수와원자력발전기여 29
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제 4 세대원전개발 Gen- IV NPP Joint R &D Participation of 13 countries 6 Gen IV Nuclear Energy System chosen for R & D Secretary role : OECD/NEA since 2004 33
원자력이용수소생산 수소경제시대의진입으로수송 난방등에필요한국가에너지문제해결에기여 석유대체효과와이산화탄소배출감축으로고유가와기후변화협약에대응가능 중간루프 초고온가스로 수소생산계통 원자로에서생산되는고온의열 (900 이상 ) 을이용 열화학공정으로물을직접 분해하여수소를생산 35
III. International Trends and its Perspectives 현대문명과 Tri-Lemma ㅇ 3E : Energy, Economy, Environment Global Dislocation : 양극화ㅇ South and North Issues- technology/culture ㅇ Urbanization, Unemployment, Aging etc. ㅇ Natural and Energy Resources International Communities : Globalization ㅇ UN, G7/20, OECD, IAEA, UNFCCC, WEF, OPEC, NGOs, Global Industries. 36 36
HDI and Electricity 37 37
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미국과학기술계의주요관심 International New Paradigm 3S : 원자력르네상스조건 (Safety, Security, Safeguards) 39 39
주요국제이슈ㅇ저유가와국제에너지정세의불안전성 - 에너지시장확보경쟁 ( 공급과수요불균형 ) - 에너지자원수출국 : 재정및경제위기ㅇ선진국들의경제영토확장 미국 / 중국ㅇ새로운세계기후변화협약체제출범 지금은에너지 ( 기술 / 자원 ) 전쟁중ㅇ자원확보 지역간국가간갈등원인ㅇ저탄소에너지경제로의전환ㅇ에너지기술간시장경쟁 국가정책, 기술진보, 시장점유 전통 / 비전통석유, 원자력 / 재생에너지 / 천연가스 40
에너지자원확보경쟁 중국 o 전세계에걸쳐에너지자원외교및협력강화 우라늄포함 에너지원화보를위한영토분쟁 o 온난화에따른빙하감소및소멸로북극, 남극에자원탐사및영토분쟁심화 o 동지나해 / 남지나해영토분쟁 o 포클랜드전쟁 - 아르헨티나 / 영국 o 지중해 이스라엘 / 레바논 December 2011 assessment of Arctic oil and gas offshore resources by the U.S. Energy Information Administration, exceed $1 trillion6 in the U.S. Arctic and $1.7 trillion in the Russian Arctic.
Energy Transport and security 78% of total world energy reserves belongs to unstable political regions World oil dependency is expected to increase up to 63% in 2020 from 27% in 2004 long transportation distance between production and consumption by tankers and pipe lines 43 43
CO2 EMISSIONS FROM FUEL COMBUSTION (2014 Edition), INTERNATIONAL ENERGY AGENCY, IEA/OECD, 2014
대기온도변화 북극빙하변화 해수면상승 지구온난화예측 46
기후협약협상 NEA News 2 2007 No. 25.2 47
기후변화대응과원자력발전전망 2005 년수준 2050 년까지 50% 감축 48 48
에너지사용과 CO2 방출 / 위험성 49 49
기후협약협상 - 파리협정 블룸버그뉴에너지파이낸스 (BNEF) 50
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중국경제성장과에너지, 그리고원자력 52
원전시장전망과러시아전략 53
Nuclear generation by region to 2035, thousand TWh (Image: BP, 2014) 54
일본 Fukushima Accident, March 2011 55
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Impact of the Earthquake for off-site power (1F) Collapse of filled soil & sand Tower collapse Transmission tower collapse Collapse (C)GeoEye 500kV Disconnector 57 2012 The Tokyo Electric Power.
후쿠시마원전사고에따른사회비용이 11 조엔피해. 손해액의구체적인내용은 제염비용 ( 의복, 시설등에서방사능오염을제거할때드는비용 ) 이 2 조 5000 억엔 방사능폐기물의중간저장시설정비비용 1 조 1000 억엔 원전폐쇄와오염수대책비용 2 조엔 배상액이 5 조엔등 Fukushima Daiichi units' 3 and 4 damage after hydrogen explosion.
Benchmark Study of the Accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station In 2012, the OECD NEA- A total of 17 organisations from 8 countries (France, Germany, Japan, Korea, Russia, Spain, Switzerland and the United States) joined the project. The objective of the first phase of the project is to focus on the first six days of the accident to: analyse accident progression and current status inside reactor pressure vessels (RPVs) and primary containment vessels (PCVs) of Fukushima Daiichi units 1-3; improve methods and models of severe accident codes; provide Japan with useful information for decommissioning activities at Fukushima Daiichi. 60
VI. Conclusion 국제에너지정세의불안정성과불확실성심화ㅇ셰일가스혁명 / 붐영향으로저유가시대도래와시장경쟁ㅇ후쿠시마사고영향으로원전장래의불확실성도증가ㅇ신기후체제에서의에너지전환과신재생에너지도입확대ㅇ원전산업은안전성및경제성향상, 수출로활로개척ㅇ파리기후변화협약체결이후전망은?? 원전역할재조명 원자력역할재조명 온실가스감축대응등ㅇ국내외에서의원전의장래불확실성심화 - 신재생에너지와의기술 / 시장경쟁, 중소형로시장확대ㅇ사회적이슈의대응과해결 : 원전안전과방사성폐기물관리 - 지역과상생 / 협력, 체계적전략적지원ㅇ원자력정책과 GOVERNANCE 재구축 - 원전계획, 사회적문제해결, 원전수출, 인력및고용등 - 과학기술위험사회 - 선택의문제?? 61
핵과원자력의역사 엔리코훼르미퀴리부인아인슈타인 1895 년 : 렌트겐 X-ray 발견 1904 년 : 퀴리부인라듐발견 1905 년 : 아인슈타인상대성이론발견 1942 년 : 최초의원자로개발 ( 훼르미 ) 1953 년 : 원자력잠수함개발 ( 미국 ) 1956 년 : 최초발전용원자로가동 ( 영국 ) 1978 년 : 한국발전용원자로가동 1945 년 7 월 : 최초핵실험 ( 미국 ) 1945 년 8 월 : 원자폭탄투하 1952 년 : 핵융합폭탄개발 ( 미국 )