푸틴도 꽂힌 '우주 원전' 가능할까... 물 안 쓰고 펌프도 없는 초소형 원자로

달 거주에 안정적인 전력 공급 필요
구조 단순한 '열전도관 원자로' 적합
미국 이미 2018년 기술 시연에 성공
공정·경제성·안전성 모두 산 너머 산

“우주에 원전을 건설하는 것이 우주 프로젝트의 우선순위가 돼야 한다.”

지난달 14일(현지시간) 블라디미르 푸틴 러시아 대통령이 각료회의에서 이렇게 말했다고 러시아 타스통신이 전했다. 이는 앞서 같은 달 5일 유리 보리소프 러시아 연방우주국(ROSCOSMOS·로스코스모스) 대표가 한 “러시아는 2033~35년 중국과 함께 달 표면에 원전을 짓는 프로젝트를 고려 중”이라는 발언과 맞닿아 있다. 달에 만들 유인기지 운영에 필요한 에너지를 원자력발전에서 얻겠다는 선언이다. 미국도 우주 선진국들과 함께 일찌감치 우주 원자력발전을 시도해온 만큼 달 원전을 둘러싼 강대국들의 경쟁이 속도를 낼 전망이다. 인류가 정말 달에 원자력발전소를 지을 수 있을까. 달 원전은 지구의 상용 원전과 어떻게 다를까.

SMR도 우주 보내기엔 너무 커

달에 기지를 건설하고 사람이 거주하려면 에너지를 안정적으로 공급해야 한다. 지금 우주에선 태양전지를 주로 사용하는데, 달에선 낮과 밤이 14일 주기로 반복되기 때문에 계속 쓰지 못한다. 태양 빛이 약한 먼 우주로 갈 때는 지금도 방사성동위원소전지(RTG)를 실어 보낸다. 토성 탐사선 '카시니', 명왕성 탐사선 '뉴호라이즌스', 태양계 밖으로 나간 '보이저' 등이 모두 RTG를 싣고 갔다. RTG는 불안정한 방사성동위원소가 안정한 상태로 변할 때 내는 열을 전기로 바꾸는 장치다. 콜라캔만 한 것부터 드럼통만 한 것까지 크기가 다양해 용도에 따라 골라 쓸 수 있지만, 발전량이 작다. 화력발전이나 연료전지는 주기적으로 석탄, 수소를 공급해야 하니 달에서 쓰기 어렵다. 대기가 없어 바람이 불지 않는 달에선 풍력발전도 불가능하다. 그래서 원자력발전이 대안이다.

전기를 만드는 발전소는 물을 끓여 증기를 만들고, 증기로 발전기를 돌린다. 물을 끓이는 데 석탄을 쓰면 화력발전이고, 핵연료를 쓰면 원자력발전이다. 원자력발전소의 원자로 중심부(노심)에서는 불안정한 우라늄이 안정해지기 위해 계속 쪼개지는 핵분열 연쇄반응이 일어난다. 이때 열 에너지가 발생하는데, 이 열은 관을 타고 증기발생기로 이동한다. 증기발생기는 물을 끓여 증기를 생성하고 이 증기가 발전기를 돌려 전기를 만든다. 이처럼 원전은 여러 부품 간의 상호작용으로 전기를 생산하기에 규모가 매우 크다. 하지만 우주용 원자로는 우주선에 실어야 하기에 훨씬 작아야 한다. 최근 각국이 개발에 열을 올리고 있는 소형모듈원자로(SMR)도 높이가 아파트 8~9층 수준인 20m 내외라 우주선에 넣기에는 크다.

파라솔처럼 생긴 원전이 달에?

6년 전인 2018년 이미 미국은 우주용 원자로 '킬로파워(Kilopower)'를 개발했다. 높이가 약 1.9m로, SMR의 10분의 1 수준인 초소형이다. 무게는 덤프트럭 1대와 비슷한 3.5톤급이다. 이 원자로가 이렇게 작고 가벼울 수 있는 건 일반 원전과 달리 물이 필요 없고 펌프와 배관을 최소화한 단순한 구조이기 때문이다. 농축 우라늄을 핵연료로 쓴다는 점은 일반 원전과 같지만, 원자로를 보호하는 커다란 돔 형태의 격납건물도 없다. 킬로파워의 핵심은 노심에 10~20개 꽂혀 있는 열전도관(히트 파이프)이다. 노심의 열이 이들 관을 통해 특수 엔진인 '스털링 엔진'으로 전달되고, 열을 받은 스털링 엔진은 압축과 팽창을 반복하며 전기를 만들어낸다.

열전도관 내부에는 물이 아닌 소듐(나트륨)이 들어 있다. 스털링 엔진이 잘 작동하려면 적어도 600~700도의 열이 열전도관을 통해 전달돼야 한다. 물의 끓는점은 이보다 낮아서 쉽게 기체로 변하는데, 관 내부 압력이 높아지면 자칫 터질 수 있다. 반면 소듐의 끓는점은 물의 약 9배인 883도라 쉽게 기화하지 않고 액체 상태를 유지한다. 조형규 서울대 원자핵공학과 교수는 "고체 소듐이 200~300도에서 끓어 액체가 돼 열전도관 내부를 이동하며 고온의 열을 스털링 엔진으로 전달한다"고 설명했다. 킬로파워 상단에는 파라솔처럼 생긴 '반사체'가 달려 있다. 원자로의 남는 열은 이 반사체를 통해 바깥으로 나간다.

킬로파워 같은 '열전도관 원자로'(HPR)는 물이 존재하지 않고 중력도 작용하지 않는 달이나 화성에 적합하다. 홍진태 한국원자력연구원 동위원소연구부장은 HPR이 "가장 단순한 형태의 원전"이라고 설명했다. 그러니 가벼워서 수송에도 유리하다. 러시아가 미국과 유사한 HPR을 개발 중인지는 확인되지 않았지만, 전문가들은 HPR 외에 다른 원리의 차세대 원자로들은 대부분 우주에 적합하지 않다고 보고 있다. 김찬수 한국원자력연구원 원자력수소연구실장은 "HPR에선 소듐(냉각재)이 모세관 현상에 의해 좁은 관을 타고 스스로 흐르기 때문에 펌프나 배관이 필요 없는데, 다른 원자로들은 외부에서 물리적인 힘을 가해야 냉각재가 이동한다"며 "이를 위해 필요한 부품이 늘면 크기가 커져서 우주에 보내기 어렵다"고 설명했다.

열전도관은 스마트폰과 컴퓨터 같은 전자제품에도 들어 있는데, 사용 중 발생하는 열을 주위로 분산시키는 역할을 한다. 전자제품용 열전도관은 내부 벽면이 평평하지만, HPR의 열전도관은 울퉁불퉁하다. 냉각재 이동 통로를 좁혀 모세관 현상이 더 잘 나타나게 만드는 것이다.

발사했는데 대기권에서 사고 나면...

나사는 최대 10년간 작동하는 10킬로와트(kW)급 HPR 4대를 2030년까지 달에 설치할 계획이다. 10kW급 HPR 4대에서 나오는 40kW 전력량은 30가구가 10년 동안 쓸 수 있는 양으로, 우주인 6명이 달에 머무르는 동안 생활하고 실험하기에 충분하다. 나사는 지난 2018년 킬로파워의 시험용 원자로 '크러스티(KRUSTY)'의 기술 시연에 성공했다. 당시 달에 원전을 지을 날이 멀지 않았다는 기대가 나왔으나, 아직은 넘어야 할 산이 많다.

우선, HPR용 열전도관 생산 공정이 아직 정립되지 않았다. 열전도관의 길이를 1m 정도로 길게 만들고 모세관 현상이 더 잘 나타나도록 내부 벽면을 파내려면 제작 기술이 향상될 필요가 있다. 경제성도 따져봐야 한다. 반사체 주요 재료인 베릴륨의 가격은 3일 상하이금속거래소(SMM) 기준 kg당 약 144만 원으로, 같은 무게의 은(114만 원)보다 1.3배 비싸다.

원전 사고는 대부분 전력이 끊겼을 때 원자로를 식히는 기능이 작동하지 않아서 발생한다. 2011년 일본 후쿠시마 원전 사고도 마찬가지였다. HPR은 전력이 끊겨도 크기가 작아서 단시간 안에 스스로 열을 식힐 수 있지만, 열전도관이 깨져 원자로 가동이 멈추는 상황은 대비해야 한다고 전문가들은 설명한다. 또 HPR을 실은 발사체가 만약 대기권에서 고장이 나거나 자칫 폭발한다면 방사성 물질이 지구로 확산할 위험이 있다. 정동욱 중앙대 에너지시스템공학부 교수는 "원자로는 사고 영향이 더 크기에 RTG보다 엄격한 규제가 필요하다"고 지적했다. 달에 실제로 원전을 지은 나라가 사실상 원전 주변 영토를 독점하게 될 거란 우려도 설득력이 있다.