친환경 에너지원 우라늄에 대해서 알아보자!

오늘은 최근 급등한 우라늄 가격과 우라늄 ETF 등 관심이 생겨서
우라늄에 대해서 한번 알아보려고합니다.

글은 아래 목차로 진행할게요!

1. 우라늄이란? 우라늄의 기원

2. 우라늄이 사용처(전력)

3. 전세계 우라늄 사용량/원전 발전량

1. 우라늄(Uranium)이란? 우라늄의 기원

① 우라늄의 발견

우라늄은 수백년동안 우리에게 익숙하게 다가왔는데요. 이 우라늄은 어떻게 발견되었을까요?
우라늄은 이름이 명명되기 이전에 고대 로마시대부터 도자기 유약에 노란색을 넣는곳에 사용이 되었습니다. 순 우라늄은 아니고 천연산화우라늄이였죠!

천연산화우라늄(피치블렌드)

이 천연 산화 우랴늄은 노란색을 띄었기 때문에 염료로써 사용이 되었답니다. 이 광석은 피치블렌드라고 불렸다고해요.

1789년 독일의 화학자 마르틴 클라프로트는 이 피치블렌드에서 알려지지 않은 원소가 있다는 것을 발견했는데 그리고 그는 천왕성(우라노스)의 이름을 따서 우라늄이라고 명명했습니다.

② 우라늄의 특징

우라늄은 92번째 원소로, 원소기호 U를 사용합니다. 이 원소의 특징은 아래와 같아요.

분류	악티늄족	상태	고체
원자량	238.029	밀도	19.1 g/㎤
녹는점	1132.3 °C	끓는점	4131 °C
용융열	9.14 kJ/mol	증발열	417.1 kJ/mol
원자가	2	이온화에너지	597.6 kJ/mol
전기음성도	1.38	전자친화도	미확인
발견	Martin H. Klaproth (1789)
CAS 등록번호	7440-61-1
이전 원소		다음 원소
프로트악티늄(Pa)		넵투늄(Np)

우라늄은 전성과 연성이 풍부한 은색 금속이며 방사능을 가지고있습니다.

※ 방사능: 라듐, 우라늄, 토륨, 폴로늄 등 원소의 원자핵이 붕괴하면서 방사선을 방출하는일, 방사선이 생물에게 위험한 영향을 미친다.

자연계에는 이 우라늄이 두가지 동위원소로 크게 존재하는데 99.3%는 우라늄-238이, 0.7%는 우라늄-235로 구성이 되어있어요.

238과 235의 차이는 우라늄 238이 우라늄 235보다 중성자를 3개 더 가지고있다는 뜻이라고합니다.

이 두가지 우라늄중에서 우리가 원자로에 사용하는 것은 0.7%의 우라늄 235라고해요. 그래서 엄청나게 희귀할 것 같지만 또 그렇지는 않다고해요. 우라늄 자체가 원래 주석만큼이나 흔한 물질이라 때문에 저렴한 편이라고합니다.

우라늄-235를 농축하면 고효율의 원자로를 만들 수있지만, 히로시마에 사용되었던 핵 폭탄도 만들 수 있다고해요. 그래서 각 국가에서 이 우라늄 농축 공장을 짓는 것을 제한하고있죠.
우리나라는 정광형태로 수입을하고 해외에 농축을 맡긴 후 다시 농축된 우라늄을 국내에 들여와서 가공하는 등 복잡한 방식으로 수입을하고있다고합니다.

③ 핵분열의 원리

우라늄 235에 열중성자가 들어가면 원자 핵이 쪼개지면서 열 에너지가 발생하고 열에너지를 통해서 발생한 중성자가 다른 우라늄 원자에 분열을 일으켜 연쇄적으로 열에너지를 발생시킵니다.

다만 이때 100%효율로 핵 분열이 이루어지는것은 아니며 약 20~30%의 핵분열이 이루어진다고해요!

이렇게 만들어진 열 에너지로 물을 데우고 터빈을 돌려서 전기를 발생시키는게 원자력 발전입니다.

2. 우라늄을 이용한 원자력 발전

사실 전기를 발생시키는 것은 아주 단순합니다.

터빈을 돌려서 유도기전기를 이용해 전기를 만들어냅니다. 이 원리는 화력발전이나 수력발전이나 풍력 발전 모두 동일합니다. 결국 어떤 에너지로 터빈을 돌려야만 전기를 만들 수 있거든요.

특히 화력발전이랑 비슷한데, 화력발전은 석탄을 이용해 물을 끓이고 발생한 증기로 터빈을 돌립니다. 이때 원자력발전은 석탄 대신 핵분열에서 발생한 열을 이용해 물을 끓이고 발생한 증기로 터빈을 돌리게되죠.

원자로의 중심에는 핵연료가 장전되어있는데 이 핵연료는 우라늄-235의 함유율을 3~5%로 높인 저농축 우라늄을 가공한 연료 소자를 피복관 속에 넣은 후 밀폐한 연료봉을 모아 다발로 만들어 사용하고 있다고합니다.
핵연료 내의 우라늄에 열 중성자를 충돌시키고 발생하는 열과 2~3개의 높은 에너지의 고속중성자가 또 다시 다른 중성자와 만나 핵 분열 반응을 일으키는 연쇄 작용이 일어나게됩니다.

이 에너지를 전달 받은 원자로 냉각재는 증기발생기로보내져 2차 냉각재(경수)를 가열하여 증기로 변환시키고 이때 발생한 증기가 터빈을 구동시켜 발전기를 돌리고 전기가 만들어집니다.

그렇다면 이렇게 발생하는 열에너지는 석탄에 비해서 효율이 얼마나 좋을까요?

우라늄 1g이 핵 분열할때 생기는 에너지는 석유 9드럼(1,800L), 석탄 약 3톤이 완전 연소 할 때 생기는 에너지와 유사하다고합니다. 즉 우라늄이 석탄보다 약 300만 배 열을 낸다고 할 수 있죠.

원자력의 효율이 어마어마하게 좋다는 것을 알 수 있습니다.

다만 천연가스의 경우 발전원가의 75% 정도를 연료 가격이 차지하고있지만, 원자력 발전의 경우 5%정도 밖에 차지 하지 않을 만큼 원료 이외의 비용이 크게 든다는 단점이 있습니다.
(초기 설비 투자비용, 운영비용, 폐기물 처리비용 등)

3. 전세계 우라늄 사용량/원전 발전량

그렇다면 전세계에서 우라늄을 얼마나 소비하고, 원전에서는 얼마만큼의 발전을 하고 있을까요?

우리나라를 먼저 보면

2020년의 경우 연간 1600만kWh 정도 발전을 하고있고 전체 5500만 kWh 중 약 29%의 비중을 차지하고있습니다.
신재생에너지(6%)에 비하면 많지만 화력발전(63%)의 절반 수준이라고 보시면 될 것 같아요.

아직 우리나라는 화력발전의 비중이 큰게 사실이고, 점점 친환경 발전으로 좀 넘어가야할 것 같아요.
통계의 특이한점을 보면 2017년부터 2019년까지 발전량이 감소하다가 2020년들어서 과거 수준의 발전량을 보여주고있는데 이건 아마도 탈원전의 정치적인 영향이 있지 않았나 싶습니다.

우라늄 235를 농축한 우라늄 수입 현황

수입량은 어느정도 증가 추세에 있긴하지만, 아무래도 탈원전의 영향때문인지 일정 수준에서 왔다갔다하는것같아요.
2013년에 피크를 찍고 수입량은 어느정도 안정된 느낌이에요

21년 수입량은 7.4억달러 수준으로 전년 대비 2%정도 늘어났습니다.

석탄 수입량

참고로 석탄의 수입량은 145억달러 수준으로 우라늄 수입 가격 대비 20배 정도 차지하고있네요..

전세계 원전 현황을 확인해볼게요

전 세계에서 가장 많은 원전을 보유하고 가동중인 국가는 단연 미국이네요.
독일과 영국의 경우 정지된 원전 비율이 높습니다.

가장 많은 원전을 보유한 미국의 경우 발전원별 비중을 보면 천연가스(43.4%), 석탄(19.9%), 풍력(10.0%), 원자력 (8.7%), 수력(7.2%), 태양광 (3.9%) 순인데요, 미국의 경우 원전은 제일 많지만 원전에서 생산되는 전력량의 비중은 오히려 풍력보다도 적은 모습입니다.

미국의 경우 1970년대까지만해도 원전 관련 기술은 세계 최고였다고해요, 전세계 원전의 31% 정도 수준의 원전을 보유하고있었을 정도였지만, 1979년 펜실베니아주의 스마일리 원전사고 이후 탈원전이 가속화되었다고합니다.
그리고 저유가도 한몫했지요, 그래서 현재는 원전 비중이 점점 줄어들고있고 관련 원천 기술도 점점 사양되고있다고하네요.

미국은 그래도 땅이 넓다보니 친환경 에너지원도 많은 것이 사실인 것 같아요. 또한 지속되는 저유가로 천연가스의 가격이 저렴하고, 여러 발전 수단의 효율이 좋아지면서 원전을 대체하고 있는 모습입니다.

미국의 원전 현황인데요, 아무래도 탈원전 정책을 지속하다보니 오래된 원전 비중이 큰 모습입니다. 대부분 20년 이상된 원전들이네요.

앞으로 원전이 어떤식으로 자리잡게 될 지 궁금합니다.


EU, '원전도 친환경 투자' 최종안 확정…원전 부활 신호탄? (hankookilbo.com)

EU, '원전도 친환경 투자' 최종안 확정…원전 부활 신호탄?

최근에는 원전이 다시 친환경 에너지원이라는 인식이 생겨나서, EU에서도 원전이 부활 할 것이라는 의견이 있더라구요.
과연 어떻게 될까요...?

우라늄 가격은 2011년부터 감소하기시작해서 최근 파운드당 43달러 수준으로 많이 오른 상태인데요.
그래서 다음에는 우라늄 관련 기업들에 대해서 포스팅을 해보도록 하겠습니다!

오늘은 여기까지하고! 다음에 또 만나요~!

글 읽어주셔서 감사합니다.

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그럼 이만!