일본 유일의 가동 중 대학 원자로, 막대한 연료 교체 비용과 재정난 직면

작은 원자로에 커지는 교육 부담

오사카부 히가시오사카시에 있는 긴키대학교 교육용 원자로는 최대 열출력이 1와트로, 촛불의 화력보다도 낮다. 대학에 따르면 원자로를 가동 가능한 상태로 유지하는 데 연간 약 2억 엔이 들지만, 기업 사용료와 정부 교육 보조금으로 들어오는 수입은 약 600만 엔에 불과하다. 이제 의무적인 우라늄 연료 교체로 훨씬 큰 비용이 추가될 전망이다.

이 원자로는 현재 가동 중인 일본 유일의 대학 원자로다. 교토대학교에 남은 다른 시설은 일시적으로 가동이 중단된 상태다. 2024 회계연도에는 250명이 넘는 학생이 긴키대에서 교육을 받았다. 기업들도 암 치료 연구와 원자력 시설 해체 관련 실험에 원자로를 이용한다.

일본과 미국은 2022년 9월 이 원자로의 고농축 우라늄을 저농축 우라늄으로 교체하고 기존 연료를 미국에 반환하기로 합의했다. 전환 비용은 수백억 엔에 달할 것으로 예상되며, 긴키대도 비용 일부를 부담할 것으로 보인다.

일본은 후쿠시마 제1원전 사고 이후 수년간 원자력 의존도를 낮추려 했지만, 이제 원자력 발전 확대 쪽으로 방향을 돌리고 있다. 노후 원자로를 안전하게 해체할 인력도 필요하다. 그러나 문부과학성 통계에 따르면 원자력 관련 대학 학과와 과정의 신입생은 1994 회계연도 579명에서 2024 회계연도 177명으로 줄었다.

0.01와트에서 배우는 것

후쿠이공업대학교 학생 약 20명은 8월 긴키대 원자력연구소에서 열린 실습에 참여했다. 학생들은 제어반을 지켜보며 핵연쇄반응을 안정된 상태로 만드는 과정을 익혔다.

측정값이 0.01와트에 도달하자 실습에 참여한 한 학생이 결과를 알렸다.

0.01와트입니다. 임계에 도달했습니다.

임계란 핵분열이 한 세대에서 다음 세대로 이어지는 데 필요한 중성자를 충분히 공급하는 상태를 뜻한다. 제어된 원자로에서는 운전자가 반응을 일정한 수준으로 유지할 수 있다. 이곳에서 학생들은 원자로 최대 열출력의 100분의 1에 불과한 출력에서 임계 상태에 도달했다.

이 실습을 통해 학생들은 계산을 계측기, 제어 동작, 실제 연쇄반응과 연결해 배운다. 열출력이 이처럼 낮은 원자로는 전력을 생산하지 않으면서도 원자로 운전 원리를 가르칠 수 있다.

긴키대 원자력연구소의 와카바야시 겐이치로 교수는 실습의 목적을 이렇게 설명했다.

학생들이 원자력 에너지가 무엇인지, 그리고 어떻게 안전하게 이용할 수 있는지 배우기를 바랍니다.

긴키대의 원자로 시설 안내에 따르면 원자로실 옆 공간에 있는 제어반은 학생 교육에 적합하도록 시동, 정지, 출력 조절을 할 수 있게 설계됐다.

교육용 원자로의 작동 원리

UTR-KINKI 원자로는 높이가 약 2미터, 지름이 약 4미터다. 출력이 극히 낮아 흔히 영출력 원자로라고 불린다. 물로 중성자의 속도를 늦추고, 노심 주위의 흑연으로 일부 중성자를 연료 쪽으로 반사한다.

느린 중성자는 우라늄 연료의 핵분열을 지속시키는 데 도움이 된다. 흑연은 반응에 필요한 중성자를 유지하도록 돕고, 제어봉으로 반응을 조절할 수 있다. 긴키대는 원자로 출력을 제어하는 장비로 중성자 검출기 5개와 제어봉 4개를 제시하고 있다.

노심에는 우라늄과 알루미늄 합금으로 만든 평판형 연료 요소 12개가 들어 있으며, 6개씩 두 묶음으로 나뉜다. 이처럼 작은 구성은 상업용 원자력 발전소에 필요한 대량의 열을 생산하기보다 실험과 교육에 적합하다.

긴키대에 따르면 원자로의 잔류 감마선량은 매우 낮다. 차폐 시설 덕분에 가동 중에도 원자로실에 출입할 수 있고, 해당 공간에서 방사선 감시가 이뤄진다. 따라서 학생들은 원자로 물리와 함께 방사선 방호도 배운다. 출력이 매우 낮더라도 차폐와 감시, 출입 통제는 교육 과정의 일부다.

60년 넘게 이어진 공동 이용

긴키대의 연구소 연혁은 UTR-KINKI를 일본 최초의 민간·대학 원자로로 소개한다. 1960년 연구소 설립부터 연구 활용 범위를 넓힌 후속 시설 확충까지 개발 과정이 이어졌다.

• 1960년 4월: 긴키대가 연구와 교육을 위해 원자력연구소를 설립했다.
• 1960년 8월: 원자로 설치가 승인됐다.
• 1961년 11월 11일: 열출력 0.1와트로 최초 임계에 도달했다.
• 1974년 10월: 최대 열출력이 1와트로 늘었다.
• 1984년 1월: 소형 동물 조사, 중성자 방사선 촬영, 수직 조사 확대를 위한 시설이 추가됐다.
• 2022년 9월 27일: 일본과 미국이 원자로 연료 전환 합의를 발표했다.

중성자 방사선 촬영은 중성자를 이용해 물체 내부를 살펴보는 방식으로, 다른 형태의 방사선을 이용해 내부 구조를 보여주는 엑스선 영상과 비슷하다. 조사 시설에서는 연구자들이 통제된 조건에서 시료를 방사선에 노출할 수 있다.

오사카대, 고베대, 나고야대, 규슈대 학생들도 교육과 실습을 위해 긴키대 원자로를 이용한다. 연구소는 교사와 일반인을 위한 워크숍과 세미나도 운영한다. 따라서 연구소의 역할은 긴키대 재학생에만 국한되지 않는다.

바쁜 시설, 적은 자체 수입

긴키대는 점검과 기타 유지보수 기간을 제외하고 연간 약 130일 원자로를 가동한다. 대학 수업 외에도 기업 이용자들은 암 치료 관련 연구부터 원자력 시설 해체 작업 시뮬레이션까지 다양한 과제를 수행한다.

와카바야시 교수는 빡빡한 일정을 이렇게 설명했다.

(너무 바빠서) 쉴 날이 거의 없습니다.

대학은 연간 유지보수와 보안 비용을 약 2억 엔으로 추산한다. 기업 사용료와 정부의 실습 보조금을 합쳐 약 600만 엔이 들어온다. 이 수입은 명시된 연간 비용의 약 3%에 해당하며, 나머지 약 1억 9,400만 엔은 긴키대가 다른 재원으로 충당해야 한다.

이런 격차는 교육 일정이 가득 차 있는데도 재정 압박이 이어지는 이유를 보여준다. 원자로는 여러 대학 학생을 교육하고 외부 연구를 지원하지만, 반복적으로 발생하는 비용 대부분은 긴키대가 부담한다. 훨씬 큰 연료 전환 사업 비용은 계속되는 운영 부담에 추가된다.

우라늄 연료를 바꿔야 하는 이유

긴키대에서 사용하는 고농축 우라늄은 처음에 미국이 공급했다. 미국은 핵무기 제조에 전용될 가능성을 우려해 우라늄 반환을 요구했다. 농축은 핵연쇄반응을 쉽게 지속시키는 우라늄 동위원소인 우라늄-235의 비율을 높이는 과정이다. 저농축 연료는 고농축 연료보다 우라늄-235의 비율이 낮다.

미국 에너지부 산하 국가핵안보국(NNSA)과 일본 문부과학성은 2022년 9월 발표에서 합의 내용을 밝혔다. 양국은 UTR-KINKI의 연료를 저농축 연료로 전환하고 고농축 우라늄 전량을 미국에 반환하기로 했다.

NNSA는 교토대학교 임계집합장치에서 해당 물질을 반출한 뒤 긴키대가 일본에서 고농축 우라늄을 사용하는 마지막 연구용 원자로가 됐다고 밝혔다. 이번 합의는 핵무기 제조에 이용될 수 있는 핵물질의 양을 줄이려는 더 광범위한 노력의 일환이다.

전환 후 기존 연료는 안전하게 미국으로 운송해 저농축 우라늄으로 희석하거나, 다른 방식으로 처리하거나, 두 가지 방법을 함께 적용할 예정이다. 저농축화는 고농축 물질을 우라늄-235 비율이 더 낮은 우라늄과 섞어 농도를 낮추는 것을 뜻한다.

당시 NNSA 국장이었던 질 흐루비는 서명식에서 양국 협력을 이렇게 설명했다.

일본과의 긴밀한 양자 관계에 감사드리며, 앞으로 몇 년 안에 이번 합의의 이행 완료를 발표할 수 있기를 기대합니다.

막대한 비용이 따르는 안보 약속

연료 전환 비용은 수백억 엔에 달할 것으로 추산된다. 긴키대는 비용 일부를 부담할 것으로 예상돼 연간 운영 적자에 더해 두 번째 재정 부담을 안게 됐다. 교체 연료를 사용하더라도 원자로가 교육과 연구에 계속 적합하도록 해야 한다.

연료 전환 완료 시점이나 최종 비용 분담 방식은 확정되지 않았다. 흐루비는 2022년 성명에서 향후 몇 년 내 완료를 언급했지만, 해당 발표에는 대학이 따를 구체적인 기한이 공개되지 않았다.

NNSA는 긴키대와의 합의를 발표하면서 훨씬 광범위한 프로그램도 소개했다. 앞서 2022년 조 바이든 미국 대통령과 기시다 후미오 일본 총리는 일본 연구용 원자로 3기에서 고농축 우라늄 30킬로그램 이상을 반출한다고 발표했다.

당시 NNSA의 물질관리·최소화 사무국은 전 세계 연구용 원자로와 의료용 동위원소 생산 시설 108곳에서 연료를 전환했거나 가동 중단을 확인했다고 밝혔다. 또 핵무기 제조에 이용할 수 있는 핵물질 약 7,275킬로그램을 반출했거나 처분을 확인했다고 보고했다.

긴키대의 과제는 이러한 안보 목표와 교육 재정이 맞닿는 지점에 있다. 양국 정부는 기존 연료 반출을 약속했지만, 실습 교육을 계속하려면 대학이 감당할 수 있는 대체 연료 방안을 마련해야 한다.

학생 감소, 줄어드는 실습 기회

일본에는 한때 대학에 설치된 교육용 원자로가 6기 있었다. 이제 2기만 남았고, 교토대 원자로가 일시 중단되면서 긴키대가 유일하게 가동 중인 대학 시설이 됐다. 교토대의 실습은 이르면 다음 회계연도에 재개될 것으로 예상되지만, 구체적인 일정은 제시되지 않았다.

문부과학성 통계에 따르면 원자력 관련 학과와 과정의 신입생은 2024 회계연도 177명으로, 1994 회계연도의 579명보다 적었다. 402명, 약 69% 감소한 것이다. 최근 신입생 규모는 과거의 약 31% 수준이다.

문부과학성의 학교기본조사를 바탕으로 한 2015년 학생 통계를 보면 감소세는 후쿠시마 원전 사고 전부터 시작됐다. 이 자료는 신입생 수가 1992 회계연도 정점을 찍은 뒤 감소했고, 2007 회계연도부터 회복세를 보이다가 2011년 지진과 원전 사고 이후 다시 줄었다고 기록하고 있다.

같은 자료에서 전체 재학생 수는 1994 회계연도에 정점을 찍었다. 신입생 수는 해당 연도에 새로 입학한 학생 수를 뜻하며, 전체 재학생 수에는 이미 학업을 진행 중인 학생도 포함된다. 두 지표는 교육 인력 양성 기반이 축소되는 서로 다른 양상을 보여준다.

와카바야시 교수는 실제 원자로를 이용할 수 있는지가 미래 전문가의 진로 선택에 영향을 줄 수 있다고 경고했다.

교육용 원자로가 사라지면 젊은이들이 해외로 나가게 될 수 있습니다.

원자로 해체에도 필요한 인력

일본이 원자력 에너지 이용을 확대하면서 원자로 운전과 방사선 안전을 이해하는 인력이 필요해지고 있다. 노후 시설에는 폐로를 계획하고 실행할 전문가도 필요하다. 폐로는 발전소를 안전하게 퇴역시키고 구조물과 방사성 물질을 처리하는 과정이다.

환경경제학과 정책을 전공한 와세다대학교 마쓰오카 슌지 교수는 교육용 원자로의 실습 경험이 상업용 원전 운전과 폐로 모두에 중요하다고 말했다.

마쓰오카 교수는 대학이 기술 교육과 공공에 대한 책무성을 함께 다뤄야 한다고 강조했다. 그는 대학이 다음과 같은 노력을 해야 한다고 말했다.

원자로 운영의 투명성을 보여주고, 원자로가 사회에 지닌 가치에 대한 이해를 넓히며, 사회에 개방적이고 적극적으로 소통하는 원자력 전문가를 양성해야 합니다.

긴키대는 원자로 제어를 배우는 학생, 시설 해체 관련 아이디어를 시험하는 기업, 대중 교육 프로그램 등 여러 활동을 이미 한데 모으고 있다. 재정 문제는 연료 교체를 위한 국제적 약속과 더불어 이러한 활동을 계속 유지할 수 있느냐에 관한 것이다.

핵심 과제는 이용자가 운영 기관을 넘어서는 시설의 비용을 어떻게 부담할지다. 와카바야시 교수는 정부 지원 확대를 요청하고 있다. 연간 수입이 유지보수와 보안 비용의 약 3%에 그치고 대규모 연료 전환 비용까지 다가오는 상황에서, 이 요청은 일상적인 운영뿐 아니라 다른 연료로 교육을 이어갈 수 있는 원자로의 역량과도 관련된다.

핵심 내용

• 히가시오사카에 있는 긴키대 원자로는 현재 가동 중인 일본 유일의 대학 원자로로, 2024 회계연도에 250명이 넘는 학생을 교육했다.
• 연간 유지보수와 보안 비용은 약 2억 엔이지만, 기업 사용료와 정부 실습 보조금은 약 600만 엔에 그친다.
• 일본과 미국은 2022년 9월 고농축 우라늄을 교체하고 기존 연료를 미국에 반환하기로 합의했다.
• 연료 전환 비용은 수백억 엔으로 추산되며, 긴키대가 일부를 부담할 전망이다.
• 원자력 관련 대학 학과와 과정의 신입생은 1994 회계연도 579명에서 2024 회계연도 177명으로 감소했다.
• 이 시설은 원자로 운전과 연구, 폐로 관련 업무를 위한 교육을 지원한다.