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소형 원전, Small Modular Reactor, 소형 모듈식 원자로

Jobs 9 2025. 1. 4. 15:57
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소형 원전, Small Modular Reactor, 소형 모듈식 원자로

 

기존 대비 작은 용량과 모듈식 설계를 채택한 원자로

원자력 발전은 기존의 화력발전을 압도하는 수준의 대출력을 낼 수 있으며, 동시에 신재생 에너지보다도 적은 수준의 탄소를 발생시키는 친환경성까지 갖추고 있었으나, 치명적인 방사선을 내뿜는 사용 후 핵연료를 대규모로 남기고, 사고가 발생하면 수습하기 까다로운 데다 조기에 수습하지 못하면 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 원자력 발전소 사고 같은 환경에 반영구적인 수준의 악영향을 남기는 초대형 사고로 번진다는 치명적인 단점을 가지고 있었다. 때문에 앞서 말한 사고들이 발생하고 나서 대형 원전 시장이 명맥이 끊길 위기에 처하자 원전업계에서 새로운 먹거리로서 의욕적으로 추진하고 있는 기술이다. 이 기술의 당위성에 대해 업계에서는 차원이 다른 안전성과 원전의 경제성, 친환경성을 모두 챙긴 신개념 원전이라는 식으로 설명하고 있다. 

 

 

특징


통합성 및 이동성


SMR의 특징은 기존에 아예 다른 장치로 독립되어 있던 핵심 장비들이 모두 원자로 안에 통합되어 있다는 점이다. SMR은 자연대류만으로 노심을 냉각할 수 있도록 설계되므로 강제대류용 대형 펌프는 없어도 되고, 초대형 노심을 냉각하기 위해 사용하는 초고압(BWR은 70~80기압, PWR은 150기압)수도 필요하지 않고 비교적 낮은 압력의 냉각수를 사용할 수 있어서 대형 가압기도 필요가 없다. 원자력 발전소 중대사고 연구 시 아예 대주제로 분리되어 있을 정도로 사고 위험이 있는 외부 냉각수 배관도 당연히 생략되고, 원자로 압력용기 내부에서만 돌기 때문에 두꺼운 강철 외피가 통째로 뚫리는 골 때리는 상황이 아니고서야 냉각수 고갈 문제도 적다. 따라서 필요한 장비를 모두 포함하고도 크기를 크게 줄일 수 있도록 작은 크기와 출력을 가지도록 설계하며, 그 덕분에 도서산간지역에 쉽게 배치할 수 있고 아예 바다에 담가놓는 방식으로 냉각문제를 해결하는 컨셉까지 존재한다. 

또 대형 원전의 경우 2차 냉각재가 순환하고, 또 다시 유입되는 거대한 냉각수 풀이 필요해서 해안이나 강가 부지를 요구하기 때문에 이런 지형이 없는 나라나 지역에서는 건설이 어려운데, SMR은 규모가 작으므로 부지 문제도 상대적으로 자유롭다. 따라서 핵확산 문제가 해결된다면 이런 나라들에 원전 세일즈를 진행할 수도 있어서 시장의 빠른 성장을 기대할 수 있으므로 기존 원자력 강국들이 앞다투어 뛰어들고 있다. 

외부 연결관이 전선 빼고 다 생략되다보니 압력용기를 완전 밀폐형으로 제작할 수 있다. 따라서 핵연료를 중간에 인출하지 못하도록 제작할 수도 있어서 핵확산 저항성을 높일 수 있다. 모든 SMR 노형이 이렇게 연구되고 있는 것은 아니지만 원전 시장에서 높은 점수를 받을 수 있는 설계 컨셉임은 분명하다. 더 나아가 핵연료가 든 원자로 코어부를 밀폐형으로 설계해 공장에서 핵연료를 채운 상태로 발전소로 운반해 설치하고 핵연료를 다 소모하면 마치 1회용 건전지처럼 갈아 끼우는 설계도 있다. 소모된 코어는 방폐장 등에 통채로 폐기한다. 

재밌는 것은 소형 모듈식 원자로라는 이름이지만 격납용기 안에 주요 기기를 모두 넣은 탓에 실제로 격납용기 크기만 보면 기존 원전에 비해 1.5~2배가량 크다는 점이다. 하지만 1차 계통 기기들이 격납용기 안에 들어있어서 격납 건물이나 전체 부지 크기는 일반 경수로보다 훨씬 작다.  

참고로 선박의 엔진은 발전용보다 훨씬 출력이 적기 때문에 SMR 적용에 적합하다. 원자력 잠수함이나 원자력 항공모함도 출력은 SMR 범위에 속한다. 


니미츠급 항공모함 - 104 MW급 원자로 2기
LA 급 / 버지니아급 원자력 잠수함 - 열출력 165 MW, 추진력 26 MW / 열출력 210MW, 추진력 30 MW
2만 TEU급 대형 컨테이너선 (수에즈 운하 좌초, 220,940톤 GT) - 60 MW급 디젤엔진

SMR의 큰 장점은 원자로 제작을 현장에서 할 필요가 없다는 점이다. 기존 원전은 워낙 크기 때문에 대부분의 시설을 발전소 현장에서 조립 건설 등 시공해야 하고 따라서 선진국에서는 비싼 인건비를 지출해야한다. 하지만 SMR 은 크기가 작아서 전문공장에서 제작한 뒤 선박 등으로 운반할 수 있고 핵심시설이 거의 내부에 들어 있으므로 현장에서 설치·건설해야 하는 작업비중이 적어 현장에서의 인력이 덜 들어 간다. 그러므로 인건비가 비교적 싼 나라에서 핵심 시설을 만든 뒤 배로 실어서 현장에다 설치하면 인건비를 크게 줄일 수 있다. 이는 조선업 등 해양구조물 건설에 가격 경쟁력이 있는 한국이 참여하기 좋다.  

또한 공장에서 제작하고 현장에서 설치하므로 비교적 건설기간이 짧다. 통상 원자력 발전소는 공사 착수 후 상업 발전까지 평균 6.5년, 중앙값이 5.7년인데 (1990년 이후 건설된 원자로) SMR 은 대부분 수개월에서 3년 정도로 매우 짧다. 이는 초기에 막대한 자금을 투자해야하는 원자력의 특성상 일찍 투자 회수를 시작할 수 있어 수익성을 개선하는데 큰 역할을 한다.   

발전소를 놓기에는 전력 수요가 모자라고 기존 전력망을 끌어오기에도 큰 돈이 드는 도서산간지역의 전기 공급에도 대안이 될 것으로 여겨지고 있다. 현재 연구중인 컨셉으로는 매우 작은 크기와 발전 용량 덕분에 냉각수나 기타 복잡한 안전 장치 없이 대류현상 등의 자연적인 힘만으로 냉각이 되어 운전중은 물론, 각종 재해나 사고에도 안전을 확보할 수 있으며 모듈식이라는 이름에 걸맞게 여러 공장에서 각각의 파트를 생산하고 현장에선 조립만 하는 식으로 원자로의 규격화 및 그에 따른 건설 단가 하락을 꾀하는 형태다. 

상용화가 되면 위에 언급한 도서산간지역의 전력 공급 문제는 물론 원전의 발전 비용 중 가장 큰 부분을 차지하는 건설 단가를 낮추는데 일조할 수 있다. 예를 들어 캐나다 북부의 광산지대나 알래스카 중 북부의 미군기지 등은 거주지역과의 거리가 멀어 송전설비를 갖추기엔 경제성이 좋지 않다. 그래서 기차나 트럭으로 화석연료를 운반하여 사용하는 비효율적인 방법을 사용해 왔는데, SMR을 사용한다면 이 문제가 해결될 수 있다. 100 MW 정도 용량이면 5-20만 가구 정도로 1개 구나 군 정도에 전력을 공급할 수 있는 규모다.   

이런 격오지 전기 공급을 위해 화물 컨테이너 한두 개에 모든 발전 설비가 들어갈 수 있을 정도로 축소하고 운용인원도 한 명이 운전할 수 있을 정도의 micro-SMR 도 제안되고 있다. MMR (micro modular reactor) 라고 부르며 통상 전기출력 15 MW (열출력 50 MW) 이하에서 수MW 이하의 전기출력을 낸다. 10 MW급이면 5천-2만 가구 마을에 전기를 공급할 수 있다. 면 이나 동 단위 정도. 특히 아프가니스탄 전쟁에서 미군기지가 주로 도시에 멀고 도로사정도 열악한 황량한 황무지나 산악지역에 건설되어 기지에서 소모하는 유류와 전력공급을 위해 많은 유류보급차량을 운행할 수밖에 없었는데 아프간 게릴라들이 이를 유류보급차량을 노려 급조폭발물이나 RPG-7등으로 공격해 많은 미군 사상자가 났다. 또 전 세계에 흩어진 많은 미군의 기지들이 알래스카나 그린랜드 중동 대양의 섬 등 인구가 거의 없는 곳에 레이더 기지나 미사일 기지 공군기지 등을 운영하고 있어서 이런 멀고먼 지역에 전력을 공급하기위해 유류 수송 등에 많은 비용을 쓰고 있다. 그래서 미군은 이런 격오지의 에너지 공급을 위해 이런 초소형 SMR에 관심이 높다. 

 

 

안전성


먼저 안전성 측면에서, 원자력 발전은 이론적으로 출력이 증대될수록 안전성이 낮아진다. 사실 전자석식 제어봉 구동계통의 도입 이후 원자로의 출력폭주 문제는 사실상 해결되었다. 원자력의 가장 골칫거리는 다 타고 남은 연료가 불안정한 상태라는 점인데, 사용 후 핵연료가 여전히 방사성 열을 내뿜고 있기 때문에 (보통 원자로 공칭 열출력의 10% 가량) 원자로는 핵분열 반응을 정지시킨 뒤에도 연료의 열을 식혀주기 위해 펌프를 돌려 며칠 동안 열을 식혀줘야 한다. 열이 식지 않은 연료는 녹아내릴 수도 있고 물과 반응해 가연성 수소를 만들어내기도 한다. 그리고 이론적으로 이 붕괴열이 식는 속도는 원자로 출력이 높아질수록 기하급수적으로 느려진다. 따라서 반대로, 출력이 낮아질수록 붕괴열이 식는 속도는 기하급수적으로 빨라지는 것이다! 이를 이용해 원자로의 개당 출력을 낮추고, 대신 원자로를 한 발전소에 여러 개를 집어넣어 총 출력을 맞춘다는 개념으로 접근한다면 근본적인 안전성 문제를 획기적으로 잡으면서 경제성까지 잡을 수 있다는 것이 개념. 실제로 SMR 분야에서 가장 설계가 앞선 NuScale 사는 사고 발생 시 반경 내 주민들이 대피해야 하는 구역 Emergency Planning Zone(EPZ)가 700m 수준으로 사실상 발전소 바깥 주민들이 대피해야 할 필요조차 없다! 라고 홍보하고 있다. 

SMR은 크기가 작아 핵분열 물질의 양 자체가 적어 붕괴열 발생이 적고 용량이나 부피 대비 표면적 즉 열방사 면적이 넓어서 자연적 공기대류나 표면의 열 방사만 붕괴열을 식힐 수 있다. 또 4세대 SMR 들은 대체로 운전온도가 높다. 이것은 발전 효율이 좋다는 장점도 있지만 온도가 높으므로 자연냉각의 효율이 높고 원천적으로 고열에 견디도록 설계되어 있다. 그래서 대부분의 SMR은 특별한 비상 냉각장치를 갖추지 않고도 사고나 정지시에도 자연 공기 대류나 전도 방사만으로도 냉각시킬 수 있는 수동적 안정성 또는 아무 조치를 취하지 않고 그냥 운전원들이 걸어나가도 안전한 안전성을 가지도록한 설계가 많다.

한국에서 SMR 건설을 찬성하는 측에서는 SMR 이 경제성이 매우 떨어지니까 더이상 원자력의 경제성을 장점으로 내세우지는 않고 원자력의 안전성에 대한 국민들의 불안감을 줄이기 위해 SMR이 일반 경수로보다 훨씬 안전성이 높다는 점을 주된 장점으로 홍보하고 있다. 하지만 이들의 주장대로 잉여전력을 줄이기 위해 자주 출력 변동시키는 운전을 하며 오히려 SMR 의 안전성이 크게 떨어지고 사고의 위험이 높아져 그런 SMR의 안전성의 장점이 실현될 수 없다. 

한국이 SMR 을 지으려는 것은 기저부하 시간대 에서는 엄청난 잉여전력이 남아서 원자력 전기가 낭비되고 있기 때문이다. 미국 러시아등 원자력 선진국들도 이런 잉여전력 낭비 때문에 원자력의 비중이 20% 정도로 제한하고 있다. 그런데 한국은 전원 비중에서 원자력이 30%를 차지해서 잉여전력 문제가 매우 심각하고 이 문제의 해결 없이는 원자력 추가 건설은 돈낭비일 뿐이다. 

그런데 SMR 은 비교적 출력변동이 빠르고 끄고 켜는데 제한이 적어 저부하 기저수요 시간대에는 원자로를 꺼서 잉여전력 문제를 완화할 수 있다. 하지만 SMR 이라고 해도 이런 변동부하로 단속적으로 운영하는 것은 출력변동 온도변동 시마다 원자력 사고의 위험을 높이는 위험한 운전이고 또 원자로 가동율을 낮추어 더욱 SMR의 경제성을 악화시키고 또 온도변동으로 구조적 피로를 가중시켜 원자로의 수명을 줄이고 안전성을 낮추는 위험한 가동방식이다. SMR 도 그런 수요 추종 변동성 운전을 하면 사고 위험이 높아지고 수명도 짧아지고 무엇보다 가동율이 저하되어 경제성이 떨어진다. SMR 도 일반원자로 처럼 규정출력으로 연속적으로 24시간 365일 가동하는 것이 가장 안전하고 경제적이다. 

대부분의 원전의 사고는 출력변경 때 일어나기에 출력변경 회수를 줄여야 한다. 잦은 온도변동은 열팽창 수축으로 원자로의 구조적 기계적 피로를 가중시켜 구조적으로 약화시켜 수명을 단축하고 사고의 위험을 높인다. SMR 을 단속적으로 운영하면 가동율이 떨어져 그러지 않아도 낮은 SMR의 경제성은 더욱 떨어지고 수명이 줄어드는 만큼 더 경제성이 저하된다. 

더구나 우리나라는 이미 원자력 비중이 30% 나되어 기저 부하 수요를 이미 채우고 있어서 잉여전력이 남아도는 원전을 크게 늘일 이유가 없다. 미국 러시아 등 원자력 선진국도 20% 안팎에 불과하다. 그런 30% 한계를 돌파하자고 SMR 을 지어서 매일 끄고 켠며 단속적으로 운영한다면 그건 매일 매일 원자력 사고 위험을 자초하는 것이다. 안전을 위해 SMR 를 짓는다면서 잉여전력을 줄이자고 위험천만한 일일 단속 운전을 하는 것은 위험을 자초하는 매우 모순적이다. 설사 미래 SMR 기술개발을 위해 연구개발용으로 1기 정도는 경제성을 무시하고 짓는다 해도 결코 매일 출력을 변동시키는 그런 무모하고 위험한 운영을 해서는 안된다. 그건 불이 나는지 시험하기위해 매일 불장난을 하는 격이다. 

 

 

비용


여러 현실적인 조건을 고려하면 SMR이 전력원가가 1 MWh당 60 달러선, 1 kW 용량당 즉시 건설비로 3,000 달러선의 경제성을 실현할 수 있어야 대규모 전력사업자들의 관심을 끌어 화력발전이나 대형원전의 대안으로서 대규모로 건설될 것으로 전망된다. 이는 지금부터 다양한 SMR 연구와 개발과 투자가 활성화되어도 2030년대에는 어렵고 2040년 이후에나 도달할만 한 매우 도전적인 목표이다. 다만 현재 일반 대형경수로도 건설비가 치솟고 있어서 미국에선 kW당 1만 5천 달라선까지 유럽에선 2만 달러선까지 올라서 시장상황에 따라 더 높은 건설비로도 경쟁력을 가질 수 있는 가능성이 있다. 

특히 유럽에서는 전반적인 전력 가격 자체가 매우 높아서 SMR의 전력원가가 높아도 충분히 경제성을 갖출 가능성이 높다. 유럽은 평균 전력 도매가가 MWh당 70-80 유로 정도이고 이탈리아는 110 유로를 넘는 등 전력 도매가가 매우 비싸서 현재의 SMR의 높은 원가로도 이익을 볼 수 있다. 오히려 한국은 전력도매가가 전반적으로 낮아서 SMR로는 적자라 사업전망이 좋지않다. SMR 건설 촉진을 위해서는 개발비를 조기 회수할 수 있도록 초기 SMR들 대해선 일정기간 MWh 당 일정금액의 보조금과 발전용량당 연간 고정 보조금 등의 적절한 인센티브를 부여할 필요가 있다.  

현재 SMR은 공동연구 형태가 아닌 각 설계사가 독자 모델을 내놓고 있는 형태로 시장이 흘러가고 있다. 커다란 격납용기 안에 복잡한 형상의 기구들을 몰아넣고 용접해야 하는 구조 때문에 초기 비용이 대형 원전보다 비쌀 수밖에 없는데, 지속적인 생산을 통해 노하우가 쌓이고 연구개발비를 회수하는 데 성공하면 비용은 지수적으로 하락할 것이다. 때문에 업계에서는 SMR 시장은 거의 80여 개에 달하는 설계안 중 먼저 상용화되고 수주를 받아 안정적으로 운영하는데 성공하는 한 자릿수의 설계만이 살아남고 나머지는 모두 도태될 것이라고 전망하고 있다. 현재 추진 중인 SMR 개발 프로젝트들은 대부분 2030년대 초반-중반 건설을 목표로 하고 있어서 그때쯤이면 업계의 판도가 어느정도 정리될 것으로 보인다. 

 

 

규모의 경제


다만 아무리 원자력이라 기존 에너지원보다 싸다고 해도, 규모의 경제 문제는 여기도 예외가 없어서 기존 대형 원전 대비 효율성(크기 대비 출력 등)이 낮은 것은 어쩔 수 없는 문제이다. 그러나 양산의 효과도 휴대전화처럼 수백만 대를 생산할 수 있는 것이 아니므로 크게 기대하기 어렵다. 잘해야 비교적 용량이 적은 가스발전소 정도일 뿐이다. SMR로 규모의 경제를 위해서는 건설할 SMR의 숫자를 대폭 늘려서 한 가지 모델을 수백 수천 기를 대량생산 건설해야 경제적 이점이 달성될 수 있다. 하지만 현재 세계 각국들이 경쟁적으로 수십 가지의 다양한 SMR 개발 계획을 추진하고 있어서 이런 대량생산/수출이 실제로 성사되어 규모의 경제를 이룰 가능성은 낮다. 한국만 해도 구체적 설계가 된 노형이 3가지지만 앞으로 20년내 구체적 건설가능성이 있는 건 1기 정도에 불과해 대량생산이나 규모의 경제는 전혀 가능성이 없는 헛된 꿈일 뿐이다. 거기다 한국은 이미 원자력 비중이 30%가량으로 기저전원으로는 대량 추가건설이 어렵다. 다만 중국 인도 등 원자력 비중에 낮고(3-5%) 경제성장이 빠른 국가는 수요증가가 빠르므로 원전이나 SMR 건설이 활성화 될 수 있다. 

SMR 은 규모가 작지만 그래도 원자로 이므로 들어가야 하는 부품은 크게 줄지 않아 규모의 경제에서는 일반 원자로에 비해 크게 불리할 수밖에 없다. 원자로의 규모를 1/10 로 줄인다고 원가가 1/10 로 줄어드는 것이 아니기 때문이다. 그래서 SMR 옹호자들도 이 원가에서 크게 불리하다는 것을 인정하면서도 이를 대량생산으로 극복할 수 있다고 주장하고 있다. 

일반 원자로는 한 가지 노형을 설계 완성해도 동형의 원자로가 수 십 기 이상 대량으로 건설되는 일은 없고 잘해야 4-10여기를 건설되는 것에 불과해 설계비용나 허가비용이 많이 들어가고 각종 부속품이나 시스템도 대량생산되지 않아 비쌀 수밖에 없다. 사실상 각 원자로는 커스텀 주문 건설하는 빌딩같이 건설되어 대량생산이 되지않아 원가가 높다. 그래서 SMR 은 공장에서 똑같은 설계로 수 백, 수 천기를 대량생산해 설계비용, 허가비용을 줄이고 대량생산으로 단위당 생산원가를 낮추려는 것이다.  

하지만 이 대량생산 전략 문제가 있는데 현재 각국에서 경쟁적으로 개발추진 중이라 80여가지 모델이 난립해 있고 국가간 경쟁이라 독점적 수출로 수를 늘리는 것도 사실상 어렵다. 그래서 현실적으로는 같은 설계로 건설되는 동형 SMR 의 건설 수가 일반 원자로의 경우보다 크게 늘어나기는 어렵다. 즉 국민들이 건설을 꺼리는 원자로를 수백 수천 기를 대량건설해 원가를 낮춘다는 발상 자체가 전혀 현실적이지 않다. 수 십 기 SMR 건설로는 같은 용량의 대형 원자로 건설보다 최소 2배 이상 비쌀 수밖에 없다. 오히려 일반 원자로는 종래 원자로보다 규모 2-3 배로 키워서 1기당 1.6- 2TW 급의 초대형 원자로로 경제성을 향상시키고 있는 추세이다. 

한국의 스마트 원자로나 NuScale 원자로, 중국의 ACP-100 등 초창기에 개발된 SMR은 개발 비용 절약과 개발시간 단축 또 사업적 위험을 줄이기 위해 이미 기술이 확립되고 오랫동안 사용해온 3세대 경수로, 특히 가압경수로 방식을 출력과 크기를 대폭 축소한 경수로형이 개발되고 있지만 원자로의 규모가 축소되다보니 당연히 규모의 경제를 실현하지 못해 전력원가는 일반 경수로보다 훨씬 비싸다. 

그러므로 SMR이 성공하기 위해서는 소규모로 또 적은 수의 SMR 만 건설하더라도 대형 경수로의 경제성을 뛰어넘는 혁신적인 방식의 SMR 개발이 필요하다. 이는 개발 비용과 개발 위험을 줄이기 위해 채택하고 있는 경수로 축소형으로는 달성할 수 없다. 결국 경수로 축소형보다 개발 비용이나 개발 위험이 훨씬 크고 시간도 많이 걸릴 새로운 4세대 방식에 도전해야 하는데 이것도 3세대 경수로 축소형보다 더 많은 개발비와 사업적 위험과 긴 시간을 요구하는 것이라 이것 또한 비용과 위험을 감수해야 하니 선뜻 고르기 어려운 선택이다. 그야말로 진퇴양난의 상황. 이런 4세대형 설계의 대표로는 용융염 원자로(MSR)나 가스 냉각 페블베드형 초고온로(VHTR/GHTR)나 또는 액체납 냉각 방식(liquid lead cooled fast reactor) 등이 있다. 

 

 

부하추종운전


탄소중립을 위해 신재생에너지 발전이 적극적으로 도입되면서, 기존의 에너지 구성을 발전량이 들쑥날쑥한 신재생에너지를 보완할 수 있도록 유연성 전원을 같이 두어야 하는데, 기존의 대형 원전은 대표적인 경직성 전원으로 쉽게 출력을 조절할 수 없다. 원자로는 기본적으로 출력이 쉽게 조절되지 않도록 플러스-마이너스 제로에 가깝게 모든 변수들을 조정해놓았으며, 이 일종의 관성은 노심의 출력이 높을수록 강해지기 때문이다. 그러나 SMR은 출력이 낮으므로 출력 조절이 비교적 쉬우며, NuScale을 필두로 현대 SMR의 대세 설계인 모듈형 구성을 채택하면 열 개가량의 모듈을 운전하다가 출력을 60%로 낮추라는 요청이 들어오면 네 개를 끄고 여섯 개만 운전하는 등의 운용이 된다. 따라서 유연성 전원으로서 신재생에너지의 보조 역할을 수행할 수 있으며, 이것이 최근 에너지 업계에서 SMR을 화력 발전의 대체재로 여기는 분위기인 까닭이다. 반대로 대형원전의 경쟁자로 보는 업계인은 별로 없다. 한쪽은 기저전원, 한쪽은 유연성 전원으로 역할이 다르기 때문.

하지만 변동성이 큰 풍력이나 태양광의 대안으로 SMR을 건설하는 것도 문제가 있다. 그러면 그만큼 이용률이 저하해서 비싼 SMR의 건설비를 회수할 수 있는 자본회수율이 떨어지게 된다. 결과적으로 SMR의 전력원가는 더욱 비싸질 수밖에 없다. 또 일반적으로 원자로의 출력을 증가하거나 감소하는 것은 화력발전소보다 훨씬 느리기 때문에 (화력: 분당 20% 원자력 분당 5%) 과연 부하추종용으로 적합한지도 의문이다. 화력발전 급의 출력조절 속도위해서는 따로 에너지 저장시설의 부설이 필요할 수도 있어서 더욱 경제성이 떨어진다.

다만 이렇게 원자로의 출력을 자주 변경하거나 끄고켜는 것은 대형이건 SMR 이건 원자로의 안전이나 수명과 경제성에는 부정적이다. 대부분의 원자로의 사고나 또 구조적 피로누적은 온도가 오르내릴 때 일어나므로 자주 출력을 변경해 온도를 변화시키면 그만큼 원자로의 수명이나 안전성에 좋지않다. 대형 원자로는 주로 경제성과 안전성을 중시해 변동없는 기저부하 연속운전에 최적화되어 설계가 되어 있지만 SMR 은 처음 설계단계부터 경제성을 다소 희생하고 그런 부하 변동성이 큰 운전에도 안전하고 적합하도록 충분히 대비해 설계를 하는 점이 다르다. 원자력은 태양광이나 풍력과 마찬가지로 연료비 비중이 낮고 건설비가 전력원가의 대부분을 차지하므로 상시 연속가동해 이용률을 높이는 것이 경제적으로 유리하므로 시간에 따라 변동이 심한 전력수요에 맞추기 위해서는 그 비율을 일정수준 이상으로 높이기 어렵다. 통상 전원 구성비율 중 상시가동하는 원자력의 비중은 20-30% 정도가 가장 이상적인 비율이고 원자력 강국인 미국 러시아도 20%가량이고 한국은 30%로 매우 높은 편이다. 그 이상 높이면 저부하시 원자로의 출력을 줄여야해서 가동율이 떨어져 원자력의 경제성이 떨어진다. 그래서 70%인 프랑스는 전기를 독일 등 해외에 수출하고 있고 2025년까지 원자력 비중을 50%로 줄일 계획이다. 따라서 한국은 SMR을 대량 보급하면 원자력의 경제성 한계인 전원구성비 30%를 초과하게 되고 외국에 잉여전력을 수출하기도 곤란해 비경제적이 되므로 원자력 비중을 늘리는데는 한계가 있다. 한국보다 원자력 비중이 높은 프랑스나 동유럽 북유럽의 여러 작은 나라들이 있지만 그나라들은 대부분 독일 등에 원자력 전력을 수출하므로 경제성에 문제가 없다. 한국도 원자력의 비중을 지금보다 크게 높이려면 일본 등에 전력을 수출하는 등의 대책을 마련할 필요가 있다. 

따라서 일부에서 주장하듯 SMR을 기저전력을 값싸게 제공하는 일반 대형 경수로 원자로의 대안 또는 점차 퇴출되고 있는 석탄 화력발전소의 대안으로 보는 것은 무리이다. SMR이 현재의 원자력이나 석탄화력같이 전원별 발전용량 비율의 20-30%을 차지하는 주요 전력원이 될 수는 없다. 태양광이나 풍력같은 변동성이 큰 발전수단의 보완수단으로 보기에도 변동운전의 비경제성 등으로 적절하지 않다. 그보다는 먼 섬 지방이나 선박용 등 통상 발전수단이 비경제적인 틈새 용도에나 적합하다. 

특이한 방식으로는 원자로의 제어봉을 핵연료 다발 코어 바깥에 배치하는 설계도 있다. 대형 원자로는 반응을 코어 전체적으로 고르게 일어나게 하기위해 핵연료 다발 중간 중간에 제어봉을 고르게 분산 배치하고 위나 아래에서 수직으로 넣거나 빼어서 핵반응을 조절한다. 하지만 SMR 은 크기가 작기 때문에 제어봉을 코어의 바깥쪽 주변에만 감싸듯이 삥둘러 배치할 수 있다. 이렇게 해도 원자로 직경이 작아서 중심부와 주변부의 반응차이가 크지 않다. 그리고 제어봉을 아래위로 넣고 빼는게 아니고 보론등 중성자를 흡수하는 면을 제어봉의 한쪽면에 반원형으로 배치해서 그 제어봉의 축을 돌리면 반원이 회전해서 반원면의 각도에 따라 중성자 흡수율을 조절할 수 있다. 이건 제어봉을 넣고 빼는 것보다 제어봉이 끼이는 등 사고가 적어 안전하고 기계적 움직임이 적어 훨씬 신속하게 조절할 수 있고 무엇보다 코어 상하로 제어봉이 움직일 공간이 필요없어 부피를 크게 줄일 수 있어서 SMR 설계에 적용하기에 적합하다. 또 상하 이동 방식보다 코어 상부와 하부의 반응 차이도 적어 온도가 균일하고 연료가 균일하게 소모된다. 일반 원자로는 핵연료교체주기 (1.5년)마다 1/3 정도 핵연료 교체를 하면서 연료다발의 위치를 바꿔서 반응의 불균형을 완화할 수 있지마 SMR 은 일반적으로 핵연료 교체주기가 훨씬 길거나 (10년) 아예 교체를 하지 않으므로 균일성이 중요하다. 

 

 

연료


연료비 문제도 있는데 SMR은 일반적으로 대형원전보다는 고가의 연료를 사용하고 핵연료 연소효율이 낮기 때문에 대형원전 보다 발전량 대비 연료비도 더 드는 편이다. 일반적으로 15%-70% 더 비싸다고 추정된다. 하지만 대형원전에서 발전원가 중 연료비 비중은 10% 정도밖에 되지 않기 때문에 큰 문제는 아니다. 오히려 인건비 안전관리 등 용량대비 운영비용이 비중이 높은 것이 더 문제이다.

소형모듈원자로(SMR) 등 차세대 원전의 연료인 고순도저농축우라늄(HALEU)는 러시아가 독점하고 있다.# 미국과 영국도 HALEU 의 상업생산을 위한 컨소시엄에 뛰어드는 등 생산에 나서고 있다. HALEU는 일반 경수로용 농축우라늄(LEU)의 농축도(4.5%)보다는 높지만 민간 사용이 금지된 20% 이상보다 낮아 민간사용이 되는 고순도 핵연료이다. HALEU가 SMR에 꼭 필수적인 건 아니지만 원자로 코어의 크기를 축소하면서도 용량이나 수명을 늘이고 핵폐기물의 생성을 줄이는 등 장점이 많아 LEU보다는 HALEU를 사용하는 것이 매우 유리하므로 SMR 개발이 활발해지면서 상업적인 HALEU 공급망 건설이 중요해지고 있다. 

 

 

방사성 폐기물


대부분의 SMR 은 노심의 크기를 줄여 원자로의 크기 자체를 줄이기 위해 또 사용후 핵연료 즉 방사성 폐기물의 양을 줄이기 위해 고순도저농축우라늄 (HALEU) 를 사용하고 있다. 일반적인 경수로에는 대부분 4.5% 정도의 저농축 우라늄을 사용하지만 SMR 은 대부분 19.75% 정도로 우라늄 농축도가 4배 이상 높은 HALEU 연료를 사용한다. 이런 고순도 핵연료는 우리늄이 소모되어 교체가 필요한 농도(0.9%) 까지 농도 차이가 경수로 연료보다 크지만 노의 크기가 작아 중성자 이용률이 낮아 핵분열을 지속하려면 더 높은 농축도에서 교체가 필요하다. 그래도 같은 전력을 생산하는데 사용후 잔류하는 핵연료 양을 1/5 로 획기적으로 줄여서 핵폐기물의 생성을 줄일 수 있다. 

하지만 이렇게 HALER 을 사용해도 이렇게 모든 주요부분을 압력용기에 집적하므로 원자로의 수명이 다한 뒤 폐기해야하는 고준위 폐기물의 양이 크게 늘어난다. 같은 용량 대비 대형원전은 핵연료가 들어있는 노심코어와 작은 압력용기만 따로 분리해 고준위 폐기물로 폐기하면 되지만 이런 집적 밀폐 방식은 주요장치를 다 포함한 압력용기의 상대적 크기가 훨씬 크기 때문에 그만큼 폐기물로 나오는 양이 많다. 또 가격을 낮추기 위해 60-80년씩 잡는 통상 원자로보다 수명을 훨씬 짧게 잡기 때문에 더 많은 폐기물이 나온다. 설계에 따라 4년, 12년, 30, 40년 정도로 잡는다. 물론 이걸 분해해서 분리 폐기하거나 재활용할 수도 있겠지만 비용문제로 현실적 방안은 아니다. 핵연료 부분만 분리할 수도 있지만 수명이 끝난 SMR 내부는 고도의 방사능으로 오염되어 현실적으로 밀폐된 채로 고준위 폐기물에 준해 통채로 매립하는 수밖에 없고 높은 비용이 발생할 수밖에 없다. 

중국이 세계최초로 상용화한 SMR인 HTR-PM 방식은 핵연료를 자갈 더미 형태로 쌓아 핵분역 시키는 페블베드 초고온 가스로 (VHTR) 방식인데 소모된 페블은 사용후 방사성 폐기물이 되다. 그런데 연료 페블에서 우라늄이 차지하는 비중이 낮으므로 (나머지는 흑연감속재와 껍질) 경수로에서 우라늄 다발을 사용하는 것보다는 아무래도 부피가 클 수밖에 없다. 다만 HALEU 를 써서 부피를 줄이고 있고 또 미래에는 토륨을 연료로 사용하는 등 방사성 폐기물을 줄이려 하고 있다. 하지만 여전히 발전전력 에너지당 생성되는 방사선 폐기물의 양이 경수로보다는 상당히 많다. 중국 HTR-PM 을 통해 방사능 폐기물 생성량에 대한 실증적 결과를 주시할 필요가 있다. 

 

 

주민 수용성


또 하나의 문제는 국민이나 주민들의 수용성이다. SMR의 장점 가운데 하나는 도시나 공장 등 수요지와 가까운 곳에 건설할 수 있고 면적도 작아 송전비용이 적고 부지확보가 쉽다는 것인데, 아무리 SMR이 안전하다고 해도 화력발전소 건설도 꺼리는 지역에서 "원자력" 발전소를 도시 외곽에 흔한 분당이나 도봉구 같은 지역에 열병합발전소처럼 가까이 지을 수 있냐는 거다. 하남시 같은 데선 고압 송전선 건설도 주민들의 반대로 좌절되었다. 한국의 경우 서울 경기도 등 수도권에 건설은 거의 불가능하고 잘해야 충청남도 영흥이나 태안 등 기존 화력발전소가 있는 지역이나 가능할 것이다. SMR 은 발전용량이 작으므로 이런 화력발전소 보일러 하나를 대체하려면 5-10개 정도의 다수의 SMR을 건설해야 해 비용이 적지않다. 그렇다고 주민들의 반발이 약해 대형 경수로 건설이 이루어지고 있는 대도시와 거리가 멀고 한적한 강원도 울진 같은 인구소외지역에 짓는다면 송전비용도 비싸지고 대형 경수로 원자로건설에 비해 딱히 장점이 없다는 것이다. 즉 SMR 의 건설이 필요한 인구밀집지나 대규모 공단등 전력다수요 지역의 인접지역 역시 원자력에 대한 반감도 높은 지역이다. 반면 인구나 공단이 적어 반대가 적은 격오지는 전력수요 자체가 적고 대량 수요지까지 장거리 송전선 건설이 필요해 경제성이 떨어진다. 

 

 

 

탄소중립


SMR은 수소 경제에 있어서 블루 수소를 값싸게 생산할 수 있어서 수소 경제 확대의 핵심으로 여겨진다. 다만 현재 우리나라에서는 원자력 발전 사업자의 수소 생산업 진출이 법으로 금지되어 있기 때문에 개정이 필요한 부분이다. 하지만 에너지원으로 수소이용의 가장 어려운 점은 수소 생산 원가가 아니고 생산된 수소를 수소충전소나 공장 가정 등 최종수요자에게 배송하는 비용이 비싸서인데 파이프라인으로 경제적으로 공급할 수 있을 만큼 SMR을 수요자 가까이 건설하는 것은 회의적이다. 그 정도 거리라면 수소보다는 열병합발전소 형태로 수소보다 뉴욕시의 증기공급망처럼 고온고압증기로 공급하는 것이 더 타당하다. 

 

 

개발

이름
규모(전력)
종류
제작
국가
상태
BANDI-60
60 MW
가압경수로
설계
i-SMR
170 MW
가압경수로
혁신형 SMR 기술개발사업단
설계
100 MW
가압경수로
라이선스 발급
345MW
공사 중
AP300
300 MW
가압경수로
설계
B&W mPower
195 MW
가압경수로
밥콕 앤 윌콕스
취소
eVinci
5 MW
히트파이프원자로
설계
G4M
25 MW
납냉각고속로
젠포 에너지
설계
Last Energy
20 MW
가압경수로
라스트 에너지
설계
MCSFR
50~1000 MW
엘리시움 인더스트리
설계
OPEN100
100 MW
가압경수로
에너지 임팩트 센터
설계
SMR-160
160 MW
가압경수로
홀텍 인터내셔널
설계
SMR-300
300 MW
가압경수로
홀텍 인터내셔널
라이선스 신청
VOYGR
50~300 MW
가압경수로
라이선스 발급
Westinghouse SMR
225MW
가압경수로
취소
Xe-100
80 MW
가스냉각로
X-에너지
설계
BWRX-300
300 MW
비등형경수로
히타치GE 뉴클리어 에너지
설계
S-PRISM
311 MW
히타치GE 뉴클리어 에너지
설계
MMR
5~15 MW
가스냉각로
울트라 세이프 뉴클리어
라이선스 신청
GT-MHR
50 MW
가스냉각로
제너럴 어토믹스
설계
ABV-6
6~9 MW
가압경수로
OKBM 아프리칸토프
설계
ANGSTREM
6 MW
납냉각고속로
OKB Gidropress
설계
BREST-OD-300
300MW
납냉각고속로
아토메네르고프롬
공사 중
ELENA
68 kW
가압경수로
쿠르차토프 연구소
설계
GT-MHR
285 MW
가스냉각로
OKBM 아프리칸토프
설계
KLT-40S
70 MW
가압경수로
OKBM 아프리칸토프
운영 중
RITM-200
55 MW
가압경수로
OKBM 아프리칸토프
운영 중
RITM-200N
55 MW
가압경수로
OKBM 아프리칸토프
공사 중
RITM-200M
55 MW
가압경수로
OKBM 아프리칸토프
공사 중
RITM-200S
106 MW
가압경수로
OKBM 아프리칸토프
공사 중
MHR-100
2587 MW
가스냉각로
OKBM 아프리칸토프
설계
MHR-T
205.5 MW
가스냉각로
OKBM 아프리칸토프
설계
SVBR-100
100 MW
납냉각고속로
OKB 기드로프레스
설계
VBER-300
325 MW
가압경수로
OKBM 아프리칸토프
설계
VK-300
250MW
비등형경수로
아톰스트로이엑스포트
설계
VVER-300
300 MW
비등형경수로
OKB 기드로프레스
설계
ACP100(Linglong1)
125MW
가압경수로
공사 중
CAP200
200 MW
가압경수로
SPIC
설계
DHR400
400 MW
가압경수로
CNCC
설계
HAPPY200
200 MW
가압경수로
SPIC
설계
HTR-PM
210 MW
가스냉각로
중국화능그룹
운영 중
TMSR-LF1
10 MW
용융염원자로
운영 중
Rolls-Royce SMR
470 MW
가압경수로
롤스로이스
라이선스 신청
SSR-W
300~1000 MW
용융염원자로
몰텍스에너지
설계
U-Battery
4 MW
가스냉각로
U-Battery 컨소시엄
취소
IRIS
335 MW
가압경수로
다국적
설계
HTMR-100
35 MW
가스냉각로
스트라텍 글로벌
설계
PBMR-400
165 MW
가스냉각로
에스콤
취소
Waste Burner
50 MW
용융염원자로
코펜하겐 아토믹스
설계
SEALER
55MW
납냉각고속로
블리칼라
설계
CAREM
27~30 MW
가압경수로
국가원자력위원회
공사 중
TMSR-500
500 MW
용융염원자로
토르콘
설계
4S
10~50 MW
도시바
설계
Fuji MSR
200 MW
용융염원자로
국제 토륨 용융염 포럼
설계
MRX
30~100 MW
가압경수로
JAERI
설계
Energy Well
8.4 MW
용융염원자로
레즈연구소
설계
TEPLATOR
50 MW
가압중수로
UWB Pilsen
설계
ARC-100
100 MW
ARC 뉴클리어
설계
CANDU SMR
300 MW
가압중수로
캔두 에너지 주식회사
설계
IMSR400
195 MW
용융염원자로
터레스티얼 에너지
설계
Flexblue
160 MW
가압경수로
아레바 TA/DCNS 그룹
설계
NP-300
100~300 MW
가압경수로
아레바 TA
설계
NUWARD
170 MW
가압경수로
consortium
설계

 

2021년 4월 14일, 혁신형 SMR 국회포럼이 출범하였다. 이 시점 기준 미국, 중국, 러시아 등 주요 원전 강국이 70여종의 SMR을 개발 중이다.
2022년 3월, SMR도 원자로는 원자로이기에 반핵 단체들에서는 반대 기조가 있다. 탈원전을 메인 어젠다로 내건 문재인 정부 측에서도 임기 중반까지는 원자력계 연구 예산을 대폭 삭감하면서 SMR 연구도 큰 타격을 입었던 것은 사실이다. 다만 후반기에는 기후변화에 대한 세계적 트렌드 유턴과 탈원전 관련 악화되는 여론을 의식해서 SMR이 여당 측에서도 부각되는 등 연구 인프라가 좋아지고 있으며, 후임 대통령 윤석열은 기존 정부의 탈원전 정책으로 공사가 멈춘 원전을 다시 재개한다는 것과 동시에 SMR 개발 등의 관련한 원자력 공약을 발표했다. # #
그러나 정작 국회에서 예산이 삭감되었다. #
2022년 4월 28일, 한국원자력연구원(KAERI)과 선박해양플랜트연구소(KRISO)가 핵추진선박용 SMR 개발을 시작했다. #
2022년 5월 30일, 스탠퍼드 대학교와 브리티시컬럼비아대에서 수행된 공동연구에 따르면 SMR은 발생되는 핵폐기물의 총량을 줄여주지 않는다. SMR은 필연적으로 중성자의 유출에 의한 핵폐기물의 발생량이 높고, 작은 크기에서 오는 비효율성을 보상하기 위해 종래에 비해 처리가 곤란한 연료와 냉각제를 사용하도록 설계되기 때문에 사용후 핵연료의 방사능 독성(radiotoxicity)이 높아서, 동일한 전력 생산 시에 발생되는 방사능 물질의 총량은 오히려 종래의 원자로의 2배 내지 30배 수준으로 증가한다는 결론이 나왔다.
2022년 6월 29일, 워렌 버핏이 소유한 미국 회사 '미드 아메리칸 에너지'가 SMR 사업에 뛰어들었다.
2023년 3월 15일, 영국의 롤스로이스가 2029년까지 달의 인간 거주용 소형 원자로를 만들겠다고 했다. #
2023년 11월 10일, 미국에 최초로 지어질 예정이었던 SMR이 30억 달러 이상의 건설비용 폭등과 예상되는 전력 공급에 필요한 비용의 상승, 공사 기간 증가 등을 이유로 최종 무산되었다.#

전세계의 SMR 개발에서 매우 적극적인 중국의 SMR 전략도 참고할 만하다. 중국은 2010년 초부터 SMR 연구 개발에 국가적으로 추진해 여러 SMR이 이미 상업발전을 시작했거나 건설 중이다. 이는 미국 유럽의 SMR 개발과 상용화 속도가 빙하처럼 느린 것과 대조적이다.

중국원자력공사(CNNC)는 ACP-100 (Linglong-1) 이라는 125 MW급 SMR을 중국 하이난섬에 건설중인데 3세대 경수로 기술에 기반한 SMR의 (해양발전선 형태가 아닌) 육상건설로는 세계최초이다. 19.5% 의 HALEU 를 사용하며 연료주기는 2년 수명 60년이다. 2021년에 건설을 시작해 2026년에 상업발전 예정이다.

또 CNNC는 중국 산동성에 초고온가스로(VHTR/HTGR)인 HTR-PM(노형명칭) 원자로의 상업발전을 시작했으며 이는 4세대 원자로 기술을 통틀어 상업발전으로는 세계최초이다. 당구공 크기의 핵연료를 사용하는 페블베드 방식으로 출력 100 MW급 원자로 2기를 나란히 붙여 건설했다. 다만 이 방식은 연료페블을 그대로 폐기해햐하므로 경수로보다 발전량 대비 사용후 핵연료 폐기물이 많이 나오는 게 약점이다. 2024년 11월 HTR-PM 은 별도 냉각 조치없이 가동을 중단해도 멜트다운이 발생하지 않고 온도가 스스로 안정화되는 무냉각 안전정지 시험을 성공시켰다. 이는 상용화된 원자로로는 최초의 성공으로 페블베드 방식 더나아가 SMR 방식의 정지 안전성을 입증한 성과이다.

또 중국은 특히 미래의 SMR 노형으로 유망한 용융염 원자로의 연구와 개발에도 매우 적극적이다. 이미 중국 간수성에 2 MW급의 액화 불화염 토륨 원자로의 원형로를 완공해 가동 중이며 2030년까지 100 MW급의 상업발전을 목표로 하고 있다. 우라늄뿐 아니라 토륨을 핵연료로 사용하는 토륨 원자로로 개발되고 있다. 그 밖에 초대형 컨테이너 선이나 항공모함에 적용하기 위한 선박용 용융염 원자로를 개발하고 있다. 이에 대해서는 용융염 원자로 항목의 중국 현황 항목을 참고할 것.

러시아가 추진하고 있는 SMR은 여러 가지지만 주목할 만한 건 세계 최초의 SMR이라할 만한 원자력발전선 두 척을 건조 운용하고 있다. 2만 톤급 대형 바지선 위에 원자로를 건설하여 에너지 공급이 어려운 북극권의 극지해안의 항구도시 등에 32 MW의 전력과 150 MW의 열을 동시에 공급하고 있다. 원래 40-90%의 고농축 우라늄을 핵연료로 사용하던 원자력 쇄빙선이나 잠수함에서 쓰던 경수로형 KLT-40S 원자로 설계를 개량해 농축도 14% 정도의 저농축우라늄을 사용할 수 있게 하였다. dnj연료 공급은 3년 주기. 운용인원은 예순아홉 명.

러시아 로사톰은 위 발전선에 사용된 된 KLT-40S 원자로를 더욱 개량해 RITM-200N 이라는 전기출력 55 MW급의 SMR을 개발하였다. 이 노형은 북극해안의 극지 오지 가스전 수출항에 설치할 계획이고 2024년 우즈베키스탄에도 6기 (합계 330 MW 용량)를 수출하기로 계약했다. 20%의 농축도의 우라늄을 사용해 연료주기는 10년 수명은 60년으로 설계되었다.

러시아가 개발중인 육상용 SMR 설계로는 BREST라는 액화납 고속증식로이 있다. 원리적으로는 과거 많이 연구되었던 소듐 증식로와 비슷하지만 액체 소듐(나트륨) 대신 비스무스 합금이 아니라 순수 용융납을 사용한다. 순수 용융납 원자로는 비스무트-납 합금보다 용융점이 높아 운전온도는 섭씨 540도로 매우 높은 편이지만 폴로늄 발생이 없다는 장점이 있다. 전기출력 300 MW이고 앞으로 1,200 MW를 개발할 계획도 있다.

현재의 전망으론 SMR 산업에서는 중국과 러시아가 먼저 성공할 것으로 전망된다. 중국과 러시아는 상업적 회사가 아닌 중국 CNNC나 러시아 로사톰(Rosatom) 같은 국영기업이 개발과 사업을 주도하고 따라서 허가 등 절차가 빠르고 비용도 적고 또 비싼 개발비나 전력원가도 국영기업이라 감당할 수 있다. 무엇보다 개발 설계 허가 시공 운영 연료공급 폐기물 처리 등 원자력 발전소 건설 운영 전반적인 과정을 한 국영기업이 주도해 일괄적으로 원스탑 솔루션으로 제공하므로 수요자인 전력회사 입장에는 돈만 내고 전력만 사들이면 되니 골치아플 일이 적어 매우 매력적이다. 이는 러시아 로사톰이 VVER 경수로를 수출할 때도 적용하는 방식으로 원자력 기술이나 기반이 거의 없는 후진국도 손쉽게 원자력 발전소를 도입 운용할 수 있어서 로사톰의 강력한 수출경쟁력이 되고 있다. 한국도 참고할 만한 비지니스 모델이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

최초의 원자로는 대학 운동장의 스쿼시코트에 세워졌습니다. 천연우라늄 56t과 흑연 벽돌 400t으로 구성된 ‘시카고 파일-1’을 시작으로 현재까지 다양한 원자로가 개발됐고, 건설 시기 및 특성에 따라 분류할 수 있는데요. 그중 2030년대 상용화를 목표로 둔 제4세대 원자력 시스템은 크게 경제성, 안전성, 지속가능성 그리고 핵확산 저항성을 강조합니다.

 

 

2002년 전 세계 공모를 통해 100여 개의 미래형 원자로 후보 중 6개 시스템을 선정했습니다. 이때, 흥미롭게도 제4세대 원전 기술 모두 SMR 기술로 수렴하는 양상을 보입니다. 300 MWe 이하의 에너지를 생산하는, ‘작은 원자로’에 주목하는 것입니다. 실제로 우리나라를 비롯해 미국, 러시아, 중국 등에서 50종 이상의 SMR을 개발 중이며, 유명 기업인들 또한 적극적으로 투자해 화제를 모았습니다.

 

 

2040년까지 전 세계에서 150조에 이르는 시장을 형성할 것으로 전망되는 SMR의 강점은 무엇이고 어떤 기술이 필요할까

ㅇ SMR의 차별점 1 : 안전성
기존의 대형원전과 비교했을 때, SMR은 100분의 1 이하 수준으로 축소 가능합니다. 원자로에 필수적으로 포함되는 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등의 주요 기기를 하나의 압력용기 안에 배치하기 때문인데요. 연결 배관이 불필요하므로 원자력발전소에서 가장 심각한 사고 중 하나인 배관 파단의 가능성을 원천적으로 배제합니다. 또한, 전기가 끊어져도 안전합니다. 후쿠시마 원전 사고는 지진과 쓰나미로 인해 전원 공급이 중단되면서 발생했습니다.

 

 

SMR은 대형원전에 비해 발열량이 매우 적은 편입니다. 따라서 전기 없이 중력, 밀도차, 대류현상 등을 이용해 원자로 냉각할 수 있죠. 다시 말해, 자연의 힘만으로도 노심의 잔열을 제거하는 안전 시스템이 구축된 것입니다.

ㅇ SMR의 차별점 2 : 경제성
SMR은 퍼즐이나 레고처럼 모듈(Module : 조립 부품) 형태로 제작됩니다.

 

 

대부분의 부품과 기기들이 공장에서 제작된 이후 현장으로 이송되기에, 건설 비용 및 기간이 대폭 줄어듭니다. 분산 건설을 통해 송전망 구축과 송배전 비용도 절감할 수 있습니다. 발전 단가 역시 저렴한 편인데요. 규모의 경제 추구에 유리한 대형 원자력발전소에는 못 미치나, 화력 발전보다는 월등한 경제성을 확보합니다.

ㅇ SMR의 차별점 3 : 유연성
SMR은 용량이 작고 제어계통이 단순한 편이어서 탄력 운전에 최적화되어 있습니다. 따라서 오지나 작은 섬들에도 안정적으로 전력을 공급하며, 태양광이나 풍력 등 재생 에너지원과의 연계성도 뛰어납니다. 급격한 전력수요 상승이나 날씨 변화에 대처하기 어려운 재생에너지를 보완해주는 저탄소 에너지원으로 평가받습니다.

 

 

한편, 전력 생산 외에도 해수담수화, 수소생산 등 다목적 활용이 가능한데요. 최근 국제 선박 시장에서 온실가스 배출량에 대한 규제가 강화됨에 따라, 쇄빙선, 대형선박 등 장기간 고출력이 필요한 해양 운송수단의 추진 동력원으로도 주목받고 있습니다.

 

 

우리나라는 2012년, 중소형 원자로인 SMART(스마트)를 개발해 일체형 원자로 중 세계 최초로 표준설계인가를 획득한 바 있습니다. 그리고 SMART 개발 기술력을 기반으로, 더욱 치열해진 ‘초소형 원자로 시장’ 점유에 도전하고자 하는데요. 2021년 혁신형 SMR 국회 포럼을 개최하며 한국형 SMR 모델, 즉 i-SMR 관련 계획과 개념을 수립하는 단계에 있습니다. 스마트 워치, 소형 반도체, 나노 로봇 등 우리 삶에 스며든 수많은 소형 첨단기기처럼 작지만 강한 SMR이 펼칠 다양한 가능성을 기대합니다. 

 

 

 

 

 

 

 

소형모듈원전은 탄소중립의 대안이 될 수 있을까


소형 모듈 원전(SMR)은 출력 조절이 유연하고, 응용범위가 넓어 저탄소 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 경제성 확보에서 어려움이 예상되고, 핵폐기물과 안전사고에 대한 우려도 해소해야 한다.

지구인은 연간 510억t의 온실가스를 배출한다. 기후재앙의 피해를 최소화하려면 2050년까지 온실가스 순배출량을 제로로 만들어야 한다. 빌 게이츠가 지난 2월 출간한 <기후재앙을 피하는 법>에서 제시한 한 해법은 소형 모듈 원전(SMR·Small Modular Reactor)이다. SMR은 300㎿ 이하로 원전을 소형화하고, 원전을 구성하는 여러 기기를 하나의 용기에 일체화해 모듈로 제작한 원자로를 말한다. 

빌 게이츠는 2050년까지 탄소중립을 목표로 한다면, 석탄을 가스로 대체하는 데 시간과 돈을 들이기보다 태양광·풍력·SMR 등 싼값에 제로 탄소 전기를 만들 수 있는 기술 개발에 투자해야 한다고 강조했다. 그의 책 출간 후 국내에서도 SMR에 관한 일반인의 관심이 높아졌다. 

SMR은 주요 배관이 기존 원전처럼 외부로 나오지 않아 냉각제 배관 파손으로 방사성 물질이 누출되는 사고에서 비교적 안전하다. 원자로가 지하 수조 등 밀폐된 곳에 들어 있어 가동 정지돼도 장기간 자연적으로 물이 순환하면서 냉각돼 안전 조치를 취할 시간을 확보할 수 있다. 모듈 방식으로 공장에서 제작해 현지에 바로 설치할 수 있어 건설기간을 줄일 수 있다. 이런 장점은 구현하려는 목표일 뿐 아직 현실화된 것은 아니다. 이 분야에서 가장 앞선 미국의 뉴스케일파워는 2025년 SMR 착공을 목표로, 내년 설계 심사 완료를 앞두고 있다. 뉴스케일파워의 SMR 건설에는 두산중공업이 참여한다. 한국의 경우 늦어도 2029년 한국형 SMR의 설계완성, 인허가를 계획하고 있다. SMR이 내세우는 장점이 현실성이 있는지는 시간을 두고 검증해야 한다.

“SMR의 유연성, 넓은 응용범위가 장점”
미국 자산운용사 라자드의 분석에 따르면 2009~2017년 사이 생산 전력당 평균 발전 비용은 풍력이 67%, 태양광은 86% 감소했다. 반면 핵발전은 20% 증가했다. 재생에너지 투자가 늘고, 비용이 급격히 떨어지면서 상대적으로 원전의 경제성은 악화됐다. 국제에너지기구의 분석에 따르면 2025년 시점에서 원자력의 균등화 발전단가(설치비, 연료비, 폐쇄 비용 등 발전 전 과정에 걸친 비용을 발전량으로 나눠 계산)는 수명 연장을 통한 장기 운영을 제외하면 태양광·육상 풍력과 거의 비슷하거나 높은 것으로 나온다. 글로벌 평균으로 국가별 편차가 크지만, 이 지표는 경제성만으로 원전을 택할 때는 지났음을 보여준다. SMR 역시 모듈화, 대량 설치, 자율·자동 운영 기술로 단가를 대형원전 수준으로 맞추는 것이 목표라 경제성 면에서 기존 원전에 비해 뚜렷한 장점은 없다. 다만 SMR을 연구하는 학계는 재생에너지의 간헐성을 보완하는 유연성과 발전 외에 교통, 산업의 탈탄소화에 사용할 수 있는 넓은 응용범위, 안전성 강화를 장점으로 보고 있다. 

이정익 카이스트 원자력및양자공학과 교수는 SMR이 재생에너지와 보완 관계임을 강조했다. 이 교수는 “태양광과 풍력의 간헐성 문제를 에너지 저장기술(ESS)이나 가스터빈만으로는 해결할 수 없다”면서 “소형원전으로 가스터빈을 대체해 탄소중립에 기여하자는 것이 SMR 개발에 나선 첫 번째 이유”라고 말했다. 임채영 한국원자력연구원 혁신원자력시스템 연구소장도 SMR이 출력 조정이 훨씬 유연하도록 설계된다는 점을 강조했다. 기존 원전이 기저부하를 담당한다면 SMR은 첨두부하(일정 기간 가장 높은 부하를 의미)를 담당해 전력 시장에서 재생에너지의 출력이 들쭉날쭉할 때 이를 메워주는 역할을 할 수 있다는 것이다. 임 소장은 “많은 나라가 가스발전처럼 첨두부하 시 출력을 조정하는 전기에 높은 가치를 매기는데 SMR이 이를 담당하도록 설계하면 생산단가가 대형원전보다 조금 비싸더라도 훨씬 높은 가격에 전기를 팔 수 있다”고 설명했다. 그는 “순전히 생산원가의 관점에서 대형원전 수준까지 가는 게 목표다. 그 정도 수준이면 SMR은 유연한 출력조정과 초기 투자비가 상대적으로 적은 투자 수월성을 포함해 훨씬 환영받을 요소가 많다”고 말했다. 

SMR은 전력 수요에 따라 일부만 가동할 수 있고, 전력 생산에 쓰지 않는 모듈은 지역난방이나 산업단지에 열원을 제공하거나 수소 생산을 위한 고온전기분해, 해수담수화에 쓸 수 있다. 최근에는 소형 모듈 원자로를 탄소배출 규제가 심해지는 해상운송에 사용하는 방안도 연구되고 있다. 삼성중공업을 비롯해 현대중공업, 대우조선해양 등 조선소들이 탄소중립 선박 개발에 나서면서 원자력연구원 등과 공동연구 협약을 체결하고 있다. 한국원자력연구원과 삼성중공업은 용융염을 냉각재로 사용하는 용융염원자로를 이용한 원자력 추진선 공동 연구개발에 나선다. 이정익 교수는 “교통과 열 공급은 발전만큼 탄소를 배출하는 분야인데 교통 분야에서도 탈탄소가 가장 어려운 곳이 해운 산업이다”면서 “전 세계 무역량의 90% 이상이 해상으로 이뤄지기 때문에 해상 물동량을 탄소중립할 방안이 필요한데 지금까지 검증된 탄소중립적 추진 기술은 원자력밖에 없다”고 말했다. 그는 산업단지에 공정열을 제공하는 건 재생에너지로 대체가 어려워 이 분야에도 소형 원자로가 필요하다고 말했다. 

세계원자력기구(IAEA)가 집계한 국가별 소형모듈원자로(SMR) 기술 개발 현황. 한국은 한국원자력연구원이 개발한 ‘스마트’와 울산과학기술원 황일순 석좌교수 주도로 개발하는 ‘마이크로우라노스’ 등 두 종류의 SMR이 있다.




“글로벌 시장 확대 대비해 기술 개발 필요”
원전에 반대하는 이들은 SMR 역시 핵폐기물 문제와 사고 위험에서 자유롭지 않다고 보고 있다. SMR이 20년 가까이 연구됐지만, 경제성이 없어 실현되지 않은 기술이라는 점도 지적했다. SMR 투자로 재생에너지 투자 여력이 줄어드는 것도 문제다. 영국 서섹스대학 연구진이 2020년 <자연에너지>에 발표한 논문에 따르면, 재생에너지가 에너지 생산으로 인한 탄소 배출량을 줄이는 데 핵발전보다 훨씬 더 효과적이며, 함께 결합할 경우 두 기술이 서로 방해하는 경향이 있다. 단순히 온실가스 배출량이 적다는 것만이 아니라 핵폐기물을 비롯한 다른 환경 문제와 사회적 수용성도 함께 고려해야 한다. 한병섭 원자력안전연구소 소장은 “지금까지 대형화로 발전량을 키워 경제성을 추구했으면서 소형화로 경제성을 확보할 수 있다는 건 모순된다”면서 “경제성도 문제가 있지만 가장 중요한 건 주민 수용성인데 1000㎿ 하나를 지어도 난리가 나는 상황에서 100㎿로 10개를 짓는게 가능하겠나”라고 말했다. 

이헌석 정의당 기후·에너지정의특위 위원장은 “재생에너지의 간헐성 문제가 정말 고민된다면 ESS나 인접 국가와의 송전선로 연결로 해결할 수 있다”면서 “재생에너지 비중이 40%를 넘은 유럽은 재생에너지만으로도 간헐성 문제를 해결하는 상황”이라고 말했다. 이 위원장은 태양광과 풍력을 다양한 지역에 설치하면 한 지역에서 끊기더라도 전국적인 규모에선 변동이 적다는 점에서 간헐성 문제가 과장된 면이 있다고 지적했다. 

SMR은 모듈 안에 원자로, 증기발생기, 가압기, 냉각재펌프 등 주요 기기가 일체화 된다. 설비 압축으로 검사와 관리 비용이 증가할 수 있다는 지적이 나온다. 한병섭 소장은 “캐나다 등 해외에서 SMR을 개발하는 이유는 땅이 넓어 전선을 깔기 힘들기 때문에 도시 주변에 소형 원전을 설치해 해결하려는 것”이라면서 “SMR은 소형이라 기존 원전에 비해 안전성은 높겠지만 원자로 바깥의 안전계통에서의 안전까지 준비했는지는 의문이다”고 말했다. 

이에 대해 임채영 소장은 “대부분 1960~70년대 개발된 대형원전과 비교해 우려하지만 그때 자동차와 요즘 자동차가 다르듯 SMR에도 여러 다양한 혁신기술이 들어간다. 공간이 협소하고 한군데 몰려서 정비가 기존 대형원전보다 난이도가 있을 수 있다는 건 원론적으로 맞지만 기술적으로 충분히 해결 가능하다”고 말했다. 임 소장의 설명에 따르면 현재 설계되는 SMR은 거의 피동형 안전계통을 택하고 있다. 정전 시 위험에 처할 수 있는 강제순환형 냉각시스템이 아니라 외부 전원이 없어도 자연순환형 냉각이 가능한 방식으로 설계하는 것이다. 임 소장은 “냉각 펌프가 없는 상황에서도 원자로 안쪽에 물탱크가 있어 특수 상황이 되면 중력으로 저절로 물이 떨어져 들어간다. 데워진 물은 대류 현상으로 저절로 위로 가고 차가운 물이 밑으로 가는 순환을 만들 수 있다. 피동형 안전계통이 훨씬 안전성에서 신뢰도가 높은데 이를 구현하기에 대형보다 소형이 훨씬 유리하다”고 말했다.

설계상 안전성을 확보한다고 하지만 아직 원전에 대한 의구심이 걷힌 것은 아니다. 미국, 영국 등 주요국들이 SMR 개발에 뛰어든 속에서도 유럽연합은 아직 원자력에 거리를 두고 있다. 핵발전을 ‘그린 투자’ 목록에 집어넣을지 여전히 결론을 내리지 못했다. 유럽연합은 올해 4월 지속가능한 금융 목록(EU taxonomy)을 발표했지만 원자력과 천연가스 발전을 친환경 발전원으로 볼 수 있는지 논란이 일어 올해 말로 결정을 보류했다. 이 목록의 그린 투자 목록에 들어가야 향후 유럽 내 각종 환경·사회·지배구조(ESG) 펀드로부터 자금 조달이 유리해진다. 

논란이 있지만 SMR 기술 경쟁이 시작된 만큼 정부도 손 놓고 있을 순 없다고 판단했다. 한국원자력연구원은 2012년 소형원전으로는 세계 최초로 설계 인가를 받은 스마트(SMART) 원자로 개발을 완료했지만 실증하진 못했다. 올해 새롭게 한국수력원자력과 한국원자력연구원은 한국형 SMR(i-SMR) 개발에 나선다. 정부는 8년간 4000억원의 예산을 지원할 계획이다. 올해 9월 예비타당성 조사 신청을 위해 민간위원들이 사업기획위원회를 꾸려 연구하는 중이다. 

정부가 목표로 하는 SMR은 모듈당 170㎿로, 모듈 4개를 붙여 680㎿를 구현하는 것이다. 정부는 개념상 SMR은 모듈당 용량이 작아서 사고가 발생할 때를 대비해 주민을 소개하고 토지를 수용하는 비상구역의 범위도 기존 대형원전이 3~5㎞인데 반해 SMR은 원전 부지 경계를 넘어가지 않을 것이라고 보고 있다. 주민 수용성을 높일 수 있는 요인이다. 하지만 일단 정부는 SMR의 국내 설치보다 수출용에 무게를 두고 있다. 정부 관계자는 “분산형 전원이라 전력망이 갖춰지지 않은 벽오지에도 설치할 수 있지만 국내 설치는 주민의 수용성을 고려해서 먼저 원자력 안전에 대한 사회적 공감대가 형성되어야 한다. 사회적 논의를 거친 후라면 가능하겠지만 아직 국내에 설치할 계획은 없다”고 밝혔다.

SMR 연구가 정부의 탈원전 흐름과 배치된다는 지적도 있다. 이헌석 위원장은 “자국에 설치하지 않는 원자로를 수입할 나라는 없다”면서 “국내에서 탈원전을 말하면서 해외에 수출한다는 건 그 자체로 모순”이라고 말했다. 과기부 관계자는 “2030년대쯤 글로벌 시장이 크게 확대될 것으로 전망되는데 미래 시장에서 경쟁력을 잃지 않을 기술력을 확보하자는 차원”이라면서 “정부의 에너지 전환 정책은 우리나라 국토 넓이에 비해 원전이 밀집돼 있기 때문에 추가로 대형원전을 짓지 않겠다는 것이지 원자력 연구개발을 포기하겠다는 것이 아니다”라고 말했다. 

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