중소형원자로, SMR, 소형모듈원자로, small modular reactor, 핵잠수함과 항공모함 원전, SMART(한국)

중소형원자로(SMR)

 

소형모듈원자로(영어: small modular reactor, SMR)는 전기출력 300MWe급 소형 원자로를 말한다. 미국 핵잠수함과 항공모함에서 쓰던 원전이다. 

IAEA는 소형 원자로를 전기출력 300MWe급 이하라고 정의하나, 일반적인 의견은 전기출력 500MWe급 이하를 소형 원자로라고 정의한다.대용량 발전원자로에 대비되는 개념으로 열출력(또는 전기출력) 규모가 작고 동일 원자로를 복제하여 모듈개념으로 건설할 수 있는 원자로를 통칭한다. 안전성, 기술성, 활용성 등 여러 측면에서 주목을 받고 있으며 대용량 발전로를 도입하기 어려운 일부 국가에서 상용화할 목적의 신형원자로로 개발되고 있다. 

중소형원자로(SMR)의 정의
원자로의 용량으로 대·중·소형으로 구분하는 기술적인 기준은 없다. 국제원자력기구(IAEA)는 이해 편의성 측면에서 전기출력 규모로 대용량(1,000MWe 이상), 중형(300~700MWe), 소형(300MWe 미만)으로 구분하고 있다. 따라서 1990년 대 초반부터 IAEA는 SMR의 의미를 중소형원자로(Small and Medium-sized Reactor)로 사용해 왔으나 2000년대 중반 이후 미국에서 시작된 개념으로 소형모듈원자로(Small Modular Reactor, 300MWe 이하의 모듈형 원자로)로 정의하고 있어서 현재 두 의미가 구분 없이 300MWe 이하의 원자로를 통칭하여 혼용되고 있다. 

SMR의 특성과 활용
SMR은 여러 기술적 장점 및 활용성을 주목받고 있으며 기존의 대용량 원자로와 상대적인 비교대상이 되기도 한다. 그러나 SMR은 대용량 원자로와의 경쟁적 관계보다는 상호 보완적인 위상으로 정립되고 있다. 일반적인 SMR의 특성(장·단점)과 활용성은 다음과 같다. 

고유안전기술, 피동안전기술 등 신기술 접목이 용이하여 안전성 및 신뢰성이 높다.
공장에서 완전하게 제작·조립하여 현장으로 이동하여 직접설치 하므로 건설공기가 짧다.
소요 부지규모가 작으며 건설비용이 작아 비용투자의 위험성이 낮다.
용량규모가 작아 비상계획구역(Emergency Planning Zone)이 줄어든다.
모듈형 건설이 가능하므로 용량규모를 수요에 따라 조정할 수 있다.
국가 전력망이 빈약하거나 전력수요가 낮은 지역에 기저전력으로 사용할 수 있다.
경제성은 대용량 원자로에 비해 떨어지나 타 에너지원 대비 경쟁력을 가질 수 있다.
신기술이 접목된 SMR에 대한 인허가제도(기준, 법규 등)가 미흡하고 기자재 하부구조산업이 형성되지 않아 공급성 문제가 있다.

활용분야 : 분산전원으로 활용(산업지역, 격리지역, 송전망 부족지역, 특수시설 전원 등), 화석연료발전소 대체발전, 열병합 발전(열과 전력 동시 생산), 해수담수화 에너지원, 지역난방, 산업공정용 열생산, 선박추진 동력원 등 다양한 예측이 있지만 2050년까지 SMR 발전설비는 55~75GWe에 이를 전망이다.

SMR 개발 및 현황
단순한 용량규모 측면의 상업전력 생산목적의 SMR 개발은 1980년대부터 시작되어 개발역사는 오래되었지만 실제 건설되어 운영된 원자로는 없다. 현재 개발 중인 원자로기술은 경수로가 주력노형이지만 가스냉각로, 고속로 등을 망라하고 있다. 경수로형 SMR의 형태는 loop형과 Integral형(일체형) 두 종류가 있으나 일체형이 주류이다. 서방세계와 기술기준이 다르지만 러시아는 다양한 SMR형 원자로를 개발하고 건설경험도 있다. SMR형 원자로는 항공모함, 잠수함, 쇄빙선 등의 선박추진동력용으로 건조·운영된 경험이 많지만 본 논의에서는 제외한다. 기존의 중소형원자로 대비 새로운 안전개념의 기술이 접목된, 현재 건설이 진행 중이거나 2020년대에 건설이 유력시(예정 포함) 되는 주요 SMR의 현황은 다음과 같다. 

SMART(한국) : 1997년 개발에 착수하여 2012년 세계최초로 SMR형 원자로 표준설계 인허가를 규제기관으로부터 획득함. 330MWt(100MWe급) 출력규모로 전력생산 및 해수담수 열에너지공급 목적으로 개발됨. 피동 및 능동 안전기술 혼용 일체형원자로. 2015년 12월부터 사우디아라비아와 3년 예정으로 건설전 설계사업(PSAR 개발)을 진행 중이며 최초호기 건설여부가 2020년에 결정될 것으로 전망됨. 
NuScale(미국) : 45~50MWe/module 가압경수형 일체형 원자로로 정부와 산업계가 소요재정 50;50 비율로 부담하는 DOE의 설계인증 및 인허가 지원프로그램으로 개발 중. 자연 순환 냉각의 피동형 원자로이며 지하에 건설하는 것을 목표로 함. 미국 아이다호국립연구소(INL)에 건설하여 2026년 경 상업운전을 추진하고 있음. 인허가기관인 NRC에 설계인증(Design Certification)을 신청(2016. 12. 31)하였으며 인허가 심사에 약 40개월 정도가 소요될 것으로 예상하고 있음.
mPower (미국) : 180MWe/module 출력의 일체형 가압경수로로 DOE의 50:50 설계인증 및 인허가 지원프로그램으로 개발 중임. TVA가 건설 발주를 예정하였으나 2015년 mPower 개발을 연기한다고 발표됨.
CAREM-25(아르헨티나) : 1990년대 초반부터 개발이 시작된 용량 27MWe 자연 순환 냉각 일체형원자로로 2013년 최초 콘크리트 타설 및 현재 건설 중임. 2018년경에 핵연료 장전을 목표로 하고 있음.
ACP-100(중국) : 2004년 부터 CNNC에 의하여 개발이 시작되었으며, 2015년 건설허가 심사 중에 당초 복건성에 건설하려던 계획을 변경하여 하이난섬의 창지안에 건설을 추진 중으로 현재 규제기관의 건설허가 심사 중에 있음.
HTR-PM(중국) : 210MWe급 loop형 가스냉각 원자로로 2기의 원자로(각 250MWt)가 한기의 가스터빈을 돌리는 구조로 2012년부터 산동성에 건설 중임. 2016년 3월 원자로압력용기의 설치가 이루어 졌으며, 2017년 상업운전을 목표로 진행 중임.
KLT-40S(러시아) : 1980년대 쇄빙선의 추진동력으로 활용하던 원자로인 KLT-40 원자로를 바지선에 선적하는 개념임. 35MWe/module로 2002년 바지선적 건설이 승인되었으나 상당히 지연되어 2012년 상페테스부르크의 발티스키 자보트에서 바지선에 원자로 건조 사업을 착수하여 2017년 건설완료를 목표로 하고 있음.
Flexblue (프랑스) : 160MWe급 해저에 착저식 소형원자로이며 원자로 모듈을 잠수정에 설치하여 해저에 착저시켜 운전하는 개념임.

 

 

 

SMR이 대안이 될 수 있을까

소형모듈원자로(SMR)는 차세대 원전의 핵심 기술로 불린다. 원전 업계 주장에 따르면 전력 생산 과정에서 온실가스를 배출하지 않을 뿐만 아니라, 사고 위험이 대폭 줄어든다. 동시에 기상 조건 등에 따라 발전량이 들쭉날쭉한 재생에너지의 단점을 보완할 수 있다는 것이 장점으로 꼽힌다. 미국과 영국, 러시아, 캐나다 기업들이 개발에 나서고 있다. 윤석열 정부 역시 한국의 독자 SMR 노형 개발로 세계 수출 시장을 주도하겠다는 장밋빛 포부를 밝혔지만 현실은 녹록지 않다. 

▲ 상용화된 대형 원전과 한국형소형모듈원전(SMART)의 개념도. 한국원자력연구원 

무엇보다도 새 정부가 추진하는 신규 원전 건설 가속화 및 노후 원전 수명 연장에 따라 추가로 발생하는  사용후핵연료, 즉 고준위 핵폐기물의 저장 포화 시점은 더욱 빨라질 예정이다. SMR 역시 핵폐기물이 발생하기 때문에 정부 바람대로 SMR 상용화 시점이 앞당겨질수록, 오갈 곳 없는 핵폐기물 처리 문제도 그만큼 심각해질 수밖에 없다.

뿐만 아니라 후쿠시마 원전사고 이후 불안감이 여전한 상황에서 소형이라고 하더라도 SMR 건설에 찬성할 지역을 찾기도 어렵다. 대용량의 냉각수 공급을 위해 해안이나 큰 강변에 위치한 기존 대형 원전과 달리 입지 제약이 덜하다는 SMR의 특성을 고려하면 전력 수요가 많은 서울 등 대도시에 건설해야 한다는 주장에 힘이 실린다. 입지 문제를 두고 지역 간 대립이 극심해질 가능성이 높다. 그린피스 서울사무소에 따르면 한국은 세계 최고의 원전 밀집도를 보이고 있다. 2022년 4월 기준 한국은 국토 면적(1,000㎢) 당 원전 설비용량이 236.8MW로, 프랑스(112.1MW)의 2.1배, 일본(86.9MW)의 2.7배,영국(28.3MW)의 8.3배, 미국(10.4MW)의 22.7배가 넘는다.   

원전의 경제적 효율 때문에 과거 수십 년 동안 원자로의 대형화 추세가 이어졌다는 점을 감안하면, SMR의 경제성에도 의문이 제기된다. 우리나라 원전 개발 역시 전력 생산 단가를 낮추기 위해 비슷한 길을 걸었는데 신고리 3,4호기 등 신형 원전에 들어간 원자로 APR1400(1.4GW)은 세계에서 손꼽는 대용량이다. 한국형소형모듈원자로(SMART)에 대해서도 1990년대부터 개발을 개발을 진행하면서 수출을 모색하고 있지만 최종 건설까지 얼마나 걸릴지 예상하기 어렵다.  

원전 업계에서는 모듈화를 통한 대량 생산과 소형화를 통해 비용을 획기적으로 줄일 수 있다는 입장이지만, 대형 원전 1기의 발전량을 대체하기 위해 여러 기의 소형 원자로를 건설하는 것이 과연 수지타산이 맞을지에 대한 논란 역시 현재 진행형이다.    

나아가 6일(현지시간) EU에서 원전을 친환경 에너지 분류체계, 즉 택소노미(Taxonomy)에 포함시키면서 2050년까지 고준위방사성폐기물처리장 완공이라는 조건을 달아 둔 것도 우리 원전 업계에는 마이너스로 작용할 가능성이 높다. 우리나라의 고준위방사성폐기물처리장은 입지로 선정된 지역 주민들의 반발이 없다고 가정하더라도 관련 안전 규정과 절차에 따라 최소 37년이 걸린다.