원자력발전소 대체할 SMR(소형모듈원자로)에 대해 알아볼까요

원자력발전소 대체할 SMR(소형모듈원자로)에 대해 알아볼까요

 

요즘 언론과 방송에 SMR(소형모듈원자로)에 대한 소식이 많습니다. 기존의 원자력발전소를 대체하는 것을 물론이거니와 원자력 발전소 건설이 마땅치 않은 저개발 국가에 부족한 전력을 지원하기 위한 방법으로 SMR을 고려하는 분위기입니다. 

 

Pixabay로부터 입수된 Qubes Pictures님의 이미지 입니다.

 

그러면 SMR이 무엇인지 간단히 알아보겠습니다.

◆ 소형모듈원자로(Small Module Reactor)

▶ 통상적으로 출력이 300MW보다 작은 소형모듈원자로​

▶ 그러나 원자로의 용량으로 대·중·소형으로 구분하는 기술적인 기준은 없습니다. 국제원자력기구(IAEA)는 이해의 편의성 측면에서 전기출력 규모로 대용량(1,000MWe 이상), 중형(300~700MWe), 소형(300MWe 미만)으로 구분하고 있습니다.

▶ 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 있습니다.

 

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기존의 원자력 발전은 큰 출력을 안정적이고 경제적으로 생산할 수 있는 발전방식입니다. 하지만 출력 조절이 어렵고, 원자로를 식히는 방법이 한정적이라는 단점도 있습니다. 더불어 원자력 발전소 건설비용이 비쌀 뿐 아니라 입지 역시 제한적입니다.

이러한 원자력 발전소의 단점을 극복할 수 있고 원자로의 크기와 출력을 획기적으로 줄인 SMR은 이러한 원자력 발전의 단점을 보완할 수 있는 기술이라고 합니다. 이론적으로는 규모가 작아 출력 조절과 원자로 냉각이 용이하다는 장점이 있다고 하구요. 보통 출력 300㎿까지를 소형, 300㎿~700㎿까지를 중형으로 분류한다고 합니다.

 

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쉽게 예를 들면, 미국의 핵잠수함의 경우 핵무기를 탑재하기 때문에 핵잠수함이 아니라 추진력을 핵에너지에서 얻기 때문에 핵잠수함이라고 부르는 사실은 알려진 사실인데요. 이러한 핵잠수함이 엔진으로 사용하는 것이 SMR입니다. 그렇기 때문에 미국이 SMR의 원천기술을 많이 보유하고 있는 것도 사실이라고 합니다.

SMR은 굳이 바다에서 대규모 냉각수를 끌어올 필요가 없기 때문에 입지 선정이 일반 원전에 비해 훨씬 자유롭다고 할 수 있습니다. 그리고 냉각시스템의 결함으로 인한 방사능의 유출 가능성도 적습니다. 말 그대로 모듈이기 때문에 소형으로 설치할 수 있기에, 건설비용과 기간 역시 일반 원자로에 비해 큰 장점을 가지고 있습니다.

 

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이러한 장점 때문에 전 세계에서 SMR 시장 선점을 위한 경쟁이 치열합니다. 국제원자력기구(IAEA)에 따르면 현재 개발 중인 SMR의 노형의 종류만 약 70여 종류에 이르며, 이는 그 연료와 냉각재에 따라 크게 경수로형, 헬륨 고온가스형, 용융염냉각형, 소듐냉각형으로 분류된다고 합니다.


국내에서는 삼성, SK, 현대 등 대기업들이 관련 개발을 진행중이며, 2022년 5월 31일에는 ‘혁신형 소형모듈원자로 기술개발사업’이 예비타당성조사를 통과함에 따라 정부 역시 2028년까지 총 3,992억 원을 투입할 예정이라고 합니다. 

 

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◆ SMR 개발 및 현황

▶ 단순한 용량규모 측면의 상업전력 생산목적의 SMR 개발은 1980년대부터 시작되어 개발역사는 오래되었지만 실제 건설되어 운영된 원자로는 없습니다.

▶ 현재 개발 중인 원자로기술은 경수로가 주력노형이지만 가스냉각로, 고속로 등을 망라하고 있습니다. 경수로형 SMR의 형태는 loop형과 Integral형(일체형) 두 종류가 있으나 일체형이 주류이다. 서방세계와 기술기준이 다르지만 러시아는 다양한 SMR형 원자로를 개발하고 건설경험도 있습니다.

▶ SMR형 원자로는 항공모함, 잠수함, 쇄빙선 등의 선박추진동력용으로 건조·운영된 경험이 많습니다.

▶ 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 건설 전 설계사업(PSAR 개발)을 진행 중이며 최초호기 건설 여부가 2020년에 결정될 것으로 전망됨.

▶ NuScale(미국) : 45~50MWe/module 가압경수형 일체형 원자로로 정부와 산업계가 소요재정 50;50 비율로 부담하는 DOE의 설계인증 및 인허가 지원 프로그램으로 개발 중. 자연 순환 냉각의 피동형 원자로이며 지하에 건설하는 것을 목표로 함. 미국 아이다호국립연구소(INL)에 건설하여 2026년 경 상업운전을 추진하고 있음. 인허가 기관인 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 지원 프로그램으로 개발 중임. TVA가 건설 발주를 예정하였으나 2015년 mPower 개발을 연기한다고 발표됨.

▶ CAREM-25(아르헨티나) : 1990년대 초반부터 개발이 시작된 용량 27MWe 자연 순환 냉각 일체형 원자로로 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 이루어졌으며, 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 건설 완료를 목표로 하고 있음.

▶ Flexblue (프랑스) : 160MWe급 해저에 착저식 소형원자로이며 원자로 모듈을 잠수정에 설치하여 해저에 착저시켜 운전하는 개념임.


자료출처 : 서울대 원자력정책센터

 

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최근에 언론에 알려진 바에 따르면 사이즈를 더 줄인 초소형원자로(MMR, 출력 10㎿ 이하) 연구도 함께 이뤄지고 있다고 합니다. 우주탐사, 전기차 충전소 등 활용범위가 넓어 미국의 억만장자인 빌 게이츠 등이 적극 투자에 나서고 있다고 알려져 있습니다.

◆ SMR의 특성과 활용

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

● 고유안전기술, 피동안전기술 등 신기술 접목이 용이하여 안전성 및 신뢰성이 높다.
● 공장에서 완전하게 제작·조립하여 현장으로 이동하여 직접 설치하므로 건설공기가 짧다.
● 소요 부지규모가 작으며 건설비용이 작아 비용투자의 위험성이 낮다.
● 용량규모가 작아 비상계획구역(Emergency Planning Zone)이 줄어든다.
● 모듈형 건설이 가능하므로 용량 규모를 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.


자료출처 : 서울대 원자력정책센터

 

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얼마 전 미국의 Washington Post에서는 "미국의 원전수출은 안보전략"이라고 할 만큼 원전기술에 대한 경쟁이 치열합니다. 특히 아프리카와 같이 저개발국가에 있어 SMR은 전략적인 선택이 될 수 있다고 합니다. 우리나라도 원전 운영에 따른 핵폐기물이라든지 입지의 문제에 있어 SMR이 다각적으로 고려되고 있다고 합니다.