요즘 전 세계적으로 공통적인 사회 이슈를 꼽으라면 단연코 탄소중립이 상위권에 속할 것이다. 탄소중립과 연관되어 이슈가 되고 있는 것이 재생에너지와 소형모듈원전(SMR)일 것이다. 전 세계 주요국들이 탄소중립 대안으로 소형모듈원전(SMR)을 주목하고 있다. SMR은 이산화탄소 배출이 없으며, 기존 대형 원전보다 안전성도 뛰어나다고 알려져 있다. 러시아의 우크라이나 침공 이후 화석연료의 대안을 마련하려는 움직임이 분주해지면서 SMR 주가가 한층 더 높아졌다. 영국 국립 원자력연구원은시장 규모가 2035년까지 65~85GW(기가와트)에 달할 것으로 전망하고 있다.
SMR 이란?
기존의 대형 원자력 발전소와 달리 배관 없이 주요 기기를 하나의 용기 안에 배치해 일반적으로 300MW급 이하인 중·소형원자로(SMR)를 말한다.
대용량 발전 원자로에 대비되는 개념으로 열출력(또는 전기출력) 규모가 작고 동일 원자로를 복제하여 모듈 개념으로 건설할 수 있는 원자로를 통칭한다. 안전성, 기술성, 활용성 등 여러 측면에서 주목을 받고 있으며 대용량 발전로를 도입하기 어려운 일부 국가에서 상용화할 목적의 신형 원자로로 개발되고 있다.
원자로의 용량으로 대·중·소형으로 구분하는 기술적인 명확한 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.
우리나라는 SMART(System-integrated Modular Advanced ReacTor)라는 SMR 모델을 1997년부터 개발을 시작해 2012년 7월 세계 최초로 표준설계인가를 받았으며, 최근 사우디아라비아와 2018년까지 2기 이상 건설하는 MOU를 체결하는 등 가시적 성과를 내고 있다.
SMR 특징
SMR은 여러 개 모듈의 전원을 개별적으로 컨트롤할 수 있어 출력 조절에 유연성 및 확장성이 높다. 내부 전력을 사용할 수 없고 반드시 외부 전력이 필요한 펌프를 이용해 냉각재를 순환시켜야 하는 일반 대형 원전과 달리 특별한 복잡한 별도의 장치 없이 자연 대류를 통해 냉각재를 순환시킬 수 있다는 점도 중요한 점이다. 무엇보다도 별도 조작이 없어도 안전성이 확보된다. 재생에너지의 간헐성을 보완하기 위한 이산화탄소 배출 없는 예비 전원으로 활용성이 높다.
냉각재는 원자력 발전의 필수재로 원자로 냉각에 사용되는 물질을 뜻한다. 기존 원전은 핵분열 과정에서 발생하는 열로 물을 끓여 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 생성하는 방식을 사용한다. 핵분열에서 생성된 열을 증기발생기로 운반하는 물질이 원자로를 계속 식혀주는 역할을 해 냉각재로 부른다. SMR은 공장에서 모듈로 제작할 수 있어 건설 시간과 비용이 적게 든다. 건설 부지 면적도 적어 기반 기설 비용이 적다.
SMR 분류
에너지경제연구원에 따르면 소형모듈원자로(SMR)는 크게 네 가지 형태로 분류된다. 사용하는 냉각재와 연료에 따라 경수로형, 고온가스형, 용융염냉각형, 소듐냉각형으로 분류하며 형태별로 특장점을 갖는다.
1. 경수로형
경수로형 SMR은 냉각재로물을 사용하는 원자로다. 대형원전의 경수로 기술을 활용할 수 있다는 장점 덕에 인허가가 쉽게 떨어진다. 개발사로는 미국 뉴스케일파워와 영국 롤스로이스 등이 있다. 두 회사는 각국 정부의 전폭적인 지원 및 투자를 바탕으로 건설 인허가를 빠르게 진행하고 있다. 특히 뉴스케일파워는 미국 원자력규제위원회(NRC)로부터 2020년 표준설계인증을 얻어내 2029년 상용화가 예상된다. 미국 정부로부터 부지 제공, 각종 규제 완화, 개발비용 등의 지원을 받고 있다.
한국에서는 두산에너빌리티, 삼성물산, GS에너지 등이 뉴스케일파워에 지분을 투자하며 사업 개발에 협력하고 있다. 두산에너빌리티는 지분 투자를 통해 뉴스케일파워로부터 수조 원 규모의 기자재 공급권을 확보했다고 한다. 현대건설도 경수로형 SMR 사업에 많은 투자를 하고 있다. 이 회사와 협약을 체결한 미국 홀텍사는 사막이나 극지에서도 쓸 수 있는 160MW급 경수로형 소형 모듈 원자로(SMR-160)를 만들고 있다.
2. 고온가스형
고온가스형 SMR은 헬륨을 냉각재로 사용한다. 비활성 기체인 헬륨을 냉각재로 사용하기 때문에 섭씨 1000도 수준의 초고온에서도 화학반응이 없다. 이와 함께 기존 경수로 원전 원료 대비 우라늄 농축도가 높은 삼중 피복(TRISO)핵연료를 사용한다. 테니스 공 크기 핵연료를 세라믹 등으로 3중 코팅해 외부 전원이 상실되거나 운전자의 조치가 불가능한 극한 상황에서도 노심 용융이 발생하지 않는다.
두산에너빌리티는 뉴스케일파워 외에 미국 엑스에너지가 개발 중인 고온가스형 SMR에서도 주기기 제작 설계를 맡았으며, 주기기 제작에 참여를 추진 중이다. 엑스에너지가 개발하는 고온가스로 SMR(모델명 Xe-100)은 총 발전용량 320㎿ 규모로, 80㎿ 원자로 모듈 4기로 구성돼 있다. 운전 중 750도 헬륨으로 가열된 물이 565도의 증기로 변해 터빈을 가동한다. 기존 물을 냉각재로 하는 경수로(증기 온도 275도) 대비 고온 운전이 가능해 전력 생산 효율이 상대적으로 높고 경제적으로 수소를 생산할 수 있다. 현대엔지니어링도 캐나다 정부, 한국원자력연구원, 미국 SMR 개발사인 USNC 등과 공동으로 캐나다에서 고온가스로 SMR 건설에 나설 예정이다. 2025년까지 캐나다 초크리버에 실증 플랜트 건설 및 시운전 완료를 목표로 하고 있다.
3. 용융염냉각형
용융염냉각형 SMR은 핵연료가 냉각재에 녹아 있는 형태의 용융염을 연료로 활용하는 방식으로 액체연료 원자로라고 불린다. 용융염이 핵연료의 방사성 물질을 구속하고 핵분열 생성물이 운전 중에 지속적으로 제거돼 원자로 정지 시 잔열도 고체 핵연료 대비 40% 정도로 낮아 고유 안전성이 높다. 연료와 냉각재를 한데 뭉쳐놓기 때문에 SMR의 가장 큰 장점인 소형화를 극대화할 수 있어 ‘선박용 SMR’도 개발 중이다. 용융염원자로 개발사인 덴마크 시보그는 지난 4월 삼성중공업과 해상 원자력 발전 설비 개발을 위한 기술협력 양해각서(MOU)를 맺었다. 미국선급협회(ABS)가 선박 적용 타당성 조사를 2020년 완료했으며 이르면 2025년 상용화가 가능할 것으로 보인다.
4. 소듐냉각형
Na(나트륨)인 소듐을 냉각재로 활용하는 소듐냉각형 SMR 중에선 빌 게이츠가 투자한 미국 테라파워가 가장 잘 알려져 있다. 지난달 SK그룹은 테라파워와 포괄적 사업 협력을 위한 MOU를 맺었다. SK그룹은 테라파워의 SMR 기술, 방사성 동위원소 생산 역량과 SK의 사업 영역을 연계해 다양한 협력 기회를 발굴할 예정이라고 밝혔다.
출처=두산에너빌리티
SMR 장단점
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.
- 고유 안전기술, 피동안전기술 등 신기술 접목이 용이하여 안전성 및 신뢰성이 높다.
- 공장에서 완전하게 제작·조립하여 현장으로 이동하여 직접 설치하므로 건설공기가 짧다.
- 소요 부지규모가 작으며 건설비용이 작아 비용 투자의 위험성이 낮다.
- 용량 규모가 작아 비상계획구역(Emergency Planning Zone)이 줄어든다.
- 모듈형 건설이 가능하므로 용량 규모를 수요에 따라 조정할 수 있다.
- 국가 전력망이 빈약하거나 전력수요가 낮은 지역에 기저 전력으로 사용할 수 있다.
- 경제성은 대용량 원자로에 비해 떨어지나 타 에너지원 대비 경쟁력을 가질 수 있다.
- 신기술이 접목된 SMR에 대한 인허가 제도(기준, 법규 등)가 미흡하고 기자재 하부구조 산업이 형성되지 않아 공급성 문제가 있다.
- 활용분야 : 분산전원으로 활용(산업지역, 격리 지역, 송전망 부족지역, 특수시설 전원 등), 화석연료 발전소 대체 발전, 열병합 발전(열과 전력 동시 생산), 해수담수화 에너지원, 지역난방, 산업공정용 열생산, 선박추진 동력원 등 다양한 예측이 있지만 2050년까지 SMR 발전설비는 55~75GWe에 이를 전망이다.
