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소형모듈원전

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미국 뉴스케일사가 개발해 2029년까지 건설하겠다고 밝힌 소형모듈원전(SMR) 조감도. 뉴스케일 제공

소형모듈원전(small modular reactor, SMR)은 기존의 대형원전(1000~15000MW급)에 대비되는 개념으로 전기출력 300MWe 이하의 소형원자로를 말한다. 세계원자력에너지협회(IAEA)는 300MWe급 이하를 소형원자로, 700MWe급 이하를 중형원자로로 분류한다. 일반적으로 500MWe급 이하를 소형모듈원전이라고 말한다. 현재도 소형원자로는 존재한다. 다만 소형으로 원자로를 만들면 발전단가가 올라가기 때문에 대형원자로를 주로 만드는 것이다.

과거 미국의 항공모함, 핵 잠수함에 적용되던 기술로, 최근에는 전력 생산을 위한 목적으로 주목받고 있다.

SMR에 '모듈'이라는 단어가 들어간 이유는 대형원전의 핵심 기기인 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등이 하나의 용기에 일체화된 원자로 모듈(module) 형태로 만들기 때문이다. 가장 많이 사용하는 경수로 방식 대형원전의 경우 핵연료와 증기발생기, 펌프가 별도로 나뉘어져 있고 배관을 통해 연결되어 있다. 배관은 안전성이 떨어지기 때문에 재해가 발생할 때 방사능이 유출될 가능성이 있다.

원전을 소형으로 만드는 이유는 출력이 적으면 사고시 나오는 붕괴열도 적기 때문에 식히기 쉽다는 이유 때문이다. 원전은 운전중 출력의 6~7% 정도의 붕괴열이 나온다. 2011년 후쿠시마 원전 당시 대지진과 쓰나미로 외부전력 공급망이 침수되어 노심을 식힐 냉각수 펌프가 중단됐고 핵연료 붕괴로 인해 방사능이 유출됐다. 후쿠시마 원전같은 대형원전은 냉각수 전원이 나가버리면 연료봉의 붕괴열을 식히는 것이 쉽지 않다. 하지만 원전 출력이 애초에 작으면 방출되는 붕괴열도 작기 때문에 상대적으로 식히기 쉽다. 그래서 원전을 일체형으로 만들면 원자로를 통째로 물과 같은 냉각재에 담아 식힐 수 있다는 것이 소형모듈원전의 개념이다.

배경[편집]

SMR 사업 추진은 기후변화에 대한 관심이 커지는 최근 분위기와 무관치 않다. 2021년 8월 9일 '기후변화에 관한 정부 간 협의체(IPCC)'는 2021∼2040년 사이 지구 온도가 산업화 이전(1850∼1900년)보다 1.5도 상승할 가능성이 크다는 내용의 보고서를 발표했다.

'지구온난화 1.5도'에 도달하는 시점이 기존 분석보다 10년 이상 당겨진 것이어서 세계 각국의 이목이 쏠렸다. IPCC는 지구온난화를 늦추는 방법은 온실가스 배출량을 줄이는 것뿐이라고 강조했다. 탄소중립을 통해 누적 이산화탄소 배출량을 제한하고 메탄 등 다른 온실가스 배출을 크게 줄여야만 온난화를 억제할 수 있다는 설명이다.

이에 다양한 산업 분야에서 탄소제로를 신경 쓰게 될 것이란 관측이 나온다. WSJ는 "몇 년 뒤에는 미국의 모든 상장기업이 자사 제품을 생산하는 데 얼마큼의 탄소를 배출하는지 의무적으로 공개해야 할 수도 있을 것"이라고 전망했다. 예컨대 코카콜라 1L를 제조하고 유통하는 과정에서 346g의 탄소 배출이 발생한다고 표시하는 방식이다.

SMR '소형' 개념[편집]

거대한 돔형 격납 건물로 상징되는 대형 원전에 위압감을 느끼는 사람들은 소형모듈형원자로의 '소형'이라는 표현에서 다소 경계심을 풀 법하다. 하지만 상상하는 것만큼 아담하지는 않다. 소형모듈원자로 원전에서 '소형'은 발전출력 기준으로 300㎿ 이하를 말한다. 300㎿는 최근 지어진 신한울 1·2호기(1400㎿)의 4분의1에 조금 못미치지만, 국내 최초 원전인 고리 1호기(587㎿)와 비교하면 절반이 넘는 규모다. 설비의 크기에 대한 기준은 따로 없다. 뉴스케일파워의 출력 77㎿짜리 SMR 원전에서 원자로와 증기발생기를 포함한 원통형 설비는 높이 약 23.2m, 직경 약 4.6m, 무게 약 700톤으로 설계됐다. 23.2m는 아파트 9층 높이다.

특징[편집]

SMR의 특징

소형모듈원전은 대형 원전(1000~1400㎿) 대비 10~20분의 1 이하 크기지만 발전 용량은 수백㎿급에 이를 만큼 고효율을 자랑한다.

SMR은 안전성이 높은 반면 공장에서 제작해 조립이 가능하기 때문에 건설 기간을 대폭 줄여 비용을 절감할 수 있다. 또 원자로, 증기 발생기, 가압기 등으로 분리된 대형 원전과 달리 일체형으로 돼 있다. 즉, 모든 장비가 원자로 안에 들어가 있으며, 원자로는 수조 안에서 작동하기 때문에 사고가 발생해도 원자로 주변의 물로 바로 열을 식힐 수 있어 상대적으로 안전하다. 여기다 기존 원전은 냉각수를 얻을 수 있는 해안 부근에 건설해야 하는 반면, SMR은 어디든지 건설할 수 있다는 장점이 있다. SMR의 가장 큰 특징은 '확장성'이다. 경량화돼 다양한 용도로 응용할 수 있다. 물류, 국방, 도심항공모빌리티(UAM), 해수담수화 시설 등 다양한 곳에 쓰일 전망이다.

또한, SMR은 수소경제의 핵심이라 할 수 있는 수전해 작업에 활용될 수 있다. 수전해는 물에 전기를 걸어 수소와 산소를 분리하는 과정이다. 핵심은 탄소중립을 위해 탄소를 배출하지 않고 생성된 전력을 사용해야 한다는 것이다. 수전해의 여러 유형 중 하나인 고온수전해(SOEC)는 전기와 동시에 고온 증기가 필요한데, SMR이 이를 충족할 수 있다.

반면 SMR의 단점은 어떤 것들이 있을까? SMR에서 발생된 증기는 대형 원전과 비교하면 온도가 낮다. 온도가 낮은 증기는 터빈의 발전 효율을 낮추는 결정적인 요인 중 하나로 손꼽히므로, 연료당 발전량은 대형 원전에 미치지 못한다. 게다가 SMR 역시 원자력 에너지를 사용하기에, 원자력발전의 근본적인 문제점, 즉 방사능 유출이 발생할 경우 큰 피해를 일으킬 수 있다는 점과 방사성 폐기물을 처리하기 어렵다는 점은 여전히 해결하기 어렵다.

따라서 SMR에 대해서는 크기만 작아진 원전이라는 비판이 있으며, 원전 운영인력이 대형 원전과 큰 차이가 없고 이것이 발전 단가에 반영될 수 있어 향후 상용화를 위해서는 충분한 연구개발이 필요하다는 주장이 나온다. SMR이 상용화되는 데는 수년이 걸릴 전망이다. 미 전역에서 시험 중인 SMR 가운데 정부의 규제 기준을 통과한 설계는 없다. 비용 부담도 풀어야 할 숙제다. 정확한 SMR 설치 비용은 공개되지 않았지만 전문가들은 수천만달러에서 수십억달러가 소요될 것으로 보고 있다.

전세계 SMR 개발 상황[편집]

한국은 1997년 한국형 소형원자로 스마트(SMART)를 개발해 2012년 표준설계인가를 획득했다. 전세계 최초의 소형모듈원전이다. 표준설계인가를 획득했다는 것은 건설을 할 수 있는 정도의 설계도를 만들어냈다는 의미다. 하지만 실제 건설로 이어지지는 않았다. 원자로는 크게 만들든 작게 만들든 안전 비용에는 큰 차이가 나지 않는다. 작은 것을 여러개 만들면 오히려 관리 비용이 증가할 수 있다. 원전의 장점은 방사능 유출 위험이 있고 핵폐기물을 만들어내더라도 발전단가가 싸다는 점인데 굳이 비싼 소형모듈원전을 만들 이유가 없는 것이다. 게다가 검증되지 않은 기술이었기에 굳이 한국형 소형모듈원자로를 한국에 지을 이유가 없었다.

한국에너지공단의 2015년 이슈브리핑에 따르면 다수의 글로벌 기업이 SMR시장에 투자해 당시 45개의 모델이 개발되었으며 2014년 기준으로 운영중인 SMR은 2기였다. 중국의 CNP-300(300MW 가압경수로), 인도의 PHWR-220(220MW 가압중수로)가 소형원자로로 분류되었다. 하지만 이는 현재 거론되고 있는 일체형 SMR과는 거리가 있다. 대형원자로를 규모만 작게 만든 것일뿐 기술적으로 대형원전과 큰 차이가 없기 때문이다.

본격적으로 SMR이 주목받은 것은 2017년 뉴스케일파워가 SMR을 개발하면서다. 이 업체는 2020년 SMR 설계인증을 받으면서 리더로서의 위치를 확고히 했다. 설계도에 따르면 뉴스케일파워의 SMR은 원전 안전장치인 두꺼운 콘크리트 외벽 대신에 특수 금속 외벽을 설치하고 냉각수 펌프를 없앤 대신에 원자로 전체를 물에 담갔다. 또 하단의 핵연료와 상단의 증기발생기 길이를 늘려 자연적인 열순환이 가능하게 한 것이 특징이다.

마이크로소프트 창업자 빌게이츠가 설립한 소형원전제조회사 테라파워는 소듐냉각 고속로를 개발 중이다. 기존 원전은 중성자를 이용해 핵분열을 일으킨 뒤 여기서 발생하는 열을 경수로나 중수로 등 물로 냉각한다. 반면 테라파워의 SMR은 냉각재로 소듐(Na)을 사용한다. 액체 소듐으로 냉각제를 사용해 노심 융용을 막을 수 있다고 업체측에서는 광고하고 있다.

에너지노스웨스트 등의 컨소시엄은 2030년까지 6기의 SMR을 가동하는 것을 목표로 하고 있다. 35만 가구에 공급하는 전력을 생산할 수 있는 규모다. 라바 웹 UAMPS 대변인은 "석탄 발전소와 천연가스 발전소를 탄소제로 에너지로 교체할 계획"이라고 말했다.

전세계 원전의 절반이상을 지은 130년 전통의 웨스팅하우스는 소형원전을 개발했지만 경제성을 이유로 규모를 키우는 등 계속 설계변경을 했다. 1KW 건설단가가 2003년 1718달러에서 2020년 8500달러로 증가했기 때문이다. 현재 전세계에서 가성비가 가장 좋다는 한국 원전의 1KW당 건설단가는 3000달러 수준이다. 기존 원전의 2배 이상 돈이 들어가게 되는 거다.

국제원자력기구(IAEA)가 2020년 내놓은 보고서에서 집계한 전세계 SMR 연구개발 프로젝트는 모두 72개다. 많아 보이지만 대부분이 개념 연구 단계에 머무르고 있는 수준이다. 원자력 전문가들은 이들 가운데 실제 상용화돼 시장에서 경쟁할 수 있는 것은 4~5개에 불과할 것으로 본다.

동급 소형 원자로[편집]

소형모듈원전 시장 가능성[편집]

주요기관의 SMR 시장전망

SMR 시장규모는 2050년에 약 400조원, 400~1,000기 설치를 예측하고 있다 (출처: 국제원자력기구). 또 해당 기관은 향후 20년에 걸쳐 SMR 기술 선점을 위해 글로벌 주요 국가들의 움직임이 활발해 질 것으로 예상하고 있다. 현재 18개 국가에서 약 300여종의 SMR 노형을 개발 중이며, 미국과 러시아가 각각 17개씩, 중국은 8개의 SMR 노형을 개발 중인 것으로 파악된다.

SMR 시장은 미국이 가장 앞서가는데, 미국에서는 뉴스케일파워(NuScale0, mPower, SMR-160 등의 노형을 보유하고 있다. 참고로 미국은 차세대 원자로 기술과 SMR 기술에 7년간 32억 달러를 투자하기로 결정했다. 주목할만한 업체는 NuScale인데, 기술의 진척도가 가장 앞서고, 2020년 NRC로부터 최초로 설계인증을 취득하기도 2029년 상업운전을 목표로 하고 있다. 두산중공업이 2019년에 NuScale에 4,400만 달러의 지분투자를 했으며, 약 13억 달러 규모의 SMR 주요 기자재를 공급할 예정이다.

미국과 경쟁관계에 있는 러시아도 세계 최초로 해상 부유식 SMR 상용화에 성공했으며, 2020년부터 전력 공급을 이미 시작했다. 2028년에는 육상 SMR을 구축하여 상용화를 하겠다는 계획도 가지고 있다.

중국도 제14차 5개년 계획에서 해상부유식 SMR을 중대 과제 중 하나로 채택, 국영기업인 CNSS를 중심으로 SMR 개발에 박차를 가하고 있다.

우리나라도 SMR에 대한 시장 준비를 하고 있다. 1997년 경수로형 일체형 소형원자로 SMART 개발에 착수한 이후 2012년 표준설계인가를 획득하였으나, 상용화까지 상당히 지연되었다. 그러나, 최근 혁신형 SMR(170MW급 iSMR) 개발에 향후 8년간 4,000억원을 투자하여 2028년 기술개발 완료, 2030년에는 상용화를 이루겠다는 구체적인 목표를 설정했다.

다만, NRC와 주요국에서 설계 인증을 받은 회사는 뉴스케일파워(NuScale)뿐이기 때문에 아직까지 시장의 규모의 개화 가능성에 대해서 논의하기에는 다소 이른감이 있다.

동영상[편집]

참고자료[편집]

같이 보기[편집]


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