소형모듈원전

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 항공 모함, 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.

SMR '소형' 개념

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.

전세계 SMR 개발 상황

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.

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

• SMART 100 MWe PWR KAERI, 대한민국
• MRX 100 MWe PWR JAERI, 일본
• SVBR-100 100 MWe LMR 로사톰/En+, 러시아
• FUJI 100 MWe MSR ITHMSO, 미국 일본 러시아
• KLT-40S - 35 MWe PWR OKBM, 러시아
• VK-300 - 300 MWe PWR Atomenergoprom, 러시아
• CAREM - 27 MWe PWR CNEA & INVAP, 아르헨티나
• NHR-200 - 200 MWt PWR INET, 중국
• IRIS 100-335 MWe PWR 웨스팅하우스가 주도. 국제협력
• mPower 125 MWe PWR Babcock & Wilcox, 미국
• NuScale 45 MWe PWR NuScale Power, 미국
• HTR-PM 2x250 MWt HTR INET & Huaneng, 중국
• PBMR 200 MWt HTR Eskom, 남아프리카 공화국
• GT-MHR 285 MWe HTR General Atomics 미국, 로사톰 러시아
• BREST 300 MWe LMR RDIPE, 러시아

= 참고자료

같이 보기

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