탄소중립·녹색성장 이끄는 SMR 선도국가로 거듭나다

한국원자력연구원을 가다
전 세계 주요국들이 탄소중립 대안으로 소형모듈원자로(SMR) 시장 선점에 속도를 내고 있다. 유럽연합(EU)은 원전을 기후변화에 대응할 녹색분류체계로 구분했다. 러시아-우크라이나 전쟁으로 에너지 자원 확보가 더욱 중요해지며 SMR 주가는 한층 더 높아졌다. 미래 먹거리로 떠오르고 있는 SMR. 이 시장을 선도한 국가는 바로 대한민국이다. 우리나라는 세계 최초로 소형원자로를 개발, 표준설계인가(SDA)를 받은 바 있다. 그 주인공을 만나기 위해 대전을 찾았다.
대전 유성구 덕진동 북대전 나들목 인근에 자리 잡은 한국원자력연구원 본원. 산기슭 쪽으로 올라가니 ‘SMART-ITL 전용시험동’이란 이름이 붙은 건물이 나타난다. 이곳은 한국원자력연구원이 세계 최초로 개발한 소형원전인 스마트(SMART; System-integrated Modular Advanced ReacTor) 원자로의 성능과 안전성을 모의시험해온 연구 현장이다.


세계 최초 소형모듈원자로(SMR) 개발
SMART-ITL 전용시험동 1층 로비에는 스마트 원자로에 대한 개념을 돕기 위한 설명 공간이 마련돼 있다. 이태호 SMART 개발단장은 “스마트는 한국원자력연구원이 주도해 순수 우리나라 기술로 개발한 일체형·소형·다목적용 원전”이라며 “1997년부터 개발에 착수해 2012년 세계 최초로 표준설계인가를 획득했다”고 설명했다.
표준설계인가는 동일한 설계의 발전용 원자로를 반복적으로 건설하고자 할 때 인허가 기관이 원자로와 관계시설의 표준설계에 대해 종합적인 안전성을 심사해 인허가를 주는 제도를 말한다.
스마트 원자로가 세계에서 가장 먼저 중소형·일체형 원전 인허가를 받았다는 것은 우리나라가 SMR의 선도국으로서 출발했음을 보여준다.
SMR는 발전용량이 1000MW(메가와트) 안팎인 대형 원전에 비해 300MW 안팎으로 작고(스몰·Small) 공장에서 부품을 생산해 현장에서 조립(모듈러·Modular)해 건설하는 원전(리액터·Reactor)이다. 300MW는 최근 지어진 신한울 1·2호기(1400MW)의 4분의 1에 조금 못 미치지만 우리나라 최초의 원전인 고리 1호기(587MW)와 비교하면 절반이 넘는 규모다.


과연 안전한가?
스마트 원자로는 기존의 대형원전과 어떻게 다를까? 실제 크기의 20분의 1로 축소된 스마트 모형을 보여주며 이태호 단장은 “노심, 증기발생기, 가압기, 원자로 냉각재 펌프 등 주요 기기를 하나의 원자로압력용기 안에 담았다”고 단순화된 모듈 구조를 설명했다.
일체형 설계로 주요 기기들 간의 대형 연결 배관을 제거할 수 있어 대형원전에서 심각한 설계기준 가상사고로 고려돼왔던 대형 배관 파단사고를 근원적으로 차단했다는 것이다.
이 단장은 “안전성을 획기적으로 높였다”며 “전기가 필요하지 않은 피동형 안전계통을 갖춰 후쿠시마 원전사고와 같이 모든 전원이 상실되는 사고에도 원천적으로 대처할 수 있는 설계를 갖추고 있다”고 덧붙였다.
또 “핵분열로 발생한 방사성물질은 발전기로 가는 증기와 절대 혼합되지 않는다”며 방사성물질로부터 안전성도 거듭 강조했다.
시험동 1층 안쪽으로 들어서니 7층 규모 약 30m 높이의 장치가 나타났다. 스마트 원자로의 주요계통을 축소 모의하는 열수력 종합효과 시험장치인 SMART-ITL(SMART Integral Test Loop)이다.
이 설비는 스마트 원자로와 높이는 같지만 직경은 7분의 1로 축소한 일종의 ‘모형 원자로’다. 실제 스마트 원자로에서 일어나는 사건을 똑같이 구현하여 실험을 통해 안전성을 입증하고 있다. 우라늄 대신 전기를 이용해 스마트 원자로 내부에서 발생하는 실제 온도와 압력을 재현한다.
이 단장은 “지금은 정부사업과 사우디아라비아와 협업을 통해 안정성을 더욱 높인 설계로 변경한 스마트 원자로를 이 장비를 통해 실험하고 있다”며 “2023년에는 향상된 설계에 대한 표준설계인가가 나올 것으로 기대한다”고 말했다.
그렇다면 SMART-ITL은 어떻게 작동할까? 시험동 2층에 주제어실이 자리하고 있다. 이곳에서는 시험장치에서 수집한 정보를 모니터링하고 저장하며 스마트의 안정성을 분석한다.


진짜 탄소중립적인가?
이 단장은 “원자력은 거의 이산화탄소가 발생하지 않는 청정에너지원으로서 탄소중립 달성 정책에도 적극 부응할 수 있다”고 밝혔다.
화력발전은 탄소를 배출하고 수력발전과 풍력발전 같은 친환경 에너지는 중국의 가뭄과 유럽의 폭염에서 보았듯 기후의 영향을 받기 때문에 에너지 공급이 일정하지 않다. 따라서 지구온난화 문제 해결과 2050 탄소중립 실현을 위해서는 원자력에너지의 활용이 필수적인 상황이다. SMR가 신재생에너지의 불안정한 에너지 공급을 안정적으로 보완하는 친환경적인 에너지원으로 평가받고 있는 이유다.
세계 유수의 조사기관들은 기관마다 전망이 조금씩 다르지만 공통적으로 2030년대부터는 SMR 시장이 전 세계에서 급격하게 확대될 것으로 예측하고 있다.
캐나다 SMR위원회는 2030~2040년 세계 SMR 시장규모를 연간 80GW(기가와트), 1500억 캐나다 달러(약 145조 원)로 추산하고 있다. 영국 롤스로이스는 SMR 시장이 2035년까지 65~85GW 규모로 커나갈 것으로 전망했다. 블룸버그 뉴에너지파이낸스는 2027~2040년까지 SMR 시장이 총 1376GW 규모로 성장한다고 전망했다.
국제원자력기구(IAEA)에 따르면 2020년 기준 세계적으로 70여 개의 SMR 모델이 개발됐거나 개발 중에 있다. 미국, 영국, 프랑스는 민간과 군의 보유 기술을 활용해 SMR를 개발 중이며 러시아와 중국은 아예 국가 주도로 조기 실증·건설을 추진하고 있다.


얼마나 경제적인가?
“모듈 형태로 설계·제작되기 때문에 대형원전에 비해 건설 기간이 짧고 비용이 저렴하다.”
이 단장은 스마트 원자로는 주요 기기를 모듈 형태로 설계해 건설 현장에서 조립과 용접 과정을 최소화함으로써 건설 기간을 획기적으로 단축시킨 것도 장점으로 꼽았다. 건설공사 기간은 약 36개월로 대형원전(50개월 이상) 대비 3분의 2 정도다.
건설 지역의 여건에 따라 다르지만 스마트 원자로 1호기 건설 비용으로 약 1조 원(용지 매입 비용 제외)을 추산하고 있다. 그러나 지속적으로 건설하면 건설 비용은 6000억~7000억 원 수준으로 줄어 대형원전(3조~4조 원)의 5분의 1 선이 될 것으로 전망했다.
또 기존 대형원전은 전력 생산이 주목적이었지만 스마트 원자로는 전력 생산뿐만 아니라 바닷물을 민물로 바꾸는 해수담수화설비, 지역난방 등 다양한 분야에 활용된다는 장점도 있다.
해수담수화용으로 건설하면 스마트 원자로 1기로 인구 10만 명 규모 도시에 하루에 전기 9만kW와 물 4만 톤을 동시에 공급할 수 있다.
이 단장은 우리나라의 원자력 기술력을 최고로 자부했다. “우리나라는 경제성은 물론 원자로 설계, 건설, 운영에 관한 한 단연 세계 으뜸이다. 세계에서 대용량 상용 원자로, 소형원자로, 연구용 원자로 모두를 수출할 수 있는 우수한 경쟁력을 확보한 나라이기도 하다.”
미국보다 SMR 개발과 인증까지 8년 빨랐던 우리나라. 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR) 기술개발사업이 예비타당성조사를 통과해 2023년부터 2028년까지 총 3992억 원이 투입될 예정이다. 아랍에미리트(UAE) 바라카 원전 이후 13년 만에 이집트·엘바다 원전 건설사업을 수주했고 12월 14일에는 신한울 1호기 준공식이 열렸다. 2030년대 전후 열릴 것으로 예상되는 세계 SMR 시장에서 원자력은 어떻게 활용될까?

글 심은하 기자, 사진 곽윤섭 기자


SMR도 다 같은 SMR가 아니다
에너지경제연구원에 따르면 소형모듈원자로(SMR)는 크게 네 가지 형태로 분류된다. 사용하는 냉각재와 연료에 따라 경수로형, 고온가스형, 용융염냉각형, 소듐냉각형으로 분류하며 형태별로 특장점을 갖고 있다.
경수로형 SMR는 냉각재로 물을 사용하는 원자로다. 대형원전의 경수로 기술을 활용할 수 있다는 장점 덕에 인허가가 쉽게 떨어진다. 개발사로는 미국 뉴스케일파워와 영국 롤스로이스 등이 있다. 특히 뉴스케일파워는 미국 원자력규제위원회(NRC)로부터 2020년 표준설계인증을 얻어내 2029년 상용화가 예상된다.
우리나라에서도 두산에너빌리티, 삼성물산, GS에너지 등이 뉴스케일파워에 지분을 투자하며 사업 개발에 협력하고 있다. 현대건설도 경수로형 SMR 사업에 공을 들이고 있다. 미국 홀텍사와 협약해 사막이나 극지에서도 쓸 수 있는 160MW(메가와트)급 경수로형 소형모듈원자로(SMR-160)를 만들고 있다. 한국원자력연구원이 개발한 스마트 원자로는 경수로형 SMR다.
고온가스형 SMR는 헬륨을 냉각재로 사용한다. 비활성 기체인 헬륨을 냉각재로 사용하기 때문에 1000℃ 수준의 초고온에서도 화학반응이 없다. 이와 함께 기존 경수로 원전 원료 대비 우라늄 농축도가 높은 삼중피복(TRISO) 핵연료를 사용한다. 테니스공 크기 핵연료를 세라믹 등으로 3중 코팅해 외부 전원이 상실되거나 운전원 조치가 불가능한 극한 상황에서도 노심용융이 발생하지 않는다.
두산에너빌리티는 미국 엑스에너지가 개발 중인 고온가스형 SMR에서도 주기기 제작 설계를 맡았으며 주기기 제작에 참여를 추진 중이다. 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.
용융염냉각형 SMR는 핵연료가 냉각재에 녹아 있는 형태의 용융염을 연료로 활용하는 방식으로 액체연료 원자로라고 불린다. 용융염이 핵연료의 방사성물질을 구속하고 핵분열 생성물이 운전 중에 지속적으로 제거돼 원자로 정지 시 잔열도 고체핵연료 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. 덴마크 시보그는 2022년 4월 삼성중공업과 해상 원자력 발전 설비 개발을 위한 기술협력 양해각서(MOU)를 맺었다.
Na(나트륨)인 소듐을 냉각재로 활용하는 소듐냉각형 SMR 중에선 빌 게이츠가 투자한 미국 테라파워가 가장 잘 알려져 있다. SK그룹은 테라파워와 포괄적 사업 협력을 위한 양해각서를 맺었다.

(www.korea.kr)