[원자력] SMR, 중소형원자력발전으로 적용 확대

1. 더 안전하고, 유연하고, 경제적으로: Small Modular Reactor

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소형모듈원자로(SMR)는 300MW 이하 출력을 가진 일체화 모듈형 원자로이다. 주요기기의 모듈화를 통해 대형원전과는 다르게 1) 공장기반 대량생산, 2) 안전성 및 소형화로 다양한 목적과 지역에 적용이 가능하다. 글로벌 18개국에서 개발 중이며 향후 2035년까지 연 150조원 규모로 성장할 전망이다.

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1) SMR(Small Modualr Reactor)의 정의

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소형모듈원자로(SMR)는 원자로와 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등 주요 기기를 하나의 용기에 일체화시켜 공장 제작과 모듈운송으로 수요처에 설치할 수있는 형태다. 일반적으로 출력 300MWe 이하는 소형모듈원자로(SMR), 30MWe

이하는 초소형원자로(MMR, Micro Modular Reactor)로 분류한다.

 

 

2) 대형원전과의 구조적/기능적 차이점: 1) 안전성/확장성, 2) 대량양산 가능

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기존 대형원전과의 차이점은

1) 양산화 가능: 주요 설비 일체화를 통한 공장 대량생산,

2) 안전성 강화: 자연순환형 냉각시스템으로 도심 근교 등 설치 가능 지역 확장이 가능한 점이 있다.

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양산성: SMR은 생산 공장 내 주요 설비 및 부품을 70%까지 완성하며 건설기간이 짧다. SMR 플랜트 수주 증가 시 밸류체인 내 부품 생산자들이 규모의 경제를 이루며 부품단가 하락에 의한 발전단가 동반하락 또한 가능하다.

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안전성: 설계적 발전을 이루며 안전성이 높아져 설치 지역의 특성에 따라 전력그리드 설치 절감 또한 가능하다. 기존 대형원전은 담수 지역에만 설치가 가능했다. SMR은 자연적인 물리 현상을 이용하는 피동형 안전계통(지하 매립, 냉각 수조, 해양 부유 등)을 적용한다. 이에 방사성 물질 누출 가능성이 적으며 비상계획구역(EPZ)도 대형원전 16km 반경 대비 원전부지로 한정돼있는 이점을 갖는다.

 

 

3) SMR활용 관점 SWOT분석

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장점은 기존 각국 정부규모에서만 추진 가능했던 원전 개발 사업을 민간주도 및 신흥국에서도 적용 가능하도록 낮아진 비용과 안전성이다. 지속적인 원자력 기술개발도 산업 확장에 긍정적이다

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단점은 운영에 대한 실증, 경험이 부족하고 아직 안정적인 밸류체인 구축이 이뤄지지 않았다는 점이다. 탄소중립 정책

으로 대체 에너지원에 대한 수요는 기회 요인이다. 반면 여전히 폐기물과 상업화 의구심에 따른 도입 지연 가능성은 잠재 위협으로 작용할 수 있다

 

 

 

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2. SMR 시장과 역할

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1) 글로벌 SMR 시장 전망과 적용처

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영국 국립원자력연구소는 글로벌 SMR 시장 규모가 2035년까지 150조원에 달할 것으로 예상한다. SMR은

1) 석탄화력 발전 대체,

2) LNG발전의 변동발전 역할 대체,

3) 재생에너지 백업발전 역할,

4) 그린수소 생산,

5) 중공업 산업단지용 산업열 생산 등에 적용돼 빠른 성장을 이룰 것으로 판단한다.

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SMR은 분산전원, 산업 공정열 제공, 조선해양 분야 등 기존 대형원전에서 적용할 수 없었던 다양한 분야로 확장 가능하다. 고온의 노심을 갖는 SMR을 활용해 수소의 운송 없이 지역 사회 수소 공급, 산업단지 공정열 및 산업용 증기 공급이

기대된다. 부하 추종 응답이 빠르고 2~10년 이상 핵연료 재장전이 필요 없는 초소형 모듈원전은 선박 및 우주선 추진에도 활용될 수 있다. 해수 담수화로 수자원 공급과 열병합 발전을 통한 지역난방도 공급이 가능하다. 탄광과 같은 자원

개발 전력 공급원, 해양플랜트 설비에서 전력 및 공정열 공급원도 SMR의 잠재적 영역이다.

 

 

2) SMR, 신재생에너지와의 공존

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신재생에너지의 간헐성(intermittency)을 보완하는 데 SMR이 구심점이 될 것으로 판단한다. 태양광, 풍력에너지은 시간, 지역, 기상 조건에 따라 발전 변동폭이 크다. 이러한 간헐성을 보완하기 위한 에너지원이 필요하다.

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SMR이 주목받는 이유는 1) SOx, NOx 등 유해가스를 배출하지 않으면서, 2) 전력 환경에 따라 출력 조절이 용이하며, 3) 대형원전 대비 공기가 짧기 때문이다. 친환경에너지의 부족한 점을 가장 친환경적으로 보완하는 에너지원인 셈이다.

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3) 청정수소 생산

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SMR이 주목받는 또다른 요인은 고체산화물수전해(SOEC)와 연결해 안정적으로 청정수소를 생산할 수 있어서다. ‘수소경제의 화폐’인 청정수소를 생산하는 기술은 크게 알카라인, 고분자전해질(PEM), SOEC 수전해로 나뉜다. 상온에서 작동

하는 알카라인·PEM 수전해는 태양광, 풍력 등 재생에너지와 연결해야 한다. 들쭉날쭉한 전기 공급 때문에 시스템 안전성을 갖추기 어렵고 대형화도 곤란하다.

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반면 SOEC는 대형화가 가능하고 안정적으로 청정수소를 생산할 수 있다. 효율도 90% 이상으로 알카라인·PEM(80% 이하)보다 더 높다. 독일 선파이어가 기술을 선도하는 가운데 미국 블룸에너지, 일본 교세라와 미쓰비시파워가 개발에 속

도를 내고 있다.

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SOEC와 초고온가스로(VHTR)는 소위 ‘찰떡궁합’이다. SOEC 전해조에 섭씨 700~850도 증기를 넣고 전기를 가하면 수소가 나오는데, 이 증기와 전기를 동시에 공급할 수 있는 최적 설비가 VHTR이다. 국내에서는 관련 실증사업에 대한 예비타당성조사가 예정돼 있으며 한국원자력연구원과 현대엔지니어링이 SOEC와 VHTR을 결합한 플랜트를 캐나다에 건설할 예정이다. 비에이치아이 또한 고효율 수전해설비를 개발중이다.

 

 

 

4) SMR 구현을 위한 주요 기술력: 무붕산 노심설계, 안정성

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차세대 SMR의 핵심은 무붕산 노심 설계다. 원자력 발전소는 원자로 내부의 핵연료 연쇄반응을 통해 발생된 열에너지(열출력)를 터빈을 통해 전기에너지(전기출력)로 변환하는 원리로 작동한다

이때 제어봉(Control Element)은 중성자의 개수를 조절해 핵분열 연쇄반응이 급속도로 일어나는 것을 막거나 멈추는 역할을 한다. 이 제어봉을 조절하는 장치가 ‘제어봉구동장치’이다.

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무붕산 SMR의 경우에 각 제어봉의 반응도가 기존 상용원자로 대비 매우 크기 때문에 제어봉이탈사고의 영향이 치명적일 수 있다. 따라서 제어봉구동장치를 원자로의 압력경계 안에 설치해(In-Vessel) 사고 가능성을 완전히 배제하는 기술이 필요하다. 또한 단순화된 계통 설계, 노심제어 및 관리, 장수명 적합 재료 선정 등의 역량이 요구된다.

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무붕산 노심을 적용할 시 붕산 관련 설비를 생략해 소형화를 이룰 수 있고, 출력 증강, 부하 추종 면에 있어서도 이점을 가진다. 붕산희석사고의 여지가 없어 안전성도 제고된다. 국내 i-SMR의 핵심도 무붕산 설계이며 가압경수로 형태 최초로 상용화까지 노리고 있다. 무붕산 노심을 제어 및 위치를 계측하는 제어봉 관련 기술은 계측기 전문업체인 우진이 개발 중이다.

 

 

 

5) 잔존 리스크: 경제성, 핵폐기물

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아직 경제성에 대한 의구심은 잔존한다. 현재 상업 운전 중인 SMR은 없다. 2029년부터 초기 SMR 가동이 예상되며 본격적인 양산 시점은 2030년대다. 기당 출력이 작아 규모의 경제에 의해 발전 원가가 비싸질 수 있다. 단 대량생산

시, 설치 비용 절감에 따른 발전 원가 하락이 가능할 것으로 판단한다. NuScale 이 제시한 목표 LCOE(균등화 발전비용)는 64달러/kWh다

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스탠퍼드대와 브리티시컬럼비아대 연구진은 SMR이 크기가 작아 기존 상용 원자로보다 핵분열 반응 과정에서 더많은 중성자가 튀어나와 방사성 폐기물 또한 증가한다고 밝혔다. SMR에서 발생하는 방사성 폐기물의 양이 기존 상용 원전에 비해 최소 2배에서 최대 30배 많을 수 있다 주장한다.

특히 폐기 전 화학 처리로 높은 비용이 소요되는 중성자 노출 강철 폐기물은 최소 9배 더 많이 생성될 수 있다는 연구도 있다. 이에 핵폐기물 처리를 위한 연구개발도 활발하다. 국내에서는 비에이치아이가 사용후핵연료처리 및 보관기술을 보유하고 있다.

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곧 NuScale의 2029년 준공 목표인 아이다호 프로젝트를 위해 두산에너빌리티가 주기기 제작에 돌입하는 만큼, 리스크에 대한 진실과 해법이 명확해질 전망이다.

 

 

6) 주요 기업별 SMR 투자 로드맵

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SMR은 내륙지역, 도서, 산간지역 등 소규모 Grid에도 사용된다. 동시에 모듈 수를 조절하여 대규모 발전도 가능하다. 또한 SMR은 사고 시 외부원전 및 별도 조작 없이 안전성을 유지하는 기능을 가지고 있으며, 일체형 구조 덕에 원자로 냉각재 배관 파손으로 인한 방사능 유출 가능성이 없다.

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전세계는 다양한 유형의 SMR을 개발하고 있으며 이러한 SMR은 2030년대에 상용화되어 발전시장을 주도할 것으로 보인다. 현재 미국(18개), 러시아(17개),중국(8개), 일본(7개), 캐나다(4개), 영국(2개), 프랑스(1개) 등 많은 국가에서 약

70여개의 노형을 개발 중이다. SMR의 유형별로는 가압경수로형이 가장 많은 23개이고, 초고온가스로 14개, 고속중성자로 11개, 용융염로 10개가 개발 중이다.

국내에서도 2028년까지 3,992억원이 투입 예정인 i-SMR 사업 등 차세대 SMR노형 개발을 추진 중이다.

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개발되는 SMR 중 가장 상업화 가시성이 높은 NuScale SMR은 경수로 기술을 기반으로 한다. 이때 원자로, 증기발생기, 가압기와 같은 주기기를 하나의 모듈(module)에 집약시킨다. 동시에 대형원전의 거대 콘크리트 돔인 격납 건물까지

모듈에 일체화한다. 이러한 모듈 수를 조절해 출력 조정이 가능하며, 1개 당 77MWe, 최대 12 모듈까지 설치 가능하다.

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두산중공업은 NuScale이 설계한 SMR의 제조 및 개발에 참여하기 유리하도록 2019년도에 44백만달러(약 520억원) 규모로 지분투자를 단행했다. 2021년에는 6천만달러(약 712억원)를 추가 투자했다. 이에 2022년 UAMPS 초도호기용 원자로 모듈의 주단소재 제작에 참여한다. 2023년에는 주요 기자재 제조에 착수할 예정이다.

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X-energy의 Xe-100 원자로는 4세대 고온가스 모델이다. 냉각재로 물이 아닌 헬륨을 사용하기 때문에 섭씨 750도의 고온에서도 운전이 가능하다.

영국의 Rolls-Royce는 3-Loop형 가압경수로 SMR을 제작 중이다. 전기출력은 470MWe이며 설계수명은 60년이다.

캐나다의 USNC(Ultra Safe Nuclear Corporation)는 2011년 설립돼 2015년부터 초소형 원자로 개발을 진행 중이다. 냉각재로는 헬륨, 감속재로는 흑연이 사용되며 예상 건설기간은 36개월로 2026년 상업운전을 목표로 하고 있다