[신년 기획] 소형모듈원자로, 저탄소 에너지원
[신년 기획] 소형모듈원자로, 저탄소 에너지원
  • 김병욱 기자
  • 승인 2022.01.01 06:00
  • 댓글 2
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SMR, 원자력 시장 주도 전망
2035년 전세계 65~85GW SMR 시장 전망
인허가·규제강화·탄소중립 경쟁력 높아져
낮은 건설비·기존 전력망 활용 가능
한수원, 2028년까지 표준설계인가 확보
 

[투데이에너지 김병욱 기자] 10년 후 세계 원자력 시장을 SMR(소형모듈원자로)이 주도할 것으로 전망되는 가운데 우리나라 ‘혁신형 SMR’의 전략적 추진을 위해 국회·정부·산업계·학계·연구계가 한자리에 모였다. 국회 과학기술방송통신위원회 이원욱 의원과 김영식 의원을 공동위원장으로 하는 ‘혁신형SMR 국회포럼’이 지난해 4월 14일 여의도 글래드호텔에서 출범식을 가졌다. 

영국 국립원자력연구소에서 오는 2035년까지 65~85GWe(1GWe는 원전 1기 설비용량)의 SMR이 건설될 것으로 전망하고 있다. 또한 저렴한 건설비로 투자리스크도 적어 원자력 발전 분야의 세계적 트렌드가 될 것이라는 예상이다. SMR은 원자로와 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등 주요기기를 하나의 용기에 일체화시킨 원자로다. 공장제작, 현장조립이 가능하며 소형이라는 특성을 이용해 신재생에너지와 연계한 분산형 전원 구축에 적합하다. 

특히 수소생산, 해수담수화 등 전력생산 이외의 산업에도 다양하게 접목할 수 있다. 이미 미국, 러시아, 중국 등에서 70여 종의 SMR을 개발 중인 가운데 우리나라도 지난 2020년 12월28일 개최한 국무총리 주재 제9차 원자력진흥위원회에서 혁신형 SMR 개발을 공식화한 바 있다. 

시장선도 경쟁력을 갖춘 새로운 SMR 노형 개발이 원전 산업계 활성화와 기술력 유지를 위한 신성장동력이 될 것으로 기대된다. 이에 대한전기협회가 발간한 전기연감을 통해 원자력 핵심기술개발과 소형모듈원자 개념, SMR 개발 현황 등에 대해 살펴봤다. /편집자 주

이계석 한국연구재단 거대사업실 원자력팀장이 대한전기협회의 ‘2021 전기연감 Ⅱ’에 개재한 ‘원자력발전’ 내용에 따르면 정부 주도의 원자력분야 연구개발은 산업통상자원부가 주관해 실용·응용연구에 중점을 두고 추진하는 ‘원자력핵심기술개발사업’. 과학기술정보통신부가 주간해 기초·기반연구에 중점을 두고 추진하는 ‘원자력연구개발사업’, 원자력안전위원회가 주관해 원자력 안전규제 현안 해결에 중점을 두고 추진하는 ‘원자력안전연구개발사업’이 있다.

과기정통부가 주관하는 원자력연구개발사업은 지난 1992년 원자력연구개발 중장기계획(2001년까지) 수립과 함께 정부출연금, 방사성폐기물관리기금 등을 재원으로 착수했다. 

이후 1995년 원자력법(현 원자력진흥법)에 사업추진 근거를 마련하고 원자력연구개발에 소요되는 재원의 안정적인 확보를 위해 기존 방사성폐기물관리기금을 폐지하고 1997년 원자력연구개발기금을 설치했다.

더불어 1997년 6월 국가 원자력정책을 보다 체계적이고 일관성있게 추진하기 위해 원자력법에 근거해 매 5년마다 수립해 추진하는 ‘제1차 원자력진흥종합계획’을 수립해 국가 원자력정책의 목표와 방향을 설정하고 이를 효율적으로 달성하기 위해 원자력연구개발 5개년계획 등 부문별 추진계획 등을 제시해 체계적인 사업추진을 시작했다.

2020년부터 원자력연구개발분야는 4개 사업을 신설해 추진하고 있다. 미래 선진원자로 핵심요소기술개발사업은 미래 다양한 에너지원으로 활용될 수 있는 안전성, 경제성이 향상된 제4세대원자로 기반의 비경수로형 선진원자로용 다목적 열원응용 핵심기술 및 초고온시스템 핵심기술개발을 지원한다. 

연구로시스템 수출지원기술개발 및 고도화사업은 연구로시스템의 수출경쟁력 강화에 필요한 미확보 요소기술 개발 및 핵심기술 고도화를 추진하고 미래원자력기술 시설장비구축활용사업은 원자력 연구시설과 첨단교육·연구장비의 구축·첨단화 지원 및 공동활용을 통해 미래원자력기술분야의 연구인력 양성 및 연구개발 역량 강화 등을 목적으로 하는 과제를 선정·지원했다.

원자력연구개발사업은 제5차 원자력연구개발 5개년계획 및 미래원자력기술 발전전략에 근거해 원자력 안전·해체 등 국민의 안전 및 생명 중심의 연구개발을 지속적으로 지원하고 타 분야와 융복합·활용으로 미래원자력기술 역량 강화와 미래원자력 기초연구, 인력양성, 시설장비 구축·활용 등 원자력 연구개발 혁신 역량 제고 및 전문인력 확보를 위한 기반을 확실히 조성하고 기술혁신은 물론 기 확보한 강점기술의 수출역량을 강화할 수 있도록 사업을 추진할 계획이다.

소형모듈원자로(SMR).

IAEA 기준에서 소형모듈원자로는 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등 주요기기를 하나의 용기에 일체화한 소형 원자로로 전기출력이 300MWe 이하인 원자로를 말한다. 

이해훈 한국수력원자력 신사업본부 기술혁신처 연구전략부장이 대한전기협회의 ‘2021 전기연감 Ⅱ’에 개재한 내용에 따르면 소형모듈원자로는 모듈형태로 제작해 이송 및 건설이 가능해 건설기간 단축과 건설비용 절감을 실현할 수 있다. 특히 소형이라는 특성을 이용해 다양한 지역 및 목적에 따라 활용이 가능하다.

대표적인 예로 기존 석탄 화력발전 대체 및 수요지 인근 분산형 전력 제공, 오지·광산지역의 주요 전력원인 디젤을 대체, 양질의 증기를 공급하면서 중공업분야에서 사용되는 화석연료를 대체, 탄소를 거의 배출하지 않으면서 수소와 담수를 대량으로 생산하는 등과 같은 다양한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

소형모듈원자로를 중심으로 재편되는 세계 원전시장에서 우위를 점하기 위한 주요국들의 개발 경쟁이 심화되고 있으며 비교적 낮은 건설비와 다양한 활용성, 기존 전력망 활용 등이 가능해 수요 확산이 기대된다.

영국 원자력연구소는 2016년 발간된 보고서를 통해 2035년까지 전세계에서 65~85GW 규모의 소형모듈원자로 시장이 형성될 것으로 전망했다. 우선 2°C 시나리오 기준으로 2040년에는 전세계적으로 석탄화력발전이 1,150GW, 천연가스발전이 2,297GW가 배치될 것으로 예상되며 석탄화력발전의 15%와 천연가스발전의 5%를 소형모듈원자로로 대체할 경우 연간 1,000억캐나다달러 규모의 시장이 형성될 것으로 전망했다.

또한 전세계적으로 7만개 이상의 오지에서는 디젤로 전력을 생산하고 있는데 이 중 24%를 소형모듈원자로로 대체할 경우 연간 300억캐나다달러 모의 시장이 형성될 것으로 전망했다.

특히 2040년 기준 화석연료발전소 348GW를 운영해 중공업과 오일샌드에서 사용되는 증기와 전력을 생산할 것으로 보여 이 중 5%를 소형모듈원자로로 대체하면 연간 120억캐나다달러 규모의 시장이 만들어질 것으로 분석했다.

영국 원자력연구소는 매년 15개의 새로운 광산이 만들어지고 있으며 이곳에 공급되는 열과 전력은 대부분 디젤에 의존하고 있는데 2030년부터 디젤의 61%를 소형모듈원자로로 대체할 경우 연간 35억캐나다달러 규모의 시장이 형성될 것으로 전망했다.

전세계적으로 현재 70종 이상의 소형모듈원자로가 개발 중이다. 미국(17기)과 러시아(17기), 중국(8기)이 개발을 주도하고 있으며 우리나라도 참여하고 있다. 원자로 종류별로 보면 가압경수로 등 물을 냉각재로 사용하는 원자로가 31기로 가장 많이 개발되고 있으며 제4세대 원자로인 초고온가스로는 14기, 고속중성자로는 11기, 용융염로는 10기가 개발 중이다.

미국의 NuScale은 2029년 건설을 목표로 표준설계인가를 진행 중이다. 홀텍 인터내셔널은 2026년 운영을 목표로 SMR-160을 개발 중이며 상용화 촉진을 위해 2018년부터 GE-히타치 뉴클리어 에너지와 협력 중이다.

러시아는 KLT-40S 원자로 2기를 선박에 장착한 세계 첫 부유식 해상원전인 아카데믹 로노소프호를 2018년 5월에 진수해 2019년부터 운영 중이다. 이와 더불어 쇄빙선, 부유식 및 지상형 원전 등에 활용될 수 있는 다목적 일체형 원자로인 RTTM-200은 개발이 진행되면서 해수담수화를 비롯한 각종 산업적 목적에 사용될 수 있도록 설계변경을 하고 있다.

중국은 한국의 일체로 원자로인 ACP-100을 2019년 말에 건설을 착수해 2025년부터 운전할 예정이다.

우리나라는 소규모 전력생산과 해수담수화 시장 진출을 목적으로 소형일체형원자로인 SMART 
원자로를 개발했으며 2012년 세계 최초로 표준설계인가를 획득했다. 이와 더불어 2030년대 이후 세계 소형모듈원전 시장에 능동적으로 대처하고 미래 신시장을 선점하기 위해 산·학·연 공동으로 혁신형 소형모듈원전 개발을 추진 중이다.

혁신형 SMR 개발 현황.

한국수력원자력에서는 사전조사의 성격으로 2020년 초부터 혁신형 소형모듈원자로 개념개발 및 경쟁력 향상방안 연구과제를 시행하게 됐다. 이번 과제를 통해 국내 산·학·연에서 산발적으로 기술개발 중인 다양한 SMR 노형에 대한 평가와 장기적으로 추구해야할 경쟁력 있는 SMR의 개념과 개발 방향, 연구역량 결집을 위한 협의체 구성을 추진했다.

우선 2020년 4월 산·학·연 전문가로 구성된 혁신형 SMR 추진위원회를 출범시켜 개발 방향 및 추진체계에 대한 논의가 시작됐으며 최상위 요건안 및 개념안 개발에 착수했다.

이러한 산·학·연 노력을 통해 혁신형 소형모듈원자로 개발을 위한 국내 기술개발 협력체계가 구축돼 하나의 팀, 팀코리아에 의한 단일화된 소형모듈원자로 노형을 개발하기로 합의했으며 가압경수로형 육상용 다목적 원자로인 혁신형 소형모듈원자로 개념안을 도출했다.
 
또한 여러 기관의 설계 개념과 아이디어를 종합하고 추진전략을 마련했으며 기존 SMR 노형 개념을 조화해 2021년부터 본격적으로 한국형 소형모듈원자로 개발을 추진하기 위한 실천계획 역시 수립했다.

이러한 한국형 혁신 소형모듈원자로는 2030년대 해외수출시장에서 경쟁력 학보를 위해 안전성, 경제성 및 혁신성을 극대화시키는 것을 목표로 하고 있다. 체르노빌 원전 사고나 후쿠시마 제1원전 사고 이후 원전의 안전성에 대한 시장의 요구는 더욱 더 증대되고 있으며 대중의 기대 수준도 높아지고 있다. 

소형원전은 대형원전대비 고유 안전성이 높고 피동안전계통 등 신뢰성 높은 혁신계통 등을 적용하기 유리하며 SMART 원전도 이러한 특성들은 모두 가지고 있다. 하지만 혁신형은 이 수준에서 만족하지 않고 시장과 대중이 만족할 수 있는 최상의 소형모듈원자로를 실현하기 위해 내진성능 향상 및 테러를 포함한 외보재해 대처능력을 향상시키고 복잡한 안전계통을 단순화해 기기고장요소를 제거하며 사고 시 안전등급 AC/DC 전력, 운전원의 조작이나 외부지원이 필요없도록 설계했다. 

이를 통해 노심용융사고 확률을 무시가능한 수준으로 저감하고 만약 사고가 발생한다고 하더라도 주민의 대피가 필요없는 수준으로 사고를 완화할 수 있도록 개발계획을 수립했다.

규모의 경제 이론에 의하면 소형원자로는 대형원자로보다 높은 경제성을 확보하기 어렵다. 

그러나 최근 인허가 및 규제강화 경향에 따라 중대형 원전의 건설비 및 사업리스크가 증가하고 소형원자로의 경제성 향상을 위한 혁신기술들이 개발됨에 따라 대형-소형원자로의 경제성 격차는 점점 줄어들었으며 소형원자로가 경쟁력을 확보할 수 있는 방안들이 점점가시화 되고 있다.

혁신형 소형모듈원자로는 중소형 발전시장에서 원자력, 화력 등을 포함한 동일용량의 타전원대비 높은 경제성(발전단가)을 확보하는 것을 개발목표로 설정했다. 이런 경제성은 모듈화 및 소형화를 통해 공장 제작 및 육로수송에 최적화된 설계를 적용함으로써 현장작업과 건설공기를 최소화하며 복수모듈 배치, 대형건물 및 기기공유, 통합주제어실을 적용해 운영인력 및 비용을 절감함으로써 달성이 가능할 전망이다.

안전성·경제성

혁신형 소형모듈원자로의 혁신은 안전성 및 경제성과 더불어 국제적인 온실가스 저감을 위한 방안과 연계해 탄소제로를 실현하는데 주안을 두고 있다. 

세계 많은 국가가 2050 탄소중립 달성을 위해 신재생에너지 확대, 화력발전비율 축소, 전기자동차 보급 등과 같은 장기 추진전략을 수립해 이행 중이다. 다만 신재생 확대와 화력발전 축소에 동반되는 신재생에너지의 간헐성 문제는 해결해야만 하는 과제이며 탄소중립을 가장 적극적으로 추진하고 있는 프랑스, 영국 등 유럽을 중심으로 하는 여러 국가들은 그 대안으로 소형모듈원자로를 검토하고 있다. 

소형모듈원자로는 저탄소 에너지원이면서도 노후 화력발전을 대체하고 기존 전력망을 그대로 사용하기에 적절한 출력범위를 갖고 있다. 특히 부하변동에 따른 탄력운전 능력도 뛰어나기 때문에 신재생과 연계한 전력 생산망 구축에 유리하다.

소형모듈원자로는 이전 대형원전과는 달리 1차계통 냉각재에 붕소를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. 

냉각재에 붕소를 사용하게 되면 원자로심의 출력을 제어하는데는 유리하나 설계나 운전이 복잡해지고 폐기물이 발생되는 문제점이 있다. 

붕소를 사용하지 않음으로써 화학 및 체적제어계통을 단순화하고 붕소 폐기물 발생량을 저감할 수 있다. 특히 장기 냉각 시 붕소 석출 및 재임계 등과 같은 문제를 해소할 수 있어 사고 시에도 별도 전력이나 외부 충수, 운전원 조작없이 지속적으로 안전상태를 유지하는데 필수적인 기술이다. 

증기발생기는 내장형 제어봉구동장치의 바깥쪽을 감싸고 있는 노심통과 원자로용기 내부의 환형공간에 설치되며 증기발생기 전열관이 노심통을 감싸며 돌아 올라가는 나선형 증기발생기 형태다. 

1차계통 냉각수는 증기발생기 전열관 외부를 위쪽에서 아래쪽으로, 2차측 급수는 경사진 전열관 내부에서 아래에서 상부방향으로 흐른다. 이 환경 증기발생기는 기존 원통형 증기발생기에 비해 공간 활용성이 높고 더 높은 출력에서도 원자로용기를 더욱더 소형화할 수 있는 기술이다.

기존 대형원전은 원자로용기 외부로 방출된 냉각수를 다시 보충하기 위해 다양한 종류의 펌프나 고압탱크를 사용해야 했고 원하는 수준의 신뢰성을 확보하기 위해 고압·중압·저압용 냉각수 보충설비를 4계열까지 적용했다. 최소 12개 이상의 계통에 사용된 밸브, 탱크, 열교환기 및 펌프는 이보다 훨씬 복잡하다.

혁신형 소형모듈원자로는 최적화된 원자로용기와 격납용기, 방출밸브, 순환밸브 설계를 통해 비상냉각수 주입을 위한 탱크나 펌프같은 복잡한 계통없이 사고시 노심냉각 유지가 가능하다.

원자로건물은 대형항공기 충돌, 테러, 지진, 해일 등의 외부재해에 대처하기 위한 콘트리트 건물이다. 원자로건물 내부에는 거대한 냉각수조가 설치되며 이 수조 내에는 다수의 원자로모듈이 설치된다. 이 수조 내에는 사용후핵연료저장조도 설치된다. 

냉각수조는 원자로를 장기냉각하기에 충분한 냉각수를 보유하고 있으며 사고후 30일이후에는 공기에 의한 냉각을 통해 지속적인 노심 냉각이 가능하도록 설계된다. 여러 모듈이 원자로건물, 냉각수조, 대형크레인 및 작업기, 주제어실을 공유함으로써 건설물량을 대폭적으로 감소하고 운영인력 및 비용도 저감할 수 있다. 

반대로 하나의 원자로건물이나 냉각수조 내에 여러개의 모듈이 설치되면 다수호기 사고 확률 및 사고 영향이 증가할 수 있어 이를 방지하기 위해 각 모듈간은 물리적 격리를 위한 격벽이 설치되며 재장전 작업시에도 모듈을 이동하지 않고 운전 위치에서 작업을 수행할 수 있는 공간과 기기를 제공한다.

현재까진 170MWe급 모듈 4기를 설치하는 680MWe급 플랜트를 주개념으로 설정했으나 시장의 요구에 따라선 모듈의 개수를 조절해 출력을 가변할 수 있다.

 

한수원 개발 계획·두산重 참여

한국수력원자력은 혁신형 소형모듈원자로 개념 개발 및 개발계획 수립을 완료했으며 2028년 이후 상용화를 목표로 2021년 1월 기본설계에 착수했다. 향후 5년 동안 기본설계 및 표주설계를 수행하고 인허가를 준비하며 이후 2028년까지 표준설계인가를 확보할 계획이다.
 
이를 위해 산·학·연 각 분야의 기관 및 전문가가 참여해 개발을 진행하고 있으며 정부의 관심과 지원을 위해 개발 타당성에 대한 홍보와 정부 예비 타당성 조사 신청을 준비함과 동시에 해외 연구기관 및 잠재적 수출 대상국과의 협력도 도모하고 있다.

한편 두산중공업이 소형모듈원전(이하 SMR) 공급 물량을 추가로 확보하면서 SMR 기자재 제작사업 확대를 위한 기반을 마련했다.

두산중공업은 지난 2019년 국내 투자사들과 함께 뉴스케일파워에 4,400만달러의 지분 투자를 한 데 이어 이번에 국내 투자사들과 추가로 6,000만달러를 투자하기로 했다.

두산중공업은 기존에 확보해둔 공급 물량과 이번 투자를 통해 확보하게 된 물량 등 기자재 공급 물량을 수 조원 규모로 확대하게 됐다. 또한 SMR을 활용한 수소 및 담수 생산분야까지 양사의 협력을 넓혀가기로 했다.

두산중공업과 뉴스케일파워가 협력하는 첫 프로젝트는 미국 발전사업자 UAMPS(Utah Associated Municipal Power Systems)가 아이다호주에 추진 중인 프로젝트가 될 전망이다.

이 프로젝트는 미국 에너지부(DOE)가 지난해 10월 14억달러(약 1조6,000억원) 규모의 지원 계획을 발표한 데 이어 UAMPS가 지난해 말 뉴스케일파워의 모회사인 플루오르와 EPC 준비 계약을 체결하는 등 순조롭게 진행되고 있다. UAMPS는 오는 2023년 미국 원자력규제위원회(NRC)에 SMR 건설·운영허가를 신청해 2025년까지 허가를 취득, 2029년 상업 운전하는 것을 목표로 프로젝트를 진행하고 있다.

또한 두산중공업은 지난 2019년 뉴스케일파워로부터 원자로 모듈에 대한 제작성 검토 용역을 수주해 올해 1월 완료, 현재 시제품을 제작중이다. 2022년부터 UAMPS사업 원자로 모듈용 대형 주단소재 제작에 착수할 예정이다. 

두산중공업은 SMR 시대 준비에 만전을 기하기 위해 최신 SMR 제작 기술개발에 박차를 가하고 있으며 향후 전세계 SMR 수요에 부합할 수 있도록 사업을 확대할 계획이다.

특히 SMR사업을 적극 추진 중인 두산중공업이 고온가스로 SMR 설계에 참여하며 SMR 사업 다각화에 나섰다.

두산중공업은 고온가스로 SMR을 개발 중인 미국 엑스-에너지(X-energy)와 주기기 제작을 위한 설계 용역 계약을 체결했다.

이번 계약으로 두산중공업은 엑스-에너지 SMR 주기기의 제작 방안 연구, 시제품 제작, 설계 최적화 방안 연구 등을 수행하며 SMR 설계를 지원한다. 


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ass 2022-01-02 15:09:03
고장나면 수리불가.
그냥 폐기도 못함. 백년 이상 관리해야 함.
전기발전도 못 하고 관리비는 똑 같이 들고.
핵잠수함 외에는 장점이 없음

김한수 2022-01-01 20:17:51
네네 아직 멀었죠

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