[투데이에너지 안후중 기자]
지구촌이 기후 변화와 에너지 안보라는 이중고에 직면하면서, 차세대 원자력 기술인 소형모듈원자로(SMR)가 에너지 전환 시대의 핵심 열쇠로 급부상하고 있다. 기존 대형 원전의 한계를 극복할 대안으로 주목받으며, 각국 정부의 전폭적인 지원 아래 기술 개발 경쟁이 뜨겁게 달아 오르고 있다. 하지만 SMR이 미래 에너지 시장의 판도를 바꿀 '게임체인저'가 되기까지는 경제성, 안전성, 규제, 사회적 수용성 등 넘어야 할 과제가 산적해 있으며, 기술 방식별로 상용화 가능 시점과 잠재력도 달라 면밀한 분석과 전략적 접근이 요구된다. /편집자 주
탈탄소·에너지 안보 시대, SMR 왜 주목받나
전 세계적인 탈탄소화 노력과 안정적인 에너지 공급망 확보에 대한 요구가 높아지면서 원자력 에너지의 역할이 재조명받고 있다.
특히, 2023년 제28차 유엔기후변화협약 당사국총회(COP28)에서는 20개국 이상이 2050년까지 전 세계 원자력 발전 용량을 2020년 대비 3배로 확대하기로 합의하며 원자력의 중요성을 강조했다. 이러한 국제적 공감대 속에서 SMR은 기존 대형 원자로 대비 다양한 장점을 앞세워 주목받고 있다.
SMR의 가장 큰 매력은 낮은 초기 자본 투자 부담이다. 대형 원전 건설에 필요한 막대한 비용과 달리, 상대적으로 적은 비용으로 시작할 수 있어 재정적 장벽을 낮춘다.
또한, 원자로 모듈을 공장에서 사전 제작해 현장에서 조립하는 모듈식 건설 방식은 건설 기간을 획기적으로 단축하고 관련 비용을 절감할 수있다. 이는 프로젝트 완료 시점을 앞당겨 투자금회수 기간을 단축하는 효과로 이어진다. 설치 부지 유연성과 확장성도 SMR의 강점이다. 작은 크기 덕분에 인구 밀집 지역 인근이나 송전망 연계가 어려운 외딴 지역, 부지 확보가 어려운 산업단지 등 다양한 곳에 설치할 수 있다. 필요에 따라 모듈을 추가하여 발전 용량을 점진적으로 늘릴수 있어 변화하는 에너지 수요에 유연하게 대응할 수 있다.
안전성 측면에서도 진일보했다는 평가를 받는다. 많은 SMR 설계는 외부 전원 공급 없이도 자연 순환이나 중력 등을 이용해 원자로를 안전하게 냉각시키는 피동형 안전계통을 채택하여 사고 발생 가능성을 낮췄다. 방사성 물질의 총량이 대형 원전보다 적어 사고 발생 시 잠재적 피해 규모를 줄일 수 있다는 점도 장점으로 꼽힌다.
나아가 SMR은 활용 분야가 다양하다. 전력 생산 외에도 산업 공정에 필요한 고온 증기 공급, 해수 담수화, 수소 생산, 지역난방 등 다양한 목적에 활용될 수 있어 에너지 시스템 전반의 탈탄소화에 기여할 잠재력을 지닌다. 또한, 간헐성이큰 재생에너지(태양광, 풍력)를 보완하여 안정적인 기저 전력을 공급하고 전력망 안정화에 기여할 수 있다. 이는 화석연료 의존도를 낮추고 에너지 자립도를 높여 에너지 안보 강화에도 도움을 줄 수 있다.
이러한 잠재력에 주목한 각국 정부는 SMR 개발 및 배치를 위한 지원을 아끼지 않고 있다. 미국 에너지부는 SMR 분야에 12억 달러 이상을 투자했으며, 향후 10년간 55억 달러의 추가 자금을 약속했다. 유럽연합 집행위원회는 2030년대 초유럽 내 SMR 개발 촉진을 목표로 '유럽 산업 연합'을 출범시켰다. 캐나다 정부 역시 SMR 프로젝트 개발에 강력한 지원을 제공하고 있다.
기술별 특성과 현실화 가능성
현재 전 세계적으로 68개 이상의 다양한 SMR설계가 개발 경쟁을 벌이고 있으며, 기술 방식과 성숙도, 특징이 제각각이다. 특정 기술이 시장을 독점하기보다는 용도와 환경에 따라 다양한 SMR 포트폴리오가 구축될 가능성이 높다.
가장 현실화에 근접한 기술은 육상 기반 수냉식 SMR이다. 이는 현재 가동 중인 대형 원전의 주류인 경수로(LWR) 및 중수로(HWR) 기술을 기반으로 해 기술적 성숙도가 월등히 높기 때문이다. 통상 5% 미만의 저농축 우라늄 연료를 사용하며, 18~24개월 주기로 연료의 절반가량을 교체하고, 평균 연소도는 45 GWd/tHM을 초과하는 등 기존 원전 운영 경험을 상당 부분 활용할 수 있다. 일체형 가압경수로(PWR), 소형 PWR, 루프형 PWR, 비등수형 원자로(BWR) 등 다양한 세부 설계가 존재한다. 이러한 기술적 친숙성은 기존 원전 산업의 공급망과 규제 체계를 활용하는 데 유리하게 작용하여 단기 상용화 가능성을 높인다. 피동형 안전계통 등 향상된 안전 기능을 통합하여 안전성 역시 기존 원전과 비슷하거나 더 나을 것으로 예상된다.
미국 뉴스케일 파워(NuScale)의 설계가 최초로 미국 NRC의 표준설계 인증을 획득한 것이 대표적 사례이며, 영국 롤스로이스 SMR, 프랑스 NUWARD 등 다수의 LWR 기반 SMR이 개발 중이다. 한국의 SMART 역시 이 유형에 속한다. 하지만 대형 원전의 규모의 경제 효과를 따라잡기 어려워 발전 단가를 낮추는 것이 상용화의 핵심과제로 남아있다.
수냉식 기술을 해상에 적용한 해상 기반 SMR은 또 다른 가능성을 제시한다. 바지선 등에 원자로를 실어 이동 및 설치하는 부유식 발전소 형태로, 육상 건설이 어려운 외딴 섬이나 해안 산업단지에 전력 및 열을 공급하는 데 특화된 장점을가진다. 러시아가 KLT-40S 원자로 2기를 탑재한 '아카데믹 로모노소프'를 2020년부터 극동 페베크 지역에서 세계 최초로 상업 운전하고 있는것이 유일한 실증 사례다.
해상 SMR은 외딴 지역에서의 장기간 운전을 보장하기 위해 육상 SMR보다 높은 약 20% 농축도의 우라늄 연료를 사용하며, 연료 교체 주기도 최대 10년(120개월)으로 매우 길다는 특징이 있다. 기술 성숙도는 중간 단계로 평가되며, 이동성과 자족성은 장점이지만 해상 환경에서의 안전성 확보, 해양 생태계 영향, 핵 안보 문제 등 추가적인 고려 사항이 따른다.
산업 분야 활용 잠재력이 큰 고온가스냉각로(HTGR)는 중장기적으로 주목받는 기술이다. 헬륨 등 가스를 냉각재로 사용하여 750°C 이상의 고온 열 생산이 가능해, 전기 생산 효율을 높일뿐 아니라 화학, 철강 등 고온 공정이 필수적인 산업 분야의 탈탄소화에 직접 기여할 수 있는 강력한 잠재력을 지닌다. 이 고온 열은 수소 생산에도 매우 유리하다.
HTGR은 삼중 코팅된 미세 입자 형태의 TRISO 연료를 사용하는데, 이는 고온에서도 핵분열 물질을 안정적으로 가두어 높은 고유 안전성을 제공한다. 노심 설계는 연료 입자를 자갈처럼 채우는 페블베드 방식과 각기둥 형태의 연료집합체를 쌓는 프리즘형 방식으로 나뉜다. 연료교체는 온라인으로 수행하거나 2~5년(25~60개월)의 긴 주기로 수행할 수 있으며, 일부 설계는 30년 이상 연료 교체 없이 운전하는 것을 목표로 한다. 중국이 산둥성 스다오완에 세계 최초의 상업용 HTGR SMR 실증로(HTR-PM)를 건설하여 2021년 12월 전력망에 연결하고 2022년부터 최대 출력으로 가동 중인 것이 중요한 성과다. 미국 X-energy의 Xe-100 등도 개발되고 있다. 기술 성숙도는 중간 단계로 평가되며 , 고온 환경에서의 재료 건전성 확보와 사용 후 흑연 감속재 처리등이 기술적 과제로 남아 있다.
지속가능한 원자력 시스템을 추구하는 액체금속냉각 고속중성자 SMR(FNR)은 장기적인 관점에서 중요한 기술이다. 나트륨, 납, 납-비스무트 등 액체금속을 냉각재로 사용하며 고속 중성자를 이용해 핵분열을 일으키는 방식이다.
FNR의 가장 큰 특징은 사용후핵연료의 부피와 방사성 독성을 획기적으로 줄일 수 있는 잠재력(핵변환)과 핵연료를 증식시켜 우라늄 이용률을 극대화하는 '닫힌 핵연료 주기' 구현 가능성이다. 이는 핵폐기물 관리 부담을 줄이고 핵연료 자원의 지속가능성을 높이는 데 기여할 수 있다.
FNR은 14~20%의 고농축 우라늄 또는 플루토늄을 재활용한 MOX 연료를 사용할 수 있으며, 연료 주기가 최대 30년에 달할 수 있어 연료 교체 빈도를 크게 줄일 수 있다. 현재 러시아가 세베르스크 지역에서 납냉각 고속로 실증로인 'BREST-OD-300'을 건설 중이며 , 미 국 오클로(Oklo)의 Aurora 등이 개발 중이다.
그러나 액체금속 냉각재의 화학적 반응성(나트륨)이나 부식성(납) 관리, 고속 중성자 환경에서의 재료 손상 등 기술적 난이도가 매우 높다. 따라서 기술 성숙도는 낮으며, 상용화까지는 장기간의 연구개발과 실증이 필수적이다.
혁신적인 개념의 용융염 SMR(MSR) 역시 미래 기술로 주목받는다. 핵연료 물질 자체를 용융 상태의 염(Salt)에 녹여 액체 상태로 순환시키며 연료이자 냉각재로 사용하는 독특한 방식이다. 대기압 수준의 저압에서 운전되므로 사고 시 압력으로 인한 위험이 낮고, 고온 운전이 가능해 발전 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다.
또한, 우라늄, 토륨뿐 아니라 사용후핵연료까지 다양한 핵연료를 활용할 수 있는 유연성을 가지며, 운전 중 온라인으로 연료를 보충하거나 핵분열 생성물을 제거하는 것도 가능하다. 연료 주기는 최대 150개월까지 길어질 수 있다. 미국 카이로스 파워(Kairos Power), 영국 몰텍스 에너지(Moltex Energy) 등 다수의 기업이 캐나다, 덴마크, 프랑스, 네덜란드, 영국, 미국 등에서 다양한 MSR 설계를 개발하고 있다.
하지만 용융염의 강한 부식성을 견딜 수 있는 재료 개발, 사용 후 고방사성 용융염의 처리 및 관리 기술 등 해결해야 할 기술적 과제가 산적해 있다. 기술 성숙도가 낮아 상용화까지는 상당한 시간이 필요할 것으로 예상된다.
마지막으로 틈새시장을 공략하는 초소형원자로(Microreactor)는 특정 수요에 맞춰 개발되고 있다. 전기 출력 10MW 이하(열출력 최대30MW)의 매우 작은 원자로로, 공장에서 완전조립하여 트럭 등으로 운반 및 설치가 가능한 '원자로 배터리' 개념이다.
전력망이 없는 외딴 지역 사회나 군사 기지, 재난 지역의 긴급 전력 복구, 안정적인 전력 공급이 필수적인 데이터 센터 등에 특화된 솔루션을 제공할 수 있다. 냉각 방식도 경수, 헬륨, 용융염, 액체금속, 히트파이프 등 매우 다양하게 제안되고 있다. 미국 오클로(Oklo)의 Aurora, BWXT의 Advanced Nuclear Reactor 등이 대표적인 개발 사례이며, 미국과 캐나다에서 단기 배치를 목표로 인허가 절차가 진행중이다. 기술 성숙도는 아직 낮지만, 특정 틈새 응용 분야에서의 잠재력은 인정받고 있다.
다만, 소규모 시장을 목표로 하므로 경제성 확보가 관건이며, 다수가 분산 배치될 경우 핵안보 및 관리의 복잡성이 증가할 수 있다는 점은 고려해야 한다.
이처럼 SMR 기술은 매우 다양하며, 각기 다른 장단점과 기술적 성숙도, 그리고 현실화 가능성을 가지고 있다. 단기적으로는 기존 기술 활용도가 높은 수냉식 SMR이 상용화에 가장 가깝지만 경제성 확보가 필수적이며, 중장기적으로는 HTGR이 산업 열 공급 등 새로운 시장을 열 잠재력을 보여준다. FNR과 MSR은 폐기물 저감, 안전성 향상 등 혁신적인 이점을 제공하지만 기술적 난제가 많아 상용화까지는 긴 시간이 필요하다. 마이크로 원자로는 특정 틈새시장에서의 역할을 기대해 볼 수 있다.
글로벌 경쟁 현황과 산적한 과제
SMR 시장 선점을 위한 각축전은 이미 시작 되었다. 미국은 22개의 가장 많은 설계를 개발하며 기술 다양성을 확보하고 있으며, 뉴스케일 설계 인증과 오클로, 카이로스 파워 등 혁신 기업들의 프로젝트를 통해 시장을 주도하려하고 있다. 특히 에너지 소비가 많은 데이터 센터 전력 공급 시장을 적극 공략하고 있다. 러시아는 세계 유일의 상업 운전 경험(부유식 SMR)을 보유하고 있으며, 고속로(BREST-OD-300) 건설을 통해 차세대 기술에서도 앞서나가려 하고 있다. 중국은 HTGR(스다오완) 상업 운전을 발판 삼아 자체 개발한 경수로형 SMR(ACP100) 건설에도 박차를 가하고 있다. 전력 생산뿐 아니라 지역난방, 해수 담수화 등 다양한 활용 모델을 적극 모색 중이다.
영국은 'Great British Nuclear' 계획을 통해 정부 주도로 SMR 개발을 강력히 추진하며 2030년대 초 배치를 목표로 하고 있으며, 특히 롤스로이스 SMR개발에 힘을 싣고 있다. 캐나다 역시 달링턴 SMR 프로젝트 지원 등 정부의 강력한 지원 아래 다양한 설계 개발과 인허가가 진행 중이다.
프랑스는 기존 원전 산업 역량을 바탕으로NUWARD SMR 개발에 집중하고 있다. 한국은 세계 최초로 표준설계인가를 받은 SMART 모델을 보유하고 있으며, 이를 개량한 혁신형 SMR(i-SMR) 등 자체 기술 개발에 매진하고 있다.
그러나 SMR의 장밋빛 미래가 현실화되기까지는 넘어야 할 장애물이 많다. 가장 큰 과제는 역시 경제성이다. SMR의 가장 큰 약점은 아직 대형 원전 대비 발전 단가가 높다는 점이다. 표준화된 설계와 공장 대량 생산을 통해 비용을 절감하는 '학습 효과'가 필요하지만, 초기 시장 형성 단계에서는 '최초 호기(FOAK)' 건설 비용 부담이 크다. SMR의 모듈성, 짧은 건설 기간 등의 이점이 대형 원전의 규모의 경제를 넘어설 수 있을지가 관건이다.
다음으로 규제 및 인허가 문제가 시급하다. 국가마다 다른 원자력 규제 및 인허가 절차는 SMR 개발 및 수출에 큰 걸림돌이다. 기존 대형 원전 중심의 규제 체계를 SMR의 특성에 맞게 개편하고, 국제적으로 조화된 표준을 마련하는 것이 필수적이다. 미국 NRC 등이 SMR 맞춤형 규제 개발에 나서고 있지만, 국제적 공조가 절실하다.
사용후핵연료 관리 역시 중요한 숙제다. SMR 역시 방사성 폐기물을 발생시키므로, 안전한 최종 처분 방안 마련이 필수적이다. 일부에서는 SMR이 소형화로 인한 중성자 누설 증가로 구조물 방사화가 심해져 단위 출력당 더 많은 중저준위 폐기물을 발생시킬 수 있다는 우려도 제기된다. 고속로 등 일부 차세대 SMR은 폐기물 저감 가능성을 제시하지만, 이 역시 기술 실증과 사회적 합의가 필요하다.
대중 수용성 및 사회적 합의 확보도 빼놓을 수 없다. 과거 원전 사고 경험 등으로 인해 원자력 기술에 대한 사회적 우려가 여전히 존재한다. SMR의 안전성과 필요성에 대한 투명한 정보 공개와 소통을 통해 국민적 공감대를 형성하는 노력이 중요하다.
핵확산 및 안보 문제도 간과할 수 없다. SMR, 특히 이동형이나 소형 원자로가 다수 분산 배치될 경우 핵물질의 전용이나 테러 위협 등 핵확산 및 안보 리스크가 증가할 수 있다는 우려가 있다. 이에 대한 철저한 안전 조치와 국제적 감시 체계 구축이 필요하다.
마지막으로 공급망 및 운영 경험의 문제도 있다. 일부 첨단 SMR 기술의 경우 관련 부품 및 소재 공급망이 아직 성숙하지 않았으며, 대부분의 신규 설계는 상업 운전 경험이 부족하여 장기적인 성능과 신뢰성을 검증해야 하는 과제가 남아있다.
잠재력 속 신중한 접근 필요… 한국의 길은?
SMR은 탄소 중립 목표 달성과 안정적인 에너지 공급이라는 시대적 과제에 대응할 수 있는 유력한 기술적 대안 중 하나임은 분명하다.
특히, 높은 기술 성숙도를 가진 육상 기반 수냉식 SMR은 단기적으로 상용화 가능성이 가장 높아 한국을 포함한 여러 국가에서 현실적인 선택지가 될 수 있으며, 고온 열 공급이 가능한 HTGR은 한국의 주력 산업인 제조업 부문의 탈탄소화에 기여할 잠재력이 크다. 삼면이 바다인 지리적 특성을 고려할 때 해상 기반 SMR의 활용 가능성도 검토해볼 수 있고, 장기적으로는 MSR 등 혁신 기술의 잠재력도 주목할 필요가 있다.
하지만 SMR의 성공적인 도입과 확산은 앞서 언급한 경제성, 규제, 안전성, 사회적 수용성 등의 복합적인 과제들을 어떻게 해결하느냐에 달려있다. 한국 역시 기존 원자력 산업의 역량과 인프라를 바탕으로 SMR 기술 개발과 상용화 노력을 지속하되, 기술 방식별 장단점과 국내 에너지 환경 및 산업 구조와의 적합성을 면밀히 평가하여 전략적인 로드맵을 수립해야 한다.
정부의 일관된 정책 지원과 규제 합리화, 산업계의 기술 혁신 노력, 그리고 투명한 소통을 통한 사회적 공감대 형성이 SMR 시대를 성공적으로 맞이하기 위한 필수 조건이다. SMR이 진정한 ‘게임체인저’가 될 수 있을지는 바로 이러한 노력에 달려 있다.