한국경제 용어사전

소형모듈원전

[small modular reactor, SMR]

증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등 주요 기기를 하나의 용기에 일체화한 소형 원자로를 뜻한다.

기존 대형 원전 출력(1000~1500㎿급)의 3분의 1에서 5분의 1 이하 규모다. 국제원자력기구(IAEA)는 300㎿급 이하를 소형원자로, 700㎿급 이하를 중형원자로로 분류한다. SMR은 송전망이 충분하지 않거나 외딴 지역에 소규모 전력을 공급하기 위해 개발됐다. 크기를 작게 하기 위해 대형 원전의 핵심 기기인 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등을 하나의 용기에 넣은 원자로 모듈 형태로 일체화했다.

SMR은 여러 개 모듈의 전원을 개별적으로 끄고 켤 수 있어 출력 조절에 유연성이 높다. 풍력, 태양광 등 재생에너지의 간헐성을 보완하기 위한 이산화탄소 배출 없는 백업(back-up) 전원으로 활용 가능하다. 외부 전력이 필요한 펌프를 이용해 냉각재를 순환시켜야 하는 대형 원전과 달리 자연 대류를 통해 냉각재를 순환시킬 수 있다는 점도 주목할 만하다. 전력이 끊기거나 운전원의 별도 조작이 없어도 안전성이 확보된다. 냉각재는 원자로 냉각에 사용되는 물질을 뜻한다. 기존 원전은 핵분열 과정에서 발생하는 열로 물을 끓여 증기를 만들고 이 증기로 터빈을 회전시켜 전기를 생성한다. 핵분열에서 생성된 열을 증기발생기로 운반하는 물질이 원자로를 계속 식혀주는 역할을 해 냉각재로 부른다. SMR은 공장에서 모듈로 제작할 수 있어 건설 시간과 비용이 적게 든다. 건설 부지 면적도 적어 운전 수명을 다한 석탄화력발전소 부지에 건설하는 것도 가능하다.

소형모듈원자로(SMR)는 크게 네 가지 형태로 분류된다. 사용하는 냉각재와 연료에 따라 경수로형, 고온가스형(HTR), 용융염냉각형(MSR), 소듐냉각형(SFR)으로 분류하며 형태별로 특장점을 갖는다.

경수로형 SMR은 냉각재로 물을 사용하는 원자로다. 대형원전의 경수로 기술을 활용할 수 있다는 장점 덕에 인허가가 쉽게 떨어진다. 개발사로는 미국 뉴스케일파워와 영국 롤스로이스 등이 있다. 두 회사는 각국 정부의 조 단위 투자를 바탕으로 건설 인허가를 빠르게 진행하고 있다. 특히 뉴스케일파워는 미국 원자력규제위원회(NRC)로부터 2020년 표준설계인증을 얻어내 2029년 상용화가 예상된다. 미국 정부로부터 부지 제공, 개발 자금, 초도호기 건설비, 정부 간 협약 등 강력한 지원을 받고 있다.

한국에서도 두산에너빌리티, 삼성물산, GS에너지 등이 뉴스케일파워에 지분을 투자하며 사업 개발에 협력하고 있다. 두산에너빌리티는 지분 투자를 통해 뉴스케일파워로부터 수조원 규모의 기자재 공급권을 확보했다. 2019년 SMR 제작성 검토 용역을 수주받아 작년 1월 완료했고, 현재 시제품을 제작하고 있다. 현대건설도 경수로형 SMR 사업에 공을 들이고 있다. 이 회사와 협약을 체결한 미국 홀텍사는 사막이나 극지에서도 쓸 수 있는 160MW급 경수로형 소형 모듈 원자로(SMR-160)를 만들고 있다.

고온가스형 SMR은 헬륨을 냉각재로 사용한다. 비활성 기체인 헬륨을 냉각재로 사용하기 때문에 섭씨 1000도 수준의 초고온에서도 화학반응이 없다. 이와 함께 기존 경수로 원전 원료 대비 우라늄 농축도가 높은 삼중피복(TRISO) 핵연료를 사용한다. 테니스 공 크기 핵연료를 세라믹 등으로 3중 코팅해 외부 전원이 상실되거나 운전원 조치가 불가능한 극한 상황에서도 노심 용융이 발생하지 않는다.

두산에너빌리티는 뉴스케일파워 외에 미국 엑스에너지가 개발 중인 고온가스형 SMR에서도 주기기 제작 설계를 맡았으며, 주기기 제작에 참여를 추진 중이다. 엑스에너지가 개발하는 고온가스로 SMR(모델명 Xe-100)은 총 발전용량 320㎿ 규모로, 80㎿ 원자로 모듈 4기로 구성돼 있다. 운전 중 750도 헬륨으로 가열된 물이 565도의 증기로 변해 터빈을 가동한다. 기존 물을 냉각재로 하는 경수로(증기 온도 275도) 대비 고온 운전이 가능해 전력 생산 효율이 상대적으로 높고 경제적으로 수소를 생산할 수 있다. 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 SMR은 핵연료가 냉각재에 녹아 있는 형태의 용융염을 연료로 활용하는 방식으로 액체연료 원자로라고 불린다. 토륨, 불화우라늄, 지르코늄, 리튬 등이 섞인 용융염을 핵연료로 쓰는 MSR은 사고 위험이 감지되면 원자로 안의 핵연료가 저절로 굳어 중대 사고를 예방한다.
즉, 용융염이 핵연료의 방사성 물질을 구속하고 핵분열 생성물이 운전 중에 지속적으로 제거돼 원자로 정지 시 잔열도 고체 핵연료 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. 용융염원자로 개발사인 덴마크 시보그는 2022년 4월 삼성중공업과 해상 원자력 발전 설비 개발을 위한 기술협력 양해각서(MOU)를 맺었다. 미국선급협회(ABS)가 선박 적용 타당성 조사를 2020년 완료했으며 이르면 2025년 상용화가 가능할 것으로 보인다.


우리가 흔히 알고 있는 주기율표의 11번째 원소 Na(나트륨)인 소듐을 냉각재로 활용하는 소듐냉각형 SMR 중에선 빌 게이츠가 투자한 미국 테라파워가 가장 잘 알려져 있다. 지난달 SK그룹은 테라파워와 포괄적 사업 협력을 위한 MOU를 맺었다. SK그룹은 테라파워의 SMR 기술, 방사성 동위원소 생산 역량과 SK의 사업 영역을 연계해 다양한 협력 기회를 발굴할 예정이라고 밝혔다.