소형 모듈 원자로(SMR): 차세대 원자력 발전의 새로운 패러다임

1. 요약

• 소형 모듈 원자로(SMR)는 기존 대형 원자력 발전소의 단점을 보완하고, 지속 가능한 에너지원으로서의 역할을 수행할 가능성을 지니고 있습니다. SMR은 기본적으로 300MW 이하의 출력을 가지며, 모듈 방식으로 설계되어 제조 후 현장에서 조립할 수 있는 특징이 있습니다. 이는 설치 장소의 유연성을 증가시키며, 특히 전력이 부족한 지역이나 원격지에서도 전력을 공급할 수 있는 경량형 원자로로 주목받고 있습니다.

• SMR의 안전성은 특히 두드러지며, 패시브 안전 시스템을 통해 외부 전원이나 조작 없이 자연 대류와 중력을 활용하여 열을 제거하는 방식으로 설계되어 있습니다. 이러한 시스템은 사고 발생 시 신속한 냉각이 가능하다는 장점을 제공합니다. 전 세계적으로 증가하는 에너지 수요와 탄소 중립 목표를 달성하기 위한 노력 속에서 SMR은 중요한 기술적 대안입니다.

• 또한, 대형 원자력 발전소의 높은 구축 비용과 긴 건설 기간에 비해 SMR은 상대적으로 적은 투자로 빠르게 설치할 수 있는 대안으로자리매김하고 있습니다. 특히, 다양한 지역적 조건에 맞춰 설치 가능하다는 점은 SMR의 큰 강점으로 상승하고 있습니다.

• 이번 분석에서는 SMR의 개념, 필요성, 그리고 국내외 개발 동향을 포괄적으로 다루었습니다. 미국은 SMR 상용화를 위해 많은 노력을 기울이고 있으며, 한국의 중공업도 SMR 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 이는 한국의 에너지 산업에 새로운 기회를 제공하며, SMR의 경제성과 안전성은 21세기 에너지 패러다임 전환에 기여할 것으로 기대됩니다.

2. SMR의 기본 개념 및 필요성

• 2-1. SMR의 정의

• SMR(소형 모듈형 원자로, Small Modular Reactor)는 상대적으로 작은 용량의 원자로로, 일반적으로 300MW 이하의 출력을 가지고 있습니다. SMR은 모듈 방식으로 설계되어 있어 공장에서 제작한 후 조립이 가능한 특징이 있습니다. 이러한 특성은 설치 장소의 유연성을 증가시키고, 다양한 지역, 특히 소규모 전력이 필요한 원격지나 도서 지역에서도 활용될 수 있도록 합니다.

• SMR 툴킷은 특유의 패시브 안전 시스템을 갖추고 있어서 전기나 외부 조작 없이 자연 대류와 중력으로 열을 제거할 수 있는 점이 유명합니다. 이로 인해 대형 원자로에 비해 상대적으로 더 안전한 운영이 가능합니다. 또한, 간단한 설계 구조로 사고 발생 시 신속한 냉각이 가능하다는 장점이 있습니다.

• 2-2. SMR의 필요성이 대두되는 이유

• 세계적으로 에너지 수요가 증가하고 있으며, 플래너 전환과 탄소중립 목표에 대한 노력이 가속화되고 있습니다. SMR은 이러한 배경 속에서 새로운 에너지원으로 주목받고 있습니다. 탄소 배출이 거의 없어 기후 변화에 대응하는 중요한 기술로 자리잡고 있습니다.

• 대형 원자로의 구축 비용과 공사 기간은 매우 높고, 인허가 절차가 길어지는 경향이 있어, 그에 비해 SMR은 상대적으로 작은 투자로 안정적인 전력을 공급할 수 있는 대안이 되고 있습니다. 또한, SMR은 다양한 설치 가능성 덕분에 도시 근처나 전력 인프라가 취약한 지역에서도 전력을 생산할 수 있습니다.

• 2-3. 기존 대형 원전과의 비교

• 기존 대형 원자는 1000MW 이상의 출력을 지닌 반면, SMR은 최대 300MW 이하로 설계되어 있습니다. 대형 원전은 대규모 전력 생산에 유리하지만, 그에 따른 혁신적 기술 개발과 함께 고비용과 긴 건설 기간, 위험 부담이 따릅니다.

• 반면 SMR은 모듈화된 설계와 제작으로 시간이 단축되고 비용을 줄일 수 있습니다. 게다가, 사고 안전성과 관련된 기술적 발전으로 인해 더 높은 안전성을 제공합니다. SMR은 대형 원전에 비해 복잡한 안전 시스템을 단순화하여 기기 고장 여부에 대한 부담을 줄이고, 사고 발생 시에도 주민 대피가 필요 없는 수준으로 사고를 완화하도록 설계되고 있습니다.

3. 국제적인 SMR 개발 동향

• 3-1. 미국에서의 SMR 개발 현황

• 미국은 2030년까지 소형 모듈형 원자로(SMR)의 상용화를 목표로 하는 국가적 차원의 개발 및 건설을 진행 중입니다. SMR은 기존 대형 원전보다 안전성, 경제성, 유연성이 높으며, 저탄소 발전을 위한 대안으로 각광받고 있습니다. 미국 에너지국은 2012년 SMR 기술 개발을 위한 지원 프로그램을 도입하였으며, 4개의 주요 기업이 SMR 개발 프로젝트를 수행하고 있습니다. 예를 들어, 뉴스케일파워(NuScale Power)는 2019년 NRC로부터 SMR 설계 인증을 취득하여, 아이다호주에 SMR을 건설하기 위한 프로젝트를 진행하고 있습니다.

• 노스캐롤라이나주에 위치한 에너지시설에서는 뉴스케일 SMR 프로젝트가 순차적으로 진행되고 있으며, 첫 모듈의 상업 운영은 2029년으로 계획되고 있습니다. 또한, 미국 내 여러 기업이 고온가스형, 용융염냉각형 등 다양한 SMR 모델 개발에 참여하고 있습니다. 엑스에너지는 Xe-100 모델을 통해 효율적인 에너지 생산을 목표로 하고 있으며, 티하터리에서의 실증 사업도 계획 중입니다.

• 3-2. 국제원자력기구의 역할

• 국제원자력기구(IAEA)는 SMR 기술의 국제적 개발 및 안전성을 강화하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다. IAEA는 SMR을 외딴 지역에서의 전력 공급을 위한 해결책으로 보며, 이를 뒷받침하기 위한 기술 문서 및 가이드를 제공하고 있습니다. 또한, IAEA는 회원국들에게 SMR 프로젝트의 안전성 및 효율성을 높이기 위한 정책을 제안하여 국제적 협력을 촉진하고 있습니다.

• SMR의 개발에 있어 IAEA는 다양한 연구 프로젝트 및 세미나를 통해 각국의 전문가들이 함께 공유할 수 있는 플랫폼을 제공하고 있으며, 이를 통해 기술적 표준을 설정하고 있습니다. 이러한 노력은 SMR이 글로벌 에너지 시장에서 경쟁력을 갖출 수 있도록 지원합니다.

• 3-3. 글로벌 시장에서의 SMR 채택 사례

• SMR의 글로벌 채택 사례는 점점 늘어나고 있으며, 예를 들어 루마니아와 요르단에서는 SMR 도입을 위한 MOU를 체결하였습니다. 루마니아에서는 뉴스케일 SMR을 기반으로 하는 보이저 발전소 건설 계획이 진행 중이며, 이 발전소는 총 462MW의 전력을 생산할 예정입니다. 또한, 요르단 원자력위원회와의 협력으로 SMR 도입 타당성 조사가 진행되고 있습니다.

• 영국에서도 SMR의 필요성이 대두되고 있으며, 롤스로이스(Rolls Royce)가 SMR 개발에 적극 참여하고 있습니다. 특이하게도, SMR은 기존 화력 발전소를 대체할 수 있는 가능성이 높아, 많은 국가에서 청정 에너지 전환의 핵심으로 부상하고 있습니다. SMR의 경제성과 안전성 덕분에, 미래 에너지 수요에 더욱 적합한 선택으로 자리잡고 있습니다.

4. 한국의 SMR 관련 산업 및 시장 전망

• 4-1. 한국 중공업의 SMR 설계 개발

• 한국 중공업은 소형 모듈 원자로(SMR) 설계 개발을 통해 세계 SMR 시장에 본격적으로 진출하고 있습니다. 대표적인 회사인 두산에너빌리티는 미국의 NuScale Power와 협력하여 SMR 초도 호기 제작에 참여하고 있으며, 주요 기자재 공급권을 확보하였습니다. 이 협력은 두산이 미국 및 세계 원전 시장의 NuScale SMR 건설 사업에서 핵심적인 역할을 할 것으로 기대됩니다. 또한, 두산은 SMR 설계의 고도화 및 상용화를 위해 다양한 연구개발 프로그램을 운영하고 있습니다.

• 이외에도 현대엔지니어링과 삼성물산 등 다른 한국 중공업 기업들도 SMR 기술 개발에 참여하고 있으며, SMR 설계 및 기술 평가는 한국의 원자력 기술력을 세계에 알리는 중요한 기회로 작용할 것입니다. 한국의 원자력 기술 수준과 협업 능력은 미국, 유럽, 아시아의 SMR 개발 기업들과의 경쟁에서 우위를 점할 수 있는 중요한 요소로 작용할 것입니다.

• 4-2. 정부 지원 정책

• 한국 정부는 SMR 기술 개발을 지원하기 위한 다양한 정책을 시행하고 있습니다. 2020년부터 시행된 원자력 연구개발 로드맵은 SMR을 포함한 차세대 원자로 개발을 위한 fundamental roadmap을 제공하며, 정부의 재정 지원이 이를 뒷받침하고 있습니다.

• 또한, 한국 정부는 원자력 산업 진흥을 위한 '원자력 진흥 및 안전강화 법'을 제정해 SMR 기술 개발을 공공과 민간 부문에서 적극 추진하도록 유도하고 있습니다. 이러한 정책 노력은 SMR 분야에서 한국 기업이 글로벌 경쟁력을 확보하기 위한 초석이 될 것입니다.

• 4-3. 향후 10년간 SMR 시장 규모 추정

• 한국의 SMR 시장은 향후 10년 간 600조 원에서 900조 원 규모로 성장할 것으로 예상됩니다. 이러한 성장은 국내에서뿐만 아니라 해외 시장에서도 SMR의 필요성이 증가하고 있기 때문입니다. 특히, 모든 발전소에서 탄소 배출을 최소화하려는 글로벌 노력이 SMR에 대한 수요를 끌어올리고 있습니다.

• 또한, 한국은 세계 최초로 소형 일체형 원자로에 대한 표준 설계 인가를 획득해 SMR 발전 분야에서 기술적 우위를 점할 가능성이 큽니다. 각국 정부 간의 협력이 활발해지며 SMR은 미래의 에너지 패러다임을 전환할 중요한 요소로 자리잡게 될 것입니다. 한국의 SMR 산업은 이러한 추세 속에서 지속적인 연구 개발과 정책 지원을 통해 성장 가능성을 높일 수 있습니다.

5. SMR의 장점 및 기술적 특성

• 5-1. 안전성, 경제성, 유연성의 측면에서의 장점

• 소형 모듈형 원자로(SMR)는 여러 가지 면에서 기존 대형 원자력 발전소에 비해 두드러진 장점을 제공합니다. 가장 먼저, SMR의 안전성은 주목할 만한 특징입니다. SMR은 패시브 안전 시스템을 통합하여, 전기나 외부 조작 없이도 자연 대류와 중력만으로 열을 제거할 수 있는 기능을 갖추고 있습니다. 이로 인해 사고 발생 시 냉각이 쉽게 이루어지고, 대형 원자로보다 안전성을 강화할 수 있습니다. 또한, SMR은 작고 효율적인 디자인으로 열 출력이 낮아 사고 발생 시에도 추가적인 냉각이 용이합니다. 이를 통해 SMR은 노심 손상 빈도를 대폭 줄여 극도로 안전한 원전으로 평가받고 있습니다. 예를 들어, NuScale SMR의 노심 손상 빈도는 기존 대형 원자로에 비해 3, 000분의 1 수준인 3 x 10-10으로 감소했습니다.

• 경제성 측면에서도 SMR은 유리한 조건을 제공합니다. SMR은 모듈식 건설 방식을 채택하여, 공장에서 사전 제작 후 현장에서 조립하는 방식으로 건설할 수 있습니다. 이는 건설 기간과 비용을 절감하는 데 크게 기여할 수 있습니다. 또한, SMR은 설계가 소형화되어 있어, 다양한 설치 장소에 필요에 따라 유연하게 배치할 수 있습니다. 대형 원자력 발전소에 비해 적은 부지 면적을 요구해 도시 근처, 오지 등 다양한 지역에서 설치가 용이합니다.

• 유연성 측면에서도 SMR은 뛰어난 장점을 보입니다. 각 SMR 모듈은 필요한 전력 수요에 맞춰 추가하거나 제거할 수 있어, 지역 전력 수요의 변화에 효과적으로 대응할 수 있습니다. 게다가 각 모듈은 짧은 시간에 출력을 조절할 수 있어, 신재생 에너지의 간헐성을 보완하는 훌륭한 백업 시스템으로서의 역할을 수행합니다.

• 5-2. NuScale SMR의 기술적 특성

• NuScale SMR은 소형 모듈형 원자로의 대표적인 사례로, 몇 가지 독특한 기술적 특성을 가지고 있습니다. 우선, NuScale SMR은 원자로, 증기발생기, 냉각수 펌프 등을 하나의 모듈에 집약하여 설계되었습니다. 이는 기존 대형 원전에서 요구되는 복잡한 배관 및 기기 배열을 간소화시키며, 건설 및 운영의 효율성을 극대화합니다. 또 다른 핵심 기술은 냉각재 순환 방식으로, NuScale SMR은 강제 순환이 아닌 자연 대류를 이용하여 냉각재를 순환시키므로 외부 전원이 끊겨도 자연스럽게 냉각을 유지할 수 있습니다. 이로 인해 종합적인 안전성이 크게 향상되었습니다.

• NuScale SMR은 각 모듈이 지하에 위치한 거대한 수조의 저장수에 고정되어 있어, 쓰나미나 허리케인 등의 자연 재해에 대한 저항력이 상승합니다. 이는 예기치 못한 상황에서도 안정적인 운전을 유지할 수 있게 합니다. 더불어, 각 모듈은 60MW의 전력 출력을 낼 수 있으며, 필요에 따라 최대 12개의 모듈을 조합하여 최대 720MW의 출력을 생성할 수 있는 유연한 설계를 가지고 있습니다.

• 마지막으로, NuScale SMR의 주요 경쟁력은 상대적으로 짧은 건설 기간과 낮은 건설비용입니다. SMR의 모듈은 공장에서 사전 제작되어 현장에서의 조립이 간단하므로, 대형 원전에 비해 훨씬 빠른 시간 내에 상업 가동이 가능할 것으로 기대되고 있습니다. 처음 콘크리트를 타설한 후 첫 번째 모듈의 상업 가동까지 약 32개월로 예상되고, 이는 SMR의 경제적 잠재력을 더욱 높이는 요소가 됩니다.

6. 결론 및 향후 방향

• 6-1. 주요 발견 요약

• 소형 모듈 원자로(SMR)는 기존 대형 원자력 발전소의 단점을 보완할 수 있는 혁신적인 대안으로 평가되고 있습니다. SMR은 안전성, 경제성, 유연성 면에서 뛰어난 장점을 가지고 있으며, 특히 패시브 안전 시스템을 적용하여 사고 발생 시 자연 대류와 중력을 통해 냉각할 수 있는 특성을 지니고 있습니다. 이는 대형 원전보다 훨씬 더 안전한 운영을 가능하게 하며, 다양한 설치 조건에서도 우수한 성능을 발휘합니다. SMR은 단기간 내에 건설할 수 있는 모듈화된 구조로 설계되어 있어, 전 세계적인 전력 수요 불확실성을 대응하는 데 매우 유용합니다.

• 6-2. SMR의 향후 가능성

• SMR의 미래 전망은 매우 밝습니다. 현재 미국을 포함한 여러 국가에서는 SMR의 상용화를 적극적으로 추진하고 있으며, 2030년까지 상용화를 목표로 하는 프로젝트가 다수 진행되고 있습니다. 특히 NuScale Power사의 사례를 통해 이미 미국 원자력규제위원회(NRC)로부터 설계 인증을 획득한 SMR 모델은 안전성과 효율성에서 높은 평가를 받고 있으며, 이는 향후 SMR의 상용화에 크게 기여할 것으로 보입니다. 또한, 한국에서도 한국수력원자력과 여러 기업이 협력하여 SMR 기술 개발에 나서고 있으며, 국외 시장으로의 수출 가능성 또한 높아지고 있습니다.

• 6-3. 정책적 접근 방안

• SMR의 성공적인 상용화를 위해서는 정부의 정책적 지원이 절대적으로 필요합니다. 첫째, SMR에 대한 연구 개발 지원을 강화하고, 관련 인프라 구축을 위한 예산을 확대해야 합니다. 둘째, 안전성을 검증할 수 있는 인허가 절차를 효과적으로 마련하여 기업들이 보다 신속하게 SMR을 시장에 도입할 수 있도록 해야 합니다. 마지막으로, 글로벌 시장 진출을 위한 국제 협력과 네트워크 형성을 적극 지원함으로써 SMR 산업을 활성화할 수 있는 기회를 만들어야 합니다. 이를 통해 한국은 지속 가능한 에너지 공급과 함께, 탄소 중립 목표를 달성하는 데 크게 기여할 수 있을 것입니다.

결론

• 소형 모듈 원자로(SMR)는 기존 대형 원자력 발전소와 비교할 때 안전성, 경제성, 유연성 면에서 확연히 뛰어난 장점을 제공하는 혁신적인 기술입니다. 패시브 안전 시스템을 적용하여 사고 발생 시 자연 대류와 중력으로 냉각할 수 있는 구조로 설계된 SMR은 상대적으로 높은 안전성을 보장합니다. 또한, 모듈화된 설계 덕분에 건설 기간을 단축하고 전력 수요에 유연하게 대응할 수 있는 능력을 갖추고 있습니다.

• 현재 여러 국가에서는 SMR의 상용화를 목표로 하고 있으며, 2030년까지의 구현을 위한 다수의 프로젝트가 존재합니다. 특히, 미국의 NuScale Power사와 같은 선두 기업들이 SMR 기술에서 성공적인 사례를 만들어 가고 있으며, 이는 SMR의 상용화에 긍정적인 영향을 미칠 것입니다. 한국은 SMR 분야에서의 기술적 우위를 선도할 수 있는 좋은 위치에 있으며, 정부와 기업의 협력은 이러한 혁신을 촉진할 것입니다.

• 마지막으로, SMR의 성공하기 위한 정책적 노력이 필요합니다. 연구개발을 지원하고 안전인증 절차를 간소화하여 기업들이 SMR을 시장에 빠르게 도입할 수 있도록 해야 합니다. 이러한 노력은 지속 가능한 발전 목표를 달성하고 탄소 중립 사회로의 이행을 가속화할 수 있는 중요한 발판이 될 것입니다. SMR의 통합적 접근 방식은 에너지 미래를 위한 새로운 길을 제시할 것으로 기대됩니다.

용어집

• 소형 모듈 원자로 (SMR) [기술]: 상대적으로 작은 용량을 가지며(300MW 이하), 모듈 방식으로 설계되어 공장에서 제작 후 현장에서 조립할 수 있는 원자로.

• 패시브 안전 시스템 [기술]: 전기나 외부 조작 없이 자연 대류와 중력을 이용하여 열을 제거하는 안전 장치로, 사고 발생 시 신속한 냉각을 가능하게 한다.

• 모듈화 [설계 방식]: 구조의 각 부품을 조립 가능한 모듈로 제작하여, 현장에서의 설치 및 유지보수가 용이하도록 하는 설계 방식.

• 에너지 수요 [경제 용어]: 특정 지역 혹은 국가에서 요구되는 전력의 양으로, SMR과 같은 지속 가능한 에너지원의 필요성을 증가시키는 요소.

• 탄소 중립 [환경 용어]: 온실가스 배출량과 흡수량이 같아 순 배출이 0인 상태를 목표로 하는 환경 정책.

• NRC [기관]: 미국 원자력규제위원회(Nuclear Regulatory Commission)의 약자로, 원자력 관련 안전성 및 규제에 대한 권한을 가진 기관.

• 한국수력원자력 [기업]: 한국의 원자력 산업을 대표하는 기업으로, SMR 기술 개발 및 관련 프로젝트에 참여하고 있는 주요 기업 중 하나.

• NuScale Power [회사]: 소형 모듈 원자로 기술 개발에 선두적인 기업으로, SMR 모델을 상용화하기 위한 주요 프로젝트를 진행하고 있다.

• 국제원자력기구 (IAEA) [기관]: 원자력 기술의 안전성과 발전을 지원하는 국제 기구로, SMR 기술의 국제적 개발을 강화하는 역할을 한다.

출처 문서

• 혁신형 SMR 개발 현황 및 목표http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=4097
• 글로벌물산업정보센터https://www.waterindustry.co.kr/enviro/enviro01.php?ptype=view&code=enviro01&idx=121116
• SMR(소형원전)의 미래와 국내외 관련주 - 세종기업데이터https://sejongdata.com/smr%EC%86%8C%ED%98%95%EC%9B%90%EC%A0%84%EC%9D%98-%EB%AF%B8%EB%9E%98%EC%99%80-%EA%B5%AD%EB%82%B4%EC%99%B8-%EA%B4%80%EB%A0%A8%EC%A3%BC/
• ‘소형 모듈 원자로 SMR’ 향후 10년간 세계 원전시장규모 600~900조원 예상http://www.conslove.co.kr/news/articleView.html?idxno=69184