하나의 용기에 원자로를 담았다

SMR.
SMR.

그동안 안전성 문제 등으로 여러 국가에서 논란이 되어 왔던 ‘원자력 발전’이 탄소중립 실현을 위한 대안으로 부각되고 있어요. 특히 차세대원전으로 주목받고 있는 ‘소형모듈원자로(SMR)’에 대한 관심이 급증하고 있는데요. 이번 시간에는 SMR이 무엇인지 알아보는 시간을 가질까 해요.

전기출력 30만kW이하 소형모듈타입으로 일체화
안전성 확보·건설기간 축소·분산전원 활용 ‘장점’

◇ 소형모듈원자로(SMR)란
소형모듈원자로(SMR:Small Modular Reactor)란 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등 주요 기기를 하나의 용기에 일체화한 소형원자로를 말합니다. 

전기출력이 30만kW 이하의 소규모 원자로이기 때문에 기존 대형원전 크기보다 크게 축소할 수 있어 모듈형태로 제작할 수 있다는 것이 특징입니다.

모듈 형태로 제작되기 때문에 공장에서 제작해 운송한 후 현장에서 조립하는 형태로 건설과정이 진행돼 건설기간을 줄일 수 있을 뿐만아니라 비용도 절감할 수 있다고 해요.
소형모듈원자로의 구조를 잠깐 살펴보면, 약 10~20M 가량높이의 원자로 압력용기 안 가장 하단부에는 노심이 있어요. 그곳에 원자력 발전을 위한 연료로 사용되는 핵연료가 투입되는 거죠. 압력용기 중간 부분에는 증기발생기가 위치하게 돼요. 

노심에서 핵분열로 발생한 열을 이용해 증기를 발생시키고, 이 증기를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하게 되는 거죠. 

또 원자로 내부를 순환하는 냉각재(물)은 증기로 바뀌지 않고 물 상태를 유지해야 하는데, 이를 위해 냉각재인 물이 높은 온도에서도 끓지 않도록 압력을 높여주는 역할을 하는 것이 가압기에요. 이 가입기는 압력용기 가장 상단부에 위치해요.

이처럼 하나의 원자로 압력용기 안에 노심, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등이 모두 담겨 있는 일체형으로 돼 있는 것이 우리가 알고 있는 일반적인 경수로형 SMR이에요.

◇ 대형원자로 vs SMR
그렇다면 대형원전에 사용되는 원자로와 SMR은 어떤 차이가 있는 것일까요?

우선 규모면에서 큰 차이를 보이게 되겠죠. 일반적으로 우리나라에 설치돼 있는 원자력발전소의 원자로는 1기당 100만kW급 이상이에요. 

사실 원자로의 용량으로 대형, 중형, 소형을 구분하는 기술적인 기준은 없어요. 다만 이해 편의성을 높이기 위해 국제원자력기구(IAEA)가 전기출력 규모를 기준으로 100만kW 이상 원자로를 대용량, 30만~70만kW를 중형, 30만kW 이하를 소형으로 구분하고 있어요.

따라서 당초 1990년대 초반에는 중소형원자로(Small and Medium-sized Reactor)의 약자로 SMR이 사용됐는데, 현재는 2000년대 중반 이후 미국에서 본격화된 소형모듈원자로(Small Modular Reactor)를 지칭하는 단어처럼 사용되고 있지요. 학계나 산업계에서는 이 2가지를 모두 통칭하는 말로 SMR을 혼용하고 있어요.

구조적으로는 앞서 언급했듯이 대형원전의 경우에는 노심과 증기발생기, 가압기 등이 모두 분리돼 있지만, SMR의 경우에는 일체형으로 만들어져 있어요. 모듈화돼 있다는 얘기인 거죠.

또 대형 원전의 경우에는 그 높이가 격납고를 포함해 총 82m에 달할 정도로 높고 넓은 공간을 필요로 하죠. 

이에 반해 SMR은 우리나라가 개발 중인 혁신형 SMR을 기준으로 폭이 4.5m, 높이가 20m 내외에 불과해요. 

모듈형인데다 안전성까지 확보하고 있어 별도의 격납건물이 필요하지 않다는 것도 차이점이죠.

여기서 잠깐, 그렇다면 왜 SMR에는 별도의 격납건물이 필요하지 않은 것일까요? 이는 안전성과 관련이 있어요. 

원자력발전소는 일정기간 전기생산을 위해 가동되다 핵연료봉 교체, 정기점검, 긴급점검 등 다양한 사유로 발전소 가동을 일시적으로 중지하게 되는데요. 이 때 가열됐던 원자로를 식히기 위해 냉각수를 이용해 잔열을 제거하게 되는데요. 

이 과정에 대형원전은 상당시간이 소요되게 돼요. 만약 이 때 잔열 제거를 하지 못하게 되면 핵연료봉이 녹아 방사능물질이 대거 유출되는 사고가 발생할 수 있어요. 
이러한 사고에 최대한 대비하기 위해 격납건물을 비롯한 각종 안전설비들을 갖추게 되는데요.

SMR의 경우에는 사용되는 핵연료의 용량이 적고, SMR을 이용한 발전소의 구조가 일종의 수영장같은 냉각수조(Pool) 형태로 돼 있어 원자로 냉각 초기의 잔열제거는 냉각수조에 가득차 있는 물을 사용하다 일정 시간이 지나고 나면 공기의 흐름만으로도 잔열 제거가 가능하기 때문이에요. 

이는 대형 원전에 비해 SMR의 안전성이 뛰어나다고 판단되는 이유이기도 해요.

이처럼 냉각수 등으로 사용되는 발전용수의 양이 많이 필요한 대형원전은 주로 해안가에 설치되지만, SMR은 발전용수 필요량이 상대적으로 적어 내륙에 건설하는 것도 가능하다는 장점도 있어요. 이 때문에 SMR을 분산형 전원으로 활용할 수도 있는 것이죠.

이외에도 모듈형태의 원자로를 공장에서 제작해 현장에서 설치하는 방식으로 건설되기 때문에 건설기간도 대형원전(약58개월)에 비해 절반 수준인 약 24개월 정도로 추정되고 있어요.

다만 건설비용은 동일 용량을 건설한다고 가정했을 때 대형원전보다는 비싼 편이어서 그동안 개발속도가 더뎌왔던 것이 사실이에요. 

앞서 말한 혁신형 SMR의 경우 SMR의 장점을 극대화하면서도 경제성을 높이기 위해 미국의 경쟁 SMR의 두배 이상의 용량인 17만kw로 개발중에 있다고 하네요

◇ 상용화는 언제쯤
그렇다면 전 세계적인 관심을 모으고 있는 SMR이 언제쯤 상용화될 수 있을까요?

현재 SMR 개발에 본격적으로 나서고 있는 국가는 미국과 프랑스, 러시아, 중국, 일본 등 많은 전력선진국이 참여하고 있어요. 

우리나라 역시 SMART원전을 토대로 SMR 개발에 나서고 있어요. 

가장 빠른 속도로 SMR을 진행하고 있는 곳은 바로 미국인데요. 미국의 경우에는 지난해 이미 SMR에 대한 인허가를 받은 것으로 알려져 있어요. 현재 2029년 상업운전을 목표로 사업이 진행되고 있어요. 

우리나라는 한국수력원자력(주)과 한국원자력연구원을 중심으로 소형모듈원자로 개발에 나서고 있으며, 2028년까지 원자로 개발 승인을 마치는 것으로 목표로 하고 있어요. 따라서 우리나라의 경우에는 사업인허가, 부지선정, 건설기간 등을 모두 고려할 때 2030년대 중반쯤이면 SMR 상용화가 가능하지 않을까 추정되고 있어요.

SMR 세계 시장규모는?

4세대 원자로로 불리는 SMR은 현재 우리나라를 비롯해 미국, 덴마크, 중국, 캐나다 등 많은 국가에서 70여종이 개발 중인데요. 특히 미국의 NuScale 원자로가 기술성, 사업성 측면에서 가장 앞서 있다고 평가받고 있어요. 

우리나라도 지난 2012년 7월 표준설계인가를 받은 바 있는 SMART를 바탕으로 i-SMR 개발에 나서고 있는데, 대략 미국 NuScale 원자로의 기술력을 기준으로 70% 수준에 달한다고 전문가들은 평가하고 있다고 해요.

이외에도 러시아, 중국, 프랑스, 영국 등 수많은 전력선진국들이 자체적인 SMR 개발에 나서고 있는데요. 

이는 전 세계적으로 2050년 탄소중립 선언이 확대되면서, SMR이 메가트렌드에 부합하고 탄소중립 달성에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되고 있기 때문이에요. 

이에 따라 SMR 시장규모도 크게 확대될 것으로 전망되고 있는데요. 세계 유수의 전문기관마다 시장전망은 조금씩 다르지만, 2030년대부터 SMR 시장이 급격하게 확대될 것이라고 입을 모으고 있어요.

캐나다 SMR위원회는 2030년에서 2040년까지 세계 SMR 시장규모를 연간 80GW, 금액으로는 약 135조원으로 추정하고 있어요. 또 영국의 롤스로이스사는 2035년까지 65~85GW 까지 SMR 시장이 확대될 것으로 예상하고 있으며, 블룸버그 NEF는 2040년까지 무려 1376GW로 시장규모가 커질 것으로 전망하고 있는 상황이에요. 

 

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