소형모듈원자로

소형모듈원자로(小型 - 原子爐, 영어: small modular reactor, SMR)는 전기출력 300MWe급 소형 원자로를 말한다. 미국 핵잠수함과 항공모함에서 쓰던 원전이다.^[1]

IAEA는 소형 원자로를 전기출력 300MWe급 이하라고 정의하나, 일반적인 의견은 전기출력 500MWe급 이하를 소형 원자로라고 정의한다.^[2]^[3]

냉각장치

SMR과 스마트 원자로는 열출력이 같지만, 전력 공급이 끊겨도 공기를 이용해 원자로를 자연 냉각하는 SMR은 스마트 원자로보다 국제 경쟁력이 높다.^[4] 따라서, SMR은 해안이 아닌 내륙에도 설치할 수 있다.

개요

요약

관점

소형모듈원자로(SMR)라는 용어는 스티븐 추 미국 에너지부 장관이 2010년 〈월스트리트 저널〉 기고문에서 SMR에 대해 새로운 대안이 될 수 있다고 언급하면서 널리 사용되기 시작했다. 그는 기고문에서 "SMR은 현장 도착 즉시 '플러그 앤 플레이' 방식으로 작동할 수 있으며, 더 저렴할 것"이라고 밝혔다.^[5]

장·단점

규모의 경제적 요인으로 인해 핵 반응로는 크기가 커지는 경향이 있으며, 크기 자체가 제한 요소가 된다. 더욱이 1986년 발생한 체르노빌 원자력 발전소 사고로 전 세계적으로 개발이 중단되고, 자금이 삭감되고, 원자로 발전소가 폐쇄되었다. 이에 대응하여 오리건 주립대학교 연구진은 1990년대 후반에서 2000년대 초에 최초의 상업용 SMR 시제품 개발을 시작하였다. 군에서 사용하는 원자로와는 근본적으로 다른 설계를 바탕으로 제작 시간 단축과 운영 안전성 향상, 운영 비용 절감 효과를 보았다. 목표는 상업·공공 기관이 전통적으로 비용이 많이 드는 에너지원을 더 쉽게 구매할 수 있도록 하는 것이었다. 상업용 SMR의 발명자로 인정받는 오리건 주립대 연구진은 더 작은 폼팩터와 모듈식 설계를 통해 제조업체가 단위 규모의 경제를 단위 대량 생산의 경제로 전환하여 생산 비용을 절감하고 제조 효율성을 향상시킬 수 있을 것이라고 보았다.^[6]

SMR은 전용 공장에서 산업적으로 생산될 수 있는 표준화된 모듈을 적용하기 때문에 비용 측면에서 이점을 보일 수 있으나 경제적 단점이 없는 것은 아니다. 여러 연구에 따르면 SMR의 전체 비용은 기존 대형 원자로의 비용과 유사하며, SMR 모듈 운송에 대한 정보는 극히 제한되어 있다. 이에 SMR 비판론자들은, 각 SMR의 비용이 여전히 높다는 점을 고려할 때 모듈식 건축은 동일한 유형의 SMR이 많은 경우에만 비용 효율적일 것이라고 주장한다.^[7]^[8]

탄소 중립

2024년 2월, 유럽 집행위원회는 유럽 연합 그린딜의 일환으로 SMR 기술을 탈탄소화에 있어 중요한 기여 요소로 인정하였다.^[9] 국제에너지기구(IEA) 또한 2050년까지 전 세계 탄소 중립 달성 노력의 일환으로 2020년에서 2050년 사이에 전 세계 원자력 발전량을 두 배로 늘려야 한다고 보고 있다.^[10]

독일 연방 핵폐기물 안전관리청은, 현재 전 세계에 있는 약 400개의 대형 원자력 발전소와 동일한 전력을 생산하기 위해서는 수천에서 수만 개의 SMR을 건설해야 한다고 경고하였다.^[11]

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설계

SMR은 다양한 설계로 구상되고 있다. 일부는 현재의 원자로를 단순화한 버전이고, 다른 일부는 완전히 새로운 기술을 기반으로 한다. 공통점으로는, 제안된 모든 SMR이 열중성자로와 고속 중성자로를 포함한 설계에서 핵분열을 사용한다는 것이다.^[12]

열중성자로 - 중성자의 속도를 늦추기 위해 물, 흑연, 베릴륨 등의 감속재를 사용하며, 일반적으로 핵분열성 물질로 235
U를 사용한다. 대부분의 기존 원자로가 이러한 유형이다.

고속 중성자로 - 고속로는 감속재를 사용하지 않으나, 대신 고농축 우라늄(HEU) 연료를 사용하여 고속 중성자를 흡수한다. 즉, 일반적으로 노심 내 연료 배열을 변경하거나 다른 연료를 사용한다. 가령, 239
Pu는 235
U보다 고속 중성자를 흡수할 가능성이 더 높다. 고속로는 또한 증식로가 될 수 있는데, 핵분열이 불가능한 원소를 핵분열이 가능한 원소로 변환시키기에 충분한 중성자를 방출한다. 증식로의 일반적인 용도는 가장 쉽게 구할 수 있는 동위원소인 238
U로 노심을 담요처럼 감싸는 것이다. 238
U가 중성자 흡수 반응을 거치면 239
Pu가 되며, 이는 연료 재장전 중에 원자로에서 제거되어 재처리되어 연료로 사용될 수 있다.^[13]

기술

냉각재

기존 경수로는 일반적으로 물을 냉각재 및 중성자 감속재로 사용하나, SMR은 물, 액체 금속, 기체, 용융염을 냉각재로 사용할 수 있으며, 그 종류는 원자로 종류, 원자로 설계, 그리고 선택된 용도에 따라 상이하다.^[14]^[15]^[16] 대형 원자로는 주로 경수를 냉각재로 사용하므로, 이 냉각 방식을 SMR에 쉽게 적용할 수 있다. 헬륨은 발전소 열효율이 높고 충분한 양의 원자로 열을 공급하기 때문에 SMR의 기체 냉각재로 자주 선택된다. 4세대 SMR을 위해 연구된 액체 금속 냉각재로는 나트륨, 납, 납-비스무트 공정이 있다.^[17]

대형 원자로 초기 연구에서는 나트륨에 중점을 두었으며, 이후 SMR에서도 액체 금속 냉각재로서 중요한 선택으로 자리 잡았다. SMR은 냉각수 요구 사항이 낮아 광산 및 담수화를 일반적으로 포함하는 원격 지역을 포함하여 SMR을 건설할 수 있는 부지 수가 늘어난다.^[18]

발전

일부 가스 냉각식 원자로 설계는 물을 끓이는 대신 가스터빈을 구동하여 열에너지를 직접 사용할 수 있다. 열은 수소 생성 및 담수화, 석유 유도체 생산과 같은 기타 산업 공정에도 사용될 수 있다.^[19]

부하추종운전

SMR의 설계는 일반적으로 기저부하 전력을 공급할 것으로 예상되나, 일부 제안된 설계는 전력 수요에 따라 출력을 조절하는 것을 목표로 한다.^[20] 특히 고온 열을 공급하도록 설계된 SMR의 경우, 또 다른 접근법은 열병합 발전을 도입하여 일정한 열 출력을 유지하면서 불필요한 열을 보조 용도로 전환하는 것이다. 지역 난방, 해수 담수화, 수소 생성이 열병합 발전 선택지로 제안되었다.^[21]

야간 담수화는 생산 시간 외의 시간에 물을 공급할 수 있는 충분한 담수 저장 용량을 필요로 한다. 역삼투막과 열 증발기는 해수 담수화의 두 가지 주요 기술이다. 막 담수화 공정은 전기만을 사용하여 물 펌프에 전력을 공급하며, 두 가지 방법 중 가장 많이 사용된다. 열 공정에서는 공급수가 여러 단계로 증발하며 각 단계 사이의 압력은 지속적으로 감소한다. 열 공정은 열에너지를 직접 사용하므로 열전력이 전기로 변환되지 않는다. 열 담수화는 다단계 플래시 증류(MSF)와 다중 효과 담수화(MED)의 두 가지 주요 기술로 더 세분화된다.^[22]

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안전성

독일 연방 핵폐기물 관리안전청이 136개의 다양한 과거 및 현재 원자로와 SMR 개념을 고려한 보고서의 일부이다.^[23]^[24]^[8]

전반적으로 SMR은 원자로당 방사성 재고량이 적고, 특히 단순화 및 수동 시스템 사용 증가를 통해 더 높은 안전 수준을 목표로 하기에 출력이 더 큰 발전소에 비해 잠재적으로 안전 이점을 얻을 수 있으나, 이와 대조적으로 다양한 SMR 개념은 안전 체계의 필요한 중복성이나 다양성과 같은 규제 요건을 완화하는 것을 선호함. 일부 개발자는 내부 사고 관리 분야 또는 계획 구역 축소, 또는 외부 비상 보호 계획의 완전한 면제와 같은 현재 요건의 면제를 요구하기도 함. 원자로 발전소의 안전은 이러한 모든 요소에 달려 있으므로, 현재 지식 수준으로 볼 때 SMR 개념이 원칙적으로 더 높은 안전 수준을 달성한다고 단언하기에는 어려움이 있음.
— 독일 연방 핵폐기물 관리안전청

감속재와 연료의 음의 온도 계수는 핵분열 반응을 제어하여 온도가 증가함에 따라 반응 속도를 늦춘다. 원자로 정지 후에는 붕괴열을 방출하기 위해 원자로를 지속적으로 냉각해야 한다. 후쿠시마 원자력 발전소 사고나 스리마일섬 원자력 발전소 사고와 같이 비상 냉각 시스템 고장 시에 원자로 온도가 너무 높아져 노심 용융으로 이어질 수 있다. 초기 붕괴열은 원자로 작동 출력의 일부에 불과하기 때문에, SMR의 낮은 작동 출력은 방출해야 하는 열량이 적어 더 안전하다.^[25]

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산업

2014년 분산형 마이크로그리드에서의 전력 생산에 대한 연구에 따르면, SMR을 전력 생산에 사용하는 총비용은 해상 풍력 발전, 태양열 발전, 바이오매스 발전, 태양광 발전의 총비용에 비해 상당히 낮을 것으로 예상된다.^[26]

2016년 SMR 원자로당 건설 비용은 기존 원자력 발전소보다 낮다고 주장되었지만, 낮은 규모의 경제성과 더 많은 원자로 수로 인해 SMR의 개발 비용이 더 높을 수 있다. 단위 출력당 SMR 직원 운영 비용은 소수의 대형 원자로의 고정 운영 비용보다 최대 190% 더 높을 수 있다.^[27]

국가별 상황

대한민국

2011년 3월 지식경제부는 7년간 민간과 함께 2,000억원 이상을 투자해 SMR을 개발하겠다고 밝혔다. IAEA는 2050년까지 전 세계에 중소형 원자로 1,000기가 건설될 것으로 예측한다. 3,500억 달러(약 368조원)에 이르는 시장 규모다.^[4] SMR은 미국 핵잠수함 원자로이고, 스마트 원자로는 러시아 핵잠수함 원자로라서, 중복사업이 아닌가 하는 지적이 있다.

2011년 현재 대한민국은 열출력 65 MWt인 스마트 실증로를 건설계획중이다. 그러나 경쟁국들이 완제품을 이미 수출시장에 내놓고 있는 마당에, 한국에서는 경제성이 없어서 개발을 중단해야 한다는 등 논란이 많다.^[28] 세계에서 가장 먼저 상용화될 것으로 보도되기도 하였으나,^[29] 미국은 이미 시판에 들어갔다는 반대보도가 있다.

미국

SMR은 미국이 주도하고 있다. 국립 로스 알라모스 연구소는 폭 1.5m, 길이 2.5m의 열출력 70 MWt, 전기출력 25 MWe인 SMR을 개발했다. 미국 하이페리온 파워 제너레이션(Hyperion Power Generation)은 2010년부터 이 SMR을 2500만달러(약 289억원)에 판매하기 시작했다. HPM이라고 부른다. 이미 100여대 6년치를 주문받았다.^[1] 오바마 정부는 2011년에만 10억달러를 투자하겠다고 밝혔다. 빌 게이츠도 투자하고 있다.

러시아

KLT-40S 소형원자로는 스마트 원자로를 한국에 기술이전한 OKBM의 제품이다. 가압수형 원자로이며, 농축도 90%의 우라늄 235를 연료로 사용한다. 열출력 135 MWt이며, 전기출력 35 MWe이다. 러시아는 선박형 원자력 발전소를 수출할 계획이다. 개조된 KLT-40S 원자로 2개가 탑재된다. 열출력 300 MWt, 전기출력 70 MWe를 내며, 20만명의 도시에 전기공급을 할 수 있다.

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핵잠수함에 전용우려

미국 원자력 추진 잠수함의 원자로인 SMR과 러시아 원자력 추진 잠수함의 원자로인 스마트 원자로가 타국에 수출될 경우, 그 나라의 원자력 추진 잠수함 건조에 이용될 수 있는가의 우려가 있을 수 있으나, 원자력 추진 잠수함용 원자로와 원자력 추진 잠수함 수출은 국제법 위반이 아니다. 원자력 추진 잠수함에 핵미사일을 탑재해 수출하면, 핵미사일 수출 부분이 국제법 위반이 된다.

2009년 프랑스는 핵미사일 없는 원자력 추진 잠수함인 바라쿠다급 잠수함을 브라질에 수출했다. 공산권에서는 러시아가 핵보유국으로 알려져 있는 인도에 핵미사일 없는 원자력 추진 잠수함인 아쿨라급 잠수함을 리스해 준 적이 있었지만, 프랑스의 수출은 전 세계에서 비핵국가에 대한 최초의 원자력 추진 잠수함 수출이다. 국제규제는 없었다.