017. 인류의 차세대 에너지 보고 - 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor; SMR)과 소형토륨원전(Small Thorium Reactors; STR)

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인류의 차세대 에너지 보고 - 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor; SMR)과 소형토륨원전(Small Thorium Reactors; STR)

1. 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor, SMR)의 개관:

지난 몇십년간, 지구온난화의 주범인 이산화탄소, CO2의 감축 방안으로 인류는 원자력 에너지의 중요성을 인식하고 있음에도 불구하고, 후쿠시마 사고로 인한 원전 안전성, 폐기물 처리 및 핵 비확산 문제로 원자력발전의 타당성 논란으로까지 이어졌고 한국의 지난 문재인 정권은 탈핵, 탈원전을 국정과제로 삼아 무분별한 태양광시설 허가로 국토를 무분별하게 훼손하기까지 했습니다. 과연 인류는 탈원전을 해야만 하는지, 보다 안전하게 청전 에너지를 얻는 방법은 없는지 살펴보도록 하겠습니다.

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역사적으로 원전의 초기 설계는 현존하는 원전보다 작은 크기였으나, 갈수록 대형화되며 규모의 경제를 통해 가격을 낮추는 방향으로 발전하여, 오늘날 신규 원전의 대부분은 1,000 MW, 1 GW에서 1,600 MW, 1.6GW 규모입니다. 1980년대 이후 미국 등 일부 국가에서는 고립지역 및 대형원전의 송배전이 불가능한 지역을 목표로 소형 원전 개발의 필요성이 대두되었습니다. 후쿠시마 원전 사고에서 보듯 대형 원전은 연료봉 냉각에 실패하면 방사성 물질의 대량 유출로 이어져 상상을 초월한 재난 사고로 이어지게 됩니다.

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이러한 문제를 해결하기 위해 사용 후 핵연료를 재활용하는 고속증식로 등 다양한 차세대 원자로의 개발이 절실해 졌습니다. 전 세계적으로 현재13개국에서 약 56종류의 다양한 소형 모듈 원전(SMR, Small Modular Nuclear Reactor)이 개발 중에 있습니다. 그중에서 최근 미국을 중심으로 보다 안전하고 경제적인 새로운 원전으로서 SMR 기술 개발이 본격화되엇습니다. SMR은 건설기간이 짧아 단기간에 원전 발전의 비중 확대를 위한 대안으로 여겨지고 있습니다.

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이 중 미국 젠4에너지(Gen4 Energy, 과거Hyperion Power)회사의 25 MW급 최소형 SMR과 러시아의 KLT-40S, 인도의 PHWR-220 등 8종류 SMR원전 등 12개 정도가 상용화 단계에 이르러 관련법 제정을 기다리고 있습니다. 국제원자력기구 (International Atomic Energy Agency, IAEA)는 발전규모가 300 MW 이하인 원전을 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor, SMR)으로 규정하고 있습니다. 하지만 최근 세간의 관심을 끌고 있는 SMR 기술은 발전규모가 약 100 MW 내외로서 기존 대형원전의 약 1/10의 규모입니다.

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이는 원전 사고의 주요 원인인 방사성 붕괴열은 소형화 할수록 규모가 줄어들어서, SMR은 비상냉각장치나 비상전원이 작동하지 않아도 원자로 외벽을 통해 열을 자연적으로 외부로 방출하여 쉽게 냉각되도록 할 수 있기 때문입니다. 즉, SMR의 장점인 안정성 확보는 기존 원전의 크기에 비해 획기적으로 소형화 할수 있어 사고가 발생하여도 물이 없어도 공기만으로도 온도를 조절할 수 있게 되는 겁니다. 이같은 온도조절의 확보는기존의 원전은 냉각수 확보를 위해 바닷가나 대형댐과 함께 건설해야 했지만, SMR은 냉각수가 필요없기 때문에 바닷가가 아닌 내륙에도 건설할 수 있어서 안정성과 더불어 경제성도 확보할 수 있습니다.

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후쿠시마와 같은 사고에도 원자로가 녹는 일이 없이 견딜 수 있다는 큰 장점을 가지게 되는 겁니다. 또한, 대부분의 SMR설계에서 증기발생기를 원자로 용기 내부로 옮김으로써 대형 원전에서는 매우 복잡한 원자로 냉각계통 전체가 원통형 모듈로 압축됐었습니다. 또한 기존 대형 원전은 부지와 주변환경에 따라서 같은 방식의 원자로라도 법적인 인허가를 받기 위한 설계와 구성 그리고 건설이 다 달라지지만, SMR은 동일한 모듈이므로 한번 인허가를 받으면, 필요한 출력 에너지 개수만큼 연결해서 요구되는 발전 용량을 맞출 수 있게 됩니다. 그럼으로써 이러한 모듈을 공장에서 대량 생산하면 전체 원전 건설 및 발전 비용 그리고 건설기간을 대폭 낮출 수 있게 됩니다.

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네개 정도만 연결해도 한국내 어지간한 화력발전소 하나의 규모를 확보할 수 있게 됩니다. 최근 세계 곳곳에서 기존의 원전 건설이 늦춰지자, 그동안 저변에서 연구돼 오던 우수한 안전성과 적은 초기 투자 비용으로 요약되는SMR의 장점이 부각되기 시작했습니다. 향후 전력인프라가 부족한 국가 또는 독립계통이 유리한 지역 등에서 SMR의 보급 확대가 예상됩니다. 하지만 SMR이 기술개발 측면에서는 활용가능성이 높지만 본격적인 상용화를 위해서는 운영실적 검증과 인허가 등이 선결되어야 합니다. 한국도 후쿠시마 사고 이후 원전 안전성 강화를 강조하는 국제 추세에 부응하는 설계와 건설기술 개발을 통해서 SMR을 석탄과 LNG 발전설비와 대체하고 도서벽지 등 계통고립지역에 SMR의 적용을 통해 원전 선진국의 위상을 지켜나가 할 겁니다.

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2. 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor, SMR)의 단점:

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SMR의 설비비용은 대형원전을 제외한 타에너지원과 대비하여 가격 경쟁력의 확보가 가능한 수준이긴 하지만 대형원전 대비 초기건설비는 저렴한 반면 건설단가는 크게 증가한다는 단점이 있습니다. OECD산하의 원자력기구인 원자력기구(Nuclear Energy Agency: NEA)의 SMR 기술 및 경제성분석 보고서에 따르면 설비용량 90 MW 소형 원전의 현재 건설단가는 kW당 6,470원, 이용율이 90%일 경우 발전단가는 kWh당 62원으로 산출하였습니다. 이는 설비용량 1,400 MW인 대형원전과 비교할 때 건설단가는 2.5배, 발전단가는 1.8배 수준으로 높은것으로 추정됩니다.

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하지만 향후 보급 확대시 건설기간 단축, 설계 간소화 및 공장제조 등을 통한 비용절감을 통해 대형원전 대비 최소 10~40% 수준에서 가격이 형성될 것으로 전망하고 있습니다. 이러한 전망은세계 원자력 시장의 환경 변화 등을 감안해 지속적으로 검토할 과제이기도 합니다. 국제원자력기구 IAEA는 2050년까지 전력인프라가 부족한 국가와 독립계통이 유리한 지역 등을 중심으로 500~1,000기의 SMR 원전이 운영될 것으로 전망하고 있습니다. 이는 약 3,500억불 규모의 SMR시장이 형성되는 것으로 미국등 원전 강국은 시장 선점을 위해 국가적인 총력전을 전개하고 있습니다.

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3. 미국의 SMR 개발 현황

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미국은 해군의 원자력잠수함 및 원자력항공모함의 기술을 SMR 개발에 이용하기 시작했습니다. 항공모함의 경우 여러 기의 동일한 SMR 원전 모듈을 연결해 대용량을 이루는 방식을 활용하고 있는데, 이미 바워스 앤드 윌킨스(Bowers & Wilkins; B&W)사와 웨스팅하우스 일렉트릭 컴파니(Westinghouse Electric Company)가 독자적인 설계를 마치고 SMR의 실증시험을 맞쳤습니다. 이는 북미의 주요기업들이SMR의 사업성에 큰 희망을 걸고 있음을 말해줍니다. 미국은 이미 오바마 행정부시절에 SMR 개발을 재정적으로 지원하도록 의회에서 법제화하여, 하원은 2012년도에 10억 달러를 SMR 개발에 투자예산 배정을 승인하기 시작하여 매년 그 액수가 늘어나고 있습니다.

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또한, 물을 냉각재로 사용하는 경수형 SMR기술 개발을 위해 별도의 예산이 상원에서 승인되어 그 개발에 박차를 가하고 있습니다. 경수형 SMR은 미해군에서 쌓은 많은 경험을 활용하여, 규제기관인 원자력 규제 위원회 (Nuclear Regulatory Commission, NRC)의 안전성 인허가도 쉽게 받을 것으로 전망됩니다. 이미, 빌 게이츠등 미국 경제를 주도하는 인물들이 SMR 기술개발 관련회사에 적극적으로 투자하기 시작했습니다. 미국의 SMR 전문가들은 세계시장에 SMR을 수출하기 위해서는 수출사업을 추진 하기 전에 미국 내 건설을 통해 실증된 설계 확보가 필요하다고 진단했습니다.

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그러기 위해서는, SMR 설계의 인허가와 관련하여 여러 개의 원자로가 모여 하나의 발전소를 이루는 SMR 발전소의 각 원자로당 운영허가 수수료에 대한 대폭적인 할인과 방사선 비상계획구역(Emergency Planning Zone; EPZ)의 범위를 확정하는일 그리고 물리적 방호 요구정도를 규제하는 법률입안등의 많은 현안들이 검토되고 있습니다. 실증을 위한 미국 내 SMR 건설은 미국방성 산하 육군 군사 시설에 집중적으로 설치되어 미국 전역에 분포되어 있습니다. 이 시설을 건설할때 민간기업의 참여를 유도할 뿐만 아니라 개인 투자자들이 참여 할수 있도록 세재혜택등의 투자 제도도 정비했습니다. 설치될 SMR은 온실가스의 감축을 정량적으로 분석할 자료로도 활용 하고 있습니다.

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이 자료는 기타 신재생에너지와 효율적인 비교를 통하여 SMR이 최선의 선택임을 홍보하게 될 예정입니다. SMR시설뒤 당분간은 초기 비용면에서는 1 KWh당 20.8 센트로 현재의 7.3 센트보다 3배정도 고비용을 유지하고 있습니다. 이로인한 손실 보전은 SMR에 대한 기존의 40년 허가기간을 20년 더 연장하여 60년의 허가기간을 보장해줄 예정입니다. 여러 시뮬레이션 결과로 볼때 최장 30년이면 손익분기를 넘을 것으로 보고 있습니다. 온실가스 공헌비용이 수입으로 포함되면 손익분기를 넘기는 기간은 더 줄어들 것으로 예상됩니다.

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미국이 주도하고 있는 대표적인 SMR의 개발로는 미국 로스 알라모스 국립연구소와 미국 하이페리온 회사가 공동 개발한 초소형 SMR로 폭 1.5 m, 길이 2.5 m 크기의 25 MW 규모의 SMR개발이 있습니다. 이 하이페리온 회사의 초소형 SMR의 크기는 높이가 3m에 폭이 1.5m정도 크기의 SMR로 대략 2만 가구가 쓸수 있는 전력 에너지를 생산할 수 있는 규모입니다. 미국 젠4에너지(Gen4 Energy, 과거Hyperion Power) 회사는 2010년부터 25 밀리언 달라 (약 290억원)에 이SMR의 시제품을 판매하기 시작하였고 2015년에는 가격의 안정성을 확보하여 상업용 판매에 성공하였습니다. 이러한 상황으로 미루어 볼 때, 미국 SMR 산업계는 차세대 인류의 에너지원을 선점해 가도 있는 것으로 보여집니다.

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4. 러시아의 SMART 개발 현황

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러시아는 경수로에 집중하는 미국의 전략과는 대조적으로, 납-비스무스라는 액체금속을 냉각재로 사용하는 스마트 원자로(System-integrated Modular Advanced ReacTor, SMART)에 승부를 걸었습니다. 이는 과거 러시아의 북극 잠수함대가 이미 다년간 사용해 온 액체 금속 냉각재와 방사선 차폐 기술을 활용한 것입니다. 러시아 국영원자력공사와 러시아 최대 알루미늄 회사의 합작으로 설립된 AKME회사는 2013년에 상업용 SMR의 인허가 취득하여 상업화에 성공은 했으나 SMR이 주목적인 소형화 경량화에는 미흡한 수준으로 중소형 원자로로 평가되고 있습니다.

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한국도 많은 비용을 내고 러시아식 SMR의 기술을 이전받아 한국형 SMART중형 원자로를 개발하여 2012년 표준설계인가를 획득했습니다. 냉각수 없는 SMR에 비교해볼 때 러시아의 액체금속 냉각방식 SMR의 장점은 핵연료의 수명이 길어서 잦은 재장전이 필요하지 않습니다. 미국도 빌 게이츠가, 액체금속을 이용해 핵연료의 수명을 극대화함으로써 핵연료의 재장전 빈도를 낮추고 사용후 핵연료 문제를 해소해 핵확산 우려를 종식시키겠다고 시애틀의 전문회사에 막대한 투자를 한 바 있어 미국과 러시아의 독특한 기술들이 서로 융합해가는 경향도 있습니다.

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5. 국제 규제

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SMR의 원천 기술은 원자력 추진 잠수함과 함공모함용 원자로의 기술입니다. 원자력 추진 잠수함과 함공모함용 원자로의 수출과 기술이전은 국제법 위반은 아니지만 핵무장에 한걸음 다가 간다는 면에서 국제적인 견제가 대단히 심한 편입니다. 그러기 때문에 미국등 핵강국에서는, 미국 원자력 추진 잠수함의 원자로인 SMR과 러시아 원자력 추진 잠수함의 원자로인 SMART 원자로가 타국에 수출되거나 기술이 이전되어 그 나라의 원자력 추진 잠수함 건조에 이용되는것에 민감하게 반응합니다. 현재까지는, 원자력 추진 잠수함에 핵미사일을 탑재해 수출하면, 핵미사일 수출 부분이 국제법 위반이 되는 점만 부각시키고 있습니다.

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실예로는 2009년 프랑스가 핵미사일 없는 원자력 추진 잠수함인 바라쿠다급 잠수함을 브라질에 수출했고, 공산권에서는 러시아가 핵보유국으로 알려져 있는 인도에 핵미사일 없는 원자력 추진 잠수함인 아쿨라급 잠수함을 리스해 준 적이 있었습니다. 프랑스의 수출은 전세계에서 비핵국가에 대한 최초의 원자력 추진 잠수함 수출로 기록되고 있고 당시 국제규제는 없었습니다. 지금은 원자력 추진 잠수함과 함공모함용 원자로의 기술을 확보한 국가나 회사들이 늘어나 인허가에 필요한 각국의 법적인 규제와 국제적 원자력기구의 법적규제가 정해지길 기다리고 있는 모양새입니다.

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6. 소형토륨원전(Small Thorium reactors; STR)

 

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이에 더하여 SMR에 사용되는 우라늄의 확보와 고비용을 극복하고자 우라늄보다 쉽게 구할수 있고 고농축이 가능한 토륨을 사용하여 원전자체를 사람크기로 소형화 할수 있는 소형토륨원전(Small Thorium reactors; STR) 개발에 박차를 가하고 있습니다. STR은 토륨기반원자력(Thorium-based nuclear power)로 우라륨을 원료로 사용하는 SMR에 비해 더 소형화가 가능하고 쉽게 토륨을 구할수 있어 더 경제성을 가지고 있습니다. 미국, 캐나다, 중국, 독일, 인도, 일본, 이스라엘, 영국, 노르웨이, 인도네시아까지 국가적차원에서 STR개발에 뛰어들고 있습니다.

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7. 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor; SMR)과 스마트 원자로(System-integrated Modular Advanced ReacTor, SMART) 그리고소형토륨원전(Small Thorium Reactors; STR)

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SMR은 기존의 핵잠수함과 핵항공모함에 쓰이던 핵이용 기술을 민간에 이전하는 과정입니다. 핵확산 방지 국제 조약 때문에 한국은 핵잠수함과 핵항공모함등 군사적인 차원의 기술 경험을 가질 기회가 없었습니다. 이러한 국제규제는 현재 개발한 한국형 SMART 중형 원자로의 크기를 줄이고 소형으로 모듈화 시키는데 제약으로 작용하고 있습니다. 한국 원자력연구원은 1997년부터 약 3000억원의 국책연구비를 투입해 러시아의 핵잠수함 기술인 '65 MW급 SMART 원자로 (KLT-40S)'를 러시아의 OKBM사로 부터 기술이전 받았습니다. 그 기술로 한국형 SMART라는 일체형 소형SMR원전을 2012년에 개발을 완료하고 표준설계인가를 획득했습니다.

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한국형 SMART원전의 크기는 미국 소형 SMR과 대형원전의 중간 단계로 중형 원전이라 할수 있습니다. 한국에서 개발 한 이 한국형 SMART는 “원자로 1기로 인구 10만명 규모의 도시에 약 90 MW의 전력과 하루 4만톤의 물을 동시에 공급할 수 있으며, 2009년 표준설계를 완성하고, 2011년말까지 한국내 설계 인증 인가를 마치고, 2012년에는 산업계 주도로 실증 원자로 건설에 들어가, 2016년에는 상업용 플랜트건설을 목표로 추진 중에 있다”며 2015년 3월 대한민국은 사우디아라비아와 SMART 공동상용화를 위한 양해각서를 체결하였으며, 상용화를 위한 양국 협력이 진행 중이었던걸로 알려져 있습니다.

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한국의 당초 계획대로라면 미국의 경수형 SMR이 상업시장에 첫 선을 보이는 2015년과 비슷한 시기에 한국이 SMR원전시장에 뛰어 들수도 있었지만 그 이후의 성과는 알려진바가 없습니다. 계획대로 였다면 경제적 효과는 매출 11조5천억원, 수출 100억달러, 고용 1만3천명, 투자유발 1조5천억원이었을 거라고 합니다. 하지만 한국의13개 참여기업들이 초기 투자가 많이 든다는 이유로 실용화를 꺼리고 있었고 탈원전을 들고나왔던 정권으로 인해 성과를 이어가지 못했습니다.

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한국정부와 기업들이 한국형 SMART원전 실용화와 소형 SMR 과 STR개발에 바로 뛰어들지 않으면, 한국은 SMR과 STR원전개발과 시장 선점의 기회를 놓칠 수도 있을 겁니다. 한국 기업들이 SMR과 STR원전 기술 개발 부분에 공격적이고 과감한 투자를 한다면 지난 세월 축척한 한국의 원전기술과 결합하여 다가오는 SMR/STR시대에도 한국이 원전 산업 선진국으로서 입지를 계속 이어 나갈 겁니다.

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지금까지 인류의 차세대 에너지 보고 - 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor; SMR)과 소형토륨원전(Small Thorium reactors; STR)을 살펴보았습니다. 감사합니다.

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참고

1. 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor; SMR) 기술동향과 전망, 이상원, 미국의 실리콘밸리 지역을 중심으로한 녹색기술 동향, pp 111~131, 한국과학기술정보연구원, 2012년4월 발간 https://blog.daum.net/enature/15850990

2. KOSEN 메거진 123편 전문가가 전하는 ‘요즘 뜨는 기술’ 인류의 차세대 에너지 보고 – 소형모둘 원전, 이상원 https://blog.daum.net/enature/15851372

3. SMR, https://blog.daum.net/enature/15851166

4. 소형 모듈 원전(Small Modular Reactor; SMR) https://blog.daum.net/enature/15850712

5. 일본이 독도를 넘보는 진짜 이유 – Methane Hydrate https://blog.daum.net/enature/15855013

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