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한국수력원자력이 대전 한수원 중앙연구원에 구축한 ‛i-SMR SSNC(스마트넷제로시티) 관제센터·시뮬레이터센터’내부 전경 /한수원 제공

[투데이에너지 이종수 기자]

전 세계적으로 AI 전력 확보와 탄소중립을 위해 소형모듈원자로(SMR) 개발과 상용화를 위한 움직임이 활발하다. EU는 2024년 2월 ‘유럽 소형모듈원자로 산업 얼라이언스’를 설립해 2030년대 초반까지 유럽 최초의 SMR 프로젝트의 개발·실증과 도입을 가속하기로 했다. 미국, 영국 등은 SMR의 개발과 설치를 지원하기 위한 법률을 제정했다.

국내에서도 ‘제11차 전력수급기본계획’에 따라 처음으로 오는 2035년이면 SMR 1기가 가동될 예정이다. 지난 2월 12일 ‘소형모듈원자로 개발 촉진 및 지원에 관한 특별법안’이 국회 본회의를 통과해 SMR 육성의 법적 근거도 마련됐다.

SMR에 대한 국민 인식도 호의적이다. 한국에너지정보문화재단이 국민을 대상으로 한 설문조사에 따르면 SMR 설치 필요성에 대해 2025년 3분기 77.1%, 2025년 4분기 75.5%가 필요하다고 응답해 긍정 인식이 높은 것으로 확인됐다.

그러나 SMR에 대한 안전성과 경제성에 대한 의문이 제기된다. 원자력 전문가들을 통해 SMR의 시장 안착 가능성과 활성화 과제를 짚어봤다. /편집자주

정용훈 KAIST 원자력·양자공학과 교수의 최근 발표 자료(에너지 패러다임의 전환 ‘SMR’)에 따르면 SMR은 단순히 ‘작은 원전’이 아니라 에너지 산업을 ‘현장 건설업’에서 ‘공장 제조업’으로 전환하는 혁신적 모델이다.

1GW 이상의 대형 원전(1GW 이상)은 규모의 경제를 실현했으나, 미국(웨스팅하우스)과 프랑스(프라마톰) 등의 건설프로젝트가 당초 건설 기간과 비용 대비 2~3배 증가하면서 종목 변경의 필요성이 대두되었다.

또 4차 산업혁명과 AI 데이터센터, 반도체 클러스터 등 전력 다소비 시설이 특정 지역에 집중되면서 장거리 송전 없이 수요지 근처에서 바로 전력을 공급할 수 있는 분산형 전원이 절실해졌다.

러시아-우크라이나 전쟁 이후 에너지 자립의 중요성이 커졌고, 간헐성이 큰 재생에너지만으로는 24시간 안정적인 산업 전력을 공급할 수 없다는 인식도 확산되었다.

전 세계적으로 SMR에 열광하는 이유이다.

SMR의 안정성·경제성

SMR의 기술적 안전성을 논할 때 가장 중요한 키워드는 ‘단순함’과 ‘독립성’이다. 원자로의 사고는 결국 ‘열 관리’의 실패에서 비롯된다. SMR은 대형 원전에 비해 출력 대비 표면적이 넓어 자연적인 열 방출에 훨씬 유리하다. 마치 큰 국그릇과 작은 국그릇의 식는 속도 차이와 같다.

펌프가 멈춰도 중력과 대류라는 자연법칙만으로 노심을 식힐 수 있다. 대형 원전도 이를 구현하고 있지만 SMR은 그 규모가 작기에 훨씬 간단하고 확실한 시스템으로 이를 달성할 수 있다.

한국수력원자력 신고리 원자력발전소 전경 /한수원 제공

대형 원전도 사고 확률은 극히 낮지만, SMR은 사고가 나더라도 그 ‘결말’의 크기가 더 작다. 노심에 포함된 방사성 물질의 양이 출력에 비례해 적기 때문이다.

일각에서는 “여러 기를 모아 놓으면 사고 위험도 커지는 것 아니냐”는 우려를 제기한다. 하지만 최신 연구 결과는 정반대이다. SMR 모듈들은 안전 설비를 공유하지 않는 ‘독립성’을 원칙으로 설계된다. 1개 모듈 사고 확률이 10억 년에 1회라면 독립된 2기가 동시에 사고 날 확률은 1018년에 1회가 된다. 사실상 불가능한 영역이라는 설명이다.

지진이나 해일 등 외부 요인에 대해서도 각 모듈은 독립적인 방호 체계를 갖춘다.

정 교수는 “작은 사고 규모와 극단적으로 낮은 동시 사고 확률 덕분에 SMR은 도시 인근과 산업단지 중심에 배치할 수 있는 혁신적 기저 전원이 될 수 있다”고 강조했다.

SMR의 가장 큰 숙제는 ‘비싸다’라는 인식이다. 대형 원전(버스)보다 단가가 높은 SMR(택시)이 시장에서 살아남는 방법은 무인화 및 자율 운전, 공장 대량생산이다.

정 교수는 “택시비에서 기사 인건비가 큰 것과 같이 원전 운영에서도 인건비는 고정비용의 큰 축이다. SMR은 수십 개의 모듈을 한 곳에서 원격으로 제어하거나 AI 기반의 자율 운전 기술을 도입해 발전량 당 운영 인력을 획기적으로 줄여야 한다”라며 “건설 현장에서 수조 원을 들여 짓는 것이 아니라 숙련된 공장에서 모듈을 찍어내어 현장에서는 조립만 하는 구조로 가야 한다”고 밝혔다.

이어 정 교수는 “1호기(FOAK)는 비싸지만 10호기, 100호기(NOAK)로 갈수록 단가는 급격히 하락한다”라며 “표준화된 제품에 대한 빠른 인허가는 금융 비용(이자)을 절감시켜 경제성을 완성하는 마지막 퍼즐이 된다”고 설명했다.

글로벌 SMR 프로젝트

현재 전 세계적으로 80여 개 이상의 SMR 노형이 개발 중이다. 주요국은 경수형뿐만 아니라 차세대 비경수형까지 포트폴리오를 확장하고 있다.

정 교수의 발표 자료에 따르면 현재 시장에서는 경수형(LWR)이 주류를 이루고 있다.

한국의 i-SMR(혁신형 SMR)은 완전 피동형 안전 계통과 모듈형 일체형 설계를 적용해 대형 원전 대비 사고 확률을 1000배 이상 낮췄다. 분당 5% 수준의 고속 부하추종 운전이 가능해 재생에너지와 공존하는 ‘유연한 에너지 허브’로서 2028년 표준설계인가 획득 및 2030년대 초반 글로벌 시장 선점을 목표로 하고 있다.

미국 NuScale(VOYGR)은 원자력규제위원회(NRC) 설계인증을 최초로 획득하며 선두를 달리고 있다. 미국 내 산업단지 연계 건설과 동유럽(루마니아, 폴란드) 수출에 집중하고 있다.

미국 GE-Hitachi(BWRX-300)는 기존 비등형 원자로 기술을 소형화해 캐나다 온타리오 전력공사와 실제 건설 계약을 체결하며 상용화에 가장 근접했다는 평가를 받는다.

프랑스 EDF(Nuward)는 유럽 표준 SMR을 목표로 하며, 유럽 내 노후 석탄발전소 대체 시장을 겨냥하고 있다.

중국 CNNC(ACP100/Linglong One)는 현재 하이난성에서 세계 최초의 육상 상용 SMR을 건설 중이다. 올해 안으로 상업 가동을 앞두고 있어 전 세계 프로젝트 중 가장 빠른 운영 실적을 확보할 전망이다.

러시아 Rosatom(RITM-200N)은 원자력 쇄빙선용 원자로 기술을 지상형으로 개량했다. 이미 가동 중인 부유식 원전 운영 경험을 바탕으로 야쿠티아 등 오지 전력 공급 및 광산 개발용 시장을 선점하고 있다.

(왼쪽부터) 김무환 SK이노베이션 에너지설루션사업단장과 박인식 한수원 수출사업본부장, 크리스 르베크 테라파워 CEO가 지난 1월 15일 美 시애틀 테라파워 본사에서 SMR 협력 미팅을 진행한 뒤 기념촬영을 하고 있다. /SK이노베이션 제공

비경수형(Non-LWR)은 미래 시장의 게임 체인저로 불린다.

미국 TerraPower(Natrium)는 소듐냉각고속로(SFR)와 용융염 ESS를 결합했다. 빌 게이츠가 투자했고, 와이오밍주 폐쇄 석탄 부지에 건설 중이다. 출력 조절 능력이 뛰어나 재생에너지 보조에 최적화되어 있다. 용융염 고속로인 MCFR도 개발 중이다.

미국 X-energy(Xe-100)는 고온가스로(HTGR) 기술을 사용한다. 750°C 이상의 고온 증기를 생산할 수 있어 발전뿐만 아니라 수소 생산, 석유화학 공정 열 공급 등 산업용으로 다우(Dow) 등 화학 대기업과 협력 중이다.

캐나다 ARC Clean Energy(ARC-100)는 소듐냉각고속로 기술을 사용하며, 20년 이상의 긴 핵연료 주기를 자랑한다. 캐나다 뉴브런즈윅주에서 실증을 추진하며 중소 규모 전력망에 적합한 모델로 평가받는다.

미국 Kairos Power(Hermes)는 용융염 냉각 고온가스로(FHR) 기술을 사용해 2023년 말 미국 NRC로부터 비경수형 최초로 건설 허가를 받았고, 테네시주에서 실증로 건설에 착수해 4세대 원자로 상용화 속도가 가장 빠르다.

덴마크 Saltfoss(CMSR)는 컴팩트한 용융염 원자로(MSR)를 해상 바지선에 탑재하는 부유식 원전 모델을 개발했다. 삼성중공업, 한수원, 한전원자력연료와 협력해 선박용 및 해상 전력 공급 시장을 겨냥하고 있다.

중국 CNNC(HTR-PM)는 세계 최초로 4세대 고온가스로의 상업 운전에 성공했다. 산둥성에서 이미 가동 중이며, 이를 기반으로 대형화 및 산업용 열 공급 확대를 추진하고 있어 기술 실증 면에서 가장 앞서 있다.

러시아 Rosatom(BREST-OD-300)은 납냉각고속로(LFR) 기술을 활용해 세계 최초로 4세대 고속로와 핵연료 재처리 시설을 한 부지에 짓는 ‘클로즈드 사이클’ 실증을 진행 중이며 2026년 가동을 목표로 하고 있다. 핵폐기물의 획기적 저감이 핵심이다.

국내 SMR 개발 현황

국내는 세계 최고 수준의 원전 기자재 공급망과 운영 노하우를 바탕으로 투트랙 전략을 구사하고 있다.

SMART는 이미 2012년에 세계 최초로 SMR 표준설계인가를 받았다. 현재 캐나다 앨버타주 및 사우디와 협력해 실증·상용화를 추진하고 있다.

혁신형 SMR(i-SMR)은 2028년 인허가 획득을 목표로 국가 역량을 집중하고 있는 프로젝트이다. 경제성과 안전성을 극대화한 한국형 SMR의 결정판이다.

원자력안전위원회는 지난 2월 27일 i-SMR기술개발사업단으로부터 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR)의 표준설계인가 신청을 접수했다. 지난 3월 4일 ‘혁신형 소형모듈원자로 심사 준비 워크숍’을 개최하고, 향후 심사를 위한 본격적인 준비에 착수했다.

한국원자력연구원과 삼성중공업이 개념설계 중인 SMART-100을탑재한부유식 SMR(FSMR) /한국원자력연구원 제공

삼성중공업과 쏠트포쓰(Saltfoss)는 해상 부유식 MSR(용융염원자로)을 개발 중이다. 한화오션은 선박 추진용 및 해상 전력 생산용 SMR을 연구하고 있다. 현대건설과 홀텍(Holtec)은 전략적 제휴를 통한 해외 건설 시장 선점을 추진하고 있다.

“SMR, 재생에너지 간헐성 보완 가능”

정용훈 교수는 원전의 유연 운전이 재생에너지에 밀려 어쩔 수 없이 하는 생존 전략이 아니라고 강조했다.

정 교수의 발표 자료에 따르면 재생에너지는 날씨에 따라 전력이 남거나 모자란다. 이를 해결하기 위해 수백조 원 규모의 배터리(ESS)를 설치해야 한다. 원자력이 유연하게 출력을 조절해 준다면 값비싼 ESS 설치 용량을 대폭 줄일 수 있다.

예를 들어 i-SMR은 출력을 100%-20%-100%로 변동하면서 분당 5%의 고속 변동이 가능하다. 4개 모듈 680MW가 하루 8시간 100-20-100 부하추종을 한다면 배터리로는 4300MWh 이상의 용량이며, 1조 5000억 원~2조 원의 배터리 ESS 서비스와 같다. 이는 i-SMR 80년 설계 수명을 감안할 때 배터리 ESS 4회 교체분으로 6~8조 원에 해당한다. i-SMR 건설비 3조 5000억 원과 비교할 때 부하추종 서비스만으로 원전 건설비를 충당하고도 남는다는 설명이다.

정 교수는 “단시간의 변동성은 배터리가, 장시간(며칠~몇 주)의 변동성은 유연한 원자력이 책임지는 것이 전체 국가 에너지 시스템 비용을 가장 낮추는 최적의 솔루션”이라고 강조했다.

정 교수는 이어 “원자력이 기저부하로서 든든히 받쳐주면서도 필요할 때 ‘유연성 자원’으로 기여해주지 않으면 간헐성이 큰 재생에너지는 전력망의 불안정성 때문에 더 이상 확대되기 힘들다”라며 “원자력의 유연성이 확보되어야 재생에너지도 더 많이 더 안전하게 들어올 수 있다”고 덧붙였다.

또한 정 교수는 미래의 SMR은 전력망의 끝단이 아니라 산업의 중심에 위치하게 된다고 강조했다.

SMR은 전기를 생산하면서 동시에 발생하는 고온의 열을 산업체에 공급해 제철소의 수소 환원 제철, 화학 공정의 열원 등으로 활용할 수 있기 때문이다. 인근 도시에 난방열을 공급하고 전기차 충전 인프라의 핵심 전원이 될 수 있다. 탄소 배출 없는 핑크수소 대량생산의 핵심 기지도 될 수 있다는 설명이다.

SMR 활성화하려면

한국원자력학회는 대형 원전 중심의 규제 체계를 SMR 특성에 맞게 ‘성능 기반 규제’로 전환하는 한편 한수원뿐만 아니라 민간 기업이 SMR 사업 주체로 참여할 수 있도록 법적·제도적 길을 열어주고, 반도체의 삼성전자, SK하이닉스, TSMC처럼 전 세계 SMR을 한국에서 제작해 공급하는 ‘SMR 제조 허브’ 전략이 필요하다고 제언한다.

이와 함께 정부가 수립 중인 ‘제12차 전력수급기본계획’에 SMR를 추가 반영해야 한다는 입장이다. 제11차 전기본에는 SMR 1기가 반영되어 현재 부지 선정 작업 중이다.

최성민 한국원자력학회장은 “2050 탄소중립 달성을 위해 원전 비중을 현재 목표인 35%로 유지하거나 50% 수준으로 확대하려면 꾸준한 원전 증설이 필수적”이라며 “특히 SMR은 유연한 출력 조절을 통해 재생에너지 확대에 따른 국가 전체 에너지 시스템 비용을 절감할 수 있는 최적의 솔루션”이라고 강조했다.

이어 최 회장은 “이번 12차 계획 기간 중 2039~2040년 완공을 목표로 하는 대형 원전 2~4기와 SMR 2~4기 수준의 추가 건설 계획이 반드시 반영되어야 하고, 전기본 수립 과정에 원자력 전문가를 추가해야 한다”고 밝혔다.

정용훈 교수는 “연간 i-SMR 4기(2.7GW) 도입 시 약 17GWh 이상의 배터리 ESS 서비스와 맞먹는 유연성을 제공한다”라며 “배터리 ESS 17GWh 설치비(약 6~8조 원)와 80년 수명 동안의 4회 교체 비용(약 24~32조 원)을 고려할 때 원전 비중 확대는 그 자체로 20~30조 원의 계통 비용을 선제적으로 매년 추가로 절감할 수 있다”고 설명했다.

정 교수는 또 “SMR은 석탄 화력 대체 모델이 될 수 있다”라며 “퇴역 석탄화력발전소의 기존 송전망과 냉각수 인프라를 그대로 재활용해 신규 부지 확보에 따른 비용과 갈등을 최소화할 수 있다”고 밝혔다

이어 정 교수는 “수도권 반도체 클러스터나 대규모 AI 데이터센터 등 전력 수요 밀집 지역에 SMR을 직접 배치하면 장거리 송전망 건설 없이 고품질 전력 공급이 가능하다”라며 “전력 생산 과정에서 발생하는 고온의 증기와 열을 활용해 도심에 무탄소 지역 냉난방 서비스를 제공하며 에너지 이용 효율을 극대화할 수 있다”고 덧붙였다.

한국수력원자력이 지난 3월 1일 싱가포르 에너지시장청과 SMR 분야 기술 협력 강화를 위한 양해각서를 체결했다. /한수원 제공

SMR의 안전성 확보를 위한 규제도 필요하다. 국내에서는 i–SMR 외에도 다양한 설계의 SMR 개발사업이 2030년대 초·중반 인허가를 목표로 진행 중이나 현재의 원자력 안전 규제체계가 대형 발전용 경수로를 기반으로 구축되어 SMR의 다양한 활용 목적과 혁신적 설계특성을 반영하는 데 한계가 있다. 원자력안전위원회가 지난 2월 ‘소형모듈원자로(SMR) 규제체계 구축 로드맵(안)’을 발표한 이유다.

원안위는 2030년까지 기존 대형 원전 기반의 안전규제체계를 단계적으로 개편한다. 우선 발전용·연구용·교육용 원자로로 규정된 기존 인허가 체계를 선박용, 열 공급용, 수소 생산용 등 다양한 목적과 설계를 포괄할 수 있도록 확대 개편한다.

이와 함께 SMR마다 설계가 다르고 새롭고 혁신적인 기술을 적용하는 특성을 고려해 이에 적합한 안전성을 검증하는 방식을 도입한다.

2027년까지 세부적인 개편 방안을 마련하고, 2028년부터 이해관계자들의 의견수렴을 거쳐 관련 법령과 기준을 순차적으로 개정할 계획이다.

임채영 한국원자력연구원 원자력진흥전략본부장은 “SMR 산업이 본궤도에 오르기 위해서는 기술만큼이나 규제와 금융의 혁신이 중요하다. 기존 대형 원전에 맞추어진 규제 체계로는 공장에서 찍어내는 SMR의 속도를 감당할 수 없다”라며 “규제 리스크를 줄이는 것이 곧 민간 투자를 유도하는 가장 확실한 방법”이라고 밝혔다.

그는 또 다양한 방식의 독자 SMR 플랫폼 개발 등 한국 SMR 산업의 3단계 육성 전략을 제언했다.

임 본부장은 “우리가 잘할 수 있는 부분은 자체 개발하되 개발에 시간이 걸리는 부분은 과감하게 외국 기업과의 협력을 통해 해결할 필요가 있다. 산업용 열 공급을 위한 고온 가스로의 경우 설계는 원자력연구원과 민간 기업이 하지만 개발에 시간이 걸리는 핵연료는 해외에서 공급받는 방식을 채택하고 있다”라며 “원자로에 따라서는 해외에서 진행 중인 SMR 건설 프로젝트에 우리의 기술을 반영해 개발을 추진하는 방식도 고려할 수 있다”고 밝혔다.

부산시는 지난 3월 9일 강서구 미금동에서 ‘소형모듈원자로 보조기기 제작지원센터’ 착공식을 개최했다. /한국에너지기술평가원 제공

이어 “한국의 가장 강력한 무기는 제조 역량이다. 압력용기, 대형 단조품, 모듈 제작, 디지털 계측 제어 등에서 한국 없이는 프로젝트가 성립하지 않는 수준의 기술력을 확보해야 한다”라며 “창원과 경주를 잇는 SMR 제작지원센터는 글로벌 SMR 제조의 ‘파운드리’ 역할을 하는 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

임 본부장은 “미국과 영국이 주도하는 SMR 사업에 적극적으로 참여해야 한다. 이는 단순한 지분 투자를 넘어 설계·제조·건설·운영 전반에서 핵심 파트너가 되는 것을 의미한다”라며 “이를 통해 미국의 규제와 금융 조달 노하우를 습득하고 글로벌 실증 경험을 쌓아야 한다”고 조언했다.

SMART-100과 i-SMR의 성공적인 상용화가 최우선 과제라는 의견도 있다.

문주현 단국대학교 에너지공학과 교수는 “연구실의 아이디어가 실제 상업화로 넘어가는 과정에서 겪는 ‘죽음의 계곡’을 넘기 위해서는 공공 연구기관의 과감한 실증 지원이 필수적”이라며 “특히 SMR의 수출 경쟁력 확보를 위해 세계에서 가장 까다로운 미국 원자력규제위원회의 인허가를 획득할 수 있는 수준의 기술 검증 데이터를 선제적으로 확보해야 한다”고 강조했다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)