SMR, 모듈화 설계 기반 건설·운영 효율성 강화

韓, 원전 전주기 경험 바탕 혁신형 SMR 개발 착수

해외, 고온가스로·부유식 원전 중심 실증 및 투자 확대

2. 소형모듈원자로 연구개발 동향

2.1 소형모듈원자로 개발 동향

1) 국내 동향 

대한민국은 1978년 국내 최초 원자력발전소인 고리1호기를 시작으로 2023년 12월 신한울 1호기까지 상업용 원자력발전소 총 27기를 성공적으로 건설하여 운영해 오고 있다. 특히 신한울 1호기는 그간 미자립 영역으로 남아 있던 원자로냉각재펌프 및 원전계측제어시스템 등의 핵심 기자재를 순수 국산 기술로 제작한 최초의 원전으로서 의미가 있다. 

또한 1962년 연구용 원자로 1호기(Korean Research Reactor-1, TRIGA Mark2 노형)를 시작으로 1995년 하나로(HANARO) 연구용 원자로 및 현재 건설 중인 기장연구로에 이르기까지 다양한 건설 및 운영 경험이 있다. 이러한 원자력시설의 설계, 제작, 설치, 시공, 운전, 유지보수 경험을 바탕으로 SMR 개발을 추진 중이다. <그림 1>에 국내에서 개발 중인 SMR의 모식도를 나타내었다.

▲ <그림 1> 국내 개발 소형모듈원자로 설계 모식도

우선 한국원자력연구원은 한국수력원자력, 한국전력기술, 한전원자력연료와 함께 경수형 다목적 소형원자로인 SMART(System-integrated Modular Advanced-ReacTor)를 1997년부터 개발해 왔고 2012년 표준설계인증을 최초로 획득하였다. 이후 2018년에 SMART의 개선모델인 SMART-100을 사우디아라비아와 공동으로 개발을 진행 중이다. 한국수력원자력 및 한국원자력연구원은 SMART에 비하여 안전성이 극대화되고 건설/운전/유지보수 효율을 향상시켜 경제성이 높은 경수형 소형원자로인 혁신형 SMR(i-SMR)을 2028년까지 개발하겠다는 목표로 2023년부터 기술개발에 돌입하였다.

한국전력기술은 국내 실정을 고려하여 섬 또는 해양플랜트에 에너지를 공급하고 해수담수화 등에 활용할 수 있는 해양부유식 경수형 소형원자로인 BANDI-60S의 설계를 진행하였다. 이는 계통 단순화와 더불어 대형 냉각재 배관파단의 가능성을 완전히 제거하였고, 무붕산 운전방식을 채택하여 붕산부식 문제를 원천적으로 제거하는 등 피동 안전성을 높은 수준으로 달성하였다.

서울대학교는 1994년부터 납-비스무트 공융합금을 냉각재로 사용하는 납냉각고속 원자로의 개념설계를 수행하였으며, 울산과학기술원은 이러한 납냉각고속원자로 개념을 개량하여 전력생산뿐만 아니라 선박동력원에 적용할 수 있는 초소형원자로인 마이크로우라너스(MicroURANUS)를 개발하고 있다.

SMR 개념설계뿐만 아니라 국내 제작기술 확보 측면에서 두산에너빌리티는 최근 미국 뉴스케일파워(NuScale Power)에 이어 X-에너지(X-energy)가 개발하는 차세대 고온가스로 SMR의 제작, 설계용역을 수주하여 기술개발 및 제작을 진행 중이다. 2023년부터 혁신형 SMR 개발을 위한 국내 연구개발이 정부 주도로 본격화할 예정이며, 각 산·학·연에서 4세대 원자로 노형별 핵심기술 확보를 목적으로 다양한 연구개발을 수행 중이다. 이와 별개로 소재 및 혁신제조 분야에 대한 기획이 진행 중이며, 소재, 용접재, 분말야금-열간등방압가압 등에 관한 연구도 수행할 예정이다.

2) 해외 동향

기존 상용원전의 높은 건설비용과 운영상 어려움 등을 해결하고자 제조, 건설, 운영비용이 저렴한 SMR에 대한 기술을 개발 중이며, 전 세계적으로 70여 종이 개발되고 있다. 미국, 중국, 캐나다, 영국, 러시아 등이 주도하고 있으며, 이 중 중국과 러시아는 프로토타입 고온가스로 및 부유식 원자로의 상업운전을 시행 중이다. 미국 뉴스케일파워사의 경수형 NuScale Power Module(NPM)은 2029년에 상업운전을 목표로 개발을 추진하고 있다.

가. 미국

현재 기술 진척도에서 가장 우위를 차지한 미국은 NuScale, mPower, 웨스팅하우스 (Westinghouse) SMR, SMR-160 등 노형 원자로 17기를 개발 중이다. 2020년 10월에 SMR과 차세대원자로에 7년간 32억 달러(약 3조 6,000억 원) 투자계획을 발표한 바 있고, 연방법(차세대원자로 실증 프로그램 및 원자력 관련 조항 포함) 제정 및 정부의 적극적인 SMR 투자[美 에너지부 차세대원자로 시범 프로그램을 위해 25억 달러(약 3.2조 원) 투자] 등을 진행하고 있다.

뉴스케일파워가 개발한 ‘NuScale’이 2020년 말 미국 규제기관 NRC(Nuclear Regulatory Commission)의 설계인증을 취득하였으며, GE 히타치 원자력 에너지(GE-Hitachi Nuclear Energy)의 ‘BWRX-300’은 인증을 준비 중이고, 홀텍 인터내셔널(Holtec International)의 ‘SMR-160’은 개념설계 단계에서 개발 중이다.

뉴스케일파워의 가압경수형 ‘NuScale’은 주요 구성을 하나의 원자로 용기 내에 통합 배치하고 금속 격납용기를 사용하였다. NuScale은 높은 피동 안전성을 확보하고자 냉각재 자연 순환 방식을 택하여 상대적으로 출력이 낮고(60MWe) <그림 2>과 같이 모듈 자체를 수조에 침수시켜 운영하는 개념을 도입하였다. 또한 안전성을 충분히 확보하면서 경제성을 극대화하려고 단일 수조에서 운영되는 6개 모듈의 개별 출력을 77MWe까지 증가시켰으며, 이에 통합 인허가를 신청할 예정이다.(2024년)

▲ <그림 2> NuScale 개념도

나. 중국

4세대 원전의 프로토타입인 고온가스로(HTR-PM) 2기가 2021년에 전력망에 연결되었으며, 3개 이상의 성(省)에서 추가 HTR-PM 프로젝트가 발표되었다. 또한 경제분야 국가최고계획인 ‘제14차 5개년계획(2021~25)’의 과제 중 하나로 해상부유식 SMR을 선정해 개발 중이며, 창장 원전 내 수소생산용 SMR 실증 건설을 허가하여 상용화 준비 단계에 돌입하였다.

다. 영국

영국 정부는 롤스로이스(Rolls-Royce) SMR 개발에 2.1억 달러를 투자하고, 신규 법령[2022 Nuclear Energy(Financing) Act] 제정 및 신규 원전건설 민간자금 조달을 유도하고 있다. 롤스로이스와 2050년까지 약 45조 원을 들여 SMR 16기를 건설할 예정이다. 또한 몰텍스(Moltex)사는 소형 용융염원자로 SSR-U를 개발 중인데, 단위모듈 출력이 16MWe에 불과하지만 <그림 3>과 같이 그리드 연결로 확장성을 부여하였다.

▲ <그림 3> SSR-U 개념도 및 그리드 확장

라. 러시아

러시아는 2019년에 <그림 4>와 같이 가압경수형 SMR인 KLT-40S 2기를 탑재한 부유형 원전(Akademik Lomonsov호)의 상업운전을 실시하였고, 2028년 가동을 목표로 육상 SMR 건설이 승인되었다. KLT-40S는 러시아 선박 설계회사인 OKBM이 개발한 출력 35MWe 블록형 가압경수로이며, 쇄빙선 추진용 원자로 KLT-40의 개량형이다. 또한 러시아 원자력발전사인 로사톰(Rosatom)은 RITM-200M을 2기 탑재하여 기존의 KLT-40S를 적용한 선박보다 더욱 진보된 Optimised Floating Power Unit(OFPU)를 개발 중이다.

▲ <그림 4> KLT-40S 개념도 및 Akademik Lomonsov 구성