SMR 시장, 여러 노형 경쟁 구조로 빠르게 다극화

美·英 실증 중심, 中·러 국가 주도 개발, 캐나다 노형별 검토 진행 등

韓, 혁신형 SMR 표준설계 기반 핵심기기 및 설계인증 대응 기술 확보

3. 소형모듈원자로 산업 및 시장 동향

3.1 국내 산업 동향

1) 시장 규모 및 전망

2022년 9월 한국형 녹색분류체계에 원자력 에너지를 포함하여 공개하였고, 연이어 2023년 1월에는 12대 국가전략기술 중 하나로 차세대 원자력을 포함시켜 국가전략기술 프로젝트를 추진 중이다. 국가전략기술 프로젝트에서는 2023년부터 2028년까지 예산 약 3,992억 원을 투입해 혁신형 SMR 설계를 위한 사업을 수행할 예정이다. 해당 프로젝트에서는 핵심기술 개발 및 검증, 표준설계를 수행하게 된다. 또한 국내에서는 제9회 원자력진흥위원회에서 혁신형 SMR에 향후 8년간 4,000억 원을 투자할 계획이며, 이를 위한 예비타당성 조사를 추진하고 있다.

▲ 국내외에서 개발 중인 다양한 종류의 SMR 현황 및 주요 특징

2) 기업 현황

국내 기업들은 해외의 기업 또는 연구기관과 협업하여 다양한 형태로 SMR 제작과 개발을 수행하고 있다. 두산에너빌리티는 국내 투자사들과 공동으로 4억 4,000만 달러(약 520억 원) 규모로 투자를 진행하여 전략적 협업관계를 구축하였으며, 원자로 모듈의 제작성 검토 연구를 2019년 8월부터 수행하여 2021년 1월에 성공적으로 완료하였다. 이러한 내용을 바탕으로 현재 뉴스케일 주기기 제작을 준비하고 있다. 2021년에는 추가로 6,000만 달러(약 712억 원)

지분 투자를 실시하였다. 두산에너빌리티뿐만 아니라 GS에너지는 발전소 운영, 삼성물산은

발전소 시공을 위한 양해각서를 체결하였다.

두산에너빌리티는 뉴스케일파워뿐만 아니라 UAMPS(Utah Associated Municipal Power Systems) 초도호기용 원자로 모듈의 소재 제작에 이어 2023년에는 주요 기자재 제작에 착수할 예정이다. 또한 X-에너지와 주기기 제작설계 용역을 2021년 체결하였다. 현대엔지니어링은 한국원자력연구원 및 USNC(Ultra Safe Nuclear Coporation)와 양해각서를 체결하여 차세대원자로 기술개발에 착수하였고, 향후 무탄소 전력, 열, 수소를 생산할 수 있는 SMR 기술강화에 향후 5년간 협력할 예정이다. 현대엔지니어링은 주요 기자재 구매계약을 체결함으로써 세계 최초 4세대 MMR 플랜트 건설을 앞두고 있으며, USNC와 기존 MMR의 출력을 월등히 향상시킨 고출력 SMR 개발에 대한 기술협력 협약도 체결하였다.

SK와 SK이노베이션은 테라파워(TerraPower)와 함께 소듐냉각고속로 개발을 위한 협력을 진행 중이다. SK는 테라파워의 7억 5,000만 달러 규모 투자유치에 공동선도 투자자로 참여하고 있으며, 최근 미국 외국인투자심의위원회의 승인을 받아 2억 5,000만 달러 규모 지분 투자를 완료하였다. 특히 테라파워는 SMR과 더불어 치료용 방사성 동위원소인 액티늄-225의 생산기술도 보유하고 있으며, 이에 SK는 테라파워와 함께 에너지뿐만 아니라 바이오 기업 간의 협력 또한 진행할 예정이다.

▲ 테라파워 소듐냉각고속로 기반 SMR 개요도

삼성중공업은 시보그테크놀로지(Seaborg Technology)와 함께 소형용융염원자로 개발에 착수하였다. 삼성중공업의 해양플랜트 제작기술을 바탕으로 최대 800MW급 부유식 원자로 발전설비 모델을 개발할 예정이다. 대우조선해양은 한국전력기술과 협력하여 지난 2016년부터 개발 중인 BANDI-60을 탑재한 해양부유식 원전개발을 진행할 예정이다. BANDI-60은 블록형 가압경수로로 설계되었으며 최대 출력 60MWe이며 재장전 주기는 4~5년으로 피동안전계통을 탑재하고 있다.

현대건설은 영국의 홀텍사와 협력하여 현지 건설사인 밸푸어 비티(Balfour Beatty)와 영국 내에 SMR160 건설에 관한 양해각서를 체결하였다. 3사는 영국 규제당국과 협력하여 SMR160의 구매, 건설, 시운전을 담당하게 된다. 해당 SMR은 160MW급 경수로형이며, 2050년까지 영국에 SMR160 32기를 건설할 목표를 세웠다. 또한 한국원자력연구원과 양해각서를 체결해 향후 비경수로형 SMR 개발, 경수로형 SMR 시공 기술, 연구용 원자로 관련 기술협력 등을 수행할 예정이다.

3.2 해외 동향

1) 시장 규모 및 전망

▲ 용도별 SMR 국제 시장 전망(자료 : 전기저널, http://www.keaj.kr/news/articleView.html?idxno=4094)

캐나다 천연자원부는 SMR의 용도를 각각 화력발전 대체, 오지에 열과 전력 공급, 중공업 및 오일샌드에 증기와 전력 공급, 광산 지역 열과 전력 공급으로 구분하여 그 규모를 각각 전망하였다. 첫 번째 경우는 석탄화력발전의 15%와 천연가스 발전의 5%를 SMR로 대체하면 연간 1,000억 캐나다달러 규모 시장이 형성될 것으로 판단하였다.

두 번째 경우는 현재 전 세계 오지에서 대부분 디젤로 전기를 생산하고 있음에 따라 24%를 SMR로 대체하면 연간 300억 캐나다달러 규모 시장이 형성될 것으로 예측하였다. 세 번째 경우는 화석연료로 348 GW를 운영하는 중공업 및 오일샌드 중 5%를 SMR로 대체하면 연간 120억 캐나다달러 규모 시장이 형성될 것으로 예상하였다. 네 번째 경우는 매년 새로운 광산이 15개씩 생성됨에 따라 61%를 디젤에서 SMR로 대체하면 연간 35억 캐나다달러 규모 시장이 형성될 것으로 예상하였다.

국제원자력기구에서 발표한 자료에 따르면 현재 전 세계에서 SMR 71개가 개발 중이며 미국 17개, 러시아 17개, 중국 8개, 영국 2개 등이고 그 종류는 더욱 늘어날 것으로 예상된다. OECD 원자력기구(Neclear Energy Agency, NEA)가 추정한 바에 따르면 2035년 예상되는 SMR 발전 규모는 850~21,000MWe이다.

▲ OCED NEA 추산 SMR 발전 규모 최소 및 최대치(자료 : 국제원자력기구, Small Modular Reactor)

미국의 바이든 정부는 탄소중립 달성과 청정에너지 경제 전환을 위한 기술 중 하나로 SMR을 선정하여 관련 정책을 현재 수행 중이다. 미국 일자리 계획(The American Jobs Plan)에 차세대원자로 기술개발 등을 포함하여 2021년부터 8년간 2.4조 달러를 배정하였다. 또한 미국 국무부는 2021년 산학연 간 SMR 관련 기술협력을 위한 프로그램을 개시하고 초기 비용으로 530만 달러 지원을 확정하였다. 이 밖에도 2021년 인프라 투자와 일자리 법안에 상업 원전 수명연장과 차세대 원전 개발에 관한 내용을 포함하여 예산 60억 달러를 배정하였으며, 2022년에는 재량지출 세출법안에 차세대원자로 및 SMR 연구개발 예산으로 16억 5,000만 달러를 배정하였다.

캐나다는 연방정부가 2018년 SMR 개발 촉진 관련 로드맵을 발표하여 다양한 종류의 SMR 평가를 수행하고 있으며, 특히 2020년 2,000만 캐나다달러 투자계획을 발표하고 테러스트리얼 에너지(Terrestrial Energy)를 지원하고 있다. 영국은 총리실이 주관한 녹색산업혁명을 위한 10대 계획에 따라 SMR 개발에 총 6.8억 파운드를 투자하기로 하였다. 이러한 계획에 따라 2035년까지 SMR 10기를 상용화하는 계획을 추진하며 관련 일자리 4만 개를 창출할 예정이다. 이러한 계획에 따라 총 520억 파운드 .규모의 경제효과가 발생할 것으로 예상된다.

▲ 영국 신규 원전 예정지역

중국에서는 14차 5개년계획에 해상부유식 SMR 개발 및 20기 설치를 목표로 약 90억 달러를 투자할 계획이다. 중국은 중국핵공업그룹을 중심으로 2010년부터 해상 원전 관련 연구를 시작하여 개발을 완료하였으며, 200MW급 ACPR50S 공사에 착수하였다. 또한 향후 2025년까지 중국의 원전 설비 용량을 현재 51GW에서 70GW로 늘리는 계획이 포함되어 있다.

러시아는 에너지전략 2035를 바탕으로 국유에너지기업 로사톰 주도하에 SMR 및 차세대원자로 개발에 약 1,200억 루블을 투자하고 있으며, 다양한 용도로 SMR을 약 17개 개발하고 있다. 현재까지의 SMR 개발 경험을 바탕으로 해상부유식 SMR인 아카데믹 로모노소프(Akademik Lomonosov) 건설 프로젝트를 수행하고 있다. 또한 납-비스무트 냉각고속로인 SVER-100과 실험용 고속로인 VBER-300의 건설 또한 진행 중이다.

2) 기업 현황

미국에서는 민간과 정부가 협력하여 SMR 모델을 약 17개 개발하고 있다. 뉴스케일파워는 SMR 설계인증을 획득하고 향후 건설계획을 확정하였다. 뉴스케일파워의 SMR 건설단가는 108.3억~225.1억 달러 수준으로 예상된다. 초도호기는 UAMPS가 아이다호 국립연구소 부지에 설치할 예정이며, UAMPS는 EPC(Engineering, Procurement, Construction) 업체로서 뉴스케일의 대주주인 플루오르와 EPC 계약을 위해 개발동의서를 체결한 상태이다. 현재 뉴스케일파워의 초도호기는 2029년 상업운전 착수를 목표로 하고 있다.

▲ 뉴스케일파워 VOYGR-12 SMR 개념도

테라파워는 와이오밍주의 화력발전소 부지에 SMR(Natrium)을 건설한다는 계획을 발표하였다. 해당 SMR은 소듐을 냉각재로 사용하는 고속로의 일종이며, 태양열 시스템 분야에서 활용하는 용융염 기반 열저장 시스템을 고유한 방식으로 결합하여 기존의 증기발생기를 제거하는 방식이다. 현재 예상 출력은 345~550MWe 수준이다. 또한 차세대원자로 관련 정책 지원을 통해 기존 발전회사인 GE 히타치 원자력 에너지와 협력하여 Natrium을 개발하고 있다.

X-에너지는 차세대 원전 실증로 건설 프로그램(ARDP)에 선정되어 해당 회사가 개발한 헬륨 냉각로 Xe-100의 상업운전을 위한 개발비를 지원받을 예정이다. 현재까지 초기 지원금 8,000만 달러를 확보하였고, 향후 2027년까지 총 12억 달러를 지원받을 예정이다. Xe-100은 헬륨을 냉각재로 사용하여 750oC 이상의 고온으로 운전할 수 있다. 한 호기당 약 80MWe 전력을 생산할 수 있으며 4개 모듈을 합하여 320MWe급 발전을 목표로 한다. 또한 TRISO(TRIstructural-ISOtropic)를 핵연료로 사용하는데, 해당 핵연료는 테니스 공 크기의 구형 핵연료이며 한 원자로당 핵연료 22만 개가 장전된다.

웨스팅하우스는 TRISO를 핵연료로 사용하는 5MWe급 eVinci Micro Reactor에 대한 설계 및 개발계획 수립을 완료하였다. 해당 SMR은 설계수명이 40년이며 핵연료 장전주기는 6~9년 수준으로서 컨테이너 내부에 기기를 장착하여 건설비용을 최소화하고 30일 내에 현장설치가 가능하다.

▲ 웨스팅하우스 eVinch Micro Reactor 개념도

영국에서는 롤스로이스 컨소시엄이 현재 SMR 2개를 개발하고 있다. 컨소시엄에는 원전 운영사, 터빈 및 종합 설계 기업 등 영국 회사 10개로 구성된 NAMRC 등이 포함되어 있다. 또한 영국의 30개 대학과 기술제휴를 체결하고 다양한 연구 프로그램을 지원하고 있다. 이러한 개발을 바탕으로 2050년까지 자사의 SMR을 총 16기 건설할 계획이다. 또한 2019년에 3,600만 파운드를 정부에서 지원받았고, 2020년에는 SMR 설계를 위해 1,800만 파운드를 추가로 지원받았으며, 인허가, 인력 고용, 부지 선정 등을 위해 지원금 2억 1,700만 파운드가 투입되었다. 이러한 개발을 바탕으로 2030년 최초 상업운전을 목표로 하고 있다.

캐나다의 USNC는 캐나다 유틸리티 기업인 온타리오 주 공기업(Ontario Power Generation, OPG)와 함께 글로벌 퍼스트 파워(Global First Power, GFP)를 합작 설립하고 해당 회사는 USNC Demo Plant의 운영 및 인허가를 담당한다. CNSC는 USNC에 대한 VDR(Vendor Deisgn Review) 1단계를 종료하고 건설부지 평가 또한 완료하였다. USNC의 MMR은 2026년 상업운전을 목표로 하고 있다.

▲ USNC MMR 개념도

3.3 국내외 선도기업

국내의 경우 두산에너빌리티가 미국의 다양한 기업과 양해각서 체결 및 지분을 확보해 적극적으로 SMR 관련 연구개발 및 주기기 제작을 진행하고 있다. 두산에너빌리티는 뉴스케일파워와 5,000억 원 규모의 투자와 지분 확보를 진행하고 있고, UAMPS의 초도호기 소재 제작과 주요 기자재 제작에 착수할 예정이다. 또한 헬륨냉각고속로인 X-에너지의 Xe-100 주기기 제작에 착수할 계획이다. 그리고 GS에너지, 삼성물산, 현대엔지니어링, SK 및 SK이노베이션, 삼성중공업 등 많은 국내 에너지 또는 중공업 관련 기업이 미국의 다양한 기업과 협력관계를 구축하고 있다.

국외의 경우 미국과 영국이 현재 SMR 관련 연구를 선도하고 있으며, 그 밖에도 중국, 러시아와 같이 기존에 SMR 관련 연구를 수행하던 국가의 경우 해상부유식발전을 지속적으로 연구하고 있다. 특히 미국의 경우 뉴스케일파워, X-에너지, 테라파워 등 다양한 노형을 중심으로 SMR 관련 연구를 선행하고 있다. 영국은 롤스로이스 컨소시엄을 중심으로 SMR 관련 기술을 선도하고 있다.

4. 미래 연구방향 및 정책 제언

현재 국내외 원자력 산업의 연구개발 및 성장기회는 SMR로 빠르게 옮겨가는 추세이며, 국내 SMR 경쟁력 제고와 산업생태계 육성을 위한 연구개발이 시작단계에 있다. 이중 SMR 주요 소재 및 부품제조 기술 확보를 위한 다양한 연구기획 및 지원이 진행 중이며, 2023년도를 시점으로 여러 연구개발이 착수될 계획이다.

경수로형 SMR의 경우, 기존 대형 상용원전과 대부분 유사한 소재를 사용하고 수 십년 동안의 검증된 데이터를 활용할 수 있기 때문에 가장 빠른 상용화가 예상된다. 하지만 경수로형 SMR의 경제성은 지속적으로 이슈가 되고 있다. 이를 위해 다양한 방안이 제시되고 있으며 대표적인 방안이 혁신적인 소재 및 제조공정 도입이다. 이를 적극적으로 활용할 경우 SMR 제작소요 기간을 50~90%로 단축하여 획기적으로 경제성을 확보할 수 있다고 평가된다.

경수형 SMR에는 새로운 소재 개발보다는 기존 개발 소재의 기술기준 등재 추진 및 제조공정을 개선, 향상시킴으로써 경제성, 안전성을 확보하는 것이 요구되기 때문에 필연적으로 대형 PM-HIP, 전자빔용접기와 같은 신규 설비, 장비 개발을 위한 대규모 투자가 요구된다. 따라서

이러한 첨단 제조기법을 위한 인프라 구축 및 활용을 위하여 정부 차원의 지원이 절실히 요구된다.

▲ Advanced Manufacturing 공정 예시

액체금속, 가스, 염 등을 냉각재로 사용하는 4세대 SMR은 기존 가압경수로와 비교하여 고온, 고선량의 가혹한 환경, 다양한 냉각재 사용에 따른 부식 문제 등을 이유로 소재의 중요성은 더욱 커질 것으로 전망되며 기존 소재와는 양립성이 부족하여 새로운 소재에 대한 개발이 다양하게 진행 중에 있다.

4세대 SMR은 대부분 고속중성자를 이용하며, 연료를 재장전하지 않거나 재장전주기가 매우 길어 중성자 조사저항성이 우수한 구조소재가 요구된다. 또한 운전압력은 낮지만 운전온도가 매우 높아 고온에서 장기간 안정성이 확보되어야 한다. 특히, 염화염을 냉각재로 사용하는 MSR은 재료의 고온특성과 함께 부식이 가장 중요한 이슈로 예상되며, 이를 극복하기 위한 구조재료 개발뿐만 아니라 냉각재에 내부식성이 강한 클래딩 소재의 개발 및 적용도 필요하다.

그리고 SiCf/SiC와 같은 세라믹을 구조재료 표면에 코팅하여 활용하는 방법도 많이 연구되고 있으나 실용화를 위해서는 많은 기초연구가 필요하다. 또한 개발된 신소재를 빠르게 현장에 적용하려면 소재 개발과 동시에 용접특성을 확보한 새로운 용접재료 및 용접기술 개발이 필수적으로 수반되어야 한다.

▲ 차세대 원전의 가동온도와 중성자 조사로 인한 최대 Displacement per Atom

최근 2022년 11월에 발표된 12대 국가전략기술분야 100대 미래소재에 차세대 원자력 분야가 포함되었으며, 안전한 차세대 원자로 확보를 위하여 안전성, 초고온장수명, 사용후연료저감, 저방사화를 키워드로 하는 소재 개발을 제시하였다. 이들 중에서 개발이 가장 빠르게 요구되는 재료로는 MSR용 내부식 내열소재, VHTR 열교환기용 장수명 초내열 소재가 있으며, 4세대 SMR의 성패 여부는 새로운 소재 개발 및 적용에 달려있다고 해도 과언이 아니다.

차세대 원전을 위한 새로운 소재 개발은 합금설계 및 제조기술 확보뿐만 아니라 실제 환경에서의 데이터 확보, 각종 물성시험, 재료규격 등재, ASME/KEPIC 기술기준 등재, 규제요건 만족, 인허가 등의 과정을 거쳐야 하는 매우 장기간 및 고비용이 요구되는 과정이며, 원전산업 생태계에 파급력이 큰 분야이다. 따라서 새로운 소재, 제조공정 개발을 위해서 긴 호흡을 가지고 장기적인 계획 및 투자가 필요하며, 산·학·연의 협력 및 정부의 지원이 필수적인 분야이다.