소형 모듈 원자로 (SMR, Small Modular Reactor) 란?

소형 모듈 원자로(SMR, Small Modular Reactor)란?

소형 모듈형 원자로(SMR)는 기존의 대규모 원자력 발전소보다 더 작고, 유연하며, 비용 측면에서 효율적으로 설계된 새로운 유형은 핵분열 반응기입니다. 이 원자로는 공장에서 조립되어 운영 현장으로 운송되도록 설계되어, 기존 원자력 에너지가 직면한 과제들에 대한 대안을 제시합니다. SMR은 원자력 기술의 중요한 변화를 나타내며, 다양한 용도에 맞는 더 안전하고, 효율적이며, 적응성 높은 발전 기술을 제공하는 것을 목표로 합니다.

 

원자력 발전

 

SMR의 개념과 기본 원리

SMR은 핵분열의 기본 원리는 바탕으로 하지만, 더 작은 크기와 모듈 구조에 초점을 맞추고 있습니다. 일반적으로 1,000 메가와트 전기 이상을 생산하는 기존 원자로와 달리, SMR은 모듈당 5에서 300 메가와트를 생산하도록 설계되었습니다. 이러한 축소된 크기는 제조, 운송, 설치 측면에서 여러 가지 이점을 제공합니다. SMR의 핵심 개념은 모듈입니다. 이 원자로들은 공장에서 제작되어 운영 장소로 운송되도록 설계되었습니다. 이런 접근 방식은 생산을 표준화하고, 현장 건설 시간을 줄이며, 규모의 경제가 아닌 대량 생산의 경제를 통해 잠재적으로 비용을 낮추는 것을 목표로 합니다. SMR은 다양한 핵 프로세스를 활용할 수 있지만, 많은 설계가 원자력 산업에서 잘 활용되는 가압수형 원자로(PWR) 기술을 기반으로 합니다. 그러나 SMR 설계의 주요 목표 중 하나는 단순화된 시스템과 안전성 향상입니다. 이러한 기능들은 사람들의 개입 없이 작동하도록 설계되어 사고 위험을 줄일 수 있습니다. 또한, SMR의 더 작은 노심 크기는 정지 후 관리해야 할 붕괴열이 적다는 것을 의미하며, 이는 냉각 시스템을 단순화하고 전반적인 안전성을 향상 수 있습니다.

 

SMR의 다양한 설계와 기술

SMR 설계는 각각 고유한 특징과 잠재적 이점을 가진 광범위한 기술을 포함합니다. 이러한 설계는 중성자 스펙트럼, 냉각재 유형, 전반적인 원자로 개념을 바탕으로 분류될 수 있습니다. 대부분의 기존 원자력 발전소와 유사한 열중성자 원자로는 중성자를 감속시키기 위해 감속재를 사용하며 일반적으로 우라늄-235를 연료로 사용합니다. 이는 원자력 산업에서 이 기술에 대한 많은 경험으로 가장 일반적인 SMR 설계 유형인 경수로(LWR)가 포함됩니다. 한편, 고속중성자 원자로는 감속재를 사용하지 않고 고속 중성자에 의존하여 핵분열 과정을 진행합니다. 이러한 원자로는 연료를 더 효율적으로 사용하고 새로운 연료를 증식할 수 있지만, 공학적 과제도 있습니다. 냉각재 측면에서 SMR은 물, 액체 금속, 가스 등을 사용할 수 있습니다. 물은 냉각재로 사용하는 SMR이 가장 일반적이며, 기존 경수로(LWR) 기술을 활용합니다. 그러나 고온가스냉각로(HTGR)도 개발 중입니다. 

SMR 설계의 몇 가지 예는 다음과 같습니다.

• NuScale Power Module: 미국 원자력규제위원회의 설계 승인을 받은 경수형 SMR 설계.
• BWRX-300: GE Hitachi Nuclear Energy의 비등수형 원자로 SMR 설계
• Natrium: TerraPower와 GE Hitachi가 개발 중인 소듐냉각 고속로 SMR.
• IMSR: Terrestrial Energy의 일체형 응융염 원자로 설계.

 

SMR의 안전성과 환경 영향

안전성은 원자력 에너지에서 가장 중요한 관심사이며, SMR은 향상된 안전 기능을 염두하고 설계되었습니다. 많은 SMR 설계는 비상 상황에서 중력과 대류와 같은 자연현상에 의존하여 냉각하는 피동 안전 시스템을 통합하여, 후쿠시마나 스리마일 섬에서 발생한 것과 같은 사고의 위험성을 줄일 수 있습니다. SMR의 작은 크기 또한 안전성에 기여합니다. 연료가 적게 들고 노심이 작기 때문에 SMR은 정지 후 붕괴열이 적게 발생하여 비상 상황에서 냉각 및 관리가 더 쉽습니다. 일부 설계는 원자로와 사용 후 연료 저장소를 지하에 설치하는 것을 적용하여 외부의 위험 상황으로부터 추가적인 보호를 할 수 있습니다. SMR의 안전성은 여전히 논쟁의 대상입니다. 개별 SMR의 위험도는 낮을 수 있지만, 대형 원자로의 출력에 맞추기 위해 많은 SMR을 배치하는 것은 결국 전체적인 위험을 증가시킬 수 있습니다. 또한 SMR이 새로운 설계를 대표하기 때문에 광범위한 배치 전에 안전 기능을 철저히 테스트하고 검증해야 합니다. 환경 영향과 관련하여 SMR은 잠재적 이점과 과제를 모두 제시합니다. 긍정적인 면에서 SMR은 저탄소 전기를 제공하여 기후 변화 대응 노력에 함께할 수 있습니다. 더 작은 크기와 적은 물 요구량으로 인해 더 유연하게 부지를 선정할 수 있어 환경 파괴를 감소시킬 수 있습니다. 그러나 핵폐기물 문제는 여전히 남아있습니다. 일부 연구에 따르면 중성자 누설 증가와 같은 요인으로 인해 특정 SMR 설계가 기존 원자로보다 단위 전기당 더 많은 폐기물을 생산할 수 있다고 합니다. 이 폐기물의 관리와 처분은 SMR의 개발 및 배치에 있어 중요한 고려사항이 될 것입니다.

 

SMR의 경제성과 시장 전망

SMR의 경제적 실행 가능성은 SMR이 선정됨에 있어 핵심적인 요소입니다. SMR 지지자들은 SMR이 전통적인 대규모 원자력 발전소보다 여러 경제적 이점을 제공할 수 있다고 주장합니다. SMR의 모듈식 특성은 표준화된 제조 공정을 가능하게 하여 대량 생산의 경제를 통해 비용을 절감할 수 있습니다. 더 짧은 건설 기간과 초기 자본 투자는 투자자와 기업에게 SMR을 더 매력적으로 보이게 할 수 있습니다. 그러나 SMR의 경제성은 아직 완전히 입증되지 않았습니다. 개별 SMR은 대형 원자로보다 저렴하지만, 생산하는 전력도 적습니다. 기존 발전소의 출력에 맞추려면 여러 SMR을 건설해야 하며, 이는 모듈식 건설 비용 절감 효과를 상쇄할 수 있습니다. 또한 새로운 기술로서 SMR은 산업이 성숙하고 생산이 확대될 때까지 초기에 더 높은 비용이 발생할 수 있습니다. 전반적인 SMR의 시장 전망은 좋아 보입니다. 선진국과 개발도상국 모두에서 상당한 관심을 받고 있습니다. 2024년 19개국에서 80개 이상의 SMR 설계가 개발 중입니다. 중국과 러시아는 이미 운영 중인 SMR을 배치했으며, 미국, 캐나다, 영국과 같은 국가들은 적극적으로 SMR 개발 및 설치를 추진하고 있습니다. SMR의 응용 분야는 전통적인 전기 생산을 뛰어넘습니다. SMR은 지역난방, 담수화 또는 산업 공정에 사용될 수 있어 새로운 시장을 열 수 있습니다. 더 작은 크기와 낮은 전력 출력은 대량의 전력이 필요하지 않은 원거리 지역사회나 산업 현장에 적합할 수 있습니다.

 

SMR과 에너지 전환

SMR은 저탄소 에너지원으로의 글로벌 에너지 전환에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 국가들이 온실가스 배출을 줄이고 기후 변화에 대응하려 노력함에 딸, SMR을 포함한 원자력 에너지가 해결책 중 하나로 고려되고 있습니다. 국제에너지기구(IEA)는 기후 목표를 달성하기 위해 2050년까지 전 세계 원자력 발전 용량이 두 배로 증가해야 할 수 있다고 제안했으며, SMR이 이 확장에 기여할 수 있습니다. 에너지 전환에서 SMR의 이점 중 하나는 재생 에너지원을 보완할 수 있는 능력입니다. 일부 SMR 설계는 부하추종 능력을 갖추어 전력망 수요에 따라 출력을 조절할 수 있도록 개발되고 있습니다. SMR은 또한 전기 생산을 넘어 다른 부문의 탈탄소화에도 기여할 수 있습니다. 고온 SMR 설계는 산업 응용을 위한 공정열을 제공하여 전기화하기 어려운 부문에서 화석 연료를 대체할 수 있습니다. 또한 일부 SMR 개념은 수소 생산을 위해 연구되고 있으며, 이는 운송 및 기타 부문의 탈탄소화에 도움이 될 수 있습니다. 그러나 에너지 전환에서 SMR은 걸림돌도 있습니다. 기술은 대규모 레벨에서 검증되어야 하며, 비용, 폐기물 관리, 대중의 수용성과 관련된 문제들이 해결되어야 합니다. 결론적으로 SMR은 저탄소 에너지 시스템으로의 전환에 유망한 가능성을 제공하지만, 기술적, 경제적, 사회적 과제를 극복해야 하는 과제가 있습니다.