원전 수출경쟁력 강화를 위한혁신형 소형모듈원자로(SMR) 개발

원전 수출경쟁력 강화를 위한 혁신형 소형모듈원자로(SMR) 개발

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<목차>

 

1. 2050 탄소중립 실현을 위한 원전의 역할

2. 글로벌 원전 운영 현황 및 시장 전망

3. SMR 개발 경쟁

4. 우리나라의 소형모듈원자로 개발 현황

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1. 2050 탄소중립 실현을 위한 원전의 역할

 

21세기에 접어들면서 지구는 온실가스로 인한 이상기후로 과거에는 상상하지 못했던 재난을 경험하게 되었다. 이에 2019년 9월 UN 기후정상회의를 통해 121개 국가가 참여하는 기후목표상향동맹(Climate Ambition Alliance)을 발족했다. 미국, 영국, 중국, 캐나다를 포함하여 약 20개 나라가 탄소중립 계획을 수립하였으며, 우리나라도 2020년 12월 ‘2050 탄소중립 추진전략’을 발표하며 탄소중립에 동참하게 되었다. 2050 탄소중립 실현을 위해서는 2020년부터 2050년까지 글로벌 에너지믹스에 급격한 변화가 예상된다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년 화석연료를 포함한 연료소비가 2020년 대비 50% 이하로 감소하는 데 비해 저탄소 전력의 소비는 크게 증가할 것으로 전망하였다.

 

<그림 1>  IEA의 에너지믹스 전망

탄소중립 실현을 위한 에너지의 이용방식이 전기화로 옮겨 가면서 글로벌 발전량은 매년 3% 이상 증가하여 2050년에는 2.5배 이상 증가할 것으로 전망되고 있다(2020년 26,778TWh에서 2050년 71,164TWh). 이러한 글로벌 발전량 증가에 따라 원자력 발전량도 2020년 2,698TWh에서 2050년 5,497TWh로 2배 이상 증가할 것이고 이 발전량 수요를 충족하기 위해서 2050년까지 원자력 발전 설비는 650GWe 규모로 증설될 것으로 추정된다.

 

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2. 글로벌 원전 운영 현황 및 시장 전망

 

전 세계적으로 427개의 원전이 가동되고 있는데 이중 가동연수가 30년을 넘긴 원전이 66%, 40년을 넘긴 원전이 30%에 달한다. 40년 이상 가동된 원전의 설비용량은 총 102GWe이며, 향후 20년 내 노후 원전 대체만을 고려하더라도 총 252GWe의 신규 원전이 건설되어야 한다. 2050 탄소중립 실현을 위한 원전 증설뿐만 아니라 노후 원전 대체 수요까지 생각한다면 글로벌 원전 시장은 2050년까지 650GWe 규모를 훨씬 넘을 것으로 예상할 수 있다.

<그림 2>  전 세계 원전 가동연수 현황, IAEA-PRIS, 2022.11

 

원자력 발전은 전력수요가 최소일 때도 일정하게 소비되는 발전용량인 기저부하를 담당했으며 대형화를 통한 규모의 경제 실현으로 경제성 강화에 집중해 왔다. 그러나 원전에 대한 국제 안전기준 강화와 원자력 에너지 신규 도입국의 수요 변화로 인해 대형화를 통한 경제성 향상과 차별화되는 새로운 이슈가 부각되었다. 바로 안전성 강화, 투자 용이성 그리고 글로벌 에너지 시장의 트렌드인 분산화에 맞춰 재생에너지와의 조화를 통한 효율적인 전력망 구성을 위한 유연성 확대다. 이에 기존의 대형원전 위주가 아닌 다양한 용량의 원전 수요가 불가피하게 되었다.

 

<그림 3>  새로운 원자력 에너지 기술로서 SMR의 특징

 

OECD 원자력기구(NEA)가 2016년 발표한 ‘Small Modular Reactors Nuclear Energy Market Potential for Near-term Deployment’를 통해 활용 가능한 모든 발전 에너지원을 고려하여 최적의 에너지믹스를 산정한 결과, 전체 발전원 비중에서 재생에너지 비중 증가 시 전체 원자력 발전 발전설비 중 소형모듈원자로(SMR)의 비중도 증가할 것이라는 전망을 제시하였다. 또한 IEA는 2031년~2050년 매년 평균 24GWe의 신규 원자력 발전설비 증설이 이루어질 것으로 전망하였는데, 연평균 원자력 발전설비 증설 규모 24GWe 중 SMR의 비중을 16%, 33%, 50%로 가정하여 연평균 SMR 발전설비 증설규모를 추정한 결과, 2031년~2050년간 매년 증설 가능한 SMR 설비 규모를 최소 3.8GWe에서 최대 12GWe로 산출하였다. 2031년~2040년 설계수명 만료 원자로 중 SMR 교체 규모는 전체 원자력 발전 중 SMR 발전의 비중 조건 16%, 33%, 50%에 따라 각각 28.1GWe, 58.0GWe, 87.9GWe 규모로 추정된다.

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3. SMR 개발 경쟁

 

우리나라는 1978년 고리 1호기를 Turn Key 방식으로 도입한 이후, 1990년대에 기술자립을 이루어 OPR1000을 개발했다. 2000년대에 들어 APR1400을 개발했고 2009년 UAE에 수출하게 되었다. APR1400 설계는 2017년 유럽사업자요건 충족을 인증받았고 2018년에는 미국 NRC의 표준설계 인가를 취득하였다. 또한 1997년부터 소규모 전력생산 및 해수담수화를 목적으로 하는 소형원전 SMART 개발에 착수하여 2012년 세계 최초로 SMR 표준설계인가를 획득한 바 있다.

<그림 4> SMART 설계 개념 및 특징

 

 

SMR은 공장 생산이 가능한 300MWe 미만의 모듈 형태의 원자로를 말한다. SMR은 ①송전망이 충분하지 않거나 외딴 지역의 4GWe 미만 소규모 전력망 ②필요에 따라 발전용량의 점진적 추가를 희망하는 복합발전단지 ③노후 석탄 화력 발전소 대체 유휴부지 내 설치가 가능한 발전원 수요 충족 ④산업공정열 공급, 수소 생산, 해수담수화 등의 다목적 활용 등을 목적으로 개발되고 있다. 또한 계통 단순화, 고유안전성과 피동안전개념 적용을 통한 안전성 제고, 초기 투자비용 부담 경감, 발전 외에 다양한 산업분야로의 활용성 측면에서 대형원전 대비 강점을 보유하고 있다.

전 세계적으로 70여 종 이상의 SMR이 개발 중이며 제3+세대(3세대 원전 대비 안전성 강화) 경수로 원전 기반의 SMR이 31종으로 대다수를 차지하고 있으며 고온가스로, 고속로, 용융염냉각로, 초소형원자로가 개발되고 있다. 경수로 SMR은 인허가 시현성, 제작성 등의 측면에서 타 노형에 비해 상대적으로 빠른 시일 내에 시장에 진입할 가능성이 높은 노형으로 인식되고 있다. 미국의 NuScale은 설계인증이 완료되었고, 아르헨티나의 CAREM은 2023년까지 운영을 위한 모든 공사를 마무리 지을 예정이며, 중국의 ACP100은 상세 설계가 완료되어 건설 중이다. 러시아는 2020년부터 상업운전을 시작한 KLT-40S 포함하여 RITM-200 모델 등 개념설계 단계를 넘어선 5개 모델을 개발하고 있다. 고온가스로는 전기발전, 산업용도 및 열병합 발전에 사용할 수 있으며 750℃ 이상의 고온열을 제공할 수 있는 노형으로 2020년 현재 14개 모델이 개발되고 있다. 현재 가동 중인 HTR-10을 보유한 중국과 시험 원자로인 HTTR을 보유한 일본이 이 분야의 선두 국가이며 중국의 HTR-PM은 2021년 전기생산을 시작하였다.

액체금속냉각 고속로는 액체금속인 나트륨, 납, 납-비스무스 등을 냉각재로 사용하며 러시아, 미국, 한국 등에서 11개 모델이 개발 중이다. 러시아의 납냉각 고속로인 BREST-OD-300은 2026년 말 가동을 목표로 세베르스크에 건설하고 있다.

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4. 우리나라의 소형모듈원자로 개발 현황

 

우리나라는 제5차 원자력진흥종합계획 및 원자력연구 개발 5개년 계획에 기반하여 도전적 연구 개발 촉진 과제 중 하나로 SMR 혁신요소기술 개발 및 수출 지향 SMR 기술 개발이 계획되었다. 2012년 세계 최초로 소형원전 SMART의 표준설계 인가 취득을 통해 확보된 SMR 원천기술을 바탕으로 2022년 혁신형 SMR 기술 개발 사업을 착수하였다. 이 사업은 과학기술정보통신부와 산업통상자원부가 공동으로 투자하는 사업이며, SMR 기본설계는 한국수력원자력(주)의 자체사업으로, 표준설계 및 검증, 실험검증 및 인허가는 정부사업으로 추진된다. 설계, 혁신기술, 혁신제조의 세 가지 내역사업으로 구성되며 40개의 세부과제가 2023년부터 2028년까지 수행된다.

<그림 5>  혁신형 SMR 개발 개념

 

혁신형 SMR 기술 개발 사업의 목표는 기존 원전 대비 안전성, 경제성 및 유연성이 확보된 혁신형 SMR을 개발하여 2028년까지 표준설계를 완료하고 2030년대 시장에 진출하는 것이다.

<그림 6>  혁신형 SMR 기술 개발사업 목표 및 추진전략

안전성 강화를 위해 완전피동안전개념을, 경제성 강화를 위해 계통의 단순화를, 유연성 확보를 위해 부하추종 운전능력을 향상시켜 재생에너지와의 연계성을 강화하는 핵심기술을 개발할 계획이다. 구조화된 국내 원자력산업계의 역량을 결집하여 연구계는 개념설계 및 핵심 요소기술 개발·검증에, 산업계는 개념설계 이후 표준설계 주도와 기기 설계 및 제작에, 학계는 혁신형 요소기술 개발 및 지원에 인력을 투입하게 된다. 또한 사업 초기 단계부터 규제기관과 설계·규제기준에 대한 정보를 공유함으로써 인허가 이슈를 조기에 발굴하여 선제적으로 대응하는 체계를 구축할 계획이다.

백지 상태에서 시작하여 40여 년 만에 대형 경수로원전 기술자립을 이룩하고 수출까지 한 우리 원자력 산업계가 다시 한 번 저력을 발휘하여 혁신형 SMR을 적기에 개발하고 글로벌 원전 시장에서 우위를 점하여 2050 탄소중립 실현에 기여하기를 기대해 본다.

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저자

한국에너지기술평가원 원자력PD 최훈