소형 모듈형 원자로 SMR, MSR
무탄소 전력원으로 최근 공급망 문제로 초기 비용이 증가하고 있는 재생에너지의 대안으로 제시되고 그중에서도 기존 대형 원자력 발전보다 안전성이 확대되고 소형 모듈화 되며 건설이 보다 용이하고 활용에 다양성을 가미되어 관심과 투자가 집중되며 상용화에 근접한 소형 모듈형 원자로 (SMR, Small Modular Reactor)에 대해 정리해 보고자 한다.
우리나라 지면상에 올랐던 소형 모률형 원자로 영문 약어로는 보통 SMR이라는 용어가 쓰였으나, 조선소들이 선박용으로 활용키 위해 Seaborg사와 협업하며 MSR도 나오며 혹자들은 혼선이 있고도 하였기에 제목에 함께 적어 보았으나 뒤에 설명을 따로 하겠으나 결론적으로 얘기하면 MSR은 냉각을 용융염(Molten Salt)으로 사용하는 원자로로 소형 원자로의 하나이다.
소형 모듈형 원자로(SMR)는 무엇인가?
IAEA (International Atomic Energy Agency, 국제원자력기구)의 설명을 빌어 보자면 소형 모듈형 원자로(SMR)는 기존 원자력 발전용 원자로 발전 용량의 약 1/3에 해당하는 단위당 300 MW(e)의 전력 용량을 갖춘 첨단 원자로(Advanced Reactor)이다.
- Small (소형) - 물리적으로 기존 전통적인 원자력 발전용 원자로 대비 상당히 소형이고
- Modular (모듈형) - 공장에서 조립하여 하나의 단위로 설치 장소로 운반하는 것이 가능하며
- Reactor (원자로) - 핵분열을 이용 발생한 열로 에너지를 생산한다.
원자력 발전의 역사 (원자력 발전 세대 구분)
1942년 12월 2일 '원자폭탄의 설계자'라 불리는 엔리코 페르미(Enrico Fermi)를 위시한 과학자들이 시카고대학 운동장 지하에 설치한 '시카고 파일-1'로 불리는 세계 최초의 원자로에서 핵분열 연쇄반응을 지속시킴으로써 원자력 시대를 연 이후 1950년대 초 초기 원전이 개발되고 이후 안전성을 높이는 방향으로 지속 발전되어 왔다.
제1세대 (Early Proto-Type, 최초의 상업운전 목적 원전)
1954년에 세계 최초로 운전된 Obninsk 원전(5 MWe, 러) 등 1950년대에 건설된 원전
제2세대 (Commercial NPP[nuclear powr plant], 안전성과 경제성이 개선된 원전으로 현재 건설되는 경수로, 중수로의 초기 모델)
1974년에 운전된 Zion-1 원전 (1,000MWe, 미), 한국에서 최초로 상업가동한 고리 1호기(587 MWe)등 고리, 영광, 울진 지역의 가압경수로, 월성의 가압중수로 원전이 여기에 속함
제3세대 (Advanced LWR[light water reactor], 발전 용량이 확대하여 2세대 대비 경제성이 20 ~ 30% 정도 향상된 모델)
1990년대 후반 일본에 건설된 1,350MWe 급 개량비등경수로, 미국의 AP600 및 한국의 APR1400(신고리 3, 4호기 등)이 여기에 속함
제3.5세대 (Evolutionary LWR, 3세대 원자로에 안전성 강화)
제3세대 원전을 개량한 AP1000, EPR, ACR1000, ARP+ 같은 개량 원전이 있음.
제4세대 (Advanced Reactor, 안전성, 경제성 측면에서 혁신적 개선이 이뤄진 비 경수로형 원자로)
2030년 이후에 실용화 될, 원자력의 안전성과 친환경성, 핵확산저항성을 획기적으로 향상시킨 소듐 냉각고속로(SFR)와 원자력 수소 생산 시스템 구축을 위한 초고온가스로(VHTR) 등의 원전이 개발되고 있음.
소형 모듈형 원자로(SMR)를 위시한 4세대 원자로 개발 확대
2011년 일본 후쿠시마 원자력 발전소가 쓰나미에 의해 발전소 내 정전 발생 및 이로 인한 냉각계통의 문제 발생으로 중대사고가 발생하며, 세계 각국은 원전 건설 계획을 보류하는 한편 원전 안전성을 강화하게 되며 새로운 원자력 기술에 대한 요구가 높아지고 그 결과 4세대 원자로에 대한 투자 및 개발이 가속화되었다.
핵잠수함과 항공모함이 기원
사실 소형 원자로는 아주 새로운 것은 아니고 본래 군사용 및 특수 목적용으로 사용되던 것으로 미국에서는 핵잠수함과 항공모함에 러시아에서는 핵잠수함, 항공모함과 더불어 북극 쇄빙선에 사용하고 있었고, 지금의 SMR은 이러한 배경을 갖고 있는 미국이 주도하고 있다.
우리의 스마트는 러시아 기술협력으로
한편 1997년 개발이 시작되어 2012년 세계 최초로 표준설계 인가를 획득한 한국의 100 MW(e) 소형 일체형 원자로 스마트(SMART, System-integrated Modular Advanced ReacTor)는 아이러니하게도 우리가 우방이라 칭하는 서방이 기술이전을 꺼리게 되어, 러시아의 OKBM사로부터 기술을 이전받아 한국원자력연구권이 개발한 원자로이다.
지금 K-방산의 부흥을 이끌고 있는 전차 흑표, 지대공 미사일 천궁, 하다못해 K2 소총까지 모두 불곰 사업의 일환으로 러시아로부터 기술이 들어오고, 한국형 발사체 나로호가 러시아의 기술 협력으로 개발되었던 것과 마찬가지이다.
대형 원전과 소형 모률형 원전의 비교
SMR은 피동 안전 시스템을 채택하고 단순화된 설계, 일체형 설계로 냉각계통 배관의 파단 사고 등의 가능성을 제거하고 높은 안전성을 확보하는 것을 설계적 특징으로 하고 있으며, 모듈화 된 설계로 공장에서 일체화 조립된 모듈을 옮겨 단순 설치하게 되며 2010년대 초반 대규모 공사지연으로 대폭적인 비용 증가를 야기시켰던 시공 Risk를 차단하고 소형화되며 부지 요건이 완화되는 등 다양한 장점을 보유하고 있다
| 구분 | 대형원자 원자로 | SMR |
| 안전성 | 체르노빌, 후쿠시마 등 대형 사고 발생 이력 | 소형화, 피동형으로 사고 발생위험 회피 설계 |
| 부하 조절 탄력성 | 대용량 출력 고정으로 기저부하로 활용 | 확장 가능하고, 부하에 따른 운전 가능 |
| 시공 Risk | 현장 작업 비중이 높음 (시공 Risk 大) 건설비 변동성 높음 |
공장 작업 비중이 높음 (시공 Risk 低) 건설비 변동성 낮음, (예측 가능) |
| 원자로 크기(상대) |  150 : 1 |
|
| 안전성 (비상계획구역) |
반경 16 km | 반경 2 km |
| 부지 요건 | 573 m³ / MW(e) (APR1400 기준) |
단위 출력당 부지 면적 대략 1/2 |
| 투자 비용 | 60 ~ 120 억 USD | 10 ~ 30 억 USD |
| 활용 분야 | 발전용 | 담수용, 재생에너지 백업전원, 대형선박 추진용 해상 발전용 |
| 개념도 비교 |  개념도 출처, 혁신형소형모듈원자로기술개발사업단 (아주 예전 SMART 소개자료 Copy로 보임) |
|
※ 출처, 소형모듈형원전(SMR) 글로벌 산업 동향, 산은조사월보 2022.11. (원출처, 세계원전시장 인사이트, 에너지경제연구원[2021.10])
+ ANSTO(Australian Nuclear Science and Technology Organisation)
+ 혁신형소형모듈원자로기술개발사업단(i-SMR)
주요 SMR 개발 동향
국내에서도 현 정권에서 힘주어 밀고 있는 SMR은 북미 유럽을 중심으로 전 세계적으로 경쟁적으로 개발 중에 있고 23년 11월 기준 총 56개의 설계 개발이 진행되고 있으며(출처, NEA[Nuclear Energy Agency] SMR Dashboard) 중국과 러시아를 제외하고 현재 서구 시장에선 미국의 NuScale사의 개발속도가 가장 빠른 것으로 평가하고 있다.
| 모델명 | 개발사 | 국가 | 용량 MW(e) |
타입 | 현황 |
| BWRX-300 | GE Hitachi Nuclear | 미국/ 일본 |
300 | 가압경수로 |
설계 완료,
2028년 상용화 예정 |
| eVinci™ | Westinghouse | 미국 | 5 | 히트파이프 |
설계 중,
2027년 상용화 예정 |
| VOYGR | NuScale Power | 미국 | 77 x 12 | 가압경수로 |
미국 NRC 디자인 인증 심사 중,
2029년 상용화 예정 |
| i-SMR | 한국수력원자력 | 한국 | 170 | 가압경수로 |
기본 설계 완료,
2033년 상용화 예정 |
| SMART | 한국원자력연구소 | 한국 | 100 | 가압경수로 |
표준설계 인허가 획득
사우디 수 |
| ACP100 | CNNC | 중국 | 125 | 가압경수로 | 건설 중 |
| Xe-100 | X-energy | 미국 | 80 | 고온 Gas 냉각 | 설계 중 |
| HTR-PM | China Huaneng | 중국 | 210 | 고온 Gas 냉각 | 운전 중 |
| ABWR-160 | Hitachi Zosen Inova | 일본 | 160 | 가압경수로 |
설계 완료,
2029년 상용화 예정 |
| CMSR-50 | Seaborg | 덴마크 | 50 | 용융염 냉각 가압경수로(MSR) |
설계 완료,
2028년 상용화 예정 |
| KLT-40S | OKBM | 러시아 | 35 x 2 | 가압경수로 | 운전 중 |