SMR(Small Modular Reactor)

SMR은 Small Modular Reactor(소형 모듈 원자로) 또는 Small Medium Reactor(중소형 원자로)의 약어로써, 국제원자력기구(IAEA)는 이해 편의성 측면에서 전기출력 규모로 대용량(1,000MW 이상), 중형(300~700MW), 소형(300MW 미만)으로 구분하고 있다. 따라서 1990년 대 초반부터 IAEA는 SMR의 의미를 중소형원자로(Small and Medium-sized Reactor)로 사용해 왔으나 2000년대 중반 이후 미국에서 시작된 개념으로 소형모듈원자로(Small Modular Reactor, 300MW 이하의 모듈형 원자로)로 정의하고 있어서 현재 두 의미가 구분 없이 300MW 이하의 원자로를 통칭하여 혼용되고 있다. SMR은 송전망이 충분하지 않거나 외딴 지역에 소규모 전력을 공급하기 위해 개발됐으며, 크기를 작게 하기 위해 대형 원전의 핵심 기기인 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등이 하나의 용기에 일체화된 원자로 모듈(module) 형태로 만들어진다. 또한 원전에서 사고 발생 시 운전원의 별도 조작 없이 원전 안전성을 유지하는 피동형 설계가 반영돼 위험이 제거됐다. SMR은 건설 부지 면적이 작기 때문에 전 세계적으로 노후 석탄 화력 발전소를 청정에너지로 대체하는 데 기여할 것이다.

SMR의 작동 원리 

SMR의 작동 원리는 일반적인 원자력 발전소와 유사한데 핵분열을 통해 핵연료인 우라늄 등의 핵원료에서 원자핵이 분열하면서 열에너지를 방출하고, 이 열에너지는 물을 가열하여 증기를 생성하고, 이 증기는 터빈을 회전시켜 발전기를 작동시켜 발전하는 것이다. 대형 원자력 발전소에서 각각 따로 건조하는 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등 여러 가지 장치들을 하나의 원자로 모듈화 시키고 크기를 줄여 상대적으로 낮은 초기 투자 비용과 빠른 시공 기간을 가질 수 있다. 또한 SMR은 화력발전과 달리 이산화탄소 배출을 줄이는 친환경적인 발전 방식으로 간주되며, 신재생에너지와 함께 고려되고 있는 대안 에너지로 주목받고 있다.

SMR의 장·단점과 활용

SMR은 여러 기술적 장점 및 활용성을 주목받고 있으며 기존의 대용량 원자로와 상대적인 비교대상이 되기도 한다. 그러나 SMR은 대용량 원자로와의 경쟁적 관계보다는 상호 보완적인 위상으로 정립되고 있다. 일반적인 SMR의 장·단점과 활용성은 다음과 같다.

장·단점

고유안전기술, 피동안전기술 등 신기술 접목이 용이하여 안전성 및 신뢰성이 높다.
공장에서 완전하게 제작·조립하여 현장으로 이동하여 직접 설치하므로 건설 공기가 짧다.
소요 부지규모가 작으며 건설비용이 적어 비용투자의 위험성이 낮다.
용량규모가 작아 비상계획구역(Emergency Planning Zone)이 줄어든다.
모듈형 건설이 가능하므로 용량규모를 수요에 따라 조정할 수 있다.
국가 전력망이 빈약하거나 전력수요가 낮은 지역에 기저전력으로 사용할 수 있다.
경제성은 대용량 원자로에 비해 떨어지나 타 에너지원 대비 경쟁력을 가질 수 있다.
신기술이 접목된 SMR에 대한 인허가제도(기준, 법규 등)가 미흡하고 기자재 하부구조산업이 형성되지 않아 공급성 문제가 있다.

활용

분산전원으로 활용(산업지역, 격리지역, 송전망 부족지역, 특수시설 전원 등), 화석연료발전소 대체발전, 열병합 발전(열과 전력 동시 생산), 해수담수화 에너지원, 지역난방, 산업공정용 열생산, 선박추진 동력원 등 다양한 방면에 활용될 것으로 예상된다.

 

SMR의 종류

 

다음은 중요한 몇 가지 형태의 SMR을 소개한 것이다.

 

1. 경수로형 SMR

경수로형 SMR은 소형모듈원전(Small Modular Reactor, SMR) 중에서도 경수로(Sodium-Cooled Fast Reactor)를 냉각재로 사용하는 원자로 시스템을 말한다. 소형모듈원전은 대용량 발전원자로에 비해 작은 규모이며, 동일 원자로를 복제하여 모듈 개념으로 건설할 수 있는 특징을 갖고 있다. 이러한 중소형원자로(SMR)는 안전성, 기술성, 활용성 등 여러 측면에서 주목받고 있으며, 대용량 발전소 도입이 어려운 일부 국가에서 상용화할 목적으로 개발되고 있다.

경수로형 SMR의 특징

액체 금속 나트륨을 냉각재로 사용 : 경수로형 SMR은 액체 금속 나트륨을 냉각재로 사용하여 원자로를 냉각한다. 이는 물을 냉각재로 사용하는 기존의 원자로와 달리 더 높은 온도와 압력에서 운영할 수 있게 해 준다.
모듈형 구조 : 소형모듈원전의 특성상 중복되는 모듈로 구성된다. 이는 원자로의 증설이 비교적 쉬워짐을 의미하며, 발전소 운영 및 유지보수에 유연성을 부여한다.
작은 발전량 : 대형 원자력 발전소에 비해 작은 발전량을 가지며, 일반적으로 100~300MW 정도의 발전량을 가진다.
탄소중립 정책에 적합 : 탄소중립을 위해 대체 발전 수단으로 각국에서 관심을 받고 있으며, 탈석탄 정책과도 연계하여 에너지 전환에 기여할 수 있습니다.

 

장단점

작은 규모 : 작은 규모로 발전이 가능하여 보다 다양한 지역에 설치가 가능하다.
모듈형 구조 : 모듈형 구조로 증설이 비교적 용이하며, 유연성과 경제적 효율성을 제공한다.
안전성 : 경수로의 특성으로 인해 더 높은 온도와 압력에서 작동하므로 발전소 운영의 안정성을 높인다.
초기 투자비용 : 초기 투자비용이 상대적으로 높아 일부 국가에서 도입에 어려움을 겪을 수 있다.
폐기물 처리 : 원자로 발전에 따른 중성자 활성화로 인한 폐기물 처리 문제가 있을 수 있다.

경수로형 SMR

2. 소듐냉각고속로 SMR(Sodium-cooled Fast Reactor, SFR)
소듐냉각고속로(SFR)는 고속 중성자를 이용하여 핵분열을 일으키는 원자로로, 금속인 소듐(Na)을 냉각재로 사용한다. 기존의 경수로나 중수로와 달리 높은 에너지의 고속 중성자를 활용하여 핵분열 반응을 수행하며, 이러한 고속중성자는 핵분열 과정에서 반감기가 긴 독성물질을 줄여주고 재사용 가능한 원전 연료를 증식시킬 수 있다. 또한, 소듐은 물보다 낮은 압력에서 끓는점이 높기 때문에 원자로의 압력을 낮출 수 있어 안전성을 향상시키고 발전소의 열효율을 증가시킨다.

소듐냉각고속로(SFR)의 특징

지속가능성 : 제4세대 원자로로서 지속가능성, 경제성, 안전성, 핵확산저항성 등의 기술목표를 만족합니다.
노후 연료 처리 : 사용 후핵연료를 파이로프로세싱으로부터 회수하여 효과적으로 연소시켜 사용 후핵연료의 처분량을 감소시킬 수 있습니다.
우라늄 이용률 증가 : 고속중성자로 인해 우라늄 이용률이 이론적으로 60배 수준으로 증가합니다.

장단점

경제성 : 사용 후핵연료 처리를 통해 처분량 감소 및 우라늄 이용률 증가로 경제적 효율성을 제공한다.
효율성 : 높은 열효율과 발전소 운영의 안정성을 통해 효율적인 발전이 가능하다.
오염물질 배출 감소 : 사용후핵연료 처리로 인해 고준위 폐기물 양을 줄이고 환경오염물질 배출이 감소된다.
안전성 : 물보다 높은 압력에서 끓는점이 높기 때문에 안전성이 크게 향상된다.
초기 투자비용 : 개발 초기에는 우라늄 자원 고갈 문제를 해결하기 위해 노력이 필요하며 초기 투자비용이 상대적으로 높을 수 있다.

SFR

3. 고온가스로 SMR(high-temperature gas-cooled reactor, HTGR) 
고온가스로(SMR)는 세라믹 피복입자 핵연료를 사용하고 흑연을 감속재로, 헬륨을 냉각재로 사용하는 원자로이다. 이러한 조합으로 섭씨 700도 이상의 높은 열을 안전하게 발생시킴으로써 높은 효율의 전력생산, 공정열, 수소생산 등이 가능해진다. 고온가스로는 초기에 750~950°C의 온도에서 작동하는 초고온 원자로(Very-high-temperature reactor, VHTR)의 전신이자 4세대 원자로 모델 중 하나인 high-temperature reactor (HTR)의 일종이다.

고온가스로 SMR의 특징

높은 열효율 : 고온가스로는 높은 온도로 작동함으로써 높은 열효율을 제공합니다.
안전한 운영 : 핵연료를 균일하게 분산시켜 노심 용융사고를 예방하고, 냉각재와 핵연료의 온도차이를 최소화하여 안전한 운영이 가능하다.
다양한 용도 : 높은 열을 생성하므로 전력생산뿐만 아니라 공정열 및 수소생산 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

장단점

높은 효율 : 높은 온도로 작동하여 높은 열효율을 제공한다.
다양한 용도 : 공정열과 수소생산 등 다양한 용도로 활용할 수 있어 유연성이 있다.
핵연료 재활용 : 세라믹 피복입자 핵연료를 사용하여 핵연료 재활용이 용이하다.
초기 개발 비용 : 고온가스로는 높은 온도에서 작동하고 높은 효율을 제공하기 위해 고급 기술과 소재가 필요하므로 초기 개발 비용이 높을 수 있다.

4. 용융염로 SMR(Molten Salt Reactor, MSR)
용융염로(Molten Salt Reactor, MSR)는 1차 냉각 계통으로 용융염을 사용하는 원자로 유형이다. 이러한 원자로는 용융염의 특성인 낮은 증기압과 안정성을 활용하여 높은 열효율을 제공한다. MSR에서 사용되는 핵연료는 고체 연료봉을 사용하거나 핵연료를 용융염으로 녹여 냉각재에 집어넣음으로써 연료 집합체가 없어지고 원자로 구조의 간소화, 연소도의 균일화, 그리고 원자로 작동 중에도 재처리를 할 수 있게 된다. 주로 UF4 형태로 녹인 핵연료를 용융염에 집어넣는 방식이 많이 사용되고 있다.

용융염로 SMR의 특징

높은 열효율 : 용융염의 높은 열전달 성질과 안정성으로 인해 높은 열효율을 제공한다.
안전한 운영 : 핵연료를 녹인 용융염 형태로 사용하여 노심 용융 사고의 위험이 줄어든다.
연료 재처리 가능 : 원자로 작동 중에도 재처리를 할 수 있어 핵연료의 재활용이 가능하다.
다양한 연료 사용 가능 : 용융염은 핵연료로 우라늄과 토륨을 모두 사용할 수 있어 연료의 다양성이 확보된다.

장단점

높은 열효율 : 용융염의 높은 열전달 성질로 인해 높은 열효율을 제공한다.
안전성 : 노심 용융 사고의 위험이 줄어들어 운영상의 안정성이 향상된다.
연료 재처리 가능 : 원자로 작동 중에도 재처리를 할 수 있어 핵연료의 재활용이 가능하다.
연료 다양성 : 우라늄과 토륨 모두 사용 가능하여 핵연료 다양성이 확보된다.
기술적 도전 : 용융염로는 기존 원자로와는 다른 기술과 노하우를 요구하며, 개발과 상용화에 기술적 도전이 있을 수 있다.

SMR의 개발 과정 

상업전력 생산목적의 SMR 개발은 1980년대부터 시작되어 개발역사는 오래되었지만 실제 건설되어 운영된 원자로는 없다. 현재 개발 중인 원자로기술은 경수로가 주력 노형이지만 가스냉각로, 고속로 등을 망라하고 있다. 경수로형 SMR의 형태는 loop형과 Integral형(일체형) 두 종류가 있으나 일체형이 주류이다. 서방세계와 기술기준이 다르지만 러시아는 다양한 SMR형 원자로를 개발하여 항공모함, 잠수함, 쇄빙선 등의 선박추진동력용으로 이용하기도 했다. SMR은 아직 완성이 안된 개발이 진행 중인 기술이다. 세계 각국은 나라별로 기술 개발에 투자하고 있으며 기후위기를 대처할 수 있는 수단으로 여겨지고 있다.

대한민국의 SMR 개발 과정

한국에서 개발되는 SMR은 "SMART"로 1997년 개발에 착수하여 2012년 세계최초로 SMR형 원자로 표준설계 인허가를 규제기관으로부터 획득했다. 100 MWe급 출력규모로 전력생산 및 해수의 담수화, 열에너지공급 목적으로 개발되었고, 피동 및 능동 안전기술 혼용한 안전성을 높인 일체형 원자로이며. 2015년 12월부터 사우디아라비아와 3년 예정으로 건설 예비설계를 공동으로 수행하였다. 그러나 소형원전으로서 안전성 향상을 위한 기술적 진전을 이루었으나, 경제성 측면에서 대형원전을 넘지 못해 상업원전 시장에 진입하지 못했다. 그런데 탄소중립을 위해 대형뿐 아니라 소형원전 시장이 열리고 기술 발달로 모듈화를 이용하여 용량 측면에서 소형원전의 경제성 한계를 극복할 가능성이 보이고 있다. 우리나라는 위에서 언급했듯이 세계 최초 표준설계인허가를 받은 SMART라는 SMR이 있으나 매우 빠르게 성장하고 있는 후발주자들에 대응하고 발전시장에서 경쟁하기 위해 2021년부터 산·학·연 협동으로 ‘혁신형 SMR(가칭 iSMR)’ 개발을 시작하였다. iSMR은 무한냉각, 모듈화, 혁신 핵연료, 혁신제조기술, 자율운전, 디지털트윈, 통합제어실, 재생에너지 연계의 혁신 기술을 적극적으로 도입하였으며, 계획대로 연구개발이 완료되면 안전성 및 경제성 측면에서 세계 최고 수준의 SMR이 될 전망이다. 대한민국의 SMR 개발은 여러 산업 및 기관들의 협력으로 진행되고 있으며, 친환경적이고 경제적인 원자력 발전 기술의 개발에 많은 관심과 지지가 있다. 또한 경제성과 기술적인 한계를 고려하여 개발이 진행되고 있으며, 국제적인 협력을 통해 더 많은 기술 발전이 기대되고 있다.  

미국의 SMR 개발 과정

NuScale은 미국의 대표적인 기업으로서 소형모듈원자로(SMR)를 개발하고 있고, 해당 기술은 중소형 핵발전소를 구축하여 새로운 원자력 발전 방식을 제시하고 있다.

2014년 이후 미국 에너지부(DOE)는 NuScale의 SMR 개발을 가속화하기 위해 약 4억 달러 이상의 자금을 지원해 왔다. 2017년에 미국 원자력규제위원회(NRC)는 NuScale의 SMR 설계 인증 신청을 승인하였다.

설계 특징: NuScale의 파워 모듈은 고온의 물을 이용하는 고급 경수 SMR로서 60 MW 전력을 생산할 수 있다. 각 발전소에는 최대 12개의 모듈을 수용할 수 있으며, 이는 대형 원자로의 약 1/3 크기이고 고유한 설계로 인해 이 원자로는 추가적인 물, 전력 또는 운영자 조작이 필요하지 않고 스스로 냉각될 수 있으며, 이로 인해 비상 계획 구역이 축소될 수 있다.

NuScale은 미국 내외에서 SMR 기술 개발에 적극적으로 참여하고 있으며, 중요한 발전이 진행 중이라고 볼 수 있다. 그러나 일부 관련 기관에서는 NuScale의 비용 및 안전 문제에 대한 우려를 제기하고 있으며, 이러한 이슈들을 극복하고 규모 경제를 달성하기 위해 더 많은 노력이 필요할 수 있다. 

현재 지구상에는 대기의 온실효과로 인하여 기후변화가 심각하게 일어나고 있으며 전기를 생산하는 과거의 방식으로는 기후 변화를 막을 수 없다. 따라서 새로운 대체 에너지가 필요한데 현실적으로 가까이에 있는 방법 중의 하나가 SMR이다. 그러나 SMR의 장점에도 불구하고 원자력을 사용함으로써 발생하는 방사능 누출의 문제는 완전히 해소되는 것은 아니며 경제성에 있어서도 넘어야 할 과제가 많다. 앞으로 SMR은 많은 기술 발전이 이루어질 것으로 예측되고 대체에너지 원으로서 많은 기여를 하게 될 것이다.