러시아 우크라이나 침공 전쟁이 장기화하면서 화석연료의 대안을 마련하려는 움직임이 분주해지고 있다. 세계 주요국은 소형모듈원자로(SMR)를 대안으로 주목하고 있다. 대형 원전 대비 안전하면서도 유연하게 발전량 조절이 가능하기 때문이다.

24일 국제원자력기구(IAEA)에 따르면 미국 프랑스 일본 등은 80종 이상의 SMR 노형 개발을 추진하고 있다. 세계 SMR 시장은 2035년 630조원 규모로 성장할 것이라는 전망이다.

SMR은 출력이 대형 상업원전의 약 5분의 1 수준인 차세대 소형 원전이다. 원전의 핵심 기기인 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등을 하나의 용기로 모듈화 한 것이 특징이다. 대형 상업원전에 비해 안전성이 높고 입지 선정이 자유롭다.

SMR은 크게 네 가지 형태로 분류된다. 사용하는 냉각재와 연료에 따라 경수로형, 고온가스형, 용융염냉각형, 소듐냉각형으로 분류하며 형태별로 특장점을 갖는다.

경수로형 SMR은 냉각재로 물을 사용하는 원자로다. 대형원전의 경수로 기술을 활용할 수 있다는 장점 덕에 인허가가 쉽게 떨어진다. 개발사로는 미국 뉴스케일파워와 영국 롤스로이스 등이 있다. 두 회사는 각국 정부의 조 단위 투자를 바탕으로 건설 인허가를 빠르게 진행하고 있다. 러시아는 35㎿급 경수로형 원자로를 운전하고 있다.

특히 뉴스케일파워는 2020년 9월 미국 원자력규제위원회(NRC)로부터 77㎿(메가와트)급 SMR인 ‘VOYGR’에 대한 표준설계 허가를 받았다. 아이다호국립연구소(INL) 부지에 시범 플랜트를 건설해 2029년 송전하는 것을 목표로 하고 있다. 미국 정부로부터 부지 제공, 개발 자금, 초도호기 건설비, 정부 간 협약 등 강력한 지원을 받고 있다.

한국에서도 두산에너빌리티, 삼성물산, GS에너지 등이 뉴스케일파워에 지분을 투자하며 사업 개발에 협력하고 있다. 두산에너빌리티는 지분 투자를 통해 뉴스케일파워로부터 수조원 규모의 기자재 공급권을 확보했다. 2019년 SMR 제작성 검토 용역을 수주받아 작년 1월 완료했고, 현재 시제품을 제작하고 있다.

현대건설도 경수로형 SMR 사업에 공을 들이고 있다. 이 회사와 협약을 체결한 미국 홀텍사는 사막이나 극지에서도 쓸 수 있는 160㎿급 경수로형 소형 모듈 원자로(SMR-160)를 만들고 있다.

고온가스형 SMR은 헬륨을 냉각재로 사용한다. 비활성 기체인 헬륨을 냉각재로 사용하기 때문에 섭씨 1000도 수준의 초고온에서도 화학반응이 없다. 이와 함께 기존 경수로 원전 원료 대비 우라늄 농축도가 높은 삼중피복(TRISO) 핵연료를 사용한다. 테니스 공 크기 핵연료를 세라믹 등으로 3중 코팅해 외부 전원이 상실되거나 운전원 조치가 불가능한 극한 상황에서도 노심 용융이 발생하지 않는다.

두산에너빌리티는 미국 엑스에너지가 개발 중인 고온가스형 SMR에서도 주기기 제작 설계를 맡았으며, 주기기 제작에 참여를 추진 중이다. 엑스에너지가 개발하는 고온가스로 SMR(모델명 Xe-100)은 총 발전용량 320㎿ 규모로, 80㎿ 원자로 모듈 4기로 구성돼 있다. 운전 중 750도 헬륨으로 가열된 물이 565도의 증기로 변해 터빈을 가동한다.

기존 물을 냉각재로 하는 경수로(증기 온도 275도) 대비 고온 운전이 가능해 전력 생산 효율이 상대적으로 높고 경제적으로 수소를 생산할 수 있다. 현대엔지니어링도 캐나다 정부, 한국원자력연구원, 미국 SMR 개발사인 USNC 등과 공동으로 캐나다에서 고온가스로 SMR 건설에 나설 예정이다. 2025년까지 캐나다 초크리버에 실증 플랜트 건설 및 시운전 완료를 목표로 하고 있다. 일본이 개발중인 고온시험연구로(HTTR)로 고온가스형 SMR이며, 중국은 210㎿급 고온가스로 HTR-PM 실증로 건설을 마치고 2021년 11월 송전을 개시했다.

용융염냉각형 SMR은 핵연료가 냉각재에 녹아 있는 형태의 용융염을 연료로 활용하는 방식으로 액체연료 원자로라고 불린다. 용융염이 핵연료의 방사성 물질을 구속하고 핵분열 생성물이 운전 중에 지속적으로 제거돼 원자로 정지 시 잔열도 고체 핵연료 대비 40% 정도로 낮아 고유 안전성이 높다.

연료와 냉각재를 한데 뭉쳐놓기 때문에 SMR의 가장 큰 장점인 소형화를 극대화할 수 있어 ‘선박용 SMR’도 개발 중이다. 용융염원자로 개발사인 덴마크 시보그는 작년 4월 삼성중공업과 해상 원자력 발전 설비 개발을 위한 기술협력 양해각서(MOU)를 맺었다. 미국선급협회(ABS)가 선박 적용 타당성 조사를 2020년 완료했으며 이르면 2025년 상용화가 가능할 것으로 보인다.

우리가 흔히 알고 있는 주기율표의 11번째 원소 나트륨(Na)인 소듐을 냉각재로 활용하는 소듐냉각형 SMR 중에선 빌 게이츠가 투자한 미국 테라파워가 가장 잘 알려져 있다. 작년 5월 SK그룹은 테라파워와 포괄적 사업 협력을 위한 MOU를 맺었다. SK그룹은 테라파워의 SMR 기술, 방사성 동위원소 생산 역량과 SK의 사업 영역을 연계해 다양한 협력 기회를 발굴할 예정이라고 밝혔다.

한편 한국은 전기 출력 기준 170㎿ 노심을 가진 일체형 원자로 4개로 구성된 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR)를 개발중이다. 최근 공개된 설계안에 따르면 냉각수 내 붕산을 없애 폐기물 발생량을 줄이고 노심 안전성을 높이는 ‘무붕산 운전’ 등 신기술 등을 도입한다. 방사성 물질의 외부 유출을 막기 위한 핵연료 피복재, 원자로 건물 내·외벽 등 5중 방벽을 갖춘다.

원자로는 지표면의 흙을 30m가량 파 내려간 뒤 나오는 단단한 암반층 위에 건설한다. 노심 온도가 설계 온도보다 15% 이상 올라도 견딜 수 있도록 하고 출력 대비 두 배 이상 많은 냉각수를 보유하도록 할 예정이다.

각 원자로는 30㎝ 이상 두꺼운 철제형 격납용기로 밀폐한다. 대기압의 최대 40배 수준 고압에도 견딜 수 있도록 할 계획이다. 현행 상용 원전의 여덟 배 수준이다. 만약의 사태에도 내부 진공을 유지하며 방사성 물질의 외부 방출을 막고 발화 및 폭발 현상을 원천적으로 차단한다.

원자로 위에는 민간 항공기 충돌도 견딜 수 있는 발전소 건물을 짓는다. 전체 발전소 부지는 축구장 넓이 정도에 불과하다. 방사성 물질이 유출됐을 때 사람의 접근을 금지하는 면적을 발전소 부지 내부에 그칠 수 있도록 하는 것이 목표다. 현재 원전 사고 시 반경 30㎞ 이내의 주민을 대피시키는 것과 비교해 차이가 크다.

모든 안전 계통은 전기 공급이 끊겨도 작동할 수 있도록 설계한다. 외부 전력이 필요한 펌프를 이용해 냉각재를 순환시켜야 하는 대형 상업 원전과 달리 자연대류를 통해 냉각재를 순환시킬 수 있게 하는 것이 핵심이다.

김한곤 i-SMR 사업단장은 “모든 인간은 실수할 수 있고 모든 기계는 고장 날 수 있다는 것을 염두에 둔 설계가 심층방어 설계”라며 “i-SMR의 사고 위험은 10억 년에 한 번에 불과할 정도”라고 했다. 한국이 체코에 수출하는 최신형 상업용 원자로 APR1000 사고 확률의 1000분의 1 이하 수준이라는 설명이다.

김진원 기자 jin1@hankyung.com