SMR

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1. 개요[편집]

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Small Modular Reactor(소형 모듈식 증식로)의 준말. 기존 대비 작은 용량과 모듈식 설계를 채택한 원자로를 뜻한다.[1]

2. 상세[편집]

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원자력 발전은 기존의 화력 발전을 압도하는 수준의 대출력을 낼 수 있으며, 동시에 신재생 에너지보다도 적은 수준의 탄소를 발생시키는 친환경성까지 갖추고 있었으나, 치명적인 방사선을 내뿜는 사용 후 핵연료를 대규모로 남기고, 사고가 발생하면 수습하기 까다로운데다 조기에 수습하지 못하면 체르노빌 원자력 발전소 사고, 후쿠시마 원자력 발전소 사고 같은 환경에 반영구적인 수준의 악영향을 남기는 초대형 사고로 번진다는 치명적인 단점을 가지고 있었다. 때문에 앞서 말한 사고들이 발생하고 나서[2] 대형 원전 시장이 명맥이 끊길 위기에 처하자 원전업계에서 새로운 먹거리로서 의욕적으로 추진하고 있는 기술이다. 이 기술의 당위성에 대해 업계에서는 차원이 다른 안전성과 원전의 경제성, 친환경성을 모두 챙긴 신개념 원전이라는 식으로 설명하고 있다.

먼저 안전성 측면에서, 원자력 발전은 이론적으로 출력이 증대될수록 안전성이 낮아진다. 사실 전자석식 제어봉 구동계통의 도입 이후 원자로의 출력폭주 문제는 사실상 해결되었다.[3] 원자력의 가장 골칫거리는 다 타고 남은 연료가 불안정한 상태라는 점인데, 사용후 핵연료가 여전히 방사성 열을 내뿜고 있기 때문에 원자로는 핵분열 반응을 정지시킨 후에도 연료의 열을 식혀주기 위해 펌프를 돌려 며칠 동안 열을 식혀줘야 한다. 열이 식지 않은 연료는 녹아내릴 수도 있고 물과 반응해 가연성 수소를 만들어내기도 한다. 그리고 이론적으로 이 붕괴열이 식는 속도는 원자로 출력이 높아질수록 기하급수적으로 느려진다. 따라서 반대로, 출력이 낮아질수록 붕괴열이 식는 속도는 기하급수적으로 빨라지는 것이다! 이를 이용해 원자로의 개당 출력을 낮추고, 대신 원자로를 한 발전소에 여러 개를 집어넣어 총 출력을 맞춘다는 개념으로 접근한다면 근본적인 안전성 문제를 획기적으로 잡으면서 경제성까지 잡을 수 있다는 것이 개념. 실제로 SMR 분야에서 가장 설계가 앞선 NuScale 사는 사고 발생 시 반경 내 주민들이 대피해야 하는 구역 Emergency Planning Zone(EPZ)가 700m 수준으로 사실상 발전소 바깥 주민들이 대피해야 할 필요조차 없다! 라고 홍보하고 있다.

SMR의 특징은 기존에 아예 다른 장치로 독립되어 있던 핵심 장비들이 모두 원자로 안에 통합되어 있다는 점이다. SMR은 자연대류만으로 노심을 냉각할 수 있도록 설계되므로 강제대류용 대형 펌프는 없어도 되고[4], 초대형 노심을 냉각하기 위해 사용하는 초고압(BWR은 70~80기압, PWR은 150기압)수도 필요하지 않고 비교적 낮은 압력의 냉각수를 사용할 수 있어서 대형 가압기도 필요가 없다. 원자력 발전소 중대사고 연구 시 아예 대주제로 분리되어 있을 정도로 사고 위험이 있는 외부 냉각수 배관도 당연히 생략되고, 원자로 압력용기 내부에서만 돌기 때문에 두꺼운 강철 외피가 통째로 뚫리는 골 때리는 상황이 아니고서야 냉각수 고갈 문제도 적다. 따라서 필요한 장비를 모두 포함하고도 크기를 크게 줄일 수 있도록 작은 크기와 출력을 가지도록 설계하며, 그 덕분에 도서산간지역에 쉽게 배치할 수 있고 아예 바다에 담가놓는 방식으로 냉각문제를 해결하는 컨셉까지 존재한다.

또 대형 원전의 경우 2차 냉각재가 순환하고, 또 다시 유입되는 거대한 냉각수 풀이 필요해서 해안이나 강가 부지를 요구하기 때문에 이런 지형이 없는 나라나 지역에서는 건설이 어려운데[5], SMR은 규모가 작으므로 부지 문제도 상대적으로 자유롭다. 따라서 핵확산 문제가 해결된다면 이런 나라들에 원전 세일즈를 진행하는 것이 가능해서 시장의 급격한 확대를 기대할 수 있으므로 기존 원자력 강국들이 앞다투어 뛰어들고 있다.

외부 연결관이 전선 빼고 다 생략되다보니 압력용기를 완전 밀폐형으로 제작할 수 있다. 따라서 핵연료를 중간에 인출하지 못하도록 제작할 수도 있어서 핵확산 저항성을 높일 수 있다. 모든 SMR 노형이 이렇게 연구되고 있는 것은 아니지만 원전 시장에서 높은 점수를 받을 수 있는 설계 컨셉임은 분명하다.

보통 경수로형이 개발되고 있지만 기존의 4세대 대형원전 설계와 결합되어 액체금속 냉각재나 용융염 원자로 방식을 채택한 경우도 있다.

재밌는 것은 소형 모듈식 원자로라는 이름이지만 격납용기 안에 주요 기기를 모두 넣은 탓에 실제로 원자로 크기만 보면 기존 원전에 비해 1.5~2배 가량 크다는 점이다. 물론 횡으로 보면 펼쳐진 1차 계통 기기들이 안에 들어가 있으니 기존 원전보다 작아진 것은 맞다.

발전소를 놓기에는 전력 수요가 부족하고 기존 전력망을 끌어오기엔 비용이 너무 큰 도서산간지역의 전기 공급에도 대안이 될 것으로 여겨지고 있다. 현재 연구중인 컨셉으로는 매우 작은 크기와 발전 용량 덕분에 냉각수나 기타 복잡한 안전 장치 없이 대류현상 등의 자연적인 힘 만으로 냉각이 가능해 운전중에는 물론 각종 자연재해나 사고시에도 안전을 확보할 수 있으며 모듈식이라는 이름에 걸맞게 여러 공장에서 각각의 파트를 생산하고 현장에선 조립만 하는 식으로 원자로의 규격화 및 그로 인한 건설 단가 하락을 꾀하는 형태다.

상용화가 될 시 위에 언급한 도서산간지역의 전력 공급 문제는 물론 원전의 발전 비용 중 가장 큰 부분을 차지하는 건설 단가를 낮추는데 일조할 수 있다. 예를 들어 캐나다 북부의 광산지대는 거주지역인 남부와 거리가 멀어 송전설비를 갖추기엔 경제성이 좋지 않다. 그래서 화석연료를 운반하여 사용하는 비효율적인 방법을 사용해 왔는데, SMR을 사용한다면 이 문제가 해결될 수 있다.

다만 아무리 원자력이라 기존 에너지원보다 싸다고 해도, 규모의 경제 문제는 여기도 예외가 없어서 기존 대형 원전 대비 효율성(크기 대비 출력 등)이 낮은 것은 어쩔 수 없는 문제이다. 그러나 탄소중립을 위해 신재생에너지 발전이 적극적으로 도입되면서, 기존의 에너지 구성을 발전량이 들쑥날쑥한 신재생에너지를 보완할 수 있도록 유연성 전원을 같이 두어야 하는데, 기존의 대형 원전은 대표적인 경직성 전원으로 쉽게 출력을 조절할 수 없다.[6] 원자로는 기본적으로 출력이 쉽게 조절되지 않도록 플러스-마이너스 제로에 가깝게 모든 변수들을 조정해놓았으며, 이 일종의 관성은 노심의 출력이 높을수록 강해지기 때문이다. 그러나 SMR은 출력이 낮으므로 출력 조절이 비교적 쉬우며, NuScale을 필두로 현대 SMR의 대세 설계인 모듈형 구성을 채택하면 10개 가량의 모듈을 운전하다가 출력을 60%로 낮추라는 요청이 들어오면 4개를 끄고 6개만 운전하는 등의 방식도 가능하다. 따라서 유연성 전원으로서 신재생에너지의 보조 역할을 수행할 수 있으며, 이것이 최근 에너지 업계에서 SMR을 화력발전의 대체재로 여기는 분위기의 이유이다. 반대로 대형원전의 경쟁자로 보는 업계인은 별로 없다. 한쪽은 기저전원, 한쪽은 유연성 전원으로 역할이 다르기 때문.

현재 SMR은 공동연구 형태가 아닌 각 설계사가 독자 모델을 내놓고 있는 형태로 시장이 흘러가고 있다. 커다란 격납용기 안에 복잡한 형상의 기구들을 몰아넣고 용접해야하는 구조 때문에 초기 비용이 대형 원전보다 비쌀 수밖에 없는데, 지속적인 생산을 통해 노하우가 쌓이고 연구개발비를 회수하는데 성공하면 비용은 지수적으로 하락할 것이다. 때문에 업계에서는 SMR 시장은 거의 80여개에 달하는 설계안 중 먼저 상용화되고 수주를 받아 안정적으로 운영하는데 성공하는 한 자릿수의 설계만이 살아남고 나머지는 모두 도태될 것이라고 전망하고 있다.[7]

SMR은 수소 경제에 있어서 블루 수소를 값싸게 생산할 수 있어서 수소 경제 확대의 핵심으로 여겨진다. 다만 현재 우리나라에서는 원자력 발전 사업자의 수소 생산업 진출이 법으로 금지되어 있기 때문에 개정이 필요한 부분이다.

3. 역사[편집]

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• 2021년 4월 14일, 혁신형 SMR 국회포럼이 출범하였다. 이 시점 기준 미국, 중국, 러시아 등 주요 원전 강국이 70여종의 SMR을 개발 중이다.

• 2022년 3월 시점, SMR도 원자로는 원자로기 때문에 반핵 단체들에서는 반대 기조가 있다. 탈원전을 메인 어젠다로 내건 문재인 정부 측에서도 임기 중반까지는 원자력계 연구 예산을 대폭 삭감하면서 SMR 연구도 큰 타격을 입었던 것은 사실이다. 다만 후반기에는 기후변화에 대한 세계적 트렌드 유턴과 탈원전 관련 악화되는 여론을 의식해서 SMR이 여당 측에서도 부각되는 등 연구 인프라가 좋아지고 있으며, 후임 대통령 윤석열은 기존 정부의 탈원전 정책으로 공사가 멈춘 원전을 다시 재개한다는 것과 동시에 SMR 개발 등의 관련한 원자력 공약을 발표했지만 관련 예산은 삭감했으며 추가 원전건설은 2025년이 되어서야 재개될 예정이다. # #

• 2022년 4월 28일, 한국원자력연구원(KAERI)과 선박해양플랜트연구소(KRISO)가 핵추진선박용 SMR 개발을 시작했다. #

• 2022년 5월 30일, 스탠포드 대학교와 브리티시컬럼비아대에서 수행된 공동연구에 따르면 SMR은 발생되는 핵폐기물의 총량을 줄여주지 않는다. SMR은 필연적으로 중성자의 유출에 의한 핵폐기물의 발생량이 높고, 작은 크기에서 오는 비효율성을 보상하기 위해 종래에 비해 처리가 곤란한 연료와 냉각제를 사용하도록 설계되기 때문에 사용후 핵연료의 방사능 독성(radiotoxicity)이 높아서, 동일한 전력 생산 시에 발생되는 방사능 물질의 총량은 오히려 종래의 원자로의 2배 내지 30배 수준으로 증가한다는 결론이 나왔다.

• 2022년 6월 29일, 워렌 버핏이 소유한 미국 회사 '미드 아메리칸 에너지'가 SMR 사업에 뛰어들었다.

• 2023년 3월 15일, 영국의 자동차 회사 롤스로이스가 2029년까지 달의 인간 거주용 소형 원자로를 만들겠다고 했다. #

4. SMART 원자로[편집]

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  자세한 내용은 스마트 원자로 문서를 참고하십시오.