소형을 넘어 초소형 원자로에 도전한다

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소형을 넘어 초소형 원자로에 도전한다

2019년 6월 1일 (토) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2019년 6월호 - 전체 보기 )

소형을 넘어 초소형 원자로에 도전한다

안전성과 경제성을 갖는 실용적 원자로

소형원자로 개발은 우리나라가 세계적으로도 앞서 있는 분야 가운데 하나다. 한국원자력연구원에서 개발한 ‘SMART’라는 소형원자로 모델은 상용화를 비롯해 해외 수출을 목전에 두고 있다. 이번에는 초소형 원자로 개발도 이루어질 예정이다. 울산과학기술원(UNIST)이 5월 8일 바다에서도 안전한 초소형 원자로 개발을 시작한다고 밝혔다. 초소형 원자로는 극지와 해양-해저 탐사선과 부유식 발전선용을 목표로 4년간 추진된다. 정부는 이번 사업에 4년간 30억 원을, 울산시는 6억 원을 지원할 계획이라고 한다. 이 소식과 함께 소형원자로 기술의 현황을 짚어보았다.

글 강창대 기자

UNIST 기계항공 및 원자력공학부의 황일순 석좌교수 팀의 ‘초소형 원자로 개발’이 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 원자력연구개발사업 중 ‘원자력융합기술개발’ 과제에 선정됐다. 앞으로 2단계(2년+2년)에 걸쳐 추진될 이 과제에는 울산광역시가 최대 6억 원, 정부가 최대 30억 원을 투자할 계획이다. 이번 사업은 UNIST가 과제를 주관하며 울산대와 경희대, 한국과학기술원(KAIST), 서울대, 한국원자력대학원대학교(KINGS), ㈜무진기연 등이 참여할 예정이다.

황일순 교수는 4년 동안 초소형 원자로 개발과 관련해 “극지와 해양-해저를 탐사하는 장비와 바다 위에 떠서 전력을 생산하는 원자로의 개념을 설계하는 것”이라며 “장기적으로는 지금까지 없었던 혁신적인 ‘피동안전성’(Passive Safety)과 경제성을 갖는 실용적인 초소형 원자력 발전 동력을 추구”하는 것이라고 계획을 밝혔다. 또, 연구진은 ‘핵안보성’과 ‘핵비확산성’, ‘환경성’, ‘수송성’, ‘용량 확장 능력’은 물론 전체 수명 기간인 40년 동안 핵연료를 교체하지 않는 방식을 염두에 두고 있다. 이런 내용을 실증 시험으로 입증해 4년 후에는 개념설계를 확정하는 게 목표라고 한다.

해양-해저 탐사의 동력원이나 부유식 원자로에는 국제적으로 정해놓은 피동안전성 요건이 있다. 피동안전성은 원자로에 사고가 생겨도 자연력으로 안전성을 확보하는 것을 뜻하는데, 원자력 관련 분야에서는 핵심적인 요소 가운데 하나다. 연구진은 국제 규제요건을 충족하는 피동안전성을 토대로 기계와 재료, 열수력 및 안전계통, 핵연료, 핵설계, 방사성폐기물, 핵안보, 조선 해양 등 핵심분야를 융복합해 경제성을 극대화한 초소형 원자로 개념설계를 도출할 계획이다.

초소형 모듈 원전, MMR

원자력 산업계에 따르면, 저농축 우라늄을 연료로 사용하는 경수로는 안전성과 경제성 부분에서 근본적인 한계를 가지는 것으로 알려져 있다. 핵연료를 교체하는데 막대한 비용이 들어가는 데다 방대한 비상대피구역을 마련해야 하고, 핵안보와 핵비확산 그리고 사용후핵연료 관리 등 해결해야 할 문제가 남아 있다. 이번 과제에서는 전체 수명 동안 핵연료를 교체하지 않은 초소형 고속로 원천기술을 개발하고 안전성을 입증하는 것이 목적으로, 이는 경수로가 가진 한계를 근본적으로 해결해 ‘초소형 모듈 원전’(Micro Modular Reactor: MMR) 시대를 여는 데 기여할 것으로 전망된다.

황 교수는 “미래 원자로는 기존에 있던 안전 논란에 종지부를 찍는 동시에 경제성도 혁신적으로 개선된 형태가 돼야 한다”며 “초소형 모듈 원자로는 그 대안이 될 수 있으며, 이 기술을 ‘액체납 냉각 고속로 기술’과 접목하면 40년 동안 핵연료 교체 없이 가동되는 해양-해저 탐사선이나 부유식 발전선용 동력원으로 사용할 수 있을 것”이라고 내다봤다. 황 교수는 이어 “전수명 초소형 원자로는 안전성과 경제성이라는 두 마리 토끼를 한 번에 잡을 수 있을 것”이라며 “과제를 수행하면서 국내외 연구계와 산업계가 다양한 형태로 정보를 교류할 수 있는 기회도 마련해 특허 확보와 기술사업화 등 산학협력을 촉진할 것”이라고 덧붙였다.

한편, 울산광역시에서는 원자력 분야 전문인력 양성과 확보를 위해 이번 과제에 매년 시비를 지원하기로 결정했다고 한다. 울산광역시와 울주군에는 새울원자력본부가 설치돼 상용 ‘APR1400 원자로’가 운영되고 있으며, 조선해양 산업을 지역 주력 산업으로 삼고 있다. 이번 해양-해저 탐사와 부유식 원자로 개발 사업은 이러한 입지를 기반으로 진행될 예정이다.

중·소형원자로 SMR

MMR보다 규모가 큰 SMR은 ‘Small Modular Reactor’ 또는 ‘Small and Medium Sized Reactors’를 의미하고, 흔히 소형원자로 중·소형원자로로 일컫는다. 우리나라는 1997년부터 SMR 개발에 착수해, 2010년 12월에 독자적인 기술로 완성한 소형원자로 SMART 표준설계 완료 및 인가 신청에 들어갔고, 2012년 7월 4일에 인가를 획득했다.

SMART(System-integrated Modular Advanced ReacTor) 원전은 100㎿급 소형 원전이다. 주요 기기를 하나의 용기 안에 배치한 일체형 원자로이다. 배관이 없어 배관 파손으로 인한 사고 가능성을 원천적으로 차단함으로써 안전성을 획기적으로 향상했다는 평가를 받고 있다.

2014년 2월부터 2015년 1월까지 사우디에 SMART를 도입하기 위한 공동 타당성 조사를 진행한 후, 2015년 3월에는 한국과 사우디의 SMART 공동파트너십 추진을 위한 MOU를 체결했다. 2015년 9월 2일(현지 시간), 사우디에서 한국원자력연구원과 사우디 왕립 원자력신재생에너지원(K.A.CARE) 간에 SMART 원전 건설 전 상세설계(PPE, Pre-Project Engineering) 협약을 체결했다.

2018년 12월 27일에는 한국원자력연구원과 한국수력원자력㈜이 ‘SMART 표준설계변경인가 공동 추진 협약’을 체결했다. 이 협약은 두 기관이 SMART의 표준설계변경인가 획득사업을 공동으로 추진하고, 이를 시작으로 사우디를 포함한 중동지역 등에 대한 SMART 수출에 적극 협력한다는 내용을 담고 있다. ‘표준설계인가’는 동일한 설계의 원자로를 반복 건설하고자 할 경우, 인허가 기관이 원자로 및 관계 시설의 표준 설계에 대해 종합적인 안전성을 심사해 인허가를 승인하는 제도를 말한다.

SMR 시장, 2035년에 약 ‘21GW’ 수요 전망

한국원자력연구원이 개발한 SMR 모델인 SMART 원전은 열출력 330MW로 대형 상용 원전의 10분의 1 수준인 ‘소형 원전’이다. 세계원자력에너지협회(IAEA)는 300MW급 이하를 ‘소형원자로’, 700 MW이하를 ‘중형원자로’로 분류하고 있다. SMR은 발전용수가 적게 들어 해안이 아닌 내륙에도 건설이 가능하며, 건설비용이 저렴하고 건설기간이 짧다는 장점이 있다. 게다가 해수담수화 및 열 공급도 가능하다. 따라서 초기 투자비용이 상대적으로 소규모라는 점이 소형원자로의 강점으로 꼽힌다. 이외에도, 안전성 구현이 용이하다는 점도 강

점이다. 대형 원자력 발전소와 달리 배관 없이 주요기기를 하나의 용기 안에 배치 때문에 배관이 파손돼 발생할 수 있는 사고의 가능성이 없다.

SMART는 전력만 생산하는 대형 원전과 달리 전력 생산과 해수담수화에 동시에 활용 가능한 장점도 있다. 원자로 1기로 인구 10만 명 규모의 도시에 전력(약 9만㎾)과 마실 물(하루 4만 톤)을 동시에 공급할 수 있다.

국가 전체 전력 소비량이 적어 대형 원전을 건설하기에 부적절한 소규모 전력망 국가, 인구가 특정 지역에 집중돼 있지 않고 넓게 분산돼 있어 대형 원전을 건설할 경우 송배전망 구축비용이 과도하게 소요되는 분산형 전원 국가, 물 부족 국가 등이 SMART의 잠재적인 수요국으로 볼 수 있다.

미국, 러시아, 아르헨티나 등도 새롭게 열릴 일체형 원자로 시장을 차지하기 위해 개발에 박차를 가하고 있다. SMR 개발이 활기를 띠게 된 시점은 2008년 고유가 시기다. 당시, 다수의 글로벌 기업들이 SMR시장에 투자하여 다양한 모델의 개발이 추진되었고, 2014년 기준으로 가동되고 있는 SMR은 2기로, 중국은 300㎿ 규모의 가압경수로 형식의 SMR인 CNP-300을, 인도는 220㎿규모의 가압중수로 형식의 SMR인 PHWR220을 운영하고 있다.

세계 소형원자로는 10여 개 이상의 국가에서 약 40개 모델들이 개발 중에 있다. 현재로서는 SMART가 상용화에 가장 가까우며, 미국 NuScale(2억1,700억 USD 지원) 경우 2017년 1월 설계인증 인허가를 신청한 상태이고, 약 40개월 가량이 소요될 것으로 전망된다. 세계소형원자로 시장은 NEA/IAEA 2014년 보고에 따르면 낙관적으로는 2035년에 약 21GW의 수요가 예측되며, 2020년에서 2035년에 신축되는 원전 개수의 약 9%를 차지할 것으로 예상한다. 보수적인 관측으로는 2035년 약 9GW에 이를 것으로 내다보고 있다.

한국원자력연구에 따르면, 5월 5일 사우디아라비아 알팔레(H.E. AlFalieh) 에너지산업광물자원부 장관이 연구원을 방문, SMART 원자로 사업 추진 현황을 점검하고, 연구원에서 원자로 설계 기술 교육을 받고 있는 자국 엔지니어들을 격려했다.

SMART 종합열수력검증시험장치(SMART-ITL)

원자로는 국내 상용원전 APR1400의 호기당 건설비는 4조 원 규모인 반면 SMART 원전은 약 1조 원으로 추정된다. 또한, 외부로 연결되는 대형배관이 없어 배관 파손으로 인한 사고 위험성 적고, 별도의 비상전원이 아닌 중력 등 자연의 힘으로 작동하는 등 피동안전 개념 채택이 용이해 안전성이 높다는 평가를 받고 있다(출처: 한국원자력연구원).