탈원전 파도를 SMR로 뛰어 넘는다

채인택 중앙일보 국제전문기자 ciimccp@joongang.co.kr
중앙일보 논설위원 역임. 문화부, 국제부, 과학기술부 등에서 근무 코소보 전쟁, 9.11테러 등의 사건 취재 및 보도 지휘.

‘차세대 원자로는 어떻게 더욱 작고, 친환경적이며 안전해질 것인가.’

미국의 PBS방송 인터넷판은 2020년 2월 12일 이런 제목의 기사에서 소형 모듈원자로(SMR·Small Modular Reactors)라는 새로운 원자력 기술의 시 대가 열리고 있다고 보도했다. PBS는 미국 정부와 원자력 업체들이 SMR 도 입에 핵심적인 설계인증을 추진하고 있다는 내용도 소개했다. SMR은 전통적 인 원자력 발전소와 비교해서 더욱 안전하고 효율적으로 탄소중립적(탄소 배 출이 없다는 의미)인 에너지를 생산할 수 있다는 게 보도의 요점이었다. 차세 대 원자력 발전 모델로 SMR이 본격적으로 떠오르고 있다.

2020년 2월 초 의미 있는 움직임이 포착됐다. 미국 에너지부(DOE·Department Of Energy)가 원자력 기술 분야에서 자국의 글로벌 경쟁력을 유 지하기 위한 정부 노력의 일환으로 첨단 원전기술 전문업체들을 불러 회의를 열었다. 미국 에너지부는 SMR을 기후변화와 싸우기 위한 주요 수단으로 판단하고 있으며 이 신기술이 탄소 배출이 전혀 없는 원자력 에너지의 생산을 촉진 할 것으로 기대한다고 방송은 전했다. 이에 따라 미국 정부가 업계와 함께 설 계인증 취득을 위해 본격적인 노력을 쏟기 시작한 것으로 관측된다.

전세계적으로 탈원전이 대세라는 일부 전망과는 달리 SMR 논의는 점점 뜨거워지는 추세다. 최근 원자력 산업계의 화두가 단연 SMR이다. 미국 오 레건주 코밸리스에 있는 원전 업체인 뉴스케일파워(NuScale Power)는 에 너지부의 재정 지원을 받아 SMR을 개발하고 있다. 이 업체는 유타지역전력 (UAMPS)이 2026년 상업운전을 목표로 아이다호 주에 건설하는 미국 최초의 소형 원전에 SMR을 공급할 예정이다. 이 SMR은 용량이 60MW로 4만5000 가구가 사는 소도시 하나에 충분히 공급할 수 있는 전력을 생산할 수 있다. 뉴 스케일파워의 SMR은 최근 세계 최초로 미국 원자력규제위원회(NRC)의 4단 계 설계인증 심사를 통과했다. NRC는 한국의 원자력안전기술원에 해당하는 미국의 원전 규제기관이다. 4단계 인증은 NRC 설계 인증 6단계 중 기술적으 로 가장 중요한 부분이다. 이에 따라 설계인증 4단계 심사 통과는 NRC가 뉴 스케일 SMR에 대해 더 이상 기술적으로 검증할 부분이 없음을 의미한다. 이 업체는 올해 9월 최종 설계인증 승인을 목표로 삼고 있다. 이처럼 ‘꿈의 원자 로’라고 불리는 미래형 원전은 이미 우리 눈앞에 나타났다.

주목할 점은 미국 NRC의 움직임이다. 사실 미국 정부는 아직 SMR의 건 설을 허가한 적이 없다. 하지만 조만간 허가가 이뤄질 조짐이 곳곳에서 나타 나고 있다. 2019년 12월 NRC가 ‘테네시강 유역개발공사(TVA·Tennessee Valley Authority)’에 SMR 프로젝트를 위한 최초의 부지 허가를 내준 것이 근거다. TVA는 아직 SMR 건설 계획을 확정하지는 않았지만 이번 허가를 받으면서 앞으로 이를 선택할 수 있는 옵션을 확보했다. TVA가 SMR의 건설을 결정할 경우 NRC의 허가는 SMR 시대의 전개를 촉진할 역할을 하게 될 것 으로 기대된다.

사실 미국은 1979년 3월 28일 펜실베이니아 주 해리스버그 시에서 16㎞ 떨어진 스리마일 섬 원전 2호기의 가압수로형 원자로에서 발생한 노심 용융 사고 뒤 대형 원전의 신규 건설을 중단했다. 이로 인해 상용 원전 건설 수요가 사라지면서 미국 원전업체들은 공급망(Supply Chain) 유지에 심각한 타격을 입었다. 원전업체들이 사업을 축소하거나 중지함에 따라 자국은 물론 해외 건 설도 할 수 없는 상황이 됐다. 오랫동안 건설 경험이 없고 엔지니어들도 뿔뿔 이 흩어져 새롭게 원전 시장에 뛰어들기가 쉽지 않다. 심지어 미국 내 몇몇 대 형 원전에서 신규 원자로 추가 건설이 시작됐지만 공기가 늦춰지면서 비용이 천정부지로 뛰는 상황이다. 그런데 미국은 새롭게 개발한 SMR을 전국적으로 건설할 태세다. 사우디아라비아 등 해외 시장에도 적극적으로 진출할 모양새 다. 물론 현재 개발이 이뤄지거나 설계가 진행 중인 SMR은 현실적으로 몇 년 이 지난 다음에야 상업운전에 들어갈 수 있을 것으로 전망된다. 하지만 미국 의 원자력 관련 연방기관이나 지역 기관들은 신속한 신기술 적용을 위해 총력 전을 펼치고 있다. SMR의 장점이 워낙 다양하기 때문이다.

뉴스케일파워 SMR 원자로 건물 내부
뉴스케일파워 원자로 모듈

SMR의 장점을 알려면 개요부터 파악해야 한다. SMR은 이름대로 기존 의 대형 원전보다 발전 용량이 적은 소형 원전을 가리킨다. 대형 원전의 발 전용량은 아무리 작아도 500MW 이상, 신형은 1000MW를 넘는다. 하지만 SMR은 통상 모듈 당 발전용량이 300MW 이하인 것을 가리킨다. 일부에선 500MW 이하를 기준으로 삼기도 한다. 전 세계적으로 약 50여개의 업체가 자체 SMR을 개발하고 있는데, 경제협력개발기구(OECD)는 2035년까지 최대 21GW의 SMR이 건설될 것으로 내다보고 있다.

앞서 소개한 뉴스케일파워의 SMR은 이 SMR들 중 선두주자로 꼽힌다. 그 이유는 혁신적인 설계를 채택함과 동시에 경제성도 확보했기 때문이다. 뉴스 케일파워의 SMR 원전에는 12기의 원자로 모듈이 설치되며, 각 모듈은 이중 압력용기로 보호되고 있고 각각의 모듈은 독립적으로 터빈/발전기에 연결되 어 있다. 그리고 대형수조에 담긴 채 운전되기 때문에 쓰나미나 허리케인과 같은 자연 재해로 인해 외부로부터 들어오는 전력이 끊기거나 추가적으로 냉 각수가 공급되지 않는 상황이 발생하더라도 수조의 물이 냉각수 역할을 하기 때문에 안전하다.

국내에서도 SMR 개발은 활발하게 진행되고 있다. 국내에서 개발 중인 SMART SMR도 상용화를 눈앞에 두고 있다. SMART는 각국이 경쟁적으로 개발하는 SMR 중 최초로 표준설계인가(Standard Design Approval)를 취 득했다. 뿐만 아니라 사우디아라비아와 공동 개발에 협력하고 있으며, 사우디 아라비아도 첫 건설을 추진하고 있다.

SMR 업계의 전문가들은 소형 원전의 장점에 대해 크게 네 가지로 설명했다.

첫째, SMR은 기존 대형원전 대비 안전성을 대폭 강화했다. 뉴스케일파워 SMR의 경우 펌프를 활용하여 원자로의 열을 식히는 대형원전과 달리, 내부 에 펌프가 없는 혁신적인 설계를 갖고 있다. 이에 따라서 외부 전력이 끊기더 라도 원자로의 열이 높아지지 않으므로 안전성을 유지할 수 있다. 게다가 발 전소가 이상 상태를 보일 때 운전원이 별도 조작을 하지 않더라도 자연적으로 발전소가 안전성을 유지하는 것을 피동형(Passive) 설계라고 하는데, SMR은 이러한 피동형 설계를 잘 구현하고 있다. 기존의 대형원전에도 안전설비가 잘 구축되어 있지만, 뉴스케일파워의 SMR은 대형원전에 비해서도 3000배 안전 하다는 평가를 받고 있다.

원전 사고에 대비해 각국 정부가 특별 관리하는 지역을 비상계획구역이라 고 하는데, 뉴스케일파워의 SMR은 가로, 세로 230m가 비상계획구역이다. 이는 대형원전의 반경 16㎞에 비해 획기적으로 작다. 이러한 안전성에 힘입 어 뉴스케일 파워의 SMR은 도시 근교나 노후 화력발전소 부지에 건설될 수 있다.

둘째, 용량이 작고 부지가 적게 들어서 건설비가 적게 든다. 대형 원전의 경우 선진국에 건설하더라도 투자 자금이 워낙 대규모여서 이를 회수하는 데 20~30년이 든다. 이 때문에 프로젝트 자금 마련이 워낙 쉽지 않은 상황이다.

자금 확보 여력이 없는 개발도상국의 경우 선뜻 뛰어들기도 어렵다. OECD 는 회수 능력 등을 감안해 국가별로 국제 대출자금의 이율을 조절하는데 선 진국이 연리 2~3%라면 개도국은 6~8%나 된다. 개도국에 부담이 클 수밖에 없다. 거대한 자금이 들어가는 대형 원전은 개도국에서 엄두를 내기 힘든 이 유다.

반면 SMR은 거대한 자금을 운용할 수 있는 선진국이 아니더라도 건설과 상업운전이 가능하다. 최근 들어 인도네시아 등 개발도상국에서도 원전에 대 한 수요가 늘고 있는데 이를 충족할 수 있는 것이 SMR이라는 게 업계의 설명이다.

발전 용량이 적은 SMR을 설치하면 굳이 광활한 지역에 걸쳐 많은 비 용을 들여 전력망을 구축할 필요가 없다. 예로 사우디아라비아의 경우 1200~1400MW 용량의 대형 원전을 지을 경우 10개 미만으로 전국의 수요 를 충족할 수 있다. 하지만 국토가 워낙 넓어 전력을 송배전하는 전력망을 전국에 연결하는 데 들어가는 비용이 원전 건설비용보다 더 들어갈 수 있다. 사 우디아라비아의 땅덩어리는 한반도의 10배쯤인 215만㎢이다. SMR은 넓은 사막에 수십~수백㎞마다 오아시스 도시가 듬성듬성 흩어져 있는 사우디아라 비아나 대도시에서 먼 산악지대나 극지방 오지에 탄광도시가 있는 캐나다 같 은 나라에서 특히 유용하다. 대신 곳곳에 SMR을 여러 기 지어야 한다.

SMR은 대형 원전에 비해 규모의 경제를 만족할 수 없어 경제성이 비교적 낮다는 의견이 있다. 특히 국토가 좁고 전력망이 이미 촘촘하게 연결된 선진 지역에선 경제성이 미흡하다는 것이다. 그러나 SMR은 대신 국토가 광활한 지역이나 전력망이 제대로 깔리지 않은 곳에선 경제성을 살릴 수 있다. 국토 가 넓은 미국, 캐나다, 호주나 개도국 진출이 용이한 이유다. 경제개발을 위해 전력공급 확충이 절실한 동유럽에도 안성맞춤이다. SMR을 앞세운 엄청난 미 래 원자력 시장이 눈앞에서 열리고 있는 셈이다.

셋째, SMR은 신재생 에너지원과 궁합이 잘 맞는다. 신재생 에너지원은 ‘출 력 간헐성’이라는 제약이 있다. 태양광이나 풍력 발전 같은 재생에너지는 날 씨에 따라 가동률이 들쑥날쑥 할 수밖에 없는데 이를 가리키는 용어다. 출력 간헐성은 정전이 일어날 가능성도 높인다. 정전은 햇빛이나 바람이 부족할 때 만 나타나지 않는다. 예로 폭풍이 불어 풍력 터빈이 과도하게 돌아 과도한 전 력이 생산되어도 정전이 발생할 수 있다.

이 때문에 재생에너지를 안정적으로 가동하려면 백업이 될 수 있는 다른 발 전소가 필요한데 SMR은 여기에 안성맞춤이라는 게 업계 관계자의 설명이다. SMR은 융통성이 낮은 대형 원전과 달리 발전용량을 분 단위로 미세하게 조절 할 있기 때문이다. 전력수요의 변동에 대응하여 발전소의 출력을 탄력적으로 조절할 수 있다는 이야기다. 이를 부하추종운전(負荷追從運轉·Load Follow Operation)이라고 한다.

백업을 위해 오염원이 적은 LNG를 사용하는 경우가 많은데 그렇다 하더라 도 탄소 배출은 줄일 수 없다. 탄소 배출이 전혀 없는 SMR은 지역 사회에서 다른 재생에너지와 상호보완적으로 결합하면서 공존할 수 있다. SMR은 원전 과 재생에너지가 상호 대립적이 아니라 상호 보완적이라는 사실을 잘 보여준 다. 특히 탄소와 미세먼지 등 오염물질의 배출을 줄이기 위해 노후 화력발전 소의 문을 닫게 되면 그 대안으로 SMR을 고려할 수 있다.

넷째, 일부 SMR은 원자로에서 생산하는 열을 이용해 증기터빈을 돌려 전 력을 생산·공급하는 데서 그치지 않고 지역사회에서 필요로 하는 다양한 에 너지 수요를 동시에 충족할 수 있다. 예로 SMR에서 생산하는 열로 지역난방 을 공급하거나 해수의 담수화, 수소 생산 등에 이용할 수도 있다. 특히 수소 생산의 경우 원자로의 열과 터빈/발전기에서 발생하는 전력 일부를 사용하여 고온에서 수증기를 전기 분해한다. 한 마디로 원자로를 가동해 나오는 열로 생산한 증기로 터빈을 가동해 전기만 생산하던 기존의 원자로에 비해 더욱 다 양한 에너지 공급원이 될 수 있는 셈이다. 전기 발전 이외에 지역난방이나 해 수 담수화의 에너지원으로 쓰기가 용이하다는 점은 SMR이 지역 개발의 돌파 구 역할을 할 수 있다는 이야기다. SMR은 에너지원의 확보나 운송에 많은 비 용이 드는 넓은 사막 지역이나 극지방, 또는 오지에서 특히 유용하다. 적용성 이 넓은 SMR을 통해 과거 비용이나 접근성 문제로 방치됐던 극지방이나 산 간 오지를 본격적으로 개발할 수 있다는 점은 각국 정부가 적극적으로 관심 을 갖는 이유의 하나다.

이 4가지 외에도 SMR의 이점은 더 있다. SMR의 또 다른 장점은 기존 대형 원전에 비해 부지를 훨씬 작게 차지한다는 사실이다. SMR은 재래식 원전 에 비해 훨씬 좁은 공간에서 원자력 에너지를 생산한다는 이야기다. 예로 뉴 스케일파워가 설계한 720MW 용량의 발전소는 기당 60MW짜리 SMR 12기 로 이루어져 있는데 54만 가구에 전력을 공급할 수 있다. 이 발전 시설이 차지 하는 부지는 35에이커(14만1600㎡)로, 단위 면적당 발전용 MW의 양을 따 지면 SMR은 미국 대형원전과 비교해 효율이 17배나 되는 것으로 나타났다 고 PBC는 보도했다.

국회예산정책처 자료에 따르면 한국 대형원전의 1MW당 부지 면적은 745 ㎡에 이른다. 720MW의 발전을 위해선 53만6400㎡의 부지가 필요하다는 이야기다. 단위 발전용량당 SMR보다 3.7배나 많은 부지가 대형원전에 필요 한 셈이다. 게다가 다양한 시설과 건물이 필요한 대형 원전과 달리 SMR은 일 반 건물 안에 설치할 수 있어 건설비용이 더욱 절감된다고 업계 관계자는 설명했다.

더욱 놀라운 점은 SMR을 모듈 단위로 원자력 생산 시설에서 제작해 운영 하는 지점으로 운송할 수 있다는 점이다. PBS는 재래식 대형 원전 건설이 도 시의 블록 하나를 건설하는 것이라면, SMR 설치는 비행기 한 대를 조립하는 수준에 지나지 않는다고 비유했다. 단위 발전용량당 건설비용을 획기적으로 줄일 수 있다는 이야기다. 게다가 뉴스케일의 SMR은 원전의 상징처럼 된 두 꺼운 콘크리트 돔의 설치가 필요 없어 건설비가 더욱 절감된다. SMR은 원자 력 폐기물 배출이 줄어드는 장점도 있다.

문제는 이런 국가에 진출하려면 정부 차원의 노력이 필요하다는 점이다. 통상 원전 수출에선 가격이나 기술적 이점과 함께 수입국에 제공해줄 수 있는 ‘알파’가 필요하다. 국제사회에선 이를 ‘블록’이라고 부른다. 미국이나 프랑스 는 해당국가에 국방 지원 등 정부 차원의 도움을 줄 수 있다. 중국은 샤우디아 라비아에 대해 원유수입 비중을 높이는 ‘당근’을 내걸고 자국산 원전 수입을 제안했다. 이런 블록 제공은 최고 통치자 차원에서만 결정할 수 있다. ‘원전 수출이 대통령이 움직여야 한다’는 이야기가 공공연하게 돌 수밖에 없는 이유 다. 지도자의 의지는 원자력 수출의 가장 큰 경쟁력이 된다.

두산중공업과 미국 뉴스케일파워(NuScale Power)의 소형모듈원전(SMR) 사업협력계약 체결식. 왼쪽부터 장재성 IBK투자증권 M&A·PE 본부장, 나기용 두산중공업 원자력사업부문장, 존 홉킨스 뉴스케 일파워 CEO, 송용진 두산중공업 전략·혁신부문장

미국 SMR 사업에는 한국의 두산중공업이 본격적으로 참여하고 있다. 2019년 7월 미국 SMR 업체인 뉴스케일파워에 투자하기로 계약을 맺은 두 산중공업은 12월 22일에 IBK투자증권을 비롯한 국내 투자사들과 4400만 달 러(약 470억원)의 지분 투자를 마쳤다. 두산중공업은 7월 계약 때 주식매매 계약 및 원자로 모듈·기타 기기 공급을 위한 사업협력계약을 동시에 체결했 다. 이날 참여한 인사는 두산중공업에서 나기용 원자력사업 부문장과 송용진 전략·혁신 부문장, 뉴스케일파워에서 존 홉킨스 CEO, IBK투자증권에서 장재성 본부장 등이었다.

원자로 모듈은 뉴스케일파워가 설계한 SMR의 핵심 부분인 원자력 증기공 급계통(NSSS)인데, 원자로 모듈에서 핵연료가 분열하면서 생산한 열로 증기 를 발생시킨다. 원자로 모듈에서 생산한 증기가 터빈을 돌려 전기를 만드는 원리다. 두산중공업 관계자는 “우리는 이미 국내와 아랍에미리트(UAE)· 중 국, 미국 등에 원자로 33기와 증기발생기 118기를 공급한 실적이 있다”고 밝 혔다. 거기에 더해 이번 뉴스케일파워에 기기 공급 계약으로 12억 달러(약 1 조4000억원)의 수출을 기대할 수 있게 됐다.

두산은 전 세계적으로 기술력과 공급 능력을 인정받는 글로벌 원자력 기업이다. 미국 에너지부의 자금 지원을 받아 SMR 개발을 주도하는 뉴스케일파 워가 두산중공업을 파트너로 삼은 것은 두산중공업이 이미 세계적으로 검증 된 기술력과 생산 능력을 확보하고 있기 때문이다.

두산중공업이 뉴스케일파워와 지분 투자 및 부품 공급 계약을 마치면서 앞 으로 미국은 물론 SMR의 수요가 큰 캐나다·영국이나 중동 각국 진출도 내다 볼 수 있게 되었다. 미래의 원전 사업은 우리 앞에서 가시화하고 있다. 엄청 난 부가 가치가 걸린 글로벌 사업이다. 러시아와 중국은 사활을 걸고 달려들 고 있으며, 미국도 원전 종주국의 자존심을 걸고 새롭게 뛰어들고 있다. 하지 만 국내 현실은 암담하다. 국내 원전의 신규 건설 중단으로 두산중공업은 시 련을 겪고 있다. 두산중공업을 비롯한 국내 원전산업계가 건강하게 유지되어 야 해외에 진출할 동력을 얻을 수 있기 때문이다. 원자력 산업의 미래에 대한 정부의 새로운 시각이 요구되는 시점이다.

– 채인택

지구와에너지
(사)한반도평화에너지센터가 발행하는 신개념의 컨설팅형 입법정책 계간지 매거진 '지구와에너지' 입니다.

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