한-사우디 협력을 통한 SMART 상용화를 통해 국내원전산업 도약

김긍구 한국원자력연구원 SMART수출 추진반장(단장급). 서울대 원자핵공학과 학사, 석사. 미국 MIT 박사.

1.서론

인류가 당면한 여러 가지 문제 중 에너지와 환경이 매우 중요한 현안으로 분류되고 있다. 특히 인구 증가와 삶의 질 향상에 따라 인류의 에너지 소비가 비약적으로 증가하고 있으며, 에너지 생산과정에서 온실가스 배출에 의한 지구 온난화와 미세먼지 및 환경오염가스 배출에 의한 대기오염이라는 심각한 환경문제와도 직면하게 되었다. 당면한 에너지와 환경문제를 해결하기 위하여 태양광 및 풍력 등과 같은 신재생에너지 사용을 적극 추진하고 있으나 신재생에너지원은 에너지 생산의 지역적 제한, 낮은 효율, 에너지 생산의 간헐성 및 비용 증가 등의 문제점이 존재한다.

원자력은 1950년대부터 평화적 목적으로 이용하기 시작한 이래 온실가스와 미세먼지를 배출하지 않으며 고효율의 에너지를 안정적으로 공급해 왔다. 후쿠시마 원전 사고에도 불구하고 현재도 많은 국가들이 에너지 문제 해결을 위하여 원자력의 도입을 추진하고 있다. 에너지 자원이 빈약한 우리나라도 경제개발을 위한 에너지 공급의 방안으로 일찍부터 원전 도입을 추진해 왔다. 1978년 첫 원전인 고리원전이 가동을 한 이래 꾸준히 기술을 개발하여 1990년대 독자원전인 OPR1000과 APR1400 원전을 개발하여 원전기술 국산화를 이룩하였다. 우리나라는 기술자립을 이룩한 대형원전 기술과 별도로 소형원전인 SMART와 연구용 원자로 등을 개발하여 연구용원자로, 소형원전, 대형원전을 모두 수출할 수 있는 원전 선진국 대열에 합류하였다.

2. 소형원전

원전은 상용화 이후 경제성 논리에 따라 대형화를 추구해왔으며, 현재 원전시장의 주력 제품들은 대부분 1,000MWe 이상의 전기를 생산할 수 있는 대형원전들이다. 대형원전을 건설하고 운영하기 위해서 막대한 초기 건설비용과 인프라(송배전망)가 소요된다. 이로 인해 원전 건설 사업은 사업기간이 길고 초기자본이 많이 소요되는 리스크가 큰 사업으로 분류되고 있으며, 이 리스크를 감당할 수 있는 소수 국가들에서만 원전 건설이 추진되고 있다.

그러나 소형원전은 소규모 초기자본과 짧은 건설 공기로 인해 원전사업 리스크를 낮출 수 있어, 개도국이나 소규모 전력그리드를 사용하고 있는 국가들에서도 적합하도록 개발되어 이들 국가의 전기에너지 생산수단으로 주목 받고 있다. 현재 세계에서 운영중인 발전소는 약 127,000여기에 달한다. 이중 96.5%가 소형 발전소이며 세계의 전기 공급의 상당부분이 소형발전소에 의존하고 있다고 볼 수 있다. 전력의 가장 중요한 인프라인 송배전망도 여기에 적합하다고 볼 수 있다. 소형원전은 기존의 송배전망을 그대로 이용할 수 있는 장점이 있기에 소형원전은 대부분 국가에서 별도의 인프라 확장 없이 도입이 가능하다.

소형원전의 가장 중요한 장점은 안전성 뛰어나다는 점이다. 고유안전성을 향상시키는 설계와, 피동안전계통과 같은 안전성을 획기적으로 향상시키는 설계를 접목시키기 때문에 원전에서 발생 가능한 주요 사고를 근원적으로 제거하여 안전성을 향상 시키고 있다. 특히 피동안전계통은 사고 시 디젤발전기와 같은 능동 비상전원이 없어도, 핵연료에서 발생하는 잔열을 자연력(중력 등)만을 이용하여 제거할 수 있어 원자로 안전성을 확보하고 있다. 이에 따라 후쿠시마원전 사고와 같은 사고 시에도 핵연료가 녹는 일이 없이 원자로를 안전한 상태로 유지시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 소형원전은 활용성과 건설에서도 보다 유연성을 확보하고 있다. 대형원전이 주로 전력 생산 목적으로만 활용되는 반면 소형원전은 전력생산뿐만 아니라 전력생산과 해수담수화 또는 전력생산과 지역난방열 공급 등이 가능한 열병합 활용이 가능하다.

그러나 소형원전은 ‘‘규모의 경제(Economy of Scale)’를 역행하여 경제성 저하를 수반할 수 있다. 이를 만회하기 위하여 다양한 방안이 시도되고 있다. 뛰어난 안전성을 바탕으로 계통 단순화를 추구하여 경제성을 향상 시키고, 원자로의 주요기기들을 공장에서 제작하여 현장에서 조립 설치하는 시공도입과, 주요 기기를 모듈형식으로 제작하는 방안을 추진하고 있다. 따라서 소형원전의 경제성은 대량생산과 표준화를 통해 경제성 향상이 가능할 것으로 예상된다. 대형원전이 소량 주문에 따른 주문자 생산방식이라면 소형원전은 대량 수주를 바탕으로 표준화와 공장생산을 통한 경제성 향상이 가능할 것으로 기대 된다. 또한 소형원전의 건설은 후속호기 건설기간 동안 선행호기의 운영을 통한 수익창출이 가능해짐으로써 투자능력이 제한적인 국가에서도 비용 부담을 줄이고 점진적인 전력 용량 증가에 효과적으로 대응할 수 있는 장점을 가지고 있다.

미래 시점에서 소형원전의 시장규모를 정확히 예측하기는 어려운 일이지만 원자력선진국 정부기관 또는 국제적으로 잘 알려진 조사기관들은 소형원전의 잠재적 시장규모를 예측하고 있다. 이들 중 비교적 최근의 시장규모 예측을 살펴보면, 미국 Navigant Report는 2030년까지 4.6GWe(Base Scenario)를, 영국 NNL은 SMR Feasibility Study에서 2035년까지 약 75GWe의 소형원전 수요가 형성될 것으로 발표한 바 있다. 이를 100MWe급 SMART 원전으로 환산하면 약46기~750기에 해당하는 규모의 소형원전 시장이 2030~2035년까지 형성될 것이라는 것이며, 아주 보수적인 관점에서 보더라도 약50기 이상의 소형원전 수요가 향후 15년 내에 발생할 것으로 추정할 수 있다.

3. 우리나라 소형원전 SMART 개발 및 특징

우리나라는 1997년부터 한국원자력연구원 주도로 소형원전 수출을 통한 신성장동력 창출을 목표로 일체형원자로 SMART를 개발하여 왔다.

그림1) SMART 기술 개발 경과

원자력을 해수담수화 에너지원으로 활용과 소규모 전력생산을 병행할 수 있는 소형 SMART에 관한 연구개발을 정부 주도로 1997년 7월부터 개념설계에 착수 후, 1999년 3월 개념설계개발을 완료하였다. 이후, 기본설계 개발에 착수하여 2002년 3월 원자로계통에 대한 기본설계를 완성하였다. 2002년 7월부터 2006년 2월까지 SMART의 종합적인 기술 실증을 위한 1/5 scale SMART 연구로 개발 사업이 추진되었다. 이 기간 중에 개별효과시험, 축소모델 고온 ‧ 고압열수력 검증 시험, 핵심기기(증기발생기, 제어봉구동장치, 냉각재펌프)의 축소 규모 시제품을 제작하고 성능시험을 수행하였다. 그러나 SMART 실증을 위한 SMART 연구로 개발사업이 건설부지 확보 및 건설 예산 확보 등의 문제로 좌절된 이후 민간기업이 참여하는 사업형태로 변경되었다.

2006년 7월부터 2007년 6월까지 수행된 ‘‘SMART 원자로계통 설계 사전실시용역(PPS) 연구’는 기 수행된 기본설계 개발 및 SMART 연구로의 인허가시 도출된 제반 기술현안 및 인허가 현안의 해결방안을 평가하고, 원자로계통의 설계최적화 방안을 도출하며, 관련 기기 제작성 및 유지보수 가능성을 평가하고 보완함으로써 기술 구현성, 인허가성 및 경제성을 증진하였다. 2009년 한국원자력연구원은 SMART의 기술검증을 위하여 민간기업과 협력으로 SMART 기술검증 및 표준설계인가획득사업을 착수하였다. 한국전력기술, 한전원자력연료, 두산중공업 등 국내 원자력 산업체가 참여하여 2010년 말 SMART 기술검증과 표준설계를 완성하고 표준설계인가 심사를 추진하였다. 1년 6개월동안 집중적인 인가 심사를 거쳐 2012년 7월 4일 SMART는 일체형원자로 중에서 세계 최초로 표준설계인가를 획득함으로써 소형원전 시장을 선점할 수 있는 발판을 마련하였다. SMART 개발 사업은 3,447억원의 연구비가 투입된 대규모 연구개발 사업이었다.

SMART는 가압경수로 건설 및 운영을 통해 ‘입증된 기술(proven technologies)’의 바탕위에 일체형원자로기술, 피동안전계통기술, 디지털 제어기술 등 혁신기술을 접목시켜 개발한 소형 일체형원자로이다. SMART의 가장 큰 특징은 일체형 설계 개념 채택이다. 원자로냉각재계통을 구성하는 주요 기기들을 대형 배관으로 연결한 상용 원전과 달리, 증기발생기, 가압기, 원자로냉각재펌프 등 원자로냉각재계통 주요 기기들을 한 개의 원자로 압력용기 안에 모두 설치하여 대형냉각재상실사고의 가능성을 원천적으로 배제함으로써 안전성을 획기적으로 향상시킨 신개념 원자로이다. 이와 같이 SMART는 개발 초기부터 안전성 향상에 중점을 두고 개발하였으며 기존 원전대비 안전성이 10~100배 향상된 원자로이다. 대형파단사고 원천제거, 수소폭발, 노심용융, 증기폭발 등 중대사고 가능성을 차단하였으며, 피동잔열제거계통 설치로 후쿠시마 원전사고와 같은 전전원상실사고(SBO) 시에도 최소 72시간 동안 외부지원이 없어도 원자로를 안전하게 유지할 수 있도록 설계되었다. 또한 지진, 쓰나미와 항공기 충돌에도 안전을 확보할 수 있도록 설계되었다.

그림2) SMART 주요 특성 및 활용 – 일체형 설계(좌) / 다목적 이용(우)

4. 한-사우디 SMART 파트너십 협력

4.1 사우디 전력 현황 및 원자력 정책 동향

사우디는 주요 발전원으로 원유를 그대로 발전소의 연료로 사용하거나 정정후 HFO유 또는 디젤을 사용하는 오일발전과 유전에서 채집한 천연가스를 연료로 사용하는 가스발전이 있다. 사우디의 발표에 따르면 사우디는 전력 생산을 위하여 2013년 기준 사우디 생산 원유의 약 1/3을 자국에서 소비한다고 한다. 자국소비 원유의 1/3은 원유 형태로 발전소로 보내 발전원으로 사용하고 2/3는 정제공정을 거처 디젤과 HFO유는 모두 발전 연료로 사용한다. 그림 3은 2000년대 발전을 위한 에너지 소비량과 각 에너지원의 발전량을 보여주고 있다.

그림3) SMART 기술 개발 경과

사우디는 지속적인 인구증가(약 3%/년)와 삶의 질 향상으로 전력 소비증가율이 7%/년을 유지하고 있다. 이와 같은 전력 소비량의 증가가 이어질 경우 2030년이 되면 사우디 원유 생산량의 2/3를 국내에서 전력 생산을 위한 연료로 소비할 수밖에 없는 상황이 도래할 수도 있다고 예측하고 있다. 최근에는 석유자원 보전을 위해 오일발전소보다 가스발전소를 많이 건설하고 있으며, 사우디가 세계 최대 산유국임에도 지속적으로 증가하는 전력소비량을 충족시키고 석유자원 보존을 위하여 원자력과 신재생에너지로 전환하는 에너지 정책을 추구해 왔다.

2009년 원자력과 신재생에너지를 전담하는 정부 특별기구인 K.A.CARE (왕립원자력신재생에너지원)를 설립하여 신재생에너지와 원자력 도입을 적극 추진하여 왔다. 사우디의 무함마드 빈 살만(Mohammad Bin Salman) 왕세자는 2016년 4월 25일 현재 사우디아라비아가 당면한 과제를 해결하기 위한 ‘사우디 비전 2030’을 발표한 바 있다. ‘사우디 비전 2030’은 활기찬 사회(A Vibrant Society), 번영하는 경제(A Thriving Economy), 진취적인 국가(An Ambitious Nation)라는 3대 비전 목표로 구성된 정치, 경제, 사회 전반에 대한 개혁 계획이다. 사우디 Vision2030을 실현하기 위한 구체적인 목표를 제시한 것으로 경제, 개발 분야 각 정부기관이 소관분야 전략목표(Strategic Objective)를 설정하여 2020년까지 이를 실행하겠다는 계획이 사우디 국가구조조정 종합계획(NTP: National Transformation Plan)이다. 사우디 NTP2020의 원자력 관련 계획으로 원전 부지조사, SMART 건설전설계사업 및 첫 2기 건설사업을 포함하고 있다.

2017년 7월 사우디 정부는 국가계획 Vision 2030과 NTP2020의 세부이행을 위해 사우디국가원자력사업(SNAEP: Saudi National Atomic Energy Project)를 발표하였다. 그림 4에서 보는바와 같이 대형원전 건설, SMART 등 소형원전 사업 추진, 핵연료 개발사업과 함께 원자력 규제기관 설립 등이 주요한 사업으로 포함되어 있다.

그림4) 사우디 국가원자력사업계획 주요 내용

4.2 사우디의 소형원전 필요성

사우디의 총 발전량은 우리나라의 60% 수준이며 약 1,700여개의 발전소를 운영하고 있다. 사우디 국토면적이 남한 면적의 약 22배인 점을 감안하면 전력 수요 밀도는 우리나라의 약 1/22에 불과한 셈이다. 따라서 가장 큰 도시인 리야드를 제외하면 대부분의 전력 소비밀도가 매우 낮기 때문에 사우디의 발전소의 98% 이상이 소형 발전소이다. 최근에 많이 건설한 대용량 가스발전소는 그림 5에서 보는바와 같이 가스전이 있는 사우디 동부지역과 동부지역 가스전에서 가스관을 설치하여 가스를 공급받는 제다 등 서부지역에 집중되고 있다. 그러나 가스관이 없는 북부지역과 남부지역 등 대부분의 사우디 지역은 오일 발전에 의존하고 있다. 사우디의 송배전망은 우리나라와 같이 전국을 단일 송전망으로 연결되어 있지 않고 분산전원 형태로 구성되어 있다. 또한 사우디 송전라인이 저압 송전을 위주로 구성되어 있기에 송전 손실량이 우리나라의 2.5배에 달하고 있으며 장거리 송신은 더욱 어려운 편이다.

그림 5) 사우디 화석연료 생산 및 전력 인프라 구축 현황
원유 및 가스 생산 및 관련 산업(좌) / 발전소 및 송배전선 분포(우)

현재 사우디의 가장 경제적인 발전원은 가스발전이다. 유전에서 생산하는 가스를 액화, 저장, 운송, 기화 과정을 거치지 않고 직접 가스관을 통해 공급하기 때문에 가장 저렴한 발전원이다. 그러나 담만, 쥬베이, 제다 인근 지역만 가스관을 통한 가스 공급이 가능하여 가스발전이 가능하나 대부분의 사우디 지역은 가스관이 설치되어 있지 않기 때문에 가스발전소를 건설할 수 없다. 이들 지역은 그림5에서 보는바와 같이 연료수송이 상대적으로 용이한 오일발전을 활용하고 있다.

사우디는 1MWh의 전력을 생산하기 위해서 평균 1.88배럴의 오일을 소비한다고 발표하고 있다. 발전용 오일은 모두 국가가 무상으로 지원하고 있으나 오일발전 전력생산을 위하여 사우디는 연료비로 약 1MWh 전력 생산에 112$을 소비하고 있는 셈이다. 연료비 이외에 시설비와 운영비로 약 50$/MWh를 지출하기 때문에 실제 오일발전의 발전단가는 160$/MWh를 상회하고 있다.

사우디 전력 공급을 위한 전력 인프라를 고려하면 사우디는 대형원전 뿐만 아니라 소형원전 도입이 필수적이다. 즉, 리야드 전기 공급 기지역할을 하는 담만 쥬베이와 서부지역인 제다 인근은 대형원전 건설이 가능하나, 그 이외 지역은 소형원전만 건설이 가능하다고 볼 수 있다. 사우디가 소형원전이 필요한 이유는 발전단가가 비싼 오일발전을 대체할 수 있을 것으로 보고 있기 때문이다. 이것이 사우디가 우리나라 소형원전인 SMART 도입을 국가 원자력사업계획에 포함시킨 배경이다.

지난해 사우디는 대형원전 도입 계획을 3년 연기하기로 결정한바 있다. 사우디의 원전도입을 위한 인프라 구축 미비가 주요 원인이라고 하지만 대형원전 건설 지역은 가스발전소 건설이 가능하기 때문에 시급성이 떨어지는 것도 이 연기의 배경으로 추정할 수 있다. 그러나 소형원전 도입 지역은 가스발전소 건설이 불가하기 때문에 이 지역의 증가된 전력 수요는 오일발전소를 건설하여야 한다. 오일발전소 보다 소형원전의 경제성이 훨씬 뛰어나기 때문에 소형원전은 계획대로 추진할 타당한 이유가 있다.

4.3 한-사우디 SMART 동반자 협력

우리나라는 2010년부터 사우디아라비아와 SMART 도입을 위한 협의를 진행하여왔다. 2013년 12월 한국원자력연구원과 사우디 K.A.CARE는 ‘사우디내 SMART 도입을 위한 공동타당성조사’를 위한 MOU를 체결하고, 양 기관은 2014년 2월부터 1년간 공동타당성조사를 수행하였다. 공동타당성조사를 수행하면서 양국의 이해를 충족시킬 수 있는 SMART 파트너십 추진방안을 도출하였다.

2015년 3월 양국 정상 임석하에 정부간 SMART 파트너십 협력 양해각서를 체결함으로써 양국간 SMART 협력을 공식화하였다. 한국원자력연구원과 K.A.CARE는 양해각서에 따라 2015년 9월 사우디와 SMART 건설전 설계(PPE: Pre-Project Engineering) 협약을 체결하였다. PPE사업은 사우디 부지요건을 적용하여 전체 SMART 플랜트에 대한 첫 호기 공학설계(First Of A Kind Engineering Design)를 수행하여 사우디내 SMART 건설을 준비하는 단계이다. 이 과정에서 사우디는 1억 달러를 SMART 개발에 투자하였고, PPE 사업은 2018년 11월 성공리에 완료되었다. 특히 PPE 사업기간동안 사우디 원자력인력 양성을 위하여 사우디 K.A.CARE 전문가 48명이 2.5년 동안 한국원자력연구원에 파견되어 SMART 원자로 기술 교육훈련과 공동설계를 수행하였다. 또한 사우디는 원전규제인력 양성을 위하여 15명의 규제요원을 한국안전기술원에 파견하여 교육훈련을 받은바 있다.

한-사우디 SMART 파트너십 협력은 한국에서 개발된 SMART를 한국과 사우디가 공동으로 상용화를 추진하는 협력이다. 한국과 사우디는 SMART 1,2호기를 사우디에 건설함으로써 SMART 상용화 검증을 완료하고, 이를 바탕으로 세계 소형원전 시장 석권을 위해 사우디 내 후속건설과 중동지역은 물론 세계를 대상으로 소형원전 수출 사업을 공동으로 추진하기로 협의하였다. SMART 파트너십 협력은 원자로 개발자와 수요자 사이의 새로운 비즈니스 모델로 SMART 기술개발에 투자한 투자금의 비율을 기준으로 기술의 소유권을 공유고 있다. 따라서 SMART는 우리나라의 소형원전인 동시에 사우디의 소형원전인 셈이다.

5. 사우디 SMART 건설과 공동상용화

한-사우디 SMART 파트너십 협력에 따라 사우디내 SMART 건설을 앞두고 있다. SMART의 사우디 건설을 기술검증을 완료한 SMART 상업화 검증을 가장 먼저 시도하고 소형원전 시장을 선점하는데 큰 의미가 있다. 아직 블루오션인 소형원전 시장을 발 빠르게 선점하고, 사우디 SMART 건설을 바탕으로 한국과 사우디는 풍부한 소형원전 시장 수요 창출이 가능하다. 현재 SMART 원전에 관심을 표명중인 요르단, 필리핀, 체코, 인도네시아, 이집트, 튀니지 등의 국가에 다수의 SMART 수출 건설이 가시화될 수 있을 것이다. 이를 통해 국내의 에너지전환정책으로 적절한 일거리를 찾지 못하고 있는 국내 원전 산업계의 생태계 유지차원을 넘어 신규 일자리 창출에 기여함은 물론이거니와 우리나라 원전 산업계가 도약할 수 있는 기회가 될 것이다.

2015년 한-사우디 정부간 합의한 양해각서에 따르면 사우디의 SMART 건설 재원은 모두 사우디가 부담하여야 한다. 그러나 중국과 미국 등 소형원전 개발국 들도 사우디의 소형원전 시장 진출을 노리고 있다. 이 들은 후발주자로 사우디에 파격적인 소형원전 협력 제안을 하고 있다. 우리나라도 사우디 SMART 건설을 위한 유연한 협상방안이 필요하다. UAE의 바라카원전과 같이 사우디와 함께 합작법인을 설립하여 사우디내 첫 SMART 건설에 참여함으로써 사우디의 첫 SMART 건설 리스크를 분담하는 방안을 제안할 필요가 있다.

에너지전환정책을 추진 중인 국내 원전 산업계 현황을 감안하면 향후 국내 원전 산업의 패러다임 변화가 필요하다. 국내원전산업의 발전 방향을 건설 수요가 한정적인 대형원전 건설 중심에서 무궁한 수요 창출이 가능한 소형원전 중심으로 전환할 필요가 있다. 또한 국내 전력수요를 충당하기 위한 국내 원전 건설 시장에 집중하던 원전 산업도 보다 큰 국익 창출을 위해 해외 수출 산업으로 전환할 필요가 있다. 성공적인 사우디 SMART 건설 협력은 국내 원전정책 패러다임 전환의 중요한 시발점이 될 수 있을 것이다.

1) 전기출력 300MWe(30만kWe) 이하의 원자로를 소형원자로로 분류하고 있다.
2) 유가 60$/배럭 기준
3) UAE의 바라카 원전의 소유사에 한전이 18%의 지분으로 자본참여 중

– 김긍구

지구와에너지
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