SMR 원자력 : 신형 원자로 기술로 환경과 경제성을 확보하는가?
전통적인 대규모 원자로보다 작고 건설 비용이 적게 드는 SMR은 원자력 르네상스를 위한 차세대 희망으로 빠르게 자리잡고 있다. 그리고 미국, 러시아, 중국이 이를 건설하고 판매하기 위해 패권을 놓고 싸우고 있다.
바이든 행정부와 미국 기업들은 비즈니스와 글로벌 영향력을 확보하기 위해 소형 모듈형 원자로(SMR)에 수십억 달러를 투자하고 있다. 중국은 원자력 기술과 건설 분야에서 선두를 달리고 있으며, 러시아는 전 세계 SMR 연료의 거의 대부분을 생산하고 있다. 미국은 이 두 가지 모두를 따라잡아야 한다.
미국이 시장에 참여하기를 원하는 이유는 확실하다. 중국은 이미 세계 태양광 패널과 풍력 터빈의 대부분을 공급하고 있고, 미국은 중국에 풍력 및 태양광 에너지 경쟁에서 패배했다. 가장 큰 문제는 미국이 육상에서 상업적으로 작동하는 SMR을 확보하지 못했다는 점이다.
기존의 고가의 제작이 힘든 원자력보다 SMR은 더 적은 에너지(일반적으로 기존 발전소의 1/3)를 제공하지만 공간이 덜 필요하고 더 많은 장소에 좀 더 쉽게 구축할 수 있다. 또한 부품도 배송하고 조립할 수 있는 작은 모듈형으로 구성된다.
원자력 발전의 원리
- 핵분열(Fission): 원자력 발전소에서 주로 사용하는 방법입니다. 우라늄-235나 플루토늄-239 같은 무거운 원자핵이 중성자를 흡수하면서 두 개의 가벼운 원자핵으로 분열됩니다. 이 과정에서 막대한 양의 에너지가 방출되며, 이 에너지가 물을 끓여 증기를 만들고, 그 증기가 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.
- 핵융합(Fusion): 태양에서 일어나는 반응으로, 두 개의 가벼운 원자핵(주로 수소)이 결합하여 더 무거운 원자핵(헬륨)을 형성하면서 에너지를 방출합니다. 현재 상업적 이용을 위해 연구 중이지만, 아직 경제적이고 기술적으로 상용화되지 않았습니다.
원자력 발전의 역사
- 초기 연구: 1938년 독일의 오토 한과 프리츠 스트라스만이 최초로 우라늄 핵분열을 발견하였습니다.
- 맨해튼 프로젝트: 제2차 세계대전 동안 미국이 원자폭탄 개발을 위해 대규모 연구를 진행하였고, 이는 전후 원자력 발전 기술 발전의 기초가 되었습니다.
- 상업적 원자력 발전: 1954년 러시아의 오브닌스크 발전소가 세계 최초로 전기를 생산한 원자력 발전소로 가동되었습니다. 이후 미국, 유럽, 아시아 등지에서 원자력 발전소가 건설되었습니다.
원자력 발전의 장점
- 높은 에너지 밀도: 소량의 연료로 대량의 에너지를 생산할 수 있습니다.
- 탄소 배출 없음: 원자력 발전은 연소 과정이 없기 때문에 온실가스를 거의 배출하지 않습니다.
- 안정적인 전력 공급: 기상 조건에 영향을 받지 않고 24시간 안정적인 전력 생산이 가능합니다.
원자력 발전의 단점
- 방사성 폐기물: 핵분열 과정에서 방사성 폐기물이 생성되며, 이는 장기적으로 안전하게 처리되어야 합니다.
- 사고 위험성: 체르노빌, 후쿠시마와 같은 원자력 사고의 위험이 존재합니다. 이러한 사고는 큰 인명 피해와 환경 오염을 초래할 수 있습니다.
- 높은 초기 비용: 원자력 발전소의 건설과 유지보수 비용이 매우 높습니다.
현재의 상황
- 세계 원자력 발전소 현황: 현재 전 세계적으로 약 440여 기의 원자력 발전소가 가동 중입니다. 주요 원자력 발전국은 미국, 프랑스, 중국, 러시아, 일본 등입니다.
- 신기술 개발: 소형 모듈 원자로(SMR)와 같은 새로운 원자로 설계가 연구되고 있으며, 이는 더 안전하고 효율적인 원자력 발전을 목표로 하고 있습니다.
- 정책 변화: 일부 국가에서는 원자력 발전 확대를 추진하고 있는 반면, 독일과 같은 국가는 탈원전을 선언하고 재생 에너지로 전환을 꾀하고 있습니다.
SMR
소형 모듈 원자로는 작고 모듈화된 설계로, 다음과 같은 특성을 갖습니다:
- 소형화: 전통적인 대형 원자로보다 훨씬 작은 크기와 출력(수십에서 수백 메가와트 전기(MWe) 수준)을 가집니다.
- 모듈화: 공장에서 모듈 단위로 제작되어 현장에서 조립할 수 있습니다. 이는 건설 기간을 단축시키고 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.
- 다양한 냉각재: 경수, 액체 금속, 기체 등을 냉각재로 사용하며, 일부는 고온 가스로 작동하여 효율을 높입니다.
- 안전 시스템: 수동 안전 시스템과 고도의 자동화 시스템을 갖추어 사고 발생 시 신속한 대응이 가능합니다.
SMR의 장점
- 경제성: 소형화와 모듈화로 인해 초기 건설 비용이 대형 원자로보다 낮고, 건설 기간이 짧습니다.
- 안전성: 소형화로 인해 방사성 물질의 양이 적으며, 수동 안전 시스템을 통해 사고 시 안전하게 관리할 수 있습니다.
- 유연성: 전력망이 충분히 발달되지 않은 지역이나 산업 단지, 군사용으로 적합합니다.
- 환경 친화성: 탄소 배출이 없고, 소형화로 인해 주변 환경에 미치는 영향이 적습니다.
SMR의 단점
- 경제적 경쟁력: 기존 대형 원자로와 비교했을 때 규모의 경제를 달성하기 어려운 경우가 있습니다.
- 규제 및 승인: 새로운 기술로 인한 규제 승인 과정이 복잡하고 시간이 많이 소요될 수 있습니다.
- 폐기물 처리: 기존 원자로와 마찬가지로 방사성 폐기물 문제는 여전히 존재합니다.
현재 연구 및 상용화 상황
- 미국: NuScale Power가 개발한 SMR은 미국 원자력 규제위원회(NRC)로부터 설계 인증을 받았으며, 첫 상용화 계획이 진행 중입니다.
- 영국: 롤스로이스가 주도하는 SMR 컨소시엄은 정부 지원을 받아 SMR 개발을 추진하고 있습니다.
- 중국: 자국 내에서 SMR 개발을 활발히 진행 중이며, 상용화 목표를 가지고 있습니다.
- 러시아: 해상 원자력 발전소 형태로 SMR을 상용화하여 극지방과 같이 전력망이 없는 지역에 전력을 공급하고 있습니다.
환경 : 기후위기 해결
대부분의 국가는 기후 위기를 해결하기 위해 에너지 시스템을 신속하게 탈 탄소화 하려고 노력하고 있다. 풍력과 태양광은 이제 전 세계 전력의 최소 12%를 제공하며, 유럽 연합과 같은 일부 지역에서는 화석 연료 이상의 전력을 공급한다.
일부 전문가들에게는 크든 작든 모든 형태의 원자력이 탈 탄소 전환에서 중요한 역할을 할것으로 예상한다. 그리고 국제에너지기구(International Energy Agency)는 2050년까지 원자력 에너지를 두 배 이상 늘릴 필요가 있다고 보고있다 .
싱크탱크인 Third Way에서 기후 및 에너지 프로그램을 이끌고 있는 Josh Freed는 “ 엄청난 경쟁이 벌어지고 있다.”라고 말했다. “중국과 러시아는 미국보다 해외에 모든 종류의 원자로를 건설하기위한 다각적인 협력에 합의했다. 미국이 따라잡아야 할 부분이 바로 이것이다.”
다시 원자력의 시대로
세계 원자력 산업 현황 보고서(World Nuclear Industry Status Report)의 데이터에 따르면 전 세계적으로 기존 원자력 발전소 건설은 1986년 체르노빌 사고 이후 감소했으며, 2011년 일본 후쿠시마 재해 이후 큰 폭으로 감소했다. 따라서 세계 대부분의 지역은 지난 10여년 동안 원자력에 대해 냉담한 입장을 유지했다.
그러나 IEA는 원자력 르네상스가 다가오고 있다고 말한다. IEA는 2025년에 전 세계적으로 원자력 발전량이 사상 최고치를 기록할 것이라고 예측했다. 그 이유는 후쿠시마 사고 이후 중단되었던 일본의 여러 기존 원자력 발전소가 곧 재 가동될 예정이고 중국, 인도, 한국 및 유럽의 새로운 원자로가 다시 가동될 것이기 때문이다.
핵의 안전성에 대한 수십 년 된 두려움이 천천히 사라지기 있다. 그리고 사람들과 정부는 수천 년 동안 위험하게 남아 있을 수 있는 방사성 폐기물 저장 문제를 포함하여, 위험과 이점을 비교하고 있다. 이는 기존 원자력보다 상대적으로 적은 양의 핵폐기물을 발생시키는 SMR에 대해 원자력 에너지에 관심을 가지는 여러 국가들에게 보다 쉽게 접근 할수 있는 가능성을 준다.
SMR이 원자력 에너지의 대세가 된다면 기후 변화를 해결하는 강력한 방법이 될 수 있다. 일반적으로 원자력은 사용 시 탄소 발생이 최소화 되며 화석 연료나 재생 가능 에너지보다 토지 사용 평방미터당 더 많은 에너지를 생성한다 .
미국 기업들의 SMR은 중국과의 관계 완화를 모색하고 있는 많은 동남아시아 국가뿐만 아니라, 러시아 가스 의존도를 줄이려고 노력하는 중부 및 동부 유럽에서도 관심을 받고 있다. 이러한 노력은 해외에서 중국과 러시아의 위협을 줄일 수 있다.
중국은 해외에 원전을 많이 건설하고 있지는 않지만 육상에서 SMR을 가동 중인 유일한 국가로 큰 시장점유율을 확보할 수 있는 좋은 위치에 있다.
또한 러시아의 경우, 이미 중국, 인도, 방글라데시, 터키, 슬로바키아, 이집트, 이란을 위해 기존 유형의 원자력 발전소를 건설하거나 설계했다. 러시아 국영 원자력 회사의 CEO는 작년에 수십 개의 국가가 러시아산 부유형 SMR (바다 위에 떠 있는 플랫폼에 설치되는 소형 모듈형 원자로)에 관심을 표명했다고 말했다. 또한 러시아에는 또 다른 장점이 있다. 러시아 국영 원자력 회사는 SMR 연료(HALEU로 알려진 농축 우라늄)에 대한 전 세계 수요를 거의 독점하고 있다.
따라서 미국과 영국은 자국 내 연료 생산에 투자하고 있다. 하지만 미국의 원자력 에너지 기업이 국가가 운영하는 형태의 러시아나 중국과 경쟁하는 것은 매우 어렵다.
외교적 노력
미국의 노력에도 불구하고, 대규모 원자력 발전소와 마찬가지로 SMR에 대한 건설 및 투자에 대한 비용도 최근의 인플레이션 및 높은 이자율, 그리고 공급망 혼란으로 빠르게 상승하고 있다. 이는 SMR이 기존 원자로보다 저렴하고 건설 속도가 빠를 것이라는 주장에 큰 타격을 입혔다.
미국도 이런 복잡한 상황에서 중국, 러시아와의 경쟁에서 승리하기 위해 외교적인 노력에 힘을 쏟고 있다.
미국 기후 특사 존 케리(John Kerry)는 기후 정상 회담에서 원자력 에너지를 가장 적극적으로 지지한 사람 중 하나이다. 또한 미국은 유럽 연합이 “친환경”으로 간주하는 에너지원의 공식 목록에 원자력을 포함 되도록 주장하고 있고, 이에 따라 중앙 정부로 부터의 자금 지원을 받을 수 있도록 유럽 연합에 로비를 하고 있다. 그러나 미국이 정말로 SMR을 이용한 원자력 에너지를 보다 경제적으로 실행 가능하게 만들고 싶다면 화석 연료 생산을 살펴봐야 한다.
목표는 석탄이나 가스 발전소보다 더 저렴하게 전기를 생산하는 것이다.
미국 SMR 산업이 극적인 도약을 이룬다고 해도 환경적, 에너지 측면에서 의미있는 발전을 이루는 것은 여전히 오랜 시간이 필요할 것이다. 또한 기대하는 것 만큼 실행 가능한지 여부를 확인하는 데만도 10년 이상이 걸릴것이라고 전문가들은 예상한다.