SMR 현황
소형 모듈 원전(SMR)의 시장 동향
요약
SMR이라고 단순히 표현하지만, 3세대 기술을 적용하여 단순히 소형화한 것과 4세대 기술(우라늄 사용X)을 모두 SMR로 표현하므로 복잡하다.
SMR의 목적은 출력은 작되, 더 안전하고, 비용 상승은 최소화하며, 운전 유연성은 높인 소형 원자로를 말한다. (300MWe이하 원자로 모듈형태)
SMR은 원자력 잠수함에 채용된 것과 같은 3세대(경수로)형을 소형화 한 것이 상용화에 가깝고, 차세대 SMR은 비경수형이 개발 중이다.
경수로형은 고순도 우라늄 연료 확보가 문제로, 기술과 비용이 높다. 차세대는 상용 운용을 위해, 연료, 폐기물 등의 모든 분야에 대해 연구 개발 중이다.
소형원자로 부분에서, 세계의 기술은 일반 압력(상압, 고압 아님)의 부품들이 사용된다. 압력 기술 업체의 진출이 유리하며, 전력 설비의 경우 기존과 차이 없다.
일본의 미스비시는 초소형 원자로(무게 40t, 너비 4m, 높이 3m)를 2030년까지 개발 목표로 잡고 있는데, 수요지 근접 설치에 용이한 것으로 파악된다.
SMR의 도전과제와 국내외 동향, 이겅익,KAIST
1. (대형)원전과 소형 모듈 원전(Small modular Reactor:SMR)
(대형) 백만 KW이상의 원자력 발전소, 사실 실험용 규모로 작게 시작하였으나, 전력수요 감당을 위해서 대형화되었을 뿐, 원래 기술을 MW규모롷 소형화가 기본이다.
2. SMR의 특징
세계 각국에서 70여종의 SMR이 현재 개발중이다.
4세대 기술 기반으로 개발 중이다.
[원자력 발전 기술의 세대 구별]
1세대 - 초기 원자로 (1950~60년대): 프로토 타입, 가압경수로, 비등 경수로, 가스 냉각 원자로, 안전성 부재
2세대 - 상업 원자로 (1970~90년대): 전세계 대부분 원자로, 농축 우라늄 사용, 가압경수로, 비등경수로 사용
3세대 - 고급 원자로 (1990~20년대): 이전세대 기반, 폐기물 관리(줄어듬), 안정성, 운전효율 향상(운전연료 수명 증가), 중수로 사용 추가
특징: 60년이상 수명, AP1000(미국), EPR(프랑스), ABWR(일본)
4세대 - 차세대 원자로 (2030이후 예상) : 용융염 원자로(MSR), 가스냉각 고속로(GFR), 소듐 냉강 고속로(SFR), 초고온 원자로(VHTR), 낮은 압력 작동(안전여유)
특징: 우랴늄 대신 토륨 사용 목표 (우라늄 보다 풍부, 적은 폐기물 특징)
* 용어 설명 - PWR: Pressurized Water Reactor, 가압 경수로, 냉각수(물)이 고압 순환, 격납형태, 안전성(미국, 프랑스) - BWR: Boiling Water Reactor: 비등 경수로, 물이 가열되어 증기 발생(터빈), 복잡한 안전설계, 구조 단순, 경제성 좋음(일본), 단 증기에 방사능 있음 - PHWR: Pressurized Heavy Water Reactor: 가압 중수로 (캐나다 개발, CANDU원자로), 중수(Heavy water) 자연상태 우라늄 사용 가능(연료 쉽게 구함), 운전중 연료 교체 장점, 가압으로 격납구조는 복잡 (한국, 인도, 중국)
원자력 발전에서 경수(Light water)라 함은 중수(Heavy water)와 구분하기 위한 표현임. 중수소(Deuterium)은 수소의 원자핵에 중성자가 하나 더 들어가 있는 형태, 질량은 경수소(단원자분자) 2배인 동위원소(isotope) 물을 전기 분해할 경우 발생되거나 암모니아 생성과정에 발생 (무게가 무거우므로 열화 속도가 상대적으로 느리다. 경수(물): H2O, 중수: D2O
3. 주의
단순히 소형화 관점에서 SMR이 아니라, 단순히 기존 3세대 기술을 소형화한 것과 신기술 적용 부분이 혼재 되어 있어 복잡하다.
대체적이 관점은 다음과 같다 (개발중인 차세대 기술 기준)
- 연료: 핵반응 중성자 기준, (경제성 하) 고농축 (산화)우랴늄(8%기준) >> 자연 우라늄(저농축) >> 금속우랴늄 토륨 (개발 중, 자원 풍부) (경제성 상)
- 원자로 : 연료에 따라 다름
- 냉각재 ": 물(3세대), 물대체(가스 포함), 핵적특성ㅁ, 상변화 온도, 재료와의 양립성(방사능 차폐), 기존 소규모 성공 재료
예) 용융염(액체소금), 소듐(소금), 헬륨
4. SMR의 태생적 단점
- 발전 용량이 작아서(MW단위) 기존의 원자력 발전의 규모의 경제원리를 극복할 수 없다.
통합적인 재정립 필요: 제작, 건설, 유지보수, 운영 모든 분야 새롭게 만들어 져야 함.
- 안전 인증 문제
1) 인허가 문제에 대해 보수적임
2) 방사선 비상계획 구역(Emergency Planning zone: EPZ): 반경 10~30km
[미국 규정 변경 추세] 기존 - 규정적 규제(Prescriptive regulation) 변경 - 성능기반 규제(Performance-based regulation), 한국도 국가산업단지 조성 중(경주, ~2030)
소형원전(SMR) 개발동향과 시사점, '24.8
참고자료를 요약한 내용
1. 차세대 원자로 기술 분류
3세대 - 경수로 4세대 - 비경수로(물사용X) 엑체 소듈, 헬륨 기체, 용융염
2.주요국 차세대 원자로 개발 동향
전세계 약 80여종 서구권 - 미국, 영국이 기후변화 대응을 위해 집중 투자 러시아, 중국 - 일부 SMR기술 상요화함, 규제체계가 달라 바로 적용하기 힘든 상황
미국은 13개 차세대 모델 개발중
빌게이츠가 설립한 TerraPower는 Natrium(소듐냉각고속로)와 MCRE(불화용융염원자로) 사업을 추진 중
Natrium - 24년 6월 와이오밍주 케머러 지역 화력발전소 부지에서 일반 부분에 대한 착공식, 23년 3월 건설허가 승인, 25년 부터 원자로 건설 사업 MCRE - 대형 전력 기업인 Southern Company와 합작하여 500kW급 비발전 용융염원자로를 아이다호 국립연구소(INL)부지에 2026년까지 건설 가동 예정(허가 불필요(비발전), 연구 구성 빠를 것으로 예상)
일본
- NuScale사 개발에 투자하여 "BWRX-300" 공동개발, 자국 기업의 초소형 원자로 개발 방식으로 경수로 기반 소형 원자로 개발중
- 미스비시 중공업은 2030년대 상용화 목표로 출력 0.5MW, 높이 3m, 폭 4m, 중량 40t 미만의 초소형 원자로 개발에 착수
- 고온가스로를 통한 수소생산 기술을 위한 개발 시설, 실용화 설비 규뫃 확충 중
- 사용후 핵연료 부피 감소용 2종의 소듐냉각고속로(PRISM, MCR-200) 개발 중
주요국의 SMR 정책 및 전략
한국의 SMR
22년 10월 국가 전략기술 육성으로 [국가 전략 기술 로드맵] 발표
단기: SMR 제조 핵심 기술 확보 중장기: SMR 표준설계인가, 수소, 공정열 생산 등 4대 원자로 기술 개발
- 실증 추진방안 (방향)
- 국내 소형 원자로 등 차세대 원자로 개발현황
2가지로 분류되며, 기존 기술을 이용한 가압경수형 SMR)로 상용화에 가장 가까움, 비경수형 차세대 원자로 개발 모두 진행
시장 전망
발전과 비발전 부문 모두 잠재적 시장 가치가 커서, 시장 선점을 위한 기술 경쟁이 치열함.
- 발전시장
'35년까지 SMR 세계시장 규모는 21~85GWe 규모, (최대) 630조 시장 전망
- 비발전 시장 (열병합 발전과 비슷)
산업 공정열 및 격오지/광산 지역의 열과 전력 공급시, 연간 약 55조원(455억달러) 규모 시장 창출 가능
- 넷 제로 목표 달성 부합 관련
기후변화 협약 중 2050년까지 넷 제로 시나리오 달성을 위해서, 원전 설치 용량이 1,160GWe 수준으로 필요
중장기적으로 차세대 원자로 개발이 필연적으로 조기 도입이 필요한 상황
- 고순도 핵연료 확보
한국수력원자력은 미국 핵연료 및 서비스 업체인 (Centrus Energy)와 핵연료 공급을 위한 협력의향서(LOI) 체결
미국을 제외한 핵연료 확보 방안 없음
- 비경수로 기기, 부품 다름
한국의 핵 기술은 가압경수로 기반(미국)으로 비경수로 기기나 설비는 전무함, 국가차원의 육성방안 필요.
특히, 차세대 선진원자로가 상압(일반 압력)에서 운전되어 제작 난이도는 가압대비 낮은 편으로 판단