소형 모듈 원자로, 새로운 전환점에 서다

소형 모듈 원자로(SMR)는 최근 급격한 관심을 받고 있다.

트럼프 행정부는 SMR 개발을 가속화하고 있으며, 구글과 메타와 같은 대기업도 이 기술에 참여하고 있다.

콜로라도 주에서는 원자력 에너지를 청정 에너지로 인정하는 법안을 통과시키면서, 콜로라도 스프링스와 푸에블로 카운티가 이 기술을 검토 중이다.

푸에블로 자문 위원회는 Xcel Energy의 석탄 화력 발전소인 코만체 발전소가 폐쇄된 이후, 지역 사회가 “온전한 상태”를 유지할 수 있도록 하려면 SMR이 필요하다고 결론지었다.

덴버 국제공항은 일시적으로 SMR을 도입하여 공항의 성장을 지원하는 방안을 검토했지만, 현재는 이 계획이 중단되었다.

미국에서 실제 작동하는 SMR을 보려면 러시아나 중국으로 가야 하며, 이 두 나라에서는 각각 SMR이 하나씩 운영되고 있다.

또한 일본에서는 시험 원자로가 운영 중이다.

SMR은 단일 기술이 아니다.

일부는 5메가와트의 소형 원자로인 반면, 다른 일부는 345메가와트에 이르는 대형 소형 원자로도 있다.

일부 SMR은 수상에 띄우거나, 지하에 매립되거나, 트럭으로 수송 가능한 형태로 개발되고 있다.

이들은 다양한 핵 연료와 물, 가스, 용융 금속, 용융 소금을 포함한 다양한 냉각제를 사용하고 있다.

SMR은 다양한 아이디어의 집합체로, 국제원자력기구(IAEA)에 따르면 전 세계에서 약 50가지 유형이 개발 중이며, 그 중 15개는 미국에서 진행되고 있다.

이러한 사업에 참여하는 기업들은 소규모 스타트업에서 웨스팅하우스, GE 버노바 히타치, 롤스 로이스와 같은 대기업까지 다양하다.

모듈을 공장에서 제작하여, “주차장 크기만한” 부지에 운송한 다음 즉시 전력을 공급할 수 있는 구성 요소로 활용하는 아이디어는 매력적이다.

SMR의 지지자들은 이 기술이 고유한 안전 기능을 내포하고 있다고 주장한다.

일부 SMR은 기존 대형 원자로보다 높은 온도에서 운영할 수 있어 더욱 효율적으로 전력을 생산하고, 수년간 연료 보급 없이 가동될 수 있다.

IAEA에 따르면 SMR은 전력망의 석탄 대체, 산업 공정 열 공급, 광산에서 디젤 엔진 대체 및 데이터 센터 전력 공급의 중요한 역할을 할 수 있다.

하지만 비판론자들은 이러한 검증되지 않은 기술의 비용이 경쟁력이 있을지 의문을 제기하며, 일부 설계의 경우 상업적 연료 공급원이 존재하지 않는다고 경고하고 있다.

이 기술들은 또한 새로운 형태의 핵 폐기물을 생성하게 된다.

현재 미국은 전기가 2030년까지 25% 증가할 것으로 예상하고 있으며, 이는 데이터 센터 수요에 기인한다.

콜로라도에서도 Xcel Energy는 2030년까지 피크 수요가 19% 증가할 것이라고 예측하고 있다.

“SMR 기술이 에너지 요구에 부응할 수 있느냐?”라고 물었던 앨리슨 맥팔레인(전 원자력 규제위원회 의장)은 “아니다, 부응할 수 없다. 이들은 10년 안에 상업적 규모로 운영될 수 없다”고 덧붙였다.

현재 누구도 비용 문제를 부인할 수 없다.

미국에서 최초의 SMR은 NuScale Power에 의해 건설될 예정이었으나, 2015년부터 2023년 사이에 비용이 두 배로 증가하여 킬로와트당 21,561달러에 이르렀고, 이는 에너지경제 및 재무 분석 연구소(IEEFA)의 연구 결과에 따른 것이다.

비교를 위해, 2023년에 설치된 유틸리티 규모의 태양광 발전 비용은 킬로와트당 1,200달러로 나타났다.

“첫 번째 프로젝트의 경우 비용이 높을 수밖에 없다”고 원자력 혁신 연합의 선임 분석가 에릭 코스로는 지적했다.

“10개의 모듈을 건설하면 이러한 초기 비용을 분산시킬 수 있으며, 한번에 건설하지 않는다면 비용을 줄일 수 있다.”

SMR의 개발은 기술 및 기업 간 경쟁 체제로, 향후 10년 이상 지켜봐야 어떤 기술이 승리할지 결정될 예정이다.

코스로는 “우리가 검토하고 있는 다양한 기술과 기업 중, 모두 성공하는 것은 아니다. 많은 기업이 실패할 것”이라고 말했다.

“치료비용을 줄이기 위해서는 같은 기술을 반복적으로 개발해야 한다.”

이러한 정리 과정은 몇 년이 걸릴 것이며, 아이디호 국립 연구소의 핵 과학 및 기술 부소장 제스 게힌은 첫 번째 완전 크기 SMR이 2028년과 2030년 사이에 시작될 것이라고 추정하고, 상업용 사용은 2035년이 될 것이라고 말했다.

그 후에는 어떤 기술이 승리할지 질문이 남는다.

“원자력의 초기 시절에도 여러 디자인이 있었으며, 결국 경수로가 주로 사용되었다. 현재 전 세계 원자력 발전소의 90%가 경수로를 사용하고 있다”라고 게힌은 말했다.

원자로의 압력 손실 문제가 이 큰 병목 현상이 될 것이라고 예측하기도 했다.

프로토타입 구축 및 라이센스 확보를 위해서는 3억에서 4억 달러가 필요할 수 있으며, 이는 기업들이 모두 이행할 수 없는 경제적 압박이 될 것이라는 분석도 뒤따랐다.

이 모든 과정에서 라이센스 확보는 필수적이며, 이를 통해 소형 원자로의 경제성과 안전성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

하지만 국내의 주요 유틸리티 기업들은 이 신기술에 대한 투자를 주저하지 않고 있으며, 연방 소속의 테네시 밸리 공사(TVA)는 GE 버노바 히타치의 BWRX-300 SMR를 건설하기 위한 허가를 원자력 규제 위원회에 신청한 상태이다.

300MW의 이 SMR은 기존의 경수로의 소형 버전이다.

Duke Energy와 미국 전기공급회사(AEP)와 같은 미국의 대형 유틸리티 기업들도 BWRX-300에 대한 큰 관심을 보이고 있다.

하지만 이들 원자로는 기존의 대형 원자로들과 유사한 단점을 가지고 있으며, 규모가 크므로 부지 선정에 어려움이 따른다.

규모가 클수록 비용 초과의 위험이 커지며, 원자로를 압력하에 유지해야 하므로 냉각 손실 문제가 발생할 경우 멜트다운의 위험이 있을 수 있다.

하지만 게힌은 이러한 시나리오에 대해 “패시브 안전장치와 소형화된 사이즈 덕분에 후쿠시마처럼 거대한 사고는 일어나지 않을 것”이라고 주장했다.

TVA는 SMR를 확대하기 위한 여러 프로젝트를 동시에 진행하고 있다.

이들은 미국의 대형 원자력 발전소 위치에 인접하여 수십 개의 NuScale 원자로를 설치할 것을 계획하고 있으며, 운영 일정은 아직 정해져 있지 않다.

뿐만 아니라 Google은 Kairos Power와 협력하여 50MW 규모의 원자로를 테네시 주 오크리지에 설치할 계획이다.

이는 2035년까지 Google에 500MW의 전력을 공급하기 위한 전초전이다.

Kairos의 설계는 물을 냉각제로 사용하지 않는 최신 원자로 중 하나이다.

150MW의 원자로는 용융 소금을 사용하고, TRISO라는 강화된 연료를 사용하여 종이처럼 조각난 우라늄 구슬을 포함하고 있다.

용융 소금은 증발하지 않기 때문에 원자로가 압력을 받을 필요가 없으며, 더 높은 온도에서 운영될 수 있다.

강화된 TRISO 연료는 멜트다운에 저항력이 있다.

그러나 이러한 강화 우라늄의 유일한 공급원은 러시아로, 2024년부터 이 연료의 수입이 금지되었으며, 이는 내국 기업의 육성을 촉진하기 위한 조치로 시행되었다.

연방 정부는 34억 달러 규모의 예산을 지원하고 있지만, 여전히 상업 용도의 연료 공급원이 존재하지 않는다.

빌 게이츠가 설립한 원자로 회사인 테라파워도 용융 소금을 냉각제로 사용하는 기술을 개발하고 있으며, 강화 우라늄 문제를 회피하려 하지만 또 다른 도전 과제를 마주하고 있다.

이 회사는 와이오밍 주 케머러에 345MW 원자로 건설을 위한 라이센스를 신청했으며, 최근에는 유타 에너지 개발국과 함께 그 주에 부지를 물색하는 협약을 체결했다.

실리콘 밸리의 또 다른 기업가인 샘 올트만도 SMR 프로젝트에 투자하고 있으며 Oklo는 75MW 규모의 액체 금속 냉각 원자로를 개발하고 있다.

Oklo는 이 계획의 일환으로 오크리지에 미국 최초의 민간 연료 재활용 시설을 구축할 계획이며, TVA의 세 대형 원자력 발전소의 연료를 재활용할 기회를 모색하고 있다고 발표하였다.

Oklo의 CEO인 제이콥 드위트는 “연료는 고급 원자력 에너지를 시장에 내놓는 데 있어 가장 중요한 요소”라고 강조했다.

그러나 이러한 SMR의 연료는 기술의 약점이 될 수 있다.

“더욱 이국적인 연료를 사용하면 안정성이 떨어질 수 있다”라고 맥팔레인은 말했다.

예를 들어, Kairos의 계획은 이 방사성 연료를 용융 소금과 혼합하는 것으로, 이는 처리해야 할 전혀 새로운 종류의 폐기물을 창출한다.

테라파워의 설계는 나트륨을 우라늄과 금속 연료 조립체에 감싸 활용하고 있다.

“나트륨으로 봉인된 금속 연료는 처리가 어렵고, 방사능 물질을 안전하게 격리하기 위해 전문적인 처리가 필요하다”라는 NIA 보고서의 내용이다.

이런 압축된 섭씨 300도에서 운전되는 기존 경수로의 단점을 개선하기 위한 기술이 강화된 연료를 사용하는 이유다.

우라늄 235 원자의 분열로 원자력 반응이 시작된다.

그러나 코어를 축소함에 따라 중성자가 누출되는 현상이 발생하여 효율성이 떨어질 수 있다.

코어가 축소될수록 중성자가 만날 수 있는 원자 수가 줄어들고, 이는 에너지 생산의 효율성을 저하시킨다.

이 문제를 해결하기 위해 고농축 연료가 필요하며, 이는 별도의 연료 조립체 제조 시설, 농축 시설, 전환 및 분해 시설 등이 요구된다.

이 모든 시설은 수백억 달러의 설치 비용이 들 것이며, 이는 원자로 비용에 추가된다.

이러한 이유로 이러한 원자로의 실제 비용에 대한 예측은 어렵다.”라고 맥팔레인은 밝혔다.

이 SMR 기술에 투자하는 이들은 이 모든 기술적 과제를 현실적으로 검토해야 한다.

상대적으로 높은 온도에서 가동할 수 있는 이러한 고농축 연료 기반 기술은 전력을 생산하는데 더 효율적이며, 산업 공정에 효율적으로 사용될 수 있다는 장점이 있다.

X-Energy는 TRISO 연료를 사용하는 80MW 크기의 가스 냉각 원자로를 개발 중이며, 화학 회사인 다우와 협력하여 텍사스만 해안에 위치한 플랜트에 증기와 전기를 공급한다.

트럼프 행정부는 원자력 에너지를 촉진하기 위해 네 가지 행정 명령을 발효했으며, “원자력 에너지 세액 공제”가 “원대한 법안”에 포함되어 기존의 풍력 및 태양광 세액 공제는 줄였다.

8월, 에너지부는 11개의 SMR 프로젝트를 우선 추진하기로 하고, 미국의 250주년 기념일인 2026년 7월 4일까지 세 가지의 소형 시험 원자로가 가동되도록 목표를 설정했다.

이 사항에 대해 IEEFA의 Wamsted는 “이 원자로는 너무 작기 때문에 누군가의 문제를 해결하지 못할 것이다”라고 선을 그었다.

그러나 콜로라도에서는 앞으로의 가능성에 대한 기대감이 커지고 있다.

이번 법안은 원자력이 청정 에너지원으로 지정됨으로써 지역 청정 에너지 자금 조달의 가능성을 열어주며, SMR이 “더 작은 토지에 많은 양의 청정 에너지를 생산할 수 있다”는 이상적인 조건이 명시되어 있다.

이 법안은 또한 “석탄 발전소를 대체함으로써 지역의 일자리 수를 유지할 수 있다”고 주장하였다.

콜로라도 스프링스의 시민 자문 위원회는 십 년의 세월 동안 원자력 옵션에 대한 기본적인 지식을 개발하기 위한 로드맵과 연구 계획을 작성해 줄 것을 Colorado Springs Utilities에 추천하였다.

“원자력은 우리 통합 자원 계획 과정에서 계속 평가될 것”이라는 유틸리티 대변인 다니엘 니베스의 이메일을 전했다.

푸에블로 카운티는 코만체 발전소 화력 발전소의 대체재로 SMR을 강력히 추진하고 있으며, 이는 해당 지역 최대 세금 납부 자이기 때문이다.

푸에블로 카운티 정부는 콜로라도 공공 유틸리티 커미션에 혁신 기술인 최신 원자력에 대해 검토하지 않음에 불만을 표했다.

이에 대한 반응으로 PUC는 SMR을 다시 점검할 것이라고 발표하였다.

이렇듯 조기 수용자들은 삼성에 대한 경제적 리스크에 직면할 수 있고, IEEFA의 Wamsted는 “이 SMR이 하루아침에 90%의 용량으로 가동될 것이라는 건 비현실적이다”라고 단언했다.

“규제 당국은 ‘Xcel, 당신은 제일 10번 리스트에 있지만, 1, 2, 3, 4는 뛰어들과 다르다’라고 알리기 마련이다. 다른 상황에서 비용 초과를 감수할 이유가 없기 때문이다.”라고 Wamsted는 덧붙였다.

코만체 3호 석탄 발전소는 2031년에 폐쇄하기로 되어 있으며, 2010년에 개통된 이 발전소는 최첨단 ‘청정 석탄’ 기술을 사용했다.

하지만 개통 이후 10억 달러의 비용이 드는 이 발전소는 고장 및 정지로 어려움을 겪었으며, 2020년 전체 연도를 포함해 균등적으로 두 해를 가동 중단한 바 있다.

Xcel 시스템에서는 가장 비용이 많이 드는 발전 설비로 간주되며,

덴버 국제공항(DIA)에서는 SMR 도입 계획을 8월 6일 마이크 존스턴 시장과 공항 CEO 필 워싱턴이 발표했으나, 이후 지역 주민의 반대에 부딪혀 계획이 중단되었다.

이처럼 100만 달러의 예산 소요로 인해 SMR 연구가 중단되어 진 상황이다.

맥팔레인은 “100만 달러? 나는 그만큼의 돈이 대단하다고 생각하지 않는다”라고 발언했다.

코스로는 “상황이 이렇게 흘러가는 동안, SMR이 공항을 직접 공급하는 데는 당분간 사용되지 않을 것으로 보인다.

초기에는 상업 전력망이나 데이터 센터에 사용될 것으로 예상한다”라고 전했다.

덴버 국제공항은 SMR 연구를 중단한 지 며칠 후, 90에이커의 면적을 차지하는 18MW 용량의 태양광 발전소를 발표했으며, 이는 덴버에서 가장 규모가 큰 발전소가 될 것이다.

이미지 출처：coloradosun