소형 모듈 원자로(SMR): 2023년 원자력 개발 계획 개요

핵에 대한 꿈과 두려움

원자력은 논쟁이 많은 에너지원입니다. 이 글은 2023년 말의 관점에서 소형 모듈 원자로를 살펴봅니다. 당시의 사업 계획과 예상 일정은 현재의 실현을 보장하지 않습니다.

첫째, 체르노빌이나 후쿠시마와 같은 재난으로 인해 안전성 측면에서 합리적인 이유가 있습니다. 이는 실패했을 때 어떤 일이 일어날 수 있는지를 상기시켜 줍니다.

일부 핵기술과 핵무기의 연관성, 그리고 방사선에 대한 우려도 있습니다. 핵무기 확산은 실제 문제이지만 방사선 위험은 선량과 노출 조건에 따라 평가해야 합니다.

또한 풍력·태양광과 같은 “진정한” 재생 에너지와 경쟁 관계에 놓이며, 그에 비해 열등한 대안으로 여겨지기도 합니다.

원자력 연료의 에너지 밀도는 매우 높습니다. 미국 에너지부의 비교에 따르면 작은 우라늄 연료 펠릿 하나는 석탄 약 1톤, 석유 수백 리터 또는 천연가스 17,000입방피트에 해당하는 에너지를 낼 수 있습니다.

원자력은 전 생애주기 탄소 배출이 적고 바람이나 시간대에 관계없이 안정적으로 발전할 수 있습니다. 변동성 있는 풍력·태양광은 저장장치, 전력망 연계, 수요 조절, 유연한 발전으로 보완할 수 있습니다. 모든 재생에너지가 변동성 전원인 것도, 배터리가 유일한 해법인 것도 아닙니다.

새로운 핵

최근 핵을 옹호하고 엔지니어링하는 새로운 세대가 등장했으며, 이들은 지금까지 산업이 걸어온 길을 비판하고 있습니다. 현재 핵 전력에 대한 그들의 불만은 두 가지입니다: 규모와 연료.

작은 것이 아름답다?

핵 발전소는 대규모 프로젝트가 되는 경우가 많습니다. 출력은 기가와트 단위이며, 투자 규모는 수백억 달러, 건설 기간은 수년에서 수십 년에 이릅니다. 이로 인해 몇 가지 문제가 발생합니다:

• 프로젝트 시작과 최초 전력 생산 시점 사이에 큰 시간 차이가 있어 정부 자금 외에 자금을 확보하기 어렵습니다.
• 대형 발전기는 작은 전력망이나 외딴 지역에 지나치게 클 수 있고 상당한 송전망 보강이 필요할 수 있습니다.
• 중대 사고의 영향은 부지 밖으로 확대될 수 있으며, 범위는 사고 유형과 설계, 방호 조치에 따라 달라집니다.
• 사업별 변경과 현지 요구 조건은 표준화의 이점을 제한할 수 있습니다. 다만 대형 원자로에도 표준화된 설계는 존재합니다.

일부 대형 사업의 지연과 비용 증가는 신규 투자를 어렵게 했습니다. 독일이 2023년 마지막 발전용 원자로를 폐쇄한 것은 정책적 탈원전 결정이며, 모든 원자력 활동과 기술이 사라졌다는 뜻은 아닙니다.

출력이 클수록 제거해야 할 열도 많아집니다. 안전성은 크기만이 아니라 전체 설계와 냉각 시스템에 달려 있습니다.

소형 모듈 원자로(SMR)는 공장에서 더 많은 부품을 제작하고 현장으로 운반해 설치하는 방식을 지향합니다. 국제원자력기구(IAEA)는 통상 모듈당 전기출력 300 MWe 이하를 기준으로 삼습니다. 발전소는 한 개 또는 여러 모듈로 구성될 수 있으며, 4~20개가 필수인 것은 아닙니다. 모든 설계를 통째로 트럭으로 운반할 수 있는 것도 아닙니다.

산업용 열, 군사 기지, 외딴 공동체, 혹은 달 기지와 같은 특수 용도를 위한 마이크로 원자로 개발 흐름도 존재합니다.

잘못된 설계와 연료?

설계

피동 안전계통은 자연순환과 중력 같은 물리 현상으로 외부 전력이나 능동적 조작 없이 열을 제거하도록 설계됩니다. 후쿠시마는 전력과 냉각 상실의 위험을 보여주었습니다. 그러나 수냉식 원자로도 피동 계통을 적용할 수 있으므로, 물을 냉각재로 쓴다는 사실만으로 안전성이 결정되지는 않습니다.

연료 선택

우라늄의 선택에는 기술적·역사적·경제적 이유가 있습니다. 원자로 안에서 일부 우라늄-238은 플루토늄으로 전환되므로 핵물질 관리와 비확산 조치가 중요합니다. 그렇다고 민간 전력 생산의 목적이 반드시 무기 물질 생산인 것은 아닙니다.

1950~1980년, 즉 냉전 기간에는 일부 국가가 원자력 사업과 군사적 필요를 연계했습니다. 오늘날에도 핵물질 감시, 비확산, 테러 방호는 중요한 요구 사항입니다.

토륨은 대체 핵연료 원료로 연구됩니다. 그러나 천연 토륨 자체는 핵분열성 연료가 아니며 우라늄-233으로 전환되어야 하고, 처음에는 핵분열성 물질이 필요합니다. 토륨이 우라늄보다 원자로를 자동으로 안전하게 만드는 것은 아닙니다. 설계와 연료주기를 함께 평가해야 합니다.

혁신의 작은 걸림돌

2020년대 초에는 많은 기술 지지자가 SMR을 원자력의 중요한 미래 방향으로 평가했습니다.

“SMR 덕분에 우리는 고객층 전체를 확대할 수 있게 되었습니다.”

롤스 로이스 CEO

NuScale과 UAMPS는 사업을 계속할 만큼 충분한 고객 참여를 확보하지 못해 2023년 11월 Carbon Free Power Project를 종료했습니다. 이 사건은 SMR의 비용 경쟁력 논쟁을 다시 불러왔습니다. 대형 기존 원자로 사업도 핀란드와 미국에서 지연과 비용 증가를 겪었습니다.

당시 물가와 금융 여건은 다른 에너지 사업에도 부담을 주었지만, 영향은 기술과 계약 조건에 따라 달랐습니다.

우리는 이 주제를 더 깊이 다룬 기사 “2023년 재생에너지 업종의 하락”에서 살펴보았습니다. 간단히 요약하면 풍력·태양광 제조업체와 핵 발전소 건설업체가 다음과 같은 복합적인 문제에 직면했습니다:

• 금속, 콘크리트, 에너지 등 산업 프로젝트에 필수적인 원자재 가격 상승.
• 숙련 인력 비용을 끌어올리는 일반 인플레이션.
• 팬데믹, 국제 무역로 문제, 그리고 서방과 러시아·중국 간의 무역 전쟁·제재로 인한 공급망 차질.
• 자본 집약적인 발전 프로젝트의 비용을 급격히 상승시키는 금리 인상.

원자재와 인건비, 공급망, 금리는 여러 발전소의 예산에 영향을 주어 계약과 사업비의 재검토를 요구했습니다. 이 글은 화석연료·재생에너지·원자력에 공통된 비용 요인을 일관되게 평가해야 한다는 관점입니다. 그렇다고 각 기술에 고유한 위험이 없어지는 것은 아닙니다.

아직 시작 단계

Carbon Free Power Project는 해당 설계의 초기 상용 사업 중 하나가 될 예정이었습니다. 취소가 모든 SMR의 경제성을 결정하지는 않지만, 비용과 고객 수요에 관한 중요한 경고입니다. 양산에 따른 비용 절감은 주로 두 요인에서 기대됩니다.

1. 수십~수백 개의 동일한 발전소에 걸쳐 연구·개발(R&D) 비용을 상각.
2. 조립 라인의 지속적인 작업 흐름을 통해 최적화와 규모의 경제 실현.

초기 설비는 개발과 인허가, 생산체계 구축 비용으로 비쌀 수 있습니다. 학습 효과와 양산이 비용을 낮출 가능성은 있지만, 다섯 번째나 열 번째 발전소 이후에 반드시 경제성이 확보되는 것은 아닙니다.

이는 혁신 산업에서 흔히 “죽음의 골짜기(Valley of Death)”라 불리는 현상이며, 각 단계 사이에 열광이 최고조에 달했다가 실망이 최고조에 달합니다. 장기적인 관점을 가진 투자자와 공공 투자는 이러한 부정적 기간을 견디게 하며, 장기적인 진보를 촉진합니다.

NuScale의 특정 설계가 비싸다고 해서 용융염, 토륨, HALEU 또는 부유식 발전소의 전망까지 자동으로 결정되지는 않습니다.

우크라이나 전쟁 이후의 에너지 위기는 공급 안정성과 원자력 기술에 대한 관심을 높였습니다. 1970년대 석유 위기도 프랑스의 원전 확대 같은 국가별 선택에 영향을 주었습니다. 새로운 위기가 모든 나라에서 같은 결과를 낳는 것은 아닙니다.

SMR 혁신 기업 선정

이 글은 일부 SMR 개발사를 소개하며, 더 폭넓은 개요는 세계원자력협회 웹사이트에서 확인할 수 있습니다.

NuScale Power Corporation (SMR)

SMR 가격 차트

NuScale은 소형 모듈 원자로(SMR)를 개발합니다.

2023년에 소개한 설계는 모듈당 77 MWe로, 최대 12개 모듈을 결합해 정격 924 MWe를 내는 구성이었습니다. 사전 제작 부품을 운반해 현장 작업을 줄이는 것이 목표입니다.

적절한 검토와 인허가를 거치면 SMR은 폐쇄된 석탄발전소의 일부 기반시설을 활용할 수 있습니다. 2023년 1월 NRC는 NuScale의 초기 모듈당 50 MWe 설계를 인증했습니다. 77 MWe 설계의 표준설계 승인은 2025년에 이루어졌으며, 이것만으로 특정 부지의 건설 허가가 부여되지는 않습니다.

회사는 루마니아 사업의 자금 지원 약속과 개발 작업을 발표했습니다. 15개 이상의 적극적 관심 고객과 120개 이상의 잠재 고객이라는 수치는 당시 회사의 영업 기회 설명이며, 모두 확정 주문은 아니었습니다. 철강 공장 등 산업 고객도 저렴하고 안정적인 전력원을 확보하려 하고 있습니다.

UAMPS 사업 종료는 2023년 NuScale 주가에 악영향을 주고 첫 사업의 경제성에 의문을 제기했습니다. 이 주가 설명은 당시 시점의 상황입니다.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

GE 가격 차트

GE는 히타치와 협력해 BWRX-300 소형 모듈 원자로를 개발하며 전기출력은 약 300 MW입니다. GE의 원자력 사업은 2024년 분사한 GE Vernova에 속합니다. 현재 GE 주식은 GE Aerospace를 나타내므로 GE Vernova에 대한 직접 지분과 다릅니다.

캐나다의 Ontario Power Generation과 서스캐처원주의 SaskPower가 각자 사업을 위해 기술을 선정했으며, 개발·인허가 단계는 서로 달랐습니다.

미국에서는 테네시 밸리 전력청(TVC )과 협약을 맺었으며, 여러 다른 유틸리티와 논의 중입니다.

폴란드에서는 2023년에 2038년까지 최대 79기를 추진한다는 목표가 논의되었습니다. 전부 확정 주문이나 건설 중인 원자로를 뜻하지는 않습니다. 에스토니아·체코·스웨덴·영국 등에서도 기술 선정과 협의가 진행됐지만, 기술 선정이 곧 최종 투자 결정인 것은 아닙니다.

BWRX-300에 대한 관심에는 기술뿐 아니라 개발사의 경험과 협력 관계도 영향을 줄 수 있습니다. 모기업의 명성이 모든 사업의 자금 조달이나 완공을 보장하지는 않습니다.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

롤스로이스 홀딩스(RRU.DE )는 항공기 엔진과 첨단 엔지니어링 기업입니다. BMW그룹 소유의 고급 자동차 제조사 롤스로이스 모터카와는 별도의 법인입니다.

Rolls-Royce SMR은 약 470 MWe의 영국 모듈식 설계를 개발했습니다. 회사가 SMR이라는 명칭을 사용하지만, 이는 IAEA가 통상 사용하는 300 MWe 기준보다 큽니다.

롤스로이스는 네덜란드에서 SMR 배치를 논의하고 있습니다. 또한 스웨덴·핀란드, 체코 (원자력 엔지니어링 회사 Škoda JS와의 협력 포함) 및 폴란드에서도 논의 중입니다.

Rolls-Royce SMR의 유럽·산업용 시장 집중은 에너지 안보와 관련됩니다. 운송 차질의 위험은 기사 “화석 연료 공급 문제 – 임박한 해운·에너지 위기”에서 다루었습니다. 수에즈 운하 폐쇄 가능성은 위험 시나리오이지 확정 사건은 아닙니다.

Westinghouse： Cameco (CCJ)와 Brookfield Renewable Partners L.P. (BEP)

BEP 가격 차트

웨스팅하우스 인수는 2023년 11월 7일 완료됐습니다. Cameco가 49%, Brookfield가 Brookfield Renewable 및 기관투자자와 함께 구성한 그룹이 51%를 보유했습니다. 더 넓은 브룩필드 그룹의 당시 운용자산은 약 8,500억 달러였습니다.

AP300은 더 큰 AP1000의 기술을 활용합니다. 2023년 말 중국에서 AP1000 네 기와 미국 Vogtle 3이 가동했으며, Vogtle 4는 아직 상업운전에 들어가지 않았습니다. 중국의 추가 사업과 폴란드·인도의 계획도 있었습니다. Vogtle은 일정 지연과 비용 초과로 알려졌습니다. 제안된 원자로가 모두 건설 중인 것은 아니었습니다.

AP300의 설계 출력은 전기 약 300 MWe, 열 약 900 MW입니다. 전기출력 990 MW가 아닙니다.

직접 상장되지 않았기 때문에 Westinghouse에 투자하려면 투자자들이 BEP의 재생 에너지 사업에 대한 노출을 원할지, 아니면 Cameco의 우라늄 채굴 사업에 대한 노출을 원할지 선택해야 합니다.

그럼에도 Westinghouse는 핵 에너지 분야의 거인으로, 수십 년간 업계 표준을 정립해 왔으며, 특히 수십 년간 핵 산업을 지배한 가압수형 설계로 유명합니다.

TerraPower

비상장 TerraPower는 빌 게이츠가 지원합니다. 단순한 크기·생산방식 변경뿐 아니라 서로 다른 원자로와 에너지 저장 기술을 개발합니다.

Natrium은 액체 나트륨으로 냉각하는 고속로이며, GE Hitachi와의 협력으로 개발합니다. 기본 전기출력은 345 MWe입니다. 별도의 용융염 열저장장치가 일시적인 발전량 증가를 지원합니다. 실증 사업은 와이오밍의 석탄발전 전환 지역에 계획되었습니다. 별도 연구 방향은 용융염화물 고속로(MCFR)입니다.

MCFR에서는 핵분열성 물질을 담은 액체 염이 열을 운반합니다. Natrium의 연료는 이 방식이 아닙니다. 열팽창과 다른 피드백은 반응 제어에 도움이 될 수 있지만, 안전성은 전체 계통으로 검증해야 합니다.

일부 액체 연료 설계는 기존 원자로와 다른 유연한 연료 관리·공급 방식을 목표로 합니다. 연속 연료 공급이나 모든 농축도 수용이 모든 용융염 원자로 또는 Natrium에 자동으로 적용되지는 않습니다.

고속로는 일반적인 열중성자로처럼 중성자를 감속시키지 않습니다. 일부 연료 물질의 활용도를 높일 수 있지만, 전기 변환 효율이나 경제성이 자동으로 향상되는 것은 아닙니다.

TerraPower는 진행파 원자로(TWR)도 연구했습니다. 감손우라늄 등을 더 잘 활용하는 것이 목표입니다. 연료 활용도를 여러 배 높인다는 주장은 개발 목표이지, 초기 핵분열성 장전 없이 수백 년 운전하는 상용 원자로가 이미 있다는 증거가 아닙니다.

새 설계는 시험과 분석으로 규제기관에 안전성을 입증해야 합니다. 기술적 이점뿐 아니라 자금, 연료, 공급망, 인허가 문제도 해결해야 하며, 산업이 모든 혁신을 거부한다는 뜻은 아닙니다.

Terrestrial Energy

Terrestrial Energy (IMSR )는 통합 용융염 원자로(IMSR)를 개발하고 있습니다.

회사는 흑연 감속재의 노화를 다루기 위해 통합 노심 유닛을 약 7년마다 교체하도록 설계했습니다. 교체 대상은 통합 노심이지 발전소 전체가 아닙니다.

고온 운전은 열효율과 산업용 열 공급에 유리할 수 있습니다. 안전성과 비용의 이점은 해당 설계에서 입증해야 합니다.

Moltex Energy

Moltex는 재활용 사용후핵연료에서 얻은 물질을 활용하는 Stable Salt Reactor – Wasteburner(SSR-W)를 개발합니다. 캐나다 사업은 뉴브런즈윅의 Point Lepreau와 연결되어 있습니다. SSR-W, 재활용 공정 WATSS, 열저장 GridReserve의 조합은 풍력·태양광을 보완하는 유연한 발전을 목표로 합니다.

별도 설계인 MoltexFLEX의 FLEX는 유연하고 배출이 적으며 비용 경쟁력 있는 발전을 지향합니다.

MoltexFLEX

피동 순환과 냉각은 일부 계통의 능동 기기를 줄일 수 있습니다. 발전소 전체에 가동 부품이 없거나 감독이 필요 없다는 뜻은 아닙니다. 재활용 연료 활용은 일부 장수명 물질을 줄일 수 있지만, 재처리와 폐기물 관리 및 인허가는 여전히 필요하며 모든 방사성 폐기물이 없어지지는 않습니다.

Rosatom

러시아 국영 Rosatom은 소형·선박용 원자로 경험이 있습니다. 부유식 발전소 외에도 야쿠티야의 RITM-200N 같은 육상 사업을 개발합니다.

부유식 Akademik Lomonosov는 각각 35 MWe인 원자로 두 기로 2020년 상업운전을 시작했습니다. 러시아 북극권의 외딴 공동체와 산업시설에 에너지를 공급합니다.

이 설계는 핵동력을 갖춘 군함을 건조한 경험이 있는 전용 조선소에서 연속 생산이 가능합니다.

해안 지역은 부유식 발전소의 시장이 될 수 있습니다. 다만 세계 인구 80%가 해안에 산다는 수치는 해안권의 정의 없이 뒷받침하기 어렵습니다. 제안된 사업 모델은 Rosatom이 발전선을 소유·운영하며 전력을 판매하는 형태이며, 해외에도 판매가 가능합니다.

부유식 발전소는 준비된 부지로 이동할 수 있습니다. 재난 대응에도 인허가, 보안, 계류시설, 전력망 연결이 필요하므로 즉시 투입되는 자동적 해결책은 아닙니다.

Seaborg

Rosatom의 부유식 전력선 개념은 러시아에만 국한된 것이 아니며, 지정학적 상황을 고려할 때 서방 국가와 동맹국에서 러시아 설계가 널리 채택될 가능성은 낮습니다.

덴마크 Seaborg는 부유식 발전소용 소형 용융염 원자로를 개발했습니다. 당시 최대 800 MW 구상은 여러 원자로의 합계 출력이지 단일 원자로 출력이 아닙니다.

해상 원자로 설계는 해안 국가의 수요에 대응할 수 있으며, Seaborg는 인도네시아·노르웨이와 협의를 진행했습니다.

또한 세계적인 조선업체인 삼성중공업과 협력해 수소·암모니아 플랜트와 결합된 부유식 핵 전력 플랜트를 개발 중입니다.

따라서 Seaborg는 우리 기사 “또 다른 수소 연료 — 친환경 암모니아 관련 주식 다섯 가지”에서 설명한 바와 같이, 핵 기반 수소·암모니아 경제의 핵심 요소가 될 가능성이 있습니다.

X-Energy

X-energy (XE )는 TRISO-X 연료를 개발합니다.

TRISO-X도 농축 우라늄을 사용합니다. HALEU의 우라늄-235 비율은 5% 초과, 20% 미만입니다. 작은 연료 입자의 다중 보호층이 고온에서 핵분열 생성물을 가두도록 설계되지만, 발전소의 모든 다른 안전 기능을 대신하지는 않습니다.

Xe-100은 모듈당 약 80 MWe의 고온 가스로로 4세대에 속합니다. 회사는 약 400 m의 비상계획구역을 제시하며, 미국의 대형 기존 원자로에서는 통상 약 10마일을 적용합니다. 이는 특정 인허가 접근이며, 그 바깥이 무조건 무위험하다는 뜻은 아닙니다.

2023년에는 HALEU 확보가 중요한 공급 위험이었습니다. 우크라이나 전쟁 이후 러시아 공급 의존에 대한 우려가 커졌습니다. Centrus는 2023년 11월 미국 최초의 HALEU 물량을 생산했지만, 상업 규모 확장에는 시간과 투자가 더 필요했습니다. 과거의 5~10년 예상은 현재의 확정 공급 일정이 아닙니다.

회사는 2023년 10월 Ares Acquisition Corporation과의 SPAC 합병 계약을 종료했습니다. 이후 별도의 2026년 기업공개를 거쳐 Nasdaq에 XE로 상장했습니다. 현재 주가 표시는 2023년 계약 취소와 구별해야 합니다.

중국

오랫동안 러시아와 서방으로부터 핵 기술을 수입해 온 중국은 이제 산업을 선도하는 혁신가로 급부상하고 있습니다.

2023년 인용된 가동 약 55기, 건설 중 22기, 계획 70기는 원자로 호기 수이며 여러 호기가 있는 발전소 부지 수가 아닙니다. 언론은 2021년에 신규 원자로 150기 건설 구상을 보도했습니다. 2023년 12월에는 4세대 기술의 고온 가스냉각 실증 원자로 HTR-PM이 상업운전을 시작했습니다.

중국은 별도로 토륨 기반 실험용 용융염 원자로를 건조 지역에 개발했습니다. 토륨은 연료주기를 뜻하며 냉각 방식 자체를 뜻하지 않습니다. 이 사업은 가스냉각 HTR-PM과 구별해야 합니다.

또한 컨테이너선용 용융염 원자로 개념도 제시됐습니다. 긴 연료 교체 간격과 낮은 운전 배출이 목표였으며, 완성된 선박이 연료 없이 무한 운항한다는 증거는 아닙니다. 1960년대 원자력 평화 이용과 N.S. Savannah의 구상을 떠올리게 합니다. Savannah는 1970년대 초 운항을 끝냈고, 2023년에는 원자력 설비 해체와 이후 처리 계획이 논의됐습니다.

Copenhagen Atomics

Copenhagen Atomics는 토륨 연료주기의 용융염 기술과 모듈 생산을 개발합니다. 2023년 설명은 40피트 컨테이너 크기와 약 560 °C를 목표로 한 설계 구상이었습니다.

모듈의 목표 출력은 열 100 MW이며 같은 양의 전기출력이 아닙니다. 2025년 실증 예상은 당시 개발 목표였습니다. 완성된 원자로 가격이 10만 달러라는 주장은 현재 공식 자료로 뒷받침되지 않습니다. 회사는 현재 100 MWth 유닛당 5,000만 달러를 목표로 제시하며, 연간 서비스료와 별도 현장 비용도 있습니다. 가격과 일정은 회사의 목표입니다.

회사는 2028년 폐기물 활용 원자로 개발도 목표로 했습니다. 특정 장수명 동위원소의 분리·핵변환은 장기 방사독성을 줄일 수 있지만, 10만 년 위험한 모든 폐기물이 자동으로 300년 후 안전해지지는 않습니다. 이는 가동 실적이 아닌 개발 목표였습니다.

토륨, 용융염, 폐기물 활용, 모듈 생산의 결합은 야심찬 목표입니다. 성공은 규제 변화만이 아니라 기술 실증, 재료, 경제성, 자금 조달, 인허가에 달려 있습니다.