SMR(소형 모듈 원자로) 최신 업데이트 – 여전히 핵 에너지의 미래

핵에 대한 꿈과 두려움

핵 에너지는 논란이 많은 주제입니다.

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

둘째, 핵무기와의 연관성이라는 비합리적인 연상과, 대중 문화와 공상 과학에서 자주 등장하는 모든 방사능에 대한 두려움이 있습니다.

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

그럼에도 불구하고 핵은 매우 강력한 에너지 원이며, 실제로 인류 문명이 이용할 수 있는 가장 높은 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 우라늄 작은 펠릿 하나가 수백 리터의 석유, 1톤의 석탄, 혹은 17,000 입방피트의 가스를 대체할 수 있습니다.

출처: Energy.gov

또한 핵은 매우 저탄소 에너지 원이어서 일부 기후 행동가들이 핵에 대한 시각을 재고하게 만들고 있습니다. 이는 특히 핵이 날씨나 시간에 관계없이 베이스로드 전력을 제공할 수 있기 때문이며, 재생 에너지는 대규모 배터리 시설 없이는 이를 구현하기 어렵습니다.

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.
• 소규모 국가나 외딴 지역에 적합하지 않으며, 어느 정도 전체 전력망을 핵 발전소에 맞게 개조해야 합니다.
• 무언가 잘못될 경우 지역 사고가 아니라 대륙 규모의 재해가 될 수 있습니다.
• 각 대규모 프로젝트가 맞춤형 실험 설계이기 때문에 산업 전반에 표준화된 생산 프로세스를 구축하기 어렵습니다.

특히 지난 수십 년간 대형 중앙집중식 발전소가 실패하면서 산업이 사실상 정체된 상황에서 이 점이 두드러집니다. 독일과 같은 국가에서는 완전(그리고 아마도 영구적인) 산업 파괴까지 초래했습니다.

발전소가 클수록 한 장소에 집중된 에너지 출력이 많아집니다. 이는 원자로 냉각을 더욱 어렵고, 문제가 발생했을 때 위험을 가중시킵니다.

그래서 이제 관심은 SMR(소형 모듈 원자로)이라고 불리는 소형 원자로로 이동하고 있습니다. 이들은 선박이나 기계처럼 연속 생산이 가능하며, 트럭으로 현장에 운송될 수 있습니다. 모듈식이라는 점은 SMR 기반 핵 발전소가 4~20개의 “모듈형” 전력 발생기를 포함하며, 각각이 서로 동일하다는 의미입니다.

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

출처: IAEA

잘못된 설계와 연료?

설계

또 다른 논의는 바로 발전소 자체의 설계입니다. 일부 전문가들은 물 냉각 설계가 본질적으로 안전성이 낮다고 주장합니다. 물 냉각은 지속적인 물 흐름을 필요로 하며, 이는 복잡한 펌프와 배관 시스템에 의존합니다. 바로 이 시스템이 후쿠시마 사고에서 실패했습니다.

현재는 외부 개입 없이도 사고 시 원자로가 스스로 냉각될 수 있도록 하는 수동 안전성을 목표로 하는 다양한 냉각 설계가 개발되고 있습니다.

연료 선택

다른 이들은 연료로서 우라늄에 집중하는 점을 비판합니다. 물리학적 이유로 우라늄이 선호되었는데, 이는 우라늄이 플루토늄을 생성하기 때문이며, 플루토늄은 핵무기의 핵심 구성 요소입니다.

1950~1980년대, 핵 산업이 탄생하던 시기에 이것은 장점으로 여겨졌습니다. 냉전 시기였으며, 많은 국가가 자체 안보를 위해 핵무기 물질을 확보하는 것이 필요하다고 생각했습니다. 오늘날 대중 여론은 핵 확산과 테러 위협 때문에 이러한 관점을 크게 받아들이지 않습니다.

또한 우라늄은 근본적으로 위험도가 높은 연료이며, 통제 불능 연쇄 반응 위험이 더 큽니다. 그래서 많은 핵 애호가와 스타트업이 토륨 원자로 탐구를 주장하고 있습니다.

혁신의 작은 걸림돌

1~2년 전만 해도 전문가들에게 물어보면 대부분 SMR이 핵 산업의 미래라고 답했을 것입니다.

“SMR 덕분에 우리는 고객층 전체를 확대할 수 있게 되었습니다.”

롤스 로이스 CEO

하지만 최근 Nuscale의 Carbon Free Power Project가 취소되면서 SMR이 재생 에너지 및 기존 핵과 비용 경쟁력을 가질 수 있는지 의문이 제기되었습니다. 특히 핀란드와 미국에서 최근 개장한 “전통적인” 핵 발전소들의 수십억 달러 규모 비용 초과를 고려하면 더욱 그렇습니다.

이러한 비용 상승은 에너지 산업 전체가 동일한 상황이 아니라면 우려스러운 일입니다.

우리는 이 주제를 더 깊이 다룬 기사 “The 2023 Renewable Energy Crash”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.

이 모든 현상이 에너지 생산자, 즉 모든 에너지 생산자가 이전에 계획했던 만큼 저렴하게 설비를 제공하는 능력을 약화시켰습니다. 에너지를 전혀 사용하지 않을 계획이 아니라면, 이는 재가격 책정이 필요한 사안입니다.

화석 연료, 재생 에너지, 혹은 핵 모두 고인플레이션·고금리 경제 환경에서 가장 높은 비용을 부담하게 됩니다. 따라서 “재생 에너지와 SMR을 선택한다”는 시장 반응은 이 맥락에서 비합리적이라고 할 수 있습니다.

아직 시작 단계

파일럿 플랜트 취소에 대한 우려는 핵심을 놓치고 있을 가능성이 있습니다. Carbon Free Power Project는 정의상 파일럿 프로젝트였습니다.

SMR의 비용 절감은 두 가지 원천에서 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.

따라서 초기 5~10대의 SMR은 다소 비쌀 수 있지만, 전면 가동에 이르면 설계상의 경제적 이점이 나타날 것입니다. 이는 프로토타입 자동차가 대량 생산 모델보다 단위당 비용이 높은 것과 동일한 원리입니다.

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.

출처: ThirdDerivative.org

그리고 Nuscale의 특정 설계가 비용 면에서 과도하다고 판단되더라도, 이는 용융염, 토륨, HALEU 연료, 혹은 핵 전력 바지선 등에 대한 전망을 약간이라도 시사합니다.

전반적으로 산업은 다시 혁신에 나선 것으로 보이며, 이는 우크라이나 전쟁으로 촉발된 에너지 위기가 주요 동인일 가능성이 높습니다. 중동 지역 긴장이 고조되면서 1970년대와 유사한 에너지 위기가 재현될 경우, 프랑스와 같이 전력의 70%를 핵으로 생산하는 국가들의 상황이 다시 변할 수 있습니다.

SMR 혁신 기업 선정

이 글은 일부 SMR 혁신 설계들을 살펴봅니다, 전체 목록은 세계핵협회 웹사이트에서 확인할 수 있습니다.

NuScale Power Corporation (SMR)

(SMR )

NuScale은 소형 모듈 원자로(SMR)라는 새로운 유형의 원자로 설계에서 선두주자입니다.

NuScale의 주요 설계는 트럭으로 운송 가능하며, 모듈당 77 MWe를 생산합니다. 최대 12개의 모듈을 결합하면 거의 1GW에 달하는 정격 전력을 얻을 수 있습니다.

출처: NuScale

이 설계는 폐쇄된 석탄 발전소 부지에 설치할 수 있을 정도로 작아 기존 보안 및 전력망 인프라를 재활용할 수 있습니다. NuScale은 또한 미국 원자력 규제 위원회(NRC)로부터 인증받은 최초의 SMR이기도 합니다.

회사는 이미 루마니아에서 계약을 확보했습니다. 또한 SMR 배치를 약속한 15개 이상의 잠재 고객과 120개 이상의 잠재 고객을 대상으로 하고 있습니다. 이와 더불어 철강 공장 등 산업 고객도 저렴하고 안정적인 전력원을 확보하려 하고 있습니다.

하지만 Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS)와 진행하던 Carbon Free Power Project가 비용 상승으로 취소되면서 SMR의 경제성에 대한 의문이 제기되었습니다. 이 소식으로 주가가 크게 하락했으며, 이후 약간 회복된 상황입니다.

General Electric (GE) / Hitachi (HTHIY)

(GE )

GE는 히타치와 협력해 BWRX-300 소형 모듈 원자로를 개발하고 있습니다. 두 기업의 핵 에너지 경험을 결합해 300 MW 규모의 원자를 만들고 있습니다.

출처: GE

GE는 캐나다 온타리오 전력공사와 사스카툰 전력공사(스스캐처원)에서 파일럿 SMR 프로젝트를 선정받았습니다.

미국에서는 테네시 밸리 전력청과 협약을 맺었으며, 여러 다른 유틸리티와 논의 중입니다.

전 세계적으로는 폴란드에서 Orlen이 2038년까지 79대 SMR을 배치하도록 선정됐으며, 에스토니아, 체코, 스웨덴에서도 선정됐고, 영국 및 기타 국가와도 추가 판매 논의 중입니다.

GE/히타치가 BWRX-300을 성공적으로 홍보한 것은 SMR 산업에서 가장 국제적인 성공 사례일 수 있습니다. 설계 자체의 우수성뿐 아니라 모기업들의 명성, 네트워크, 그리고 소규모 스타트업에 비해 확실한 재정 지원이 큰 역할을 했다고 볼 수 있습니다.

Rolls-Royce Holdings plc (RYCEY)

롤스로이스는 고급 자동차 제조업체일 뿐 아니라 항공기 엔진 및 첨단 엔지니어링 기술 분야에서도 선두주자입니다.

회사는 영국 SMR 기술 선두주자가 되기를 목표로 하고 있습니다. 설계는 모듈당 470 MW를 제공합니다.

출처: Rolls Royce

롤스로이스는 네덜란드에서 SMR 배치를 논의하고 있습니다. 또한 스웨덴·핀란드, 체코 (스코다 자동차와 협력) 및 폴란드에서도 논의 중입니다.

롤스로이스는 주로 유럽 시장과 산업용 적용에 집중하고 있으며, 이는 현재 대륙이 겪고 있는 에너지 위기를 고려한 현명한 선택으로 보입니다. 이와 관련해 우리는 “화석 연료 공급 문제 – 임박한 해운·에너지 위기” 기사에서 다룬 바 있습니다.

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

(BEP )

Westinghouse Nuclear은 미국 핵 에너지 초창기부터 선구자 역할을 해왔으며, 최근 우라늄 채굴업체 Cameco(49%)와 대규모 저탄소 유틸리티 BEP(51%)가 공동 인수했습니다. BEP는 Brookfield 투자 기업의 일부이며, 관리 자산 규모는 8500억 달러에 달합니다.

Westinghouse의 AP300 SMR 설계는 기존 AP1000 원자로의 축소 버전입니다. 현재 중국에서 AP1000 4기가 가동 중이며, 추가로 6기가 건설 중이고, 미국 조지아주에서도 2기가 진행 중입니다(조지아 Vogtle 프로젝트는 지연·비용 초과로 악명 높음). 또한 폴란드와 인도에서도 3~6기, 6기 프로젝트가 진행 중입니다.

990MW 전력 용량을 가진 이 SMR 설계는 기존 대형 원자로와 “소형” 원자로 사이의 경계를 잇습니다.

출처: Westinghouse

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

이 비상장 기업은 빌 게이츠가 지원하는 것으로 유명합니다. 대형 기업과 Nuscale이 규모와 생산 방식을 바꾸어 기존 설계를 개선하려는 반면, TerraPower는 근본적인 변화를 추구합니다.

핵심 혁신은 용융염 원자로이며, 이는 GE-히타치와 협력해 Natrium 원자로를 개발하고 있습니다. Natrium은 345 MWe 규모이며, 와이오밍 주의 퇴역 석탄 발전소에 배치될 예정입니다. 또한 Molten Chloride Fast Reactor (MCFR) 설계도 진행 중입니다.

용융염은 연료와 방사성 물질을 포함하면서 동시에 냉각재 역할을 합니다. 이는 고온에서 염이 팽창해 핵 반응을 자동으로 감소시키는 특성 덕분에 본질적으로 안전할 수 있습니다.

또한 18~24개월마다 원자로를 정지시켜야 하는 기존 방식과 달리 연속 급료가 가능하며, 다양한 농축도의 우라늄 연료를 사용할 수 있어 유연성이 높습니다.

중성자가 기존 원자로처럼 감속되지 않기 때문에 반응 효율이 크게 향상됩니다.

출처: TerraPower

이러한 급진적인 혁신에도 불구하고 TerraPower는 아직 충분히 설득되지 않은 상황입니다. 회사는 Traveling Wave Reactor (TWR®) 설계라는 “장기 목표”를 추진하고 있으며, 이는 비농축 우라늄으로 수세기 동안 운용 가능하고 기존 설계보다 30배 효율적이라고 주장합니다.

핵 산업은 과거 원자로 사고를 반복하지 않으려는 보수적인 입장이 강해, 급진적인 새로운 설계에 대해 매우 회의적입니다. 이는 TerraPower에게 기회이자 장애물이 될 수 있습니다.

Terrestrial Energy

또 다른 용융염 기업인 Terrestrial Energy는 Integral Molten Salt Reactor를 개발하고 있습니다.

이 회사는 용융염 원자로 설계에서 핵심 문제였던 흑연 감속재 수명을 해결했다고 주장합니다. 원자로 코어를 완전 통합형으로 만들어 7년 수명 후 교체가 용이하도록 설계했습니다.

이 설계는 다른 용융염 원자로와 마찬가지로 높은 온도에서 안전성과 효율성을 향상시킵니다.

Moltex Energy

Moltex는 영국 기반 기업으로 폐핵연료를 연소하는 원자로, Stable Salt Reactor – Wasteburner (SSR‑W)를 캐나다 Point Lepreau에서 개발 중입니다.

이 설계는 에너지 출력을 빠르게 변환할 수 있어 간헐적인 재생 에너지와 완벽히 보완됩니다.

“이 첨단 핵 기술은 가스 발전소와 같은 유연성을 가지고 있지만, 더 낮은 비용과 무탄소 배출로 전기를 생산합니다.”

MoltexFLEX

이 원자는 움직이는 부품이 없고 수동 냉각 방식을 사용해 기존 원자로보다 훨씬 적은 감독이 필요합니다.

Moltex는 핵폐기물을 연료로 사용하기 때문에 표준 또는 SMR 설계를 완전히 대체할 수는 없지만, 저비용 에너지 생산과 폐기물 감소, 그리고 필요 시 저탄소 전력을 제공하는 독특한 틈새 시장을 차지합니다.

Rosatom

러시아 국영 핵 기업은 수십 년간 업계 선두를 달려왔으며, 소형 원자로와 유사한 기술을 일찍이 개발했습니다. 현재는 SMR 개발에 크게 집중하고 있지는 않으며, 주로 해상 핵 전력에 초점을 맞추고 있습니다.

이미 구현된 아이디어는 핵 잠수함이나 항공모함에 사용되는 소형 원자로를 선박에 탑재하는 것입니다. 이 부유식 전력 플랜트는 러시아의 경우 주로 북극해의 도시와 산업 현장에 배치될 수 있습니다.

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

출처: Power Technology.com

전 세계 인구의 80%가 해안 지역에 거주하고 있기 때문에 이 설계는 큰 잠재력을 가집니다. 현재 구상된 비즈니스 모델은 Rosatom이 전력 바지를 소유·운영하고 전력을 판매하는 형태이며, 해외에도 판매가 가능합니다.

또한 허리케인 등 재난 지역이나 에너지 인프라가 부족한 외딴 지역에 전력 플랜트를 이동시킬 수 있는 유연성을 제공합니다.

Seaborg

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

이때 덴마크 기업 Seaborg가 등장합니다. 이 회사는 800 MW 규모의 부유식 전력 플랜트를 포함한 콤팩트 용융염 원자로를 개발하고 있습니다.

출처: Seaborg

Seaborg 원자의 해상 설계는 인도네시아와 노르웨이와의 논의를 통해 해안 국가에 적합한 솔루션이 될 수 있습니다.

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

따라서 Seaborg는 우리 기사 “The Other Hydrogen Fuel – Top 5 Green Ammonia Stocks”에서 설명한 바와 같이, 핵 기반 수소·암모니아 경제의 핵심 요소가 될 가능성이 있습니다.

X-Energy

X-Energy는 기존 농축 우라늄 대신 TRISO‑X 연료를 사용하는 혁신을 추구합니다.

TRISO‑X 연료는 “고함량 저농축 우라늄”(HALEU)을 사용해 운영 기간을 연장하고 비용을 절감합니다. 또한 연료 자체에 격납 시스템을 포함시켜 안전성을 크게 향상시킵니다.

Xe‑100 원자로는 고온 가스 냉각 원자로(HTGR)이며, 80 MWe 규모로 4세대 핵 발전소의 일환으로 간주됩니다. 이러한 원자는 400m 안전 주변을 확보하고 있어(전통 설계는 10마일) 안전성이 크게 향상됩니다.

X‑Energy 설계는 기술적 장점이 있지만, 지정학적 위험에도 취약합니다. HALEU 연료는 주로 러시아 Rosatom이 미국에 공급하고 있으며, 우크라이나 전쟁으로 공급이 위협받고 있습니다. 미국 Centrus나 프랑스 Orano의 대체 공급은 5~10년이 걸릴 수 있어 회사의 연료 공급에 위험을 초래합니다.

회사는 2023년 10월 SPAC Ares Acquisition Corporation과의 계약을 종료하고 공개 상장을 추진했습니다.

China

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

중국은 현재 55개의 가동 중인 핵 발전소를 보유하고 있으며, 22개가 건설 중, 70개가 계획 단계에 있습니다. 전체적으로 2021년 150개의 신규 발전소 건설 목표를 발표했습니다. 또한 2023년 12월에 세계 최초 4세대 상업용 원자로를 가동했습니다.

대형 전통 원자로 외에도 중국 기업들은 공기 냉각 토륨 원자로를 개발 중이며, 이는 물이 부족한 건조 지역에 적합합니다.

또한 컨테이너 선박에 적용할 토륨 기반 소형 용융염 설계를 개발하고 있어, 탄소 배출 없이 연료 보급 없이도 운항이 가능합니다. 이는 1960년대 “원자력 평화 이용” 프로그램에서 구상된 상업용 핵 선박의 꿈을 현실화할 수 있습니다. 상징적으로 미국 Savannah는 2023년 1월에 퇴역 예정입니다.

US Savannah – 출처: ANS

Copenhagen Atomics

덴마크 기업은 40피트 표준 컨테이너에 들어가는 토륨 기반 용융염 원자로를 구축하려 하고 있습니다.

이 회사는 100 MW 열출력을 제공하면서 560 °C 온도를 유지하는 원자로를 상업적으로 $100,000에 판매하거나 임대할 수 있다고 주장합니다. 첫 번째 시제품은 2025년에 출시될 예정입니다.

출처: Copenhagen Atomics

2028년까지는 최초의 폐기물 소각 장치를 구축할 계획이며, 100,000년 동안 지속되는 방사성 폐기물을 300년으로 단축하면서 전력을 생산할 수 있습니다.

토륨, 용융염, 폐기물 소각, 컨테이너 크기 원자로 등 가장 앞선 핵 혁신을 모두 한 번에 추구하는 Copenhagen Atomics는 아마도 핵 산업에서 가장 야심찬 스타트업 중 하나일 것입니다. 따라서 이 회사의 향후 성공 여부는 기술적 성과보다 규제 프레임워크가 급진적인 새로운 핵 설계를 수용하도록 얼마나 빠르게 변화하느냐에 크게 좌우될 것입니다.