소형 모듈식 원자로 SMR(Small Modular Reactor)

1. 정의

소형 모듈식 원자로(Small Modular Reactor, 이하 SMR)는 기존 대형 원자력발전소에 비해 출력과 물리적 크기를 대폭 축소하고, 주요 설비를 하나의 모듈 형태로 통합·제작하는 차세대 원자로를 일컫는다. 일반적으로 전기출력 300MW 이하의 원자로를 지칭하며, 보통의 원자력 발전소에 다른 장치 혹은 건문들로 독립되어 있는 설비나 장치들이 모두 1개의 모듈로 통합되어 있다. SMR은 공장에서 제작한 모듈을 현장으로 운송해 설치하는 방식이 특징이다.

SMR은 기존 원전이 갖는 대규모 사고 위험, 긴 건설 기간, 막대한 초기 투자비, 부지 제약 등의 한계를 극복하기 위한 대안으로 제시되었다. 특히 수동적 안전계통, 자연냉각 기반 설계, 모듈화 생산을 통한 공기 단축 및 안전성 강화가 핵심 개념이다.

 

2. 개발 역사 및 등장 배경

원자력 발전은 높은 에너지 밀도와 낮은 탄소 배출로 인한 환경친화성이라는 장점에도 불구하고, 체르노빌(1986), 후쿠시마(2011) 사고 이후 전 세계적으로 안전성에 대한 우려가 급증하였다. 이로 인해 대형 원전 신규 건설은 정체되거나 중단되었고, 원자력 산업은 새로운 대안을 모색하게 되었다.

이러한 흐름 속에서 기존 경수로 기술을 기반으로 안전성을 획기적으로 향상시키고, 사고 시 영향 범위를 최소화한 소형 원자로 개념이 재조명되었다. SMR은 2000년대 이후 본격적인 연구개발이 시작되었으며, 2010년대 들어 미국, 러시아, 중국을 중심으로 국가 전략 기술로 부상하였다. 또한, AI 등 다량의 전력을 필요로 하는 시설이 국가산업적으로 다수 등장하고 있는대 비해 차세대 에너지원으로 여겨지는 태양열 등은 날씨에 따라 발전량의 변동이 심하며, ESS 등 에너지 저장기술도 한계가 있기 때문에 소형 원자로가 크게 주목받고 있다.

SMR은 2000년대 이전에도 어느정도 비슷하게는 존재하였다. 원자력 추진 잠수함, 항공모함에 사용되는 원자로는 원자력 발전에 사용되는 것보다 매우 소형으로 출력 면에서는 SMR의 범위에 속하다고 볼 수도 있다.

 

3. 작동 원리

SMR의 기본적인 작동 원리는 기존 원자력 발전과 동일하게 핵분열 반응에서 발생하는 열을 이용해 증기를 만들고, 이를 통해 터빈을 회전시켜 전력을 생산한다. 다만 노심 크기가 작고 출력이 낮아 붕괴열 발생량이 상대적으로 적으며, 열 제거가 용이하다.

많은 SMR은 강제 펌프 없이 자연대류만으로 냉각이 가능하도록 설계된다. 사고 발생 시 외부 전원이나 운전원 개입 없이도 자동적으로 노심이 냉각되는 수동적 안전성(passive safety)이 핵심 설계 철학이다.

따라서, SMR은 냉각수나 대형 가압기 등의 장치들이 필요없는 경우가 많아 소형화 시킬 수 있으며, 원자로를 완전 밀폐형으로 제작할 수 있다. 따라서 핵연료를 중간에 뺄 수 없도록 제작할 수 있어 핵확산 저항성을 높힐 수도 있다. 또한 핵연료가 든 원자로 코어부를 밀폐형으로 설계해 핵연료를 다 소모하면 1회용 건전지처럼 갈아끼우는 설계도 있으며, 소모된 코어는 방사능 폐기장 등에 통째로 폐기할 수 있다.

 

그림. 다양한 종류의 SMR, 가운데 : 미국 NuScale사, 우측 : 영국Rolls-Royce(출처 : carboncredits.com)

4. 구조적 특징

SMR은 원자로 압력용기 내부에 증기발생기, 가압기, 제어봉 구동계통 등 주요 1차 계통 설비를 통합 배치한다. 이로 인해 외부 배관 수가 크게 줄어들며, 냉각재 상실 사고(LOCA) 가능성이 감소한다.

또한 밀폐형 압력용기 구조를 채택함으로써 핵연료 접근성을 제한하고, 핵확산 저항성을 높일 수 있다. 일부 설계에서는 핵연료를 공장에서 장전한 뒤 일정 수명(10~30년) 동안 교체 없이 사용하고, 수명이 종료되면 원자로 전체를 교체·폐기하는 개념도 적용된다.

기존의 원자로는 다량의 냉각수가 필요하기 때문에 해안 또는 강가에 건설해야 하나, SMR은 이러한 문제에서 자유롭기 때문에 도서산간지역의 전력난 해소에 용이하다. 또한 기존의 원자로는 현장에서 건설해야 하나, SMR은 공장 등에서 만든 후 운반하여 설치하면 된다는 장점이 있다. 그리고, 소형이므로 기존의 원자로보다 제작기간이 매우 짧으며, 비용도 저렴하다.

보통의 원자로는 출력이 증가할수록 안전성이 낮아지며, 사고시 미치는 피해도 증가한다. 또한 원자력 발전에서 사용한 연료의 열을 식히는 것도 매우 중요한 일인대, 대형 원자로의 경우 이 과정이 며칠씩 걸리나 소형 원자로의 경우 이 과정이 매우 짧아질 수 있다.

 

5. SMR의 종류

SMR은 냉각재 및 중성자 스펙트럼에 따라 여러 유형으로 구분된다.

경수로형 SMR: 기존 가압경수로(PWR) 또는 비등경수로(BWR)를 축소한 형태로, 기술 성숙도가 높다. (예: SMART, NuScale)

고속로형 SMR: 소듐 또는 납 냉각 고속로로, 연료 이용 효율이 높다.

가스냉각로형 SMR: 헬륨 등을 냉각재로 사용하는 고온가스로.

용융염로형 SMR: 액체 연료 또는 냉각재를 사용하는 차세대 개념 원자로.

초소형 MMR(Micro Modular Reactor): 수 MW 이하 출력으로 격오지 전력 공급용.

 

그림. 다양한 종류의 SMR 좌측 : 일본(Hitachi)-마국(GE), 우측 : 미국(Oklo) (출처 : carboncredits.com)

6. 주요 특징

6.1 안전성

SMR은 출력이 낮아 붕괴열이 빠르게 감소하며, 자연냉각만으로도 안정 상태를 유지할 수 있다. 또한 SMR은 소형이므로 원자력 누출 등의 사고 시 비상대피구역(EPZ)이 대형 원전보다 현저히 작고, 환경에 미치는 영향도 작다.

6.2 경제성 및 건설성

공장 제작 후 현장 설치 방식으로 건설 기간이 대형 원전대비 크게 짧으며, 초기 투자 부담이 상대적으로 작고, 소요 용량 증가에 따라 단계적 증설이 가능하다.

6.3 유연성

모듈 단위 운전이 가능해 일부 모듈을 정지함으로써 출력 조절이 가능하다. 다만 잦은 출력 변동은 경제성을 감소시키고, 원자로의 수명을 크게 줄일 수 있어 제한적이다. 일반적으로 원자로의 잦은 출력조절은 원자로의 수명을 크게 줄일 수 있어, 대형 원자로의 경우 지속적으로 작동시키는 것이 일반적이다. 따라서, 전력부하가 적을 경우 원자로에서 생산되는 전력은 잉여전력이 될 가능성이 높아진다. 대형의 원자로보다 소형의 SMR을 지을 경우 원자로 운전의 유연성이 증가한다.

6.4 활용성

도서·산간지역, 군사기지, 산업단지, 해양플랜트, 수소 생산 등 다양한 응용 가능성이 있다.

 

7. 국가별 개발 현황

7.1 미국

미국은 SMR 기술을 차세대 에너지 전략의 핵심으로 보고 있다. NuScale, TerraPower, Westinghouse, Oklo 등 다수의 기업이 경수로형 및 비경수로형 SMR을 개발 중이다. 최근 빅테크 기업들이 전력 확보를 위해 SMR 투자에 나서고 있다.

7.2 러시아

러시아는 세계 최초로 해상부유식 SMR(KLT-40S)을 상업 운전 중이며, 쇄빙선 및 극지 개발을 중심으로 실증 경험이 가장 풍부하다.

7.3 중국

중국은 HTR-PM 고온가스로형 SMR을 세계 최초로 상용화하였으며, ACP-100 등 다수의 SMR을 전략적으로 추진 중이다.

7.4 유럽 및 기타 국가

영국, 프랑스, 캐나다 등도 SMR을 탄소중립 수단으로 개발 중이며, 캐나다는 규제 체계 정비에 적극적이다.

7.5 대한민국의 SMR 개발 현황

한국은 경수로 기술 경쟁력이 높은 국가로, SMR 분야에서도 선도적 위치를 확보하고 있다.

대표적인 개발 노형으로는 한국원자력연구원의 SMART(100MW), 혁신형 i-SMR(170MW), BANDI-60 등이 있다. 특히 i-SMR은 정부 주도의 국가 전략 사업으로 2030년 전후 상용화를 목표로 하고 있다. 정부는 SMR을 차세대 수출 산업 및 탄소중립 핵심 수단으로 인식하고 있으며, 경주 SMR 국가산단 조성, 실증·제작지원센터 구축, 안전규제 체계 정비 등을 추진 중이다. 다만 국내 전력 수요 구조, 주민 수용성, 경제성 확보, 방사성 폐기물 관리 등은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있다.