국내·외개발 동향 및 주요 이슈

[마켓 리포트 ]

일체형중소형원자로
국내·외개발 동향 및 주요 이슈

700MW미만의 발전용량과 주요기기들이 가압용기 내에 모두 장착된 일체형 중소형 원자로
IAEA(International Atomic Energy Agency, 국제원자력기구)에서 제시하고 있는 중소형원자로의 정의는 용량 기준으로 300MW 이상700MW 이하의 열출력을 가지는 원자로를 가리킨다. 중소형원자로 중에서도「일체형 중소형원자로(이하 중소형원자로)」는 발전용량이 대용량의 상용원자로와 달리 700MW 미만으로, 원자로 가압용기 내에 주요 기기(냉각재, 펌프, 증기발생기 ,가압기 등)들이 모두 장착되도록 설계되어 있는 원자로를 말한다. 현재 미국, 러시아, 일본 등의 국가에서 여러 종류의 중소형원자로를 개발 중에 있으며 한국형 중소형원자로는 SMART(System-integrated Modular Advanced Reac Tor)란 이름으로 1997년부터 한국원자력연구원에서 개발해오고 있다.

중소형원자로는 대용량의 상용원자로와 달리 원자로집합체의 구조와 형상이 복잡하며 주요 부품의 중량 및 부피가 작다. 또한 제작 장소로부터 설치장소까지 이동이 가능한 모듈형Modular type)으로 제작이 가능하기 때문에 설치 장소에 구애받지 않고 여러 형태로 중소형원자로의 제작·조립·건설이 가능한 장점을 가지고 있다. 이러한 중소형 원자로의 구조적 특성으로 인해 향후 대용량의 상용 원자로를 도입하기에 초기 투자 능력이 제한되는 국가들, 전력 공급 인프라 구축이 미흡한 개발 도상국, 그리고 원자력을 이용하여 담수 생산을 고려하는 물 부족 국가 등을 중심으로 수요가 높아질 것으로 보인다.

대부분의 국가에서 개발 중인 중소형원자로의 경우에는 대용량의 상용원자와 달리 일체형원자의 개념을 채택하여 원자로 냉각재(coolant) 계통의 대형배관파단에 의한 LOCA(Loss of Coolant Accident)가능성을 현저히 감소시키는 특성이 있다.

또한 안전성 향상을 위해서 피동잔열제거계통 및 능동정지냉각계통, 능동안전주입계통 등의 안전개념을 채택하여 일체형 원자로가 안고 있는 리스크 요인을 사전에 제거하고 있다. 아래 그림은 한국원자력연구원에서 개발 중인 SAMRT 원자로 내부구조를 도식화한 것으로써 reactor vessel 상부에 가압기(Pressurizer)가 위치하고 있으며 증기발생기(stream generator)는 나선형 카세트 타입으로 설계되어 있다.

우리나라의 SMART와 경쟁하고 있는 미국의 IRIS, NuScale와 아르헨티나의 CAREM
SMART와 경쟁이 예상되는 해외의 경수로기반 중소형 원자로는 미국의 IRIS(International Reactor Innovation and Secure), NuScale 및 아르헨티나의 CAREM(Central ARgentina de Elementos Modulares)등을 들 수 있다.

미국의 경우 Westinghouse社가 주도하는 국제컨소시엄에 의해 개발되고 있는 335MWe 용량의 일체형원자로 IRIS를 현재 상세 설계 중에 있으며 설계인증을 위한 심사가 2012년 착수될 예정이다. 안전관련 주요 특징으로는 격납계통에 구형(spherical)의 철제 격납용기를 채택하고 있으며 피동잔열제거계통, 피동안전주입계통, 피동감압계통 등의 피동안전개념을 계통 설계에 반영하여 안전성을 증진하고 있다.

또한 NuScale Power社도 45MWe 용량의 일체형원자로 NuScale을 상세 설계 중에 있으며 2015년까지 설계인증을 획득하는 것을 목표로 개발 중에 있다.
안전관련 주요 특징으로는 기본적으로 피동안전 개념을 계통 설계에 반영하여 안전성을 높이고 있다. 또한 노심냉각을 위해 펌프, 배관 및 보조기기의 사용을 배제하고 자연 순환 냉각방식을 채택하여 LOCA의 가능성을 사전에 제거하고 있다.

이와 함께 아르헨티나 CNEA & INVAP社에서 개발 중인 27MWe 용량의 일체형원자로 CAREM도 2017년까지 건설하여 운영할 계획을 가지고 있다. 안전관련 주요 특징으로는 NuScale과 같이 일차냉각재를 냉각하기위해 자연 순환 방식을 채택하여 안전성을 높이고 있다.

원자력을 대체할 수 있는 에너지원의 출현이 없는 이상 중소형원자로 수요는 증가
세계 경제의 지속적인 성장에 따른 전력 수요의 급격한 증가, 유가 상승 및 지구 온난화에 따른 CO2 배출 규제 강화 등과 같은 내·외부적 위험요인에 능동적으로 대처하기 위해 원자력발전에 대한 신규 수요가 증가하고 있다. 과거에는 선진국을 중심으로 발전용량의 관점에 입각한 대용량의 상용원자로 기술개발에만 치우치는 경향이 있었다. 그러나 현재는 대용량의 상용원자로를 도입하기에 초기 투자 능력이 제한되는 국가들 및 전력 공급 인프라 구축이 미흡한 개발도상국들을 중심으로 중소형원자로에 대한 관심이 높아지고 있다.

우리나라를 포함한 여러 국가에서 개발 중에 있는 모든 중소형원자로의 상용화시점이 2020년을 전후로 설정되어 있는 만큼 현재까지도 많은 연구·개발이 요구되는 산업부문이다.

먼저 해외 주요 기관별 중소형원자로 관련 수요 전망치를 살펴보면, 일본전력중앙연구소(CRIEPI(아키오미나토), 2006, 소형 원자로의 국제 비즈니스 기회, 원자력산업)에서는 개발도상국의 전력소비를 고려하여 중소형원자로의 수요를 2050년까지 약 400~850기로 예측하고 있다.

미국 에너지부(GNEP, 2007, Global Nuclear Energy Partnership Technology Development Plan, US DOE) GNEP(Global Nuclear Energy Partnership)에서는 중소형원자로의 수요를 2050년까지 약 500~1,000기로 예측하고 있다, 해외 기관별 중소형원자로 시장 예측 결과와 초기 대용량 원자로 시장의 PLC단계 중 도입기부터 성장기에 이르기까지의 증가추이를 볼 때, 원자로의 수요는 2050년까지 약 300~600기로 예측된다.

하지만 지난 3월 일본 동북부 지역에서 발생한 후쿠시마원전 폭발사고로 인한 원자력에 대한 부정적 시각이 궁극적으로는 중소형원자로 시장의 축소를 가져올 수도 있다.

그러나 원자력을 대체할 수 있을만한 대체에너지원이 당장 출현하지 않는 이상, 중소형원자로를 포함한 원자력시장 전반에 걸친 수요는 쉽게 줄어들지 않을 것으로 보인다.

중소형원자로의 성공적인 상용화는 충분한 안정성 확보가 최우선
세계 각국은 고유가 및 기후협약에 원활히 대응하기 위하여 자국에 적합한 에너지원으로 원자력을 채택하여 국가 중·장기에너지기본계획 등을 수립하고 있다. 특히 국가 전력망 및 사회기반시설이 부족하여 대형 원자력발전소를 건설하는데 부담이 되는 개발도상국들과 해수담수화 및 수소생산 등과 같은 비발전의 열병합서비스를 필요로 하는 국가들의 중소형원자로에 대한 수요가 높아지고 있다. 그러나 2011년 3월 11일 일본 동북부지역을 강타한 지진해일로 인하여 발생한 후쿠시마 원전폭발사고에서 볼 수 있듯이, 아무리 중소형원자로가 타 발전에 비하여 기술적·경제적 우위를 가진다 하더라도 안전성이 충분히 확보되지 않으면 세계 어느 국가도 원자력을 에너지원으로 사용하지 않을 것이다. 이에 따라 향후 세계 각국이 개발 중인 중소형원자로의 성공적인 상용화를 위해서는 무엇보다도 중소형원자로의 개발단계에서부터 안전성, 경제성 등과 같은 주요 이슈들을 충분히 반영할 필요가 있다.

 

기술사업화정보실 연구원 안민호

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