4-7. 차세대 원전 기술 심층분석 : SMR 모듈러 설계 구조 및 시스템 통합 기술

서론 – 모듈러 설계를 통한 에너지 산업의 변화

Small Module Reactor(SMR)의 모듈화 설계는 기존의 대규모 원자로와는 차별화되어 제조, 운용, 보수 프로세스 전체의 에너지 효율과 안전성을 향상시키는 핵심 기술입니다. 모듈화란 원자로의 주요 부품(노심, 증기발생기, 냉각시스템, 제어시스템 등)을 표준화된 크기와 형식으로 제조하여 공장에서 완성한 후 설치 장소로 운반하여 조립하는 방법입니다. 이 구조는 현장에서의 시공 기간을 대폭 단축하고 품질 관리 수준을 균일하게 유지할 수 있습니다. 특히 SMR은 하나의 용기 내에 프라이머리 시스템을 통합하기 위해 통합압력 용기(IPWR) 구조를 채택해 파이프 길이를 줄이고 냉각수 누수 가능성을 최소화할 수 있습니다. 또한 설계 표준화를 통해 동일한 모듈을 여러 개 병렬로 설치할 수 있기 때문에 전력 수요 변화에 따라 확장성이 아주 높습니다. 이 모듈러 설계는 단순한 원자력 발전소 건설 혁신을 넘어 세계 에너지 인프라 구축 방법을 바꿀 수 있습니다.

 

차세대 에너지

– 모듈형 구조 설계 요소·에너지 효율

SMR의 모듈러 설계는 구조의 간소화와 고효율의 열전달을 모두 목적으로 하고 있습니다. 중요한 것은 코어, 증기 발생기, 가압기, 냉각수 펌프를 통합된 압력 용기에 내장하는 것입니다. 이 설계를 통해 파이프 손실을 최소화하고 펌프 소비 전력을 절감하며 열에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어 NuScaleSMR에서는 코어와 증기발생기가 수직통합 구조로 되어 있어 자연순환 냉각이 가능하고 외부 전원 없이 수동 안전 기능을 작동시킵니다. 또한 모듈 바깥쪽에는 방사성 물질 차단 성능을 높이기 위해 격납용기와 방사선 차폐판이 이중으로 배치되어 있습니다. 모듈의 크기와 무게는 운송 편의성을 고려하여 표준 ISO 컨테이너 규격 또는 대형 트레일러로 운송되도록 설계되었으며, 현장 조립 과정 중 최소한의 용접과 파이프 연결만 필요합니다. 이 설계 최적화로 설치 기간이 단축되고 운영 비용이 절감되며 장기적인 에너지 생산 비용이 절감됩니다.

– 시스템 통합 테크놀로지, 에너지 운용 안정성

SMR의 시스템 통합 기술은 각 모듈을 독립적으로 운영하고 중앙제어시스템을 통해 여러 모듈을 통합 운영할 수 있도록 설계되었습니다. DCS(분산 제어 시스템) 및 부하 추종 기능이 도입되어 있기 때문에 각 모듈의 출력을 전력 수요 변화에 따라 조정할 수 있습니다. 냉각시스템, 비상 전원, 폐기물처리시설 등 주요 보조시스템도 통합·관리되고 있으며, 불필요한 설계를 통해 장애 발생 시 다른 모듈이 즉시 보완됩니다. 또한 배관과 시스템 인터페이스의 표준화를 통해 단시간에 모듈의 추가 및 교체가 가능합니다. 예를 들어 같은 사이트에서 첫 번째 네 번째 모듈로 동작을 시작한 후 수요가 증가하는 여섯 번째와 여덟 번째로 확장할 수 있습니다. 이 유연한 통합 운영 시스템은 재생 에너지의 변동성을 보완하고 장기적인 에너지 공급의 안정성을 확보합니다.

– 안전 시스템의 통합과 에너지 보안의 강화

SMR의 모듈러 설계에서 안전 시스템은 개별 모듈 내에 설치된 수동 안전장치와 사이트 전체를 보호하는 공통 안전 설비로 구성되어 있습니다. 각 모듈에는 중력식 긴급 냉각수 주입 탱크가 있어 정전 시에도 냉각 기능을 유지하고 외부 전력 의존성을 줄여줍니다. 또한 모듈 외부의 격납 용기는 해수, 강수량, 지하수를 이용한 흡열 비상 냉각 시설과 연동되어 있습니다. 사이트 전체 차원에서는 단일 모듈 사고가 시설 전체에 영향을 미치지 않도록 중앙방사선 모니터링 시스템과 Defence-in-Depth가 적용됩니다. 모듈 수준에서의 물리적 분리와 제어 시스템의 중복성은 사이버 보안 측면에서도 이점을 제공합니다. 이를 통해 개별 모듈은 전력망 해킹이나 통신 장애가 발생할 경우 안전 정지 모드로 자율적으로 전환할 수 있습니다. 이 다층 안전 설계는 SMR이 장기적으로 안정적인 에너지원으로 기능하기 위한 핵심 기반입니다.

결론 – 모듈러 설계와 시스템 통합을 통해 바라본 미래 에너지 패러다임

SMR의 모듈러 설계 구조와 시스템 통합 기술은 단순한 원자로 설계의 개선을 넘어 에너지 산업 전체의 운용 패러다임을 변화시킵니다. 모듈 수준의 제조 및 현장 조립 방법은 초기 투자 부담을 줄이고 건설 위험을 줄여 전 세계 어디서나 표준화된 품질을 보장합니다. 또한 시스템 통합 기술을 통해 모듈별로 독립적인 운영과 집중적으로 제어할 수 있어 재생 에너지의 변동성 향상, 전력망 안정화, 긴급 대응 능력이 실현됩니다. 향후 고온가스로(HTGR), 용융염로(MSR) 등 차세대 원자로 기술과 결합해 발전은 물론 산업열, 수소생산, 해수담수화 등 다목적 에너지 공급 시스템의 중심축이 될 예정입니다. 특히 기후변화에 대응하고 탄소 중립을 달성하기 위한 전 세계적인 에너지 전환 과정에서 SMR의 모듈화·통합 기술은 각국에 맞는 전력 공급 모델을 가능하게 하여 에너지 안보, 경제 효율, 그리고 환경보전입니다.