4-8. 차세대 원전 기술 심층 분석 : SMR의 핵반응기 유형별 특성 비교

서론 : 차세대 SMR 원자로 다양성·설계 혁신

소형 모듈 원자로(SMR)는 차세대 원자력 기술의 핵심으로 다양한 운전 환경과 목적에 따라 다양한 유형의 원자로 설계가 개발되고 있습니다. 특히 경수로형 SMR과 고온 가스로 형 SMR이 대표적인 2가지 방법으로 각각 열역학적 특성, 안전성, 발전효율에서 뚜렷한 차이를 나타내고 있습니다. 경수로형 SMR은 기존의 대규모 경수로 기술을 소형화하여 높은 기술성숙도와 신뢰성을 제공하고 기존의 전력망과의 연결을 용이하게 합니다. 한편 고온 가스로 형 SMR은 헬륨가스를 냉각재로 사용함으로써 고출력 온도를 달성하고, 이를 통해 수소 제조나 고온 프로세스 열공급 등 다목적 에너지를 이용할 수 있습니다. 이 차이는 냉각재의 종류뿐만 아니라 연료봉의 배치, 압력용기의 구조, 제어봉의 배치 방법 등 원자로 설계의 전체적인 상세한 요소에 의한 것입니다. 따라서 원자로의 종류별로 SMR의 특성을 비교하는 것은 미래의 에너지 전략을 확립하는 데 중요한 분석 과정입니다.

 

차세대 에너지

- 경수로형 SMR의 구조와 운영 특성

경수로형 SMR은 기존의 대규모 가압경수로(PWR) 또는 비등경수로(BWR) 기술을 기반으로 소형화된 설계가 특징입니다. 가압경수로형 SMR은 약 300℃의 물을 냉각재로 사용하여 물이 끓지 않도록 고압을 유지합니다. 이를 위해 압력용기 내부에 원통형 연료 어셈블리와 제어봉 가이드 튜브가 배치되고 연료봉은 산화우라늄(UO₂)으로 채워집니다. 설계의 핵심은 1차 냉각시스템, 증기발생기, 가압기가 하나의 모듈로 통합돼 현장 조립 없이 공장에서 제조·운반할 수 있다는 것입니다. 이 구조는 건설 기간을 단축하고 품질 관리 수준을 높입니다. 경수로형 SMR은 안정적인 발전이 가능하고 기존 전력망에 적합하지만 출력 온도가 비교적 낮기 때문에 고온 공업 공정이나 대규모 수소 생산 등의 고온 에너지 용도에는 한계가 있습니다. 그래도 연료 교체 주기가 길고 수동 냉각 시스템을 통해 비상시 자연대류 냉각이 가능한 점에서 안전성이 높습니다.

- 고온 가스로 형 SMR의 설계와 산업 응용

고온 가스로 SMR(HTGR)은 헬륨 가스를 냉각재로 사용하여 노심 온도를 700~900℃까지 상승시킬 수 있습니다. 헬륨은 불활성 가스로 화학적으로 안정적으로 방사되지 않기 때문에 냉각재 손실 사고의 가능성은 매우 낮습니다. 설계상 HTGR은 구형 또는 육각형 흑연 블록 구조를 사용하며, 연료는 고온에서도 연료봉 손상을 방지하기 위해 삼중 피복 입자(TRISO) 형태로 생성됩니다. 이러한 고온 특성에 의해 철강, 석유화학, 수소 제조 등의 고온 공업 프로세스에 에너지를 직접 공급할 수 있게 되어 단순한 발전이 가능해집니다. 특히 수소 제조에서는 고온증기전해(SOEC)나 열화학적 수소 제조 프로세스(유황-요오드 프로세스 등)와 관련해 화석연료 없이 대규모 수소를 제조할 수 있습니다. 그러나 HTGR은 고온 구조물이나 흑연의 방사선 열화 문제, 냉각재 순환 설계의 복잡성 등의 기술적인 문제가 남아 있습니다.

- 기타 SMR 핵반응기 유형과 기술적 차별성

경수로형, 고온 가스로 형 외에도 용융염(MSR), 나트륨 냉각 고속로(SFR) 등의 차세대 SMR형도 개발되고 있습니다. MSR은 핵연료를 용융염 상태에서 작동시킴으로써 연료와 냉각수가 같은 매체에 존재하는 독특한 구조를 가지고 있습니다. 이 방법은 연료 재처리가 쉽고 운전 중에도 연료를 주입할 수 있어 이용률이 높습니다. SFR은 액체 나트륨을 냉매로 사용하여 500℃ 이상의 작동 온도를 실현하고, 사용 후 핵연료를 고속 중성자로 소비함으로써 핵폐기물의 감소에 기여합니다. 이러한 원자로는 설계 컨셉부터 냉각 시스템, 연료의 종류, 제어 방법까지 경수로나 고온 가스로와는 전혀 다릅니다. SMR의 다양한 디자인은 각 산업의 요구와 에너지 정책의 목표에 따라 선택할 수 있으며, 향후 모듈화와 표준화를 통해 상용화 가능성이 더욱 높아질 것입니다.

결론 : 다변화된 SMR 설계가 여는 미래 에너지 패러다임

원자로 종류별로 SMR을 비교한 결과, 가장 중요한 사실은 단일 설계로는 모든 에너지 요구를 충족시킬 수 없다는 것입니다. 경수로형 SMR은 높은 기술적 성숙도와 신뢰성에 기반한 안정적인 전력 공급에 적합하며, 기존 원자력 발전소의 운전 경험을 최대한 활용하고 있습니다. 한편, 고온 가스로 형 SMR은, 고온 공업이나 수소 제조 등, 다목적 에너지 이용에 있어 눈에 띄고 있습니다. 또한 용융염로와 나트륨 냉각 고속도로 등 특수 유형의 SMR은 폐기물 절감, 연료 효율 극대화, 자원 순환에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 향후 SMR 개발은 단순한 원자로 설계 경쟁이 아니라 각국의 산업구조와 에너지 전략에 따라 각 기술의 특성을 이해하고 최적의 조합을 찾는 방향으로 나아갈 것입니다. 그러기 위해서는 원자로 설계의 상세한 요소, 국제 표준화, 모듈 제조 기술의 진보에 관한 상세한 연구가 필수적입니다. 궁극적으로 이 기술의 다양화는 에너지 안보 강화와 이산화탄소 중립성 실현이라는 두 목표를 동시에 달성하기 위한 기초가 될 것입니다.