4-8. 차세대 원전 기술 심층분석 : SMR의 자동제어 시스템과 안전성 향상 기술

서론 – SMR의 새로운 안정성 표준

소형 모듈 원자로(SMR)는 차세대 원자력 발전의 핵심으로 기존 대규모 원자로보다 안전성과 운용의 유연성이 높은 발전 시스템입니다. 특히 최근 에너지 산업에서는 지속 가능한 전원 공급은 물론 사고 가능성을 획기적으로 줄이는 기술이 주목받고 있으며, SMR의 자동제어 시스템은 이러한 요구를 충족시키는 대표적인 혁신입니다. 자동제어시스템은 원자로 출력, 냉각재 유량, 압력, 온도 등의 주요 변수를 실시간으로 검출하고 조정함으로써 안정적인 에너지 생산을 유지합니다. 이는 단순히 발전 효율을 높일 뿐 아니라 운전자 개입 없이 비상사태에 대응할 수 있는 '패시브 안전' 기능을 통합하는 방향으로 발전하고 있습니다. 또한 자동 제어 기술과 모듈러 설계를 결합하여 조작의 복잡성을 줄이고 인위적인 실수의 가능성을 최소화합니다. 이 기술은 원자로 내부의 핵연료 배치, 제어봉 위치 제어, 냉각수 펌프, 열교환기 작동을 통합해 차세대 안전 에너지 시스템으로 SMR을 확립합니다.

 

차세대 에너지

– 자동제어 시스템의 핵심 구성 요소

SMR의 자동 제어 시스템은 센서 네트워크, 제어 알고리즘, 실행 장치의 3가지 구성 요소로 구성되어 있습니다. 센서 네트워크는 원자로 압력 용기 내의 온도, 압력, 중성자 다발, 냉각재의 흐름 등을 실시간으로 검출합니다. 이 데이터는 제어 알고리즘에 전송되어 정상 범위를 벗어난 이상을 즉시 판별합니다. 제어 알고리즘은 프로페셔널-인테그랄-유도체(PID) 제어와 모델 예측 제어(MPC) 등의 고급 수학 모델을 사용하여 출력 제어봉의 위치를 조정하거나 냉각수 펌프의 회전 속도를 변경합니다. 실행 장치는 이러한 명령을 신속하게 실행하며, 특히 전기 유압 구동 시스템은 반응 속도와 정확도를 모두 보장합니다. SMR 설계에서 자동제어시스템은 원자로의 출력 안정화, 연료소비효율 증가, 에너지 생산의 최적화를 동시에 달성하는 데 중요한 역할을 합니다.

 – 수동 안전(passive safety)과 자동제어의 결합

자동 제어 시스템과 수동 안전 기능의 조합이 SMR 안전의 핵심입니다. 수동안전 기능은 전원이 꺼지거나 제어장치가 작동 불가능한 상태가 되더라도 중력, 자연대류, 열전도 등 물리적 현상만으로 원자로를 안전하게 유지합니다. 예를 들어 고온가스로(HTGR) 기반의 SMR에서는 냉각수 순환펌프가 정지되어 있어도 자연대류에 의해 열을 제거할 수 있습니다. 경수로형 SMR에서는 원자핵분열을 저지하기 위해 동력 없이 중력에 의해 제어봉이 자동으로 삽입됩니다. 이러한 수동 안전 기능은 자동제어 시스템과 보완적인 관계를 형성하며, 이상 상태가 발생하면 자동제어가 먼저 개입되고, 더 큰 위험이 감지되면 수동 안전 메커니즘이 작동하여 다중 방어 구조를 형성합니다. 이를 통해 SMR은 예상치 못한 사고 상황에서도 안정적으로 에너지를 생산하고 대규모 인프라 피해를 막을 수 있습니다.

 – 인공지능 기반 제어 기술의 적용

최근의 SMR 설계에서는, **인공지능(AI)**와 기계 학습에 근거하는 예측 제어 기술이 도입되고 있습니다. AI는 이상을 조기에 감지하기 위해 수많은 동작 데이터와 시뮬레이션 결과를 학습하고 필요에 따라 사전 제어를 수행합니다. 예를 들어 핵연료 피복관 온도가 조기에 상승해 출력 저하 명령을 내리거나 냉각수 순환 속도를 조절해 열 제거 효율을 높이는 패턴을 인식합니다. 또 디지털 트윈 기술을 활용해 원자로의 모든 구성 요소를 가상 공간에서 재현할 수 있어 실시간 운전 상태와 미래 예측을 동시에 할 수 있습니다. 이를 통해 유지 보수 사이클을 최적화하고 예기치 않은 정지를 방지할 수 있습니다. 이 AI 기반 자동제어는 SMR을 단순한 발전설비가 아닌 지능형 에너지 관리 시스템으로 발전시키는 중요한 전환점입니다.

 

결론 – 미래형 안전형 에너지 시스템으로의 도약

SMR의 자동 제어 시스템과 안전성 향상 기술은 단순한 기능 개선을 넘어 원자력 발전의 패러다임을 변화시키고 있습니다. 인간의 판단과 개입이 기존 대규모 원자로의 핵심이었지만 SMR은 센서, 제어 알고리즘, 실행 장치를 통합한 자동화 시스템으로 안정적인 작동을 보장합니다. 수동 안전 기능을 결합하여 멀티 디펜스 시스템을 구축함으로써 예기치 못한 정전이나 시스템 장애가 발생한 경우에도 원자로를 안전하게 정지하고 열을 제거할 수 있습니다. 또한 인공지능과 디지털 트윈을 활용한 차세대 제어 기술은 운용 효율을 극대화하고 유지비를 절감하며 전력 수요 변화에 신속하게 대응할 수 있는 기반을 마련하고 있습니다. 이는 원자력이 재생 가능 에너지와 함께 저탄소 전력 시스템의 핵심이 되기 위한 필수적인 발전 방향입니다. SMR은 모듈 설계와 지능형 제어 기술을 기반으로 대규모 전력망뿐만 아니라 소규모 도시 전력, 산업용 열공급, 해양에너지 플랫폼 등 다양한 분야에서 안전하고 지속 가능한 전력공급을 실현할 것으로 기대됩니다.