인류는 전쟁이라는 비극적 계기를 통해 원자력이라는 강력한 에너지원을 손에 넣게 되었습니다. 맨해튼 프로젝트로 시작된 핵 에너지 기술은 현재 지구에서 가장 효율적인 에너지 생산 방식 중 하나로 자리 잡았습니다. 환경오염이라는 부작용에도 불구하고, 현대 문명은 더 이상 에너지 없이는 존재할 수 없는 단계에 도달했습니다. 미국 트럼프 대통령이 AI 기술 발전을 위해 원자력 에너지 확보 공약을 내건 것도 이러한 맥락입니다. 하지만 궁극적으로는 친환경 에너지가 보편화되어 지구 환경을 지키면서도 인류가 필요한 에너지를 충분히 사용할 수 있는 시대가 와야 할 것입니다.
SMR 기술의 탄생과 진화
원자력 발전 기술의 역사는 HG 웰스의 공상과학 소설 '자유로워진 세상'에서 영감을 받은 레오 실라르드라는 물리학자로부터 시작되었습니다. 1933년 러더퍼드가 핵 에너지를 발빛에 비유하며 그 활용 가능성을 부정했을 때, 질라드는 오히려 강한 의구심을 품고 핵분열 연쇄 반응에 대한 아이디어를 고안했습니다. 그는 1934년 중성자를 이용한 원소 변환에 대한 특허를 출원했고, 이 기술이 핵무기로 발전할 가능성을 우려해 특허권을 영국 해군에 양도하기까지 했습니다.
질라드는 독일의 핵 개발 소식을 접하고 큰 두려움에 휩싸였습니다. 그는 혼자 힘으로는 미국 정부를 설득할 수 없다고 판단해 알버트 아인슈타인에게 도움을 요청했습니다. 두 사람은 루즈벨트 대통령에게 편지를 보냈고, 이 편지는 맨해튼 프로젝트의 단초가 되었습니다. 질라드는 이탈리아 과학자 페르미와 함께 시카고 대학 스테그 필드 풋볼 경기장 지하에 인류 최초의 원자로인 시카고 파일-1을 건설했습니다. 이 원자로는 흑연을 감속제로 사용해 핵분열 연쇄 반응이 가능함을 증명했습니다.
그러나 원자력이 평화적 목적으로 전환된 계기는 놀랍게도 잠수함의 추진원 개발이었습니다. 하이먼 리코버 제독은 원자력 에너지가 해군 잠수함과 결합하면 강력한 시너지를 낼 것이라 확신했습니다. 당시 흑연 감속제를 사용한 원자로는 부피가 크고 무거워 잠수함 탑재가 불가능했습니다. 이 문제를 해결하기 위해 웨스팅하우스와 제너럴 일렉트릭이 경쟁에 뛰어들었고, 웨스팅하우스는 냉각제로 쓰는 물이 감속제 역할도 할 수 있다는 사실을 발견해 원자로 크기를 획기적으로 줄였습니다. 이렇게 개발된 가압형 경수로(PWR)가 노틸러스호에 탑재되었고, 오늘날 상업용 원전에서 사용하는 원자로 시스템은 바로 이 노틸러스호의 원자로를 기반으로 합니다.
부유식 원전과 원자력 추진선의 등장
SMR(Small Modular Reactor)은 소형 모듈 원자로로, 발전 용량이 300MW 이하인 원자로를 의미합니다. 한국 표준형 원전이 1000MW, APR 1400 모델이 1400MW인 것과 비교하면 상당히 작은 규모입니다. 혁신형 소형 모듈 원자로인 i-SMR의 경우 발전 용량이 170MW에 불과합니다. 대형 원전의 NSSS(Nuclear Steam Supply System, 핵증기 공급 계통)는 원자로, 증기 발생기, 가압기, 냉각재 펌프 등 여러 주요 기기가 배관으로 연결되어 있습니다. 반면 SMR은 이러한 주요 기기들을 모듈화해 하나의 원자로에 통합했습니다. 이로 인해 공장에서 완제품 형태로 제작한 후 트럭이나 기차로 건설 현장까지 운반할 수 있으며, 현장에서는 조립만 하면 됩니다.
배관이 없다는 것은 배관 파단 사고를 원천적으로 배제할 수 있다는 의미이며, 이는 안전성의 획기적인 향상을 가져옵니다. 또한 모듈의 개수를 조절함으로써 발전 용량을 유연하게 조정할 수 있습니다. 두 개를 설치하면 600MW, 세 개면 900MW, 네 개면 1200MW로 필요에 따라 용량을 확장할 수 있는 것입니다.
러시아는 이미 부유식 원전을 상용화하여 운영하고 있습니다. 아카데믹 로모노소프호는 2019년 운영 허가를 받고 2020년 5월부터 상업 운전을 시작했습니다. 이 부유식 원전에는 KLT-40S라는 35MW짜리 SMR이 두 대 탑재되어 있으며, 러시아 페베크 지역의 석탄 화력 발전소를 성공적으로 대체했습니다. 부유식 원전은 바지선 위에 원전을 세워두고 필요한 곳으로 이동시켜 전기와 열을 공급하는 개념으로, 원전에 이동성이라는 새로운 차원을 추가했습니다. 부지에 대한 공간적 제약을 받지 않으며, 필요에 따라 찾아가는 서비스가 가능합니다.
러시아는 쇄빙선에도 SMR을 탑재하고 있습니다. RITM 200 모델은 55MW 용량으로, 이러한 SMR 2기가 쇄빙선에 설치되어 강력한 힘으로 얼음을 깨며 항해합니다. 우리나라도 이 흐름에 동참하고 있습니다. HD 한국조선해양은 SMR을 탑재한 원자력 추진 컨테이너선 개발 모델을 공개했습니다. 탄소 배출이 없고 큰 연료 탱크가 필요 없어 그 공간에 더 많은 컨테이너를 적재할 수 있다는 장점을 내세우고 있습니다.
탄소 배출 제로 시대를 향한 SMR의 역할
SMR이 주목받는 가장 중요한 이유는 기후 위기에 대한 효과적인 대처 방안이 될 수 있다는 점입니다. 신재생 에너지는 간헐성이라는 치명적 단점을 가지고 있습니다. 태양광은 구름이 몰려오거나 밤이 되면 전기를 생산할 수 없고, 풍력은 바람이 불지 않으면 작동하지 않습니다. 이럴 때 신속하게 전기를 보충해 줄 수 있는 발전원이 필요한데, SMR이 바로 그 역할을 할 수 있습니다. SMR은 대형 원전 대비 응답 특성이 좋아 부하 추종 운전을 잘 수행할 수 있으며, 이는 전력 그리드를 안정적으로 유지하는 수호자 역할을 의미합니다.
해양 수송 분야에서도 탄소 배출 규제가 빠르게 강화되고 있습니다. 국제 해사 기구(IMO)는 탄소 배출에 가격을 책정해 부과함으로써 기후 목표 달성을 촉진하고 있으며, 2050년까지 탄소 배출 제로 목표를 설정했습니다. 배의 화석 연료 기반 엔진을 SMR로 대체하면 탄소 배출을 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라 연료비와 효율성 측면에서도 큰 장점을 얻을 수 있습니다. 실제로 선박에서 배출되는 탄소량은 상상을 초월할 정도로 많기 때문에, SMR을 활용한 원자력 추진선은 해양 운송의 패러다임을 완전히 바꿀 잠재력을 가지고 있습니다.
원자력 발전 기술은 1950~60년대 초반의 1세대 원전을 시작으로 2세대, 3세대를 거쳐 발전해 왔습니다. 4세대 원전은 현재 개발 중인 차세대 기술이며, SMR은 이러한 발전 계통과는 별개로 소형화와 모듈화라는 혁신적 접근을 통해 새로운 가능성을 열고 있습니다. 쇼핑포트 원자력 발전소가 60MW의 전기를 공급하며 최초의 상업용 원전이 된 이후, 웨스팅하우스의 가압형 경수로와 제너럴 일렉트릭의 비등형 경수로(BWR)가 세계 원전 시장의 대부분을 차지해 왔습니다. 하지만 이제 SMR이라는 새로운 선택지가 등장하면서 원자력 산업은 또 한 번의 전환점을 맞이하고 있습니다.
인류는 전쟁을 통해 원자력이라는 강력한 에너지를 얻었지만, 이제 그 에너지를 평화와 지속 가능한 미래를 위해 사용해야 할 시점에 와 있습니다. SMR 기술은 안전성, 경제성, 환경성을 모두 갖춘 차세대 에너지원으로서 탄소 배출 제로 시대를 실현하는 핵심 열쇠가 될 것입니다. 원자력 에너지가 환경오염이라는 부작용을 동반하는 것은 사실이지만, 적절한 기술 발전과 안전 관리를 통해 이러한 문제를 최소화하면서도 인류가 필요로 하는 막대한 에너지를 공급할 수 있는 현실적 대안입니다. 궁극적으로는 완전한 친환경 에너지로의 전환이 이루어져야 하겠지만, 그 과도기에 SMR은 신재생 에너지의 간헐성을 보완하고 전력 그리드를 안정화하는 중요한 역할을 담당할 것입니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=G8Jt5kMMOXk&list=PLFs8qkZ9PQlcRuyRtGShHU80UKVMsTsDI&index=54