원자력은 경제성(Energy Affordability), 환경성(탄소중립, Environmental Sustainability) 및 에너지안보(Energy Security)라는 에너지 정책의 세 가지 핵심 요소를 동시에 충족시킬 수 있는 견고한(Firm) 에너지원으로 크게 주목받고 있다. 세계적으로 원자력은 수력, 태양광, 풍력 등을 보완하는 저탄소 에너지원으로서 필수적인 역할을 수행해야 한다. 에너지 환경이 매우 취약한 상황에서 원자력 기술을 자립하여 수출산업으로까지 발전시킨 우리나라에서는 현재뿐만 아니라 미래에도 원자력이 경제적이고 안정적인 준 국산 무탄소 에너지원으로서 중심적인 역할을 수행해야 한다.

대부분의 국제기구들이 2050년 탄소중립을 위해서는 원자력 발전량이 현재의 두배 이상으로 증가해야 한다고 예측한다[1, 2]. 원자력은 가동 중인 원전의 장기 운전(Long-Term Operation), 제3세대 대형원전의 신규 건설, 소형모듈원자로(SMR)의 개발 및 이용, 수소 생산 및 열 공급 등 비발전 이용 등을 통해 탄소중립과 에너지 안보에 기여할 수 있다. 대부분의 원전 이용 국가들은 20년 이상의 계속운전을 추진하고 있으며, 여기에는 탈원전을 추진하는 스위스도 포함된다. 제3세대 대형원전 건설은 에너지 수요가 크고 관련 인프라가 잘 갖추어진 국가들 중심으로 진행되고 있으며, 중국, 러시아, 한국, 프랑스, 영국 등이 이에 속한다. 폴란드와 같이 새롭게 신규 대형원전 건설사업을 대규모로 추진하는 국가들도 있다.

소형모듈원자로(SMR)에 대한 전 세계적인 관심은 상당히 뜨겁다. 원자력 선진국들은 모두 SMR 개발에 참여하고 있으며, 러시아와 중국에서는 이미 여러 기가 운영 중이거나 건설 단계에 있다. 우리나라 또한 2010년대에 개발된 SMART의 해외수출을 모색하는 동시에, 경제성, 안전성, 운전 편의성 등을 강화한 혁신형 소형모듈원자로(i-SMR) 개발에 주력하고 있다. i-SMR 개발사업은 과학기술정보통신부와 산업통상자원부가 공동으로 추진하는 총 3,992억 원(국고 2,747억 원) 규모의 사업으로, 2028년까지 설계개발과 검증 및 규제기관 인증(표준설계인가) 완료를 목표로 하고 있다. 해상용 용융염 원자로를 비롯한 다른 원자로형 개발도 본격화하고 있다.

이 글에서는 우리나라의 에너지 환경과 원자력의 역할, SMR 개발 동향을 살펴본 후, 범국가적 개발 노력이 집중되고 있는 i-SMR의 사업화 방안을 제안하고자 한다.

각국의 에너지믹스 전략은 그 나라의 고유한 환경과 인구·산업 특성을 충분히 고려하여 수립되어야 한다. 우리나라에서 중요하게 고려해야 할 사항은 다음과 같다.

① 유럽이나 북미 지역과는 달리 에너지망 및 전력망 측면에서 고립된 섬과 같다.

② 인구밀도가 매우 높으며, 특히 수도권에 인구의 절반 이상이 집중되어 있다.

③ 반도체, 철강, 화학 등 에너지 다소비 제조업 비중이 높고 국가경쟁력의 핵심 요소이다.

④ 인구와 산업단지 등 에너지 소비가 높은 지역이 편중되어 있어서 재생에너지의 분산형 전원으로서의 역할이 제한적이다.

⑤ 에너지 소비가 수도권 등 특정 지역에 집중되는 반면, 신재생에너지 단지는 주로 호남지역에, 원전 단지는 동해안 지역에 집중되어 지역간 불균형이 심하다.

⑥ 국토의 70%가 산지이며, 사용가능한 평지 대부분이 이미 개발되어 토지 비용이 높다.

⑦ 태양광 및 풍력 자원의 밀도가 높지 않으며, 간헐성과 변동성이 심하여 고품질의 전기를 안정적으로 공급하는데 장애요소가 되고 있다.

⑧ 수력자원이 부족하여 유럽과 달리 전력 공급 안정성에 거의 역할을 하지 못한다.

⑨ 원자력은 설계, 설비 제작, 건설, 운영 등의 기술을 자립한 준국산 에너지원으로서 외화유출이 적고, 발전단가가 압도적으로 낮다.

⑩ 풍력과 태양광 기술도 발전하고 있으나 상대적으로 외국(특히 중국) 의존도가 높으며, 재생+BESS 시스템이 핵심광물 수급 문제에 직면할 가능성도 있다.

이러한 고유 환경을 고려할 때, 우리나라는 에너지 안보 측면에서 특정 에너지원의 비중이 지나치게 높아지지 않도록 하면서 원자력, 재생에너지(태양광, 풍력) 등 무탄소 전원과 배터리(BESS), 수소 등 에너지 저장 수단을 최적으로 조합하여 안정적인 국가 에너지 공급 시스템을 구축하는 것이 바람직하다. 특히 변동성이 큰 재생에너지의 불가피한 증가에 따른 정전 또는 전력품질 저하를 예방하고 그리드 회복력을 유지하기 위해 모든 방안을 강구해야 한다. 마이크로그리드, 스마트그리드, 섹터커플링 등 다양한 방법으로 그리드 부담을 줄이고, 에너지 수요 집중을 완화하며, 에너지 다소비 업체들이 에너지 생산시설에 인접하게 위치할 수 있도록 하는 법적·정책적 조치를 강화해야 한다. 산업경쟁력 유지와 국민의 에너지 복지를 위해 전력생산 단가의 과도한 상승을 피하고 안정적인 에너지 가격체계를 구축하는 것도 매우 중요하다. 또한, 에너지 공급뿐만 아니라 선도적인 신기술 개발과 산업 생태계 구축 및 수출을 통해 국가 경제에 지속적으로 기여해야 한다.

원전은 앞으로도 견고한 저탄소 전력원으로서 안정적이고 경제적으로 30% 수준의 기저부하를 담당하여 그리드 보호, 에너지 안보, 산업경쟁력 및 에너지 복지에 기여할 필요가 있다. 재생에너지 증가를 고려하여 새로 건설될 신규 대형원전은 1일 부하추종 및 주파수 제어 등의 탄력운전 기능을 갖추는 것이 바람직하며, 탄력운전을 하는 대형원전이 대략 10% 수준의 전력을 공급할 수 있을 것이다. 현재 개발 중인 i-SMR을 비롯하여 SMR들이 도입되면 2050년경에는 최대 10% 수준의 전력 생산 점유율을 기대한다. SMR은 탄력운전 기능을 갖추고, 에너지 수요지 인근에 건설함으로써 전력망 부담을 경감할 것이다. 이를 모두 고려하면 원자력발전 비중은 50% 수준까지 가능하리라 생각한다.

SMR은 다음과 같은 특성으로 원자력 이용 확대에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다[3].

① 안전성 : 300 MWe 이하의 낮은 출력을 가진 SMR은 피동 안전성 등 다양한 냉각방식을 적용할 수 있으며, 설계특성에 의해 중대사고 발생 가능성을 실질적으로 배제할 수 있다. 이는 매우 높은 수준의 안전성을 의미하며, 사고에 대비한 비상계획구역을 축소하고 전기 및 열 수요지역에 인접하여 건설할 가능성을 높인다.

② 유연성 : SMR은 단독 또는 다수기 배치를 통해 용량을 다양하게 구성할 수 있다. 탄력운전 능력을 통해 화력발전 대체 및 신재생 보완이 용이하며, 전기 공급, 공정열 공급, 수소 생산 등 다양하게 활용할 수 있다. 또한 대형원전에 비해 유연한 입지 조건을 적용할 가능성이 크다.

③ 금융비용 및 경쟁력 : 낮은 출력, 설계 단순화 및 표준화, 공장 제작 확대 등으로 비용 절감, 사업자의 자금 조달 부담 경감, 사업 기간 단축에 도움을 준다.

④ 사용후핵연료 관리 : 액체금속로(SFR), 용융염원자로(MSR) 등 비경수형 원자로의 경우 다양한 방법으로 사용후핵연료 발생량을 최소화할 수 있다.

IAEA는 SMR 현황에 대한 보고서를 격년으로 발행하는데, 2022년 보고서[4]는 미국 20종, 러시아 17종, 중국 9종 등 총 84종의 SMR을 소개하였다. 또한 최신 OECD/NEA 보고서[3]에서는 총 56개 SMR 노형의 진행 상황을 평가하였다. 현재 러시아의 KLT-40S(35 MWe, PWR), 중국의 HTR-PM(210 MWe, HTR), 일본의 HTTR(30 MWt, HTR 시험로)이 운영 중이고, 러시아의 RITM-200N(55 MWe, PWR)과 BREST-OD-300(300 MWe, LFR), 중국의 ACP100(100 MWe, PWR) 및 아르헨티나의 CAREM(25 MWe, PWR)은 건설 중이다. 미국 GE-Hitachi사의 BWEX-300(300 MWe, BWR), 미국 NuScale사의 VOYGR(77 MWe, PWR), 미국 USNC사의 MMR(5 MWe, HTR)은 다수 국가에서 인허가가 진행 중이다. 이밖에도 여러 비경수형 SMR 설계에 대한 시험로 또는 실증로 건설사업이 미국과 캐나다 등에서 가시화되고 있다. 예를 들어 Kairos Power사의 KPFHR(140 MWe, MSR)를 35 MWt로 축소한 Hermes 원자로의 건설허가가 발급되었고, TerraPower사는 Natrium 원자로 실증로 건설을 위한 건설허가를 신청했다.

SMR의 본격적인 상용화 시기는 2030년대로 예상되며, 다양한 설계 중에서 최종적으로는 10종 이내의 설계가 세계 시장을 놓고 경쟁을 벌일 것으로 보인다. SMR의 경제성은 국내 시장을 넘어 의미있는 세계 시장 점유율을 확보할 때 쉽게 확보할 수 있다. 따라서 SMR은 개발단계부터 국내 시장뿐만 아니라 세계 시장을 함께 목표로 하는 것이 필수적이다.

국내에서는 가압경수로, 액체금속로, 고온가스로, 용융염원자로 등 다양한 노형의 SMR 개발이 진행되어 왔다. 대부분의 기술개발은 국책 연구기관과 공기업 중심으로 이루어졌지만, 최근에는 정부 주도 연구 개발사업에 민간기업의 참여가 활발해지고, 민간기업이 외국 사업에 참여하는 경우도 증가하고 있다. i-SMR 개발도 공기업과 국책연구소 중심으로 진행되고 있으나, 이에 대한 민간의 관심이 높아서 40여 민간기업이 분담금을 부담하면서 참여하고 있다.

SMR은 에너지시스템의 탈탄소화(화력발전소 대체 및 비발전분야 이용), 원자력 이용 분야의 확장(독립 전원 및 극·오지 에너지 공급), 변동성 재생에너지 보완(유연성 제공) 등에 주로 활용될 것으로 기대된다. 현재 개발 중인 i-SMR은 다음과 같이 다양한 분야에서 중·단기적으로 활용될 잠재력을 지니고 있다.

- 대형 석탄발전소 폐쇄에 따른 대체: 기존 그리드를 통한 전력 공급

- 대형 전력 수요 시설에 대한 전기 공급: 데이터센터, 반도체 클러스터, 전기로 제철소 등

- 열 이용 산업에서 화석연료 대체: 수소 생산, 철강, 석유화학, 제지, 해수 담수화, 지역난방 등에 열 및 전기 공급

- 변동성 재생에너지 및 에너지 다소비 시설과 연계한 독립 에너지망(스마트 시티) 구성(예를 들어 새만금지역 등)

- 해상 부유식 원전

- 도서 및 사막 지역(국외)에서의 전기 및 열 공급(해수 담수화 및 수소 생산 포함)

i-SMR의 사업화 있어서 민간기업의 역할이 중요해지고 있다. 이와 관련하여 세 가지 핵심전략 방향을 제안한다.

① i-SMR 최초 호기(FOAK)의 국내 건설 : 공기업(한국수력원자력)을 중심으로 민간기업이 적극 참여하는 형태로 신속하게 착수해야 한다.

② 국내외 건설에서의 양날개 전략 : 민간기업과 공기업이 함께(따로, 또 같이) 국내외에서의 건설사업을 추진해야 한다.

③ 국가 차원의 원전기술 개발 역량 유지 및 강화 : 이는 장기적인 경쟁력 확보와 에너지 강화에 필수적이다.

최초 호기의 신속한 국내 건설은 중요성을 넘어 필수적인 조건이다. i-SMR은 입증된 기술을 바탕으로 하는 경수로형 SMR임에도 불구하고, 종합적인 건설성과 운영 성능에 대한 실증이 매우 중요하다. i-SMR이 새롭게 도입되는 모듈형 원자로라는 점에서 정부, 공기업, 민간기업이 협력하여 위험을 분담하면서 성능을 실증해야 하며, 향후 본격적인 상용화를 위한 상세설계, 제작·건설, 운영기술 등을 완성하는 것이 필요하다. 새로 개발된 원자로의 자국 내 건설은 신뢰성과 수출경쟁력 강화에 크게 기여할 것이다. 이전의 APR1400과 SMART가 모두 국내 표준설계인가를 획득했으나, 국내 건설을 착수한 APR1400은 수출에 성공하고, 건설계획이 없던 SMART는 수출에 실패했던 교훈을 잊어서는 안 된다. 최초 호기 건설사업은 한국수력원자력이 주도하되, 민간대기업들도 여기에 참여하면서 스스로 사업을 주도할 준비를 해야 한다. 최초호기 건설사업에 참여하는 기업에 대한 후속사업 관련 인센티브도 잘 설계할 필요가 있다.

민간과 공기업의 양날개 전략이 필요한 이유도 많다. 첫째, SMR의 이용 분야와 운영 방식이 매우 다양하여 단일 공기업 중심으로는 효과적으로 대응하기 어렵다. 예를 들어, 제철, 반도체, 화학 분야의 에너지 다소비 대기업은 SMR을 직접 건설하고 운영하면서 필요한 전력이나 열을 공급하는 것이 더 효과적일 수 있다. 또한, 탄소중립 정책에 따라 폐쇄되는 화력발전소를 대체하여 기존 발전 공기업이 민간기업과 협력하여 SMR을 건설·운영하는 모델도 기대된다. 외국 시장 개척에서도 민간기업이 더 유리한 위치에 있을 것으로 보인다. 과거 올림픽이나 월드컵 등 국제적인 대형 이벤트 유치에 결정적 역할을 한 바 있는 민간 대기업들은 현재 더 큰 세계적 영향력을 지니고 있다. 한국수력원자력은 대형 원전의 국내 건설 및 운영과 수출사업을 지속하는 한편, i-SMR 최초호기를 포함한 국내외 i-SMR 건설사업에도 적극적으로 참여해야 한다.

원자력 기술개발 역량의 유지와 강화는 매우 중요하다. 우리나라는 일관된 정부정책과 공기업을 중심으로 한 기술개발 및 사업화를 통해 원자력 기술의 독립과 선진화를 이뤄냈다. 공기업 주도의 사업추진, 국책 연구기관과 대학의 기술개발 및 검증 지원, 민간기업의 설비공급 및 건설 참여 체계는 그동안 효과적으로 작동해왔다. 이러한 체계를 통해 확보한 상품경쟁력은 국내 원전의 우수한 성능, UAE 원전 수주 및 성공적인 건설, 체코, 폴란드, 핀란드 등으로의 수출 추진 과정에서 지속적으로 입증되었다. 따라서 SMR 개발 및 사업화에 있어서의 민간기업의 역할 확대가 국가적 기술개발 역량의 약화를 초래하지 않도록 주의해야 한다. 단기 이익을 중시하는 투자자본이 지배하는 웨스팅하우스의 사례에서 배울 수 있는 교훈이 있으며, 프랑스, 영국, 미국 등에서 정부의 역할을 강화하는 배경을 이해해야 한다.

i-SMR의 효율적인 사업화와 경쟁력 강화를 위해서는 사업화 추진기구의 설립이 필요하다. 이 기구는 기술개발에 참여한 기업들로부터 지적재산권을 이관받아 통합관리하는 역할을 기본으로 하며, 한국수력원자력과 함께 최초 호기 건설사업을 주관할 것이다. 또한, 필요한 경우 후속 국내외 건설사업을 제한적으로 주관하며, i-SMR의 경쟁력 강화를 위한 후속 기술개발이나 다양한 이슈의 공동으로 대응하는 구심점 역할을 해야 한다. 사업화 추진기구는 정부와 한국수력원자력이 중심이 되고, 타 공기업, 민간기업이 참여하는 것이 바람직하다. 참여 민간기업에는 사업화와 관련한 인센티브 제공하는 것이 중요하다. 특수목적법인(SPC) 형태로 구성될 수 있는 사업화 추진 기구의 구체적 형태와 건설사업에서의 역할에 대해서는 추가적인 논의가 필요하다.

i-SMR을 비롯하여 다양한 소형모듈원전 사업의 안정적 추진을 위해서는 다음과 같이 다양한 측면에서의 법적·제도적·사회적 환경 구축도 중요하다.

- 안전규제 측면 : 사전 안전성 검토 제도, 설계 특성을 반영한 차등 규제(설비 요건, 운전 요건, 방사선비상계획구역 등 포함), 규제기준의 국제적 조화와 규제기관의 국제적 리더십

- 시장 확보 측면 : CFE 이니셔티브(CF100) 제도 확산 및 정착, 전력 및 에너지 요금제도 개선, 분산에너지법 관련 정비, 주민 이익공유제 도입, 재생에너지에 준하는 세제 지원, 국가 시범사업 추진 등

- 민간사업자 시장진입 측면 : 민간 주도 SMR 건설과 운영이 가능한 법·제도 개선, 화력발전 공기업의 SMR 운영 허용, 한수원과 민간기업의 협력체계 및 사용후핵연료 및 방사성폐기물 관리체계 구축 등

- 산업체계 강화 측면 : 설비 개발 및 실증 지원, 세제 및 금융 지원 등

- 국민 지지 강화 측면: : 신뢰성 있는 소통기구의 운영, 규제기관 주도의 안전 소통 강화 등

지금까지 i-SMR 사업화를 위한 기본 전략과 다양한 고려사항들을 논의하였다. 현재 수립 중인 제11차 전력수급기본계획에 i-SMR 건설을 반영함으로써 최초 호기 국내건설의 의지를 분명히 하고, 이를 위한 추진 일정 및 체계 등에 대한 논의를 조속히 착수하기를 기대한다.

1) NEA (2022), Meeting Climate Change Targets: The Role of Nuclear Energy, OECD Nuclear Energy Agency.

2) IEA (2023), World Energy Outlook 2023, International Energy Agency.

3) NEA (2024), The NEA Small Modular Reactor Dashboard: Second Edition, OECD Nuclear Energy Agency.

4) IAEA (2022), Advances in Small Modular Reactor Technology Developments. A Supplement to: IAEA Advanced Reactor Information System (ARIS), 2022 Edition, International Atomic Energy Agency.