원자력 R&D 강화, 원전산업 기반 정비, 수출 절차 개선 및 파이낸싱 지원 필요
한국건설신문 김덕수 기자 = 기후변화에 대응하기 위해서는 이산화탄소를 배출하지 않고 신재생에너지의 간헐성을 보완할 수 있는 백업 전원인 SMR 도입이 필요하다.
NuScale SMR은 대형원전 대비 안전성, 경제성, 운용성이 획기적으로 개선된 원전으로, 미국 NRC 설계인증 심사를 통해 기술적인 검토 및 승인이 완료된 유일한 SMR이다.
미국은 원자력 산업 부흥을 통한 세계 리더십 회복을 추진하고 있다.
이를 위해 민주, 공화 양당이 초당적으로 협력해 원자력혁신역량법(NEICA, Nuclear Energy Innovation Capabilities Act)을 제정하고(2018년 9월), 트럼프 대통령이 Nuclear Energy Innovation and Modernization Act(NEIMA)를 승인하는(2019년 1월) 등 다양한 노력을 기울이고 있다.
또한 미국 국제개발금융공사(DFC)는 해외 신규원전 사업에 자금지원을 금지하는 현행 규정 폐지를 결정했으며(2020년 7월), 미국 민주당 Joe Biden 대선 후보는 원자력을 청정 에너지에 포함해 공약을 발표했다.
NuScale은 (2020년 8월) 이러한 미국 정부의 지원 하에 전 세계 SMR 시장을 선점해 나갈 것으로 전망된다고 발표했다.
1. SMR 개요
SMR은 Small Modular Reactor(소형 모듈 원자로) 또는 Small Medium Reactor(중소형 원자로)의 약어로써 전기 출력이 300㎿e 이하인 소형 원전을 의미한다.
SMR은 송전망이 충분하지 않거나 외딴 지역에 소규모 전력을 공급하기 위해 개발됐으며, 크기를 작게 하기 위해 대형 원전의 핵심 기기인 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등이 하나의 용기에 일체화된 원자로 모듈(module) 형태가 됐다.
출력 조절이 가능하도록 부하 추종 운전 (load following) 설계가 신재생 에너지(풍력, 태양광)의 간헐성을 보완하기 위한 이산화탄소 배출 없는(carbon free) 백업(back-up) 전원으로 활용이 가능하다.
원전에서 사고 발생 시 운전원의 별도 조작 없이 원전 안전성을 유지하는 피동형* 설계가 반영돼 위험이 제거됐다.
<*피동형(Passive): 능동형(Active)의 반대 개념으로, 사고 발생 시 발전소 운전원의 별도 조작 없이 원전 안전성을 유지하는 설계 개념>
SMR은 건설 부지 면적이 적으므로 전세계적으로 노후 석탄 화력 발전소를 청정 에너지로 대체하는 데 기여할 것이다.
SMR 시장전망은 2035~2040년까지 21GWe~34GWe 건설 예정으로 전망된다.
OECD/NEA가 2016년에 발행한 “Small Modular Reactors: Nuclear Energy Market Potential for Near-term Deployment”에 따르면 2035년까지 최대 21GWe 건설이 예상된다.
NIA(Nuclear Innovation Alliance, 미국)가 2017년에 발행한 “Enabling Nuclear Innovation Leading on SMRs”에 따르면 2040년까지 34GWe 건설이 예상된다.
2. NuScale Power사 개요
2000년대 초 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)의 지원을 받아 오리건 주립 대학(Oregon State University) 및 아이다호 국립 연구소(Idaho National Laboratory, INL)에서 NuScale SMR의 설계 개념을 연구하기 시작했다.
2007년에 NuScale Power사가 설립돼 본격적으로 SMR 개발을 하게 됐고, 미국 Fluor사가 2011년에 $4.7억을 NuScale Power사에 투자해 NuScale Power의 대주주가 됐다. Fluor사는 미국 텍사스(Texas)에 본사를 둔 엔지니어링 및 건설 회사이다.
미국 정부 DOE는 2013년에 $226백만의 자금을 NuScale Power사에 지원했으며, 향후에도 NuScale SMR의 개발을 위해 정부 지원금을 지속적으로 제공할 예정이다.
NuScale Power사의 본사는 미국 포틀랜드(Portland, Oregon 주)에 위치하며, 약 380명의 직원이 근무하고 있다.
3. NuScale SMR 설계 인증
미국에서 원전을 건설하려면 원자력 규제 기관(Nuclear Regulatory Commission, NRC)로부터 건설하고자 하는 노형에 대한 설계 인증(Design Certification)이 있어야 한다.
NuScale은 2016년 12월에 NRC에게 설계 인증 심사를 신청했다.
NRC는 총 6단계에 걸쳐 설계 인증 심사를 진행하는데, 2020년 8월에 6단계 심사가 완료됐으며 NRC는 최종 안전성 평가 보고서(Final Safety Evaluation Report)를 발행했다.
이것은 NuScale SMR 설계에 대한 기술적인 검토 및 승인이 완료된 것을 의미한다.
2019년 8월에 NRC 설계 인증서를 취득한 기 상용화된 한국형 원전인 APR1400의 경우 NRC 설계 인증 1~6단계 심사 완료에 43개월이 소요됐으나, NuScale의 경우 NRC 설계 인증 1~6단계 심사 완료에 41개월이 소요됐다.
NuScale SMR은 전 세계 SMR 중 최초로 미국 원자력 규제 기관의 승인을 받는 사례이며, 이후 NuScale SMR의 사업화는 더욱 탄력을 받을 것으로 전망된다.
NRC의 설계 인증은 세계 각국으로부터 인정 받을 수 있는 최고 수준의 인허가이며, 유일하게 NRC의 설계 인증 심사를 받던 NuScale SMR 설계에 대한 기술적인 검토 및 승인이 완료되어 현재 NRC의 설계 인증 심사를 받고 있는 SMR은 없다.
4. NuScale SMR 설계 특성
◇일체형 원자로 = 기존 대형원전의 경우 주요 기기는 원자로, 증기발생기 및 냉각재 펌프로 구성된다.
즉, 원자로에서 핵분열 반응을 통해 냉각재를 가열하면, 이 냉각재가 배관을 따라 증기발생기로 이동 후 증기를 발생시켜 터빈을 구동하고, 냉각재는 냉각재 펌프를 거쳐 다시 원자로로 들어가는 강제 순환 방식이다.
NuScale SMR은 원자로, 증기발생기, 가압기와 같은 주기기를 하나의 모듈(module)에 집약시키고, 대형 원전의 거대 콘크리트 돔(dome)인 격납 건물까지 이 모듈에 일체화했다.
이에 따라 NuScale SMR의 크기는 대형원전의 150분의 1 수준으로 작다
◇혁신 설계 = 대형 원전은 냉각재 펌프를 활용해 냉각재를 강제 순환시키지만, NuScale SMR은 이러한 강제적인 방식이 아닌 자연 대류를 통해 모듈 내부의 냉각재를 순환시킨다.
따라서 NuScale SMR에는 냉각재 펌프가 없으며, 외부의 전력이 끊기더라도 NuScale SMR은 냉각재를 계속 순환시킬 수 있어 대폭 강화된 안전성을 갖고 있다.
◇모듈화 및 출력 조절 = 모듈 1대는 최대 60㎿e의 전기 출력을 낼 수 있다.
NuScale SMR 원전에는 모듈을 총 12대까지 설치할 수 있으므로, NuScale SMR은 지역의 전력 수요에 맞춰 모듈 수를 조절해 60~720㎿e의 전력을 생산할 수 있다.
또한 각 모듈은 순간적으로 출력을 높이거나 낮출 수 있게 설계됐기 때문에, 풍력 또는 태양광 발전의 발전량이 많을 경우 NuScale SMR의 출력을 낮추고, 태양광 풍력 또는 태양광 발전의 발전량이 낮아질 경우 NuScale SMR의 출력을 높여 지역의 전력 수요량을 맞출 수 있다.
때문에 NuScale SMR은 신재생 에너지의 훌륭한 백업(back-up)으로 평가받고 있다.
NuScale Power Module 내 냉각재의 자연 순환.
NuScale Power Module 내 냉각재의 자연 순환.
◇안전성 강화 = 각 모듈은 지하에 있는 거대한 수조의 저장수에 잠긴 상태로 운전된다.
쓰나미나 허리케인과 같은 자연 재해로 인해 외부로부터 들어오는 전력이 끊기거나 추가적으로 냉각수가 공급되지 않는 상황이 발생하더라도 수조의 물이 냉각수 역할을 해 모듈에서 발생하는 열을 식힐 수 있으므로 안전성을 유지할 수 있다.(사고 발생 시 외부 전원･냉각수 없이 안전성 유지)
◇중대 사고 발생 빈도 감소 = 통상 원전의 중대 사고 발생 가능성은 노심 손상 빈도(CDF, Core Damage Frequency)라는 지표로 관리되는데, 이는 몇 년에 한 번 노심 손상과 같은 중대 사고가 발생하는지를 수치화한 지표이다.
대형 원전의 노심 손상 빈도는 10-7~10-6, 즉 100만년 또는 1,000만년에 한 번 중대 사고가 발생한다고 알려져 있는데, NuScale은 3 x 10-10으로 대형 원전에 비해 3,000분의 1 수준이다.
따라서 NuScale SMR은 극도로 안전한 모델로 평가받고 있고, 이 NuScale SMR의 노심 손상 빈도 값은 NRC에 의해 이미 검증된 바 있다.
◇부지 면적 축소 = 원전에서 발생한 방사능이 밖으로 누출됐을 때를 대비하여 주민 보호를 위해 사전에 설정한 구역을 방사선 비상 계획 구역(Emergency Planning Zone)이라고 하는데, 대형 원전의 방사선 비상 계획 구역은 통상 원전을 중심으로 반경 16km 지역으로 설정된다.
이에 비해 NuScale의 비상 계획 구역은 가로/세로 230m 수준으로 범위가 매우 좁기 때문에 부지 확보에 매우 유리하다.
이로 인해 NuScale SMR은 노후 석탄 화력 발전소를 대체하기 용이하다는 장점을 갖고 있다.
◇건설 공기 단축 및 건설비 경쟁력 제고 = 대형 원전은 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 등을 현장에 설치 후 주배관으로 연결해야 되기 때문에 원전 건설 현장에서의 시공 역무가 많다.
또한 거대 콘크리트 돔(dome)인 격납 건물을 건설해야 되므로 대형 원전은 긴 공시 기간과 건설비 증가 리스크를 갖고 있다.
이에 반해 NuScale SMR은 일체화된 모듈을 공장에서 제작해 현장에서 단순하게 설치할 수 있다는 장점을 갖고 있으며, 모듈 자체가 격납 용기를 포함하고 있기 때문에 대형 원전과 같은 별도의 격납 건물이 불필요하다.
따라서 NuScale SMR은 공기 단축, 건설비 절감이 가능하다.
NuScale SMR의 건설 기간은 콘크리트 타설(First Concrete) 후 첫 번째 모듈의 상업 운전까지 32개월로 예상되며, 초도 호기 건설 비용은 약 30억달러 수준이다.
◇다양한 활용성 = NuScale SMR은 전력 생산이 주목적이지만, 각 모듈에서 발생하는 공정열(Process Heat)을 담수, 지역 난방, 셰일 가스 추출, 수소 생산 등에도 활용할 수 있다.
◇세계 경쟁 SMR 대비 NuScale의 경쟁력 = 시카고 대학 물리학자인 Robert Rosner는 “전 세계적으로 아르헨티나, 중국, 러시아 및 한국이 SMR 설계를 개발 중이나 설계의 완성도(quality of its design)를 고려 시 NuScale이 가장 강력한 경쟁사가 될 것”으로 전망한다고 밝힌 바 있다.
NuScale 사고 발생 후 시나리오.
NuScale 사고 발생 후 시나리오.
5. NuScale SMR 최초 원전 건설 계획 및 미국 정부의 지원
미국 전력 기관인 UAMPS(Utah Associated Municipal Power System)*는 탄소 배출이 없는 발전 사업(Carbon Free Power Project)의 일환으로 NuScale SMR 원전 건설을 추진 중이다.
<*UAMPS: 미국 Utah 州를 비롯하여 총 6개 州로 이루어진 전력 공급 기관 (https://www.uamps.com/)>
부지는 이미 미국 에너지부가 임대해 준 아이다호 국립 연구소(Idaho National Laboratory)로 확정됐다.
UAMPS는 NuScale의 모회사인 미국 Fluor와 원전 건설 계약을 협의 중이다.
NuScale은 Fluor의 하청사로 NPM (NuScale Power ModuleTM) 설계 및 구매를 담당한다.
2021년부터는 NPM 등 주요 기자재에 대한 제작이 시작된다.
UAMPS는 NRC로부터 원전 건설 허가를 2025년에 취득할 계획이며, 이후 본격적으로 콘크리트 타설을 시작해 2029년에는 첫 번 NPM이 상업 운전을 개시하게 된다.
미국 정부는 세계 원전 시장에서 주도권을 회복하기 위해 NuScale 개발에 대한 자금 지원뿐만 아니라 실증을 위한 최초 원전 건설 사업도 적극적으로 지원하고 있다.
새로운 모델의 원전을 처음 건설하면 발주사는 리스크에 대한 부담이 크게 마련인데, DOE는 UAMPS에게 건설 비용을 분담(cost sharing)해 주고, 필요하다면 대출 담보(loan guarantee)도 지원할 계획이다.
6. 미국 정부의 원자력 산업 지원 최신 동향 (최근 2년)
미국 정부 및 의회는 청정에너지 이용 활성화를 위해 자국의 원전산업 진흥 정책을 추진하고 있으며, 원전수출 경쟁력 회복 정책도 추진 중이다.
미국 의회는 민주·공화 양당의 초당적 협력으로 원자력혁신역량법(NEICA, Nuclear Energy Innovation Capabilities Act)을 제정했다. (2018년 9월)
혁신 원자로 개발비용 지원, 민관협력 등을 법제화해 자국의 원전산업 부활을 지원한다.
트럼프 대통령은 Nuclear Energy Innovation and Modernization Act (NEIMA)를 승인했다. (2019년 1월)
차세대원전 인허가 프로세스 지원 및 신규 차세대원전 건설을 지원하는 정부 지원 프로그램 신설의 기반이 됐다.
에너지부(DOE) 산하 핵연료워킹그룹(NFWG)은 Restoring America’s Competitive Nuclear Energy Advantage(A strategy to assure U.S. national security) 보고서를 발행했다. (2020년 4월)
원전 수출은 100년간 도입국과 수출국간 대규모 경제교류, 안보 및 지정학적 협력이 가능하므로, 미국 원자력 경쟁력 회복 정책 추진이 필요하다.
향후 10년간 세계 원전시장규모는 600조~900조원으로 원자력 R&D 강화, 원전산업 기반 정비, 수출 절차 개선 및 파이낸싱 지원 등을 제안했다.
미국 에너지부는 Advanced Reactor Demonstration Program(ARDP)를 발표했다. (2020년 5월)
차세대원전 노형 개발 및 건설 지원 프로그램으로, 연구･개발을 지원하는 tier-2 funding이 아닌 실증로 건설을 지원하는 tier-1 funding 프로그램 등이다.
국제개발금융공사(DFC)는 해외 신규원전 사업에 자금지원을 금지하는 현행 규정 폐지를 결정했다. (2020년 7월)
DFC는 미국의 자금지원이 개발도상국에 기술발전과 저탄소 에너지원을 제공할 수 있으며, 중국, 러시아 등 원전 수출 경쟁국에 대항할 수 있을 것으로 기대된다.
미국 상원은 Nuclear Energy Leadership Act (NELA) 법안을 가결했다. (2020년 7월)
해당 법안은 양당 상원의원의 지지를 받고 있으며, 미국 에너지부가 차세대원전의 상업로 건설 및 핵연료 개발을 지원하는 것이 목적이다.
미국 민주당 Joe Biden 대선후보의 공약에는 원자력이 청정 에너지에 포함됐다. (2020년 8월)
대선후보 공약에 기후 변화에 대응하기 위한 Advanced Research Projects Agency focused on climate (ARPA-C)를 수립하는 것이 언급돼 있으며, 미국이 저렴한 청정 에너지 100% 목표를 달성하기 위해 시장의 판도를 바꿀 수 있는 SMR 기술개발을 지원할 계획임을 확인할 수 있다.
7. NuScale 후속 시장 전망
NuScale은 UAMPS가 추진하는 초도 원전 외에 미국과 해외에서 NuScale SMR 원전 건설을 확대하기 위해 관련 정부 및 기관들과 활발히 협의 중이다.
◇[미국] 테네시강 유역 개발 공사(Tennessee Valley Authority)는 Clinch River 부지에 SMR을 건설하기 위해 NRC로부터 2019년 12월에 사전 부지 허가(Early Site Permit)를 승인받았다.
SMR 노형은 아직 결정되지 않았으나, NuScale이 가장 유력하다.
이외에도 워싱턴 주, 와이오밍 주, 뉴멕시코 주, 아리조나 주 등도 NuScale SMR 원전 건설에 관심이 있으며, NuScale은 각 주 정부와 SMR 원전 건설을 위한 협의 중이다.
◇[영국] NuScale은 영국 정부의 SMR 타당성 연구 사업에 깊이 관여하고 있으며, 영국 National Nuclear Laboratory은 NuScale SMR을 신뢰도 높은 원전으로 평가함과 동시에 향후 10년 내 영국에 건설할 수 있는 SMR로 인정하고 있다.
◇[캐나다] NuScale은 캐나다 원전 운영사인 OPG(Ontario Power Generation) 및 Bruce Power와 2018년 11월에 각각 양해각서(MOU)를 체결한 바 있다. 현재 캐나다 원자력 안전 위원회(Canadian Nuclear Safety Commission)가 NuScale SMR에 대한 설계 검토(Vendor Design Review)를 진행 중이다.
◇[요르단] NuScale과 요르단 원자력 위원회(JAEC)는 NuScale SMR 도입 타당성 조사와 관련하여 MOU를 2019년 1월에 체결했다.
◇[루마니아] NuScale과 루마니아 에너지 기업 Societata Nationala Nuclearelectrica SA(SNN SA)는 NuScale SMR 원전 기술에 대한 사업･기술 정보 교류를 내용으로 하는 MOU를 2019년 3월에 체결하였다.
◇[체코] NuScale과 체코 전력 그룹인 CEZ는 NuScale과 2019년 9월에 MOU를 체결해 체코에 NuScale SMR 적용과 관련하여 원전 공급망(supply chain) 개발, 건설, 운전, 유지 등에 대한 정보를 교류한다.
◇이외에도 NuScale은 슬로베니아, 폴란드, 호주 등과 MOU 체결을 추진 중이다
8. 두산중공업의 NuScale 사업 추진 현황
두산중공업은 미국 초도 호기 NPM 제작에 대한 입찰에 참여했으나, 미국 정부의 미국 내 일자리 창출 정책에 따라 미국 BWXT가 선정됐다.
그러나 NuScale은 두산의 제작 역량 및 기술을 높이 평가해 NuScale에 대한 지분 투자와 함께 해외에 건설되는 SMR 원전에 NPM 제작사로 참여를 제안했다. (2018년 8월)
두산중공업은 미국 초도 호기 NPM 제작을 포함한 사업 협력 협약(Business Collaboration Agreement)을 NuScale과 2019년 7월에 체결했고, 국내 투자사(Financial Investor)와 공동으로 2019년 7월부터 12월까지 3차에 걸려 NuScale에 총 $44M의 지분 투자를 완료했다.
이를 통해 두산중공업은 향후 미국 및 세계 원전 시장의 NuScale SMR 건설 사업에서 최소 13억달러(1조5,000억원) 규모의 핵심 기자재를 공급하게 된다.
두산중공업은 2019년 8월부터 NPM 제작성 검토 용역 및 시제품 제작을 수행이다.
2021년부터는 초도 호기 (UAMPS 프로젝트)의 NPM 주단 소재 및 핵심 기기를 제작할 계획이다.
향후 두산은 NuScale의 전략적 파트너로서 미국 및 세계 NuScale 사업에서 NPM 및 기타 기자재를 공급한다.
두산중공업은 향후 NPM 제작 시 국내 100여개 업체들을 활용할 계획이다.
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