SMR(소형 모듈형 원자로)은 미래 에너지 산업의 핵심 기술로 떠오르면서 관련 주식에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 과거에는 원자력이 신재생 에너지 항목에 빠져있었지만, 2023년 EU는 탄소중립기술로 SMR 기술을 추가하면서 관심이 증폭되고 있습니다.
SMR이란?
SMR 기술의 주요 부품
SMR과 대형 원자로 특징 비교
SMR의 대표적인 4가지 종류
SMR 기술이 우려되는 점
SMR이란?
SMR(Small Modular Reactor)은 기존 대형 원자력 발전소와 다르게 소형화된 모듈형태로 만들어져 활용성이 유연하고 경제성을 높인 차세대 원자력 발전 기술입니다.
기존의 대형 원자로가 가진 건설 기간, 투자 비용이 크다는 점을 보안하고, 접근성을 높일 수 있기 때문에 더욱 유연하고 안전한 에너지 공급원을 목적으로 개발되고 있습니다.
- SMR : 국제 원자력 기구(IAEA)에서 말하는 SMR, 소형 모듈형 원자로는 전기 출력 300 MWe 이하의 원자로를 SMR로 정의하고 있습니다.
최근 AI 기술발전으로 인해 데이터 센터가 중요해지면서 이 데이터 센터에 전력을 공급할 수 있는 전력원에 대한 기술들이 주목받으면서 그 대안으로 SMR이 떠오르고 있습니다. 결국 탄소중립 목표를 달성하면서 경제 산업 전반에 무탄소 전력을 공급할 수 있는 기술이 절실히 필요하다는 것은 누구나 동의하고 있기 때문입니다.
가장 큰 장점 중에 하나는 탈탄소 전력원이며, 건설 위치를 전력이 필요한 곳에 위치할 수 있다는 것입니다. 예를 들면, 반도체 산업 공단에 전력이 필요하다면 바로 옆에 모듈형 SMR을 설치하여 필요기간 동안 전력을 공급할 수 있다는 점이 가장 큰 장점입니다.
다만 대형 원자로처럼 지속적으로 운용할 수 있는 것이 아니라 핵연료가 다 소진되면 그 SMR은 수명을 다하는 것이기 때문에 해체작업이 필요합니다.
이에 전 세계가 기후 변화 대응과 각국의 에너지 안보 강화를 위해 SMR 기술을 본격적으로 상용화 궤도에 올려놓고 규제도 완화될 것으로 예상하고 있습니다. 이러한 SMR 기술이 주목받으면서 아래와 같은 카테고리로 주식 투자 기업들을 분류할 수 있습니다.
- 원자력 발전소 제작 기업 : SMR 설계, 제작, 건설을 담당하는 기업(Nuscale Power, Westinghouse Electric Company 등)
- 핵연료 제조 기업 : 핵연료를 생산하는 기업(Westinghouse Electric Company, Cameco, 우라늄 에너지 등)
- 부품 제조 기업 : 원자로 압력 용기, 증기 발생기 등 SMR의 주요 부품을 제조하는 기업(두산중공업, Framatome, Westinghouse Electric Company, Mitsubish Heavy industries 등)
- 엔지니어링 기업 : SMR 설계 및 건설에 필요한 에너지니어링 서비스를 제공하는 기업
각 나라별 SMR 현황
- 미국 : 뉴스케일 파워 등의 기업을 중심으로 경수로형 SMR 개발이 진행되고 있으며 상업 운전 목표는 2029년으로 알려져 있습니다.
- 러시아 : 로스 아톰(Rosatom)을 중심으로 소듐 냉각형 SMR 기술 개발에 집중하고 있다고 알려져 있습니다.
- 중국 : 용융염형 SMR 개발에 적극적으로 도전하고 있으며 자국 내에서도 용융염로 발전소를 건설 추진에 있다고 알려져 있습니다.
SMR 기술의 주요 부품
1. 원자로 압력 용기
SMR의 중심부에 위치하며, 핵연료를 담고 있는 용기로 핵분열 반응으로 발생하는 열을 고온 고압의 냉각재가 순환하면서 열을 흡수할 수 있습니다.
핵분열 반응이 안전하게 이루어질 수 있도록 핵연료, 감속재, 냉각재 등이 포함되어 설계 되어집니다. 즉 극한의 온도와 압력을 견딜 수 있도록 특수한 소재와 설계가 필요합니다.
2. 증기 발생기
원자로 압력용기에서 데워진 냉각재의 열을 이용하여 증기를 발생시키는 장치로 이 증기 발생을 통해 터빈을 돌려 전기를 생산할 수 있습니다.
3. 냉각재 펌프
원자로 압력용기 내부를 순환하며 열을 흡수한 냉각재를 외부로 순환시켜 주는 펌프로 온도를 일정하게 유지시킴으로써 원자로의 안전을 확보할 수 있습니다.
4. 제어봉
핵분열 반응을 조절하여 원자로 출력을 조절하는 장치입니다.
5. 가압기
원자로 압력 용기 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 장치로 가압기를 통해 압력을 조절하여 원자로의 안전을 확보할 수 있습니다. 즉, 냉각재의 온도 변화에 압력이 변할 수 있기 때문입니다.
SMR과 대형 원자로 특징 비교
SMR(소형 모듈형 원자로)과 대형 원자로는 크기, 설계, 건설 방식 등 다양한 측면에서 차이점이 있으며, 상대적으로 비교해 보면 SMR의 장점을 파악할 수 있습니다.
| 특징 | SMR(소형 모듈형 원자로) | 대형 원자로 |
| 출력, 크기 | 모듈 단위로 제작하여 현장에서 조립 100MW 이하의 소형 출력 가구당 월 300kWh를 사용한다면 약 33만 가구가 한달동안 사용할 수 있는 양 | 대형 단일 구조물 1000MW 이상의 대형 출력 |
| 건설 기간 | 모듈화를 통한 표준화 현장 조립으로 건설 기간 단축 | 대형 구조물 건설로 건설 기간 길고 복잡 |
| 유연셩 | 수요에 따라 모듈 추가 혹은 제거 가능 | 수요에 따라 대응하기 어려움 |
| 안전성 | 소형 모듈이기 때문에 사고 발생 시 영향 범위 축소 | 대형 구조물이기 때문에 사고 발생 시 상대적으로 영향 범위 넓음 |
| 경제성 | 소규모 시장에 적합 모듈화를 통한 표준화 가능 | 초기 투자 비용이 높음 다만, 대규모 전력 생산에 유리 |
| 건설 | 제한된 공간이나 접근성이 낮은 지역에도 건설 가능 | 넓은 부지와 접근성 고려 필요 |
| 혁연료 | 다양한 종류의 핵연료 사용 가능 | 주로 우라늄 사용 가능 |
| 냉각제 | 경수, 소듐, 용융염 등 다양한 냉각재 사용 가능 | 주로 경수 사용 |
결국, SMR은 대형 원자로에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있으며, 가장 큰 특징은 소형 모듈화, 다양한 냉각제가 사용가능하다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 여전히 핵연료라는 점에서 풀어야 할 숙제들이 있는 것으로 알려져 있습니다.
SMR의 대표적인 4가지 종류
1. 경수로형 SMR
일반적인 경수로 원자로를 소형화한 형태로, 기술적으로는 과거부터 성숙한 기술로 평가받고 있습니다. 경수로란 감속재와 냉각재를 사용하는 원자로로 경수란 일반적인 물(H2O)로 핵연료를 냉각시키는 냉각재를 사용하는 원자로입니다.
경수로형 SMR의 작동원리는 핵분열 -> 열 -> 증기 발생 -> 터빈 회전 -> 전력 생산의 순서로 작동됩니다.
- 핵분열 : 우라늄 핵이 중성자에 부딪혀 쪼개지면서 막대한 열과 함께 새로운 중성자가 발생합니다.
- 열 발생 : 핵분열 과정에서 발생한 열은 냉각재(보통은 물)에 전달됩니다.
- 증기 발생 : 뜨거워진 냉각재는 증기 발생기를 통과하면서 물을 끓여 증기를 생성시킵니다.
- 전력 생산 : 일반적인 발전소처럼 발전기를 통해 전력을 생산할 수 있습니다.
경수로형 SMR의 장점
- 안전성 : 과거부터 축적된 경수로 원자로 기술을 기반으로 하기 때문에 안전성이 높다고 평가받고 있으며, 소형 모듈이기 때문에 사고 발생 시 방사능 유출이 최소화될 수 있습니다.
- 경제성 : 모듈화를 통해 건설 비용이 절감되고 소규모 전력 생산에 적합하여 경제성이 높을 수 있습니다.
- 활용도 측면의 유연성 : 전력이 필요로 하는 곳에 다양한 용도로 활용이 가능하며 소규모 전력망에 적합합니다.
- 탈탄소 발전 : 화석 연료에 의존하지 않기 때문에 완벽한 탈탄소 기술입니다.
- 소형화 : 기존 원자로보다 작은 규모로 제작되어 다양한 지역에 설치하여 전력을 얻을 수 있습니다.
정리 해보면, 기존 기술을 기반하기 때문에 건설, 안전성 검증이 용이하며 모듈화로 제작되기 때문에 기간과 비용이 절감될 수 있습니다.
대표적으로 미국의 핵 항공모함이 가압수형 경수로를 에너지원으로 운용하고 있습니다.
이외에도 각국은 고온가스로형, 소듐냉각고속로형, 용융염로형 SMR 기술이 상용화에 박차를 가하고 있습니다.
2. 고온가스로형 SMR
고온의 헬륨 가수를 냉각재로 사용하여 높은 열효율을 얻을 수 있습니다. 즉 헬륨을 냉각재로 사용하여 700도씨 이상의 고온을 발생시켜 다른 원자로형에 비해 높은 열효율을 가져올 수 있습니다.
흑연을 감속재로 사용하고 헬륨은 화학적으로 안정적이기 때문에 안정성이 높다고 평가받고 있습니다. 다만 새로운 기술이기 때문에 건설비용이나 환경 규제 분야에 불리할 수 있다고 알려져 있습니다.
독일이 고온가스로형 SMR 기술에 대한 선도 국가이며, 미국이나 중국에서도 기술 개발을 진행하는 것으로 알려져 있습니다.
3. 소듐냉각 고속로형 SMR
소듐은 액체 금속으로 냉각재로 사용되는 특징이 있습니다. 즉 고속 중성자 원자로를 소형화한 형태로 알려져 있으며 기존 경수로형 원자로와는 차별화된 특징을 가지고 있습니다.
SMR에서 소듐이 사용되는 이유는 뛰어난 열전달 능력 때문입니다. 소듐은 핵 반응에서 발생하는 열을 잘 흡수하여 외부로 전달하는 역할을 하기 때문에 고온에서도 안정적 작동을 유도할 수 있습니다.
다만, 소듐은 물하고 만나면 폭발적인 반응을 하기 때문에 치밀한 냉각계통 설계가 요구됩니다. 또한 소듐은 일부 금속을 부식시킬 수 있기 때문에 내열성이 우수한 재료를 선택해야 합니다.
결국 액체 소듐은 높은 열전도율을 가지고 있어 열을 효과적으로 흡수하여 터빈으로 전달하며 낮은 중성자 흡수율로 인해 중성자를 잘 통과시켜 연소반응을 효율적으로 유지할 수 있는 특징이 있습니다.
다만 소듐의 화학적 특성 때문에 안전한 시스템 설계가 필요하며 고온 운전이 필요하기 때문에 내구성 또한 필요 기술입니다.
대표적으로 한국은 한국원자력 연구원을 중심으로 현대건설과 협력을 통해 상용화 노력을 하고 있으며, 미국, 러시아 등에서 기술개발이 이루어지고 있는 것으로 알려져 있습니다. 프랑스의 경우 PHENIS(페넥스)에서 운영하고 있으며 현재는 차세대 모델 개발을 진행하고 있는 것으로 알려져 있습니다.
- 소듐 : 주기율표 1족에 속하는 알칼리 금속 원소, 밀도가 낮고 녹는점이 낮아 액체 상태로 사용하기 용이, 열전도율 우수하여 열매체로 활용
4. 용융염로형 SMR
액체 염을 냉각재로 사용하는 형태의 소형 모듈형 원자로입니다. 기존 경수로 원자로와는 다르게 액체 염이 핵연료와 냉각재의 동시 역할을 할 수 있기 때문에 높은 안전성과 효율이 높다고 알려져 있습니다.
대표적인 특징으로는 외부 충격에도 스스로 출력을 낮추는 자기 조절 기능을 가지고 있는데, 냉각제 역할을 하는 액체 염은 음의 반응도를 가지고 있어 냉각재가 상실되었을 때 상대적으로 위험이 적고, 우라늄 대신에 토륨을 연료로 사용하는데 토륨은 지구상에 풍부하게 매장되어 있어 연료 공급에 안정적인 것으로 평가받고 있습니다.
다만, 액체 염을 사용함에 따라 부식에 대한 내구성 확보와 고온에서 운전이 필요하기 때문에 기술적인 난이도가 높습니다.
이러한 용융염로형 SMR 기술을 가진 명확한 상업 기업이 없다고 알려져 있는 이유는 염의 부식성 고온 운전 등의 기술적 난이도가 상당하기 때문입니다. 또한 기본적으로 용융염로형 SMR 기술 뿐만 아니라 어떠한 SMR 기술이 성공되더라도 상업화에 실패할 경우 큰 손실이 불가피하기 때문에 미국의 경우에도 정부 중심의 DOE(에너지부), 국립 연구소와 같이 SMR에 대한 연구 지원 및 프로젝트를 수행하고 있는 상황입니다.
결국, 정부 중심으로 용융염로 기술 개발을 지원하고 있으며 여러 기업들이 SMR 개발에 참여하고 있습니다. 이외에도 중국은 자국 내에 건설을 추진 중이며, 유럽 또한 기술개발을 진행하고 있습니다.
SMR 기술이 우려되는 점
다만 이와 같이 만능일 것 같은 SMR 기술도 몇 가지 사회적, 기술적 허들이 존재하고 있습니다.
- 초기 투자 비용 : SMR은 모듈화 된 구조로 인해 대형 원자로에 비해 단위 면적 당 전력 생산성이 낮고 따라서 초기 건설 비용이 불리합니다. 또한 대량 생산 체제가 구축되지 않아 부품 단가가 높아 운영 유지 비용이 상대적으로 높아질 수 있습니다.
- 안전성 우려 : 모듈화 된 SMR이 구축될 위치들은 대형 원자로에 비해 사람들의 거주지역과 가까울 수 있는 것이 장점이자 단점입니다. SMR 역시 방사성 폐기물이 발생하기 때문에 후처리를 어떻게 할 것인지 사회적 합의가 필요하며, 만에 하나라도 사고가 발생하면 지역 사회에 미치는 영향은 이루 말할 수 없을 것입니다.
- 사회적 인식 : 사회적으로 원자력에 대한 부정적인 인식이 있으며, SMR을 통해 무탄소 전력을 공급받아 경제에 숨통을 틔여준다면 누구나 동의할 수 있지만, 내가 사는 지역에 설치가 된다면 완벽한 찬성이 어렵기 때문에 사회적 합의가 굉장히 어려울 수 있습니다.
다만 모든 원자력 발전은 쓰고 남은 후 핵폐기물 처리 방법과 천재지변으로 인한 붕괴사고, 방사능 유출의 위험성, 다 사용하고난 후 건설 해체작업에 드는 시간과 막대한 비용 등이 잠재적인 위험 인자들을 가지고 있는 것은 현실입니다.
사용할 때는 달콤하지만 문제가 발생된다면 되돌리수 없는 환경파괴가 발생할 수 있다는 점이 가장 큰 문제를 가지고 있는 기술이기도 하지만, 현재로써는 탄소중립을 위한 탈 탄소 에너지원의 기술로 언급되고 있습니다.
이러한 SMR 기술을 잘 파악하고 기술을 선도하는 기업 분석을 한다면 주식 투자 시 성공 투자의 지름길이 될 수 있을 것입니다.
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