미국 트럼프 대통령당선자의 SMR(소형모듈원자로) 투자확대, AI산업의 확산으로 전력수요 급증, 현대건설의 20조원 불가리아 원전설계 계약 (미국 웨스팅하우스와 컨소시엄), 내년 3월에 본 계약이 예상되는 한국수력원자력의 체코원전 (웨스팅하우스 이의 신청 중),빅테크기업 AWS, 마이크로소프트 등의SMR(소형모듈식 원자로)투자, 우리 정부와두산에너빌리티 등 정부와 기업의 SMR 투자확대 등과 관련된 원전이야기 -원전의 발전단계에 대하여 알아보자.
전 세계 원전 운영현황
2023년 4월 19일 전 세계 32개 국가에서 436기의 원자로가 운영 중에 있으며, 총 설비용량은 390.2GW이다. 지역별로는 극동아시아가 116기, 북미 112기, 서유럽 93기, 중앙&동유럽 74기, 중동 및 남아시아 32기, 남미 7기, 아프리카 2기가 운영 중이며, 노형별로는 PWR 306기, BWR 60기, PHWR 47기, LWGR 11기, GCR 8기, FBR 3기, HTGR 1기 순이다.
우리나라는 현재 26기 운영 중이고 2기는 영구 폐쇄되었다.
원자력발전소란?
화력발전은 석유, 석탄, 가스 등 화석연료나 펠렛(나무) 등을 연소시켜 얻은 열에너지로 보일러를 가동하고, 여기에서 나오는 증기의 힘으로 발전기와 연결된 터빈을 돌려 전기를 만든다. 원자력발전은 화력발전과 마찬가지로 증기의 힘으로 터빈을 돌려서 전기를 만드는 것은 동일하나 열원이 원자로이다.
원자력발전소의 시작
미국의 엔리코 페르미가 이끄는 과학자들이 1942년 12월 2일 오후 3시 25분 시카고대학 운동장 지하에 설치한 "시카고 파일-1"로 불리는 세계 최초의 원자로에서 핵분열 연쇄반응을 지속시킴으로써 원자력 시대를 열었다.
2차 대전 이후 위험한 군용 기술 취급받았던 원자력은 1953년 12월 8일 미국의 아이젠하워 대통령이 UN총회에서 연설한 평화를 위한 원자력 선언 이후 민간부문에서 평화적 이용이 공식화되었으며, 이때를 원자력 발전의 효시로 본다.
1954년 6월 27일, 구 소련 오브닌스크 원자력 발전소의 AM-1 이 세계 최초의 전력망 송출하고, 1956년 세계 최초의 상업적 목적을 달성한 영국의 콜더 홀 원자력 발전소, 이후 1957년 민간용 상업 원자력발전소의 신호탄인 미국 펜실베이니아주쉬핑보트 원자력발전소(1957~1982)와 일리노이주의 드레스덴-1(1960~1978) 원자력발전소가 발전을 시작한 이래로 원자력반전소는 2세대, 3세대, 3+세대, 4세로 발전하고 있다.
제1세대 원자로 (Gen I)
1세대 원자로(Gen I)는 1954년 ‘평화적인 원자력 이용’을 위해 원자력을 상업화한 이후 가동되기 시작한 원형동력로를 말한다.
1951년 미국 아이다호주에 있는 국립원자력시험장에서 "EBR-1(Experimental Breeder Reactor 1)" 이라는 실험용 원자로가 세계 최초로 전기를 생산하였으나 전력망에 연결하여 전기를 공급하는 규모는 아니었다.
세계 최초의 전력망 송출은 1954년 6월 27일, 구 소련의 과학도시이자 그 당시 비밀도시였던 오브닌스크 원자력 발전소의 AM-1 이 해냈다. AM-1의 원자로 노형은 RBMK이다. 그러나 오브닌스크는 과학적 목적이 크고 전력도 고작 6MW짜리였다. 오브닌스크 원자력발전소는 이후 48년 동안 운영된 후 2002년 4월 29일 운전을 종료했다. 오브닌스크 원자력발전소는 전력 생산량이 많지 않아 실험 수준이었다.
세계 최초의 상업적 목적을 달성한 원자력 발전소는 영국의 콜더 홀 원자력 발전소이다. 여기서 사용한 노형은 RBMK와 비슷한 우주쓰레기인 마그녹스이다. 그러나 핵연료 재처리 단지 안에 건립되어 플루토늄 생산 목적이었다. 1956년 건설된 영국의 콜더홀 원자력발전소는 원자력발전 시대의 막을 열었다고 평가된다. 콜더홀 원전은 영국의 풍부한 석탄자원을 이용하여 개발된 고온가스로 방식의 마그녹스(Magnox) 형 원자로와 잠수함 추진기관에서 사용했던 가압경수로 방식을 응용한 형태였다. 2017년 11월에 냉각탑을 완전히 제거하였다.
1957년 미국에서는 민간용 상업 원자력발전소의 신호탄인 펜실베이니아주에서 60 MWe짜리 가압경수형 원자로 1기를 갖고 시작한 쉬핑보트 원자력발전소(Shippingport Nuclear Power Plant, 1957~1982) 원자력발전소와 일리노이주의 드레스덴-1(1960~1978) 원자력발전소가 발전을 시작하였다. 이 시기의 원자로를 진정한 제1세대 원자로라고 한다. 쉬핑포트 원전의 설계는 웨스팅하우스가 담당했다. 이런 원자로는 원자로의 개념을 입증하는 수준의 전력을 생산하는 정도였다.
제2세대 원자로 (Gen II)
제1세대(Gen I) 원자로는 이전에 핵무기 또는 원자력잠수함 추진용 등의 군사적인 목적에서 전기생산을 위한 평화적인 사용으로 목적이 전환되었다. 제2세대 원자로(Gen II)는 이러한 1세대 원자로의 특징에서 경제성과 신뢰성을 고려한 요구에 맞추어 개발되었다.
전형적인 40년의 수명으로 설계된 제2세대 원자로는 미국의 가압수형 원자로(PWR, pressurized water reactor)와 비등수형 원자로(BWR, boiling water reactor), 캐나다의 캔두(CANDU, canadian deuterium uranium)와 같은 가압중수형 원자로(PHWR, pressurized heavy water reactor), 영국의 개량가스냉각로(AGR, advanced gas-cooled reactor), 러시아의 VVER(water-water energetic reactor) 등이 있다.
제2세대 원자로들은 1960년대 후반부터 가동을 시작하였는데, 현재 전 세계적으로는 400기 이상의 상용 PWR과 BWR이 가동되고 있다. LWR로 통칭되는 이런 원자로는 전기적 또는 기계적으로 가동을 시작할 수 있는 전통적인 능동안전계통을 채택하고 있다.
컨버스천엔지니어링(현재의 웨스팅하우스)과 프라마톰(현재의 아레바)에 의해 개발된 제2세대 기술에 기반을 둔 한국표준형 원전(KSNP)도 제2세대로 구분되며, 이후 KSNP+로 발전하였다. 2005년 KSNP/KSNP+는 아시아 시장을 겨냥해 OPR-1000으로 상표가 변경되었다. 운영 중인 KSNP 원자로는 한빛 5호 및 6호기와 한울 3·4·5·6호기 등 총 6기이고, OPR-1000 원자로는 신고리 1호와 2호기, 신월성 1호와 2호기 등 총 4기이다.
제3세대 원자로 (Gen III)
3세대 원자로(Gen III)는 2세대 원자로들의 안전성과 경제성을 향상한 개량형 원자로이다.
1979년 미국의 스리마일섬 원자력 발전소 사고 이후 원자력 발전의 안전성에 대한 국제적 관심이 고조되었다. 이에 따라 개량표준형 원자로를 개발하려는 움직임이 활발해졌고, 그렇게 등장한 것이 제3세대 원자로(Gen III)이다. 제2세대 원자로(Gen II)를 기반으로 하여 최첨단 설계를 적용하여, 안전성을 높이고 경제성을 20~30% 향상시킨 원자로이다. 최첨단 설계에는 연료기술, 열효율, 모듈화 건설, 피동형 안전계통, 표준화 설계[1] 등이 포함되어 있다.
제3세대 원자로와 제3세대+ 원자로들의 노심손상 빈도는 EPR(European pressurizer reactor)의 경우 1,500만~2,000만 년의 원자로 가동기간 중에 1회 정도 손상이 발생할 확률(즉, 6x10-7/Reactor-Year)이고, ESBWR(economic simplified boiling water reactor)의 경우 3억~3억 5천만 년의 원자로 가동기간 중에 1회 정도 손상이 발생할 확률, 즉 3x10-8/Reactor-Year)를 가질 만큼 제2세대에 비해 손상 확률이 낮은 것으로 보고되고 있다.
제3세대 원자로는 기존의 원자로보다 더 긴 수명(60년의 수명)을 확보하기 위해 설계 개선을 추구하였다. 제1세대 원자로와 제2세대 원자로와 달리 제3세대 원자로는10 CFR Part 52에 근거하여 미국원자력규제위원회(NRC, nuclear regulatory commission)에서 규제하고 있다.
제3세대 원자로는 1980년대부터 개발되기 시작해 1990년대에 본격적으로 건설·운영되기 시작했다. 웨스팅하우스의 600MW급 첨단 PWR인 AP-600은 첫 번째 제3세대 원자로들 가운데 하나이다. 이와는 별도로 GE원자력에너지사는 첨단비등형 원자로인 ABWR(advanced boiling water reactor)을 설계하였고, 미국원자력규제위원회로부터 설계 인증을 취득하였으며, 1996년 일본에서 최초로 가동되었다. 캐나다원자력발전(AECL에서 개발한 첨단 캔두 6(CANDU 6)과 컴버스천엔지니어링에서 설계한 System 80+도 제3세대 원자로에 속한다.
1990년대 후반 일본에 건설된1,350 MWe급 개량비등경수로, 미국의 AP600 및 한국의 APR1400(신고리 3, 4호기 등)이 여기에 속하고, 제3세대 원전을 개량한 AP1000, EPR, ACR1000, ARP+ 같은 개량 제3세대 원전도 있다..
개량 제3세대 원자로 (Gen III+)
제3+세대 원자로(Gen III+)는 제3세대(Gen III) 원자로보다 진보된 설계를 채택하였다. 1990년대 미국원자력규제위원회(NRC)의 인증을 받은 제3세대 원자로보다 안전성이 크게 향상되었다. 미국의 경우 제3+세대 설계는10 CFR Part 52에 의거하여 NRC의 인증을 받아야 한다.
제3+세대 원자로 설계로는 VVER-1200/392M, ACR-1000, AP-1000, EPR [4], ESBWR, 한국의 APR-1400, EU-ABWR, APWR, ATMAEA I 등이 있다. APR-1400은 OPR-1000의 차세대원자로(KNGR)로 개발된 것으로 출력을 1000MW에서 1400MW로 증강하였다. 원자로의 수명도 40년에서 60년으로 증가되었다.
한국의 APR 1400은 2001년 표준설계인가를 획득하고 UAE 원자력 공사(Emirates Nuclear Energy Corporation, ENEC)는 한국전력의 APR-1400 원전을 선정했다. 4기에 200억 달러 규모 계약이다. 2017년 전기 공급을 시작하는 것으로 계획되었다.
2009년 12월, UAE 원자력 공사(Emirates Nuclear Energy Corporation, ENEC)는 한국전력의 APR-1400 원전을 선정했다. 4기에 200억 달러 규모 계약이다.
아랍에미리트(UAE) 수도 아부다비에서 서쪽으로 270km에 위치한 바라카 원자력발전소는 한국수력원자력의 한국형 원전 APR 1400 4기로 구성되었다. 1~4호기 총 5600MW 규모로, UAE 발전용량의 약 25%를 담당한다. 2012년 건설을 시작해 1호기는 2021년 4월, 2호기는 2022년 3월, 3호기는 2023년 2월, 4호기는 2024년 9월에 상업 운전을 했다.
제4세대 (Generation-IV Reactor, Gen-IV)
4세대 원자로(Generation-IV Reactor, Gen-IV)는 미국 에너지성이 2030년을 실용화 목표로 제시한 차세대 원자로이다. 제1세대인 초기의 원자로(마그녹스 등), 제2세대인 상용로(CANDU, RBMK, PWR 등), 제3세대 개량형 경수로(유럽형 가압경수로, 개량형 비등수형 경수로) 다음의 원자로로 높은 경제성, 안전성, 적은 방사성 폐기물, 핵 확산 저항성 등을 지닌 신개념 원자로이다.
4세대 신개념 원자로는 6가지로서 가스냉각고속로(GFR), 납냉각고속로(LFR), 소듐냉각고속로(SFR), 용융염로(MSR), 초고온가스로(VHTR), 초임계수냉각로(SCWR)이다.
제3세대(Gen III) 및 제3+세대(Gen III+) 원자로보다 한 차원 높은 안전성과 경제성이 요구되는 제4세대 원자로(Gen IV)가 세계적 협력 아래 개발되고 있다. 우리나라를 포함하여, 미국, 프랑스, 일본 등 원자력 선진국들이 모여, 2001년부터 "제4세대 원자력시스템 국제포럼(GIF, generation IV international forum)" 정책 그룹회의를 운영하고 있다. 제4세대 원자로는 지속성, 안전성과 신뢰성, 경제성, 핵확산저항성과 물리적 방호개념을 추구한다. 이러한 목표들을 달성한다면 현재의 원자력발전소가 갖고 있는 여러 문제점을 완화시키거나 해결할 수 있으리라 예상하고 있다.
대한민국은 이미 국제적으로 안정성과 경제성을 인정받은 바 있는 SFR과 VHTR을 한국원자력연구원에서 연구하고 있다. SFR은 핵연료를 재활용해 에너지효율을 높이는 원자로로, 기존의 원자로와 달리 사용한 핵연료를 재활용해 우라늄 이용률을 100배 이상 높일 수 있고, 고준위방사성폐기물의 양도 100분의 1로 줄일 수 있다. VHTR는 원자로의 열전도와 복사냉각 같은 자연적 현상만으로 원자로를 냉각시킬 수 있는 차세대 원자로로, 기존의 원자로들에서 사용해 오던 별도의 냉각 장치와 이를 운영하기 위한 발전장치 등이 필요가 없다는 장점이 있다.
미국은 GNP(next generation nuclear plant) 사업을 통해 이미 전력생산, 산업체 열공급, 수소생산을 위한 VHTR 실증로 건설사업을 진행하고 있다. 또한 일본은 1998년부터30 MWt열출력을 가지고 있는 실험로를 운전 중이며, 중국은 산둥반도 지역에 VHTR을 건설하고 있다.
국제원자력기구(IAEA)는 2030년경까지는 지금의 제3세대와 제3+세대 원자로가 주로 운영되고, 이후 제4세대 원자로가 건설될 것으로 전망하고 있다.
SMR(소형모듈원자로)
4세대 원자로서 국제원자력기구는 300MW 이하의 출력을 갖는 원자로를 소형모듈원자로로 정의하고 있다. 이런 소형 원자로는 규모가 작은 국가나 전력망이 단순한 국가에 적합한 것으로 알려져 있다. 소형 모듈원자로인 SMR(small modular reactor)은 단순성과 안전성이 향상되었고, 기존의 상용 발전소에 비해 건설비용이 상대적으로 저렴하다.
한국원자력연구원은 열출력이 330MW인 소형원자로 스마트(SMART, System-integrated Modular Advanced Reactor)를 개발하여 2012년 7월 세계 최초로 표준설계인가를 획득하였고, 사우디아라비아와 건설 전 설계사업을 진행하고 있다. 이후 사우디아라비아에 2기의 SMART 건설, 제3국으로의 공동 진출을 추진하고 있다.
마무리
다음에는 미국의 빅테크 기업들과 두산에너빅리티 등이 적극적으로 투자 중인 제4세대 원전인 소형모듈원자로(SMR)에 대하여 자세히 알아보자.
참고자료 및 출처 : 위키백과, 나무위키, 한전원자력연료, 네이버지식백과, 한국원자력연구원, 한전원자력연료, 원자력위키, KDB미래전략연구소, 에너지경재연구원
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