SMR, 에너지 빈곤의 구세주가 될 수 있을까?

사진출처: 월간키스타

미국 원자력 발전의 부활

■ 미국 원자력 발전의 트라우마

폭발이후의 체르노빌 원전(사진출처: IAEA)

 미국에서 원전사고가 발생한 역사가 있다는 것을 아는 이는 그렇게 많지 않다. 원전 사고하면 대표적으로 떠오르는 예가 1986년 4월 26일 당시 소련(현 우크라이나)의 체르노빌 원자력발전소에서 원자로가 폭발하여 폭발과 방사선 영향으로 약 3~6만명의 사상자가 발생한 ‘체르노빌 원전 사고’이다. 그리고 또 2011년 3월 11일 일본 동북부 지방을 강타한 동일본 대지진과 그로 인한 쓰나미로 후쿠시마현에 있던 원자력발전소에서 방사능이 누출된 사고인 ‘후쿠시마 원전사고’ 이다.

 

후쿠시마원전사고(사진출처: EARTHQUAKE AND TSUNAMI DAMAGE-DAI ICHI POWERPLANT, JAPAN)

 미국에서의 원전사고는 1979년 3월 28일 미국 펜실베니아 스리마일섬에서 미국 역사상 최초로 원자로에서 방사성 물질이 누출된 사고로 당시 미국인들에게 큰 충격으로 다가온 사고였으며, 사고 당시 기술적 실수와 대처과정에서의 미숙함은 대중과 정책 결정자들로 하여금 원자력 발전에 대한 불안감을 증폭시켰다. ‘스리마일 원전사고’로 인해 미국 내의 신규 원전 건설은 거의 중단되다시피 했으며 원자력 산업은 침체기에 빠져들기 시작했다.

 

스리마일 원자력 발전소 전경(사진출처: United States Department of Energy)

 스리마일 원전사고는 미국 내 원자력 정책을 크게 보수화시켰다. 특히 1980년대 들어서는 대중의 반발과 환경 단체들의 강력한 반대에 부딪혀, 많은 원자력 프로젝트가 취소되거나 지연되었다. 핵심 논점은 원전의 안전성 문제와 방사성 폐기물 처리 문제였으며, 정치적 압력도 작용하였다. 원자력 발전이 위험하다는 인식이 확산되면서 석탄, 천연가스와 같은 다른 화석 연료 에너지원이 대안으로 제시되었고, 미국의 에너지 정책은 신재생에너지와 비원자력 발전을 선호하는 쪽으로 이동하게 되었다. 이는 미국이 세계 원자력 기술 경쟁에서 앞서나가지 못하는 주요 이유 중 하나로 꼽힌다.

 

■ 원자력 발전의 새로운 국면

 2009년 오바마 대통령은 기후 변화 대응과 에너지 안보 강화를 이유로 원자력 발전을 재검토했다. 당시 미국은 온실가스 배출량을 줄이기 위해 청정에너지 기술을 확대해야 했고, 오바마 정부는 원자력이 중요한 역할을 할 수 있다고 보았다. 이에 따라 2010년에는 신규 원전을 위한 정부 보증 등 30년 만에 원자력발전산업을 적극 육성하겠다는 입장으로 국가적 정책 방향을 원자력 발전 지원 강화로 선회하였다. 

 2011년 3월 일본 후쿠시마 원전사고의 발생으로 원전의 안전성과 재난 대처의 능력에 대한 세계적인 논쟁을 촉발시켰다. 유럽의 일부 국가들은 원전 정책을 폐기하고 신재생에너지 정책으로 빠르게 전환하였다. 미국 역시 예전의 스리마일 원전사고의 트라우마가 있는 터라 간신히 되살렸던 원전 정책이 후퇴하는 것이 아닌가 우려했으나 원전 지원 기조는 유지하되 기존 원전의 안전성을 강화하는 방향으로 정책을 지원했고, 미국 원자력 규제위원회(NRC)는 모든 미국 내 원전의 안전 점검을 의무화하고 새로 규제 기준을 수립하였다. 원자력에 대한 부정적인 인식이 확산되었으나, 동시에 안전성이 확보된 차세대 원전 기술에 대한 연구와 투자가 가속화되었다.

 

■ 미래 에너지원으로 주목

 후쿠시마 원전사고 이후 미국은 원자력 에너지의 미래를 다시 고민하기 시작했다. 기후 변화와 전력 수요의 증가로 인한 문제를 해결하기 위해, 대체 가능한 청정 에너지원으로서 원자력이 재평가되었으며, 특히 대형 원자로보다 더 안전하고 경제적인 소형모듈원자로(Small Modular Reactor, SMR)에 대한 관심이 급증하였다. SMR은 기존 원자로보다 작고 유연하게 운영될 수 있는 장점이 있었다. 또한 사고 발생시 피해 규모를 제한할 수 있는 구조를 가지고 있어 후쿠시마 같은 대형 사고를 예방할 수 있는 기술로 주목받고 있었다.

 21세기에 들어 전기자동차의 도입과 인공지능(AI) 기술이 급격하게 발전하면서 데이터센터와 같은 대규모 전력 소비가 급증하고 있다. AI와 빅데이터 처리, 클라우드 컴퓨팅 및 전기자동차의 확산은 전력 사용량을 폭발적으로 증가시키고 있으며, 이에 따라 안정적이고 지속 가능한 전력 공급원이 필요해지고 있다. 전통적인 화석 연료와 신재생에너지는 환경 오염 문제와 자원의 고갈 문제, 그리고 전력의 간헐성 문제를 안고 있다. AI로 대표되는 차세대 기술들이 야기한 전력 수요 증가는 SMR과 같은 차세대 원전 기술이 해결책으로 제시되도록 하였다.

 SMR이 미래의 전력 문제를 해결할 수 있다는 기대에 따라 SMR 개발을 촉진하는 다양한 연구 프로그램이 시작되었으며 미국 기업들도 SMR 관련 특허의 출원과 기술개발을 적극적으로 추진하게 되었다. 이하에서는 역사적인 트라우마를 극복하고 민간 주도의 SMR 기술개발 및 상용화를 실현해 나가고 있는 미국의 SMR 개발기업들의 SMR 관련 개발 현황과 특허 동향을 개략적으로 분석하고 정부/공공 주도의 SMR 개발 전략을 수립하고 있는 한국의 주요 연구 단체와 비교하여 한국의 대략적인 개발 현황을 파악해 보도록 하겠다.

 

소형모듈원자로란

■ 소형모듈원자로의 개념 및 정의

 소형모듈원자로를 규정짓는 첫 번째는 출력이다. 일반적으로 300MWe 이하의 전력을 생산한다. 이로 인해 초기 건설 비용이 낮고 유지 및 관리 비용도 절감될 수 있다. 이는 원자력 발전의 경제성을 높이는데 기여하며 특히 전력망이 취약한 지역이나 소규모 전력 수요가 있는 곳에 활용 가능성을 높인다.

 소형모듈원자로를 구분짓는 두 번째 요소는 모듈화이다. 소형모듈원자로의 큰 특징 중 하나는 모듈형 설계로서 주요 구성 요소들은 공장에서 미리 제작되어 발전소 건설 현장으로 운송된 후 조립된다. 이러한 방식은 기존 대형 원자로에서 요구되었던 현장 건설의 복잡성을 줄이고, 건설 기간 단축 및 비용 절감을 가능하게 한다. 모듈화된 설계 덕분에 여러 개의 SMR을 하나의 발전소에 병렬로 설치하여 필요한 전력량에 맞춰서 확장할 수 있다.

사진출처: 한국동서발전

 

■ 소형모듈원자로의 작동 원리

 대부분의 SMR은 기존의 경수로를 기반으로 설계되었다. 냉각재로 물을 사용하며(수냉각), 이는 원자로 내에서 발생한 열을 효과적으로 제거하는 데 사용된다. 일부 SMR은 전통적인 경수로 설계를 넘어 나트륨 냉각로, 헬륨 가스 냉각로, 용융염로 등 다양한 대체 냉각재와 기술을 적용하여 발전을 목표로 하고 있다.
 또 SMR은 높은 안전성을 강조하는 특징을 가진다. 사고 발생시에도 냉각 시스템이 정상적으로 작용할 수 있도록 수동 안전 시스템을 채택하고 있다. 이 시스템은 외부 전력이나 운용자의 개입 없이도 자연순환 냉각을 통해 안정적인 열 제거가 가능하며 피동적(PASSIVE) 안전 기술로 설계되어 극한 상황에서도 원자로가 자동으로 안전하게 정지하도록 설계되어 후쿠시마와 같은 대형 원전 사고의 위험을 크게 낮출 수 있다.

 

■ 특징 및 장점

 작은 규모와 모듈화된 설계로 초기 건설 비용을 크게 줄여준다. 공장에서 제작하여 설치하는 방식으로 공사 지연 리스크도 줄어들게 되며 전력 수요가 불확실한 지역에서 유연하게 대처할 수 있다. 그리고 소규모로 시작한 발전소에 점진적으로 새로운 모듈을 추가할 수 있어 지역 전력 수요 증가에 맞춰 확장할 수 있는 유연성을 제공한다. 이는 기존 대형 원자로에서 불가능했던 점진적 전력 확충을 가능하게 한다.

 SMR은 다른 신재생에너지와 달리 안정적이고 지속적인 전력 공급이 가능하며 전력 생산 중 탄소 배출이 없으므로 기후 변화 대응 및 탄소 중립 목표 달성에 기여할 수 있다. 또한 대형 원전에 비해 적은 양의 핵폐기물을 생성하는 경향 또한 장점으로 받아들여진다.

 

소형모듈원자로 개발 현황(미국을 중심으로)

■ 개발 현황 개요

 소형모듈원자로는 전 세계적으로 개발되고 있으며, 각국의 전문가들이 모여서 관련 정보를 IAEA의 SMR TWG에 보고하고 최신자료를 갱신하며 2년 주기마다 ARIS(Advanced Reactor Informaton System)를 발간하고 있다. 

 소형모듈원자로는 북미, 동북아시아, 그리고 러시아 등에서 활발하게 개발되고 있다. 미국과 유럽은 민간 영역에서 개발과 사업을 주로 하고 있고, 동북아시아와 러시아는 정부 주도로 개발이 진행되고 있다.

 2022년 시점으로 전 세계적으로 다양한 소형원자로가 개발되고 있으며, 약 60개의 노형이 개발, 건설 및 운영 중에 있다. 대표적으로 수냉각과 비수냉각으로 구분할 수 있으며 수냉각형은 기존 상용전원의 입증된 기술을 충분히 활용하면서 안전성과 경제성을 높이기 위해 진보된 설계 개념을 도입하고 장기적으로 안전성과 경제성을 획기적으로 향상시키기 위한 기술을 적용하였다. 비수냉각형은 냉각재로서 물이 아닌 나트륨이나 용융염, 헬륨 등을 사용하는 개념을 도입한 것으로 기존의 수냉각형의 갖는 문제점을 일부 개선하려는 시도가 진행 중에 있다.

 

■ 미국에서 개발하고 있는 주요 소형원자로

 미국은 앞서 말한 바와 같이 정부의 협력 아래 민간기업에서 SMR의 연구개발 및 상용화를 주도하고 있다. 대표적인 기업으로 인증 현황에서 가장 앞서 나가고 있는 미국의 NuScale Power와 세계적인 종합 원자력 기업인 Westinghouse, 핵 부품 및 연료를 개발, 공급하는 BWX, 그리고 최근 빅테크 기업들의 투자 등으로 새롭게 가세한 X-ENERGY, OKLO, Nano Nuclear Energy 등의 스타트업 등이 있다.

원자로	개발기업	노형	출력	특허수	비고
VOYAGR	NuScale Power	PWR	77	349	일체형/자연순환
W-SMR	Westinghouse	PWR	225	322	일체형
mPOWER	BWX	PWR	180	385	일체형
SMR-160	HOLTEC	PWR	160	72	블록형/자연순환
TWR/MCFR	TerraPower	SFR	345	663
AURORA	OKLO	LMFR	50	21	HALEU 사용
eVinci	Westinghouse	HEAT PIPE	0.2~5	322	열전도관
Xe-100	X-ENERGY	HTGR	75	6	블록형
EM2	General Atomics	HTGR	265	36	블록형
SUPERSTAR	Argonne Lab.	LMFR	120	-	납냉각/자연순환
Lead Fast Reactor	Westinghouse	LMFR	450	322	납냉각
LFT Reactor	Filbe Energy	MSR	250	-	FLUORIDE SALT
Mk1 PB-FHR	UC Berkley	MSR	100	-	FLUORIDE SALT/TRISO FUEL
Molten Chloride Salt Fast Reactor	Elysium Industries	MSR	50	-	CHLORIDE SALT

출처: 소형모듈원자로(SMR)기술조사보고서, 한국원자력학회 참조 및 자체가공

 

■ 한국에서 개발하고 있는 주요 소형원자로

원자로	개발기업	노형	출력	특허수	비고
SMART-100	KAERI	PWR	110	72	일체형
BANDI-60S	한전기술	PWR	60	50	블록형/해양용
I-SMR	KHNP/KAERI	PWR	170(4기)	49/72	일체형
KAIST-MMR	KAIST	SCO2-COOLED	12	14	일체형
URANUS	UNIST	LFR	18	-	일체형/해양용
REX-100	서울대	PWR	10	-	일체형/자연순환

출처: 소형모듈원자로(SMR)기술조사보고서, 한국원자력학회 참조 및 자체가공

 한국은 정보/공공의 주도로 SMR을 개발하고 있으며 대표적으로 한국원자력연구원(KAERI), 한국수력원자력(KHNP), 한국전력기술, 한국과학기술원(KAIST) 등이 대표적이다. 한국도 SMR의 기술력은 전 세계적으로 상당히 높은 수준에 올라와 있고 정부도 다양한 형태로 SMR을 개발하기 위한 정책을 수립하거나 준비하고 있어 SMR의 상용화를 위한 주요 경쟁자로의 지위를 가질 것으로 예상된다.

 

소형모듈원자로 특허동향(미국/한국을 중심으로)

■ 출원인별 특허동향

 현재 소형모듈원자로 개발을 진행하고 있고 개발을 위한 노형 및 출력 등의 기초적인 스펙을 발표한 일정량 이상 특허를 출원한 미국 기업들과 대한민국에서 특허를 일정 수준 이상 출원한 SMR 개발 기업 및 연구소를 대상으로 출원한 특허 본 특허동향의 정량적인 분석은 2014~2023년에 출원한 특허를 대상으로 함
에 대하여 분석을 수행하였다.

 먼저 가장 많은 특허를 출원한 기업으로는 TERRAPOWER로서 390여건의 특허를 출원하였고, NuScale Power(274건), BWXT(BWX)(257), Westinghouse(179건) 순으로 나타나고, 한국의 KAERI와 한국전력기술, 및 KHNP가 각각 70여 건과 50건의 출원을 보여 단순 양적 비교에서는 미국 기업의 출원수에 미치지 못하고 있다.

출처: 월간키스타

 SMR 개발사들의 시계열 특허출원현황을 살펴보면, 증가와 감소가 뚜렷한 추세를 보이지 않는다. 그 중 BWXT는 2017년 이후부터 특허출원이 꾸준하게 증가하고 있는 추세를 보이며 가장 적극적인 특허 활동을 보이는 것으로 나타났다.

 

미국 및 한국의 SMR 개발 시계열 특허 출원 동향 (출처: 월간키스타)

 

■ 기술분야별 특허동향

기술분야	특허건수	기술정의
G21C 15/00	201(13.7%)	노심을 지니는 압력용기내의 냉각계; 특정 냉각재의 선택
G21C 3/00	186(12.7%)	원자로 연료요소 또는 그 집합체; 원자로 연료요소로 사용하기위한 물질의 선택
G21C 7/00	129(8.8%)	원자핵 반응의 제어
G21C 1/00	120(8.2%)	원자로의 종류
G21C 19/00	96(6.5%)	원자로내에서 사용되는 연료 또는 기타 물질의 처리, 취급 또는 취급을 용이하게 하기 위한 수단

SMR 개발사 전체의 특허 출원 기술분야 TOP 5

 SMR 개발사들이 가장 많이 출원하고 있는 특허 분야는 ‘노심을 지니는 압력용기 내의 냉각계; 특정 냉각재의 선택’에 관한 기술로서, 원자로를 냉각시키기 위한 냉각재에 관한 기술이다. 냉각재는 원자로에서 아주 중요한 요소로 SMR의 세대를 구분짓는 요소 중의 하나로도 활용된다. 전통적인 가압경수로(PWR 외: 3세대)에서부터 최근에 기술개발이 활발하게 진행되고 있는 나트륨을 냉각재로 활용하는 소듐냉각고속로(SFR 외: 4세대) 등에서 활용되는 냉각재 기술이 이에 해당한다고 볼 수 있다.

 그 외에 ‘원자로 연료요소 및 연료요소의 재료’ 등의 기술(G21C 3/00)과 ‘원자핵 반응의 제어’ 기술(G21C 7/00), 및 ‘원자로의 종류’ 기술(G21C 1/00) 순으로 기술개발에 따른 특허 출원이 이루어지고 있으며, 위 표에 기재된 5개의 기술 분야가  SMR 개발사들이 출원하고 있는 전체 특허 출원 건수 중 50%에 해당할 정도로 개발이 집중되고 있는 분야로 나타난다.

 

기술분야	특허건수	기술정의
G21C 15/00	58(31.4%)	노심을 지니는 압력용기내의 냉각계; 특정 냉각재의 선택
G21C 7/00	18(9.7%)	원자핵 반응의 제어
G21D 3/00	18(9.7%)	원자력 발전소의 제어
G21C 17/00	13(7.0%)	감시; 시험
G21C 1/00	8(4.3%)	원자로의 종류

SMR 개발사 전체의 특허 출원 기술분야 TOP 5

 미국과 한국의 주요 SMR 개발사들 사이의 집중분야를 비교해 보면, 냉각재 기술에서는 동일하나, 한국은 미국기업들에 비해 ‘원자력 발전소의 제어’ 분야와 ‘감시; 시험’이 TOP 5에 포함되어 발전소 및 안전 기술에 비중을 더 두고 있는 것으로 나타난다.

 

■ SMR 개발사별 특허경쟁력 비교

SMR 개발사	특허건수	특허영향력	시장확보력
TERRA POWER	391	1.47	1.13
NuScale POWER	273	1.38	1.21
BWXT	255	0.56	1.21
WESTINGHOUSE	179	0.51	0.99
ROLLS-ROYCE	88	0.13	1.27
한국원자력연구원	72	1.41	0.21
SMR INVENTEC	61	1.50	0.44
한국전력기술	50	0.50	0.16
KHNP(한국수력원자력)	49	0.17	0.06
ARC	24	0.93	1.10
OKLO	19	0.29	0.61
TERRESTRIAL ENERGY	18	2.65	1.29
GENERAL ATOMICS	17	0.41	1.45
KAIST	14	0.70	0.08
X-ENERGY	6	0.09	1.05

미국 및 한국의 SMR 개발사 특허경쟁력 비교

 특허의 인용도(특허영향력)와 자국이 아닌 해외에 출원비율(시장확보력)을 통해 SMR 개발사들의 특허경쟁력을 확인해 본 결과, TERRESTRIAL ENERGY의 특허가 타 특허에 가장 많이 인용된 경향을 가지며, 해외 출원비율은 전체 평균을 크게 상회하고 있어 특허경쟁력이 가장 높은 수준에 있는 것으로 확인된다.

 SMR INVENTEC은 특허영향력에서 2위를 차지하고 있으나, 시장확보력에서는 전체 평균에 미치지 못하는 수준으로 해외 출원비율이 저조한 것으로 나타나며, TERRAPOWER가 특허영향력에서는 3위이고 시장확보력 또한 전체 평균을 상회하고 있어 특허경쟁력이 높은 수준에 랭크되어 있다.

 한국은 한국원자력연구원이 특허영향력은 전체에서 4위로 높은 수준이나, 시장확보력에서 타 기업대비 낮게 나타나며, 그 외 한국의 SMR 개발사들은 전체적으로 해외 출원 비율이 낮은 것으로 나타난다.

미국 및 한국의 SMR 개발사 특허경쟁력 비교 도식화

 

 미국과 한국의 SMR 개발사들의 특허경쟁력을 종합해 봤을 때 1사분면의 TERRESTRIAL ENERGY, TERRAPOWER, NuScale Power의 특허경쟁력이 비교 우위로 나타났으며, KAIST, 한국전력기술, KHNP의 특허가 특허영향력 및 시장확보력에 비교 열위에 있는 것으로 확인되었다.

 

맺음말

 소형모듈원자로는 기존 원자력발전의 한계를 극복하고 지속 가능한 에너지 전환을 이루기 위한 중요한 기술로 주목받고 있다. 특히 SMR은 규모의 유연성, 안전성, 경제성을 바탕으로 다양한 산업 및 지역에 적용 가능성을 제시하며 세계 각국의 에너지 정책과 기술 혁신의 중심에 자리 잡고 있다.

 미국을 비롯한 주요 선진국에서는 SMR 기술을 미래 에너지 시스템의 핵심으로 간주하고 대규모 투자의 정책적 지원을 아끼지 않고 있다. 한국 또한 고유한 기술력과 경험을 바탕으로 세계 시장에 대응하기 위한 경쟁력을 갖추기 위해 노력 중에 있다. 특허 분석 결과 SMR 기술에 대한 플레이어들이 지속적으로 등장하고 있어 주요 기업뿐만 아니라 국가 수준에서도 치열한 기술 경쟁이 앞으로 가속화될 것으로 예상이 된다. 이는 SMR 기술이 단순한 에너지 공급을 넘어 국제적 기술 리더십 확보와 직결된 분야임을 보여준다.

 특허 분석에서는 현재 수준에서 한국은 특허의 양적 수준에서는 낮은 수준이 아닌 것으로 드러났으나 인용도와 해외 특허 비율에서는 비교 열위에 있는 것으로 나타나고 있어 향후 촉발될 기업간, 국가간 기술경쟁에서 우위를 점하기 위해서는 연구개발에 따른 기술의 권리화, 그리고 해외에서의 기술 권리 확보 또한 반드시 필요할 것이다.

 미래의 에너지 시장에서 SMR이 차지할 비중은 점차 확대될 것이며, 이는 환경적, 경제적, 사회적 가치를 동시에 창출할 잠재력을 지니고 있다. SMR 기술이 전 세계적으로 안정적이고 지속 가능한 에너지 공급원으로 자리잡을 수 있도록 기술 개발과 정책적 지원을 강화해 나가야 할 것이다.

 끝으로 SMR이 단순한 에너지 기술을 넘어 글로벌 에너지 패러다임을 이끄는 핵심 동력이 될 수 있기를 기대하며, 이를 위한 지속적인 관심과 논의가 이어지기를 바란다.

 

참조문헌

소형모듈원자로(SMR) 기술동향, KISTEP 브리프
소형모듈원전(SMR)의 도전과제와 국내외 동향, - 이정익 KAIST 교수
2024 녹색산업 인사이트, 소형모듈원자로
혁신형 소형모듈원자로(SMR) 개발현황과 발전방향 - 최광식 한국수력원자력 부장
소형모듈원전(SMR) 글로벌 산업 동향 - KDB 미래전략 연구소
소형모듈원자로(SMR) 기술조사보고서 – 한국원자력학회

 

본 블로그 내용은 한국특허전략개발원 월간 간행물 '월간 키스타' 25년 1월호에 기재된 원고(https://blog.naver.com/hikista/223735823099)와 동일하며 해당 원고의 작성자와 본 블로그의 운영자는 동일임을 알려드립니다.