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HOT ISSUE

원자력발전, 미래 그린수소 생산 한 축 되나   

소형모듈원전 활용 수소생산 기술 관심 증가
원자로 중 고온가스로가 수소생산 최적화
원자력硏, 수소생산용 고온가스로 연구개발 중
2030년 이후 원자력수소 상용화 가능 전망

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[월간수소경제 이종수 기자] 원자력발전은 화력발전과 마찬가지로 열에너지를 이용해 터빈을 회전시켜 전기에너지를 만든다. 우라늄의 핵분열반응을 통해 얻은 에너지로 물을 끓여 증기를 발생시키고, 그 힘으로 터빈을 돌려서 전기에너지를 만드는 방식이다. 


1986년 체르노빌 원전 사고와 2011년 후쿠시마 원전 사고를 계기로 원전의 안전성에 대한 우려가 제기되고, 2016년 경주에서 5.8 규모의 지진이 발생하면서 국내 원전의 안전성에 대한 우려도 확산됨에 따라 현 정부는 원전 비중을 줄이고 재생에너지 발전을 확대하는 에너지전환을 추진하고 있다. 


그러나 기후변화 문제가 심각해짐에 따라 ‘탄소중립’과 ‘수소경제’가 화두가 되면서 원자력이 다시 조명받고 있다. 원자력이 친환경적인 에너지원으로 분류되는 한편 수소생산에 원자력을 활용할 수 있어서다. 특히 소형모듈원전(SMR)을 이용한 수소생산 기술에 대한 관심이 뜨겁다. 


국내의 경우 이미 원자력연구원이 노무현 정부 시절인 2000년대 초반 수소생산용 소형 고온가스로 연구개발을 시작했다. 2019년 10월에 발표된 ‘수소 기술개발 로드맵’에 초고온가스로를 이용한 수소생산기술 개발이 반영되어 2030년 이후부터 원자력을 이용한 수소생산이 상용화할 것으로 전망되고 있다.   

 

소형모듈원전 부상  

한국원자력연구원, 한국수력원자력 등에 따르면 글로벌 상용 원자력 시장은 1960년대 이후 대형경수로 위주로 성장해왔지만 후쿠시마 사고 이후의 사회적 비용 증가와 함께 전력시장이 정부 주도에서 민간 주도로 변화함에 따라 대형원전 시장이 정체되는 대신 초기 투자비용이 낮고 증설이 용이한 소형모듈원전(SMR; Small Modular Reactor)이 부상하고 있다. 


SMR은 원자로, 증기발생기, 냉각재 펌프, 가압기 등의 주요기기를 하나의 용기에 일체화한 전기출력 300MWe 이하의 소형원자로로, 기존 원전의 약 100분의 1 이하 수준으로 축소한 것이다. 


마이크로소프트 창업자 빌 게이츠가 탄소 배출을 줄이기 위해 주목한 기술도, 미국 바이든 행정부가 지목한 차세대 첨단 원전도 바로 SMR이다. 빌 게이츠는 2010년 테라파워라는 원전 기업을 설립해 SMR 개발에 주력하고 있다. 


SMR은 모듈 형태로 제작되어 이송 및 건설이 가능해 건설 기간이 짧고 건설비용도 저렴하다. 대형원전은 56개월 정도의 건설 기간이 필요하지만 SMR은 24개월이면 가능하다. 우리나라가 UAE에 수출한 원전 4기가 총 20조 원(1기당 5조 원)인데, SMR은 1조 원으로 예상된다.  


대형원전 대비 안전성도 매우 우수하다. 주요기기를 모듈화해 용기 안에 넣을 수 있어 제어봉 이탈사고나 대형 냉각재 상실사고 등을 원천적으로 차단할 수 있다. 사고 발생 시 외부 전원의 공급 없이 자연순환으로 냉각되는 피동안전계통만으로도 안전성을 확보할 수 있다.


또 기존 소형 발전시설 노후화에 따른 대체 발전원으로 기존 전력인프라를 이용할 수 있다. 


SMR은 분산전원(산업 지역, 고립・격리 지역, 송전망 부족 지역, 특수시설 전원 등), 화력발전 대체, 열병합 발전(열・전력 동시 생산), 해수 담수화 에너지원, 지역난방, 수소생산, 산업공정용 열 생산, 선박추진 동력원 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.


국내의 경우 1970년대 원전기술 도입 이후 지속적인 연구개발 투자를 통해 대형경수로(APR1400) 기술은 세계적인 수준에 도달해 지난 2009년 UAE에 원전 4기를 수출한 바 있고, 2019년에는 미국 원자력규제위원회 설계인증까지 취득했다. 




이러한 원전 기술력을 바탕으로 소형원전 개발에 적극 나서고 있다. 이미 한국원자력연구원이 다용도 소형 경수로인 SMART 원자로를 개발해 지난 2012년 세계 최초로 표준설계인가를 획득한 바 있다.


한국전력기술은 경수로 기반 해수담수화 원자로인 ‘BANDI-60S’을 개발해 현재 개념설계 단계에 있다. 


정부는 지난해 12월 28일 ‘제9회 원자력진흥위원회’를 개최하고 SMART 원자로 수출을 통한 소형원자로 시장 선점, 혁신기술이 집약된 한국형 소형모듈원자로(i-SMR) 개발 등의 내용이 담긴 소형원자로 기술개발 전략을 발표했다. 


올해 4월에는 ‘혁신형 SMR(i-SMR) 국회포럼’까지 출범했다.  


앞으로 10년 후 SMR이 세계 원자력 시장을 주도할 것으로 전망되고 있다.  


임채영 한국원자력연구원 혁신원자력시스템연구소장은 “세계 노후 상용원전은 상당수(48기)가 500MW급 이하로, 전기출력 300MW 이하의 전력을 생산하는 SMR이 노후 상용원전의 대체 시장에서 큰 잠재력을 가진다”라며 “영국 국립원자력연구소는 2035년까지 65~85GWe(1GWe: 원전 1기 설비용량)의 SMR이 건설될 것으로 전망했고, 저렴한 건설비로 투자 리스크도 적어 원자력 발전 분야의 세계적 트렌드가 될 것으로 예상했다”고 밝혔다.


김한곤 한국수력원자력 중앙연구원장은 “한국원자력연구원과 한국수력원자력을 중심으로 원자력연구원이 지난 2012년 표준설계인가를 받은 SMR인 ‘SMART’를 개량해 경제성과 안전성이 대폭 향상된 ‘혁신형 SMR’을 개발 중”이라며 “2028년까지 인허가 획득 후 2030년 본격적으로 원전 수출시장에 뛰어든다는 목표로 개발을 추진하고 있다”고 밝혔다. 


현재 미국, 러시아 등 원전 설계기술을 보유한 국가들이 SMR 시장을 선점하기 위한 기술개발을 한창 진행 중이다. 총 71기의 노형이 개발 중이며 미국 17기, 러시아 17기, 중국 8기, 일본 7기, 한국 2기 등 미국과 러시아가 주도하고 있다. 이밖에 캐나다, 프랑스, 이탈리아, 남아공, 아르헨티나, 인도 등이 SMR을 개발 중이다. 




개발 경험이 많은 경수로 원자로가 주류를 이루고 있다. 총 71기 중 가압경수로 등 경수형 기반 31기, 초고온가스로 14기, 소듐냉각고속로 11기, 용융염로 10기이다. 또 총 71기 중 개념설계 40기, 기본설계 5기 등으로 현재 개발 초기 단계다. 


러시아가 지난 2019년 세계 최초로 SMR(KLT-40S 해상 원전)의 상업운전을 시작한 이후 상용화를 앞둔 국가로는 중국, 한국, 미국이 있다. 


중국은 고온가스로 기반 ‘HTR-PM’을 완공해 올해 전력망에 전력을 공급할 예정인 한편 경수로 기반 ‘ACP100’ 원전부지를 선정해 2025년 준공할 계획이다. 한국원자력연구원의 ‘SMART’와 미국 NuScale은 각각 2012년, 2020년 8월에 설계인증을 받았다. NuScale은 아이다호 국립연구소 부지에 12기의 SMR 건설을 추진하고 있다. 

 

원자력 이용 수소생산

한국원자력연구원에 따르면 현재 원자로는 크게 경수로, 중수로, 고온가스로(HTGR), 소듐냉각고속로(SFR), 용융염로(MSR)로 구분된다. 국내 대형원전의 원자로는 모두 가압경수로와 가압중수로이다. 한국원자력연구원이 개발한 ‘SMART’ 원자로와 한국전력기술이 개발한 해수담수화 원자로인 ‘BANDI-60S’는 경수로 기반 소형모듈원전(SMR)이다.


특히 고온가스로는 핵분열반응에서 생성된 고온의 열을 견디도록 세라믹 피복입자 핵연료를 사용하고, 감속재로 흑연을, 냉각재로는 방사능에 오염되지 않는 헬륨을 각각 사용하는 원자로로, 750℃ 이상의 고온 열을 안전하게 생산하기 때문에 수소생산에 최적화한 기술로 평가되고 있다.  


고온가스로는 1,600℃ 이상에서도 방사능이 방출되지 않는 3중 피복입자 핵연료(TRISO)를 사용해 후쿠시마 사고와 같이 외부 전원이 상실되거나 운전원 조치가 불가능한 극한 사고에서도 자연냉각만으로 원자로의 안전성이 확보되는 안전한 원자로이다. 




초고온가스로(VHTR)는 고온가스로의 원자로 냉각재 출구 온도를 850~950℃로 증가시킨 것으로, 온실가스를 방출하지 않고 경제적으로 수소생산에 활용할 수 있는 4세대 원자로이다.  


국내에서는 한국원자력연구원이 지난 2004년부터 수소경제시대를 대비해 고온가스로(300MWe 이하)를 이용한 원자력 수소생산 기술개발 연구에 착수했다. 


2006년부터 고유 설계해석 코드, 초고온 시험·기기·재료기술, 피복입자 핵연료(TRISO) 제조기술, 황-요오드(S-I) 열화학 수소생산 공정기술 등 해외 기술 도입이 어려운 핵심기술 개발을 본격화했고, 2019년까지 750℃의 고온열을 제공하는 고온가스로 실증로 설계사업이 가능한 기술 수준에 도달하는 성과를 거뒀다.


주요 성과로는 △고유 설계·해석 코드 독자 개발 및 개발 코드를 이용한 기술 수출(424만 달러) 달성 △중형 헬륨루프 설계・건설・초고온(900℃ 이상) 운전 달성 및 열유체 시험자료 확보 △내부구조물과 핵심기기의 후보 재료에 대한 재료 물성 기반 자료 확보 △실험실 규모의 피복입자 핵연료(UO2) 제조 공정기술 확보 △실험실 규모(50L/hr)에서 황-요오드(S-I) 열화학 수소생산 실증(8시간 연속운전) 등이 있다. 


2000년대 초 후발주자로 연구를 시작했음에도 불구하고 1970년대 고온가스로 관련 기술개발에 착수한 일본 대비 약 70%의 기술력을 확보했다. 


원자력을 활용한 수소생산 방법은 먼저 천연가스-증기 개질 시스템에서 초고온가스로형 SMR의 고온열을 활용하는 기술이 있다. 천연가스에서 수소를 추출하기 위해서는 750℃ 이상의 고온열이 필요하다. 고온가스로는 750℃ 이상에서 작동하기에 천연가스-증기 개질 시스템에 대한 최적의 고온열 공급원이 되는 셈이다.


조창근 한국원자력연구원 책임연구원은 “천연가스-증기 개질 시스템에서는 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소가 발생하는데, 최종 수소가 생산되면서 함께 발생하는 이산화탄소는 CCUS 기술로 포집할 수 있지만 시스템 전단에서 발생하는 이산화탄소를 잡기란 쉽지가 않다”라며 “열 공급 방법을 원자력(고온가스로 고온열)으로 대체하면 시스템 전단에서 발생하는 이산화탄소를 억제할 수 있어 그린수소에 가까운 블루수소를 만들어낼 수 있다”고 설명했다.  


궁극의 친환경 수소(그린수소)로 불리는 수전해(물 전기분해) 수소를 생산할 때도 원자력을 이용할 수 있다. SMR의 전기에너지를 활용한 저온 수전해 수소생산과 SMR의 열에너지와 전기에너지를 활용한 고온 수전해(SOEC=HTSE) 수소생산 기술이 있다. 고온 수전해는 모든 종류의 SMR에 적용할 수 있지만 작동온도가 높을수록(700℃ 이상) 유리하다. 


조창근 연구원은 “저온 수전해는 PEM, 알칼라인 등 이미 상용화된 기술로 고온 수전해보다  효율이 낮은 게 문제”라며 “국내 ‘수소 기술개발 로드맵’에서 미래형 수소생산기술로 분류된 최소 700℃ 이상의 온도가 필요한 고온 수전해 수소생산기술 개발이 진행 중이다. 700℃ 이상에서 작동하는 고온가스로를 고온 수전해 시스템에서 바로 활용할 수 있다”고 말했다. 


조 연구원은 이어 “기존 경수로를 활용한 고온 수전해를 통해 수소생산이 가능하지만 경수로의 스팀이 280℃ 정도이므로 고온 수전해를 하려면 전기가열로 700℃ 이상으로 끌어올려야 하기에 효율이 떨어지게 된다”라며 “그러나 경수로의 장점은 이미 증명된 기술이라는 것이다. SOEC 수소생산시스템과 경수로 스팀과 연결만 할 수 있다면 수소생산이 가능해 국내에서 경수로 이용 수소생산 기술개발이 추진되고 있다. 미국에서는 에너지부(DOE)와 엑셀에너지 등 3개 회사가 경수로를 활용한 수소생산 실증사업을 진행 중”이라고 설명했다. 


이밖에 수전해의 일종인 황-요오드(S-I) 열화학 공정기술이 있다. 고온가스로의 초고온(900℃) 열에너지로 물의 열화학적 분해로 수소를 생산하는 기술이다. 이미 원자력연구원이 실험실 규모에서 수소생산을 실증한 바 있다.  


현재 전 세계적으로 천연가스 증기 개질 방식을 제외하고 원자로(실증로)와 연계한 수소생산 공정 실증 수준의 기술이 개발되지 않은 상태이다. 현재 일본에서 고온가스로(실증로)를 통한 천연가스 증기 개질 실증이 진행 중이다.  


한편 미국과 영국의 경우 경수로 유휴 전기를 활용한 수전해 수소생산 실증 및 사업 모델 개발을 진행 중이다. 세계 1위의 러시아 원자력기업 로사톰은 2030년에 원자력 발전을 활용한 그린수소 생산시설을 완공한다는 목표다. 


조 연구원은 “현재 우리나라는 고온가스로 설계기술을 확보한 상태지만 실증을 위한 고온가스가 아직 없고, 실제 원자로는 인허가 기간이 많이 소요되는 등 원자로를 하나 짓는 데 수년이 걸린다”라며 “우선 기존 경수로를 활용한 수소생산 실증을 준비하고 있는 것으로 알고 있다”고 밝혔다.  

 

2030년 이후 원자력 수소 상용화

앞으로 원자력 이용 수소생산기술 개발은 원자력연구원과 포항공대(원자력), 포항산업과학연구원(고온 수전해)을 중심으로 더욱 활발하게 진행될 전망이다. 


한국원자력연구원은 과기정통부가 지원하는 ‘미래 선진원자로 핵심요소기술 개발사업’의 일환으로 초고온시스템 핵심기술 개발 과제를 진행 중이다. 한편 정부는 오는 2023년부터 초고온시스템 연계 수소생산 예비타당성 조사를 추진할 예정이다.   


원자력 이용 수소생산은 지난 2019년 1월 발표된 ‘수소경제 활성화 로드맵’에 반영되어 있지 않지만 2019년 10월에 발표된 ‘수소 기술개발 로드맵’에는 미래형 수전해 수소생산기술로 ‘고온 수전해’와 함께 ‘초고온가스로 시험로’ 기술개발이 반영되어 있다. 




이에 따라 원자력연구원은 고온가스로 기술 수준 향상을 위한 연구를 수행하고 있는 한편 올해부터 포항산업과학연구원과 공동으로 원자력연구원이 활용한 헬륨루프에서 생산한 초고온 증기를 활용해 고온 수전해 모듈 성능시험을 수행하는 과제에 착수했다. 


이와 함께 지난 6월 경상북도, 울진군, 포항공대, 한국원자력연구원, 포항산업과학연구원, 포스코, 현대엔지니어링은 원자력을 활용한 그린수소 생산 기술개발을 위한 업무협약을 체결했다. 고온가스로 활용 수소생산, 고온 수전해(SOEC) 기술개발, 수소 사업화, 원자력 활용 그린수소 생산 실증 연구 등에 긴밀하게 협력하기로 했다. 


원전이 많이 분포된 경북도와 울진군은 ‘원자력 활용 그린수소 생산·실증단지’를 조성하기 위해 현재 추진 중인 타당성 연구용역을 올해 안으로 마무리하고, 산업부와 과기부 등 정부에 국비 반영을 건의할 예정이다. 


또한 한국원자력연구원은 지난해 7월 미국의 원자력기업 USNC, 현대엔지니어링과 공동으로  소형 모듈형 고온가스로 개발과 활용에 관한 상호협력협약을 체결했다. 초소형(5MWe) 모듈원자로(MMR) 개발・건설, 공정 열 및 전력생산용 고온가스로(HTGR) 개발・건설, 수소생산용 초고온가스로(VHTR) 기술개발 및 활용 분야에서 협력하기로 했다. 


USNC는 우수한 핵연료 및 초소형모듈원자로 기술을 보유한 미국의 원자력 회사로, 현재 초소형모듈원자로(MMR)의 개념설계를 완료한 후 기본설계를 진행 중이다. 초소형모듈원자로의 실증을 위해 캐나다 원자력연구소 부지에 MMR을 건설하는 사업을 추진하고 있다. 




한국원자력연구원은 USNC MMR의 개념설계에 참여한 데 이어 기본설계까지 참여하며 USNC와 기술 협력을 이어나가고 있다. 원자력연구원은 캐나다 원자력연구소 부지에서 진행되는 MMR 실증사업에도 참여해 고온가스로 설계기술을 검증하고 인허가 경험을 획득할 계획이다. 현재 USNC의 기본설계에 기술 용역 형태로 고온가스 설계기술 수출을 진행 중이다.  


현대엔지니어링은 지난해 4월 원자력연구원과 ‘원자력 활용 친환경 수소생산 분야 등 업무협약’을 체결하고, 원자력 수소 및 열 이용 원자로 핵심기술 개발을 공동으로 수행 중이다. 또 원자력연구원과 공동으로 MMR 실증 플랜트 건설을 위한 기본설계에 참여하고 있다.


이처럼 원자력 수소생산기술 개발이 본격화하고 있는 가운데 원자력 수소가 미래 그린수소의 한 축이 될 수 있다는 목소리도 높아지고 있다. 


국내 원자력 분야의 대표적인 전문가인 주한규 서울대 원자핵공학과 교수는 지난 6월 ‘서울포럼 21’ 행사에서 “우리나라는 재생에너지 전기를 이용한 그린수소 생산 기술개발에 집중하고 있지만 재생에너지보다 발전원가가 저렴한 원자력 전기로 수소를 생산하는 방식을 병행해야 경제성을 높일 수 있다”라며 “특히 기존 대형 원자로보다 안전성이 높고 수요지 인근에 건설해 수소를 생산할 수 있는 소형모듈원자로(SMR)를 주목해야 하고, 수소생산을 주목적으로 하는 원자로로 초고온가스로형 SMR이 적합하다”고 밝혔다.       


제프리 로스웰 터너 해리스 수석연구원도 ‘서울포럼 21’ 행사에서 “재생에너지는 탄소 배출이 적지만 간헐성 문제가 있어 수소생산이 불안정하고 경제성도 떨어진다”라며 “원자력은 발전 시간에 제약이 없고 탄소 배출량이 가장 낮은 에너지원으로 원전과 재생에너지를 함께 활용하는 것이 그린수소를 확보하는 가장 효율적인 방식”이라고 강조했다. 


조창근 한국원자력연구원 책임연구원은 “국내의 경우 2030년까지 부생수소와 천연가스 추출수소가 국내 수요를 충당하겠지만 2030년 이후부터는 원전 이용 수소생산・활용도 이뤄질 것으로 기대하고 있다”라며 “지속적인 기술개발을 통해 2035~2040년부터 수소생산에 적합한 고온가스로 기반 수소생산 기술도 상용화될 것으로 전망된다”고 밝혔다. 


한편 프랑스 의회과학기술선택평가처는 지난 5월 18일 ‘수소생산 방법 보고서’를 발표하며, 저탄소 수소생산을 위해서는 원자력이 필요하다고 역설했다. 


해당 보고서는 화석연료 사용 시 탄소 포집・활용・저장(CCUS) 기술이나 재생에너지와 원자력 기반 전력을 이용한 물 분해 기술을 활용하면 수소생산 중 탄소 배출을 감축할 수 있다고 밝혔다.





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