원전 파운드리로 거듭나는 두산에너리빌리티 l 빅테크와 빌 게이츠가 열광하는 SMR이 도대체 뭐길래? l 임채영 한국원자력연구원 본부장

https://youtu.be/lVu9d8rkCdI

 

* SMR(소형 모듈 원자로)이 차세대 에너지 게임 체인저로 떠오른 이유는 무엇인가요?

SMR은 대형 원전보다 투자 규모가 1조~2조 원으로 작고 건설 기간도 3~5년으로 짧아 민간 투자자에게 매력적이며, 소형화와 모듈화를 통해 안전성을 높이고 건설 비용과 기간을 단축할 수 있기 때문 입니다

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* SMR의 소형화와 모듈화가 가져오는 구체적인 장점은 무엇인가요?

• 소형화: 열밀도가 낮고 총 열 발생량이 적어 안전 확보가 용이하며, 제한 구역 설정이 크게 필요 없어 입지 선정이 수월합니다.
• 모듈화: 공장에서 대부분 제작하여 현지에서 조립만 하면 되므로 건설 기간 단축 및 품질 관리가 용이하며, 반복 생산 시 원가 절감 효과가 극대화됩니다.

 

AI 시대의 폭발적인 전력 수요를 해결할 차세대 에너지원, SMR(소형 모듈 원전)의 모든 것을 파헤칩니다. 빌 게이츠와 빅테크 기업들이 왜 SMR에 열광하는지, 그리고 두산에너빌리티가 SMR 파운드리로서 어떻게 글로벌 에너지 판도를 바꾸는 게임 체인저로 부상하는지 그 배경을 심층적으로 분석합니다. 대형 원전과 차별화되는 SMR의 안전성과 모듈화의 경제성은 물론, 우라늄 공급망 위기를 기회로 바꾸는 전략적 통찰까지, 미래 에너지 시장의 핵심 동력을 이해하고 싶은 분들에게 이 콘텐츠는 명확한 해답을 제시할 것입니다.

 

1. SMR(소형 모듈 원전)의 부상 배경 및 시장 동향

 

1.1. AI 시대의 전력 수요 폭증과 SMR의 역할

1. 한미 정상회담에서의 원전 사업 논의: 한미 정상회담에서 체결된 M(양해각서) 중 4건이 원전 사업 관련 내용이었으며, 최대 6GW 규모의 SMR 건설 계획이 포함되었다.
2. 빅테크 기업들의 SMR 투자 확대:
   1. 미국의 빅테크 기업들이 SMR 기업들을 쇼핑하듯이 투자하고 있다.
   2. 오픈 AI는 오클로, 아마존은 X 에너지, 마이크로소프트와 빌 게이츠는 직접 회사를 설립하여 SMR 기술 개발에 투자하고 있다.
   3. 메타를 제외한 대부분의 빅테크 기업들이 SMR 기업과 협력 중이다.
   4. 이러한 빅테크 기업들의 투자는 SMR 시장의 초기 동력으로 작용할 것으로 예상된다.
3. 데이터 센터의 안정적 전력 수요와 SMR의 필요성:
   1. 데이터 센터는 1년 365일 24시간 안정적인 서비스 제공을 위해 매우 안정적인 전력이 필요하다.
   2. 사회적으로 탄소 배출이 없는 무탄소 전기를 요구하고 있어, SMR이 거의 유일한 해결책으로 판단되고 있다.
   3. 빅테크 기업들은 SMR 기업을 선정하여 기술 개발을 지원하고 투자하고 있다.
4. SMR 프로젝트 성공의 중요성:
   1. SMR 시장의 핵심은 누가 먼저 첫 번째 프로젝트를 성공적으로 완성하느냐에 달려 있다.
   2. 예정된 기간 내에 원자로를 건설하고, 안정적인 전력 공급 및 추정 비용 범위 내에서 프로젝트가 완성됨을 보여주면 다른 기업들도 해당 SMR을 선택할 것이다.
5. 전력 수요 증가 전망:
   1. 국제 에너지 기구(IEA) 사무총장은 세계 에너지 시장이 '전기 시대'로 진입하며 향후 10년간 에너지 수요가 6배 빠르게 증가할 것이라고 전망했다.
   2. 데이터 센터 전력 소비량:
      1. 2024년 전 세계 데이터 센터 전력 소비량은 415 테라와트시(TWh)로, 이는 한국 전체 전력 판매량(549 TWh)의 약 76%에 해당한다.
      2. 2030년에는 데이터 센터 전력 수요가 945 TWh까지 약 두 배증가할 것으로 전망되며, 이는 한국 2024년 전력 소비량의 1.7배에 달한다.
   3. 전력 소비가 매우 빠른 속도로 증가하고 있다.

 

1.2. 에너지 안보와 SMR의 부상

1. 에너지 안보 경쟁 돌입: 전 세계적으로 에너지 안보 경쟁이 심화되고 있다.
2. 원자력의 재부각 배경:
   1. 탄소 중립을 위해 태양광, 풍력 등 재생 에너지가 확대되었으나, 재생 에너지의 변동성 문제가 존재한다.
   2. 재생 에너지의 변동성을 보완하기 위해 가스 발전소가 주목받았으나, 러시아-우크라이나 전쟁을 통해 가스 공급의 불안정성이 드러났다.
   3. 재생 에너지와 가스 발전의 조합으로는 탄소 중립과 에너지 안보를 동시에 달성하기 어렵다는 인식이 확산되면서 원자력이 불가피한 선택으로 재부각되었다.
3. 대형 원전의 한계:
   1. 대형 원전 프로젝트는 투자비가 약 10조 원규모이고 건설 기간도 약 10년이 소요되어 투자 위험이 매우 크다.
   2. 미국을 제외한 대부분의 국가에서 대형 원전 사업은 국가 주도로 이루어졌으며, 민간 투자는 어려웠다.
4. SMR의 투자 매력:
   1. SMR은 대형 원전과 달리 투자 규모가 1조~2조 원수준이고 건설 기간도 3~5년으로 짧아 투자자 입장에서 훨씬 매력적인 상품이다.
   2. 전 세계적으로 민간 업체들이 SMR 시장을 주도하고 있으며, 미래 에너지 시장에서 SMR이 중요한 역할을 할 것으로 판단하고 있다.

 

2. SMR의 개념 및 기술적 특징

 

2.1. SMR의 소형화 및 모듈화 장점

1. 소형화의 장점:
   1. 안전성 확보 용이: 원자로를 작게 만들면 안전성 구현이 훨씬 쉽다.
      1. 원자력 발전소 사고는 뜨겁게 달궈진 핵연료를 식히지 못할 때 발생한다.
      2. SMR은 열밀도가 낮고 총 열 발생량이 적어 훨씬 쉬운 방법으로 안전을 확보할 수 있다.
      3. 대형 원전과 달리 SMR은 전기가 끊겨 펌프가 작동하지 못해도 대류 현상이나 중력 등 자연 현상을 활용하여 원자로를 안전하게 식힐 수 있다.
   2. 부지 선정 용이: 안전성이 높아지면서 대형 원전처럼 넓은 제한 구역을 설정할 필요가 없어 입지 찾기가 훨씬 수월해졌다.
2. 모듈화의 장점:
   1. 건설 효율성 증대: 기존 원전은 부품이 커서 현장에서 조립 및 용접해야 했지만, SMR은 공장에서 대부분 제작하여 현지에서 조립만 하면 된다.
   2. 원가 절감 및 품질 관리:
      1. 모듈화는 반복 생산 및 대량 생산 시 장점이 극대화된다.
      2. 두산에너빌리티와 같은 제작업체는 여러 개의 주문을 한꺼번에 받으면 시행착오 비용을 분산하여 제작 원가를 낮출 수 있다.
      3. SMR은 한꺼번에 50~100개 건설 주문도 가능하여 원가 절감이 분명하며, 장기적으로 대형 원전보다 저렴해질 가능성이 있다.

 

2.2. SMR의 세대 구분 및 냉각 방식

1. SMR 세대 구분:
   1. 3세대 또는 3.5세대 SMR: 기존 대형 원전과 같이 물을 냉각제로 사용하는 원자로를 의미한다.
      1. 가장 익숙하고 입증된 기술을 활용하여 짧은 시간 내 상용화가 가능하며, 규제 인허가 및 개발이 수월하다.
   2. 4세대 SMR: 물이 아닌 새로운 냉각제를 사용하는 원자로를 의미한다.
      1. 물을 냉각제로 사용하는 원자로의 한계:
         1. 원자로 내 물은 끓으면 안 되므로, 압력을 높여 300~320℃까지만 온도를 올릴 수 있다.
         2. 열역학적으로 온도가 높을수록 열 효율이 좋지만, 물 냉각제는 이러한 한계를 가진다.
      2. 새로운 냉각제:
         1. 액체 소듐(나트륨): 100℃ 이하에서 액체로 변하는 금속으로 냉각제로 사용될 수 있다.
         2. 헬륨: 기체 상태의 헬륨을 냉각제로 사용할 수 있다.
         3. 용융염: 소금을 녹인 것과 같은 용융염을 냉각제로 사용할 수 있다.
      3. 4세대 SMR은 이러한 독특한 냉각제를 사용하여 더 높은 성능과 기능을 구현한다.
2. SMR의 기계적 구조 구분:
   1. 일체형 SMR: 물을 사용하는 원자로의 모든 기기를 하나의 통 안에 넣어 놓은 형태이다.
      1. 뉴스케일(77MW), 스마트(110MW), i-SMR(170MW) 등이 이에 속한다.
      2. 장점: 원자력 발전소의 가장 심각한 사고인 배관 파손 위험이 없어 안전성이 매우 뛰어나다.
      3. 단점: 제작이 복잡하고 출력을 높이는 데 한계가 있어 200MW 이상으로 넘어가기 어렵다.
      4. 중장기적으로는 원가 절감 및 공기 단축에 유리하여 바람직한 방향으로 평가된다.
   2. 루프 타입 SMR: 기존 대형 원전처럼 주기기들을 배관으로 연결시켜 놓은 형태이다.
      1. 주로 300MW급 SMR에서 사용된다.
      2. 기존 기술을 최대한 활용하고 빠른 설계 인증을 목표로 하는 기업들이 선택하는 방식이다.
      3. 단기적으로는 각광받을 수 있다.

 

3. 두산에너빌리티의 SMR 파운드리 입지 강화 및 한국의 전략적 기회

 

3.1. 뉴스케일 SMR 수주와 두산에너빌리티의 역할

1. 뉴스케일 SMR의 상징성:
   1. 뉴스케일은 미국 SMR 시장에서 최초로 미국 원자력 안전 규제 기관(NRC)으로부터 표준 설계 인가를 받은 상징적인 회사이다.
   2. 이는 뉴스케일 SMR이 안전하다는 평가를 받았음을 의미하며, 상용화에 매우 유리한 입지를 차지하게 되었다.
2. 두산에너빌리티의 투자 및 수주:
   1. 두산에너빌리티는 뉴스케일에 대표적으로 투자한 한국 기업이다.
   2. 최대 6GW규모의 SMR 건설 계약은 뉴스케일 모듈(77MW) 기준으로 70개의 SMR을 건설하는 규모이다.
   3. 두산에너빌리티의 연간 모듈 생산량(약 20개)을 고려할 때, 이는 수년간의 물량을 한꺼번에 확보하는 매우 큰 프로젝트이다.
3. 한미 원전 동맹의 상징적 의미:
   1. 이번 계약은 한미 원전 동맹 관점에서도 매우 상징적인 의미를 가진다.
   2. 두산에너빌리티는 이 사업의 성공적인 진행을 통해 SMR 파운드리로서의 입지를 명확히 굳힐 수 있는 중요한 전환점에 도달하게 되었다.
   3. 과거 미국 기술에 종속적이었던 관계에서 SMR 시장에서는 대등하게 협력하는 관계로 발전했음을 보여주는 중요한 사업이다.

 

3.2. IP 리스크 해소 및 미국 시장 진출 전략

1. IP 이슈의 배경:
   1. 한국 표준형 원전 및 APR1400은 1980년대 미국 컨버스천 엔지니어링사의 기술을 기반으로 개발되었다.
   2. 이후 컨버스천 엔지니어링사가 웨스팅하우스에 인수합병되면서 모든 IP 권리가 웨스팅하우스로 넘어갔다.
   3. 웨스팅하우스는 한국 원전이 미국 기술에 뿌리를 두고 있으므로 대가를 지불해야 한다고 주장하며, 이는 한국 수출의 발목을 잡아왔다.
2. 한수원과 웨스팅하우스의 합작 논의:
   1. 조인트 벤처(합작 회사) 설립 논의는 IP 이슈를 해결하고 미국 시장 진출을 위한 좋은 전략적 선택이 될 수 있다.
   2. 윈-윈(Win-Win) 환경 조성:
      1. 양사가 보유한 IP를 한 회사에 모아 IP 논쟁을 없앨 수 있다.
      2. 한국 기업은 진입 장벽이 높은 미국 원자력 시장에 진출할 수 있는 입구를 확보하게 된다.
      3. 웨스팅하우스의 미국 내 네트워크, 인허가 경험과 한국의 원자력 시공 능력, 기기 제작 능력이 결합되면 시너지를 낼 수 있다.
3. 협상 전략:
   1. 웨스팅하우스의 AP1000 원자로 건설 시 국내 기업의 기여도를 높이고, 이익 배분에서 유리한 조건을 확보하는 협상이 필요하다.
   2. 미국 정부와 웨스팅하우스는 2030년까지 미국 내 대형 원전 10기 건설 계획을 가지고 있다.
   3. 한국은 웨스팅하우스 원자로 5기, 한국의 APR1400 원자로 5기 건설을 제안하는 등 협상 여지가 있다.
   4. APR1400은 UAE에서 성공적인 트랙 레코드를 보유하고 있으며, 웨스팅하우스의 AP1000은 미국 시장에서 건설 비용 및 기간 초과로 좋지 않은 경험이 있다.
4. 한국 SMR 기술의 IP 자유로움:
   1. 한국이 개발한 SMR 기술(스마트, i-SMR)은 대형 원전에 비해 IP 부담이 적다.
   2. i-SMR은 스마트에서 출발했으며, 스마트는 초기 러시아의 도움을 받았으나 이후 독자적으로 개발된 원자로이므로 웨스팅하우스의 IP로부터 자유롭다.

 

3.3. 4세대 SMR 프로젝트 참여 및 우라늄 공급망 확보 전략

1. 아마존 4세대 SMR 프로젝트 참여의 의미:
   1. 아마존 웹서비스(AWS)와 X 에너지가 추진하는 5GW급4세대 SMR 프로젝트 및 텍사스 AI 캠퍼스 프로젝트에 한국 기업이 참여할 예정이다.
   2. 이는 AI 데이터 센터의 막대한 전력 수요를 위한 SMR을 처음으로 실증하는 프로젝트이다.
   3. 기술 실증 및 공급망 검증:
      1. 미국 기업 주도 프로젝트에 참여하여 한국은 트랙 레코드를 확보할 수 있다.
      2. 두산에너빌리티가 만든 4세대 SMR 주기기가 미국 규제 기관의 인허가를 받으면 안전성이 검증된다.
      3. 한국의 원자력 공급망이 대형 원전뿐만 아니라 SMR, 심지어 4세대 SMR에서도 세계적인 수준임을 입증하는 중요한 레퍼런스가 된다.
   4. 새로운 비즈니스 모델 경험:
      1. 대부분 정부 주도였던 기존 원자력 프로젝트와 달리, 이 프로젝트는 순수 민간 주도 사업이다.
      2. 사업 리스크 관리 및 다양한 사업 방식 경험은 한국에 중요한 자산이 될 것이다.
      3. 텍사스 AI 프로젝트는 SMR뿐만 아니라 재생 에너지, 가스 발전소, ESS 등을 융합한 하이브리드 캠퍼스 프로젝트로, SMR의 융합 작동을 보여주는 중요한 기회가 된다.
   5. 아직 상용화된 SMR이 없는 상황에서, 타국에서 한국 기술을 실험해 보는 것은 좋은 기회가 될 수 있다.
2. 우라늄 공급망 위기와 기회:
   1. 우라늄 농축의 필요성:
      1. 자연 우라늄(우라늄 235)의 농축도는 0.7%이며, 대형 원전에는 5%까지 농축된 우라늄이 사용된다.
      2. SMR은 개발 목적에 따라 상업적 최대 한도인 20%까지 농축된 우라늄(해일류, HALEU)을 사용하기도 한다.
   2. 러시아의 해일류 독점: 현재 전 세계적으로 해일류를 상업적 규모로 제공할 수 있는 나라는 러시아밖에 없다.
      1. 다른 농축 기술 보유국들도 해일류 시장이 없었기 때문에 관련 설비를 준비하지 못했다.
      2. 이는 원자로를 개발해도 핵연료가 없어 가동하지 못하는 문제로 이어진다.
   3. 서방 세계의 공급망 구축 노력:
      1. 미국을 중심으로 서방 국가들은 러시아로부터 독립적인 해일류 공급망 구축을 위해 노력하고 있으며, 한국도 동참하고 있다.
      2. 미국 에너지부는 센트러스(Centrus)사에 투자하여 새로운 농축 기술을 개발 중이며, 상당한 규모의 기술 실증을 완료했다.
      3. 센트러스는 수년 내에 상용 규모( 약 6톤)의 해일류 생산 공장을 건설할 계획이며, 한국의 한수원, 포스코인터내셔널 등이 투자 논의 중이다.
   4. 해일류 이슈가 한국에 주는 기회:
      1. 전 세계적으로 해일류 농축 설비가 부족한 상황에서, 한국도 직접 국내에 농축 시설을 건설하여 해일류를 생산할 수 있다고 주장할 수 있다.
      2. 과거 한국은 핵무기 전용 위험 때문에 농축 및 재처리 기술이 국제적으로 통제되었다.
      3. 20%이상의 고농축 우라늄은 핵무기 제조에 사용될 수 있어 상업적 유통이 제한된다.
      4. 한국은 상업적 관점과 우라늄 공급망 안보 확보 측면에서 농축 시설 건설을 주장할 수 있다.
      5. 한국은 이미 20~30개 가까운 원전을 가동할 예정이므로, 우라늄의 안정적인 확보는 매우 중요한 과제이다.
      6. 사용후 핵연료 재처리를 통해 얻는 플루토늄 등은 해일류 대신 4세대 SMR에 사용될 수 있는 대체 물질이 될 수 있다.
      7. 이러한 주장을 통해 농축 및 재처리 기술과 권한을 확보할 수 있는 좋은 기회가 될 수 있다.

 

4. 글로벌 SMR 시장 경쟁 구도 및 한국의 전략

1. SMR 상업화 선두 국가:
   1. 상업적으로 가장 앞서 있는 나라는 중국과 러시아이다.
   2. 중국:
      1. 원자력 기술 발전 및 투자가 매우 활발하다.
      2. 대형 원전 약 30기를 동시에 건설 중이며, 5년 내 미국을 제치고 세계에서 가장 많은 원전을 운영하는 국가가 될 것이다.
      3. 4세대 SMR인 가스형 원자로를 이미 완공하여 가동 중이다.
      4. 2021년 가동 시작, 2023년 상업 운전을 시작하여 이미 경험을 쌓고 있다.
2. 한국 원자력 시장의 기회:
   1. 원자력 기술은 일반 기술과 달리, 미국이나 유럽 시장에서 중국과 러시아의 원전 공급이 매우 어렵다.
   2. 중국과 러시아를 제외하면 한국이 기술력 면에서 거의 선두에 있다.
   3. 따라서 한국의 대형 원전 및 SMR은 미국과 유럽 시장에서 충분한 기회를 가질 수 있다.
3. 미래 SMR 생태계 구축 전략:
   1. 국내 역량 강화: 국내에서 원자력 기술 개발 및 산업 활동을 지속할 수 있어야 한다.
   2. 국가 주도 육성: 과거 러시아, 중국, 한국처럼 국가가 주도하여 원자력 산업을 꾸준히 육성하는 기조가 유지되어야 한다.
   3. 내수 산업과 해외 수출 병행: 국내 건설 및 운영을 통한 내수 산업을 기반으로, 그 기술과 트랙 레코드를 활용한 해외 수출을 병행해야 한다.
   4. 이러한 전략을 통해 한국 원자력 산업은 조선이나 반도체처럼 새로운 수출 효자 산업으로 성장할 수 있다.