[이슈 따라잡기] SMR, 잠수함 원자로, 토륨원전은 어떻게 다른가

이재명 대통령의 핵잠함 연료 공급 요청
중국의 토륨 사용 원자로 실험 성공 발표
AI로 치솟는 수요가 부른 SMR 개발 붐
실용화엔 시간 걸리고 규제 마련도 필요
‘핵에너지의 귀환’ 거버넌스로 풀어야

지난달 말 경주에서 열린 아시아태평양경제협력체(APEC) 정상회의에서 이재명 대통령은 도널드 트럼프 미국 대통령에게 핵추진 잠수함용 핵연료 공급을 공개적으로 요청했다. 트럼프 대통령은 하루 뒤 소셜네트워크서비스(SNS)를 통해 “한국의 핵추진 잠수함 건조를 승인한다"며 “한·미 군사동맹은 어느 때보다 강력하다"고 밝혔다.

중국은 최근 내륙 사막 지역인 간쑤성 우웨이에 토륨 용융염 원자로(TMSR) 실험로를 완공해, 세계 최초의 토륨 기반 고온 실험에 성공했다고 발표했다. 석탄 중심 구조를 탈피하기 위한 '핵의 전환'이다.

이런 가운데 생성형 인공지능의 연산량이 기하급수적으로 늘면서, 전 세계 데이터센터 전력소비가 산업 전력의 새로운 변수로 떠올랐다. 국제에너지기구(IEA)는 2025년이면 데이터센터가 세계 전력의 4%를 사용할 것으로 전망한다. 이에 맞춰 한국과 미국·영국·일본 등은 소형모듈원자로(SMR)를 차세대 전력 공급원으로 검토하고 있다.

이처럼 잠수함 원자로와 SMR, 토륨 원자로가 언론을 통해 계속 언급되고 있는데, 기존 대형원전과 비교하면 이들은 기술적으로 어떤 차이가 있을까, 언제쯤 실용화될까 궁금증을 자아낸다. 국내외 학술 자료를 중심으로 살펴본다.

◇ 대형 원전 — 안정적이지만, 유연하지 않다

한국의 상업용 원전은 대부분 가압경수로형(PWR)으로, 1000메가와트(MWe) 이상의 전력을 생산할 수 있다. 우라늄-235의 농축도를 3~5% 수준으로 높인 저농축 우라늄(LEU)을 원료로 사용한다.

대형 원전은 기저부하 전력 생산에는 유리하지만, 건설비가 수조 원에 이르고 공정 기간은 7년 이상 걸린다. 냉각수 확보를 위해 바다나 강 인근에 지어야 하고, 전력망이 부족한 지역에는 적용하기 어렵다.

또한 '규모의 경제'라는 장점이 오히려 유연성을 떨어뜨린다. 태양광·풍력 같은 간헐적 재생에너지가 늘어나는 상황에서, 출력 조정이 어려운 대형 원전은 전력 수급 균형을 맞추기 힘들 수도 있다. 이 때문에 세계 원자력 시장의 중심은 점차 '소형화·분산화'로 이동하고 있다.

◇핵잠수함 원자로 — 고농축 연료 사용, 군사기술의 상징

핵잠수함 원자로는 냉전 시기의 군사 경쟁 속에서 탄생했다. 1955년 미 해군의 핵잠수함 USS 노틸러스에 탑재된 가압수형 원자로는 오늘날 SMR의 원형이기도 하다.

핵잠 원자로의 핵심은 연료다. 미 해군은 우라늄-235 농축도를 93~97%까지 높인 고농축 우라늄(HEU)을 사용한다. 이 덕분에 10~15년간 연료 공급 없이 작전이 가능하다. 러시아의 쇄빙 화물선 세브모르푸트(Sevmorput) 역시 90% 농축 우라늄-지르코늄 합금 연료를 사용해 15년 이상 운항한다. 반면 민간용 원자로는 핵확산 방지를 위해 20% 이하의 농축 연료만 허용된다.

핵잠 원자로는 강력한 충격 내성과 방사선 차폐를 갖춘다. 100톤 이상의 납과 철을 사용해 선체를 보호하며, 충돌·진동·고온·고압 등 극한 환경에서도 운전이 가능해야 한다.

그러나 이러한 기술을 민간으로 전용하기 위해서는 막대한 비용과 국제 협정 개정이 필요하다. 현재 한미 원자력협정은 '평화적 이용'만 허용하고 있어, 군사적 전용에는 별도의 승인 절차가 필요하다.

핵잠의 도입은 분명 군사력 강화를 상징하지만, 동시에 핵비확산 체제의 균열, 중국의 반발, 핵연료 재처리권 문제 등 복합적 리스크를 안고 있다.

트럼프 대통령의 승인 언급으로 한국은 세계 여덟 번째 핵잠 보유국이 될 가능성을 열었지만, 그만큼 국제사회의 비확산 논란에도 직면했다. 중국 외교부는 “한·미 양국은 핵 비확산 체제를 실질적으로 이행해야 한다"고 견제하고 있다.

◇SMR — 공장에서 만드는 원자로, 유연한 전력망의 대안?

SMR은 대형 원전의 단점을 극복하기 위해 '작고 똑똑한 원전'이란 컨셉트를 달고 등장했다. 출력은 10~300MWe 수준으로, 공장에서 모듈을 제작해 현장에서 조립하는 개념이다.

공정 단축과 비용 절감이 가능하고, 도서나 산업단지 등 소규모 지역 전력 수요에 맞춰 배치할 수 있다. SMR의 설계는 대부분 기존 경수로를 기반으로 하지만, 냉각 방식은 다양하다. 가압수형(PWR), 가스냉각형, 액체금속냉각형, 용융염냉각형 등 4세대 원자로(Gen-IV) 기술이 병행되고 있다.

연료는 주로 LEU이지만, 일부 설계에서는 HALEU(고순도 저농축 우라늄, 5~20%)을 채택하고 있다. 이는 고농축 연료보다 확산 위험이 적으면서도 긴 연료 주기와 높은 효율을 제공한다.

미국의 테라파워(TerraPower)의 나트리움(Natrium)과 엑스에너지(X-energy)의 'Xe-100', 한국의 '스마트(SMART)'가 대표 사례다.

SMR의 가장 큰 장점은 안전성이다. 기존 대형 원전이 냉각 펌프와 외부 전력에 의존했다면, SMR은 전원이 끊겨도 자연 순환으로 냉각이 유지되는 '수동형 안전 시스템(passive safety)'을 갖췄다. 미국 누스케일(NuScale)의 설계는 냉각수가 끓으면 자동으로 증기가 빠져나가 열을 식히는 구조로, 후쿠시마 같은 정전 사고를 막을 수 있다.

그러나 현실적 제약도 크다. SMR은 소형화로 건설비를 줄이지만, 전력 단가(MWh당 비용)는 대형 원전보다 높다. 누스케일의 UAMPS 프로젝트는 초기 예산 60억 달러에서 90억 달러로 불어나며 결국 취소됐다.

게다가 SMR도 사용후핵연료를 생산하기 때문에, '폐기물 없는 원전'은 아니다. 규제당국의 기준도 국가마다 달라 국제 표준화가 쉽지 않다.

AI 산업의 전력 수요를 SMR로 감당하겠다는 계획이 속속 등장하지만, 경제성과 수용성 면에서 '꿈의 원전'이 되기까지는 넘어야 할 산이 많다.

◇토륨 원전 — 폐기물과 위험을 줄일 수 있을까

토륨(Th-232)은 우라늄보다 세 배 이상 풍부한 자원으로, 중성자를 흡수해 우라늄(U)-233으로 변환되면 핵분열을 일으킨다. 이 과정에서 플루토늄 등 무기용 핵물질이 거의 생성되지 않아 핵확산 위험이 낮고, 폐기물의 반감기가 짧아 수백 년 내 안정화된다.

특히 용융염 원자로(MSR) 형태의 토륨 발전은 내재적 안전성이 높다. 연료가 액체 상태로 냉각재(염)와 섞여 있어 폭주 반응이 어렵다. 온도가 높아지면 자동으로 바닥의 '프리즈 플러그(freeze plug)'가 녹아 연료가 외부 탱크로 흘러나와 반응이 멈춘다.

냉각에 물이 필요 없으므로 사막이나 내륙 지역에도 설치 가능하다. 중국은 2024년 고비사막 인근에서 2메가와트급 토륨 실험로(TMSR-LF1)를 완공해 가동에 성공했다. 다만, 이는 '개념 증명(proof-of-concept)' 수준이다. 토륨-우라늄 변환 효율이 낮고, 고온 염의 부식 문제와 U-233 분리기술의 안전성이 완전히 검증되지 않았다.

전문가들은 상용화까지 10~15년 이상 걸릴 것으로 본다. 인도와 노르웨이, 캐나다 등도 토륨 연구를 진행하고 있지만, 아직 상업용 전력망에 연결된 사례는 없다.

◇ 기술의 진화 뒤에 남은 질문들

이처럼 원자력 기술은 다양화되고 있고 기술개발을 둘러싼 경쟁도 뜨겁지만, 관련 전문가들은 먼저 풀어야 할 숙제도 많다고 지적한다.

첫째, 경제성이다. 대형 원전은 규모의 경제로 단가를 낮추지만, SMR은 아직 그 단계에 도달하지 못했다. 둘째, 규제체계 부재다. SMR이나 토륨 원전은 설계가 국가마다 달라 안전 심사 표준화가 어렵고, 핵잠 원자로는 군사기술로 분류돼 국제투명성 확보가 쉽지 않다.

셋째, 사회적 신뢰 문제다. 후쿠시마 이후 국민 인식은 여전히 부정적이며, 방폐장 건설 등 현안이 정치적 갈등으로 이어지고 있다. 에너지 안보와 기후 대응이라는 명분이 충분하더라도, '안전'과 '신뢰' 없이는 원자력의 부활은 공허한 구호에 그칠 수 있다.

AI 산업이 전력을 집어삼키고, 기후위기가 에너지 전환을 재촉하는 시대에 원자력의 부활은 불가피한 측면이 있다. 하지만 '작다고 안전한 것은 아니며', '새롭다고 쉬운 것도 아니다'. 핵잠은 외교적 리스크를 안고, SMR은 비용과 기술 검증의 한계에 직면해 있다. 토륨 원전은 잠재력은 크지만 아직 실험실의 기술이다.

이 모든 기술은 미래의 대안일 수 있지만, 현재의 해답은 아니다. 기술 낙관이 아닌 투명한 거버넌스, 국제 협력, 폐기물 관리 체계가 뒷받침되지 않는다면 '핵의 귀환'은 에너지 위기를 푸는 열쇠가 되지 못할 수도 있다.

강찬수 기후환경 전문기자 kcs25@ekn.kr