▲이정익 KAIST 원자력및양자공학과 교수
소형모듈원자로(SMR) 기술은 에너지 분야에서 요즘 매우 뜨거운 주제 중의 하나이다. 높은 안전성을 바탕으로 전력이나 에너지 수요지 인근에서 바로 필요한 형태의 에너지를 원자력 에너지를 이용해 공급하는 SMR 기술은 미국을 필두로 여러 나라에서 개발 중이다. 우리나라도 혁신형 SMR이라는 기술을 개발하고 있으며, 우리나라의 11차 전력수급기본계획에도 2035년에 SMR을 이용해 전력을 공급할 수 있게 반영됐다.
SMR은 태생적으로 유연전원으로서의 역할을 할 수 있어야 하며 거기에 적합하게 개발되고 있다. 부하추종 능력은 우리나라에서 개발 중인 혁신형 SMR의 경우 20%에서 100%까지 분당 5% 수준의 출력변화가 가능하며, 이는 현재 석탄화력발전소를 대체하기에 무리가 없다. 하지만 간헐성이 있는 재생에너지가 증가하고 에너지 수요와 공급의 불일치가 더 빈번하게 발생하는 미래에는 충분하지 않다.
이런 미래를 대비하는 사례로 빌게이츠 설립회사인 TerraPower에서 개발한 Natrium SMR이 있다. 이 SMR은 올해에 미국에서 건설인허가를 받았는데, 우리나라에서 개발 중인 혁신형 SMR보다 두 배 가까이 빠른 분당 10% 출력변화가 가능하며, 출력변화도 30%에서 150%까지 가능하다.
이런 급격하면서도 광범위한 출력변화가 가능한 이유는 Natrium 원자로는 에너지저장 장치를 원자로와 발전기 사이에 가지고 있기 때문이다. 특히 Natrium 원자로는 에너지저장을 전기로 하는 것이 아니라 원자로의 열을 저장하기 때문에 원자로의 안전성과 운전성을 함께 높이는 새로운 기술을 개발했다.
우리나라에서 개발 중인 혁신형 SMR을 비롯해 앞으로 건설될 대형 원자력 발전소도 원자로 노심의 출력만으로 미래 전력시장에서 충분한 유연성을 확보하는 것은 어려울 수 있다. 원자로는 제어봉을 이용한 부하추종 운전을 실시할 경우 혁신형 SMR과 같이 분당 수 % 정도의 운전만 가능하며, 부하추종 운전을 시행할 때마다 원자력발전소의 기기 교체 시기가 앞당겨져서 경제성에 부정적인 영향을 준다. 따라서 에너지저장장치, 특히 열이나 기계적 에너지를 저장하는 설비와 원자력발전소를 연계하는 기술 개발이 원자력의 무탄소 유연전원 역할을 위해서는 특히 더 필요하다.
현재 혁신형 SMR이나 대형 원자력발전소에 액화공기 에너지저장 기술을 연계하는 방법은 이런 문제에 적합한 솔루션이다. 이 기술은 전력시장에서 에너지가 과잉 공급될 경우 SMR에서 만들어진 증기로 발전을 하지 않고 별도의 증기터빈을 이용해 액화공기 생산을 통해 에너지를 저장한다. 이 기술의 장점은 다시 전력시장에 전력을 공급할 때 저온 가스터빈 기술을 사용하기 때문에 응답속도가 분당 10% 이상으로 매우 빠른 응답속도를 기대할 수 있다는 점이다.
현재의 SMR도 전력거래소의 자동제어에 의한 출력조절이 원자로 운전과 관련된 안전법 때문에 할 수 없다. 그러나 이 기술은 그것을 가능하게 바꾸어 준다. 즉, 원자로 출력변화 없이 생산된 증기를 이용해 액화공기 에너지저장 장치가 원자로 대신 부하변동에 대응하기 때문에 전력거래소의 자동제어가 가능해진다. 이는 무탄소 에너지의 중요한 축인 원자력에너지의 자동제어가 가능해짐을 의미한다.
필요는 발명의 어머니라는 말이 있다. 무탄소 유연전원이 시장에서 점점 필요해지는 시점에 원자력과 같은 경직성 전원도 새로운 에너지 기술과 접목해 가스터빈 수준의 유연전원으로 변모가 가능하다. 이런 기술은 우리나라에서 처음 제안됐으며 앞으로 더 적극적인 개발을 통해 상용화까지 갈 수 있게 하였으면 하는 바램이다.
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