한국전력기술, SMR에서 가스터빈 적용 가능성 연구 공개
가업경수로 기반 SMR 배기열 결합시 발전효율 50%까지 껑충
재생에너지 변동성 보완할 ‘출력 추종’ 능력 능동 제어 가능
950℃ 초고온가스로 연계시 화석연료 없는 무탄소 복합발전 구현
▲2016 부산 국제 원자력산업전에서 외국인 관람객들이 한국원자력연구원이 개발한 스마트(SMART) 원자로 모형을 살펴보고 있다. 사진=연합뉴스
탄소중립 정책 본격화로 원자력이 청정 무탄소 전원으로 급부상한 가운데, 소형모듈원자로(SMR)의 구조적 한계를 가스터빈으로 극복하는 '원전 복합발전' 기술 개발이 속도를 내고 있다. 가압경수로(PWR) 기반 SMR의 고질적인 효율 저하 문제를 해결하는 동시에, 재생에너지의 아킬레스건인 변동성을 보완할 핵심 카드로 주목받는다.
1일 원전 업계에 따르면 가압경수로 기반 SMR은 증기 조건이 약 290~320℃, 4~7 MPa 수준에 갇혀 있어 증기터빈 말단부의 습분 발생과 그에 따른 사이클 효율 저하를 피하기 어려운 한계를 지녀왔다.
최근 재생에너지 확대로 급격한 출력 조정을 요구하는 '출력 추종(Load following)' 압박이 커졌으나, 원자로 출력을 강제로 조절하는 방식은 핵연료 건전성 측면에서 제약이 컸다.
원전 업계가 내놓은 돌파구는 원자력 발전 계통에 가스터빈(브레이턴 사이클)과 배열회수보일러(HRSG)를 결합하는 방식이다. 가스터빈 가동 시 배출되는 500~650℃ 수준의 배기가스 열을 HRSG로 회수해 SMR 증기 계통에 공급하는 구조다. 이 기술을 적용하면 추가적인 핵연료 소비 없이도 주증기 온도를 610℃까지 끌어올릴 수 있다.
연구 결과에 따르면 기존 33.4% 수준이던 PWR 기반 SMR의 발전 효율은 최소 45%에서 최적화 시 최대 50%까지 수직 상승하는 것으로 확인됐다.
가스터빈 출력을 미세 조정하는 방식으로 원자로에 무리를 주지 않고도 전력망 부하를 능동적으로 제어할 수 있다는 점도 강점이다.
궁극의 무탄소 모델로는 고온가스로(HTGR) 기반 SMR이 거론된다.
미국의 GT-MHR, 일본의 GTHTR300, 중국의 HTR-PM 등은 입자형 TRISO 핵연료를 통해 950℃ 수준의 초고온 헬륨을 생산한다.이 초고온 가스가 화석연료 가스터빈의 연소기 역할을 대체해 직접 브레이턴 사이클을 구동하면, 화석연료를 쓰지 않고도 50% 내외의 고효율을 달성할 수 있다.
발전 후 남은 고온의 열은 수소 생산이나 공정 열 공급 등 다목적 복합 이용(Co-generation)이 가능해 산업계 탄소중립의 마스터키로 꼽힌다. 현재 개발 중인 한국형 i-SMR 모델 역시 가스터빈 연계 시 발전소 효율과 제어 성능이 대폭 향상될 것으로 기대된다.
다만 천연가스 등 화석연료 의존도를 낮추기 위해 헬륨(He)이나 이산화탄소(CO₂) 등 비화석 작동유체를 기반으로 하는 상업용 가스터빈 모델 개발이 시급하다는 지적이다.
원전 업계 관계자는 “기후변화 대응과 AI 산업 생태계 변화로 폭발적인 전력 수요가 예상되는 상황"이라며 “주증기 온도가 제한된 증기터빈의 성능 증대와 가스터빈의 융합이 성공적으로 안착할 경우, 한국형 SMR이 글로벌 무탄소 에너지 시장에서 독보적인 경제성과 경쟁력을 확보하게 될 것"이라고 강조했다.
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