혁신형 SMR 설계특성 및 재생에너지와 SMR 조화 기반 Smart Net-zero City

2.1 글로벌 에너지 패러다임의 전환

21세기 AI 산업 경쟁의 중심축이 빠르게 이동하고 있다. 과거 반도체, 알고리즘, 데이터로 대표되던 AI 경쟁이 이제는 에너지 확보 경쟁으로 전환되고 있다. AI 산업의 폭발적 성장과 함께 데이터센터의 전력소비는 도시 전체 수준을 넘어섰다. 2010년대 중반 GPU 기반 AI 학습이 확산되면서 데이터센터 규모는 면적이 아니라 전력용량(MW, GW)으로 정의되기 시작했다. OpenAI, Google, Microsoft 등 빅 테크들은 이미 5~7 GW급의 초대형 AI 데이터센터를 추진하고 있다. 이는 단일 산업시설로서 전례 없는 규모로 AI 데이터센터만 전체 전력의 8% 이상을 차지할 것으로 예측되고 있다. 이러한 변화는 단순한 에너지 수요 증가가 아니라, 산업 전체의 경쟁력이 안정적 에너지 확보에 좌우된다는 것을 의미한다.

이제 AI 경쟁의 본질은 반도체·알고리즘 성능이 아니라, 누가 안정적이고 무탄소 전력을 대규모로 공급할 수 있는가의 문제로 귀결되고 있다. 이는 곧 “AI 경쟁 = 에너지 경쟁”이라는 등식으로 정리될 수 있다. 또한, 산업, 운송, 주거, 농업 등 다방면의 전기화로 인해 전력수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 미 에너지부 산하 National Energy Technology Laboratory가 전망하고 조사한 결과^[5]에 따르면, 2050년을 기점으로 세계 인구증가는 정체기로 접어드는 반면, 에너지 수요는 지속적으로 급격히 증가할 것으로 예상되고 있다. 인류의 풍족하고 편리한 삶과 산업 경쟁력 향상을 위해 에너지 소비는 지속적으로 증가한다는 것이다.

이렇듯 안정적 에너지 확보는 국가 산업발전의 필수조건이 되었다. 재생에너지는 전력생산의 간헐성, 효율성 등 구조적 문제를 갖고 있어, 이의 확대로 만으로는 폭증하는 에너지 수요에 대응이 어려울 것으로 판단된다. 재생에너지의 근원적 한계를 합리적으로 보완하여 재생에너지의 안정적 확대에 기여할 수 있는 에너지원으로 원자력, 특히 SMR이 주목받고 있다.

2023년 제28회 유엔기후변화협약 당사국 총회에서 미국, 유럽, 한국 등 22개국이 탄소중립 실현을 위해 2050년까지 원자력 용량을 3배 확대하기로 선언하였다. 또한, 2024년 원자력 정상회의에서는 EU 등 38개국이 원전 확대 이행 선언을 하였다. 2024년 9월에는 뱅크오브아메리카, 골드만삭스 등 14개의 글로벌 메이저 금융기관들이 원자력 확대에 대한 지지 및 금융지원 선언하였다. 미국과 유럽을 중심으로 정부 차원의 원자력 분야 각 종 지원 정책들도 이어지고 있다.

또한, AI 경쟁의 중심에 있는 미국의 빅 테크들도 원자력에 직·간접적인 투자가 이어지고 있다. Google, Microsoft 등은 재생에너지 활용 확대를 주도한 기업들이지만 AI 경쟁이 에너지 경쟁으로 전환되면서 원자력 활용을 적극 추진하고 있다. 2014년부터 RE100 캠페인을 주도해 온 국제적인 비영리 단체인 The Climate Group는 RE100을 보완하는 24/7 CFE 캠페인을 발표하고, 세계 각 국 정부 및 기업들의 동참을 위한 다양한 활동을 진행하고 있다.^[6] 24/7 CFE는 UN이 제시하고 주도하는 캠페인으로 원자력을 포함하기 때문에 RE100을 이끌어온 The Climate Group도 원자력의 필요성을 인정한 것이라 볼 수 있다. 화석연료를 배제한 재생에너지와 원자력 조화 기반의 SMART Energy Mix의 필요성이 전 세계적으로 높아지고 있다.

2.2 SMR의 활용 가능성과 기대효과

원자력, 특히 SMR은 AI 패권 전쟁 심화, 산업 전반의 전기화 확대로 급증하는 전력수요 대응과 더불어 화석연료 대체의 가장 합리적인 수단으로 인정받고 있어 글로벌 시장의 폭발적 성장이 예상된다.^[7] 글로벌 SMR 시장 선점과 점유율 확대를 위해 세계적으로 100종 이상의 SMR 모델이 개발되고 있고, 사업화 경쟁이 심화되고 있다. 해외 주요국 들은 정부 및 국회 차원의 정책·예산 측면의 지원을 통해 글로벌 SMR 시장 선점을 위해 노력 중이다.

SMR은 일반적으로 핵분열 반응에서 나오는 에너지를 활용하여 열과 전기를 생산할 수 있는 전기출력 300 ㎿e 이하의 원자로를 일컫는다.^[8] SMR은 모듈식 제조 공정 및 공장 생산의 이점과 함께 이동성, 용량 확장성을 고려하여 설계된다. 모듈형 제작/건설 방식, 혁신제조 기술의 전면 적용 등으로 건설공기 단축 및 단일 프로젝트 당 투자 비용 감소 등의 이점으로 인해 대형 원전의 단점인 투자 리스크를 크게 완화할 수 있다.

또한, 수소생산, 담수화 및 공정열 생산 등 다목적 활용성이 높아, 탈탄소 달성이 어려운 부문으로의 친환경 에너지 공급이 가능하여 탄소배출 저감 효과도 높다. 또한, 다수의 SMR 노형은 출력 증발 및 감발, 운전시간 및 정지시간 특성에 있어 석탄 및 LNG 발전과 유사한 부분이 많다. 이러한 기능적 유사점들로 인해 SMR이 석탄 및 LNG 발전소를 효과적 대체하고, 재생에너지의 안정적 확대를 통해 탄소중립 가속화를 기여할 수 있다.

안전성에 있어서는 혁신적 안전 기술인 완전 피동 안전설계, 일체형 설계 등을 전면 적용하여 획기적으로 향상되어 높은 공공 수용성이 기대된다. 또한, 산업단지 등의 수요지 인근에 건설로 대규모 송전망 건설이 요구되지 않으며, 전력 생산 이외에 다목적 활용으로 에너지 생산 효율성을 높일 수 있다. 이는 분산형 에너지원으로서의 활용도가 높아지는 것이다. 이러한 SMR의 특성을 고려하여 2024년도에 국회를 통과한 분산에너지 활성화 특별법에도 SMR이 포함되었다.^[9] 재생에너지와 SMR 조화를 통해 경제적인 친환경 에너지 생산 및 안정적인 공급으로 산업경쟁력 강화에 기여할 것이라 판단된다.

2.3 SMR Smart Net-zero City 모델

급격한 도시화와 디지털 전환은 도시의 구조와 기능을 근본적으로 변화시키고 있다. 교통, 에너지, 환경, 주거, 복지 등 다양한 문제가 복합적으로 얽혀있어 기존의 행정 중심적 도시관리 방식으로는 효율적 대응이 어렵다. 이에 따라 데이터와 첨단기술을 기반으로 도시의 운영 효율성과 시민의 삶의 질을 동시에 향상시키는 스마트 시티의 필요성이 높아지고 수요도 증가하고 있다.^[10]

스마트시티에 대한 수요는 단순한 기술적 혁신을 넘어, 지속가능한 도시 생태계 구축이라는 시대적 과제에서 비롯된다. 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터 등 4차 산업혁명 기술의 발전은 도시 인프라를 실시간으로 모니터링하고 최적화 할 수 있는 기반을 제공한다, 하지만, 이러한 기술적 진보만으로는 도시의 에너지·환경 문제를 근본적으로 해결하기 어렵다. 결국 스마트시티의 지속가능발전을 위해서는 에너지 공급의 안정성과 친환경성을 동시에 확보해야 한다.

이러한 배경에서 재생에너지와 SMR의 조화 기반 친환경 스마트 에너지 믹스가 중요하다고 할 수 있다. 두 친환경 에너지원이 상호보완적 결합을 통해 스마트시티의 에너지 자립성과 친환경성을 동시에 달성하는 것이 SMR 스마트넷제로시티(SSNC)의 비전이다. SSNC는 에너지 관제의 최적화로 도시가 필요로 하는 모든 종류의 친환경 에너지를 경제적인 비용으로 공급함으로써 지속가능한 도시 발전과 탄소중립을 동시에 실현하게 만드는 새로운 도시의 패러다임이다.

3.1 구조 및 통합형 시스템 구성

i-SMR은 모든 주요 1차 계통 기기를 Fig. 2 처럼 하나의 Reactor Pressure Vessel(RPV) 내에 통합하였다. 증기발생기(Helical Once-Through Type), 냉각재펌프(Vertical Canned Motor RCP), 제어봉구동장치(IV-CRDM) 가 용기 내부에 배치되어 대구경 배관이 완전히 사라졌다. 통합 일체형 설계는 냉각재 누설경로를 물리적으로 차단하고 계통 부피를 감소시켜 열수력 안정성을 향상시킨다. 증기발생기는 나선형 전열관으로 이루어진 구조로서 전열면적당 체적비가 기존 U-관형보다 20% 이상 크며, 증기 품질의 균일성과 응답속도를 보장한다. 냉각재펌프는 축동부가 없는 캔드모터 일체형으로, 냉각재 누설 위험이 없고 윤활계통이 불필요하다.

Fig. 2.

Structural configuration and coolant flow path of the i-SMR

3.2 노심 및 연료 설계

i-SMR의 노심은 69개의 17×17 연료집합체로 구성되며, 농축도 5 wt% 이하의 UO₂ 연료를 사용한다. 무붕산 운전을 적용하여 냉각재의 화학적 안정성을 확보하고, 가연성 흡수봉을 이용해 장기 출력 평형을 유지함으로써 제어봉 조작이 단순화되고 냉각재 화학관리 비용이 크게 줄어든다. 또한 보론 희석사고 및 냉각재 응력부식균열(PWSCC) 위험을 근본적으로 제거하며, 음의 온도계수에 의한 자연 안정성이 향상된다. 연료는 가돌리늄이 첨가된 UO_₂로 구성되어 축·반경방향 출력 분포를 평탄화하고, 믹싱 베인 그리드를 통해 냉각수 혼합과 열적 여유도를 확보한다. 연료 연소도는 최대 62 GWd/MTU, 24개월 주기 운전을 기준으로 설계되어 효율성과 경제성을 동시에 높인다.

3.3 피동안전계통 및 열수력 거동

i-SMR은 외부 전원이나 운전원 개입 없이 장기간 냉각이 가능한 3중 완전피동 안전계통(PECCS, PAFS, PCCS) 을 적용하였다. 세 계통은 서로 다른 열전달 메커니즘을 통해 단계적으로 작동하며, 어떠한 비정상 상황에서도 안정적인 열 제거 기능을 유지한다.

먼저 PECCS는 증기압력 차와 중력에 의한 자율 순환 구조로 노심 초기 냉각을 담당한다. 냉각재 손실 사고 발생 시에도 자연주입이 이루어져 노심 열을 신속히 제거한다. PAFS는 이차측 증기발생기와 응축기를 이용해 증기–응축–중력 순환을 형성하며, 전원 상실 시에도 잔열을 지속적으로 방출한다. PCCS는 격납건물 외벽 열교환기를 통해 복사·대류 방식으로 열을 방출하고, 내부 수증기를 응축시켜 장기 냉각을 유지한다.

이 세 계통은 상호 보완적으로 작동하여, 외부 및 내부 비상전원 공급이 완전히 상실되더라도 72시간 이상 핵심 설비 냉각이 가능하며, 이후에도 장기 안정 상태를 유지할 수 있다. 이를 통해 i-SMR은 외부 전원 의존도가 0에 가까운 완전 피동형 열수력 안정성을 확보하였으며, 세계 최고 수준의 안전성(CDF ≤ 1×10^-9/yr)을 달성하도록 설계되었다.

Fig. 3.

Schematic diagram of the PAFS

3.4 탄력운전 성능 및 경제성

i-SMR은 Fig. 4와 같이 20~100% 출력 범위에서 5%/min 속도로 부하추종(load-following) 운전이 가능하여, 재생에너지 변동성에 효율적 대응을 통해 재생에너지의 안정적 확대에 기여할 수 있다. 기존 대형 원전이 정격 출력 근처의 완만한 조정만 가능했던 것과 달리, i-SMR은 10% 단위 출력 단계 변동과 급격한 램프(5%/min) 운전이 가능해, 태양광·풍력 발전의 간헐적 변동을 실시간으로 보정할 수 있다.

Fig. 4.

Operational flexibility and load-following capability of the i-SMR

이러한 성능은 무붕산 노심과 정밀 제어 가능한 냉각재 순환계통 덕분에 구현된다. 붕산 농도 변화 없이 가연성 흡수봉과 제어봉을 이용한 반응도 제어가 가능해, 화학적 지연 없이 즉각적인 출력 조절이 가능하다. 냉각재 유량과 증기발생기 압력, 터빈 제어밸브 개도를 통합적으로 제어함으로써, 부하변동 시에도 열수력적 안정성을 유지한다.

이를 통해 i-SMR은 단순한 발전소를 넘어 전력·수소·열의 융합적 에너지 허브로 기능하며, 재생에너지 출력 저하 시 즉시 보완하고, 잉여전력은 수전해 설비로 공급해 수소를 생산하거나 열저장 시스템으로 전환하여 전체 시스템의 효율을 극대화한다.

경제성 측면에서도 i-SMR은 모듈 단위 제작·조립(Modular Construction) 방식을 통해 건설 기간 단축 및 균등화 발전단가(LCOE) 약 65 $/MWh 수준을 목표로 한다.^[11] 이러한 경제성은 공장 제작률 향상, 현장 공정 단축, 표준화된 다중 모듈 통합제어 시스템 등을 통해 실현된다.

따라서 i-SMR은 탄소중립 시대의 유연한 전원(flexible baseload)으로서, 안정적 전력공급·경제성·재생에너지 연계 운전성을 모두 확보한 새로운 에너지 시스템 모델로 평가된다.

4.1 운영 개념 및 시스템 구성

SSNC는 재생에너지와 SMR의 조화를 통해 도시 단위에서 에너지의 자급자족과 탄소중립을 실현하는 지능형 에너지 시스템이다. 그 핵심은 특정 전원이나 단일 관리시스템이 아니라, 전력·열·수소 등 다양한 에너지원이 최적의 조합(Smart Energy Mix)으로 운영되도록 설계된 통합 관제 체계(Integrated Optimization Control)에 있다.

이 시스템은 기상 조건, 수요 패턴, 부하 변동, 전력 가격, 저장장치 상태 등 복합 데이터를 기반으로 도시 전체의 에너지 생산–저장–소비–전환을 실시간 최적화한다. SMR이 공급하는 안정적 전력과 태양광·풍력 등 간헐적 재생에너지를 조화시켜 필요 시에는 잉여 전력을 수전해 설비로 전송해 수소를 생산하고, 남는 폐열은 지역난방 및 산업열로 재활용하는 순환형 에너지 구조를 구현한다.

이러한 최적화 관제를 통해 SSNC는 발전 효율을 극대화하고, 에너지 낭비를 최소화하며, 도시 단위에서 전력망과 열망, 수소망이 하나의 생태계로 작동하는 고도화된 스마트 에너지 인프라를 실현한다.

4.2 에너지 흐름 구조 및 최적화 메커니즘

SSNC의 에너지 시스템은 생산(Generation), 저장(Storage), 전환(Conversion), 소비(Consumption)의 4단계 순환 구조로 구성되며, 각 단계가 독립적으로 작동하는 것이 아니라 Fig. 5와 같이 통합관제체계(Integrated Optimization Control) 를 통해 실시간으로 연결·조정된다. 즉, 모든 에너지 생산원과 수요원이 하나의 유기체처럼 반응하며, 전체 시스템이 최적 효율 상태를 유지하도록 제어된다.

Fig. 5.

SMR smart net-zero city concept

Fig. 6.

SSNC energy flow and optimization structure

첫째, 생산 단계에서는 SMR이 도시의 기저부하를 안정적으로 담당하고, 태양광·풍력 등 재생에너지가 부하 변동에 따라 출력이 자동 조정된다. 기상 조건이나 부하 패턴 변화에 대응하여 각 전원의 운전 상태가 즉시 갱신되며, 실시간 전력 균형이 유지된다.

둘째, 저장 단계에서는 재생에너지의 간헐적 과잉 전력을 에너지저장장치(ESS)에 저장하거나, 수전해 설비로 전송하여 수소 형태로 전환·축적한다. SMR에서 생산되는 열에너지 또한 축열 시스템에 저장되어, 이후 지역난방 또는 산업공정 열원으로 재활용된다. 이 단계는 재생에너지의 변동성을 완충하고, 도시 내 에너지 자립률을 높이는 핵심 기능을 수행한다.

셋째, 전환 단계에서는 저장된 에너지가 수요 조건에 따라 전력, 열, 수소 등으로 자유롭게 변환된다. 수소는 연료전지를 통해 다시 전력으로 재생산되거나, 산업·운송용 에너지원으로 활용되며, 축열된 열에너지는 냉·난방 부하나 지역 난방망을 통해 배분된다. 이 과정에서 관제 시스템은 각 에너지의 가격, 효율, 수요량을 비교 분석하여 가장 경제적이고 탄소배출이 적은 조합을 선택하도록 자동 운전한다.

마지막으로, 소비 단계에서는 생산·저장·전환을 거친 에너지가 도시의 주거·상업·산업·데이터센터 등 다양한 수요처에 공급된다. 부하 패턴, 시간대별 요금, 환경 조건 등이 지속적으로 관제 시스템에 피드백되어, 다음 운전 사이클의 최적 운전 조건이 즉시 갱신된다. 이 피드백 루프를 통해 SSNC는 예측제어 기반의 지속적 학습형 에너지 운영체계(Self-Optimizing Energy System)로 발전하게 된다.

결과적으로 SSNC의 에너지 흐름은 단순한 공급–소비의 선형 구조가 아니라, 도시 내 모든 에너지원이 상호 순환하며 최적화되는 순환형 에너지 생태계(Circular Energy Ecosystem)로 진화한다. 이 구조는 에너지 손실을 최소화하고, 재생에너지의 불안정성을 보완하며, 도시 단위의 완전한 에너지 자립과 탄소중립 실현을 가능하게 한다.

4.3 SSNC 구현을 위한 단계적 접근

SSNC의 실현은 단일 기술의 상용화가 아니라, 다양한 에너지원과 부하가 통합된 도시형 에너지 생태계가 기술적으로 구현 가능한지를 단계적으로 검증하는 과정으로 접근해야 한다. 따라서 기술 개발, 실증, 적용, 확산으로 이어지는 단계적 접근(Phased Approach)이 필수적이다. 특히, 이 과정은 현재 진행 중인 i-SMR 개발계획과 긴밀히 연계되어야 하며, i-SMR의 설계, 실증, 모듈화 개발단계에서 확보되는 데이터와 기술 성과를 SSNC 적용 모델에 반영하는 것이 중요하다.

1단계(기술 실증 단계) 에서는 i-SMR과 재생에너지, 에너지저장장치(ESS), 수전해 설비 간의 연계 운전성을 실증하고, 에너지 흐름 예측과 최적 제어를 위한 핵심 알고리즘을 개발한다. 이 단계의 목표는 i-SMR 개발단계에서 검증되는 열수력 안정성, 부하추종 제어 특성, 피동안전계통 성능 데이터를 활용하여 다중 에너지원이 하나의 통합 시스템으로 안정적으로 작동할 수 있음을 실증적으로 검증하는 것이다.

2단계(적용 검증 단계)에서는 i-SMR 실증 및 표준설계 완료 시점에 맞춰 산업단지나 소규모 스마트시티 등 실제 수요지 환경에 적용 모델을 구축한다.

이를 통해 부하 변동 대응성, 폐열 재활용, 수소 병행 생산 등 i-SMR 기반 에너지 믹스의 기술적·경제적 타당성을 평가하며, 도시 단위 에너지 균형 모델을 구체화한다.

3단계(확산 및 시스템화 단계)에서는 i-SMR의 상용모듈 개발 및 다중 모듈 운전 경험을 바탕으로SSNC의 통합 운영 플랫폼을 표준화하고, 지역별 수요 특성과 산업 구조를 고려한 적용 모델을 확장한다. 이 단계는 SMR–재생에너지–수소–열의 통합 시스템을 도시 전반으로 확산시킬 수 있는 기술적 기반을 마련함과 동시에, i-SMR 개발 성과가 실제 도시 에너지 생태계 구현으로 이어지는 기술–도시 연계 프레임워크를 완성하는 과정이다.

결국 SSNC의 단계적 접근은 단기적 사업화보다는 통합 운영 신뢰성, 에너지 최적화 기술, 실증 기반 모델의 재현성 확보에 중점을 둔 체계적 검증 과정이라 할 수 있다. 특히 i-SMR의 개발 일정(표준설계 승인, 실증부지 확보, 모듈화 제작 검증 등)과 병행함으로써 향후 도시·산업 단위의 에너지 자립형 시스템으로 확장될 수 있는 실질적 토대를 마련하게 된다.

SSNC 모델은 i-SMR을 출발점으로 하되, 장기적으로 고온가스로형(HTGR), 소듐고속냉각로(SFR), 용융염로(MSR) 등 4세대 SMR로의 확장을 통해 산업열·수소·담수화 등 다목적 활용성이 크게 확대될 것으로 기대된다. 이를 통해 SSNC는 차세대 원자로 기술 발전과 함께 진화하는 지속가능한 에너지 도시 플랫폼으로 발전할 것이다.