260507 Rabobank - The great electrification: Nuclear energy in the changing power system

변화하는 전력 시스템 속 원자력 에너지

유럽의 대전력화는 대륙의 에너지 시스템을 크게 재편하고 있다. 시리즈의 첫 번째 글에서 설명했듯이, 전환은 더 이상 단지 기후 목표만으로 추진되지 않는다. 경쟁력을 강화하고 화석연료 수입 의존도를 줄이려는 전략적 필요성이 핵심 동인이 되고 있다. 수요의 전력화, 재생에너지 발전 확대, 그리고 전력망 업그레이드는 이제 더 깨끗하고, 더 저렴하며, 더 자율적인 에너지 시스템 구축의 핵심 축이 되고 있다.

요약

• 2040년 이전에 신규 대형 원자로가 가동될 가능성은 거의 없으며, 따라서 원자력 발전량은 거의 전적으로 기존 원전과 수명 연장 여부에 달려 있다.

• 시나리오 분석에 따르면 원자력 발전량은 정체되거나 소폭 감소하며, 수명 연장이 실현되지 않을 경우 약 500TWh 수준까지 감소할 가능성이 있다.

• 소형모듈원자로(SMR)는 공급망, 규제, 금융 제약으로 인해 2040년 이전에는 의미 있는 규모로 확대되지 못할 것이다.

• 유럽의 전력 시스템이 변동성 재생에너지 중심으로 전환됨에 따라, 원자력의 안정적인 출력은 시스템 제약을 받게 된다. 이는 신뢰성 측면에서는 가치가 있지만, 잔여 수요의 가장 낮은 구간에 제한되며 재생에너지 중심 전력망이 요구하는 유연성을 제공할 수 없다.

원자력은 현재 EU 전력의 23%(650TWh)를 공급하고 있지만, 미래 역할은 노후화된 자산, 높은 비용, 긴 건설 기간에 의해 점점 더 크게 좌우되고 있다.

이러한 변화하는 환경 속에서 원자력은 독특하면서도 논쟁적인 위치를 차지하고 있다. 현재 원자력은 EU 전력의 거의 4분의 1을 공급하며 안정적인 저탄소 전력원 역할을 한다. 그러나 유럽의 전력 시스템은 변동성 재생에너지, 유연한 소비, 분산형 인프라 중심으로 진화하고 있다. 이는 근본적인 질문을 제기한다. 원자력은 이러한 시스템에 얼마나 잘 부합하는가? 그리고 유럽의 대전력화에 현실적으로 어떤 기여를 할 수 있는가?

이 장에서는 원자력의 기본 원리와 경제성, 유럽 기존 원전의 노후화, 긴 건설 기간과 시스템 통합 제약이 신규 원전 확대를 제한하는 이유를 분석한다. 또한 다양한 에너지 시스템 시나리오와 프로젝트 기반 전망을 활용해 2040년까지 원자력이 어디로 향할 가능성이 가장 높은지 살펴본다.

원자력 발전의 기본 원리

현재 에너지 시스템에서 원자력이 작동하는 방식

원자로는 지속적인 핵 연쇄 반응을 개시하고 제어함으로써 에너지를 생산한다. 핵분열에서 발생한 열은 증기를 만들고, 이 증기가 터빈을 돌려 전기를 생산한다. 다른 화력발전소와 마찬가지로 열을 전력으로 전환하지만, 에너지원이 화석연료가 아니라 원자핵이라는 점이 다르다. 이 과정에는 연소가 없기 때문에 생애주기 탄소 배출량이 매우 낮다.

전력 시스템에서 원자력을 차별화하는 요소는 원자로 노심의 물리와 엔지니어링이다. 원자로는 매우 높은 전력 밀도로 운전되며, 연료 교체 없이 12~18개월 동안 가동되고, 일반적으로 85~90% 이상의 높은 이용률을 제공한다. 이러한 특징은 원전이 잦은 기동·정지나 빠른 출력 조정보다는 장기간의 연속 생산에 최적화되어 설계되었음을 의미한다. 역사적으로 이는 원자력을 안정적인 기저부하 전원으로 적합하게 만들었고, 계절과 시간대에 걸쳐 안정적인 전력을 공급할 수 있게 했다.

다른 안정형 전원은 다르게 작동한다. 가스복합발전은 빠르게 출력 조정이 가능하며 중간부하나 피크부하 역할을 유연하게 수행할 수 있지만, 경제성은 연료비와 가격 변동성에 의해 좌우된다. 수력발전은 높은 급전 가능성을 가질 수 있으나 저수지 수위, 계절별 유입량, 생태적 제약에 영향을 받는다. 반면 원자력은 한계비용은 낮지만 연속 운전에서 벗어날 경우 기술적·경제적 비용이 크다. 출력 증감은 제한된 범위 내에서만 가능하며 효율 저하와 설비 마모를 수반한다. 이러한 제한된 조정 능력은 재생에너지 비중이 확대되면서 더욱 중요해지고 있다. 풍력과 태양광 중심 시스템은 잔여부하 변화에 대응해 빠르게 출력을 조절할 수 있는 자산을 필요로 하기 때문이다.

현재 운영 중인 원자로 유형

현재 운영 중인 가장 일반적인 원자로는 경수로(LWR)이며, 일반 물을 냉각재이자 감속재로 사용한다. 평균적인 경수로는 약 1,100MW 규모의 발전 용량을 가진다. 이 범주에는 두 가지 주요 유형이 있다. 가압경수로(PWR)와 비등경수로(BWR)다. PWR은 물을 고압 상태로 유지해 끓지 않도록 한 뒤, 열교환기를 통해 별도의 회로에서 증기를 생성한다. BWR은 원자로 내부에서 물이 직접 끓도록 하여 생성된 증기를 바로 터빈으로 보낸다. 이러한 설계가 현재 EU 원전의 거의 전부를 차지한다.

Figure 1: 가압경수로와 비등경수로는 현재 EU 원전의 거의 전체를 구성한다.

SMR: 상업적 현실의 경계에 놓인 약속

현재 원전 대부분은 검증된 기술에 의존하고 있지만, 다양한 차세대 원자로 개념이 개발 중이며 장기적으로는 배치 옵션을 바꿀 수 있다. 소형모듈원자로(SMR)는 이러한 차세대 개념 중 하나다.

SMR은 일반적으로 모듈당 최대 300MWe를 생산하는 원자로로, 모듈화·공장 기반 건설을 목표로 설계되어 더 예측 가능하고 빠른 공급과 양산을 통한 비용 절감 가능성을 제공한다. 더 작은 규모, 강화된 고유·수동 안전성, 유연한 배치 모델이 기존 기가와트급 원자로와의 차별점이다. 다양한 기술 유형이 존재하며, 상당수는 기존 원자로 원리를 기반으로 한다.

SMR은 안정적이고 저탄소 전력을 제공하는 동시에 산업 열, 수소, 지역난방 공급까지 가능할 수 있다. 유럽 SMR 산업 연합에 따르면, SMR은 퇴역 화석연료 발전소를 대체할 수 있으며, 토지 및 냉각수 요구량이 적어 입지 유연성을 높일 수 있다. 이러한 특성은 탈탄소 에너지 시스템에서 SMR의 잠재적 역할에 대한 광범위한 관심을 끌고 있다.

그러나 현재 SMR 배치는 유럽뿐 아니라 전 세계적으로 상당한 장벽에 직면해 있다. 여기에는 다음이 포함된다.

• 경제성: 표준화되고 반복 가능한 프로젝트를 통한 규모의 경제가 필요하다. 그러나 현재 제안된 프로젝트들의 비용은 실제 건설 시작 시점에 가까워질수록 자주 두 배까지 상승하고 있다. EU 내에는 20개 이상의 서로 다른 SMR 설계안이 존재한다.

• 기술 성숙도: 많은 프로젝트가 기술성숙도(TRL) 6~8 수준까지 진전되었지만, 아직 완전한 상업적 수준(TRL 9)에서 검증되지 않았다.

• 규제 분절화: 유럽 각국의 상이한 규제를 모두 충족해야 하는 상황은 SMR 경제성의 핵심인 표준화 자체를 훼손한다.

• 공급망 준비 부족: 유럽은 현재 특수 부품, 숙련 인력, 제조 역량을 포함해 연속적인 SMR 생산을 지원할 수 있는 원자력 공급망을 갖추지 못하고 있다. 연료 공급 역시 심각한 문제이며 현재 중국과 러시아에 사실상 집중되어 있다.

• 금융: 다른 최초 상용화 프로젝트와 마찬가지로 SMR은 긴 개발 기간, 막대한 초기 자본, 예측 가능한 규제 필요성 때문에 높은 위험으로 인식된다. 위험 완화 메커니즘 구축에는 조정과 시간이 필요하다.

2030년대 초반은 SMR의 결정적 시기가 될 것이다. 실증 프로젝트, 규제 조화 진전, 신뢰 가능한 금융 모델이 SMR의 본격 확장 가능성을 결정할 것이다. 핵심 질문은 SMR이 대형 원전보다 더 빠르고 비용 효율적으로 배치될 수 있는지, 그리고 산업 클러스터 공급 같은 새로운 비즈니스 모델을 충족할 수 있는지 여부다.

이러한 조건이 충족되지 않는다면 SMR은 개조된 대형 원전이나 비원자력 저탄소 대안과 경쟁하기 어려울 수 있다. 조건이 충족된다면 SMR은 유럽 저탄소 시스템의 가치 있는 일부가 될 수 있지만, 그것은 우리 판단으로는 2040년 훨씬 이후의 이야기다.

유럽 원전의 현재 위치

유럽 원자력 산업은 1980년대 원전 붐 초기 이후 ...