원자력발전소 연료와 차세대 원자력 발전 (SMR)

원자력발전소 연료 : 기존에서 차세대까지

1. 서론

원자력발전소의 연료는 발전소의 효율성, 안전성, 경제성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요소입니다. 본 보고서는 기존 원전에서 사용되는 연료부터 차세대 원전 및 SMR(소형모듈원자로)에서 주목받는 첨단 연료까지, 주요 연료의 종류와 특징을 일목요연하게 정리합니다.

 

2. 기존 원자력발전소 연료

2.1 저농축 우라늄(LEU, Low Enriched Uranium)

•  대부분의 상용 원자력발전소(경수로)에서 사용
• 우라늄-235의 함량이 3~5%로 농축된 형태
• 핵분열을 통해 열을 발생시키고, 이를 이용해 전기를 생산

2.2 천연우라늄

• 중수로형 원전(예: CANDU)에서 사용
• 우라늄-235의 함량이 약 0.7%로, 별도의 농축 과정 없이 사용

2.3 혼합 산화물 연료(MOX, Mixed Oxide Fuel)

• 사용후핵연료에서 추출한 플루토늄과 우라늄을 혼합
• 자원 활용 극대화와 폐기물 저감에 기여
• 일부 상용 원전 및 고속로에서 사용

 

3. SMR 및 차세대 원전 연료

3.1 고순도 저농축 우라늄(HALEU, High-Assay Low Enriched Uranium)

• 우라늄-235의 함량이 5~20%로 기존 LEU보다 높음
• 차세대 SMR 및 첨단 원자로에서 핵심 연료로 부상
• 동일한 연료량으로 더 많은 전력 생산 및 폐기물 저감 효과

3.2 플루토늄 및 사용후핵연료 재활용

·         고속증식로(Fast Breeder Reactor) 등에서 사용

·         사용후핵연료 내 플루토늄, 초우라늄(TRU) 등도 연료로 재활용

·         폐기물 문제 해결과 자원 순환에 기여

3.3 토륨(Thorium) 연료

·         토륨-232는 자연계에 풍부, 원자로 내에서 우라늄-233으로 변환되어 연료로 사용

·         핵폐기물 및 핵무기 전용 위험이 낮고, 자원 확보가 용이

3.4 첨단 연료 소재

• 탄화물, 질화물, 금속 합금 연료 등 고온·고속로용 첨단 연료 개발 중
• 기존 산화물 연료 대비 내구성, 열전도성, 효율성 우수

3.5 TRISO 및 용융염 연료

• RISO(삼중 구조 피복 입자) 연료: 초고온가스로(VHTR) 등에서 사용, 내열성·안전성 뛰어남
• 용융염 연료: 연료를 용융된 염 형태로 사용, 연료 교체 용이·안전성 우수

3.6 차세대 연료의 특징 및 기대효과

• 안전성: 사고저항성연료(ATF) 등은 극한 상황에서도 견딜 수 있는 내구성 제공
• 효율성: 고농축·첨단 연료는 동일한 연료량으로 더 많은 전력 생산 가능
• 자원 활용: 사용후핵연료, 플루토늄, 토륨 등 다양한 원소의 활용으로 자원 순환 확대
• 폐기물 저감: 고속로, MOX, HALEU 등은 핵폐기물 발생량을 줄이고, 장기 저장 부담 완화

기존 원자력발전소는 주로 저농축 우라늄(LEU)과 천연우라늄을 사용해왔으나, 자원 활용 극대화와 안전성, 환경성 향상을 위해 MOX, HALEU, 플루토늄, 토륨, 첨단 소재 연료(TRISO, 용융염 등)로 연료의 다양화가 진행되고 있습니다. 이러한 차세대 연료는 원자력발전의 지속 가능성과 미래 경쟁력을 높이는 핵심 기술로 평가받고 있습니다.

 

원자력발전소 연료 관련 주요 기업 정리

1. 기존 원전 연료(저농축 우라늄, MOX 등)

1) 한전원자력연료(KEPCO NF) [국내]

• 국내 유일의 원자력연료 설계·제조·서비스 전문 기업
• 40여 년간 국내 원전(26기)에 연료를 전량 공급
• 고성능 연료(HIPER), 사고저항성연료 등 차세대 원자력연료 기술도 개발 중

2) Centrus Energy [미국]

• 저농축 우라늄(LEU), 고순도 저농축 우라늄(HALEU) 등 핵연료 공급
• SMR 및 첨단 원자로용 연료 개발과 공급

3) Orano [프랑스]

• 플루토늄 재처리 및 MOX(혼합산화물) 연료 생산의 글로벌 리더
• 사용후핵연료 재활용 기술 보유

 

2. 차세대 원전 연료 (HALEU, TRISO, 용융염 등)

1) Centrus Energy [미국]

• HALEU(고순도 저농축 우라늄) 생산의 선도 기업
• SMR 및 차세대 원자로용 연료 공급

2) BWX Technologies [미국]

• HALEU, TRISO 등 첨단 핵연료 개발
• 미국 정부 및 민간에 첨단 연료 공급

3) Lightbridge Corporation [미국]

• 첨단 금속 연료 및 차세대 원자로 연료 기술 개발

4) X-Energy [미국]

• 고온가스로 기반 SMR 및 TRISO(삼중 구조 피복 입자) 연료 개발
• TRISO 연료는 1,800℃ 이상에서도 안정성 유지, 차세대 원전용으로 주목

5) Seaborg Technologies [덴마크]

• 용융염 원자로(CMSR) 및 용융염 연료 개발
• 한수원, 삼성중공업과 해상부유식 용융염 원전 프로젝트 추진

 

차세대 원전 SMR

3. 국내 기업별 투자 및 협력 현황

기업명	주요 투자/협력 내용	추진 방향 및 목표
두산에너빌리티	- 미국 뉴스케일파워에 약 2,000억 원 규모 지분 투자 - SMR 주기기 제작 및 글로벌 파운드리 구축 추진	- 연간 20기 SMR 제작 역량 확보 - 글로벌 공급망 진출 - 수소/담수 등 신사업 확대
삼성물산	- 뉴스케일파워에 7,000만 달러 지분 투자 - 루마니아 원자력공사와 전략적 협력	- 글로벌 SMR 시장 건설 및 EPC 사업 확대 - 기자재 공급 및 운영 참여
현대건설	- 미국 홀텍사와 SMR 공동개발 협력 - EPC 역량 강화	- 해외 SMR 플랜트 건설 - 사업 동반 진출
SK그룹	- 미국 테라파워에 약 3,000억 원 투자 - 동남아시아 SMR 상용화 협력	- 테라파워 SFR(소듐고속로) 기술 도입 - 한국형 SMR 개발 및 시장 확대
GS에너지	- 뉴스케일파워에 투자 참여 - SMR 발전소 건설 및 운영 협력	- SMR 발전소 운영 및 기자재 공급
DL이앤씨	- 미국 엑스에너지, 캐나다 테레스트리얼에너지, 노르웨이 노르스크원자력 등과 협력	- SMR EPC, 유지·운영 등 전주기 경쟁력 확보 - 글로벌 시장 진출
대우건설	- SMR 전담팀 운영	- SMR 시장 진출 준비
삼성중공업	- 덴마크 Seaborg와 해양발전용 용융염 SMR 개발 협력	- 해양플랜트 및 친환경 선박용 SMR 개발

 

2. 주요 참여 형태별 기업 및 역할

1) 연구개발 및 원천기술 확보

• 한국원자력연구원: 용융염 원자로 등 차세대 SMR 원천기술 개발을 국가연구개발사업으로 진행 중. 혁신형 SMR(i-SMR), SMART 원전 등 국산 SMR 모델 개발 주도.
• 한전기술: 혁신형 SMR 기술개발사업단 참여, SMR 설계 및 상용화 모델 개발, 해외(르완다 등)와 기술 협력.

2) 설계·제작 및 기자재 공급

• 두산에너빌리티: 미국 뉴스케일파워(NuScale Power)와 협력하여 SMR 제작 기술 확보, SMR 전용 공장 신축, 글로벌 기자재 공급망 구축, SMART 원전 기자재 설계·공급. SMR 파운드리 계
• 현대건설: 미국 홀텍 인터내셔널과 SMR-160 상세설계 협력, 글로벌 SMR 프로젝트 참여.
• 삼성물산: 미국 뉴스케일파워(NuScale Power)에 지분을 투자하고, 인력 교류 및 기술 협력을 진행 중
• DL이앤씨: 미국 엑스에너지(X-energy)와 협력, ‘Xe-100’ 모델 기반 SMR 플랜트 사업 추진, 설계·조달·시공(EPC) 및 운영·유지보수 역량 확보.
• 일진파워: 원자력 플랜트 정비, 기자재 제조, SMR 관련 설비 기술력 축적.

3) 건설 및 시공

• 삼성물산: 글로벌 SMR 프로젝트(루마니아 등) 투자 및 건설, 해외 원전 시장 진출 확대.
• 현대건설: SMR 설계·시공, 글로벌 시장에서 다양한 환경에 적합한 SMR 건설 역량 강화.

4) 투자 및 글로벌 협력

• SK그룹(SK㈜, SK이노베이션): 미국 테라파워(TerraPower)에 대규모 투자, 기술 협력 및 아시아 SMR 사업 진출 모색.
• 두산에너빌리티: 테라파워와의 협력으로 기자재 공급 및 글로벌 공급망 진입 타진

5) 운영·정비 및 서비스

• 한전KPS: SMR 개발 및 글로벌 사업 추진, 엑스에너지·DL이앤씨와 협력하여 SMR 운영·정비 서비스 제공.
• 우리기술: SMART 원전 사업화, i-SMR 개발 참여, 원전 감시·제어 시스템 기술 보유