'임계 도달': 해운업, 원자력 현실화에 한 걸음 더 다가서다
"임계 도달(Going critical)": 이번 주 노르웨이의 NuProShip II 타당성 조사 작업과 곳곳에서 이어지는 일련의 소형 원자로 실증 사업을 통해, 오랫동안 논의되어 온 아이디어가 단기 엔지니어링 프로그램으로 전환되면서 해운업이 원자력 현실화에 한 걸음 더 다가섰습니다. 여기서 "임계 도달"이라는 문구는 이중적인 의미를 갖습니다. 원자로 물리학에서는 노심이 자립적인 핵분열 연쇄 반응을 달성하는 순간을 의미하며, 업계 약어로는 이제 실험실 수준의 설계와 개념 정의 단계에서 벗어나 프로토타입 제작, 자금 조달 및 선원 교육을 계획하는 프로젝트 단계로의 전환을 의미합니다. 최신 프로젝트 보고서, 정부 보조금 및 민간 협력 의향서 등은 해양 분야가 더 이상 원자력을 단순한 탈탄소화 판타지로만 이야기하지 않는다는 것을 시사합니다. 각 팀은 구체적인 원자로 선택, 변환 사이클 및 에너지 버퍼링 시스템을 테스트하고 있으며, 이를 통해 향후 수십 년 내에 설계 승인을 받고 건조 및 항해에 나설 수 있도록 준비하고 있습니다.
'임계 도달': 해운업, DP 선박 및 해양 작업 조준
NuProShip II 연구는 군용 방식의 가압경수로에서 벗어나 4세대 소형 모듈형 원자로(SMR)로 방향을 틀었으며, TRISO 입자 연료를 사용하는 헬륨 가스 냉각 노심과 초임계 이산화탄소(sCO2) 동력 사이클의 결합 등을 테스트했습니다. 엔지니어들에 따르면, 그 결과 공장에서 제작 가능한 소형 동력 변환 장치에 에너지를 공급할 수 있는 컴팩트한 고온 열원이 탄생했습니다. 원자로는 급격한 출력 조절보다는 일정하게 가동되는 특성이 있기 때문에, 이 개념은 '열 배터리(열 버퍼)'를 층층이 쌓아 기저 부하의 열을 흡수했다가 필요할 때 추진기에 서지를 전달하도록 설계되었습니다. 이를 통해 원자로의 제어 시스템을 안정적이고 단순하게 유지하면서도 선박이 DP2/DP3 중복성 및 즉각적인 응답 요구 사항을 충족할 수 있게 합니다.
엔지니어링 선택지: 헬륨 노심, TRISO 연료, sCO2 및 열 배터리
NuProShip II 및 유사한 연구에서의 기술적 선택은 의도적이며, 해군 원자로와 새로운 민간 SMR 분야 모두에서 얻은 교훈을 반영합니다. 헬륨 냉각 고온 가스로는 가압수에 비해 저압 운전이 가능하고 열효율이 높습니다. 핵분열 생성물을 가두는 세라믹 코팅 입자인 TRISO 연료는 사고 시나리오에서의 견고한 거동과 수동적 격리 특성 덕분에 선호됩니다. 초임계 이산화탄소 사이클은 증기 터빈보다 훨씬 작은 패키지로 열을 동력으로 변환하여, 상선 선체 내 장비 및 승무원 공간을 위한 갑판 아래 부피를 줄여줍니다.
업계는 얼마나 가까워졌나? 파일럿, 프로토타입 및 국가적 SMR 프로그램
현재 업계는 대량 보급 단계라기보다는 실증 및 초기 설계 검증 단계에 확고히 머물러 있습니다. NuProShip II는 개념 설계와 기술 로드맵을 도출했으며, 산업화 과제는 2026년부터 2034년까지 운영되는 SFI SAINT(Sustainable Applied and Industrialised Nuclear Technology)에 인계될 예정입니다. 이 센터는 공적 자금 9,600만 노르웨이 크로네(NOK)와 업계 투자금 2억 NOK를 지원받습니다. 이 자금은 기술적 개념을 프로토타입 하드웨어 제작, 공급망 형성 및 선원 교육으로 발전시키는 데 투입될 예정입니다. 타임라인이 유지된다면, 지지자들은 2030년대에 최초의 원자력 추진 해양 건설 선박의 기골 거치(keel-laying)가 이루어질 것으로 예상하고 있습니다.
해운업 외부에서도 해양 타임라인에 영향을 미치는 활발한 육상 및 군사 관련 파일럿 프로젝트들이 진행 중입니다. TerraPower의 Natrium, Kairos Power의 Hermes 및 Project Pele와 같은 기타 마이크로 원자로 프로젝트 등 미국의 첨단 SMR 프로젝트들이 실증 또는 인허가 단계를 거치고 있습니다. 이러한 프로젝트들은 두 가지 현실을 강조합니다. 즉, 규제 기관과 국가 연구소가 새로운 연료(고순도 저농축 우라늄, HALEU 포함)에 적응해야 한다는 점과, 민간 SMR 및 해상 변형 모델이 국제적으로 확산되려면 공급망과 농축 역량이 확장되어야 한다는 점입니다.
여전히 큰 과제로 남은 규제, 항만 및 보험 문제
기술은 문제의 한 축일 뿐입니다. 기존의 원자력 상선에 대한 국제 프레임워크는 수동적 안전 SMR, TRISO 연료 및 현대적 격리 개념이 등장하기 전인 1981년 코드에 머물러 있습니다. 이 코드는 현재 제안되고 있는 4세대 가스 냉각 및 공장 제작 개념에는 적합하지 않습니다. 상업적으로 운항하기 위해 원자력 상선은 서로 얽힌 장애물들을 해결해야 합니다. 즉, 입항을 위한 국제 조약 수준의 수용, 조화된 선급 규칙(DNV 등은 이미 설계 보증에 참여 중), 항만 비상 계획, 일반적인 선주책임상호보험(P&I) 범위를 넘어서는 책임 및 보험 체계, 그리고 선박이 검사되거나 정비될 지역 사회와 당국의 수용성 등입니다.
실질적인 질문으로는 선박 탑재 원자로를 어느 기관이 인허가할 것인가(국가 원자력 규제 기관, 기국, 또는 IMO 표준과 연계된 하이브리드 체제 중 어느 것인지), 여러 관할 구역을 통과하는 선박의 비상 계획 구역을 어떻게 정의할 것인가, 선박 퇴역 후 사용후 핵연료 및 방사성 폐기물을 어떻게 처리할 것인가 등이 있습니다. 이 모든 것들은 새로운 국제 협상을 필요로 합니다. 합의된 표준과 항만별 수용 없이는 원자력 상선이 기항할 수 있는 장소가 제한될 수 있으며, 이는 선주들에게 감당할 수 없는 상업적 리스크가 될 것입니다.
안전 프레임워크: '임계 도달'의 의미와 해상 원자로의 안전 확보 방법
원자로 물리학에서 "임계 도달"은 노심의 중성자 증배 계수가 1에 도달했음을 의미합니다. 즉, 각 핵분열이 평균적으로 또 다른 핵분열을 일으키는 중성자 한 개를 생성하여 연쇄 반응이 자립적으로 유지되는 상태입니다. 선박 설계자와 규제 기관에 있어 엔지니어링 목표는 임계 상태를 피하는 것이 아니라(이것이 원자로가 열을 생산하는 방식이므로), 모든 신뢰 가능한 시나리오 하에서 노심의 거동을 예측 가능하고 제어 가능하며 안전하게 만드는 수동적 및 공학적 시스템을 설계하는 것입니다.
현대적 SMR 개념은 수동적 안전을 강조합니다. 냉각재 상실 시 자연적으로 가동을 중단하거나 열을 소산시키는 물리학 및 재료 기술을 활용하고, 가혹한 조건에서도 방사능을 가두도록 설계된 TRISO와 같은 연료 형태를 결합합니다. 선박 탑재 설계에는 해군의 유산(컴팩트한 차폐, 구획화, 견고한 격리)과 해상의 중복성 관행이 추가됩니다. 그럼에도 불구하고, 특히 연료 유형이나 재처리가 폐기물 스트림을 변화시킬 수 있는 경우에는 보안 및 핵확산 위험과 함께 안전 트레이드오프(trade-off)를 면밀히 검토해야 합니다.
이것이 중요한 이유: 배출가스, 내구력 및 상업적 기회
해운업은 전 세계 이산화탄소 및 기타 오염 물질 배출의 상당 부분을 차지합니다. 연료 보급 물류와 내구력이 중요한 해양 작업의 경우, 원자력 추진은 운항 중 배출 제로와 연료 보급 사이의 사실상 무제한인 항속 거리를 약속합니다. 이는 현재 디젤 발전기 함대를 운영하고 대량의 연료 재고를 보유해야 하는 운영자들에게 매우 매력적인 가치 제안입니다. 더 넓은 상선단의 경우 상황은 미묘합니다. 암모니아, 수소, 메탄올과 같은 다른 연료가 단거리 또는 저전력 부문을 지배할 수 있는 반면, 원자력은 니치 클래스(해양 작업 지원선, 쇄빙선, 페리, 일부 컨테이너선 또는 로로선)에서 화석 연료를 대체할 수 있습니다.
상업적으로 볼 때, 공장 제작형 발전소와 해양 원자력 시스템 시장은 새로운 산업 체인과 숙련된 해양 원자력 선원을 창출할 수 있습니다. 하지만 이는 설계자, 보험사 및 항만국이 안전하고 복제 가능한 표준에 합의하고, 투자자들이 일회성 프로토타입이 아닌 수익성 있는 프로젝트로 가는 길을 확인할 수 있을 때만 가능합니다.
향후 전망 및 현실적인 타임라인
관련 활동은 2020년대 후반부터 2030년대까지 가속화될 것으로 예상됩니다. NuProShip II는 2026년 SFI SAINT에서 산업화 단계로 전환될 것이며, 국가별 SMR 실증 사업은 인허가 및 연료 공급 작업을 밀어붙일 것입니다. 최초의 프로토타입이 건조된다면 업계와 규제 기관이 병행하여 협상해야 할 업데이트된 규칙에 따라 선급 승인 및 검사를 받게 될 것입니다. 보수적으로 볼 때, 최초의 원자력 추진 외양 상선이나 해양 건설 선박은 2030년대 선박이 될 것입니다. 이는 물리학이 생소해서가 아니라 항만 접근성, 법적 프레임워크, 연료 물류 및 대중의 동의가 먼저 해결되어야 하기 때문입니다.
출처
- 정보기술혁신재단(ITIF, 소형 모듈형 원자로 보고서)
- 노르웨이 과학기술대학교(NTNU) / NuProShip II 프로젝트 자료 및 SFI SAINT 자금 지원 발표
- 국제원자력기구(IAEA) 규제 및 SMR 지침
- 아이다호 국립연구소(INL) 및 미국 에너지부 기술 및 실증 프로그램
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