「4세대 원자로, 어디까지 왔을까? 개발 동향 알아보기」
4세대 원자로에 대해 들어보신 적 있나요? 4세대 원자로는 혁신적인 기술을 적용한 원자로로, 아직 상용화되지는 않았지만 실증 및 초기 상업 가동 단계에 있습니다. 4세대 원자로는 앞서 개발된 2·3세대 원자로보다 안전성, 경제성, 지속가능성 측면에서 월등하다는 평가를 받고 있는데요.
미래 핵심 에너지원으로 여겨지고 있는 4세대 원자로! 대체 정체가 무엇인지, 그리고 현재 어느 수준까지 개발되었는지 낱낱이 파헤쳐보겠습니다.
원자력발전의 역사. 그림=한전원자력원료 제공
"4세대 원자로란?"
4세대 원자로(Generation-IV Reactor, Gen-IV)는 미국 에너지성이 2030년 상용화를 목표로 제시한 차세대 원자로입니다. 3세대 개량형 경수로 다음의 원자로로, 높은 경제성과 안정성, 적은 방사성 폐기물을 특징으로 합니다.
3세대 원자로까지는 냉각재로 물을 사용했는데요. 4세대 원자로는 냉각재로 물 대신 액체금속, 가스 등 다양한 물질을 사용합니다. 물 외에 다른 물질을 사용할 수 있어 3세대 원자로보다 훨씬 높은 온도에서 운전이 가능하며, 이는 높은 발전효율로 이어집니다.
또한 대기압에서 운전할 수 있어 가압이 필요한 3세대 원자로보다 안전합니다. 3세대 원자로에서는 활용할 수 없는 고속중성자를 사용하여 효율성을 높일 수 있고, 핵연료의 재순환도 가능해 폐기물 저감에도 효과적입니다.
"4세대 원자로 개발 현황"
2030년 상용화를 목표로 하는 4세대 원자로에 대한 연구개발은 세계 곳곳에서 활발하게 이뤄지고 있습니다.
먼저 미국은 민간 주도의 혁신이 활발한데요. 빌 게이츠가 설립한 미국의 원자력 기술 기업 테라파워(TerraPower)가 개발 중인 차세대 원자로 ‘나트륨(Natrium)’이 미국 원자력규제위원회(NRC)의 환경영향평가를 통과했습니다.
나트륨 원자로는 기존의 경수로와 달리 액체 나트륨을 냉각재로 사용하는 소듐냉각고속로입니다. 발전 출력은 약 345메가와트, 열 출력은 840메가와트 규모이며 기존 대형 원전보다 구조가 단순하고 열효율이 높습니다.
중국도 4세대 원자로 개발에 열중입니다. 2023년 말 세계 최초의 4세대 원전인 스다오만 원자력 발전소에서 고온가스로 상업 운전을 시작했습니다. 설계, 연구개발, 엔지니어링 건설, 장비 제조, 운영 등 500개 이상의 주체가 이 프로젝트에 참여한 것으로 밝혀졌습니다.
국내 기업도 4세대 원자로 관련 프로젝트에 투자하고 다방면으로 협력하며 글로벌 시장 진출 기회를 노리고 있습니다. 우리나라 4세대 원자로 개발은 소듐냉각고속로(SFR)와 초고온가스로(VHTR)에 집중하여 추진되고 있습니다. 한국형 SFR 모델인 PGSFR 개발은 2008년 본격화되어 2020년에 공학적 설계를 완료했습니다.
특히 SFR 기술은 ‘파이로’ 기술과 연계해 국내 사용후핵연료 문제를 해결할 수 있는 최적의 기술로 제시되고 있습니다. 파이로는 사용후핵연료로부터 재활용 가능한 물질을 분리하는 기술로, 순환형 핵연료주기의 핵심 기술입니다. 모의핵연료를 사용해 파이로프로세싱의 전 공정을 실험한 결과 기술의 타당성이 검증된 바 있습니다.
선박 추진용 융용염원자로(MSR) 개발도 활발합니다. 선박 추진용 MSR은 바다 위의 탄소 중립을 실현할 ‘게임 체인저’로 주목받고 있습니다. MSR은 기존 원자로 대비 크기가 매우 작아 선박에 탑재하면 공간 효율을 높일 수 있습니다. 또한 선박의 수명인 20~30년 동안 핵연료 교체 없이 운항할 수 있는데요. 잦은 연료 보급이 필요한 화석 연료 선박 대비 엄청난 운항 효율을 얻을 수 있죠.
사고로 냉각재가 유출되면 공기 중이나 바닷물에서 바로 고체로 굳어져 방사능 물질이 확산되는 것을 막을 수 있고 내부 압력이 낮아 폭발 위험도 거의 없습니다. 정말 바다 위 ‘게임 체인저’라 불릴 만하죠?
지금까지 4세대 원자로의 국내외 개발 동향을 알아보았습니다. 멀게만 느껴졌던 4세대 원자로의 모습이 뚜렷해지고 있어 2030년 상용화를 충분히 달성할 수 있을 것으로 전망됩니다.
[참고 자료]
빌 게이츠의 테라파워, 美 환경 승인…원전 르네상스 신호탄
THE DAILYPOST, 2025.10.27.
"中, 세계 최초 4세대 원전 공식가동…국산화로 핵심기술 확보“
한국경제, 2023.12.06.
4세대 원전 SMR 어디까지 왔나...美선 2030년 상용화 목표
ESG경제, 2024.11.05.
