"물 없는 4세대 원전" 상용화 분수령… 내 전기요금·원전주 바꿀 변수

인공지능(AI) 데이터센터의 폭발적인 전력 수요와 중동 전쟁에 따른 에너지 안보 위기가 맞물리면서 세계 에너지 시장이 격변기를 맞았다. 전력 확보와 탄소 감축이라는 두 가지 난제를 해결할 대안으로 차세대 원자력 발전 기술이 떠오른다. 특히 기존의 물 냉각 방식에서 벗어나 방사성 폐기물을 획기적으로 줄이고 안전성을 높인 '4세대 원자로' 개발이 미국을 중심으로 급물살을 타고 있다. 고유가와 고전력 비용 시대에 직면한 국내 산업계와 전력 공급망에도 착안할 점이 크다.

오일프라이스닷컴(Oilprice.com)의 지난 17일(현지시각) 보도와 빈퓨처(Winfuture)의 지난 15일 보도를 종합하면, 미국 국립연구소와 민간 기업들이 각각 용융염원자로(MSR·Molten Salt Reactor)와 액체금속냉각고속로 상용화를 위한 핵심 기술 돌파구를 마련했다. 국내 원전 수출 전략과 전력 인프라 관련주를 쥔 투자자들이 이번 기술 혁신의 파급 효과에 주목하는 이유다.


미국 테네시주 소재 오크리지 국립연구소(ORNL) 연구진은 첨단 실험 방법을 통해 용융염의 열전달과 흐름을 측정하는 데 성공했다. 그동안 MSR 설계의 가장 큰 걸림돌이었던 열전도도와 점도 관련 데이터 공백을 메운 성과다.
용융염원자로는 물 대신 고온으로 녹인 불화물이나 염화물 등 용융염을 냉각재로 사용한다. 미국 에너지부(DOE)가 최근 발표한 설명에 따르면, 이 방식은 연료를 적게 쓰면서도 반감기가 짧은 방사성 폐기물을 배출한다. 고압 용기가 필요 없어 폭발 위험이 없고, 운전 중에도 연료 보급과 폐기물 제거가 가능해 효율성이 높다. 미국 원자력학회(ANS) 등 학계 추산에 따르면 MSR의 균등화발전비용(LCOE)은 메가와트시(MWh)당 35~45달러 수준으로, 기존 경수로형 소형 모듈 원자로(SMR·60~80달러) 대비 높은 단가 경쟁력을 갖출 것으로 기대된다.

그러나 실제 원자로 내부에서 용융염이 어떻게 거동하는지에 대한 실험 데이터가 부족해 미국 원자력규제위원회(NRC) 등 규제 기관의 인허가 문턱을 넘지 못했다. 오크리지 국립연구소의 이번 데이터 확보는 차세대 원자로의 설계 최적화와 규제 승인 절차를 가속하는 기폭제가 될 전망이다. 다만 이번에 확보한 실험실 데이터가 실제 상업로 규모(Scale)에서도 동일하게 검증되어야 하며, 고온의 소금물에 노출되는 내부 소재의 부식과 마모 문제는 여전히 해결해야 할 핵심 리스크로 꼽힌다.


민간 영역에서는 또 다른 형태의 4세대 원자로인 액체금속냉각로 상용화가 구체화하고 있다. 미국 원전 기업 퍼스트 아메리칸 뉴클리어와 앳킨스리얼리스(AtkinsRéalis)는 240메가와트(MW)급 소형 고속 원자로 'EAGL-1'을 오는 2033년까지 상용화한다는 목표를 세웠다.

이 원자로는 물 대신 액체 납-비스무트 합금을 냉각재로 채택했다. 고온에서도 증발하지 않는 특성 덕분에 대형 압력용기나 복잡한 안전장치 없이도 높은 안전성을 유지한다. 부지 면적도 기존 원전 대비 크게 줄일 수 있어 기존 산업 인프라에 바로 통합할 수 있다.

가장 큰 강점은 사용후핵연료를 현장에서 직접 재처리해 재사용하는 폐쇄형 연료 주기(Closed Fuel Cycle)다. 개발사 측은 이를 통해 장기 관리 부담이 큰 고준위 방사성 폐기물의 부피를 최대 95%까지 줄일 수 있다고 설명한다. 미 에너지부가 보유한 MOX(혼합산화물) 연료나 고순도 저농축 우라늄(HALEU) 등 기존 원전에서 골칫거리로 여기던 핵폐기물을 다시 연료로 재활용하는 방식이다.
그러나 업계에서는 오는 2033년 상용화 목표를 다소 공격적인 일정으로 보고 있다. 4세대 원전의 필수 연료인 HALEU의 글로벌 공급망이 여전히 불안정한 데다, 액체 납 냉각재 특성상 시간이 지나면서 발생하는 내부 침전물 제어와 유지보수 난이도가 극도로 높기 때문이다.


4세대 원자로가 기술적 진보를 이뤘지만, 시장 안착을 위해 넘어야 할 산은 경제성이다. 과거 수많은 SMR 프로젝트가 기술력이 아닌 발전 단가 싸움에서 밀려 좌초했다. EAGL-1 개발사들은 가스나 화석연료 보일러를 쓰던 기존 터빈 인프라를 그대로 활용해 원자로만 교체하는 '브릿지 파워(Bridge Power)' 전략으로 초기 투자 비용을 낮춘다는 구상이지만, 대량 생산 체제를 갖추기 전까지 단가 경쟁력을 증명해야 하는 숙제가 남았다.

에너지 전문가들은 한국 역시 원전 수출국으로서 이러한 글로벌 기술 패러다임 변화를 주시해야 한다고 진단한다. 현재 한국형 SMR(i-SMR) 개발은 혁신형 경수로 방식에 집중되어 있어 미국이 주도하는 MSR 및 액체금속로와의 기술 격차가 존재하는 만큼 비경수로형 차세대 기술 투자를 다변화해야 시장 주도권을 빼앗기지 않는다.

업계에서는 미국의 4세대 원전 표준화 움직임에 따라 고온·고부식 환경을 견디는 특수강 및 고온합금 소재 기업(현대비앤지스틸, 한전KPS 등)과 원전 핵심 기자재 공급사(두산에너빌리티, 우진 등)가 장기적 수혜주로 부각될 수 있다고 본다. 다만 초기에 투입되는 막대한 건설 비용 탓에 단기적으로는 전력 단가 상승 압력이 작용할 수 있으며, 4세대 원전이 전력망에 본격 편입되어 일반 독자들의 전기요금 인하 효과로 이어지는 시점은 상용화가 안착하는 오는 2040년 이후가 될 것으로 전망한다.


차세대 원전 기술의 상용화 여부와 에너지 시장 파급 효과를 가늠하기 위해 투자자들이 주목해야 할 핵심 지표는 세 가지다.

첫째, 미국 원자력규제위원회(NRC)의 비경수로형 인허가 지침 개정 속도다. 오크리지 국립연구소의 실증 데이터가 실제 규제 완화로 이어져 설계 승인 기간을 얼마나 단축하는지 확인해야 한다.

둘째, 빅테크 기업들의 원전 기업 지분 투자 및 전력 구매 계약(PPA) 추이다. 마이크로소프트나 아마존 등 인공지능(AI) 하이퍼스케일러 기업들이 4세대 원전 개발사에 단행하는 자본 유입 규모를 주시해야 한다.

셋째, 국제 유가(WTI) 및 천연가스 가격 변동 추이다. 중동 지정학적 리스크 지속에 따른 고유가 국면이 차세대 원전의 발전 단가 경제성을 정당화하는 핵심 동력으로 작용하는지 점검해야 한다.

글로벌 에너지 패러다임은 이제 단순한 친환경을 넘어 국가 안보와 첨단 산업 경쟁력을 좌우하는 핵심 축이다. 다만 4세대 원전은 기술적 가능성과 상업적 현실 사이의 간극이 여전히 존재하며, 실제 시장 충격은 규제 승인과 연료 공급망 확보 속도에 좌우될 전망이다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com