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1. 서론

• 연구 배경 및 목적: 대한민국은 원자력 기술 강국으로서 핵연료주기 자립과 차세대 원자로 개발을 통해 에너지 안보를 강화하려는 전략을 추진 중이다. 본 보고서는 우라늄-플루토늄 연료 특성부터 SMR 기술까지 연결된 흐름을 분석하고, 기술 제약 극복을 위한 전략적 방향성을 제시함을 목적으로 한다.
• 보고서 구성: 각 장의 핵심 내용 요약.

2. 우라늄과 플루토늄 핵연료 개요

• 우라늄(U) 연료: 천연 원소로, 주로 U-235를 사용하며 경수로에서 농축 우라늄 연료로 활용됨.
• 플루토늄(Pu) 연료: 원자로 내에서 U-238이 중성자를 흡수해 생성되며, MOX 연료나 고속로에서 사용 가능.

3. 국내 핵폐기물 현황

• 사용후핵연료 발생량 및 저장 현황: 사용후핵연료는 고준위 폐기물로 분류되며, 현재는 원전 부지 내에 임시 저장 중.
• 고준위 방사성 폐기물 관리 정책: 심지층 처분시설은 아직 부재하며, 월성 원전 등 일부 부지는 포화 상태에 근접. 중·저준위 폐기물은 경우 처분시설에서 관리되고 있음.

4. 재처리 기술과 한미원자력협정의 제약

• 재처리 기술의 필요성: 핵연료의 재활용 및 폐기물 부피/독성 감소 측면.
• 한미원자력협정의 주요 내용: 한국은 파이로프로세싱 기술을 보유하고 있으나, 한미원자력협정에 따라 실제 사용후핵연료 재처리는 불가하다. 미국은 핵무기 전용 가능성을 우려해 플루토늄 추출에 민감하게 반응한다.
• 공동 연구 및 제약 완화 노력: 현재는 모의 핵연료를 이용한 실험 수준에서 공동 연구가 진행 중이며, 기술 상용화에는 제약이 존재한다. 2025년 8월 한미 정상회담 준비 과정에서, 한국의 우라늄 농축 및 사용후핵연료 재처리 제한을 완화하는 방향으로 양국이 잠정 합의했으며, 합의문 작성팀이 꾸려졌다. 이는 기존 협정의 제약을 넘어서는 의미 있는 진전으로 평가된다.
• 파이로프로세싱의 역할: 파이로프로세싱(Pyroprocessing)은 고온에서 금속 상태의 사용후핵연료를 전해 분해 방식으로 처리하는 기술로, 플루토늄을 순수하게 분리하지 않고 다른 핵종과 함께 회수함으로써 핵비확산 측면에서 안전성이 높다. 기존 습식 재처리 방식과 달리 액체 금속이나 소듐 냉각재를 사용하는 고속로 SMR과 연계될 경우 자원 재활용과 폐기물 저장에 효과적이다. 만약 한미원자력협정이 개정되어 사용후핵연료 재처리가 허용된다면, 대한민국은 핵연료주기 기술을 완성할 수 있으며, 고속로형 SMR 개발, 폐기물 저감, 기술 자립 등 다방면에서 원자력 기술 발전에 직접적인 도움이 될 것이다. 특히 파이로프로세싱 기술과 고속로 설계가 연계될 경우, 차세대 원자로를 통한 심층 연구 및 수출 경쟁력 확보가 가능해진다.

핵연료주기 완성 기대 효과표

5. 플루토늄의 활용 가능성과 한계

• 활용 방안: 파이로프로세싱 등 건식 재처리 기술의 개발 현황, 고속 증식로(SFR)에서의 플루토늄 활용 방안. 향후 고속로 상용화 시 전략적 자산으로 활용 가능성이 존재함.
• 기술적/정치적 한계: 현재 국내 원전(PWR)은 Pu-239를 직접 연료로 사용하지 못하며, 고속로(SFR)나 MOX 연료가 필요하지만, 아직 실증로가 부재함. 핵확산 우려, 경제성, 그리고 재처리 시설 구축에 따르는 국제적 논란이 있음.

6. SMR 기술 개요 및 연료 특성

• SMR의 정의 및 특징: 기존 대형 원전 대비 안전성, 모듈성, 배치 유연성 등의 장점. 용융염로(MSR), 고온가스로(HTGR) 등 다양한 타입이 존재하며, 각각 다른 연료 시스템과 안전 특성을 가짐.
• SMR의 연료 요구사항: 대부분의 SMR은 저농축 우라늄(LEU)을 사용하나, 고속로형 SMR은 MOX나 금속 연료도 사용 가능. 특히 많은 차세대 SMR은 고순도 저농축 우라늄(HALEU) 연료가 필요하며, 확보 전략이 중요함.

7. 한국의 SMR 기술 수준과 국제 경쟁력

• 국내 SMR 개발 현황: SMART 원자로는 세계 최초로 설계 인가를 받은 국산 SMR로, 기술적 독창성과 안전성을 인정받았으나, i-SMART는 산업계 주도 차세대 모델로, 2030년 상용화를 목표로 개발 중이다. 다만, 실증로 부재, 국제 인증 부족, 수출 경험 미흡 등이 과제로 존재한다.
• 국제 시장 경쟁력 분석: 미국, 러시아, 중국 등 주요국은 실증 및 상용화 단계에 진입하여 경쟁이 심화되고 있다.
  • 테라파워 협력: 빌 게이츠가 설립한 테라파워는 4세대 나트륨냉각고속로 기반 SMR(Natrium)을 개발 중이며, SK그룹과 HD현대, 한수원 등이 협력하여 한국 내 SMR 생태계 구축 및 상업화 전략을 추진하고 있다. 특히 SK는 테라파워의 2대 주주로서 기술 상용화와 공급망 구축 주도 역할을 맡고 있으며, 산업통상자원부와의 협력을 통해 규제 체계 정비 및 실증로 건설 가능성도 논의 중이다.
  • 두산에너빌리티의 역할: 두산에너빌리티는 테라파워의 소듐 SMR 사업에 주 기기를 공급하는 공식 파트너로 선정되었으며, 원자로 보호 용기, 지지 구조물, 노심 동체 등 핵심 기자재 제작을 담당한다. 이를 통해 한국은 글로벌 SMR 공급망의 핵심 축으로 부상하고 있으며, 두산에너빌리티는 SMR 파운드리 선도 기업으로 자리매김하고 있다.
• 웨스팅하우스 기술 우위 극복의 전략적 경로: 트럼프 전 대통령이 언급한 300MW 원전 건설 계획은 SMR 중심의 분산형 원전 전략으로 해석되며, 웨스팅하우스 기술 종속을 벗어날 수 없는 것으로 평가되기도 한다. 그러나 테라파워 기반 SMR은 기술 독립성과 공급망 측면에서 한국에 유리한 구조를 제공하며, 웨스팅하우스 기술 우위를 우회할 수 있는 전략적 통로로 작용할 수 있다.

8. 정책적 시사점

• 원자력 산업 생태계 재건의 필요성: 탈원전 정책으로 인해 원전 산업 생태계가 크게 위축되었고, 관련 기업들의 매출 감소, 인력 이탈, 기술 단절 등의 문제가 발생했다. 신규 원전 건설 중단은 산업 전반의 투자 위축과 공급망 붕괴를 우려하게 했으며, 특히 원전 설계, 부품 제작, 시공 등 고도 기술이 요구되는 분야에서 인력과 기술의 공백이 생겨 장기적인 경쟁력 저하로 이어질 수 있다. 최근 정책 전환으로 재도약 가능성은 확보되었지만, 산업 생태계 복원에는 상당한 시간과 노력이 필요하다.
• 핵연료주기 자립 전략: SMR과 재처리 기술을 연계한 핵연료주기 자립이 필요하다. 고속로 개발, 국제 인증 확보, 수출형 모델 구축이 핵심 과제로 부상한다.
• 독립적인 기술 개발 전략: 웨스팅하우스 협정에 따른 기술 제약을 회피하기 위한 독립적 기술 개발 전략이 요구된다.
  • 고속로형 SMR (SFR 기반): 웨스팅하우스의 경수로 기술(System 80)과는 다른 원자로 타입이므로 기술 지재권 제약이 없다.
  • 용융염로(MSR), 고온가스로(HTGR): 물리적 원리와 연료 시스템이 달라 기술 독립성이 높다.
• 국산화 및 표준 설계 인증:
  • 국산 제어시스템 및 핵심 부품 국산화: MMIS, 계측제어, 냉각계통 등 핵심 기술을 국산화하면 수출 시 로열티 부담이 감소한다.
  • 표준 설계 인증 확보: 미국 NRC, 유럽 ENSREG 등 국제 인증을 독자적으로 확보하면 수출 시 검증 절차가 간소화되어 경쟁력을 높일 수 있다.
• APR1000과 APR1400 개발의 의의 및 제약: APR1000과 APR1400은 웨스팅하우스의 원천기술(System 80)을 기반으로 개발되었으며, 수출 시 지식재산권(IP) 제약을 받는다. 이에 따라 현재 중장기적으로는 기술 독립성 확보를 위해 SMART 및 i-SMART와 같은 국산 SMR 기술이 대체 기술로 부상하고 있으며, 특히 i-SMART는 모듈화·표준화·순수 국산 기술을 기반으로 하여, 국제 인증 확보를 통해 APR 시리즈를 대체할 수 있는 전략적 원자로로 평가된다.
• APR1000을 통한 유럽 수출 모델: APR1000은 웨스팅하우스의 원전기술(System 80+)과 직접적인 연관성은 제한적이다. 그러나 APR1400의 기술 계승 구조를 근거로 APR1000에도 IP 제재를 적용하고 있으며, 이에 따라 수출 시 기술 사용료 및 계약 조건이 적용될 가능성이 존재한다. 향후 기술 독립성과 법적 해석에 따라 적용 범위가 달라질 수 있다.
• 웨스팅하우스 소송 및 한국의 입장: 미국 연방 법원은 2023년 10월 웨스팅하우스의 APR1000 수출 제재 소송을 기각했으며, 이는 수출 통제 집행 권한이 미국 정부에 있다는 판단에 따른 것이었다. 이후 웨스팅하우스는 항소했고, 2024년 4월부터 항소심이 진행 중이다. 한수원은 APR1000이 독자 설계이며 자유로운 수출이 가능하다는 입장을 유지하고 있다.
• 웨스팅하우스 계약의 득과 실: 웨스팅하우스 계약은 일각에서 ’50년 노예 계약’, ‘과도한 로열티 및 기자재 비용’, ‘수익성 저하’ 등의 비판을 받고 있으나, 이를 단순한 불공정 계약으로만 단정하기는 어렵다. APR1400은 웨스팅하우스 기술을 기반으로 조기 수출하였고, 한국형 설계로 고도화된 독자 기술이 다수 포함되어 있어 계약 기간 내 기술 자립이 가능하며, 초기 수출 모델에서 발생하는 비용 문제도 국산화 및 핵심 부품 개발을 통해 점차 개선될 수 있다. 또한, 단순히 수익성 낮은 단순 기술 사용료가 아닌, 전체 수출 패키지에서 발생하는 부가가치로 판단해야 하며, 글로벌 EPC 역량 강화 측면에서 긍정적 효과도 존재한다.
• 웨스팅하우스 계약의 전략적 활용: 웨스팅하우스 계약은 단기적으로는 기술 및 인력 유출을 봉쇄하여 시간을 벌 수 있으며, 이 기간 동안 뉴케스케일파워 등 다양한 글로벌 기업과의 협력을 통해 기술 자립과 경쟁력 확보를 도모하는 전략적 전환점이 될 수 있다.
• 향후 원전 수출 전략의 방향: 향후 미국 원전 수출 주력은 단순히 웨스팅하우스와의 협력에 국한되지 않고, 테라파워·뉴케스케일파워 등 다 양한 SMR 개발사와의 협력을 통해 기술 자립과 수출 경쟁력을 동시에 확보하는 방향으로 전환될 필요가 있다. 특히 SMR 분야에서는 한국 기업이 설계, 기자재, 시공 등 전 과정에 참여할 수 있는 구조가 가능해야 하며, JV 모델을 통해 직접 수출에 참여하거나 공동 브랜드로 글로벌 시장을 공략할 수 있다.

9. 미래 전략 및 기술 자립 타임라인

• 웨스팅하우스 기반 기술 대체 전략: 웨스팅하우스 기반 기술을 대체하기 위해서는 설계 고도화, 실증로 건설, 국제 인증 확보, 산업 생태계 복원 등 복합적인 노력이 필요하다. 일반적으로 10~15년의 시간이 소요될 것으로 예상되지만, 정부의 집중 투자와 민관 협력이 강화될 경우 7~10년 내 기술 자립 및 수출 경쟁력 확보가 가능하다.
• 기술 자립 가속화 전략 (JV 모델): 기술 자립을 가속화하기 위한 전략으로 국내외 기업 간의 합작투자(Joint Venture, JV) 모델이 주목받고 있다. JV를 통해 기술 이전, 실증로 건설, 국제 인증 확보 등에서 시너지를 창출할 수 있으며, 수출 시장 진출 시에도 공동 브랜드 및 리스크 분산 효과가 기대된다. 특히 SMR 분야에서는 미국, 캐나다, 유럽 기업과의 JV를 통해 글로벌 시장에서의 경쟁력을 높일 수 있다.
• 테라파워 기반 SMR의 역할: 테라파워 기반 SMR은 JV 모델을 통해 한국 기업이 글로벌 공급망에 참여할 수 있는 기회를 제공하며, 기술 독립성과 수출 경쟁력 확보에 유리한 구조를 형성한다.
• SMR 상용화를 위한 정책적 요소: SMR 기술의 상용화를 위해서는 규제기관과의 협력, 안전성 검증, 연료 공급망 구축, 지역 수용성 확보 등 다각적인 요소가 고려되어야 하며, 이를 위한 정책적 지원과 제도적 기반 마련이 병행되어야 한다.

10. 결론

• 주요 분석 결과 요약: 대한민국은 원자력 기술의 원천을 확보하고 있으며, SMR과 재처리 기술을 통해 에너지 안보와 탄소중립을 동시에 달성할 수 있는 전략적 위치에 있다.
• 최종 권고 사항: 향후 정책적 일관성과 국제 협력이 병행된다면, K-원전은 글로벌 리더로 도약할 수 있다.