소형 모듈형 원자로(SMR)로 구동되는 AI: 데이터센터를 혁신하는 100억 달러 규모의 원자력 혁명

거대 기술 기업들이 원자력 파트너십에 100억 달러 이상을 투자하고 전 세계적으로 22기가와트 규모의 프로젝트를 개발 중인 가운데, 소형 모듈형 원자로(SMR)가 AI 인프라의 중추가 될 것으로 보입니다. 최초의 상업용 SMR 기반 데이터 센터는 2030년까지 온라인에 가동될 예정이며, 이는 디지털 경제를 구동하는 방식에 중추적인 변화를 가져올 것입니다. 원자력 기술과 인공 지능의 융합은 중요한 과제를 해결합니다: 인공지능 데이터 센터는 2030년까지 연간 945테라와트시를 소비할 것이며, 이는 일본 전체 전력 소비량에 해당하며, 원자력만이 안정적으로 공급할 수 있는 연중무휴 무탄소 전력을 필요로 합니다.

SMR이 기존 원자력과 다르게 작동하는 방식

SMR은 공장 제작과 모듈식 설계를 통해 원자력을 근본적으로 재창조합니다. 5~10년에 걸쳐 현장에서 맞춤 제작하는 기존 원자로와 달리, SMR은 통제된 공장 환경에서 부품을 제조하고 표준화된 모듈로 배송하여 조립하기 때문에 건설 기간을 24~36개월로 단축할 수 있습니다. 이 원자로는 모듈당 5~300메가와트의 전력을 생산하는데 비해 기존 원전의 경우 1, 000메가와트 이상이므로 특정 전력 수요에 맞게 유연하게 배치할 수 있습니다.

핵심 혁신은 펌프, 밸브, 작업자 개입이 아닌 중력 및 대류와 같은 자연적인 물리적 프로세스에 의존하는 수동적 안전 시스템에 있습니다. 예를 들어 뉴스케일의 원자로는 외부 전원이나 사람의 조치 없이도 7일 동안 스스로 냉각할 수 있으며, 이는 기존 설계로는 불가능했습니다. 방사능 재고량이 적고 지하에 배치된 많은 SMR 설계는 추가적인 안전 여유를 제공하며, X-에너지의 Xe-100과 같은 일부 고급 원자로는 1,600°C를 초과하는 온도에서도 물리적으로 녹지 않는 TRISO 연료를 사용합니다.

현재 SMR 설계는 검증된 가압수형 원자로부터 고급 용융염 및 고온 가스 시스템에 이르기까지 6가지 기술 제품군에 걸쳐 있습니다. 뉴스케일의 77메가와트 모듈은 4개, 6개 또는 12개의 유닛으로 구성하여 308~924MW 규모의 발전소를 만들 수 있습니다. 한편, 테라파워의 나트리움 원자로는 345MW 나트륨 냉각 원자로와 용융염 에너지 저장 장치를 결합하여 피크 수요 시 출력을 500MW까지 높일 수 있어 AI 학습 워크로드의 가변 부하에 완벽히 대응할 수 있습니다.

비용 비교를 통해 도전 과제와 기회를 모두 확인할 수 있습니다. 현재 최초의 SMR 프로젝트는 킬로와트당 3,000~6,000달러의 자본 비용이 들지만, 제조업체들은 대량 생산을 통해 기존 원자력 발전의 7,675~12,500달러/kW보다 낮아질 것으로 예상합니다. 현재 SMR의 균등화 전력 비용은 메가와트시당 89~102달러로, 풍력 및 태양광의 26~50달러/MWh보다 높지만 95% 이상의 역률을 고려하면 안정적인 기저부하 대안과 경쟁력이 있습니다.

AI 인프라 위기가 원자력 도입을 촉진하고 있습니다.

최신 GPU 데이터센터는 전력 수요가 전례 없는 속도로 증가하면서 엄청난 에너지 소비처가 되었습니다. NVIDIA의 최신 Blackwell B200 GPU는 각각 최대 1,200와트를 소비하며, 미래의 AI 가속기 랙은 240킬로와트에달해 미국 가정 200채에 전력을 공급할 수 있는 양입니다. 하나의 대규모 AI 트레이닝 클러스터에는 중형 도시에 해당하는 500메가와트의 연속 전력이 필요할 수 있습니다.

배포된 H100 GPU만 2024년에 13.8테라와트시를 소비할 것이며, 이는 조지아나 코스타리카 같은 국가의 전체 전력 소비량과 맞먹는 엄청난 규모입니다. 미국의 데이터센터 전력 수요는 2030년까지 전체 소비량의 4%에서 9~12%로 급증할 것이며, 전 세계 수요는 160% 증가하여 연간 945TWh에 달할 것입니다. 이러한 성장 추세로 인해 기존 그리드 인프라로는 수요를 충족할 만큼 빠르게 확장할 수 없기 때문에 기술 기업들은 전용 전원을 확보해야 했습니다.

SMR은 이러한 시설에 전력을 공급할 때 고유한 이점을 제공합니다. 모듈식 확장성을 통해 데이터센터 성장에 맞춰 77MW 단일 모듈로 시작하여 컴퓨팅 요구가 증가함에 따라 확장할 수 있습니다. 연중무휴 24시간 가동되는 기저부하 발전은 전력 중단을 견딜 수 없는 AI 워크로드에 필수적인 재생 에너지의 간헐성 문제를 해결해 줍니다. 가장 중요한 것은 SMR이 전력망 독립을 가능하게 하여 지역 사회와 전기 공급을 놓고 경쟁하거나 송전 업그레이드를 위해 수년을 기다리지 않고도 데이터 센터를 운영할 수 있다는 점입니다.

SMR과 데이터센터 간의 기술 통합은 놀라운 응집력을 만들어냅니다. 데이터 센터는 이미 GPU의 열을 관리하기 위해 정교한 냉각 시스템을 필요로 하며, 100kW를 초과하는 랙 밀도를 처리하기 위해 액체 냉각 시장은 매년 20.3%씩 성장하고 있습니다. SMR은 흡수식 냉각기에 전기와 공정 열을 모두 공급할 수 있으며, 35~45°C의 데이터센터 폐열은 지역 난방 애플리케이션에 이상적입니다. 이러한 열병합 발전 방식은 전체 시스템 효율을 80% 이상으로 높여 폐열을 귀중한 자원으로 전환할 수 있습니다.

거대 기술 기업 간의 핵무기 경쟁.

원자력 발전을 확보하기 위한 경쟁은 전례 없는 파트너십과 투자의 물결을 일으켰습니다. Amazon Web Services는 가장 야심찬 프로그램을 주도하고 있으며, X-에너지에 5억 달러를 투자하고 워싱턴주와 버지니아주에 걸친 파트너십을 통해 2039년까지 5기가와트의 SMR 용량을 배치하기로 약속했습니다. 에너지 노스웨스트와의 계약에 따라 우선 320MW를 생산하는 4개의 Xe-100 원자로를 배치하고, 12개의 모듈을 통해 960MW까지 확장할 수 있는 잠재력을 갖추게 됩니다.

Google은 2024년 10월 세계 최초로 기업용 SMR 구매 계약을 체결하고, 카이로스 파워와 협력하여 6~7개의 용융염 원자로에 500메가와트를 배치하는 역사를 만들었습니다. 첫 번째 유닛은 2030년에 온라인 상태가 되고 2035년까지 전체 배치가 완료될 예정입니다. 이 계약은 SMR 제조업체가 공장 투자를 정당화하고 규모의 경제를 달성하는 데 필요한 중요한 '주문서' 수요 신호를 제공합니다.

Microsoft는 다른 초기 접근 방식을 취하여 Constellation Energy와 2028년까지 837메가와트의 무탄소 전력을 확보하기 위해 쓰리마일 아일랜드 1호기를 재가동하는 20년간의 계약을 체결했습니다. 동시에 내부 원자력 팀을 구성하고 Ultra Safe Nuclear 및 Tennessee Valley Authority의 원자력 기술 책임자를 채용하여 글로벌 데이터 센터를 위한 포괄적인 SMR 전략을 개발했습니다.

현재 건설 중인 원자로는 업계에 중요한 분수령이 될 것입니다. 테라파워는 2024년 6월 와이오밍주 케머러에 미국 최초의 상업용 첨단 원자로 건설인 나트리움 원자로를 착공했습니다. 에너지부와 빌 게이츠의 지원을 받는 이 40억 달러 규모의 프로젝트는 2030년까지 345MW의 청정 전력으로 노후 석탄 발전소를 대체할 것입니다. 이 시설의 통합 용융염 저장 시스템을 통해 5시간 동안 500MW까지 출력을 높일 수 있어 AI 워크로드 변동에 이상적입니다.

미국 국경을 넘어 글로벌 배포가 가속화되고 있습니다.

미국이 발표된 프로젝트를 주도하고 있는 가운데, 세계 각국에서는 자체 SMR 역량을 빠르게 개발하고 있습니다. 중국의 링롱 원은 2023년 하이난성에서 210MW를 생산하는 세계 최초의 상업용 육상 기반 SMR을 가동할 예정입니다. 중국은 국내 보급을 위해 약 250억~350억 달러를 할당했으며, 수출 시장 점유율을 크게 확보할 수 있는 위치에 있습니다.

캐나다는 2025년 4월 온타리오 전력 발전이 달링턴 부지에서 GE 히타치 BWRX-300 건설 승인을 받으면서 또 다른 초기 리더로 떠올랐습니다. 이 77억 캐나다 달러 규모의 프로젝트는 2029년까지 가동을 목표로 하고 있으며, 132억 캐나다 달러를 들여 3기를 추가로 건설할 계획입니다. 검증된 비등수형 원자로 기술은 기존 원전보다 60%의 자본비용을약속합니다.

유럽연합은 2024년 10월에 납 냉각 고속 원자로에서 용융염 시스템에 이르는 기술을 아우르는 9개의 SMR 프로젝트를 산업 연합에 선정했습니다. 폴란드만 해도 11개국 17개 기업 컨소시엄을 이끌고 있는 오렌 신토스 그린 에너지가 석탄 발전소를 대체하기 위해 여러 SMR 배치를 약속했습니다. 루마니아는 2029년까지 뉴스케일의 6모듈 VOYGR 플랜트를 배치하여 유럽 최초로 SMR을 가동하는 국가가 될 계획입니다.

영국은 롤스로이스의 470메가와트 SMR 설계에 막대한 투자를 단행하여 민간 투자와 매칭된 2억 8천만 파운드의 정부 자금을 제공했습니다. 이 기술은 2025년에 규제 평가의 최종 단계로 진행되었으며, 2030년대 중반에 배치 및 그리드 연결을 목표로 4곳의 부지를 선정했습니다. 건설 파트너인 라잉 오루크와 BAM은 중요한 인프라 전문 지식을 바탕으로 배포를 가속화하고 있습니다.

기술 로드맵은 극적인 발전을 약속합니다.

향후 10년은 원자력 기술 배치의 근본적인 변화를 목격하게 될 것입니다. 뉴스케일의 77MW 모듈과 GE 히타치의 BWRX-300과 같은 1세대 SMR은 검증된 경수로 기술을 기반으로 하며, 기존의 연료 인프라와 규제 프레임워크로 2030년까지 배치할 수 있습니다. 이러한 설계는 현재의 원자력 공급망과의 호환성을 유지하면서 패시브 시스템을 통해 향상된 안전성을 달성합니다.

2030년대 초에 출시될 4세대 첨단 원자로는 새로운 기능을 제공할 것입니다. 용융염 원자로는 액체 소금에 용해된 연료를 사용하여 대기압에서 작동하므로 연료 보급 없이 최대 150개월 동안 연속 운전이 가능합니다. X-에너지의 Xe-100과 같은 고온 가스 원자로는 750°C에 도달하여 수소 생산 및 산업 공정 열 분야에서 응용 분야를 개척합니다. 테라파워의 나트륨 냉각식 나트리움 설계는 열 저장을 통합하여 원자력 발전소를 재생 가능 그리드를 보완하는 파견 가능한 자원으로 탈바꿈시킵니다.

마이크로원자로는 원자력 혁신의 최전선에 있는 원자로로, 오클로, 웨스팅하우스 등의 설계로 1~30메가와트를 공장 밀폐형 유닛으로 제공합니다. 이러한 원자로는 재급유 없이 수십 년 동안 작동할 수 있어 원격지에 배치하거나 에지 컴퓨팅 시설의 분산 전원으로 사용할 수 있습니다. 오클로의 오로라 발전소는 2044년까지 12기가와트 규모의 배치 계약을 체결하여 간소화된 원자력 솔루션에 대한 시장의 엄청난 수요를 입증했습니다.

비용 예측은 경쟁력을 확보할 수 있는 명확한 길을 보여줍니다. 우드 맥켄지는 제조업체가 용량을 두 배로 늘릴 때마다 5~10%의 학습률을 달성함에 따라 2030년까지 SMR 비용이 메가와트시당 120달러로 떨어질 것으로 전망합니다. 5~7개 또는 10~20GW의 설치 용량이 되면 이 기술은 학습 곡선 정점에 도달하여 추가 비용 절감이 완화될 것입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해서는 전략적 공장 투자와 공급망 개발이 매우 중요할 것입니다.

규제 개혁으로 배포 일정이 빨라집니다.

규제 환경은 SMR 배포를 가능하게 하기 위해 극적으로 변화했습니다. 바이든 대통령의 행정명령 14300은 새로운 원자로 신청에 대한 최대 18개월의 검토 기간을 의무화하여 과거 5~7년 걸리던 절차를 단축했습니다. 원자력규제위원회는 규범적 요건보다 성능 기반 표준을 강조하는 첨단 원자로에 맞춘 완전히 새로운 라이선스 프레임워크인 Part 53을 개발 중입니다.

IAEA의 원자력 조화 및 표준화 이니셔티브를 통한 국제 조화 노력은 표준화된 설계의 글로벌 배포를 가능하게 할 것입니다. SMR 규제자 포럼은 미국, 캐나다, 영국 및 기타 국가의 당국이 모여 안전 평가에 대한 공통된 접근법을 개발합니다. 이러한 공동의 노력은 여러 국가에 걸쳐 검증된 설계를 배포하는 데 드는 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.

2024년 ADVANCE 법안은 SMR 애플리케이션에 대한 수수료 50% 인하와 에너지부 부지의 데모 원자로에 대한 새로운 경로를 포함한 중요한 개혁을 도입했습니다. 제조 라이선스를 통해 인증된 모듈의 공장 생산이 가능해지며, 새로운 규제 프레임워크는 표준 설계의 다중 사이트 배포를 수용합니다. 이제 초기 부지 허가와 설계 인증을 병행하여 진행할 수 있으므로 프로젝트 일정을 몇 년 단축할 수 있습니다.

앞으로 나아가는 길은 약속과 도전의 균형을 유지합니다.

SMR 혁명은 강력한 추진력에도 불구하고 상당한 역풍에 직면해 있습니다. 최초 프로젝트의 경우 자본 비용이 킬로와트당 3,000~6,000달러로 여전히 높기 때문에 인내심 있는 자본과 정부 지원이 필요합니다. 많은 첨단 설계에 필요한 고농축 저농축 우라늄(HALEU) 연료는 현재 러시아 공급에 의존하고 있지만, 국내 생산 시설이 개발 중입니다. 대중의 수용성은 여전히 엇갈리고 있으며, 지역사회는 과거 사고로 인해 형성된 원자력 안전 우려와 청정 에너지의 이점을 비교하고 있습니다.

재료 검증부터 폐기물 관리까지 다양한 분야에서 기술적 과제가 남아 있습니다. 일부 SMR 설계는 총 방사능은 낮지만 기존 원자로보다 2~30배 더 많은 방사성 폐기물을 생성할 수 있습니다. 공급망 개발을 위해서는 수십 년 동안 휴면 상태에 있던 원자력 제조 역량을 재건해야 합니다. SMR 건설 및 운영에 필요한 전문 기술을 제공하기 위해 인력 교육에 박차를 가해야 합니다.

SMR을 AI 데이터센터와 통합하는 인프라의 복잡성에는 전문적인 전문 지식이 필요합니다. 기업은 랙당 수백 킬로와트를 소비하는 고밀도 GPU 배포부터 극심한 열 부하를 관리하는 정교한 액체 냉각 시스템까지 모든 것을 해결해야 합니다. 전 세계적으로 100,000개 이상의 GPU를 배포하고 복잡한 데이터센터 마이그레이션을 관리한 경험이 있는 Introl과 같은 인프라 전문업체는 AI 인프라 확장의 고유한 과제를 잘 이해하고 있습니다. 인트롤의 전문성은 APAC 시장 원자력 발전과 AI 컴퓨팅 인프라의 융합이 전 세계적으로 확대됨에 따라 이를 지원할 수 있는 역량을 갖추고 있습니다.

그러나 SMR 채택을 추진하는 힘의 수렴은 멈출 수 없는 것처럼 보입니다. 기술 기업들의 끊임없는 전력 수요, 2030~2040년 탄소중립 약속, 그리드 인프라의 한계로 인해 원자력 솔루션을 선호하는 퍼펙트 스톰이 형성되고 있습니다. 미국에서만 55억 달러가 넘는 정부 지원과 수십억 달러의 민간 투자가 더해져 초기 배치의 장애물을 극복하는 데 필요한 자본을 제공합니다. 가장 중요한 것은 전력 제한으로 인한 AI 개발의 제약이라는 대안은 기술 리더십을 놓고 경쟁하는 기업과 국가에게는 상상할 수 없는 일입니다.

결론

소형 모듈형 원자로는 우리 시대의 두 가지 핵심 과제, 즉 AI 혁명의 원동력과 완전한 탈탄소화 달성이라는 두 가지 과제가 교차하는 지점에 서 있습니다. 이 기술은 개념에서 건설까지 발전해 왔으며, 첫 번째 유닛이 착공되고 거대 기술 기업들이 미래 용량을 확보하기 위해 수십억 달러를 투자하고 있습니다. 2030년까지 와이오밍주에서 워싱턴주에 이르는 데이터 센터에 SMR이 전력을 공급하기 시작하여 공장에서 건설된 원전이 안전성 향상, 신속한 배치, 비용 경쟁력이라는 약속을 이행할 수 있는지 입증할 것입니다.

향후 5년은 SMR이 21세기 에너지 인프라의 초석이 될지, 아니면 과도기적 기술로 남을지 결정할 것입니다. 성공을 위해서는 지속적인 규제 개혁, 제조 규모 달성, 연료 공급 제약의 해결, 그리고 가장 중요한 것은 1세대 프로젝트의 완벽한 실행이 필요합니다. 컴퓨팅 파워가 경제 및 전략적 경쟁력을 좌우하는 AI 시대에 SMR 구축을 주도하는 기업, 커뮤니티, 국가는 결정적인 이점을 얻게 될 것입니다. 원자력 르네상스가 시작되었고, 그 궁극적인 영향력은 앞으로 몇 세대에 걸쳐 우리가 에너지를 생산하고 소비하는 방식을 재편할 것입니다.

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