(보고서) AI시대 전력 수요 대응 위한 SMR 활용 본격화 - 최근 상황 총정리

미국에서는 지난 2019년 NEIMA 발효를 시작으로 2024년 ADVANCE Act 제정과 2025년 1월 관련 행정명령까지 발표하는 등 SMR 규제 완화가 본격적인 궤도에 진입하고 있는 것으로 평가되고 있다. 'Unleashing American Energy' 행정명령과 CEQ 규정 철폐는 원자력규제위원회가 자체 환경 규정 수정 작업에 착수하게 하여 인허가 심사의 환경 평가 범위와 절차 간소화를 추진, 원자력 분야 신기술 도입의 속도가 가속화할 전망이다.

이런 상황과 관련해 정보통신기획평가원(IITP)에서는 『ICT브리프』 4월호에서 "Al 시대 전력 수요 대응, SMR 시장 본격화"라는 글을 발간했다. 관심있는 독자들은 읽어볼 것을 권한다. 본 블로그에서는 주요 내용을 공유한다.

(사진 출처: wikipedia.org)

AI 시대 전력 수요 대응, SMR 시장 본격화

□ 차세대 원자력 혁신의 중심, SMR 시장 본격화와 글로벌 경쟁 가속화

AI 시대 전력 수요 급증으로 SMR 다시 주목, 미국 원자력 규제 완화 본격화

• 최근 미국 원자력 산업계에서는 Oklo CEO 제이콥 드위트와 크리스 라이트 에너지부 장관이 잇따라 "원자력 발전의 규제 장벽 철폐"와 "소형모듈원자로 등 신흥 원전 기술에 재정적·규제적 지원 제공" 의지 표명
• SMR(Small Modular Reactor) : 소형 원자로로, 공장에서 모듈 단위로 제작하여 현장에서 조립하는 방식의 차세대 원전. 대형 원전과 달리 표준화된 모듈 생산으로 품질 향상과 경제성 확보가 가능
• 해당 발언은 2019년 NEIMA(원자력 혁신 및 현대화법) 발효부터 시작된 미국의 정책 변화에 힘입은 것으로, 특히 2024년 7월 ADVANCE Act 제정과 2025년 1월 관련 행정명령을 통해 SMR 규제 완화가 본격적인 궤도에 진입
• 관련 규제 완화 정책을 시행함에 따라 NRC 심사 수수료가 약 55% 감소, 비핵 구조물 선행착공 허용으로 건설 일정 단축, 신속심사 절차 도입 및 신형 원전에 대한 생산 세액공제(최대 $15/MWh) 제공으로 경제성을 크게 개선
• 2025년 1월 발표된 'Unleashing American Energy' 행정명령은 에너지 개발 인허가의 효율성과 확실성을 최우선으로 삼고, 기후변화 영향 등 추가적 요소 심사 배제

• 또한, 백악관 환경품질 위원회(CEQ)에 전국 환경 정책법(NEPA) 시행 규정 철폐를 지시했으며, 2025년 2월 CEQ 규정 철폐로 원자력규제위원회(NRC)는 자체 환경 규정 수정 작업에 착수하여 인허가 심사의 환경 평가 범위와 절차 간소화 진행 중
• NEPA(National Environmental Policy Act): 미국의 주요 환경법으로, 연방기관이 환경에 중대한 영향을 미칠 수 있는 결정을 내리기 전에 환경영향평가를 실시하도록 의무화함
• 결과적으로 이러한 정책 흐름은 AI 발전과 리쇼어링에 따른 전력 수요 급증에 대응하기 위해 안정적이고 청정한 발전원으로서 SMR을 중심으로 새로운 전환점을 맞이하는 계기로 작용

기존 대형 원전 대비 안전성·경제성·유연성 높인 SMR, 세계적으로 상용화 경쟁 본격화

• SMR은 대형 원전 대비 건설 기간을 최대 50% 단축하고, 초기 투자 비용을 30% 이상 절감하면서도 사고 위험을 크게 낮추고 소규모 분산 배치로 전력망 유연성을 확보
• 중국은 SMR의 장점에 주목하여 2023년 세계 최초로 상업용 SMR을 가동 중이며, 러시아는 부유식 SMR을 운영, 미국도 다양한 노형 개발로 2030년 전후 상업화를 목표로 글로벌 경쟁 전개

□ SMR 산업의 성장 동력 배경, AI 시대의 전력 수요 급증

데이터센터와 생성형 AI의 급증하는 전력 소비가 차세대 원자력 산업 도입 핵심 요인

• 최근 미국 데이터센터의 전력 소비량은 2014년 58TWh에서 2023년 176TWh로 3배 급증, 이러한 추세가 지속될 경우 2030년까지 미국 총 전력 소비의 12%를 차지할 전망
• 새로운 발전 용량 확보가 글로벌 에너지 산업의 시급한 과제로 부상
• 특히 생성형 AI의 폭발적 확산은 이러한 전력 수요 급증의 주요 동인으로, AI 이미지·영상 생성 작업이 일반 웹 검색 대비 최대 90배의 전력을 소비하면서 기존 전력 인프라만으로는 미래 수요 충족에 근본적 한계 봉착
• 일반 웹 검색은 요청당 전력 소비량이 0.3Wh인 반면, ChatGPT의 질의응답은 2.9Wh, GPT-4 이미지 생성은 8.5Wh, DALL-E 이미지 생성은 12.3Wh, 동영상 생성은 25.7Wh 수준
• 이에 따라 글로벌 빅테크 기업들은 24시간 안정적인 청정에너지 확보와 탄소배출 저감을 위한 해결책으로 원자력에 주목하기 시작
• 아마존·구글·마이크로소프트 등은 SMR 개발 기업들과 대규모 투자 및 장기 전력구매계약을 적극 추진 중

급증하는 데이터센터 전력 수요에 대응하여 미국 내 주요 SMR 기업들은 AI 자율 운전, 디지털 트윈, 통합 제어 플랫폼 등 첨단 기술을 접목한 차별화된 솔루션 개발 경쟁 가속화

□ 미국 내 주요 SMR 개발 기업 및 디지털화 현황

(Oklo) 초소형 원자로와 AI 자율 운전으로 시장 변화 주도

• Oklo가 개발 중인 15MW급 소형 고속로 'Aurora'는 소듐 열 파이프 냉각방식을 채택, 열을 특수 이산화탄소 발전기로 전환하는 소형화 기술로 단일 건물 내 설치가 가능한 혁신적 설계
• 현재 Oklo는 아이다호 국립 연구소(INL)에 설치될 Aurora Powerhouse에 대한 통합 인허가 신청을 위해 미국 원자력규제위원회(NRC)와 사전 준비평가 진행
• Oklo는 2020년 최초 인허가 신청 후 2022년 기각되었으나, 이후 규제 완화에 따른 마이크로 원자로 전용 규제 적용과 SPAC 합병을 통한 3억 달러 자금 확보로 시장 재진입을 적극 추진 중
• 특히 Oklo의 차별화 전략은 직접 발전소를 소유하며 전력만 판매하는 '서비스형 원자력' 비즈니스 모델을 도입, 데이터센터와 국방시설을 주요 타깃으로 새로운 시장을 개척
• '워크어웨이' 안전 설계와 AI 기반 자율 운전 시스템을 도입해 다수의 소형 원자로를 소수 인력으로 관리하고, 클라우드 기반 원격 모니터링으로 데이터센터 전력 수요에 맞춰 출력을 자동 조절하는 기능 개발 중
• 워크어웨이 안전(Walk-away Safety) : 사고 시 운전원 개입 없이도 물리적 특성에 의해 저절로 안전한 상태가 되는 설계 개념으로, 전원 상실 등의 상황에서 원자로가 스스로 안전하게 정지

(Nuscale) 표준 경수로 모듈화와 통합 디지털 플랫폼 전략

• NuScale은 소형(77MW급) 가압경수로 모듈을 최대 12개까지 연결한 확장형 설계로 2020년 세계 최초로 SMR 설계인증을 획득했으며, 검증된 기술을 바탕으로 규제 불확실성 극복에 성공
• 가압경수로: 물을 냉각재와 감속재로 사용하며 고압으로 유지하여 물이 끓지 않게 하는 원자로 형태
• 도중에 유타주 실증사업 중단이라는 위기를 맞았으나, 빠르게 데이터센터 전용 전력 공급 사업으로 방향을 전환, 오하이오 및 펜실베이니아주에 VOYGR-12 발전소 2기 개발 추진
• VOYGR-12: NuScale의 상용 SMR 발전소 브랜드
• 설계부터 건설·운영까지 모든 정보를 하나로 통합 관리하는 시스템을 도입하고, 컴퓨터 시뮬레이션으로 실제 건설 전 오류의 90% 이상을 미리 찾아 해결하는 기술적 강점 보유
• 아울러, 한 명의 운전원이 최대 12기 모듈을 동시에 관리할 수 있는 시스템과 실제와 동일한 가상훈련 환경으로 실수 가능성을 크게 줄이고, 고장을 예측하는 지능형 유지보수 시스템으로 기존 원전 대비 운영비 30% 이상 절감

(TerraPower) 열저장 융합한 하이브리드 시스템과 디지털 제어 혁신

• 빌 게이츠가 설립한 TerraPower는 345MW 소듐냉각 고속로와 용융염 열 저장조를 결합한 'Natrium'을 개발하여 필요시 출력을 500MW까지 증강할 수 있는 시스템 구현
• Natrium : 액체 소듐을 사용해 열을 전달하고 뜨거운 소금(용융염)에 열을 저장하는 방식을 결합한 설계. 이 방식은 열을 저장했다가 필요할 때 꺼내 쓸 수 있어 전력 생산량 조절에 용이
• 액체 소듐으로 원자로 열을 용융염 저장조로 전달해 전력 수요 변동에 유연하게 대응할 수 있어, 재생에너지와 함께 운영되는 미래 전력망의 안정화 역할을 타깃으로 설정
• 현재 TerraPower는 16억 달러 정부 지원을 받아 와이오밍주에 실증로를 건설 중이며, 최근 규제 개선으로 비핵 구조물 선행 착공이 가능해져 전체 사업 일정 단축 효과를 얻고 있음

(X-Energy) 산업용 고온열 공급과 디지털 트윈 기반 원격 운영

• X-energy의 'Xe-100' 원자로는 750℃의 고온 생산이 가능하여 발전뿐 아니라 화학·정유 산업의 공정 열 대체 용도로 활용할 수 있는 차별화된 장점을 보유
• Xe-100 : 헬륨가스로 냉각하는 80MW급 소형 원자로, 기존 원자로보다 고온 생산이 가능해 산업용 열 공급에 적합
• 현재 워싱턴주 4기 실증과 함께 텍사스 Dow 케미컬 공장에 산업용 열·전기 공급을 위한 상업 프로젝트를 동시에 추진 중이며, Amazon의 5억 달러 투자로 자본력을 크게 강화
• 2023년 모든 Xe-100 원자로를 중앙에서 모니터링하는 통합 관제 시스템을 구축하고, 디지털트윈 기술과 자체 AI·머신러닝 플랫폼(X-DATA)으로 발전소 가동률 95% 이상 유지 계획

국내 기업의 미국 SMR 시장 진출 현황

□ 국내 주요 기업들은 선도 기업들과 다양한 방식의 협력 관계를 구축, 각 기업의 핵심 역량과 사업 목표에 따라 투자 규모와 기술적 참여도를 차별화한 전략적 접근법 채택

지분투자, 기술제휴, 기자재공급, EPC 참여 등 다양한 전략 요소를 기업별 강점에 따라 복합 활용하는 맞춤형 접근

• 국내 기업들은 지분투자(자본을 통한 사업 참여권 확보), 기술제휴(자체 기술력 활용), 기자재 공급(제조 강점 활용), EPC 참여(건설 역량 기반 시공) 등 다양한 방식으로 미국 SMR 시장에 진출
• 대부분의 선도 기업은 이미 두산(지분투자+기자재), 현대건설(기술제휴+EPC), 삼성물산(지분 투자+EPC)처럼 복수 영역을 결합한 복합 전략을 통해 가치사슬 여러 단계에 걸친 경쟁력 확보

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