데이터센터 전력 제약과 급증하는 AI 워크로드로 인해 기업들은 새로운 전력 공급원을 찾기 위해 동분서주하고 있다. 가트너는 2027년까지 기존 AI 데이터센터의 40%가 “전력 가용성에 의해 운영상의 제약을 받을 것”이며, 그때까지 증가하는 AI 서버의 수요가 2023년의 2.6배 수준인 연간 500TWh에 달할 것으로 예상했다.

가트너의 부사장 애널리스트 밥 존슨은 “생성형 AI를 구현하기 위한 새로운 하이퍼스케일 데이터센터의 폭발적인 성장으로 인해 전력회사의 용량 확장 역량을 훨씬 초과할 정도로 전력 수요가 급증하고 있다”며, “이는 결국 에너지 가용성을 방해하고 전력 부족으로 이어져 2026년부터 생성형 AI 및 기타 용도를 위한 새로운 데이터센터의 성장을 가로막을 것”이라고 지적했다.

업타임 인스티튜트의 지속 가능성 연구 책임자인 제이 디트리히는 풍력이나 태양광과 같은 에너지원이 어느 정도 도움을 주기는 하지만 제약이 있다고 지적한다. 디트리히는 “풍력과 태양열의 비중이 증가하면 발전 용량이 높을 때 매우 효과적이다. 하지만 문제는 용량 보급률에 따라 10%에서 20% 정도는 전력망을 안정적으로 유지할 수 있는 무탄소 에너지가 없는 경우가 발생한다”라고 설명했다.

그렇기 때문에 새로운 에너지원을 찾기 위한 노력의 일환으로, 그리고 청정 에너지로 전환해야 한다는 압박에 직면하여 데이터센터 소유주들이 원자력에 눈을 돌리고 있다. 디트리히는 “원자력 시스템이 적합한 이유는 바로 안정적인 전력 공급 때문이다. 원전은 탄소 배출이 없는 신뢰할 수 있는 전력이며, 원자로는 이미 검증됐다”라고 덧붙였다.

하이퍼스케일러의 원자력 계획

AWS, 구글, 메타, 마이크로소프트, 오라클 등이 원자력 에너지를 연구하는 기업 중 하나이다. 구글의 데이터센터 에너지 글로벌 책임자인 아만다 피터슨 코리오는 “원자력은 탄소 배출이 없고 안정적인 에너지원으로 풍력이나 태양열과 같은 변동성이 큰 재생 에너지원을 보완할 수 있는 확실한 전력원이다. 첨단 원자로는 기존 원자로보다 더 안전하고 효율적인 것으로 알려져 있다. 또한 더 빠르고 모듈식으로 건설할 수 있다”라고 말했다.

피터슨 코리오는 “디지털 경제가 성장함에 따라 구글 고객이 요청하는 서비스는 데이터센터에 전력을 공급하기 위해 더 많은 양의 전력이 필요할 것”이라며, “구글은 24시간 연중무휴 무탄소 에너지를 달성하겠다는 야심 찬 목표를 가진 기업으로서, 안정적이고 견실한(이른바 24시간 발전) 전력을 제공할 수 있는 무탄소 전기로 이런 성장을 충족하고자 한다. 원자력은 대기에 더 많은 탄소를 추가하지 않고도 확장할 수 있으며, 하루 24시간 내내 전력을 공급할 수 있다는 이점이 있다”라고 설명했다.

대부분 하이퍼스케일러는 배후 부지에 핵분열 원자로를 설치하는 대신 어떤 방식으로든 전력회사와 협력하는 방식을 택하고 있다. 예를 들어 구글은 카이로스 파워와 계약을 체결해 소형 모듈형 원자로(SMR)에서 생산된 에너지를 구매하고 있으며, 카이로스는 2030년에 원자로를 가동할 계획이다.

그러나 일부는 자체 설치를 고려하고 있을 수 있다. 9월 오라클의 실적 발표에서 CTO 래리 엘리슨은 공개되지 않은 위치에 1기가와트 이상의 AI 컴퓨팅 용량을 갖춘 데이터센터에 전력을 공급하기 위해 SMR 3기에 대한 건축 허가를 취득했다고 밝혔다.

소형 모듈형 원자로의 특징

이름에서 알 수 있듯이 소형 모듈형 원자로는 상용 발전소에 있는 핵분열 원자로의 작은 버전으로, 일반적으로 최대 300메가와트 출력의 전력을 생산할 수 있다. 일반 원자로의 1,000메가와트에 비해 출력이 상대적으로 낮다. 시스템과 구성 요소를 공장에서 제작하고 현장으로 운반해 설치할 수 있는 방식이다. 국제원자력기구(IAEA)에 따르면, 대형 원자로는 해당 지역에 맞게 맞춤 설계되고 현장에서 처음부터 건설되는 경우가 많기 때문에 SMR은 대형 원자로보다 건설 비용이 더 저렴하다.

무어 인사이트 앤 스트래티지의 부사장 겸 대표 애널리스트인 매트 킴볼은 “SMR은 스리마일섬이나 체르노빌의 소형 버전이 아니다”라고 지적했다. 훨씬 더 작을 뿐 아니라 연료 소모량이 적고(한 번 연료 주입으로 최대 30년 동안 지속 가능), 최첨단 안전 기능을 갖추고 있으며, 물리 과학을 활용해 안전성과 복원력을 향상하도록 설계됐다. 또한 다양한 냉각수를 사용할 수 있다.

킴볼은 “SMR의 흥미로운 측면 중 하나는 운영 환경에 맞게 크기를 조정할 수 있다는 점이다”라며, “이 원자로는 최대 300메가와트까지 지원할 수 있지만, 10메가와트까지 축소할 수도 있다. 셔츠 크기를 예로 들기는 싫지만, 정확히 맞는 크기를 맞추기 위해 재단사에게 가는 것과 비슷하다”고 덧붙였다.

그리고 용량이 더 이상 맞지 않을 경우, 다른 모듈을 추가해 용량을 확장할 수 있다.

하지만 모든 것이 그렇게 간단하지는 않다. 최종 집계에 따르면, 70개 이상의 디자인이 다양한 개발 단계에 있으며, 이 중 실제로 사용이 승인된 것은 극소수에 불과하다. 일부는 기존 원자력 발전소처럼 물로 냉각하지만, 어떤 SMR은 불활성 가스, 용융염 또는 액체 금속을 냉각제로 사용한다. 예를 들어 구글의 파트너인 카이로스는 용융 불화염을 사용하는데, 피터 코리오는 “특히 수냉식 원자로와 달리 높은 압력을 가할 필요가 없고 상온에서 응고되기 때문에 안전성을 높일 수 있다”고 말했다.

반면 오픈AI의 CEO 샘 알트먼이 투자한 SMR 제조업체이자 핵연료 재활용 업체인 오클로는 액체 금속으로 냉각하는 저출력 SMR(호기당 15~50메가와트)을 제작하고 있다. 오클로의 고속 핵분열 설계는 기존 원자로에서 재활용된 핵폐기물을 사용한다. 오클로는 아직 이름을 밝히지 않은 두 곳의 주요 데이터센터 업체로부터 최대 750메가와트의 전력을 구매하겠다는 의향서를 받았다고 밝혔다.

AWS는 미국 에너지부가 승인한 연료인 TRISO(삼중구조 소립자)의 맞춤형 버전인 TRISO-X를 개발한 엑스에너지(X-energy)의 또 다른 SMR에 투자하고 있다. AWS는 프로젝트의 타당성 단계에 자금을 지원하기 위해 엑스에너지 SMR을 사용해 설비를 건설, 소유 및 운영할 에너지 노스웨스트와 계약을 체결했다. 또한 미국 버지니아주에서 SMR 사용을 모색하기 위해 도미니언 에너지(Dominion Energy)와 양해각서를 체결했다.

그리고 지금까지 미국 원자력규제위원회(NRC)의 설계 승인을 받은 유일한 SMR 공급업체인 뉴스케일(NuScale)은 가압수 냉각을 사용한다. 가장 큰 모델은 모듈당 77메가와트, 총 924메가와트를 생산할 수 있으며 최대 21개월 동안 연료 재주입 없이 가동할 수 있다.

표준 원자력 발전소와의 코로케이션

하지만 모든 데이터센터가 SMR을 채택하고 있는 것은 아니다. AWS, 메타, 마이크로소프트는 모두 표준 원자력 발전소와의 코로케이션을 검토하고 있다. 여기서 코로케이션이란 데이터센터가 발전소와 가까울 뿐만 아니라 전력망을 우회하지 않고 직접 전기를 공급받는 것을 의미한다. 코로케이션은 코로케이션 고객과 운영자에게 모두 윈윈이 되는 상황으로, 고객은 필요한 전력을 장기적으로 공급받기로 약속하고 전력 운영자는 확실한 수익원을 확보할 수 있다.

예를 들어 마이크로소프트는 쓰리마일섬 원자력 시설의 현재 가동이 중단된 1호기에서 전력을 구매하기 위해 콘스텔레이션과 20년 전력 구매 계약을 체결했다. 콘스텔레이션이 여러 규제 장애물을 뛰어넘어 시설을 재가동할 수 있다는 가정 하에서 진행한 계약이다. 컨스텔레이션은 16억 달러를 투자해 발전소를 개조해 크레인 클린 에너지 센터(Crane Clean Energy Center, CCEC)로 이름을 변경할 계획이다.

콘스텔레이션은 발표문을 통해 “원자로를 재가동하려면 종합적인 안전 및 환경 검토에 따른 미국 원자력 규제위원회의 승인과 관련 주 및 지역 기관의 허가가 필요하다. 또한 별도의 요청을 통해 발전소 운영을 최소 2054년까지 연장하는 라이선스 갱신을 추진할 것이다. CCEC는 2028년에 정상 가동될 것으로 예상한다”고 밝혔다.

무어 인사이트 앤 스트래티지의 킴볼은 “이런 일이 일어날 것으로 보인다. 처음부터 새로 짓는 것보다 기존 사이트를 현대화하고 재가동하는 것이 훨씬 쉽다. 쓰리마일섬 외에도 데이터센터의 요구 사항을 충족하기 위해 재가동할 수 있는 비활성화된 사이트가 10여 개 더 있다”고 설명했다.

안타깝게도 메타의 코로케이션 프로젝트 중 하나는 데이터센터 건설 예정 부지에서 희귀종 벌이 발견된 후 규제 문제뿐만 아니라 대자연의 개입으로 인해 취소해야 했다.

반면 아마존은 규제 당국, 즉 전력망 운영자와 펜실베이니아주 서스퀘해나 발전소 측이 아마존이 탈렌 에너지로부터 6억 5,000만 달러에 매입한 큐뮬러스 데이터센터에 공급하기로 한 전력량을 300메가와트에서 480메가와트로 늘려달라고 요청하면서 규제 당국과 갈등을 빚었을 뿐이다. 미국 연방에너지규제위원회(FERC)는 2대 1의 판결로 이 요청을 거부했다. 아마존은 프로젝트를 계속 진행할 계획이라고 밝혔다.

빠르게 움직이는 규제 기관

전 세계 규제 당국은 이런 모든 활동을 주시하고 있으며, 새로운 기술을 검토하고 승인하는 데 필요한 프로세스를 간소화하기 위해 노력하고 있다. 예를 들어, 미국 원자력규제위원회는 다른 국가의 규제 기관과 협력해 새로운 원자력 발전소 관련 규정을 개발하고 있으며, 연방에너지규제위원회(FERC)는 전기 부품을 면밀히 조사하고 있다.

NRC의 공보 담당관인 스콧 버넬은 “NRC는 지난 몇 년 동안 오늘날의 수냉식 설계와 달리 불활성 가스, 용융 염 또는 액체 금속으로 원자로 연료를 냉각하는 설계를 포함해 SMR에 대한 예비 정보와 전체 신청서를 모두 검토해 왔다. 심사는 신청하는 라이선스 또는 허가에 따라 일반적으로 2년에서 3년의 일정이 소요된다”라고 밝혔다. 또한, 새로운 디자인에 더 쉽게 적용되는 검토 프로세스를 추가하고 환경 검토를 훨씬 더 효율적으로 할 수 있는 일반 환경 영향 평가서를 추가하는 작업도 진행 중이다.

미국은 캐나다 및 영국과 협력 각서를 체결해 첨단 원자로 및 SMR 기술에 대한 기술 검토에 협력하고 있으며 폴란드와도 계속 협력하고 있다. 버넬은 현재 미국에서 사용할 수 있는 SMR은 뉴스케일의 설계가 유일하지만, NRC는 더 큰 버전의 모듈을 검토하고 있다고 밝혔다. 또한 카이로스를 포함한 두 회사에 테스트 장치에 대한 건설 허가를 발급했으며, 아마존 프로젝트에 대해 엑스에너지 및 에너지 노스 웨스트와 논의할 예정이다.

버넬은 “유틸리티 또는 원자로 공급 업체가 시설을 소유하고 운영하며 아마존이나 구글의 의견없이 NRC 규정을 충족할 책임이 있다”라고 덧붙였다.

데이터센터가 과도한 양의 전력을 빨아들여 다른 영역의 전력 부족을 초래하고 잠재적으로 요금을 인상할 수 있다는 점과 공동 배치된 부하가 전력망의 필수 유지 보수 및 확장 비용을 지불하지 않을 것이라는 점, 두 가지가 FERC와 이해관계자들의 우려였다.

그러나 FERC의 위원장인 윌리 필립스는 또 다른 우려가 있다. 필립스는 아마존의 데이터센터 전력 증설 요청을 거부하는 판결에 대한 반대 의견에서 “오늘의 판단은 국가 안보에도 위험을 초래한다”라고 주장했다. 또 “인공지능 분야에서 미국의 리더십을 유지하는 것이 국가 안보를 유지하는 데 필요하다는 분명하고 초당적인 합의가 있다. ‘시대를 정의하는’ 기술 영역에서 미국의 리더십을 유지하려면 AI 모델을 개발하고 운영하는 데 필요한 데이터센터에 전례 없는 대규모 투자가 필요하다. 안정적인 전력 공급은 이런 데이터센터의 생명선이다. 나는 규제의 리더십과 유연성을 보여주지 못함으로써 이 매우 중요한 문제에 대한 우리나라의 우위를 위험에 빠뜨리고 있다는 점에 대해 깊이 우려하고 있다. 이는 용납할 수 없는 일이다”라고 강조했다.

AI를 위한 효율적인 전력망

애널리스트들은 원자력이 탄소 배출이 없는 인공지능 기반 전력망의 필수적인 부분이라는 데 동의한다. 업타임 인스티튜트의 디트리히는 “전력망을 탄소 없는 에너지로 전환하려는 세계에서 원자력의 매력은 실제로 유일하게 입증된 신뢰할 수 있는 에너지 공급원이며, 필요할 때마다 발전하고 연료 보급이나 유지보수 기간을 제외하고는 용량을 보장할 수 있다는 장점이 있다”라고 지적한다.

디트리히는 “SMR이 선호되는 접근 방식이 될 것이지만 경제성은 여전히 해결해야 할 과제”라고 말했다. 적합한 부지를 찾고 설비를 구축하는 데 드는 비용, 연료 공급 주기, 한 모듈의 유지보수 또는 연료 공급 중에도 일정한 전력 출력을 유지하기 위한 여러 모듈의 통합 및 제어와 같은 사항을 정의해야 한다.

인포테크 리서치 그룹의 리서치 실무 책임자인 존 아난드는 “나머지 전력망에 SMR이 필요한 것과 같은 이유로 데이터센터에도 SMR이 필요하다”며, “현대 사회는 무한한(그리고 값싼) 에너지의 가용성을 전제로 발전하고 있다. 우리는 추가적인 발전 용량이 필요할 뿐만 아니라 더 효율적이고 환경 친화적인 발전이 필요하다. 마지막 요점인 원전에 대해서는 일부에서 논란의 여지가 있지만, SMR이 앞의 두 가지 문제를 매우 깔끔하게 해결한다는 것은 의심의 여지가 없다. 설치 면적이 5에이커 정도로 작기 때문에 기존 원자력 발전소보다 훨씬 더 많은 곳에 건설할 수 있으며, 전기가 필요한 곳에 가까이 위치할 수 있기 때문에 송전으로 인한 손실이 적다. 이는 8~12%p의 추가적인 효율성 향상을 의미하며, 증가하는 수요를 고려할 때 큰 영향을 미친다. 그리고 데이터센터에는 수요가 있다!”고 강조했다.

아난드는 또 “우리는 이미 상승 궤도에 올라와 있었고, GPU와 AI의 전력 소모가 많은 수요로 인해 그 논의가 11단계까지 올라갔을 뿐”이라고 덧붙였다. SMR은 이론적으로 학생수가 예상을 뛰어넘어 급증한 고등학교 옆에 있는 이동식 교실처럼 데이터센터 바로 옆에 배치할 수 있다. 과거에는 전력이 가장 저렴한 곳에 데이터센터를 배치했지만, 이제는 필요한 곳에 전력을 공급할 수 있기 때문에 매우 우아한 솔루션이다”라고 설명했다.

근본적인 질문도 빠뜨리지 않았다. “용량이 증가하면 더 많은 소비를 유도할 수 있다. 더 큰 문제는 그 소비에서 가치를 창출하고 있느냐는 것이다. AI는 많은 과대광고를 불러일으켰고, 그 결과 많은 전력을 생산해야 한다. 증상보다는 과대광고에 대처하는 것이 장기적으로 더 나은 해결책이 될 수 있다”고 덧붙였다.
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