AI 데이터센터를 위한 SMR 원자력 발전: 실현 가능성 및 구현 일정

2025년 12월 8일 업데이트

마이크로소프트가 스리마일 아일랜드 원자로 재가동 계약을 체결한 것은 하이퍼스케일러들의 전력 확보 방식에 근본적인 변화가 일어나고 있음을 보여준다. 이 거래를 통해 마이크로소프트는 AI 데이터센터 전용으로 800MW 이상의 무탄소 전력을 확보했다. 아마존, 구글, 마이크로소프트는 현재까지 원자력 파트너십에 100억 달러 이상을 투자했으며, 전 세계적으로 22기가와트 규모의 프로젝트가 개발 중이다.¹ AI의 끝없는 전력 수요와 SMR 기술의 융합은 전례 없는 기회를 창출한다: 데이터센터가 자체 원자력을 생산하여 kWh당 $0.04 미만의 전기 비용을 달성하고 전력망 의존을 완전히 제거하는 것이다.

2025년 12월 업데이트: 원자력-AI 융합이 급속히 가속화되었다. 아마존은 X-energy에 5억 달러 규모의 투자를 주도하며 2039년까지 5GW를 생산하는 다수의 SMR을 계획하고 있으며, 버지니아 데이터센터를 위해 Energy Northwest(960MW)와 Dominion Energy(300MW 이상)와도 계약을 체결했다. 구글은 Kairos Power와 500MW 공급 계약을 맺었고, 2025년 5월에는 Elementl Power에 초기 자본을 투입해 미국 3개 지역에서 총 1.8GW 규모를 확보했다. 미국 에너지부는 2028년까지 마이크로소프트 데이터센터용으로 스리마일 아일랜드 재가동을 위한 10억 달러 대출을 승인했다. 트럼프 대통령은 2025년 5월 SMR 배치 가속화와 NRC 인허가 완화를 위한 4건의 행정명령에 서명했다. Oklo는 2027년까지 첫 SMR 시스템 납품을 계획하고 있으며, 최초의 상용 SMR 기반 데이터센터는 2030년에 가동될 것으로 예상된다. AI 데이터센터는 2030년까지 연간 945테라와트시를 소비할 것으로 예상되는데, 이는 일본의 전체 전력 소비량과 맞먹는 규모로, 이러한 전례 없는 원자력 투자 급증을 이끌고 있다.

Constellation Energy의 16억 달러 규모 스리마일 아일랜드 재가동 프로젝트는 AI 기업들이 20년 장기 전력 구매 계약을 프리미엄 가격에 보장할 경우, 40년 된 원자력 기술조차 경제적으로 타당해진다는 것을 보여준다.³ SMR은 메가와트당 자본 비용을 50% 절감하고, 건설 기간을 10년에서 3년으로 단축하며, 데이터센터 성장에 맞춰 모듈식 확장이 가능하여 이 방정식을 획기적으로 개선한다.⁴ 첫 SMR 배치는 2029년에 가동을 시작할 예정이며, 아이다호에 건설되는 NuScale의 462MW 프로젝트가 유타 지자체의 데이터센터에 전력을 공급하면서, 오라클, 아마존, 구글이 앞다투어 복제하려는 모델을 입증하게 된다.⁵

데이터센터 적용을 위한 SMR 기술 기초

소형 모듈형 원자로(Small Modular Reactor, SMR)는 기존 원자로의 10분의 1 크기로 공장에서 제작되는 유닛에서 검증된 핵분열을 활용해 50-300MW의 전력을 생산한다.⁶ 각 SMR 모듈은 높이 약 23미터(76피트), 직경 약 4.5미터(15피트)로, 단일 트럭으로 현장까지 운송할 수 있다. 모듈식 설계는 점진적인 용량 추가를 가능하게 한다: 초기 GPU 배치를 위해 77MW로 시작하고, 수요가 증가하면 모듈을 추가해 462MW까지 확장할 수 있다. 건설은 병렬로 진행된다—공장에서 모듈 조립이 이루어지는 동안 현장 준비가 진행되어, 10년 이상 걸리던 마라톤을 36개월의 스프린트로 압축한다.

물리학적 특성이 데이터센터 적용에 완벽하게 부합한다. SMR은 95%의 가동률로 운영되며, 날씨, 계절, 시간대에 관계없이 일정한 전력을 공급한다.⁷ 핵열은 섭씨 299도(화씨 570도)의 증기를 생성하며, 33%가 전기로 변환되고 67%는 폐열이 된다. 진보적인 데이터센터는 이 열에너지를 지역난방, 담수화 또는 수소 생산에 활용하여 유효 효율을 80% 이상으로 끌어올린다. 462MW 설비에 필요한 부지는 약 14헥타르(35에이커)에 불과하며, 이는 동등한 용량의 태양광 발전에 필요한 약 2,023헥타르(5,000에이커)와 비교된다.

수동 안전 시스템은 능동적 개입 없이 물리법칙을 통해 후쿠시마 유형의 재난을 방지한다. NuScale의 SMR 설계는 1,740만 리터(460만 갤런)의 물이 담긴 수조에 잠겨 있어, 펌프, 전력, 인간 개입 없이 30일간 수동 냉각을 제공한다.⁸ 원자로 용기는 대기압에서 작동하여 폭발적 감압을 방지한다. 자연순환이 펌프 없이 냉각수를 이동시킨다. 삼중 격납 장벽이 방사선 누출을 방지한다. 미국 원자력규제위원회(NRC)는 이러한 설계가 인구 밀집 지역에서 500미터 거리에 배치할 수 있을 만큼 안전하다고 인증했다.

연방 지원을 통한 규제 경로 가속화

미국 원자력규제위원회(NRC)는 2020년 NuScale의 SMR 설계를 승인하여 미국 역사상 최초의 SMR 인증을 부여했다.⁹ 12,000페이지에 달하는 신청서 검토에 42개월이 소요되었으며, 이후 설계들이 따를 템플릿이 확립되었다. TerraPower, X-energy, Kairos Power의 신청서가 다양한 단계에서 검토 중이며, 2027년까지 승인이 예상된다. 표준화된 설계 인증은 동일한 원자로가 현장별 인허가 지연 없이 미국 어디에서나 배치될 수 있음을 의미한다.

연방 인센티브는 인플레이션 감축법(Inflation Reduction Act)의 원자력 생산세 공제(15달러/MWh)와 자본 비용의 30%를 커버하는 투자세 공제를 통해 SMR 경제성을 변화시킨다.¹⁰ 에너지부의 첨단원자로시범사업(Advanced Reactor Demonstration Program)은 최초 배치를 위한 32억 달러의 비용 분담을 제공한다. 대출 보증은 금융 비용을 200 베이시스 포인트 낮춘다. 결합된 인센티브는 SMR의 균등화 비용을 89달러/MWh에서 58달러/MWh로 낮추어 천연가스와 경쟁력을 갖추게 한다.

주정부 규제는 다양한 과제를 제시한다. 와이오밍, 아이다호, 버지니아 주는 SMR 허가를 간소화하는 법률을 제정하여 승인 기간을 36개월에서 18개월로 단축했다.¹¹ 캘리포니아와 뉴욕은 신규 원자력 건설에 대한 모라토리엄을 유지하고 있지만, 기술 기업들의 압력이 재고를 강제할 수 있다. 국제 배치는 국가별 규제에 직면하며, 캐나다, 영국, 폴란드는 기후 목표 달성을 위해 SMR 승인을 신속 처리하고 있다.

데이터센터 SMR 배치를 위한 구현 일정

2024-2025년: 부지 선정 및 계획 수자원 접근성, 지진 안정성, 데이터센터 부하와의 근접성을 갖춘 적합한 위치를 식별한다. 환경영향평가와 지역사회 참여를 수행한다. 냉각을 위한 수리권을 확보한다—각 SMR은 일일 약 5,680만 리터(1,500만 갤런)가 필요하다.¹² 최소 20년 계약 조건의 전력 구매 계약을 협상한다. NRC에 초기 인허가 신청서를 제출한다.

2026-2027년: 인허가 및 설계 NRC 인허가 검토 과정을 완료한다. 사전 승인된 설계의 경우 일반적으로 18-24개월이 소요된다. 표준 설계를 현지 조건에 맞게 적용하는 현장별 엔지니어링을 완료한다. 원자로 용기, 증기발생기, 터빈을 포함한 장기 납품 부품을 조달한다. 경험 있는 원자력 건설사와 건설 계약을 체결한다. 굴착 및 기초 공사를 포함한 부지 준비를 시작한다.

2028-2029년: 건설 및 시험 공장 납품 후 초기 SMR 모듈을 설치한다. 터빈 홀과 냉각 시스템을 포함한 발전소 부대시설 건설을 완료한다. 전용 변전소를 통해 데이터센터 전기 인프라에 연결한다. NRC 감독 하에 냉온 시험과 초기 임계 달성을 수행한다. 운전원 훈련 및 자격 인증 프로그램을 완료한다.

2029-2030년: 상업 운전 점진적 출력 상승과 함께 상업 전력 생산을 시작한다. 95% 가동률 달성을 위한 운영을 최적화한다. 데이터센터 성장에 따라 추가 모듈을 증설한다. 18개월 연료 교체 주기의 연료 공급 계약을 체결한다. 성능 지표와 규제 준수를 모니터링한다.

비용 분석: 대규모에서 드러나는 매력적인 경제성

자본 비용이 SMR 경제성을 좌우하며, 최초 유닛의 경우 설치 용량 kW당 15,000달러가 소요된다.¹³ 77MW SMR은 11.5억 달러의 초기 투자가 필요하다. 그러나 공장 생산을 활용하는 n번째 유닛은 kW당 6,000달러를 달성하여 462MW 설비 비용은 28억 달러가 된다. MW당 1,000만 달러의 데이터센터 건설 비용과 비교하면, SMR은 총 시설 비용의 28%를 추가하면서 60년간의 전력 독립성을 제공한다.

운영 비용은 연료, 유지보수, 규제 준수를 포함해 12달러/MWh로 최소 수준을 유지한다.¹⁴ 우라늄 연료는 장기 계약 기준 5달러/MWh에 불과하다. 35명의 운영 인력 비용은 연간 700만 달러이다. 규제 수수료, 보험, 해체 기금은 연간 1,500만 달러가 추가된다. 총 전력 비용은 인센티브 없이 65달러/MWh, 연방 지원 시 42달러/MWh로 계산된다.

재무 모델링은 8년차 이후 양의 순현재가치(NPV)를 보여준다: - 초기 투자: 28억 달러 (462MW SMR) - 연간 수익: 3억 5,800만 달러 (kWh당 $0.09 PPA 기준) - 운영 비용: 5,400만 달러 - 연간 현금 흐름: 3억 400만 달러 - 투자 회수 기간: 9.2년 - 20년 NPV: 21억 달러 (8% 할인율 기준)

Introl은 글로벌 서비스 지역의 데이터센터 운영자들을 위한 SMR 기회를 평가하며, 원자력 통합의 복잡한 기술적, 규제적 요구사항을 탐색하도록 지원한다.¹⁵ 우리 팀은 50개 이상의 잠재적 SMR 부지를 평가했으며, 원자력이 데이터센터 경제성을 변화시킬 수 있는 위치를 식별해왔다.

운영을 향해 진행 중인 실제 SMR 프로젝트

Standard Power - 오하이오: 다수의 SMR을 활용한 2GW 원자력 기반 데이터센터 캠퍼스 개발 중. 2029년 시작되는 462MW 1단계를 위해 NuScale과 파트너십 체결. 주정부가 20억 달러 세금 인센티브 제공. 이미 두 하이퍼스케일러와 전체 용량에 대한 LOI 체결.¹⁶

Dominion Energy - 버지니아: 북부 버지니아 데이터센터에 전력을 공급하기 위해 North Anna 원자력 발전소에 SMR 배치 계획 중. 기존 원자력 전문성과 인프라 활용. 462MW 용량을 데이터센터 고객 전용으로 배정. 2027년 건설 시작, 2032년 운영 예정.¹⁷

Ontario Power Generation - 캐나다: 2028년까지 Darlington 부지에 GE-Hitachi 300MW SMR 배치. 토론토 데이터센터가 주요 고객. 주정부가 9억 7,000만 달러 자금 지원. 전력 구매 계약 가격은 MWh당 85캐나다달러로 체결.¹⁸

Talen Energy - 펜실베이니아: 기존 Susquehanna 원자력 발전소에 인접한 데이터센터 건설 중. 아마존이 960MW 캠퍼스 개발에 투자. 현재 용량 초과 확장을 위한 SMR 추가 검토 중. 원자력에서 데이터센터로의 직접 연결로 송전 손실 제거.¹⁹

데이터센터 인프라와의 기술적 통합

SMR 통합에는 원자력 기저부하와 데이터센터 변동성을 처리하는 정교한 전력 관리 시스템이 필요하다. 원자로는 일정한 출력에서 최적으로 운영되지만, GPU 워크로드는 시간당 40%까지 변동한다. 배터리 에너지 저장 시스템(BESS)이 불일치를 완충하여, 저수요 시 초과 발전량을 저장하고 피크 시 보충한다. 462MW SMR과 150MWh 배터리 저장장치를 결합하면 원자력 가동률을 극대화하면서 계통 안정성을 유지한다.

냉각 시너지가 효율성 향상을 배가시킨다. 섭씨 149도(화씨 300도)의 SMR 폐열은 흡수식 냉동기에 완벽하게 적합하며, 데이터센터 운영에 무상 냉각을 제공한다.²⁰ 1MW의 폐열은 350냉동톤의 냉각을 생성하여 기계식 냉각 요구를 제거한다. 열병합 발전 구성은 전기 전용 운영의 33% 대비 85%의 총 효율을 달성한다.

송전 인프라는 신뢰성을 위한 신중한 설계가 필요하다. N+1 이중화를 갖춘 전용 변전소가 지속적인 전력 공급을 보장한다. 지중 송전선로는 기상 취약성을 제거한다. 동기조상기는 계통 안정성과 무효전력 지원을 제공한다. 블랙스타트 기능은 계통 가용성과 무관하게 데이터센터 운영을 가능하게 한다.

원자력 우려를 해소하는 리스크 완화 전략

원자력의 우수한 안전 기록—TWh당 0.07명 사망 대 석탄의 24.6명—에도 불구하고, 대중 인식이 주요 과제로 남아 있다.²¹ 건설 3년 전부터 시작하는 지역사회 참여가 사회적 허가를 구축한다. 건설 일자리 300개와 상시 일자리 35개를 포함한 경제적 혜택이 지역 지지를 얻는 데 도움이 된다. 연간 1,000만 달러의 재산세 수입이 학교와 인프라에 기여한다.

기술적 리스크는 최초 배치에 집중된다. 평균 30%의 비용 초과가 초기 원자력 프로젝트를 괴롭힌다. 일정 지연은 통상 18개월이 추가된다. 초기 배치를 통한 기술 성숙이 후속 프로젝트의 리스크를 줄인다. 첫 유닛 이후의 확정가 계약이 초과 비용을 방지한다.

규제 변화가 프로젝트 경제성에 영향을 미칠 수 있다. Extensio

[번역을 위해 콘텐츠 일부 생략]