애널리스트 리포트로 공부하는 산업 - 에너지

하나증권의 2024. 12. 11.자 글로벌 In-depth 리포트를 참고하여 공부하였습니다.

상업용 목적의 글은 아니지만, 문제가 되는 부분이 있다면 비공개로 전환할 예정입니다.

 

원자력 - 미국 에너지전환과 원전 르네상스

 

summary

- 원자력은 AI데이터센터 전력 수요 급증과 빅테크 SMR 선호를 바탕으로 수혜

  원자력은 2023년 기준 미국 전력 발전의 19%를 차지하고 있는 에너지원

  AI로 인해 데이터센터 전력 수요가 급격하게 증가한 점, 데이터센터와 차세대 원전인 SMR(소형모듈원전)의 좋은 궁합을 이유로 재생에너지보다 단기적인 관점에서 원자력에 대한 관심이 증가

 

- 트럼프 2기 에너지정책과 글로벌 탈탄소 기조 역시 원자력 수요 증가  요인

 정책적으로도 트럼프 2기 행정부는 에너지자립을 강조하며 트럼프 1기, 바이든에 이어 친원전 기조를 이어갈 전망

 

미국의 원자력 산업 발전 방향

미국에서 원자력 발전 방향은 3가지로 요약 가능함 

1) 단기적으로 대형 원전은 신규보다 폐원전 재가동+수명 연장 선호 

2) 원전 종류별로는 SMR 비중 증가

3) 에너지 자립 측면에서 SMR 등 선진 원자로의 주요 연료인 HALEU(고순도저농축우라늄)에 대한 미국내 공급망 재편 의지

 

대형원전 Project의 경우 막대한 건설비용과 시간을 필요로하기 때문에 건설지연이 빈번함
(일반적인 대형 건설프로젝트의 경우에도 항상 공기지연이 발생함 ex) 지하철공사 등)

최근 미국에서 30년만에 신규 건설된 보글 3,4호기 역시 예정보다 7년 가량 늦게 가동을 시작

이에 2기의 폐원전이 각각 2025년, 2028년을 목표로 재가동을 준비중이며

기존 40년 수명을 60, 80년까지 연장되고 있는 추세

원전의 종류 중에는 SMR 선호가 높다. 대형 원전 대비 크기는 약 1/100, 출력은 1/3 에서 1/5 수준으로 줄인 작은 원전으로 상대적으로 높은 안전성과 빅테크의 SMR 투자 기조를 고려할 때 SMR의 선호는 더욱 높아질 전망

미국에서는 SMR의 연료인 HALEU의 미국 공급망을 구축하고 있다. 러시아를 배제하며 에너지 자립도를 높이고자 하는 의지 ( 미국은 러시아가 에너지를 통해 부유해지는 것을 막고자 한다)

 

GE버노바(GEV) : GE-히타치 합작법인을 통해 SMR(BWRX-300)을 2029경 상용화를 목표로 개발 중

주력사업은 가스터빈과 전력 인프라

 

BWX테크놀로지(BXWT): SMR 개발 위주의 puerplay peer와는 달리 설계, 부품제조, 연료기술 모두 보유하고 있음.

뉴스케일, 테라파워와 이미 계약을 체결한 이력이 있음.

'24년 10월 HALEU개발지원업체에 선정됨.

본업은 핵잠수함 사업

1950년대부터 원자력 부품공급을 했던 역시갚은 기업임.

 

콘스텔레이션 에너지(CEG) : 미국 원자력 캐파 1위(22.1GW) IPP 
에너지원 비중은 원자력 67%, 천연가스/석유 25%, 풍력/태양광/수력 8%
고객사 도매, 소매 중에는 소매의 비중이 70%로 높은 편. 상대적으로 수요 변동이 낮아 안정적
‘24년 9월 마이크로소프트와의 PPA(Power Purchase Agreement) 계약 사례로 빅테크와의 계약에서 경쟁력 높은 편.
데이터센터는 기존 계약보다 프리미엄 계약 가능하다는 장점 

 

카메코(CCJ) : 글로벌 우라늄 매장량 3위 국가인 캐나다 기업.

우라늄 선행핵연료주기 모든 과정에서 사업 영위

지역별로 미국 비중이 50% 넘어가며 가장 높은 편

웨스팅하우스 지분 인수하며(49%) 원자로까지 포트폴리오 확장

미국 우라늄 공급 1위 업체로서 우라늄 초과 수요 지속에 따른 매출 확대를 기대.

경쟁사 대비 지정학적 안정성 높은 장점 

 

0. Intro

 AI 모멘텀은 데이터센터와 전력 인프라를 지나 발전원인 에너지까지 이어지고 있음

미국에서 원자력은 2023년 기준 전력 발전의 19%를 차지하고 있음

원자력은 에너지 전환에서 기저 부하 역할을 할 계획이었으나,

AI의 등장으로 인한 예상보다 더 큰 전력 수요는 다시 원자력에 대한 기대감을 높이고 있음

 

 ‘작은 모듈 원자로’를 의미하는 SMR은 기존 원자력이 가지고 있던 장점인 적은 탄소 배출과 안정적 출력이라는 장점은 유지한 채, 비용과 건설 기간 측면에서 대형 원전이 가지고 있던 단점을 보완한 소형 원자로

SMR은 아직 태동 단계의 기술임

전 세계에서 가동중인 SMR은 러시아와 중국에 있는 총 3기에 불과함.

현재는 18개국가 70개 모델의 SMR 개발 중 -> 전력 수요 증가의 주요한 축이었던 빅테크는 모두 각기 다른 SMR기술에 투자하거나 서둘러 계약을 체결하고 있음.

 

1. 원자력 101

1) 원자력 발전 원리

원자력은 전력 발전에 있어 글로벌 기준 9%, 미국 기준 19%를 담당하고 있음

원자력 발전의 원리는 결국 물을 끓인 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다는 점에서 화력발전과 동일함.

즉, 화력발전과의 차이는 ‘열원’뿐임.

화력발전이 석탄/석유/가스 등 화석연료를 연소시켜 얻은 열에너지로 물을 끓이는 반면

원자력발전은 우라늄을 연료로 사용해 우라늄이 핵분열을 할 때 나오는 에너지로 물을 끓이는 것임.

 

세상의 모든 물질을 이루는 원자는 전자와 원자핵으로 구성되며 다시 원자핵은 양성자와 중성자로 구성됨.

이때 양성자의 수에 따라 원소의 종류가 결정된다.

원자력발전의 연료인 우라늄은 양성자와 중성자의 개수가 매우 많아 무거운 특징을 갖는다.

우라늄(U235)의 무거운 원자핵이 중성자를 흡수하면 불안정한 상태를 견디지 못하고 원자핵이 쪼개지게 되는데, 이 같은 현상을 핵분열(Fission)이라고 한다.

핵분열이 발생할 때는 많은 에너지와 함께(E=mc²) 중성자 2~3개가 함께 발생되며 그 중성자가 또 다른 원자핵에 흡수되며 연속적인 핵분열이 발생하게 된다.

원자력 발전은 연쇄적인 핵분열로 인해 발생하는 막대한 에너지를 이용한다.

이를 수식으로 “우라늄235 + 중성자 = 원자핵 2개 + 중성자 2~3개 + 열에너지”로 요약할 수 있다. 

 

원자로는 핵분열 연쇄반응이 너무 빠르게 일어나지 않도록 조절해 필요한 만큼의 에너지를 안전하게 쓸 수 있도록 만든 장치다. 

① 연쇄 핵분열을 일으키는 핵연료(우라늄), 

② 안정된 상태로 연쇄반응을 일으킬 수 있도록 중성자 수를 조절하는 제어봉(은, 붕소 등), 

③ 핵분열시 발생하는 고속의 중성자와 충돌해 중성자의 에너지(속도)를 낮춰 핵분열의 확률을 높이고 연쇄반응을 지속시키는 감속재(물, 흑연 등), 

④ 핵분열에 의해 발생하는 열에너지를 운반, 원자로의 온도를 유지하고 과열되지 않도록 냉각하는 냉각재(경수, 중수 등) 등으로 구성된다.  

 

원자력 발전의 연료인 우라늄은 호주, 카자흐스탄, 캐나다에 주로 매장되어있다. 

채굴-변환-농축-연료 제작으로 이어지는 ‘핵연료 사이클’을 거쳐 펠렛(pellet)으로 가공된다.

우라늄은 채굴(1차 공급) 이외에도 2차 공급도 많은 비중을 차지한다.

2022년 기준 1차 공급은 전체 수요의 74%를 충족시켰으며

상업적 비축, 해체 핵무기, 사용 후 재처리 등에서 나머지 2차 공급에서 26%를 충당했다.

우라늄은 러시아-우크라이나 전쟁과 주요국의 탄소 중립 선언으로 초과 수요 상태가 지속되며 가격이 가파르게 상승했다. 우라늄은 다른 원자재와 다르게 공개 시장에서 거래되지 않으며 판매자-구매자 간 비공개로 계약을 체결하고 있다.

미국은 소량이지만(글로벌 기준 1%) 우라늄 매장지를 보유하고 있으며 채굴 기술도 갖추고 있지만 수입하는 것이 더 저렴하기 때문에 대부분을 캐나다와 호주 등에서 우라늄을 수입하고 있다. 

 

2) 원자력 발전 종류

원자력발전은 연료 , 냉각재 , 감속재 에 따라 여러 종류로 구별된다.

가장 대표적인 종류로 미국에서 개발된 PWR(가압경수형) 과 BWR(비등경수형)이 있으며,
현재 미국에 운영 중인 총 94기의 원자로 중 PWR 은 63기 , BWR 은 31기이다.

두 종류 모두 감속재와 냉각재로 경수(보통의 물)를 사용하는 LWR( Light Water Reactor) 에 속하고,
연료로는 저농축우리늄(LEU)을 사용한다는 공통점이 있다.

 

PWR은 가장 흔한 형태로 , 전세계 가동중인 원전 439 기 중 310기(71%)로 가장 많다.

핵분열로 발생한 에너지가 냉각재를 통해 증기발생기로 전달된 이후, 

열로 데워진 물에서 증기가 발생해 터빈을 돌리게 되는 방식이다.

 

BWR은 약 60기 (13%) 의 비중을 차지하는 두번째로 많은 형태로,

PWR 과 달리 증기발생기를 따로 두지 않고 물을 직접 끓여 증기를 생산한다.

핵연료와 직접 맞닿은 물이 증기가 되기 때문에 사고시 방사성 물질이 쉽게 누출되는
사고가 발생할 수 있는 단점이 있으나 단순한 구조로 효율이 높다.

 

LWR이외에도 냉각재와 감속재로 중수를 사용 하고 , 농축되지 않은 천연 우라늄을 사용하는 PHWR(중수로), 

흑연을 감속재로 사용하고 이산화탄소를 1 차 냉각재로 사용하는 AGR( Advanced gas cooled reactor ) 등 이 있다.

 

 

 

3) 원자력 SWOT

원자력의 장단점은 뚜렷하다.
장점은 1) 탄소 배출이 적으며 , 2) 24 시간 안정적인 출력이 가능하다는 것 

단점은 1) 높은 초기 자본 비용 , 2) 긴 건설 기간 으로 인한 높은 불확실성이다.

 

전체 생애주기(건설-운영-폐기)를 기준으로 했을 때 , 1 kWh 전력 발전을 위해 원자력 이 배출하는 CO2 의 양은 5-6 g 으로 에너지원 중 가장 적다.

석탄은 동일 전력 발전을 위해 753-1,095 g, 천연가스는 403-513 g, 태양광은 7-83 g 의 C O2 를 배출한다.

또 원자력은 간헐성 이 최대 단점으로 꼽히는 재생에너지와 달리 , 24 시간 안정적 으로 전력 을 공급하는 것이 가능해 기저부하의 역할을 하고 있다.

안정성을 바탕으로 미국에서 원자력의 설비 가동률 (Capacity Factor)은 2023 년 기준 93% 를 기록했으며 천연가스(59.6%), 석탄(42.4%) 대비 뚜렷하게 높다.

원자력 발전은 화력 발전에 비해 연료의 비중이 적다.

가스 발전은 발전 영업비의 87%, 석탄 발전은 78% 가 연료비에서 발생하는 반면

원자력 발전의 연료비 비중은 34% 다.

 

따라서 이미 건설된 플랜트의 운영은 비용 증가의 위험에서 안전한 편이다.

다만 신규 원자력 발전소의 경제성 평가를 위해서는 LCOE(균등화발전비용)의 가장 많은 비중을 차지하는
자본 비용에 대한 고려가 필요하다. 신규 원전의 LCOE는 변동비에 비해 고정투자비가 중요하며 ,

건설 기간이 길기 때문에 이자율에 매우 민감한 특징을 갖는다.

 

원자력발전소의 신규 건설에는 높은 자본 비용 과 정책적 영향이 복합적으로 작용하며 이로 인해 건설 지연이 매우 빈번하게 발생한다. 2024년 7 월 상업 운전을 시작한 미국 보글 3,4 호기 역시 예상보다 높 은 비용 발생 설계 변경 문제 , 웨스팅하우스 파산 문제 등이 복합적으로 작용하며 당초 계획 대비 약 7 년 지연되어 가동을 시작했다 . 

이에 미국에서는 기존 원전의 수명을 연장하고 있는 추세다 미국 원자력규제위원회 (NRC) 는 안전 기준을 충족할 경우 최대 80 년까지 운영할 수 있도록 승인하고 있으며 6 기가 80 년 계속운전 승인을 받았다.

 

 

2. 미국 원자력 현황 점검

1) 미국 에너지 믹스

2023년 기준, 원자력은 미국 에너지 발전 믹스의 19%를 차지

다만 전력 수요가 급격하게 증가하는 상황과 탄소 감축 목표 등을 고려할 때 장기적인 신재생보다 단기적인 관점에서 원자력의 기회에 주목해야 한다. 또 미국은 2050까지 원전 설비 용량을 3배 늘리는 COP28에 서명함에 따라
2035년까지 35GW, 2040년까지 15W의 설비 용량을 추가해 장기적으로 원전 발전량을 늘
릴 계획이다. EIA는 2050년 미국 전력 발전 에너지 믹스는 신재생 44% > 천연가스 34% >
원자력 12% > 석탄 10%가 될 것으로 전망했다.

 

글로벌 기준으로 원자력은 약 9%의 전력을 공급하고 있다. IEA(국제에너지기구)는 ‘세계 에
너지 전망’에서 재생에너지만으로는 전력 탈탄소화에 한계가 있으며 2050 넷제로 달성에 원
전이 중요한 역할을 할 것으로 전망했다. 원자력의 글로벌 성장을 주도하는 국가는 중국이
다. 중국에서는 정부 차원에서 적극적인 자금 조달을 지원하고 있어 건설 지연도 없는 편이
다.

 

2) 미국 원자력 발전 현황

미국에서 가동중인 원자로의 수는 1998년부터 2013년까지 104기를 유지했으며 2022년 92기로 감소했다. 

다만 2012년 이후 원자로의 수는 꾸준히 감소했으나 개별 원자력 발전소의 출력 증가, 가동 중단 시간 단축을 통해 1990년~2021년 사이 미국 전력 발전의 19~20% 비중을 꾸준히 유지했다. 

 

글로벌 전체 원자력 발전 용량 기준 약27%가 미국에서 발생하고 있어 프랑스(17%)와 중국(15%)과 비교했을 때도 압도적인 1위국가이다. 미국에서는 규모의 경제와 운영비 절감 효과를 위해 80%의 원자력 발전소에서 하나 이상의 원자로를 두는 multi-unit site 방식을 채택하고 있다. 지리적으로 상업용 원자력 발전소가 가장 많이 위치한 곳은 미시시피강의 동쪽으로, 특히 일리노이주는 11개의 원자로를 보유하고 있으며 전력 발전의 약 55%를 원자력이 담당하고 있다.

미국에서 가동 중인 원자로의 평균 가동년수는 42년이 되었다. 미국의 초기 승인 수명은 40년이나, 대부분이 수명을 추가로 최소 20년을 연장하고 있는 추세다. 79기(85%)는 60년의수명을 승인 받았으며 6기(6%)는 20년을 추가로 더해 총 80년의 수명을승인 받은 상태이다. 수명 연장의 가장 큰 이유는 비용 절감으로, 40년에서 60년으로 첫 20년을 연장할 경우
총 3,300억 달러의 비용을 절감할 수 있는 것으로 알려졌다.

 

미국의 원자력 발전은 다른 에너지산업 대비 더 많은 지역 내 일자리를 제공하고 있으며 평균 임금도 높은 편이다. 원자력 발전소에서 직접적으로 발생하는 고용은 약 70,000명이며이들의 평균 임금은 미국 전체 중위값의 2배 이상이다(2021년 기준 시간당 39달러).

미국 원자력 규제를 담당하는 주요 기관으로는 NRC(원자력규제위원회)가 있다. 1974년, 미국 의회에서 독립적으로 만든 기구다. 주요 역할로 원자력 발전소의 건설과 운영에 대한 인허가를 담당하고 있다. 미국 대통령이 임명하고 상원에서 승인하는 다섯 명(임기 5년)의 위원으로 구성된다. 이외에도 에너지부(DOE)에서는 핵분열 및 융합 기술, 연료 주기 관련 연
구개발을 포함해 원자력 관련 정책을 수립, 실행하고 있다.

 

3) Key player

원자력 공급망은 크게 여섯 가지 단계로 구분할 수 있다. ① 핵연료, ② 설계, ③ 기기 제조, ④ 시공, ⑤ 운영, ⑥ 해체 및 연료 폐기물 관리다. 후쿠시마 사고 이후 글로벌 탈원전 기조가 확산하며 미국에서는 기자재 및 시공 업체들이 많이 사라지고 핵연료/설계/운영/해체 관련 기업들 위주로 남게 되었다. 

① 핵연료는 우라늄 매장 국가가 한정적이고 농축 시설도 특정국에만 허용되기 때문에 소수 업체가 시장을 과점하고 있다. 대표적으로 캐나다의 카메코, 러시아의 로사톰, 중국의 CNNC가 있다. 

② 설계는 원자력 발전의 핵심 부분으로 원천기술은 미국에서 주도하고 있다. 

③ 기기 제조는 생산설비 확보에 대규모 자금이 필요하고, 높은 기술력을 요구하기 때문에 소수의 업체에서 담당하고 있다. 미국 BWX테크놀로지, 일본의 미쓰비시와 IHI 등이 대표적이다. 

④ 시공은 건설사에서, ⑤ 운영은 발전 설비사에서 담당한다. 미국에서 원자력 발전 캐파가 가장 높은 발전사로는 콘스텔레이션 에너지, 비스트라에너지, PSEG 등이 있다. 

⑥ 해체 및 폐기물 관리는 미국의 홀텍, 프랑스의 오라노 등이 대표적이다. 특히 오라노의 경우 핵연료부터 발전소의 건설까지 모두 다루던 프랑스의 아레바가 사명을 변경하며 후행 핵연료와 원전 해체에 특화된 기업으로 발전하고 있다.

 

DOE에 따르면 미국 원전 공급망에 속하는 기업들을 모두 포함하면 약 700개 정도이나 주별로 보면 북동부(일리노이, 펜실베니아, 뉴욕 등)/텍사스/캘리포니아 지역에 밀집되어 있다.
2030년 이후 신규 원전의 30% 비중을 달성할 것으로 전망되는 SMR은 대형 원전과 달리 ‘설계+주기기+시공’이 통합 발주 형태로 진행될 것으로 예상된다. 국내 많은 건설사들이 SMR 업체에 투자하고 있는 이유 역시 이와 관련된다.

3. SMR, 미국 최초 호 기 를 기다리며

1) SMR, 어 디 까 지 왔 나

(1) SM R 은 아직 태동 단계

SMR(소형 모듈 원전)은 원자로에 필수적으로 포함되는 노심과 증기발생기 , 냉각재 펌프 , 가압기 등을 하나의 압력용기 안에 배치해 기존 대형 원전 대비 크기를 100 분의 1 이하로 줄이고 출력의 양도 300MWe 이하로 줄인 작은 사이즈의 원전이다 . 뉴스케일파워의 SMR 을 기준으로 높이는 약 23.2m 로 아파트 9 층 높이 , 직경 약 4.6m, 700 톤의 크기다 . 모듈형으로 제작되어 발전소 현장에서 건설되는 대형 원전과 달리 공장에서 많은 부분이 생산되어 현장작업을 최소화하는 특징이 있다 또 '피동형 (Passive)’ 설계를 통해 안전성을 높이고 있는데, 피동성은 능동성 (Active) 의 반대 개념으로 , 사고 발생 시 발전소 직원의 별도 조작 없이도 안정적인 냉각을 보장할 수 있는 성질을 의미한다. 노심의 열이 증기 발생기로 전달되어 자연 순환을 통해 열이 제거되기 때문이다

 

SMR은 아직 태동 단계의 산업이다 가동 중인 SMR 은 중국과 러시아에 있는 총 3 기에 불과하다. 18 개국에서 70 개 이상의 설계가 제안되어 개발 진 행 중 이나 90% 이상이 개발 초기단계 로 분류된 다 미국의 뉴스케일파워의 최초 호기 프로젝트인 CFPP( Carbon Free Power Project) 는 2029 년에 아이다호주에 SMR 6 기를 배치하는 것을 목표로 했으나 비용 상승 등의 문제가 복합적으로 작용하며 결국 실패로 돌아갔다 현재 뉴스케일파워는 미국이 아닌 루마니아에서 SMR 프로젝트를 진행 중이며 , 테라파워는 와이오밍주에서 , X Energy 는 텍사스주에서 최초 호기 프로젝트를 진행하고 있다. 대부분의 프로젝트는 2030 년을 전후로 가동하는 것을 목표로 하고 있다.

SMR은 크게 3 세대와 4 세대로 구분할 수 있다 3 세대 SMR 은 기존 대형 원전과 동일하게 냉각재로 물을 사용하지만 4 세대 SMR 은 헬륨 (X Energy) 등 다른 물질을 사용한다는 점에서 차이가 있다. 결국 2030 년경 어떤 기업에서 최초 호기 프로젝트 에 성공하고 , 이후 파이프라인을 구축해 대량 생산까지 이어져 나가는가가 SMR 산업 에 있어서 중요한 이정표가 될 것으로 전망한다.

(2) 1 세 대 ~4 세 대 원 전

미국의 상업용 원자력 발전은 1950 년대에 군사용 원자로를 상업용으로 이용하며 시작되었다. 1942 년 시작된 맨해튼 프로젝트는 제 2 차 세계대전 중 미국이 주도한 핵무기 개발 프로젝트로 1945 년 트리니티 라고 불리는 최초의 원자폭탄 실험에서 성공적으로 폭발한다. 이후 러시아의 오브닌스크 Obninsk) 에서 1954 년에 처음으로 원자력 발전을 상업용으로 이용하며 전기 공급을 시작한다.

원전은 통상 시기별로 1 세대 , 2 세대 , 3 세대 , 개량 3 세대 , 4 세대 총 5 가지로 구분하며 미국의 1 세대 원전은 1953 년 아이젠하워 대통령이 UN 총회에서 ‘Atoms for (평화를 위한 원자력)' 을 제안하며 시작된다 미국의 첫 원자력발전소는 펜실베니아의 Shippingport 플랜트로 , 1957 년 운전을 시작해 1982 년까지 운영되었다 Shippingport 는 웨스팅하우스에서 설계를 담당했으며 원자력잠수함에 적용하던 기술을 개량한 것으로 알려져 있다. 웨스팅하우스의 오랜 경쟁사인 GE 역시 같은 해에 Vallecitos 원자로를 설계하며 원전 사 업에 본격적으로 진출했다

 

2세대 원전은 1960 년대부터 1990 년대에 지어졌으며, 본격적인 상업용 발전의 상용화로 등장했다. 이 시기에는 원자력 발전에 대한 경제성과 안전성에 대한 요구가 높아졌으며 가장 대표적인 원자로의 유형인 BWR, PWR 방식이 등장했다. 1974 년 상업 운전을 시작한 PWR 타입의 Zion 1(1,000MWe) 이 2 세대 초기 원자로를 대표한다 1978 년 국내에서 처음 상업운
전을 개시한 고리 1 호기 역시 2 세대 원자로에 속한다.

3세대 원전은 1990 년대 이후 지어진 원전으로 , 용량 확대 등의 방법을 통해 2 세대에 대비해 경제성을 20~30% 향상시켰다 . 스리마일 사고 (1979 년 ), 체르노빌 사고 (1986 년) 의 경험을 반영해 외부 전원의 개입 없이도 원자로를 안전하게 유지할 수 있는 피동 안전 시스템을 도입하며 안전성을 높였다 미국에서는 AP600 이 대표적인 3 세대 모델로 꼽힌다 개량 3 세대 원전은 기존 3 세대 원자로를 더욱 발전 시킨 형태로, AP1000 등이 있다. 2024 년 6 월 , 미국 에너지부는 개량 3 세대 SMR 기술 개발을 위한 9 억 달러의 자금 지원 신청을 시작한다고 공개했다.

아직 개발 단계인 4 세대 는 안전성 , 경제성 , 지속성을 개선하는 것을 그 목적으로 하고 있다. 4 세대 원전의 가장 큰 기술적 특징은 고온의 핵연료를 냉각시키며 생산된 열에너지를 운반하는 냉각재 에 있는데 , 냉각재로 물을 사용하던 3 세대 경수로와는 달리 액체 금속이나 가스 , 염 등 다양한 물질을 냉각재로 사용한다는 점이며 , 2030 년 상용화 를 목표로 개발 중이다.

 

2) 빅테크와 데이터센터

(1) 빅테크의 원자력 & SMR 투자 증가

최근 원자력과 SMR에 대한 관심이 증가한 가장 큰 이유는 빅테크에서 원자력/SMR 관련 기업에 투자하거나 계약을 체결하는 사례가 증가했기 때문이다. 아직 실적이 나오지 않는 SMR 기업들에 있어서 빅테크와의 계약 체결은 탄탄한 파이프라인의 지표로 활용된다.

 

대표적으로 2024년 9월, 미국의 원전 캐파 1위 기업인 콘스텔레이션에너지는 마이크로소프트와 20년 장기 PPA(전력구매계약)을 체결했다. 구체적인 계약 가격이 공개되지 않았으나 시장에서는 MWh당 약 110달러 내외가 될 것으로 전망하고 있다. 콘스텔레이션에너지가 이번 계약에서 재가동하기로 결정한 스리마일 1호기가 위치한 펜실베니아의 현재 산업용 전력 가격 수준이 MWh당 77.5달러(2023년 기준) 수준이기 때문에 전력에 대한 빅테크의 높은 수요를 확인할 수 있었다.

아마존 역시 원자력에 적극적으로 투자하고 있다. SMR 개발업체인 X-Energy에 5억 달러를 투자하는 계약을 체결했으며 노스웨스트 및 도미니언에너지와도 SMR 프로젝트 개발에도 투자했다. 이들이 소유하고 운영하게 될 원자로에서 생성될 전력에 아마존이 전력 구매 우선권을 갖는 계약이다. 알파벳은 카이로스파워가 가동하는 6~7기의 SMR로부터 500MW의
전력을 공급받는 계약을 체결했다.

 

(2) 빅테크의 원전 선호 이유

빅테크의 적극적인 원자력 투자의 이유는 크게 3 가지다 1) AI 데이터센터로 늘어난 전력 수
요 증가에 대응 , 2) 탈탄소 목표 달성 , 3) SMR 데이터센터의 좋은 궁합

 

데이터센터 서버는 24 시간 가동되어야 하며 내부 온도 유지도 중요하기 때문에 막대한 양의 전기가 사용된다 데이터센터의 전력 소비량 중 서버와 쿨링의 비중이 도합 80% 를 차지한다. 또 데이터 학습량이 많을수록 생성과 추론 능력이 좋아지기 때문에 AI 성능이 좋아질수록 전력 사용량은 증가한다. 하이퍼스케일 데이터센터는 일반 데이터센터의 10~20 배 전
력을 필요로 하며 이는 연간 소비로 계산했을 때 350,000~400,000 대의 전기차 와 유사한 수준이다 . 지역적으로도 미국은 글로벌 전체 데이터센터의 33% 가 위치하고 있다 . 2022 년 미국 전체 전력 수요의 4% 를 차지했던 데이터센터 전력 수요는 2026 년에 6%, 2030 년에는 9% 까지 늘어날 것으로 전망 하고 있다 2023 년 기준 구글 , 마이크로소프트 , 아마존 3 사의 자본 투자 (Capital Investment) 는 미국 전체 석유 가스 사업의 설비 투자 규모를 넘어섰다.

데이터센터 전력 소비 증가는 빅테크의 탄소 배출 증가로 이어졌다. 알파벳 , 애플 , 마이크로소프트 등 주요 빅테크는 2030 년 전후로 탄소 배출 제로를 목표로 하고 있으나 최근 오히려 탄소배출이 증가하는 추세다 알파벳은 FY23 년 총 탄소배출량이 1,430 만 톤으로 전년 대비 13%, 4 년 전 대비 48% 증가했다고 공시했으며 원인으로는 데이터센터의 전력 소비 증가를 언급했다 . FY23 년 알파벳의 데이터센터 전력 소비량은 전년 대비 17% 증가했다. 원자력은 에너지원 중 가장 적은 이산화탄소를 배출하는 편으로 , 빅테크의 넷제로 목표에 적합하다 . DOE 의 연구에 따르면 원자력발전을 재생에너지 및 저장 시스템과 함께 사용할 경우 발전 및 송전 시스템 비용이 약 37% 감소하는 효과를 가져 온다 . 비용적 측면에서도 변동성 재생에너지 (태양광 , 풍력)의 운영 비용이 낮은 편에 속하지만 재생에너지 만 으로 탈탄소를
할 경우 적정성과 신뢰성을 위해 필요한 발전 용량의 규모로 인해 시스템 비용이 높아 지게
되는 것이 다 .

 

데이터센터는 24 시간 , 대용량의 전력을 필요로 한다는 점에서 원자력과 궁합이 좋다. 또 SMR 의 모듈적 특성으로 용량 조절이 용이 하며 향후 데이터센터 소비처 와 SMR( 발전소 를물리적으로 가까이 두는 코로케이션 Co location) 방식에 대한 선호가 증가할 것으로 전망한다.