AI 시대 전력 수요 증가와 원자력의 역할

인공지능(AI)의 비약적 발전은 막대한 전력 수요 증가를 야기하고 있습니다. 초거대 AI 모델의 **학습(Training)**부터 일상적인 추론(Inference) 서비스까지, AI 구현에는 방대한 전력이 필요합니다. 이러한 전력 수요 폭증은 데이터센터를 중심으로 이미 가시화되고 있으며, 탄소중립 시대에 맞춰 안정적으로 전력을 공급하기 위한 해법이 중요해졌습니다. 이에 따라 원자력 발전이 재조명되고 있습니다. 원자력은 탄소 배출 없이 24시간 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 에너지원으로, AI 인프라의 전력 수요를 충당하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다npr.org. 본 보고서에서는 AI 학습·추론 과정의 전력 소비 현황, 데이터센터 전력 수요 증가 추세, 원자력의 장점, 주요 국가와 기업들의 대응, 차세대 원자력 기술(SMR 등)의 가능성, 다른 에너지원과의 비교, 그리고 향후 전망과 정책적 고려사항을 체계적으로 분석합니다.

AI 학습 및 추론의 전력 소비 현황

AI 모델의 학습 단계는 매우 높은 전력을 요구하는 작업입니다. 예를 들어 대규모 언어모델인 GPT-3를 한 차례 학습시키는 데 약 1,287 MWh의 전력이 소모된 것으로 추산되는데, 이는 미국 가정 120가구의 1년치 전력 소비에 해당하는 막대한 양입니다developmentaid.org. 이 과정에서 발생한 탄소 배출량은 약 502톤으로, 휘발유 차량으로 160만 km를 주행할 때의 배출량에 맞먹습니다developmentaid.org. 또 다른 연구에서는 프랑스 등 유럽 연구진이 개발한 BLOOM 모델을 한 번 학습시킬 때 배출되는 온실가스가 프랑스 국민 1인당 연간 배출량의 10배에 달한다는 결과도 나왔습니다polytechnique-insights.com. 이러한 수치는 AI 모델 학습이 경제적 비용뿐 아니라 환경적으로도 막대한 부담을 준다는 점을 보여줍니다.

한편 AI 서비스 운영 단계인 추론 과정 역시 누적하면 학습 못지않게 많은 전력을 소비합니다. 특히 생성형 AI와 같이 복잡한 연산을 수행하는 모델들은 사용자 질의 1건당 소비 전력이 기존의 단순 웹 검색보다 월등히 높습니다developmentaid.org. 국제에너지기구(IEA)는 챗GPT와 같은 AI 챗봇에 질문 하나를 입력할 때, 일반적인 구글 검색의 최대 10배에 달하는 전력을 소모할 수 있다고 분석했습니다developmentaid.org. 실제로 AI 모델의 추론은 수많은 사용자들의 실시간 요청에 따라 24시간 지속적으로 발생하기 때문에, 현재는 AI 관련 전력 소비의 대다수가 추론 단계에서 이루어지고 있는 것으로 나타났습니다developmentaid.org. 예를 들어 이미지 생성 AI 등의 서비스는 한 번의 요청에도 검색 엔진보다 훨씬 많은 전력을 요구하며, 수십억 건에 달하는 일일 AI 요청들을 모두 합산하면 그 에너지 수요는 기하급수적으로 커집니다developmentaid.orgdevelopmentaid.org.

AI 모델의 1회 요청 당 소비 전력을 기존 검색과 비교한 그래프thebulletin.org. ChatGPT 등의 생성형 AI 질의는 표준 검색보다 훨씬 많은 전력(watt-hour)을 소모함을 보여준다. AI 보편화로 이러한 단위당 전력 소모가 누적되어 전체 전력 수요 급증으로 이어진다.

이처럼 AI의 학습과 추론 전 과정에서 요구되는 전력이 막대하여, AI 열풍에 따른 전력 소비 급증은 이미 에너지 분야의 주요 이슈로 부상했습니다. 현재로선 기업들이 정확한 AI 전력 사용 데이터를 공개하지 않아 정확한 수치를 파악하기 어렵지만polytechnique-insights.com, AI 확산으로 인한 전력 수요는 폭발적인 증가세에 있음은 분명합니다. 전문가들은 AI 활용 범위 확대에 따라 향후 전력 수요가 지수적으로 증가할 것으로 내다보고 있으며, AI의 에너지 효율 향상이 크지 않은 한 이러한 추세를 막기는 어려울 것으로 보고 있습니다polytechnique-insights.comdevelopmentaid.org. 심지어 국제통화기금(IMF)은 AI가 현 추세대로 확산될 경우 2030년까지 전 세계 전력 소비가 3배로 증가하여, 인도 전체가 사용하는 연간 전력량에 맞먹는 추가 수요가 발생할 수 있다고 경고했습니다developmentaid.org. 물론 이러한 극단적 전망에는 불확실성이 있지만, AI 붐이 에너지 인프라에 거대한 부담을 줄 수 있다는 점은 여러 경로에서 지적되고 있습니다.

데이터센터와 AI 인프라 전력 수요 증가 추세

AI의 발전은 데이터센터를 중심으로 한 전력 소비 증가로 나타나고 있습니다. 데이터센터는 AI 모델 학습과 추론을 처리하는 고밀도 연산 인프라로, 전력 소모가 큰 서버 수만 대를 24시간 가동해야 합니다. 이미 2022년 기준으로 전 세계 데이터센터(여기에는 AI 연산 뿐 아니라 클라우드, 암호화폐 채굴 등을 포함)가 소비한 전력은 약 **460테라와트시(TWh)**로, **전 세계 전력 소비의 2%**에 달했습니다polytechnique-insights.com. 이 수치는 프랑스 한 나라의 연간 전력소비량(2023년 약 445TWh)에 맞먹는 규모입니다polytechnique-insights.com. 더욱이 IEA는 2022~2026년 사이에 데이터센터, AI, 암호화폐의 전력 소비량이 두 배로 늘어 2026년에는 약 1,000TWh를 돌파할 것으로 전망하고 있습니다iaea.orgiaea.org. 이는 전 세계 원자력 발전소들이 한 해 생산하는 총 전력의 3분의 1 이상에 해당하며, 일본 전체의 전력 소비와 맞먹는 수준입니다iaea.org. 그만큼 단기간 내 전례없는 속도로 데이터센터 전력 수요가 급증하고 있습니다.

장기 전망을 봐도 상승 추세는 두드러집니다. Goldman Sachs 분석에 따르면 2023년부터 2030년까지 데이터센터 전력 수요가 세계적으로 160% 증가하여, 2030년경에는 데이터센터 alone이 전 세계 전기의 3~4%를 소비할 것으로 예상됩니다bidenwhitehouse.archives.gov. 특히 생성형 AI의 부상이 이러한 증가분의 약 20% 정도를 차지할 것으로 분석되고 있어, AI가 데이터센터 에너지 수요 상승의 주요 인자임을 알 수 있습니다bidenwhitehouse.archives.gov. Wells Fargo 또한 AI 관련 전력 수요만 따로 보면 2024년 8TWh에서 2026년 52TWh로 550% 폭증하고, 2030년에는 652TWh에 달해 2024년 대비 약 80배(8,050%) 성장할 것이라고 전망했습니다bidenwhitehouse.archives.gov. 652TWh는 한국의 연간 전력 소비량에 육박하는 규모로서, 2030년에 전 세계 AI만으로 한국 한 나라만큼의 추가 전력이 필요하다는 의미입니다bidenwhitehouse.archives.govbiz.chosun.com. 미 에너지부(DOE) 산하 연구에 따르면 미국에서는 데이터센터 전력 소비가 2023년 전체 전력의 4.4% 수준에서 2028년경 7~12%까지 높아질 것으로 예측되었습니다bidenwhitehouse.archives.gov. 또 다른 분석은 미국 내 데이터센터 전력 소비가 2023년 147TWh에서 2030년에는 606TWh까지 늘어날 수 있다고 추산하는데developmentaid.org, 이는 미국 주택 5천7백만 가구에 전력을 공급할 수 있는 방대한 양입니다developmentaid.org. 중국의 경우도 상황은 비슷합니다. 2024년 현재 **중국이 세계 데이터센터 전력 소비의 25%**를 차지하여 미국에 이어 2위이며carbonbrief.org, AI 확산으로 향후 수년간 데이터센터 전력 수요가 급격히 증가할 것으로 예상됩니다carbonbrief.org. 그런데 중국 데이터센터들은 약 60% 이상을 석탄 발전에 의존하고 있어 탄소 배출 측면에서 특히 불리한데carbonbrief.org, 중국 정부는 재생에너지와 원자력 발전을 확대하여 2035년에는 데이터센터 전력의 60%를 이들 청정에너지원으로 공급할 계획입니다carbonbrief.org. 이는 급증하는 AI 전력 수요를 감당함과 동시에 탄소중립 목표도 달성하기 위한 전략으로 볼 수 있습니다.

데이터센터 전력 수요 증가는 국내에서도 큰 이슈로 떠오르고 있습니다. 한국은 2023년 말 기준 약 150개의 데이터센터가 운용 중이며, 총 전력 소비량은 약 1,986MW로 1GW급 원자력 발전소 2기에 해당하는 수준입니다v.daum.net. 그런데 초거대 AI 시대에 대비한 신규 데이터센터 수요가 폭발적으로 증가해, 2024년부터 2029년까지 5년간 732개의 신규 데이터센터가 추가로 건립될 전망입니다v.daum.net. 이에 따른 전력 수요는 **약 4만9천 MW(약 49GW)**에 달할 것으로 추산되는데, 송전 손실 등을 고려하면 이는 1GW 원전 약 53기를 추가 건설해야 충당할 수 있는 전력량에 해당합니다v.daum.net. 국회입법조사처는 이러한 분석을 담은 보고서를 통해 “향후 AI 데이터센터 설치 증가가 전력 생산과 전력망 운영에 큰 부담으로 작용할 것이 분명하다”며, 전력 인프라의 선제적 확충 필요성을 강조했습니다v.daum.net. 마침 정부도 급격한 전력수급 여건 변화를 반영하여 제11차 전력수급기본계획에 데이터센터 전력 수요와 원전 증설 계획 등을 포함시킬 것으로 검토하고 있어, AI 시대에 대비한 에너지 정책 전환이 진행되고 있습니다v.daum.netv.daum.net.

요약하면, AI와 데이터센터의 전력 수요는 폭발적 증가 추세에 있습니다. 단기간에 수백 TWh 단위로 전력 소비가 늘어나 전력망과 발전설비에 막대한 추가 부하를 줄 것으로 예측됩니다bidenwhitehouse.archives.gov. 이로 인해 전력 공급 부족이나 에너지 비용 상승 우려도 커지고 있으며, 실제로 구글은 “미국이 AI 경쟁에서 전력 공급 한계로 위기를 맞을 수 있다”고 경고하기도 했습니다. 따라서 AI 인프라의 안정적 성장을 위해서는 대규모의 신규 전력원 확보와 기존 전력망의 보강이 시급한 과제로 대두되고 있습니다.

AI 전력 수요 대응을 위한 원자력의 장점

이처럼 급증하는 전력 수요를 충족하기 위해 여러 에너지원이 검토되고 있지만, 원자력 발전은 AI 시대에 특히 주목받는 대안으로 부상하고 있습니다. 원자력의 주요 장점은 다음과 같습니다:

• 탄소중립 에너지: 원자력 발전은 발전 과정에서 온실가스를 거의 배출하지 않는 청정에너지원입니다. 석탄이나 가스와 달리 발전 중 이산화탄소(CO₂)가 발생하지 않기 때문에, AI 인프라 확대에 따른 전력 수요를 원자력으로 충당하면 추가 탄소배출 없이 전력을 공급할 수 있습니다npr.org. 이는 AI로 인한 전력 수요 증가가 자칫 기후변화 대응 노력에 역행하는 것을 방지하는 데 매우 중요합니다. 실제로 IMF는 AI로 인해 미국의 전력부족뿐 아니라 전력부문 탄소배출이 5.5% 증가할 수 있고, 전 세계적으로 AI 관련 배출이 기후부담을 1.2% 가중시킬 것으로 경고했습니다developmentaid.org. 원자력의 적극 활용은 이러한 AI발(發) 탄소배출 증가를 억제하여, 각국의 탄소중립 목표 달성에도 기여할 수 있습니다.
• 안정적이고 연속적인 공급: 원자력은 기저부하 전원으로서 1년 365일, 하루 24시간 연속 가동이 가능합니다. 태양광·풍력 같은 재생에너지는 간헐적(output variability)이고, 가스발전은 연료비 변동과 배출 문제가 있지만, 원자력은 **높은 설비이용률(보통 80~90% 이상)**로 항상 일정한 출력을 유지할 수 있습니다. 이는 데이터센터처럼 24시간 고정적으로 전력이 필요한 시설에 매우 잘 맞는 특성입니다. 실제 미국 원전 운영기업인 컨스텔레이션 에너지(Constellation Energy)의 CEO는 “데이터센터를 비롯한 국가 핵심 산업을 뒷받침하려면 매시간 안정적으로 공급되는 막대한 무탄소 전력이 필요한데, 이를 지속적으로 제공할 수 있는 에너지원은 원자력이 유일하다”고 강조했습니다npr.org. 한국 국회입법조사처 보고서 역시 “멈추지 않고 24시간 가동되는 데이터센터가 많아질수록 무탄소 기저발전원인 원자력의 경제성이 높아진다”며 AI 시대에 원전의 역할이 커질 것임을 지적했습니다v.daum.net. 요컨대, 원자력은 AI 인프라가 요구하는 전력의 상시 공급을 책임질 수 있는 믿음직한 전원입니다.
• 대용량 및 고밀도 에너지: 원자력 발전소는 단일 발전소로 대규모 전력 생산이 가능합니다. 현대식 원전 한 기가 보통 11.4GW급 출력을 내며, 이는 수백만 명 도시의 전력을 책임질 수 있는 수준입니다. 반면 같은 출력의 전력을 태양광이나 풍력으로 공급하려면 훨씬 넓은 부지와 설비가 필요하고, 날씨 조건에 따라 출력 변동이 커집니다. 원자력은 에너지 밀도가 높아 적은 연료로 막대한 전기를 생산하므로 부지 효율성이 뛰어나고, 연료 교체 주기가 12년에 한 번에 불과해 연료 공급의 안정성도 높습니다. 이러한 특성 덕분에 원자력은 도시 근교나 산업단지 등 부지 제약이 있는 곳에서도 대규모 전력 공급을 도모할 수 있으며, 전력망에 안정적인 주파수 유지를 위한 역할도 제공해줄 수 있습니다.
• 연료비 안정성 및 에너지 안보: 원전 연료인 우라늄은 한 번 장전하면 오랜 기간 발전할 수 있고, 가격 변동이 상대적으로 완만하며 수송·비축이 용이합니다. AI 데이터센터 운영에 있어 전력 비용 안정성은 중요한데, 원자력은 연료비 비중이 낮아 장기적으로 전력 단가의 예측 가능성이 높습니다. 이는 국제 연료 가격에 민감한 가스 발전 등에 비해 장점입니다. 또한 다수 국가들은 원자력 기술을 자국 내 보유하거나 안정적 연료 공급선을 확보함으로써, 에너지 안보 측면에서도 원자력을 전략적으로 활용하고 있습니다.

이 외에도 원자력 분야에서는 방사성 폐기물 처리 및 안전성 향상 기술이 꾸준히 발전하고 있으며, 소위 세대 IV 원자로에서는 사용후연료를 줄이고 효율을 높이는 연구도 진행 중입니다. 온실가스 감축과 전력의 탈탄소화가 시급한 현 시점에, 원자력은 AI 시대의 전력 도전에 대응할 유력한 솔루션 중 하나로 손꼽히고 있습니다npr.org. 물론 원전 건설에는 높은 초기투자와 장기간의 공사, 안전성 담보 등의 과제가 따르지만, 기존 원전의 활용도 제고와 차세대 원자로 개발을 통해 AI 전력 수요 증가에 탄력적으로 대응할 수 있다는 것이 전문가들의 평가입니다v.daum.net.

주요 국가 및 기업의 원자력 활용 대응 사례

AI로 인한 전력 수요 급증에 대응하기 위해 미국, 중국, 한국 등 주요국과 글로벌 기업들이 앞다투어 원자력 활용 전략을 모색하고 있습니다. 각국의 정책 방향과 기업 사례를 살펴봅니다.

미국: 빅테크의 원자력 러시

미국은 세계에서 가장 많은 데이터센터와 AI 연산량을 보유한 나라로, 기술기업들을 중심으로 원자력 전원 확보 움직임이 활발합니다. 최근 미국 전력업계에서는 AI 수요로 인한 전력 증가에 대응하려면 향후 5년간 신규 원전 34기 분량의 발전용량이 추가로 필요하다는 전망까지 나왔습니다thebulletin.orgthebulletin.org. 수십 년간 정체됐던 전력 수요가 AI로 인해 급등하면서, 전력회사들은 이제 대규모 원전 건설을 다시 고려하기 시작했습니다. 이러한 배경 속에 미국의 빅테크 기업들은 전례 없이 직접 원자력 발전 프로젝트에 참여하거나 장기 구매 계약을 맺고 있습니다.

특히 **마이크로소프트(Microsoft)**는 AI 클라우드 서비스 확대에 필요한 전력을 확보하기 위해 과감한 원전 투자를 단행하고 있습니다. 2024년 9월, 마이크로소프트는 1979년 부분노심용융 사고로 유명한 펜실베이니아주의 쓰리마일섬(Three Mile Island) 원자력 발전소를 재가동하여 자사 데이터센터에 전력을 공급하는 계약을 체결했습니다npr.org. 미국 내 최악의 원전 사고 현장이었던 이 발전소는 2019년에 영구 정지되었으나, 마이크로소프트와 미국 최대 원전사업자 컨스텔레이션 에너지 간의 대규모 전력구매계약(PPA) 체결로 재가동이 결정된 것입니다npr.orggfmag.com. 컨스텔레이션사는 해당 프로젝트에 16억 달러를 투자해 안전한 재가동을 추진하고, 마이크로소프트는 향후 20년간 안정적인 원전 전력을 공급받기로 했습니다gfmag.com. 컨스텔레이션 에너지 측은 “클라우드 컴퓨팅과 AI 프로그램을 뒷받침하는 데이터센터에는 탄소중립적이면서도 매시간 안정적인 에너지가 필요한데, 원자력이 그 약속을 이행할 유일한 에너지원”이라고 밝혔습니다npr.org. 이로써 쓰리마일섬은 미국 사상 최초로 영구정지 이후 재가동되는 원전이라는 이정표를 세우게 되었으며, 원전 산업의 부활 신호탄으로 평가받고 있습니다.

마이크로소프트의 행보는 여기서 그치지 않습니다. 앞서 2023년 3월에는 펜실베이니아 주 서스퀘해나(Susquehanna) 원전 인근의 대형 데이터센터 부지를 6억5천만 달러에 매입하여 화제가 되었습니다gfmag.com. 이 데이터센터들은 인근 2.5GW급 원전으로부터 전력을 공급받는 구조로, 마이크로소프트가 원전 직류 공급망 확보에 나섰다는 상징적 사례로 꼽힙니다gfmag.com. 또한 마이크로소프트는 **캐나다 온타리오 발전공사(OPG)**와 파트너십을 맺고 캐나다 내 원전 및 차세대 SMR 전력 도입을 추진 중이며gfmag.com, 나아가 핵융합 스타트업 Helion과도 협력하여 2028년까지 핵융합 발전 전력을 공급받겠다는 혁신적 계획을 발표했습니다gfmag.com. 이처럼 마이크로소프트는 AI 경쟁력 확보를 위한 전력 인프라로 원자력에 적극 베팅하고 있습니다.

마이크로소프트뿐 아니라 구글(Google), 아마존(Amazon), 오라클(Oracle) 등 다른 미국 기술 대기업들도 빠르게 움직이고 있습니다. 2024년 10월, 구글은 차세대 소형모듈원자로(SMR) 개발기업인 Kairos Power가 공급하는 원전 전력을 구매하는 계약을 발표했습니다thebulletin.org. 이는 Kairos가 2030년대 초까지 구축할 예정인 플루오라이드 소금냉각 고온원자로 실증로의 출력을 클라우드 데이터센터에 활용하겠다는 것으로, 구글이 민간 SMR 전력 도입에 선두에 섰다는 평가입니다thebulletin.org. 아마존도 구글 발표 이틀 뒤 **워싱턴주 공기업 연합(Energy Northwest)**이 건설·운영할 4기의 SMR에 투자하겠다고 밝혔습니다thebulletin.org. 아마존은 이 SMR들이 오레곤주 동부에 위치한 자사 데이터센터 단지에 전력을 공급하기를 기대하고 있습니다thebulletin.org. 오라클의 래리 엘리슨 회장 역시 2023년 말 “AI의 ‘미친’ 에너지 수요를 충족하기 위해서는 변칙적으로 들리겠지만 원자로가 필요하다”며, 자사가 추진 중인 신규 AI 데이터센터 캠퍼스에 3기의 SMR을 활용할 계획을 밝혔습니다thebulletin.org. 이렇듯 미국의 빅테크 기업들은 기존 노후 원전의 부활부터 차세대 SMR 투자가 참여에 이르기까지 다각도로 원자력 에너지를 확보하고 있습니다. 이는 AI 시대의 전력 확보 경쟁이 단순히 재생에너지 구매를 넘어서, 원자력이라는 고밀도 에너지원의 선점 경쟁으로 확대되고 있음을 보여줍니다.

미국 정부 차원에서도 이러한 움직임을 뒷받침하고 있습니다. 백악관은 2024년 말 “AI 인프라 전력 및 인허가” 보고서를 통해 향후 AI로 인해 전력 수요가 크게 늘 것이라는 전망을 공개하고, 이를 지원하기 위한 송전망 투자, 원전 포함 청정에너지 인허가 간소화 등의 정책 지원 필요성을 언급했습니다bidenwhitehouse.archives.govbidenwhitehouse.archives.gov. 최근 몇 년간 가동을 중단했던 팔리세이즈(Palisades) 원전이나 캘리포니아 디아블로캐년(Diablo Canyon) 원전의 수명 연장 등도 AI로 인한 전력 수요를 고려한 결정으로 해석됩니다thebulletin.orgthebulletin.org. 요컨대, 미국은 민관이 함께 AI 시대의 전력 경쟁에 대비하여 원자력 카드를 전략적으로 활용하는 분위기입니다.

펜실베이니아주 서스퀘해나 원전(뒤쪽 원자로 건물) 인근에 들어선 아마존의 최신 데이터센터(앞쪽 흰 건물)thebulletin.org. 빅테크 기업들은 데이터센터에 인접한 원전으로부터 직접 전력을 공급받는 방안을 모색하고 있다thebulletin.orgthebulletin.org.

중국: 원전 확대로 AI 전력 공급 강화

중국은 세계 최대 규모로 AI 인프라를 빠르게 키워가는 동시에, 이를 지탱할 전력 공급원으로 원자력과 재생에너지의 확대를 추진하고 있습니다. 앞서 언급했듯 2024년 현재 중국 데이터센터들은 주로 석탄화력에 의존하고 있어, AI 발전이 탄소배출 증가로 직결될 우려가 큽니다carbonbrief.org. 중국 정부도 이러한 문제를 인식하여, 전력 믹스의 청정화 전략을 가속화하고 있습니다. 국제에너지기구(IEA)의 보고서에 따르면 중국은 2030년대 이후 재생에너지와 원자력 발전 확충을 통해 석탄 비중을 급격히 줄이고, 2035년경에는 데이터센터 전력의 60%를 원자력 및 신재생으로 공급할 것으로 전망됩니다carbonbrief.org. 이 목표를 달성하기 위해 중국은 대규모 원전 건설 프로그램을 진행 중입니다. 현재 약 55기의 상용 원자로가 운영 중이고 20기 이상이 건설 중인 중국은, 2035년까지 원전 설비용량을 현재의 2배 이상으로 늘릴 계획입니다. 이는 AI뿐 아니라 전기차, 첨단 제조 등 신규 전력 수요 전반을 감당하면서 탄소중립을 달성하려는 국가 전략입니다.

또한 중국은 데이터센터의 효율 향상과 입지 조정도 병행하고 있습니다. 베이징, 닝샤, 간쑤 등에서는 물 사용이 많은 낡은 데이터센터를 폐쇄하거나 고효율 수냉 기술 적용을 의무화하는 등 에너지·물 사용 효율 관리를 강화하고 있습니다carbonbrief.org. 한편 풍부한 재생에너지 자원이 있는 서부 지역으로 데이터센터를 이전하여 재생전력을 활용하려는 노력도 있습니다. 그러나 AI 응답 지연(time latency) 문제 등으로 데이터센터가 대도시 인근에 집중되는 경향이 있어, 야간에도 출력이 안정적인 원자력 발전이 동부 지역 전력 공급의 중요한 축이 될 것으로 보입니다. 실제 IEA는 중국 동부에 위치한 대부분의 데이터센터 전력이 70% 이상 석탄에 의존하고 있으나, 원자력과 재생에너지 확대를 통해 2030년 이후 석탄 비중을 낮출 것으로 전망했습니다carbonbrief.org. 중국 정부는 14차 5개년 계획 등 공식 문서에서 AI, 빅데이터 인프라 발전을 강조하면서 그 전력 기반으로 원전 기술 자립과 혁신을 함께 언급하고 있습니다. 요컨대 중국은 공격적인 원전 확장과 전력 믹스 개선을 통해 AI 시대 전력 수급에 대응하고, 이를 자국 기술굴기의 일환으로 추진하고 있습니다.

한국: 정책 전환과 SMR 개발 모색

한국은 데이터센터 전력 수요의 급증 문제를 비교적 최근에 직면하며, 국가 정책적 대응을 모색하고 있습니다. 앞서 언급한 국회입법조사처 보고서는 “향후 5년 내 AI 데이터센터 전력 수요를 감당하려면 원전 53기가 더 필요하다”는 충격적인 분석을 내놓으며 큰 반향을 일으켰습니다v.daum.net. 이는 현재 운행 중인 국내 원전 25기의 2배를 넘는 규모로, AI 도입 가속화가 전력수급에 미치는 파급력을 단적으로 보여주었습니다. 이러한 상황 인식 아래, 한국 정부는 원자력 발전 비중 확대를 공식화하고 있습니다. 2022년 출범한 새 정부는 이전 정부의 탈원전 기조를 전면 수정하여 “2030년대 초 원전비중 30% 이상”을 목표로 설정했고, 2036년까지 총 10기의 신규 원전 건설을 검토하고 있습니다. 여기에 더해 제11차 전력수급기본계획에서는 데이터센터 등 ICT 인프라 수요 증가를 고려한 발전원 확충 방안이 포함될 예정이며, 특히 신규 원전 건설과 기존 노후 원전 수명연장이 핵심 대안으로 거론됩니다v.daum.net.

산업부와 과기정통부 등 관련 부처도 AI 시대 전력 인프라 전략을 다각도로 마련 중입니다. 한국은 세계 최고 수준의 인터넷 데이터센터(IDC) 허브 국가 중 하나로 부상하고 있으나, 이는 곧 전력소비 대국이 된다는 의미이기도 합니다. 현재 수도권 전력망 과부하 우려 등으로 신규 데이터센터 인허가에 애로가 있어, 정부는 데이터센터를 전력 여유가 있는 지방으로 분산시키는 한편 그 지역에 원전 또는 신재생 클러스터를 조성해 자족형 에너지 공급을 구현하는 방안을 검토하고 있습니다. 또한 한국은 원자로 기술력과 공급망을 보유한 강점을 살려, 소형모듈원자로(SMR) 등의 차세대 원전 기술 개발에도 박차를 가하고 있습니다. 정부출연연구기관인 한국원자력연구원은 일찍이 SMART라는 100MWe급 SMR을 개발한 바 있고, 국내 기업들도 해외 유망 SMR 기업 투자에 나서는 등 차세대 원전 상용화를 적극 추진 중입니다. 예컨대 2023년 SK와 한수원 컨소시엄은 미국 TerraPower의 원자로 개발에 투자하고, 두산에너빌리티는 미 NuScale사의 SMR 제작에 협력하는 등 국제적인 SMR 공급망에 참여하고 있습니다. 이러한 노력은 장기적으로 국내 데이터센터에 SMR을 도입하거나 수출하는 기반이 될 수 있습니다.

요약하면, 한국은 AI로 인한 전력수요 충격을 완화하기 위해 원전 정책을 강화하는 방향으로 나아가고 있습니다. 다가올 AI 시대를 대비해 전력 인프라를 미리 확충함으로써, 전력 공급이 산업발전의 병목으로 작용하지 않도록 하겠다는 전략입니다. 특히 원자력은 국내 전력망에서 중요한 무탄소 기저자원으로, 재생에너지 확대와 함께 탄소중립과 전력안보를 달성하는 쌍끌이 축으로 인식되고 있습니다. 향후 AI 데이터센터가 본격 가동되기 시작하면 전력 예비율 관리, 지역별 공급 불균형 등의 이슈가 현실화될 수 있으므로, 한국은 정책적·기술적 대응책을 서둘러 마련하고 있습니다v.daum.net.

소형모듈원자로(SMR) 등 차세대 원자력 기술의 가능성

AI 시대의 새로운 전력 수요에 탄력적으로 대응하기 위해 **소형모듈원자로(SMR)**를 비롯한 차세대 원자력 기술이 각광받고 있습니다. SMR은 기당 출력 수십에서 수백 메가와트급의 비교적 작은 원자로로, 모듈식 공장제작이 가능하고 유연한 입지 선정이 장점인 차세대 원전입니다. 전통적인 대형 원전(1GW급 이상)에 비해 초기 건설비용과 규모를 줄이고, 안전성을 대폭 강화한 설계를 채택하고 있습니다. 예를 들어 많은 SMR은 피동형 안전계통을 도입하여 외부 전원이나 인력 개입 없이도 자동으로 원자로를 냉각 정지시킬 수 있고, 일부 설계는 지하 설치로 테러나 자연재해 위험을 낮추는 등 향상된 안전 프로파일을 가집니다.

SMR의 가능성은 AI 인프라 전력 공급 측면에서 특히 주목됩니다. 첫째, SMR은 데이터센터 부지 인근에 직접 설치하여 전력을 공급하는 분산형 전원으로 활용될 수 있습니다. 규모가 상대적으로 작고 안전거리가 대형원전보다 줄어들어, 산업단지나 데이터센터 캠퍼스 내에 에너지 모듈처럼 배치하는 구상이 현실화되고 있습니다. 실제 미국의 데이터센터 기업 Equinix는 2024년 소형 고속로를 개발하는 Oklo사와 전력 구매 의향서를 체결하여, 15MW급 마이크로 원자로를 자사 데이터센터에 도입하는 방안을 검토 중입니다gfmag.com. 이 마이크로 원자로는 한 번 연료 장전으로 10년 이상 운전이 가능하며, 향후 AI 클라우드에 독립적인 전력 공급원이 될 수 있다는 기대를 모읍니다gfmag.com. 오라클이 계획중인 3기 SMR 데이터센터도 이러한 개념으로, 데이터센터 단지 내 자체 원자로 운영을 목표로 하고 있습니다thebulletin.org.

둘째, SMR은 건설 기간을 단축하고 증설의 유연성을 제공합니다. 모듈 단위로 공장에서 제작해 현장에서 조립하므로, 수 년 내에 완공이 가능하고 필요한 만큼 모듈을 추가하여 용량을 늘릴 수 있습니다. AI 수요 증가 속도에 맞추어 원전 용량을 점진적으로 확충할 수 있다는 것은 큰 강점입니다. 전통 대형원전은 건설에 10년 가까이 소요되어 수요 대응의 기민성이 떨어졌지만, SMR은 이러한 약점을 보완할 수 있습니다. 예컨대 캐나다 온타리오주는 전력수요 증가에 대응해 2025년대 후반까지 모듈식 300MW급 SMR 4기를 순차 건설하기로 했는데, 이는 데이터센터 및 광산 등의 지역 전력 수요를 충족시키기 위한 선제 조치입니다. 미국에서도 NuScale사의 최초 SMR이 2029년 Idaho주에서 가동을 목표로 하고 있으며, 이어서 여러 업체의 설계가 2030년대 초 상용화를 노리고 있습니다. 이러한 SMR 실증로 등장 시점은 마침 AI 전력 수요가 본격화되는 시기와 겹치므로, SMR이 시의적절한 공급원이 될 가능성이 있습니다thebulletin.org.

셋째, SMR 이외의 혁신 원자로들도 연구되고 있습니다. 고온가스로(HTGR), 용융염 원자로(MSR) 등 4세대 원자로들은 연료 소모 효율을 높이고, 폐기물 발생을 줄이며, 때로는 수소 생산이나 열공급 같이 전기 외의 용도로도 활용될 수 있습니다. 장기적으로 데이터센터의 흡수식 냉각 등에 원전의 폐열을 이용하거나, 인공지능 반도체 공장의 공정열을 원자로가 제공하는 시나리오도 검토되고 있습니다. 더 미래지향적으로는 핵융합 발전 역시 AI 시대의 꿈의 에너지원으로 거론되는데, 마이크로소프트와 Helion의 파격적 계약이 그 사례입니다gfmag.com. 다만 핵융합은 아직 실증된 상용 기술이 아니므로, **가까운 미래에는 SMR 등 소형 핵분열 원자로가 현실적인 대안이 될 전망입니다.

이러한 기대에도 불구하고, SMR과 차세대 원자로가 당장의 해결책은 아니라는 점도 인식해야 합니다. 현재 전 세계적으로 운전 중인 SMR은 러시아의 부유식 원전 등 극소수이며, 미국·캐나다 등에서 건설 예정인 SMR들도 2030년대에 가서야 초기 가동이 예상됩니다thebulletin.org. 규제 표준 미비, 경제성 입증, 공급망 구축 등의 과제가 남아 있어 본격적인 보급까지 시간이 걸릴 수 있습니다. 따라서 향후 5~10년간의 전력 수요는 기존의 대형원전과 재생에너지 확대, 그리고 일부 화력발전의 효율개선 등을 통해 감당해야 할 것입니다. 그럼에도, AI 시대 이후의 중장기 에너지 해법으로 SMR 등 차세대 원자력은 핵심 열쇠가 될 것으로 보입니다. 각국 정부와 기업들이 지금부터 SMR에 투자하고 실증하는 이유도, 다가올 폭증하는 전력 수요를 탄소 배출 없이 견인할 수 있는 확실한 동력을 미리 확보하려는 전략적 선택으로 볼 수 있습니다iaea.orgiaea.org.

원자력과 다른 에너지원과의 비교

AI 인프라의 전력 공급을 놓고 원자력 외에도 다양한 에너지원이 거론됩니다. 각 에너지원별 특성과 원자력 대비 장단점을 비교하면 다음과 같습니다:

• 태양광·풍력 (재생에너지): 태양광과 풍력은 발전 시 탄소를 배출하지 않고 연료비가 들지 않는 청정 무한 자원입니다. 그러나 출력이 날씨와 시간대에 따라 변동하는 간헐성 문제가 있습니다. 대규모 데이터센터는 24시간 전력이 필요하므로, 재생에너지만으로 공급하려면 **대용량 저장장치(배터리)**나 백업 전원이 필수입니다. 또한 동일 출력당 필요 면적이 커서, 입지 제약도 존재합니다. 원자력은 이에 비해 항시 일정 출력 공급이 가능하고 설치 면적 당 발전량이 매우 큽니다npr.org. 다만 재생에너지는 최근 발전단가가 크게 하락해 경제성이 우수하고, 건설이 몇 달~몇 년 내로 빨라 초기 대응에는 유리합니다. 결론적으로 재생에너지와 원자력은 상호 보완적으로 활용되어, 원자력이 기저부하와 야간 공급을 맡고 태양광·풍력이 주간 피크와 친환경 보강 역할을 하는 조합이 바람직합니다.
• 화력발전 (석탄·가스): 석탄과 천연가스 발전은 과거부터 값싼 기저전력과 탄력적 조정전원 역할을 해왔습니다. 가스발전은 출력조절이 쉬워 갑작스런 부하 변동에 대응하기 좋습니다. 그러나 화석연료 발전은 CO₂ 등 온실가스 배출이 많아 기후변화에 부정적이며, 연료비 변동에 전력단가가 크게 좌우되는 단점이 있습니다. 특히 AI로 전력 수요가 늘어나 석탄·가스 사용이 증가하면 탄소중립 목표와 상충되고, 대기오염 등 환경피해도 커집니다developmentaid.org. 원자력은 화력과 동일하게 안정적 24시간 공급이 가능하지만 탄소배출이 거의 없고 연료비 비중이 낮아 가격안정성이 높다는 이점이 있습니다. 물론 원자력은 초기 투자비와 폐기물 관리 등이 고려돼야 하지만, 기후위기 대응 관점에서 화력발전을 대체할 가장 유력한 수단 중 하나입니다.
• 수력 및 기타: 수력은 재생에너지 중에서도 상대적으로 안정적 출력을 낼 수 있는 전원이고, 조력·지열 등도 부가적으로 활용 가능합니다. 그러나 수력은 입지 제한이 크고, 기후변화로 인한 강수량 변화에 발전량이 영향받습니다. 대규모 댐 건설은 환경파괴 우려도 있습니다. 원자력은 지리적 제약이 적고, 필요한 장소에 설치하여 송전 손실을 줄일 수 있는 점에서 수력보다 유연성이 높습니다. 다만 수력은 피크 조절용 양수발전 등으로 원전을 보조하여 전력망 안정화에 기여할 수 있으므로, 원자력 vs 수력의 대립보다는 함께 에너지 믹스를 구성하는 관계라 할 수 있습니다.
• 에너지효율 향상 및 수요관리: 직접적인 발전원이 아니지만, AI 시대에 **수요관리(DSM)**와 효율 향상 역시 ‘가상의 발전원’으로 여겨집니다. AI 칩의 전력 효율 개선, 데이터센터의 폐열 재활용, 워크로드 관리로 불필요한 연산 줄이기 등이 이에 해당합니다. 이런 노력은 원자력 등 공급 인프라 부담을 줄여주지만, AI 수요 증가 속도를 상쇄하기에는 역부족일 수 있습니다polytechnique-insights.comdevelopmentaid.org. 따라서 효율 향상을 꾸준히 추진하되, 근본적인 추가 전원 공급책으로 원자력이나 재생에너지를 확보하는 것이 필수적입니다.

정리하면, 원자력의 차별점은 높은 공급안정성과 무탄소 대용량 전원이라는 데 있습니다. 태양광·풍력은 청정하지만 간헐적이고, 화력은 안정적이나 탄소를 배출합니다. 원자력은 두 장점(안정성과 무탄소)을 동시에 충족하는 몇 안 되는 에너지원으로, AI 시대에 그 전략적 가치가 분명합니다. 물론 원자력도 경제성, 안전성 확보와 사회적 수용성이라는 과제를 안고 있지만, 다른 에너지원과 균형 있게 조합하며 적재적소에 활용한다면 AI로 인한 전력 문제 해결에 큰 몫을 할 것입니다.

향후 전망 및 정책적 고려사항

AI 발전에 따른 전력 수요 증가는 앞으로도 가속 페달을 밟을 것으로 보입니다. 생성형 AI의 대중화, 산업 전반의 AI 도입, 그리고 메타버스·자율주행 등 연계 기술 확산으로 전력 수요 곡선은 가파르게 상승할 것입니다bidenwhitehouse.archives.gov. 이러한 추세 속에서 전력 공급 인프라 확충과 탄소중립이라는 이중 과제를 해결하려면, 정부와 산업계 모두 전략적 대응이 필요합니다.

첫째, 에너지 정책 및 투자 방향 전환이 요구됩니다. 각국 정부는 AI로 인한 전력수요 증가를 공식 에너지 수요 전망에 반영하고, 그에 맞춘 발전원 확충계획을 조정해야 합니다v.daum.net. 예를 들어 한국의 전력수급기본계획, 미국의 전력계획 등은 AI 데이터센터의 증가 속도를 보수적으로 가정하지 말고 최신 추세를 적극 반영해야 합니다. 전력 인프라는 건설에 수년이 걸리므로 선제적 계획이 중요합니다. 특히 원자력 발전 투자의 경우, 지난 수십년간 침체되어 인력과 산업 기반이 축소된 측면이 있으므로 이를 재건하기 위한 정책 지원과 금융 지원이 필요합니다. 원전 건설 인허가 절차를 효율화하고, 민간 기업이 원전 프로젝트에 참여할 수 있도록 제도적 장치를 마련하는 것도 고려해야 합니다thebulletin.org. 미국은 이미 2020년대 중반부터 SMR 인허가 간소화 법안, 원전 생산세액공제 등 각종 지원책을 시행 중이며, 한국도 원전 수출 및 연구개발 지원을 확대하고 있습니다. 전력망 투자도 병행되어야 하는데, 원전처럼 대규모 발전원이 추가되면 이를 실어 나를 송배전망 보강도 뒤따라야 합니다. AI 데이터센터가 특정 지역에 몰릴 경우 지역 송전 인프라를 강화하고 초고압 직류송전(HVDC) 등의 신기술 도입도 검토해야 합니다.

둘째, AI 기업들의 역할도 중요해지고 있습니다. 마이크로소프트, 구글, 아마존 등 빅테크들은 앞서 살펴본 대로 직접 에너지 조달에 뛰어들어 원전 PPA 체결, 발전소 인수, SMR 투자까지 실행하고 있습니다thebulletin.orggfmag.com. 이는 기업이 자사 AI 서비스를 지속적으로 제공하기 위해 전력을 자체 확보하려는 움직임으로, 향후 더 많은 데이터센터 운영 기업들이 에너지 사업자로 변모할 가능성도 있습니다. 정책적으로는 이러한 기업들의 투자가 원활히 이루어지도록 규제 완화와 정보 공유가 필요합니다. 예컨대 기업이 자체적으로 SMR을 구축해 쓸 경우 안전규제나 전력거래 규정을 정비하고, 전력회사가 아니어도 생산 전력을 활용·판매할 수 있도록 제도 유연성을 부여해야 합니다. 또한 기업 간 협력을 통해 공동 원전 투자 컨소시엄을 만들거나, 전력회사와 AI 기업이 장기 공급계약을 맺는 모델을 확산시키는 것도 고려할 만합니다.

셋째, 에너지 효율적인 AI 기술 개발이 병행되어야 합니다. 현재 추세대로 전력 소비가 늘어나는 것은 물리적으로나 환경적으로 지속 불가능할 수 있으므로, 적은 전력으로 더 많은 AI 연산을 수행하는 기술 혁신이 요구됩니다polytechnique-insights.com. 차세대 AI 반도체는 전력효율을 극대화하는 방향으로 설계되어야 하고, 소프트웨어 측면에서도 연산을 경량화하거나 필요 없는 연산을 줄이는 알고리즘 연구가 중요합니다. 또한 **데이터센터의 에너지 효율 지표(PUE)**를 개선하여 냉각 등에 낭비되는 전력을 최소화하고, 폐열 회수 시스템을 도입해 에너지 사용량을 줄이는 노력도 필요합니다. 이러한 수요 측면의 개선은 공급을 늘리는 것만큼이나 중요하며, 정책적으로 R&D 지원과 효율기준 제정을 통해 AI의 전력집약도를 낮추는 방향으로 유도해야 합니다.

넷째, 국제적인 협력과 표준화가 요구됩니다. AI의 에너지 문제는 한 국가만의 문제가 아니라 글로벌 현상인 만큼, 국제 에너지 기구(IEA), 국제원자력기구(IAEA) 등의 주도로 모범 정책 공유와 협력이 이뤄져야 합니다. 예컨대 탄소프리 전력 공급을 위한 기술 로드맵, SMR 안전기준 국제표준 수립, AI 데이터센터에 대한 친환경 인증제 등을 국제적으로 추진하면 각국이 발맞춰 대응하는 데 도움이 될 것입니다. 특히 전력망은 국경을 넘나들 수 있으므로, 유럽처럼 초국경 전력망 협력을 통해 재생에너지 남는 전력을 AI 수요가 많은 지역으로 보내거나, 공동 원전 건설 프로젝트를 추진하는 등의 시너지도 생각해볼 수 있습니다.

마지막으로, 사회적 수용성과 안전 관리 측면도 간과해선 안 됩니다. 원자력 발전을 대폭 늘리려는 움직임에 대해 안전성 우려나 지역 주민 반대가 있을 수 있으므로, 투명한 소통과 안전 기술 확보로 신뢰를 쌓는 것이 중요합니다. AI 시대의 원자력 활용은 선택이 아닌 필수일 수 있다는 점을 국민들에게 설득하면서, 동시에 원자력 안전은 더욱 철저히 관리하여 한 번의 사고도 허용하지 않는다는 각오로 임해야 할 것입니다. 또한 AI 데이터센터 역시 전력사용량 공개 및 친환경 전환 노력을 사회에 투명하게 알림으로써, 지속가능한 혁신이라는 공감대를 형성해야 합니다developmentaid.org. 2024년 구글과 마이크로소프트 모두 클라우드 사업으로 인한 자체 탄소배출량이 증가하여 탄소중립 목표에 미달하고 있다는 보고가 나왔는데developmentaid.org, 이러한 부분을 개선하려는 노력이 뒤따라야 합니다.

결론적으로, AI 발전에 따른 전력 수요 증가는 에너지 분야의 새로운 도전이자 기회입니다. 원자력은 그 해법의 중요한 축으로 떠올랐으며, 재생에너지와 함께 탄소중립 전력 공급을 달성하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다. 향후 10년은 AI 기술 뿐만 아니라 에너지 기술 발전의 10년이 될 것이며, 두 분야의 혁신이 조화를 이룰 때 비로소 AI 시대의 지속가능한 성장이 가능할 것입니다. 각국의 선제적 정책 대응과 기업의 적극적인 투자, 그리고 대중의 지지와 이해를 바탕으로 **“AI와 원자력의 공존”**을 성공적으로 이끌어야 할 것입니다. 인류의 디지털 지능과 물리적 에너지 시스템의 조화가 이루어질 때, 우리는 AI가 가져올 풍요를 안정적으로 누릴 수 있을 것입니다.

참고문헌 및 출처: 본 보고서의 내용은 Polytechnique Insights, IAEA, IMF, IEA, Carbon Brief, ChosunBiz, Hankyung, NPR, Bulletin of the Atomic Scientists, Global Finance 등에서 2024~2025년에 발행된 최신 자료를 참고하여 작성되었습니다polytechnique-insights.comdevelopmentaid.orgnpr.orgthebulletin.org 등. 모든 인용문과 수치는 해당 출처를 각주 형식으로 명시하였으며, 상세한 출처 정보는 본 문서의 하단에 제시하였습니다.