AI 시대, 원전이 다시 주목받는 이유

 AI 시대, 원전이 다시 주목받는 이유

대학생신재생에너지기자단 28기 김나현, 남호정, 박지혜, 정라진

AI가 바꾼 전력 수요의 흐름

인공지능(AI)은 현대인의 삶에 없으면 안 되는 존재가 됐다. 어려운 전공 내용이나 기술적인 내용뿐만 아니라 일상생활에서 사소한 질문까지도 생성형 AI를 이용한다.

이러한 편리한 질문에는 대가가 따른다. 질문 한 번 당 AI가 필요한 전력은 0.34Wh이다. 작은 숫자로 느껴질 수 있지만, 전 세계 수십억 명이 하루에 질문을 10개씩 한다고 가정해도 총 전력은 천문학적인 양이다. 

결국 인공지능 패권 경쟁은 기술의 싸움이 아니라 전력 공급이 됐다. 일반 클라우드에 비해 5~10배 더 많은 전력을 필요로 하는 것으로 알려져 있다. 이러한 상황에서 높은 효율로 24시간 안정적인 전력을 생산할 수 있는 고효율 에너지원, 원자력 발전이 다시 주목받고 있다. 재생에너지 태양광·풍력만으로는 AI 시대가 요구하는 전력 수요를 감당하기 어렵다. 따라서 매우 높은 에너지 효율을 내는 원자력 발전이 다시 주목받고 있다. 최근 엔비디아 최고경영자인 젠슨 황이 코리아 AI 에코시스템에서 차세대 인공지능 데이터 센터로 꼽히는 AI팩토리 최적지로 원자력 기술을 근거로 한국을 선정했다.

한국뿐만 아니라 다른 국가들 또한 원자력 발전을 확대하는 정세를 보이고 있다. 일본 정부는 2024년대까지 5대의 원자력발전소를 교체 건설하는 목표를 제시하며 원전 확대 정책에 속도를 내고 있다. 후쿠시마 원전사고로 원전을 축소해 왔지만, 인공지능 데이터센터와 반도체 공장 확대로 급증하는 전력 수요에 대응하기 위해 원전 개발을 에너지 정책으로 삼았다. 세계 최초의 탈원전 국가였던 이탈리아의 경우도 미래 핵심 에너지 기술로 원전을 꼽으면서 원전 재도입을 위한 기본 법안을 통과시켰다. 뿐만 아니라 프랑스, 영국 등 유럽 국가들도 원전 확장 흐름에 동참하고 있는 것으로 알려졌다.

[자료 1. AI 시대의 전력 수요와 원전]

출처: ⓒ28기 정라진 ChatGPT 생성 

AI 산업 성장과 데이터센터 전력 수요 증가

생성형 AI의 확산은 데이터센터의 전력 사용 구조를 크게 바꾸고 있다. 기존 데이터센터가 주로 정보 저장, 검색, 클라우드 서비스 등을 처리했다면, AI 시대의 데이터센터는 대규모 연산을 지속적으로 수행하는 시설로 변화하고 있다. 특히 생성형 AI 모델은 학습 과정에서 방대한 데이터를 처리해야 하며, 서비스 운영 단계에서도 이용자의 요청에 실시간으로 답변하기 위해 계속해서 연산을 수행한다. 이 과정에서 고성능 GPU와 서버가 대량으로 사용되기 때문에 전력 소비가 크게 증가한다.

국제에너지기구(IEA)는 전 세계 데이터센터 전력 소비량이 2024년 약 415TWh에서 2030년 약 945TWh로 두 배 이상 증가할 것으로 전망했다. 이는 데이터센터가 AI 산업 성장과 함께 주요 전력 소비 부문으로 부상하고 있음을 보여준다. 특히 AI 서비스는 단순한 데이터 저장이나 검색보다 더 많은 연산을 요구하기 때문에, 생성형 AI 이용이 확대될수록 데이터센터의 전력 부담도 함께 커질 가능성이 높다.

국내에서도 데이터센터 전력 수요 증가는 빠르게 현실화되고 있다. 관련 전망에 따르면 국내 데이터센터 전력 사용량은 2023년 약 5TWh에서 2027년 14.8TWh까지 늘어날 것으로 예상된다. 이는 4년 만에 약 세 배 가까이 증가하는 수준이다. 또한 AI와 첨단 산업의 성장으로 데이터센터 전력 수요가 장기적으로 크게 확대될 수 있다는 분석도 제기되고 있다. 이처럼 데이터센터는 디지털 산업을 뒷받침하는 핵심 인프라이면서 동시에 전력 수요 증가를 이끄는 주요 요인으로 떠오르고 있다.

결국 AI 산업의 성장은 단순히 소프트웨어나 반도체 기술의 문제가 아니라, 이를 뒷받침할 전력 인프라의 문제와도 연결된다. 생성형 AI 서비스가 확대될수록 데이터센터의 규모와 전력 사용량은 계속 증가할 가능성이 크며, 이에 따라 안정적인 전력 공급 체계의 중요성도 함께 커지고 있다.

원자력 발전의 원리와 특징 

그렇다면 이 원자력 발전이 얼마나 효율적일까? 우선 원자력 발전의 핵심은 핵분열 연쇄반응이다. 우라늄-235(²³⁵U) 원자핵에 중성자를 충돌시키면 핵이 쪼개지면서 막대한 열에너지와 함께 2~3개의 중성자가 방출된다. 이 중성자가 다시 인접한 우라늄 핵을 분열시키는 과정이 연속적으로 이어지는 것이 연쇄반응이다. 원자로는 이 반응 속도를 제어봉으로 조절하며, 발생한 열로 냉각재를 가열해 증기를 만들고, 그 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산한다.

재생에너지와의 근본적인 차이는 에너지를 만들어내는 입자 수준에서부터 시작된다. 태양광 발전은 광자가 반도체 소재에 부딪혀 전자를 방출시키는 광전효과를 이용한다. 이때 전자 한 개가 가지는 에너지는 전자볼트(eV) 단위에 머문다. 반면 핵분열에서는 중성자가 우라늄 핵을 쪼갤 때 약 200MeV(메가전자볼트)의 에너지가 방출된다. 이는 태양광의 광전효과와 비교했을 때 수천만 배에 달하는 에너지 차이다. 같은 질량에서 출발했을 때 핵반응이 압도적으로 더 많은 에너지를 만들어내는 이유가 바로 여기에 있다. 이 물리적 차이는 실제 발전 효율 수치로 그대로 이어진다. 발전량 1GWh를 생산하는 데 필요한 설비 면적을 비교하면 원전은 78㎡인 반면, 풍력은 2,682㎡로 원전의 34배, 태양광은 13,235㎡로 원전의 170배에 달한다. 즉 같은 양의 전기를 만들기 위해 태양광은 원전보다 170배 더 넓은 땅이 필요하다.

우라늄 1g이 핵분열할 때 방출하는 에너지는 석탄 약 3톤, 석유 약 9드럼에 해당한다. 소량의 연료로 대용량 전력을 지속적으로 생산할 수 있다는 뜻이다. 또한 연소 과정이 없어서 발전 과정에서 이산화탄소가 배출되지 않는다. 태양광·풍력과 달리 기상 조건에 관계없이 24시간 안정적인 출력을 유지할 수 있어 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.

한국의 원전 현황은 이 효율성을 수치로 증명한다. 2024년 기준 국내 원자력 발전 비중은 31.7~32.5%로 15년 만에 최고치를 기록하며, 처음으로 국내 최대 발전원에 올랐다. 현재 총 26기의 원전이 가동 중이며, 이용률은 83.8%로 2015년 이후 가장 높은 수준이다. 특히 주력 모델인 APR-1400은 한국이 독자 기술로 개발한 전기출력 1,400MW급 3세대 가압경수로로, 가동률 90%와 설계수명 60년을 갖춘 세계에서 가장 경제적인 3세대 원전 중 하나로 평가받는다.

탄소중립 시대에 원전이 다시 주목받는 이유 

AI 산업의 성장과 데이터센터 확대로 전력 수요가 증가하면서, 안정적으로 대규모 전력을 공급할 수 있는 에너지원에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 가운데 원자력 발전은 탄소중립과 에너지 안보를 동시에 고려할 수 있는 발전원으로 다시 주목받고 있다.

원자력 발전의 가장 큰 특징은 발전 과정에서 이산화탄소를 거의 배출하지 않는다는 점이다. 국제사회는 기후변화 대응을 위해 탄소중립 목표를 추진하고 있지만, 여전히 많은 국가가 화석연료 발전에 의존하고 있다. 석탄과 천연가스는 안정적인 전력 생산이 가능하지만 온실가스 배출이 많다는 한계를 가진다. 반면 원자력 발전은 대규모 전력을 생산하면서도 탄소 배출이 적어 무탄소 전원으로 평가받고 있다.

또한 원전은 날씨와 계절에 영향을 받지 않고 지속적으로 전력을 생산할 수 있다. 태양광과 풍력은 탄소 배출이 적은 친환경 에너지원이지만 기상 조건에 따라 발전량이 변하는 간헐성이 존재한다. 이에 따라 전력 수요가 높은 시기에도 안정적으로 전력을 공급할 수 있는 발전원이 필요하며, 원전은 이러한 역할을 수행할 수 있는 기저전원으로 주목받고 있다.

최근에는 원전을 바라보는 시각에도 변화가 나타나고 있다. 과거에는 안전성과 사용후핵연료 문제가 주된 논쟁거리였다면, 최근에는 기후위기 대응과 안정적인 전력 공급이라는 측면에서 원전의 역할을 재평가하는 움직임이 나타나고 있다. 실제로 미국, 영국, 프랑스 등 주요 국가들은 기존 원전의 수명을 연장하거나 신규 원전 건설 및 차세대 원전 개발을 추진하고 있다.

그중 차세대 원전 기술인 소형모듈원전(SMR)은 미래 에너지 산업의 새로운 대안으로 주목받고 있다. SMR은 기존 대형 원전에 비해 규모가 작고 건설 기간을 단축할 수 있으며, 안전성을 높일 수 있다는 장점이 있다. 이에 따라 데이터센터, 산업단지 등 대규모 전력 수요처에 안정적인 전력을 공급할 수 있는 기술로 기대를 모으고 있다.

물론 원자력 발전은 사용후핵연료 처리와 안전성 확보 등 해결해야 할 과제를 안고 있다. 그럼에도 탄소중립 달성과 안정적인 전력 공급이라는 두 가지 목표를 고려할 때, 원전은 재생에너지와 함께 미래 에너지 시스템을 구성하는 중요한 에너지원으로 자리매김할 것으로 전망된다.

AI 시대의 에너지 믹스와 원전의 역할

한동안 원자력 발전은 안전성 우려와 사용 후 핵연료 문제로 비중 확대에 신중한 분위기가 있었지만, AI 산업의 성장과 데이터센터 전력 수요 급증은 원전의 역할을 다시 주목하게 만들고 있다. 원자력 발전은 핵분열을 통해 소량의 연료로도 막대한 에너지를 생산할 수 있고, 좁은 면적에서도 대규모 전력을 안정적으로 공급할 수 있다는 장점을 가진다. 

AI 시대의 전력 수요에 대응하기 위해  빅테크 기업들은 원전을 포함한 24시간 무탄소 전력 모델을 적극적으로 모색하고 있다. 대표적으로 Google은 Kairos Power와 협력해 SMR 기반 전력 확보를 추진하고 있으며, Meta는 AI 미국 내 원전 3곳에서 전력을 구매하고, TerraPower와 Oklo의 SMR 개발 프로젝트에도 참여해 2035년까지 최대 6.6GW의 원자력 전력을 확보하겠다는 계획을 밝힌 바 있다. 이처럼 빅테크 기업들이 원전과 SMR에 관심을 보이는 것은 원전이 재생에너지와 달리 24시간 안정적으로 가동될 수 있고, 탄소 배출량이 적기 때문이다.

하지만 원전은 사고가 발생할 경우 피해 규모가 클 수 있어 사회적 불안이 크고, 발전 후 남는 고준위 방사성폐기물을 장기간 안전하게 관리해야 한다. 앞으로는 안전 규제 강화, 사용 후 핵연료 관리 체계, 경제성, 주민 수용성, 재생에너지 및 저장장치와의 조화까지 종합적으로 고려해야 한다. 결국 AI 시대의 바람직한 에너지 믹스는 재생에너지 확대를 유지하면서 무탄소 전원으로 원전을 활용해 전력 안정성과 탄소중립을 동시에 달성하는 균형적 구조가 돼야 한다.

원자력에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "원자력과 수소의 만남, 핑크수소란 무엇일까?", 27기 권준혁, 정환교, https://renewableenergyfollowers.org/journal/?idx=169027041&bmode=view

2. "하얀 연기의 정체: 원자력발전소의 냉각탑의 공학적원리와 환경적 역할", 27기 권준혁, https://renewableenergyfollowers.org/journal/?idx=169445876&bmode=view

참고문헌 

[AI가 바꾼 전력 수요의 흐름]

1) 김지현,  “AI시대, 진짜 승부는 기술이 아니라 전기에서 갈린다”, AI매터스, 2026.06.01, https://aimatters.co.kr/news-report/43329/

2) 이석진, “젠슨 황, 한국 원전 에너지 강력, AI 팩토리 최적지”, 서울경제, 2026.06.09, https://www.sedaily.com/article/20053281

3) 조장우, “이탈리아·일본·영국, 선진국에서 부는 원전 바람: 에너지 안보와 AI가 판을 바꿨다”, 허프포스트코리아, 2026.06.06, https://www.huffingtonpost.kr/article/257724

4) 최서윤, “AI·반도체 경쟁의 병목은 '전력'…에너지 전환이 성패 가른다”, 노컷뉴스, 2026.01.14 https://www.nocutnews.co.kr/news/6455367

[AI 산업 성장과 데이터센터 전력 수요 증가]

1) 변국영, ““2030년 세계 데이터센터 전력소비량 945TWh 이를 것이다””, 에너지데일리, 2025.06.13, https://www.energydaily.co.kr/news/articleView.html?idxno=156924

2) 신유경, ““AI데이터센터가 삼키는 전기”…14년 뒤 전력수요 26% 폭증한다”, 매일경제, 2026.04.22, https://stock.mk.co.kr/news/view/1069484

3) 장수경, “AI 데이터센터 몰려오는데… 전력·용수 대책은?”, 한겨레, 2026.05.28, https://www.hani.co.kr/arti/society/environment/1260724.html

[원자력 발전의 원리와 특징]

1) 구본혁, "차세대 소형원자로 시장 선점"…한국형 i-SMR, 표준설계인가 신청”, 헤럴드경제, 2026.02.27, https://biz.heraldcorp.com/article/10683825

2) 김부미, “SMR, 2028년까지 인허가 확보…2034년 첫 운전 목표”, 전기신문, 2025.09.05, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=359438

3) 박유빈, “ 2024년 원전 발전 비중 32.5%…15년 만에 최고치”, 전기신문, 2025.02.09, https://www.segye.com/newsView/20250209505055

[탄소중립 시대에 원전이 다시 주목받는 이유]

1) 민대기, 류종현, 최동구, “탈원전･탈석탄･신재생 에너지 확대 정책에 따른 신규 전원구성의 수급 안정성 평가”, 재단법인 에너지경제연구원, vol.17, no.1, 전 학회장 퇴직기념 논문 pp. 1-35 (35 pages), 2018

2) 성상훈, "원전 수요 급증에 우라늄 90달러 돌파", 한국경제, 2026.01.29, https://www.hankyung.com/article/2026012887811

3) 신재현, 최어진, 김승완, "AI 학습 데이터센터 입지 및 수요반응의 전력계통 운영 영향 분석", 대한전기학회논문지, vol.75, no.4, pp. 775-783 , 2026

4)  이영빈, "치솟는 전력수요, 원전 최소 3기 더 필요", 조선일보, 2026.04.23, https://www.chosun.com/economy/economy_general/2026/04/23/2XWZF6PAIJCPJEMV3J2AI7TA6I/

5) 정순구, "AI·첨단산업에…2040년 전력수요, 원전 2기 더 돌려야 감당", 동아일보, 2026.04.22, https://www.donga.com/news/Politics/article/all/20260422/133790289/1

6) 최예지, "AI 시대, 재조명 받는 원자력...5년 내 '원전 53기' 전력량 필요", 아주경제, 2024.05.27, https://www.ajunews.com/view/20240527132329322

[AI 시대의 에너지 믹스와 원전의 역할]

1) 유미지, "구글, SMR 개발사인 카이로스 파워와 세계 최초 기업 전력 구매 계약 맺어", 임팩트온, 2024.10.16, https://www.impacton.net/news/articleView.html?idxno=12812

2) 정숙미, "메타, 원전 생태계 구원투수로···6.6GW급 ‘역대급’ 원전 계약", 에너지안전신문, 2026.01.10, https://www.esnews.kr/news/articleView.html?idxno=1806