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세계 인공지능(AI) 빅테크 수장들이 공통적으로 언급하는 골칫덩어리가 있다. 전력 수급 문제다. 수십만 개의 AI 반도체를 장착한 초대형 데이터센터는 갈수록 늘어나는데 이를 뒷받침할 에너지원이 부족해지고 있다.
심형진 서울대 원자력미래기술정책연구소 소장은 “해답은 원자력 에너지에 있다”고 말했다. 압도적인 에너지 밀도를 자랑하면서도 세계에서 몇 안 되는 친환경 무탄소 에너지라는 것이 그의 주장이다.
한국은 새로운 기회를 잡았다. 지난 67년 동안 도입기 저소득 -체화기-국산화기를 거쳐 주요국보다 앞선 기술을 가진 선도기를 맞이했다. 차세대 원자로는 물론 수십 년 뒤 ‘게임 체인저’가 될 새로운 원자력 시스템 개발에 매진하고 있는 현장을 찾았다.
 AI 시대 최적의 에너지원…SMR 시대 온다



7일 서울대 원자력미래기술정 롯데캐피탈 대출 책연구소의 뉴스케일 E2센터. 마치 공상과학영화의 한 장면처럼 수십 대의 모니터가 소형모듈원자로(SMR)의 상태를 실시간으로 보여주고 있었다.
SMR은 모듈형 설계로 제작된 차세대 원자로다. 출력은 기존 대형 원전보다 상대적으로 작다. 그러나 제작과 설치가 간편하고 안전성이 높아 주목받고 있다. 특히 단기간에 공장에서 모듈을 생산해 현장에 주식투자자금대출 조립하는 방식이 가능해 건설 비용과 기간을 크게 줄일 수 있다.
현재 AI업계는 초대형 데이터센터 가동에 필요한 에너지 수급 문제로 비상이 걸렸다. SMR은 이 분야에서 최적의 대안으로 평가받고 있다.
원자력미래기술정책연구소의 E2센터는 세계적 SMR 기업인 미국 뉴스케일파워의 주(主)제어실을 그대로 옮겨놓은 곳이다. 우리은행전세자금대출자격 학생들이 SMR 운전 시나리오를 직접 체험하면서 배울 수 있는 공간이다. 뉴스케일은 아시아에서 처음으로 서울대에 E2센터를 설치했다. GS에너지, 두산에너빌리티, 삼성물산 등 한국 SMR 기업들도 설립에 공동 참여했다.
뉴스케일파워가 서울대에 투자한 것은 한국이 SMR에서 두각을 나타내고 있기 때문이다. 한국은 특히 SMR 제작 및 건설 한국우편사업진흥원 기술에서 뛰어나다. 뉴스케일파워가 SMR을 설계하면 GS에너지가 사업을 개발하고, 두산에너빌리티가 제작해 삼성물산이 시공하는 방식이다. 국내 기업과 뉴스케일파워가 협력해 SMR 시장에 진출하는 모델이다.
심 소장은 “우리나라는 2035년 상업운전을 목표로 첨단 SMR 개발에 박차를 가하고 있다”며 “탄소중립 사회를 구현하기 위한 핵심 수단이 될 것이라고 확신한다”고 자신했다.
 ‘인공 태양’이 뜬다
원자력미래기술정책연구소에는 ‘인공 태양’도 떠 있다. 핵융합 실험이 이뤄지고 있는 VEST(다목적 실험용 구형 토러스)에서다.
VEST는 플라스마를 가두는 구형 토카막 실험장치다. 복잡한 부품과 실험 장비들이 뒤섞인 공간에서 대학원생들이 장비 가동을 위해 분주하게 움직이고 있었다.
토카막에서 플라스마 반응이 일어나는 시간은 단 몇 초다. 그러나 최상의 결과를 도출하기 위해 밤낮없이 준비 작업이 이뤄진다. 핵융합에너지는 수소처럼 가벼운 원자핵이 합쳐져 헬륨 같은 무거운 물질로 변환될 때 발생하는 에너지다. 태양이 에너지를 만들어내는 원리와 유사해 인공 태양으로 불린다.
핵융합에너지는 석유나 석탄 같은 화석에너지원에 비해 탄소 발생량이 미미하고 고준위방사성폐기물도 나오지 않는다. 필수 원료인 중수소는 바닷물 속에 무한정 있다. 중수소와 삼중수소 반응 1g으로 석유 약 8t, 석탄 약 10t에 해당하는 에너지를 낼 수 있다. 바닷물 1L로 석유 300L 효과가 날 수 있는 셈이어서 차세대 에너지원으로도 불린다.
인공태양 프로젝트는 세계 주요국에서 진행되고 있다. 프랑스 ITER, 영국 MAST뿐만 아니라 중국에서도 상용화를 위한 연구가 이뤄지고 있다. 한국은 대전 한국핵융합에너지연구원에서 케이스타(KSTAR)라는 실험장치를 보유하고 있다.
최근 서울대 VEST에서 유의미한 실험 결과가 나오기도 했다. 박종윤 원자력미래기술정책연구소 연구원은 핵융합 분야에서 연구 난제로 꼽히던 ‘다중 스케일 연계’ 현상의 비밀을 VEST에서 실험을 통해 풀어냈다. 이 논문은 지난 8월 세계 최고 권위의 국제학술지 네이처에 실렸다.
 원자력 기술, 반도체 제조에도 활용
원자력미래기술정책연구소는 원자력 발전을 더 안전하고 깨끗하게 활용할 수 있는 방법도 연구하고 있다. 발전 후 발생하는 핵폐기물에 대한 문제가 공론화하면서 고준위방사성폐기물 실험 장비를 갖췄고, 해양원자로용 용융염 실험장치도 가동하고 있다.
SMR과 핵융합로 외에도 원자력을 응용할 수 있는 기술은 무궁무진하다. 원자력에 관한 연구는 반도체 제조에도 요긴하게 활용된다. 핵융합에 필요한 플라스마 반응은 반도체 웨이퍼에서 회로를 깎아내거나 미세한 박막을 씌우는 증착·식각 공정에서 활용된다. 플라스마를 적용한 공정은 2나노(㎚) 이하의 초미세 반도체에 더욱 적극적으로 쓰일 것으로 예상된다.
서울대는 원자력미래기술정책연구소를 통해 미래 원자력 발전과 응용 분야 연구를 강화할 예정이다. 심 소장은 “2027년 원자핵공학과 건물 재건축으로 대형 실험 장비 구축이 가능한 하이베이(High-Bay) 실험실이 완공되면 세계적 수준의 연구 경쟁력을 갖출 것으로 기대한다”고 말했다.
강해령 기자 hr.kang@hankyung.com