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BNP PARIBAS: Deep Dive into Nuclear

1. 원자력으로의 회귀
1) 새로운 물결의 신호: 오늘날 가동 중인 세계 원자로 대부분은 1960년대에서 1990년대 사이 설치 붐의 유산. 그러나 이번 물결은 과거의 급격한 확장에 비해 훨씬 더 온건.

2) AI 데이터센터 수요: 미국 주도의 AI 사용 붐은 전 세계 전력 수요를 급격히 늘리고 있음. 기본 시나리오 상, '30년까지 미국 AI 데이터센터 전력 수요는 318TWh에 이를 전망. 이를 충족하기 위해 하이퍼스케일러들은 원자력 투자를 확대.

3) 빅테크 기업들의 주도: 첫 계약 체결 후 1년 만에, 전 세계 원자력 전력구매계약(PPA)은 주로 미국에서 주도되어 4.3GW에 달했음. 메타는 초기 선도자로 등장. 6월에는 아마존이 지금까지 가장 큰 오프사이트 원자력 PPA를 발표. 구글도 뒤처지지 않고 7월에 획기적인 핵융합 계약을 발표. 앞으로 원자력 PPA는 미국 시장을 넘어 확대될 것으로 예상.

2. 전력 수요와 환경 우려의 균형
1) 신뢰할 수 있는 기저부하 전원: 세계적으로 지정학적 불확실성이 커지는 가운데, 에너지 안보는 핵심 우선순위. 원자력은 보통 80% 이상의 설비 이용률을 기록하며, 안정적이고 24/7 공급 가능한 전력으로, 간헐적인 재생에너지를 보완하기에 이상적.

2) 더 가벼운 채굴 강도: 한 연구소에 따르면, 1GWh의 원자력 전기를 생산하는 데 필요한 채굴 면적은 태양광 발전소의 약 30%, 육상 풍력의 약 20% 수준. 이는 원자력이 주로 고품위 철광석 광산과 암석 채석장에서 얻는 대량의 철강과 콘크리트에 의존하기 때문. 이들 원자재는 단위당 필요한 자재를 채굴하는 과정에서 상대적으로 폐석이 적게 발생.

3) 더 낮은 생애주기 배출량: 발전소 생애주기의 모든 단계를 고려할 때, 원자력은 kWh당 약 12g의 CO₂ 등가 배출량을 발생. 이는 육상 및 해상 풍력과 유사하며, 태양광보다는 낮고, 천연가스나 석탄보다는 현저히 낮음.

4) 효율적인 토지 이용: 원자력은 지상 태양광, 석탄, 대규모 수력발전 대비 단위 전력당 필요한 토지 면적이 훨씬 적음.

5) 핵폐기물: 원자력의 주요 환경적 우려는 수천 년간 방사능을 유지하는 연료 폐기물 발생. COP28 원자력 3배 확대 서약에 참여한 국가들은 장기적으로 연료 폐기물을 책임 있게 관리하겠다고 약속. 프랑스는 사용후 핵연료 재처리 분야의 선도국으로, 세계 최대 시설을 운영하며, 원자로에서 우라늄 연료 연소의 부산물로 형성된 플루토늄과 우라늄을 혼합산화물로 전환하여 고속증식로에서 전기를 추가 생산하는 데 재활용

3. 핵 투자 기회 포착
1) 성장하는 모멘텀: 10년간의 하락세 이후, 하이퍼스케일러뿐만 아니라 사모펀드와 벤처캐피털 역시 원자력 기술에 더 많은 자금을 투입. 동시에 정부들도 올해 들어 다수의 발표를 통해 더 큰 지원을 약속. 이러한 급증은 원자력이 상당한 규모의 자본 배치를 앞두고 있다는 신뢰가 높아지고 있음을 반영

2) 핵심 테마: 원자력 발전 부문은 기술적·규제적 진입 장벽이 높아 소수의 플레이어가 시장을 지배하는 집중된 구조. 투자자들은 다음과 같은 테마를 통해 원자력 투자에 노출될 수 있습니다:
a. 우라늄 공급: 우라늄 광산, 연료 생산업체 및 농축업체 포함.
b. 원자로 및 장비 제조사: 첨단 설계(SMR, 첨단 원자로, 마이크로 원자로) 기업 중 일부는 비상장사지만, Oklo Inc., NANO Nuclear Energy 등 최근 몇 년간 상장한 주목할 만한 기업들이 순수 플레이 투자 기회를 제공
c. EPC: 신규 원전 건설이 시작됨에 따라 EPC 기업들은 확대되는 파이프라인으로 혜택을 볼 수 있음
d. 발전: 기존 원자로 보유 혹은 신규 건설 계획이 있는 전력회사가 수혜 예상.
e. 폐기물 관리: 핵폐기물 처리, 저장 및 폐기 포함.
f. 핵분열: 모멘텀은 커지지만 여전히 과제 존재
g. 입증된 중추: 핵분열은 우라늄-235 같은 무거운 원자핵을 쪼개 열을 방출하는 과정으로, 현재 모든 상업 원자력 발전의 중추. 전 세계 운영 중인 거의 모든 원자로는 가압수형 원자로와 비등수형 원자로에서의 제어된 핵분열에 의존하며, 이 둘이 전 세계 원자력 발전 용량의 약 85%를 차지.
h. 현황: 2024년 말 기준으로 미국이 세계에서 가장 많은 가동 원자로를 보유하고 있으며, 프랑스와 중국이 그 뒤를 잇고 있음. 현재 전 세계적으로 약 65GW 규모의 원자로가 건설 중이며, 이 중 절반가량은 중국이 차지 [그림 1]. 건설 중인 원자로의 약 80%는 러시아와 중국 기술을 활용하고 있음.
i. 비용과 효율성: 최근 서방의 대형 원자로 프로젝트들은 비용 초과와 지연에 시달렸음. 예를 들어, 미국 보글 3·4호기는 약 5년 지연. 프랑스 플라마빌 3호기와 핀란드 올킬루오토 3호기는 10년 이상 지연되었으며 초기 예상 대비 비용이 크게 불어남. 반면, 중국의 원전 건설은 더 비용 효율적이고 신속하게 진행. 이는 낮은 금리로 인한 낮은 금융비용, 통합된 현지 공급망, 저렴하면서 숙련된 노동력, 그리고 최소화된 규제·정치적 지연 때문으로 풀이.

4. 핵연료: 우라늄 제약과 토륨의 잠재력
1) 공급 측 과제: 우라늄 현물 가격은 2024년 1월 파운드당 100달러 이상에서 7월 말 기준 약 70달러로 다소 하락했지만, 수급 불균형은 여전히 지속. 이는 주로 신규 원자로 건설과 기존 원전 수명 연장으로 인한 수요 증가에 기인. 공급 측면에서 전 세계 우라늄 생산은 카자흐스탄, 캐나다, 나미비아에 집중되어 있으며, 이들 3개국이 전 세계 생산의 약 70%를 차지. 지정학적 긴장 심화로 카자흐스탄의 생산이 점차 러시아와 중국으로 흘러갈 것. 또한 우라늄 광산 개발은 발견부터 생산까지 보통 10년이 걸리기 때문에, 현재의 공급 긴축은 단·중기적으로 지속될 가능성이 높음. 한편, 우라늄을 원자력 연료로 사용하기 위해 농축(우라늄-235 농도 증가)하는 글로벌 능력도 매우 집중되어 있으며, 국영 기업 4곳이 전 세계 농축 능력의 80% 이상을 차지. 이러한 집중은 지정학적 리스크를 증폭시키며 원자로 배치의 핵심 병목이 될 수 있음.

2) 토륨의 전략적 대안: 토륨은 자연에서 우라늄보다 약 3배 더 풍부. 가압수형 원자로, 고온가스로 등 다양한 원자로 설계에 연료로 도입할 수 있어 미래 활용에 유연. 토륨 기반 원자로는 우라늄 기반 원자로보다 장기 방사성 폐기물이 적게 발생.
기술적 장점 외에도 토륨은 전략적 다변화 기회를 제공. 전 세계적으로 토륨에 대한 관심이 높아지고 있음. 세계 최대 토륨 매장량을 보유한 인도 유럽·미국과 협력을 심화하고 있으며, 중국 역시 이 대체 연료를 탐색 중. 중국은 2024년에 2MW 토륨 기반 용융염 원자로를 성공적으로 가동했고, 이후 가동 중단 없이 연료 재충전을 완료

5. 핵융합: 플라즈마에서 전력으로
1) 별에서 오는 에너지: 핵융합은 수소 동위원소(삼중수소, 중수소)를 초고온으로 가열해 플라즈마라는 고온 이온화 기체 상태를 형성할 때 발생. 이 조건에서 원자핵들이 충돌해 헬륨과 중성자로 융합되며, 고에너지 입자에 의해 막대한 에너지가 방출. 핵융합은 기존 핵분열 기술에 비해 여러 장점. 1) 연료가 바닷물과 리튬에서 주로 얻을 수 있어 더 풍부하고 접근성이 높음. 또한 안전성 측면에서 융합 반응은 즉시 중단할 수 있으며, 핵분열과 달리 장기 방사성 폐기물을 발생시키지 않음. 그러나 지속 가능한 융합을 달성하는 것은 큰 과제. 플라즈마는 극도로 높은 온도를 장시간 유지해야 하며, 에너지 투입보다 더 많은 에너지 산출이 이뤄지는 상태(순에너지이득, net energy gain)를 확보해야 함.

2) 배치 마라톤: 주요 선진국들은 약 2040년까지 핵융합 에너지 상업화를 목표. 경쟁 기술 중에서는 magnetic confinement fusion이 가장 많이 연구. 이 방법은 자기장을 이용해 고온 플라즈마를 가두며, 연구는 1980년대까지 거슬러 올라감. 반면, inertial confinement fusion은 고에너지 레이저를 집중시켜 연료를 압축하는 방식으로, 미국 국립점화시설(NIF)이 2022년에 순에너지이득을 달성하면서 다시 주목을 받았음.

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