hot science ε'" [J ζ 도./\ 글윤신영기자 1 폐기물없는안전함 를를 I ~ 훌훌 L;: L.: 우리늄이아닌저 12의방사성핵연료 토륨 을쓰는원전개발이한칠벼 다. 우라늄보다풍부하고안전하며폐기물이나오지않아미래의대안에너지로꼽힌다. 하지만국내에는이에대한논의나연구가거의이뤄지지않고있다. 에너지문제해결을위해하루빨리진지하게연구할필요가있습니다 '."( 김재완고등과학원계산과학부교쉬 가능한방법입니다만 경제성등매력이떨어집니다기존원전을완전히대체할수있는최선의방법은아닙니다 " ( 횡일순서울대원재석공학과교쉬 안전성등기존우라늄원전의단점을해결할수있습니다. 우리나라도다gt한방식을연구하고시도해야하지않을까요 "( 흙우성균관cH 물리학과교쉬 일러스트 정지수 토륨원전에대한의견은전문가들사이에서도분분하다. 찬성히는연구자들은기존우라늄원전이갖는단점을해결하기위해하루빨리상업화해야한다고주장한다. 호의적이지않은연구자들은원료를바꾸는것이완벽한대안은아니며새로운시스뱀의우리늄원전을통해기존원전의문제점을얼마든지해결할수있다고주장한다. 하지만정보가부족한경우가많다. 원전에관심을갖고있는연구자일지라도다른연료로원전이가능하다는사질은모르는경우가많다.
tii\. ~ / r } 똘흘 r < 하혼1 만토륨원전은이미세계적인관심사다. 인도는토 륨원천을 1Q 년넘게연구해오다작년끄월발전소건설을 공식적으로선언했다. 중국역시건설을서두르고있고. 스 리마웰사고이후원전연구에무관심했던미국도에너지 부와환럽연구소들이주축이돼연구에몰두하고있다벨 기에순유럽연합 (ED) 과공동으로실험로를운영하고있 다. 도대체토륨원전은무엇이며어떤장점이있는걸까. 타지많는불꽃 토륨 토륨은뭔전연구초창기부터연료후보로꼽혀왔던물질이 다 ;Z~ 펠까지인류가발견한핵종 ( 동위원쇠은 3300개가넘 는다擬 1 만인위적으로만들어야만핸핵종이나반감기가너담활은핵종을제외하면인류가실제로접할수있는 핵종수슨 3937R 에불과하다. 이가운데전혀핵분열을일 으커지않는안정핵종 255 개를제외하고. 반감기가우주나 이보다휩어서역시핵분열을유도하71 어려운핵종들을제 외따활면. 원전에이용할수있는방사성핵종후보는우 리늄과 \ 루토늄등극히일부밖에남지않는다. ~ <! ~ -' ~ 톨 1톨k * g t ~C" t f t! l '". r f' f" a ~:. g a II \: l - 71
토륨의매짙발 원전에주로쓰는우라늄 -235 는전체우라늄중에서도 0.7% 에불과하다. 하지만토륨은원전에쓰 01 는토륨 -232 형태로 100% 존재한다. 토륨도바로이런핵종중하나다. 바닷가모래등에풍부하며 매장량도우라율보다 4배많다. 산출국이한정된우라늄에비해토륨은세계곳곳에비교적고르게퍼져있기도하다. 하지만토륨은원전의주인공자리를우리늄에내줘야했다. 한가지큰단점이있었기때문이다. 우라늄은적은에너지로스스로핵분열을일으킬수있고 그상태를계속유지할수있다. 하지만토륨은그렇지않았다. 비유하자면우라늄은한번불만지펴주면계속해서활활타오르는불쏘시개와같다. 반면토륨 그린란드 5 만 4000t 2"10 러시아 7 만 SOOOt 3% 이집트 10 만 t 4% 노르웨이 13 만 2000t 5% l까 호주 48만 9천t 타L I I 1191% II훌 은불도잘안붙고잘꺼진다. 연료로서는매력이멀어졌다. 당시원전에어떤연료를쓸지는불보듯뻔했다. 우라폼은그자체가핵분열성물질로적당한에너지의중성자만있으면쉽게핵분열을일으킬수있다. 일단핵분열을시작하면잘멈추지않는다. 그래서우 리눔원전에서는분열속도가빨라지지않게섬세하게조절한다. 이를위해연료 자료 : ii'ea/wn 이 200 떤기준 ) 중간중간에분열속도를늦추는 제어봉 을꽂는다. 제어봉은붕소로돼있는데 우라늄의핵분열을시작하고기속화시키는입자 ( 중성자 ) 를흡수해전체적인반응속도를조절한다. 물이나흑연같은냉각재 ( 감속재 ) 를써서원자로를식히기도한다 ( 중성자의에너지를줄인다 ). 토륨은반대다. 핵분열을해도만들어지는중성자의수가연쇄반응을일으키기에부족하다. 따라서분열이꾸준히이어지지못하고중단된다. 따라서토륨원전에서는핵분열을둡는중성자를따로공급해연쇄반응을꾸준히이꿀어내는일이중요하다. 얼핏단점으로보이는토륨의이현상이최근오히려장점으로관심을받고있다. 원전안전성의화두가자고시저절로꺼지는원전 이기때문이다. 지난해일본후쿠시마원전사고는효율면에서큰장점이었던우라늄원전의연쇄반응이얼마나위험할수있는지를보여줬다. 핵분열을제어할수있는비상수단까지사라지자 ( 비상발전기가꺼져냉각수공급이중단됐다 ) 노심의온도가높아졌고 핵연료는연쇄반응끝에노심을녹여버렸다. 꺼지지않는불꽃 원전은인간의통제력을벗어난괴물이돼버린것이다. 꺼지지않는불꽃 시대는끝났다 궤변으로보였다. 당시에는토륨을효율적으로이용할방법을알지못했다. 따라서활활잘타는우리늄을두고굳이잘안타는토륨원전을개발할이유가없었다 ( 여기에는핵무기제조와관련해또다른동기가숨어있다. 이에대해서는뒤에설명한다 ). 하지만 1995년이되자이야기가달라졌다. 입자인 W보손과 Z보손을발견한공로로 1984년노벨물리학상을받은이탈리아의핵물리학자커를로루비아유럽입자물리연구소 (CERN) 박사가 10년에걸쳐연구한끝에토륨원전의상용화기능성을밝혀냈기때문이다. 토륨원전에이용하는것은원자가가 232인토륨-232 동위원소다 ( 자연계에존재하는토륨은 100% 토륨 -232 다 ). 이원소가중성자를만나결합하면원자가가 233으로증가한다 ( 토륨 -233). 토륨 -233은불안정한핵종이기때문에 22분만에절반의원소가붕괴 ( 중성자하나가양성자하나로변히는베타붕괴 ) 돼프로탁티늄 -233 이된다. 프 잘안타는불쏘시개이기때문에안전하다 는주장은얼핏궤변같다. 돌은석탄 처럼탈수없기때문에산불을낼위험도없다 는것과같은논리로들린다. 적어도토륨을 또하나의연료. 로논의하던 2-0 세기중반에는토륨의장점이
연료가에너지가되기까지기에서나온중성재미가토홉까1 232와만나까 -; 경301 된다. 두번의붕괴를거쳐우라늄 (u)-: 경301 된다. 추가로중성자를마R톨핵분열을통해에너지를만든다. 이때만들어진중성자는다시 r용된다. 앙성자기속기 입 수없다 ( 미임계 ). 토륨원전에다른추가조치를하지않으면핵분열반응은자연스럽게멈춘다. 따라서토륨을원전의연료로쓰려면중성자수를보충해야한다. 예를들어토륨과함께우라늄 -235 나우라늄-238 또는플루토늄과같은초우리늄핵종 ( 우리늄보다원자번호가높은핵종 ) 을일부섞어서이용하는방법이있다. 황일순서울대원자핵공학과교수는 연료에우라늄과플루토늄을 20% 섞어주면임계상태로만들수있다 고말했다. 원전아닌 에너지증폭기 하지만이방식은온전한의미의토륨원전이라고부르기어렵다. 애초에대체하려했던우리늄과초우리융핵종에다시의존히는방식이기때문이다. 루비아교수는색다른방식을제안했다. 원전에선형가속기를도입한형태다. 가속기를이용해고속으로기속시킨양성자를납이나텅스댄에충돌시켜다량의중성지를만든 다. 이중성지를토륨과충돌시켜핵분열을일으킨다. 루비 아교수는기속기를도입한이토륨원전이우라늄원전과 티늄 -233 역시 27일만에절반의원소가붕괴돼우라 내 233 이된다. 1 렇게해서만들어진우라늄 -233 은현재널리쓰이 끊우라늄폈처럼비교적뻐지가낮은중성자와충돌해품핵분열을일으킨다. 이과정에서핵분열에너지와함꺼繼자가빨한다에너지는증기를발생시켜전기를 생빨 F 는데쓰이고 중성자는다시토륨 -232 또는우라 &-233 과충돌해핵분열을지속시키는순환과정을거친 위그림참조 ). 씀리늄원전은핵분열과정에서발생딴중성 X 띄수가 투힘되는중성자의수보다많아계속해서핵분열연쇄반응 을커일으킬수있다 ( 이상태를 임계상태 라고한다 ). 하지만 은핵분열과정에서만들어지는중성자수가투입되는 Z 험자에비해적어서절대스스로는연쇄반응을일으킬 는근본원리가다르다며원자로 (reactor) 라는용어대신 에 너지증폭기 (energy amplif 빼 라는용어를제안했다. 스위스에건설된실험용토륨원전 PSI 으 모습. 차를로루비아 CERN 연구원이제안한 에너지증폭기 가가능함을보였다.
우라늄뭔전과토륨원전공정비교 토륨원전은재료의양이적고농축과정이필요없으며폐기물위험도낮다. 모든시스템이그렇듯필요한만람의출력을내기위해서는적절한설계과정이필요하다. 핵심은다량의중성지를만드는일이다. 홍승우성균관대물리학과교수는 0.8----1GeV 대의출력을얻어야 20----30개정도의중성자가만들어져연쇄반응이안정적으로일어난다 고말했다. 홍교수는 루비아교수는우라늄원전못지않게안정적인토륨원전이기능하다는사실을이론적으로밝혔다 며 하지만처음제안한 1995년만해도이런원전시스템을만들수없어서상업화까지나 f가지못했다 고말했다. 루비아교수의주장은 2005년스의스에 0.6GeV대의실험용원전 PSI가만들어지면서사실상검증이됐다. PSI 는약 1MW( 메가와트. 전력의단위로 한국표준형원전은 1000MW 의전력을만들수있다 ) 정도의전력을낸다. 홍교수는 루비아교수는투입중성자와발생중성자의비를 1:0.99 정도로맞추면임계에이르지않고효율적으 우라늄원전 엉 m 의자연산 우 ~~ 늄 (U). 이중 u-; 경 5 는 1.75t{0.7"k). 토륨원전 i 1t 의자연 토훨.Th). 까 r2327~ 100%. ~ 자료토홈에너지연대 ηe 이...-"0 우라늄농축.35t 중 u-: 영 5 는 1.15t(3.3%). ~f 까 1-232 를 u... 경 3 으로 바꿔핵분열. κ -. ---- U-Z35 핵분열. 플루토늄 (Pu 239 QJ 튿걷 MAi ε긍-r 00. 나머지우라늄낀 5t ( 나 - 경 50.6t 포함 l. 35t 의폐기물생성 1 만년이상격리 필요. 83% 의 폐기물은 10 년 안에안정화 - s ~i 1t 의폐기물 샘성.Pu 등유독헥증없음 17% 의폐기물은 300""500 년 격리필요. 로토륨원전을운영할수있다고주장한다 고말했다. 하 지만 0.99 는거의임계에기깝다. 안전성을위해효율성을 을이용하는데다 에너지증폭기가고속로시스템이기때 낮춘 0.9원 + 이보다더낮춘 0.96 중어느쪽이나을지세계곳곳에서연구와논의가진행중이다. 새로운토륨원전에는여러장점이있다. 먼저고준위핵폐기물문제가해결된다. 기존의우라늄원전에서핵폐기물이문제가되는것은우라늄 -235와우라늄 238 중 235 만을태울수있기때문이다. 자연우라늄에서우라늄 -235 는전체의 0.7% 에불과하고나머지대부분은 238이다. 따라서우라늄농축과정을거쳐 235의비율을 3----5% 로높여쓰지만여전히 238의비율이높다. 문제는에너지가높은중성자 ( 고속중성자 ) 를이용히는최근의고속로가아닌이상우라늄 -238을핵분열시킬수없다는점이다. 이들은고스란히폐기물이된다. 핵분열결 문에초우라늄핵종까지태워없앨수있다 ( 정확히는독성이낮은핵종으로바뀌는과정으로 핵변환 이라고부른다 ). 그래서초우라늄핵종이크게줄어든다. 루비아교수는 토륨원전폐기물의독성은약 500----600 년정도면광산에서석탄을캘때와비슷한수준으로떨어진다 고밝히고있다. 같은기간우라늄원전 ( 가압수형원자로 ) 폐기물의독성은 2만 500배높다. 우라늄원전폐기물의독성이토륨폐기물과같은수준으로떨어지려면 1만년이상의시간이필요하다. 또한가지장점은질좋은플루토늄이생기지않는다는사질이다. 플루토늄은핵무기제조에이용될수있다. 우라늄원전은폐기물에다량의플루토늄이포함돼있어핵무 과로만들어지는플루토늄과넬륨 아메리숨 퀴륨등화학 기를개발할위험이있다. 원전개발초기단계에선진국이 독성이강한초우라늄방사성핵종들도타지않고남는다. 반면토륨은 100% 연료로이용가능한핵종 ( 토륨 232)
이미지훌처 위키미디어 펌프 열교환기 @ gl 성자가속기 (O.6GeV) 자연산우라늄원석 피치블렌드 (0) 와토륨원석 (0). 미래의에너지문제를해결할구원의물질은무엇일까 토륨실험로의예 중성자발생양성자-중금속충돌기토륨저장고내부용기연료조절구외부용기 자속기와원자로두방식의토륨핵분열실험 01 가능한벨기에의실험로 미래 MYRRHA) 의구조. 야를선점하겠다는의욕을보이고있다. 세계 4위의토륨산지인인도는기존원전에토륨을반응시켜서우라눔i 233을얻은뒤분리해화학적으로처리하고다시핵분열을거치는 3단계방식을 m년이상연구해왔다. 하지만홍교수는 최근 1"-'2년사이에기속기기반원전으로빙향을비꿨다 고말했다. 벨기에는유럽연합 (EU) 과공동으로 2009년 12월부터기존원자로에선형기속기를도입한실험용토륨원전 미라 (MYR표iA) 를건설하고있다.2014년까지설계를마치고 2019년완공해 2023년기동을목표로하고있다. 이방식은원자로와기속기방식을모두실험할수있어토륨원전상용 회에큰전기를마련할전밍 F 이다. 토륨이아닌우라늄을선택한배경에는핵무기개발욕심 포자리잡고있었다. 한국은현재연구에거의참여하지않고있다.2000 년대초반만해도한국원 자력연구원에기속기연구팀이있었지만프랑스등이중심이된고속로개발에 참여하면서연구도중단됐다. 현재학계일부에서에너지증폭기연구를시도하 각국의개발경쟁속효팩은룬비아박사이후 세계각국은토륨원전개발경쟁에뛰 헌들었다. 에너지증폭기연구도있지만기존우라늄원전 으개량한원전 즉임계로에연료만토륨으로바문방식도 1 다. 미국에너지국은오크리지국립연구소등산하연구소와함께냉각재로용융염을시용하고연료는토륨을사용히는응염원자로개발에한초F 이다. 중국은이방식을개선한 액끼불소화토륨원전 연구에뛰어들었다. 머EA에따르면중 고있지만 국가가전략적사고를갖고접근해야개발이가능한에너지산업이기에쉽지않다. 물론토륨원전의한계도분명히있다. 황일순교수는 가속기방식도양성자를싹서중성자를만드는과정에서반감기가긴방사성핵종 ( 장수명핵종 ) 이생성된다 며 대안으로원자로방식을택하면농축우라늄이나플루토늄을섞어야한다는문제가또생긴다 고말했다. 기존우라늄원전의문제점을개선한차세대우라늄원전연구도많아경쟁도치열하다. 하지만토륨원전이갖는장점과실현가능성역시무시하지못할만큼크다. 미래에너지문제를해결하기위한연구다각화가이쉽다. E컴 은작년 1 월세계최대규모의연구프로그램을세워이분