토륨 연료 사이클

3. 핵반응

토륨 원전의 연료 순환은 우라늄 원전과 다르다. 자연 상태의 토륨(Thorium|토륨^영어-232)은 스스로 핵반응을 일으키지 못한다. 여기에 중성자를 첨가하면 Thorium|토륨^영어-233으로 바뀌고, 한 달가량 지나면 붕괴하여 Uranium|우라늄^영어-233으로 변환된다.^[16] 이 Uranium|우라늄^영어-233은 기존 핵연료와 큰 차이 없이 사용할 수 있다.

Thorium|토륨^영어-232()가 중성자를 포획하면 Thorium|토륨^영어-233()이 된다. 토륨-233은 전자와 반중성미자를 방출하는 베타 붕괴를 통해 Protactinium|프로트악티늄^영어-233()이 된다. 이후 다시 베타 붕괴를 통해 연료인 Uranium|우라늄^영어-233()이 된다.^[16]

핵반응식은 다음과 같다.

:\overset{중성자}{n}+{^{232}_{90}Th} -> {^{233}_{90}Th} ->[\beta^-] {^{233}_{91}Pa} ->[\beta^-] \overset{연료}{^{233}_{92}U}

원자로 내에서 토륨-232 원자핵이 중성자를 흡수하여 토륨-233으로 바뀌고, 프로트악티늄-233을 거쳐 우라늄-233이 된다.

우라늄-233이 핵분열하면 평균 2.6개의 중성자가 방출되고, 이것이 다른 우라늄-233을 핵분열시키거나 토륨-232를 토륨-233으로 바꾸면서 연쇄 반응이 일어난다.

우라늄 연료 사이클에서도 우라늄-238이 플루토늄-239로 전환되는 "우라늄-플루토늄 계열"이 진행되지만, 부차적인 것에 머물러 있다.

핵반응 계열은 여러가지가 존재하지만, 실용 가능한 것은 제한적이다. 핵반응의 계열과 반감기는 핵물리학의 법칙으로 결정되며, 현재 알려진 바로는 우라늄-플루토늄 계열과 토륨-우라늄 계열만이 해당한다.

토륨 핵재처리 과정에서는 핵무기로 쓰일 수 있는 플루토늄-239가 나오지 않는다.^[16]

3. 1. 핵분열 생성물

3. 2. 초우라늄 핵종

3. 3. 붕괴 생성물

이러한 감마선은 투과성이 강해 전자기기에 손상을 입히고 인체에 해로우므로, 사용후 핵연료를 처리할 때는 엄중한 차폐 및 원격 조작이 필요하다.^{[3] 232}U는 화학적 방법으로 ²³³U에서 분리할 수 없지만, 토륨에서 분리하여 ²²⁸Th 및 기타 붕괴 생성물의 축적을 막을 수 있다.

4. 특징

토륨 연료 사이클은 우라늄 연료 사이클에 비해 여러 가지 특징을 가진다.

우선, 토륨은 자연 상태에서 스스로 핵반응을 일으키지 못한다. 따라서 중성자를 흡수시켜 우라늄-233^영어으로 변환시켜야 한다. 이 과정은 플루토늄이 생성되는 핵재처리 공정과 유사하지만, 토륨 핵재처리 과정에서는 핵무기 재료로 사용될 수 있는 플루토늄-239^영어가 생성되지 않는다.^[24]

토륨 1톤으로 얻을 수 있는 발전량은 우라늄 200톤, 석탄 350만 톤에 해당할 정도로 효율이 높다. 또한, 후쿠시마 원자력 발전소 사고 이후 안전성 측면에서 주목받고 있는데, 토륨 원전은 중성자 공급이 중단되면 핵분열이 즉시 멈추고, 냉각수가 없어도 원자로가 녹아내릴 위험이 적다.

토륨 원전에서 발생하는 고준위 방사성 폐기물은 기존 원전의 0.1% 수준이며, 전체 방사성 폐기물 양도 2% 내외로 매우 적다. 또한, 토륨은 농축 과정이 필요 없어 플루토늄이 거의 생성되지 않고, 폐기물도 기존 원전의 30분의 1 수준이다. 토륨은 사용후핵연료보다 방사능 폐기물 배출량이 10~1만 배 적고, 100% 순수 사용 가능한 동위원소로 농축이 필요하지 않다. 토륨-232^영어의 열 중성자 흡수 핵 단면적과 공명 적분은 우라늄-238^영어의 해당 값보다 약 3.3배 더 크다.

로(爐) 내에서 토륨-232 원자핵이 중성자를 흡수하면 토륨-233으로 바뀌고, 프로트악티늄-233을 거쳐 핵연료 물질인 우라늄-233이 된다. 우라늄-233이 핵분열 반응을 일으키면 발생하는 중성자가 다른 우라늄-233을 핵분열시키거나 토륨-232를 토륨-233으로 바꾸면서 연쇄 반응이 유지된다.

우라늄-238이 플루토늄-239로 전환되는 "우라늄-플루토늄 계열"과 달리, 토륨-우라늄 계열은 실용 가능한 기간 동안 순환할 수 있어야 한다. 즉, 계열을 구성하는 모든 핵종이 짧은 반감기를 가져야 하며, 현재 알려진 바로는 우라늄-플루토늄 계열과 토륨-우라늄 계열만이 이에 해당한다.

토륨 용융염 연료 사이클은 다음과 같은 특징을 갖는다.

• 풍부한 자원: 모나즈석에 고농도로 포함되는 등 존재량이 많으며, 가채 매장량은 우라늄의 3배 이상으로 추정된다.
• 가치있는 부산물: 모나즈석은 희토류의 인산염 광물이며, 부산물로 희토류와 인을 얻을 수 있다. 또한 토륨의 α붕괴로 생성된 헬륨을 포함한다.
• 열중성자 증식/전환: 고속증식로 없이 연료 증식이 가능하다.
• 장기간 연료 무교환 및 안정적 연소: 경수로와 달리 토륨 용융염로는 열중성자, 저연소도로 증식 가능하며, 초기 장전 연료 농축도가 낮아도 장기간 연소 가능하다.
• 핵분열 억제물 제거: 기체 핵분열 생성물(특히 핵독인 제논 135)을 운전 중 제거하여 반응도 유지가 용이하다.
• 수소/수증기 폭발 방지: 물을 사용하지 않아 수소 폭발/수증기 폭발을 원천적으로 방지한다.
• 초고온 원자로·열전 병급: 물 냉각로보다 높은 온도(1400도 근처) 운전이 가능하여, 가스터빈 조업·원자력 열전 병급이 가능하다.
• 핵 확산 저항성: 핵무기 재료인 플루토늄 239가 생성되지 않고, 우라늄 233도 농축이 어려워 핵무기 제조에 부적합하다.
• 적은 초장반감기 악티늄족 생성: 사용후 핵연료 관리 부담이 적다.
• 견고한 물리적 성질: 산화 토륨은 융점이 높고 열전도율이 높아 노심 용융 저항성이 높다.
• 우수한 안전 특성: 원자로 여유 반응도, 온도 계수, 보이드 계수 등이 개선된다.
• 낮은 장착 연료 방사능: 토륨은 핵분열성이 없어 핵분열성 물질 가공·수송이 불필요하다.

4. 1. 장점

4. 2. 단점

• 연료 재처리: 우라늄 연료 사이클에서는 퓨렉스(PUREX)와 같은 재처리 방법이 이미 확립되어 있지만, 토륨 연료 재처리는 THOREX와 같은 방법이 연구 단계에 있다. 또한, 우라늄-232는 반감기가 68.9년으로 길고, 붕괴 생성물인 탈륨-208 (반감기 3분)이 강한 감마선을 방출하므로 원격 조작이 필요하다.^[3]
• 흑연 화재 가능성: 흑연 감속로를 사용할 경우, 지진 등으로 배관이 파손되고 격리 밸브가 전원 상실 등으로 작동하지 않으면, 용융염이 드레인 탱크로 떨어지더라도 공기가 유입되어 흑연 화재가 발생할 수 있다. (윈즈케일 원자로 화재 사고 참조)
• 대형화 및 입지 제약: 경수로에 비해 대형화가 어렵고, 부피가 커서 부유식 원자력 발전소에 설치하기도 어렵다.
• 용융염 부식성: 열효율을 높이기 위해 운전 온도를 높이면, 용융염이나 용융염 분해물에 의한 배관 부식 문제가 심각해진다. 초고온 원자로로서 고온 가스 냉각로보다 고온화 기술 난이도가 높고, 초기 불량 발생 위험이 크다.
• 양의 반응도 온도 계수: 비교적 큰 흑연 감속로의 경우, 온도 상승 시 반응도에 양의 피드백이 걸려 출력이 상승하는 문제가 있다. 이 때문에 제4세대 원자로에서는 흑연을 사용하지 않는 용융염 고속로를 검토하고 있다.
• 점화원(중성자원) 필요: 토륨은 자발 핵분열을 일으키지 않으므로, 연료 사이클 시작을 위해 다른 핵분열성 물질 또는 기타 중성자 발생원이 필요하다.
• 핵무기 사용: 우라늄-233은 핵무기 실험에 한 번 사용되었다는 공개 문서가 있다. 미국은 1955년 Operation Teapot 중 MET(군사 효과 시험) 폭발에서 복합 우라늄-233-플루토늄 폭탄 코어를 테스트했지만 예상보다 훨씬 낮은 위력을 보였다.^[24]

5. 토륨 원자로

토륨 연료는 경수형 원자로, 중수형 원자로, 고온 가스 냉각로(HTGR), 나트륨 냉각 고속로, 용융염 원자로 등 다양한 종류의 원자로에 사용될 수 있다.^[25]

1960년대 오크리지 국립 연구소의 용융염 원자로 실험에서는 핵분열성 연료로 을 사용했다.^[11] 이 실험은 사불화 토륨(IV)을 용융염 유체에 용해하여 토륨의 실현 가능성을 평가했으며, 연료 원소를 제작할 필요가 없다는 장점이 있었다. 그러나 앨빈 와인버그가 해고된 후 1976년에 자금 지원이 중단되었다.^[11]

1993년, 카를로 루비아는 "에너지 증폭기" 또는 "가속기 구동 시스템"(ADS) 개념을 제안했다. 이는 고활성 핵 폐기물을 소각하고 천연 토륨과 고갈된 우라늄으로부터 에너지를 생산할 수 있는 가능성을 제시했다.^[12][13]

전 NASA 과학자이자 Flibe Energy의 수석 기술자인 커크 소렌슨은 액체 플루오라이드 토륨 원자로 (LFTR)를 오랫동안 홍보해 왔다.^[14]

2011년 MIT 연구에 따르면 토륨 연료 주기에 대한 장벽은 거의 없지만, 현재의 원자력 발전 시장에서 기존의 우라늄 주기를 대체할 가능성은 거의 없다고 결론지었다.^[15]

국제 원자력 기구는 토륨 연료 사이클이 핵 확산 방지 및 핵 폐기물 문제 개선에 유효하다고 보고 있다.^[30] 특히, 용융염 원자로가 토륨 연료 사이클의 장점을 극대화할 수 있는 원자로 형태로 꼽히며, 협의의 토륨 원자로(LFTR)는 바로 이 용융염 원자로를 가리킨다.

인도는 토륨 자원이 풍부하여 3단계 원자력 개발 계획의 2단계로 압력관형 중수로를 기반으로 개발을 추진하고 있으며,^[29] 현재 상업용 원자로에서도 토륨을 이용하고 있다. 2011년 중국도 개발 착수를 발표했다.

5. 1. 토륨 연료 원자로 목록

6. 개발 국가

우라늄 자원 고갈에 대한 우려로 인해 토륨 연료 사이클에 대한 초기 관심이 높았으나^[33], 여러 국가에서 관련 연구 개발이 진행되었다.

1967년 미국 오크리지 국립 연구소는 열출력 7.4MW의 용융염 원자로(MSRE)를 건설하여 649℃에서 용융된 플루오라이드염(FLiBe)을 연료로 사용하는 데 성공했다. 미국, 독일, 영국에서는 고온 가스 냉각 원자로를 이용한 실험 및 시험 운영이 이루어졌다. 미국의 시핑포트 원자력 발전소 (가압 경수로)에서는 증식 실험이 성공적으로 수행되었다. 그러나 용융염의 고온 및 감마선 문제, 예상과 달리 풍부한 우라늄 자원, 냉전 시기 핵무기 생산에 유리한 우라늄 연료 사이클 등의 이유로 토륨 연료 사이클 연구는 진전되지 못했다.

인도는 국내 토륨 자원이 풍부하여 3단계 원자력 개발 계획의 일환으로 압력관형 중수로 기반 개발을 추진하고 있으며^[29], 현재 상업용 원자로에서도 토륨을 사용한다. 2011년 중국도 개발 착수를 발표했다. 이탈리아 카를로 루비아가 제안한 가속기 구동 미임계로 연구도 진행 중이며, 고준위 방사성 폐기물 처리 및 자원량 확대 가능성이 기대된다.

국제 원자력 기구는 토륨 연료 사이클이 핵 확산 방지 및 방사성 폐기물 문제 개선에 유효하다고 평가한다^[30].

2017년 10월 12일, 국회 과학기술정보방송통신위원회 소속 변재일 의원(더불어민주당)은 과학기술정보통신부 국정감사에서 원자력발전 연구 패러다임을 토륨원전으로 전환해야 한다고 주장했다.^[53]

6. 1. 인도

6. 2. 미국

6. 3. 중국

6. 4. 대한민국

7. 토륨 매장량

Thorium^영어은 전 세계적으로 골고루 분포되어 있다. 카를로 루비아는 토륨 1톤이 우라늄 200톤, 석탄 350만 톤에서 생산하는 전력과 같다고 말했다.^[44] 주요 국가별 매장량은 다음과 같다.^[46]

인도의 희토류 부존 자원은 모나자이트(토륨과 우라늄 원소를 함유하고 있는 방사성 광물) 기준으로 1070만 톤에 달한다. 이 중 75%가 해변 사광에서 추출돼 암석에서 채취하는 희토류보다 채산성이 높다.^[47]

모나자이트는 방사성 원소인 토륨이 다량 함유되어 있어 방사능을 유출하며 타이, 말레이시아, 인도, 브라질, 오스트레일리아 등에서 대량으로 산출된다.^[48]

토륨은 지구 지각에 우라늄보다 약 3~4배 더 풍부한 것으로 추정되지만,^[21] 현재 매장량에 대한 지식은 제한적이다. 현재 토륨 수요는 모나자이트 모래에서 희토류 원소 추출의 부산물로 충족되어 왔다.

참조

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