꿈의 원전 토륨!(201363053 이태현)

[이태현(B반13학번)]

토륨 원자로란?

말 그래도 우라늄이나 플루토늄 대신에 토륨을 핵연료로 사용하는 원자로인데

토륨 핵연료는 안전성이 뛰어나고 같은 량으로 훨씬 많은 에너지를 낼 수 있고

방사능 물질도 적게 나오는 좋은 꿈의 핵연료라고 할 수 있습니다

1. 토륨이란?

원소기호 Th,원자번호 90인 악티늄족 원소이고 은백색을 띠는 금속입니다

자연계에 존재하는 방사성 원소중에 제일 흔하고

우라늄보다 4배나 많이 존재하는데 방사능이 약해서 크게 위험하지는 않습니다.

하지만 그렇다고 막 다루기에는 곤란하기 때문에

옛날에는 합금제나 조영제, 화학촉매, 심지어 치약에도 들어갔었는데

요즘에는 이들 용도로는 별로 쓰이지 않습니다.

대신 원자번호 92번인 우라늄 대신에 90번인 토륨을

새로운 유형의 원자력 발전 연료로 활용하는 방법이 현재 활발히 연구되고 있는데

토륨 원자로가 상용화될 쯤이면 아마 세계 각국에서 마구마구 상위입찰하게 될 물질입니다.

2. 기존 우라늄 원자로의 문제점

석유나 천연가스 등의 화석연료를 대신할 대체에너지 개발은 활발하게 이루어져 왔지만

현재로서는 원자력 이상의 효과적 수단은 아직 없다고 봐야합니다.

하지만 현재의 원전들은 고압을 유지해야하며 정교한 냉각시설이 필요할 뿐 아니라

설비 고장이나 다른 이유로 인해 핵분열을 억제하지 못하면 대형 사고가 일어날 수밖에 없는

아주 위험한 것들이기도합니다.

물론 그동안 냉각방식과 시스템은 꾸준히 발전해왔지만 본질적으로는

과열된 물에 의존하는 압력솥과 같은 존재라고 말할 수 있습니다.

따라서 냉각시스템이 한번 잘못되면 상황이 급속도로 악화될 수밖에 없습니다.

3. 그럼 토륨을 쓰면 뭐가 달라지나?

<우라늄 연쇄 핵분열>

기존 원자로가 냉각시스템에 의존해야 하는 이유는 간단합니다.

하나의 중성자가 우라늄 등에 충돌해 핵분열을 일으키면 더 많은 중성자가 튀어나와

또 핵분열을 일으키는 지수함수적 증가구조이기 때문에

제어봉과 냉각시스템이 없으면 핵무기나 다름없다고 할 수 있습니다.

다시 말하면 결국 지금의 원자로는 아주 극단적으로 말하면 핵폭탄에 제어장치를 마구 설치해서

아주 천천히 터트리면서 에너지를 얻고 있다고 할 수 있습니다.

                                                                          <토륨-232 핵연료 사이클>

하지만 자체적으로 핵분열이 되지 않는 토륨-232에 중성자를 주입시킨 후

붕괴과정을 거쳐 우라늄-233으로 변환시키는 사이클을 이용하면

이 핵연료 사이클에서 생성되는 중성자수는 여기에 필요한 중성자수보다

적기 때문에 폭발적인 핵분열은 일어나지 않을 뿐 아니라

외부에서 중성자공급이 중단되면 저절로 사이클이 중단되는 특징이 있습니다.

4. 토륨 원자로의 장점

(1) 안정성

일단 가장 큰 장점은 안정성이라고 할 수 있습니다.

폭발적인 핵분열을 제어하기 위해 극도의 고압과 정교한 냉각시설을 항상 관리할 필요가 없고,

자연재해나 외부 공격등으로 인한 시설 파괴시에도

후쿠시마사태처럼 멜트다운(노심 용융)을 막기위해 전력을 애써 복구하고 시설을 가동할 필요 없이

가만히 있으면 저절로 멈춰버려서 물리적으로 멜트다운이 불가능하니

훨씬 안전한 원자로라고 할 수 있습니다.

(2) 경제성

앞서 말했듯 토륨은 우라늄보다 4배나 많이 매장되어 있고

1톤의 토륨에서 얻을 수 있는 에너지는 200톤의 우라늄에서 얻을 수 있는

에너지와 비슷하다고 합니다.

그리고 우라늄처럼 우라늄-235를 농축시키기 위한 과정이 필요없어서

연료 가격이 1/30~1/100에 불과한데다 방사성 폐기물도 1/30 수준으로 나오고

방사선 방출기간도 우라늄원전의 수천-수십만년에 비해 500년 정도로 짧아서

현재 1기가와트 전력을 생산하는 우라늄 원전을 건설하는데 드는 총비용은

대략 11억 달러인데 토륨 원전은 대략 2억 2000만달러정도가 들 것으로 예상되고 있습니다.

(3) 원전 건설 부지 선정에 용이

현재 대부분의 원전은 냉각수 공급을 위해 바닷가나 강가등에 지어지지만

토륨 원자로는 부지 설정에 자유로울 뿐 아니라

지하에 깊숙이 봉인된 원자로를 건설할 수도 있습니다

 
(4) 핵무기 확산 문제 완화

토륨 원전에서 나오는 부산물은 핵무기로 사용할 가치가 거의 없고

핵무기로 사용할 가치가 있는 핵종의 분리조차 매우 까다롭습니다.

5. 그럼 왜 지금까지 토륨 원자로가 안 만들어졌나?

이쯤되면 토륨 원자로가 이렇게 좋은데다가 핵융합처럼 엄청나게 개발하기 힘든 것도 아닌데

왜 지금까지 지어지지 않았을까요?

지금이야 연구가 활발히 진행되어 이론적으로 설계는 거의다 끝내놓고

상용화를 위해 나아가는 단계이지만

옛날부터 이미 개념이 잡혀있던 토륨 원자로가

좀더 빨리 개발되지 못한데는 몇가지 이유가 있었습니다.

(1) 핵무기 만드는데 도움이 안됨

사실 토륨 원자로는 이미 50년도 전에 미국 오크리지 국립연구소에

시연모델이 완성되었고 작동도 예상되로 잘 되었습니다.

그런데 연구가 그만 중단되어 버렸는데 플루토늄과 우라늄을 포함한

핵무기 제작 연구에 맞지 않는다는 이유에서 였습니다.

전기도 얻고 핵도 얻는 1타2피를 스스로 걷어찰 이유가 없었던거죠

그 후 다른 국가들에서도 종종 개발하려는 움직임이 있었지만

스리마일 섬, 체르노빌 이후 원전연구가 급속도로 줄어들면서

토륨 원자로에 대한 연구도 제대로 이루어지지 못했습니다.

(2) 기술적인 문제들

토륨 원자로가 기존 방식과 다르다보니 몇가지 기술적으로 극복해야할 문제가 있습니다.

먼저 우라늄과 달리 중성자를 계속 공급해줘야 하는 문제가 있는데

이를 위해 초우라늄 핵종을 섞는 방법등이 있었지만

옛날 과학자들 입장에서는 한번 불지피면 안꺼지고 잘타는

우라늄을 냅두고 굳이 토륨 원자로를 막대한 돈을 써가며 개발하려고 하지 않았습니다.

(중성자 공급문제를 해결하기 위해 가속기를 이용하는 방법이 1995년에 제시되었고

2005년 짤에 나온 스위스 PSI의 양성자 가속기에서 사실상의 검증이 완료되었다고 합니다.)

또한 핵연료로 사용할 산화토륨의 녹는점이 높아 가공이 어렵다는 문제가 있었는데

이건 플루오르화토륨을 이용함으로써 많이 완화되었습니다.

6. 각국의 토륨 원전 개발 경쟁 현황

95년 루비아 박사의 가속기결합 토륨원자로 연구 이후 세계 각국은 토륨 원전 개발에 뛰어들었는데

가속기를 이용한 방법 이외에도 기존 원전 시스템을 개량한 방식도 연구되고 있습니다.

<미국이 연구했던 용융염방식 원자로>

미국은 오크리지국립연구소 등 산하 연구소에서 열심히 용융염원자로를 연구했고

중국은 이걸 개선한 액체플루오르화토륨 원전연구에 뛰어들었습니다.

경제성있는 토륨 매장량이 어마어마하게 많은 인도 또한

기존 원전에 토륨 반응-분리후 화학적처리-핵분열의 3단계 방식을 연구중입니다.

<벨기에의 MYRRHA, 양성자 가속기가 결합된 방식>

벨기에와 EU도 2009년부터 기존 원자로에 선형가속기를 결합한 실험용 토륨 원전을

건설중인데 이 방식은 기존 원자로와 가속기 방식을 모두 실험할 수 있어서 상용화에

큰 전기를 마련할 전망이라고합니다.

(지금 가속기방식의 가장 큰 문제가 토륨 원전에 당장 이용할 수 있는 입자 가속기를

 개발한 나라가 아직 없다는 것인데 이런 조건의 가속기는 조만간 나올것으로 예상되고 있고

 최근 몇년 사이의 대부분의 연구는 가속기 기반의 원전으로 진행되고 있다고합니다.)

지금 각국 연구상황으로 봤을땐 아마 10년내에 상용화가 되지 않을까하고 예측되고 있습니다. 

7. 그럼 한국은?

한국은 소듐냉각고속로(SFR)로 대표되는 4세대 우라늄 원전연구를 하느라

국가차원에서 이에 대한 연구가 활발하지 않아서

황일순 서울대 원자핵공학과 교수가 연구중인 우라늄, 토륨원전에 모두 이용가능한

'납-비스무스 냉각 고속로' 연구와 성균관대 에너지과학과 교수팀의 기초연구를

제외하면 거의 전무하다시피 하다고 합니다.

그래서 최근엔 4세대 우라늄 원전 연구도 좋지만 토륨 원전기술도 함께 연구해서

원전 기술의 다양성을 높여야 한다는 목소리가 높아지고 있습니다.

[배송학]

수고했어요. 0.1점 추가합니다.