현재 원자로보다 더 안전한 토륨 원자로

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-20

원자력은 오랫동안 사람들 사이에서 논쟁거리였다. 원자력은 탄소배출 없이 대용량의 전기를 생산하여 전세계 에너지 문제의 해결책으로 자리잡았다. 그러나 핵무기 개발, 노심용융 및 폐기물 처분과 같은 일부 위험을 수반한다. 그러나 이러한 위험은 우라늄이나 플루토늄 동위원소를 이용한 핵분열에 의한 것이다. 수십 년 동안 기다려온 다른 종류의 원자력에너지가 있으며, 여기에는 원자력에 대한 우리의 사고를 재교정하는 요구가 있었다. 토륨을 사용한 핵분열은 기존 원자력발전과 비교하면 우리의 목표를 쉽게 달성하고 위험을 낮출 수 있다. 토륨 이야기 토륨 사용에 대한 아이디어는 1960년대부터였으며, 1973년까지 미국에서 심도 있는 연구로 제안되었다. 그러나 토륨 프로그램은 몇 년 후 중단되었다. 왜? 그 해답은 핵무기이다. 1960년대와 70년대는 냉전시대의 중심이었고 무기화가 모든 원자력 연구를 위한 원동력이었다. 미국 핵미사일을 지원하지 못했던 일부 원자력연구는 우선순위에서 밀려났다. 우라늄-235 및 플루토늄-239와 관련한 핵연료 사이클을 사용하는 전통적인 원자력은 1석2조의 효과를 가져다준다. 미국의 해외 석유에 대한 의존성을 줄이고 핵무기 제작을 위한 연료를 생산할 수 있다. 반면에 토륨 원자로는 군사적 잠재력이 없었다. 전통적인 원자력의 필요성이 감소함에 따라서 잠재적으로 성공적인 토륨 프로그램이 실제적으로 냉전시대에서 미국의 관심을 위협하는 것처럼 보였다. 그러나 오늘날 상황이 매우 다르다. 많은 전세계 리더들은 핵무기를 제작하기 보다 원자력 기술의 확산에 대해서 걱정했다. 그리고 토륨 원자로는 일부 국가들이 주도했다. 토륨 원자로의 작동원리 토륨의 동위원소는 Th-232라고 불린다. 우라늄과 같이 Th-232는 지하 바위에 존재한다. 토륨 원자로는 다음과 같이 작동된다. Th-232가 원자로 내부에 장전되고, 중성자빔을 이용하여 Th-232에 중성자를 조사하고 Th-232가 중성자를 흡수하여 Th-233으로 변환된다. 그러나 무거운 Th-233은 반감기가 매우 짧다. Th-233은 프로탁티늄-233으로 붕괴된다. 이후 U-233으로 붕괴된다. U-233은 현재 원자로와 유사하게 원자로에 남아있어서 우라늄의 핵분열이 전기로 변환될 열을 생산한다. 이 프로세스를 유지하기 위해서 U-233은 중성자 생성 가속기를 유지하는 것으로 연속적으로 생산된다. 이 프로세스는 연쇄반응이 계속되고, 원자로 노심에서 중성자 흡수 재료를 가진 제어봉의 삽입으로 중단될 수 있다. 그러나 이 제어봉은 실패할 가능성이 있다. 제어봉 운전은 원자로 오작동 동안 영향을 받을 수 있다. 이것은 전통적인 핵분열 원자로가 과열되고 사고를 야기하는 잠재성을 가지고 있는 이유이다. 반면에 토륨 핵연료 사이클은 중성자의 공급이 중단되면 즉시 중단된다. 핵연료 사이클의 중단은 Th-232에서 U-233으로 증식을 방지하는 것을 의미한다. 이는 원자로의 과열을 즉시 중단되지는 않지만 나쁜 방향으로 전환되지 않도록 한다. 토륨 원자로의 증대된 안전성은 거기서 끝이 아니다. U-235 및 플루토늄 사이클과 달리 토륨 원자로는 액체 상태로 운전되도록 설계될 수 있다. 노심용융 가능성이 있는 전통적인 원자로는 노심용융시 핵분열 반응을 중단시킬 방법이 없는 반면에 LFTR이라고 불리는 토륨 원자로 설계는 만약 핵연료의 온도가 매우 높으면 용융될 원자로 바닥에 마개를 개방하여 뜨거운 액체를 모두 배수시키면 핵분열이 중단된다. 토륨 원자로의 작동 토륨 원자로는 다른 매력을 가지고 있다. 비록 전문가들 사이에서 양의 차이는 있음에도 불구하고 핵폐기물의 생성에 있어서 전통적인 원자력보다 훨씬 적다. 미국 연구원들은 기존 원자로보다 수백분의 일 정도의 폐기물이 생산된다고 하는 반면에 중국 연구원들은 수천 분의 일이라고 말한다. 토륨은 우라늄 보다 더 쉽게 생산될 수 있다. 우라늄 광산이 지하에 있어서 광부들에게 매우 위험한 반면 토륨은 노천광에 매장되어 있어 비교적 안전하다. 또한 토륨의 매장량은 우라늄의 3배정도 많다. 그러나 아마도 가장 핵심적인 장점은 핵연료가 핵무기로 변환되기 어렵다는 것이다. 토륨은 그 자체가 핵분열성 물질이 아니다. 토륨 핵연료 사이클은 이론적으로 핵무기에 사용될 수 있는 핵분열성 물질인 U-233을 생산한다. 그러나 토륨 원자로는 LFTR 형태이므로 핵무기를 제작하기 위한 실제적인 방법으로 불가능하다. 만약 로봇을 가지고 있지 않는다면 핵무기를 만들기 위해서는 원자로 내부에 뜨거운 액체에서 U-233을 직접 추출하고, 매우 위험한 동위원소인 U-232의 방사선 조사를 받을 수 있다. 미래의 핵연료 중국은 향후 10년 이내에 토륨 원자로를 생산할 것이라고 발표했다. 지구에서 가장 큰 토륨 매장량을 가지고 있는 인도는 토륨 원자로 개발을 추진하고 있다. 비록 그 원자로의 출력은 통상적인 원자로의 1/4 수준 정도임에도 불구하고 인도의 연구원들은 2016년 초에 토륨 원자로의 원형로를 보유할 계획이다. 노르웨이는 현재 기존 원자로에서 토륨 핵연료봉을 사용하여 4년 동안 시험을 수행 중이다. 현재 적극적인 토륨 연구 프로그램을 가진 다른 국가는 영국, 캐나다, 독일, 일본 및 이스라엘이다. 토륨 사이클은 일부 문제점을 가지고 있으며, 이들은 매우 기술적인 것이다. 예를 들어, 토륨 원자로는 기존 원자로에 비하여 중성자 누출이 크다는 비판을 받고 있다. 더 많은 중성자 누출을 막기 위해서는 더 많은 차폐와 다른 보호계통이 필요하다. 대체에너지의 대부분 중 토륨 발전은 연구 자금과 재정적 인센티브의 부족에 직면하고 있다. 최근 수십 년 동안 인기있는 미디어에서 안전하고 깨끗한 원자력에 대한 이야기가 핵융합의 연구로 집중되는 경향이 있다. 확실하게 우리는 전력 타입에 대한 지속적인 진보가 예상된다. 그러나 중국, 인도 및 다른 국가들에 의한 투자는 토륨이 가까운 미래에 전기 공급원으로 기여할 수 있으며 전세계 에너지 지속가능성을 향상시킬 수 있을 것이다. http://blogs.discovermagazine.com/crux/2015/01/16/thorium-future-nuclear-energy/