토륨 원자로

미국 페르미랩의 가속기. 토륨 원전은 핵분열을 일으키지 못하는 토륨의

특성 때문에 가속기를 통해 외부에서 중성자를 공급해 줘야 함.

지금 세계는 토륨 연료를 사용하는 원전 개발이 한창이다.  일본 후쿠시마 원전 사고로 원자력발전소의 안전성 문제가 제기되면서 핵연료로 우라늄 대신 토륨을 쓰는 원자로를 만들고 있다. 2013년 7월 11일 서울 홍릉 고등과학원에서는 중국, 인도, 벨기에, 스위스, 일본 등 각국의 원자력공학자와 핵물리학자들이 모여 ‘토륨 원전’에 대한 열띤 논의가 이루어졌다.

원래 토륨은 원전 개발 초창기부터 연료 후보로 꼽히던 물질이다. 하지만 핵분열성 물질이 아닌 데다 경제성이 좋지 않다는 이유로 주목을 받지 못했다. 그런데 지금은 어떻게 토륨을 원전에 이용할 수 있게 된 것일까.

원자번호 90인 희토류 토륨. 방사능이 낮은 이 물질은 1828년 스웨덴 화학자 옌스 야코브 베르셀리우스(Jons Jakob Berzelius)가 처음 발견했다. 북유럽 천둥의 신인 토르(Thor)의 이름을 따 토륨으로 지었다. 토륨은 납보다 흔한 금속이다. 바닷가 모래 등에 많이 포함돼 있다. 매장량이 우라늄의 4배에 달한다. 산출국이 편중된 우라늄에 비해 거의 모든 대륙에 고르게 매장돼 있고, 우라늄처럼 복잡한 가공처리 과정을 거치지 않아도 돼 활용하기도 쉽다.

또 토륨은 원자로에서 나오는 방사능 폐기물이 우라늄보다 1000분의 1 이상 적다. 방사능이 빨리 분해돼 반감기도 적다. 그럼에도 불구하고 원전 연료로 사용되지 않은 이유는, 토륨은 우라늄과 달리 스스로 핵분열을 일으키지 않아 연쇄반응이 일어나지 않기 때문이다.

핵분열이란 원자핵에 중성자를 충돌시켜 핵을 두 조각으로 쪼개는 반응을 말한다. 보통 원전에 이용되는 우라늄235가 중성자를 만나 충돌하면 에너지가 발생하면서 평균 2.5개의 중성자를 배출한다. 이때 방출된 중성자는 또 다른 우라늄을 핵분열시키는데, 이를 핵분열 연쇄반응이라고 한다. 방출되는 중성자는 그 양이 충분해 따로 공급해 주지 않아도 알아서 연쇄반응 과정을 되풀이한다. 핵무기는 이 과정에서 나오는 강력한 에너지를 이용한 것이다. 원자력 발전도 핵분열 반응을 이용한다.

그런데 토륨은 이러한 핵분열을 자발적으로 일으키지 못한다. 분열 과정에서 발생하는 중성자 수가 부족해 외부에서 중성자를 만들어 공급해 줘야만 핵분열을 일으킨다. 따라서 중성자 공급을 중단하면 핵분열도 멈춘다. 이는 원자로 스위치를 끄거나 불의의 사고로 인해 정전이 될 경우 핵분열을 자동으로 멈춘다는 의미이기도 하다. 때문에 토륨 연료는 안전성이 보장되는 것이 무엇보다 큰 장점이다.

일본 원전에서 방사능 유출이 일어난 것은 노심 용융 때문이다. 우라늄은 사용이 끝나더라도 끊임없이 핵분열을 일으키면서 방사능과 고열을 방출하므로 이를 식히기 위한 냉각장치가 필요하다. 한번 불이 붙은 우라늄 연료봉은 20년 이상 불이 꺼지지 않는다.

그런데 일본 대지진 같은 불의의 사고가 발생할 경우, 냉각장치 고장으로 인해 노심용융이 언제든지 발생할 가능성이 있다. 한마디로 우라늄은 너무 활활 잘 타서 불꽃이 커질까 봐 걱정인 반면 토륨은 조금만 소홀히 관리해도 금세 불꽃이 꺼져 버리는 게 걱정이다. 불꽃이 꺼지면 에너지를 외부에서 가해야 하기 때문에 토륨이 우라늄에 비해 경제성이 낮을 수밖에 없는 건 당연하다. 경제성이 낮으니 사용을 회피할 수밖에 없지 않겠는가.

그런데 최근 절로 꺼지는 토륨의 단점이 안전성이라는 장점으로 부각되고 있다. 문제는 중성자 공급 방법이다. 그 공급 방식 중 가장 유명한 것이 노벨 물리학상 수상자인 카를로 루비아(Carlo Rubbia) 박사가 1984년 제안한 ‘에너지 증폭기’라는 이름의 토륨 원전이다.

바닷가 모래 등에 많이 포함된 토륨

에너지 증폭기는 원자로와 양성자가속기의 융합으로 이루어진 신개념의 원자력 발전이다. 토륨에 불을 붙이기 위해 우선 양성자가속기로 양성자를 가속해 강력한 양성자를 만들고, 이것을 납이나 텅스텐과 같은 금속에 충돌시켜 다량의 중성자를 만든다. 이 중성자를 토륨에 쏘면 토륨이 우라늄233으로 바뀌게 돼 우라늄이 핵분열을 일으키며 에너지를 생산하고, 에너지가 터빈을 가동시켜 전기를 만들어낸다. 유사시에는 가속기 전원만 차단하면 중성자 공급이 차단돼 원천적으로 위험 상황을 막을 수 있다.

아직 상업용으로 개발된 단계는 아니지만, 루비아 박사가 10년 동안 이론적 검증을 끝낸 상태이다. 우라늄 원전 못지않게 높은 효율을 낼 수 있다는 게 전문가들의 의견이다.

토륨 원전은 이미 세계적 관심사다. 이를 위한 세계 각국의 연구 경쟁도 치열하다. 인도는 기초 연구만 10년 넘게 하다 2011년 11월 300㎿급의 토륨 원자로를 건설하기로 결정했다. 토륨 원자로에 대한 설계도 이미 끝난 상태이고, 5년 후쯤에는 가동이 시작될 예정이다. 인도는 우라늄은 없으나 토륨 매장량은 세계 최고다.

중국과학원 또한 2011년 1월 세계 최대 규모의 토륨 원자로 개발 계획을 발표했다. 중국은 이미 2009년부터 1000여명이 중국 진산(辰山)에 위치한 핵 원자로에서 토륨을 연료로 활용하기 위한 노력을 기울여왔다. 20년 안에 원자로 시스템을 개발하는 것이 목표다.

원전 연구에 무관심했던 미국도 1979년 발생한 스리마일섬 원전 사고 이후 에너지부와 6개 국립연구소가 주축이 돼 토륨 원자로 개발에 몰두하고 있다. 페르미국립연구소는 프로젝트-X라는 새로운 가속기를 설계해, 가속기 구동 방식 원자로 개발 목적에 사용하려 하고 있다.

벨기에는 유럽연합(EU)과 공동으로 토륨을 미래 대체에너지로 활용하기 위해 실험로를 운영하고 있다. 2009년 12월부터 기존 원자로에 선형가속기를 도입한 실험용 토륨 원전 ‘미라(MYRRHA)’를 건설 중인데, 2014년까지 설계를 마치고 2019년 완공해 2023년 가동을 목표로 하고 있다.

우리나라는 다른 나라에 비해 연구가 미비한 편이다. 황일순 서울대 원자핵공학과 교수가 우라늄과 토륨 원전에 모두 이용할 수 있는 ‘납-비스무스 냉각 고속로’를 연구 중이며, 성균관대 에너지과학과 교수팀이 가속기와 중성자 발생 및 토륨 핵연료에 대한 기초 연구를 진행하고 있는 것이 전부다. 원료를 바꾸는 것만이 완벽한 대안은 아니라는 미온적 입장을 취한 데 따른 결과다.

하지만 세계가 희귀 에너지원을 찾아내기 위해 혈전을 벌이고 있는 것 또한 현실이고, 토륨 원전의 실현 가능성 역시 무시하지 못할 만큼 크므로 원전 연구의 다각화가 이루어져야 함은 분명하다.

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90Th232 + n1  →  90Th233   →   91Pa233   →   92U233 (핵분열성 물질)

92U233 + n1  →  X + Y (핵분열)

출처: 주간조선 2013.9.11