1. 개요
일반적인 원자로의 연료로 사용되는 핵분열물질인 우라늄 또는 플루토늄 대신 비핵분열 물질인 토륨을 핵연료로 사용하는 원자로. 토륨은 자발적 핵분열이 일어나지 않지만 토륨에 중성자를 조사하여 핵분열물질인 우라늄233 으로 변환하여 핵분열을 시킨다. 핵분열에서 나오는 중성자를 이용해 비핵분열 물질을 핵분열연료로 변환한다는 점에서 증식로의 일종이라고 볼 수 있으나 실용적으로는 토륨을 핵연료로 이용하는 원자로로 취급받고 있다. 다만 고속의 중성자를 이용하는 고속증식로와는 달리 비교적 느린 열중성자를 이용하기 때문에 열 증식로 (Thermal Breeder Reactor, TBR)로 불리기도 한다.2. 설명
자연계에서 토륨은 보통 토륨-232로 존재한다. 이 토륨-232에 열중성자를 결합시키면 토륨-232가 중성자를 먹고 토륨-233으로 바뀐다. 토륨-233은 반감기가 21.83분인 불안정한 원소이므로, 빠르게 음의 베타 붕괴하여 프로트악티늄-233이 되는데, 프로토악티늄-233의 반감기는 26.975일 이므로 이후 역시 음의 베타 붕괴하여 우라늄-233으로 다시 붕괴한다. 이러한 재처리 과정을 거쳐 얻은 우라늄 233은 일반적인 원자로에 쓰이는 우라늄-235와 같이 핵분열성 물질(Fissionable) 이므로 이걸로 핵분열을 하여 발전하면 된다.우라늄-233은 예타 값(η,중성자가 핵연료 연료원자에 한 개 흡수될 때마다 생겨나는 평균 중성자 수) 값이 0.025 eV 중성자 기준 기존 핵분열 물질인 우라늄-235의 2.08, 플루토늄-239의 2.12 보다 큰 2.28을 자랑하고, 공명흡수영역에서도 이 수치가 작아지지 않아서 매우 효율적이다.
높은 효율에도 불구하고 안전한 편인데, 왜냐하면 프로트악티늄-233은 반감기가 26.975일로 무척 길 정도로 안정적이기 때문에, 음의 베타 붕괴로 핵원료인 우라늄-233 으로 되기 전에 중성자를 흡수할 수 있다. 이러면 프로트악티늄-234가 되고 반감기 6.7 시간만에 대다수가 비핵분열성인 우라늄-234로 음의 베타 붕괴한다.[1] 이렇게 되는 양은 토륨 붕괴로 생성된 프로토악티늄-233의 25%에서 27%라는 상당한 양이다. 이렇게 만들어진 우라늄-234는 비핵분열성 원료라 핵발전이 불가능한 우라늄이다. 이는 토륨 원자로가 비상상황이나 재난 등으로 정지하면, 중성자를 지속적으로 공급할 수 없게 되기 때문에 자발적으로 작동이 불가능하여, 바로 작동이 멈춰버려 매우 안전하다.
오히려 이걸 어떻게 줄이느냐가 토륨 원자로 연구의 핵심이다. 이를 제어하지 않으면 중성자를 지속적으로 소모하기 때문에 경제성이 떨어지기 때문이다. 예를 들어 용융염원자로(MSBR : Molten-Salt Breeder Reactor) 의 경우 핵연료처리계통을 따로 두어 이것을 막기 쉬운 점 때문에 부각된 토륨 원자로이다.
3. 장단점
아래의 장단점은 구현방식에 상관없는 공통적 장단점. 용융염 원자로(MSR/LFTR) 방식으로 구현할 경우의 고유한 장단점은 해당 문서 참조.- 장점
- 토륨은 우라늄에 비해 흔하고 널리 분포하고 매장량도 많아 값이 싸다. 오히려 희토류 생산의 부산물로 너무 많이 나와 방사성 폐기물로 처치가 곤란일 정도.
- 연료이용률이 우라늄로에 비해 수십배 높아 자원고갈의 염려가 없다.
- 연료이용률이 높아 설계에 따라서는 연료재장전 없이 완전밀봉상태로 20년 정도 운전도 가능할 수 있다.
- 기존 우라늄 이용과는 달리 농축이 필요없고 그대로 사용할 수 있어서 사용후 남는 핵연료 폐기물의 양이 획기적으로 줄어들어 고준위 핵폐기물의 보관 부담이 훨씬 적어진다. 농축에 필요한 운영비가 줄어드는건 덤.
- 또한 핵폐기물의 반감기가 월등히 짧아 폐기물 처리가 쉽다. 우라늄로의 핵폐기물은 위험한 핵연료 재처리를 하거나 10만년 이상 안전하게 보관해야 하지만 토륨로에서 나온 핵폐기물은 불과 300-500년 정도만 보관하면 된다.
- 자발적으로는 핵분열 연쇄반응이 지속되지 않으므로 상대적으로 원자로를 안전하게 만들기 쉽다. 원자로에서 빼내면 저절로 핵분열이 중단되어 런어웨이나 멜트다운 상황이 발생하지 않는다.
- 플루토늄이 거의 생성되지 않고 중간 산물이 매우 방사성이 높아서 핵무기 재료로 사용하기 부적합해 비교적 핵무기 확산 걱정이 적다.
- 단점
- 토륨연료가 구하기 쉽고 싸다고 해도 어차피 우라늄 원자로의 전력원가중 우라늄연료의 원가비중은 10% 정도 밖에 안되어 토륨이 원자력의 경제성을 크게 높일 수 있는 것이 아니다.
- 토륨을 분열성물질인 우라늄233으로 증식시킨 후 사용이 전제이므로 우라늄233 을 분리하는 재처리 과정이 필요할 수 있다.
- 중간산물로 강한 감마선을 발생하는 핵종이 생성되어 재처리가 어려워지고 재처리 비용이 상승할 수 있다.
- 한번도 실용화/상업화 되지 않은 새로운 방식이라 많은 연구개발이 필요하고 많은 운영경험을 축적해야 한다.
- 같은 이유로 NRC 등 원자력 규제기구의 건설허가를 얻기가 매우 어렵고 많은 돈과 시간이 들고 (10억 달러, 10년) 결과도 불확실하다.
- 같은 이유로 각종 부품과 장비 인력 등이 모두 비싸서 기술이 성숙하기 전 까지 초기에는 이미 검증되고 양산되는 기존 우라늄 경수로 보다 건설 비용이 높을 수밖에 없다.
- 그러니 토륨로가 상용화 된다고 해도 현재의 우라늄 경수로보다 더 나은 경제성을 가지려면 10-20년 가량 걸릴 것이다.
- 우라늄과 달리 연쇄반응이 지속되지 않고 우라늄에 비해서 증식 정도가 작아서 초기에는 설계에 따라서는 20% 정도 농축도의 우라늄이 필요할 수도 있다.
- 지속적인 연쇄반응 유지를 위한 조건이 까다로와 연료의 구성이나 설계 여유가 적다. 반응 후 생성되는 핵종들도 오래 가동하면 점차 핵연료의 구성이 바뀌는 데 이에 맞게 생성된 분열생성물을 잘 분리해서 운전조건을 세심하게 조절해야 장기간 원활한 운영이 가능한다.
- 감속재로 사용되는 흑연도 수명이 있어서 약해지므로 몇년 만에 한번씩 일부를 교체할 필요가 있다. 반응률를 낮추면 흑연의 수명을 늘일 수 있지만 크기가 커지고 크기당 출력도 낮아진다. 그래서 반응로 전체를 통째로 4년마다 교체하는 설계도 있다.
- 설계나 방식에 따라 가동중 핵종분리를 생략하는 식으로 설계할 수도 있고 그러면 핵 확산등을 막을 수 있어서 장점이 될 수도 있지만 반면 중간 생성물이 계속 축적되므로 크기가 커지거나 연료이용률이 떨어져 연료 교체 주기가 짧아지는 단점도 있다.
- 냉각재로 물을 사용하면 삼중수소의 발생도 처리해 주어야 하는 문제이다.
- 현재로는 인도나 중국이 적극적으로 상용화에 나서고 있지만 미국 유럽 등은 아직 실용화 비용이나 허가, 또 반핵 분위기 등 이유로 적극적인 상용화에 나서고 있지않다. 즉 기술문제 뿐 아니라 국제정치나 국내정치 문제의 지뢰밭이다.
상황을 요약하면 충분히 우라늄 원자로와 마찬가지로 실용성이 있고 여러 장점도 존재한다. 그러나 회의론자들은 기존의 경수로 방식도 충분히 경험이 쌓여 안전하고 경제적이므로 굳이 많은 돈과 시간과 노력을 들이는 점에 의문을 가지고 있다.
찬성론자들은 현재의 경수로 방식은 폐기물 문제, 안전비용 급등으로 원가상승, 정치적 반대 등으로 풍력과 태양광에 밀려나고 있어서 어차피 건설이 줄어들고 있으므로 원자력의 미래를 위해 소형 모듈식 원자로에 적합한 LFTR 등으로 경수로 보다 안전성과 경제성을 획기적으로 높이기 위해 이에 적극적인 연구개발과 투자가 필요하다는 것이다. 현재 대형 경수로의 대안으로 제안되고 있는 소형모듈화 원자로 SMR 에도 용융염원자로가 적절하고 토륨을 연료로 사용하기도 쉽다.
원자력에 불안을 느끼는 일반 국민들과 원자력 반대론자들을 설득할 수 있는 가장 큰 장점은 방사성폐기물이 줄어들고 영구저장소 건설이 월등히 쉬워진다는 것이다. 핵융합이 아닌 원자력을 이용하며 방사선 폐기물 문제를 해결할 수 있는 궁극적 방법이다. 우라늄에 비해 토륨의 장점은 핵연료가 싸다는 것이 아니고 토륨원자로는 사용후 핵연료(고준위 방사성 폐기물)의 양이 획기적으로 줄어들고 (1/20 또는 1/100 이하) 보관기간이 획기적으로 짧아진다. (10만년-> 300년) 이것은 폐기물 영구저장소 건설을 설득하기 좋고 규모도 줄어들어 원자력 산업의 장기적 미래를 위해서도 필요하다.
4. 토륨 연료
토륨은 우라늄에 비해 약 4배 정도로 지표상에 훨씬 풍부하게 다량으로 존재한다. 지각구성비로는 약 37-41번째로 납보다 많을 정도로 흔한 원소이다. 전세계 전기를 토륨으로만 발전해도 수천 수만 년간은 고갈의 걱정은 거의 없다. 그리고 산출지도 우라늄보다 흔하고 전세계에 흩어져 있으므로 석유처럼 소수의 나라가 독점해 전략자원화 우려가 적다. 현재 토륨은 대부분 다른 희토류 광물을 생산하는 광산의 쓸모없는 부산물로 대량으로 나와 처치곤란인 방사능 폐기물 신세로 산처럼 쌓여있어 가격도 매우 싸다. 그리고 우라늄 광산보다는 환경오염이 적고 라돈 발생 등 위험도 덜하다. 하지만 우라늄도 현재는 발전 비용에서 우라늄 연료비가 큰 문제가 될 정도는 아니라서 핵연료로서 큰 장점은 아니다. 하지만 현재 우라늄 광석의 주요 대량 매장 광산을 보유하여 생산국 및 수출국이 러시아등 구소련 지역 국가나 정치가 불안한 아프리카 국가들이 많아 서방으로서는 핵연료 공급의 안정을 위해서 장기적으로는 우라늄 사용을 줄이고 토륨으로의 전환이 필요하다. 무엇보다 고갈의 걱정이 거의 없다는 것은 장기적으로 장점이다. 주요 매장국가는 인도 브라질 호주 미국 중국 등 땅덩이 넓은 나라들.특히 토륨은 희토류와 같은 모나자이트 광산에서 생산되므로 이를 자원화 함으로 희토류 자원개발이 촉진된다. 현재 희토류는 중국이 저렴한 생산비를 무기로 생산과 공급을 독점해 전략물자화하고 있는데 미국 등이 토륨과 함께 희토류를 생산하면 중국의 공급 독점을 깰 수 있고 산업적으로 중요한 희토류를 자급할 수 있다.
또 토륨은 방사선원소이기는 하나 반감기가 우주의 나이보다 길고 알파선 붕괴를 하므로 방사능이 매우 약해 우라늄보다 월등히 다루기가 쉽다. 그냥 손으로 만져도 되고 용접봉에도 쓰일 정도로 안전하고 취급에 특별한 주의가 필요하지 않다. 배터리에 쓰이는 중금속인 납 정도도 생각하면 된다.
그보다 자원의 입장에서 매우 좋은 장점은 연료로서 이용률이 매우 높다는 것이다. 우라늄은 정제 농축된 저농축 우라늄의 극히 일부만 3% 정도만 핵분열에 이용되고 나머지 사용후 핵연료는 전체가 위험한 고준위 핵폐기물이 되므로 매우 처치하기 어렵다. 즉 발전량 대비 핵폐기물이 많이 나온다. 농축하지 않는 천연우라늄을 사용하는 중수로는 더 심해서 0.5% 만 이용되고 200배나 많은 나머지는 핵폐기물이 된다. 이중에서 유용한 플루토늄이나 우라늄 등 일부를 재처리를 통해 회수해 다시 연료로 쓸 수도 있지만 비싸고 위험하고 무엇보다 핵확산의 우려가 있어서 현재 대부분의 상업로들이 사용후 핵연료를 재처리하지 않고 물에 그냥 무작정 보관만 하고 있다. 재처리로 연료를 회수해 쓰는 비용보다는 그냥 새 우라늄 연료를 만들어 쓰는게 싸서 재처리는 경제성이 없다.
반면 토륨은 투입된 연료의 97% 이상이 연료로 소모되고 남은 방사선 물질은 3% 밖에 되지 않아 처리해야 하는 고준위 방사성폐기물의 양 자체가 우라늄 원자로의 수십분의 1 정도 밖에 되지않고 또 우라늄로의 사용후 핵연료는 반감기가 매우 길어 안전해 지려면 수십만년을 보관해야하지만 토륨로에서 나온 사용후 핵연료는 불과 수백년 정도만 보관하면 안전한 수준에 도달할 수 있어 방사선 폐기장을 만들기 쉽다. 연료로서 경제성은 큰 장점이 아니라고 해도 대책이 보이지않는 사용후 핵연료 처리가 쉽다는 것이 어쩌면 토륨로의 가장 큰 장점일 수도 있다.
인도에서 주로 연구하고 있는데 인도는 토륨은 세계에서 손 꼽히는 양을 갖고 있는데 비해 우라늄이 적기 때문이다. 열화우라늄이 중성자를 먹고 Pu-239가 되는 것처럼, 토륨은 중성자를 먹고 U-233이 된다. 이 U-233도 핵분열성 물질이나, 자연계에 존재하지 않으며, 토륨에서 U-233을 생성하려면 반감기가 26.975일로 제법 긴 Pa-233을 거쳐야 하기 때문에 중성자 경제성이 급격히 떨어진다. 25%이상의 상당한 양의 Pa-233이 중성자를 추가로 먹고 Pa-234를 거쳐 비핵분열성인 U-234로 되기 때문이다. 이걸 핵분열성 동위체로 만들려면 여기서 또 중성자를 하나 먹어야 U-235가 되고 또 추가로 먹여야 비로소 78%의 확률로 핵분열이 일어나는 것이다.[2] 따라서 무려 4.22개의 중성자를 낭비하는 셈이다. 이렇게 대량의 중성자를 공급할 수 있는 능력이 사실상 없었기에 여태까지는 원자로에서 연소용으로 쓰인 적이 없었던 것. 열증식로는 토륨에서 이 U-233을 만들어내어 연소시키는 종류이다.
또 한국의 경우에는 토륨을 핵연료로 채택함으로 얻는 경제적 이익도 있다. 현재 한국의 원전들은 그 핵연료를 전량 수입에 의존하고 있다. 이전에는 외국의 노형을 도입할 때는 계약에 의해서 그 노형을 공급한 외국회사의 연료를 쓸 수밖에 없었고 또 한미원자력 협정에 의해 재처리가 금지되어 있어서 재처리로 연료로 재활용 할 수도 없었다. 원래 원자로 설계를 파는 회사는 원자로를 팔아서 얻는 수익 못지않게 이 핵연료 공급을 독점하므로서 얻는 이익도 크다. 또 한국은 독자설계한 노형이라고 해도 현재 우라늄 농축 시설을 가지고 있지 않아서 그런 저농축 우라늄을 외국에서 비싸게 사올 수밖에 없다. 즉 우라늄 정광과 농축 모두 100% 해외에 의존하고 있어서 이는 에너지 안보상의 취약점이 될 수 있다. 국내에도 핵연료 생산공장이 있지만 수입해온 저농축 우라늄을 국내의 각 원전 노형에 맞게 완제 연료펠릿과 연료봉 형태로 가공해 공급하는 역할만 하고 있다.
하지만 토륨은 그런 농축과정이 불필요하고 또 토륨 정광이나 완제 연료로 가공 모두 한국 내에서 할 수 있다. 한국이 개발한 토륨 원자로는 한국이 연료 공급을 담당할 수 있으므로 외국에 대한 핵연료 의존이 크게 줄어들어 경제적인 안보적인 이득을 누릴 수 있다.
4.1. 프로트악티늄 문제
토륨을 연료로 사용하는데 가장 큰 문제점 중에 하나가 중간산물인 프로트악티늄-233의 방사능 문제가 있다.토륨이 중성자를 흡수하면 프로트악티늄-233이 되어 반감기 26일 정도로 붕괴해 우라늄-233이 되는데 토륨 원자로에서 실제로 핵분열을 해서 에너지를 내는 진짜 핵연료는 바로 이 우라늄-233이다. 그런데 이 프로트악티늄-233이 우라늄-233이 되는 26일 붕괴 과정에서 엄청난 양의 방사선을 뿜뿜 뿜는 위험한 물질이다. 게다가 이게 강력한 감마선이라 차폐하기도 어렵다. 만약 이게 방 안에 약간만 묻어 있어도 그 방 안에서 작업하는 사람은 1시간 만에 1년치 방사능 노출 허용치를 초과해 버린다.
또 뽑아낸 우라늄 연료도 순수 우라늄-233이 아니고 우라늄-232도 불순물로 포함되어 있는데 이게 반감기 69년에 강력한 감마선을 내는 원소라서 매우 취급하기가 까다롭다. 하지만 이건 오히려 이 우라늄-233으로 핵무기의 재료로 사용하는데 큰 장애물이 된다. 강력한 감마선을 뿜는 재료를 핵무기로 제조하고 배치하기는 어렵다. 차라리 천연우라늄을 농축해 무기급 우라늄-235을 만드는게 월등히 쉽고 간단하다. 토륨에서 연료로 쓸 우라늄-233을 만드는 과정에서 불순물로 우라늄-232가 나오는데 이건 핵폭발을 일으키는데 방해가 되고 감마선을 뿜는 물질이라 현재 핵폭탄 기술로는 핵폭탄을 만들기 곤란하다. [3]
이 프로트악티늄-233은 중성자를 흡수해 핵분열을 방해하는 핵분열 독이기도 하고 반감기가 제법 길어서 우라늄-233으로 붕괴하기 전에 중성자를 또 먹고 다른 원소가 될 수도 있고 또 되도록 빨리 토륨 blank 연료 내에서 뽑아내는게 핵연료 증식에 좋다. 즉 토륨이 프로트악티늄이 되면 빨리 토륨 연료에서 분리해서 따로 안전한 납으로 잘 차폐된 탱크에 넣고 거의 다 붕괴되기를 기다렸다가 우라늄-233만 분리해 내어서 핵연료로 써야한다.
경수로는 고체분말 연료를 지르코늄 관의 연료봉에 밀봉해서 넣어서 원자로 코어 내에서 거의 고정해 두고 연료로 사용하지만 MSR 방식은 연료를 액체에 녹여서 파이프로 순환시키며 이용하는 방식이라 코어 내외로 출입하며 파이프 등에서 새기 쉽고 샌 걸 금방 알아차리기도 어렵다. 그래서 핵분열을 하고 에너지와 중성자를 생산하는 연료 용융염 순환루프와는 별도로 토륨을 중성자를 쬐어서 프로트악티늄과 우라늄-233으로 변환하는 blank 토륨 용융염 순환루프를 따로 두는 2 flow 방식도 제안되고 있다. 그러니 설계도 이 프로트악티늄이 포함된 용융액이 외부로 새어나갈 가능성이 없도록 용기를 2중으로 해서 차단한다든지 엄중한 대책이 필요하다.
5. 구현 방식
현재 연구중인 원자로이므로 다양한 방식이 제시되어 있다. 이중 가장 유명한 인도의 토륨 원자로(AHWR) 의 방식을 설명하자면 이렇다.여러가지 방법들이 제시되는데 액체 연료를 사용하는 용융염 원자로, 개량형 중수로 등이 있다. 이 중 용융염 원자로는 미국이 원자력 비행기를 띄우려고 개발한 원자로 덕택에 실험은 끝났는데 하필이면 핵확산 문제에 같이 끼어있어서 상업 운전은 한 적이 없다.[4] 이놈은 안에 우라늄과 토륨을 불소염에 집어넣어 돌리는데 여기에 우라늄을 넣지 말고 양성자 가속기를 이용하여 중성자를 생성해서 원자로를 돌리자는 안도 있다. 어쨌든 이 안은 실험단계. 앗! 시리즈 중 한 권인 원자력이 으쌰으쌰(쨍하고 핵뜰날)에서 미래의 원자로 드립으로 나오는 에너지 증폭기가 이 원자로이다.
에너지 증폭기는 위의 토륨 핵 사이클의 단점을 제거하고자 중성자를 공급해주는 장치인데 문제는 원자로를 가동할만한 중성자를 생성하는데 드는 전력이 어마어마하다는 것이다. 증폭기의 전력 소모는 중성자 공급 장치와 제어 장치의 전력 소모량이 크다. 이게 원자로에서 생성되는 전력과 거의 비슷하거나 능가하기 때문에 토륨 원전의 효율이 급격히 떨어지는 것. 따라서 이 효율을 높이는 것이 핵심이나 실제로는 SF적으로 힘든 모양이다. 또한 중성자를 대량 생산하는 과정에서도 또다른 고준위 핵폐기물도 대량 생산되고 초고속 중성자를 맞은 핵연료의 경우 카드뮴의 생성률이 매우 높은 편.
열중성자(0.0253 ~ 0.5 eV)나 자원중성자(0.5~15 eV)를 맞은 우라늄-233이나 235의 카드뮴 생성률은 핵분열 생성물 질량당 0.041%로 매우 미미하지만 에너지 증폭기의 초고속 중성자인 10 MeV 급의 중성자를 맞으면 카드뮴 생성률이 2.49%까지 늘어나 60배를 초과하는 엄청난 양의 카드뮴이 핵분열 생성물로 나와 환경에도 극도로 좋지 않다. 또한 에너지 증폭기의 초고속 중성자를 맞으면 토륨도 바로 핵분열을 하는데 토륨 자체는 중성자를 많이 내뿜지 못해 불과 0.3개 수준으로 내뿜어 계속 에너지 증폭기를 의지해야 하며, 토륨도 역시나 마찬가지로 초고속 중성자를 맞으면 핵분열 생성물에서 카드뮴을 질량당 2.96%로 엄청나게 생성되는데, 우라늄-233이나 235의 열중성자나 자원중성자를 이용하여 생성된 핵분열 생성물에 포함된 카드뮴 양의 70배를 초과하는 엄청난 수준이다. 에너지 증폭기의 최악의 단점이다. 에너지 증폭기는 고농도 카드뮴 생산기인 셈으로 환경에는 매우 극악인 셈이다.
또한 에너지 증폭기는 앞서 말했듯이 증폭기 자체도 중성자 공급장치와 제어 장치의 전력 소모량이 엄청 커서 효율도 꽝이다. (초고속 중성자를 제조하고 그걸 연료에 잘 가도록 전자기력으로 제어하려니 당연히 전력 소모량이 엄청나다.) 결국 에너지 증폭기 형태의 원자로는 핵분열 생성물의 카드뮴 제조기로 환경에도 꽝이고 효율도 꽝이다.
따라서 증식로 형태로 고농축 우라늄이나 남아도는 플루토늄을 토륨과 섞어서 부족한 중성자를 보충하여 우라늄 원전처럼 꺼지지 않는 효율적인 발전으로 하는 방향으로 가는 중이다.
열증식로는 아직 실험단계이므로 정확한 문제점이 보고된 바 없으나 고속증식로처럼 장기간 운용해본다면 문제점이 슬슬 나올 가능성이 농후하다. 그러나 미국에선 벌써 몇 년 동안 시범용으로 1977년 쉬핑포트 원자력 발전소[5]의 원자로를 열증식로로 바꿔돌렸다고 한다. 사실 이 원자력 발전소는 상업용 원자로형의 프로토 타입을 써먹기 위해 만들어진 발전소였다.
열증식로 중 용융염 원자로 같은 경우엔 1960~1970년도에 실험용으로 만들어졌기에 모든 공학적 문제는 일단 패스칠 수 있다. 또한 처음부터 항공기에 넣을 녀석이었기에 열효율도 높다.(문제는 항공기는 사고라도 났다가는 끝장이다.) 이에 사람들이 생각하기를 용융염 원자로는 크기가 작기 때문에 좁은 지역에 많이 건설할 수 있으므로 100MWe~200MWe 정도의 크기의 작은 놈을 여러개 만들어서 한 개의 원자력 발전소로 묶으려고 하는 시도도 있고 이로 인해 100MWe 정도의 놈을 국제 컨소시엄으로 만들려고 했는데 그 놈의 돈이 문제가 되고 있다.
만약 이놈이 상용화 된다면 지금과 같이 거대 원자력 발전소가 아니라 소형 원자력 발전소가 많이 건설되는 모습을 볼 수 있겠다. 문제는 핵연료 정제공정이 필요하다. 근데 이 핵연료 정제공정 자체가 핵연료 재처리 관련, 특히 파이로프로세싱 관련이라(...) 또한 가동 온도가 850도를 넘어버리면 수소가스가 풀풀에 용융염 자체가 강산이다(...) 일단 실증단계는 다 끝났다고 현장에서는 주장한다.
사실 열증식로는 CANDU 같은 중수로를 약간만 수정하거나 그대로 쓰면 된다. 인도에선 CANDU 짝퉁으로 토륨 연료 주기를 돌리려고 한 적이 있고 CANDU 측에선 자신들이 만든 CANDU가 토륨 연료도 먹는 괴물이라고 홍보하고 있다. 일단 광고대로라면 CANDU는 토륨, MOX연료, 천연우라늄, 농축우라늄, 악티니드, 심지어 일반 경수로에서 써먹은 연료[6]도 장전해 넣어 연료로 쓸 수 있다.
인도는 원래의 인도의 중수로 기술에 기반해서 토륨을 연료로 사용하는 AHWR(Advanced heavy-water reactor)의 건설을 추진중이다. 완성된다면 최초의 토륨원자로가 될 수도 있다.
과거에 가동했던 토륨원자로로는 독일의 THTR-300 실험용 원자로가 있다. 이 원자로는 페블베드 방식의 VHTR (vey high temparature reactor) 초고온 가스로였는데 당구공 크기의 연료 페블에 우라늄과 토륨을 혼합해 연료로 썼다. 냉각재로는 헬륨가스를 사용하였다. 1986년 연료 페블 보충 투입과정에 작업자의 실수로 방사능을 띤 헬륨가스가 소량 (150 Bq 베끄렐 [7]) 새나가는 사고가 있었다. 사고로는 큰 사고는 아니지만 때가 체르노빌 원자로 사고 직후라 크게 보도되었고 사고 보고에 소홀한 것도 문제가 되어 반핵 운동이 크게 일어 결국 몇 년 후 폐쇄되었다. 이 사고는 결국 독일은 원자력 발전을 완전히 포기하는 계기가 되었다. 이 사고의 원인은 페블 투입구와 헬륨 차단기 등 안전설계 미흡과 작업자의 실수로 인한 것이라 딱히 토륨 연료나 페블베드 방식 자체와 관련이 있는 건 아니다. 굳이 흠을 잡자면 기체를 냉각재로 쓰면서 밀봉구조가 불완전해 새어나가기 쉬운 것이 문제의 근원. 하지만 페블 연료가 운용중에 제어봉의 움직임 때문에 예상보다 잘 깨지는 큰 결함이 있었고 이런 저런 작은 사고들이 잦아서 토륨로나 페블베드 방식의 미래에 좋지않은 인상을 준 것은 사실이다.
6. 액화 불화염 토륨 원자로
용융염 원자로 (MSR Molten Salt Reactor)의 일종으로 액화 불화염 토륨 원자로 (LFTR Liquid fluoride thorium reactor)라고 불리는 노형. 고온의 리튬불소화물 용융염 액체를 원자로의 냉각재와 핵연료로 겸해서 사용하는 것이 특징이다. 원자로에 용융염을 채우고 우라늄 토륨을 등 핵연료를 용융염에 녹여 순환시키며 흑연 감속재를 통과시키면 핵반응이 일어난다. 핵반응으로 가열된 용융염은 냉각재로 열을 흡수해 열교환기에 순환시킨다. 우라늄의 핵반응에서 발생한 중성자를 토륨이 흡수해서 붕괴물로 우라늄 233 이 생성되면 이를 재처리를 통해서 분리해서 다시 원자로에 투입하여 핵반응을 지속시킬 수 있다. 융용염 원자로는 핵연료의 융통성이 크고 설계의 융통성도 크므로 우라늄이나 플루토늄 등 다양한 핵연료를 쓸 수 있고 토륨도 그에 포함되는 것. 다만 방식과 설계에 따라 토륨을 핵연료로 전환시킨 핵종을 따로 분리해내는 과정이 필요할 수 있어서 이 과정을 안전하고 경제적으로 하는데 많은 연구가 필요하다.
토륨로의 구현방식으로 용융염원자로가 적절한 이유는 어차피 토륨에서 증식된 우라늄233 을 분리해내려면 증식된 연료를 용융염에 녹여서 화학적 처리나 건식처리를 거쳐야 하므로 그럴 바에는 아예 처음부터 용융염에 녹여서 쓰자는 것이다. 현재는 토륨로는 거의 용융염 원자로 방식으로 사용하는 방향으로 연구되고 있다.
7. 연구동향
인도 뿐 아니라 최근에는 우라늄 자원이 적은 미국에서도 국립연구소와 다수의 유력 인사들이 상당히 관심이 있어서 연구촉구 홍보와 연구로 건설추진등 움직임이 있는 거 같다. 그동안은 주로 액체 불화염 같은 용융염 토륨 원자로(MSR)가 연구되었지만 고온안정성이 높아 초고온 가스로(VHTR) 같은 차세대 소형원자로와 궁합이 잘 맞다고 한다. 중국도 러시아와 협력으로 MSR을, 캐나다와 협력해 토륨 CANDU 원자로의 변형을 건설할 계획이라고. 우리나라가 먼저 나서서 큰돈 들여 실용화에 나설 필요는 없지만 인도나 미국, 중국의 연구나 동향을 잘 주시할 필요는 있다. 중국도 우리늄 자원이 부족해서 중국내 원자력 발전소를 위한 우라늄을 카자흐스탄 등지에서 수입하고 있어 중국에 풍부한 토륨을 핵연료로 쓰는데 관심이 높다. 그래서 2013년 부터 액화 불화염 토륨 원자로 연구에 착수해 현재 1MW 급 원형로를 가동중이고 2030년까지 100급 MW 상업 토륨원자로 건설과 토륨 원자력 컨테이선선 개발을 추진하는 등 토륨원자로 상용화에 가장 적극적이고 기술적으로 앞서고 있다.한국의 일부에서는 토륨 원자로를 마치 사기처럼 주장하고 있지만 1950-70년대에는 활발히 연구되었고 더 일찍 실용화된 우라늄 경수로에 경제성으로 밀렸을 뿐이다. 무엇보다 70년대에는 냉전시대라 원자폭탄용 플루토늄을 다량 생산할 수 있다는 점이 장점으로 부각되어 우라늄로가 유리하다고 여겨졌다. 미국 원자력업계도 안전성보다는 핵분열이 쉽고 경제성이 뛰어난 우라늄로를 선호했다.
1980년대 이후에는 토륨원자로는 거의 관심을 받지 못하게 되는데 이는 80년대 스리마일 섬 원자력 발전소 사고나 체르노빌 원자력 발전소 폭발 사고로 원자력에 대한 대중의 반대가 높아지며 원자력 산업과 연구가 침체하고 따라서 토륨 원자로 연구도 크게 침체하게 된다. 하지만 2010년대 들어 지구온난화 등으로 탄소배출이 없는 에너지원으로 원자력에 대한 관심이 살아나며 다시 연구가 활발해지고 있다. 중국 미국 인도 등 여러나라에서 새로운 제4세대 원자로 의 일환으로 다시 토륨 원자로 개발을 위한 연구들이 활발해지고 있다. 특히 미국에서는 산발적인 연구에 그치다가 2016년 관련학계와 업계의 대규모 학술대회 이후 여러 연구소나 소규모 기업에서 실용화를 목표로한 연구가 진행되는등 머지않아 실용화의 조짐이 보이고 있다. 중국에서는 이미 원형로를 가동중이고 2030년에는 100MWe 급 상업로 건설을 목표로 추진하고 있다.
한국에서는 전혀 연구가 이루어지지 못하고 있다. 2017년 말 한국원자력연구원 소듐냉각고속로개발사업단 박원석 단장(2019년 4월 이후 한국원자력연구소 원장)과의 인터뷰에 따르면 토륨 연료시스템의 경우 토륨 232(Th-232)를 U-233으로 바꿔야 하고, 다시 U-233을 분리해야 하는데 U-233의 분리 작업은 국제 핵비확산(NPT: 핵확산금지조약)에 크게 저촉되어 정치적으로 접근성이 제한돼 있다고 한다. 또한 한미원자력협정에 크게 위반되는 사항이라고.. #
하지만 NPT 비준국인 캐나다나 독일도 토륨로를 활발히 연구하고 있고 또 한미원자력 협정은 미국과 재협상하여 토륨로 개발에 대한 허락을 받을 수 있다. 어차피 소듐증식로나 납-비스뮤트로 같은 고속증식로를 실용화 하려면 핵재처리는 피해갈 수 없는 과정이고 현재 한국이 이 두 방식의 원자로에 대한 연구나 시험로 건설을 추진하고 있는 것을 감안하면 이건 토륨로나 용융염로(MSR) 에 대한 국내의 반대여론을 위한 변명에 불과하다. 한국이 플루토늄을 생산하는 소듐로를 건설할 수 있으면 토륨로나 용융염로도 건설할 수 있다.
이는 현재 원자력 연구소 등 국내의 원자력 연구 주도세력은 소듐 증식로나 납-비스무트 원자로를 선호하는 인사들이 주축을 이루고 있어서 이에 대항하는 유력한 토륨 용융염 원자로 연구가 활성화 되는 것을 반대하고 있어서 이를 억제하기 위한 여론전에 불과하다. 과거 1950-1960년대 미국에서도 국립 오크리지 연구소를 중심으로하는 토륨 용융염 원자로 연구세력들이 우라늄 원자로를 선호하는 미국의 원자력 마피아들이 주도하는 원자력 업계의 여론전에 세력이 밀려 연구자금이 끊겨 MSR 연구가 중단되고 MSR 이 상업적 허가를 받기 어렵도록 방해한 거나 마찬가지.
8. 실용화
중국이 2023년 6월 세계 최초로 고비 사막에 건설한 토륨 원자로를 실용화했다. # 자세한 것은 용융염원자로 페이지에서 중국의 추진상황 항목 참조.9. 미디어에 등장
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트로피코 5의 현대 시대의 원자력 발전소에선 토륨 원자로를 도입하면 효율이 20% 상승한다(...)
역시 비범한 트로피코
- 문명: 비욘드 어스에서 초반의 에너지 건물로 등장한다.
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Mindustry에서 후반부에 쓰는 발전기로 등장한다.
위에 서술된 토륨 원자로의 장점을 쿨하게 무시하고 아름답게 폭발한다. 심지어 게임 내에서 볼 수 있는 가장 큰 폭발이다(...)
[1]
프로트악티늄-234가 자발적으로 핵분열할수도 있으나, 0.0000000003%(0.3 나노퍼센트)의 극악한 확률이라 대부분 무시해도 될 정도.
[2]
우라늄-235의 열중성자의 핵분열 확률은 경수로에서 82%, 중수로에서 78%로 보통 우라늄-235의 열중성자 핵분열 확률을 78~82%로 표기. 중수로가 경수로에 비해 핵분열 확률은 낮아지지만 약간의 자원중성자의 도움을 받을 수 있으므로 핵연료를 태우는 효율과 중성자 흡수율 면에서 더 좋아지고 우라늄-238이나 토륨 등의 비핵분열성 동위체의 중성자 흡수율까지도 높아져 증식효율도 높아진다. 따라서 중수로가 경수로에 비해 핵연료 이용도는 좋아진다. 따라서 열증식로도 가능. 다만 물에 있는 소량의 중수를 거르는데 비용이 많이 들어 경수로를 많이 쓰는 것일 뿐.
[3]
다만 강력한 감마선을 살상무기로 한다면, 안정적인 토륨-232를 템퍼로 사용할 수 있다. 유사한 방식으로, 강력한 방사능을 목표로 하는
코발트 폭탄이 대표적이다.
[4]
야사로는, 이 비행기가 추락한 다음에 답이 안 나오기 때문이라고.
[5]
상업적인 목적으로만 써먹은 최초의 원자력 발전소. 최초 상업 원자력 발전소의 스타트는 콜더홀이 끊었지만 이놈은 군사용 플루토늄도 생산했기에...
[6]
일반적으로 경수로 3개 분량의 사용 후 연료로 CANDU 1기를 돌릴 수 있다고 한다. 한국도 CANDU가 있는지라 이를 연구하고 있다.
[7]
우유 1kg 에 이 정도 방사선 물질이 포함되면 식용불가