hot science
ζ도./\、 글윤신영기자、 ε'" [J“에너지 문제 해결을위해하루 빨리 진지하게 연구할 필요가 있습니다'."(김재완고등과학원계산과학부교쉬
“가능한방법입니다만，경제성 등 매력이 떨어집니다 기존원전을완전히대체할수있는 최선의 방법은아닙니다"
(횡일순서울대원재석공학과교쉬
“안전성 등 기존우라늄원전의 단점을해결할수있습니다.
우리나라도다gt한 방식을 연구하고시도해야하지 않을까요"(흙우성균관cH 물리학과교쉬
토륨 원전에 대한 의견은 전문가들 사이에서도분분하 다. 찬성히는 연구자들은기존우라늄원전이 갖는 단점 을 해결하기 위해 하루 빨리 상업화해야한다고 주장한다.
호의적이지 않은 연구자들은 원료를 바꾸는 것이 완벽한 대안은 아니며 새로운 시스뱀의 우리늄 원전을 통해 기존 원전의 문제점을 얼마든지 해결할 수 있다고 주장한다. 하 지만 정보가부족한경우가 많다. 원전에 관심을 갖고 있는 연구자일지라도다른 연료로 원전이 가능하다는사질은모 르는경우가많다.
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폐기물없는안전함
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우리늄이 아닌 저12의 방사성 핵연료 ‘토륨’을쓰는 원전 개발이 한칠벼|다. 우라늄보다 풍부하고 안전하며 폐기물이 나오지않아미래의대안 에너지로꼽힌다.하지만 국내에는이에대한논의나 연구가거의 이뤄지지 않고 있다.
일러스트|정지수
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하혼1 만토륨원전은이미세계적인관심사다. 인도는토 륨 원천을 1Q년 넘게 연구해 오다 작년 끄월 발전소 건설을 공식적으로 선언했다. 중국 역시 건설을 서두르고 있고. 스
리마웰 사고 이후 원전 연구에 무관심했던 미국도 에너지 부와환럽 연구소들이 주축이 돼 연구에 몰두하고 있다 벨 기에순 유럽연합(ED)과 공동으로 실험로를 운영하고 있 다. 도대체 토륨원전은무엇이며 어떤 장점이 있는 걸까.
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‘타지많는불꽃’토륨
토륨은뭔전연구초창기부터 연료후보로꼽혀왔던물질이 다 ;Z~펠까지 인류가발견한핵종(동위원쇠은 3300개가넘
는다 擬1만인위적으로만들어야만핸핵종이나반감기 가 너담활은 핵종을 제외하면 인류가 실제로 접할수 있는
핵종 수슨 3937R에 불과하다. 이 가운데 전혀 핵분열을 일
으커지 않는안정핵종 255개를제외하고. 반감기가우주나
이보다휩어서 역시 핵분열을유도하71 어려운핵종들을제
외따활면. 원전에 이용할수 있는방사성 핵종후보는우
리늄과\루토늄등극히 일부밖에 남지 않는다.
토륨도 바로 이런 핵종 중 하나다. 바닷가 모래 등에 풍부하며， 매장량도 우 라율보다 4배 많다. 산출국이 한정된 우라늄에 비해 토륨은 세계 곳곳에 비교적 고르게 퍼져 있기도 하다.
하지만 토륨은 원전의 주인공 자리를 우리늄에 내줘야 했다. 한 가지 큰 단점 이 있었기 때문이다. 우라늄은 적은 에너지로 스스로 핵분열을 일으킬 수 있고，
그상태를 계속유지할수 있다. 하지만토륨은그렇지 않았다. 비유하자면 우라 늄은한 번 불만 지펴 주면 계속해서 활활 타오르는 불쏘시개와같다. 반면 토륨 은불도잘안붙고잘꺼진다. 연료로서는매력이 멀어졌다. 당시 원전에 어떤 연료를쓸지는불보듯 뻔했다.
우라폼은그자체가핵분열성물질로 적당한에너지의중성자만있으면쉽게 핵분열을 일으킬 수 있다. 일단 핵분열을 시작하면 잘 멈추지 않는다. 그래서 우 리눔 원전에서는분열속도가빨라지지 않게 섬세하게 조절한다. 이를 위해 연료 중간중간에 분열 속도를늦추는 ·제어봉’을 꽂는다. 제어봉은붕소로 돼 있는데，
우라늄의 핵분열을 시작하고 기속화시키는 입자(중성자)를 흡수해 전체적인 반 응속도를 조절한다. 물이나 흑연 같은 냉각재(감속재)를 써서 원자로를 식히기 도한다(중성자의 에너지를줄인다).
토륨은 반대다. 핵분열을 해도 만들어지는중성자의 수가 연쇄반응을 일으키 기에 부족하다. 따라서 분열이 꾸준히 이어지지 못하고 중단된다. 따라서 토륨 원전에서는 핵분열을 둡는 중성자를 따로 공급해 연쇄반응을 꾸준히 이꿀어내 는일이중요하다.
얼핏 단점으로 보이는 토륨의 이 현상이 최근 오히 려 장점으로 관심을 받고 있다. 원전안전성의화두가자고시 저절로꺼지는원전’이기 때문이다. 지난해 일본후쿠시마 원전 사고는효율 면에서 큰장점이었던 우라늄 원전의 연쇄반응 이 얼마나 위험할수 있는지를보여줬다. 핵분열을제어할수 있는 비상수단까 지 사라지자(비상발전기가 꺼져 냉각수공급이 중단됐다) 노심의 온도가높아졌 고， 핵연료는연쇄반응끝에 노심을녹여버렸다. ‘꺼지지 않는불꽃’원전은인간 의 통제력을 벗어난 괴물이 돼 버린 것이다.
‘꺼지지 않는 불꽃’ 시대는 끝났다
·잘 안타는불쏘시개이기 때문에 안전하다’는주장은 얼핏 궤변 같다. ‘돌은석탄 처 럼 탈 수 없기 때문에 산불을 낼 위험도 없다’는 것과같은논리로 들린다.
적어도 토륨을 ·또 하나의 연료.로 논의하던 2-0세기 중반에는 토륨의 장점이
토륨의매짙발
원전에 주로 쓰는 우라늄-235는 전체 우라늄 중에서도 0.7%에 불과하다.
하지만 토륨은 원전에 쓰01는 토륨-232 형태로100%존재한다.
그린란드 5만4000t 2"10
러시아 7만SOOOt 3%
이집트 10만t 4%
노르웨이 13만2000t 5%
l까 | 호주 48만 9천t __
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자료:iI'EA/WN이200떤 기준)
궤변으로보였다. 당시에는토륨을효율적으로이용할방 법을 알지 못했다. 따라서 활활 잘 타는 우리늄을 두고 굳 이 잘 안 타는 토륨 원전을 개발할 이유가 없었다(여기에는 핵무기 제조와관련해 또다른동기가숨어 있다. 이에 대해 서는뒤에설명한다).
하지만 1995년이 되자이야기가달라졌다. 입자인 W보 손과 Z보손을 발견한공로로 1984년 노벨 물리학상을 받은 이탈리아의 핵물리학자커를로루비아유럽입자물리연구 소(CERN) 박사가 10년에 걸쳐 연구한끝에 토륨원전의 상 용화기능성을밝혀냈기 때문이다.
토륨 원전에 이용하는 것은 원자가가 232인 토륨-232 동위원소다(자연계에 존재하는 토륨은100%토륨-232 다). 이 원소가 중성자를 만나 결합하면 원자가가 233으로 증가한다(토륨 -233). 토륨-233은 불안정한 핵종이기 때 문에 22분만에 절반의 원소가붕괴(중성자하나가양성자 하나로 변히는 베타 붕괴)돼 프로탁티늄 -233 이 된다. 프
스위스에 건설된 실험용토륨 원전 PSI으| 모습. 차를로 루비아 CERN연구원이 제안한 ‘에너지 증폭기’가 가능함을보였다.
원전 아닌 ‘에너지 증폭기’
하지만 이 방식은 온전한 의미의 토륨 원전이라고 부르기 어렵다. 애초에 대체하려 했던우리늄과초우리융핵종에 다시 의존히는방식이기 때문이다.
루비아 교수는 색다른 방식을 제안했다. 원전에 선형가 속기를도입한형태다.가속기를이용해고속으로기속시킨 양성자를 납이나 텅스댄에 충돌시켜 다량의 중성지를 만든 다. 이 중성지를 토륨과충돌시켜 핵분열을 일으킨다. 루비 아 교수는 기속기를 도입한 이 토륨 원전이 우라늄 원전과 는근본원리가다르다며 원자로(reactor) 라는용어 대신‘에 너지 증폭기 (energy amplif빼’라는용어를제안했다.
수 없다(미임계). 토륨원전에 다른추가조치를하지 않으 면핵분열반응은자연스럽게 멈춘다.
따라서 토륨을 원전의 연료로 쓰려면 중성자 수를 보 충해야 한다. 예를 들어 토륨과 함께 우라늄-235 나 우라 늄-238， 또는 플루토늄과 같은 초우리늄 핵종(우리늄보다 원자번호가높은핵종)을일부섞어서 이용하는방법이 있 다. 황일순 서울대 원자핵공학과교수는 “연료에 우라늄과 플루토늄을 20%섞어주면 임계상태로 만들 수 있다”고 말 했다.
앙성자기속기
입
연료가 에너지가 되기까지
기에서 나온 중성재미가 토홉까1←·232와 만나 까，-;경301 된다.
두 번의 붕괴를 거쳐 우라늄(u)-:경301 된다. 추가로 중성자를 마R톨 핵분열을 통해 에너지를 만든다. 이 때 만들어진 중성자는 다시
r용된다.
티늄-233 역시 27일만에 절반의 원소가 붕괴돼 우라
내 233이된다.
1 렇게 해서 만들어진 우라늄 -233은 현재 널리 쓰이
끊우라늄폈처럼 비교적 뻐지가낮은중성자와충돌
해품핵분열을일으킨다. 이 과정에서 핵분열 에너지와함
꺼繼자가 빨한다 에너지는 증기를 발생시켜 전기를
생빨F는 데 쓰이고， 중성자는 다시 토륨-232 또는 우라
&-233과충돌해 핵분열을지속시키는순환과정을거친 위그림참조).
씀리늄원전은핵분열과정에서발생딴중성 X띄수가 투힘되는중성자의 수보다많아계속해서 핵분열 연쇄반응
을커일으킬 수 있다(이 상태를 ‘임계상태’라고 한다). 하지만 은핵분열과정에서 만들어지는중성자수가투입되는
Z험자에 비해 적어서 절대 스스로는 연쇄반응을 일으킬
35t의폐기물생성 1만년이상격리 필요.
83%의 폐기물은 10년 안에안정화-
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1t의폐기물 샘성.Pu등
유독 헥증 없음 17%의 폐기물은 300""500년 격리필요.
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U-Z35핵분열.
플루토늄(Pu←239
나머지우라늄낀5t (나-경50.6t 포함l.
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우라늄농축.35t 중 u-:영5는1.15t(3.3%).
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자료토홈에너지연대 ηE이
토륨원전
을 이용하는데다， 에너지 증폭기가 고속로 시스템이기 때 문에 초우라늄 핵종까지 태워 없앨 수 있다(정확히는 독성 이 낮은 핵종으로 바뀌는 과정으로， ‘핵변환’이라고 부른 다). 그래서 초우라늄핵종이 크게 줄어든다.
루비아 교수는 “토륨 원전 폐기물의 독성은 약500----600
년 정도면 광산에서 석탄을 캘 때와 비슷한 수준으로 떨어 진다”고 밝히고 있다. 같은 기간 우라늄 원전(가압수형원 자로) 폐기물의 독성은 2만 500배 높다. 우라늄 원전 폐기 물의 독성이 토륨 폐기물과 같은 수준으로 떨어지려면 1만 년 이상의 시간이 필요하다.
또한가지 장점은질좋은플루토늄이 생기지 않는다는 사질이다. 플루토늄은핵무기 제조에 이용될 수 있다. 우라 늄 원전은 폐기물에 다량의 플루토늄이 포함돼 있어 핵무 기를 개발할 위험이 있다. 원전 개발 초기 단계에 선진국이
우라늄원전
우라늄 뭔전과 토륨 원전 공정 비교
토륨 원전은 재료의 양이 적고 농축 과정이 필요없으며 폐기물 위험도 낮다.
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엉m의자연산 우~~늄(U).
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모든 시스템이 그렇듯 필요한 만람의 출력을 내기 위 해서는 적절한 설계 과정이 필요하다. 핵심은 다량의 중 성지를 만드는 일이다. 홍승우 성균관대 물리학과 교수는
“0.8----1GeV대의 출력을 얻어야 20----30개 정도의 중성자 가 만들어져 연쇄반응이 안정적으로 일어난다”고 말했다.
홍교수는“루비아교수는우라늄원전못지 않게 안정적 인 토륨 원전이 기능하다는 사실을 이론적으로 밝혔다”며，
“하지만처음제안한 1995년만해도이런원전시스템을만 들수 없어서 상업화까지 나。f가지 못 했다”고 말했다.
루비아 교수의 주장은 2005년 스의스에 0.6GeV대의 실 험용 원전 PSI가 만들어지면서 사실상 검증이 됐다. PSI 는 약 1MW(메가와트. 전력의 단위로， 한국 표준형 원전은 1000MW의 전력을 만들수 있다) 정도의 전력을 낸다.
홍 교수는 “루비아 교수는 투입 중성자와발생 중성자의
비를1:0.99정도로 맞추면 임계에 이르지 않고 효율적으
로 토륨 원전을 운영할 수 있다고 주장한다”고 말했다. 하 지만 0.99는 거의 임계에 기깝다. 안전성을 위해 효율성을 낮춘 0.9원+이보다더 낮춘 0.96 중어느쪽이 나을지 세 계곳곳에서연구와논의가진행중이다.
새로운 토륨 원전에는 여러 장점이 있다. 먼저 고준위 핵 폐기물 문제가 해결된다. 기존의 우라늄 원전에서 핵폐기 물이 문제가 되는 것은 우라늄-235와 우라늄 238중235
만을 태울 수 있기 때문이다. 자연 우라늄에서 우라늄-235 는 전체의 0.7%에 불과하고 나머지 대부분은 238이다. 따 라서 우라늄농축과정을거쳐 235의 비율을 3----5%로높여 쓰지만여전히 238의 비율이 높다.
문제는 에너지가 높은 중성자(고속 중성자)를 이용히는 최근의 고속로가 아닌 이상 우라늄-238을 핵분열시킬 수 없다는점이다. 이들은고스란히 폐기물이 된다. 핵분열 결 과로만들어지는플루토늄과넬륨， 아메리숨， 퀴륨등화학 독성이 강한초우라늄방사성 핵종들도 타지 않고남는다.
반면 토륨은100%연료로 이용 가능한 핵종(토륨 232)
