토륨 원자로
1. 개요
고속의 중성자를 이용하는 고속증식로와는 달리 비교적 느린 열중성자를 이용하기 때문에 열 증식로 (Thermal Breeder Reactor, TBR)로 불리는 이 원자로는 토륨을 사용한다. 핵분열을 이용해 비핵분열 물질을 핵연료로 변환한다는 점에서 증식로의 일종이라고 볼 수 있으나 실용적으로는 토륨을 핵연료로 이용하는 원자로로 취급받고 있다.
2. 설명
토륨로의 경우 장점으로는
- 비교적 매장량이 풍부하고 값싼 토륨을 연료로 이용해서 연료값이 싸다.
- 연료이용률이 우라늄로에 비해 수십배 높으므로 적은 량으로 많은 에너지를 발생시킨다.
- 사용후 남는 핵연료 폐기물의 양이 매우 적어지고 폐기물의 반감기가 월등히 짧아 폐기물 처리가 쉽다.
- 자발적으로는 핵분열 연쇄반응이 지속되지 않으므로 상대적으로 안전하다.
- 플루토늄 등을 사용하지 않으므로 비교적 핵무기 확산 걱정이 적다.
- 우라늄에 비해서 증식 정도가 작아서 초기에는 우라늄 등이 필요하다.
- 한번도 실용화 되지 않아 많은 연구개발이 필요하고 많은 운영경험을 축적하여야 한다.
- 같은 이유로 NRC 등 원자력 규제기구의 건설허가를 얻기가 매우 어렵고 많은 돈과 시간이 들고 결과도 불확실하다.
- 같은 이유로 각종 부품과 장비 인력 등이 모두 비싸서 초기에는 이미 검증되고 양산되는 기존 우라늄로 보다 비싸고 수 밖에 없다.
- 토륨이 중성자를 흡수하면 토륨-233을 거쳐 프로트악티늄-233이 되는데 이게 기간이 26.975일이나 된다. 이후 우라늄-233으로 붕괴되지만, 25% 이상의 상당한 양의 프로탁티늄-233은 우라늄-233으로 붕괴되기 전에 중성자 하나를 추가로 흡수해 프로탁티늄-234를 거쳐 비핵분열성인 우라늄-234로 된다는 것. 이것이 토륨 원자로가 상대적으로 안전한 이유이다.우라늄과 달리 연쇄반응이 지속되지 않는다. 즉, 장점이자 단점.
2.1. 토륨 연료
토륨은 우라늄에 비해 약 4배 정도로 지표상에 훨씬 풍부하게 다량으로 존재한다. 지각구성비로는 약37-41번째로 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. 하지만 우라늄도 현재는 발전 비용에서 우라늄 연료비가 큰 문제가 될 정도는 아니라서 핵연료로서 큰 장점은 아니다. 다만 고갈의 걱정이 없다는 것은 장기적으로 장점이다. 주요 매장국가는 인도 브라질 호주 미국 등 땅덩이 넓은 나라들.
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 정제된 우라늄의 극히 일부만 3% 정도만 핵분열에 이용되고 나머지 사용후 핵연료는 전체가 위험한 고준위 핵폐기물이 되므로 매우 처치하기 어렵다. 이중에서 유용한 플로토늄이나 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 고준위방사성폐기물의 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.
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.[1] 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.
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.[2] 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 제어할려니 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[3]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[4]도 장전해 넣어 연료로 쓸 수 있다. 사실 중수로라면 저런 이점을 다 가지고 있지만 CANDU가 저 바닥에선 대세인지라... 또한 CANDU는 '''지금도 열심히 전력을 생산하면서 안정성도 높다!''' 못 믿겠으면 월성 원자력 발전소 문서를 참고하시라.
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 융용염 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.
한국의 일부에서는 토륨 원자로를 마치 사기처럼 주장하고 있지만 1950-80년대에는 활발히 연구되었고 더 일찍 실용화된 우라늄 경수로에 경제성으로 밀렸을 뿐이다. 무엇보다 70년대에는 냉전시대라 원자폭탄용 플로토늄을 다량 생산할 수 있다는 점이 장점으로 부각되어 우라늄로가 유리하다고 여겨졌다. 미국 원자력업계도 안전성보다는 핵분열이 쉽고 경제성이 뛰어난 우라늄로를 선호하였다.
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.. #
3. 융용염 토륨로
융용염 원자로 (MSR Molten Salt Reactor)의 일종으로 액화 불화염 토륨 원자로 (LFTR Liquid fluoride thorium reactor)라고 불리는 노형. 핵연료인 토륨을 액체상태의 불소화화물로 만들어 반응시키고 고온 상압의 액체상태로 열교환기를 순환한다. 융용염 액은 노 내부에서만 핵반응을 하고 노에서 빼내면 반응이 중지된다.
압력이 낮고 액체라서 다루기 쉬워 상대적으로 안전하다. 액체이고 저압이라는 것은 안전상으로 큰 장점이 있다. 종래의 경수로는 고압의 증기 또는 고압의 물을 사용하기 때문에 사고가 생기면 외부에 누출되기 쉽지만, 융용염은 온도는 높지만 압력은 낮고 누출되어도 액체상태를 유지하기 때문에 대기중이나 노 외부로 유출을 막기 쉽다.
문제는 현재 미국의 원자력 규제기관인 NRC에서는 액체상의 핵연료는 충분히 검증되지 않았다는 이유로 상업적 운전을 금지하고 있어 개정이 필요하고 허가를 얻으려면 많은 시간과 돈과 노력이 들어갈 것이고 그래서 실용화가 부진하다. [5] 누군가가 먼저 허가 선례만 만들면 LFTR 등의 개발이 크게 촉진될 것이다.
또 저압이므로 압력용기가 두껍지 않아도 되므로 소형의 원자로를 만들기 쉽다. 원래 융용염 원자로는 비행기나 배에 실어 동력원으로 삼으려 개발했기 때문에 노의 크기가 훨씬 작고 무게도 가볍다. 그래서 100 MW 정도의 비교적 소형원자로로도 경제성이 높다. 요즘 수십 MW 급의 소형모듈원자로 (SMR small modular reactor) 에 대한 관심이 크게 늘고 있어 이에 적합한 노형이다.
6가지 4세대 원전의 노형의 하나로 선정되어 여러나라에서 활발하게 연구중이다.
4. 미디어에 등장
트로피코 5의 현대 시대의 원자력 발전소에선 토륨 원자로를 도입하면 효율이 20% 상승한다(...)
문명: 비욘드 어스에서 초반의 에너지 건물로 등장한다.
Mindustry에서 후반부에 쓰는 발전기로 등장한다.
[1] 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.[2] 야사로는, 이 비행기가 추락한 다음에 답이 안 나오기 때문이라고.[3] 상업적인 목적으로만 써먹은 최초의 원자력 발전소. 최초 상업 원자력 발전소의 스타트는 콜더홀이 끊었지만 이놈은 군사용 플루토늄도 생산하였기에...[4] 일반적으로 경수로 3개 분량의 사용 후 연료로 CANDU 1기를 돌릴 수 있다고 한다. 한국도 CANDU가 있는지라 이를 연구하고 있다. [5] 이렇게 된데는 경수로 찬성론자들이 경수로와 경쟁을 하던 MSR 을 죽이기위해 이런 억지 규정을 만들었다는 설도 있다