토륨

토륨(thorium)은 원자번호 90인 원소이다. 자연에 존재하는 토륨은 모두 토륨-232(²³²Th)으로 반감기는 140억년이다. 토륨은 토륨붕괴사슬의 시발 핵종이다.

일반적 토양에는 6ppm 정도의 토륨이 존재한다.

에너지 이용

토륨은 우라늄과 더불어 자연에 존재하는 원자력에너지생산에 활용할 수 있는 물질이다. 그러나, 연쇄핵분열반응을 일으킬 수 있는 핵연료물질인 우라늄-235와 달리, 중성자를 포획하여 핵연료물질로 전환하여야 하는 핵원료물질이다.

원자로

토륨을 전환하거나, 연쇄핵분열을 지속하기 위해서는 원자로가 필요하며, 그 구조는 우라늄핵연료를 사용하는 원자로와 크게 다르지 않다. 그러나 토륨의 핵특성이 우라늄이나 플루토늄과 다르므로 연소특성, 운전특성, 안전특성 등이 달라진다. 토륨주기에서 원자로는 핵연료물질 전환율을 최대화하거나, 주어진 토륨으로 최대의 에너지를 생산하는 목표를 달성할 수 있도록 설계할 수 있다.

원자로의 임계상태를 유지하고 토륨전환에 필요한 중성자를 공급하기 위해서는 농축우라늄, 플루토늄, 전환된 우라늄-233 등을 사용해야 한다. 열중성자 에너지 영역에서 토륨의 전환율이 크므로 효과적인 전환을 위해서 seed-blanket 개념을 이용하여 핵연료물질과 핵원료물질을 배치한다. 경수로나 중수로에서는 중성자 확산거리가 짧으므로 핵연료집합체 내에서 연료봉단위로 배치하며, 고온가스로, 용융염로, 고속로에서는 중성자에너지가 낮아지는 노심 외곽 쪽으로 토륨을 배치하게 된다.

재처리

토륨에서 전환된 핵연료물질인 우라늄-233을 효과적으로 이용하기 위해서는 잔존한 토륨과 분리해야 하므로 사용후핵연료의 재처리가 필요하다.

가속기구동 미임계로

우라늄-233의 연소는 장수명 초우란원소의 발생량을 현저히 줄이므로 수십만 년의 사용후핵연료 관리 부담을 줄일 수 있다. 고에너지 중성자를 발생하는 가속기구 동 미임계로에서는 초우란원소의 발생량과 장수명 핵분열생성물을 효과적으로 소멸 처리할 수 있다.

가속기구동 미임계로는 임계사고의 우려를 배제할 수 있는 장점이 있다. 그러나 붕 괴잔열제거 실패에 따른 노심손상우려는 상존한다. 제논, 프로트악티늄 등의 붕괴에 따른 재임계가능성을 고려하면 열중성자로의 임계도를 0.92 이하로 설계해야 하나 고속로로는 0.98이하로 설계하면 됨으로 고속미임계로에서 가속기의 부담이 적어진 다. 이런 관점으로는 평균중성자에너지 가장 높은 납냉각원자로가 가속기구동 미임 계로에 적합할 것으로 평가된다.

경제성

현재의 시장상황으로는 폐쇄형 토륨핵주기의 경제성이 통상적인 개방형 우라늄핵주기보다 나쁜 것으로 평가되나, 우라늄원광가격이 상승하고, 토륨의 재처리비용이 낮아지며, 사용후 핵연료 영구처분 비용이 높아지면 토륨핵주기의 비교 경제성은 향상될 것으로 기대된다.

핵무기

토륨에서 전환된 우라늄-233의 임계질량이 적고, 즉발중성자원이 적기 때문에 핵 무기에 전용될 가능성이 있으나, 불순물로 생성되는 강한 감마 방사선 때문에 실전용 핵무기로서의 가치는 낮을 것으로 판단된다.

참고문헌

자료갱신 : 2019/08/12 Coparkmaru