에너지 - 토륨원전

1. 토륨원전

1) 토륨원전

- 토륨(원자번호 90번)을 연료로 사용하는 원자력 발전
- 원자로가 에너지를 생산하려면 특정 핵분열성 동위원소를 소모해야 하는데, 자연상태의 토륨에서 나온 토륨-232에서 변형된 우라늄-233을 원자로에서 소모할 연료로 사용

2) 토륨 연료의 에너지화 방법

a. 우라늄-233을 원자로에서 소모할 연료로 선택

- 토륨(토륨-232)은 그 자체가 핵분열성 물질이 아니라서 열중성자로에서 직접 사용이 불가능 하지만, 중성자를 흡수하면 우라늄-233으로 변형되어 훌륭한 핵분열 연료가 될 수 있음

b. 핵분열 연쇄반응

- 토륨은 핵분열 과정에서 만들어지는 중성자 수가 부족하여 스스로 연쇄반응을 일으킬 수 없음.
- 토륨을 원전의 연료로 쓰려면 핵분열반응이 멈추지 않도록 중성자 수를 보충하는 작업이 필요.

c. 중성자 보충 방식

- 토륨과 함께 초우라늄 핵종(우라늄보다 원자번호가 높은 핵종: 우라늄-235나 우라늄-238, 또는 플루토늄)을 일부 섞어서 이용하는 방식.
- 원전에 가속기를 도입한 형태:가속기를 이용해 고속으로 가속시킨 양성자를 이용해 중성자를 만들어 이 중성자를 토륨과 충돌시켜 핵분열을 일으킴.
Thorium-based nuclear power
Thorium
[물리산책] 제2의 원자력 에너지 토륨원전
4세대 토륨원전 LFTR에 대하여
토륨 원전 vs 우라늄 원전

2. Why 토륨(Thorium)?

1) 토륨 원전 장점

Georgia Institute of Technology 과학자 그룹: 보다 깨끗하고 안전한 원전

- 토륨 기반 전력은 미국에서만 1000년 이상 사용 가능한 에너지 솔루션. 인류의 환경에 나쁜 영향을 끼치는 문제를 해결할 수 있는 진정한 지속 가능한 에너지원.
Thorium-based nuclear power

Bill Thesling 미국 클리블랜드 Energy from Thorium foundation CEO : 국가와 국민을 위한 에너지 솔루션.

- 비싼 농축업무가 필요 없는 값싸고 풍부한 원료: 토륨은 국가와 국민의 에너지 상황을 해결 가능.
Ohio Group Holds Out Hope For Thorium Energy

Richard Martin 과학 저술가

- 토륨은 깨끗하고 풍부한 에너지원을 효율적으로 제공 가능한 동시에 핵무기 확산, 방사능 오염, 독성 폐기물, 복잡한 공정이 필요한 값비싼 연료에 대한 걱정을 덜어줌.
Thorium-based nuclear power

a. 우라늄 보다 매장량 풍부

- 납 만큼 흔한 금속으로 매장량이 우라늄보다 4배 많음. 지각에 원전 연료로 쓰이는 우라늄-235는 18mg/ton으로 은(100g/ton) 보다 귀한 반면, 토륨은 약 10g/ton 으로 매장량 풍부.
- 우라늄은 산출국이 한정된 반면 토륨은 세계 곳곳에 비교적 고르게 퍼져 있음.
- 토륨원소 비축량은 최소 1만 년 동안 지구에 에너지를 제공할 수 있을 정도 (카를로 루비아 박사)
- 토륨 매장량 : 전세계 약 6,355,000톤 이상 매장 추정(source: OECD NEA & IAEA, Uranium 2014: Resources, Production and Demand ('Red Book'), using the lower figures of any range.)
Thorium
토륨원전

b. 안전성

- 우라늄은 그 자체가 핵분열성 물질: 일단 핵분열을 시작하면 방사능과 고열을 방출하므로 이를 식히기 위한 냉각장치 필요. 따라서 대지진 같은 불의의 사고가 발생하면 냉각장치가 고장 나고, 그로 인해 노심 용융(melt down)이 일어나 방사능이 유출될 수 있음.
Ex)후쿠시마 원전사고
- 반면, 토륨은 자체적으로 핵분열을 일으키는 연쇄 반응이 나타나지 않기 때문에 사고로 정전이 될 경우 핵분열을 자동으로 멈춤.
- 미국 Martingale Inc에서 설계한 모듈형식 토륨원전은 연료가 외부공기와 접촉할 때까지 4개의 벽을 만들어 안정성을 높임.
ThorCon Power

c. 핵폐기물 문제 해결

- 독성 페기물 발생량이 우라늄의 1/1000
- 이산화탄소 또한 발생시키지 않음
- 토륨원전은 100% 연료로 이용 가능한 핵종(토륨-232)을 이용하고, 에너지 증폭기 방식의 경우, 고속로 시스템이기 때문에 일반 원자로에서 사용되고 남은 초 우라늄 핵종 까지 태워 없앨 수 있음.
- 기존 우라늄 원전 폐기물 방사능독성이 떨어지려면 1만년 이상 시간 필요한 반면, 토륨은 몇 백년 안에 방사능이 안전한 수준으로 떨어짐.

d. 핵확산 방지

- 토륨원자로의 부산물로 생기는 플루토늄은 기존 우라늄 원자로와 비교해 볼때 2% 미만.
- 우라늄 원전은 폐기물에 다량의 플루토늄이 포함돼 있어 핵무기 개발 용이 ← 원전개발 초기 단계에 선진국이 토륨이 아닌 우라늄을 선택한 배경 중 하나.

e. 효율성(1톤 토륨 vs. 250톤 우라늄)

- 토륨 1톤이 우라늄 250톤, 석탄 350만 톤에서 생산하는 전력과 같음. 1톤의 토륨으로 1GW 전기를 1년간 생산 가능
- 우라늄 원전: 우라늄 광산에서 250톤 채굴 후 35톤으로 농축. 1년간 1 GW급 원전에 쓰인 후 35톤의 핵폐기물 생성.
- 토륨 원전(액화불화 토륨 원전: Liquid fluoride thorium reactor): 자연상태의 토륨은 전부 연료로 사용될 수 있으며 비싼 농축과정이 필요하지 않음. 액화 토륨원전은 1년간 1 GW급 원전에 쓰인 후 1톤의 핵폐기물 생성. 그 중 83%는 10년 안에 안전해지며 일부를 팔 수 있고, 17%는 300년 동안 땅속에 격리보관.
- 'MIT의 미래원자력 2009’분석에 따르면, 원자력비용의 대부분은 실제로 원자로 건설비용(캐피탈 비용)이 차지함.
- 토륨 발전소 건립비용은 우라늄 발전소보다 5 ~7배 저렴: 1기가 와트의 전력을 생산하는 우라늄 연료 발전소 건설 비용은 대략 11억 달러 선. 토륨 액화 연료 원자로를 건설하는데 드는 비용은 노심용융 걱정이 없으므로 2억 5,000만 달러 수준으로 예상. (냉각장치 비용 절약).
Thorium is More Abundant than Uranium, but Can It Work?
- 운영 비용은 우라늄 발전소의 1/10: 1기가 와트를 생산하는 우라늄 연료 발전소 가동시 (미국 기준으로) 500명 정도의 인력이 필요하며, 연간 5천만 달러가 소요. 토륨액체연료 발전소를 가동하는 비용은 약 500만 달러 선이 될 것으로 예상
Thorium for dummies. Thorium reactors-Dr. Y(Federation of American Scientists)
- 미국에서 새롭게 설계한 ThorCon 에서 생산하는 전력 가격은 가스나 석탄보다 저렴한 KWh 당 3센트
우라늄 지고, ‘토륨(Thorium)’ 뜬다

3. 토륨 원전 개발 History

1) 최초 개발

a. 1965~1968 Oak Ridge National Laboratory 실험 원자로

- 전력생산을 위한 우라늄 원자로를 구축했던 시기에 미국정부는 토륨과 중성자를 충돌시켜 만들어낸 핵분열 물질인 우라늄-233 을 연료로 사용하는 용융염 실험원자로 구축 : 오크리지 국립 연구소에 만들어진 이 원자로는 임계상태로 1965~1969년 15,000여 시간 운영.

b. 1968년 토륨 원자로 개발 성공 공식 발표

- 노벨상 수상자이자 플루토늄 발견자 Glenn Seabory는 자신이 회장으로 있던 원자력 위원회(Atomic Energy Commission)에 공식적으로 토륨원자로가 성공적으로 개발되어 테스트 완료되었음을 공포.
Thorium-based nuclear power

2) 원자력 개발 초기 음모론

닉슨 시대의 원자력 정책:1973년 미국정부의 토륨 원전 리서치 전면 중단

- 1960년대 정부 과학자들은 값싸고 풍부한 연료를 사용하여, 더 작고 잠재적으로 안전한 원자로를 개발한 뒤 수십 년간 비밀 유지
- 20여 년간 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 에서 진행중이던 모든 연구 중단: 우라늄 증식로가 더욱 효율적이라는 리서치 결과가 나왔으며, 부산물로 핵무기 제작에 사용할 수 있었기 때문
- 안전한 원자력 발전이 군사적 사용 이점 때문에 희생
토륨원전에 관심표명한 미국

3) 상용화 가능성 검증 시도

a. 2005년 상용화 검증

- 이탈리아 핵물리학자 카를로 루비아(Karlo Rubbia)박사가 스위스 파울셰러연구소(PSI)에서 만든 고리형 양성자 가속기를 통해 1 MW 전력 생산

b. 2013년 토륨을 에너지연료로서 가능 여부 테스트

- 2013년 노르웨이 할덴 시험 연구로(Halden research Reactor)에서 토륨 핵연료를 사용해 에너지 생산 시작 : 노르웨이의 민간기업인 Thor Energy가 주도한 이 시험은 상업적목적으로 사용될 신규 핵연료재료인 토륨의 적합성에 대한 필수적 정보 제공
Thorium test begins
Thorium: An Alternative for Nuclear Energy?

4. 토륨 원전 개발 현황

1) 토륨 전문가 의견

a. 국제 원자력 기구 전 사무총장 Hans Blix

- 토륨은 전세계에 지속 가능한 원자력 에너지 공급은 물론 에너지 함량이 높은 연료를 더 잘 활용하게 해 줌
Thorium-based nuclear power
토륨은 원자로 내에서 더욱 안전하고 토륨으로 핵무기를 만들기는 거의 불가능하며 이런 점들은 미래 에너지 공급원으로 세계가 요구하는 주된 요소들임
Thorium backed as a 'future fuel'

b. Bill Thesling 미국 클리블랜드 Energy from Thorium foundation CEO

- 가압경수로보다 더 안전한 특징을 가지고 있음: 토륨은 이미 용해되어 있기 때문에 용융될 수 없으므로 노심용융(melt down)개념이 적용될 수 없음
Ohio Group Holds Out Hope For Thorium Energy

c. 존 베딩턴 (John Beddington) 영국 국가과학기술자문위원회 위원장

- 토륨은 이론적으로 방사성 독성과 핵확산 위험이 줄고 지속가능성이 높은 장점
China blazes trail for 'clean' nuclear power from thorium

d. 클라우디오 텐네이로 성균관대 에너지학과 교수

- 핵폐기물 없는 토륨 원자로 개발
Needed: Nuclear Waste-Free Thorium Reactor

e. 국회 토륨원전 연구회 - 김한표 의원(새누리당, 거제)

- 안전한 토륨 원전으로 대체 주장
김한표 의원 "안전한 토륨 원전으로 대체해야"

f. 홍승우 성균관대 물리학과 교수

- 토륨 원전은 핵 확산성이 적고 사용 후 핵연료 문제를 해결할 수 있는 만큼 앞으로 지속적인 연구 필요

g. 채종서 성균관대 전자전기공학과 교수

- 토륨 원전에 필요한 가속기 일종인 사이클로트론이 이미 국내에서 사업화에 성공해 보급·운영되고 있고, 가속기에 대한 기술·인력·유지보수 능력을 이미 확보하고 있어 기술적으로는 문제가 없음.

h. 황일순 서울대 원자핵공학과 교수

- 토륨 원전용으로 개발된 ADS(가속기 구동 미임계로) 기술을 사용하면 사용 후 핵연료를 전량 중·저준위화 해 안전성과 국민수용성을 확보할 수 있음
'포스트 우라늄' 꿈꾸는 토륨 원전

i. 영국 허덜스필드 대학 Bob Cywinski 교수

- 우리는 원자력이 필요하다. 원자력은 기후변화에 대응하여 싸울 수 있고, 탄소배출량도 극소량이다.안전성과 전통적인 우라늄을 연료로한 원자로에서 발생되는 폐기물에 관한 불안감은 토륨을 사용함으로써 해결할 수 있다
Fight for thorium ? Professors attend Thorium Energy Conference

2) 세계 각국의 토륨 원전개발 현황

a. 중국 : 에너지 문제 및 환경(스모그) 문제 해결

- 장쩌민의 아들 장미안엥이 2011년 미국 저널에 실린 토륨 관련 글을 읽고, 토륨이 중국 에너지부족 및 국가 안보 문제 해결해주리라 확신. 미국 오크리지 연구소를 방문해 설계입수. 중국 학술원으로부터 프로젝트 자금3억5천만 불 수주. 140여 명 이상의 과학자들이 상하이 핵 및 응용물리 연구소에서 토륨 원자력 개발 중.
- 2014년 양회에서 스모그와의 전쟁선포를 통해 토륨 원자력 발전소 개발에 집중하기로 결정: 중국과학원은 이에 따라 세계 최초로 토륨용융염 기술을 이용한 산업용 원자로를 개발하기 위해 지난 1월 상하이(上海)에 첨단연구센터를 구축. 중국 정부는 당초 향후 25년에 걸쳐 토륨 원전을 개발한다는 계획이었으나 2014년 3월 스모그 문제 해결이 국가적 과제로 부각되면서 10년 이내인 오는 2024년까지 이 프로젝트를 완성하는 것으로 기간을 대폭 단축.
중국 "토륨 원전 2024년까지 개발하라"
중국 "2024년까지 토륨 원전 개발" 세계 선두 노린다

b. 인도 : 토륨 원자로 개발 리더. 세계 최초 토륨원자로 설계

- 토륨기반 세계 최초 원자로 설계 : 2014년2월 신형 중수로(Advanced heavy Water Reactor, AHWR)의 설계 및 프로토타입 제공.원자로 건설은 2016년에 착수될 계획인데, 토륨 원자로가 안전하기 때문에 인구밀집도시인 뭄바이가 가장 유력한 건설 부지로 꼽히고 있음. 인도 원자력 에너지 위원회 회장 시나박사는 토륨 원자로가 건설되면 향후 7~8년 내에 이를 이용해 전기 생산이 가능할 것으로 예상.
세계 최초의 토륨 원자로 설계준비 중인 인도
Design of world's first Thorium based nuclear reactor is ready
India’s New Prime Minister Briefed at BARC
- 새로 발간된 토륨에너지 레포트(ThoriumEnergyReport.org) 에 인도는 인도용융염 증식로(Indian Molten Salt Breeder Reactor: IMBSR)의 컨셉 설계를 위한 연구에 착수했다고 보고
Indian Molten Salt Breeder Reactor (IMSBR) Initiated

c. 노르웨이 : 2013년 토르 에너지

- 2012년 노르웨이의 민간기업인 Thor Energy가 정부와 Westinghouse와 협력하여 기존 원자로에서 토륨을 이용하는 4년간 실험 계획 발표
- 2013년 Aker Solutions는 루비아 박사로부터 양성자 가속기기반 토륨 원자력 발전소 설계 특허 구매.
Thor Energy - the Norwegian thorium initiative

d. 벨기에 : 원천기술 보유

- 벨기에원자력 리서치센터 SCK-CEN 은 유럽연합(EU)과 공동으로 2009년부터 기존 원자로에 선형가속기를 도입한 실험용 토륨 원전 ‘미라(MYRRHA)’ 설계
- SCK-CEN에 따르면, 2022년 건설을 시작해 다음해 시운전을 하고 2025년 가동을 목표로 하고 있음.
- MIRRHA는 유동적인 조사시설을 갖춰 가속기 방식(미임계)과 원자로방식(임계) 모두를 실험할 수 있음.
토륨원전 vs 우라늄 원전
MYRRHA accelerates towards reality

e. 미국

- 오크리지국립연구소 (Oak Ridge National Laboratory) 리서치를 되살리기 위해 2억5천만 달러 연방 리서치 펀드 사용
- 미국 에너지국은 오크리지국립연구소 등 산하 연구소와 함께 냉각재로 용융염을 사용하고 연료는 토륨을 사용하는 용융염 원자로 개발 중
- 중국과 용융염원자로 설계 공동연구
- 모듈 형태의 ThorCon Liquid 원자로 설계: 2015년 새로운 형태의 토륨 원전 설계. 저렴하고 안전하고 CO2 배출 없는 에너지 생산 가능. 2020년부터 에너지 생산 계획
- 빌게이츠가 후원하는 지식벤처 테라파워은 이동파원자로(traveling wave reactor)라 불리는 고속중성자로를 6년전부터 연구해오고 있으나 아직 프로토타입조차 없는 상태. 2015년 10월 오크리지 국립연구소 행사에서 테라파워는 현재 이동파원자로외 다른형태의 원자로 컨셉을 연구 조사중에 있으며 그것은 용융염 원자로 컨셉이라고 공식 발표.
Thorium-based nuclear power (wiki)
Ohio Group Holds Out Hope For Thorium Energy
Molten Salt Reactors (World Nuclear Association)
A Modular Thorium Reactor-ThorCon MSR
TerraPower’s Plan B is a Molten Salt Reactor

f. 일본

- 일본 국제 고등학술 연구위원회(JIAS)에서 용융염 원자로 연구 중
- EU와 미라(MYRRHA)’프로젝트 협력연구

g. 영국

- 새로운 형태의 원자력 발전소를 개발하고자 하는 국제 프로젝트에서 중요한 역할 수행.
- 캠브리지대학 연구팀 : 원자력 반응물리학 관점에서 접근. 에너지 변환율이 높으면서 가격이 저렴한 최고의 연료를 만들기 위한 노력
Researchers explore power of thorium for improved nuclear design

h. 네덜란드(유럽 컨소시움)

- SAMOFAR(Safety Assessment of the Molten Salt Fast Reactor) 프로젝트: 용융염 고속 원자로 안전성 사전평가 프로젝트
- 네덜란드 델프트공대(TU-Delft)가 유럽 토륨 용융염 프로젝트인 SAMOFAR 프로젝트를 2015년 8월까지 시작한다고 공식 발표
- SAMOFAR 프로젝트는 학계와 업계로부터 11개 파트너가 참여한 컨소시움
- 궁극적 목표는 진보된 실험기법 및 수치 기법을 이용해 용융염 고속원자로의 혁신적인 안전성 컨셉을 증명하고, 원자력 안전 및 최적의 폐기물관리에 관한 돌파구를 마련
- 기존 다른 모든 원자로처럼 핵확산에 민감한 핵분열 물질을 추가시키지 않고 저렴하고 풍부한 토룸에서 스스로 연료를 만들어내는 “자가 증식로” 용융염 원자로에 집중
SAMOFAR
- SAMOFAR에서는 기존 경수로보다 효율적이고 방사성 폐기물로부터 핵분열성 물질을 만들어낼 수 있는 고속로(fast reactors)에 집중
- 핵전문가들은 향후 몇년안에 실제 사용가능한 원자로까지는 아니라도, 냉각 마개 형태와 원자로 용기 코팅 및 배관 재료, 순환 및 배수 상태에서 액체연료 움직임 및 핵심 안전 수치 등 을 실험 할 수 있는 시설을 만들 수 있을것으로 전망
Meltdown-Proof Nuclear Reactors Get a Safety Check in Europe

i. 국제협력 단체

- 국제토륨에너지협회(IThEO)가 설립되었으며 전 세계적으로 토륨에 대한 연구와 홍보에 노력 중.
IThEO
- 토륨에너지협회(ThorEA)를 통해 여러 국가와 협력 개발 중
ThorEA
- 토륨에너지 연대 (Thorium Energy Alliance)
What Is Thorium?

j. 기타

- 2013년 빌게이츠와 박근혜 대통령은 에너지 혁신에 대해 대화를 나눴으며, 빌게이츠는 국민안전에 대한 우려, 핵폐기물, 오작동 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 차세대 원자로 개발에 한국의 관심을 요청
Bill Gates praises president's creative economy vision


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