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 볼수 있으나 실용적으로는 토륨을 핵연료로 이용하는 원자로로 취급받고 있다.
2 설명
열증식로의 경우 장점으로는
- 비교적 매장량이 풍부하고 값싼 토륨을 연료로 이용해서 연료값이 싸다.
- 자발적으로는 핵분열 연쇄반응이 지속되지 않으므로 상대적으로 안전하다.
- 현재의 일반적 중수로 기술과 비슷해서 원자로를 약간만 개량하면 써먹을 수 있다.
- 원자로의 규모를 현재의 1/10 이하의 소형원자로도 경제성있게 만들 수 있다.
- 플로토늄 등을 사용하지 않으므로 핵무기 확산 걱정이 적다.
단점으로는
- 우라늄에 비해서 증식 정도가 작다는 것과
- 자발적으로 핵분열을 하지 않으므로 초반에 우라늄 등 이 필요하다는 것
인도에서 주로 연구하고 있는데 인도는 토륨은 세계에서 손 꼽히는 양을 갖고 있는데 비해 우라늄이 적어서 이걸 가지고 노는 방법을 연구하고 있다. 열화우라늄이 중성자를 먹고 Pu-239가 되는 것처럼, 토륨은 중성자를 먹고 U-233이 된다. 이 U-233도 핵분열성 물질이나, 우라늄 광석엔 그냥 없다쳐도 될 정도로 비율이 낮기 때문에 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. 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.
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[1]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. 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 그놈의 돈이 문제가 되고 있다. 거기다가 세우는 장소가 일본(...) 망했어요
만약 이놈이 상용화 된다면 지금과 같이 거대 원자력 발전소가 아니라 소형 원자력 발전소가 많이 건설되는 모습을 볼 수 있겠다. 또한 분열 생성물도 태울 수 있지만 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.
그러나 용융염 원자로의 경우에는 불산염을 쓰기 때문에 매우 위험한 물질을 생성한다. 물론 고속증식로의 액체 나트륨과 달리 공기와 만난다고 폭발하지는 않지만 공기 중의 수분과 만나게 되면 플루오린화수소가 생성된다. 이 물질은 유리와 금속을 녹이고 피부에 닿을 시 뼈까지 침투하여 뼈를 약하게 만들어 절단까지 할 수 있다. 게다가 체내에 20년 정도 체류할 정도로 오래 남는다. 어떤 의미에서는 폭발하는 것보다 더 무서운 현상이므로 용융염 원자로도 고속증식로만큼은 아니지만 위험성이 크게 존재한다.
사실 열증식로는 CANDU 같은 중수로를 약간만 수정하거나 그대로 쓰면 된다(...) 아니 진짜다! 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[2]도 장전해 넣어 연료로 쓸 수 있다. 본격 만능 쓰레기통!!! 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. 근데 CANDU를 쓰면 핵확산 문제 때문에 전세계의 눈총을 받는다 그래도 사용후핵연료를 재처리맡겨서 플루토늄만들어 쌓아 두는 놈들보다야 낫다
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. 2010년대 들어 다시 활발하게 토륨로 연구붐이 일고 있어서 기술발전에 따라 얼마든지 우라늄 경수로와 경쟁할 가능성이 충분히 있고 보험 차원에서라도 국내연구가 필요하다. 국산화해서 팔게 됐다고 좌우 안 보고 하나만 밀다가는, 일본 반도체산업꼴이 날 수 있으니까.