中, 토륨→우라늄 전환 성공…"거의 무한 원자력 에너지 공급 가능"

중국과학원 산하 상하이 응용물리학연구소가 고비 사막에서 개발한 실험용 원자로는 토륨에서 우라늄 연료로의 전환을 달성해 거의 끝없는 원자력 에너지 공급을 위한 길을 열었다고 4일(현지시각) 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 보도했다.

이 성과로 2메가와트(MW) 액체 연료 토륨 기반 용융염 원자로(TMSR)는 토륨 연료를 성공적으로 적재하고 사용한 세계 유일의 기술 운영 사례가 됐다.

아카데미에 따르면 이 실험은 용융염 원자로 시스템에서 토륨 자원을 사용하는 기술적 타당성에 대한 초기 증거를 제공했으며 기술의 큰 도약을 나타낸다.

과학기술일보 보도에 따르면 과학자들이 용융염 원자로 내부에서 토륨 작동에 대한 실험 데이터를 얻을 수 있었던 것은 세계 최초의 사례다.
3일 발표된 이 기사는 깨끗하고 지속 가능한 원자력 에너지의 미래를 재편할 준비가 되어 있는 혁신인 TMSR 기술 개발의 성공을 중국이 처음으로 공식적으로 확인한 것이다.

상하이 응용 물리학 연구소 공산당 서기 겸 부소장 리칭누안은 신문에 "2023년 10월 11일 첫 임계를 달성한 이후 토륨 용융염 원자로는 핵분열을 통해 꾸준히 열을 발생시키고 있다"고 말했다.

토륨은 우라늄보다 훨씬 더 풍부하고 접근하기 쉬우며 엄청난 에너지 잠재력을 가지고 있다. 내몽골의 한 광산 광미 현장은 1000년 이상 중국에 전력을 공급할 수 있을 만큼 충분한 원소를 보유하고 있는 것으로 추정된다.

이 돌파구의 중심에는 자연적으로 발생하는 토륨-232를 핵연쇄 반응을 유지할 수 있는 핵분열성 동위원소인 우라늄-233으로 변환하는 코어 내 토륨-우라늄 전환으로 알려진 과정이 있다.

이러한 변형은 정확한 일련의 핵 반응을 통해 발생한다. 토륨-232는 중성자를 흡수해 토륨-233이 되고, 토륨-233은 프로탁티늄-233으로 붕괴한 다음 강력한 핵연료인 최종 생성물로 더 붕괴된다.
결정적으로 전체 공정은 원자로 코어 내부에서 이루어지며, 외부 연료 제조가 필요하지 않다.

토륨은 불소염에 용해되어 연료와 냉각수 역할을 하는 고온 용융 혼합물로 만들어진다. 농축 우라늄-235 또는 플루토늄-239 같은 핵분열성 물질의 작은 초기 전하에서 나온 중성자는 연쇄 반응을 시작한다.

작업 전반에 걸쳐 토륨-232는 지속적으로 중성자를 포획하고 우라늄-233으로 변환한 다음 핵분열을 통해 에너지를 방출해 이 기술의 결정적인 장점 중 하나인 자립적인 "번식 중 연소" 주기를 생성한다.

압력 용기를 열고 고체 연료봉을 교체하기 위해 주기적으로 차단해야 하는 기존의 가압수형 원자로와 달리 TMSR의 액체 연료는 지속적으로 순환해 작업을 중단하지 않고 즉석에서 급유할 수 있다.

리는 "이 설계는 연료 활용도를 획기적으로 향상시킬 뿐만 아니라 수명이 긴 방사성 폐기물의 양을 크게 줄인다"고 말했다.

TMSR의 또 다른 장점은 물이 전혀 필요하지 않다는 점인데, 이는 대규모 냉각 요구 사항으로 인해 일반적으로 해안선 근처에 건설되는 기존 원자력 발전소와는 극명한 대조를 이룬다.

보고서에 따르면 염은 대기압과 극한의 온도에서 열을 효율적으로 전달하기 때문에 이 기술은 내륙 깊숙한 곳, 심지어 대형 선박 같은 이동식 플랫폼에서도 안전하고 효율적인 원자력 발전소의 문을 열고 있다.

중국과학원은 지속 가능한 에너지 및 탄소 감축에 대한 국가 목표를 달성하기 위한 전략적 우선 연구 프로그램으로 2011년 TMSR 원자력 시스템을 출범시켰다.

거의 15년의 연구 개발 끝에 전 상하이 연구소 소장 쉬홍제가 이끄는 팀은 중국의 첨단 원자력 산업 체인을 위한 견고한 과학 및 산업 기반을 구축하기 위해 만만치 않은 도전을 극복했다.

2024년 6월 17일 TMSR이 최대 전력 작동을 달성하면서 또 다른 이정표에 도달했다. 몇 달 후인 10월, 팀은 용융염 원자로에 토륨을 첨가하는 세계 최초의 실험을 수행했다.

개발자에 따르면 4세대 첨단 원자로인 토륨 용융염 원자로는 고유한 안전 기능을 자랑한다.

이 시스템은 대기압에서 작동해 고압 폭발의 위험을 제거한다. 완전한 방사선 차폐로 지하에 지어졌으며 화학적으로 안정적인 용융염은 방사성 물질을 효과적으로 가둘 수 있다.

아카데미에 따르면 TMSR 기술을 위한 완전한 산업 생태계가 중국에서 형성되고 있으며 거의 100개의 연구 기관이 원자로 설계, 재료 과학 및 기타 주요 과제에 대해 협력하고 있다.

실험용 원자로의 모든 핵심 구성 요소는 100% 국내에서 생산되어 완전한 공급망 자율성과 기술적 자립을 보장한다고 아카데미는 말했다.

최신 공식 일정에 따르면 중국은 2035년경까지 대규모 상업 배치를 위한 기술의 실행 가능성을 입증하는 것을 목표로 고비 사막에 100MW 시범 원자로를 건설하고 있다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com