중국 사막 위 토륨 원자로 첫 성공

우라늄 안 쓴다, 중국 사막 위 토륨 원자로 첫 성공 [출처:중앙일보] https://www.joongang.co.kr/article/25379314

 

2025.11.04 기사의 내용이다. 핵분열에너지하면 우린 우라늄은 알고 있지만 토륨은 생소하다. 

그럼 대체 토륨은 무엇이고 토륨을 사용하면 이점은 무엇인지 알아보자

토륨은 원자기호(Th)이다. 악티늄족 원소의 일종으로, 원자번호는 90이다. 납과 비슷하게 무른 금속이다.

1815년 노르웨이에서 스웨덴 과학자 베르셀리우스가 발견했다. 1917년에 북유럽 신화의 천둥신 토르(Thor)의 이름을 따 명명되었다.

 

 

토륨 원자로는 기존 원자력 발전에서 사용하는 우라늄-235 대신 자연계에 더 풍부하게 존재한다. 중국이 토륨에 주목한 이유는 바로 희토류 광석 정제과정에서 다량의 토륨이 검출되기 때문이다. 

희토류 광석은 자연적으로 토륨과 우라늄을 함유하고 있으며, 정제 공정을 거치면서 이들이 농축된 부산물이 발생한다. 중국 바오터우(Baotou) 지역의 희토류 정광(Concentrate)에는 약 0.18% ~ 0.3%의 이산화토륨(ThO₂)이 포함되어 있다. 정제 과정에서 사용된 토륨의 약 96%~98%가 고체 폐기물(슬러지)로 남으며, 0.6%~2.0%는 액체 폐수, 0.1%~0.5%는 가스 형태로 배출된다.

쉽게 희토류 광석 1톤을 정제하면 1kg의 정제된 희토류 금속을 얻을 수 있다. 여기서 5kg정도의 토륨이 검출되기에 희토류 정제과정에서의 방사능 피폭(오염)문제는 국제적인 문제로 대부분의 나라에서 희토류 정제를 포기하는 이유이다.

토륨 원자로는 토륨(Thorium-232)을 연료로 사용하는 차세대 원자로이다. 

1. 주요 작동 원리

토륨 자체는 자연 상태에서 핵분열을 일으키지 못하는 '연료 친화적(fertile)' 물질이다. 따라서 우라늄이나 플루토늄 같은 기폭제(driver)와 함께 원자로에 넣어 중성자를 흡수시키면, 토륨이 우라늄-233으로 변환되어 핵분열을 일으키며 에너지를 발생시킨다. 

2. 주요 장점

• 풍부한 자원: 토륨은 지구상에 우라늄보다 약 3~4배 더 많이 매장되어 있어 에너지 안보 측면에서 유리하다.
• 방사성 폐기물 감소: 우라늄의 경우 반감기가 수만 년 단위, 토륨의 경우 1/1000인 수백 년 단위

• 반감기(Half-life)란 특정 물질의 양이나 농도가 원래 양의 절반(1/2)으로 줄어드는 데 걸리는 시간을 의미한다. 즉 우라늄의 경우 인체에 영향이 미치지 않을 정도로 희석되기 위해선 수십만 년의 시간이 필요하지만 토륨은 1/1000인 수백 년 단위의 시간 경과 후 폐기물을 폐기할 수 있다.

• 높은 안전성: 주로 용융염 원자로(MSR) 방식으로 설계되는데, 이는 고온 액체 소금에 연료를 녹여 사용하므로 상압에서 운전이 가능해 폭발 위험이 낮고 비상 시 연료가 스스로 굳어 사고 확산을 막는다.

• 이는 정확히는 토륨 원자로의 장점이 아닌 3차 원자로의 장점이다. 핵분열 반응시 내부온도는 약 900'C이다. 끓는점이 100'C인 물은 더 이상 냉각수로써의 효용성이 떨어지니 냉각수의 대체물질로 용융염(고체소금)을 이용하는 것으로 용융염의 기화점은 1400'C이기에 원자로의 외부충격시으로 내부 전기공급 중지 등의 비상상황이 발생하여도 연료의 연쇄반응이 일어난다 해도 용융염 자체가 고체화되면서 연료의 반응성을 줄여버리게 된다. 
• 또 다른 이점은 냉각수를 더이상 사용하지 않으므로 바다에 인접할 이유가 사라진다. 그리고 중국의 희토류 광산들은 서부 사막지대에 위치해 있다. 그래서 용융염을 냉각대체제로 사용하는 토륨 원자로는 희토류 정제과정의 토륨을 원료로 사용하고 토륨 발생지인 희토류 광산 바로 옆 사막지역에 건설을 추진하는 것이 가능하다.

• 핵무기 전용 방지: 토륨 원자로에서 생성되는 우라늄-233은 무기화하기가 매우 어렵고 복잡하여 핵 확산 방지에 유리하다.

• 핵분열 발전에서 우라늄235는 우라늄 238로 변화한다. 우라늄의 농도가 높아지면 연쇄반응을 통해 최종산물인 플루토늄으로 최종 변화하게 된다. 이때 플루토늄을 재처리하여 농축하게되면 핵폭탄이 된다.( 자칫 핵확산 금지조약의 견제를 받을 수 있기에 고농축 연료봉을 사용할 수 없다.)
• 우라늄을 이용한 핵분열 발전은 핵연료봉의 우라늄 농축도가 매우 낮기에 5~10년에 한 번씩 연료봉을 교체해주어야 한다. 그러나 토륨의 경우 핵분열과정에서 플루토늄이 쌓이지 않기 때문에 고농축 토륨 연료봉을 사용 가능하다. 

3. 개발 현황 (2026년 기준)

• 중국: 간쑤성 고비 사막에 건설한 세계 최초의 토륨 용융염 실험 원자로에서 토륨을 핵연료로 전환하는 실험에 성공했으며, 2030년 상용화를 목표로 기술 개발을 선도하고 있다.
• 인도: 자국 내 막대한 토륨 매장량을 활용하기 위해 '3단계 원자력 프로그램'을 통해 토륨 기반의 중수로(AHWR)를 개발 중이다.
• 기타 국가: 덴마크의 코펜하겐 아토믹스(Copenhagen Atomics)는 2026년 가동을 목표로 1MW급 토륨 용융염 시험 원자로를 개발하고 있다.

사실 미국은 과거 1960년대 오크리지 국립연구소(ORNL)에서 세계 최초로 토륨 기반 용융염 원자로(MSRE) 실험에 성공했으나, 정책적 이유(용융염인 소금의 내부부식 문제 등)로 개발을 중단한 바 있다.

 

2026년 현재 토륨 발전은 4세대 원자로 기술의 핵심으로 꼽히며, 중국의 성공적인 실험 결과에 따라 타 국가들의 투자와 관심이 다시 높아지는 추세입니다. 다만 본격적인 대규모 전력망 편입은 중국의 2030년 상업 가동 성패에 따라 결정될 것으로 보인다.

 

알아야 할 사실은 중국식 밀어붙이기 시험 기술 도입 정책으로 말미암아 중국은 자체 개발한 3세대 원자로 '화룽 1호(Hualong One)'를 중심으로 원전 기술 국산화와 대규모 확장에 성공하며 세계 원자력 시장의 선두로 부상하고 있다.

 

오늘날 과학계에선 차세대 기술 돌파구는 계획단계에서 멈추는 것이 아닌 시운전 단계에 진입하는 것이다. 세계 최초의 상업용 소형 모듈형 원자로(SMR) 도입을 중국이 해냈으며 2025년 11월, 중국은 간쑤 성 고비 사막에 건설한 실험용 토륨 용융염 원자로에서 세계 최초로 토륨을 우라늄 핵연료로 전환하는 실험에 성공했다. 이는 냉각수가 필요 없는 원자로 기술로, 물이 부족한 내륙 지역에서도 원전 건설이 가능한 혁신적 기술이다.

 

물론 중국의 말을 다 믿을 수 있는 것은 아니다. 그러나 때론 중국을 통해서도 배울 수 있는 것은 있고 한국도 필요하다면 중국에 대한 편견을 버리고 배워야 할 것은 배워야 한다.