토륨(Th)이란 무엇인지, 왜 차세대 원자력 원료로 각광받는지, 그 기술적 구조와 장점, 단점, 실제 개발 동향

토륨(Th)이란 무엇인지, 왜 차세대 원자력 원료로 각광받는지, 그 기술적 구조와 장점, 단점, 실제 개발 동향

에너지 위기와 탄소중립 시대를 맞이하여 전 세계는 원자력 에너지의 잠재력을 재조명하고 있습니다. 그 중심에 토륨(Thorium, 기호 Th)이 있습니다. 우라늄 기반의 기존 원자력 시스템이 갖고 있는 핵확산 위험성과 고준위 폐기물 문제를 해결할 수 있는 대안으로서 토륨은 다시금 과학자들과 정책결정자들의 관심을 받고 있습니다.

이번 글에서는 토륨이란 무엇인지, 왜 차세대 원자력 원료로 각광받는지, 그 기술적 구조와 장점, 단점, 실제 개발 동향까지 자세히 살펴보겠습니다.

1. 토륨이란 무엇인가?

토륨은 원자번호 90번의 악티늄족 방사성 금속 원소로, 1828년 스웨덴의 화학자 예스베르 베르셀리우스에 의해 발견되었습니다. 북유럽 신화에 등장하는 천둥의 신 "토르(Thor)"에서 이름을 따왔습니다.

• 원자번호: 90
• 기호: Th
• 주요 동위원소: Th-232 (거의 100%)
• 반감기: 약 141억 년 (사실상 안정)
• 방사성: 약하지만 자연계 존재량이 풍부

토륨은 자연에서 일반적인 우라늄보다 약 3~4배 더 풍부하게 존재하며, 전 세계적으로 고르게 분포되어 있어 에너지 주권 확보 측면에서도 유리한 원소입니다.

2. 토륨 원자로의 작동 원리

토륨은 스스로 핵분열을 일으킬 수는 없지만, 중성자를 흡수하면 핵분열성 물질인 우라늄-233(U-233)으로 변환됩니다. 이 과정을 통해 에너지 생성이 가능한 연료주기를 갖게 됩니다.

Th-232 + n → Th-233 → Pa-233 → U-233 (핵분열 가능)

즉, 토륨 기반 원자로는 일종의 변환형(recyclable) 원자로로 분류됩니다. U-233은 우라늄-235처럼 안정적으로 핵분열 연쇄 반응을 유지할 수 있습니다.

이러한 반응은 기존의 경수로와는 다르게 고온가스로(HTGR), 용융염원자로(MSR) 등의 차세대 고온 고효율 시스템에서 보다 적합하게 활용됩니다.

3. 토륨 기반 원자력의 장점

토륨 원자로가 주목받는 이유는 단지 자원이 풍부하기 때문만은 아닙니다. 다양한 기술적·정책적 장점들이 다음과 같이 정리됩니다:

① 핵확산 저항성

토륨 연료 사이클에서 생성되는 U-233은 소량의 U-232를 동반하며, 이 동위원소는 강한 감마선을 방출해 핵무기 제조를 어렵게 합니다.

② 고준위 폐기물 감소

토륨은 플루토늄 등 초우라늄 원소의 생성을 억제하여 장기 방사성 폐기물의 양과 독성을 현저히 줄이는 효과가 있습니다.

③ 연료 효율성

토륨 연료는 기존 우라늄 대비 핵분열 생성물 대비 에너지 출력이 높아 효율적인 연료 사용이 가능합니다.

④ 고온 운전 가능성

용융염원자로나 고온가스로 등과 결합할 경우 고온 증기 발생이 가능하여 수소 생산, 해수 담수화 등 다양한 산업적 부가가치를 기대할 수 있습니다.

4. 단점과 도전 과제

토륨 원자로가 꿈의 기술인 것은 맞지만, 상용화까지는 다음과 같은 여러 도전 과제가 존재합니다:

• U-233 생성과정에서의 Pa-233 관리의 복잡성
• 국제 표준화된 설계와 연료주기 기술 미비
• 현재 기술이 우라늄 기반에 집중된 산업 인프라와의 충돌
• 안정적인 중성자원 공급이 필요 (초기 기동 시 U-235 또는 Pu-239 활용)

결국 토륨은 기술적으로 우수하더라도, 정책적·경제적 뒷받침 없이는 상용화에 어려움을 겪을 수 있습니다.

5. 전 세계의 토륨 원자로 개발 동향

전 세계는 토륨을 차세대 원자력 대안으로 바라보며 다양한 실험과 시범 사업을 진행 중입니다:

• 인도: 세계 최대 토륨 매장국, 3단계 원자력 개발 전략의 중심축
• 중국: 간쑤성에서 용융염 토륨 원자로(MSR) 실증로 건설 중
• 노르웨이: 기존 경수로에서 토륨 기반 연료 테스트 진행
• 미국: 민간기업 주도형 SMR + 토륨 연료 사이클 연구 확산

특히 MSR 기술과 토륨 연료의 결합은 고온 안정성, 자기 안정적 운영, 방사성 폐기물 감소 등의 장점을 결합한 형태로 주목받고 있습니다.

✅ 결론: 토륨은 미래를 향한 원자력의 새로운 선택지

우라늄이 과거와 현재를 대표했다면, 토륨은 원자력의 미래를 대표할 수 있는 대체 에너지 원소입니다. 풍부한 매장량, 높은 안전성, 폐기물 저감 효과 등 다양한 이점 덕분에 차세대 원자력 개발에 있어 핵심 축으로 자리잡고 있습니다.

물론 극복해야 할 기술적 장벽과 인프라 전환의 어려움도 분명 존재하지만, 세계 각국이 장기적인 관점에서 에너지 안보와 지속 가능성을 고려할 때, 토륨은 결코 무시할 수 없는 선택지입니다.

👉 토륨은 핵확산 저항성이 높고 폐기물 발생이 적은 차세대 핵연료입니다.
👉 MSR, 고속로, SMR 등 차세대 원자로 기술과 결합 시 혁신적 가능성을 갖습니다.
👉 에너지 자립과 탄소중립을 위한 전략자산으로 전 세계의 주목을 받고 있습니다.