토륨의 힘으로 미래를 밝히다! 🌈 액체 불화 토륨 원자로(LFTR), 우리가 주목해야 할 차세대 에너지 솔루션 🚀

토륨을 이용한 차세대 원자로, 액체 불화 토륨 원자로(LFTR)란? 😮

액체 불화 토륨 원자로(LFTR) 개요

액체 불화 토륨 원자로(LFTR, 종종 '리프터'라고 발음)는 용융염 원자로의 한 종류로, 토륨 연료 주기와 불화물 기반의 용융(액체) 염을 연료로 사용한다. 전형적인 설계에서, 이 액체는 비판 핵심과 외부 열교환기 사이를 펌핑되어, 여기서 비방사성 이차 염으로 열을 전달한다. 그런 다음 이 이차 염은 열을 증기 터빈이나 폐쇄 회로 가스 터눈에 전달한다.

용융염 연료를 사용하는 원자로

용융염 연료 원자로(MSR)는 핵연료를 용융 염에 혼합하여 공급한다. 이는 용융 염을 냉각 목적으로만 사용하고 여전히 고체 연료를 사용하는 설계와는 다르다. 용융 염 원자로는 플루오라이드 또는 클로라이드 염 기반의 연료를 사용하고 다양한 가속 물질이나 비옥 물질을 사용하는 연소기와 증식기를 모두 포함한다. LFTR은 플루오라이드 연료 염의 사용과 열 중성자 스펙트럼에서 토륨을 우라늄-233으로 증식시키는 특징으로 정의된다.

LFTR의 역사와 최근 관심

LFTR 개념은 1960년대 오크 리지 국립 연구소의 용융염 원자로 실험에서 처음 조사되었으며, 최근 전 세계적으로 다시 관심을 받고 있다. 일본, 중국, 영국, 미국의 사기업, 체코, 캐나다, 호주의 회사들이 이 기술의 개발과 상용화에 관심을 표명했다.

LFTR의 독특한 특징

LFTR은 여러 면에서 다른 전력 원자로와 차별화된다. 토륨을 우라늄으로 전환하여 사용하며, 펌핑을 통해 가동 중단 없이 연료를 보충할 수 있다. 액체 염 냉각제는 운영 온도를 높이고 1차 냉각 루프에서의 압력을 대폭 낮출 수 있게 한다. 이러한 독특한 특성은 많은 잠재적 이점을 제공하지만, 동시에 설계상의 도전과제도 제시한다.

 

 

 

핵에너지의 미래, 토륨과 몰튼 솔트 리액터의 가능성 🌟

토륨의 특성과 핵연료로서의 가치

토륨은 지구의 지각에서 상대적으로 풍부하게 발견되며, 핵분열 발견 이후 식별된 세 가지 주요 핵연료 중 하나로 자리 잡았다. 이들 중 우라늄-235는 자연 상태에서 바로 사용할 수 있는 유일한 핵연료이며, 플루토늄-239와 우라늄-233은 각각 우라늄-238과 토륨-232에서 생성될 수 있다. 특히 토륨-232는 우라늄보다 지구에서 약 네 배 더 많은 양으로 발견되며, 우라늄-233으로 변환될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

용융염 원자로(MSR)의 역사와 개발

알빈 M. 와인버그는 오크 리지 국립 연구소에서 몰튼 솔트 리액터(MSR) 사용을 선도했다. 이곳에서는 두 개의 프로토타입 MSR이 성공적으로 설계, 구축, 운영되었으며, 이는 항공기 리액터 실험(ARE)과 몰튼-솔트 리액터 실험(MSRE)이다. MSRE는 특히 우라늄-233과 우라늄-235를 사용하여 실험적으로 연료를 공급하는 것을 시연하였다. 그러나 1970년대 초 와인버그가 해임되면서 MSR 프로그램은 폐쇄되었고, 이후 미국 내에서의 연구가 정체되었다.

핵연료의 증식 기초

핵원자로에서는 두 종류의 연료가 사용된다: 분열성 핵연료와 비옥한 핵연료. 분열성 핵연료는 중성자에 의해 쪼개질 때 큰 에너지를 방출하고, 비옥한 핵연료는 중성자를 흡수한 후 두 번의 베타 붕괴를 거쳐 분열성 핵연료로 변환된다. 이 과정을 '증식'이라고 한다. 대부분의 현대 핵원자로는 충분한 신규 연료를 증식시키지 못하지만, 증식 원자로는 사용된 만큼의 새로운 연료를 생성하여 무한히 운영될 수 있다.

토륨을 사용한 증식과 몰튼 솔트 리액터의 잠재력

토륨을 사용한 증은 열적 핵원자로에서도 가능하다는 것이 증명되었다. 토륨은 우라늄-플루토늄 연료 주기에 비해 훨씬 더 많은 양의 핵연료를 생성할 수 있으며, 이는 토륨이 핵에너지의 미래에 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다. 특히, MSR은 토륨을 사용하여 고도로 효율적이고 안전한 핵에너지 생산 방법을 제공하는 잠재력을 가지고 있다.

 

 

원자로 주 시스템 디자인의 변종들, 어떤 게 더 나을까? 🤔

단일 유체와 이중 유체: 몰튼 솔트 브리더 원자로의 두 가지 설계

오크 리지 국립 연구소는 액체 연료를 사용하는 몰튼 솔트 브리더 원자로(MSBR)에 대해 "단일 유체"와 "이중 유체" 설계를 탐구했습니다. 이 두 설계는 각각 고유의 장단점을 가지고 있으며, 토륨 연료 사이클을 활용하는 방식에 따라 달라집니다.

단일 유체 설계

단일 유체 설계는 토륨과 우라늄이 포함된 불화염소 염으로 채워진 대형 원자로 용기를 특징으로 합니다. 염 속에 잠긴 흑연 막대는 중성자를 조절하고 염의 흐름을 안내하는 역할을 합니다. 이 설계에서는 원자 코어의 가장자리 근처에 흑연의 양을 줄여 토륨에 의한 중성자 포획을 증가시키는 방식으로, 중성자 누출을 줄이고 있습니다. 그러나, 단일 유체 디자인은 증식을 허용할 만큼 상당한 크기가 필요합니다.

 

이중 유체 설계

이중 유체 설계는 기계적으로 더 복잡하며, 고중성자밀도 코어에서 우라늄-233을 연소시킵니다. 별도의 토륨 염 담요는 중성자를 흡수하고 토륨을 프로트악티늄-233으로 천천히 변환시킵니다. 이렇게 생산된 우라늄-233은 추가적인 불소를 주입하여 우라늄 헥사플루오라이드 가스로 변환시킨 후 회수할 수 있습니다. 이중 유체 설계의 장점은 연료 처리가 단순하고, 사용 가능한 중성자의 효율적 사용으로 더 높은 증 비율을 달성할 수 있다는 것입니다.

 

하이브리드 "1.5 유체" 원자로

"하이브리드 1.5 유체" 원자로는 단일 유체와 이중 유체 원자로의 장점을 결합한 설계입니다. 이 설계는 연료 솔트에 토륨을 포함시키지만, 코어로부터 누출된 중성자를 흡수하는 별도의 효과적인 담요를 사용할 수 있습니다. 이는 물리적 장벽을 사용하여 두 유체를 분리하는 복잡성을 줄이면서도, 토륨을 처리하는 복잡성은 증가시킵니다.

각각의 설계는 고유의 장단점을 가지며, 구체적인 용도와 요구 사항에 따라 최적의 선택이 달라질 수 있습니다.

 

 

첨단 원자로와 발전 사이클의 효율성 비교 분석 🌟

LFTR 기술과 그 효율성

LFTR(Liquid Fluoride Thorium Reactor)은 700도 섭씨의 높은 운영 온도를 가지며, 이를 통해 열에서 전기로의 변환에서 45%의 열효율을 달성할 수 있습니다. 이는 현재의 경수로(LWRs)가 보여주는 32-36%의 효율성보다 훨씬 높은 수치입니다. LFTR에서 발생하는 고온의 집중된 열에너지는 전기로 변환하는 과정에서의 효율 손실 없이 아모니아 생산이나 수소 생산 같은 다양한 산업 공정에 고급 공정 열로 사용될 수 있습니다.

Rankine 사이클의 역할

Rankine 사이클은 가장 기본적인 열역학 파워 사이클로, 증기 발생기, 터빈, 응축기, 그리고 펌프로 구성됩니다. 이 사이클에서는 보통 물이 작동 유체로 사용됩니다. LFTR에 결합된 Rankine 파워 변환 시스템은 증기의 온도를 높여 열효율을 개선할 수 있습니다. 현재 상업 발전소에서는 상대적으로 낮은 온도와 압력을 사용하는 Rankine 증기 사이클이 사용되고 있으며, 최신 발전소에서는 더 높은 온도와 압력을 사용하는 초임계 Rankine 증기 사이클이 활용되고 있습니다.

Brayton 사이클의 혁신

Brayton 사이클 발전기는 Rankine 사이클에 비해 훨씬 작은 설치 공간을 요구하며, 비용이 낮고 열효율이 높지만, 더 높은 운영 온도를 필요로 합니다. 이는 LFTR과 같은 고온을 요구하는 시스템에 특히 적합합니다. 작동 가스로는 헬륨, 질소, 이산화탄소가 사용될 수 있으며, 낮은 압력의 따뜻한 가스는 주변의 냉각기에서 냉각됩니다. 고압의 작동 가스는 터빈에서 확장되어 전력을 생산합니다. 터빈과 압축기는 종종 단일 축을 통해 기계적으로 연결됩니다. Brayton 사이클은 Rankine 사이클에 비해 발전기의 설치 면적이 작으며, 낮은 압력에서 더 넓은 직경의 배관을 사용할 수 있습니다. 2009년 이스라엘 아라바 사막에서는 세계 최초의 상업용 Brayton 사이클 태양광 모듈(100kW)이 구축되어 시연되었습니다.

 

 

토륨 원자로에서 핵분열 생성물 제거의 중요성과 방법 요약 🌟

핵분열 생성물 제거의 필요성

토륨 연료 주기를 사용하는 액체연료 원자로(LFTR)는 핵분열 생성물을 연료로부터 분리해내야 하는 중요한 과제가 있습니다. 이러한 핵분열 생성물이 원자로 내에 남아있으면 중성자를 흡수해 원자로의 효율을 떨어뜨리게 됩니다. 특히 토륨 연료 주기는 사용 가능한 여분의 중성자가 적고, 중성자 흡수가 강한 열 중성자 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 이 문제는 더욱 중요합니다.

핵분열 생성물 제거 방법

LFTR의 핵분열 생성물 제거 방법은 고체 연료 재처리 과정과 유사하게, 화학적 혹은 물리적 방법을 통해 가치 있는 핵분열 연료를 폐기물로부터 분리합니다. 이 과정에서 재사용 가능한 토륨이나 U-238과 같은 비옥한 연료와 기타 연료 구성요소도 새로운 연료로 재사용될 수 있습니다. 연속적으로 진행되는 현장 처리 과정을 통해 소량의 소금이 매일 정화되어 원자로로 돌아갑니다.

특별한 분리 기술

LFTR에는 고온에서 직접 액체염을 처리하는 열화학 공정(pyroprocessing)이 사용됩니다. 이 방법은 방사성 용매를 사용하지 않으며, 붕괴열로 인해 방해받지 않는 장점이 있습니다. 또한, 특정 고수요 동위원소를 개별적으로 분리할 수 있는 잠재적 이점을 제공하여, 의료, 농업, 산업 분야에서의 활용 가능성을 엽니다.

기타 제거 공정

• 귀금속류는 미세한 금속 입자 형태로 걸러내거나, 가스 형태로 쉽게 제거됩니다. 예를 들어, Xe와 Kr 같은 기체는 헬륨을 사용한 스파지 공정으로 쉽게 분리됩니다.
• 염 혼합물을 정화하기 위한 여러 화학 분리 방법이 제안되었으며, 이 중 일부는 실험실 단계에서 테스트되었습니다. 특히, 고온 진공 증류와 불화물의 휘발성을 이용한 방법이 연구되었습니다.

추가적인 분리 고려사항

• 프로텍티늄-233의 분리는 선택적 과정이며, 핵확산 문제를 피하기 위해 최신 설계에서는 종종 배제됩니다.
• 토륨, 플루토늄, 란타나이드(희토류 원소)가 화학적으로 유사하므로, 이들의 분리는 더 복잡한 과정을 요구합니다.

요약

LFTR에서 핵분열 생성물의 제거는 원자로 효율성을 유지하기 위해 필수적이며, 다양한 고급 기술이 이 과정에 적용됩니다. 이러한 기술은 연료의 재사용 가능성을 높이고, 특정 동위원소의 분리를 통해 다양한 산업 분야에서의 활용 가치를 증대시킬 수 있습니다.

 

 

 

안전하고 효율적인 차세대 에너지, 토륨 기반 용융염 원자로의 장점들 🔋

안전성

• 내재된 안전성: 용융염 원자로(LFTR)는 강한 음의 온도 계수를 이용하여 반응성 증가에 대한 내재된 안전성을 제공한다. 과열 시 토륨이 더 많은 중성자를 흡수하는 도플러 효과, 그래핀 조절재의 가열, 연료의 열 팽창 등 3가지 원리에 의해 작동한다.
• 안정적인 냉각제: 높은 온도와 방사선 하에서도 화학적으로 안정적이며, 물과 공기와의 격렬한 반응이 없다. 저압에서 운영되며, 핵분열 생성물의 압력 상승이 없어, 대규모 압력 상승이나 폭발의 위험이 적다.
• 쉬운 제어와 느린 가열: 용융연료는 제논-135과 같은 중성자 흡수체를 쉽게 제거할 수 있어 제어가 용이하며, 높은 열용량으로 인해 사고 시 느린 가열이 가능하다.
• 수동적 붕괴열 냉각 및 실패 안전 코어: 사고 시 연료/냉각제 혼합물이 배수 탱크로 이동하여 물리적 성질에 의존하는 수동적 붕괴열 제거가 가능하며, 전원 실패 등으로 냉각이 중단되면 연료가 비활성 상태로 이동하는 실패 안전 설계가 있다.

경제성 및 효율성

• 토륨의 풍부함: 지구상에 토륨은 우라늄보다 3~4배 많으며, 희토류 광산 부산물로 얻을 수 있다. 토륨은 수백만 년 동안 전 세계 에너지 수요를 충족시킬 수 있는 충분한 양이 있다.
• 자원의 풍부함: 베릴륨, 리튬, 니켈, 몰리브덴 등 LFTR 건설에 필요한 자원이 충분하다.
• 향상된 연료 효율: LFTR은 토륨 연료의 약 99%를 소비할 수 있으며, 고온 작동으로 인한 향상된 열역학적 효율을 자랑한다.
• 저렴한 연료 비용: 연료가 용융염 형태이기 때문에, 고가의 농축 과정이나 연료봉 제작 과정이 필요 없어 연료 비용이 절감된다.
• 효율적인 열전달: 용융염은 우수한 열전달 성질을 가지고 있어, 효율적인 열 관리가 가능하다.

폐기물 및 확산 저항

• 적은 장기 폐기물: LFTR은 장기 방사능 폐기물의 양을 대폭 줄일 수 있으며, 토륨 연료 주기는 우라늄 연료 주기에 비해 훨씬 적은 양의 트랜스우라늄 원소를 생성한다.
• 확산 저항성: 토륨은 핵무기로의 전환 가능성이 낮아 확산 저항성이 높다. 토륨-232는 우라늄-233으로 변환되는데, 이 과정에서 발생하는 U-232는 폭탄 제조를 어렵게 하는 강력한 감마선을 방출한다.

 

 

LFTR 기술의 도전과제와 한계점 분석 🌐

LFTR 기술의 발전에 따른 주요 도전과제

상용화까지의 긴 여정

• 2014년 시카고 대학의 연구에 따르면, LFTR(Liquid Fluoride Thorium Reactor) 기술이 아직 상업 단계에 이르지 못함으로써 대규모 생산의 경제적 이점을 실현하지 못하고 있다. 기존 우라늄 발전소와 비교해 비용 절감 효과가 있음에도 불구하고, 현재 산업 환경에서는 새로운 LFTR을 구축하기에 충분한 비용 차이를 보이지 않는다.

증식률 달성의 의문

• LFTR 계획은 보통 증률(breeding ratio)의 균형을 목표로 하지만, 안전 요구 사항을 충족시키기 위한 타협으로 인해 이를 달성하는 것이 불확실하다. 특히 토륨 연료 주기는 제한된 수의 중성자를 가지고 있어, 경제적 이유로 제한된 화학 재처리와 부정적인 공허 계수를 달성하기 위한 타협 때문에 많은 중성자가 손실될 수 있다.

추가 개발 필요성

• 1960년대에 이미 ARE와 MSRE 실험용 반응기가 건설되었음에도 불구하고, LFTR 기술은 여전히 많은 개발이 필요하다. 이에는 화학 분리, 비상 냉각 시스템, 삼중수소 장벽, 원격 조작 유지 보수, 대규모 리튬-7 생산, 고온 발전 사이클 및 더 내구성 있는 재료 개발 등이 포함된다.

초기 연료 문제

• 우라늄과 달리, 토륨에서는 가연성 동위원소가 자연적으로 존재하지 않아, LFTR은 초기 가동을 위해 소량의 가연성 물질이 필요하다. 이는 가용성이 적은 문제를 제기하며, 반응기를 단기간 내에 가동하는 방법에 대한 고민을 낳는다.

염의 동결

• 플루오라이드 염 혼합물은 300°C에서 600°C 사이의 녹는 점을 가지고 있어, 특히 베릴륨 플루오라이드가 포함된 염은 동결점 근처에서 매우 점성이 높다. 이는 용기 및 열교환기의 설계와 동결 방지에 신중을 기해야 함을 의미한다.

베릴륨 독성

• 제안된 염 혼합물 FLiBe는 인간에게 유독한 베릴륨을 대량으로 포함하고 있다. 주요 냉각 루프의 염은 작업자와 환경으로부터 격리되어야 하며, 이는 산업에서 일상적으로 수행되는 작업이다.

결론

LFTR 기술은 여전히 많은 발전과 도전과제를 안고 있으며, 이는 상업적 수준으로의 전환을 어렵게 만든다. 경제적 이점, 안전성, 환경 영향 등 여러 면에서 이점이 있음에도 불구하고, 이 기술의 성공적인 구현을 위해서는 상당한 연구와 개발이 필요하다.

 

 

세계의 토륨 연료 사이클과 몰텐 솔트 리액터 프로젝트 최신 동향 🌍

FUJI MSR 프로젝트

FUJI MSR은 100~200 MWe급 몰텐 솔트를 연료로 사용하는 토륨 연료 사이클 열 분열 반응기 디자인이었습니다. 일본, 미국, 러시아로 구성된 컨소시엄에 의해 개발되었습니다. 2010년 7월에는 업데이트된 계획이 발표되었으며, kWh당 2.85센트의 비용이 예상되었습니다. MiniFUJI 10 MWe 반응기 건설을 목표로 했으나, 자금 조달 실패로 2011년 IThEMS는 폐업했습니다. 이후 Kazuo Furukawa와 Masaaki Furukawa가 Thorium Tech Solution (TTS)을 설립하고 FUJI 디자인과 관련 특허를 인수했습니다.

중국의 토륨 MSR 프로젝트

중국은 2011년부터 토륨 기반 몰텐 솔트 리액터 기술에 대한 연구 및 개발 프로젝트를 시작했습니다. 이 프로젝트는 20년 내에 토륨 기반 몰텐 솔트 핵 시스템을 개발하는 것을 최종 목표로 합니다. 단계적으로 2MW 연구용 리액터, 10MW 시범 리액터, 그리고 100MW 시범 리액터를 건설할 계획입니다. 2021년 8월에는 2MW 실험용 토륨 몰텐 솔트 리액터를 완성했으며, 2030년까지 373MW 버전을 개발할 계획입니다.

Flibe Energy와 기타 프로젝트들

Kirk Sorensen이 창립한 Flibe Energy는 특히 액체 불화물 토륨 리액터(LFTR)에 초점을 맞춘 소규모 모듈형 리액터 디자인 개발을 목표로 합니다. TEG(Thorium Energy Generation Pty. Limited)는 LFTR 리액터와 토륨 가속기 구동 시스템의 상업적 개발을 목표로 했던 호주의 연구 개발 회사였으나, 2015년에 운영을 중단했습니다. Alvin Weinberg Foundation은 토륨 에너지와 LFTR의 잠재력에 대해 인식을 높이기 위해 설립된 영국의 자선 단체입니다. ThorCon은 미국 기반의 회사로, 해상에 설치할 수 있는 몰텐 솔트 리액터를 제안했습니다. 마지막으로, 네덜란드의 Nuclear Research and Consultancy Group은 토륨 플루오라이드 솔트의 조사 연구를 진행 중입니다.