한때 폐기됐던 美 핵기술, 중국에서 부활 중

20세기 중반 이후 잊혔던 토륨을 이용한 원자로 기술이 최근 다시 주목받고 있다.

중국이 다시 한번 다른 모든 국가를 제치고 청정에너지 분야에서 중요한 이정표를 세웠다. 새로 건설된 원자로는 우라늄 대신 토륨을 연료로 사용하는 세계 최초급의 원자로로 알려졌으며, 특히 이 분야 최초로 가동 중에도 연료를 보충할 수 있는 구조를 가지고 있다.

이러한 진전은 아직 실험적인 단계이긴 하지만, 핵에너지 분야에서 세계 선두 주자로 나아가고 있는 중국의 행보를 보여준다. 중국은 발전 설비 용량에서는 프랑스에 아직 뒤처져 있지만, 발전량 측면에서 이미 프랑스를 추월해 미국의 뒤를 추격하고 있다. 이런 가운데 최근 언론 보도에서 자주 보도되는 것 중에 한 가지 인상적인 주제가 있다. 바로 중국의 새로운 원자로가 사실 수십 년 전에 개발되었다가 이후 버려진 기술이라는 점이다.

사실 이는 원자력 업계에서 계속 되풀이되는 상황이다. 먼저 용융염 냉각 시스템은 20세기 중반에 개발되었지만 상용화되지 않았다. TRISO 같은 여러 대체 연료나 토륨도 마찬가지다. TRISO는 TRi-structural ISOtropic fuel particle의 약자로 차세대 핵연료 입자로 연구되고 있다.

중국의 이 연구용 원자로가 대체 연료로 토륨을 사용하고 있다는 사실은 현재의 원자력 기술이 어떤 시점에 와 있는지 잘 보여준다. 많은 연구자들이 새로운 의지를 가지고 과거의 기술을 상용화하기 위하여 노력하고 있는 것이다.

우선 주목할 점은 현재 원자력 에너지 분야의 중심지는 중국이라는 사실이다. 여전히 미국이 세계에서 가장 많은 가동 원자로를 보유하고 있지만, 중국이 빠른 속도로 그 격차를 좁히고 있다. 중국은 엄청난 속도로 원자로를 건설 중인데, 현재 건설 중인 원자로의 숫자는 다른 나라에 비교할 수 없을 정도로 많다. 4월 마지막 주에만 중국은 10기의 신규 원자로 건설을 승인하였는데, 이에 투입되는 총예산은 270억 달러(약 37.8 조원) 이상이다.

또한 중국은 첨단 원자로 기술 부문에서도 선두를 달리고 있다. 여기서 ‘첨단’ 원자로란, 오늘날 전력망에 연결된 일반적인 설계, 즉 고농축 우라늄 연료와 고압수를 사용하는 대형 원자로를 제외한 모든 방식을 말한다. 그중에서도 중국이 특히 집중하고 있는 분야로 가스를 냉각재로 사용하는 고온 원자로가 있다. 이 기술을 적용한 몇몇 원자로는 최근 가동을 시작했으며, 더 많은 원자로가 건설 중이거나 계획 중에 있다.

그리고 이제 중국 관영 매체는 자국 과학자들이 토륨 기반 원자로에서 중요한 이정표를 달성했다고 보도하고 있다. 이 원자로는 2024년 6월에 가동을 시작했으며, 최근에는 가동을 멈추지 않고 연료를 보충하는 데 성공했다고 연구진이 밝혔다(기존의 원자로에서 연료를 보충하려면 가동을 중단해야 한다). 이 프로젝트의 책임 과학자들은 이 성과를 중국과학원에서 열린 비공개회의에서 발표했다.

물론 이 원자로의 규모는 매우 작고 발전량은 2메가와트에 불과하다. 이는 MIT 캠퍼스 내에 있는 연구용 원자로의 출력인 6메가와트에도 못 미친다. 물론 MIT의 원자로는 미국 내 대학 소속 연구용 원자로 중 가장 큰 축에 속하지만, 그럼에도 불구하고 원자로 자체로서 작은 규모임에는 틀림없다.

그럼에도 불구하고 토륨 원자로에 있어 이러한 진전은 의미가 있다. 지난 50년 동안 세계는 거의 전적으로 우라늄에만 집중해 왔기 때문이다.

토륨에 대한 초기 연구 대부분은 미국에서 이루어졌다. 1950~60년대에 미국은 다양한 원자로 기술에 자원을 대거 투입했고, 당시 테네시주의 오크 리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)에서는 토륨이 방사선에 의해 변환되어 생성되는 우라늄-233 연료를 사용하는 원자로가 가동되기도 했다.

하지만 결국 세계는 결국 한 가지 방식, 우라늄-238을 연료로 사용하고 고압의 물로 냉각하는 원자로를 광범위하게 도입하게 되었다. 이러한 결론에 다다르게 된 한 가지 이유는 이 방식을 연구한 결과를 핵무기 개발에도 활용할 수 있었기 때문이다.

하지만 최근에는 대체 원자력 기술에 대한 관심이 다시 높아지면서 토륨 연료 원자로 이외에도 여러 가지 방식들이 연구 중에 있다. 대표적인 예로 이전에 본지에서 다룬 바 있는 카이로스 파워(Kairos Power)의 소형 원자로는 용융염을 냉각재로 사용하기 위해 연구 중인데, 이 역시 1950~60년대에 개발되었지만 상용화되지 못하고 폐기된 기술이다.

또 다른 ‘오래되었지만 새로운’ 개념은 고온의 가스를 이용해 원자로를 냉각하는 방식이다. X-energy는 텍사스의 한 화학 공장 부지에 이러한 방식을 적용한 발전소를 짓는 것을 목표로 하고 있다. (이 원자로 또한, 이번 토륨 원자로처럼 가동 중에도 연료 보충이 가능하도록 설계될 예정이다)

물론 이러한 기술들이 과거에 상용화되지 못한 데는 이유가 있고, 이 문제들은 오늘날에도 여전히 남아있다. 예를 들어, 용융염 원자로의 경우 초고온의 소금이 가진 부식성에 견딜 수 있는 재료를 찾는 것이 쉽지 않다. 토륨 원자로의 경우에는 토륨을 우라늄-233 연료로 전환하는 과정 자체가 과거부터 주요한 난제로 꼽혀 왔다.

하지만 최근의 성과들이 보여주듯이 과거의 연구 기록들은 새로운 상업용 원자로 개발에 있어 중요한 단초를 제공할 수 있다. 그리고 이렇게 오래된 방식을 재조명하는 일을 통해 원자력 산업에 새로운 활력을 불어넣을 수도 있을 것이다.

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