[SW칼럼] Geosystems Engineering 'Thorium' Option

Thorium(토륨)은 원자번호 90, 원소기호는 Th이며 Actinoid(원자번호 89~103까지)원소 중의 하나이며 은백색 금속을 말한다. 1828년 스웨덴의 화학자 Jons Jakob Berzelius는 자연에 존재하는 톨石(thorite ThSiO4)에서 발견했다. 모나자이트 모래(Monazite sand)에 약 10% 정도 함유하고 있는 세륨, 난탄, 너오지움 등의 희토류원소의 부산물로 얻어진다. 물론 희토류가 생산되는 곳이 산지이나 그 주요 산지에서 생산되는 총량은 635만5000톤이며 가장 많이 생산되는 순으로는 인도, 브라질, 호주, 미국, 이집트, 터키, 베네주엘라, 캐나다, 러시아, 남아프리카, 중국, 노르웨이, 그린란드, 핀란드, 스웨덴, 카자흐스탄, 기타 나라 등이다. 자연계에 존재하는 토륨(Thorium) 228, 229, 230, 231, 232, 234 중에서 방사성 동위원소로 불안정한 것은 Th232 뿐이다. 그러므로 반감기는 지구 나이의 3배 정도인 140.5억년으로 상상을 초월하는 반감기(半減期·half life)이다. 이런 것이 지각 중에 약 10ppm 정도 있으며 지표면에서 풍화작용으로 물에 용해되어 바닷물에도 아주 적은 양의 농도로 존재하고 있는 것이 특징이기도 하다. 토륨232는 베타붕괴하며 중성자를 흡수하면 토륨232가 233이 되면 우란233의 핵연료로 이용되고 있다. 토륨은 은백색이며 연약한 금속이라서 높은 연성을 나타고 있어 여러 용도로 이용 가능한 면심입방격자의 결정구조는 1400도씨 부근에서 체심입방격자로 전이되며 액체상태의 온도 폭은 2946도씨로 원소 중 최대값이 되고 있다. 토륨은 왕수나 염산에 용해되나 알칼리에서는 용해되지 않으며 지금까지의 용도는 필라멘트, 트레서 기타 등등이다.

세계는 에너지생산의 전형적인 화력은 지구온난화 물질 발생으로 규제대상이며 원자력은 체르노빌, 후크시마에서 발전소 사고로 인한 피폭 등으로 인한 자연생태계의 변화는 우리들에게는 대단히 중요한 문제로 제기되어 원자력 발전을 줄이려는 움직임은 크나 결과가 미미한 것은 대체할 만한 것이 없어 단숨에 끊을 수 없는 에너지생산이라고 말할 수 있다. 그러나 큰 틀은 원자력발전을 줄여야한다는 것은 위해성이기 때문이다.

그러나 이보다 훨씬 위험하지 않고 비용이 싼 것이라면 생산을 고려해 볼만한 것이 Thorium발전이 될 것이라고 힘주어 말하고 싶다. 어떠한 지구물질을 이용해 에너지를 생산한다 하더라도 위험성인 단점이 없는 것이 없기 때문이다. 그러나 우리는 최소한으로 설정하고 단가, 공급량, COP 등등을 고려해야 한다는 것은 누구나 말하고 있지만 막상 그런 물질을 찾기가 어려운 것은 [원]자가 들어가도 놀래는 사고가 문제이다. 지금 우리의 삶의 질을 쾌적하게 하는 핵심이 방사성물질 일수도 있기 때문이다. 만약 미래의 에너지생산 시스템을 획기적으로 바꿔야 한다면 제4의 에너지원인 Thorium이 될 것이라고 강하게 예측하는 이유는 생산단가가 우라늄, 3중수소 등에 비해 염가라고 하는 것은 현재의 기술로 계산하면 1kw당 100원 이하가 된다는 것이다. 반감기가 길어 발전소 운영기간이 30~50년으로 연료비 제로이며 사용 후 남는 재 즉 용융염은 폐기물로 간단히 보관했다가 새로운 연료와 섞어 다시 반감기동안 또 사용할 수 있기 때문에 제4의 에너지원이라고 말할 수 있다.

전 세계는 아날로그 시대의 전력공급은 국가의 SOC로 공급하는 시스템이나 디지털시대엔 개별 즉 자가 생산 시스템으로 변해가는 추세이므로 이에 가장 적합한 것이 토륨 용융염 가정용마크로 발전기 시대이기 때문이다. 반감기가 길어 나이프타임 동안 연료공급이 필요 없으며 발전이 종료된다 하더라도 설치할 때 지하 100~200m 매몰 발전하고 반감기가 다되면 자동적으로 안전 동위원소화해 방사능이 노출되지 않고 있어 자연상태의 토륨으로 되돌아가게 하기 때문이다. 제4의 에너지원인 Trorium 용융염 마이크로발전기 시대 도래의 원료인 토륨을 지구시스템 엔지이어링 옵션으로 강하게 제안한다.

이학박사 최무웅 건국대학교 이과대학 명예교수, 땅물빛바람연구소 대표, 스초츠월드 객원편집위원(mwchoi@konkuk.ac.kr)
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