원자력 그린수소, 토륨 용융염 원자로(TMSR, Thorium Molten Salt Reactor) 개관

TMSR은 우라늄이 아니라 토륨을 핵분열 연료로 사용하는 원자력 발전소를 말한다. 토륨은 우라늄보다 방사능 누출이 훨씬 적다. 토륨은 우라늄과 달리 자체적으로 핵분열을 일으키지 않아 연쇄반응이 나오지 않기 때문에, 원자로 스위치를 끌 경우 토륨은 핵분열을 자동으로 멈춘다. 따라서, 후쿠시마 원전 사고와 같이 냉각장치 고장으로 인한 사고가 발생하지 않는다.

TMSR은 1차 냉각 계통으로 용융염을 사용하는 원자로 유형으로, 용융염의 낮은 증기압과 안정성, 그리고 액체 나트륨보다 반응성이 낮으며, 또한 고온의 열을 뽑아낼 수 있어 높은 열효율을 보여준다. 액체연료를 사용함으로써 연료 집합체가 없어져 원자로 구조의 간소화, 연소도의 균일화, 그리고 원자로 작동중에도 재처리를 할 수 있다.

오크리지 국립 연구소에선 1960년대에 용융염로 실험을 하였으며, 그들의 용융염로 실험이 정점에 오른 때이기도 하다. 이 실험에선 7.4 MWth 출력의 원자로를 가지고 토륨증식로에 대한 기술적인 점들을 실험하였다. 여기에선 우라늄과 플루토늄이 용융된 연료를 사용하였다. 오크리지 국립연구소 원자로의 최대 온도는 섭씨 705도를 기록하였다.

토륨은 우라늄보다 매장량이 4배나 많아 1970년대부터 원자로 연료로 주목받았다. 토륨 원자로는 우라늄 원자로와 마찬가지로 소립자인 중성자가 원자핵을 분열시키면서 엄청난 에너지를 내는 원리이다. 하지만 토륨에서는 우라늄보다 중성자가 덜 나와 핵분열 연쇄반응을 일으키려면 외부에서 중성자를 추가해줘야 한다. 이를테면 불쏘시개를 계속 넣어줘야 타는 아궁이와 같다.

토륨이 다시 각광을 받는 것은 안전성 때문이다. 토륨은 원전이 정지하면 중성자를 공급받지 못해 바로 핵분열을 멈춘다. 덕분에 냉각수가 떨어져도 토륨에서 나오는 열로 원자로가 녹아내릴 우려가 없다는 것이다. 또한 토륨 원전에서 나오는 사용후핵연료의 83%는 10년 내 방사능이 안전한 수준으로 떨어지고 나머지도 500년 이내 석탄 탄광 수준으로 낮아진다. 토륨 원자로에서 나오는 사용후핵연료에는 무기를 만들 플루토늄이 나오지 않아 핵확산 우려도 없다.

최근 원자력연구원과 삼성중공업이 용융염 원자로(MSR) 개발을 위한 MOU를 체결하였다. 삼성중공업은 두 가지 방식으로 MSR을 상용할 할 것으로 예상된다. 첫번째는 해상 플랜트에 MSR을 탑재하여 전기, 열, 수소, 암모니아 또는 탄소중립 합성연료를 생산한다. 이것은 토륨 에너지 인공섬이 될 것이다. 2017년 삼성중공업은 세계 최대의 FLNG(Floating LNG) 해상 플랜트를 건조한 실적이 있다. 두번째는 원지력 추진 선박으로 쇄빙선, 컨테이너선, LNG 운반선 등 상업용 선박에 적용하고, 이어서 전투함, 항공모함, 잠수함 등 군사적 목적으로 이용할 것이다.