게이들아 발렌타인 데이에 잘 지내고있노?


오늘은 미래의 토륨원전으로 주목받는 LFTR에 대해 알아보고자 한다.


일단 몇 년전부터 토륨원전이 주목받기 시작한 이유중 가장 큰 이유는 후쿠시마 원전사고때문인것같다.

원전사고났다고 갑자기 원전폐기하자는게 내눈에는 참 웃기더라. 

원자력 덕분에 싼값에 전기잘 쓰고 있구만 갑자기 뭔 말이고?


그래서 원전폐기하면 전기를 어떻게 하냐고 하면 대부분 친환경 에너지로 태양광, 풍력을 예로 들면서

넓은 들판에 휜색 바람개비 돌아가는 거하고, 빛나는 태양에 검은색 판들이 쫙 펼쳐진걸 보여준다.


근데 그 큰 바람개비랑 태양광 발전기는 평균 가동율이 25%(하루중 6시간)밖에 않되고,

발전시간도 제각각이라서 안정적인 전력공급이 어렵고, 아직은 정부의 보조없이는 이익이 안난다.

친환경이 기술의 발전하면서 나아지고 있지만 아직은 주공급원이 되기는 불가능하다.


또 다른 이유는 원자력 발전소에 쓰이는 우라늄이 앞으로 60년이면 바닥이 난다.

폐기물을 재처리하든 아니면 다른 핵원료를 쓰든 둘 중 하나를 선택해야한다.


난 이 2개를 만족시키는 대표적인 원전이 토륨원전이고, 

그 토륨원전중에서 가장 좋은 후보가 LFTR이라고 생각한다.


Thorium Molten Salt_Kirk Sorensen.jpg


LFTR의 의미는 Liquid fluoride thorium reactor (액체 플루오르화 토륨 반응로)인데

기존의 원자로는 UO2라는 세라믹의 고체연료로 3% 만이 핵분열을 할 수 있으며 

그나마 안에 있는 모든 핵연료를 태우지 못하고 고준위 폐기물로 버려진다.


하지만 액체형태의 플프오르화 토륨은 100% 연료로써 사용이 가능하고, 

여러가지 화학적 분리법으로 폐기물분리가 가능하며 비상시 더욱 효과적으로 대처할 수 있다.


기존의 원전과 LFTR을 비교하자면 석탄때서 움직이는 증기기관과 

초고압으로 연료를 분사하는 가스터빈이라고 볼 수 있는데

석유와 다르게 토륨은 비교적 고르게 분포되어있고, 상당한 매장량을 가지고 있다.


crustal_abundance.gif


지각에는 실제 원전 연료로 쓰이는 우라늄-235는 18 mg/Ton으로 은(100 mg/ton)보다 귀한데 반해

토륨은 10 g/ton으로 16 g/ton인 납이랑 비교해보면 매장량이 어마어마 하다는 걸 알 수 있다.


이 토륨이 주로 희토류랑 같이 모자나이트라는 광석에 섞여 있는데 우리도 30년정도 사용가능한 희토류가 

묻혀있다고 한다. 특히, 충주에는 철광석이랑 같이 묻혀있어 경제성이 있다고 함.

( http://news.donga.com/rel/3/all/20110628/38386549/1 )

1234.jpg





이제는 희토류에서 채굴한 토륨이 LFTR에서 어떻게 에너지가 되는지를 알아보자.

연료순환 과정이 너무 어려우면 건너뛰어도 된다. 관심있는 게이만 봐도됨.

how-lftr-uses-thorium-fullsize.png


1. 희토류와 함께 채굴된 Th-232(채굴된 토륨중 거의 100%가 토륨-232라는 동의원소) 체굴.

 

2. 채굴한 토륨을 액체(LiF-BeF2-ThF4, 용융염)상태로 가공후 블랑켓에 투입.

 

3. 용융액에 녹아있는 Th-232이 코어에서 발생된 중성자와 충돌하여 Th-233(반감기 22)으로 변함.

4. Th-233 붕괴로 Pa-233(반감기 27) 생성.

5. Pa-233 붕괴로 U-233(반감기 16만년) 생성.

 

6. Fluoride Volatility(플루오르화 휘발법) 이용해 233UF4(액체)를 HF electrolyzer(플루오르화 전해조)에서

나온 불소기체와 결합하여 233UF6(기체)로 변하고 용융액에서 분리된다. 


< 남은 토륨 용융액은 다시 블랭킷으로 순환하면서 3부터 5까지 반복. >

 

7. Uranium Reduction(우라늄 환원)과정에서 HF electrolyzer(플루오르화 전해조)에서 나온 

수소에게 불소(F)를 뺏기면서 233UF6(기체)  233UF4(액체) 변하고, 

코어의 LiF-BeF2-UF4(융융염)에 녹으면서 코어로 순환. 


< H2 233UF6로부터 F 빼앗아 HF로 변하고 전해조로 순환 분리됨. >

 

8. 코어에 들어온 U-233  핵분열(198 MeV 방출) 일으킨후 2.5개의 중성자 방출

    감속제로 연쇄반응을 조절하면서 운용. 핵분열을 못한 10% U-234 변환됨.

 

9. 남은 10% U-234는 중성자와 충돌하여 U-235 변환.

10. U-235이 중성자와 충돌하여 핵분열(202.5 MeV 방출)을 하고, 핵분열을 못한 20% U-236으로 변환됨.

 

11. U-236 중성자와 충돌시켜 U-237(반감기 7) 변환.

12. U-237 붕괴로 Np-237 생성됨.

13. Np-237 중성자와 충돌시켜 Np-238(반감기 2) 변환.

14. Np-238 붕괴로 Pu-238(a-붕괴, 반감기 87.7, 238.049553u, 5.593 MeV 방출) 생성됨.

 

15. Pu-234 핵전지로써 심우주탐사선의 배터리로 쓰임.


그리고 오른쪽은 코어의 융융염에서 핵분열을 할 수 없는 핵폐기물들을 

사용할 수 있는 연료들로부터 분리해서 그림에 보이는 빨간박스에 모이게 된다.

자세한 과정도 알아보려고 했는데 못찾았음. 

아마 왼쪽처럼 플루오르화를 이용해 쓸모있는 우라늄만 걸러내는 것같다.




이제 핵분열로 열을 얻었으니 이걸로 발전을 해야하지않노?

1000px-Molten_Salt_Reactor.svg.png

LFTR은 MSR(융융염원자로)에 속하지만 고온에서 작동하기때문에 물을 이용한 스팀터빈이 아닌

헬륨가스 또는 이산화가스를 이용한 고온가스 냉각로(HTGR)의 방식을 이용해 발전을 한다.


주목할점은 스팀터빈의 효율이 보통 33%정도이지만 이 고온가스 냉각로는 40~50%이라는 건데

그 이유는 가압경수로의 경우 물을 냉매로 하는 방식으로 150이라는 기압에서도 350도정도이지만

LFTR은 6기압에서 운용되며 융융염의 높은 끓는점(1400도)를 이용해 750~1000도의 고온의 헬륨으로 발전하기 때문이다.


융융염과 헬륨 모두 높은 열전도율을 가지고 있어서 냉매제로 적합하고, 특히 헬륨같은 경우

다른 물질과의 반응성이 매우 적기때문에 고온에 적합하다.


그 외에 공냉식으로 냉각이 가능하여 내륙에 원전을 지어서 송전으로 낭비되는 전력(10~20%)을 아끼고

터빈을 돌리고 남은 잔열을 정유공장과 같은 산업단지의 열원이나 지역난방에 이용할 수도 있다.


4세대 원자력응딩이 ㅍㅌㅊ?





그래서 결론적으로 기존의 원자력과 비교를 해보면...

20140214_005022.jpg



우라늄 원전 - 우라늄 광산에서 250톤 채굴 후 35톤으로 농축. 1년간 1 GW급 원전에 쓰인후 35톤의 핵페기물 생성.

토륨 원전 - 희토류 광산에서 토륨 1톤 채굴 후 원자로에 투입. 1년간 1 GW급 원전에 쓰인 후 1톤의 핵폐기물 생성.

그 중 83%는 10년 안에 안전해지며 일부를 팔 수 있다. 17%는 300년 동안 땅속에 격리보관한다.



보통 원전에서 나온 핵폐기물들은 굉장한 골칫덩어리이다. 원전부지설정하는데도 주민들이 난리인데 

그 쓰레기들을 묻을 부지는 어떻게 얻을 수 있겠노? 그래서 우리나라는 원자로내에 빼곡히 쌓아두고있다.

하지만 LFTR은 효율성이 높아 핵폐기물이 적을 뿐아니라 기존의 핵폐기물도 LFTR의 연료가 되어 

태울 수 있는 건 다 태워고 폐기물들의 반감기를 줄이는 역할까지 한다. 


거기에 위에서 말했듯이 LFTR에서 나온 핵폐기물 중 83%는 10년이내에 방사선량이 안정권에 들어서고 

그 후에는 일부를 팔 수 있다. 즉, 저 핵폐기물 83%안에도 돈 될만한게 있다는 거지.

20140214_021954.jpg 

밑에 파란 화살표들은 U-233의 핵분열후 생성되는 것들(fission product)인데


molybdenum-99은 의료용으로 심실이나 뇌를 3D-스캔하는데 쓰이는데 공급이 부족해서

환자가 수백만명씩 줄서있다. 이걸로 벌어들이는 미국의 수입이 연간 1500억원. 

1999년에도 그램당 60달러로 금보다 4배나 비쌋다고한다.


thorium-229은 붕괴과정을 거쳐서 actinium-225에서 Bismuth-213로 변하는데 Bismuth-213이 

반감기 7분에다가 알파붕괴를 이용해서 Bi-213을 항암제와 결합시켜 몸에 투여하면 항암제가 

암세포를 찾아서 달라붙는다. 그때 항암제에 붙어 있던 Bi-213의 강력한 알파선으로 암세포만 죽인다.

알파선은 투과력이 세포 한두겹정도이고, 맞닫는 그 세포에만 엄청난 방사능을 투과시키기 때문에 

기존 방사선치료에 쓰이는 투과력이 강한 감마선때문에 머리빠지고 울렁거리는 부작용없이 

암세포하나하나를 저격하는 수준으로 발전할 수 있음.


 125 kg의 네오디늄(희토류, 초강자석 재료) 평균100$/kg 한때는 400$/kg까지 뜀.



그리고 1톤의 토륨을 태우고 태우다보면 마지막에는 15 kg의 Pu-238이 남는데 

이 플루토늄은 반감기 87.7년으로 알파붕괴를 통해 5.593 MeV의 에너지를 방출한다.


Pu-238-USEnergyDepartment.jpg 


이 열 이용해서 열전소자를 통해 발전하고 아래와 같이 모듈화해서 만든게 흔히 말하는 핵전지이다.





맨뒤에 호스달린 부분이 MMRTG로써 125 W의 출력으로 

이번에 발사된 큐리오시티의 동력원으로써 최소 15년의 수명을 가지고 있다.


curiosity-rear-rtg.jpg 


ss24-1.jpg 




 

싼값에 고효율로 전기를 생산할 수 있으니 이제 안정성만 갖추면 완벽하노?

LFTR은 안정성에서도 상당히 높은 신뢰성을 가진다.

 

기존의 원자로는 보통 물을 냉매로 사용해서 60~150기압에서 300~400도로 운영하는데 

60기압으로 압축된 증기가 외부의 충격이나 순환펌프의 고장으로 과열되어 외부로 누출되면

부피가 약 1000배가량 늘어나게 된다. 원자로안에서 계속 가열된 수증기는 산소와 수소로

분해가 되며 정전기와 같은 조그만 자극에도 폭발하여 원전이 무너지게 된다.

이게 후쿠시마 원전사고의 과정이다.


여기서 원자로안에 있는 감속제로 핵분열을 멈춘다하더라도 남은 잔열을 원자로에서 빼내지못하면

2700도의 고온으로 원자로가 녹아내려 토양과 지하수로 흡수되는 최악의 상태가 발생한다.

원자로안에 보관되어있던 고준위 핵폐기물(반감기 1만년 이상)까지 같이 녹아내리는 경우 

그 날로 노짱의 지옥콘서트 오픈이다. 


그나마 원자로중에서 가압경수로가 비등경수로에 비해 안전하다고 평가되는데

아래의 영상은 우리나라의 가압경수로와 일본 비등경수로의 안전성을 비교한 영상이다.




캬~ 국뽕에 취하노?


위 동영상에 나오는 가압 경수로의 큰 용적, 빠른 냉각수 공급, 50개의 안전대책은 

대부분 원자로의 잔열을 제거해서 최악의 사태인 멜트다운(노심융용)을 막기위한 것이다.


하지만 앞서 말했듯이 LFTR의 융융염은 연료와 냉각수의 기능을 모두 가지고 있다. 

MSR의 개념도를 보면 Freeze plug(동결 밸브)라는게 있는데 원자로가 과열될 시 평상시보다 

높을 열로 인해 액체 헬륨으로 얼어있던 밸브가 녹아내리고 노심에 담겨진 모든 용융액은 

중력에 의해 원자로 밑에 위치한 Emergency dump tank(비상용 폐기물 탱크)로 흘러들어간다. 


figure_8_8_lftr_and_tank.png


탱크는 지하속 격납용기 안에 자리잡아 외부의 재해로부터 안전하게 격리되고 용융액의 남은 열기는 

땅속의 낮은 온도를 이용해 자동적으로 냉각된다. 이런 방식의 장점은 시스템에 의한 통제가 아닌 

중력과 같은 자연적인 원리와 간단한 절차로 진행되므로 더욱 확고한 안전장치라고 할 수 있다.


그 외에 물을 냉매로 사용하지않아 원자로 내부의 폭발이나 화재위험도 극히 적어 

격납용기를 소형화하여 원전 자체를 지하에 매장할 수 있는데 이렇게하면 원자로는 외부로 

모습이 들어나지않아서 테러나 전쟁시 폭격의 위험으로부터 어느정도 보호를 받을 수 있다.



그리고 이건 안정성이라가보다 핵확산에 관한건데 우리나라는 조약때문에 우라늄정제시설을

가질 수 없어서 폐기물재처리도 하지 못하고 우라늄수입과 정제비용으로 연간 9000억원을 지출하고 있다.

LFTR에 쓰이는 토륨은 전부 U-233로 변해 핵분열을 하는데 이 U-233이 핵무기로도 쓰일 수있어서

테러리스트들이 원전속의 U-233를 탈취하여 핵무기를 쓰일 수 있다는 우려가 있다. 하지만 U-233가

생성될때  0.13% 강력한 감마선을 내뿜는 U-232으로 변한다


설사 코어로부터 플루오르를 제거하고 U-233 테러리스트들이 가져간다해도 그안에 포함된U-232 

강력한 감마선으로 인해 사람이 접근하기도 힘들며, 우라늄의 위치를 쉽게 탐지할 있다

동위원소인 U-232 U-233으로부터 분리하려면 화학적 분리가 아닌 근소한 동위원소간의 무게차이를 

이용해 분리해야하기때문에 상당한 시간과 복잡한 시설이 필요하다






마지막 토륨하면 8 g으로 100년동안 충전없이 가는 토륨 자동차가 유명한데 음... 

컨셉차임에도 일단은 말은 된다...  테슬라가 80 kWh짜리 배터리로 약 420 km를 가니까

이걸 충전없이 100만킬로미터를 달릴려면 8 g에 거의 20 MWh의 용량이 들어있어야한다.

위에서 토륨 1톤으로 1년동안 1 GW를 발전한다고 했으니까 나눠보면

1g당 1kw를 1년동안 공급할 수 있는거고, 배터리로 치면 8,736 kWh/g라는 에너지밀도가 나온다.

리튬 배터리 중 세계 최고의 에너지밀도가 0.4 kWh/kg인걸 감안하면 외계기술과 다름없다!


그럼 8 g안에는 약 70 MWh의 에너지가 들어있다는건데 이 70MWh는 열량이 아니라 최종적으로

발전가능한 전력량이니 대형원전에 비해 발전기 효율이 씹망이라도 초소형화만 된다면 

자동차뿐 아니라 쌀 한줌으로도 100년동안 가정에서 쓰는 전기는 모두 감당 할 수 있다는 얘기다.


e0053988_49b2346819c32.jpg 





인류는 고대부터 중세시대까지 거의 2000년간 물, 불, 흙, 공기가 전부라고 믿어왔지만

불과 몇 백년사이에 100여개가 넘는 원소를 발견하고 이를 자유로이 이용하기 시작했다.

이런 속도로 또 다시 몇십년 후면 아마 달에 가서 일베인증하는 게이가 생길지도 모르고,

거기서 또 몇 백년이 흐르면 인기글에 윔홀에서 엑윽엑엑데다가 혹성으로 운지한 썰.manhwa을 볼지도 모른다.



충분히 발전된 기술은 마술과 구분할 수 없게된다.

Any sufficiently advanced technology is indistinguishable from magic.


- 아서 C. 클라클(2001 스페이스 오디세이의 저자)





3줄요약


1. 1톤의 토륨으로 1GW의 전기를 1년간 공급할 수 있다.

2. 엄청나게 안전하다.

3. 핵폐기물도 기존원전의 3%도 안된다. 







[보안 필터 작동]