[산업경제뉴스 손영남 기자] 토륨 원자로가 다시 주목받고 있다. 한때 미국에서 실험되다 사라졌던 이 기술은 최근 중국에 의해 되살아나며, 차세대 원자력의 핵심으로 떠오르고 있다. 특히 중국은 세계 최초로 토륨 기반 용융염 원자로(TMSR)의 장기 안정 운전에 성공했으며, 이를 바탕으로 발전용 시범로와 해양 응용까지 기술을 확장하고 있다. 에너지 분야의 강자다운 행보다. 

◆ 실험로에 그치지 않고 상선으로까지 범위 확장

중국과학원 상하이응용물리학연구소는 지난 1일, 간쑤성 고비사막에 설치된 2메가와트(MW)급 실험용 용융염 원자로에서 토륨을 우라늄-233으로 전환해 연료로 사용하는 데 성공했다고 발표했다. 

이는 토륨을 실제로 투입해 작동한 실험 데이터를 확보한 세계 최초 사례로, “용융염 원자로 시스템에서 토륨 자원을 사용하는 기술적 타당성에 대한 초기 증거를 제공했다”는 설명이 뒤따랐다. 이로써 토륨 원자로는 이론적 가능성을 넘어 실증 단계로 진입했다는 평가를 받고 있다.

토륨 원자로는 기존의 우라늄 기반 원자로와는 구조부터 다르다. 핵연료로는 토륨-232를 사용하며, 냉각재로는 고온의 액체 소금(용융염)을 활용한다. 이 방식은 고압 격납 용기가 필요 없고, 자연 대류에 의한 수동 냉각이 가능해 노심 용융 위험이 낮다. 또한 플루토늄을 생성하지 않아 핵확산 저항성이 높고, 방사성 폐기물 발생량도 적다. 안전성과 지속가능성 측면에서 기존 원자로보다 우수하다는 평가를 받는다.

물론 장점만 존재하는 것은 아니다. 20세기 중반 미국에서 활발히 연구됐지만, 결국 상용화되지 못하고 폐기됐던 기술일 정도로 기술적인 어려움이 다분하고 안보를 위협할 수 있단 공포로부터도 자유롭지 못하기 때문이다.

기본적으로 토륨은 스스로 핵분열을 일으킬 수 없기 때문에, 중성자를 흡수해 우라늄-233으로 변환되어야 한다. 이 우라늄-233은 핵무기 제조에 사용될 수 있어, 핵확산 저항성에 대한 논란이 존재한다. 

또한 용융염은 고온에서 부식성이 강해, 내식성 소재 개발과 방사선 차폐 기술 등에서 높은 기술적 난이도를 요구한다. 미국도 1960년대 오크리지 국립연구소에서 토륨 원자로를 실험했지만, 용융염에 의한 파이프 부식 등 기술적 문제로 인해 연구를 중단한 바 있다.

그럼에도 현재의 원자력이 지니는 여러 비난으로부터 훨씬 자유로울 수 있기 때문에 그에 대한 관심이 적지 않은 것이 사실이다. 또한 이를 응용하면 여러 산업에 이로움을 가져다줄 수 있는 것 역시 매력적인 요소다. 

중국 역시 이 점에 주목하고 있는 모양새다. 중국은 이 기술을 실험로에 그치지 않고 응용 단계로 확장하고 있다. 최근 세계 최대 조선업체인 중국선박그룹(CSSC)은 토륨 원자로를 탑재한 대형 원자력 상선의 설계 사양을 공개했다. 

해당 선박은 1만 4000개의 컨테이너를 실을 수 있으며, 미국 해군의 씨울프급 핵잠수함에 사용되는 원자로와 같은 수준의 출력인 200MW급의 TMSR을 동력원으로 사용한다. 기존의 우라늄 원자로와 달리 냉각수가 필요 없고 구조가 단순해 훨씬 작고 조용하며 폭발 위험도 낮은 것이 특징이다. 

또한 선박은 브레이튼 사이클을 통해 초임계 이산화탄소 발전기를 구동하며, 수년간 연료 보급 없이 바다를 횡단할 수 있다. 일반적인 상선으로선 꿈도 꾸기 힘들 정도의 효율성을 지닌 것으로 타 상선과의 경쟁에서 절대적인 우위를 점할 수 있다. 

◆ 4세대는 언감생심, 아직도 2세대에 머문 한국

중국의 행보는 거침이 없어 보인다. 현재 중국은 고비 사막에 설치한 실험용 TMSR에서 장기 안정 운전에 성공했으며, 현재는 더 큰 발전용 시범 원자로를 건설 중이다. 내몽골 지역에는 막대한 양의 토륨이 매장되어 있어, 단일 광산에서만 중국 전역에 1000년 이상 전력을 공급할 수 있는 양이 존재하는 것으로 알려졌다. 자원 확보와 기술 실증을 동시에 이룬 셈이다.

토륨 원자로의 이점을 십분 살리겠다는 것인데, 이는 단지 중국만의 일이 아니다. 세계 최대의 토륨 매장국 중 하나인 인도는 자국의 3단계 원자력 개발 계획에 토륨을 핵심 연료로 포함시키며 자신들의 의지를 피력 중이다. 노르웨이와 캐나다도 연구용 실험로를 통해 기술 가능성을 검증 중이며, 국제적 기술 경쟁은 점차 뚜렷해지고 있다.

물론 토륨 원자로 개발이 전세계적인 흐름이 아닌 것은 분명하다. 우리 역시 그 중 하나에 해당된다. 잠깐의 시도는 있었다. 2000년대 초반 한국원자력연구원(KAERI)에서 일부 연구가 진행됐지만, 이후 정책적·재정적 지원이 미비하며 관련 기술은 정체 상태에 머물러 있다. 현재 한국은 여전히 가압경수로(PWR) 기반의 2세대 원자로에 의존하고 있으며, 4세대 원자로 개발 로드맵조차 명확히 제시되지 않은 상황이다.

정부 역시 이에 특별한 관심을 드러내보이지 않고 있다. 정부가 발표한 탄소중립 시나리오와 에너지 기본계획에 토륨 원자로에 대한 직접적인 언급은 없는 것만 봐도 알 수 있다. 원자력의 역할은 일부 포함되어 있지만, 대부분 기존 원자로의 유지 수준에 머물고 있는 와중에 토륨으로까지 시선을 돌릴 여력이 없는 셈이다. 

이유는 자명하다. 현재로선 토륨 원자로에 대한 필요성을 느끼지 못한 때문이다. 동시에 토륨 원자로가 반드시 필요한 기술인지에 대해서도 확신을 가지지 못하고 있는 것 또한 미온적인 태도를 가지게 만드는 배경이다. 핵분열을 직접 일으키지 못하는 특성, 우라늄-233의 군사적 전용 가능성, 상용화까지의 기술 장벽 등 해결해야 할 과제가 적지 않은 상황에서 기술 개발에 매달리는 것 또한 자연스럽지 않다. 

그러나 그런 이유가 토륨 원자로에 대한 관심을 완전히 접어야 할 근거는 되지 못한다. 당장 기술 개발에 매달리지는 않는다 해도 토륨 원자로가 지닌 안전성, 자원 접근성, 폐기물 저감 효과 등은 분명히 들여다볼 필요가 있기 때문이다.