토륨은 우라늄에 비해 풍부한 자원으로서의 가치와 핵분열 물질인 U233을 증식하고, 장주기 액티나이드 핵종 발생이 감소하는 특성으로 인해 원자력 연구개발 초기부터 우라늄 주기와 함께 주요 연구대상이었다. 하지만 토륨은 자체적으로 핵분열이 불가능하므로 에너지원으로 활용하기 위해서는 별도의 외부 중성자원이 필요하고, 토륨 주기 과정에서 고방사성 물질이 발생하며, 효과적인 증식을 위해서는 긴 시간의 중성자 조사가 필요했다. 이에 따른 기술적 어려움과 연구개발 필요성의 감소로 1970년대 중반 이후 토륨 관련 연구가 거의 중단되었다. 하지만 1990-2000년대에 에너지 자원에 대한 사회적 시각 변화와 외부 중성자 공급원으로 이용하는 가속기 구동 원자로의 출현으로 과거 토륨주기의 단점으로 지목되었던 성질들이 오히려 핵확산 저항성과 감시성을 높이고, 가속기 구동 원자로의 미임계 운전 특성에 의한 원자력 안전성 증대라는 장점으로 부각되어 토륨에 관한 연구가 세계적으로 활발히 추진되고 있다. 본 연구에서는 토륨주기의 장단점을 우라늄주기와 비교, 분석하고 가속기 구동형 원자로를 이용한 토륨 연구의 기술 현황을 분석한다.
토륨은 우라늄에 비해 풍부한 자원으로서의 가치와 핵분열 물질인 U233을 증식하고, 장주기 액티나이드 핵종 발생이 감소하는 특성으로 인해 원자력 연구개발 초기부터 우라늄 주기와 함께 주요 연구대상이었다. 하지만 토륨은 자체적으로 핵분열이 불가능하므로 에너지원으로 활용하기 위해서는 별도의 외부 중성자원이 필요하고, 토륨 주기 과정에서 고방사성 물질이 발생하며, 효과적인 증식을 위해서는 긴 시간의 중성자 조사가 필요했다. 이에 따른 기술적 어려움과 연구개발 필요성의 감소로 1970년대 중반 이후 토륨 관련 연구가 거의 중단되었다. 하지만 1990-2000년대에 에너지 자원에 대한 사회적 시각 변화와 외부 중성자 공급원으로 이용하는 가속기 구동 원자로의 출현으로 과거 토륨주기의 단점으로 지목되었던 성질들이 오히려 핵확산 저항성과 감시성을 높이고, 가속기 구동 원자로의 미임계 운전 특성에 의한 원자력 안전성 증대라는 장점으로 부각되어 토륨에 관한 연구가 세계적으로 활발히 추진되고 있다. 본 연구에서는 토륨주기의 장단점을 우라늄주기와 비교, 분석하고 가속기 구동형 원자로를 이용한 토륨 연구의 기술 현황을 분석한다.
The production of nuclear energy from thorium which is non-fissile material was a main issue until the middle of 1970's, because of the thorium's abundance as energy resources, its capability of breeding fissile material U233, and the reduction of long-lived actinides. However, to use thorium as nuc...
The production of nuclear energy from thorium which is non-fissile material was a main issue until the middle of 1970's, because of the thorium's abundance as energy resources, its capability of breeding fissile material U233, and the reduction of long-lived actinides. However, to use thorium as nuclear fuel, some obstacles such as the necessities of external neutron source and long-term neutron irradiation for effective breeding, and the production of high radioactive isotopes in the course of thorium breeding cycle should be overcome. The difficulties to resolve these cons of thorium cycle became the reason of interruption of the related researches in the middle of 1970's. But in the 21st century, the change of societal perspective regarding nuclear energy and the appearance of accelerator-driven nuclear reactor shift those cons into pros and rehabilitate the study of thorium. The high activity of thorium cycle turned out to be a good option as higher resistance and easier detectibility of nuclear proliferation and the employment of subcritical accelerator-driven reactor as external neutron sources is considered to enhance the nuclear safety. In this study we compare the thorium cycle with the currently-used uranium cycle and analyze the technical status and perspective of thorium researches which use accelerator-driven reactors.
The production of nuclear energy from thorium which is non-fissile material was a main issue until the middle of 1970's, because of the thorium's abundance as energy resources, its capability of breeding fissile material U233, and the reduction of long-lived actinides. However, to use thorium as nuclear fuel, some obstacles such as the necessities of external neutron source and long-term neutron irradiation for effective breeding, and the production of high radioactive isotopes in the course of thorium breeding cycle should be overcome. The difficulties to resolve these cons of thorium cycle became the reason of interruption of the related researches in the middle of 1970's. But in the 21st century, the change of societal perspective regarding nuclear energy and the appearance of accelerator-driven nuclear reactor shift those cons into pros and rehabilitate the study of thorium. The high activity of thorium cycle turned out to be a good option as higher resistance and easier detectibility of nuclear proliferation and the employment of subcritical accelerator-driven reactor as external neutron sources is considered to enhance the nuclear safety. In this study we compare the thorium cycle with the currently-used uranium cycle and analyze the technical status and perspective of thorium researches which use accelerator-driven reactors.
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문제 정의
하지만 자연계에서 유일한 동위원소로 존재하는 Th232가 핵분열 물질이 아니라는 기본적인 한계성 때문에 토륨 관련 연구는 대부분 중단되었고 1990-2000년대에 접어들며 가속기와 결합된 미임계로(subcritical reactor)의 형태로 다시 연구가 시작되었다. 본 연구에서는 우라늄 주기와 비교하여 토륨 주기의 장단점을 주로 노물리 관점에서 분석한다. 이를 바탕으로 과거 토륨 연구가 활발히 진행되다가 중단되었고, 근래에 다시 연구가 시작된 기술적, 사회적 배경을 요약하여 설명하고 이를 바탕으로 국내 토륨 관련 연구의 방향을 제시하는데 기여하고자 한다.
본 연구에서는 우라늄 주기와 비교하여 토륨 주기의 장단점을 주로 노물리 관점에서 분석한다. 이를 바탕으로 과거 토륨 연구가 활발히 진행되다가 중단되었고, 근래에 다시 연구가 시작된 기술적, 사회적 배경을 요약하여 설명하고 이를 바탕으로 국내 토륨 관련 연구의 방향을 제시하는데 기여하고자 한다.
대상 데이터
자연계에 존재하는 핵분열 물질은 U235이며 현재의 상용 원자로는 핵분열이 가능한 U235를 주요 핵연료로 사용하고 있다. 하지만 U235는 전체 우라늄의 0.
이론/모형
하지만 최선의 증식을 위한 핵연료 재배치, 제어봉에 의한 중성자 흡수를 막기 위한 핵연료 자체 이동에 의한 제어 방식 등의 문제점 등으로 기존 PWR의 전면적인 개조가 불가피하여 경제성이 없는 것으로 판명되었다. 미국 GA(General Atomic)에서 개발한 HTGR의 경우도 Th/U233 체계를 이용하였다. 그러나 운전 초기에 U235를 장전해야 함은 물론 운전 중에도 임계유지를 위해 정기적으로 U235를 보충해야 한다.
성능/효과
Table 3은 1300MWe PWR에 대해 우라늄과 토륨의 핵연료에 대한 액티나이드 생성을 계산한 결과이다. 연소도가 증가함에 따라 액티나이드 생성도 증가하는 것을 볼 수 있고, 핵연료 물질의 원자번호가 작을수록 액티나이드 생성이 현저히 감소하여 U233/Th232의 경우 가장 작은 값을 보인다. 이러한 특성은 U233/Th232 핵연료 주기의 장점 중 하나이다.
천연 토륨의 경우 천연 우라늄 또는 회수 우라늄(depleted uranium)에 비해 초기에는 매우 적은 에너지를 생산한다. 이러한 결과는 U238의 고속 핵분열 효과가 Th232에 비해 크고, 고속 중성자에 대해 Th232의 (n, 2n) 반응이 증가하며, U233의 핵분열 생성물질이 U235의 핵분열 생성물질에 비해 중성자 흡수가 작아지는 점 등, 모든 가능한 핵반응을 고려하여 계산한 결과이다. 토륨에 U235를 소량 첨가한 경우(spiked thorium) 초기 에너지 방출량이 증가한다.
Figure 8은 U233의 1KeV까지의 핵분열 단면적을, Figure 9는 그 이상의 에너지에 대한 U233, U235, Pu239의 핵분열 단면적을 보인다. 전체적으로 U233의 핵분열 단면적이 다른 두 핵종에 비하여 크다는 것을 알 수 있다. Figure 10은 U233, U235, Pu239의 중성자 흡수 당 중성자 방출수를 나타내는 η값을 보여 준다.
이 원자로는 Th/U233체계를 가지는데, 이는 U238/Pu239 체계와 달리 열중성자 영역에서 증식이 가능하여 고속로에서 요구되는 고난도 기술개발 없이 기존의 LWR을 증식로로 개조하려는 의도에서 시작되었다. 하지만 최선의 증식을 위한 핵연료 재배치, 제어봉에 의한 중성자 흡수를 막기 위한 핵연료 자체 이동에 의한 제어 방식 등의 문제점 등으로 기존 PWR의 전면적인 개조가 불가피하여 경제성이 없는 것으로 판명되었다. 미국 GA(General Atomic)에서 개발한 HTGR의 경우도 Th/U233 체계를 이용하였다.
후속연구
우라늄에 비해 토륨이 지각에 더 많이 존재하지만 확인된 가채 매장량은 우라늄에 비해 적은데 이는 우라늄이 핵연료 자원으로 활발히 거래되는 점에 비해 토륨은 자원의 활용도가 낮아 아직 에너지원으로서의 토륨 시장이 형성되지 않았기 때문이다. 향후 토륨이 핵연료로 사용되면 가채 매장량은 급격히 증가할 것으로 판단된다. 조사시기와 조사기관에 따라 차이가 크지만 조사된 토륨의 추정 매장량은 120만톤~280만톤 정도이며 1999년과 2011년에 발표된 국가별 추정량은 Table 1과 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연 토륨의 경우 천연 우라늄 또는 회수 우라늄(depleted uranium)에 비해 초기에는 매우 적은 에너지를 생산하는데, 그 이유는 무엇인가?
천연 토륨의 경우 천연 우라늄 또는 회수 우라늄(depleted uranium)에 비해 초기에는 매우 적은 에너지를 생산한다. 이러한 결과는 U238의 고속 핵분열 효과가 Th232에 비해 크고, 고속 중성자에 대해 Th232의 (n, 2n) 반응이 증가하며, U233의 핵분열 생성물질이 U235의 핵분열 생성물질에 비해 중성자 흡수가 작아지는 점 등, 모든 가능한 핵반응을 고려하여 계산한 결과이다. 토륨에 U235를 소량 첨가한 경우(spiked thorium) 초기 에너지 방출량이 증가한다.
핵원료 물질이란?
7 w/o에지나지 않으므로 자원의 한계성을 갖는다. 자연계에는 직접 핵분열을 일으키지는 않으나, 중성자를 흡수하여 여러 단계의 방사붕괴를 거쳐 핵분열 물질을 생산할 수있는 물질이 있는데 이를 핵원료 물질이라 한다. 핵원료 물질에서 핵분열 물질을 생성하는 과정을 증식이라 하는데, 증식이 가능한 핵연료주기에는 U238에서 핵분열 물질인 Pu239를 생산하는 우라늄주기(uranium cycle)와 Th232에서 핵분열 물질인 U233을 생산하는 토륨주기 (thorium cycle)가 있다.
증식이란?
자연계에는 직접 핵분열을 일으키지는 않으나, 중성자를 흡수하여 여러 단계의 방사붕괴를 거쳐 핵분열 물질을 생산할 수있는 물질이 있는데 이를 핵원료 물질이라 한다. 핵원료 물질에서 핵분열 물질을 생성하는 과정을 증식이라 하는데, 증식이 가능한 핵연료주기에는 U238에서 핵분열 물질인 Pu239를 생산하는 우라늄주기(uranium cycle)와 Th232에서 핵분열 물질인 U233을 생산하는 토륨주기 (thorium cycle)가 있다. 우라늄주기는 주로 고속증식로의 핵연료로 사용하기 위해 지금까지도 지속적으로 연구되고 있으며, 토륨 주기는 원자력 연구개발 초기단계인 1950년대부터 1970년대 이전까지는 우라늄 주기와 더불어 여러 국가에서 납냉각로, 용융염로, 중수로, 고온가스로 등의 핵연료 물질로 활발히 연구되었다.
참고문헌 (23)
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