[서울=뉴시스] 구자룡 기자 = 중국이 세계 최초로 실험 가동에 성공했다고 1일 발표한 ‘토륨 용융염 원자로(TMSR)’를 장착한 대형 컨네이터 화물선을 공개됐다고 홍콩 사우스차이나모닝포스트(SCMP)가 5일 보도했다.

◆ 미 핵추진 잠수함과 같은 출력 수준

‘상하이 장난 조선그룹’의 수석 엔지니어 후커이(胡可一)는 지난달 15일자 중국 무역 간행물 ‘선박과 배(Ship & Boat)’에 기고한 글에서 ‘토륨 원자로’를 장착한 컨테이너선의 중요 사양을 공개했다. 이 선박은 표준 운송 컨테이너 1만 4000개를 운반할 수 있다.

이 선박은 미국 해군의 최첨단 씨울프급 핵 공격 잠수함에 사용되는 S6W 가압수형 원자로의 출력 수준과 같다고 SCMP는 전했다.

우라늄을 사용하고 대규모 냉각 시스템과 고압 격납 시설이 필요한 기존 원자로와 달리 핵확산 저항성이 높은 핵연료인 토륨을 사용한다.

가장 중요한 점은 원자로 냉각을 위한 물이 필요 없어 더 작고 조용하며, 안전하다는 것이 특징이다. 이 기술이 대규모로 성공적으로 확대 보급되면 상업 운송에 패러다임 전환을 가져올 수 있다고 SCMP는 전했다.

원자로를 이용한 선박의 개념은 2023년 처음 공개되었지만 기술적인 세부 사항은 거의 공개되지 않았다.

◆ 원자로의 열, 초임계 CO₂ 발전기 통해 50MW 전력 생산

후 연구원에 토륨 원자로에서 생성된 200MW의 열은 브레이튼 사이클을 이용해 초임계 이산화탄소(sCO₂) 발전기에 전력을 공급한다.

브레이튼 사이클은 기존 증기 터빈보다 훨씬 효율적으로 열을 전기로 변환하는 고효율 열역학적 공정이다.

브레이튼 사이클은 압축 가스(이산화탄소)를 극한 온도로 가열한 후 터빈을 통해 팽창시켜 전력을 생산한다.

이 시스템은 50MW의 전력을 생산해 거대한 선박이 수년간 연료 보급 없이 바다를 횡단할 수 있도록 한다. 비상 상황에 대비해 10MW급 예비 디젤 발전기도 탑재된다.

◆ 핵추진선의 노심 용융·방사능 누출 위험 적어

핵추진선에 대한 가장 큰 우려 중 하나는 노심 용융이나 방사능 누출이다. 그러나 후 연구원은 토륨 원자로는 본질적으로 안전하다고 주장했다.

핵의 온도는 섭씨 700도 정도이지만, 강력한 음의 온도 계수 덕분에 온도가 상승함에 따라 반응은 자연스럽게 느려져 폭주 반응이 방지된다고 후 연구원은 설명했다.

두 가지의 수동 붕괴열 제거 시스템도 있다. 원자로 구획 내부의 자연 순환 냉각 시스템과 필요한 경우 용융염을 차폐된 수동 냉각 탱크로 안전하게 배출할 수 있는 비상 배수 시스템이다.

최악의 경우 냉각이 실패하면 용융염 연료가 안전 챔버로 떨어져 굳어 방사성 물질을 가두고 광범위한 오염을 방지한다.

전체 원자로는 10년의 운전 수명을 가진 밀폐형 모듈형 장치로 설계됐다. 이후 재장전 대신 원자로 모듈 전체를 교체하여 누출이나 인적 오류 위험을 크게 줄였다.

후 연구원에 따르면, 고온 운전과 첨단 압축 이산화탄소 전력 사이클 덕분에 열-전기 변환 효율이 45~50%에 달한다. 이는 증기를 사용하는 기존 원자로의 약 33% 효율에 비해 크게 개선된 것이다.

◆ 토륨 상업 선박 운용, 막대한 건조·운용 비용이 과제

토륨은 우라늄보다 안전하고 매장량도 훨씬 풍부한다. 중국은 내몽골에 방대한 토륨 매장량을 보유하고 있다. 이곳의 단일 광산 광미에는 현재 에너지 소비량 기준으로 1000년 이상 전국에 전력을 공급할 수 있는 토륨이 매장되어 있다.

미국은 1960년대 테네시주의 오크리지 국립연구소에 최초의 토륨 원자로를 건설했지만 용융 불화물 염에 의한 파이프 부식 등 기술적 문제로 프로그램이 중단됐다.

중국은 고비 사막에 있는 실험용 토륨 용융염 원자로가 세계 최초로 장기 안정 운전을 달성했다고 1일 발표했다.

아직 해결해야 할 난관도 많다. 후 연구원은 “원자력을 이용한 상선의 자본 비용은 재래식 선박보다 훨씬 높을 것으로 예상된다”고 밝혔다.

높은 건조 비용, 인지된 위험으로 인한 민간 자금 조달의 어려움, 원자력 해상 사고에 대한 제한된 보험 적용 범위, 원자로 유지 관리, 사용 후 핵연료 처리, 퇴역 및 전문 승무원 교육에 대한 지속적인 비용 등이 상업적 장애 요인이다. 

핵연료 자체는 저렴하고 가격도 안정적이지만 경제적 타당성은 장기적인 연료 절감 효과가 막대한 초기 투자와 운영상의 복잡성을 능가할 수 있는지 여부에 달려 있다고 후는 지적한다.

후 연구원은 “상업용 해운 프로젝트는 정부 지원이나 보증이 필요할 수 있다”며 “민간 기업만으로는 막대한 건조 및 운영 위험을 감당할 수 없을 것”이라고 말했다.


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