실험용 토륨 용융염 원자로서 원전 연료로 변환
건설비 서방의 1/4 수준, ‘원전 제조업화’로 시장 재편
내몽골 매장량만으로 ‘6만 년’ 전력 공급 잠재력 확보

중국이 차세대 원자력 발전의 게임 체인저로 불리는 토륨 용융염 실험로(TMSR, Thorium Molten Salt Reactor) 기술 검증에 성공하며 에너지 안보의 판도를 뒤흔들고 있다. 중국이 실험한 원자로는 토륨을 고온 액체 상태인 소금(용융염, Molten Salt)과 함께 원자로에 주입해 핵분열을 일으켜 발전하는 원자력 시스템이다. 용융염이 냉각제 역할을 하기 때문에 냉각수를 공급하는 바다 곁에 원자로를 짓지 않아도 된다. 서방에서는 기술적 한계에 부딪혀 포기한 최신 원자로 시스템 개발에 중국이 성공한 것이다.

사막에서 냉각수 없이 운용, 위험성과 폐기물 원천 차단

8일(이하 현지시간) 폴란드 에너지 매체 글로브너지아에 따르면, 최근 중국과학원 상하이 응용물리연구소는 간쑤성 우웨이 실험용 원자로(TMSR-LF1)에서 토륨을 핵분열이 가능한 우라늄-233으로 전환해 실제 가동하는 데 성공했다. 토륨은 자체적으로 핵분열을 일으키지 못하지만, 원자핵에 중성자를 충돌시키면 우라늄-233으로 변환되며, 이 과정이 토륨 용융염 원자로 기술의 핵심 메커니즘으로 작동한다. 이 방식은 내륙 지역에도 원자로 건설이 가능하다는 점에서 입지 제약을 낮추며, 기존 우라늄 기반 원자로 대비 높은 에너지 생산 효율을 기대할 수 있다. 방사성 폐기물 역시 적고 안전성도 더 높다. 이 때문에 4세대 첨단 원자력 시스템으로 꼽힌다.

중국이 이번에 성공한 실험은 토륨 연료 사이클의 핵심인 ‘연료화 실증’이다. 중국이 토륨 기술을 ‘싸게 반복 생산할 수 있는 체계’까지 확보했다는 의미다. 토륨 기반 원전은 완전히 새로운 기술은 아니다. 미국 오크릿지국립연구소의 물리학자들은 1960년대 토륨을 원자로 연료로 사용하는 방안을 연구했다. 이후 테네시주 오크리지국립연구소에서 용융염 실험로를 가동했지만 2년 만에 연구가 사실상 중단됐다. 당시 기술적 해결책을 찾지 못해 결국 연구를 포기한 것으로 알려졌다.

독일도 1980년대 함(Hamm)에 TMSR을 운영한 적이 있다. 현재 제안되는 설계와는 달리 용융염이 아닌 헬륨을 냉각재로 사용한 것이었다. 하지만 1년 정도 가동 후 폐쇄됐다. 용융염을 냉각계통에 순환시키고 핵연료 장전을 앞둔 상태에서 소듐을 액체로 유지하는 데 필요한 비용을 감당할 수 없었던 운영사가 폐쇄를 결정한 것이다. 결과적으로 서방에서 TMSR은 ‘안전하고 효율적이지만 이용 가치가 낮은 기술’로 분류되며 주류에서 밀려났다.

이후에는 규제와 여론이 벽이 됐다. 일본 원전 사고 이후 안전 기준이 강화되면서 새로운 노형을 상용화하기 위해 필요한 시간과 비용이 급격히 늘었고, 그 사이 시장은 이미 표준화된 경수로 체제로 굳어졌다. 물론 아직 TMSR은 연료 주기와 재료 기술, 운영 경험이 부족해 상용화까지 넘어야 할 문턱이 높지만, 인공지능(AI) 확산으로 전력과 열 수요가 폭증하면서 분위기가 달라지고 있다. TMSR은 단순한 발전소가 아니라 데이터센터와 산업단지에 바로 붙일 수 있는 현장형 에너지 허브로서 가치가 재평가되고 있는 상황이다.

우라늄 원전 한계 뛰어넘을 수 있는 기술

이런 가운데 중국은 기술적 문턱을 넘어서며 세계에서 유일하게 토륨 연료를 실제 운용한 국가가 됐다. 그간 중국은 국가 전략 차원에서 TMSR에 장기적으로 투자했다. 중국과학원은 2011년부터 TMSR을 ‘차세대 전략 원자로’로 지정하고 기초 물리, 재료 과학, 연료 주기, 규제 체계, 인력 양성까지 하나의 패키지로 밀어붙였다. 서방 국가들이 여론과 규제에 막혀 개념 연구에 머무는 사이 중국은 실험로부터 출력 확대, 상용로로 이어지는 로드맵을 구축했다.

중국 정부는 2035년까지 100메가와트(㎿)급 시범 발전소를 짓고, 2040년경 상업 운영을 시작한다는 계획이다. 다이즈민(戴志敏) 중국과학원 상하이 응용물리연구소장은 “중국의 토륨 매장량은 우라늄보다 훨씬 많아 이를 효율적으로 활용하면 국가 에너지 안보를 1,000년 이상 보장할 수 있다”며 “핵심 장비는 100% 국산화했다”고 자신감을 보였다. 중국 연구진은 내몽골 지역의 토륨 매장량이 현재 소비량 기준으로 6만 년 수준의 전력 생산 잠재력을 가진 것으로 추산한다. 우라늄 수입 의존도가 높은 중국에 있어 토륨은 전략적 요충지인 셈이다.

토륨 기반 원자력이 차세대 에너지원으로 주목받는 이유는 발전량이 아닌 질적 우수성 때문이다. 우선 토륨의 원재료인 모자나이트(Monazite)는 모래에 풍부하게 존재한다. 지구상에 토륨은 우라늄보다 3~4배 많고 전 세계 매장량만 600만 톤으로, 수천 년간 인류 에너지 수요를 감당할 수 있다. 에너지 효율도 압도적이다. 1톤의 토륨은 200톤의 우라늄과 맞먹고, 석탄 350만 톤과 같은 양의 열을 낼 수 있다. 게다가 현재 경수로는 우라늄의 0.7%만 쓰고 나머지는 버리는 반면, 토륨 용융염 원자로는 토륨-232를 우라늄-233으로 바꿔 연료의 99% 이상을 활용한다.

안전성은 더욱 탁월하다. 기존 경수로는 물을 냉각재로 써서 높은 압력 하에서 운전되기 때문에 냉각 시스템이 손상되면 수증기 폭발이나 냉각수 유출로 이어질 위험이 항상 존재한다. 이에 반해 용융염 원자로는 핵연료를 액체 염에 용해한 상태로, 대기압에 가까운 조건에서 운전이 이뤄진다. 온도가 임계 수준을 넘어설 경우 연료가 포함된 용융염이 자동으로 비상 저장 탱크로 이동하면서 반응이 중단되는 구조다. 이는 전력 공급이 완전히 끊기더라도 원자로 스스로 안전을 확보하는 피동형 안전(Passive Safety) 시스템으로, 노심 용융(Meltdown) 사고의 위험을 사실상 제거한다.

토륨 원자로, 핵추진 쇄빙선 적용도 추진

기술적 진보와 안전성보다 더 위협적인 것은 중국의 압도적인 가격 경쟁력이다. 중국과학원에 따르면 중국의 원전 건설 비용은 1킬로와트(kW)당 평균 2,500달러(약 370만원) 수준이다. 이는 세계 평균인 8,500달러(약 1,280만원)의 30% 수준에 불과하다. 특히 서방 원전의 경우 총비용의 30~50%가 금융 비용과 지연 리스크에서 발생하는 반면, 중국은 국가 주도의 저금리 자금과 표준화 공정으로 이를 최소화했다. 이런 이유로 중국의 TMSR 성공은 우라늄 중심의 기존 공급망을 흔드는 신호탄으로 평가된다. 현재 중국은 압도적인 건설 단가를 앞세워 세계 원전 수출 시장까지 장악하겠다는 의도를 분명히 하고 있다.

중국의 TMSR 야심은 북극 진출과도 맞물려 있다. 2018년 백서에서 스스로를 ‘근접 북극국가’로 규정한 중국은 북극해를 통해 유럽과 연결되는 ‘빙상 실크로드(冰上絲路·Polar Silk Road)’ 구축을 선언했다. 중국의 문제의식은 분명하다. 말라카해협과 수에즈, 파나마운하 등 기존 해상 교통로는 위기 시 서방의 통제력에 노출돼 있다. 에너지 수입의 70% 이상을 해상로에 의존하는 중국으로서는 지정학적 병목을 우회할 대체 항로의 확보가 국가 안보 차원의 과제인데, 북극항로는 이를 충족하는 거의 유일한 선택지로 평가된다.

중국은 TMSR을 핵추진 쇄빙선에 적용해 북극항로를 개척하겠다는 구상이다. 이는 AI 전략과도 긴밀하게 연결된다. 중국은 AI 프로세서 생산을 대폭 늘리고, 주요 국산칩을 위한 데이터센터를 수백 개 규모로 건설했다. AI 연산 능력은 미국에 이어 세계 2위까지 올라섰으나, 막대한 전력 수요가 새로운 병목이 됐다. 현재 중국은 수십 기의 상업용 원전을 운영하지만 원자력 비중은 전체 전력의 4%에 불과하다. 이런 상황에서 TMSR처럼 폐쇄형 연료 사이클을 가진 자체 기술을 확보하면 우라늄 수입 의존을 줄이고 데이터센터 같은 전략 인프라를 제재와 공급 충격으로부터 보호할 수 있다. 칩 기술이 미국보다 한 세대 뒤처지더라도 다수의 칩과 저렴하고 안정적인 전력을 결합하면 AI 역량을 방어할 수 있다는, ‘양으로 질을 제압하는’ 전략이다.