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원자번호 90번의 원소 토륨(thorium)은 방사성 원소로, 자연에는 거의 전부가 232Th(반감기 140.5억년)로 존재한다. 자연계에 존재하는 방사성 원소 중에서 가장 흔하며, 우라늄보다도 4배나 많이 존재하는데, 방사능이 약해 크게 위험하지는 않다. 흙과 암석에도 미량 들어 있으며, 체내에도 약간 존재한다. 토륨의 자연 방사성 붕괴는 우라늄의 자연 방사성 붕괴와 함께 지구 내부 열의 주된 원천으로 여겨진다. 토륨은 대표적인 희토류 광석인 모나자이트에서 희토류 생산의 부산물로 주로 얻는데, 이전에는 가스등의 그물망(맨틀, mantle), 항공 산업에서의 고온 합금제, 전극과 필라멘트용 텅스텐 합금제, X-선 조영제, 치약 구성 성분, 화학 반응 촉매 등으로 널리 사용되었다. 그러나 방사능에 대한 우려로 이들 용도로의 사용은 크게 줄어든 반면, 토륨을 인공 핵 연료인 우라늄-233으로 전환시켜 원자력 발전의 연료로 사용하려는 토륨 원자력 발전(토륨 핵 연료 사이클)에 많은 관심이 주어지고 있다. 이러한 토륨 원전이 상용화된다면, 이는 우라늄 원전보다 월등히 저렴한 가격으로 수천 년간 사용할 수 있는 핵 연료를 사용하면서, 폐기물에 의한 방사능 위험이 적고 안전하며 핵 무기 확산 가능성도 적은 이상적인 원자력 발전이 될 것으로 기대된다. 토륨의 발견과 역사, 물리·화학적 특성, 생산과 이용, 그리고 토륨 원자력 발전 등에 대해 보다 자세히 알아보기로 하자.

 

 

원자번호 90번, 토륨 토륨(thorium)1)은 원자번호 90번의 원소로, 원소기호는 Th이다. 주기율표에서 악티늄족 원소(actinide 또는 actinoid)의 하나인데, 악티늄족 원소는 원자번호 89번의 악티늄(Ac)에서 103번의 로렌슘(Lr)까지의 15가지 금속 원소들을 말한다. 토륨은 모든 동위원소들이 방사성 붕괴를 하는 방사성 원소로, 납과 비슷하게 무르고 은백색을 띠는 금속이다.

 

원자번호 90번 토륨. 토륨의 이름은 천둥의 신 토르(Thor)에서 왔다.

토륨의 원소정보

 

 

녹는점은 1750oC이고 끓는점은 약 4800oC로, 악티늄족 원소 중에서는 녹는점과 끓는점이 가장 높으며 모든 원소 중에서 액체로 존재하는 온도 범위가 가장 넓다. 밀도는 25oC에서 11.72g/cm3로, 납과 비슷하다. 결정은 낮은 온도에서는 면심입방(fcc) 구조를, 그리고 높은 온도에서는 체심입방(bcc) 구조를 갖는다. 실온에서 산소나 물과 느리게 반응하여 산화토륨(ThO2)이 생성되는데, 이는 보호 피막 역할을 한다. 그러나 공기 중에서 가열하면 흰색 빛을 내면서 타서 전체가 산화토륨이 되고, 분말은 실온에서도 자연 발화할 수 있다. 산화토륨은 모든 산화물 중에서 녹는점(3300oC)이 가장 높다. 수소, 질소, 황, 할로겐 등과도 가열하면 반응한다. 염산(HCl)과 플루오르화수소산(HF)에는 잘 녹으나, 대부분의 다른 산에는 잘 녹지 않으며, 알칼리와도 반응하지 않는다. 화합물에서 가장 흔한 산화 상태는 +4이나, +3의 산화상태를 갖는 화합물들도 알려져 있다.   자연에 존재하는 토륨은 거의 모두가 232Th이다. 이 동위원소는 반감기(t1/2)가 140.5억년으로 매우 길어 태양계가 형성될 때 생성된 것이 아직도 지구 상에 존재한다. 이외에도 여러 토륨 동위원소(질량수 227~231, 234)들이 우라늄과 232Th의 자연 방사성 붕괴 중간 생성물로 생성되어 자연에 극미량 존재한다. 토륨은 지각에 약 12ppm(1.2x10-3%)의 농도로 들어있는 대략 37번째로 풍부한 원소로, 존재량이 납과 비슷하고 우라늄보다는 4배가 많다. 지각에 낮은 농도로 널리 분포되어 있으며, 대부분의 흙과 암석에도 들어있다. 주요 광석은 토라이트(thorite, ThSiO4), 우라노토라이트(uranothorite, (U,Th)SiO4), 토리아나이트(thorianite, (U,Th)O2) 등이다. 희토류 광석인 모나자이트(monazite, 희토류 금속의 인산염 광석)에 보통 2-3% 정도의 농도로 들어 있으며, 지르콘(zircon), 타이타늄석(titanite), 가돌리나이트(gadolinite) 등에도 약간 들어있다. 토륨은 상업적으로는 주로 모나자이트에서 추출해서 얻으며, 우라늄 생산의 부산물로도 얻는다.   토륨과 이의 화합물(주로 산화토륨)은 가스 맨틀(gas mantle, 가스등의 점화구에 씌우는 그물망), 텅스텐과 마그네슘의 고온 합금제, X-선 진단 조영제 등으로 널리 사용되었으며, 독일에서는 1900년대 초반에 치약 성분으로도 사용되었다. 그러나 지금은 방사능 위험 때문에 이들 용도로는 거의 사용되지 않으며, 지금은 화학촉매, 고온세라믹, 아크 용접 전극 첨가제 등으로 산화토륨이 약간 사용된다. 반면, 최근에는 토륨을 원자로에서 우라늄 핵 연료의 대체 물질로 사용하는 것이 여러 나라에서 연구되고 있다. 토륨 원전(네이버캐스터, ‘토륨 원전’ 참조)은 토륨 연료사이클(thorium fuel cycle)에 의한 증식로(소비하는 핵 연료보다 더 많은 핵 분열성 물질을 만드는 원자로)로, 토륨 원전이 실용화된다면, 앞으로 수천 년의 세계 전력 수요를 해결할 것으로 기대되고 있다.

 

 

토륨의 발견과 역사

토륨은 스웨덴 화학자 베르셀리우스(J?ns Jakob Berzelius, 1779~1848)가 1828년에 발견하였는데, 그 과정은 다음과 같다. 그는 1815년에 스웨덴의 파렌(Falun) 지역에서 새로운 광석을 발견하였는데, 그는 여기서 새로운 원소를 발견하였다고 결론짓고 이 원소 이름을 스칸디나비아 신화에 나오는 전쟁과 천둥의 신 토르(Thor)의 이름을 따서 토륨(thorium)으로 지었다. 그러나 10년 후 그가 발견한 물질은 새로운 원소가 아니고 인산이트륨(YPO4)인 것으로 확인되었으며, 그는 자신이 실수를 하였다고 발표하였다. 참고로, 이트륨은 가돌린(Johan Gadolin)에 의해 1789년에 이미 발견되었던 원소이다.   그 후 1828년에 베르셀리우스는 저명한 광물학자인 옌스 에스마르크(Jens Esmark, 1763~1839) 교수로부터 한 검은색 광물을 제공받았다. 이 광물은 목사이자 아마추어 광물학자인 한스 에스마르크(Hans Morten Thrane Esmark, 1801~1882)가 노르웨이에서 발견하여 그의 아버지 에스마르크 교수에게 준 것이었다. 아버지 에스마르크는 이 광석이 이전까지 알려지지 않은 새로운 광석임을 알았으나, 자신이 분석할 수가 없어 이를 베르셀리우스에게 보낸 것이었는데, 이 광석은 오늘날 토라이트(thorite, ThSiO4)로 불리는 것이다. 베르셀리우스는 이 광석에서 새로운 산화물을 얻고, 이의 이름을 이전에 새로운 원소라 잘못 알고 이미 지어놓았던 ‘토륨’을 다시 사용하여, 토륨의 산화물이란 뜻으로 토리아(thoria)로 명명하였다. 그는 또한 토리아에서 염화토륨(ThCl4)을 만들고 이를 포타슘(K)으로 환원시켜 금속 토륨(thorium)을 얻었으며, 이들 결과를 1829년에 발표하였다.

스웨덴 화학자 베르셀리우스(J?ns Jakob Berzelius, 1779~1848)

 

토륨은 발견 이후 상당기간 동안 용도가 없었는데, 1890년에 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach, 1856~1929)가 99% 산화토륨(ThO2)-1% 산화세륨(CeO2)으로 가스 맨틀을 만드는데 처음 사용하였다. 토륨의 방사성 붕괴는 1898년에 독일 화학자 쉬미트(Gerhard Carl Schmidt, 1865~1949)에 의해 처음 관찰되었고, 같은 해에 마리 퀴리에 의해 확인되었는데, 이는 방사성 붕괴가 관찰된 두 번째 원소이다(첫 번째 원소는 우라늄). 아주 순수한 토륨은 1925년에 반아르켈(Anton Eduard van Arkel: 1893~1976)과 드보어(Jan Hendrik de Boer: 1899~1971)가 아이오드화토륨(ThI4) 증기를 뜨거운 텅스텐 필라멘트 위에서 열 분해시켜 얻었다.

 

토륨은 모든 동위원소들이 방사성 붕괴를 하는 방사성 원소로, 납과 비슷하게 무르고 은백색을 띠는 금속이다.

 

 

물리적 성질 토륨은 천연 방사성 금속 원소이다. 천연 토륨의 방사성 붕괴는 우라늄의 방사성 붕괴와 더불어 지구 내부 열의 주된 원천으로 여겨지는데, 토륨은 방사성 붕괴가 느리고 방출되는 열이 적어 이의 취급이나 수송은 큰 문제가 되지 않는다. 아주 순수한 토륨은 무르고 연성이 아주 좋으며 은백색을 띠고 공기 중에서 안정하다. 그러나 토륨은 보통 약간의 산화토륨으로 오염되어 있는데, 이 경우는 공기 중에서 느리게 표면이 흐려지고, 회색을 거쳐 최종적으로는 검게 된다. 결정은 두 가지 구조를 갖는데, 낮은 온도에서는 면심입방(fcc) 구조를 가지나, 1360oC에서 체심입방(bcc) 구조로 전환된다. 녹는점과 끓는점은 각각 악티늄족 원소 중에서는 가장 높은 1750oC와 약 4800oC인데, 액체로 존재하는 온도 범위가 모든 원소 중에서 가장 넓다. 25oC에서 밀도는 11.72g/cm3로, 납(밀도 11.34g/cm3)과 비슷하다. 바닥 상태에서는 2개의 짝짓지 않은 6d전자를 가지고 있으므로, 상자기성(paramagnetic)이다.   동위원소와 방사성 붕괴

토륨-232의 자연 붕괴 사슬(토륨 계열) <출처: Jvandoor at Wikimedia.org>

토륨은 질량수가 209~238인 30가지의 동위원소들이 알려져 있는데 이들은 모두 방사성 동위원소이다. 이들 중에서 자연에 존재하는 것들은 질량수가 227~228, 230~232, 그리고 234인 6가지인데, 천연 토륨은 거의 전적으로 232Th이며 일반적으로 토륨은 이를 말한다. 232Th은 반감기(t1/2)가 지구의 나이보다도 상당히 긴 140.5억 년으로, 지구 생성시 만들어져 지금도 존재하는 원시 동위원소이다. 자연에서 발견되는 나머지 5가지 동위원소는 다른 방사성 원소의 자연 붕괴에 따른 중간 생성물로 극미량 존재하는데, 이들이 발견되었을 당시에는 토륨의 동위원소임이 확인되지 않아 각각 다른 이름이 사용되기도 하였다. 231Th(uranium Y, t1/2=25.5시간)와 227Th(radioactinium, t1/2=18.69일)은 235U에서 시작되는 붕괴 사슬(악티늄 계열)에서 각각 235U의 α붕괴와 227Ac의 β- 붕괴로 생성된다. 234Th(uranium X1, t1/2=24.1일)과 230Th(ionium, t1/2=75380년: 원소기호 Io)은 238U에서 시작되는 붕괴 사슬(우라늄 계열)에서 각각 238U의 α붕괴와 234U의 α붕괴로 생성된다. 228Th(radiothorium, t1/2=1.91년)은 232Th에서 시작되는 붕괴 사슬(토륨 계열, 그림 참조)에서 228Ac의 β- 붕괴로 생성된다. 그리고 229Th(t1/2=7340년)은 인공 방사성 동위원소 241Pu에서 시작되는 붕괴 사슬(넵투늄 계열)에서 233U의 α붕괴로 생성된다. 이들 이외의 동위원소들은 인공적으로 합성된 것들로, 모두 반감기가 1시간 이내이다. 질량수가 230이하인 동위원소들과 232Th는 주로 α붕괴를 하고 라듐(Ra) 동위원소가 되며, 231Th와 질량수가 233이상인 동위원소들은 β- 붕괴를 하고 프로탁티늄(Pa) 동위원소가 된다. 3가지(216m1Th, 216m2Th, 229mTh) 핵 이성체들이 알려져 있는데, 이 중 반감기가 가장 긴 것은 229mTh(반감기 약 5시간)이다. 229mTh는 내부 전이를 통해 229Th로 붕괴하는데, 핵 이성체로는 가장 낮은 에너지(7.8eV)를 갖고 있으며, 229Th에 진공 UV 영역의 레이저를 쪼여 생성시킬 수 있다.

 

 

화학적 성질

금속 토륨은, 더 무거운 다른 악티늄족 원소들 보다는 작으나, 비교적 전기양성적이고 화학 반응성이 있다. 실온에서는 산소나 물과 느리게 반응하여 산화토륨(ThO2) 보호 피막을 형성하나, 공기 중에서 가열하면 흰색 빛을 내면서 타서 전체가 산화토륨이 되고, 분말은 실온에서 자연 발화할 수도 있다. 산화토륨은 모든 산화물 중에서 녹는점(3300oC)이 가장 높다. 가열하면 수소, 질소, 황, 할로겐 등 대부분의 비금속 원소들과 반응한다. 염산(HCl)이나 플루오르화수소산(HF)에는 잘 녹으나, 대부분의 다른 산에는 잘 녹지 않으며, 알칼리와도 반응하지 않는다. 소량의 플루오르화 이온(F-)이 포함된 진한 질산(HNO3)에는 녹는다. 화합물에서 가장 흔한 산화 상태는 +4이나, +3의 산화상태를 갖는 화합물들도 알려져 있다. pH 3 이하의 수용액에서 Th4+는 무색의 [Th(H2O)8]4+로 존재하며, 잘 가수분해되지 않는다. 토륨 염들은 대체로 물이나 극성 유기 용매에 잘 녹으나, 인산염, 옥살산염 등은 물이나 산 용액에도 잘 녹지 않는다. 토륨은 탄소-수소(C-H) 결합을 활성화시키는 것으로 알려져 있다. 한편, 토륨 원자는 원소 중에서 가장 많은 수의 결합을 가질 수 있는데, 테트라키스아미노다이보렌 토륨(thorium tetrakisaminodiborane, Th[H3BN(CH3)2BH3]4)에서는 토륨이 무려 15개의 수소 원자들과 결합을 하고 있다. Th4+/Th, Th4+/Th3+, ThO2/Th의 표준 환원 전위(Eo)는 다음과 같다.

토륨의 바닥상태 전자배치 <출처 : DePiep at Wikimedia.org>

 

 

 

 

  

토륨의 생산 지금은 토륨을 주로 모나자이트에서 희토류 금속 생산의 부산물로 얻는다. 일부 국가에서 산출되는 모나자이트에는 ThO2가 20%까지 들어 있으나, 보통은 2-3% 정도 포함되어 있다. 토륨의 수요가 충분히 늘어나면 토륨 함량이 더 높은 광석, 예로 토라이트(thorite) 등이 토륨 생산에 사용되리라 예상된다.

 

모나자이트(monazite) 분말. 토륨은 상업적으로는 모나자이트에서 희토류 금속 생산의 부산물로 얻는다.

모나자이트에서 토륨을 분리하는 방법은 여러 가지가 있는데, 보통 산 또는 알칼리 처리에서 출발한다. 산 처리 방법에서는 분쇄된 광석을 120~150oC에서 진한 황산으로 수시간 처리하여 토륨과 희토류 원소의 수용성 황산염을 만든 다음 이 용액을 여과하여 녹지 않은 찌꺼기를 제거한 후, 여액에 가성소다(NaOH)를 가해 pH를 3~4로 높이면 토륨이 수화된 산화물(ThO2·H2O 또는 Th(OH)4) 형태로 침전된다. 이를 여과하여 회수한 후 질산에 녹이고 유기용매로 추출하여 질산토륨 형태로 정제한다. 알칼리 처리 방법에서는 광석을 140oC에서 45% NaOH 수용액으로 처리한 후 80oC에서 여과하여 금속 수산화물의 혼합물을 얻는다. 이를 물로 씻은 후 진한 염산(HCl)에 녹이고 알칼리로 중화시키면 Th(OH)4가 얻어지는데, 여기에는 약 3%의 희토류 금속 수산화물이 함께 들어있다. 이를 앞서의 방법으로 정제하여 질산토륨을 얻는다. 질산토륨을 녹이고 암모니아 등의 알칼리를 첨가하면서 pH를 잘 조절하면 순수한 Th(OH)4가 침전으로 얻어지며, 이를 회수하여 가열하면 순수한 ThO2를 얻을 수 있다.

 

 

ThO2에서 금속 토륨을 얻는 방법에는 여러 가지가 있는데, 뜨거운 ThO2를 염소 기체와 반응시켜 염화토륨(ThCl4)으로 전환시키고 이를 아르곤 기류 하에서 알칼리 금속이나 Ca 또는 Mg와 같은 알칼리 토금속으로 환원시켜 얻거나, 염화아연(ZnCl2)과 혼합한 후 Ca으로 환원시켜 얻는다. 또는 ThCl4를 700~800oC의 용융 NaCl/KCl에 넣고 흑연 도가니를 사용하여 전기분해시켜 얻기도 한다. 아주 순수한 금속 토륨은 아이오드화토륨(ThI4) 증기를 1200~1400oC의 텅스텐 필라멘트 위에서 열 분해시키면 얻을 수 있는데, 이 공정을 결정바 공정(crystal bar process), 아이오드화 공정(iodide process), 또는 발명자의 이름을 따서 반아르켈-드보어 공정(van Arkel-de Boer process) 등으로 부른다. 이 공정은 토륨 이외에도 순수한 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 프로탁티늄(Pa) 등을 얻는데도 사용된다.   전세계 토륨 생산량은 정확하게는 파악되지 않고 있으며, 자료에 따라 연간 5000 ~30,000톤으로 추정되고 있다. 전세계 광석 매장량도 조사 기관에 따라 추정치가 다른데, 2011년 미국지질조사국(USGS)은 경제성이 있는 전세계 광석 매장량이 약 191.3만 톤이고, 인도(96.3만 톤), 미국(44만 톤), 호주(30만 톤), 캐나다(10만 톤) 등에 많이 매장되어 있는 것으로 추정하였다. 한편 2005년 국제원자력기구(IAEA)는 전세계 매장량이 280만 톤이고, 인도(51.9만 톤), 호주(48.9만 톤), 미국(40만 톤), 터키(34.4만 톤), 베네수엘라(30.2만 톤), 브라질(30.2만 톤) 등에 많이 매장되어 있는 것으로 추정하였다. 미국이 수입하는 토륨 화합물의 평균 가격은 ThO2로 환산하여 2012년에 미화 $68/kg이었는데, 이 가격은 1990년 이후 큰 변동이 없다. 토륨 원전을 주장하는 원자력 산업계는 수요가 늘어 대량 생산이 된다면, 토륨 가격이 $10/kg 선 까지 내려갈 수 있다고 전망한다.

 

 

토륨의 용도 토륨과 토륨 화합물은 가스등 맨틀, 항공기용 고온 합금제, 특수 광학 유리 재료, 화학 반응 촉매, 전극 재료 첨가제, 치약 성분, X-선 진단용 조영제 등으로 다양하게 사용되었다. 그러나 최근에는 자연 방사능 성질에 따른 위험 때문에 이들 사용이 크게 줄어든 반면, 새로운 유형의 원자력 발전 연료로 많이 주목 받고 있다.

 

가스 맨틀. 불꽃에서 가열되면 밝은 빛을 내는 그물망인 가스 맨틀은 최근까지도 주로 산화토륨으로 이루어져 있었다. <출처: (cc) Arnoldius at Wikimedia.org>

 

 

금속과 합금 토륨은 마그-토르(Mag-Thor)라 불리는 마그네슘 합금의 한 성분이다. 이 합금은 가볍고 높은 온도에서도 강도와 크리프 저항(creep resistance: 고체 재료가 장기간의 외부 힘에 의한 변형에 저항하는 성질)이 크기 때문에 항공기 엔진, 로켓, 미사일 등에 사용되었으나, 토륨 방사능에 대한 우려와 대체 합금의 개발로 사용이 중단되었다. 한편, 토륨은 산화물 형태로 비활성기체 텅스텐 아크 용접(inert gas shielded tungsten arc welding, tungsten inert gas arc welding, TIG welding) 전극에 1~2% 첨가되어 사용되는데, 이는 텅스텐의 고온 강도와 아크의 안정성을 향상시킨다. 또한 산화토륨이 첨가된 텅스텐은 전자 방출 특성이 좋아 열 음극(hot cathode), 광전관, 방전관의 전극으로 사용되며, 백열등의 텅스텐 필라멘트에도 보통 산화토륨이 입혀져 있다. 또한, 토륨이 첨가된 텅스텐은 전자 오븐과 레이더 발진기의 필라멘트로도 사용된다.   화합물 가장 널리 사용되는 토륨 화합물은 산화토륨(ThO2)인데 앞에서 언급된 텅스텐 합금제 외에도 여러 용도로 사용된다. ThO2를 주성분으로 하는 가스등 맨틀은 1890년에 개발되어 가스등, 석유등 등에 최근까지도 널리 사용되었으나 지금은 이트륨 화합물로 대체되었다. 한편, ThO2가 첨가된 유리는 굴절율이 높고 빛 분산력이 작은 장점이 있기 때문에 40%까지 ThO2가 포함된 유리가 제조되어 고급 렌즈와 과학기기에 사용된다. 또한 ThO2는 녹는점이 3390oC로 아주 높기 때문에 고온용 도가니(crucible) 재료로도 사용된다. 토로트래스트(Thorotrast)라 불리는 ThO2 콜로이드 용액은 1930~40년대에 X-선 진단용 조영제로 사용되었는데, 체내 잔류 기간(체내 반감기 22년)이 길고 방사선에 의한 발암 위험이 있어 지금은 황산 바륨(BaSO4)으로 대체되었다. ThO2는 또한 여러 화학반응에서 촉매로 사용되는데, 다이카르복실산(HOOC-R-COOH)을 고리형 케톤으로 전환시키는 반응(Ruzicka large-ring synthesis), 석유 분해 반응, 암모니아를 질산으로 산화시키는 반응, 황산 제조 반응 등에 촉매로 사용된다. 또 ThO2를 분산시킨 니켈(Ni)은 연소 엔진에 사용되고, 수소를 포획하는데도 사용될 수 있다. 한편, 플루오르화토륨(ThF4)은 다층 광학 코팅에서 반사방지 물질로 사용되는데, 가시광선과 적외선을 잘 통과시킨다.   토륨 핵연료 사이클: 토륨 원전 자연에 존재하는 토륨(232Th)은 핵분열이 되지 않는 물질로, 직접 핵 연료로 사용할 수는 없으나 적당한 중성자원이 있으면 이를 핵분열이 될 수 있는 233U로 전환시켜 핵연료로 사용할 수 있다. 이는 천연 우라늄(U)의 99.274%를 차지하나 핵 분열이 되지 않는 238U가 직접 핵 연료로 사용될 수는 없으나, 이것이 중성자를 흡수하면 핵 분열이 될 수 있는 플루토늄-239(239Pu)으로 전환되어 핵연료로 사용될 수 있는 것과 유사하다. 232Th에서 233U로의 전환 과정은 다음과 같다.

 

 

233U는 중성자에 의해 핵분열이 되고 이때 나오는 중성자는 다시 232Th를 233U로 전환시키는데 이용될 수 있다. 그러나 233Pa와 233U의 일부는 중성자를 흡수하여 234Pa와 234U가 되는데, 이들은 핵 분열이 되지 않는다. 따라서 토륨 핵연료 사이클을 이용하는 반응로에서는 사이클에 필요한 중성자 수가 233U의 핵 분열에서 방출되는 중성자의 수보다 많아 연쇄반응을 일으키기 위해서는 중성자가 따로 투입되어야 한다. 232Th를 233U로 전환시키는 과정을 토륨 핵연료 사이클(thorium nuclear fuel cycle) 또는 토륨?우라늄 연료 사이클(uranium-thorium nuclear fuel cycle)이라 하며, 이 과정을 이용하여 232Th를 연료로 사용하는 원자력 발전을 토륨 원전이라 부른다.   토륨 원전은 지각에 존재하는 양이 우라늄보다 4배나 많은 토륨을 사용하는데, 1톤의 토륨에서 천연 우라늄 200톤에서와 맞먹는 에너지를 얻을 수 있다. 더욱이 천연 토륨은 다른 동위원소가 없어 농축 과정이 필요하지 않기 때문에 연료 가격이 농축 우라늄(천연 우라늄에서 235U의 농도를 연쇄 반응이 일어날 수 있을 정도로 농축시킨 우라늄)에 비해 월등히(약 1/30~1/100 이하) 싸며, 자체적으로는 연쇄 핵분열이 일어나지 않아 안전하고, 핵 무기로 사용될 수 있는 다른 핵 종(우라늄 원전에서는 239Pu이 생성됨)도 거의 생성되지 않는데다가 일부 생성되는 것도 분리가 매우 어려워 핵 무기 확산의 우려가 거의 없다. 그리고 방사성 핵 폐기물 생성량도 우라늄 원전에 비해 약 1/30로 적으며, 사용 후 핵 연료의 위험한 방사선 방출 기간도 400~500년으로 우라늄 폐 연료의 수천 년에 비해 매우 짧다.

 

토륨 원자로. 토륨은 우라늄보다 더 풍부하고 안전하며 깨끗한 핵 연료로 부각되고 있다.

 

 

이러한 다양한 장점에도 불구하고, 토륨 원전이 아직 상용화되지 못했는데, 이에는 극복하고 해결해야 할 몇 가지 문제점들이 있기 때문이다. 첫째는 우라늄과 달리, 천연 토륨에는 핵 분열될 수 있는 동위원소가 없기 때문에 핵연료 사이클에 필요한 중성자 방출원, 예로 233U, 235U, 또는 플루토늄을 따로 첨가해야 한다는 것인데, 이를 우회하기 위해 양성자 가속기에서 중성자를 만들어 투입하는 것이 제안되기도 하였다. 두 번째는 핵 연료로 사용되는 산화토륨의 녹는점이 높아 가공이 어렵다는 것인데, 이는 플루오르화토륨(ThF4)을 용융염 반응로의 핵연료로 사용함으로써 많이 완화되었다. 이외에도 여러 기술적 문제들이 남아있다. 캐나다, 중국, 독일, 인도, 네덜란드, 미국, 영국 등이 토륨 원자로를 시험하였으며, 인도는 이의 상용화를 적극 추진하고 있다. 토륨 원전이 상용화된다면, 전력을 아주 오랫동안 값싸고 안전하게 얻게 되리라 기대되고 있다.

 

 

토륨 화합물 토륨은 주로 +4가 상태의 화합물을 만드는데, 몇 가지 +3가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 가장 중요한 화합물은 산화토륨(ThO2)이며, 플루오르화토륨(ThF4)과 토륨 염들도 가끔 사용된다.   산화토륨 토륨의 산화물은 산화토륨(이산화토륨, ThO2)이 유일한데, 이는 흰색의 결정성 분말로 과거에는 토리아(thoria) 또는 토리나(thorina)로 불렸다. 산화토륨은 금속 토륨을 산소와 반응시켜 얻으며, 상업적으로는 희토류 원소와 우라늄 생성의 부산물로 얻는다. 녹는점은 3390oC로, 알려진 산화물 중에서 가장 높다. 물과 알칼리에 녹지 않고 산에는 약간 녹으나, 플루오르화 이온(F-)을 소량 첨가하면, F-가 촉매로 작용하여 산에 더 잘 녹게 된다. 텅스텐에 0.8~1%의 비율로 첨가하면 텅스텐을 안정화시킨다. 용도 항에서 소개된 여러 용도로 쓰이며, 토륨 원전의 연료로 사용될 수도 있다.

 

토로트라스트(thorotrast). 산화토륨(ThO₂)의 콜로이드 용액인 토로트라스트는 X-선 진단용 조영제로 사용되었으나, 지금은 방사능에 의한 발암성 때문에 황산바륨으로 대체되었다. (wiki/thorotrast 아래 사진)

 

 

할로겐화물 토륨의 할로겐 화합물로는 ThX4(X=F, Cl, Br, I)와 ThI3가 알려져 있다. ThF4는 ThO2를 HF와 반응시키거나 금속 Th를 F2 기체와 반응시켜 얻을 수 있는데, 녹는점이 1110oC이고 끓는점이 1680oC인 흰색의 흡습성 결정이다. 500oC이상에서는 공기중의 습기와 반응하여 ThOF2가 된다. 광학 물질의 반사 방지 코팅과 강한 빛을 내는 탄소 아크등 제작에 사용되었으며, 토륨 원전의 핵 연료로도 사용될 수 있다. ThCl4는 Th를 Cl2와 반응시키거나 또는 ThO2를 CCl4를 비롯한 염소화 탄화수소와 반응시켜 얻을 수 있다. 흡습성의 회백색 침상 결정으로, 녹는점은 770oC이고 끓는점이 921oC이다. 물에 녹아 [ThCl2]2+와 2Cl-로 해리되며 알코올에도 녹는다. ThBr4는 ThCl4와 유사한 방법으로 합성되며, 흡습성의 백색 침상 결정으로, 녹는점은 679oC이고 끓는점이 725oC이며, 물과 알코올에 잘 녹는다. ThI4는 고온에서 Th 금속에 I2의 증기를 통과시켜 얻으며, 승화로 정제할 수 있다. 녹는점은 570oC이고 끓는점이 837oC인 연노랑색의 결정으로, 아주 순수한 금속 토륨을 얻는데 사용된다. 빛과 열에 의해 분해되며, Th와 가열하면 ThI3가 된다. ThI3는 746oC에서 β-ThI2가 되고, β-ThI2는 864oC에서 금속 토륨과 I2로 분해된다.   토륨염 토륨염은 ThO2나 Th(OH)4를 산에 녹이면 얻을 수 있다. 질산염, 할로겐화물(ThF4제외), 황산염, 과염소산염 등은 물에 잘 녹으나, 인산염, 옥살산염, 탄산염 등은 물에 잘 녹지 않으며, 수화물로 물에서 침전된다. 질산토륨(Th(NO3)4) 용액은 가스 맨틀에 스며드는 액체로 사용되었다.

 

 

생물학적 역할, 독성, 주의 사항 토륨은 방사성 원소로 생물학적 역할은 없다. 식물은 뿌리를 통해 흙 속의 토륨을 흡수할 수 있으며, 채소에는 건조 무게의 약 5~10 ppb (1 ppb=1x10-7%)의 비율로 토륨이 들어있다. 사람은 음식물을 통해 하루에 평균 약 3 마이크로그램(μg)(1μg =1x10-6g)의 토륨을 섭취하는데, 이중의 0.02%만 흡수되며, 흡수된 토륨의 약 3/4은 골격에 축적된다. 체내에 있는 토륨 양은 약 40 밀리그램(mg)으로, 혈액에 0.2 ppb, 뼈에 2~12 ppb농도로 들어있는 것으로 추정된다. 토륨 분말은 공기 중에서 자연 발화할 수 있으므로 주의해야 한다. 토륨의 자연 방사성 붕괴는 아주 느리고, 이에서 방출되는 α입자는 피부를 투과하지 않으므로 자연에서의 토륨이 건강에 미치는 위험은 거의 없다. 토륨 화합물은 약한 독성을 나타내는 것으로 여겨지는데, 이를 취급하는 사람은 가끔 피부염을 일으키고, 장기간 노출된 사람은 암에 걸릴 확률이 높아지며, 특히 토륨을 포함하는 공기에 노출되면 폐암 등이 유발될 수 있다고 알려져 있다.

 

 

 

1. 수치로 보는 토륨

   자연계에 존재하는 토륨 동위원소는 거의 전부가 ²³²Th인데, 이의 반감기는 140.5억년이다. 표준 원자 질량은 232.03806 g/mol이며, 원자의 바닥상태 전자배치는 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d¹⁰5s²5p⁶4f¹⁴5d¹⁰6s²6p⁶6d²7s²([Rn]6d²7s²)이다. 지각에는 약 12 ppm(1.2x10^-3%)의 무게 비로 들어있고 대략 37번째로 풍부한 원소로, 존재량이 우라늄보다 4배가 많다. 녹는점은 1750^oC, 끓는점은 약 4800^oC, 25^oC에서의 밀도는 11.72 g/cm³이다. 녹음열과 증발열은 각각 13.8 kJ/mol과 514 kJ/mol이다. 화합물에서는 주로 +4의 산화 상태를 가지나, +3가 상태의 화합물들도 알려져 있다. 첫 번째, 두 번째, 세 번째 이온화 에너지는 각각 587 kJ/mol, 1110 kJ/mol, 1930 kJ/mol이며, 폴링의 전기음성도는 1.3이다. 낮은 온도에서는 면심입방구조를 하며 1360^oC에서 체심입방 구조로 전환된다. 전기 비저항은 0^oC에서 147 nΩ·m이다. 원자반경은 180 pm이고, 6배위된 Th⁴⁺의 이온반경은 94 pm이며, Th⁴⁺/Th와 Th⁴⁺/Th³⁺ 표준 환원 전위는 각각 -1.899 V와 -3.8 V이다. 전세계 연간 생산량은 5000톤 이상이고 광석 매장량은 대략 200만~300만 톤으로 추정된다. 미국이 수입하는 토륨 화합물의 평균 가격은 ThO₂로 환산하여 2012년에 미화 $68/kg이었다.

 

 

글 박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.