토륨

토륨은 악티늄 계열의 방사성 금속 원소로써, 원소 기호는 Th, 원자 번호는 90이다. 악티늄 계열의 토륨은 우라늄(U)과 함께 오래전부터 다량으로 존재하는 방사성 원소이며 방사능과 무관하게 이용되는 주요 원소이기도 하다. 핵 원자로에서 우라늄을 대체할 수 있다고 예측되지만 아직은 극히 일부만이 토륨 반응기를 사용한다.

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토륨은 1828년 노르웨이의 수도승이자 광물학자였던 에스마크(Morten Esmark)가 검은 광물을 발견하여 부친인 오슬로 대학의 에스마크(Jens Esmark) 교수에게 보냈다. 지금까지 알려진 그 어떤 광물도 아님을 알아내었지만, 분석을 할 수 없었던 그는 당시 유명했던 스웨덴 화학자인 베르셀리우스(Berzelius)에게 의뢰하여 새 원소의 존재를 확인하였다.

에스마크의 의뢰를 받은 베르셀리우스는 헥사플루오린화 포타슘(KThF₆)을 포타슘(K)으로 환원시켜, 비록 불순물이 섞이기는 했지만 새 원소를 최초로 분리함으로써, 1829년에 이 원소의 발견을 발표하였다. 그는 또한 원래의 광물인 토라이트(thorite)의 이름을 따서 토륨을 명명하고, 번개의 신인 'Thor'의 앞글자를 따서 원소 기호를 Th로 하였다.

토륨은 약한 방사능을 띄며 알려진 모든 동위원소는 불안정하다. 토륨의 가장 안정한 동위원소는 142개의 중성자를 지닌 Th-232이며 주요 방사성 원소 중에서 가장 긴 반감기(우주의 나이와 비슷한 140억 년)를 가진다. 토륨의 붕괴 과정에서 보듯이 토륨은 서서히 라돈(Ra)-228이 되고 결국 납(Pb)-208로 끝나는 토륨 계열 연속 붕괴를 일으킨다.

토륨의 붕괴 과정

1869년 러시아의 멘델레예프(D. I. Mendeleev)는 토륨과 희토류 원소를 주기율표 바깥 쪽으로 분류하여 알칼리 토금속 뒤에 수직으로 배열하였다. 이는 토륨과 희토류 금속이 +2가라고 믿었기 때문이었다. 그러나 훗날 희토류는 대부분 +3가이고 토륨은 +4가라는 것이 밝혀지면서 멘델레예프는 세륨과 토륨을 탄소족인 4족 원소로 옮겼다. 곧이어 세륨의 경우에는 란타넘 계열로 다시 옮겨지지만, 토륨의 경우에는 타이타늄 및 지르코늄과 비슷한 성질을 가져서 한동안 4족으로 분류되었다가, 현대의 주기율표에는 다시 란타넘 계열에 있다.

상자성을 띠는 토륨은 은백색의 무른 금속으로 방사성을 띠는 악티늄 계열의 원소이다. 토륨이 가진 90개의 전자 중 4개가 원자가 전자이므로 +4의 산화수를 가질 수 있지만, +3의 산화 상태도 중요한 역할을 하며 안정하다. 토륨은 반응성이 매우 커서 자연 발화할 수 있으므로 취급에 주의를 필요로 한다. 공기 중에서 상온일 경우 반응이 느리지만, 가열하면 발화하여 밝은 백색 빛을 내며 이산화 토륨이 된다. 표준 상태에서 물과 천천히 반응하지만, 염산(HCl)을 제외하고는 대부분의 산에 용해되지 않는다.

토륨은 1828년에 발견되었지만 사용되기 시작한 것은 1885년 오스트리아 화학자 벨스바흐(Carl Auer von Welsbach)가 산화 토륨의 가열 발광으로 이동 가능한 광원인 가스 맨틀을 발명하면서부터이다. 이후, 세라믹, 탄소 아크 램프, 내열 도가니, 암모니아로부터 질산 생성 반응의 촉매 등으로 토륨과 그 산화물을 활용했다.

1898년 독일의 슈미트(Gerhard Carl Schmidt)와 프랑스의 퀴리(Marie Curie)가 독립적으로 토륨의 방사능을 발견했는데, 이는 1896년 프랑스의 베퀴렐(Henri Becquerel)이 우라늄의 방사능을 발견한 이래 두 번째로 방사성 원소의 확인이었다.

미국은 냉전 시대에 핵폭탄에 사용할 ²³³U의 원천으로 ²³²Th 사용 가능성을 타진하고자 1955년에 시험폭탄을 발사하였다. 그러나 이 폭탄은 그 당시의 우라늄-플루토늄 폭탄보다 기술적 우위를 갖지 못하였다. 대부분의 토륨 활용은 금속 자체보다는 이산화 토륨(thoria, ThO₂) 형태를 쓰는 것이다. 이 화합물은 산화물 중에 가장 높은 3300 °C의 녹는점을 가지며, 이보다 더 높은 녹는점을 갖는 화합물은 거의 없다. 이 때문에 이산화 토륨은 불꽃 속에서도 고체로 남아 있으면서 불꽃의 밝기를 더욱 밝게 하여 가스 맨틀에 사용될 수 있다. 고온으로 가열하여 많은 물질이 에너지를 발생하지만, 특히 토륨이 내는 빛은 거의 모두 가시광선 영역이어서 토륨 맨틀의 밝기를 확실히 보여주고 있다. 토륨 맨틀이 현재에도 사용되고 있지만 1990년대 후반 이후로는 다른 희토류 원소인 이터븀에 의해 대체되고 있다.

토륨이 원자력 발전의 핵연료로 제안되어 현재 사용 중인 우라늄이나 플루토늄을 대체할 가능성이 제기되고 있다. 이는 각 국가의 우라늄과 토륨의 매장량에 따라 연구 집중 목표가 달라지는데, 예를 들어 우라늄의 보유는 부족하지만, 토륨을 풍부하게 보유한 인도도 1950년대 이후로 토륨 기반 원전 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

초기의 토륨 사용 원자로는 1962년에 미국 뉴욕의 인디언 포인트 에너지 센터(the Indian Point Energy Center)에 만들어졌다. 국제 원자력 에너지국(the International Atomic Energy Agency)은 1996년 토륨 원자로에 대한 대규모 연구를 시작하였고, 1년 후에 미국 에너지부(Department of Energy)도 이 연구를 시작하였다. 이스라엘의 핵 과학자인 래드코우스키(Radkowsky)는 토륨을 기반으로 한 민간 핵 원자력 발전소를 최초로 디자인하였고, 미국과 러시아에 의한 토륨 반응로 공동개발의 장을 열었다.

토륨은 증식 내성(proliferation resistance)과 폐기물 특성을 향상하는 장점을 가져서, 토륨 연료 순환(fuel cycle)의 새 장을 열고 있다.

1. Hyde, Earl K. (1960). The radiochemistry of thorium (PDF). Subcommittee on Radiochemistry, National Academy of Sciences—National Research Council.

2. 'Thorium Fuel for Nuclear Energy'. American Scientist. September 2003.