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사용후핵연료? 들어봤지만 생소한 그 단어

  • 2016.08.26.
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Thermal power plant with large chimney
지금은 사용되지 않는 원전

원자로에서 에너지를 만들어내기 위해서는 연료가 필요합니다. 이때 사용되는 연료가 우라늄/플루토늄/토륨 등으로 만들어진 핵연료 입니다. 핵연료는 무거운 원소가 포함되어 있는데, 이 원소가 핵분열로 인한 연쇄 반응으로 인해서 에너지를 발생시키게 됩니다. 대다수의 핵연료는 우라늄 U-235(3.5%), U-238(96.5%)가 섞인 것이 주로 사용됩니다.

원자력 발전에 사용되는 연료봉 제조과정

핵연료는 우라늄 광석이 그대로 사용되지 않습니다. 캐낸 우라늄을 가공하여 핵연료로 만드는 공정을 ‘프론트엔드’라고 하는데요. 먼저 ‘원위치용액채광법’을 이용하여 채굴해야 합니다. 간단히 설명한다면 빨대라고 생각하면 됩니다. 빨대에 광석을 녹이는 산을 집어넣은 후, 그 빨대로 광석을 우린 다음에 다시 광석으로 되돌려놓습니다. 그 후에 제련을 통해 옐로 케이크라고 불리는 노란 가루로 변하게 됩니다. 경수로식 원자로에 들어갈 연료는 농축을 하게 됩니다. (중수로는 농축 X) 먼저 옐로케이크를 기체 6불화 우라늄(UF6)으로 전환시킨 다음, 재처리 공장에서 기체확산법이나 원심분리기를 통해 농축합니다.

농축한 UF6을 다시 고체로 변환한 다음, 조그마한 세라믹 형태의 실린더형 덩어리 ‘펠릿’으로 제작합니다. 마지막으로 펠릿을 지르코늄 합금 같은 녹이 슬지 않으면서 단단한 금속에 집어넣고 주위를 헬륨으로 감싼 후에 용접한 것이 우리가 부르는 연료 봉이 됩니다. 이런 봉을 보통 14X14개나 17X17개를 묶어서 연료 집합체를 만드는데요. 보통 하나의 원자로에는 이런 집합체가 최소 140개~ 300개 가까이 들어갑니다.

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전체 방사선 폐기물의 5%에 불과한 사용후핵연료

원자력 발전소의 원자로에서는 3~5년마다 핵분열로 인해 연소된 재료(연료 봉)를 교체합니다. 이것을 사용후핵연료라고 부릅니다. 사용후핵연료에는 주 원료였던 우라늄 외에 제논ㆍ스트론튬ㆍ세슘ㆍ플루토늄 등의 맹독성 방사성물질이 생깁니다. 이 물질들은 핵분열이 끝난 뒤에도 방사선과 고온의 열이 방출하기 때문에 사람에게 직접 노출되면 매우 치명적입니다.

사용후핵연료는 고준위 폐기물(HLW: High level waste)이며 전체 방사선 폐기물 중 5% 미만을 차지하지만 방사선은 99% 이상을 뿜어내는 물질입니다. 대부분의 사람들이 생각하는 땅에 묻는 방법은 중저준위 방사능 폐기물만 가능합니다. 고준위 폐기물은 아직까지 직접적으로 땅에 묻은 사례는 없습니다. 그래서 고준위 폐기물 처리 문제를 해결하기 위해 여러 가지 방안이 연구되고 있습니다. 그 중 첫 번째는 지하 매립법입니다

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유리 고화제를 이용한 지하 매립

방사성 폐기물을 유리 안에 가둔 다음, 깊은 땅속에 100만 년 정도를 묻는 방법입니다. 유리화는 중금속, 방사성 물질 등을 유리구조 안에 가둬 영구적으로 격리함으로써, 외부 유출을 원천봉쇄하는 기술입니다. 안전성을 높일 수 있을 뿐만 아니라 폐기물의 부피를 획기적으로 줄일 수 있죠. 사용 후 연료 봉을 재처리한 다음 분열 생성물을 액체로 만듭니다. 액체로 된 분열생성물을 유리 용광로에서 비결정질 유리와 섞은 다음 유리를 식힌 다음, 두꺼운 통에 넣어서 방사선을 차단합니다. 그리고 이 통을 고준위 방사능 폐기물 처리장에 묻어서 처리합니다.

100만년 동안은 움직이지 않을 안정된 지층구조를 가진 곳을 찾는 과정이 힘들지만, 현재까지는 가장 안전한 방법으로 분류되고 있습니다. 현재 핀란드에서 500미터 지하에 고준위 폐기물의 보관을 목적으로 건축 중인 시설이 있습니다. 온칼로라는 이름의 이곳에는 총 9천 톤의 폐기물이 저장될 예정이며 22세기에 완공 예정입니다.

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파이로 프로세싱(건식 처리 공법)

한국의 핵물리학자들이 만든 기술인 파이로 프로세싱(건식 처리 공법)은 원자력 발전에 사용되었던 사용후핵연료를 다시 원자력 발전의 연료로 사용할 수 있게 재처리하는 기술입니다. 전문가들은 이 기술이 실용화가 되면 우라늄 활용도를 획기적으로 높일 수 있다고 말합니다. 이론적으로는 사용후핵연료의 부피는 현재의 5%, 발열량은 1%, 방사성 독성은 0.1%로 줄어들게 됩니다.

파이로 프로세상은 쉽게 말하자면, 액체 상태의 사용후핵연료를 금속 형태로 먼저 변환합니다. 변환된 금속은 다시 고온에 녹이면서 녹이는 과정에서 우라늄을 선택적으로 회수합니다. 이후에는 추가 공정을 통해 잔여 우라늄과 플루토늄 등의 핵 물질을 회수하는 것이 이 기술의 특징입니다

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기존의 사용후핵연료 처리 방법으로 쓰이는 습식처리기술은 핵무기의 원료가 되는 순수 플루토늄을 생산할 수 있고, 방사선을 방출하는 반감기가 수만 년에 이르는 특정 물질들을 별도로 분리할 수 없다는 단점이 있었는데요. 파이로 프로세싱은 공정의 특성상 플루토늄의 단독 분리가 불가능해 핵 비확산성이 보장되고, 반감기가 긴, 고열을 내는 물질들은 각각 분류할 수 있습니다. 장기간 동안 환경에 영향을 주지 않으면서 처리할 수 있다는 장점이 있습니다. 다만 아직 상용화가 되지 않았으며 연구 중인 기술이기 때문에 더 지켜봐야 합니다

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원자력은 우리나라 전기의 40%를 생산하는, 없어서는 안 될 존재입니다. 2011년 도호쿠 대지진 때문에 발생한 후쿠시마 현 발전소 사고 원자로는 비등수형 원자로로, 우리나라에서는 1대도 쓰지 않는 다른 모델입니다. 우리나라가 쓰는 가압수형 원자로는 원자로와 증기계통이 서로 분리되어 있으며, 원자로 계통에 압력을 가해 고온상태를 유지합니다. 방사선 차폐 면에선 격납용기 안에서만 방사능이 유지되기에 격납용기를 나가는 비등수형 원자로보다 훨씬 우월합니다. 후쿠시마 사고 이후 한국수력원자력은 발전소 관리를 더욱 철저하게 하고 있답니다. 그러니 원자력 발전에 대해서 더욱 많은 관심을 가져주시기를 부탁드립니다.

글 : 윤용현 필진
ⓒ 사진출처
사진2 news.vattenfall.com
사진3 news.vattenfall.com
사진4 thestory.chosun.com
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