방사성폐기물관리

==방사성폐기물 관리 기초==

1. 정의

방사성 붕괴에 의해 방사선을 내는 핵종을 포함하는 물질로서 이용가치가 없다고 판단되어 폐기대상으로 분류한 물질을 총칭 한다.

방사성폐기물은 그 방사능 준위에 따라 일반적으로 저준위 (방사성) 폐기물과 고준위 방사성 폐기물로 대별되는데, 저준위 폐기물 가운데 비교적 방사능 준위가 높은 것을 중준위폐기물로 구별하는 경우도 있다. 또한 이들의 대부분은 베타선 또는 감마선을 내는 베타-감마 폐기물인데, 어느 정도 이상 세기의 알파선을 내는 것은 특별히 알파폐기물로 구별한다. 그리고 알파폐기물 가운데 초우라늄원소를 포함하는 것은 초우라늄 폐기물 (TRU 폐기물) 이라고 한다.

고준위 방사성폐기물에 대한 정의는 나라별로 일정치 않다. 종래 핵확산 금지조약 이전에는 사용후핵연료의 재처리에서 분리되어 처분대상이 되는 고방사성 폐기물 만을 사용후핵연료와 구분하여 고준위 방사성폐기물로 분류하는 경향이 있었으나, 70년대 미국의 주도하에 재처리 정책을 직접처분정책으로 선회하던 국가들이 사용후핵연료도 고준위 방사성폐기물로 분류하기 시작하여 지금은 재처리 하는 몇 몇 국가들을 제외한 여러나라에서 사용후핵연료를 고준위 방사성폐기물로 분류 하고 있다. 우리나라의 경우 과거에는 사용후핵연료를 재활용 가능한 자원으로 여겨 중간저장을 정책으로 채택했던 시절이 있었으나, 2015년 사용후핵연료 공론화 권고사항에서 직접처분을 기준대안으로 채택하여 고준위폐기물로 다루는 경향이 있다.

사용후핵연료를 포함한 방사성폐기물에 대한 분류는 국가별로 차이가 있으며, 미국등 에서는 중준위 방사성폐기물이라는 구분을 하지 않는 경우도 있다. IAEA 에서는 고준위-중준위-저준위를 분류하여 회원국에 권고했으며, 2009년에는 추가로 극저준위 분류를 공식화 하였다.

그림 . IAEA 의 방사성폐기물 분류

한편, 우리나라의 현행법상의 방사성폐기물 분류는 아래 그림과 같다. 참고로 우리나라는 IAEA 분류를 모범적으로 준용하고 있다.

2. 방사성폐기물의 발생 

방사성폐기물의 발생원은 주로 발전 분야와 비 발전 분야로 대분할 수 있으며, 발전분야는 원자로와 핵연료주기 시설, 그리고 비 발전분야는 방사성동위원소의 활용 시설 (병원, 학교, 연구시설 등) 들이다. 우리나라의 경우 방사성폐기물 발생원은 아래 표와 같다. 1. 발생원

(1) 원전

원자로를 만들어 운전을 개시하면서 더욱 다량의 방사성폐기물이 발생하게 되었다. 이들 원자로 폐기물은 당초부터 스스로 처리, 처분하는 것을 원칙으로 삼아 각각 처리시설을 갖추어 처리하고, 처리 후의 기체 및 액체는 방출하며, 이들 이외의 폐기물은 처리 후 드럼통에 넣어 각 사이트에 보관하고 있다. 수명을 다한 원자로의 제염해체에서도 상당한 량의 방사성폐기물이 발생한다.

우리나라는 원전이 가장 중요한 원자력 시설로서 대부분의 방사성폐기물이 원전에서 발생 한다. 그러나 핵연료주기 시스템, 특히 재처리와 같이 대량의 사용후핵연료를 처리하는 후행핵연료주기 인프라를 가지고 있는 몇몇 선진국은 방사성폐기물 관리와 관련한 사정이 우리나라와 다를 수 있다.

(2) 핵연료 주기

핵연료 주기는 선행과 후행으로 대분되며, 선행핵연료주기는 원자로의 핵분열이 발생하기 전으로서 방사성폐기물 관점에서는 후행에 비해 훨씬 수월하다. 우리나라의 경우 대표적인 선행핵연료주기 시설로는 핵연료 가공공장이 있어 선행핵연료주기의 최대 방사성폐기물 발생원이다.

후행핵연료 주기는 원자로에서 핵분열로부터 생긴 생성물 (fission products) 들이 방사능 붕괴의 주범으로서 후속관리에 주요 대상이 된다. 원자로심에서 연소되고 방출된 사용후핵연료는 우선 인접 냉각수조에서 냉각 된다 (이것을 소내 임시저장 이라고 한다). 소내저장 사용후핵연료는 본래 재처리 시설로 보내여저 재처리 될것으로 계획되었으나 세계적으로 재처리나 처분이 어려워 지면서 중간저장 또는 추가적인 건식저장 확장으로 연계되었다.

(대부분의 핵분열생성물들은 사용후핵연료 속에 있으므로 재처리와 같은 공정에 의해 연료봉의 파괴가 되지 않는 한 후행 핵연료주기에서 처분시까지 외부로 누출되지 않는 것으로 가정한다. 그러나 일부 결함핵연료봉 등에서 핵종 누출로 주변이나 환경을 오염시킬 경우, 오염물질이나 제염물은 방사성폐기물로 관리 대상이 될 수 있다).

재처리 기술은 사용후핵연료에 포함된 우라늄과 플루토늄등 핵물질을 분리/정제 하여 재사용하기 위한 공정으로서, 대부분의 핵분열 생성 물질은 이 과정에서 방출되어 방사성폐기물로 관리 된다 (사용후핵연료관리 참조).

사용후핵연료 재처리 과정에서 발생하는 방사성폐기물은 크게 3가지 준위로 대분되며, 준위에 따라 처리 기술과 관리방법이 큰 차이가 있다. 재처리에서 발생하는 방사성폐기물은 대부분 액체 상태로 방출되므로 장기저장이나 처분을 하기 위해서는 고화를 하는 것이 안전관리의 핵심이다. 고화 방법에는 다양한 기술이 개발 되었으며 준위와 핵종에 따라 적절한 고화 방법이 선정되어야 한다.

(3) 기타

원전과 핵연료주기 시설은 전력부문의 원자력 시설이다. 이에 반해 동위원소를 이용하는 방사선 응용부문의 활용은 의학, 농업, 산업, 예술 등 다양하다. 한국의 방사성동위원소 이용기관은 산업체가 4,353개 (84.4%)로 가장 많고, 교육 및 연구기관이 617개, 의료기관이 185개로 총 5,155개 기관이다 (2012, 국회 입법조사국)

방사성 동위원소는 소량 선원으로서 비교적 자유롭게 이용되고 나면 폐기물로 폐기 될 때 철저히 관리되지 않으면 방사선 피폭사고 등 유발할 위험이 있다. 국내에서 발생된 방사성동위원소폐기물은 모두 한국방사성폐기물관리공단이 방사성동위원소폐기물 저장시설에 일괄적으로 수집/저장하고 있다.

2. 방사성폐기물의 등급 분류

- 고준위 폐기물

Purex 형 재처리에서 제 1 분리 사이클에서 발생하는 가장 준위가 높은 핵분열 생성물들을 포함하는 액체 방사성폐기물이 방출된다. 이 고준위 방사성폐기물 폐액이 전통적인 의미의 고준위폐기물이며, 재처리 국가에서는 사용후핵연료와 구분하여 사용하고 있다.

고준위 방사성폐기물 폐액은 강산 용액으로서 사용후핵연료가 함유하고 있던 대부분의 핵분열 생성물을 함유하고 있어서 고열과 방사선을 방출한다. 따라서 사용후핵연료와 마찬가지로 냉각과 차폐를 필요로 하며, 재처리 공장에서는 이 액체를 저장할 수 있는 대용량의 탱크들이 지하에 설치되어 있다. 이 탱크들은 적적히 냉각되지 않으면 액체 증발로 폭발할 수 있으며 장기간 저장되면 부식으로 누출 위험이 있다 (역사적으로 소련, 영국, 미국 등에서 폭발이나 누출 사고 발생). 따라서 가능한 조기에 안정된 고화체를 만들어 저장/처분하는 것이 바람직하다.

재처리 기술선진국을 중심으로 고준위 폐액의 고화처리에 대해 많은 연구가 수행되어 왔으며 상용 재처리 시설의 고준위 방사성폐기물은 프랑스에서 개발된 유리화 (vitrification)기술이 가장 널리 사용되고 있다. 이 외에도 세라믹 고화나 유동층 하소에 의한 분말화 방법등이 있다.

고준위폐액을 고화 하기 위해서는 우선 감용을 위해 용액을 증발농축 (evaporation)한다. 그 결과 대부분의 수분은 증발되어 응축되어 저준위급의 액체폐기물로 처리하고, 잔존 슬러지를 유리화 공정으로 보낸다. 프랑스의 AVM/AVH 공정에서는 유리화 대상폐액을 로타리 kiln에서 일적으로 하소한 후, 하소된 분말을 용융로 (melting furnace)에서 유리화 첨가제 (frit)를 주입하여 1,100 ℃ 까지 가열한다. 이렇게 형성된 유리화 용융물은 실린더형 용기에 담아 냉각시키며 이 공정은 연속식 공정이다.. 미국의 West Valley 재처리 시설에서 Demonstration Project 로 채택한 고준위 폐액 유리화 방법은 PNL 과 Savannah River에서 개발한 SFCM (Slurry-Fed Ceramic Melter) 방법을 활용 하였다.

사용후핵연료를 포함한 고준위폐기물은 상당히 높은 수준의 방사능 농도와 열발생률을 고려해야 하기 때문에 처분을 위해서는 심지층(geological disposal) 처분을 통해 처분하는 것이 일반적인 사항이다. 근래에는 석유시추 등의 부문에서 개발된 초심층 시추공 (deep borehole) 기술의 상용화에 따라 사용후핵연료나 고준위폐기물의 처분 방안으로 주목 받고 있다.

- 중준위 폐기물

중준위 폐기물은 고준위와 저준위의 중간 준위로서 고준위를 희석하거나 저준위를 농축하므로서 발생 할 수도 있다.

재처리 시설에서는 고준위폐기물에서 일차적으로 제거되고 남은 방사능 준위중 일부가 중준위 급 폐기물로 관리되고 있으며, 저준위급 방사성폐액을 증발농축한 폐액이나 방사성 물질이 축적된 폐수지나 필터 등이 여기에 해당 된다. 또한 사용후핵연료 집합체의 용해로부터 남게 되는 금속 구조물과 피복관 (hulls) 도 중준위급 방사성폐기물로 관리 된다.

이는 원전의 운영에서 발생하는 방사성폐기물의 경우에도 마찬가지 이다. 중·저준위폐기물에서 저준위폐기물 범주를 위와 같이 분리할 경우, 자연스럽게 중준위폐기물 범주가 설정되어야 하는데, 중준위폐기물의 경우는 발전용원자로 및 기타 핵주기시설 등에서 발생한 상대적으로 높은 수준의 방사능을 띤 폐기물(예, 폐수지, 폐필터, 방사화된 구조물 등)로 일정 수준이상의 격납, 격리 성능이 요구되는 처 분시설에 처분되어야 한다.

원전해체에서는 노심주변에 다량의 중성자에 의한 방사화 물질들의 일부가 중준위 급 방사성폐기물로 관리될 수 있다. 또한 제염으로 인해 발생한 방사성 금속 물질이나 폐액을 농축한 찌꺼기 등이 상대적으로 높은 방사능 으로 이에 해당될 수 있다.

- 저준위 폐기물

원자력 시설의 운영에서 가장 보편적으로 발생하며 관리대상이 되는 것은 저준위 등급의 방사성폐기물 이다. 저준위 방사성폐기물은 원자력 시설에서 가장 보편적으로 발생/관리하게 되는 등급의 폐기물이다. 저준위폐기물은 원전뿐 아니라 재처리 시설과 동위원소 이용시설에서도 가장 일반적으로 발생한다.

국내 원전에서 발생된 폐기물은 각 원전 부지내의 저장고에서 안전하게 관리하고 있다. 국내 원자력발전소 1기당 연간 중저준위폐기물 발생량은 1992년도에 약500드럼이었으나, 운영자의 적극적인 감용노력에 따라 2012년도 기준으로 호기당 중저준위폐기물 연간 발생량은 약 100드럼 미만으로 감소되었다 (WACID).

고성능 필터 (HEPA 필터) 등이 가장 보편적으로 쓰이며, 대상 핵종의 특성에 따라 활성탄 이나 특정 화합물에 반응시켜 포집하기도 한다. 포집시킨 필터는 고체폐기물로 처리되고 단수명 방사성기체는 저장탱크에서 감쇠시켜 방출하기도 한다.

- 액체

액체 방사성폐기물의 처리에는 부피 감용을 위해 이온교환 여과, 증발농축, 응집침전 등 여러 방안이 있다. 세정된 액체는 방사선 준위가 규체가 규제치 이하가 되면 희석 방출하고, 잔존 폐기물 (폐수지, 응축 슬러지, 침전오니 등) 은 고화체 (시멘트, 아스팔트, 고분자 등) 에 고화시켜 폐기물 포장하여 저장 또는 처분한다.

- 고체

대부분의 고체폐기물은 방사성 물질이 오염된 고체 물질로서 원자력 시설에서 방사성 물질에 접촉한 뒤 배출되는 잡고체와 소모품 등이다. 또한 기체나 액체 폐기물의 포집에 사용된 필터, 폐수지, 슬러지, 오니 등도 최종적으로 고체폐기물로 처리 된다. 우리나라의 저준위 방사성폐기물 발생원을 살펴보면 아래 표와 같다.

표 1. 우리나라의 방사성 폐기물 발생원

방사성 폐기물의 발생형태는 고체 액체 기체의 형태로 발생하며, 안전한 관리를 위해서는 각기 적절한 처리방법이 사용되어야 한다 (ALARA). 방사성폐기물의 처리 원칙으로는 가능한 원천에서 확산되기 전에 감용처리 하므로서 효율과 경제성을 기하는데 있다

방사성폐기물의 관리 원칙

방사성폐기물 관리의 원칙 (IAEA Principles of Radioactive Waste Management)

원칙

제목
비고

1 인간의 건강보호

인간의 건강에 해가 되지 않도록 관리할 것

2 환경보호

환경을 보호할 수 있는 수준으로 관리할 것

3 초국경 관리

건강과 환경문제는 국경을 초월 하는 점을 고려할 것

4 미래세대 보호

미래세대에 미칠 영향은 현세대가 수용할 수 있는 수준을 넘   지 않도록 할 것

5 미래세대 부담

미래세대에 부당한 부담을 주지 않도록 할 것

6 국가의 제도적 틀 독립적 규제기능을 포함한 책임분담을 위한 제도 마련 7 방사성폐기물 발생의 억제

방사성폐기물의 발생은 최소한으로 억제할 것

8 관리상의 연관성 방사성폐기물관리 단계간의 연관성을 고려 할것 9 관리시설의안전성 방사성폐기물 관리시설의 안전성은 수명주기 동안 안전을 담보

방사성폐기물 관리의 계층적 접근 (EU Directive on Waste Framework 2008 98/EC) EU 의 폐기물 계층은 방사성 폐기물 발생을 최소화하고 관리과정의 수명주기를 고려한 지속가능성을 위한 단계적 접근법을 말한다. 그 원리는 다음과 같다 :

- 예방 : 폐기물의 원천에서 발생을 막거나 최소화 하여 자연과 자원을 보존한다               (특히 현 기술이나 개발중 인 기술로 대처할 수 없는 경우)
- 재사용 : 발생이 불가피 한 경우, 직접 재사용 하거나 아니면 보수하여 재사용 
- 재순환 : 폐기물은 가능하면 재활용 하거나, 여의치 않으면 부산물로 처리하여 순             환 
- 처분 : 불가피한 경우에는 환경에 처분하되 적절한 통제하에 승인을 거쳐야 한다.

이러한 원칙은 시설의 계획, 설계, 건설, 제조, 시운전, 운영, 해체 등 전 수명주기에 걸쳐 적용 되어야 한다.