사용후핵연료를 재활용 할 수 있다는데 어떻게 하는 건가요?

사용후핵연료의 약 93%는 우라늄이고 1.4% 정도는 우라늄 보다 무거운 초우라늄 원소입니다. 보통의 우라늄은 현재 가동 중인 원자로에서는 핵분열을 잘 일으키지 않지만 개발 중인 고속 중성자 원자로(고속로)에서는 핵분열을 비교적 잘 일으켜 연료로 사용될 수 있습니다. 또 고속로에 있는 중성자는 장수명 초우라늄 원소까지 핵분열을 시켜 단수명 핵종으로 변환시킬 수 있습니다. 이렇게 되면 심층처분 방식으로 사용후핵연료를 관리해 야 할 시간과 처분 대상 양을 대폭 줄여 처분장 건설 부담을 획기적으로 줄일 수 있습니다.

자세히 알아봅시다.

• 고속로를 통한 우라늄 이용

- 고속중성자 원자로: 고속중성자원자로를 고속로라고 줄여서 부릅니다. 고속로 내부의 중성자는 속도가 높게 유지되는 관계로 에너지가 높아 낮은 에너지 중성자로는 핵분열이 용이하지 않은 보통의 우라늄 (U-238)이나 초우라늄 원소조차 핵분열시켜 에너지를 발생시키는 원자로입니다. 핵분열 후에는 대개 평균 2.4 개씩의 중성자가 방출되는데 고에너지 중성자로 핵분열을 시키면 3개 이상의 중성자가 생성되어 잉여 중성자를 U-238과 반응시켜 핵분열이 좀 더 용이한 Pu-239로 변환시키는 데 사용할 수도 있습니다. 그래서 고속로는 U-238을 효과적으로 연료로 사용하는 수단이 됩니다.

- 고속로의 실용화의 어려움: 핵분열 직후에 방출되는 중성자의 속도는 충분히 높지만 원자로를 이루는 여러 물질속의 원자와 충돌을 겪으면서 속도가 낮아지게 됩니다. 그래서 고속로에는 핵연료 물질을 제외한 구조재 물질이나 냉각재 물질의 양을 가급적 최소로 유지시켜주어야 합니다. 특별히 냉각재는 수소를 포함한 물과 같이 가벼운 핵이 들어가 있어 중성자와의 충돌 후 중성자를 쉽게 감속시키는 물질을 사용하면 안되므로 소듐(나트륨)같은 액체 금속이 사용되어 고속로는 액체 금속 냉각 원자로 (액금로)라고도 불립니다. 그런데 소듐은 열전달 특성이나 금속 구조재와의 화학적 비활성 특성은 굉장히 우수하지만 터빈을 구동하는 증기를 만들기 위해 사용하는 물과는 아주 활성적인 반응을 하여 발화하게 됩니다. 따라서 소듐은 물과의 직접적인 접촉, 심지어 공기 중의 습기와도 접촉이 되지 않게 격리시켜야 합니다. 이러한 요건 때문에 소듐냉각 고속로는 수냉각 원자로 보다 냉각 시스템 구조가 복잡하여 실용화하기가 더 어렵습니다.

• 고속로를 이용한 사용후핵연료 재활용

- 사용후핵연료 재처리를 통한 고속로 연료 물질 분리: 사용후핵연료의 92%를 차지하는 우라늄과 1.3%를 차지하는 초우라늄 원소를 고속로의 연료로 사용하려면 이들 물질을 사용후핵연료에서 별도로 분리하는 과정을 거쳐야 합니다. 이런 분리 과정을 재처리라고 합니다.

재처리 과정에서는 5% 정도를 차지하는 비교적 반감기가 짧은 핵분열 생성물들도 따로 분리해 낼 수 있으므로 이들만 따로 처분하고 우라늄과 초우라늄원소들은 재활용을 하게 될 경우 영구 처분대상 물질의 양을 1/20 이하로 줄일 수가 있습니다.

- 초우라늄원소의 반복 사용을 통한 독성 감소: 초우라늄 원소 중 플루토늄을 제외한 원소들은 고속로에서 파쇄되기는 하지만 그 파쇄확률이 아주 작기 때문에 매번 장전시마다 그 일부만 파쇄됩니다. 따라서 초우라늄원소들은 여러 번 고속로에 장전함으로써 그 양을 줄일 수 있습니다.

원자력, 묻고 답하기 중

작성자: 한국원자력학회 소통위원회