사용후핵연료 문제를 해결하기 위해 우리나라에서는 파이로 프로세싱이라는 것을 해야 한다는데 왜 그렇지요?

사용후핵연료를 재처리하는 방식 중 하나가 사용후핵연료를 고온으로 녹여 용융염 형태로 만든 후 전기 분해 방식으로 물질을 추출해 내는 파이로 프로세싱이라는 것입니다. 파이로 프로세싱은 질산 같이 물이 포함된 용매를 쓰지 않고 열과 전기만 이용한다는 점에서 건식 재처리 방식이라고 합니다.

이 파이로 프로세싱 방식은 기존의 습식 방식과는 다르게 핵무기의 원료가 되는 플루토늄 원소만을 정밀하게 추출해내기가 어려워 핵비확산성이 높은 재처리 과정으로 인정되기 때문에 비핵화를 선언한 우리나라에서 사용후핵연료 재처리를 위해 도입할 수 있는 적절한 방식입니다.

자세히 알아봅시다.

• 파이로 프로세싱의 주요소와 핵확산 저항성

- 전해 3단계: 전해환원, 전해정련, 전해제련으로 구성된 전해 처리의 3단계는 모두 사용후핵연료를 포함한 용윰염을 전해질로 하여 전기분해하는 과정입니다. 첫 번째 전해환원 과정에서는 고온공기산화 과정을 거쳐 U3O8과 기타 사용후핵연료 잔존 물질로 구성된 분말형 사용후핵연료를 650 도의 고온으로 가열된 LiCl-Li2O 용융염에 넣어 녹인 후 전기분해를 통한 환원 과정을 거쳐 우라늄, 초우라늄, 핵분열 생성물 금속으로 구성된 금속전환체를 만듭니다. 두 번째의 전해정련 과정에서는 여러 물질로 구성된 금속전환체에 전해환원과는 다른 방식의 전기분해 과정을 거쳐 우라늄만 포함된 금속만을 추출해 냅니다. 마지막 전해제련 과정에서는 용융염에 녹아 있는 초우라늄 원소를 석출시켜 초우라늄 금속체를 얻어 냅니다.

- 전해 정련시 초우라늄 원소 동시 석출: 전해제련 과정에서는 전기분해시 초우라늄 원소별로 아주 미세한 차이를 두어 인가되는 전압을 조절하지 못하는 한 각 원소별 석출이 곤란하고 이에 따라 생성된 금속에는 플루토늄의 동위원소 뿐만 아니라 아메리슘, 넵트늄, 큐륨 등 모든 초우라늄 원소가 동시에 석출되기 때문에 순도 높은 플루토늄만의 석출이 불가능하여 파이로 프로세싱은 핵확산 저항성이 높은 기술로 인정되어 있습니다.

• 파이로 프로세싱과 고속로 기반 핵변환 처리의 도전 과제

- 초우라늄원소 다 주기 반복 연소의 효율성 증대 : 파이로 프로세싱과 고속로를 결합한 사용후핵연료 핵변환 처리 기술은 처분대상 사용후 핵연료의 양과 반감기를 대폭 줄임으로써 사용후핵연료 처리에 아주 효과적인 기술로 발전시킬 수 있습니다.

그러나 초우라늄 원소의 중성자 반응확률이 작은 관계로 여러 주기에 걸친 고속로내 연소 과정을 거치거나 다수의 고속로가 필요하게 됩니다. 따라서 안전성을 해치지 않으면서 초우라늄원소 소멸처리 효율을 높여야 하는 과제가 있습니다.

- 핵변환 소멸 처리의 경제성 확보: 파이로 프로세싱과 소듐냉각고속로 기술은 아직 상용화에 이르지 못한 개발 단계의 기술이기 때문에 직접처분 방식과 비교하여 경제성을 판단하기에는 이릅니다. 하지만 그동안의 여러 연구결과를 살펴보면 기존의 직접처분 방식과 비슷하거나 비싼 것으로 분석되고 있습니다. 따라서 개발과정에서 최적화를 통해 경제성을 향상시켜야 하는 과제를 안고 있습니다.

만약 우리 사회가 사용후핵연료에 대한 우리의 책임을 후손에게 부당하게 전가하지 않기 위해서 우리 세대에서 반드시 그 해결기술을 확보해야 하기로 결정한다면 어느 정도의 경제성을 수용할 것인지를 결정해야 합니다.

원자력, 묻고 답하기 중

작성자: 한국원자력학회 소통위원회