장수명핵종 소멸처리

장수명핵종 소멸처리

장수명핵종 소멸처리

개요

사용후핵연료를 소멸처리하는 목적은 사용후핵연료가 지니는 방사성 독성을 획기적으로 낮추어 방사선으로 인한 생태계에 미치는 영향을 최소화하고, 이 과정에서 생산되는 에너지를 재활용하는데 목적이 있다.

장수명핵종군의 소멸처리(핵변환)

소멸처리와 핵변환: 소멸처리는 장수명핵종군 등이 중성자와 반응에 의해 핵종파쇄, 안전핵종 또는 단수명핵종으로 전환시키는 것을 의미하고 있다. 따라서 큰 의미에서 소멸처리는 핵변환과 함께 사용되고 있다.

• 사용후핵연료에 함유된 대표적인 장수명 및 단수명(열부하) 핵종군

수명 핵분열생성물 중 표에 제시된 핵종이외에 Cs-135, Cl-36, Se-79, Sn-126, C-14 등도 있지만, 이들은 양적으로 극미량이거나 또는 소멸처리율이 극히 낮거나, 중성자 흡수로 반감기가 보다 긴 핵종으로 변환이 일어나 소멸처리 대상에서 제외된다. 특히 Cs-137과 Sr-90도 높은 발열성 때문에 소멸처리시킬 필요가 있지만 현재 방법으로 효과적으로 소멸시키기 어렵기 때문에 별도 저장관리를 통해 방사선 준위와 방열효과가 낮아질 때까지 기다려야 한다.

반감기가 긴 핵분열생성물이 중성자 흡수로 인해 안정핵종으로 변환되는 대표적 핵종변환 예는 아래와 같다.

Tc-99 + n → Tc-100(16s) → Ru-100

I-129 + n → I-130(12.4h) → Xe-130

사용후핵연료 소멸처리 프로세스

사용후핵연료에 함유된 방사성 원소들은 관리에 적합하게 분리된다. 분리방법은 우선 사용후핵연료의 대다수(약 95%)를 차지하는 우라늄을 회수하고, 그 다음 잔여물로부터 장수명핵종군을 분리한다. 장수명핵종군들이 제거된 잔여물 내에 남아있는 단수명핵종군 중에서 열부하가 큰 핵종들을 분리하게 된다.

아래 그림은 사용후핵연료 내 원소들을 분리하여 소멸처리시키는 전략을 보여주고 있다. 우라늄은 일단 회수 후 추후 자원으로 사용하기 위해 저장해 둔다. 그 다음 장수명핵종군들 중에 핵분열성 물질들은 고속중성자의 단면적이 커서 고속로에서 소멸처리시킨다. 그 다음 테크네튬과 요오드와 같은 핵분열생성물은 열중성자의 단면적이 크기 때문에 열중성자로에서 안정 핵종으로 전환시킨다. 단수명핵종 중에 Cs-137과 Sr-90은 고방열성핵종으로 방사능 준위가 낮아지고, 또 방출하는 열이 충분히 식어 질 때까지 저장한 후 중저준위방사성폐기물로 분류한다. 최종적으로 남아있는 핵분열생성물은 안정한 고화체로 만들어 영구 처분시킨다.

사용후핵연료의 분리 및 소멸처리 개략도

소멸처리 원자로

소멸처리가 가능한 원자로는 크게 중성자를 발생시키는 방법에 따라 아래와 같이 구분한다.

• 임계로: LWR 및 HTGR(열중성자 이용), SFR(고속중성자 이용)
• 미임계로: ADS(Accelerator Driven System 가속기 구동 계통)

그 밖에 제안된 방법은 High Powered Lasers, Hybrid Fusion-Fission System 등을 들 수 있지만 현재 임계로 및 미임계로를 이용한 소멸처리방법이 기술개발 측면에서 가장 근접되어 있다. 특히 Pu + MA의 소멸처리에 SFR과 ADS가 가능성이 높은 소멸로로 평가되고 있고, I-129 와 Tc-99과 같은 장반감기 핵분열생성물의 소멸처리는 열중성자 사용이 가장 적절한 것으로 인식되고 있다.

이 자료의 최초 작성 :김 응호(영산대) ehkim1@naver.com, 등록 : 박 찬오(SNEPC) copark5379@snu.ac.kr