관리일반

사용후핵연료 관리일반

1. 사용후핵연료 발생량

우리나라의 사용후핵연료 발생량은 현재 가동중인 경수로 19기, 중수로 4기를 기준으로 매년 약 750톤씩 발생 한다. 노형 별로는 경수로에서 약 350톤, 중수로에서 약 400톤 정도 발생 한다 (우리나라의 사용후핵연료는 2014년 3월 기준으로 경수로 (고리,한빛, 한울) 에서 14,984다발, 중수로 (월성) 에서 381,900다발을 저장 중임).

참고로, 중수로 핵연료는 천연우라늄(0.7%)은 농축우라늄 (2〜5%) 보다 우라늄 (U-235)의 함유량이 적어 연소기간이 짧기 때문에 경수로보다 사용후핵연료가 더 많이 발생 한다.

2. 사용후핵연료 임시저장․중간저장

○ 사용후핵연료 임시저장은 원자력 발전사업자가 원자로의 관계시설인 발전소내 저장시설 (습식저장, 건식저장시설) 에서 사용후핵연료를 송출 할 때 까지 원전 부지내에서 일정기간 저장․관리 하는 것을 의미 한다. 우리나라의 경우, 사용후핵연료 핵연료 임시저장 현황은 다음과 같다.

- 습식저장은 물을 이용하여 사용후핵연료의 붕괴열을 냉각시키고 방사선을 차폐하는 방식으로 모든 원전 내에는 사용후핵연료 저장을 위한 습식저장시설 (저장수조)를 갖추고 있음 - 중수로원전(월성)의 경우 습식저장조 내에서 일정기간 저장하여 핵연료에서 발생하는 붕괴열을 건식저장이 가능한 수준으로 낮춘 후 발전소 내 건식저장시설로 운반하여 보관하고 있음.

○ 사용후핵연료 중간저장은 재처리나 처분 등으로 보내기 전, 원전 운영자가 소내저장 시설에서 저장용량 부족으로 추가시설을 원전부지 내외에 짓거나, 또는 사용후핵연료 관리사업자가 발생자로 부터 사용후핵연료를 인수받아 최종처분 (재처리/재활용 후 처분 혹은 직접처분) 하기 이전까지 중장기적으로 (50년~100년) 사용후핵연료를 저장․관리하는 것을 말한다. 우리나라는 중간저장 경험이 없으나, 해외사례를 보면 기술개발, 처분 준비사업기간 등을 고려시 최종처분까지는 최소 30년 이상이 소요되며 재처리 또는 처분을 위해서는 사용후핵연료의 최적관리를 위한 충분한 융통성이 필요하기 때문에 중간저장시설이 사용된다.

중간저장방식은 임시저장과 동일하게 습식저장과 건식저장이 있으며, 각각의 장단점이 있으나, 여러 현실적인 이유에서 최근 세계적으로 건식저장시설을 선호하는 추세에 있다. 습식저장은 지금까지 각국에서 많은 운영 경험을 확보하고 있고 저장효율이 우수하고 유통성이 크나 냉각수의 순환등 운영시 지속적인 관리가 필요한 부담이 있다. 이에 비해 건식저장은 용량확장과 장기관리 측면에서 유리하여 독일, 일본, 미국, 영국 등 현재 여러 나라에서 운영 중이며, 또한, 피동식 공기냉각에 전원 공급이 불필요한 점 등 저장시설 안전성 측면에서 건식저장이 우수한 것으로 평가되고 있다, 세계적인 중간저장 현황을 보면, 대체로 80년대 이전 건식저장 기술이 상용화 되기 이전에 건설된 대규모 시설들 (프랑스의 라아그, 스웨덴의 CLAB, 영국의 셀라필드 등)은 습식인데 비해 90년대 부터 확산 되기 시작한 건식저장 방식은 미국을 비롯한 세계 여러나라에 확산되어 가고 있다.

2011 년 동일본 대지진으로 후쿠시마 원전사고시 제4호기 임시저장 냉각수조의 결함으로 사용후핵연료가 파손된 사례에 비해, 시험적으로 설치했던 몇 개의 건식저장 금속용기 내의 사용후핵연료는 온전히 보전되어 건식저장의 상대적 안전성이 입증되었다. 현재 상용화된 건식저장기술은 대표적으로 4가지가 종류가 있다.

(1). 습식저장 방식

습식저장 방식은 사용후핵연료를 수조에 넣어 저장하는 방식으로 수조의 물은 냉각재의 역할 뿐만 아니라 주요 방사선 차폐의 기능을 수행 한다.

원전의 소내 임시저장이 거의 모두 습식저장 방식이므로 세계적으로 90% 이상의 사용후핵연료가 소내ㆍ외 습식저장조에 저장되고 있다. 또한 재처리 시설에서 다양한 종류의 사용후핵연료를 대기시키는 (buffering) 중간저장 용도로서 습식방식이 유리하므로 영국, 프랑스, 일본 등 부지 외 재처리시설의 일부로 운영 중이며 중앙집중식으로 스웨덴 (CLAB), 불가리아(Kozladuy) 등 일부 국가에서 운영중이다.

습식저장의 특징은 핵연료집합체 길이가 긴 경수로 형은 수직으로 놓고 길이가 짧은 가압중수로 형은 수평으로 저장수조에 핵연료를 저장하는 것이 보통이다. 습식저장의 장단점으로는 다음 사항들을 들 수 있다. - 40년 이상의 풍부한 운전경험으로 안전성과 효율성이 입증 - 부지 소요면적이 상대적으로 작으며 냉각기간이 짧아도 저장 가능 - 저장 중 연료검사나 필요시 일부 연료봉의 교체등 유통성 있는 작업이 용이 - 운영 중 방사성폐기물이 발생하며 냉각설비, 오염제거설비 등의 운영으로 운영비가 상대적으로 높음 - 시설용량 확장이 상대적으로 불리

(2). 건식저장 방식

건식저장 에는 다양한 방식이 개발되어 있다.

용기 저장방식은 재질에 따라 콘크리트 용기와 금속 용기로 구분 된다.

- 콘크리트 용기는 저장전용인데 반해, 금속 용기는 저장 전용 및 운반과 저장의 이중목적 또는 운반, 저장 및 처분용으로도 사용 가능하다. 용기 저장방식은 확장의 유연성 때문에 미국을 비롯한 유럽 및 일본등에서 여러 국가에서 사용된다. 콘크리트 용기는 사용후핵연료가 장전된 캐니스터가 콘크리트 저장용기에 적재되어 저장부지로 이송ㆍ저장되거나, 별도의 이송용기를 이용하여 저장부지의 콘크리트 저장용기에 적재하는 방식으로 구분된다. 구조재인 철근 콘크리트 또는 고밀도 콘크리트는 구조적 강도 및 방사선 차폐기능을 제공한다. 냉각방법 으로는 콘크리트 구조물을 통한 자연대류에 의해 붕괴열을 냉각한다. 대표적인 콘크리트 저장용기로는 미국의 VSC-24, HI-STORM 100 및 NAC-UMS 등이 있고, 국내 월성원전부지에 1992년 부터 캐나다에서 개발되어 사용 중인 콘크리트 사일로와 MACSTOR 가 운영 중이다.

<콘크리트 캐스크-미국 Arkansas 원전>

금속 용기 사용후핵연료를 금속 용기에 담아 콘크리트 패드 위에 정치하는 방식으로 최근에는 운반 및 저장 겸용 금속용기로 개발되어 사용되고 있다.

- 금속용기 특징은 용기의 구조는 몸체, 핵연료 바스켓, 뚜껑으로 구성되며 용기 몸체의 외부 표면에 냉각의 효율성을 높이기 위하여 여러 종류의 냉각핀을 부착 한다. 금속용기는 일반적으로 뚜껑이 볼트로 고정되거나 용접으로 밀봉되는 2중 뚜껑 격납구조로 구성된다. 용기의 구조재는 forged steel, nodular cast iron, 복합재료 등이 있으며, 대표적인 금속용기로는 TN-24, TN-32, TN-40, MX-10, CASTOR V/21 및 HI-STAR 100 등의 제품이 있다. 겸용용기는 별도의 운반용기가 불필요하며, 운반작업이 용이하고 콘크리트 용기보다 구조적 건전성이 뛰어난 장점이 있다. 반면, 사용후핵연료 피복관의 온도 제한 때문에 용기 당 용량을 대량화 하는데 불리하고, 고가의 초기 투자비가 단점으로 작용한다.

<금속 캐스크-미국 Prairie Island 원전>

- 콘크리트 모듈 방식은 콘크리트 구조물 안쪽에 있는 금속라이너 속에 직접 사용후핵연료를 채워 넣는 일체형 방식으로서, 별도의 금속 저장용기에 삽입 후 수직 혹은 수평으로 콘크리트 실린더에 저장하는 방식이다. 모듈방식의 특징은 모듈의 강화 콘크리트는 방사선 차폐역할을 하고 금속라이너 또는 저장용기(canister)가 격납 역할을 담당한다. 장점으로는 건설 및 운영비용의 경제성, 저장용량의 확장성이 좋고,저장 캐니스터를 수평으로 운반ㆍ저장하므로 취급이 용이한 반면, 단점으로는 용량확장이 모듈단위로 이루어져 용기방식에 비해 용량확장의 유연성이 떨어진다.

<수평저장 : Millstone ISFSI with 32PT canister>

<수직저장 : Gentilly-2 발전소의 MACSTOR-200>

- 볼트 방식1은 대형 콘크리트 구조물로서 외부 구조물은 방사선 차폐체 역할을 하고 건물 내부는 금속 튜브를 설치하여 튜브 내에 사용후핵연료를 장입ㆍ밀봉 후 공기, 질소 또는 헬륨 기체로 충전하여 저장하는 방식이다. 볼트방식의 특징은 사용후핵연료로 부터 발생되는 열은 대부분 자연대류 방식으로 배출되고, 부분적으로 강제대류에 의하여 외부로 배출된다. 금속 저장 튜브 사용 방식은 사용후핵연료가 장전된 금속 저장 튜브를운반용기로부터 인출하여 바로 저장 위치로 이송하여 저장하고 저장 실린더 방식은 사용후핵연료를 용기에 밀봉하여 저장한다. 볼트 방식은 크레인과 같은 연료 취급장비가 반드시 필요하다.

세계적으로 영국의 Wylfa , 미국의 Fort Saint Vrain , 프랑스의 CASCAD, 헝가리의 Paks 저장시설 등이 운영 중이며, 대표적으로 모듈형 볼트 저장방식(MVDS)이 있다.

건식 저장시설의 유형으로는 옥외형 저장방식 (개방형) 옥내형으로 구분해 볼수 있다.

- 옥외 야적형 저장방식의 특징은 콘크리트 매트 위에 금속 캐스크, 콘크리트 캐스크 또는 콘크리트 모듈을 이용하여 사용후핵연료를 건식 저장하는 방식이다. 시설 건설비가 저렴하여 경제성이 우수하나, 저장용기 자체가 노출되어 있어 항공기 충돌 및 인간 침입 등에 있어 타 방식에 비해 보안(security) 및 주민수용성 측면에서 불리함 - 옥내형 저장방식은 개방형과 같이 콘크리트 패드를 설치하고 패드 위에 저장하나 외곽 건물을 건설하여 건물 안에 캐스크를 적치하여 저장한다. 국토가 협소하고 인구가 조밀한 유럽 국가 및 일본에서 운영 중이며 외부건물의 항공기 충돌 반영 등 보안 및 안전성 관점에서 우수하고 주민수용성 측면에서도 양호하나 개방형에 비하여 저장건물 건설비용이 추가되어 많은 비용이 소요된다.

독일의 경우 WTI 방식과 STEAG 방식으로 구분되고 저장용량은 80∼192Casks

- WTI 방식

독일 내 2개의 중간저장 시설인 Ahaus와Gorleben에 건설된 저장방식을 발전시킨 형태로서, 저장구역은 2개 구역으로 나누어지고 가운데 벽을 통해 구분한다. 냉각공기는 양쪽 외벽의 바닥으로부터 유입되고 천정에 설치된Gallery를 통해 방출되는 자연냉각 방식이다. 구역별로 1개씩 총 2개의 크레인을 사용하고 가운데 벽의 두께는 70∼85cm, 천정 두께는 55cm 정도이다.

- STEAG 방식

구역 구분없이 1개 크레인을 사용하며 출입구역과 부속계통이 설치된다. 냉각공기는 외벽의 바닥으로부터 유입되고 반대쪽 벽의 천정부에 설치된 Gallery를 통해 방출되는 자연냉각방식이다. 벽의 두께는 약 120 cm, 천정 두께는 약 130 cm 이다.

- 일본의 Mutsu

  일본은 로카쇼무라 재처리 시설의 습식 중간저장 용량의 부족으로 별도의 건식저장 방식으로 Mutsu 중간저장 (50년) 을 건설하고 있다. 이 시설의 용량은 3000 tHM (향후 2000t 증설), 저장공간 : 131 m(L) × 62 m(B) × 28 m(H), 냉각방식은  자연대류 이다.

(3). 터널저장방식

사용후핵연료를 저장한 금속 및 콘크리트 캐스크를 터널 안에 적치하여 저장하므로서 항공기 충돌이나 지진 등의 외부충격과 인간침입 방어에 이점을 가지며 시설 자체가 노출되지 않아 미관 및 주민 수용성에 이점을 가진다. 부지특성이 고려되어 산지가 많은 지역에 적합하다.

독일의 Neckarwestheim 원전 부지내 건식저장시설 (채석장 활용)의 실례가 있다. 이 원전 부지는 사용후핵연료 건식저장을 위한 평탄한 부지면적이 부족하여 인접 고지대에 터널을 파서 저장시설을 마련했다고 하며, 저장용량은 1,600 MTU(151 CASTOR), 저장공간은 112m(L) × 14m(B) × 17.4m(H), 냉각방식은 자연환기냉각으로 Vent Stack을 통해 더운 공기를 오부로 배출한다.

- 이중터널저장방식 (Twin Tunnel Storage Concept)

이 방식은 아직 건설된 사례가 없는 개념의 제안이다. 이 방식은 시추공 형태 장소와 Drywell의 개념을 결합한 지하 저장방법으로서,  사용후핵연료는 수송용기에서 별도 저장용기(Canister)에 저장하여 양쪽 수평터널 사이의 수직 저장공(Vertical Borehole)에 저장하는 개념이다. 수송용기는 낙하방지 기능이 갖추어진 호이스트 (125톤)를 이용하여 Hot Cell Carvern에 안착한다.  냉각방식은 상부와 하부터널의 온도차에 의한 공기순환으로 냉각한다.

- 매립저장방식 (Drywell)

미국에서 오래전부터 개발 중인 방식으로 지표라는 자연물을 이용하여 차폐는 땅을 이용하고 열제거는 열전도와 대류를 이용한다. 미국 ANL과 같은 국립연구소들이 실증설비를 운영하고 미국 Holtec사에서 매립 저장전용 용기를 개발 하였다. 이 방식의 장점은 건설ㆍ운영ㆍ해체 비용이 매우 저렴하고 매립 깊이가 깊을수록 고연소도 연료에 대한 피폭선량이 작아져 차폐능력이 뛰어나며 강화된 저장용기 뚜껑은 기계적 수단에 의한 방사성물질 확산을 방지할수 있다. 단점은 지층 아래에 캐니스터를 장입하므로 침수에 대한 용기의 건전성이 중요하다.