사용후핵연료

사용후핵연료는 원자력발전소 또는 연구용 원자로에서 연소된 후 인출된 사용된 핵연료를 말한다. 우라늄(²³⁵U 및 ²³⁸U)만 포함한 신연료(Fresh Fuel 또는 Clean Fuel)와는 달리 우라늄의 핵분열 결과로 다양한 핵분열 생성물이 포함되어 있으며 이들 핵분열 생성물의 방사붕괴로 높은 방사능 및 열을 방출한다. 사용후핵연료는 현행 방사성폐기물 분류법에 따르면 고준위방사성폐기물에 해당된다. 우라늄과 플루토늄 등 유용한 핵분열성 물질을 포함하고 있어 자원이기도 하지만 플루토늄(특히 ²³⁹Pu)은 핵무기의 원료로 사용될 수 있어 핵확산 감시 대상이 되고 있다.

가압경수로 핵연료의 사용 전·후의 물질 조성

사용후핵연료의 특성

원자로 운전 중에 ²³⁵U가 열중성자와 반응하여 핵분열하면 원자질량이 90~100 주위 및 130~140 주위 두 종류의 핵분열파편(fission fragment)들이 생성되고, ²³⁸U은 열중성자를 흡수하고 방사붕괴를 통해 ²³⁹Np을, ²³⁹Np는 ²³⁹Pu를, 계속 이어지는 흡수와 붕괴를 통해 우라늄보다 무거운 원소를 생성시킨다. 우라늄보다 무거운 원소들을 초우라늄원소(TRU, Transuranic elements)라 부른다. 특히 핵분열파편 원소들은 원자핵을 구성하는 핵자(양자 및 중성자)의 불균형 상태 또는 에너지 흥분상태에 있으므로 안정된 원소로 변환되기 위해 여기에너지를 방사선(α선, β선, γ선 및 중성자)으로 방출하면서 많은 열(붕괴열, decay heat)을 발생시킨다. 방사붕괴 형태는 원소들의 에너지상태와 반감기에 따라 달라지고 원자로에서 인출된 후에는 중성자 흡수반응을 통한 핵변환은 중지된다. 엄청난 양의 방사선과 붕괴열은 인체와 환경에 피해를 끼치므로 사용후핵연료는 최종처분 전까지 상당한 기간 동안 격리·차폐시키고 냉각시켜야 한다.

사용후핵연료의 종류

사용후핵연료의 조성물질 내용은 원자로의 운전조건에 따라 달라진다. 즉, 핵분열 생성물의 종류와 양, 핵변환된 원소의 종류와 양, 방출되는 방사선의 양과 붕괴열 등에서 차이가 생긴다. 따라서 원자로의 운전조건(운전시간, 핵연료의 초기 농축도와 등) 및 핵연료의 연소조건(노심 내 체류 위치 및 연소시간 등)에 따라 물리·화학적 관점에서의 사용후핵연료의 종류와 관리방법이 달라질 수 있다. 우리나라의 경우 발전용인 가압경수로와 중수로가 운전되고 있으므로 두 종류의 사용후핵연료 외에 연구용원자로인 「하나로」에서 발생된 사용후핵연료가 있다.

• 가압경수로 사용후핵연료(PWR Spent Nuclear Fuel)

핵연료의 ²³⁵U 농축도와 원자로에 장전체류시간(연소시간)은 핵분열생성물의 양과 초우란원소들의 양을 결정짓는 주요 변수이다. 가압경수로 경우 핵연료 농축도는 3~5w/o 이고 평균 체류시간은 원자로의 운전전략에 따라 다르지만 보통 36~45개월 정도이다. 핵연료집합체의 평균인출연소도(average discharge burnup)는 45,000 MWD/MTU 이며 평균적으로 핵분열 생성물은 핵연료 조성의 5.6% 정도, 초우란원소는 평균 0.2% 정도 함유되어 있다. 이와 함께 생성된 핵종들에 관한 정보에 기초하여 관리를 위해 필수적으로 알아야하는 방사능과 붕괴열을 계산해낼 수 있다.

• 중수로 사용후핵연료(CANDU Spent Nuclear Fuel)

천연우라늄(²³⁵U 함유 0.72w/o) 핵연료를 사용하며 매일 일정 수의 핵연료를 교체하는 중수로 경우 평균인출연소도는 7~8,000 MWD/MTU으로 가압경수로에 비해 매우 낮다. 또한 노심 내 체류시간이 짧으므로 핵분열 생성물은 사용후핵연료 조성물질의 약 0.8%, 초우란원소는 0.02% 정도에 불과하다.

사용후핵연료 관리(Spent Nuclear Fuel Management)

사용후핵연료는 핵분열파편과 같은 방사선과 열을 방출하는 많은 방사성물질을 함유하고 있으며 초우란원소들은 반감기가 매우 길다. 따라서 방사선과 열로부터 인간과 환경을 보호하기 위해 사용후핵연료에 대하여 특별하고도 지속적인 관리가 필요하다. 사용후핵연료 관리는 저장, 처리 그리고 처분으로 나누어 볼 수 있다.

• 임시저장 : 핵분열생성물의 방사붕괴로 발생하는 붕괴열을 식히고 방사선을 차폐하기 위해 원자로에서 인출한 사용후핵연료는 원전 내 저장시설에 임시로 저장한다. 방사성물질이 많은 경수로 사용후핵연료 경우는 저장조(물 냉각의 습식저장)에, 방사능이 낮은 중수로 사용후핵연료는 습식저장 또는 큰크리트로 차폐한 공기냉각의 건식시설에 일정 기간 저장한다. 원전 내의 임시저장시설은 용량에 한계가 있으므로 방사선과 열의 생성량이 어느 정도 낮아지면 별도의 중간저장시설 또는 최종처분시설로 옮겨 저장 또는 처분해야 한다.
• 중간저장 : 중간저장은 최종처분 이전까지 중장기적으로 상당한 기간 동안(처분정책에 따라 50~80년) 별도의 설비 또는 시설에 사용후핵연료를 안전하게 저장하는 것을 말한다. 중간저장시설과 최종처분장은 요구되는 부지특성조건을 만족해야 하므로 조사·평가·검증·인허가 절차에 긴 시간이 소요된다.
• 최종처분 : 최종처분은 사용후핵연료를 인간과 환경으로부터 영구히 격리시키는 것으로 현재로서는 지하 500~1,000m 깊이의 암반 심지층에 여러 겹의 방벽(천연방벽과 공학적 방벽의 혼합형 등)을 구축하여 묻는 것이 일반적이다. 핀란드와 스웨덴은 사용후핵연료를 포함한 고준위 방사성폐기물을 영구히 처분할 처분장을 확보했다.
• 재처리 또는 재활용 : 사용후핵연료를 영구히 처분하기 전에 조성물질로 함유된 유용한 핵분열성물질인 U과 Pu를 물리적·화학적 방법으로 분리해내는 것을 말하며, 의미적으로 구분이 쉽지는 않지만 추출방식과 추출된 물질의 용도에 따라 구분하며 습식처리로 추출된 Pu을 핵무기 원료로 사용하는 경우 재처리, 건식방식으로 Pu과 MA가 혼합된 채로 추출하여 원자로 연료로 사용할 경우 재활용이라고 한다.

우리나라는 “Wait & See” 정책에서 벗어나 사용후핵연료 공론화위원회의 권고사항을 바탕으로 중간저장 및 연구처분을 위한 부지선정과 관련된 절차와 방식을 단계별로 제시한 「고준위방사성폐기물 관리 기본계획(안)」(‘16. 7)”을 수립하여 법제화를 추진 중에 있다.

조성

사용후 핵연료에는 우라늄, 플루토늄, 핵분열생성물과 그 붕괴핵종, 중성자에의해 방사화된 구조물이 존재한다.

• 핵분열 생성물 : 사용후경수로핵연료에는 전체무게의 약 3% 의 핵분열생성물이 존재한다. 이들은 오랜기간 동안 방사선과 붕괴열을 방출하게 된다.
• 플루토늄 : 핵연료에 포함되었던 우라늄-238이 중성자흡수에 의해 플루토늄-239, -240 등으로 변환된다. 이는 전체무게의 약 1%정도이다. 풀루토늄은 핵분열이 가능하여 재활용할 수 있는 유용한 물질이지만, 한편으로는 핵무기제조의 원료로 사용할 수도 있다. 또한, 플루토늄은 반감기가 길고 방사성독성(radio-toxicity)가 높아 처분도 어렵다.
• 우라늄 : 신핵연료에 포함되어 있던 우라늄-238의 96% 정도는 사용후핵연료에도 남아 있게 된다. 신연료에 4%정도 있던 우라늄-235는 대부분 연소되어 사용후연료에는 0.8%정도 남게되고 우라늄-236이 0.4% 생성되어 있다.
• 마이너 악티나이드 : 원자번호가 큰 93-넵투늄, 95-아메리슘, 96-퀴륨, 97-버클륨, 98-켈리포늄 등을 마이너악티나이드(Minor Actinide, M.A.)라고 하며 이들의 반감기는 몇십만년정도로 길다. 붕괴과정에서 발생하는 열과 방사선 때문에 환경에서 격리하여 관리하여야 한다.

붕괴열

원자로가 정지되어 연쇄핵분열반응이 일어 나지 않더라도 핵분열생성물과 마이너악티나이드의 붕괴는 열을 발생한다. 원자로가 정지된 직후에는 운전중 열발생의 약 7%, 1 시간후에는 약 1.5%, 1일후에는 약 0.4%, 1주일후에는 약 0.2%가 발생한다. 원자로에서 꺼낸 사용후 핵연료는 발전소의 사용후연료저장조에서 1년이상 냉각한 후 처리하게 된다. (우리나라의 경우에는 처리정책이 확정되지 않아 발전소에 20년 이상 보관하고 있다.)

참고자료

• 사용후핵연료Q&A