사용후핵연료란 무엇인가요? 그리고 왜 이 문제가 중요한가요?

사용후핵연료란 원자력발전소에 장전되어 일정기간 에너지를 발생시킨 후 원자로 외부로 방출된 연료를 말합니다. 사용후핵연료에서는 여전히 많은 양의 잔열과 물질 손상을 유발할 수 있는 강한 방사선이 나오므로 적절히 냉각과 차폐를 해주어야 하고, 방사능 물질이 환경에 위해를 주지 않도록 오랜 기간 동안 철저히 격리시켜야 하므로 사용후핵연료의 적절한 관리와 처분은 아주 중요한 문제입니다.

자세히 알아봅시다.

• 사용후핵연료가 강한 방사능을 내는 이유와 냉각 필요성

- 불안정한 핵분열 생성물 함유: 원자로에 장전된 핵연료에서 우라늄이 핵분열을 일으키면 질량결손에 따른 에너지의 발생과 함께 핵분열생성물(Fission Products, FP)이 생깁니다. 세슘 137이 대표적인 물질입니다. 이런 핵분열생성물들은 안정한 핵이 되기 위해서 방사성 붕괴를 통해 에너지를 외부로 방출하고 자신은 안정된 핵으로 변환되어 갑니다.

- 방사성 붕괴 과정의 발열: 방사성 붕괴란 감마선이나 베타선 같은 고에너지 방사선이 외부로 방출되는 것을 말합니다. 이들 방사선은 주위 물질에 그 에너지를 전달해서 주위 물질에서의 발열을 유발하고 물질 또는 생체 조직의 손상을 초래할 수 있게 됩니다.

- 수조내 저장을 통한 냉각과 격리: 그런데 이러한 핵분열생성물에는 수개월 이내의 짧은 반감기를 가지고 방사성 붕괴를 하는 것들도 있으므로 사용후핵연료 방출 초기에는 아주 강한 방사능이 발생하게 되어 수년간은 수조에 넣어 냉각과 차폐를 해주어야 합니다.

• 사용후핵연료의 장기 특별 관리 필요성

- 초우라늄원소의 생성: 우라늄에 중성자가 입사되면 항상 핵분열이 일어나는 것이 아니고 중성자가 우라늄에 흡수되어 우라늄보다 무거운 초우라늄원소(TransUranic Elements, TRU)가 만들어 집니다. 플루토늄이 대표적인 초우라늄 원소입니다. 플루토늄은 일부 핵분열을 하기도 하지만 중성자를 추가로 흡수하여 아메리슘과 같은 더 무거운 초우라늄원소로 전환되기도 합니다. 이러한 초우라늄원소들은 불안정하여 대개 알파선을 내며 방사성 붕괴를 하는데 반감기가 수천년 이상으로 매우 깁니다.

- 지층 처분시 지하수로 유출 가능성: 현재 가장 유력한 사용후핵연료 처분 방식은 깊은 지층에 묻는 방식인데 오랜 시간 경과 후 지하수가 사용후핵연료에 침투하여 그 때까지 사라지지 않은 초우라늄 원소와 같은 방사성물질들이 지하수를 오염시키고 오염된 물을 사람이 음용할 경우 인체 건강에 위해를 줄 수 있습니다. 우리의 후손에게 큰 지장을 줄 수 있는 이러한 문제 때문에 사용후핵연료는 수백년 이상의 장기간 동안 특별히 잘 관리되어야 합니다.

원자력, 묻고 답하기 중

작성자: 한국원자력학회 소통위원회