사용후핵연료처리 일반

사용후핵연료 처리

개요

사용후핵연료 처리”라 함은 원자로의 연료로서 사용된 핵연료물질 또는 기타의 방법으로 원자핵분열을 시킨 핵연료물질을 연구 또는 시험을 목적으로 취급하거나, 물리적ㆍ화학적 방법으로 처리하여 핵연료물질과 기타의 물질로 분리하는 것을 말함.

일본에서 “재처리”라 함은 원자로에서 연료로 사용된 핵연료물질과 기타 핵분열한 물질 (이하 “사용후핵연료”라고 한다)로 부터 핵연료물질, 기타 유용한 물질을 분리하기 위하여 사용후핵연료를 화학적인 방법으로 처리하는 것을 말함.2)

재처리’ 기술은 일반적으로 사용되는 용어로서 파이로프로세싱 기술은사용후핵연료를 다루는 여러 재처리기술 중 하나로 분류함. 그러나 통상적으로 ‘재처리’라 함은 순수 플루토늄만을 분리해 낼 수 있는 공정기술을 의미하며, 대표적인 공정이 PUREX (Plutonium- URanium EXtraction) 습식 처리 으로, 미국, 일본, 영국, 프랑스에서 재처리 기술로는 유일하게 상용화된 기술이며 북한의 재처리 공정도 PUREX를 기본 원리로 채택하고 있음

재래식 재처리기술

원리

• 군사용 목적의 고순도 플루토늄은 사용후핵연료로부터 분리하여 확보
• 사용후핵연료를 질산에 녹이고 이를 유기용액(Tri-Butyl Phosphate)과 섞은 후 안정화시키면 우라늄과 플루토늄만 용액으로 추출됨
• 우라늄과 플루토늄을 포함한 유기용액을 다시 질산 수용액과 섞은 후안정화시키면 우라늄은 유기용액 상에, 플루토늄은 질산 수용액 상에 남아 분리됨. 따라서 순수 플루토늄의 분리가 가능함

습식 재처리 기술

• 대부분의 원자력 선진국에서는 상용 목적의 사용후핵연료처리를 위해 습식 처리방법을 선택하고 있음

• 1980년 중반 이전까지의 습식 처리기술 개발은 사용후핵연료로부터 우라늄과 플루토늄만을 분리하기 위한 목적의 PUREX 공정 개선 및 고도화에 주안점을 두어 추진하였으나, 1990년 이후 부터는 사용후핵연료의 재활용 및 고준위폐기물의 부피감용을 위하여 우라늄, 플루토늄 이외에 악티나이드계원소 (MA, Minor Actinides : Am, Cm, Np등), 고방열성 핵종 및 기타 장수명의 전이원소 (LLFP : Long Lived Fission Product, Tc-99, Se-79, Zr-93, Pd-107,Sn-126 등)를 화학적 유사 그룹별로 나누어 분리하려는 연구로 확대ㆍ추진되어 왔음

• 특히, 습식 재처리의 핵확산 저항성을 높이기 위하여 플루토늄을 단독으로 분리하지 않고 MA나 핵분열생성물(FP :Fission Product)과 함께 또는 악틴족 원소(Actinides)를 모두 한 그룹으로 묶어 함께 분리하는 선진 습식분리공정 (AAP : Advanced Aqueous Process) 개발 연구가 미국,프랑스, 일본 등 원자력 선진국을 중심으로 연구되고 있음

• 통상적으로 습식처리의 최종 생산물은 혼합산화물(MOX,Mixed Oxide) 핵연료 생산에 적합함

PUREX 기술

• 습식재처리의 대표적 기술인 PUREX 기술은 목적에 따라군사적으로는 플루토늄만을 분리하고, 평화적인 목적에서는 고속로의 연료인 MOX 핵연료를 만들기 위하여 사용후핵연료로부터 우라늄과 플루토늄만을 분리하는 공정임
• 따라서 경제성 및 핵확산저항성 등으로 인하여 재순환정책을 채택하고 있는 프랑스, 영국 및 일본 등의 일부 국가에서만 제한적으로 활용되고 있으며, 습식ㆍ건식 공정을 통틀어 유일하게 상용화된 기술임

• 그러나 순수한 플루토늄의 분리가 가능하여 핵확산 저항성이 매우 낮고 고준위 폐액이 다량 발생하는 단점이 있음

• PUREX 공정 흐름
  • 사용후핵연료는 집합체로부터 해체된 후 절단되고 강질산에 용해시키고 고체/액체 분리단계를 거쳐서 우라늄 및플루토늄의 회수를 위한 공제염(분리)공정, 호분리공정,최종정제공정 등을 차례로 거침

파이로프로세싱 기술

• 사용후핵연료 습식 처리기술에 비하여 핵확산 금지 대상인고순도 플루토늄의 추출을 원천적으로 배제할 수 있는 핵비확산성 건식 재처리(재활용)기술인 파이로프로세싱(Pyroprocessing) 기술은 사용후핵연료를 환경친화적으로 감량하기에 가장 적합한 기술로 인식되고 있음

• 특히, 파이로프로세싱 기술은 고온용융염 매질 (LiCl,LiCl-KCl 등)을 이용하여 사용후핵연료 내에 잔존하는우라늄 및 초우라늄 원소(TRU) 등의 유용 에너지원을 그룹으로 분리하여 차세대 에너지원으로 재활용하고, 고방열성핵종(Cs, Sr 등)은 분리ㆍ저장하며, 장수명 핵종은소멸시키는 과정이 포함되어 있어서 높은 확산저항성 및유용자원 재활용을 가지므로 미국, 일본 등 선진국에서도주목하는 기술임

• 파이로프로세싱의 최종생산물은 금속으로써, 금속핵연료를사용하는 고속로에 적합함