사용후핵연료처분 일반

▼ 사용후핵연료 처분

  KURT

  사용후핵연료 지하처분연구시설

  사용후핵연료처분 일반

사용후핵연료 처분

사용후핵연료 처분 방식

방사성폐기물 처분에 대하여 IAEA에서는 “회수할 의도없이 적절한 시설에 방사성폐기물을 정치”하는 것으로 정의하고 있으며, 직접처분은 사용후핵연료를 폐기물로 간주하여 처분하는 것을 의미한다. 사용후핵연료 처분을 위하여 1950년대부터 해양처분, 빙하처분, 우주처분, 심지층처분 등 다양한 방식1)이 연구되어 왔으며, 현재의 기술로는 심지층처분 방식이 가장 안전한 관리방법으로 고려되고 있다

해양처분

• 방사성폐기물을 바다 속에 낙하 투기하는 처분방안으로 사용후핵연료를 포장상태로 해양투기하면 해저면에 도달하여 시간이 지남에 따라 방사성 핵종은 바다 속에서 분산되어 희석됨

• 사용후핵연료를 해양 처분한 사례는 없으나, 중ㆍ저준위 폐기물의 경우 러시아, 영국, 벨기에, 프랑스, 독일, 미국 등이 실행한 바 있으며, ‘90년 런던투기협정(London Dumping Convention) 체결로 해양처분이 금지됨

빙하처분

• 빙하처분(Disposal in ice sheets)은 그린란드와 남극대륙 등에 있는안정된 빙하에 처분하는 방안으로, 고준위 방사성폐기물의 자체 열로 얼음을 녹이면서 자체 매장이 가능한 처분임

• 그러나 어느 국가도실행하지 않고 있으며, 남극조약(Antarctic Treaty, 1961)에 의해 금지

우주처분

• 우주처분(Disposal in space)은 사용후핵연료를 우주공간 또는 태양으로 방출하여 지구로부터 영구 격리하는 방안

• 인간 및 환경으로부터 완전 격리가 가능하나, 특히 1986년 미국 챌린저호 발사 실패이후 처분 과정의 고비용과 발사실패 위험 때문에 연구가 중단

심지층처분

• 심지층처분(Deep geological disposal)은 사용후핵연료를 인간의 생활권으로 부터 영구히 격리하기 위해 부식과 압력에 장기간 견딜 수 있는 처분용기에 사용후핵연료를 넣고 지하 300～1,000미터 깊이의 심지층 매질(예: 결정질 암층, 암염층, 점토층 등)에 처분하는 것임

• 대부분의 국가들이 심지층처분 방식을 선호하고 있으며, 핀란드 (2001년)와 스웨덴(2009년)이 고준위폐기물 처분장 부지를 확보한 상태이며, 처분장 건설을 위한 인허가 신청을 완료하였음

초장심도 처분

• 초장심도 처분(Very deep borehole disposal)은 지하 3~5km 깊이의 암반층에 처분하는 개념으로 사용후핵연료 또는 고준위폐기물의방사능이 마그마에 희석될 것으로 기대되고 또한 자연적인 지각운동으로 지상까지의 노출에 상당시간이 소요된다는 가정 하에 제안

• 미국 샌디아국립연구소에서 2012년 연구계획을 국회에 제안한 상태이며 현재까지 초장심도 환경에 대한 연구자료가 많이 부족

사용후핵연료 심지층 처분

개요

• 사용후핵연료를 포함한 고준위 방사성폐기물은 방사성준위가 높고 다량의 장반감기 핵종들이 포함되어 있으므로 방사선 방호측면에서 인간의 건강과 자연환경의 보전에 전혀 문제가 없는 시점까지 장기간 격리, 보관하여야 함. 또한, 방사성물질의 붕괴로 발생하는 붕괴열로 인하여 주변 환경에 위해가 없도록 열을 소산하여야 함.

• 고준위 방사성폐기물의 처분을 위한 2가지 요건을 충족시킬 수 있는 가장 안전하고 영구적으로 관리할 수 있는 방법으로 제안된 것이 심지층처분 방식임. 이 방식은 지하 암반의 지질환경이 지표면보다 더안정적이기 때문에 인간 환경으로부터 오랜 기간 격리ㆍ차단능력이 뛰어나다는 사실에 바탕을 두고 있으며, 심지층 매질(예 : 결정질 암층, 암염층, 점토층 등)에 고준위폐기물을 영구 처분하는 방안임.

• 이 처분 방식은 스웨덴, 핀란드가 채택하여 처분부지 확보 후 건설을 위한 인허가 신청을 완료하여 심사 중에 있고, 독일, 프랑스, 벨기에등 국가들도 고준위폐기물에 대한 심지층처분을 실시할 예정으로 추진해 왔던 방식으로 비교적 실증된 기술이며 사용후핵연료의 최종 처분방식 중 핵확산저항성이 커서 국제 수용성이 우수하다는 특징이 있음.

심지층처분의 개념

• 기본적으로 심지층처분은 지상으로부터 300～1000 m이하 깊이의 결정질 암층, 암염층 또는 점토층 등에 처분하는 것을 고려하고 있음.

- 안정된 지질환경과 역학적 특성으로 지하에 위치한 처분시설 보호

- 안정된 수리, 지구화학적 완충 작용과 누출된 핵종의 이동 지연

- 처분장 주변 암반의 저투수성에 따른 핵종의 확산을 제어

• 이러한 자연방벽은 굴착에 따른 변화와 불균질성 때문에 불확실성이 상존하고 있으므로 이를 인위적으로 보완하기 위하여 공학적 방벽 개념을 도입 : 자연방벽과 조화를 이루는 다중방벽으로 시스템을 구성

• 현재, 고려하고 있는 공학적 방벽 : 폐기물자체, 처분용기, 완충재 및 뒷채움재로 구성됨

• 고준위폐기물은 지하 환경에서 장기간 건전성을 유지할 수 있는 처분용기에 적재된 후 밀봉되며, 밀봉된 처분용기는 심부 암반의 처분터널에 굴착된 처분공에 안치됨. 처분공 내에서 심부 암반과 처분용기 사이에는 핵종 누출 시 지연효과를 위하여 완충재로 채우고, 그 외 공간은 뒷채움재로 폐쇄함

국내 처분기술 확보 현황

• 국내의 사용후핵연료 관리에 관한 국가 정책은 명확하게 제시되어 있지않고 이른바 관망정책(Wait and See Policy)을 지금까지 견지해 왔음

• 향후, 우리나라도 사용후핵연료의 여러 관리대안들 중 공론화를 통하여 최종 관리방안을 결정하게 될 것으로 예상됨. 사용후핵연료를 직접 처분하는 경우뿐 만 아니라 사용후핵연료의 재활용을 위해 재처리를 하는 경우에도 이로부터 발생하는 고준위방사성폐기물의 최종 처분은 필요함.

• 한 국가에 적합한 고준위폐기물의 처분기술은 각 나라의 자연환경조건, 자국 원자력산업의 특성에 따른 산업적ㆍ사회적ㆍ경제적 여건 등에 따라 달라지므로 다른 나라에서 개발된 기술을 그대로 도입하여 시행할 수 없는 특성이 있음. 따라서 우리나라 고유의 제반 여건을 고려하여 우리나라에 가장 적합한 처분개념을 제시하여야 함.

• 사용후핵연료 처분에 관한 사업 시행은 아직 이루어지지 않고 있으며, 원자력연구개발사업을 통하여 한국원자력연구원에서 기술개발 차원에서1997년부터 고준위폐기물 처분시스템개발 연구를 수행하여 사용후핵연료 직접처분을 가정하여 2012년 말까지 국내 대표지질 암반을 대상으로 아래에 기술한 고준위폐기물 심지층처분 시스템 개발 핵심기술을 확보함.

- 심지층처분 시스템 및 공학적 방벽 개발

- 지질환경 특성평가 기술

- 처분안전성 평가 기술

- 지하처분연구시설(KURT)을 이용한 현장 검증

지하처분연구시설(KURT)을 이용한 현장 검증

• URL은 Underground Research Laboratory 또는 Underground Rock Laboratory를 통칭하는 것으로 방사성폐기물처분시설 개발 프로그램 지원하기 위한 제반 행위, 즉, 처분시스템의 현장실증시험, 예비안전성평가, 처분장 건설 및 운영 엔지니어링기술 실증, 지하심부 지질특성 조사기술 개발, 대국민 교육홍보ㆍ이해증진 등이 종합적으로 이루어지는 지하연구시설을 말함(OECD/NEA, 2001)

• URL은 유형별로 Generic URL, Purpose Built Generic(PBG)-URL, Site-Specific URL로 분류하며, 각각의 특징은 아래와 같음

- Generic URL : 최종 처분장 부지가 아닌, 기존의 폐광산이나 터널을 확장하여 지하지질에 관한 연구와 실증시험을 목적으로 건설된지하연구시설

- PBG-URL : 처분사업에서 실증이 요구되는 분야의 연구를 위해 특정 부지에 건설하는 지하연구시설

- Site-Specific URL : 최종 처분장 건설을 목적으로 건설 인허가를 위한 실증시험용 지하연구시설로서 부지특성평가 업무 핵심시설

국내 기술개발 현황

• 우리나라 고유의 독자적인 고준위폐기물처분시스템 개발 및 실증을 목적으로 1단계 지하처분연구시설 (KURT: KAERI Underground Research Tunnel)을 2006년 말 건설함.

- KURT는 방사성폐기물처분장 개발 프로그램의 전 과정에서 제기되는 이슈들을 해결하거나 지원하기 위한 제반 행위 (처분시스템의 현장실증시험, 예비안전성평가, 처분장 건설 및 운영 엔지니어링기술 실증, 지하심부 지질특성 조사기술, 대국민 교육홍보 등)가 이루어지는 지 하처분기술 연구를 위한 URL임(그림 13).

• 지하처분연구시설에서는 고준위폐기물처분장과 유사한 지하 깊은 곳의 지질환경 조건에서 천연방벽(암반)의 지연/희석 기능과 공학적 다중방벽(처분용기, 완충재 등)의 격리 성능을 실험적으로 증함(그림 14, 표 4). 심층처분장 건설과 운영에 필요한 공학적 기술의 타당성과 적합성을 입증하기 위한순수 지하연구시설로서의 기능을 수행하며, 국민이해 증진을 위한 교육/홍보및 전문가 양성에도 활용되고 있음

국외 처분장 추진현황

스웨덴

• 고준위폐기물 관리현황 및 선원항

- 스웨덴은 방사성폐기물을 단반감기 중ㆍ저준위폐기물, 장반감기 중ㆍ저준위폐기물과 고준위폐기물로 분류하며, 고준위폐기물은 사용후핵연료로 심지층에 처분할 계획임.

- 현재, 원자력발전소에서 발생하는 사용후핵연료는 각 발전소 부지의임시저장고에 저장 후 오스카샴 지역에 위치한 집중 중간저장시설인CLAB에 저장되고 있으며, 약 30년간 저장한 후에 처분될 예정임.

- 스웨덴에서 영구처분을 위해 고려한 사용후핵연료는 주로 PWR 및 BWR로부터 발생하고 있으며, 처분용량은 12,000 tU의 사용후핵연료 (처분용기 6,000개)를 가정하였음.

• 처분 시스템

- 스웨덴의 사용후핵연료 심지층처분은 자연방벽과 공학적 방벽으로 구성된 다중방벽 개념을 적용한 KBS-3라고 하는 기준개념을 개발하여 처분사업을 진행하고 있음

- 최근 사용후핵연료 영구처분부지로서 포스마크를 결정하고 기준 설계배치개념을 도출함.

- 장기간에 걸친 사업특성으로 인하여 실제 처분을 실행하는 시점에 가장 적합한 기술을 이용하기 위하여 수직공 처분방식과 수평 처분터널 방식을 모두 고려

- 최종 처분방식 결정은 부지에 대한 상세 조사가 완료된 후 이루어질 전망

프랑스

• 고준위폐기물 관리현황 및 선원항

- 프랑스는 원전에서 발생하는 사용후핵연료를 재처리하고 있음.

- 사용후핵연료는 연간 약 1,150톤 발생하며, 약 850톤은 재처리하고 200톤의 사용후핵연료는 매년 축적되며, MOX 연료는 약 100톤이 발생

- 최종 관리대상인 사용후핵연료의 양, 재처리로부터 발생하는 고준위방사성폐기물(유리고화체), 장수명 중준위방사성폐기물의 양은 향후 재처리 시나리오(전량 재처리, 일부 재처리, 재처리 중지)에 따라 변화될 것으로 예상됨.

• 처분 시스템

- 처분 대상 폐기물은 고준위 유리고화폐기물(C형 폐기물), 장반감기 중준위폐기물(B형 폐기물), 사용후핵연료 등 3가지로 각 폐기물 특성에 맞추어 처분시스템을 구성

일 본

• 고준위폐기물 관리현황 및 선원항

- 일본은 원자력발전소에서 방출된 사용후핵연료의 재처리공정으로부터 발생하는 고준위폐기물을 유리고화체로 만들어 처분할 계획

- 2005년까지는 프랑스와 영국에 위탁하여 사용후핵연료를 재처리 하였으며, 이후는 자국 내 재처리를 위해 연간 800톤 처리규모의 로카쇼무라 재처리 시설을 건설 시운전 중

- 처분대상 유리화 고준위폐기물은 2020년까지 40,000개의 유리고화체용기(0.8 MTU/canister, 32,000 MTU에 해당)가 될 것으로 예상

• 처분 시스템

- 일본은 활성대에 위치한 군도로서 단층운동, 지진, 화산폭발이 많으므로 충분히 안정한 지하처분장 구축 필요

- 이를 위하여 지하처분의 기본개념은 안전한 지질환경에 다중방벽 시스템(그림 21)을 구축

미 국

• 고준위폐기물 관리현황 및 선원항

- 고준위 방사성폐기물은 상업용 원자력발전소에서 발생한 사용후핵연료, DOE 보유의 사용후핵연료 (연구로 및 해군 선박의 원자로 등에서 발생하는 것), 핵무기제조 및 과거 상업용 원자력발전소에서 발생한 사용후핵연료 재처리에 의해 발생한 유리 고화체가 있음.

- 미국에서는 1973년 이후 상업용 원자로 발생 사용후핵연료의 재처리는 시행되지 않고 있으며, 1993년 "핵 비확산 및 수출 통제정책"으로사용후핵연료를 고준위 방사성폐기물로서 직접처분방식을 취함.

- 1982년 방사성폐기물 정책법에 고준위 방사성폐기물 처분은 연방정부의 책임으로 규정

- 1987년 방사성폐기물 정책개정 법령은 유카마운틴 부지를 유일한 처분 후보지로 결정하여 처분용량 70,000 톤으로 지층처분 연구프로그램을 실시하였으나, 2009년 오바마 정부는 이를 백지화

※ 2017년 트럼프 행정부 하에서 유카산 처분장 재추진과 함께 중간저장 (Consolidated Interim Storage)을 위한 부지확보 공모사업 추진 중

• 처분 시스템

- 미국 유카마운틴은 응회암 지역으로 고준위폐기물 처분장은 지하 200 m에서 500 m 깊이에 지하수대보다 평균 300 m 위쪽의 불포화 대에 건설하는 것으로 계획되었음.

- 고준위폐기물을 장기간 격리하기 위하여 내부가 스텐레스 스틸 외부가 니켈합금 이중구조의 처분용기를 포함한 다중방벽을 고려 .