핵연료주기 일반

원자력발전에 필요한 연료로 사용하기 위해 우라늄을 광산에서 채광한 후 여러 단계의 공정을 거쳐 핵연료 형태로 가공하여 원자력발전소에서 연소시키고 인출한 후 방사성폐기물로 처리 또는 처분할 때까지의 전 과정을 핵연료주기라고 한다. 경수로 핵연료주기와 중수로 핵연료주기는 일부 공정에 차이가 있다. 핵연료주기 중 일부 공정은 핵비확산 국제협약에 의해 제한을 받는다.

핵연료주기의 분류(Classification of Nuclear Fuel Cycle)

핵연료주기는 핵연료가 연소되는 원자력발전소를 기준으로 핵연료를 준비하는 선행핵연료주기와 연소 후 사용후핵연료를 관리하는 후행핵연료주기로 구분한다.

선행핵연료주기(Front-end Nuclear Fuel Cycle)

우라늄 광산에서 광석 형태로 원광을 채굴하고 정련, 변환, 농축, 재변환 및 가공 과정을 거쳐 제조한 핵연료를 원자력발전소에서 연소하는 과정을 말한다.

후행핵연료주기(Back-end Nuclear Fuel Cycle)

원자력발전소에서 연소되고 인출된 사용후핵연료를 고준위폐기물로서 처리 및 처분하는 일련의 과정을 말한다.

경수로 핵연료주기

선행핵연료주기(Front-end Nuclear Fuel Cycle)

채굴한 우라늄 원광을 정광(Yellow Cake, U₃O₈)으로 정련 등 물리•화학적인 여러 처리 공정을 거쳐 원자력발전소에 필요한 핵연료를 제조하는 과정으로서, 관련 공정기술은 상업적으로 공급되고 있다. 우리나라는 농축우라늄을 수입하여 가공목적의 재변환 및 핵연료제조만 가능하다.

채광/채굴(Mining)

채광은 우라늄 탐사를 통해 우라늄 광석을 자연 상태에서 채굴하는 과정으로 주로 액체를 이용한 기술이 이용된다. 광석에 함유된 우라늄 농도범위는 약 0.03% ~ 20%정도이다.

정련(Milling)

정련은 우라늄 원광에 함유되어 있는 우라늄 또는 토륨의 비율을 높이기 위하여 물리•화학적 방법(분쇄, 용매추출, 이온교환법)을 사용하여 우라늄 정광으로 정제하는 공정이다. 정련과정을 거쳐 불순물을 분리하면 정광 내 우라늄 함량은 질량 기준으로 약 60~85% 정도이다.

변환(Conversion)

우라늄 정광을 농축에 적합한 형태(화합물)로 만드는 공정이다. 농축공정은 기체형태에서 이루어지므로 정광을 기체 상태인 육불화우라늄(UF₆)으로 변환한다. 경수로 핵연료용은 농축공정으로 이어지고, 중수로 핵연료는 천연우라늄 정광을 바로 이산화우라늄(UO₂)으로 변환한다.

농축(Enrichment)

농축은 $^{235}U$의 함량을 높이는 공정이다. 상용화 된 대표적인 농축방법은 가스확산법과 원심분리법으로 기체확산법은 전력소모량이 많아 원심분리법이 추세이다. 농축은 국제적으로 엄격한 규제를 받는 민감 기술로서 국제협정에 따라 국내에서는 불가능하다.

재변환(Reconversion)

농축된 육불화우라늄(UF₆) 기체를 이산화우라늄(UO₂)으로 변환하는 공정이다. UO₂는 분말 형태로 다음 단계인 핵연료 제조(또는 가공) 공정으로 이어진다.

핵연료 제조(Nuclear Fuel Fabrication)

재변환된 농축 UO₂ 분말 또는 천연우라늄 분말을 물리•화학적 처리공정을 거쳐 핵연료를 제조하는 과정이다. UO₂ 분말을 소결체로 만들어 Zircaloy 피복관에 장입한 후 피복관 양 끝을 용접하여 핵연료봉을 제조하고 다수의 연료봉을 엮어 핵연료 집합체로 만든다.

후행핵연료주기(Back-end Nuclear Fuel Cycle)

원자력발전소에서 연소된 후 인출한 사용후핵연료를 냉각·저장(소내저장, 중간저장 포함), 수송, 재처리/재활용 및 지하에 영구히 처분하는 모든 관리 과정을 말한다.

소내 저장 및 냉각(Storage and Cooling at Reactor Site)

원자로에서 인출된 사용후핵연료는 핵분열생성물의 방사붕괴로 많은 열과 방사선을 방출한다. 이를 적절한 온도 이하로 냉각하고 방사선으로부터 작업자와 환경을 보호하기 위해 발전소 내 저장시설에 일정 기간 저장하는 것을 말한다. 수조에서 저장·냉각하는 습식방식과 공기냉각의 건식방식이 있다.

운반(Transportation)

사용후핵연료를 특수한 운반 전용용기에 담아 저장, 처리, 처분을 위한 시설 등으로 이송하는 것을 말한다.

중간저장(Interim Storage away from Reactor Site)

발전소 내에 저장된 사용후핵연료를 처리 또는 처분하기 전까지 일정 기간 저장하는 것이다. 소내 저장이나 별도의 저장시설을 이용할 수도 있으며 습식 또는 건식방식을 채택할 수 있다.

재처리(Repreocessing)/재활용(Recycling)

사용후핵연료를 물리∙화학적 또는 전기화학적 방법으로 활용이 가능한 핵분열성물질(우라늄(U), 플루토늄(Pu) 등)을 추출하는 공정이다. 용액(질산, 유기용매)을 사용하여 U과 고순도 Pu을 추출하는 습식재처리(Reprocessing)와 전기화학적 방법으로 U 및 초우라늄원소(Pu 및 MA 원소)를 회수하는 건식재활용 기술이 있다.

처분(Disposal)

사용후핵연료 자체 또는 재처리/재활용 과정에서 발생한 고준위방사성폐기물을 깊은 지하에 매립하여 생태계에서 영구히 격리하는 것을 말한다. 사용후핵연료를 포함하는 고준위방사성폐기물은 보통 지하 300∼1,000미터 깊이의 암반에 여러 겹의 방벽으로 처분하는 개념이 일반적이다. 최근에는 안전성을 높일 수 있는 심부시추공처분(Deep Borehole Disposal) 방식도 관심을 받고 있는데, 이 방식은 5 km 깊이의 대형 시추공을 뚫어 3~5 km 구간에 폐기물을 처분하고 시추공 상부 부분을 견고하게 밀봉하는 개념이다.