사용후핵연료 활용 일반

사용후핵연료 활용

고준위방사성폐기물 감량 및 감용

장수명핵종 소멸처리

사용후핵연료 활용 일반

개요

사용후핵연료를 폐기물로 분류하지 않고 다시 사용할 수 있는 에너지자원으로 분류한다면, 사용후핵연료에 함유된 유용한 핵종들(Pu-239, U-235, 등)을 활용해 원자로에서 전기에너지를 생산하면서 동시에 고독성 장수명핵종을 분리․회수하여 소멸처리할 수 있다. 여기서는 현재 연구개발 되고 있고 또 상용화되어 있는 사용후핵연료 활용 방법들을 소개한다.

===사용후핵연료 활용(재활용) 목적 및 방법

사용후핵연료 활용은 두 가지 목적에 초점을 두고 있다. 하나는 사용후핵연료를 자원으로 보고 사용후핵연료를 적절히 처리한 다음 다시 핵연료로 재활용하는 방안과, 두 번째는 사용후핵연료내에 포함되어 있는 반감기가 매우 길고 방사성독성이 높은 성분들(장수명핵종군으로 기인)을 제거시켜 사용후핵연료 관리의 근원적 문제점을 개선하는데 초점을 두고 사용후핵연료에 함유된 장수명핵종군을 회수해 에너지를 생산하는 방안이다. 이와 같은 방안을 수행할 대표적인 방법이 사용후핵연료로부터 장수명핵종을 분리소멸처리(P & T: Partitioning and Transmutation)시키는 방법이다.

사용후핵연료 특성

사용후핵연료 조성

원자력발전에서 사용한 핵연료의 우라늄(U-235) 초기 농축도가 4.5%이고 연소도 45,000 Mwd/tU로 타고 나온 사용후핵연료의 개략적인 핵종 조성은 아래 표와 같다.

사용후핵연료를 구성하는 대표적 장수명핵종과 열부하핵종

사용후핵연료 방사성독성

사용후핵연료에서 초우라늄원소군(Pu, Np, Am, Cm)을 제거하지 않고 직접 처분할 경우 방사성독성이 천연우라늄 수준까지 낮아지는데 소요되는 시간이 이론적으로 약 30만년 정도가 필요하다. 다시 말해 만일 사용후핵연료에서 초우라늄원소군을 제거하고 소멸시킬 수 있다면 방사성 독성은 이론적으로 수백년 정도로 획기적으로 줄어들게 된다. 이것은 사용후핵연료가 지니는 현실적 관리 문제를 근원적으로 해결해 줄 수 있는 하나의 방안으로 제시되고 있다.

장수명핵종군 제거를 통한 방사성독성 저감효과

사용후핵연료 활용방법

경수로 사용후핵연료의 중수로 핵연료로의 활용

경수로 사용후핵연료에는 열중성자 조건하에서 핵연료로 재사용 가능한 U-235가 약 1.0% 그리고 Pu-239이 약 1.2%정도 함유되어 있다. 이것을 간단한 과정을 거치면 천연 우라늄(U-235가 약 0.7% 함유)을 핵연료로 사용하는 중수로에 재사용이 가능하다. 이와 같은 경중수로 연계 핵연료주기기술을 듀픽(DUPIC, Direct Use of PWR fuel In CANDU reactors)이라 부르고 있다.

듀픽 기술은 화학적 처리과정이 없으며, 단지 열처리와 같은 물리적 처리를 통해 사용후핵연료를 모두 분말화하고 이 과정에서 발생하는 휘발성 핵분열생성물들을 제거하고 난 후, 다시 소결체로 제조하여 중수로 핵연료로 재활용하고자 하는 게 목적이다. 세계에서 처음으로 실제 경수로 사용후핵연료를 사용하여 듀픽 핵연료를 제조하고, 한국원자력연구원 하나로 원자로를 이용하여 듀픽 핵연료 조사시험을 수행함으로서 실험실 규모 실증시험을 완료하였다.

통상 경수로 원자로 2기의 사용후핵연료가 1기의 중수로 핵연료로 재사용되지만 듀픽 사용후핵연료가 다시 발생하므로 전체적으로 사용후핵연료 부피 감용율은 미미하다고 볼 수 있으며, 듀픽공정에서 발생하는 휘발성 방사성핵종을 포집한 고준위폐기물이 추가로 발생한다. 현재 우리나라에서 중수로 추가 건설계획이 취소되어 듀픽 기술의 상용화는 이루어지고 있지 않고 있다.

재처리를 이용한 Pu 회수 활용

사용후핵연료에 함유된 Pu과 U는 PUREX(Plutonium Uranium Recovery by EXtraction)공정을 이용하여 회수하고 이를 혼합핵연료(MOX, mixed oxide)로 제조한 다음 열중성자로의 핵연료로 재활용하고 있다. 재처리 상용공장이 가동되고 있는 나라는 프랑스, 영국, 러시아, 일본 등이 대표적이다. 재처리는 사용후핵연료내 Pu과 U를 회수하기 때문에 재처리 후 발생하는 방사성폐기물에는 다양한 장수명핵종군과 고방열성(열부하) 핵종군들이 포함되어 있어 사용후핵연료에 준하는 고준위폐기물 관리가 요구되고 있다.

사용후핵연료 분리 및 소멸처리(P&T, Partitioning and Transmutation)

• 장수명핵종 분리기술

분리기술에는 습식공정(wet process)과 건식공정(dry process)이 개발되고 있다. 이 기술들의 기본적 개념은 반감기가 매우 긴 장수명핵종군들과 열부하가 큰 핵종군들을 99.9% 이상 회수시켜 고준위폐기물 발생량을 최소화하는데 목적이 있다. 다시 말해 사용후핵연료로부터 발생하는 고준위폐기물의 감량과 감용을 통해 환경에 미치는 영향을 최소화하고 처분장의 규모를 획기적으로 줄이는데 목적을 두고 있다.

• 장수명핵종 소멸(핵변환 기술)

소멸(핵변환)기술 개념은 사용후핵연료내 장수명핵종군들과 단수명핵종군들을 서로 분리하고 장수명핵종군만을 회수한 다음 이를 소멸처리를 통해 핵분열시키든가 안정핵종 또는 단반감기 핵종으로 변환시키는데 목적이 있다. 이를 통해 초장기적 방사성 위해도를 크게 낮출 수 있다. 아래 표는 소멸처리를 위한 분리 핵종군의 관리 방법이 제시하고 있다.

사용후핵연료의 분리핵종 관리방법

참고문헌

이 자료의 최초 작성 :김 응호(영산대) ehkim1@naver.com, 등록 : 박 찬오(SNEPC) copark5379@snu.ac.kr