혼합 산화물 연료
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1. 개요
혼합 산화물 연료(MOX)는 1950년대에 개발이 시작되어, 사용 후 핵연료에서 회수한 플루토늄과 열화 우라늄을 혼합하여 만든 핵연료이다. 일반 우라늄 핵연료보다 출력이 높고, 사용 후 핵연료 관리의 효율성을 높이는 장점이 있다. MOX 연료는 열화 우라늄과 산화 플루토늄 분말을 혼합하여 제조되며, 벨기에, 프랑스, 독일, 영국, 일본 등 여러 국가에서 사용되었다. 한국은 MOX 연료를 경수로에 장전하는 방안을 추진 중이나, 미국의 반대와 기술적 과제에 직면해 있다. MOX 연료는 열중성자로 및 고속로에서 사용될 수 있으며, 토륨을 포함하는 MOX 연료 연구도 진행 중이다. MOX 연료 제조 시 아메리슘 및 큐륨과 같은 방사성 물질 관리가 중요하다.
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| 혼합 산화물 연료 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 핵연료 |
| 설명 | 플루토늄과 우라늄의 혼합 산화물 |
| 구성 | |
| 주요 성분 | 플루토늄 산화물 (PuO₂) 우라늄 산화물 (UO₂) |
| 플루토늄 함량 | 일반적으로 5~10% |
| 우라늄 농축도 | 천연 우라늄 또는 열화 우라늄 사용 |
| 제조 | |
| 원료 | 재처리된 플루토늄 우라늄 |
| 제조 공정 | 혼합 및 분쇄 성형 소결 |
| 사용 | |
| 사용처 | 원자력 발전소 (경수로, 고속로) |
| 사용 목적 | 핵분열 반응을 통한 에너지 생산 |
| 장점 | 플루토늄 재활용 천연 우라늄 자원 절약 핵확산 저항성 향상 (일부 MOX 연료) |
| 단점 | 제조 비용 높음 플루토늄 취급 관련 안전 문제 핵확산 우려 (고농축 플루토늄 사용 시) |
| 핵확산 저항성 | |
| 설명 | 사용후 MOX 연료는 플루토늄 동위원소 조성 변화로 인해 핵무기 제조에 더 어려움 일부 MOX 연료는 핵확산 저항성을 높이기 위해 설계됨 |
| 기타 | |
| 관련 용어 | 재처리 플루토늄 우라늄 핵연료 주기 |
| 참고 | MOX 연료는 다양한 조성과 형태로 제조될 수 있으며, 사용 목적과 원자로 종류에 따라 달라짐 |
2. 역사
혼합 산화물 연료(MOX 연료) 개발은 1950년대 실험실에서 시작되어 1960년대 시험공장 규모로 확대되었다.[29] 1970년대부터 1980년대까지는 상용화가 이루어져 생산되기 시작했고, 1998년까지 전 세계 30개 원자로에서 약 400톤이 사용되었다.[29] 오늘날 새로 공급되는 원전 연료의 2%가 MOX 연료이다.[30]
MOX 연료를 사용하기 위해서는 기존 원자로에 대한 재허가가 필요하다. MOX 연료를 사용하면 원자로의 작동 특성이 변경되기 때문에, 원자로는 이를 수용하도록 설계되거나 약간 개조되어야 한다. 예를 들어, 더 많은 제어봉이 필요할 수 있다.
일반적으로 연료 장전량의 1/3에서 1/2만 MOX 연료로 전환되지만, 50% 이상의 MOX 장전량의 경우에는 상당한 변경이 필요하며 원자로가 이에 따라 설계되어야 한다. 미국 애리조나주 피닉스 근처의 파로 베르데 원자력 발전소에 설치된 시스템 80 원자로 설계는 100% MOX 노심 호환성을 위해 설계되었지만, 지금까지 항상 새로운 저농축 우라늄으로 작동해 왔다.
캐나다 원자력 공사(AECL)에 따르면, CANDU 원자로는 물리적 수정 없이 100% MOX 노심을 사용할 수 있다고 한다.[8][9]
1960년대부터 여러 국가의 원자력 발전소에서 MOX 연료 집합체가 장전되었다.[24]
| 국가 | 장전 실시 시기 | 비고 |
|---|---|---|
| 벨기에 | 1963년~[24] | 2019년 현재, 데셀에 있는 FBFC International사의 플랜트에서 PWR용 연료와 MOX 연료의 조립이 이루어지고 있다.[25] |
| 미국 | 1965년 ~ 1985년[24] | 국내 재처리에 대해서는 카터 행정부가 핵 확산 방지 관점에서 무기 연기했고, 레이건 행정부에서 해제되었지만 재처리에 참여하는 기업은 없었고 플루토늄 재활용도 이루어지지 않았다.[25] |
| 독일 | 1966년~[24] | 1990년대 중반까지 국내에서 폐쇄 사이클의 실현을 목표로 했지만, 비용 상승과 반대 운동으로 인해 바커스도르프 재처리 시설과 하나우 MOX 연료 가공 플랜트 계획이 잇따라 중단되었다.[25] |
| 이탈리아 | 1968년 ~ 1982년[24] | 1987년 국민 투표 후에 원자력 발전이 전면 폐지되었지만, 국내에 저장된 사용후 핵연료의 재처리 계약을 프랑스 AREVA사(현재 오라노사)와 체결하여 프랑스 국내에서 재처리가 이루어지고 있다.[25] |
| 네덜란드 | 1971년 ~ 1993년[24], 2014년~[25] | 2011년에 볼세라 원자력 발전소가 MOX 연료 장전 허가를 취득하여 2014년부터 MOX 연료 장전이 실시되고 있다.[25] |
| 프랑스 | 1974년~[24] | 국가가 주식의 대부분을 소유하는 오라노사가 우라늄 자원 조달부터 재처리까지 담당하고 있으며, 폐쇄 연료 주기 정책이 채택되고 있다.[25] |
| 스웨덴 | 1974년 ~ 1979년[24] | |
| 스위스 | 1978년~[24] | 2005년 원자력법에 의해 2006년 7월부터 10년간 재처리가 동결되었지만, 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 인해 정책이 전환되어 2018년 개정 원자력법에 의해 재처리가 금지되었다.[25] |
| 인도 | 1994년~ | 바바 원자력 연구 센터(BARC)의 각 재처리 플랜트에서 PHWR 사용후 연료의 재처리가 이루어지고 있다.[25] |
우라늄을 사용한 원자로에서는 우라늄-235 등의 우라늄 동위 원소의 핵분열과 주로 우라늄-238에 의한 중성자 포획으로 새로운 무거운 동위 원소가 형성된다. 원자로의 연료 질량 대부분은 우라늄-238이며, 중성자 포획과 2회의 베타 붕괴를 거쳐 플루토늄-239가 된다. 플루토늄-239는 더 많은 중성자를 포획하여 플루토늄-240, 플루토늄-241, 플루토늄-242가 되고, 추가적인 베타 붕괴 후에는 다른 초우라늄 원소나 악티늄족 핵종이 된다. 플루토늄-239와 플루토늄-241은 우라늄-235처럼 핵분열을 일으킨다. 소량의 우라늄-236, 넵투늄-237, 플루토늄-238도 우라늄-235로부터 생성된다.[28]
열화 산화 우라늄(UO2) 분말에 산화 플루토늄(PuO2)을 배합하여 혼합 산화물 분말을 만든다.[27] 플루토늄을 균일하게 배합하기 위해 갈아서 연필 지우개 크기 정도의 작은 펠릿으로 만든다. 고압으로 성형하고 높은 온도로 구운 다음 지름 8mm, 길이 1cm 정도로 잘게 빻는다. 검사를 거쳐 연료봉에 채워 넣고 봉 끝은 용접한다. 보통 264개의 봉을 모아 한 묶음으로 만들어 핵연료로 쓴다.
1963년 벨기에의 BR3 연구용 원자로에서 세계 최초로 MOX 연료봉 14개를 장전했다.[29] 상업용 원자로에 MOX 연료를 처음 사용한 것은 1972년 독일의 오브리그하임 원자로였다.[2] 이후 여러 국가에서 MOX 연료를 사용하기 시작했다.
한국은 혼합 산화물(MOX) 연료를 기존의 경수로에 장전하는 것을 추진 중이다. 이를 위해 파이로프로세싱 기술을 사용하는 프라이드 핵재처리장이라는 엔지니어링 규모의 플루토늄 재처리 공장을 준공하였다. 그러나 미국의 반대로 상업용 재처리 시설 건설에 어려움을 겪고 있어, 한미 원자력 협정 개정을 통해 미국의 동의를 받으려고 노력 중이다.[12]
혼합 산화물 연료(MOX)는 일반적인 우라늄 연료보다 방사능, 특히 알파선과 중성자선이 강해 연료 제조 시 원격 조작으로 작업자 피폭을 막아야 한다. 이산화 우라늄과 이산화 플루토늄을 혼합하면 연료체 융점은 높아지지만, 열전도율이 낮아져 연료 온도가 상승하고 노심 용융 위험이 커진다. 플루토늄·우라늄 질화물 연료를 사용하면 열전도율이 개선되지만, 핵분열 생성물 중 귀금속 비율이 높아지고 플루토늄 자체가 우라늄보다 질산에 잘 녹지 않아 재처리가 어렵다.
3. 특징
핵연료는 몇 년마다 교체되므로 플루토늄-239의 대부분은 원자로 내에서 소비된다. 플루토늄-239는 우라늄-235와 유사하게 행동하지만, 핵분열 단면적이 약간 더 크고 핵분열 시 비슷한 양의 에너지를 방출한다. 일반적으로 원자로에서 배출되는 사용후 핵연료의 약 1%는 플루토늄이며, 그중 약 3분의 2가 플루토늄-239이다. 전 세계적으로 매년 100톤에 가까운 사용후 핵연료에서 플루토늄이 발생한다. 플루토늄을 1회 재활용(플루서멀)하면 원래 우라늄에서 얻을 수 있는 에너지가 약 12% 증가하고, 우라늄-235를 재농축하여 재활용하면 약 20% 증가한다.[6] 재활용을 반복할수록 핵분열성 핵종(주로 홀수 중성자 수)의 비율은 감소하고 중성자를 흡수하는 핵종(짝수 중성자 수)이 증가하므로, 플루토늄이나 농축 우라늄의 비율을 높여야 한다. 현재의 열중성자 원자로에서는 플루토늄이 MOX 연료로 한 번만 재활용되며, 마이너 악티나이드(플루토늄 이외의 악티늄족)나 플루토늄 동위 원소 비율이 높은 사용후 MOX 연료는 고준위 방사성 폐기물로 보관된다.
MOX 연료를 사용하면 원자로 운전 특성이 변하므로, 기존 원자로에 MOX 연료를 도입하려면 제어봉 수를 늘리는 등 원자로를 새로 설계하거나 개조해야 한다. 대부분 연료의 3분의 1에서 절반을 MOX로 교체하지만, 50% 이상 MOX를 사용하면 대폭적인 설계 변경이 필요하며, 원자로를 그에 맞게 설계해야 한다. 100% MOX를 사용할 수 있는 노심의 예로, 미국 애리조나주 피닉스 근처 팔로 베르데 원자력 발전소에 도입된 "시스템 80" 원자로가 있지만, 현재까지는 일반적인 저농축 우라늄으로만 운전되었고 100% MOX 운전은 이루어지지 않았다.
열중성자 원자로에서 나온 사용후 MOX 연료에는 미연소 플루토늄이 많이 포함되어 있으며, 초기 플루토늄 장전량의 50% 이상을 차지한다. 그러나 MOX 연소 과정에서 핵분열성 동위 원소(홀수)와 비핵분열성 동위 원소(짝수)의 비율은 연소도에 따라 약 65%에서 20%로 감소한다. 이 때문에 핵분열성 동위 원소를 회수하기 어렵고, 대량의 플루토늄을 회수하려면 2세대 MOX에 포함될 플루토늄 비율이 매우 높아져 실용적이지 않다. 이러한 사용후 연료는 플루토늄의 추가적인 재사용(연소)을 위한 재처리를 어렵게 만든다. 또한, 2회 사용된 MOX의 정기적인 재처리는 질산에 대한 산화 플루토늄의 용해도가 낮아 어렵고,[10] 2015년 기준 2회 재활용된 고연소도 연료의 상업적 실증 사례는 단 한 건뿐이다.[11]
일반 우라늄 핵연료보다 출력이 높다. 크리프 속도가 빨라 PCMI(핵연료와 피복관 사이의 상호 작용) 영향도 완화된다. 사용 후 핵연료를 재처리하고 군 분리하여 플루토늄을 포함한 초장반감기 핵종을 분리 추출, MOX 연료로 연소시키면 비교적 반감기가 짧은 핵분열 생성물로 변환할 수 있다. 플루토늄을 추출하지 않고 매몰 처분하는 원스루 방식에서는 사용 후 핵연료를 수만 년 동안 관리해야 한다. 플루토늄을 소멸시키면서 에너지를 얻는 방법으로 플루토늄과 열화 우라늄의 혼합 소결 연료가 고안되었다. 러시아에서는 해체한 핵무기에서 추출한 플루토늄을 MOX 연료로 가공하여 고속로에서 연소시키는 방식으로 처분하고 있으며, 일본도 협력하고 있다.[23]
새 우라늄 연료보다 방사능이 강하여(특히 알파선, 중성자선이 현저히 강함) 연료 제조 시 원격 조작을 통해 작업자 피폭 방지에 충분히 유의해야 한다.
이산화 우라늄에 이산화 플루토늄을 혼합하면 연료체 융점이 상승하지만, 열전도율이 저하되어 연료 온도가 상승하기 쉬워져 노심 용융 위험성이 높아진다(산화물 연료가 아닌 플루토늄·우라늄 질화물 연료를 사용하면 열전도율이 우라늄 산화물 연료보다 대폭 개선된다). 또한, 핵분열 생성물 중 귀금속 비율이 높아지고, 플루토늄 자체가 우라늄보다 질산에 용해되기 어려워 재처리가 까다롭다.
기체 핵분열 생성물(크세논, 크립톤 등)과 알파 입자(헬륨 원자핵) 방출이 많아 연료봉 내부 압력이 높아진다. 성질이 다른 우라늄과 플루토늄을 최대한 균일하게 혼합해야 하지만, 필연적으로 플루토늄 스폿(플루토늄 농도가 높은 부분)이 발생한다. 국가는 기준을 설정하여 제한하지만, 사용되는 펠릿 자체를 검사하여 확인하는 것은 불가능하다.
MOX 연료 집합체는 1960년대부터 벨기에, 미국, 독일, 이탈리아, 네덜란드, 스웨덴, 프랑스, 스위스, 일본, 인도 원자력 발전소에 장전되었다.[24]국가 장전 시기 비고 벨기에 1963년 ~[24] 2019년 현재, 데셀에 있는 FBFC International사 플랜트에서 PWR용 연료와 MOX 연료를 조립하고 있다.[25] 미국 1965년 ~ 1985년[24] 카터 행정부에서 핵 확산 방지 관점으로 국내 재처리를 무기한 연기했고, 레이건 행정부에서 해제되었지만 재처리에 참여하는 기업이 없어 플루토늄 재활용도 이루어지지 않았다.[25] 독일 1966년 ~[24] 1990년대 중반까지 국내에서 폐쇄 사이클 실현을 목표로 했으나, 비용 상승과 반대 운동으로 바커스도르프 재처리 시설과 하나우 MOX 연료 가공 플랜트 계획이 잇따라 중단되었다.[25] 2019년 현재 독일에는 우라늄 변환 시설이 없지만, 그로나우에 있는 우렌코사 플랜트에서 농축을, 린겐에 있는 ANF사 플랜트에서 경수로용 연료 가공을 실시하고 있다.[25] 이탈리아 1968년 ~ 1982년[24] 1987년 국민 투표 후 원자력 발전이 전면 폐지되었지만, 국내에 저장된 사용후 핵연료 재처리 계약을 프랑스 AREVA사(현재 오라노사)와 체결하여 프랑스에서 재처리가 이루어지고 있다.[25] 네덜란드 1971년 ~ 1993년[24], 2014년 ~[25] 2011년 볼세라 원자력 발전소가 MOX 연료 장전 허가를 받아 2014년부터 MOX 연료 장전을 실시하고 있다.[25] 프랑스 1974년 ~[24] 국가가 주식 대부분을 소유하는 오라노사가 우라늄 자원 조달부터 재처리까지 담당하며, 폐쇄 연료 주기 정책을 채택하고 있다.[25] 스웨덴 1974년 ~ 1979년[24] 스위스 1978년 ~[24] 2005년 원자력법에 따라 2006년 7월부터 10년간 재처리가 동결되었지만, 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 정책이 전환되어 2018년 개정 원자력법에 의해 재처리가 금지되었다.[25] 국내에 재처리 공장이 없어 영국과 프랑스에 재처리를 위탁하고 있으며, 기 체결된 분량은 2014년 말까지 모두 재처리되어 MOX 연료로 가공, 스위스 내 원자로에 장전될 예정이다.[25] 인도 1994년 ~ 바바 원자력 연구 센터(BARC)의 각 재처리 플랜트에서 PHWR 사용후 연료 재처리가 이루어지고 있다.[25]
4. 제조 방법
화학적 처리 방법으로는, 질산 우라닐과 질산 플루토늄의 혼합물을 질산에 녹인 후, 암모니아와 같은 염기로 처리하여 이우란산 암모늄과 수산화 플루토늄의 혼합물을 생성한다. 5% 수소와 95% 아르곤 혼합물에서 가열하면 이산화 우라늄과 이산화 플루토늄의 혼합물이 생성된다. 결합제를 사용하여, 생성된 분말을 프레스로 압착하여 펠릿으로 만든다. 그 후 펠릿을 소결하여 우라늄과 플루토늄 혼합 산화물을 만든다.
MOX 연료는 방사능이 강하기 때문에 (특히 알파선, 중성자선) 연료 제조는 원격 조작을 통해 작업자의 피폭 방지에 유의해야 한다.
5. 국가별 현황
국가 장전 실시 시기 비고 벨기에 1963년 ~[24] 1973년 상업용 공장 데셀 플랜트를 가동했다.[2] 2019년 현재, 데셀에 있는 FBFC International사의 플랜트에서 PWR용 연료와 MOX 연료의 조립이 이루어지고 있다.[25] 프랑스, 영국, 독일 등과 합작 회사를 세워 경수로용 혼합 산화물 연료를 만들고 있다. 프랑스 1974년 ~[24] 1962년 고속증식로용 가공시설을 세웠고, 이후 경제성 문제로 경수로용 공장을 세워 가공하고 있다. 국가가 주식의 대부분을 소유하는 오라노사가 우라늄 자원 조달부터 재처리까지 담당하고 있으며, 폐쇄 연료 주기 정책이 채택되고 있다.[25] 독일 1966년 ~[24] 1972년 오브리그하임 원자로에 상업용 원자로로서는 세계 최초로 MOX 연료를 장전했다. 1990년대 중반까지 국내에서 폐쇄 사이클의 실현을 목표로 했지만, 비용 상승과 반대 운동으로 인해 바커스도르프 재처리 시설과 하나우 MOX 연료 가공 플랜트 계획이 잇따라 중단되었다.[25] 2019년 현재, 독일 국내에는 우라늄 변환 시설은 없지만, 농축은 그로나우에 있는 우렌코사의 플랜트에서, 린겐에 있는 ANF사의 플랜트에서 경수로용 연료 가공이 실시되고 있다.[25] 영국 - 1970년부터 고속로용 혼합 산화물 연료를 제조하여 LWR, PFR 등에 사용했다. 1994년부터 2018년까지 THORP가 운영되었다. 일본 - 1972년 플루토늄 재처리 공장을 만들어, 거기서 생산된 MOX 연료를 고속증식로, 신형전환로 등에 쓰고 있으며, 열중성자로, PWR 등으로 확대하고 있다. 2009년 후쿠시마 원전 3호기에 일본 상업용 원자로 최초로 MOX 연료를 장전했다. 2011년 후쿠시마 대지진으로 원전 3호기가 폭발했다. 미국 1965년 ~ 1985년[24] 1961년~1968년까지 조사시험을 하고 여러종류의 MOX 연료를 시험하였으나 상용화하지는 않았다. 2005년 미국 에너지부는 민간 회사 듀크 에너지사가 운영하는 카토바 원전 1호기에 MOX 연료를 장전하는 것을 허가했으며, 프랑스 아레바가 생산한 MOX 연료를 수입해 장전하였다. 국내 재처리에 대해서는 카터 행정부가 핵 확산 방지 관점에서 무기 연기했고, 레이건 행정부에서 해제되었지만 재처리에 참여하는 기업은 없었고 플루토늄 재활용도 이루어지지 않았다.[25] 대한민국 - 한국은 MOX 연료를 기존의 경수로에 장전할 것을 추진중이다. 이를 위해 파이로프로세싱 기술을 사용하는 플루토늄 재처리 공장도 실험실 규모, 엔지니어링 규모까지 준공하였다. 엔지니어링 규모의 플루토늄 재처리 공장을 프라이드 핵재처리장이라고 부른다. 미국은 준공된 재처리 공장의 가동을 반대하고 있으며, 상업용 규모의 건설도 반대하고 있어서, 한국 정부는 한미 원자력 협정 개정을 통해 미국의 동의를 받으려고 노력중이다. 이탈리아 1968년 ~ 1982년[24] 1987년 국민 투표 후에 원자력 발전이 전면 폐지되었지만, 국내에 저장된 사용후 핵연료의 재처리 계약을 프랑스 AREVA사(현재 오라노사)와 체결하여 프랑스 국내에서 재처리가 이루어지고 있다.[25] 네덜란드 1971년 ~ 1993년[24], 2014년 ~[25] 2011년에 볼세라 원자력 발전소가 MOX 연료 장전 허가를 취득하여 2014년부터 MOX 연료 장전이 실시되고 있다.[25] 스웨덴 1974년 ~ 1979년[24] - 스위스 1978년 ~[24] 1984년 상업용 원자로에 MOX연료를 사용하기 시작했다. 2005년 원자력법에 의해 2006년 7월부터 10년간 재처리가 동결되었지만, 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 인해 정책이 전환되어 2018년 개정 원자력법에 의해 재처리가 금지되었다.[25] 국내에 재처리 공장은 없고 영국과 프랑스에 재처리를 위탁하고 있으며, 기 체결된 분량은 2014년 말까지 모두 재처리되어 MOX 연료로 가공되어 스위스 국내의 원자로에 장전될 예정이다.[25] 인도 1994년 ~ 바바 원자력 연구 센터(BARC)의 각 재처리 플랜트에서 PHWR 사용후 연료의 재처리가 이루어지고 있다.[25]
6. 대한민국 현황 및 과제
7. 관련 기술
또한, 기체 핵분열 생성물(크세논, 크립톤 등)과 알파 입자(헬륨 원자핵) 방출이 많아 연료봉 내부 압력이 높아진다. 우라늄과 플루토늄을 균일하게 혼합해야 하지만, 플루토늄 농도가 높은 부분(플루토늄 스폿)이 생길 수밖에 없다. 국가는 기준을 정해 제한하지만, 사용되는 펠릿 자체 검사는 불가능하다.
MOX 연료는 1960년대부터 여러 국가의 원자력 발전소에서 사용되었다.[24]국가 장전 시기 비고 벨기에 1963년 ~[24] 2019년 현재 데셀에 있는 FBFC International사 플랜트에서 PWR용 연료와 MOX 연료를 조립한다.[25] 미국 1965년 ~ 1985년[24] 카터 행정부에서 핵 확산 방지 관점에서 국내 재처리를 무기한 연기했고, 레이건 행정부에서 해제되었으나 재처리에 참여하는 기업이 없어 플루토늄 재활용도 이루어지지 않았다.[25] 독일 1966년 ~[24] 1990년대 중반까지 국내에서 폐쇄형 핵연료 주기를 실현하려 했으나, 비용 상승과 반대 운동으로 바커스도르프 재처리 시설과 하나우 MOX 연료 가공 플랜트 계획이 잇따라 중단되었다.[25] 2019년 현재 독일에는 우라늄 변환 시설이 없지만, 그로나우에 있는 우렌코사 플랜트에서 농축을, 린겐에 있는 ANF사 플랜트에서 경수로용 연료 가공을 실시한다.[25] 이탈리아 1968년 ~ 1982년[24] 1987년 국민 투표 후 원자력 발전이 전면 폐지되었지만, 국내에 저장된 사용후 핵연료 재처리 계약을 프랑스 AREVA사(현재 오라노사)와 체결하여 프랑스에서 재처리가 이루어지고 있다.[25] 네덜란드 1971년 ~ 1993년[24], 2014년 ~[25] 2011년 볼세라 원자력 발전소가 MOX 연료 장전 허가를 받아 2014년부터 MOX 연료 장전을 실시하고 있다.[25] 프랑스 1974년 ~[24] 국가가 주식 대부분을 소유하는 오라노사가 우라늄 자원 조달부터 재처리까지 담당하며, 폐쇄형 연료 주기 정책을 채택하고 있다.[25] 스웨덴 1974년 ~ 1979년[24] 스위스 1978년 ~[24] 2005년 원자력법에 의해 2006년 7월부터 10년간 재처리가 동결되었으나, 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 정책이 전환되어 2018년 개정 원자력법에 의해 재처리가 금지되었다.[25] 국내에 재처리 공장이 없어 영국과 프랑스에 재처리를 위탁하고 있으며, 기 체결된 분량은 2014년 말까지 모두 재처리되어 MOX 연료로 가공되어 스위스 원자로에 장전될 예정이다.[25] 인도 1994년 ~ 바바 원자력 연구 센터(BARC)의 각 재처리 플랜트에서 PHWR 사용후 연료 재처리가 이루어지고 있다.[25]
고속 중성자를 이용하는 고속로는 열중성자로보다 핵연료로 사용하는데 있어 효율적이다. 일반적인 우라늄 핵연료에 비해 출력이 높고, 크리프 속도가 빨라 핵연료와 피복관 사이의 상호 작용 영향도 완화된다. 사용 후 핵연료를 재처리 및 군 분리하여 플루토늄을 포함한 초장반감기 핵종을 MOX 연료로 연소시키면 비교적 반감기가 짧은 핵분열 생성물로 변환할 수 있다. 러시아는 해체한 핵무기에서 추출한 플루토늄을 MOX 연료로 가공하여 고속로에서 연소시키는 방식으로 처분하고 있으며, 일본도 협력하고 있다.[23]
토륨과 플루토늄 산화물을 포함하는 MOX 연료도 시험 중에 있다.[17]
7. 1. 열중성자로
우라늄을 사용한 원자로에서는 우라늄-235 등의 우라늄 동위 원소의 핵분열과 주로 우라늄-238에 의한 중성자 포획으로 새로운 무거운 동위 원소가 형성된다. 원자로 연료 질량의 대부분은 우라늄-238이며, 중성자 포획과 2회의 베타 붕괴를 거쳐 플루토늄-239가 된다. 플루토늄-239는 추가적인 중성자 포획을 통해 플루토늄-240, 플루토늄-241, 플루토늄-242로 변환되며, 이후 베타 붕괴를 통해 다른 초우라늄 핵종이나 악티늄족 핵종이 된다. 플루토늄-239와 플루토늄-241은 우라늄-235와 마찬가지로 핵분열을 일으킨다. 소량의 우라늄-236, 넵투늄-237, 플루토늄-238도 우라늄-235로부터 생성된다.
핵연료는 몇 년마다 교체되므로 플루토늄-239의 대부분은 원자로 내에서 소비된다. 플루토늄-239는 우라늄-235와 유사하게 행동하지만, 핵분열 단면적이 약간 더 크고 핵분열 시 비슷한 양의 에너지를 방출한다. 일반적으로 원자로에서 배출되는 사용후 핵연료의 약 1%는 플루토늄이며, 그중 약 3분의 2가 플루토늄-239이다. 전 세계적으로 매년 약 100톤의 사용후 핵연료에서 플루토늄이 발생한다. 플루토늄을 1회 재활용(플루서멀)하면 원래 우라늄에서 얻을 수 있는 에너지가 약 12% 증가하고, 우라늄-235를 재농축하여 재활용하면 약 20% 증가한다[6]。 재활용을 반복할수록 핵분열성 핵종(주로 홀수 중성자 수)의 비율은 감소하고 중성자 흡수성 핵종(짝수 중성자 수)이 증가하므로, 플루토늄이나 농축 우라늄의 비율을 높여야 한다. 현재 열중성자로에서는 플루토늄이 MOX 연료로 한 번만 재활용되며, 마이너 악티나이드(플루토늄 이외의 악티늄족)나 플루토늄 동위원소 비율이 높은 사용후 MOX 연료는 고준위 방사성 폐기물로 보관된다.
MOX 연료를 사용하면 원자로 운전 특성이 변하므로, 기존 원자로에 MOX 연료를 도입하려면 제어봉 수를 늘리는 등 원자로를 새로 설계하거나 개조해야 한다. 대부분 연료의 3분의 1에서 절반을 MOX로 교체하지만, 50% 이상 MOX를 사용하면 대폭적인 설계 변경이 필요하며 원자로를 그에 맞게 설계해야 한다. 100% MOX를 사용할 수 있는 노심으로는 미국 애리조나주 피닉스 근처의 팔로 베르데 원자력 발전소에 도입된 "시스템 80" 원자로가 있지만, 현재까지는 일반적인 저농축 우라늄으로만 운전되었고 100% MOX 운전은 이루어지지 않았다. 이론적으로 팔로 베르데의 3기 원자로는 연간 7기의 기존 연료 원자로에서 발생하는 MOX를 사용할 수 있으며, 새로운 우라늄 연료는 필요 없게 된다.
열중성자로에서 사용후 MOX 연료에 포함된 미연소 플루토늄 함량은 초기 플루토늄 장전량의 50% 이상으로 높다. 그러나 MOX 연소 과정에서 핵분열성 동위원소(홀수)와 비핵분열성 동위원소(짝수) 비율은 연소도에 따라 약 65%에서 20%로 감소한다. 이 때문에 핵분열성 동위원소 회수는 어려우며, 벌크 플루토늄을 회수하려면 2세대 MOX에 포함될 플루토늄 비율이 매우 높아져 실용적이지 않다. 이러한 사용후 연료는 플루토늄의 추가 재이용(연소)을 위한 재처리를 어렵게 만든다. 또한, 2회 사용된 MOX의 정기적인 재처리는 질산에 대한 산화 플루토늄 용해도가 낮아 어렵고[10], 2015년 기준 2회 재활용된 고연소도 연료의 상업적 실증 사례는 1건뿐이다[11]。
새로운 우라늄 연료보다 방사능이 강하기 때문에 (특히 알파선, 중성자선이 두드러짐) 연료 제조는 원격 조작을 통해 작업자 피폭을 충분히 방지해야 한다. 이산화 우라늄에 이산화 플루토늄을 혼합하면 연료체 융점은 상승하지만, 열전도율이 저하되어 연료 온도가 상승하기 쉬워지고 노심 용융 위험성이 높아진다(산화물 연료 대신 플루토늄·우라늄 질화물 연료를 사용하면 열전도율이 우라늄 산화물 연료보다 대폭 개선된다). 또한, 핵분열 생성물 중 귀금속 비율이 높아지고, 플루토늄 자체가 우라늄보다 질산에 용해되기 어려워 재처리가 어렵다. 기체 핵분열 생성물(크세논, 크립톤 등)과 알파 입자(헬륨 원자핵) 방출이 많아 연료봉 내부 압력이 높아진다. 성질이 다른 우라늄과 플루토늄을 가능한 한 균일하게 혼합해야 하지만, 플루토늄 스폿(플루토늄 농도가 높은 부분)이 불가피하게 발생한다. 국가는 기준을 설정하여 제한하지만, 사용되는 펠릿 자체를 검사하여 확인하는 것은 불가능하다.
MOX 연료 집합체는 1960년대부터 벨기에, 미국, 독일, 이탈리아, 네덜란드, 스웨덴, 프랑스, 스위스, 일본, 인도 원자력 발전소에서 장전되었다.[24]
| 국가 | 장전 시기 | 비고 |
|---|---|---|
| 벨기에 | 1963년 ~[24] | 2019년 현재 데셀에 있는 FBFC International사 플랜트에서 PWR용 연료와 MOX 연료를 조립한다.[25] |
| 미국 | 1965년 ~ 1985년[24] | 카터 행정부에서 핵 확산 방지 관점에서 국내 재처리를 무기 연기했고, 레이건 행정부에서 해제되었으나 재처리에 참여하는 기업이 없어 플루토늄 재활용도 이루어지지 않았다.[25] |
| 독일 | 1966년 ~[24] | 1990년대 중반까지 국내에서 폐쇄 사이클 실현을 목표로 했으나, 비용 상승과 반대 운동으로 바커스도르프 재처리 시설과 하나우 MOX 연료 가공 플랜트 계획이 잇따라 중단되었다.[25] 2019년 현재 독일에는 우라늄 변환 시설이 없지만, 그로나우에 있는 우렌코사 플랜트에서 농축을, 린겐에 있는 ANF사 플랜트에서 경수로용 연료 가공을 실시한다.[25] |
| 이탈리아 | 1968년 ~ 1982년[24] | 1987년 국민 투표 후 원자력 발전이 전면 폐지되었지만, 국내에 저장된 사용후 핵연료 재처리 계약을 프랑스 AREVA사(현재 오라노사)와 체결하여 프랑스에서 재처리가 이루어지고 있다.[25] |
| 네덜란드 | 1971년 ~ 1993년[24], 2014년 ~[25] | 2011년 볼세라 원자력 발전소가 MOX 연료 장전 허가를 받아 2014년부터 MOX 연료 장전을 실시하고 있다.[25] |
| 프랑스 | 1974년 ~[24] | 국가가 주식 대부분을 소유하는 오라노사가 우라늄 자원 조달부터 재처리까지 담당하며, 폐쇄 연료 주기 정책을 채택하고 있다.[25] |
| 스웨덴 | 1974년 ~ 1979년[24] | |
| 스위스 | 1978년 ~[24] | 2005년 원자력법에 의해 2006년 7월부터 10년간 재처리가 동결되었으나, 후쿠시마 제1원자력 발전소 사고로 정책이 전환되어 2018년 개정 원자력법에 의해 재처리가 금지되었다.[25] 국내에 재처리 공장이 없어 영국과 프랑스에 재처리를 위탁하고 있으며, 기 체결된 분량은 2014년 말까지 모두 재처리되어 MOX 연료로 가공되어 스위스 원자로에 장전될 예정이다.[25] |
| 인도 | 1994년 ~ | 바바 원자력 연구 센터(BARC)의 각 재처리 플랜트에서 PHWR 사용후 연료 재처리가 이루어지고 있다.[25] |
기존 열중성자로를 사용할 수 있으며, 경수로에서 농축 우라늄 대신 MOX 연료를 사용한다. 1986년부터 1995년까지 소수의 MOX 연료를 사용해 안전성을 확인하는 시험 운전이 실시되었다.
- 일본원자력발전 쓰루가 원자력 발전소 1호기
- 간사이 전력 미하마 원자력 발전소 1호기
- 도쿄전력 후쿠시마 제1원자력 발전소 3호기는 2010년 10월 26일부터 상업 운전을 시작[26]했으나, 2011년 3월 11일 발생한 도호쿠 지방 태평양 해역 지진으로 정지되었고, 폭발 사고로 폐로가 결정되었다.
- 규슈전력 겐카이 원자력 발전소 3호기는 국내 경수로 중 최초로 장전되었다(2009년 10월 15일).
- 추부전력 하마오카 원자력 발전소 4호기 (시즈오카현 오마에자키시)
- 시코쿠전력 이카타 원자력 발전소 3호기 (에히메현 이카타정). 국내 두 번째로 (2010년 2월 12일) 장전 완료.
- 홋카이도전력 도마리 원자력 발전소 3호기
- 간사이전력 다카하마 원자력 발전소 3호기 및 4호기
- 도호쿠 전력 오나가와 원자력 발전소 3호기
- 전원개발 오마 원자력 발전소. 상업용 원자로로서는 세계 최초로 풀 MOX 장전이 가능한 노심을 계획하고 있다.
7. 2. 고속로
고에너지 또는 고속 중성자의 핵분열 대 중성자 포획 비율은 거의 모든 악티늄족 원소에 대해 핵분열을 선호하도록 바뀌기 때문에, 고속로에서는 이들을 모두 연료로 사용할 수 있다. 모든 악티늄족 원소는 감속되지 않은 고속 중성자에 의해 핵분열을 일으킬 수 있다. 따라서 고속로는 플루토늄 및 고위 악티늄족 원소를 연료로 사용하는 데 있어 열중성로보다 더 효율적이다.이러한 고속로는 열중성로보다 다른 악티늄족 원소의 핵변환에 더 적합하다. 열중성로에서는 느리거나 감속된 중성자를 사용하기 때문에, 열중성로 핵분열이 불가능한 악티늄족 원소는 핵분열 대신 중성자를 흡수하는 경향이 있다. 이는 더 무거운 악티늄족 원소의 축적을 초래하고, 연쇄 반응을 지속하는 데 사용할 수 있는 열중성자의 수를 줄인다. 외부 중성자원을 갖춘 미임계로는 고속 중성자 스펙트럼에서 작동하거나 (고속로에서 일반적으로 필요한 고농축 연료 없이) 열중성자를 사용하여 핵분열성 물질을 증식시킬 수 있으며, 중성자원의 플럭스를 증가시켜 중성자 손실을 보상할 수 있다.
일반적인 우라늄 핵연료에 비해 출력이 높다. 크리프 속도가 빠르기 때문에 PCMI(핵연료와 피복관 사이의 상호 작용)의 영향도 완화된다. 사용 후 핵연료에서 재처리·군 분리하여 플루토늄을 포함한 초장반감기 핵종을 분리 추출하여 MOX 연료로 연소시키면 비교적 반감기가 짧은 핵분열 생성물로 변환할 수 있다. 만약 플루토늄을 추출하지 않고 매몰 처분을 하는 원스루로 한다면, 사용 후 핵연료는 수만 년에 걸친 관리가 필요하게 된다. 플루토늄을 소멸시키면서 에너지를 얻는 수단으로 플루토늄과 열화 우라늄의 혼합 소결 연료가 고안되었다. 또한 러시아에서는 해체한 핵무기에서 추출한 플루토늄을 MOX 연료로 가공하여 고속로에서 연소시키는 방식으로 처분하고 있으며, 일본도 협력하고 있다.[23]
7. 3. 토륨 MOX
토륨과 플루토늄 산화물을 포함하는 MOX 연료도 시험 중에 있다.[17] 노르웨이의 연구에 따르면, 토륨-플루토늄 연료는 제어봉 및 붕소 가치, 냉각재 공극 반응도(CVR) 및 플루토늄 소비 측면에서 MOX 연료보다 몇 가지 장점을 제공하는 것으로 보인다.[18]8. 아메리슘 및 큐륨 함량
재처리된 연료에서 나온 플루토늄은 동위 원소의 방사성 붕괴로 인해 생성되는 불순물을 피하기 위해 생산 후 5년 이내에 MOX 연료로 제조된다. 특히 플루토늄-241은 14년의 반감기로 아메리슘-241로 붕괴된다. 아메리슘-241은 감마선 방출체이므로, 그 존재는 잠재적인 산업 보건 위험이다. 그러나 화학 분리 공정을 통해 플루토늄에서 아메리슘을 제거하는 것이 가능하다.
큐륨은 중성자 방출원이기 때문에 아메리슘보다 다루기 훨씬 더 어렵다. MOX 생산 라인은 작업자를 보호하기 위해 납과 물로 차폐해야 한다. 또한 큐륨의 중성자 조사는 캘리포늄과 같은 더 높은 악티니드를 생성하여 사용후 핵연료와 관련된 중성자 선량을 증가시킨다. 이는 강력한 중성자 방출원으로 연료 주기를 오염시킬 가능성이 있다. 결과적으로 큐륨은 대부분의 MOX 연료에서 제외될 가능성이 높다.
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