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SILEX

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목차

1. 개요

SILEX는 기체 육불화 우라늄 내 동위원소 분리를 위한 레이저 기술로, 1970년대에 개발이 시작되었다. 오스트레일리아에서 연구가 지속되었으며, 1990년대 가스 원심 분리 기술의 발전으로 인해 다른 국가에서는 연구가 중단되었다. Silex Systems Limited는 General Electric(GE) 등과 상업화 및 라이선스 계약을 체결했으며, Global Laser Enrichment(GLE)를 설립하여 기술 상용화를 추진했다. 이 기술은 핵무기 개발에 악용될 수 있다는 우려와 함께, 미국 에너지부에 의해 기밀로 분류되기도 했다.

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SILEX
기술 개요
명칭레이저 여기를 이용한 동위 원소 분리
영문 명칭Separation of Isotopes by Laser Excitation (SILEX)
기술 종류레이저 동위 원소 분리 (LIS) 기술
적용 대상주로 우라늄 동위 원소 분리에 사용
작동 원리특정 파장의 레이저를 사용하여 특정 동위 원소를 선택적으로 여기시켜 분리
개발 상태상업적 규모의 농축 플랜트 개발 및 운영 시도
SILEX 기술 상세
개발 주체원래 호주의 Silex Systems Ltd.
현재는 GE-히타치 글로벌 레이저 농축 (Global Laser Enrichment, 미국)
사용 물질육불화 우라늄 (UF6)
레이저 종류이산화 탄소 레이저 (CO2 레이저)
특징3세대 레이저 동위 원소 분리 기술로 평가
에너지 소비가 낮고 효율적인 농축 가능성
핵확산 저항성이 높다고 주장되지만 논란 존재
기술 발전 단계1세대: 원자 증기 레이저 동위 원소 분리 (AVLIS)
2세대: 분자 레이저 동위 원소 분리 (MLIS)
3세대: SILEX
상업화 및 핵확산 관련 정보
상업화 시도미국 에너지부 (DOE)와 협력하여 상업 플랜트 건설 시도
기술적, 경제적 문제로 인해 상업화 지연
핵확산 우려농축 과정의 용이성으로 인해 잠재적인 핵확산 위험 존재
기술의 민감성으로 인해 엄격한 규제 필요
참고 자료Ryan Snyder, "A Proliferation Assessment of Third Generation Laser Uranium Enrichment Technology," Science & Global Security 24, no. 2 (2016): 68–91. doi:10.1080/08929882.2016.1184528
Ryan Snyder, Proliferation Risks of Laser Enrichment of Uranium, National Academy of Sciences, May 18, 2021. Proliferation Risks of Laser Enrichment of Uranium
W. Eberhardt (DESY), W. Fuss (MPQ), F. Lehner (DESY), and R. Snyder (IFSH), FELs and Laser Isotope Separation, Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) and European XFEL, November 4, 2019. FELs and Laser Isotope Separation

2. 역사

다양한 분자 레이저 동위원소 분리(MLIS) 방식의 개발은 1970년대에 시작되었다. 이 기술의 핵심 물리적 과정은 기체 육불화 우라늄 내의 특정 동위원소만을 진동 상태로 만드는 적외선 레이저를 사용하는 것이다. 이를 위해서는 16 μm 근처의 파장이 필요하다. 전통적인 MLIS 방식은 이후 분자들을 광분해될 때까지 계속해서 여기시켜 오불화 우라늄-235로 결정화했다.

초기에는 레이저 동위원소 분리 기술에 대한 기대가 컸으나, 1990년대에 들어서면서 대부분의 연구가 중단되었다. 이는 가스 원심 분리기 기술이 기술적 성숙 단계에 도달한 반면, 레이저 분리 기술은 여전히 광범위하고 불확실한 연구 개발(R&D)이 필요했기 때문이다.[4] 하지만 오스트레일리아는 SILEX 기술에 대한 연구를 계속 진행했다.

1996년 11월, Silex Systems Limited는 우라늄 농축을 위한 자사 기술의 독점 라이선스를 미국 농축 공사(USEC)에 부여했다.[5] 1999년에는 미국과 오스트레일리아가 SILEX 연구 개발 협력을 위한 국제 조약을 체결했다.[6] 그러나 2003년, USEC는 이 프로젝트에서 철수했다.

Silex Systems는 2005년에 2단계 테스트를 완료하고 테스트 루프 프로그램을 시작했다. 2007년, Silex Systems는 제너럴 일렉트릭(GE)과 독점 상업화 및 라이선스 계약을 맺고, 자사의 테스트 루프를 노스캐롤라이나주 윌밍턴에 있는 GE 시설로 이전했다. 같은 해, GE 히타치 핵에너지(GEH)는 미국의 주요 원자력 발전소 운영사인 Exelon 및 Entergy와 우라늄 농축 서비스 제공에 관한 의향서를 체결했다.[7]

2008년, GEH는 SILEX 기술의 상업화를 위해 Global Laser Enrichment(GLE)를 분사했다. GLE는 SILEX 공정을 사용하는 최초의 상업용 우라늄 농축 시설 건설 계획을 발표했다. 미국 원자력 규제 위원회(NRC)는 GLE가 테스트 루프를 운영할 수 있도록 라이선스 개정을 승인했다. 또한 2008년에는 캐나다의 세계 최대 우라늄 생산 기업인 Cameco가 GE 및 히타치와 함께 GLE의 지분을 인수하며 공동 소유주가 되었다.[8]

2010년에는 SILEX 공정이 전 세계 핵 안보에 위협이 될 수 있다는 우려가 제기되었다.[9]

2011년과 2012년 사이, GLE는 윌밍턴에 상업용 농축 플랜트 건설 허가를 신청하여 승인받았다.[10][11] 이 플랜트는 저농축 우라늄의 상한선인 8% 235U까지 우라늄을 농축할 계획이었다.[12]

2014년, GLE와 Silex Systems는 모두 구조 조정을 단행했으며, Silex는 직원 수를 절반으로 줄였다.[13] 2016년에는 GEH가 GLE에서 철수하고 관련 투자를 손실 처리했다.[13][14]

2016년, 미국 에너지부는 약 30만 톤의 고갈 우라늄 육불화물을 재농축(0.35%에서 0.7% 235U로)하기 위해 GLE와 계약을 체결했다. 이 작업은 제안된 켄터키주 파두카의 레이저 농축 시설에서 40년에 걸쳐 진행될 예정이었다.[15]

그러나 2018년, Silex Systems는 GLE를 통한 상업화 계획을 포기하고 SILEX 기술을 오스트레일리아로 반환할 의사를 밝혔다.[16]

2021년, Silex Systems는 GLE의 과반수 지분(51%)을 확보했으며, Cameco는 소수 지분(49%)을 보유하게 되었다. GLE와 미국 에너지부 간의 협정에 따라, GLE는 켄터키주 파두카에서 2013년까지 운영되었던 마지막 확산 농축 플랜트에서 나온 수백 톤의 고갈 우라늄 찌꺼기를 자연 우라늄 수준으로 재농축할 예정이다. GLE는 해당 부지에 새로운 플랜트를 건설할 계획이다.[17][18]

3. 작동 원리

300K 및 80K에서 두 UF6 동위원소의 적외선 흡수 스펙트럼


레이저 동위원소 분리(SILEX) 개략도. 약 16μm 파장의 적외선 레이저가 초음속으로 팽창하는 UF6-캐리어 가스 혼합물에 조사된다. 여기된 235UF6는 클러스터 형성이 억제되어 빔 축에서 벗어나고, 여기되지 않은 238UF6는 캐리어 가스와 클러스터를 형성하여 축 근처에 머무른다. 스키머가 이 둘을 분리한다.


SILEX 기술의 핵심 물리적 과정은 기체 육불화 우라늄(UF6) 내의 특정 동위원소(235U)만을 진동적으로 여기시키는 적외선 레이저를 사용하는 것이다. 이를 위해서는 약 16 μm 파장의 레이저가 필요하다. 이는 전통적인 MLIS 방식과 유사하지만, 전통적인 방식이 분자를 광분해시켜 오불화 우라늄 결정을 만드는 것과 달리, SILEX는 다른 메커니즘을 활용한다.

기체 UF6의 가장 짧은 파장의 기본 진동은 약 16 μm이다. 실온에서는 분자의 열적 움직임으로 인해 흡수 스펙트럼의 폭(약 20 cm−1)이 동위원소 간 차이(235UF6와 238UF6의 흡수선 차이, 약 0.6 cm−1)보다 훨씬 넓어져 동위원소를 선택적으로 여기시키기 어렵다. 따라서 선택적 여기를 가능하게 하려면 UF6 기체를 냉각해야 한다. 이를 위해 UF6를 아르곤이나 질소와 같은 캐리어 가스에 약 100배 희석시킨 후, 노즐을 통해 진공 상태로 단열 팽창시켜 약 80K(-193°C)까지 냉각한다. 팽창 초기에는 분자 간 충돌이 일어나며 냉각이 이루어지지만, 노즐 직경의 약 10배 거리를 이동하면 충돌이 거의 없어지고 응축도 멈춘다. 충돌을 피하는 것은 동위원소 간 에너지 전달을 막아 선택성을 유지하는 데 중요하다.

SILEX 공정에서는 노즐 직경과 압력을 조절하여 노즐 직후에 충분한 충돌이 일어나도록 유도한다. 이 충돌 과정에서 여기되지 않은 238UF6 분자는 캐리어 가스(G)와 클러스터(238UF6•G)를 형성한다. 반면, 628.3 cm−1 근처의 레이저로 선택적으로 여기된 235UF6 분자는 진동 에너지를 가지고 있어 캐리어 가스와 잘 응집되지 않는다. 이후 분자 빔이 진행하면서, 클러스터를 형성하지 않은 가벼운 235UF6 분자는 열 속도가 더 높아 빔 축에서 더 빠르게 벗어난다. 무거운 238UF6•G 클러스터는 상대적으로 빔 축 중심에 모이게 된다. 스키머(skimmer)라는 분리 장치를 이용해 빔 축 중심부를 통과하는 클러스터(238U 농축)와 주변부로 퍼지는 비클러스터(235U 농축)를 분리한다. 즉, SILEX는 레이저를 이용하여 특정 동위원소의 클러스터 형성을 선택적으로 억제하고, 이를 통해 동위원소를 분리하는 기술이다. 분리 계수(농축 정도)는 스키머를 통과하는 분획(tails assay, 고갈 우라늄)의 양에 따라 달라진다.

이 과정을 위해서는 특정 파장의 강력한 레이저가 필요하다. 예를 들어, CO2 레이저 (982.1 cm−1, 10R30 라인) 빛을 파라수소 등을 이용한 라만 이동(354.3 cm−1 이동)을 통해 파장을 변환하면 627.8 cm−1의 빛을 얻을 수 있다. 이는 235UF6의 흡수선 중심(Q-branch, 628.3 cm−1, 폭 0.01 cm−1 [19])에 매우 가깝다. GLE(Global Laser Enrichment)는 필요한 파장을 정확히 맞추는 세부 기술은 공개하지 않았다. 또한, 고압 CO2 레이저 사용 시 높은 펄스 반복률(최소 20 kHz 이상[21])을 유지하는 것이 기술적 과제이다.[20]

GLE는 SILEX 공정으로 2에서 20 사이의 분리 계수를 달성했다고 보고했으며, 더 높은 값은 아마도 더 나쁜 고갈(낮은 회수율)과 관련될 수 있다. 이는 한 번의 공정으로 천연 우라늄(235U 농도 0.72%)을 원자로 연료로 사용 가능한 저농축 우라늄(235U 농도 3% 이상) 수준까지 농축하기에 충분한 성능이다. 반 덴 베르그 그룹의 선구적인 연구는 SF6으로 훨씬 더 작은 농축을 얻었다.[22]

SILEX 기술은 우라늄 농축 외에도, 적절한 파장의 레이저를 사용하면 염소, 몰리브덴, 탄소, 실리콘 등 다른 원소의 동위원소를 분리하고 농축하는 데에도 응용될 수 있다.

4. 핵확산 우려

2010년부터 SILEX 공정이 핵확산의 위험을 높여 세계 안보에 위협이 될 수 있다는 우려가 제기되었다.[9] SILEX 기술은 기존의 우라늄 농축 기술보다 한 번에 더 높은 농축도를 달성할 수 있어, 핵무기 제조에 필요한 고농축 우라늄(235U 90% 이상)을 만드는 데 필요한 단계를 크게 줄일 수 있다. GLE에 따르면, 각 농축 단계에 필요한 시설 규모는 기존 방식의 4분의 1 수준에 불과하다. 이는 핵무기 개발을 시도하는 국가나 단체가 관련 시설을 외부에 들키지 않고 비밀리에 건설하고 운영하기 쉽게 만들 수 있다는 문제점을 안고 있다.[9] 또한 GLE는 SILEX 공정을 이용한 농축 시설 건설이 더 빠르고 비용이 적게 들며, 에너지 소비도 훨씬 적다고 주장하는데, 이는 핵 개발의 문턱을 낮출 수 있다는 점에서 매력적인 동시에 위험성을 높이는 요인이 된다. 이러한 이유로 여러 과학자들은 SILEX 기술이 핵무기 개발을 더 쉽게 만들어 핵확산으로 이어질 수 있다는 우려를 지속적으로 제기하고 있다.[1][23]

5. 기밀 유지

2001년 6월, 미국 에너지부는 "우라늄 농축을 위한 혁신적인 동위원소 분리 과정에 관한 특정 개인적으로 생성된 정보"를 기밀로 분류했다. 1954년 원자력법에 따라, 특별히 기밀 해제되지 않은 모든 핵 관련 정보는 개인이 보유하든 공개적으로 보유하든 관계없이 '제한 데이터'로 분류된다. 이는 국가 안보 기밀 분류에 관한 행정 명령과는 뚜렷한 차이를 보이는데, 행정 명령은 기밀 분류가 "미국 정부가 소유하거나, 생산했거나, 생산을 위해, 또는 통제하에 있는" 정보에 대해서만 할당될 수 있다고 명시하고 있다. 이 사례는 1954년 원자력법이 개인적으로 생성된 정보에 대해 이러한 방식으로 적용된 유일한 경우로 알려져 있다.

6. 대중 문화

2014년 오스트레일리아 방송 협회 드라마 더 코드는 "레이저 우라늄 농축"을 주요 줄거리 요소로 사용한다. 여성 주인공인 소피 월시는 이 기술이 현재의 농축 방식에 대한 실행 가능한 대안이 될 경우, 더 작고 에너지 소모가 적으며 통제하기 어려워질 것이라고 언급한다. 월시는 또한 이 기술 개발이 지연되었으며, 기술의 기밀 유지 및 분류에 상당한 정부의 이해관계가 있다고 말한다.

참조

[1] 논문 A Proliferation Assessment of Third Generation Laser Uranium Enrichment Technology 2016-05-03
[2] 웹사이트 Proliferation Risks of Laser Enrichment of Uranium https://www.national[...] National Academy of Sciences 2021-05-18
[3] 웹사이트 FELs and Laser Isotope Separation https://xfel.tind.io[...] Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) and European XFEL 2019-11-04
[4] conference LIS: The view from Urenco https://inis.iaea.or[...] Japan Atomic Energy Research Institute 1995-03-01
[5] 웹사이트 Silex Systems Ltd: New Laser Technology for Uranium Enrichment http://www.sea-us.or[...] Sustainable Energy & Anti-Uranium Service Inc 2006-04-21
[6] 문서 “Agreement for Cooperation between the Government of Australia and the Government of the United States of America concerning Technology for the Separation of Isotopes of Uranium by Laser Excitation (SILEX Agreement), Agreed Minute and Exchange of Notes (Washington, 28 October 1999). ATS 19 of 2000” http://www3.austlii.[...] Australasian Legal Information Institute, Australian Treaties Library 2017-04-15
[7] 웹사이트 The Biggest Nuclear Operators In The United States http://www.investope[...] Investopedia US 2012-08-28
[8] 웹사이트 Cameco Joins GE Hitachi Enrichment Venture http://www.cameco.co[...] Cameco 2012-08-28
[9] 뉴스 Australian laser 'threatens nuclear security' http://www.abc.net.a[...] 2012-08-28
[10] 뉴스 Laser Advances in Nuclear Fuel Stir Terror Fear https://www.nytimes.[...] 2012-08-28
[11] 간행물 Nuclear Regulatory Commission announcement http://pbadupws.nrc.[...] 2012-09-19
[12] 웹사이트 Lasers point to the future of uranium enrichment http://www.gizmag.co[...] Gizmag.com 2013-11-06
[13] 뉴스 GE-Hitachi Exits Nuclear Laser-Based Enrichment Venture http://www.powermag.[...] 2017-04-01
[14] 뉴스 Toshiba's U.S. unit bankruptcy dims Japan's nuclear ambitions http://www.japantime[...] 2017-04-01
[15] 웹사이트 US DOE sells depleted uranium for laser enrichment http://world-nuclear[...] World Nuclear News 2016-11-15
[16] 뉴스 Silex Systems out of GLE restructure http://www.world-nuc[...] World Nuclear News 2018-06-14
[17] 문서 Silex gets go ahead to enrich stockpiles to enrich uranium https://www.aumanufa[...] AuManufacturing 2021-01-19
[18] 웹사이트 Global Laser Enrichment | Silex https://www.silex.co[...]
[19] 논문 Cold Jet Infrared Absorption Spectroscopy: The ν 3 Band of UF 6 https://iopscience.i[...] 1984-02-01
[20] 논문 Multikilowatt TEA-CO2 laser system for molecular laser isotope separation http://proceedings.s[...] 1993-05-04
[21] 웹사이트 LIS: The view from Urenco https://inis.iaea.or[...] 1995
[22] 논문 Isotopically Selective Condensation and Infrared-Laser-Assisted Gas-Dynamic Isotope Separation 1984-03-19
[23] 논문 Laser Enrichment: Separation anxiety http://thebulletin.m[...] 2005-03-01
[24] 웹사이트 DOE classifies privately held info http://www.fas.org/s[...] Secrecy News, Federation of American Scientists 2001-06-26
[25] 웹사이트 A glimpse of the SILEX uranium enrichment process http://www.fas.org/s[...] Secrecy News, Federation of American Scientists 2007-08-23
[26] 뉴스 https://news.naver.c[...]
[27] 뉴스 https://news.naver.c[...]


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