사용후핵연료

3. 사용후핵연료 발생량 및 관리 현황

2015년 3사분기 기준으로 대한민국 내 원전에서 약 750톤씩 사용후핵연료가 발생하고 있으며, 2016년부터 고리원전부터 포화 상태가 될 것으로 전망되었다. 습식저장의 경우 조밀저장을 활용해 저장 능력을 확대하거나 원전과 같은 부지 내 다른 저장 시설로 옮겨 저장한다면 2024년까지 상황에 따라 약간의 변동은 가능하게 저장할 수 있을 것으로 보인다. 그러나 이 역시 결국 포화 상태가 되면 부지 내의 건식저장 시설을 최대한 확보하거나 별도의 중간 저장 시설 혹은 영구 처분시설을 필요로 하게 된다.

3. 1. 저장 방식

3. 2. 관리 방안

• 정부가 직접 후보 지역을 지정하는 대신, 부지 선정 절차와 방식을 단계별로 제시했다.
• 인허가용 지하 연구 시설(URL), 중간 저장 시설, 영구 처분 시설을 동일 부지에 집적하고, 국제 공동 저장·처분 시설 확보 노력도 병행한다.
• 부지 확보 시 중간 저장 시설은 7년, 영구 처분 시설은 24년간 건설하여 운영할 계획이다.
• 핵심 관리 기술을 적기에 확보하고, 국민과 지역 주민의 신뢰를 얻기 위해 노력하며, 방사성 폐기물 관리 기금으로 재원을 확보한다.

4. 사용후핵연료 처리 및 처분

사용후핵연료는 사용후핵연료 수조(SFP) 또는 건식 저장 용기에 저장된다. 미국에서는 사용후핵연료를 담은 SFP와 저장 용기는 원자력 발전소 부지 또는 독립 사용후핵연료 저장 시설(ISFSI)에 위치한다. ISFSI는 원자력 발전소 부지 인근에 있거나 원자로 밖(AFR ISFSI)에 있을 수 있다. 대부분의 ISFSI는 건식 저장 용기에 사용후핵연료를 저장한다. 모리스 운영 시설은 현재 미국에서 사용후핵연료 수조를 보유한 유일한 ISFSI이다.

핵 재처리는 사용후핵연료를 다양한 조합의 재처리 우라늄, 플루토늄, 미량 악티늄족 원소, 핵분열 생성물, 지르코늄 또는 강철 피복재 잔류물, 활성화 생성물 및 재처리 과정에서 도입된 시약 또는 고화제로 분리할 수 있다. 사용후핵연료의 이러한 구성 성분을 재사용하고 재처리의 부산물로 발생할 수 있는 추가 폐기물을 제한하는 경우, 재처리는 궁극적으로 폐기해야 하는 폐기물의 양을 줄일 수 있다.

또는, 손상되지 않은 사용후핵연료는 고준위 방사성 폐기물로 직접 폐기할 수 있다. 미국은 유카 마운틴 원자력 폐기물 저장소와 같이 수천 년 동안 인간의 즉각적인 환경으로의 이동을 방지하기 위해 차폐 및 포장해야 하는 심부 지질층에 폐기할 계획을 세웠다.^[8][9] 그러나 2009년 3월 5일, 에너지부 장관 스티븐 추는 상원 청문회에서 "유카 마운틴 부지는 더 이상 원자로 폐기물 저장 옵션으로 간주되지 않는다"고 말했다.^[10]

핀란드에서는 KBS-3 공정을 사용하여 지질학적 처분이 승인되었다.^[11]

스위스 연방평의회는 2008년 방사성 폐기물에 대한 심부 지질 저장소 계획을 승인했다.^[12]

원자력발전의 핵연료주기에서는 여러 가지 방사성폐기물이 각 공정에서 발생한다. 그중 비교적 낮은 수준의 방사성폐기물 일부는 처리되고 있지만, 대부분은 최종 처분을 기다리는 상태로 각 원자력발전소, 핵연료 시설, 연구 시설 등에서 보관되고 있다.^[35]

4. 1. 재처리 (Reprocessing)

4. 2. 직접 처분 (Once-through)

5. 핵무기 제조 위험성 (플루토늄 추출 문제)

사용후핵연료 질량의 약 1%는 ²³⁸U의 전환으로 생성된 ²³⁹Pu와 ²⁴⁰Pu이다.^[42] 이는 유용한 부산물 또는 위험하고 다루기 어려운 폐기물로 간주될 수 있다. 핵확산과 관련된 주요 우려 사항 중 하나는 핵확산금지조약(NPT)에 의해 이미 핵무기 보유국으로 인정된 국가 이외의 국가들이 이 플루토늄을 이용하여 핵무기를 생산하는 것을 막는 것이다.^[43]

일반적으로 저농축우라늄 핵연료를 원자로에서 연소시키면, 우라늄-238이 중성자를 흡수하여 플루토늄이 생성된다. 재처리는 그 플루토늄을 추출하는 처리이기 때문에, 사용후핵연료와 재처리시설을 보유하는 것은 핵무기의 원료인 플루토늄을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 플루토늄의 동위원소 조성 차이는 폭탄으로서의 성능에 영향을 미친다. 핵무기에 사용되는 플루토늄은 플루토늄-239이다. 핵연료의 연소를 계속하면, 중성자를 더 흡수하여 자발핵분열에 의해 불완전핵폭발의 원인이 되기 쉬운 플루토늄-240 등으로 변화한다. 따라서, 군사용 플루토늄 생산 원자로에서는 플루토늄-239의 순도가 가능한 한 높아지도록 단기간에 재처리한다.^[44] 반면, 발전용 원자로에서는 고출력을 목적으로 하기 때문에 플루토늄-239가 다른 동위원소로 변화하는 비율이 높아진다.^[45]

원자력발전소의 사용후핵연료에서 분리한 플루토늄은 원자폭탄에 사용할 수 없다는 주장이 있지만,^[46] 플루토늄-240의 비율 증가는 폭탄의 설계나 작업 공정을 복잡하게 할 뿐, 불가능하게 하는 요인은 아니다. 실제로 사용후핵연료에서 추출한 금속 플루토늄 8kg이면 임계에 도달한다고 알려져 있다.^[47]

우라늄 원폭은 경년 열화가 없고 취급하기 쉬운 우수한 무기를 만들 수 있지만, 우라늄 농축에 막대한 전력과 시간이 필요하기 때문에 핵무기를 대량으로 만드는 데는 부적합하다. 그러므로 5대국의 핵무기는 실험용을 제외한 거의 모두가 플루토늄 폭탄이며, 북한도 흑연감속로에서 무기급 플루토늄을 생산하고 있다.

6. 주요 국가별 사용후핵연료 보유량 및 정책

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일본, 프랑스, 러시아, 영국은 재처리를 실시하고 있다.^[33]

대한민국에서는 가동 중인 원자력 발전소에서 매년 약 750톤의 사용후핵연료가 발생하고 있다.^[34] 2015년 3분기 기준으로 2016년부터 고리원자력발전소부터 포화 상태가 될 것으로 전망되었다.^[34] 습식저장 방식을 활용하여 저장 능력을 확대하거나, 원전 부지 내 다른 저장 시설로 옮겨 저장하는 방식으로 2024년까지는 저장할 수 있을 것으로 예상되었다.^[34] 그러나 이 역시 포화 상태에 이르면 부지 내 건식저장 시설을 확보하거나, 별도의 중간 저장 시설 또는 영구 처분 시설이 필요하다.^[34]

6. 1. 대한민국의 현황 (일본어 위키 참고)

7. 사용후핵연료 부식 (영문 위키 참고)

데이비드 W. 슈스미스^[6][7]는 사용후핵연료의 부식에 대한 연구를 진행했다. Mo-Tc-Ru-Pd 나노입자는 이산화우라늄 연료의 부식에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그의 연구에 따르면, 강철 폐기물 용기의 무산소 부식으로 인해 수소(H₂) 농도가 높아지면, 나노입자에서의 수소 산화가 이산화우라늄을 보호하는 효과를 발휘한다. 이는 금속 양극이 반응하고 용해되는 대신 수소 기체가 소모되는 희생 양극 보호의 한 예로 볼 수 있다.^[6][7]

8. 사용후핵연료의 장기 방사능 (영문 위키 참고)

9. 위험성 및 안전 문제 (영문 위키 참고)

사용후핵연료는 최대 24,000년에 달하는 반감기 때문에 오랜 기간 방사능 위험을 유지한다. 원자로에서 제거된 지 10년 후에도 일반적인 사용후핵연료 집합체의 표면 선량률은 시간당 10,000 렘을 초과하는데, 이는 인체의 치사량인 약 500 렘을 훨씬 넘는 수치이다.^[15]

저장조에 저장된 사용후핵연료가 지진^[16]이나 테러 공격^[17]과 같은 사건으로 인해 방사능이 누출될 가능성에 대한 논쟁이 있다.^[18] 정상 작동 중에 연료 손상이 발생하는 드문 경우에는, 1차 냉각재가 연료봉으로 유입될 수 있으며, 일반적으로 연료 다발의 조사 후 검사에는 시각적 기법이 사용된다.^[19]

911 테러 이후 미국 원자력규제위원회는 모든 사용후핵연료 저장조가 자연재해와 테러 공격에 영향을 받지 않도록 하는 일련의 규칙을 제정했다. 그 결과, 사용후핵연료 저장조는 강철 라이너와 두꺼운 콘크리트로 감싸져 있으며, 지진, 토네이도, 허리케인 및 세이시에 대한 내구성을 확보하기 위해 정기적으로 검사를 받는다.^[20][21]

10. 생물학적 복원 (영문 위키 참고)

조류를 이용한 생물학적 복원 연구는 스트론튬에 대한 선택성을 중심으로 진행되고 있다. 대부분의 식물은 칼슘과 스트론튬을 구별하지 못하고, 핵폐기물에 더 많이 존재하는 칼슘에 쉽게 포화되는 경향이 있다. 반면, 조류는 스트론튬에 대한 선택성을 보여 생물학적 복원의 가능성을 제시한다.^[13]

스트론튬-90은 원자력 발전소의 원자로에서 생성되는 방사성 부산물로, 핵폐기물과 사용후핵연료의 구성 요소이다. 반감기가 약 30년으로 길어 고준위 폐기물로 분류된다.^[13]

연구자들은 ''꼬마말(Scenedesmus spinosus)''(조류)을 이용하여 모의 폐수에서 스트론튬의 생물축적을 조사했다. 이 연구는 S. spinosus가 스트론튬에 대해 매우 선택적인 생흡착 능력을 가지고 있어 핵 폐수 처리에 적합할 수 있음을 보여준다.^[14] 클로스테리움(Closterium moniliferum)을 이용한 비방사성 스트론튬 연구에서는 물 속의 바륨과 스트론튬 비율을 조절하면 스트론튬 선택성이 향상된다는 결과가 나왔다.^[13]

참조

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_[9] 간행물 Testimony of Robert Meyers Principal deputy Assistant Administrator for the Office of Air and Radiation U.S. Environmental Protection Agency before the subcommittee on Energy and Air Quality Committee on Energy and Commerce U. S. House of Representatives http://www.epa.gov/o[...] 2008-07-15
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