핵연료 재처리
1. 개요
핵연료 재처리는 사용후핵연료에서 핵무기 재료인 플루토늄 등을 추출하는 기술이다. 제2차 세계 대전 중 핵무기 개발을 위해 시작되었으며, 현재는 PUREX 공법이 널리 사용된다. 프랑스, 영국, 러시아, 일본, 인도 등 여러 국가에서 상업적 재처리 시설을 운영하고 있으며, 미국은 핵확산 우려로 상업적 재처리를 한동안 중단했다가 연구 목적으로 제한적으로 허용했다. 한국은 2015년 한미 원자력 협정 개정을 통해 사용후핵연료 재처리 연구를 제한적으로 허용받아 파이로프로세싱 기술 개발을 연구 중이다. 재처리는 핵연료 재활용, 폐기물 감소 등의 장점이 있지만, 비용, 핵확산 위험, 방사성 물질 방출 등의 단점도 존재한다.
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핵연료 재처리 -
PUREX
PUREX 공정은 사용후 핵연료 재처리를 통해 우라늄과 플루토늄을 회수하는 화학 공정으로, 트리부틸 포스페이트를 용매로 사용하여 우라늄과 플루토늄을 선택적으로 추출, 분리하지만 방사성 폐기물 발생 및 환경 오염 문제를 야기하여 대한민국에서도 핵확산 및 환경 문제에 대한 우려가 제기되고 있다. -
핵연료 재처리 -
파이로프로세싱
파이로프로세싱은 사용후 핵연료를 재처리하는 건식 방법으로, 용융염이나 금속을 용매로 사용하여 우라늄과 플루토늄을 분리하는 과정을 거치며, 안전성과 시설 규모 면에서 장점이 있지만 플루토늄 추출 가능성으로 인해 국가별로 다른 입장을 보인다. -
원자력 발전소 -
스크램
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원자력 발전소 -
토륨 연료 사이클
2. 역사
제2차 세계 대전 중 핵무기 개발을 위해 플루토늄 생산을 목적으로 원자로와 재처리 기술이 개발되었다. 1943년 인산비스무트를 이용한 최초의 화학침출법이 개발되었고, 이는 맨해튼 프로젝트에 사용되었다. 이 방법은 오크리지 국립 연구소(ORNL)에서 개발되어 플루토늄 추출에 성공했지만, 플루토늄만 추출 가능하고 방사성 폐기물이 많이 발생한다는 단점이 있었다.
1949년, 오크리지 국립 연구소에서 우라늄과 플루토늄을 모두 추출할 수 있는 PUREX 공법이 개발되어 현재까지 널리 사용되고 있다. 미국의 새비나 강 부지에는 새로운 재처리 공장이 건설되었고, 뉴욕주의 웨스트 밸리 재처리 시설에서는 새로운 규제로 인해 1972년 재처리 공장이 문을 닫았다.
프랑스의 COGEMA 라아그 부지, 영국의 셀라필드 원자력 단지, 소련의 마야크 화학 결합체, 인도의 타라푸르, 일본의 도카이 재처리공장 등에서 상업적 재처리가 이루어졌다. 미국에서는 웨스트 밸리 재처리 시설에서 잠시 상업 연료 재처리를 수행하였다.
1976년 10월, 핵확산 우려로 인해 제럴드 포드 대통령은 미국의 상업용 플루토늄 재처리 및 재활용을 무기한 중단하는 대통령 지시문을 발표했다. 1977년 지미 카터 대통령은 상업적 원자로의 사용 후 핵연료 재처리를 금지했다. 이는 민간 연료 사이클에서 플루토늄의 전용에 의한 핵확산 위험과 다른 국가들이 미국의 주도를 따르도록 장려하는 것이었다. 그러나 1981년 로널드 레이건 대통령은 이 금지를 해제했지만, 상업적 재처리를 시작하는 데 필요한 상당한 보조금을 제공하지 않았다.
1999년 3월, 미국 에너지부(DOE)는 정책을 변경하여 듀크 에너지, COGEMA, 스톤 앤드 웹스터(DCS) 컨소시엄과 혼합 산화물(MOX) 연료 제조 시설을 설계 및 운영하는 계약을 체결했다. 사우스캐롤라이나주 새비나 강 부지의 부지 준비는 2005년 10월에 시작되었다.
3. 재처리 기술
원자로에서 사용하고 남은 핵연료봉에는 핵분열 반응으로 인해 미처 반응하지 않은 우라늄과 새로 생성된 플루토늄을 비롯한 여러 원소들이 섞여 있다. 이러한 핵연료봉에서 우라늄과 플루토늄을 다시 뽑아내는 작업을 재처리라고 하며, 이렇게 추출된 우라늄과 플루토늄은 다시 핵연료로 가공할 수 있다.
현재 여러 나라에서 사용하는 핵연료 재처리 방법은 퓨렉스(PUREX)법이다. 퓨렉스법은 사용후핵연료를 산에 녹인 후, 트리부틸인산(TBP)을 이용하여 우라늄과 플루토늄을 선택적으로 뽑아내는 방식이다.
플루토늄은 핵무기로 쉽게 전용될 수 있어 핵확산금지조약에 의해 플루토늄만 따로 보관하는 것은 금지된다. 그래서 플루토늄과 우라늄을 섞은 용액을 만든 후 마이크로파로 가공하여 혼합산화물 (MOX) 형태로 보관한다. 우라늄 역시 유동층에서 산화물(회수우라늄)로 만들어 보관한다.
건식 재처리법은 물이나 유기 용매 대신 용융염이나 녹인 금속을 사용하며 고온을 이용하여 사용후핵연료를 재처리하는 방법이다. 전기 정련, 증류, 용매 추출 등의 과정으로 이루어진다.
프랑스 라 아그 재처리 시설은 노르망디에 위치하고 있으며, UP2-800(연간 800톤 U)과 UP3(연간 1,000톤 U)의 두 라인이 가동 중이다.
3.1. 습식 재처리법
PUREX 공법은 액체-액체 추출 방법으로, 용해된 사용후 핵연료에서 핵분열 생성물로부터 우라늄과 플루토늄을 서로 독립적으로 추출하는 습식 재처리법이다.
먼저 사용후핵연료를 연료봉 상태 그대로 잘게 절단하여 6규정의 진한 질산에 녹인다(수상). 산에 녹지 않는 연료피복관(후알)과 불용성 잔사(몰리브덴, 테크네튬, 루테늄, 팔라듐, 지르코늄 등)를 제거하고, 수상의 질산 농도를 3규정으로 조정한다. 도데칸에 트리부틸인산(TBP) 30%를 녹인 유기용매(유상)와 혼합·접촉시키면, 질산과 이온쌍을 생성한 우라늄 및 플루토늄이 TBP에 추출되어 유상으로 이동한다. 이 작업은 믹서·세틀러(mixer-settler)형 추출조 또는 펄스칼럼(pulse column)형 추출탑에서 이루어진다. 다음으로 유상을 환원제(황산히드록실아민 등)를 포함하는 다른 수상과 접촉시키면 플루토늄만 수상으로 이동한다.
연료피복관은 저준위 방사성폐기물(TRU 폐기물)로, 불용성 잔사와 여러 방사성 물질의 혼합체인 질산계 폐액은 증발 캔 등으로 농축한 후 고준위 방사성폐기물로 처리된다.
원자로에서 사용된 핵연료봉 내부에는 핵분열로 인해 미반응 우라늄, 생성된 플루토늄을 비롯한 많은 원소가 혼재한다. 이러한 핵연료봉에서 우라늄과 플루토늄을 추출하는 작업이 재처리이며, 추출된 우라늄과 플루토늄은 다시 핵연료로 가공된다.
상업적인 원자력 발전소의 사용후 연료를 재처리하면 핵무기에 쓰이기 좋은 순도 높은 플루토늄-239가 대량 포함된다. 플루토늄은 핵무기로 쉽게 전용될 수 있기 때문에 플루토늄만을 보유하는 것은 핵확산금지조약으로 금지되어 있다. 따라서 플루토늄과 우라늄을 섞은 용액을 만들어 마이크로파로 탈질산하여 혼합산화물 MOX로 보관하고, 우라늄에 대해서도 유동층에서 탈질하여 산화물(회수우라늄)로 보관한다.
자주 연료를 재장전할 수 있는 원자로는 나중에 PUREX를 사용하여 회수할 수 있는 핵무기급 플루토늄을 생산하는 데 사용될 수 있다. 이러한 이유로 PUREX 화학 물질은 모니터링된다.
3.1.1. PUREX
PUREX는 현재 가장 많이 쓰이고 있는 재처리 공법으로, 플루토늄 - 우라늄 추출(Plutonium - URanium EXtraction)의 준말이다. PUREX 공법은 용해된 사용후 연료로부터 우라늄과 플루토늄을 분리해낸다. 현재 PUREX 공법은 재처리 산업에서 가장 많이 사용되고 있는 방법이다.
PUREX는 액체-액체 추출 방법으로, 사용후 핵연료를 재처리하여 핵분열 생성물로부터 우라늄과 플루토늄을 서로 독립적으로 추출한다.
먼저 사용후핵연료를 연료봉 상태 그대로 잘게 절단하여 6규정의 진한 질산에 녹인다(수상). 산에 녹지 않는 연료피복관(후알이라고도 함)과 불용성 잔渣(몰리브덴, 테크네튬, 루테늄, 팔라듐, 지르코늄 등)를 제거한 수상의 질산 농도를 3규정으로 조정하고, 믹서·세틀러(mixer-settler)형 추출조 또는 펄스칼럼(pulse column)형 추출탑에서 도데칸에 트리부틸인산(TBP) 30%를 녹인 유기용매(유상)와 혼합·접촉시키면, 질산과 이온쌍을 생성한 우라늄 및 플루토늄이 TBP에 추출되어 유상으로 이동한다. 다음으로 유상을 환원제(황산히드록실아민 등)를 포함하는 다른 수상과 접촉시키면 플루토늄만 수상으로 이동한다.
연료피복관은 저준위 방사성폐기물(TRU 폐기물)로, 불용성 잔渣와 여러 방사성 물질의 혼합체인 질산계 폐액은 증발 캔 등으로 농축한 후 고준위 방사성폐기물로 처리된다.
미사용 핵연료봉에는 사산화우라늄의 핵연료 펠릿이 봉입되어 있지만, 원자로에서 사용되면 핵분열에 의해 우라늄이 다른 원소로 전환된다. 이러한 핵분열 생성물도 알파 붕괴나 베타 붕괴에 의한 핵종 변환에 따라 다른 물질로 변해 간다. 따라서 사용후 핵연료봉 내부에는 많은 원소가 혼재하는 상태가 된다. 이러한 상태의 핵연료봉에서 미반응 우라늄 및 생성된 플루토늄을 추출하는 작업이 (핵연료의) 재처리이며, 이를 수행하는 공장이 재처리 시설이다. 추출된 우라늄과 플루토늄은 다시 핵연료로 가공된다.
상업적인 원자력 발전소의 사용후 연료를 재처리 할시엔 핵무기에 쓰이기 좋은 순도높은 플루토늄-239이 대량 포함된다. 참고로, 플루토늄은 핵무기로 쉽게 전용될 수 있기 때문에 플루토늄만을 보유하는 것은 핵확산금지조약으로 금지되어 있다. 따라서 플루토늄과 우라늄을 섞은 용액을 만들어 이것을 마이크로파로 탈질산하여 혼합산화물 MOX로 보관하고 있다. 우라늄에 대해서도 유동층에서 탈질하여 산화물(회수우라늄)로 보관하고 있다.
자주 연료를 재장전할 수 있는 원자로는 나중에 PUREX를 사용하여 회수할 수 있는 핵무기급 플루토늄을 생산하는 데 사용될 수 있다. 이러한 이유로 PUREX 화학 물질은 모니터링된다.
3.1.2. PUREX 변형
PUREX 공정의 단점을 보완하기 위해 다양한 변형 기술들이 연구되고 있다. 탄산암모늄을 이용한 전기화학 및 이온 교환 방법이 보고되었다. 알칼리성 탄산염과 "발연" 산화납을 이용한 우라늄 추출을 위한 다른 이온 교환 방법도 보고되었다.
3.2. 건식 재처리법
건식 재처리법은 고온을 이용하여 사용후핵연료를 재처리하는 방법으로, 물이나 유기 용매 대신 용융염이나 녹인 금속을 사용한다. 이 방법은 전기 정련, 증류, 용매 추출 등의 과정으로 이루어진다.
PYRO-A
PYRO-A는 악티늄족 원소를 비악티늄족 원소로부터 분리하는 방법이다. 사용후핵연료를 용융염 전해질에 담긴 양극 바스켓에 넣고 전류를 가하면, 우라늄 금속이 고체 금속 음극에 도금되고, 다른 악티늄족 원소와 희토류 원소는 액체 카드뮴 음극에 흡수된다. 핵분열 생성물(세슘, 지르코늄, 스트론튬 등)은 염에 남는다. 용융 카드뮴 대신 용융 비스무트나 고체 알루미늄 음극을 사용할 수도 있다.
PYRO-B
PYRO-B는 전환로(초우라늄 핵폐기물을 핵분열 생성물로 전환하는 고속 증식로)의 연료를 처리하고 재활용하는 공정이다.
핵연료 재처리 후 물질별 처리 방법
기타 건식 재처리법
* 플루오르화 휘발법: 플루오린을 연료와 반응시켜 육불화우라늄 등 휘발성 물질을 생성하는 방법이다.
* 염소화 및 증류: 염소화와 증류를 통해 원소를 분리하는 방법이다.
* 수용액 분리: 염화물의 용해도 차이를 이용하여 분리하는 방법이다.
3.2.1. 파이로프로세싱
파이로프로세싱(pyroprocessing)은 고온을 이용한 재처리 방법으로, 물이나 유기 용매 대신 용융염(LiCl+KCl 또는 LiF+CaF2)이나 녹인 금속(카드뮴, 비스무트, 마그네슘 등)을 사용한다. 이 방법은 전기 정련, 증류, 용매 추출 등의 과정으로 이루어진다.
현재 전 세계적으로 널리 사용되지는 않지만, 미국 아르곤 국립 연구소 등 여러 국가에서 연구가 진행 중이다.
파이로프로세싱의 장점
* 연소도가 높은 사용후핵연료를 재처리할 수 있으며, 냉각 기간이 짧아도 된다.
* 수소와 탄소를 포함하는 용매를 사용하지 않아 임계 사고 위험이 적고, 삼중수소, 탄소14 같은 핵분열 생성물을 만들지 않는다.
* 습식 재처리보다 공간을 적게 차지하며, 원자로에서 바로 재처리할 수 있어 사용후핵연료 운반 및 보안 문제가 줄어든다. 일체형 고속로와 용융염 원자로의 연료 주기는 파이로프로세싱을 기반으로 한다.
* 대부분의 악티니드 원소를 분리할 수 있으며, 방사성이 높아 핵무기로 전용하기 어렵다. (PUREX 공정은 무기급 플루토늄 추출을 위해 개발되었으며, 아메리슘, 퀴륨 등이 남아 장기간 방사선을 방출한다.)
* 악티니드 원소를 고속증식로에 넣어 반감기를 줄이고 연료로 사용할 수 있다.
파이로프로세싱의 단점 및 고려 사항
* 2005년 현재 상용화되지 않았으며, PUREX 공장을 사용하는 시설들이 건설되고 있다. 그러나 4세대 원자로가 상용화되면 파이로프로세싱에 대한 수요가 증가할 수 있다.
* 용융염을 사용한 파이로프로세싱의 추출 잔류물은 PUREX 공정보다 유리화하기 어렵다.
* 사용후핵연료의 연소로 원자로 수명을 단축하려면 미량 악티늄 원소 회수율을 높여야 한다.
* "새로운" 사용후핵연료를 처리하려면 더 많은 차폐와 열 발생 처리 방법이 필요하다.
전해법
전해법은 용융염에서 우라늄, 플루토늄 및 미량 악티늄족 원소의 표준 전위 차이를 이용한다. 우라늄의 표준 전위가 가장 낮아, 전위를 가하면 다른 원소보다 먼저 우라늄이 음극에서 환원된다.
PYRO-A
PYRO-A는 악티늄족 원소를 비악티늄족 원소로부터 분리하는 방법이다. 사용후핵연료를 용융염 전해질에 담긴 양극 바스켓에 넣고 전류를 가하면, 우라늄 금속이 고체 금속 음극에 도금되고, 다른 악티늄족 원소와 희토류 원소는 액체 카드뮴 음극에 흡수된다. 핵분열 생성물(세슘, 지르코늄, 스트론튬 등)은 염에 남는다. 용융 카드뮴 대신 용융 비스무트나 고체 알루미늄 음극을 사용할 수도 있다.
PYRO-B
PYRO-B는 전환로(초우라늄 핵폐기물을 핵분열 생성물로 전환하는 고속 증식로)의 연료를 처리하고 재활용하는 공정이다. 전해 정련 단계를 통해 잔류 초우라늄 원소를 핵분열 생성물로부터 분리하고, 초우라늄 원소를 핵분열을 위해 원자로로 재활용한다.
핵연료 재처리 후 물질별 처리 방법
3.2.2. 기타 건식 재처리법
플루오르화 휘발법은 플루오린을 연료와 반응시키는 방법이다. 플루오린은 산소보다 반응성이 훨씬 커서, 분쇄된 산화물 연료의 작은 입자가 플루오린으로 가득 찬 용기에 떨어지면 불꽃에 휩싸인다. 이를 불꽃 불화 반응이라고 하며, 발생하는 열은 반응이 진행되는 데 도움이 된다. 연료의 대부분을 차지하는 우라늄은 우라늄 농축에 사용되는 육불화우라늄으로 전환되는데, 이는 매우 낮은 끓는점을 가진다. 주요 장수명 핵분열 생성물인 테크네튬도 휘발성 육불화물로 효율적으로 전환된다. 다른 몇몇 원소도 휘발성 육불화물, 오불화물, 칠불화물을 형성한다. 휘발성 불화물은 응축을 통해 과량의 플루오린으로부터 분리한 다음, 분별 증류 또는 선택적 환원을 통해 서로 분리할 수 있다. 육불화우라늄과 육불화테크네튬은 매우 유사한 끓는점과 증기압을 가지고 있어 완전한 분리가 더 어렵다.
휘발되는 많은 핵분열 생성물은 플루오린화되지 않은 고온 휘발법에서 휘발되는 것과 동일하며(아이오딘, 텔루륨, 몰리브데넘 등), 주목할 만한 차이점은 테크네튬은 휘발되지만 세슘은 휘발되지 않는다는 점이다.
플루토늄, 넵투늄, 아메리슘과 같은 일부 초우라늄 원소는 휘발성 불화물을 형성할 수 있지만, 플루오린 부분압이 감소하면 이러한 화합물은 안정적이지 않다. 플루토늄의 대부분과 우라늄의 일부는 처음에 불꽃 불화 반응기의 바닥으로 떨어지는 재 속에 남아 있다. 재 속의 플루토늄-우라늄 비율은 고속 중성자로 연료에 필요한 조성에 근접할 수도 있다. 재의 추가적인 불화 반응을 통해 모든 우라늄, 넵투늄, 및 플루토늄을 휘발성 불화물로 제거할 수 있지만, 일부 다른 소량 악티늄족 원소는 휘발성 불화물을 형성하지 않고 알칼리 핵분열 생성물과 함께 남아 있을 수 있다. 일부 귀금속은 전혀 불화물을 형성하지 않고 금속 형태로 남아 있을 수 있지만, 육불화루테늄은 비교적 안정적이고 휘발성이다.
더 높은 온도에서 잔류물을 증류하면 끓는점이 낮은 전이 금속 불화물과 알칼리 금속(Cs, Rb) 불화물을 끓는점이 높은 란타넘족 원소 및 알칼리 토금속(Sr, Ba)과 이트륨 불화물로부터 분리할 수 있다. 관련 온도는 훨씬 더 높지만, 진공 상태에서 증류하면 다소 낮출 수 있다. 플루오르화리튬 또는 플루오르화나트륨과 같은 담체 염을 용매로 사용하는 경우 고온 증류는 재사용을 위해 담체 염을 분리하는 방법이다.
용융염 원자로 설계는 불화물 휘발 재처리를 지속적으로 또는 빈번한 간격으로 수행한다. 목표는 악티늄족 원소를 용융 연료 혼합물로 되돌려 결국 핵분열을 일으키는 동시에 중성자 독이 되거나 반응로 노심 외부에서 더 안전하게 저장할 수 있고 결국 영구 저장소로 이전될 때까지 기다릴 수 있는 핵분열 생성물을 제거하는 것이다.
휘발성 높은 원자가를 갖는 플루오르화물을 형성하는 많은 원소들은 휘발성 높은 원자가를 갖는 염화물도 형성한다. 염소화와 증류는 분리에 사용될 수 있는 또 다른 방법이다. 분리 순서는 플루오르화물의 순서와 유용하게 다를 수 있다. 예를 들어, 사염화지르코늄과 사염화주석은 각각 331°C와 114.1°C의 비교적 낮은 끓는점을 갖는다. 기계적 피복 제거 대신, 염소화는 지르코늄 연료 피복 제거 방법으로 제안되기도 하였다.
염화물은 플루오르화물보다 산화물과 같은 다른 화합물로 다시 전환하기가 더 쉬울 가능성이 높다.
휘발 후 남아 있는 염화물은 물에 대한 용해도에 따라 분리될 수도 있다. 아메리슘, 퀴륨, 란타넘족 원소, 스트론튬, 세슘과 같은 알칼리 원소의 염화물은 우라늄, 넵투늄, 플루토늄, 지르코늄의 염화물보다 더 잘 용해된다.
* 염소(그리고 다소 적은 정도로 불소)는 대량으로 생산되는 쉽게 구할 수 있는 산업 화학 물질이다.
* 분별 증류를 통해 단일 단계 또는 동일 단계의 반복적인 수행으로 여러 원소를 서로 분리할 수 있다.
* 우라늄은 농축에 사용되는 형태인 육불화우라늄으로 직접 생산된다.
* 많은 휘발성 플루오르화물과 염화물은 비교적 온화한 온도에서 휘발성이 있어 열적 스트레스를 줄인다. 이는 육불화우라늄의 끓는점이 물보다 낮기 때문에 특히 중요하며, 대부분의 질량을 차지하는 우라늄이 없어도 고온에서 끓는 핵분열 생성물(또는 그 플루오르화물)을 서로 분리하는 데 에너지를 절약할 수 있기 때문이다.
* 일부 플루오르화물과 염화물은 비교적 낮은 온도에서 녹아 원하는 경우 "액상 분리"가 가능하다. 이러한 저융점 염은 용융염 전해법으로 추가 처리할 수 있다.
* 플루오르화물과 염화물은 양이온에 따라 물에 대한 용해도가 다르다. 이를 수용액으로 분리하는 데 사용할 수 있다. 그러나 일부 플루오르화물은 물과 격렬하게 반응하므로 고려해야 한다.
* 플루오린이나 염소의 많은 화합물은 물론 원소 자체도 독성이 있고 부식성이 있으며 공기나 물 또는 둘 다와 격렬하게 반응한다.
* 육불화우라늄과 육불화테크네튬은 매우 유사한 끓는점을 가지고 있어 증류를 통해 서로 완전히 분리하는 것이 어렵다.
* 석유 정제에서 사용되는 분별 증류는 대규모 시설과 막대한 에너지가 필요하다. 수천 톤의 우라늄을 처리하는 데는 수십억 톤의 석유를 처리하는 것보다 작은 규모의 시설이 필요하지만, 석유 정제소와 달리 전체 공정은 방사선 차폐 내에서 이루어져야 하며 휘발성, 독성 및 방사성 플루오르화물 누출을 방지하기 위한 조치가 취해져야 한다.
* 육불화플루토늄의 끓는점 때문에 육불화우라늄을 육불화테크네튬으로부터 분리할 수 있는 시설은 플루토늄 육불화물을 둘 중 어느 것으로부터든 분리할 수 있으므로 핵확산 문제가 제기된다.
* 알파 방출체의 존재는 플루오린에서 일부 (α,n) 반응을 유발하여 방사성 나트륨-22와 중성자를 모두 생성한다. 이러한 효과는 알파 방출체와 플루오린을 가능한 한 빠르게 분리하여 줄일 수 있다. 한편 염소의 두 가지 안정 동위원소 (염소-35, 염소-37)와 알파 입자 사이의 상호 작용은 단면적이 높지 않고 중성자나 장수명 방사성 핵종을 생성하지 않으므로 그다지 우려할 필요가 없다.
* 사용 후 핵연료에 탄소가 존재하는 경우 극도로 강력한 온실 가스이며 화학적으로 분해하기 어려운 할로겐화 탄화수소를 형성한다. 이러한 것들 중 일부는 독성이 있기도 하다.
* 프랑스의 지원으로 감숙성 란저우 핵연료 사이클 시설에 건설 중인 플랜트는 연간 400~800톤U를 목표로 하는 상업적 재처리를 위한 다목적 파일럿 플랜트이다.
4. 재처리의 경제성
핵연료 재처리의 경제성은 10년 이상 논쟁의 대상이었다. 2005년까지의 여러 연구 결과에 따르면, 재처리 방식이 직접 처분 방식보다 비용이 더 많이 드는 것으로 나타났다.
2000년대 초반의 연구들은 기존의 열중성자로(가압경수로 등)에서 플루토늄을 한 번만 재활용하는 시스템과 사용후핵연료를 직접 처분하는 개방형 연료 주기의 총비용을 비교했다. 그 결과, 당시 경제 상황에서는 재처리 후 재활용하는 방식이 더 비쌌다.
하지만 장기적인 우라늄 시장 동향은 핵연료 재처리의 경제성에 큰 영향을 미친다. 우라늄 가격이 계속 높게 유지된다면, 혼합산화물(MOX) 연료, 증식로, 토륨 연료 주기 등을 통해 연료 공급을 늘리는 것이 경제적으로 유리해질 수 있다. 반면, 우라늄 가격이 낮게 유지되면 재처리의 경제성은 떨어진다.
핵연료 재처리가 사용후핵연료의 방사능을 줄이기 위해 수행된다면, 사용후핵연료의 방사능 감소를 고려해야 한다. 40년 후에는 방사능이 99.9% 감소하지만, 천연 우라늄 수준에 도달하려면 1,000년 이상이 걸린다. 특히 플루토늄-239를 포함한 초우라늄 원소는 10만 년 이상 높은 방사능 준위를 유지하므로, 핵연료로 재사용되지 않을 경우 핵확산 위험과 방사능 오염 때문에 안전하게 처리해야 한다.
2011년 10월 25일, 일본 원자력위원회는 발전용 핵연료 재활용 비용 계산 결과를 발표했다. 이 비용은 사용후핵연료를 직접 지질학적으로 처분하는 비용의 두 배에 달할 수 있다. 플루토늄 추출 및 사용후핵연료 처리 비용은 발전된 전력 1kWh당 1.98~2.14엔으로 추산되었고, 사용후핵연료를 폐기물로 처리하는 비용은 1kWh당 1~1.35엔으로 추산되었다.
2004년 7월, 일본 신문은 일본 정부가 방사성 폐기물 처리 비용을 추산했다고 보도했는데, 이는 4개월 전 그러한 추산이 없었다는 주장과 상반된다. 재처리하지 않는 경우의 비용은 재처리 비용(24700)의 1/4에서 1/3(5500~7900) 사이로 추산되었다. 2011년 말, 2004년 원자력 정책 기획부장이었던 야스이 마사야가 2004년 4월 부하 직원에게 자료를 은폐하도록 지시한 사실이 밝혀졌다. 자료 은폐 사실 때문에 당국은 사건을 재조사하고 관련 공무원에 대한 징계 여부를 다시 검토해야 했다.
5. 재처리 시설 현황
| 국가 | 재처리 시설 | 재처리 대상 | 공정 | 재처리 수용량 (tU/년) | 가동 기간 |
|---|---|---|---|---|---|
| Mol | 경수로, MTR (재료연구용 원자로) | 80 | 1966년-1974년 | ||
| Karlsruhe, WAK | 경수로 | 35 | 1971년-1990년 | ||
| Marcoule, UP 1 | 군사용 | 1,200 | 1958년-1997년 | ||
| Marcoule, CEA APM | 고속증식로 | PUREX, DIAMEX, SANEX | 6 | 1988년-현재 | |
| La Hague, UP 2 | 경수로 | PUREX | 900 | 1967년-1974년 | |
| La Hague, UP 2-400 | 경수로 | PUREX | 400 | 1976년-1990년 | |
| La Hague, UP 2-800 | LWR | PUREX | 800 | 1990년 | |
| La Hague, UP 3 | LWR | PUREX | 800 | 1990년 | |
| Windscale | 마그녹스 | 1,000 | 1956년-1962년 | ||
| 셀라필드, B205 | 마그녹스 | PUREX | 1,500 | 1964년 | |
| 돈레이 | 고속증식로 | 8 | 1980년 | ||
| THORP | 경수로 | PUREX | 1,200 | 1990년 | |
| Rotondella | 토륨 | 5 | 1968년 (가동중단) | ||
| Kalpakkam | 군사용 | 100 | 1998년 | ||
| Trombay | 군사용 | PUREX | 60 | 1965년 | |
| Tarapur | CANDU | 100 | 1982년 | ||
| 도카이 | 경수로 | 210 | 1977년 | ||
| 롯카쇼 | 경수로 | 800 | 2005년 | ||
| New Labs | 군사용/플루토늄/토륨 | 80 | 1982년-현재 | ||
| Khushab Nuclear Complex | 중수로/군사용/삼중수소 | 22 kg | 1986년-현재 | ||
| Mayak Plant B | 군사용 | 400 | 1948년-196?년 | ||
| Mayak Plant BB, RT-1 | 경수로 | PUREX + 분리안함 | 400 | 1978년 | |
| Zheleznogorsk (Krasnoyarsk-26), RT-2 | VVER | 1,500 | 건설중 | ||
| , NY | West Valley | 경수로 | 300 | 1966년-1972년 |
프랑스의 COGEMA La Hague Site, 영국의 셀라필드, 러시아의 마야크(Mayak), 인도의 Tarapur, 일본의 도카이 재처리공장 등에서 상업용 핵연료 재처리가 이루어졌다. 미국에서는 웨스트 벨리에서 잠시 동안 상업용 핵연료 재처리를 수행하였다.
한국은 2015년 미국과의 협상을 통해 연구용으로 사용후핵연료 재처리가 가능해졌으며, 현재 대전 원자력연구원에서 관련 연구를 진행 중이다.
6. 재처리의 장단점
핵연료 재처리는 사용 후 핵연료에서 플루토늄, 우라늄 등 유용한 물질을 추출하는 기술로, 여러 장단점을 갖는다.
; 장점
* 폐기물 감소 및 보관 기간 단축: 초장반감기 핵종인 플루토늄과 우라늄-235를 추출하여 플루서멀 등으로 소각 처리하면, 고준위 방사성 폐기물의 양을 약 1/4로 줄일 수 있다. 또한, 폐기물의 유해성이 천연 우라늄 수준으로 감소하는 데 걸리는 시간을 10만 년에서 8,000년 정도로 단축할 수 있다.
* 자원 재활용: 추출된 플루토늄과 우라늄은 핵연료로 재사용할 수 있어 자원 활용도를 높인다.
* 장기 방사능 감소: 핵연료 사용 후 약 100년에서 10만 년 사이의 방사능 대부분은 악티늄족 원소에 의해 생성된다. 악티늄족 원소는 고속로의 연료로 사용될 수 있으므로, 이들을 추출하여 재사용하면 연료 1kg당 에너지 생산량이 증가하고 폐기물의 장기 방사능도 감소한다.
* 미래 기술 가능성: 추가적인 군분리 기술을 통해 고준위 방사성 폐기물의 보관 기간을 수백 년 단위로 단축하고, 보관 공간도 줄일 수 있다.
; 단점
* 높은 비용: 사용 후 핵연료를 직접 처분하는 방식에 비해 재처리 비용이 추가된다.
* 방사성 물질 방출: 원자력 발전소보다 많은 양의 방사성 물질을 방출하며, 고준위 방사성 폐액 처리에 특별한 조치가 필요하다.
* 핵확산 우려: 재처리 기술은 핵무기 개발로 전용될 수 있다는 국제적인 우려가 있으며, 이는 대한민국에도 적용될 수 있는 문제이다.
* 국제 여론: 재처리 공장을 보유하면 IAEA의 안전조치를 받더라도, 핵무기 개발 의혹을 받을 수 있다.
핵심: 재처리는 자원 재활용 및 폐기물 감소에 기여할 수 있지만, 높은 비용, 방사성 물질 관리 문제, 핵확산 우려 등 해결해야 할 과제가 남아있다.