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핵연료 재처리

last modified: 2017-12-17 11:30:45 Contributors

Contents

1. 개요
2. 재처리 방법
3. 재처리의 장단점
3.1. 장점
3.2. 단점
3.3. 한국의 경우
3.4. 전망
4. 잘 알려진 재처리 공장들


1. 개요

사용이 끝난 핵연료를 녹인 후 쓸모있는 우라늄, 플루토늄을 뽑아내는 기술. 재처리를 통해 다시 연료를 얻을 수 있으므로 원자력을 수만 년까지 늘려줄 수 있는 기술이고, 이 기술은 핵무기 제조에 필요한 기술이기도 하다.

그렇다고 핵무기를 만드는데 재처리 기술이 꼭 필요한 것은 아니지만 이 기술로 우라늄과 특히 플루토늄을 얻을 수 있기에 이 기술 없이는 재료 문제 때문에 만들기가 좀 힘들다. 일단 2000년대 후반에 북한이 처음 만든 핵무기가 이 핵연료 재처리를 통해서 나온 것이다. 국제 사회의 견제를 받아가면서 소위 맨땅에 박치기 하는 식으로 만든[1]나라도 저걸 이용하려 했을 정도.

당연히 최초의 재처리는 최초로 핵무기를 만든 미국의 맨해튼 프로젝트에서 시작된다. 좀 복잡하게 설명하자면 농축우라늄 방식이 아닌 플루토늄 방식으로 핵무기를 만들려면 필요한 방법+플루토늄을 이용한 원자력 발전에도 필요한 방법이다.

현재 여러 국가에서 재처리를 시행하고 있는데 현재 재처리공장을 가동하고 있는 것으로 알려진 국가는 영국, 프랑스, 파키스탄, 러시아, 인도, 일본 등이다. 이건 밖으로 알려진 것들이지 실제로는 더 있을 수도 있다.

2. 재처리 방법

핵연료 재처리엔 여러 방법이 있는데 대체로 PUREX(Plutonium - URanium EXtraction)가 많이 쓰인다. 현재 북한이 이 방법으로 방사화학실험실을 돌리고 있으며 또한 전세계 주요 재처리 공장들이 사용하는 방법이다. PUREX를 사용하면 순도 높은 우라늄과 플루토늄을 얻을 수 있다는 장점이 있으며 폐기물도 예전에 사용하던 방식인 인산-비스무트 방식보다 적다.

4세대 원자로 중에서 고속증식로는 플루토늄이 들어간 연료가 꼭 필요하기 때문[2]에 앞으로도 많은 수요가 예상되리라고 보고 대한민국에서도 현재 연구 중에 있다. 이는 한국의 재처리 전망에서 후술. 이것 외에도 CANDU형 원자로의 경우 일반 경수로의 사용 후 핵연료를 단순 공정 몇 개[3]를 거쳐서 바로 원자로 연료에 투입하는 DUPIC 계획도 있고 플루토늄을 핵연료에 섞어 원자로에 투입하는 것으로 효율을 높이는 플루써멀 계획도 있다. 다만 현재로써는 이러한 기술들이 다 현실에서 멀리 동떨어진 상황이라는 것이 문제인데... 이 또한 후술한다.

3. 재처리의 장단점

3.1. 장점

제한된 핵연료를 질릴 정도로 오래 재활용할 수 있다. 그리고 이게 있으면 핵무기도 어찌어찌 만들 수 있다. 싣는 건 별도고

이 외의 장점은 사실 현대에 이르러서는 사실상 의미가 사라졌는데 이는 단점에서 서술한다.

3.2. 단점

사용후 핵연료를 재처리하는 것이므로 상당히 복잡한 공정을 거치게 된다. 또한 핵연료 뿐만이 아니라 이를 녹이기 위해 사용한 용매도 방사화하여 방사성 폐기물(그것도 고준위 폐기물)이 된다. 일반적으로 이것들은 유리화하여 하나의 뭉치로 만들어 보관하는데 핵붕괴를 일으키며 막대한 열을 일으키므로 끊임없이 냉각해줘야 한다. 더군다나 민간인이 접근하지 않도록 주로 지질적으로 안정된 지하 깊숙히 묻어야 하는데 이러한 부지를 선정하고 조성하는 것도 어렵다. 즉 돈이 매우매우 많이 깨진다는 소리다.[4]

장점 자체가 아직까지 크게 메리트가 없다는 점도 문제다. 우라늄은 천연 우라늄을 핵연료로 가공하는 것이 압도적으로 저렴하며 플루토늄은 핵연료 재처리 없이 만들긴 어렵지만 만들어봤자 쓸 데가 없다. 플루토늄을 사용하여 상용 원자로에서 발전을 하는 플루써멀 계획이 실제로 운용 단계까지 갔는데 이를 적용한 원자로가 후쿠시마 원자력 발전소라서(...) 망했어요.[5][6] 이 외에 플루토늄을 효율적으로 써먹을 수 있는 방법으로는 고속증식로가 있지만 이 녀석은 지금 핵융합만큼이나 실현 가능성이 없는 상황. 핵무기를 만드는데 사용할 수도 있지만 지금 미국과 러시아는 핵무기를 감축하는 중이고 핵무기를 만들 생각이 없는 나라는? 덕분에 플루토늄은 사용할 곳도 없이 그냥 쌓이고만 있어서 이를 보관하기 위한 비용 또한 핵연료 재처리의 단점이라 말할 수 있다.

즉 현재까지 핵연료 재처리는 핵무기를 만드는 수단 이외의 장점은 없다고 봐도 된다.

3.3. 한국의 경우

대한민국에서의 핵연료 재처리는 뜨거운 감자이다. 나트륨 냉각 고속증식로인 칼리머를 차세대 원자로중 하나로 연구 중인 대한민국 정부측에선 칼리머에 들어가는 플루토늄을 대한민국에 수도 없이 많은 원전에서 뽑고 싶어하는데 그걸 다른 나라에 맡기면 사용후 연료에서 나온 방사성 폐기물도 우리가 처리해야 하는 건 둘째치고라도[7] 수송 중 사고가 발생하면 재앙도 이런 재앙이 없기에 현재 여러 방법을 모색중이다.[8]

현재 대한민국에선 한반도 비핵화 협정이나 미국을 포함한 국제 사회의 핵확산 문제에 대한 눈치를 감안하여 재처리 기술이란 말을 쏙 빼고 파이로프로세싱이란 새로운 기술을 밀고 있는데 PUREX에선 핵연료를 다른 산성용제에 녹혀서 이온교환으로 재처리를 하는데 비해 파이로프로세싱은 전기를 이용해 핵연료를 녹여 알루미늄 제련과 비슷한 과정을 사용하고 이온교환 수지를 사용하지 않아 방사성 폐기물 생성량이 적어진다. 파이로프로세싱의 경우 전기제련으로 뽑아내는 지라 건식 재처리라고 부르기도 한다. 이 방식으로 플루토늄을 뽑아낼 때 우라늄도 같이 달라붙어버린다. 이로 인해서 순도 높은 플루토늄을 뽑아내는 PUREX보다 핵 확산 위험이 적다고 볼 수 있으며 또한 임계질량이 높아 PUREX 공정보다 공장 크기를 확 줄일 수 있다는 점이 있다. 간단하게 말하자면 핵연료 정제공정? 그러나 이 공정은 금속 연료를 사용하는 원자로[9]를 개발할 때 꼭 필요한 물건이나 아직 PUREX처럼 대규모 플랜트로 만든 적이 없다. 우라늄+토륨을 녹인 용융염(보통 LiF-Be)을 연료로 사용하는 용융염 원자로의 경우엔 이놈이 붙박이로 붙어있다. 단, 이 원자로의 경우는 특이한 케이스.

당연히 핵에 대한 것이라면 심한 알러지를 일으키는 미국과 IAEA가 태클을 걸고 있다. 오픈토리가 있었을 때 파이로프로세싱이 나트륨 냉각로와 실과 바늘이라고 하는데 그럼 일본과 프랑스, 러시아에선 나트륨 냉각로가 없었나? 현재 플루토늄을 PUREX라든가 다른 방법으로 추출하는 일본에선 몬쥬라는 나트륨 방식의 고속 증식로가 있고[10] 프랑스에선 슈퍼피닉스 고속증식로가 잠시 가동하다가 운전중단했다.

어쨌든 빨리 결론을 내리지 않으면 곤란한 게 늦어도 2017년에 고준위 방사능 폐기물 저장공간이 포화상태에 이른다. 빨리 준비하지 않으면 망했어요를 외치게 될 것이다.

2013년 1월 16일 박근혜 대통령 당선인이 미국 대표단에게 사용후 핵연료 재처리 허용을 위한 한미 원자력 협정 개정을 공식 요청했다. 그동안 지지부진했던 핵연료 재처리 문제의 개선에 차기 대통령이 직접 나선 만큼 귀추가 주목된다. 박근혜 당선인, 美에 '核연료 재처리 논의' 요청 하지만 역시나 미국이 퇴짜 놨다. 무슨 일이 있더라도 오바마 정권 기간에서는 인정해 줄 수 없다는 입장만 재확인했을 뿐. 망했어요 그러나 연구 목적 한정의 제한적 허용이 승인되었다. 이전에 비하면 엄청난 변화.#

한국원자력연구원에서 2013년 5월까지 파이로프로세싱 기술을 시험하는 시설인 프라이드(PRIDE)를 완공할 것이라고 밝혔다. 실제 파이로프로세싱 공정의 수십 분의 1 규모로 실험하는 시설로 연간 10톤 정도를 처리할 수 있다. 연구가 원활히 진행되면 2025년에 종합 파이로프로세싱 시설을 준공할 수 있을 것이라고 한다. #

3.4. 전망

혹자는 핵연료 재처리라든가 우라늄 농축을 국가별로 하는 것이 아니라 국제 핵연료 은행이란 걸 만들어서 거기서 처리하게 하자고 하지만 여러 강대국들의 생각들이 맞물리면서 과연 될 지는 미지수이다. 네가 핵보유국이라면 하고 싶겠냐?

또한 핵확산을 이유로 상업적 핵연료 재처리를 하지 않아온 미국[11]도 슬슬 상업적 핵연료 재처리 시설을 건설하려고 하는데 후쿠시마 원자력 발전소 사고로 인해 망했어요.

2013년 7월 13일, 중국에서 시민들의 여론에 못 이겨 핵연료 생산 공장 건설을 중지했다. 후쿠시마 원전 사고 때문에 반대여론이 매우 높아졌기 때문이라고 한다.

4. 잘 알려진 재처리 공장들

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  • [1] 첫 핵실험 당시 시점에서도 개발사는 이미 몇 십년 됐지만
  • [2] 플루토늄은 고속중성자를 먹어서 효율이 더 좋은데 우라늄은 고속중성자를 못 먹으니까 어쩔 수 없이 감속재가 필요해진다. 물론 이로 인해서 효율도 줄어들고... 그래서 고속반응로의 경우 아예 천연우라늄을 병풍으로 삼아 플루토늄을 생산해 낸다. 이런 병풍을 가리켜 블랭킷 연료라고 부른다.
  • [3] 기본 핵연료를 뜯고 CANDU 연료봉에 맞게 재소결.
  • [4] 물론 방사성 폐기물의 보관 자체는 일반 방사성 폐기물도 마찬가지지만 저준위도 아니고 고준위 폐기물이 매우 많이 발생한다는 점이 문제다. 가뜩이나 원래 핵연료 자리도 없는데
  • [5] 물론 후쿠시마 원자력 발전소 사고는 사후처리가 인재인 것이지 사고 자체는 천재지변에 의한 것이며 플루써멀 계획은 사고 자체랑은 아무 관련이 없다. 하지만 여론을 신경 쓰지 않을 수 없는 정부가 후쿠시마 원자력 발전소와 같은 원료를 사용하겠다고 쉽게 말할 수 있을까?
  • [6] 물론 일본 정부는 아직 포기하지는 않은 모양이다. 이런 식. 실제로 MOX 원료가 사고의 직접적 원인도 아니고 MOX 제조 공장을 지어버린 이상 본전은 뽑아야 하니까.
  • [7] 예전에 셀라필드 원자력 단지에서는 그런 폐기물까지 처리해줬으나 자기들도 이런 것에 골치 아파서 연료는 처리해줄 테니 대신 나오는 쓰레기는 가져가라고 한다. 물론 일본도 마찬가지.
  • [8] 물론 이미 원자력 발전소의 원료를 수입해오고 있기는 하지만 농축 우라늄보다 비교할 수 없을 정도로 독한 물건이 사용후 핵연료다.
  • [9] 일반적인 원자로의 우라늄은 세라믹 산화물 형태이다.
  • [10] 90년대 중반에 금속 나트륨 유출 사고가 터져 14년 동안 가동 중단했다가 2010년 5월에 가동 재개. 근데 지진 때문에 또 시끌시끌하다가 2013년 5월 15일에 가동재개를 위한 준비작업을 정지하라는 명령이 내려진다. 그러나 아직도 폐쇄명령은 내려지지 않았다. 참고로 금속 나트륨은 물 한 방울 닿아도 폭발을 하는 위험성 높은 물질이다. 나트륨 항목과 알칼리 금속 항목 참조.
  • [11] 1970년대부터 사용후 핵연료=쓰레기로 보고 영구 처분해버렸다.