사용후 핵연료 소각로?

안녕하세요 @chosungyun입니다.
요즘 원자력에 대한 관심이 점점 많아지고 있습니다.
탈원전을 하는 것으로도 말이 많고 라돈 침대나 cosmic ray에 의한 비행 중 피폭에도 관심이 커지면서 생활 방사선에 대한 관심도 커지고 있습니다. 그만큼 안전과 건강에 대한 관심이 커지고 있습니다.

또한, 요즘 고준위 방사성 폐기물의 저장을 위해 건식저장법인 사일로를 발전소 부지 내에 추가로 설치하는 것 때문에도 말이 나오고 있습니다.

사일로 자체의 안정성이 걱정이라기보다는 지진으로 인한 붕괴 및 누설에 대한 걱정으로 이 시설을 어떻게 믿을 수 있는가가 쟁점인 것 같습니다.

하지만, 이것을 안 지을 수는 없습니다. 사용후핵연료 관리에 대한 정책이 아직 결정되지 않았으며 지금, 이 순간에도 계속 생겨나기 때문에 보관할 수 있는 용량에 맞추어 미리 임시저장소를 지을 수밖에 없습니다.

그렇다면 임시저장 말고 관리를 실시한다면 어떤 방법이 있을까요?
사용후핵연료인 고준위 방사성폐기물은 심지층처분 혹은 한국원자력연구원에서 연구하는 파이로프로세싱인 재처리 방법으로 크게 나뉩니다.

전자의 경우는 어떤 다른 처리 없이 고준위 폐기물 그 상태 그대로 영구처분하는 방법으로써 사람이 사는 환경으로부터 많이 떨어뜨려 조금이나마 안심할 수 있는 방법입니다.
후자의 경우는 적절한 처리를 통해 핵연료로 재사용할 수 있는 핵연료를 이용하여 다시 발전에 사용하고 남은 폐기물은 처분하는 방법으로써 재사용이 가능하다는 장점이 있겠고 또 폐기물의 부피가 줄어든다는 장점이 있겠습니다.

하지만, 전자의 경우는 그 비용 자체가 많이 들어간다는 단점이 있고 또, 심지층처분이 가능한 부지를 찾는 것이 쉽지만은 않을 것입니다. 또, 결국 찾는다고 하더라도 그 지역 사람들 그리고 모든 국민들에게 이 시설의 건설에 대해 공감을 얻어야만 합니다.
그래서 실질적으로 이 고준위 방사성 폐기물 장을 건설한 국가는 몇 없습니다. 미국도 짓기로 했다가 극심한 반대에 부딪혀 포기한 사례도 있습니다.

후자의 경우 재처리를 통해 핵연료를 얻고 폐기물 부피를 줄이며 열 발생량을 줄이고 반감기도 크게 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 하지만 여기서 재처리를 통해 생산한 핵연료를 연소하기 위해 연계되는 소듐냉각고속로는 문제가 많습니다.
냉각재로 사용하는 소듐의 경우 인화성이 커서 화재 폭발위험이 크기 때문에 이 문제를 해결하지 못하면 원자로로 사용하기 힘들 것입니다. 물론, 이 문제만 해결하면 원자력 발전은 훨씬 경제적이고 폐기물의 양이 적어지는 발전 방식으로 발전할 것입니다.

이러한 이유로 처분을 하는 방법에 초점이 맞쳐지고 있고 또한 재처리는 비용이 많이 들어 처분하는 방법으로 많은 논의가 되고 있습니다.

한편, 오늘 소개할 가속기 구동 미임계 원자로 ADSR은 무엇이 다를까요?

이름에 핵심이 되는 말이 다 들어 있습니다.
가속기를 이용하며 미임계이다.
여기서 미임계라는 것을 알기 위해서는 중성자의 연쇄반응에 대해 이해하여야 합니다. 중성자가 핵분열을 유도하고 핵분열로 중성자가 생기고 몇몇은 누설되고 몇몇은 감속재와 같은 핵연료가 아닌 물질에 흡수가 되기도 합니다. 이런 과정에서 중성자가 핵분열을 유도하고 여기서 발생한 중성자가 다시 핵분열을 일으키는 과정을 볼 때 핵분열 연쇄반응이라고 하며 이 반응의 정도가 1로 지속적인 연쇄가 가능한 경우를 임계라 하고 그 이상으로 점점 급속도로 핵분열이 증가하는 것을 초임계라고 합니다. 한편, 이 연쇄반응을 유지할 수 없는 경우가 미임계입니다.

미임계의 경우는 지속적인 발전을 할 수 없습니다.
아무리 나무를 많이 넣어주어도 바람구멍을 막아버리면 불이 꺼져버리듯이 원자로도 중성자가 더이상 생기지 않으면 연속적인 핵분열을 할수가 없어 정지되고 말 것입니다.

그래서 지금 우리나라뿐만 아니라 전 세계에서 사용하고 있는 원자로는 중성자 경제가 임계상태인 임계 원자로를 사용합니다.
초임계 혹은 미임계 상태에 빠지지 않게 중성자를 제어하는 방법으로 운전을 합니다. 초임계는 위험한 상태입니다. 이것을 극대화하여 순식간에 폭발하는 것이 핵폭탄입니다. 물론, 농축도가 달라 원자력발전이 핵폭탄처럼 폭발할 수는 없지만 초임계 상태로 들어가면 제어능력을 상실할 위험이 있습니다.

핵분열로 중성자가 계속 생겨나기 때문에 지속적인 발전을 할 수 있는 장점이 있지만 안전상에 위험성이 있습니다. 그래서 임계원자로에는 다양한 안전장치가 함께 설치됩니다.

한편, 미임계 원자로는 가만히 놔두어도 꺼지는 원자로입니다. 그래서 애초에 체르노빌과 같은 사고가 발생할 수 없습니다. 그렇지만 이 원자로는 중성자 공급이 큰 문제입니다. 중성자를 계속 제공하는 것은 비경제적이면서도 어려운 문제입니다.

그래서 중성자 공급의 문제를 해결해줄 장치가 바로 가속기가 되겠습니다.
가속기, 특히 양성자가속기의 경우 고에너지의 양성자를 특정 물질에 부딪히게 하였을 때 양성자의 에너지에 따라 물질의 성질이 변하기도 합니다. 그런데 100MeV이상 고에너지의 양성자 빔의 경우는 핵을 파쇄시켜 버립니다. 그래서 이로 인해 중성자가 발생하게 됩니다.
그리고 만약 원자로를 정지해야 한다면 가속기를 꺼버리면 중성자 공급이 끊기고 원자로는 정지하게 됩니다. 가속기의 전원을 끄고 연쇄반응 중단까지 10~15초면 정지하니 안전 면에서 중요한 특징이라고 할 수 있습니다.
한편, 고준위 폐기물을 그대로 사용하지는 않고 적절한 냉각과 재처리를 통해 핵연료로 장전을 해야 하는데 재처리로 플루토늄을 추출하고 마이너 악티나이드를 핵연료로 장착하게 됩니다.

여기서 마이너 악티나이드란 악티나이드는 원자번호 89~103 사이의 금속 원소를 말하는데 여기서 우라늄과 플루토늄을 제외한 초우라늄들은 미량 존재하므로 마이너 악티나이드라고 합니다. 즉, 고준위방사성폐기물에서 우라늄, 플루토늄을 제외한 폐기물을 말합니다.
일본의 연구에 따르면 약 500kg의 마이너 악티나이드를 소멸하는데 2년의 시간이 걸리며, 이 양은 1GWe 경수로 10기가 1년간 생산하는 양이라고 합니다.

따라서 가속기 구동 미임계 원자로를 활용해 발생하는 중성자를 이용하여 핵분열을 유도한다면 고준위 핵 폐기물을 분해하여 중저준위 폐기물 혹은 그보다 방사성이 낮은 폐기물을 만들어 버린다면 중저준위 이상의 폐기물을 보관하는 시설은 필요가 없을 것입니다. 일본의 연구에 따르면 사용후 핵연료 처분시설의 규모를 1/100로 줄일 수 있을 것이라고 합니다.

또한, 더 나아가 고출력의 에너지까지 얻을 수 있다면 상업용 발전으로도 이용이 가능합니다.

이를 위해서는 우선, 가속기의 안전성이 확보되어야 합니다.
가속기의 빔 출력이 안정적이지 못하다면 이 출력차로 중성자 출력차가 발생하고 원자로 출력이 불안정하게 될 것입니다.

우리나라의 경우 양성자가속기 시설을 선형 그리고 사이클로트론 모두 보유하고 있습니다.
하지만, 적합한 출력으로 600MeV, 1~2mA의 전류를 요구하는 만큼 지금의 가속기로는 한계가 있습니다.

따라서, 앞으로 이러한 연구를 진행하기 위해서는 가속기에 대한 연구 및 개발이 지금보다 많이 이루어져야 진행될 수 있겠네요.

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“해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글이미지입니다”