[KR-SCIENCE] 사용후핵연료 처분이야기 3. 환원조건의 부지가 중요한 이유

스티미안 여러분 안녕하세요? @ssghsti 입니다.

저는 방사성폐기물 처분에 대하여 공부하고 관련 연구를 수행하고 있는 대학원생입니다.

학회 참석 때문에 포스팅이 많이 늦어졌네요. ㅠㅠ

지난 20일, 신고리 5,6 호기 공론화위원회에서 발표한 시민참여단 최종 여론 조사결과 공사재개(59.5 %), 공사중단(40.5%)로 나타나 신고리 5,6호기 건설이 다시 진행될 것으로 보이는데요, 추가적인 원자력발전소 가동으로 앞으로 안전한 사용후핵연료 처분이 더 중요해졌다고 할 수 있겠습니다.

지난번 포스팅(사용후핵연료 처분이야기 2. 처분 부지 선정에는 어떤 점이 고려되어야 하는가?)에서 사용후핵연료 처분에는 환원조건의 심지층계가 필요하다고 말씀드렸었는데요, 이번 포스팅에서는 악티나이드 원소의 산화환원 거동을 최대한 쉽게!! 한 번 알아보려고 합니다. ㅎㅎ

산화는 금속이온이 전자를 잃는 반응이고 환원은 반대로 상대적으로 금속이온이 전자를 얻는 반응인데요, 사용후핵연료의 장기방사성독성 관점에서 중요한 악티나이드 원소(An)들의 경우 수용액 내에서 산화환원 조건에 따라 3가(전자를 적게 잃으므로 환원조건)에서 7가(전자를 많이 잃으므로 산화조건)에 이르기 까지 다양한 산화상태로 존재할 수 있습니다.

하지만 강산, 강염기 또는 극단적인 산화조건 및 환원조건 수용액 외에 지하수 및 해수와 같은 자연수 내에서는 우라늄(U)의 경우 4가 및 6가이온으로, 플루토늄(Pu)의 경우 3가, 4가, 5가 및 6가이온으로 존재할 수 있습니다. 아래 그림은 일반적인 수용액 내에서 안정하게 존재할 수 있는 악티나이드 원소들의 산화수를 쉽게 나타낸 것입니다.

악티나이드 3가 및 4가 이온은 금속이온이 전자를 각각 세 개 및 네 개를 잃었다는 뜻으로 이 때 자유 금속이온이 An³⁺, An⁴⁺의 형태로 존재합니다. 수용액 내에서 5가 및 6가 이온의 경우 금속이온의 양전하가 어마어마하게 크기 때문에 An⁵⁺, An⁶⁺과 같은 이온은 존재할 수 없고 각각 산소 원자가 2개씩 결합하여 AnO₂⁺, AnO₂²⁺의 형태로 존재합니다.

5가 이온과 6가 이온은 산소 원자의 결합으로 전체적인 분자반지름이 커져 전하밀도의 관점에서 보았을 때 악티나이드 금속 원소(산소 제외)의 +5, +6 전하를 큰 공간에 나누어 유효 금속 전하가 각각 약 +2.3, +3.2 정도로 낮아지게 됩니다. 최종적으로 악티나이드 3가, 4가, 5가, 6가 이온의 유효 금속 전하를 비교하면 아래와 같이 됩니다.

An(IV) > An(VI) > An(III) > An(V)

금속의 유효 금속 전하가 크다는 것은 음이온과 잘 결합한다는 것을 뜻하고 금속이온과 음이온이 잘 결합 한다는 것은 일반적으로 수용성이 큰 금속 이온이 수용액 내에서 음전하를 띠는 수산화 이온(OH^-), 탄산 이온(CO₃^2-), 광물질 및 화합물 등의 산소 원자 부분(O^2-) 등과 잘 결합하여 쉽게 고체상으로 석출이 됨을 의미합니다. 최종적으로 쉽게 고체상으로 석출이 됨은 결국 금속이온의 용해도가 작아지는 것이기 때문에 처분 관점에서 자연수를 따라 생태계로 이동하는 악티나이드 금속이온의 양이 줄어듦을 의미합니다!!

따라서 고준위방사성폐기물 처분시설 부지가 악티나이드 원소들을 유효 금속 전하가 큰 4가이온으로 존재할 수 있게끔, 즉 적당한 환원조건일 수록 방사성원소들의 생태계로의 이동성이 낮아져 안정성이 커지는 것이죠. 또한 환원조건에서는 금속 처분용기등의 부식이 느리게 진행된다는 장점도 있습니다!!

이번 포스팅에서는 환원조건의 부지가 중요한 이유를 한 번 정리해보았습니다. 화학을 잘 모르시는 분들도 최대한 이해하시기 쉽도록 정리해 보려고 하였는데 역시나 쓰다보니 어려운 글이 되어버렸네요. ㅠㅠ

다음 포스팅에서는 과학과학한 것을 잠시 떠나 핀란드, 스웨덴이 고준위방사성폐기물 처분시설 건설을 위해 지난 30~40년간 어떤 노력을 해왔는지 한 번 정리해보려고 합니다!!

긴 글 읽어주신 분들께 모두 감사합니다!!