후투티
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투자 공부하면서 배운 것을 이것저것 실험해 보면서 나만의 투자철학을 세워가고 있는 초보투자자 입니다.
원자력발전 사업을 핵연료주기 관점으로 보면 선행핵주기와 후행핵주기로 구분할 수 있습니다.
선행핵주기는 우라늄 광석을 캐고 농축하여 핵연료로 만들고 원자력 발전에 사용하여 전력을 생산하는 우리가 익히 알고 있는 원자력 발전의 모습이고, 이제까지 주로 관심을 받았던 분야입니다.
후행핵주기는 사용후핵연료 저장, 재처리, 영구처분과 같은 원자로에 사용된 핵연료를 처리하는 과정으로 이제까지 관심을 받지 못한 분야입니다.
돈을 쓰는 곳(후행핵주기)보다 돈을 벌어오는 곳(선행핵주기)이 더 관심 받는 것은 당연합니다.
그러나 각국의 사용후핵연료는 갈수록 늘어나 저장시설이 포화되고 있고, 그린 택소노미에 원자력발전이 포함되기 위한 조건으로 방사성폐기물의 안전한 처리 및 처분에 대한 계획이 필요하기 때문에 더 이상 무시할 수 없는 분야임은 틀림없습니다.
이번 글은 후행핵주기에서 사용후핵연료를 관리하는 방법 중 영구처분 하는 방법에 대해 중점적으로 써보았습니다.
한국에 있는 대부분의 원자력발전소는 경수로형 발전소입니다.
펠렛 모양의 우라늄 소결체 약 380개가 4m 길이의 연료봉에 들어가고
연료봉 230~270개를 다발로 묶어 핵연료집합체를 만들고 이를 발전에 사용합니다.
(손톱 크기만 한 소결체 하나가 1800kWh(4인 가구가 6개월 정도 쓸 수 있는 분량의 전력)을 생산할 수 있다고 합니다...)
출처: 한국원자력연구원
경수로형 핵연료의 경우 우라늄-235(3~5%)과 우라늄-238(95~97%)로 이루어져 있는데
이를 원자로에서 4년 정도 사용하면 우라늄-235가 약 1%로 줄어들어 더 이상 발전에 사용하지 못합니다.
이때 교체되어 나온 사용후핵연료는 발전하기에는 효율이 낮지만, 여전히 높은 열과 방사능을 가집니다.
아래 사용후핵연료 구성비를 보면 우라늄-235가 분열하면서 많은 방사성 물질이 생성되는 것을 알 수 있습니다.
출처: 한국원자력환경공단
사실상 고준위방사성폐기물의 대부분은 사용후핵연료입니다.
원자력 발전소에서 사용한 방사능 준위가 낮은 폐기물은 중저준위방사성폐기물로 분류하고, 사용후핵연료는 고준위방사성폐기물로 분류하고 있습니다.
출처: 한국원자력환경공단
한국의 고준위방사성폐기물(사용후핵연료) 발생량은 2023년도 기준 18,925톤입니다. 매년 약 750톤 정도 발생합니다.
출처: 산업통상자원부
현재까지 발생한 사용후핵연료는 열과 방사선량을 낮추기 위해 원자력 발전소 안에 있는 임시저장시설에 저장하고 있습니다.
출처: 한국수력원자력
한국은 사용후핵연료 저장이 2030년부터 포화된다고 합니다.
현재는 사용후핵연료를 원자력 발전소에 있는 임시저장시설에 저장하고 있습니다.
저장시설을 계속 늘릴 수도 있겠지만 안전성 측면에서 지속 가능한 방법은 아닙니다.
일정 기간 저장 과정을 거친 후 고준위방사성폐기물을 관리하는 방법은 크게 두 가지가 있습니다.
'재처리 후 연료로 재활용한 후 처분'하는 방법과 '영구 처분' 하는 방법입니다.
재처리는 물리적, 화학적 방법을 통해 사용후핵연료에서 플루토늄, 우라늄 등 원자력발전에 이용할 수 있는 핵연료 물질을 다시 뽑아내는 과정을 의미합니다.
대표적으로 고순도 플루토늄만을 분리해 낼 수 있는 습식 재처리(PUREX)방식과
초우라늄 원소로 회수하는 파이로프로세싱(Pyroprocessing)이 있습니다.
출처: 한국에너지정보문화재단
한미원자력협력협정에 따라 현재 국내에서는 재처리가 허용되고 있지 않습니다.
연구비도 최근 대폭 삭감되어 국내에서 제대로 된 연구를 하지 못하고 있습니다.
이 기술이 허용되면 우리나라도 핵무기를 금방 만들 수 있을
재처리 과정을 거친 사용후핵연료도 결국에는 영구 처분 과정을 거쳐야 합니다.
영구처분은 고준위 방사성폐기물을 인간의 관리 없이 영구적으로 인간 생활권에서 격리하는 것을 의미합니다.
영구처분 종류에는 다음과 같은 방법이 있습니다.
심층처분: 지하 300~1,000미터 깊이의 암반에 사용후핵연료를 처분하는 방식
해양처분: 사용후핵연료를 바다에 처분하는 방식
우주처분: 사용후핵연료를 우주로 보내 처분하는 방식
빙하처분: 사용후핵연료를 빙하에 처분하는 방식
국제원자력기구(IAEA)에서는 경제성, 안전성, 기술성 등을 종합적으로 고려해서 심층처분을 권고하고 있습니다.
나라마다 심층처분 방식이 조금씩 다르지만 대체로 아래와 같은 구성요소가 있습니다.
출처: 한국원자력연구원
주철과 구리로 만들어진 처분용기에 사용후핵연료집합체를 넣습니다.
설계하는 크기에 따라서 들어가는 집합체의 수는 다를 수 있습니다.
부식에 강한 구리를 처분용기의 외부재료로 사용합니다.
구리보다 강도가 강한 주철은 처분용기의 구조를 유지하기 위해 내부재료로 사용합니다.
출처: Poisiva
처분터널에 일정 간격을 두고 처분용기가 들어갈 수 있도록 만든 공간을 처분공이라 합니다.
완충재는 처분공 안에서 처분용기를 감싸는 고체 블록입니다.
벤토나이트를 주재료로 사용하는데 흙으로 만든 큰 벽돌이라고 생각하면 가장 비슷합니다.
벤토나이트는 물과 접촉하면 팽윤하여 낮은 투수성을 가지게 되는 특성이 있습니다.
사용후핵연료에서 유출되는 핵종을 흡착하고, 핵종의 이동수단이 될 수 있는 지하수를 외부로부터 차단하는 역할을 합니다.
출처: 한국원자력연구원
처분공을 굴착하고 처분용기를 처분하기 위해 사용한 처분터널은 뒤채움재로 막게 됩니다.
뒤채움재는 다양한 조합이 가능하지만, 대표적으로 벤토나이트와 모래를 혼합한 재료가 있습니다.
출처: 한국원자력연구원
처분장은 각국의 지질 환경에 따라 방사성 핵종이 이동하기 어려운 역학적 특성을 가진 암반에 건설됩니다.
전 세계적으로 처분 모암으로 고려되는 암종은 결정질암, 퇴적암인 이암, 화산암인 응회암, 암염 등이 있습니다.
지하 500m의 깊이의 심층환경은 ...
감사합니다♡