실제 사용 후 핵연료로 재활용 연구 본격 돌입

내년부터 국내에서 모의 핵연료가 아닌 실제 사용 후 핵연료를 사용한 재활용 연구가 본격적으로 시작된다. 포화 상태에 이른 국내 원전 방사성 폐기물 문제를 해결할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대된다.
12일 한국원자력연구원에 따르면 사용 후 핵연료를 평화적으로 재활용할 수 있는 기술인 ‘파이로프로세싱(건식 재처리)’ 공정을 내년부터 가동한다. 한미원자력협정 개정에 따른 것이다. 지난해 4월 협정 개정으로 파이로프로세싱의 길이 열린 후 한미 양국은 2020년까지를 기한으로 파이로프로세싱 기술에 대해 ‘핵연료주기 공동연구’를 하고 있다.
원자력 발전 등에선 사용 후 핵연료가 발생한다. 원자로에 타고난 뒤 나오는 핵폐기물이다. 핵폐기물은 처리를 위해 임시저장하거나 지하에 매립해야하지만 사용 후 핵연료 재활용 기술을 확용하면 다시 핵연료 원료를 얻을 수 있다. 재활용 기술에선 핵연료에서 우라늄, 플루토늄 등 핵물질을 회수하는 것이 목표다.
분류방법에는 습식과 건식 재처리가 있는데 핵무기의 원료를 사용될 수 있는 플루토늄을 추출하는 습식 재처리의 경우 핵보유국에만 개발이 허용돼있다. 건식 재처리인 파이로프로세싱의 경우 550~650도로 고온인 용융염을 이용해 전기화학적인 방법으로 사용 후 핵연료에서 우라늄만 분리해내는 기술이다. 사용 후 핵연료는 1%의 플루토늄과 93%의 우라늄을 포함하고 있기 때문이다. 파이로프로세싱을 거치면 사용 후 핵연료의 부피는 20분의 1로 줄어들고 발열량은 100분의 1, 독성 감소 기간인 반감기는 1000분의 1까지 떨어진다. 새로운 핵연료의 원료 확보와 더불어 핵폐기물의 부피도 줄일 수 있는 유용한 기술인 셈이다.
회수한 핵폐기물을 원자력연이 추진 중인 4세대 원자로 ‘소듐냉각고속로(SFR)’에서 재순환시킨다면 고준위 폐기물 처분장 면적도 100분의 1로 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 2100년이 되면 우리나라 고준위 폐기물은 약 10만t정도로 추산된다. 이를 처리하려면 경주 방폐장 규모의 방폐장을 10~20곳을 추가 건설해야한다. 중수로형 월성원전은 2019년 포화가 예정돼있고 경수로형 원전인 한빛과 고리는 2024년, 한울 2037년, 신월성 2038년 순서로 포화가 예상된다.
연구원은 ‘듀픽핵연료 개발시설(DFDF)’과 ‘사용 후 핵연료 차세대 관리종합공정 실증시설(ACPF)’를 이용해 내년부터 파이로프로세싱 전체 공정 가운데 사용 후 핵연료 피복을 벗겨 원료물질을 만드는 전처리와 전기분해를 통해 사용 후 핵연료에서 산소를 없애고 금속으로 만드는 전해환원 단계의 실험을 진행할 예정이다.
파이로프로세싱 공정은 전처리, 전해환원, 전해정련, 전해제련, 염폐기물 재생 등 다섯 단계로 이뤄진다. 재활용을 위해 우라늄과 핵물질을 빼내려면 전해정련 및 제련 공정이 필요한다. 이후 단계 공정에 대해선 아직 미국의 동의를 얻지 못했다. 원자력연은 연구용 원자로인 ‘하나로’와 경·중수로에서 나온 사용 후 핵연료 3t으로 파이로프로세싱 연구를 진행하게 된다.
연구원은 실제 핵연료 대신 감손 우라늄으로 만든 모의 사용 후 핵연료를 사용해 파이로프로세싱 기술을 구현하는 ‘프라이드(PRIDE)’도 운용하고 있다. 이번 실험에 대한 실증자료를 확보한 뒤 프라이드를 이용한 연구가 뒷받침된다면 2020년까지 파이로프로세싱의 기술성, 경제성, 핵비확산 수용성을 한미가 공동으로 검증하게 된다.
한국원자력연구원 핵주기공정개발부 안도희 박사는 “기존엔 사용후 핵연료 연구는 일일이 미국에 통보하고 승인을 받아야 했지만 원자력협정 개정으로 연구 자율성이 확보됐다”며 “이번 연구를 통해 사용 후 핵연료 재처리 문제 해결에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
[이영욱 기자]