흐름이 보이는 원자력기사 시험에서 꼭 나오는 요점 요약 정리 11. 후행 핵연료주기

11. 후행 핵연료주기

1. 사용후 연료
      1) 사용후 연료의 조성 및 특징

(1) 정의
• 사용후 연료란 원자로 내에서 소정의 연소를 끝낸 핵연료를 지칭한다.
-> 사용 후 핵연료에는 원료가 되었던 우라늄 외에 Xe, Sr, Ce, Pu 등과 같은 맹독성 방사성 물질이 새로 생기므로 원자로에서 핵 분열 후에도 다량의 방사선, 뜨거운 열이 방출된다.
-> 이로 인해 사용후 핵연료는 재처리하거나 깊은 물속에 담가주어야만 한다.
-> 이 때 유용한 우라늄, 플루토늄은 1% 가량 남아있다.

(2) 장수명 핵종
① 종류
• 고준위 폐기물로 사용후 연료에 포함되어 있어 수만년 이상의 장기간에 걸쳐 방사선을 방출하는 장반감기 핵종들을 장수명 핵종이라 한다.

• 이에는 TRU(초우라늄원소, Transuranium)와 MA(마이너 액티나이드, Minor-Actinide)가 존재한다.
-> TRU는 92U를 초과하는 방사성 핵종으로 Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cr, Es, Fm, Md, No, Lr 등을 말하며, 이들 대부분은 알파붕괴한다.
-> MA는 Np, Am, Cm이 있으며, 재활용 자원인 플루토늄을 활용할 수 있다.
-> 그 외 핵분열생성물 핵종에는 99Tc와 129I가 존재한다.

② 소멸처리기술
[1] 핵종분리기술(Partitioning)
• 소멸처리 대상인 장수명 핵종을 분리해내기 위해서는 한국에서는 고온건식처리(파이로프로세싱) 기술을 시행하고 있다.

<1> Pyro-Metallurgy 법
• 사용후 핵연료에 포함된 각종 금속물질(TRU,MA)을 LiCl-KCl 공용 용융염에 녹인 후 이를 전해질로 삼아서 전기분해를 통해 원하는 금속물질을 음극으로 석출시키는 기술이다.
-> 각종 금속물질은 고유의 산화/한원 깁스 자유 에너지를 가지고 있기에 양극/음극 간 걸리는 전위차를 조절하여 특정금속물질들을 그룹별로 분리시킬 수 있다.

<2> Pyro-Chemical 법
• 산화물 사용후 핵연료를 용융염, Cu-Mg-Cu 합금에 접촉시켜 사용후 핵연료는 용융염에 남고, 플루토늄만은 다시 MgCl2-NaCl-KCl의 용융염과 접촉시켜 플루토늄을 분리할 수 있다.
-> 이는 고연소도의 액체금속냉각 고속증식로의 조사된 핵연료를 짧은 냉각 기간 후에 처리하기 위해 제안된 방법이다.


② 핵종변환기술(Transmutation)
• MA와 TRU에 고에너지 양성자 빔을 직접조사하여 핵을 파쇄하거나, 중성자를 흡수시켜 핵분열을 유도하는 방법이다
-> 후자의 방법이 주로 이용되고 있으며, 핵분열 생성물에 중성자 조사를 유도하여 안정된 핵종으로 변환시킬 수 있다.

   2. 재처리방식
      1) 개요
(1) 의미
• 재사용가능한 핵연료물질이 사용후 연료에 남아 있어, 우라늄, 플루토늄을 분리 회수 화는 과정을 재처리(Reprocessing)라고 한다.
-> 원전에서 사용후 핵연료 중에서 핵연료를 다시 사용할 수 있는 물질을 분리하여 회수하고 핵분열에 의해 생성된 방사성물질을 안전하게 처리하는 공정이다.
-> 사용후 연료에서 U238이 변환되어 생성된 Pu239, 남은 U235는 핵연료를 화학적으로 재처리함으로써 재사용이 가능해진다.

• 재처리 과정에 의해 순화된 우라늄 생성물, 순수한 형태 혹은 혼합형태인 Pu 생성물(MOX) , 핵분열 생성물의 폐기물 등의 3가지 유형의 산물이 만들어진다.
-> 3%의 U235는 U235+Pu239 1%, 핵분열생성물 3%, U238 95%의 조성을 가지게 된다.

(2) 목적
• 유용한 분열성물질 또는 분열가능한 물질인 U,Pu를 분리 및 회수
• 방사성 핵분열물질의 제거
• 안전하고 오랜 기간 동안 저장할 수 있는 형태로 사용후 핵연료를 변환

      2) 습식처리 방식
(1) 개요
• 대부분 원자력 선진국에서는 상용 목적의 사용후 핵연료 처리를 위해 습식 처리법을 선택하고 있다.
-> 원래는 군사적 목적으로 플루토늄만을 조사된 핵연료로부터 회수하기 위해 개발된 것이다.
-> 현재는 사용후 핵연료의 재활용 및 고준위 폐기물의 부피감용을 위해 우라늄, 플루토늄 이외의 MA,TRU 분리에도 목적을 두고 있다.

(2) 특징
• 핵확산 저항성이 낮다.
• 고준위 폐액이 많이 발생한다는 단점이 있다.
• 고순도 플루토늄을 획득할 수 있다.
• 대표적으로 Redux, Butex, PUREX의 방법이 있다.



(3) PUREX
• 습식처리의 대표적 기술로 군사적으로 플루토늄만을 분리하거나 평화적인 목적에서 고속증식로의 연료인 MOX 핵연료를 만들기 위해 사용후 핵연료로부터 우라늄, 플루토늄만을 분리하는 공정이다.

• 사용후 핵연료는 집합체로부터 해체된 후 강질산에 용해시키고 고/액 분리단계를 거쳐서 높은 농도의 U,Pu의 회수를 위해서 공제염분리공정, 상호분리공정, 최종경제공정을 거쳐서 제품을 얻게 된다.

① 1단계
• 용매를 TBP로 사용하여 강질산으로 핵연료를 용해시키는 단계이다.
• 피복재의 재료에 따라 사용되는 용해제가 달라진다.

② 2단계

• 이러한 유기상을 환원제가 함유된 수용액과 접촉시켜 플루토늄을 수용액상으로 이동시킨다.

③ 3단계

• 유기상에 남아있는 우라늄의 정제 및 역추출

④ 4단계

• 분리된 플루토늄을 정제하는 과정으로 용매추출 이외에도 흡착, 침전법 등을 사용한다.

 

3) 건식재처리 기술(파이로 프로세싱)
(1) 개요

• 사용후핵연료를 건식으로 처리하는 기술은 공정이 단순하고 폐기물 발생량이 적으며 공정비율을 줄일 수 있는 가능성이 있다.

 

(2) Dirty Fuel Clean Waste의 개념

• 고순도 플루토늄의 회수 불가능으로 핵확산 저항성이 있다.

• 폐기물 발생량과 방사능 독성의 감소로 환경 친화성이 있다.

• 단순한 공정 및 소규모 시설에 따른 경제성이 있다.

• 사용후 핵연료의 임시저장 기간의 단축으로 관리 안정성이 향상되었다.

• 고속증식로와 같이 제 4세대 원자로의 핵연료 생산에 따른 자원활용성이 증진되었다.

• 국제적 비교 우위 확보가능한 기술자립성을 띤다.

 

(3) 기술의 종류

• 고온야금/화학법(Pyro-Metallurgical/Chemical Process)

• 건식열처리법

• 파이로 프로세싱

 

(4) 파이로 프로세싱

• 500도 이상의 고온에서 용융염 매질에서 사용후 핵연료 중 원소간 전해분리 특성차를 이용하여 분리 및 회수하는 기술

-> 사용후 핵연료를 피복관으로부터 분리하고 고온산화시키는 전처리 공정

-> 사용후 해연료를 금속물질로 전환시키는 전해환원공정

-> 전한된 금속 물질애소 대부분의 우라늄만 선택적으로 회수하는 전해정련공정

-> 잔여 우라늄, 플루토늄을 포함한 미량의 핵물질군을 공회수하는 전해제련공정

-> 발생된 폐용융염으로부터 잔류핵종을 제거하고 정제된 염을 재순환하는 처리공정

 

특징	PUREX	파이로프로세싱
기술의 성숙도	상용화	실험실 규모
시설용량	대용량	소용량
순수 플루토늄 분리	O	X
사용후 핵연료 냉각시간	5년 이상 (용매 용질이 방사선 영향을 크게 받기 때문)	1년 미만 (용융염이 방사선 영향을 받지 않기 때문)
임계사고	가능성이 크다 (용매가 감속재로의 기능을 하기 때문)	가능성이 적다 (중성자 감속재로의 기능을 하는 물질이 없다)
운전방법	연속식	회분식
공정 장비수	180개	20개 미만
핵물질확보	쉬움	어려움
플루토늄 금속처리	매우쉬움	어려움
핵무기 제조	쉬움	어려움 (TRU의 열발생으로 인해)
경제성	낮음	높음

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 중간저장

1) 개요

(1) 중간 저장의 의미

• 핵연료물질을 발생자로부터 인수하여 처리 또는 영구처분하기 전까지 일정기간 안전하게 저장하는 행위

 

(2) 중간 저장의 필요성

① 완전 습식 저장조의 용량 포화 문제 해결

 

• 원자력 발전소의 습식 저장조 용량이 포화됨에 따라 조밀 저장랙 설치 및 사용후 핵연료의 발전소간 수송 등을 통해 포화사정을 연장해왔다.

-> 그러나, 습식저장조의 조화는 막을 수 없으며 습식저장조의 용량이 최종적으로 포화된 경우 추가적인 저장시설의 건설이 요구된다.

 

 

② 해체 원전의 사용후 핵연료 저장문제 해결

• 원자력 발전소 해체시 습식저장조의 사용후 핵연료는 다른 장소로 옮겨져야 하며 특히 재처리, 영구처분 대책이 없을 경우 별도 저장시설이 필요

 

③ 최종 관리 정책 결정의 유연성 제공

• 사용후 핵연료에 대한 최종 관리 정책이 결정되지 않는 국가의 경우 정책 결정시 까지 사용후 핵연료 보관

 

(3) 중간 저장시 고려사항

① 저장방식

• 크게 수조 내 수중에 저장해두는 습식저장(Wet Strage)과 내부를 불화성기체로 치환하는 건식저장이 있다.

-> 건식저장에는 캐스크, 사일로, 볼트방식으로 구분되며, 전세계적으로 콘크리트, 금속캐스크 저장방식이 널리 사용된다.

 

② 중간시설의 위치

• 인구밀집지역에서 떨어진 곳 • 하천 범람이 없는 곳 • 지진, 지질학적 장해가 없는 곳

• 수중환경 장해가 없는 곳 • 산업수송, 군사시설로 인위적 사건의 영향이 없는 곳

• 방사성 물질 방출 관련 대기 환경 장해가 없는 곳

• 해일, 태풍 등 자연현상이 중대사고의 원인이 될 수 없는곳

 

 

 

 

 

 

③ 사용후 연료 저장소의 발전소 부지 내 설계기준

 

• 저장된 사용후 핵연료 간의 중심거리는 순수가 충수된 상태에서도 미임계를 유지한다.

• 저장랙은 선적, 취급, 정상운전부하 및 안전정지지진에 견디고 지진범주1에 의거해 설계

• SFP(Spent Fuel Pool)에서 핵연료 취급 중 저장랙 위에 핵연료가 낙하되어도 K<0.95가 되도록 설계

• 핵연로 상부노즐에서 10피트 이상 깊이를 유지하고, 수면에서 감마선량율 2.5mR/hr 이하

• 핵연료 이송수로를 통하는 문의 높이는 저장된 핵연료의 상부보다 위에 있어서 문의 고장으로 인해 핵연료가 물 밖으로 드러나지 않도록 한다.

• 저장조 냉각 계통 및 정화계통의 고장에 의해 핵연료가 물 밖으로 노출되지 않도록 저장랙 6피트 위에 냉각수 회수배관을 설치

• 수위 감시, 방사선 감시계기를 설치한다.

 

④ 소내 및 소외 저장법의 장단점

[1] 소내 저장

<1> 장점

• 경제성이 양호하다. • 수송이 불필요하다. • 별도 부지 확보가 불필요하다.

• 호기별로 필요시마다 확장하므로 투자비 분산

(확장법 : Reracking, Doubling Stocking, Rod, Consolidation)

 

<2> 단점

• 발전소 폐쇄시 사용후 핵연료 처분대책이 수립되지 않았을 경우 별도의 관리대책이 필요

 

[2] 소외 저장

<1> 장점

• 집중 관리가 가능하고, 가장 오래된 입증 기술이다.

 

<2> 단점

• 초기 대규모 투자의 필요로 인해 경제성이 불리하다.

• 별도 부지 확보가 필요하다.

• 용량 결정이 어렵고 수송이 불가피하다.

 

2) 습식저장방식

(1) 특징

 

• 물은 방사선을 차폐하고 방사성 물질의 오염확산을 방지할 뿐만 아니라 투명해 사용후 핵연료의 감시가 용이하다.

-> 핵연료 집합체 길이가 긴 경수로형은 수직으로, 짧은 중수로형은 수평으로 저장한다.

 

(2) 장,단점

① 장점

• 40년 이상 풍부한 운전경험으로 안전성 및 효율성 입증

• 부지 소요면적이 상대적으로 적으며, 냉각기간이 짧아도 저장 가능

• 저장 중 연료 검사가 용이하다.

 

② 단점

• 운전 중 방사성 폐기물이 발생하며 냉각설비, 오염제거 설비 등의 운영으로 인해 운영비가 높다.

• 시설용량 확장이 상대적으로 불리하다.

 

3) 건식저장방식

(1) 특징

 

• 냉각재로 기체, 공기를 이용하고 있으며, 사용후 핵연료 저장시에 대한 위험도가 낮고 안전하며, 비용측면에서 습식보다 상대적으로 유리하다.

 

(2) 유형

① 캐스크 방식(용기)

• 캐스크 방식은 확장의 유연성으로 인해 미국을 비롯한 유럽 및 일본에서 많이 이용된다.

 

<1> 콘크리트 캐스크

• 사용후 연료가 장전된 캐니스터가 콘크리트 저장용기에 적재되어 저장부지로 이송, 저장되거나 별도의 이송용기를 사용하여 저장부지의 콘크리트 저장용기에 적재한다.

-> 구조재인 철근 콘크리트, 고밀도 콘크리트는 구조적 강도 및 방사선 차폐 기능을 제공

-> 콘크리트 구조물을 통한 자연대류에 의해 붕괴열을 냉각시킨다.

 

• 현재 국내 월성원전부지에 콘크리트 사일로가 운용중이다.

 

<2> 메탈 캐스크

• 사용후 연료를 금속 용기에 담아 콘크리트 패드 위에 정치하는 방식

-> 콘크리트 보다 구조적 건전성이 뛰어나며 별도의 운반용기가 불필요하며 운전작업이 용이하다.

-> 피복관의 온도 제한으로 인해 용기 당 용량의 대량화가 불리하고 초기투자비가 크다.

② 모듈 방식

• 콘크리트 구조물 내부에 있는 금속라이너 속에 직접 사용후 연료를 채워 넣는 일체형 방식

-> 모듈의 강화콘크리트는 방사선차폐역할을, 금속라이너는 격납 역할을 수행

-> 건설 및 운영비용 등의 경제성, 저장용량의 확장성이 좋고, 저장 캐니스터를 수평으로 운반, 저장하므로 취급이 용이하다.

-> 단점으로 용량확장이 모듈단위로 이루어져 용기방식에 비해 유연성 감소

 

③ 볼트 방식

• 대형 콘크리트 건물의 외부 구조물은 방사선 차폐 역할을 하고 건물 내부는 금속 튜브를 설치하여 튜브 내 사용후 연료를 장입, 밀봉 후 공기, 질소 또는 헬륨 기체로 충전하여 저장하는 방식

-> 사용후 핵연료로부터 발생되는 열은 대부분 자연대류방식으로 배출되고 부분적으로 강제대류에 의해 외부로 배출