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습식 저장은 보관 효율성, 건식은 관리 안전성 높다

사용 후 핵연료 제대로 알기



무지는 공포를 낳는다. 때론 사회적 갈등의 불씨가 되기도 한다. 포화상태에 다다른 사용 후 핵연료도 마찬가지다. 이를 해소하기 위한 첫걸음이 핵에 대한 올바른 이해다. 사용 후 핵연료의 생성부터 저장, 처리 과정에서 알아야 할 정보를 골라 정리했다.



사용 후 핵연료 어떻게 처리하나



원자력발전의 원료는 우라늄이다. 광산에서 캐낸 뒤 사용 후 핵연료로 안전하게 처분될 때까지 핵연료로서의 일생(life cycle)을 ‘핵연료주기’라고 부른다. 이 중 광산에서 채광한 우라늄을 변환·농축해 원자로에서 사용할 핵연료로 만들기까지가 ‘선행핵연료주기(front-end fuel cycle)’다.



 선행 핵 연료 주기 과정을 통해 만들어진 핵연료집합체는 원자로 안으로 들어간다. 이후 경수로형 원전(고리·한빛·한울)에서 약 4년, 중수로형 원전(월성)에서 약 10개월간 연료로 사용된 뒤 사용 후 핵연료로 배출된다. 원자로에서 꺼낸 사용 후 핵연료를 저장·재처리·처분하는 과정을 후행핵연료주기(back-end fuel cycle)라고 한다. 즉, 연료로서 일생을 마치고 원자로에서 꺼낸 순간부터 사용 후 핵연료의 일생이 새롭게 시작되는 것이다.



?사용 후 핵연료는 다양한 특징이 있다. 원자로에 들어가기 전 사용 전 핵연료(신연료)는 방사선이 매우 적어 사람이 접근할 수 있다. 반면에 사용 후 핵연료는 신 핵연료와 외형상 차이만 없을 뿐 물질 구성이 다르고, 강한 방사선과 높은 열을 배출한다. 사용 후 핵연료가 고준위 방사성폐기물로 분류되는 이유다.



 단, 사용 후 핵연료는 방사성폐기물이자 재활용이 가능한 자원으로 평가받는다. 사용 후 핵연료는 우라늄 96%, 플루토늄 1%, 기타 핵물질 3% 등(경수로형)으로 구성돼 있는데, 플루토늄과 일부 핵물질을 분리(재처리)·가공하면 핵연료로 다시 사용할 수 있어서다. 이 때문에 세계 각국이 사용 후 핵연료 처분을 놓고 고민하고 있다. 원자력발전소는 냉각재와 감속재로 쓰이는 물의 종류에 따라 경수로와 중수로로 구분한다. 발전소별로 사용하는 핵연료가 다르다. 경수로는 농축우라늄(3~5%)을 핵연료로 사용하지만 중수로는 천연우라늄(약 0.7%)을 사용한다. 천연우라늄은 농축우라늄보다 핵분열 물질(U-235) 함유량이 적어 연소기간이 짧다. 따라서 경수로보다 핵연료가 더 많이 필요하고, 사용 후 핵연료도 많이 발생한다. 냉각제 물 종류 따라 경수로·중수로전 세계에서 원전을 운영 중인 31개 나라는 모두 원전 부지 안팎에 저장시설을 갖추고 사용 후 핵연료를 단계별로 관리한다. 일반적으로 ‘원전 내 임시저장→처분 또는 재처리까지 중간 저장→(재처리)→최종 처분’ 단계를 거치는데, 사용 후 핵연료를 재활용 가능한 자원으로 취급할 경우 재처리 후 처분 공정이 추가되고, 폐기물로 취급할 경우 재 처리 과정 없이 직접 처분한다.



 사용 후 핵연료의 저장 방식은 건식과 습식 두 가지다. 건식은 사용 후 핵연료를 공기로 냉각하고 콘크리트나 금속 용기 안에 저장한다. 습식은 원전 내 저장 수조와 같이 물을 이용해 사용 후 핵연료를 냉각시키고 방사선을 차폐하는 방식이다. 현재 원전 내에 건식 저장시설을 갖춘 나라는 14개국, 원전 밖에 건식 저장시설을 갖춘 나라는 4개국, 습식 저장시설을 갖춘 나라는 6개국이다. 독일·일본·미국 등은 1990년대부터 원전 부지 내에 건식 저장 방식의 중간 저장시설을 운영 중이다. 프랑스나 스웨덴은 원전 부지 외부에 습식 저장 방식을 택했다.



?이유는 습식과 건식 저장 방식의 장단점이 각각 다르기 때문이다. 습식 저장은 세계 여러 나라에서 사용돼 운영 경험이 풍부하고, 저장 효율이 우수하다. 하지만 운영 시 지속적인 관리가 요구된다. 반면에 건식 저장은 용량 확장과 장기 관리 측면에서 유리하다. 또 자연 냉각 방식에 전원 공급이 불필요하므로 안전성 측면에서 높은 평가를 받는다. 후쿠시마 사고 이후 건식 저장 시설이 세계적으로 선호되는 이유다. 넓은 면적이 필요하다는 단점이 있지만 독일, 일본, 미국, 영국 등 현재 많은 나라에서 건식 저장 시설을 설치·운영하고 있다. 한국 1만8000t 저장 … 시설 확충 시급우리나라는 대부분의 원전에서 습식으로 사용 후 핵연료를 저장한다. 건식 저장 시설은 1992년부터 월성원전 4기에 운영 중이다.



 원전을 운영하는 나라는 31개국에 달한다. 그동안 배출한 사용 후 핵연료는 29만t으로, 그중 9만t은 재처리하고, 20만t은 보관 중이다. 매년 750t의 사용 후 핵연료를 배출하는 우리나라는 지금까지 1만8000t의 사용 후 핵연료를 쌓아두고 있다. 2050년이 되면 3만t으로 확대될 것으로 예측된다.



 쌓아둔 사용 후 핵연료가 저장시설에 가득 쌓이는 것을 포화라고 한다. 사용 후 핵연료가 포화상태에 이르면 더 이상 원전을 가동할 수 없다. 우리나라는 아직도 사용 후 핵연료 관리 방식을 결정하지 못했다. 그 때문에 현재까지 각 원전 내에 사용 후 핵연료를 쌓아두고 있고, 포화가 임박한 상태다.



?저장 용량 대비 현 저장량을 의미하는 원전별 포화 비중은 고리 78%, 월성 77%, 한빛 67%, 한울 64%, 신월성 12%순(2015년 기준)이지만, 포화 시점은 월성원전이 2019년으로 가장 빠르다. 우리나라 대부분의 원전이 경수로인 데 비해, 중수로인 월성원전의 사용 후 핵연료 발생량은 전체의 53.7%(2014년 말)를 차지하기 때문이다. 사용 후 핵연료 관리 정책에서 월성 건식 저장 시설 확충 문제가 가장 시급한 이유다.



 



 



박정렬 기자 park.jungryul@joongang.co.kr

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