선진 원자력발전국의 사용후핵연료 처리기술 및 정책현황과 우리나라의 관련연구 현황 A Status of Technology and Policy of Nuclear Spent Fuel Treatment in Advanced Nuclear Program Countries and Relevant Research Works in Korea원문보기
전세계 주요 원자력선진국들의 사용후핵연료 처리에 대한 기술 및 정책현황을 알아보고 향후 우리나라의 연구방향을 제시해 보았다. 재처리 정책을 가진 소위 핵연료주기 국가들은 최근 선진핵 연료주기기술에 기초한 새로운 사용후핵 연료 관리정책을 발표하였다. 그 정책은 사용후핵연료 내에 함유된 우라늄 또는 초우란 원소들을 재순환하고 고독성의 방사성 물질 및 장반감기를 가진 물질들을 소멸하거나 단반감기 원소로 변환하는데 초점을 맞추고 있다. 이러한 정책은 원자력의 자원 활용성을 높일 뿐만 아니라, 영구 처분할 고준위폐기물의 양을 감소시켜 궁극적으로 원자력의 지속가능성을 높여 준다. PUREX 방법에 기초한 습식재처리를 우선순위로 선택한 대부분의 국가들은 이 습식방법이 건식방법에 비해 실용화에 앞서 있음을 그 선택 의 근거로 든다. 그러나 습식방법은 건식에 비해 핵확산저항성 측면에서 더욱 민감하다. 왜냐하면 이 습식방법은 약간의 공정수정에 의해 순수 플루토늄을 회수 할 수 있기 때문이다. 반면에 아직까지 실용화 단계까지는 도달해 있지 않지만 고온 용융염을 사용하는 Pyroprocess와 같은 건식처리 방법은 순수한 플루토늄을 회수 할 수 없어서 핵비확산성 측면에서 유리하며, 제4세대 원자로로 고려되는 고속로의 핵연료주기 등에도 여러 가지 이점을 가지고 있다. 따라서 우리나라의 경우 현재 이 Pyroprocess에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전세계 주요 원자력선진국들의 사용후핵연료 처리에 대한 기술 및 정책현황을 알아보고 향후 우리나라의 연구방향을 제시해 보았다. 재처리 정책을 가진 소위 핵연료주기 국가들은 최근 선진핵 연료주기기술에 기초한 새로운 사용후핵 연료 관리정책을 발표하였다. 그 정책은 사용후핵연료 내에 함유된 우라늄 또는 초우란 원소들을 재순환하고 고독성의 방사성 물질 및 장반감기를 가진 물질들을 소멸하거나 단반감기 원소로 변환하는데 초점을 맞추고 있다. 이러한 정책은 원자력의 자원 활용성을 높일 뿐만 아니라, 영구 처분할 고준위폐기물의 양을 감소시켜 궁극적으로 원자력의 지속가능성을 높여 준다. PUREX 방법에 기초한 습식재처리를 우선순위로 선택한 대부분의 국가들은 이 습식방법이 건식방법에 비해 실용화에 앞서 있음을 그 선택 의 근거로 든다. 그러나 습식방법은 건식에 비해 핵확산저항성 측면에서 더욱 민감하다. 왜냐하면 이 습식방법은 약간의 공정수정에 의해 순수 플루토늄을 회수 할 수 있기 때문이다. 반면에 아직까지 실용화 단계까지는 도달해 있지 않지만 고온 용융염을 사용하는 Pyroprocess와 같은 건식처리 방법은 순수한 플루토늄을 회수 할 수 없어서 핵비확산성 측면에서 유리하며, 제4세대 원자로로 고려되는 고속로의 핵연료주기 등에도 여러 가지 이점을 가지고 있다. 따라서 우리나라의 경우 현재 이 Pyroprocess에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
Status on the spent nuclear fuel management policy and R&D plan of the major countries is surveyed. Also the prospect of the future R&D plan is suggested. Recently so-called fuel cycle nations, which have the reprocess policy of the spent fuel, announced new spent fuel management policy based on the...
Status on the spent nuclear fuel management policy and R&D plan of the major countries is surveyed. Also the prospect of the future R&D plan is suggested. Recently so-called fuel cycle nations, which have the reprocess policy of the spent fuel, announced new spent fuel management policy based on the advanced fuel cycle technology. The policy is focused to transmute highly radioactive material and material having a very long half-life, and to recycle the Pu and U contained in the spent fuel. In this way the radio-foxily of the spent fuel as well as the amount of the high level waste to be eventually disposed can greatly be reduced. Most of countries selected the wet process as a primary option for the treatment of the spent fuel since the advanced wet process, which is based on the existing PUREX process, looks more feasible as compared with the dry process. The wet process, however, is much more sensitive in terms of proliferation-resistance compared with the dry process. The pure Pu can easily be obtained by simply modifying the process. On the other hand the pure Pu can not be extracted in the dry process based on the high temperature molten salt process such as a pyroprocess. Even though the pyroprocess technology is very premature, it has a great merit. Thus it is necessary for Korea to have a long term strategy for pursuing a spent fuel treatment technology with a proliferation resistance and a great merit for the GEN-IV fuel cycles. Pyroprocess is one of the best candidates to satisfy these purposes.
Status on the spent nuclear fuel management policy and R&D plan of the major countries is surveyed. Also the prospect of the future R&D plan is suggested. Recently so-called fuel cycle nations, which have the reprocess policy of the spent fuel, announced new spent fuel management policy based on the advanced fuel cycle technology. The policy is focused to transmute highly radioactive material and material having a very long half-life, and to recycle the Pu and U contained in the spent fuel. In this way the radio-foxily of the spent fuel as well as the amount of the high level waste to be eventually disposed can greatly be reduced. Most of countries selected the wet process as a primary option for the treatment of the spent fuel since the advanced wet process, which is based on the existing PUREX process, looks more feasible as compared with the dry process. The wet process, however, is much more sensitive in terms of proliferation-resistance compared with the dry process. The pure Pu can easily be obtained by simply modifying the process. On the other hand the pure Pu can not be extracted in the dry process based on the high temperature molten salt process such as a pyroprocess. Even though the pyroprocess technology is very premature, it has a great merit. Thus it is necessary for Korea to have a long term strategy for pursuing a spent fuel treatment technology with a proliferation resistance and a great merit for the GEN-IV fuel cycles. Pyroprocess is one of the best candidates to satisfy these purposes.
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문제 정의
이 논문에서는 전세계 원자력선진국의 사용후핵연료 처리에 대한 현황을 알아보고 이에 대한 우리나라의 향후 대처방안도 나름대로 분석해 보았다. 현 단계에서 모두가 인지하고 있는 원자력의 확대 필요성 또는 원자력 르네상스 시대는 이에 맞는 선진핵연료 주기기술의 개발을 통해서만 가능하다.
이 논문에서는 최근 세계 원자력선진국들의 사용후핵연료 처리와 관련된 지금까지의 사업추진과정, 최근의 정책변화 및 기술개발 현황 등을 알아보고 우리나라의 사용후핵연료 처리관련 연구현황 및 앞으로 수행되어야 할 연구방향을 나름대로 분석해 보았다.
발표하였다. 이 프로그램의 목표는 원자력의 이용을 확대하여 국제적으로 증가추세에 있는 에너지 수요를 충당하는 한편, 사용후핵연료를 재활용하여 고준위 방사성폐기물의 발생량을 감소시키고 핵확산의 위험을 줄이면서 환경친화적으로 세계 경제에 무한한 에너지를 공급하는 것이다. GNEP 프로그램의 7가지 전략 목표는 다음과 같다.
또한 최근에는 원자력발전의 최대 걸림돌이라 할 수 있는 방사성폐기물 처분문제를 해결하기 위해 사용후핵연료 처리에 대한 연구도 많이 수행하고 있다. 즉, 사용후핵연료를 처리하여 여기서 회수된 초우란원소와 같은 핵분열 물질을 연료로 제조하여 기존 원자로 및 앞으로 도입될 제4세대 원자로에 장전하여 에너지 재생산에 이용하는 한편 폐기물 처분장 관리에 가장 큰 영향을 미치는 장수명 핵종의 단수명 핵종으로의 변환 및 처분 폐기물 양의 저감화를 위한 연구들이다. 그러나 한편으로는 이런 연구들이 다루는 사용후핵 연료 처리 기술은 군사용 핵무기 제작에도 사용될 가능성이 있으므로 국제적으로 민감한 기술로 분류되며 , 핵무기를 보유하지 않은 국가가 이 런기술을 개발할 때에는 국제적으로 핵비확산성을 확인시키기 위해 국제원자력기구로부터 많은 감시 및 규제를 받기도 한다.
제안 방법
구소련은 첼리아빈스크-40의 군사용 재처리공장을 상업용 재처리공장인 RT-1 으로 개조하고 1977년부터 자국 및 동유럽 제국의 불가리아, 체코슬로바키아, 핀란드, 헝가리, 구동독 등에서 운전 중인 WER34)-440형 원자로로부터 인출한 사용후핵 연료의 재처리를 수행한 바 있다. 1977년부터 1, 000 MWe급 원자로 WER-1000 의 사용후핵 연료를 재처리하기 위해 연간 처 리능력 1,500 톤의 RT-2의 건설을 개시하였다. 그러나 소련 붕괴 후 경제위기의 발생에 의한 원자력관련 예산삭감 때문에 40 % 정도의 공사단계에서 RT-2 건설을 중단하였다.
실행될 수 있도록 변경되었다. 이를 위해 산업체의 적극적 참여를 유도하고 이미 상용화된 기술도입 및 산업체의 연구개발 초기 참여를 통해 두 가지 Track 개념의 새로운 GNEP 프로그램을 발표하였다. 즉, GNEP에서 추구하고 있는 대표적 3개의 시설을 Track 1 및 2로 나누고, Track 1에 해당하는 CFTC1?) 와 ABR 두개의 시설은 2020년까지 상용기술을 도입, 건설을 추진하여 빠른 시일 내 기술을 실증하며, Track 2로는 비교적 장기적인 선진핵연료 주기기술개발을 위해 AFCF라고 명명된 초우란원소를 이용한 고속로 핵 연료 제조 및 재순환을 위한 종합핵 연료 주기기술개발 시설을 국립 연구소를 중심으로 건설토록 한다는 계획 이다[8, 9】.
처리능력이 년 1,500 톤인 제2 시설은 1964년부터 가동을 시작 했으며 그 후 많은 개량과 보완작업을 거친바 있다. 저농축우라늄 산화물 핵 연료를 사용하는 개 량형 가스냉각로(AGR39)) 의출현으로 산화물핵연료에 대한 재처리가 필요하게 되어 제1시설 건물을 이용하여 전처리시설을 신설하고 기존시설을 개조하여 제1사이클 추출 처리를 한 후 제2시설에서 나머지 사이클의 재처리 작업을 수행 하였다. 경수로 산화물핵 연료 재처 리시설 인 THORP")는 1976년에 정부에 건설신청을 하였으며, 처리능력은 연 1, 200 톤이다.
한편 전력중앙연구소(CRIEPP)가 1988년부터 미 국의 IFR3D 프로그 램 에 참 여 하 면서 Pyrochemical Process 연구를 본격 적으로 착수하였다. 1990년대 초 CRIEPI는 금속핵연료주기에 대한기초연구는 물론 습식공정에서 발생된 고준위 폐기물로부터 TRU32)원소 회수를 위한 Pyrochemical Process를 독자적으로 개발하였다.
성능/효과
새로 제정된 법은 2006년 6월 15일 국회 에서 최종 통과되었으며, 그 내용은 다음과 같다. 1) 새법의 가이드라인으로는 재처리 및 재순환에 의한 폐기물 독성과 양을 감소하며, 재순환될 수 없는 폐기물은 임시지층에 저장한다. 지층에 저장할 수 없는 폐기물을 회수 가능한 심지층에 처분한다.
1) CEA가 수행한 군분리 및 소멸연구는 U, Pu, FP, Am, Cm 군분리 에 대한 파일롯 규모 과학적 실증이 필요하며 , Miner Actinide들의 연소를 위한 더 많은 연구가 필요하다. 2) ANDRA가 수행한 심지층 처분장에 대한 Bure 지하연구실 시험결과는 점토질토양이 핵종들의 이동제한에 매우 좋은 특성을 가진 것을 실증하였으며, 핵종이동 연구결과 핵종의 백만 년까지의 이동 거동을 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 3) CEA가 수행한 장기 전처리 및 저장 관련 연구는 장기간 동안의 폐기물의 저장거동에 대한 모델링 및 거동을 파악하였고, 100년 또는 200년 동안 임시저장이 가능한 것으로 결론을 얻었다[12].
2) ANDRA가 수행한 심지층 처분장에 대한 Bure 지하연구실 시험결과는 점토질토양이 핵종들의 이동제한에 매우 좋은 특성을 가진 것을 실증하였으며, 핵종이동 연구결과 핵종의 백만 년까지의 이동 거동을 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 3) CEA가 수행한 장기 전처리 및 저장 관련 연구는 장기간 동안의 폐기물의 저장거동에 대한 모델링 및 거동을 파악하였고, 100년 또는 200년 동안 임시저장이 가능한 것으로 결론을 얻었다[12]. 따라서 이러한 연구결과를 토대로 2006년 4월 6일 프랑스 정부는 2015년까지 처분장 건설목표를 정하고고 준위 .
이 계획은 2005년 10월 결정된 '원자력정책대강' 의 기본 방침을 실현하기 위한 구체적인 정책이다. 원자력 정책 대강은 일본 원자력위원회가 책정한 것으로 주요 기본 목표로는 1) 2030년 이후에도 전력발전량의 30-40 %를 원자력으로 충당하며, 2) 핵 연료 주기의 착실한 추진, 3) 고속증식로의 2050년 상용화 실현 등이다. 이 '원자력입국계획 에서는 다음의 5 가지 기본 방침을 제시하였다.
후속연구
이 법에서는 방사성폐기물의 안전한 처분을 위하여 15년간의 연구를 수행하도록 명시하였으며, 연구기간 동안 수행된 주요연구 결과는 다음과 같다. 1) CEA가 수행한 군분리 및 소멸연구는 U, Pu, FP, Am, Cm 군분리 에 대한 파일롯 규모 과학적 실증이 필요하며 , Miner Actinide들의 연소를 위한 더 많은 연구가 필요하다. 2) ANDRA가 수행한 심지층 처분장에 대한 Bure 지하연구실 시험결과는 점토질토양이 핵종들의 이동제한에 매우 좋은 특성을 가진 것을 실증하였으며, 핵종이동 연구결과 핵종의 백만 년까지의 이동 거동을 예측할 수 있는 것으로 나타났다.
따라서 에너지자원이 절대적으로 부족한 우리나라의 입장으로는 지속가능한 원자력발전을 통한 부족 에너지 보완 및 국가에너지 안보를 확보하는 계획을 적극 추진하여야 할 것으로 판단된다. 원자력발전의 지속가능성과 원자력의 최대 걸림돌인 사용후핵연료의 관리 문제를 해결하고 세계 6위 원자력발전량을 가진 국가의 위상에 걸맞는 명실상부한 원자력발전국이 되기 위해서는 핵투명성이 확보된 선진사용 후 핵 연료처리 기술의 확보는 필수적이라 할 수 있다.
즉, 사용후핵 연료를 고온 용융염 상에서 금속 전환하여 핵연료의 부피, 발열량 및 방사선의 세기를 1/4 이하로 감축할 수 있는 사용후핵 연료 차세대관리 종합공정(ACP45))을 개발하고 있으며 이 공정은 전체 Pyroprocess 공정의 전처리 공정에 해당한다. 또한 이 금속전환 공정개발과 병행하여 1997년부터 Pyroprocess의 후속공정에 해당하는 장수명 핵종 소멸처리 기술로 전해정련 및 폐기물 처리 공정 연구도 착수되었다. 현재까지 금속 전환의 경우 20 kgU/batch 규모의 차세대관리 종합공정 실증시설(ACPF46))을 개발하였고, 전해정련 공정의 경우 1 kgU/batch 처리용 장치도 개발하였다.
중기적으로는 우선 시급한 고준위폐기물 처분 문제를 해결하기 위하여 사용후핵 연료 처리공정으로 UREX+ 기술을 이용하며, 장기적으로는 고속로 핵연료 처리에 여러가지 장점을 가지고 있는 고온 용융염을 사용한 선진건식처 리기술인 PYROXU) 기술을이용할 계획으로 현재 ARGONNE 및 INL 국립연구소를 비롯한 여러 연구기관 및 대학 또는 국제공동연구들을 통해 활발한 연구를 수행하고 있다. 미국은 이 기술이 실용화된다면 동일 면적의 처분장에 기존의 직접처분 방식에 비해 약 100배 가까이 고준위 폐기물을 처분할 수 있으며, 2100년까지 유카마운틴 처분장 하나로 모든 사용후핵 연료 처분 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대하고 있다⑹.
선진 원자력발전국들은 이미 대규모 자금이 투입된 습식기술을 선호할 수 밖에 없는 환경이지만 한편으로는 미래 원자력 시스템에 적합한 건식처리 기술개발에도 많은 투자를 아끼지 않고 있다. 비교적 최근에 기술개발을 시작한 우리나라의 경우 건식공정기술의 개발에 집중적 투자만 이루어 진다면 중장기 선진핵 연료주기 의 세계적 인선 점이 가능할 것으로 보며, 향후 제4세대 원자로가 적용되는 시점에서는 국내의 원천기술 확보 뿐 만 아니라 수출을 통한 대규모 외화 획득도 가능할 것으로 생각된다.
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