사용후 핵연료(폐연료봉) 특수 처리 재활용 기술 - 파이로

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[단독] 버리는 핵연료봉 100% 더 쓴다…'原電은 지속가능 에너지' 입증

한국 원자력발전소의 사용후 핵연료(폐연료봉)를 특수 처리해 재활용하는 파이로프로세싱 기술에 대해 미국 원전당국이 “타당성이 충분하다”고 결론 내린 것으로 알려졌다. 원전을 탄소중립 시대에 적합한 ‘지속 가능한 에너지원’으로 공식 인정한 것이어서 주목된다.

 

파이로는 원전을 가동하는 데 쓰고 남은 폐연료봉을 다시 쓸 수 있는 연료봉으로 탈바꿈시키는 첨단 기술이다. 500~650도에 이르는 고온 용융염(소금과 함께 녹아 있는 물질)에 폐연료봉을 쪼개 넣은 뒤, 전기화학적 방식으로 유해한 방사성 폐기물을 없앤다. 파이로 처리를 거친 폐연료봉은 소듐냉각고속로(SFR) 납냉각로(LFR) 등 차세대 원자로의 땔감으로 재투입할 수 있다.

 

파이로는 원자폭탄을 제조하는 데 쓰이는 플루토늄 분리가 원천 불가능한 건식 처리 방식이어서 국제사회의 핵확산 방지 기류도 충족한다. 플루토늄 추출이 가능한 습식 처리 방식은 국제사회에서 엄격히 금지되고 있다.

 

유럽연합(EU)은 지난해 대비 2050년까지 원전을 20%, 미국과 영국은 두세 배 늘리는 전략을 확정했다. 특히 ‘차세대 소형 원자로(SMR)’인 소듐냉각고속로(SFR), 납냉각로(LFR) 등에 대한 투자가 활발하다. 전력 공급뿐 아니라 대형 원전에서 쓰고 남은 폐기물(사용후 핵연료)을 재활용할 수 있어서다.

 

파이로는 리튬, 칼륨, 카드뮴 등이 염(Cl)과 함께 녹아 있는 500~650도 고온 ‘용융염’에서 사용후 핵연료에 포함된 유해 방사성 물질을 분리하는 기술이다. 2011년 미국과 프랑스가 파이로 기술 도입을 국제사회에 천명하면서 개발 경쟁에 가속도가 붙었다.

 

파이로 기술이 중요한 이유는 고준위 핵폐기물의 독성을 없애는 것을 넘어, 차세대 첨단 원전의 땔감을 새로 창출하기 때문이다. 파이로 처리를 거친 핵폐기물은 SFR, LFR 등 각국이 연구개발(R&D)에 매진하고 있는 4세대 원전, 이른바 ‘젠(GEN)-4’의 연료로 쓰인다.

 

SFR은 고속 중성자로 핵분열을 일으키고, 소듐(나트륨)을 냉각재로 쓰는 원자로다. 폭발 위험이 대형 원자로와 달리 제로(0)에 가깝다는 게 전문가들의 견해다. 미국을 비롯해 프랑스 영국 중국 등 각국이 개발 중이다. 빌 게이츠 마이크로소프트(MS) 창업자 역시 SFR을 개발하는 회사에 거액을 투자했다. LFR은 고속 중성자로 핵분열을 일으키고, 납을 냉각재로 쓰는 원자로다. 벨기에 러시아 미국 중국 일본 등이 개발 중이다.

 

■ 파이로프로세싱

사용후 핵연료를 다시 원전 연료로 쓸 수 있게 하는 기술이다. 사용후 핵연료의 부피를 20분의 1로 줄이면서, 소듐냉각고속로(SFR) 등 차세대 원자로의 연료로 탈바꿈한다. 한국 정부는 파이로프로세싱을 구현하기 위해 1997년부터 연구개발(R&D)을 해왔다.

■ 사용후 핵연료(폐연료봉)

원자력발전소에서 3~5년간 쓰고 남은 핵연료를 말한다. 강한 방사선과 고열을 방출하는 ‘고준위 핵폐기물’이다. 현재 국내 사용후 핵연료 임시저장시설이 포화 상태에 있어 영구적 폐기 또는 재활용하는 방안을 마련해야 한다는 지적이 커지고 있다.