핵연료

1 개요

Nuclear Fuel

원자력을 일으키기 위해 꼭 필요한 연료, 그렇지만 최고의 골칫덩이 자식.

원자로에서 에너지를 만들어내기 위해선 무조건 연료가 필요한데, 여기에 필요한 놈이 핵연료이다. 앞에건 넓은 뜻의 핵연료를 말하는 것이고, 좁은 뜻으로는 일반 핵분열 원자로에 박아넣는 우라늄/플루토늄/토륨을 가리키는 말이다.

핵연료는 무거운 원소가 포함되어 있어, 이 원소가 핵분열로 인한 연쇄 반응으로 인해서 에너지를 발생시키게 된다. 대다수의 핵연료는 U-235(3.5%), U-238(96.5%)가 섞인 것이 주로 사용되는데, 이 핵연료의 뺑뺑이를 가리켜 핵연료 주기라고 부른다.

또한 많지는 않지만 Pu²³⁹가 들어간 핵연료도 쓰이고 있다.

2 핵연료 주기

핵연료 주기, 혹은 핵연료 사이클은 어찌보면 연료봉의 일대기라고 부를수 있다. 실제로 불에 타는 것이 아니고, 여러가지 공정들을 거쳐야 되기에 공장들이 꽤 많다. 대체적으로 핵연료 주기는 프론트엔드, 서비스, 백엔드 단계를 거치게 된다. 보통 백엔드 단계의 재처리를 거치지 않으면 열린 연료주기라고 부르고, 재처리를 거치게 되면 닫힌 연료주기라고 부른다.

2.1 프론트엔드

이 과정에선 우라늄을 캐낸후에 가공하여 핵연료로 만드는 공정을 말하는 단어이다. 먼저 우라늄은 원위치용액채광법이라는 최신 기술을 이용하여 채굴하는데, 간단하게 말해서 그냥 빨대다. 빨대에다가 광석을 녹이는 산을 집어넣은후에 저 아래있는 빨대로 광석을 우린다음에 다시 광석으로 되돌려놓는 방식이다. 이렇게 광석으로 되돌린다음에는 제련을 하게 된다.

순간 케이크인줄 알았다
제련을 하게 되면, 저렇게 노란 가루로 바뀌게 되는데, 저걸 정광 혹은 옐로케이크라고 부른다. 분자식은 U₃O₈. 이 상태로 전세계 시장에 팔리게 된다. 절대 광석째 팔지 않는다!

그런후에 경수로에 들어갈 연료는 필수적인 공정인 농축을 하게 된다.(중수로에서는 농축이 필요 없음) 먼저 저놈을 기체 6불화 우라늄(UF₆)으로 전환시킨후에 재처리 공장에서 기체확산법을 통해 분리하거나, 원심분리기를 통해 농축하게 되는데(소수지만 레이저를 이용한 분리도 있음), 여기서 떨어져나간 잉여 우라늄238을 가리켜 열화우라늄이라고 부른다. 농축 공정에는 몇가지 종류가 있는데, 미국과 영국등의 국가는 기체확산법이라고 작은 구멍뚫린 판에 가스를 여러번 통과시켜 U²³⁵ 를 뽑아내고, 일본에서는 원심분리기 법이라고 원심분리기에 우라늄 가스를 집어넣어 뺑뺑이 돌려서 U²³⁵ 를 뽑아낸다.

그후에 이 UF₆을 다시 고체로 전환후 사진에서 보이는 자그마한 세라믹형태의 실린더형 덩어리로 만드는데, 이것을 펠릿이라고 부른다. 월성에 쓰이는 CANDU같은 천연 우라늄을 사용하는 경우 옐로케이크에서 바로 이걸로 변환시켜 사용하기도 한다. 그런후 이 펠릿을 지르코늄 합금같은 녹안슬고 단단한 금속에 집어넣고 주위를 헬륨으로 감싼후에 용접해주면 연료봉이라고 부르는 놈이 만들어진다. 이 연료봉을 14X14나 17X17개를 묶어서 연료 집합체를 만드는데, 보통 원자로에 이런 것들이 최소 140개에서 많게는 300개 가까이 들어간다.

2.2 서비스 단계

이렇게 만들어낸 핵연료를 원자로에다 장전한다.

2.3 벡엔드 단계

원자로에서 다 쓴 연료봉을 처리하는 단계로, 3가지방법이 있다.

하나는 그냥 원자력 발전소내에 짱박아 넣는 임시보관인데, 붕소를 푹 탄 물에다가 담가두거나 건조저장설비에 짱 박아둔다... 물론 여기가 다차면 다음 단계로 보내버린다.

두번째론 핵연료 재처리가 있다. 요새 들리는 MOX라는 연료를 만드는데 사용되는데, 이 MOX란 놈은 혼합산화물이란 놈으로 플루토늄과 열화우라늄을 섞은 연료다. 혹은 이놈에서 아직 연소되지 않은 우라늄을 추출해서 다시 프론트엔드 단계로 보내버리기도 한다.

맨 마지막으론 처분장에 짱박아버리는 건데, 여기에 대한건 방사성 폐기물항목을 보기 바란다.

2.4 대한민국에서의 핵연료 주기

자랑은 아니지만 원자력 발전소 강국인 대한민국에선 핵무기를 만들 위험이 있기에 옐로케이크를 질렀다 이걸 다른 국가에 맡겨 농축을 한후 다시 들여와 성형/가공한 후에 원자로에서 쓴 후에 보관실에 짱박아둔다. 그러나 주위 국가들은 정광을 수입만 한다 뿐이지(이것도 일본만), 다 닫힌 연료주기를 시전하고 있는 추세이다. 이에 열받은 한국은 파이로프로세싱이란 재처리 기술을 재처리란 단어를 빼버리고 도입하려고 추진중이나, 핵이라면 자다가도 벌떡 일어나는 우리 미국 큰형님 땜시 도입하기도 힘들다.