핵연료 재처리

1 개요

사용이 끝난 핵연료를 녹인 후 쓸모있는 우라늄, 플루토늄을 뽑아내는 기술. 재처리를 통해 다시 연료를 얻을 수 있으므로 원자력을 수만 년까지 늘려줄 수 있는 기술이나 슬프게도 이 기술은 핵무기 제조에 필요한 기술이기도 하다. 양날의 검인 셈.

그렇다고 핵무기를 만드는데 재처리 기술이 꼭 필요한 것은 아니지만 이 기술로 우라늄과 특히 플루토늄을 얻을 수 있기에 이 기술 없이는 재료 문제 때문에 만들기가 좀 힘들다. 일단 2000년대 후반에 북한이 처음 만든 핵무기가 이 핵연료 재처리를 통해서 나온 것이다. 국제 사회의 견제를 받아가면서 소위 맨땅에 박치기 하는 식으로 만든[1]나라도 저걸 이용하려 했을 정도.

당연히 최초의 재처리는 최초로 핵무기를 만든 미국의 맨해튼 프로젝트에서 시작된다. 좀 복잡하게 설명하자면 농축우라늄 방식이 아닌 플루토늄 방식으로 핵무기를 만들려면 필요한 방법+플루토늄을 이용한 원자력 발전에도 필요한 방법이다.

현재 여러 국가에서 재처리를 시행하고 있는데 현재 재처리공장을 가동하고 있는 것으로 알려진 국가는 영국, 프랑스, 파키스탄, 러시아, 인도, 일본 등이다. 이건 밖으로 알려진 것들이지 실제로는 더 있을 수도 있다.

2 재처리 방법

핵연료 재처리엔 여러 방법이 있는데 대체로 PUREX(Plutonium - URanium EXtraction)가 많이 쓰인다. 현재 북한이 이 방법으로 방사화학실험실을 돌리고 있으며 또한 전세계 주요 재처리 공장들이 사용하는 방법이다. PUREX를 사용하면 순도 높은 우라늄과 플루토늄을 얻을 수 있다는 장점이 있으며 폐기물도 예전에 사용하던 방식인 인산-비스무트 방식보다 적다.

4세대 원자로 중에서 고속증식로는 플루토늄이 들어간 연료가 꼭 필요하기 때문[2]에 앞으로도 많은 수요가 예상되리라고 보고 대한민국에서도 현재 연구 중에 있다. 이는 한국의 재처리 전망에서 후술. 이것 외에도 CANDU형 원자로의 경우 일반 경수로의 사용 후 핵연료를 단순 공정 몇 개[3]를 거쳐서 바로 원자로 연료에 투입하는 DUPIC 계획도 있고 플루토늄을 핵연료에 섞어 원자로에 투입하는 것으로 효율을 높이는 플루써멀 계획도 있다. 다만 현재로써는 이러한 기술들이 다 현실에서 멀리 동떨어진 상황이라는 것이 문제인데... 이 또한 후술한다.

3 재처리의 장단점

3.1 장점

제한된 핵연료를 질릴 정도로 오래 재활용할 수 있다. 그리고 이게 있으면 핵무기도 어찌어찌 만들 수 있다. 아 싣는 건 별도고

이 외의 장점은 사실 현대에 이르러서는 사실상 의미가 사라졌는데 이는 단점에서 서술한다.

3.2 단점

사용후 핵연료를 재처리하는 것이므로 상당히 복잡한 공정을 거치게 된다. 또한 핵연료 뿐만이 아니라 이를 녹이기 위해 사용한 용매도 방사화하여 방사성 폐기물(그것도 고준위 폐기물)이 된다. 일반적으로 이것들은 유리화하여 하나의 뭉치로 만들어 보관하는데 핵붕괴를 일으키며 막대한 열을 일으키므로 끊임없이 냉각해줘야 한다. 더군다나 민간인이 접근하지 않도록 주로 지질적으로 안정된 지하 깊숙히 묻어야 하는데 이러한 부지를 선정하고 조성하는 것도 어렵다. 즉 돈이 매우매우 많이 깨진다는 소리다.[4]

장점 자체가 아직까지 크게 메리트가 없다는 점도 문제다. 우라늄은 천연 우라늄을 핵연료로 가공하는 것이 압도적으로 저렴하며 플루토늄은 핵연료 재처리 없이 만들긴 어렵지만 만들어봤자 쓸 데가 없다. 플루토늄을 사용하여 상용 원자로에서 발전을 하는 플루써멀 계획이 실제로 운용 단계까지 갔는데 이를일본에서 적용한 원자로가 후쿠시마 원자력 발전소라서(...) 망했어요.[5][6]이 외에 플루토늄을 효율적으로 써먹을 수 있는 방법으로는 고속증식로가 있지만 이 녀석은 지금 핵융합만큼이나 실현 가능성이 없는 상황. 핵무기를 만드는데 사용할 수도 있지만 지금 미국과 러시아는 핵무기를 감축하는 중이고 핵무기를 만들 생각이 없는 나라는? 덕분에 플루토늄은 사용할 곳도 없이 그냥 쌓이고만 있어서 이를 보관하기 위한 비용 또한 핵연료 재처리의 단점이라 말할 수 있다. 물론 프랑스는 여기서 제외... EDF는 2013년 AREVA로부터 4000개의 MOX 연료 집합체를 받기 시작했으며, 2017년까지 2개의 원자로에 더 MOX를 집어넣을 면허까지 얻어서(...)

3.3 한국의 경우

대한민국에서의 핵연료 재처리는 뜨거운 감자이다. 나트륨 냉각 고속증식로인 칼리머를 차세대 원자로중 하나로 연구 중인 대한민국 정부측에선 칼리머에 들어가는 플루토늄을 대한민국에 수도 없이 많은 원전에서 뽑고 싶어하는데 그걸 다른 나라에 맡기면 사용후 연료에서 나온 방사성 폐기물도 우리가 처리해야 하는 건 둘째치고라도[7] 수송 중 사고가 발생하면 재앙도 이런 재앙이 없기에 현재 여러 방법을 모색중이다.[8]

사실 재처리 기술 자체는 지금 당장은 있어봤자 사용후 핵연료 문제에 별 도움이 안 된다. 현재로서 플루토늄의 사용처는 핵무기 밖에 없기 때문. 재처리 기술의 필요성을 역설할 때 꼭 이 핵연료 저장소 포화 문제를 거론하다보니 재처리 기술 제한이 풀리는 순간 사용후 핵연료 보관 문제가 풀린다고 생각하는 사람들이 꽤 된다. 원자력공학이라 하는 분야 자체가 핵물리와 공학의 최종 결합체 같은 무시무시한 분야라 연구 난이도가 상당히 높은데, 때문에 플루토늄과 초우라늄의 지속적 연소에 대한 이론적 기반 자체도 완전히 정립되지 않은 상태다. 어찌 굴려볼만큼은 되긴 했는데... 때문에 플루토늄을 핵연료로 사용하는 고속증식로도 상용화 단계가 아니다보니 재처리해서 플루토늄 모아봤자 딱히 어디 쓸데도 없고 주변국들과 미국으로부터 "저거저거 나중에 콱 핵무기 만드는거 아냐?"하는 의심이나 받기 딱 좋다. 당장 핵연료를 재처리하고 있는 옆 일본만 봐도 그렇다. 우경화 문제가 진행되자 심심하면 일본이 핵무장을 할 것이라는 추측성 기사가 튀어나오고 있다. 그럼에도 이 기술이 필요한 이유는 플루토늄 같은 트랜스우라늄 원소들을 따로 뽑아내서 보관하면 진짜 쓸모없어서 그냥 어디 짱박아놓기만 하면 되는 고준위 폐기물(=핵분열 파편)의 양을 크게 줄일 수 있고[9], 미래 원자로로 각광받는 증식로의 개발에 플루토늄이 필요하기 때문이다. 저게 개발 완료되어 상용 발전소로 돌아갈 때는 말할 것도 없다. 우리나라의 경우, 님비라던지, 적당한 부지 선정과 시설의 설계, 실제 건설 등에 시간을 엄청나게 잡아먹을 것이 예상되기 때문에[10] 그냥 지금 있는거 싸그리 다 집어넣을건지, 아니면 재처리를 기다렸다가 초우라늄 뽑아내고 집어넣을건지를 빨리 결정해야 한다. 후술하겠지만 일단 허용된 파이로프로세싱의 연구도 완전 허용도, 금지도 아닌 애매하게 시작된데다, 파이로프로세싱을 진지하게 연구하고 있는 나라는 대한민국 밖에 없다 해도 틀리지 않기[11] 때문에 그냥 살았다고 만세삼창하기도 힘들다. 답이 없었던 과거보단 훨씬 진보한거긴 하지만.

현재 대한민국에선 한반도 비핵화 협정이나 미국을 포함한 국제 사회의 핵확산 문제에 대한 눈치를 감안하여 재처리 기술이란 말을 쏙 빼고 파이로프로세싱이란 새로운 기술을 밀고 있는데 PUREX에선 핵연료를 다른 산성용제에 녹혀서 이온교환으로 재처리를 하는데 비해 파이로프로세싱은 전기를 이용해 핵연료를 녹여 알루미늄 제련과 비슷한 과정을 사용하고 이온교환 수지를 사용하지 않아 방사성 폐기물 생성량이 적어진다. 파이로프로세싱의 경우 전기제련으로 뽑아내는 지라 건식 재처리라고 부르기도 한다. 이 방식으로 플루토늄을 뽑아낼 때 우라늄도 같이 달라붙어버린다. 이로 인해서 순도 높은 플루토늄을 뽑아내는 PUREX보다 핵 확산 위험이 적다고 볼 수 있으며 또한 임계질량이 높아 PUREX 공정보다 공장 크기를 확 줄일 수 있다는 점이 있다. 간단하게 말하자면 핵연료 정제공정? 그러나 이 공정은 금속 연료를 사용하는 원자로[12]를 개발할 때 꼭 필요한 물건이나 아직 PUREX처럼 대규모 플랜트로 만든 적이 없다. 우라늄+토륨을 녹인 용융염(보통 LiF-Be)을 연료로 사용하는 용융염 원자로의 경우엔 이놈이 붙박이로 붙어있다. 단, 이 원자로의 경우는 특이한 케이스.

당연히 핵에 대한 것이라면 심한 알러지를 일으키는 미국과 IAEA가 태클을 걸고 있다. 오픈토리가 있었을 때 파이로프로세싱이 나트륨 냉각로와 실과 바늘이라고 하는데 그럼 일본과 프랑스, 러시아에선 나트륨 냉각로가 없었나? 현재 플루토늄을 PUREX라든가 다른 방법으로 추출하는 일본에선 몬쥬라는 나트륨 방식의 고속 증식로가 있고[13] 프랑스에선 슈퍼피닉스 고속증식로가 잠시 가동하다가 운전중단했다.

어쨌든 빨리 결론을 내리지 않으면 곤란한 게 늦어도 2017년에 고준위 방사능 폐기물 저장공간이 포화상태에 이른다. 빨리 준비하지 않으면 망했어요를 외치게 될 것이다.

2013년 1월 16일 박근혜 대통령 당선인이 미국 대표단에게 사용후 핵연료 재처리 허용을 위한 한미 원자력 협정 개정을 공식 요청했다. 그동안 지지부진했던 핵연료 재처리 문제의 개선에 차기 대통령이 직접 나선 만큼 귀추가 주목된다. 박근혜 당선인, 美에 '核연료 재처리 논의' 요청 하지만 역시나 미국이 퇴짜 놨다. 무슨 일이 있더라도 오바마 정권 기간에서는 인정해 줄 수 없다는 입장만 재확인했을 뿐. 망했어요 그러나 연구 목적 한정의 제한적 허용이 승인되었다. 이전에 비하면 엄청난 변화.#

그리고 2015년 4월 22일, 원자력 협정이 개정되었다. # 전 문서에 쓰여있었던 것처럼 핵잠수함 같은 건 여전히 못 만든다. 하지만 애초에 핵연료 재처리는 위에서도 설명했듯이 무기를 만들려는 목적이 아니다. 협정 개정으로 이젠 미국산 핵물질을 제3세계에 허락을 받지 않아도 자유롭게 수출할 수 있고, 무엇보다 재처리를 원천 금지한 골든 스탠다드 표기도 사라졌다. 오바마 행정부는 지금 연구중인 파이로프로세싱의 개발이 막바지에 다르는 2021년에 연구결과에 따라 한국의 재처리가 허용될 수 있다. 협정 개정 이전까진 파이로 연구고 뭐고 그딴 거 없다

한국원자력연구원에서 2013년 5월까지 파이로프로세싱 기술을 시험하는 시설인 프라이드(PRIDE)를 완공할 것이라고 밝혔다. 실제 파이로프로세싱 공정의 수십 분의 1 규모로 실험하는 시설로 연간 10톤 정도를 처리할 수 있다. 연구가 원활히 진행되면 2025년에 종합 파이로프로세싱 시설을 준공할 수 있을 것이라고 한다. #

3.4 전망

핵확산을 이유로 상업적 핵연료 재처리를 하지 않아온 미국[14]도 슬슬 상업적 핵연료 재처리 시설을 건설하려고 하는데 후쿠시마 원자력 발전소 사고로 인해 망했어요.

2013년 7월 13일, 중국에서 시민들의 여론에 못 이겨 핵연료 생산 공장 건설을 중지했다. 후쿠시마 원전 사고 때문에 반대여론이 매우 높아졌기 때문이라고 한다.

4 주권 침해?

일부 한국의 핵연료 재처리 제한이 주권 침해라고 주장하는 사람들은 "왜 우리가 원자력 맘대로 하겠다는데 방해냐" "일본은 재처리 할 수 있는데 왜 우린 안되냐"같은 말을 하는데 이건 전후 한국의 원자력 도입사를 모르고 하는 소리다. 원자력 항목에 나와있듯이 우리나라의 원자력 기술력은 미국에서 도입했으며 그 조건으로 재처리 금지조약을 채결한거다. 당연히 원자력을 도입하던 그 시기는 냉전시대였고, 더군다나 한국은 군사독재시절이였기에 여러가지 제약이 걸릴 수 밖에 없었다. 그리고 애초에 미국은 원자력에 대해서 엄격했다. 그나마 원자력 수출을 먼저 제안한건 미국이였고 아이젠하워 대통령의 공약 때문에 가능했지, 만약 그때 도입하지 않았으면 한국의 원자력 도입사는 10년은 더 걸렸을테고 인프라 개발도 시간이 더 오래걸렸을 것이다. 그럼 경제개발에도 영향이 끼칠테니...

또한, 일본과 차별하냐는건 일본은 자체 개발로 원자력을 도입했다. 더 이상의 자세한 설명은 생략한다. 그런데도 일본은 미국과 원자력 협정을 체결했다 (...) 정확하겐 핵무기 제조 금지에 대한 것이지만,

5 잘 알려진 재처리 공장들

  1. ↑ 첫 핵실험 당시 시점에서도 개발사는 이미 몇 십년 됐지만
  2. ↑ 플루토늄은 고속중성자를 먹어서 효율이 더 좋은데 우라늄은 고속중성자를 못 먹으니까 어쩔 수 없이 감속재가 필요해진다. 물론 이로 인해서 효율도 줄어들고... 그래서 고속반응로의 경우 아예 천연우라늄을 병풍으로 삼아 플루토늄을 생산해 낸다. 이런 병풍을 가리켜 블랭킷 연료라고 부른다.
  3. ↑ 기본 핵연료를 뜯고 CANDU 연료봉에 맞게 재소결.
  4. ↑ 물론 방사성 폐기물의 보관 자체는 일반 방사성 폐기물도 마찬가지지만 저준위도 아니고 고준위 폐기물이 매우 많이 발생한다는 점이 문제다. 가뜩이나 원래 핵연료 자리도 없는데
  5. ↑ 물론 후쿠시마 원자력 발전소 사고는 사후처리가 인재인 것이지 사고 자체는 천재지변에 의한 것이며 플루써멀 계획은 사고 자체랑은 아무 관련이 없다. 하지만 여론을 신경 쓰지 않을 수 없는 정부가 후쿠시마 원자력 발전소와 같은 원료를 사용하겠다고 쉽게 말할 수 있을까?
  6. ↑ 물론 일본 정부는 아직 포기하지는 않은 모양이다. 이런 식. 실제로 MOX 원료가 사고의 직접적 원인도 아니고 MOX 제조 공장을 지어버린 이상 본전은 뽑아야 하니까.
  7. ↑ 예전에 셀라필드 원자력 단지에서는 그런 폐기물까지 처리해줬으나 자기들도 이런 것에 골치 아파서 연료는 처리해줄 테니 대신 나오는 쓰레기는 가져가라고 한다. 물론 일본도 마찬가지.
  8. ↑ 물론 이미 원자력 발전소의 원료를 수입해오고 있기는 하지만 농축 우라늄보다 비교할 수 없을 정도로 독한 물건이 사용후 핵연료다.
  9. ↑ 거의 퍼센테이지로 한자릿수로 떨어진다. 이는 연료의 동위원소 비율을 보면 이유를 알 수 있는데, 핵연료에 포함된 핵분열성 원소인 U-235는 많으면 5%, 적으면 0.7%까지 떨어지는데다 그마저도 연료봉 안전성 때문에 전부 태우지 않고 중간에 빼기 때문에 U-238의 고속 중성자 핵분열이나 플루토늄 핵분열을 포함해도 재처리 후 남게 되는 핵분열 파편 수는 매우 적어진다. 반대로 재처리로 뽑혀나오는 트랜스우라늄은 핵연료의 대부분을 차지하는 U-238에서 기인하기 때문에 재처리가 되지 않은 사용후 핵연료에는 초우라늄만 득실거릴 수밖에.
  10. ↑ 고준위 폐기물을 저장하는 기술은 전세계적으로도 완성되어 있지 않다. 상업적 지하 저장고의 실제 건설에 들어간 곳은 핀란드였나... 아마 그곳 한 곳밖에 없다. 미국의 경우 군사용 목적으로만 좀 굴리다가 말았던 전적이 있다.
  11. ↑ 파이로프로세싱 자체는 외국에서 온 개념이지만, 습식이 자리를 잡아서인지 정작 미국 같은 핵강국에서는 그다지 관심을 갖고 있지 않다. 실제로 파이로프로세싱의 정치적 장점 중 하나인 순수한 플루토늄을 분리할 수 없어 핵확산을 방지한다는 점이 기술적으로는 단점이 된다. 이렇게 뽑혀나온 초우라늄 혼합물을 가지고 연료봉 만들기가 되게 어렵다고.
  12. ↑ 일반적인 원자로의 우라늄은 세라믹 산화물 형태이다.
  13. ↑ 90년대 중반에 금속 나트륨 유출 사고가 터져 14년 동안 가동 중단했다가 2010년 5월에 가동 재개. 근데 지진 때문에 또 시끌시끌하다가 2013년 5월 15일에 가동재개를 위한 준비작업을 정지하라는 명령이 내려진다. 그러나 아직도 폐쇄명령은 내려지지 않았다. 참고로 금속 나트륨은 물 한 방울 닿아도 폭발을 하는 위험성 높은 물질이다. 나트륨 항목과 알칼리 금속 항목 참조.
  14. ↑ 1970년대부터 사용후 핵연료=쓰레기로 보고 영구 처분해버렸다.