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골칫덩어리 방사성폐기물

[기사] 일반취재 /기술-산업-정책 2018.09.16 15:00 Posted by R.E.F. 14기 김준호

골칫덩어리 방사성폐기물

 

현재 우리나라에서는 24개의 원자력 발전소가 가동 중이며, 전체 발전량의 약 30%를 차지하고 있다. 다시 말해, 우리나라의 에너지 발전에서 상당한 부분으로 차지하고 있다. 그리고 지금 원자력 발전소를 추가적으로 건설 중이다. 하지만 과거에서부터 원자력 발전소의 사고가 발생함으로써 국내에서도 이에 대한 관심도가 높아지고 있다. 또한 원자력 발전소는 방사성폐기물이라는 애를 먹이는 물질이 배출된다. 이 방사성 폐기물 중에서 특히 관심을 가져야할 고준위 방사성폐기물에 대하여 알아보고, 이 물질에 대한 처리와 처분하는 방법에 대하여 알아보자.

그림 1. 2018 한눈에 보는 대한민국 원자력 발전소 현황

출처 : 매일경제

먼저 방사성폐기물이란 무엇일까? 방사성폐기물은 핵에너지를 사용하는 과정에서 발생하는 불필요한 방사성물질이다. 이러한 방사성폐기물들은 원자력발전을 통해 버려지는 냉각수, 냉각가스나 유체 뿐만 아니라 다양한 영역에서 배출된다. 방사성 물질을 다루는 작업장이나, 실험실에서 나오는 폐기물, 실험이나 작업장에서 쓰이는 공구가 헝겊, 종이, 세척수 등 많은 것들이 방사성 폐기물로 여겨진다.

이렇게 버려지는 폐기물들은 기준을 가지고 나뉘어진다. 원자력발전에 이용되는 핵연료를 제외하고 원자력발전소에서 사용한 장갑, 걸레와 같은 쓰레기류나 x, 감마선 촬영에 쓰이는 의학 도구를 등 자잘한 물질들은 저/중준위 방사성폐기물로 간주한다. 이러한 방사성폐기물들은 노란색 드럼통에 특정 마크가 붙여진 채로 처리된다. 이는 방사능의 정도를 심사하고 폐기되며 현재 경주 방폐장에서 저/중준위 방사성폐기물들을 처리하고 있다.

고준위 방사성폐기물은 우리나라에서는 원자력발전소의 사용후 핵연료가 유일하다. 사용후 핵연료는 방사능의 내뿜는 양이 약 95%를 차지할 정도로 방사능이 매우 강하다. 따라서 고준위 방사성폐기물의 처분방법은 /중준위 방사성폐기물과 다르게 한다. 최종적인 처분방법은 이 방사성폐기물을 고체화시켜 지하 깊은 곳으로 안정적으로 영구처분하는 것이다.

고준위 방사성폐기물의 방사성핵종 종류에는 특히 스트론튬과 세슘, 요오드가 있다. 반감기가 짧은 방사성요오드(8)의 흡입과 섭취로 인하여 아이들에게 영향을 미치는데 이 물질은 갑상선에 먼저 침착된다. 예시로 체르노빌 원전사고 때 방사성 요오드에 오염된 우유를 잘 대처하지 못하여 소아 또는 청소년기의 사람들에게서 갑상선암의 발생률이 크게 증가하였다고 한다. 그리고 30년과 2년이라는 긴 시간의 반감기를 가지고 있는 세슘-134와 세슘-137이 문제가 될 수 있다. 신경세포는 순환로를 따라서 생성된 곳에서 정착할 곳으로 이동을 하게 되는데(뉴런이동), 방사능이 신경계의 생성시에 신경세포 이동장애(neuronal migration disorders)를 야기하느냐에 대해서 논란이 있었다. 하지만 히로시마와 나가사키에 투하된 원자폭탄에 의해 자궁 내 8~15주의 피폭된 태아가 출생하면서 정신지체, 작은 두위, 간질, 학습능력 저하, 대뇌피질 형성이상을 보였다는 연구도 있었다. 성인이 10mGy의 방사선에 노출되게 되면 백혈병이나 각종 암이 발생률이 1.4배 증가하는 연구도 있었다.


그림 2. 방사성원소들이 인간에게 끼치는 영향

출처 : SBS

 

 그럼 엄청난 양이 방사능을 내뿜는 이 고준위 방사성폐기물을 어떻게 처리할까? 각 나라별로 살펴보자.

 

*미국

 미국은 매년 2000~2400톤이 사용후 핵연료가 발생하는 것으로 추정하고 있다. 이러한 추세가 지속될 경우 2050년까지 미국 내에서의 사용후 핵연료는 20만 톤에 달할 것으로 예상하고 있다. 또한 미국에서는 군사용 방사성폐기물과 고준위 방사성폐기물을 에너지부(DOE)가 저장관리하고 있다. 1982년에 발효된 미국이 방사성폐기물 정책법에 따르면 원전에서 발생하는 사용후 핵연료는 직접 영구처분하게 되어 있다. 미국에서 추진한 아카마운틴 1,2처분장의 경우 약 70000톤의 고준위 방사성폐기물을 처분할 수 있다고 판단하였다. 처분장의 저장용기 모식도는 그림 3과 같다. 하지만 예산의 삭감으로 인하여 처분장의 건설허가 신청을 철회하였지만, 새로운 트럼프 행정부는 이 사업을 다시 스타트하려고 한다고 말하였다.


그림 3. 아카마운틴 처분장의 저장용기 모식도

출처 : 대한토목학회

*핀란드

 핀란드는 비교적으로 일찍부터 고준위 방사성폐기물의 처분방법에 대해서 고민한 나라이다. 핀란드 정부는 1999년에 2기의 원자력발전소가 위치한 올킬루오토를 사용후핵연료 및 고준위 방사성폐기물 영구처분장 후보지로 선정하였고, 2001년에 확정되었다. 또한 이곳에 상세한 부지특성 조사를 위하여 온칼로(ONKALO) 시설의 건설 인허가가 이루어졌으며, 2020년까지 연구시설을 만들어 운영할 것을 목표로 하고 있다. 또한 방사성폐기물의 누출방지를 위해 화강안판을 사용하며 단단한 이 화강암에 경사터널을 뚫는 이 시설의 깊이는 지하 455m에 달한다.

 

그림 4. 핀란드 고준위 방사성폐기물 영구처분시설 개념도

출처 : 한겨레

*한국

 앞에서 언급하였듯이 우리나라에서 유일한 고준위 방사성폐기물은 사용후 핵연료이다. 월성 원자력발전소 1호기, 2호기, 3호기 및 4호기와 같은 중수로에는 일 평균 핵연료봉 14~16다발이, 그리고 우리나라 대부분이 원자력발전소의 형태인 경수로에서는 18개월 주기로 핵연료집합체를 교체한다. 이렇게 쌓이는 사용후 핵연료는 연간 700톤에 해당한다.

 현재 원전별 사용후 핵연료에 저장률은 대부분 포화상태로 가깝게 가고 있다. 고리원전 3호기와 4호기의 경우 전체 저장용량 중 약 95%가 저장되었고, 월성 3호기와 4호기 같은 경우 약 84%가 저장되어 있다.

 임시 저장시설을 늘리고 있지만, 단계적으로 포화시점인 2024년 아니면 더 일찍 다가올 수 있는 시점까지 사용후 핵연료 영구 처분시설의 마련이 시급하다.

 잘 알려져 있지 않지만 국내에서도 영구 처분시설의 연구가 진행되고 있다. 한국원자력연구원의 ‘지하처분 연구시설(KURT)’가 그장소이다. 이 시설은 한국원자력연구원의 부지 후면의 산에 위치하고 있으며, 연구모듈은 지표로부터 90m 깊이의 화강암반 내에 위치하고 있다. 김건영 한국원자력연구원 방사성폐기물처분연구부 책임연구원은 “지하터널 주위 암반은 화강암이 될 수 있고 다른 암반이 될 수도 있다. 확답할 수는 없다”고 설명했다. 우리나라 고준위 방사성폐기물 처분시스템은 다중 방벽(multi-barrier)이 개념을 도입하여 처분된 고준위 방사성폐기물로부터 방사성물질이 외부로 유출되는 것을 막아준다. 처분용기, 완충재, 뒷채움재로 구성된 공학적 방벽 시스템과 주위의 암반이 2중3중으로 방사성물질이 누출되는 것을 막아준다.

 

 기존의 우리나라는 우라늄 농축이 불가능하였고 또한 사용후 핵연료 재처리(사용후 핵연료 속에서 우라늄-238에서 변환된 플루토늄-239를 추출하는 과정)도 불가능하였으나 2015615일 개정된 한미 원자력 협정으로 우리나라는 20% 이하의 저농축 및 사용후 핵연료의 재처리가 가능해졌다. 이에 따라 우리나라 원자력연구원은 최근에 파이로 프로세싱(pyro-processing, 건식 정련)기술을 개발하는 사업에 착수하였다. 파이로 프로세싱은 사용후 핵연료에서 우라늄을 포함한 95% 이상의 물질을 재사용할 수 있고 처리할 폐기물의 방사능은 1000분의 1, 부피는 20분의 1로 줄일 수 있는 기술로써 한국원자력연구원은 2020년까지 모든 공정에 대한 검증을 마칠 계획이다. 또한 파이로 프로세싱을 거친 핵연료를 장전, 사용할 수 있는 차세대 원전인 소듐 냉각 고속로 또한 개발에 착수할 것이다. 따라서 이런 기술개발들이 성공적으로 완성된다면 우리나라 사용후 핵연료에 대한 처리와 처분 문제에 상당한 부분이 해결될 것이다.

 

 

참고자료

1. 안재홍, 김재영, 박중현, 방사성폐기물 처리 현황 및 관리 대책, 「대한토목학회지」, 제64권 제6호, 2016.

2. [기획] 원전 고준위 방사성폐기물처리 대책은? , 경남신문, 2015.05.06.

3. USA budgets $50 million for Yucca Mountain, wnn, 2018.02.13.

4. 『존켈리 美원자력학회장,”탈원전 정책에 원전수출을 한다는 것은 모순” 』, EPJ, 2018.07.13.





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