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1. 개요
Nuclear Fuel · 核燃料원자력 발전에서 핵분열 반응을 일으키기 위해 필요하다.
원자로에서 에너지(또는 열)를 만들기 위해서는 핵연료가 필요하다. 핵분열 반응에 이용되는 핵연료는 핵분열성 물질(fissile material)을 가리킨다. 대표적인 예는 우라늄-233, 우라늄-235, 플루토늄-239 이다. 자연계에는 우라늄-235만 존재한다. 우라늄-233은 토륨-232가 중성자를 흡수하고 붕괴되는 과정을 거쳐 생성된다. 플루토늄-239는 우라늄-238이 중성자를 흡수하고 붕괴되는 과정을 거쳐 생성된다. 핵분열성 물질을 만든 토륨-232와 우라늄-238을 핵원료성 물질(fertile material)이라고 한다. 핵분열성 물질과 핵원료성 물질을 통칭하여 핵분열가능 물질(fissionable material)이라고 한다.
우라늄-235에 열중성자(thermal neutron) 1개가 충돌하면 핵분열되면서 2개의 원자로 핵분열되고, 2 또는 3개의 고속중성자(fast neutron)를 생성한다. 원자력 발전은 핵분열 전의 우라늄-235와 열중성자 1개의 질량 합과 핵분열 후에 쪼개진 2개의 원소와 2 또는 3개의 고속중성자 질량 합의 차이를 이용한다. 핵분열 전의 질량 합이 핵분열 후의 질량 합보다 크다. 이때, 줄어진 질량만큼 에너지(또는 열)이 생긴다. 핵분열 1회당 발생하는 약 200 MeV의 열은 주변의 냉각재(물, 염, 또는 기체)의 온도를 증가시킨다. 또한, 고속중성자는 주변의 감속재에 의해 속도가 느려져 열중성자가 된다. 열중성자는 핵분열 반응에 다시 기여한다. 이를 연쇄반응(chain reaction)이라고 한다.[1]
자연계에서 채취한 천연우라늄에서 우라늄-235의 농도는 약 0.7%이고, 나머지 약 99.3%는 우라늄-238이다. 천연우라늄을 이용해 원자력 발전에 이용할 수 있다. 국내에 가동 중인 월성 중수로(hevvy water) 원자력발전소가 대표적인 예이다. 우라늄의 효율적인 쓰임을 위해 우라늄-235의 농도를 높이는 과정을 농축(enrichment)이라고 한다. 농축은 주로 원심분리기를 통한 질량차이를 이용하여서 고순도로 분리해낸다.[2] 농축을 통해 더 많은 우라늄-235를 원자력 발전에 이용하는 것이다. 국내 뿐만 아니라 전세계 대부분의 국가에서 가동 중인 경수로(light water) 원자력발전소는 우라늄-235가 약 3-4%로 농축된 핵연료를 사용한다. 한편, 농축에 쓰여 우라늄-235의 농도가 천연우라늄의 농도보다 낮아진 우라늄을 열화우라늄(depleted uranium)이라고 한다.
우라늄-235는 핵분열성 물질 중 하나이다. 다른 핵분열성 물질인 우라늄-233이나 플루토늄-239가 전부 혹은 일부 우라늄 섞인 핵연료가 과거에 개발되었고 현재도 개발 중이다.
우라늄 금속은 녹는점이 낮다. 또한, 고상에서도 3개의 상(phase)를 갖고 있어 상변태 시 부피 변화를 수반한다. 금속 우라늄을 핵연료에 이용하기 어려움이 있다. 우라늄은 이산화우라늄(uranium dioixde) 형태의 핵연료에 가공되어 이용된다.
우라늄은 산화물 형태의 핵연료 이외에 질화물(nitride)나 탄화물(carbide) 형태의 핵연료도 과거에 개발되었고 현재도 개발 중이다.
이산화우라늄은 통상적으로 펠렛(pellet) 형태로 가공된다. 미세구(microsphere), 용융염(molten salt) 등의 다양한 형태로 과거에 개발되었고 현재도 개발 중이다.
토륨은 우라늄에 비해 지구상에 약 3배 많다. 지역적인 편차도 없으며, 특히 우리나라에도 있다.
우라늄-235의 농축 정도에 따라 저농축우라늄(low enriched uranium, LEU)와 고농축우라늄(high enriched uranium)으로 구분된다. 우라늄-235의 농도가 5-20%을 저농축우라늄이라고 하고, 우라늄-235의 농도가 20% 이상을 고농축우라늄이라고 한다. 핵무기 제조에는 우라늄-235의 농도가 90% 이상이 필요하다.
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(선행핵주기)
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 집어넣은 후에 저 아래 있는 빨대로 광석을 우린 다음에 다시 광석으로 되돌려놓는 방식이다. 이렇게 광석으로 되돌린 다음에는 제련을 하게 된다.과산화 우라늄 혹은 옐로 케이크
제련을 하게 되면, 저렇게 노란 가루로 바뀌게 되는데, 저걸 정광 혹은 옐로케이크라고 부른다. 생김새와는 다르게 저걸 케이크인줄 알고 먹으면 죽는다.[3] 옐로케이크의 주요 우라늄 성분인 U238은 피부에 치명적이지 않은 알파선[4]을 배출한다. 단순히 노출된다고 해서 큰일이 발생하지는 않으나 저걸 흡입하게 되면 심각하게 피폭당한다. 분자식은 U3O8[5]. 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 235U 를 뽑아내고, 일본에서는 원심분리기 법이라고 원심분리기에 우라늄 가스를 집어넣어 뺑뺑이 돌려서 235U 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 경수로에서는 14X14(WH Type), 16X16(CE Type), 17X17(WH Type)개를 묶어서 연료 집합체를 만드는데, 보통 원자로에 이런 것들이 최소 140개에서 많게는 300개 가까이 들어간다. 중수로에서는 천연상태의 우라늄을 펠렛으로 만들어 흑연 도포가 되어있는 연료봉에 펠렛을 잠입, 연료다발로 제작한다.
2.2. 서비스 단계
이렇게 만들어낸 핵연료를 원자로에다 장전한다.2.3. 벡엔드 단계(후행 핵주기)
후행핵주기란 사용후 핵연료의 저장, 운반, 재처리 처분을 말한다. 원자로에서 다 쓴 연료봉을 처리하는 단계로, 3가지 방법이 있다.하나는 그냥 원자력 발전소내에(SFP, Spent Fuel Pond 또는 Spent Fuel Pool) 임시보관인데, 붕소를 탄 물에다가 푹 담가두거나 건조(건식)저장설비에 보관한다. 물론 여기가 다차면 다음 단계로 보내버린다.
두번째론 핵연료 재처리로, 사용후 핵연료로 MOX라는 연료를 만든다. MOX는 혼합산화물로 플루토늄과 열화우라늄을 섞은 연료다. 혹은 아직 연소되지 않은 우라늄을 추출해서 다시 프론트엔드 단계로 보내버리기도 한다.
맨 마지막으론 처분장에 영구 보관하는건데, 여기에 대한건 방사성 폐기물 항목을 보기 바란다.
2.4. 대한민국에서의 핵연료 주기
대한민국은 단기간에 핵무장을 할 수 있는 기술적, 재정적 역량이 충분한 국가다. 우라늄 농축과 플루토늄 추출 기술을 보유하고 있으며, 특히 레이저 우라늄 농축 기술은 세계가 괄목할 경지에 있다. 대한민국은 1974년에 개정된 한·미원자력협정과 1975년에 가입한 핵확산금지조약(NPT)에 따라 미국의 동의 없이는 핵의 재처리(닫힌 연료주기)와 농축을 할 수 없다.그래서 대한민국에서는 옐로케이크를 산 다음, 이걸 다른 국가에 맡겨 농축을 한후에 다시 들여와 성형/가공하여 원자로에서 사용하고 이걸 다 쓰게 되면 보관실에 영구보관해둔다. 이것을 열린 연료주기라 부르며 미국, 캐나다, 스웨덴, 핀란드, 스페인과 남아프리카 공화국, 대한민국 등이 시행하고 있다.
영국과 일본[6] 같은 몇몇 국가들은 정광을 사용하고 나서 핵연료를 재처리하고 있다. 이것을 닫힌 연료주기라 부르며 재처리를 하면 분열 생성물로 소수 악티니드 계열과 원자로에서 미처 다 연소되지 못한 우라늄, 플루토늄이 나오게 된다. 이렇게 얻어낸 우라늄, 플루토늄으로 단기간에 핵무기를 만들 수 있으므로, 핵연료 재처리를 하는 국가들은 핵을 보유하지 않았더라도 사실상 핵잠재력이 높은 핵무기 보유국으로 분류되기도 한다. 우리나라의 경우 고도의 원자력 기술을 갖고 있지만 닫힌 핵연료 주기를 시행하고 있지는 않으므로 준핵무기 보유국(quasi nuclear weapon state)으로 자주 언급된다.
대한민국은 땅덩어리가 좁으므로 열린 연료주기를 무한정으로 하기에는 어려움이 따른다. 1978년 첫 원전 가동을 시작한 이래로 사용후핵연료가 누적됨에 따라 국내의 사용후핵연료 저장시설이 포화의 위기에 놓였다. 국내에서는 아직까지 영구처분이나 재처리의 방향이 정해지지 않아 임시로 보관하는 중이다. 이에 대한 대안으로 파이로프로세싱이 떠오르고 있다.
파이로프로세싱(pyroprocessing)은 사용후핵연료를 재처리하는 방법 중 하나다. 사용후핵연료의 재처리는 습식과 건식으로 나뉘는데 파이로프로세싱의 경우는 건식 재처리 방법이다. 위에서 언급했듯이 대한민국은 1974년에 개정된 한·미원자력협정과 1975년에 가입한 핵확산금지조약(NPT)에 따라 미국의 동의 없이는 핵의 재처리와 농축을 할 수 없다. 따라서 핵무기의 재료인 순수한 플루토늄을 추출할 수 있는 습식 재처리 방식은 사실상 금지되어 있다. 따라서 대한민국은 액체금속으로 태우는 건식 재처리 방식인 파이로프로세싱을 도입하려 추진 중인 것이다.