사용후핵연료 관리에 관한 파이로프로세싱 - 고속로의 역할 제 2 차 사용후핵연료 해외전문가 초청포럼 사용후핵연료 공론화위원회 Yoon Il Chang 미국 알곤국립연구소

2 원자력 에너지의 선구자, 미 알곤국립연구소  엔리코 페르미와 연구팀이 1942 년 12 월 2 일 시카고 파일 -1(CP-1) 에서 최초로 통제된 연쇄 핵반응 성공  엔리코 페르미가 1994 년 고속원자 로 개념을 최초로 도입하고 월터 진 이 1946 년 개념설계 완성함  1951 년 가동을 시작한 실험용 증식 로 -I(EBR-I) 는 원자력에너지를 이용 해 최초로 전기를 생산하였으며, 1953 년 증식이론을 실증함

3 실험용 증식로 -II (EBR-II)  1964 년 가동을 시작하였으며, 1965 년부터 1969 년까지 파이로 프로세싱을 기반으로 순환형 핵연료주기를 실증하였음 알곤 - 서부 시설은 현재 아이다호 국립연구소로 합병됨

4 일체형 고속로 (Integral Fast Reactor, IFR)  알곤 국립연구소 ( ) 에서 차세대 원 자로 개념으로 개발하였음  주요 특징과 개발 이유 – 현재 상업용 원자로에 비해 우라늄 원료 활 용도를 100 배 향상시킴으로써, 원자력을 무 한한 에너지 공급원으로 만듬 – 고유한 수동형 안전성이 실증됨 – 핵폐기물의 방사성위험 기간을 30 만년에 서 300 년으로 축소시킴 – 파이로프로세싱을 기반으로한 핵확산 방지 및 경제적 순환형 핵연료주기 실현

5 일체형 고속로 (IFR) 란 ? 현 세대 경수로차세대 IFR 현 세대 대비 IFR 의 주요 특징 냉각재물액상나트륨비가압식 중성자 에너지 범위 열중성자 (<1 eV) 고속중성자 (>100 keV) 악티나이드 원소 변환 가능 연료 형태산화물금속수동형 안전성 핵연료 처리방식습식 재처리파이로프로세싱 폐기물 문제 해결, 핵비확산 증진, 경제성 향상

6 IFR 의 고유 안전성  IFR 의 고유 수동형 안전성은 1986 년 4 월 EBR-II 에서 수행된 기념비적인 실 험을 통하여 실증되었음. 원자로 운 전자의 별다른 조치나 특별한 안전시 스템이 없이도, 다음과 같은 두 경우 의 심각한 사고 초기 상태에서 원자로 가 스스로 운전 정지 되었음 – 최대 출력 상황에서 비정상 냉각 재 상실사고 – 최대 출력 상황에서 비정상 열제 거장비 상실사고

7 고유 수동형 안전성 주요 특징  높은 나트륨 냉각재의 비등점 (881 ℃ ) 에 따른 충분한 온 도 여유도 확보  급격한 열적 변화를 수용할 수 있는 냉각재 풀 설계  금속 연료는 열전달이 잘되기 때문에, 연료 온도를 낮게 유지할 수 있으며, 이에 따라 도플러 반응도를 낮게 유지 할 수 있음  따라서, 금속 연료를 사용하는 나트륨 냉각 고속로 (SFR) 는 고유 수동형 안전성을 내재적으로 갖고 있음

8 파이로프로세싱 적용 금속 핵연료

9 500 ℃ 에서 염화물 생성 자유에너지, -kcal/g-eqCl 염 잔류 성분 ( 매우 안정한 염화물 ) 전기화학적 처리가능 한 성분 금속으로 남는 성분 ( 덜 안정한 염화물 )

10 파이로프로세싱은 경제적인 순환형 연료주기 및 고유 핵확산 저항성을 제공 파이로프로세싱 습식 재처리

11 자본비 비교 ( 백만 달러 ) 1400MWe 규모 고속로의 핵연료주기 설비 파이로프로세싱습식 재처리 규모 및 원자재 건설 부피, ft 3 공정 셀 부피, ft 3 고밀도 콘크리트, cy 정상 밀도 콘크리트, cy 852,500 41, ,970 5,314, ,300 3, ,000 자본비용, 백만 달러 설비 및 건설 설비 시스템 비상 대책 합계

12 핵무기 전용성 비교 무기급 플루토늄 원자로급 플루토늄 IFR 급 악티늄원소 제조 낮은 연소도 퓨렉스 공정 높은 연소도 퓨렉스 공정 고속로 파이로프로세스 구성 순수 플루토늄 94% Pu-239 순수 플루토늄 65% 핵분열성 플루 토늄 플루토늄 + 마이너 악티나이드 + 우라늄 50% 핵분열성 플루 토늄 화력 w/kg 2 – 35 – 자발중성자, n/s/g ,000 감마방사선 r/hr at ½ m

13 IFR 의 핵비확산성 측면  핵확산 방지는 제도적, 정치적 과정에 좌우된다.  IEAL 연구 결과에 따르면 “IFR 의 개발과 시험이 핵확산 방지와 관련해 미국의 이해관계를 해칠 것이라는 우려는 전혀 근거가 없으며 어느 정 도의 핵확산 방지 효과가 발생할 것이라는 결론을 도출할 상당한 근거 가 있다.” – 전해정련 방식으로는 순수 플루토늄을 분리할 수 없다. – 생산물을 핵무기에 직접 사용할 수 없다. – 아르곤 기체 환경의 핫셀에 접근할 수 없으며 물리적인 보안방안을 마련하기가 쉽다. – 단계별 계량관리로 견고한 안전조치가 가능하다. – 에너지 생성과 동시에 증가하는 플루토늄의 양을 줄일 수 있다.

14 폐기물 관리 결과 LWR 사용후핵연료의 방사능 독성 시간 ( 년 ) 상대적 방사선학적 위험도 초우란 핵종 ( 악티나이드 ) 자연 우라늄 광 현재 폐기물 IFR 폐기물 핵분열 생성물

15 EPA 의 누적 방출 제한치 대비 LWR 사용후핵연료 방사능 수치 방사성 핵종 10 년 후 방사능 천년 후 방사능 만년 후 방사능

16 처분장 장기 누출 시간 ( 년 ) 연간 피폭량 (mrem/yr) 단기 기준 장기 기준

17 악티늄원소를 제거를 통해 동일 처분 공간 에 5~10 배 많은 사용후핵연료의 처분이 가 능함

18 사용후핵연료 관리에 관한 주요 결론  3 가지 접근법 ( 방사능 독성, EPA 기준, 처분장 성능 평가 ) 모두 악티늄 원소를 1 / 500~1,000 로 감소 ( 또는 99.5~99.9% 제거 ) 시키는 것이 장 기 핵폐기물 처분에 필수적. – 처분장 요건은 방사선원 없이 선험적인 기준에 만족시킬 수 있다. – 우리는 미래 세대에게 방사능 핵폐기물을 물려주지 않을 책임이 있다. – 사용후핵연료는 최적의 폐기물 형태가 아니며 악티늄원소를 제거 하는 것이 기술적으로 최선의 선택이다.  그러나 두 가지 의문이 제기될 수 있다. – 적용성 및 경제성 측면에서 사용 가능한 기술을 보유하고 있나 ? – 사용후핵연료에서 회수한 악티늄원소를 변환시킬 수 있나 ?

19 습식 재처리 및 LWR 에서 MOX 재활용은 방사능 독성 감소에 아무런 효과가 없다. 시간 ( 년 )

20 악티늄원소 분리를 위한 선진 습식 재처리  일본은 1988 년부터 2000 년까지 악티늄원소와 핵분열물질에서 추가 이득을 얻기 위한 방안 (Options for Making Extra Gains from Actinides and fission products, OMEGA) 프로그램을 도입.  프랑스는 15 년 동안 3 가지 연구개발을 위해 1991 년 특별법을 제정. – 핵종 분리 및 변환 – 지층 처분 실험실 – 저장과 운반  프랑스는 이후 2006 년 특별법을 제정하고, 2007 년 초기계획을 설립해 3 년마다 갱신하기로 결정. – 2020 년까지 고속 원형로를 통한 핵종 분리 및 변환 (ASTRID 프로 젝트 ) – 2025 년에 조업 개시되는 회수 가능한 지층 처분장 – 2015 년까지 중간 저장

21 초기 EBR-II FCF 시설은 전해정련 기반의 파이로프로세싱 시스템으로 개조함

22 모든 악티늄원소는 파이로프로세싱 내의 단일 공정에서 함께 회수됨

23 공학 규모의 장비 실증 전해정련음극 처리장치금속폐기물 용융로

24 공학 규모의 파이로프로세싱은 EBR-II 사용후핵연료를 대상으로 성공적으로 실증 됨

25 일본과 파이로프로세싱에 관한 공동 연구 수행  전력산업중앙연구소 (Central Research Institute of Electric Power industry, CRIEPI) 는 1986 년 7 월 ANL-W 을 방문하고 1987 년 1 월 케이단 렌홀에서 IFR 심포지엄을 개최.  CRIEPI 와의 공동연구 : 1989 년 7 월 2 천만 달러 비용 분담.  CRIEPI 와 일본 원자력발전 (Atomic Power Company) 이 공동으로 전력 기업연합 (Federation of Electric Power Companies, FEPC) 을 대표 : 1992 년 10 월 2 천만 달러 추가 비용 분담  도쿄, 간사이, 추부 지역의 전력 회사 : 1992 년 7 월 LWR 타당성 연구를 위 해 6 백만 달러 비용 분담 서명  PNC(JAEA 의 전신 ): 1994 년 2 월 6 천만 달러 비용 분담 프로그램에 합의 했으나 DOE 가 취소  이러한 협력 프로그램은 IRF 프로그램이 끝난 1994 년 10 월에 종료

26 LWR 사용후핵연료를 위한 파일롯 규모 (100 T/yr) 의 파이로프로세싱 시설  LWR 사용후핵연료의 파이로프로세싱을 위해 산화물연료의 금속전환과 배 치 크기의 확대가 필요함  기술 타당성이 확인되어 현재 ANL 은 세부 장비와 자본비 및 운영비 추산을 위한 파이로프로세싱 개념설계를 개발중  비용 추정치가 합리적이면 파일롯 규모의 사용후핵연료 관리용 실증을 시도 할 수 있음

27 악티늄원소 연소  처분될 사용후핵연료로부터 일단 악티늄원소를 제거하면, 이들 회수된 물질은 폐기물의 수명을 짧게 하는 효과를 얻기 위해 연소 ( 또는 변환 ) 해야 한다.  LWR 열중성자는 악티늄원소를 연소하는 데 비효과적이다.  고속로에서만 악티늄원소를 효율적으로 연소시킬 수 있으며, 동시에 에 너지를 생산한다.

28 변환 확률 (%) 핵종열중성자고속중성자

29 열중성자 조건에서 악티늄원소의 변환 ( 플루토늄 재활용은 전형적으로 단일 경로로 진행되어 마이너 악티늄 원소 (Np, Am, Cm) 로 변환되지 않음 )

30 IFR 를 통해 악티늄원소 재활용이 쉽다  사출 주조로 핵연료를 제조하는 것은 아주 간단하며 원격조작도 간단 : 약 35,000 개의 EBR-II 연료 핀이 1965~69 년까지 평균 45 일의 회전 시 간을 두고 최대 5 회까지 재활용됨.  마이너 악티늄원소 (1.2% Am, 1.3% Np) 를 포함하는 3 개의 전장 핀이 성 공적으로 제조되어 원자로가 폐쇄되 기 전까지 EBR-II 에서 연소도 6% 로 조사됨.

31 해외 현황  자주 하는 질문 : “IFR 이 그렇게 대단하면 왜 프랑스, 일본과 다른 국가들 이 아직까지 기술을 도입하지 않는가 ?”  이들 국가는 수백억 달러를 인프라에 투자하여 바꿀 마음이 없음. “ 우리는 말을 타고 강 한 가운데에 있다. 함께 가라앉거나 수영해 나갈 수 밖에 없다. 중간에서 말을 바꿀 수는 없다.”  그러나 인도와 중국은 미래에 IFR 을 도입하여 적극적으로 프로그램을 개 발할 예정임.

32 한국 현황  KAERI 는 전통적인 기술에 대해 인프라를 가지고 있지 않으므로 KAERI 는 초기부터 IFR 기술을 선 택함.  금속 핵연료 기반 제 4 세대형 원형로형 나트륨 냉 각 고속로 (Prototype Generation-IV Sodium- cooled Fast Reactor, PGSFR) 사업이 알곤국립 연구소와의 협력 하에 진행되고 있음.  공학규모로 모의 사용후핵연료를 사용하여 파이 로프로세싱을 실증하는 PRIDE ( 파이로프로세싱 일관공정 시험시설, PyRoprocessing Integrated inactive DEmonstration facility) 가 건설되었음

33 요약  지속적으로 원자력 에너지를 개발하는데 있어 가장 핵심이 되는 것이 적 절한 핵폐기물 관리임. 반세기가 넘도록 후행핵연료주기에 대한 명확한 해법 없이 원자력 에너지를 이용해왔음. 비유하자면, – “ 화장실 없이 집 짓기 !” – “ 착륙 장치 없이 이륙한 비행기 !”  한국은 발전 및 해외수출 측면에서 원자력 주도국이 됨. 따라서 후행 핵 연료주기에 대한 장기비전 및 계획에 주도적인 역할을 해야 함.  임시 저장 방식은 단기적으로는 필수적이지만 장기적인 목표를 설정해 꾸준히 추진해야 하며 이를 더 우선적을 해야 함 “ 어디로 갈지 모른다면 아무데서나 멈추게 될 것이다.” -- 요기 베라  장기적인 목표는 차세대 원자로를 포함하여 체계적인 접근 방식으로 개발되어야 함