사용후핵연료 관리에 관한 파이로프로세싱 - 고속로의 역할 제 2 차 사용후핵연료 해외전문가 초청포럼 사용후핵연료 공론화위원회 2014. 07. 03 Yoon Il Chang 미국 알곤국립연구소.

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1 사용후핵연료 관리에 관한 파이로프로세싱 - 고속로의 역할 제 2 차 사용후핵연료 해외전문가 초청포럼 사용후핵연료 공론화위원회 2014. 07. 03 Yoon Il Chang 미국 알곤국립연구소

2 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 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 4 일체형 고속로 (Integral Fast Reactor, IFR)  알곤 국립연구소 (1984-1994) 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 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 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 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 8 파이로프로세싱 적용 금속 핵연료

9 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 10 파이로프로세싱은 경제적인 순환형 연료주기 및 고유 핵확산 저항성을 제공 파이로프로세싱 습식 재처리

11 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 41,260 133 7,970 5,314,000 424,300 3,000 35-40,000 자본비용, 백만 달러 설비 및 건설 설비 시스템 비상 대책 합계 65.2 31.0 24.0 120.2 186.0 311.0 124.2 621.2

12 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 – 1080 - 100 자발중성자, n/s/g 60200 300,000 감마방사선 r/hr at ½ m 0.2 200

13 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 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 15 EPA 의 누적 방출 제한치 대비 LWR 사용후핵연료 방사능 수치 방사성 핵종 10 년 후 방사능 천년 후 방사능 만년 후 방사능

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

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

18 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 19 습식 재처리 및 LWR 에서 MOX 재활용은 방사능 독성 감소에 아무런 효과가 없다. 시간 ( 년 )

20 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 21 초기 EBR-II FCF 시설은 전해정련 기반의 파이로프로세싱 시스템으로 개조함

22 22 모든 악티늄원소는 파이로프로세싱 내의 단일 공정에서 함께 회수됨

23 23 공학 규모의 장비 실증 전해정련음극 처리장치금속폐기물 용융로

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

25 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 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 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 28 변환 확률 (%) 핵종열중성자고속중성자

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

30 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 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 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 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