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빠른 중성자로 핵연료 무한 이용


‘소듐냉각고속로(SFR)’는 경수로에서 나온 사용후핵연료를 파이로프로세싱으로 처리해 재활용하는 원자로로 2030년쯤 상용화될 제4세대 원전 중 하나다. 한국원자력연구원 고속로기술개발부 김영일 부장은 “SFR에서 사용후핵연료를 연료로 쓰면 앞으로 약 100년간 우라늄을 수입하지 않아도 된다”고 말했다.

SFR의 장점은 그것만이 아니다. 투입한 핵연료보다 많은 양을 원자로 내부에서 자체적으로 만들어 계속해서 핵분열을 시킬 수 있다. 또 사용후핵연료 중 반감기가 길고 독성이 강한 핵종을 분열시켜 안정된 핵종으로 만들거나 독성을 낮춘다. 연료의 활용을 높여 에너지를 지속적으로 공급하며 폐기물을 줄이는 친환경적 원자력발전 방식이다.







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△교육과학기술부 제공


● 고속중성자로 핵분열… 소듐으로 원자로 식혀


SFR는 경수로와 달리 냉각재로 액체 금속인 소듐(나트륨)을 사용한다. 물에 비해 무거운 액체금속을 냉각재로 쓰는 이유는 핵분열을 일으키는 중성자가 고속중성자이기 때문이다. 물은 냉각과 동시에 중성자의 속도를 낮추는 감속재 역할도 하기 때문에 느린 열중성자를 사용하는 경수로 등에서 쓰이지만 고속로는 감속재가 필요 없다.

고속중성자는 에너지가 높아 속도가 광속과 비슷한 초속 30만㎞에 이른다. 핵반응에서 방출되는 중성자는 모두 고속중성자에 해당한다. 고속중성자가 다른 원자핵과 충돌을 되풀이하면 점점 에너지를 잃고 속도가 느려지는데 이를 열중성자라고 한다. 평균속도는 초속 2.2㎞ 정도로 현재 상용화된 원전은 모두 열중성자를 이용한다. 핵분열 연쇄반응을 일으키고 제어하기가 더 수월하기 때문이다.





● 핵연료 증식과 연소 동시에… 방사성물질 독성 낮추기도


열중성자는 분열이, 고속중성자는 흡수가 더 잘 일어나는 특징이 있다. 경수로에서 쓰이는 핵연료는 우라늄235 4.5%와 우라늄238 95.5%로 이뤄져있고 이중 핵분열이 일어나는 부분은 더 적은 쪽인 우라늄235이다. 우라늄235는 천연우라늄 가운데 0.72%만 포함돼 있어 현재 원전에서는 우라늄자원 중 일부분만 이용하고 있는 셈이다.

핵연료 중 대부분을 차지하는 우라늄238이 중성자를 흡수하면 플루토늄239가 된다. 고속중성자를 핵연료에 충돌시켜 플루토늄을 1개 이상 생성하는 ‘증식’과정을 거치면 자원을 더 효율적으로 사용할 수 있다.

김영일 부장은 “SFR 안에서는 일반적인 핵분열로 연료를 태우는 연소와 증식이 동시에 일어난다”며 “넣어준 핵연료보다 더 많은 양의 플루토늄을 증식할 수도 있다”고 설명했다.

SFR의 핵연료는 파이로프로세싱을 통해 추출한 플루토늄과 마이너 악티나이드(MA)의 혼합물, 직접 핵분열을 하지 않는 우라늄238이 섞여있다. 고속중성자는 우라늄238에 흡수돼 플루토늄을 증식시키거나 플루토늄과 충돌해 핵분열 연쇄반응을 일으킨다.







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SFR의 핵연료 중에는 수명이 길고 저장 및 처분이 어려운 방사성 요오드, 테크네슘 등도 같이 들어있다. 이들과 MA는 독성이 강하고 반감기도 길어 직접 처분하면 폐기물 처분장 면적이 넓어지며 일본 후쿠시마 원전 같은 사고 시 위험을 가중시킨다.

방사성 요오드와 테크네슘을 고속중성자와 반응시키면 비상사성의 안정된 물질로 변환된다. MA는 독성과 반감기가 낮은 핵분열 생성물질이 된다. 이 방법으로 방사성물질의 독성은 1000분의 1로, 폐기물량은 20분의 1로 줄일 수 있다.

교육과학기술부는 '미래 원자력시스템(제4세대 원자력시스템·GenⅣ) 연구개발 장기 추진계획'에 의해 2026년까지 SFR 상세설계를 마친 후 종합 파이로프로세싱 시설을 구축해 2028년쯤 SFR 실증로를 건설할 계획이다.

 

 

 



최세민 동아사이언스 기자 july@donga.com



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