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최근 수정 시각 : 2024-11-02 20:02:49

핵연료 재처리

1. 개요2. 재처리 방법3. 재처리의 장단점
3.1. 장점3.2. 단점
4. 국가별 사정
4.1. 한국의 경우4.2. 해외의 경우4.3. 일본의 경우
5. 잘 알려진 재처리 공장들

1. 개요

핵 연료 재처리( 核 燃 料 再 處 理, Nuclear reprocessing)는 사용이 끝난 핵연료를 녹인 후 쓸모 있는 우라늄, 플루토늄을 뽑아내는 기술을 말한다. 재처리를 통해 다시 연료를 얻을 수 있으므로 원자력을 수만 년까지 늘려줄 수 있는 기술이나 슬프게도 이 기술은 핵무기 제조에 필요한 기술이기도 하다. 양날의 검인 셈.

핵무기를 만드는 데 재처리 기술이 꼭 필요한 것은 아니지만 이 기술로 우라늄과 특히 플루토늄을 얻을 수 있기에, 이 기술 없이는 재료 문제 때문에 만들기가 좀 힘들다. 일단 2000년대 후반에 북한이 처음 만든 핵무기가 이 핵연료 재처리를 통해서 나온 것이다. 국제 사회의 견제를 받아가면서 소위 맨땅에 헤딩하는 식으로 만든[1] 나라도 저걸 이용하려 했을 정도.

당연히 최초의 재처리는 최초로 핵무기를 만든 미국의 맨해튼 계획에서 시작된다. 좀 복잡하게 설명하자면 농축 우라늄 방식이 아닌 플루토늄 방식으로 핵무기를 만들려면 필요한 방법+플루토늄을 이용한 원자력 발전에도 필요한 방법이다.

여러 국가에서 재처리를 시행한 바 있는데, 재처리 공장을 가동한 경험이 있는 것으로 알려진 국가는

등이다. 이건 밖으로 알려진 것들이지 실제로는 비밀로 진행한 국가들이 더 있을 수도 있다. 그러나 냉전 종식을 계기로 독일, 이탈리아, 벨기에는 핵연료 재처리 공장을 폐쇄했다.

2. 재처리 방법

핵연료 재처리엔 여러 방법이 있는데, 크게는 습식 재처리 방법인 PUREX( Plutonium - URanium EXtraction)가 있고, 대부분의 핵연료 재처리는 위 방식으로 이루어진다. 건식 재처리 방법으로는 파이로프로세싱이 있다.

현재 북한이 PUREX 방법으로 방사화학실험실을 돌리고 있으며, 전세계 주요 재처리 공장들이 사용하는 방법이다. PUREX를 사용하면 순도 높은 우라늄과 플루토늄을 얻을 수 있다는 장점이 있으며 폐기물도 예전에 사용하던 방식인 인산-비스무트 방식보다 적다.

4세대 원자로 중에서 고속증식로는 플루토늄이 들어간 연료가 꼭 필요하기 때문[5]에 앞으로도 많은 수요가 예상되리라고 보고 대한민국에서도 현재 연구 중에 있다. 이는 한국의 재처리 전망에서 후술. 이것 외에도 CANDU형 원자로의 경우 일반 경수로의 사용 후 핵연료를 단순 공정 몇 개[6]를 거쳐서 바로 CANDU 원자로 연료에 투입하는 DUPIC 계획도 있었고 플루토늄을 핵연료에 섞어 원자로에 투입하는 것으로 효율을 높이는 플루써멀 계획도 있다. 다만 현재로써는 이러한 기술들이 다 현실에서 멀리 동떨어진 상황이라는 것이 문제다. 예컨대 한국 정부가 추진하던 위의 DUPIC 연구는 연료 취급의 난이도와 위험성, 그리고 2001년경부터 중수로의 낮은 핵확산 저항성에 따라 정부가 중수로를 추가 건설하지 않은 점[7]에 의해 실용화에 이르지 못하고 종결되었다.

3. 재처리의 장단점

3.1. 장점

재처리 방식에 따라 정도의 차이가 나지만 고준위 방사성 폐기물의 양을 줄일 수 있으며, 사용 후 핵연료에서 분열하지 않은 우라늄을 추출하여 다시 사용하므로 제한된 자원(우라늄)의 활용도를 높일 수 있다.

사실 이 짧은 문장이 재처리가 필요한 가장 강력한 이유이다. 사용 후 핵연료에 대해 사람들은 대부분 핵분열 생성물, 그러니까 잘 알려진 세슘-137, 아이오딘-131 같은 물질이 가득가득 채워져있을 것으로 생각하지만, 사실 사용 후 핵연료에서 가장 대다수를 차지하는 것은 우라늄-238이다. 그 다음은 플루토늄-239와 덜 탄 우라늄-235. 저것들을 다 합치면 아무리 낮게 잡아도 전체 폐기물의 90%는 된다고 봐도 된다. 그런데 핵연료 재처리에서 목표로 하는 것은 바로 저것들을 빼오는 것이다. 235는 그대로 태울 수 있고, 플루토늄-239는 굳이 음습한 의도로 사용하지 않더라도 핵연료 후보 물질이고 아직 실사용이 가능한 상황은 아니지만 충분한 연구가 된다면 원자로에 집어넣을 수 있다. 모태가 되는 우라늄-238이 워낙 많아서 증식을 고려하지 않은 일반 원자로에서 생성된 플루토늄만 해도 우라늄-235만큼 뽑아낼 수 있다. 우라늄-238은 증식로에 투입해서 플루토늄을 생산할 수 있고, 그렇게 해야 폐기물을 줄이고 가용한 분열 물질을 확보할 수 있다. 현재의 옐로케이크(천연 우라늄)은 워낙 버리는 부분이 많은데, 활용률을 높이기만 하면 원전의 강점인 운전 경제성을 훨씬 더 높일 수 있다. 또한 재처리의 타겟 핵종인 초우라늄 원소가 전체 사용 후 핵연료의 95% 가량을 차지하므로, 재처리를 통해 이들을 걸러내면 보관이 필요한 고준위 방사성 폐기물의 부피가 10분의 1 이하로 줄어든다. 이렇게라도 안 하면 정말 언젠간 어디 산이나 땅 파고 고준위 폐기물 처리장 같은 거 지어서 단체로 쌓아놔야 할 정도로 폐기물이 많은데, 앞으로 나올 것까지 생각하면 더더욱 필요하다.

3.2. 단점

4. 국가별 사정

4.1. 한국의 경우

대한민국에서의 핵연료 재처리는 오랜 기간동안 뜨거운 감자였다. 나트륨 냉각 고속증식로인 칼리머를 차세대 원자로 중 하나로 연구 중인 대한민국 정부측에선 칼리머에 들어가는 플루토늄을 대한민국의 수도 없이 많은 원전에서 뽑고 싶어하는데, 그걸 다른 나라에 맡기면 사용 후 연료에서 나온 방사성 폐기물도 한국이 처리해야 하는 건 둘째치고라도[8] 수송 중 사고가 발생하면 재앙도 이런 재앙이 없기에 현재 여러 방법을 모색 중이다.[9]

재처리 기술의 필요성을 강조하면서 폐기물 처분장의 포화 문제를 거론하다 보니 일각에서 혼동되는 것이지만 재처리 기술이 완성되는 순간 사용 후 핵연료 보관 문제가 완전히 해결되는 것은 아니다. 재처리로 다시 사용하는 연료( 우라늄, 플루토늄(MOX)) 외에 연료로 사용하지 못하지만 방사화된 물질들은 처분해야 하기 때문. 플루토늄을 주된 핵연료로 사용하는 고속증식로도 상용화 단계가 아니다 보니 재처리해서 플루토늄 모아봤자 딱히 어디 쓸데도 없고 주변국들로부터 "저거저거 나중에 콱 핵무기 만드는 거 아냐?" 하는 의심이나 받기 딱 좋다.

당장 더 예전부터 핵연료를 재처리하고 있는 옆 일본만 봐도 그렇다. 일본 정부의 우경화 문제가 부각될 때마다 심심하면 일본이 핵무장을 할 것이라는 추측성 기사가 튀어나오고 있다. 그럼에도 이 기술이 필요한 이유는 플루토늄 같은 초우라늄 원소들을 따로 뽑아내서 보관하면 진짜 쓸모 없어서 따로 보관하면 되는 고준위 폐기물(=핵분열 파편)의 양을 크게 줄일 수 있고[10], 미래 원자로로 각광 받는 증식로의 개발에 플루토늄이 필요하기 때문이다. 저게 개발 완료되어 상용 발전소로 돌아갈 때는 말할 것도 없다. 게다가 고준위 폐기물을 발전소 외부 전용 건물에 저장하는 기술은 전세계적으로도 완성되어 있지 않다. 상업적 지하 저장고의 실제 건설에 들어간 곳은 핀란드의 온칼로 한 곳밖에 없다. 미국의 경우 군사용 목적으로만 좀 굴리다가 말았던 전적이 있다.

현재 대한민국에선 한반도 비핵화 협정이나 한미원자력협정 등 미국을 포함한 국제 사회의 핵확산 문제에 대한 눈치를 감안하여 파이로프로세싱이란 새로운 기술을 연구하고 있는데, PUREX에서의 핵연료를 다른 산성 용제에 녹여서 이온 교환으로 재처리를 하는 공정에 비해 파이로프로세싱은 전기를 이용해 핵연료를 녹여 알루미늄 제련과 비슷한 과정을 사용하고 이온 교환 수지를 사용하지 않아 고준위 방사성 폐기물 생성량이 적어진다. 파이로프로세싱의 경우 전기 제련으로 뽑아내기 때문에 건식 재처리라고 부르기도 한다. 이 방식으로 플루토늄을 뽑아낼 때 우라늄도 같이 달라붙어버린다. 이로 인해서 순도 높은 플루토늄을 뽑아내는 PUREX보다 핵확산 위험이 적다고 볼 수 있으며 또한 임계질량이 높아 PUREX 공정보다 공장 크기를 확 줄일 수 있다는 점이 있다. 그러나 이 공정은 금속 연료를 사용하는 원자로[11]를 개발할 때 꼭 필요한 물건이나 아직 PUREX처럼 대규모 플랜트로 만든 적이 없다. 우라늄+ 토륨을 녹인 용융염(보통 LiF-Be)을 연료로 사용하는 용융염 원자로의 경우엔 이놈이 붙박이로 붙어있다. 당연히 핵에 대한 것이라면 심한 알러지를 일으키는 미국과 IAEA가 태클을 걸고 있다.

2013년 1월 16일 박근혜 대통령 당선인이 미국 대표단에게 사용 후 핵연료 재처리 허용을 위한 한미 원자력 협정 개정을 공식 요청했다. 그동안 지지부진했던 핵연료 재처리 문제의 개선에 차기 대통령이 직접 나선 만큼 귀추가 주목된다. 박근혜 당선인, 美에 '核연료 재처리 논의' 요청. 하지만 역시나 미국이 퇴짜 놨다. 무슨 일이 있더라도 오바마 정권 기간에서는 인정해 줄 수 없다는 입장만 재확인했을 뿐. 그러나 연구 목적 한정의 제한적 허용이 승인되었다. 이전에 비하면 엄청난 변화. #

그리고 2015년 4월 22일, 원자력 협정이 개정되었다. # 전 문서에 쓰여있었던 것처럼 핵잠수함 같은 건 여전히 못 만든다. 하지만 애초에 핵연료 재처리는 위에서도 설명했듯이 무기를 만들려는 목적이 아니다. 협정 개정으로 이젠 미국산 핵물질을 제3세계에 허락을 받지 않아도 자유롭게 수출할 수 있고, 무엇보다 재처리를 원천 금지한 골든 스탠다드 표기도 사라졌다. 오바마 행정부는 지금 연구 중인 파이로프로세싱의 개발이 막바지에 다르는 2021년에 연구 결과에 따라 한국의 재처리가 허용될 수 있다.

한국원자력연구원에서 2013년 5월까지 파이로프로세싱 기술을 시험하는 시설인 프라이드(PRIDE)를 완공할 것이라고 밝혔다. 실제 파이로프로세싱 공정의 수십 분의 1 규모로 실험하는 시설로 연간 10톤 정도를 처리할 수 있다. 연구가 원활히 진행되면 2025년에 종합 파이로프로세싱 시설을 준공할 수 있을 것이라고 한다. #

2021년 9월 1일, 미국 원전당국이 파이로프로세싱의 연구 결과 보고서를 승인했다. # 그러나 과학기술정보통신부의 설명 자료[12]에 따르면 해당 연구 결과 보고서는 파이로프로세싱의 타당성[13]에 대한 최종적인 결론을 담고 있지 않으며, 해당 기술에 대한 추가적인 연구가 필요하다는 유보적인 내용을 담고 있다. # 이에 따라 약 8,000억 원의 예산을 들여 미국과 10년간이나 공동 연구를 해왔는데도 확정적인 결론을 내지 못한 것은 사실상 실패[14]한 것이 아니냐는 비판이 제기된다. #

2021년 12월 27일, 정부는 해당 보고서의 결론에 따라 파이로프로세싱에 대한 연구를 재개하기로 결정했다. #

결론적으로, 파이로프로세싱의 실용화는 추가적인 연구를 필요로 하므로 당초 예상에 비해 지연되고 있다고 볼 수 있다. 더군다나 파이로프로세싱은 사용 후 핵연료의 최종적인 처분 공정이 아니고, 파이로프로세싱을 통해 재처리하여 뽑아낸 플루토늄과 MA 원소 등을 최종적으로 태워 없애는 것은 고속로이다. 한국은 나트륨 냉각 고속로[15]로 이 작업을 수행할 예정이지만 이 노형은 이미 개발 난이도와 사고 위험성이 높다는 것이 일본의 경험으로 입증된 상태이며, 아직 실험로나 실증로조차 개발되지 않은 도면상의 존재이므로 실제로 개발, 건설 및 가동까지 얼마나 오래 걸릴지는 아무도 알 수 없다. 이렇게 경제적인 명분이 부족한 상황에서 미국이 한국의 핵연료 재처리를 온전히 승인해줄 가능성은 불투명하다.

4.2. 해외의 경우

프랑스에서는 'La Hague Site'라는 사용 후 핵연료 재처리 시설을 운영하고 있으며, 프랑스에서 발생한 사용 후 핵연료 외에도 독일과 일본에서 발생한 사용 후 핵연료를 프랑스로 가져와 재처리한다. 전체 재처리 양의 70%가 프랑스, 20%가 독일, 10%가 일본에서 온 사용 후 핵연료이다. 재처리 후에 얻어진 우라늄과 플루토늄은 마르쿨(Marcoule Nuclear Site)로 보내져 MOX(우라늄+플루토늄) 핵연료로 가공되어 다시 원자력 발전소에 장전된다. 사용 후 핵연료를 재처리하면서 연료로 사용할 수 없는 고준위 폐기물들은 다시 사용 후 핵연료를 보내온 나라(독일, 일본)에게 전달하지만, 재처리를 하며 고준위 폐기물의 부피가 20배 줄어들었기 때문에 이득인 셈. 셀라필드 원자력 단지에서도 THROP 재처리 시설에서 경수로 재처리를 돌리고 있다. 이 외 프랑스에서 슈퍼피닉스 고속증식로가 잠시 가동하다가 운전 중단했다.

핵 확산을 이유로 상업적 핵연료 재처리를 하지 않아온 미국도 슬슬 상업적 핵연료 재처리 시설을 건설하려고 했지만 후쿠시마 원자력 발전소 사고로 인해 반대 여론이 높아지자 계획이 표류되었다.

4.3. 일본의 경우

일본은 제2차 세계 대전 이전에 핵무기 개발에서 성과를 보인 바 있다. 일본은 이미 패전 이전에 우라늄 235을 추출하는 데 성공했고, 핵 원심분리기를 자체 개발하는 데 성공했으며, 현재 북한 지역인 흥남에서 중수를 생산할 계획을 세웠고, 실제로 어느 정도 성공했다. 하지만 패전 후 불리해진 외교적 입지를 만회하기 위해서인지 일본은 1950년대에 미국과 원자력 협정을 체결해 핵연료 재처리는 하는 대신 핵무기 제조를 하지 않기로 약속했다. 이에 더해 1988년에는 플루토늄 재처리의 허가를 받았다. 그 덕인지 일본은 세계에서 국제원자력기구의 사찰이 가장 엄격하다.[16]

현재 플루토늄을 PUREX나 다른 방법으로 추출하는 일본에선 몬주라는 나트륨 방식의 고속 증식로가 있다. 여기는 1990년대 중반에 금속 나트륨 유출 사고가 터져 14년 동안 가동 중단했다가 2010년 5월에 가동을 재개했다. 가동 재개 이후에도 지진 때문에 논란이 생겼고, 2013년 5월 15일에 가동 재개를 위한 준비 작업을 정지하라는 명령이 내려진다. 그러나 아직도 폐쇄 명령은 내려지지 않았다.[17]

2018년 6월 10일, 2018년 북미정상회담 등으로 북한과의 화해 무드가 고조되고 있는 와중, 미국 정부가 일본의 핵연료 재처리에 제동을 걸기 시작했다. 기사 1, 기사 2. 일본의 재처리 허용이나 플루토늄 보유가 북한과의 비핵화 협상에 걸림돌이 될 수 있다는 분석도 있다. 여러 차례 이 문서에서 언급되는 바와 같이, 일본은 2022년 기준 비 핵무기 보유국이면서도 재처리를 할 수 있는 몇 안 되는 나라다. 일본이 핵연료 재처리를 할 수 있게 된 배경이 된 미일간 원자력 협정은 2018년 7월 15일을 기한으로 하고 있어, 그 후엔 미국에서의 일방적 통보로 중지될 수 있다.

2018년 7월 16일에 미일 원자력 협정이 자동 연장됨에 따라 앞으로 특별한 변화가 없을 시 30년 동안이나 더 플루토늄을 추출할 수 있게 되었다. # 대신 일본이 자발적으로 플루토늄의 감축에 나서 원자탄 6,000발 분량인 47톤의 플루토늄(세계 5위)만 비축해 놓기로 하였다. # 당장 3년 뒤 매 년 8톤의 플루토늄을 추출 가능한 재처리 시설이 완공됨에 따라 일본 정부는 긴급히 방법을 모색하고 있다고는 하는데 잘 풀리지는 않는 모양이다.

5. 잘 알려진 재처리 공장들

[1] 첫 핵실험 당시 시점에서도 개발사는 이미 몇십 년 됐지만. [폐쇄] [폐쇄] [폐쇄] [5] 이전 서술과 같이 혼동하는 사람들은 플루토늄이 고속 중성자 핵분열을 일으키기 때문에 고속로에 사용된다고 여기는데, 플루토늄도 열중성자와 핵분열 반응을 일으킨다. 때문에 실제 노심에 들어있는 플루토늄 연료 또한 감속재를 요구한다. 플루토늄을 사용하는 건 증식로이기 때문에 결손 우라늄이 중성자와 반응해 플루토늄으로 증식하는 것을 사용하기 위해 노심의 물성을 계산할 때 플루토늄에 초점을 맞추는 것이다. 그래서 고속반응로의 경우 아예 천연 우라늄을 병풍으로 삼아 플루토늄을 생산해 낸다. 이런 병풍을 가리켜 블랭킷 연료라고 부른다. [6] 기본 핵연료를 뜯고 CANDU 연료봉에 맞게 재소결. [7] DUPIC이 실용성이 있으려면 경수로에서 나오는 핵연료를 재연소 처리할 수 있도록 중수로를 추가 건설해야 한다. [8] 예전에 셀라필드 원자력 단지에서는 그런 폐기물까지 처리해줬으나 자기들도 이런 것에 골치 아파서 연료는 처리해줄 테니 대신 나오는 쓰레기는 가져가라고 한다. 물론 일본도 마찬가지. [9] 물론 이미 원자력 발전소의 원료를 수입해오고 있기는 하지만 농축 우라늄과는 비교할 수 없을 정도로 독한 물건이 사용 후 핵연료다. [10] 거의 퍼센테이지로 한 자릿수로 떨어진다. 이는 연료의 동위원소 비율을 보면 이유를 알 수 있는데, 핵연료에 포함된 핵분열성 원소인 U-235는 많으면 5%, 적으면 0.7%까지 떨어지는 데다 그마저도 연료봉 안전성 때문에 전부 태우지 않고 중간에 빼기 때문에 U-238의 고속 중성자 핵분열이나 플루토늄 핵분열을 포함해도 재처리 후 남게 되는 핵분열 파편 수는 매우 적어진다. 반대로 재처리로 뽑혀 나오는 초우라늄 원소는 핵연료의 대부분을 차지하는 U-238에서 기인하기 때문에 재처리가 되지 않은 사용 후 핵연료에는 초우라늄만 득실거릴 수밖에. [11] 일반적인 원자로의 우라늄은 세라믹 산화물 형태이다. [12] 보고서 자체는 비공개 처리되었다. [13] 기술적 타당성, 상업성, 안전성, 핵확산저항성 등. [14] 파이로프로세싱에 충분한 타당성이 있음을 입증하지 못함. [15] 사고로 유명한 일본의 몬주 원자로와 동일한 종류의 고속로이다. [16] 일본의 우익들 중에서도 극소수의 반동주의자들의 경우 반미성향을 지니기도 했는데 이러한 간섭이 자국에 가해지는 내정간섭이라고 주장한다. [17] 참고로 금속 나트륨은 물 한 방울 닿아도 폭발하는 위험성 높은 물질이다. 나트륨 문서 참조. [18] 도카이 촌 방사능 누출사고가 일어난 곳이다.

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