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송년호 특별부록 | 한국의 核주권

핵연료 제조본부 ‘한전원자력연료’

비핵화 선언은 이미 폐기…핵연료 확보 위한 농축에 도전하라!

  • 양창국 지구문학회장, 전 한전원자력연료주식회사 사장 ckyang41@hanmail.net

핵연료 제조본부 ‘한전원자력연료’

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  • 한국은 어떻게 핵연료 자립을 이뤘는가. 독일 기술을 도입했다가 미국 기술로 바꾼 사연은 무엇인가. 유럽과 일본에서는 재처리를 하고 있는데 한국은 비핵화 선언에 묶여 꼼짝도 못하고 있다. 국내에서 소비되는 전기의 40%를 담당하는 원자력발전소를 안정적으로 가동하려면 한국은 반드시 농축과 후행 핵주기를 완성해야 한다.
핵연료 제조본부 ‘한전원자력연료’

1989년 한전원자력연료주식회사가 처음으로 경수로용 핵연료를 출하하고 개최한 기념식.

화력발전소에서 사용하는 화석연료는 연소하면서 탄산가스와 질화가스, 황화가스 등을 방출하고 다 타면 재를 남긴다. 그러나 원자력발전소에서 사용하는 핵연료는 연소 도중 이러한 가스가 발생하지 않고 타고 난 후에 재처리하면 다시 사용할 수 있는 물질을 남긴다.

지각(地殼)에는 금의 약 100배, 은의 약 10배에 이르는 양의 우라늄이 매장되어있다. 광산에서 캐낸 우라늄 광석 속엔 우라늄이 0.1~ 1% 함유되어 있는데, 분쇄와 산(酸) 처리 등의 정련 과정을 거쳐 우라늄이 75% 이상 함유된 우라늄 정광을 만든다. 우라늄 정광은 노란색 가루 형태라 ‘옐로 케이크(yellow cake)’라고도 불린다.

원자력발전소에서 사용하는 핵연료를 만들려면 우라늄의 품위를 99.9% 이상으로 높여야 한다. 우라늄의 품위를 높이는 제조공정을 변환이라 한다. 경수로용 핵연료는 우라늄 정광을 육불화우라늄(UF6)으로, 중수로용 핵연료는 이산화우라늄(UO2)으로 바꾼다.

천연 우라늄의 동위원소 함유비율은 우라늄-235가 0.71%, 우라늄-238이 99.29%인데, 이 가운데에서 핵분열을 일으키는 것이 우라늄-235이다. 우라늄-235와 우라늄-238의 함유 비율을 농축도라 한다.

핵연료 다발이 바로 핵연료

중수로를 쓰는 월성원자력발전소에서는 천연 우라늄을 핵연료로 사용하나, 고리·영광·울진원자력발전소에서는 우라늄-235의 농축도를 2~5%까지 높인 저농축 우라늄(LEU)을 핵연료로 사용한다. 우라늄-235의 비율을 높이는 것을 ‘농축’이라고 하는데, 우라늄-235의 농축도가 20% 이상인 것을 고농축 우라늄(HEU)이라 한다.

농축은 우라늄-235와 우라늄 -238의 미세한 무게 차이를 이용해 이뤄진다. 농축 방법에는 미국·프랑스 에서 사용하는 기체확산법과 영국·러시아·중국·일본에서 사용하는 원심분리법이 있다. 그러나 기체확산법은 에너지를 매우 많이 소비해 점차 원심분리법으로 대체되는 추세에 있다.

경수로용 핵연료는 저농축 육불화우라늄을 화학공정인 재변환 과정을 통해 이산화우라늄 분말로 바꾼다. 그리고 이 분말을 분필 모양으로 성형해 약 1700℃로 구워 ‘도자기 소결체’를 만든다. 이 소결체를 피복관에 넣어 연료봉을 만들고, 연료봉을 띠로 묶어 핵연료라고 하는 ‘핵연료 다발’을 만든다.

중수로용 핵연료는 천연 이산화우라늄 분말로 소결체를 만들고 이 소결체를 피복관에 넣어 연료봉을 만든 다음 이 연료봉을 묶어 핵연료 다발로 만든다.

핵연료 다발로 만드는 공정을 ‘성형가공’이라 한다. 성형가공한 핵연료 다발은 원자력발전소로 이송되어 원자로에 장전된다. 우라늄 정광을 확보해 성형가공 공장에서 핵연료 다발을 만들기까지 1~2년 걸린다.

사용후핵연료의 처리·처분

새로 만들어진 핵연료는 경수로에서는 4~5년, 중수로에서는 1년 정도 타고 난 후 방출된다. 타고 난 핵연료(사용후핵연료)에서는 열이 많이 나오고 높은 수준의 방사선이 나오므로 이 열을 식히고 방사선을 차폐하기 위해 10 m 이상 깊이의 물속에 저장한다.

원자로에 장전된 핵연료는 주로 우라늄-235가 핵분열을 일으키며 열을 내는데, 이때 우라늄-238 중 일부가 중성자를 흡수해 플루토늄-239로 바뀐다. 플루토늄 -239 중 일부는 핵분열을 일으키고 일부는 중성자를 흡수해 플루토늄-240이 된다. 플루토늄-240은 중성자를 흡수해 플루토늄-241이 되는데, 플루토늄-241은 다시 핵분열을 일으키고 일부는 중성자를 흡수해 플루토늄-242가 된다.
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양창국 지구문학회장, 전 한전원자력연료주식회사 사장 ckyang41@hanmail.net
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