핵변환 기술이란?

핵변환 기술이 개발되면 고준위 폐기물에 들어 있는 長壽命 핵종을 제거해 그 양을 현저히 줄일 수 있다. 핵변환로가 개발되면 핵확산을 막으면서 사용후핵연료를 연료로 사용할 수 있게 돼 인류는 에너지를 얻으면서 폐기물을 줄이는 ‘꿈 같은’ 시대를 살게 된다.

그림 1 - 핵변환 반응을 이용해 장수명 악티나이드 핵종을 단수명의 중저준위 폐기물로 안정화하는 과정.

북한 핵실험으로 원자력은 새로운 논란에 휘말릴 듯하다. 한반도에 핵폭탄이 등장하는 사태가 벌어졌으니 원자력을 과연 지속가능한 에너지 대책으로 봐야 할지 회의가 생길 가능성이 있기 때문이다. 일각에서는 태양열과 풍력, 조력, 생물자원(bio-mass) 그리고 지열을 포함하는 신(新)재생에너지가 근본적인 대안이 될 수 있다고 하니 이 회의는 더욱 커지게 된다.

그러나 ‘가이아’ 이론으로 알려진 세계적인 환경학자인 제임스 러브록은 최근에 펴낸 저서 ‘가이아의 복수(The Revenge of Gaia)’에서 신재생에너지는 대안으로 미흡하고 인류는 원자력 에너지에 마지막 희망을 걸 수밖에 없다고 말한다. 이러한 인식 아래 세계 원자력계가 시급히 해결해야 할 현안이 다름 아닌 사용후핵연료 문제이다.

사용후핵연료는 1만년 이상의 안전관리를 요하므로 지하처분은 기술적으로 매우 어렵다. 지난 20여 년간 미국은 네바다 주 핵실험장 부근의 광활한 사막에 고준위 방사성폐기물 영구처분장 건설을 추진해왔다. 그러나 영구처분장이 완성되더라도 20년 후 포화 상태가 되므로 후속 처분장을 계속 건설해야 한다는 문제에 봉착한다. 부시 행정부는 그 해법으로 ‘핵변환 기술’을 지목했다.

핵변환(Nuclear Transmutation) 기술이란 핵반응을 이용해 한 핵종을 다른 핵종으로 바꾸는 것이라 흔히 연금술에 비유되기도 한다. 사용후핵연료 속에는 반감기가 수천년에서 수십만년인 장수명(長壽命)의 고준위 폐기물인 악티나이드(Actinide) 핵종이 1% 정도 들어있다. ‘그림 1’과 같이, 이들을 골라내 에너지가 높은 고속중성자와 반응시키면, 핵분열이 일어나 핵분열생성물로 변환된다.

이 핵분열생성물 중 두 가지의 장수명 핵종(테크네슘 TC 및 요오드 I)만을 골라낸 후, 에너지가 낮은 열중성자와 핵반응을 일으키면 방사능이 없는 핵종으로 변환된다. 고준위 방사성 핵종을 중저준위 방사성 핵종으로 바꿈으로써, 고준위 폐기물 양을 크게 줄이거나 아예 없애버리는 것이 바로 핵변환 기술이다.

미국, 2020년쯤 핵변환로 건설할 듯

이 기술은 약 20년 전에 미국 아르곤국립연구소에서 나트륨냉각 고속로 형태로 처음 개발되고, 이어 로스앨러모스국립연구소에서 가속기를 이용한 방식이 고안되었다. 그 후 핵변환 기술에 대한 연구가 활발해지며, 최근 고속로를 이용한 것이 가속기 방식보다 더 경제적이라는 사실이 밝혀졌다. 미국과 일본은 고속로 방식에 주력하고 있다.

핵변환에 필요한 고속 중성자를 많이 생산하기 위해서는 원자로 냉각재로 액체 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 그동안 액체 나트륨이 널리 사용되어왔다. 미국, 일본, 중국, 인도는 나트륨냉각 고속로를 추진하고 있으며, 우리나라도 이에 동참하고 있다. 사용후핵연료 처분이 시급한 미국은 2020년경 핵변환로(爐)를 건설할 것으로 예상된다.

핵변환에서 고속로 기술 못지않게 중요한 것이 고준위 방사성 원소를 골라내는 화학적 분리공정인데, 이는 자칫 핵폭탄의 원료가 되는 플루토늄의 추출로 연결될 수 있어 최근까지 미국에서도 사용이 금지되었다. 사용후핵연료 문제가 잘 해결되지 않자 미국은 5개 공식 핵보유국과 일본을 포함해 총 6개의 ‘공급국’에만 핵물질의 화학적 분리작업을 허용하고 그외의 국가들은 사용후핵연료를 ‘공급국’에 보내 처리하는 GNEP(지넵·Global Nuclear Energy Partnership) 을 2006년 2월 제시했다.

한국도 핵변환로 개발에 참여

국제원자력기구(IAEA)도 핵변환 기술의 필요성을 절감하고 화학적 분리공정의 핵물질 전용을 막기 위하여 ‘국제공동 핵주기시설’을 만들자고 제창했다. 민감한 화학적 분리와 우라늄 농축시설을 국제공동관리체제하에 두자고 한 것이다.

그림 2 - 우리나라에서 개발하고 있는 핵변환로인 평화로(PEACER)의 3차원 설계도

한편 안전성을 개선하기 위하여 물과 반응하지 않는 납(Pb)과 비스무스(Bi)를 혼합해 만든 액체금속으로 냉각되는 원자로가 러시아에서 잠수함용으로 개발되었다. 이후 납-비스무스로 냉각되는 핵변환로에 대한 연구가 활발해졌다.

우리나라도 학계가 나서서 납-비스무스 냉각방식의 핵변환로인 ‘평화로’(PEACER·Proliferation-resistant, Environment-friendly, Accident- tolerant, Continual and Economical Reactor의 머리글자를 땄다)를 개발하고 있다. ‘그림 2’에서처럼 중앙 핵변환로 안에 사용후핵연료를 투입하면, 고속중성자에 의한 핵분열반응과 열중성자에 의한 포획반응으로 핵변환이 일어나고 이때 발생된 에너지로 전기를 생산한다. 이 핵변환로는 사고로 인해 증기가 누출되더라도 화재 위험이 없어 안전성이 탁월하다.

평화로는 핵 비확산성에 최우선 순위를 두고 국제공동체가 운영한다. 그리고 플루토늄 추출이 어려운 건식분리공정(Pyroprocess)을 채택한다. 평화로가 상용화되면 사용후핵연료를 지하처분하지 않고 건식공정으로 분리한 후 핵변환로의 핵연료로 재활용한다.