[원자력 이야기] 원자로 : 핵연료집합체1 - 핵연료주기에 관해서

chosungyun (59)in #kr-science • 7 years ago

안녕하세요!!
@chosungyun입니다.
저번 원자력 포스팅에서 원자로에 대해서 앞으로 자세히 설명하겠다고 말씀드렸습니다.
그래서 원자로 안에서의 핵심구성물인 핵연료집합체에 대해서 먼저 소개하고자 합니다.

핵연료집합체를 기준으로 앞으로 다룰 주 내용입니다.
-핵연료 제작 사이클
-핵연료봉 구조 설명
-독물질봉 구조 설명
-연료집합체로서 구성
-노심에서의 배치

글이 길어지겠네요….ㅎㅎ 천천히 따라와 주세요!!

핵연료제작 사이클

핵연료를 제작하고 사용하고 후에 처리하는 과정을 핵연료주기라고 합니다. 이를 사용하는 시점인 원자력발전소에서의 사용을 기준으로 전의 과정을 선행핵연료주기 그 뒤의 과정을 후행핵연료주기라고 합니다.

- 선행핵연료주기

우라늄 원광을 채광하고 정련하고 변환하고 농축하고 가공하는 전 과정을 말합니다.
조금 자세히 알아보겠습니다.

첫 번째 과정인 채광은 우라늄 원광을 채광하는 것을 말합니다. 100m이내의 깊이에 있을 경우는 표토를 제거하고 갱도 없이 바로 채굴하는 방법인 노천채굴을 하고 그 이상일 경우는 갱도채굴을 통해 원광을 채굴합니다.

채굴한 우라늄 원광은 정련이라는 과정을 걸쳐 yellow cake라는 노란색의 우라늄 정광으로 생산됩니다.
방식은 화학적 처리이며 화학을 전공하지 않은 저는 자세히는 모르나 질산에 용해시켜 TBP유기용매로 우라늄을 회수한다고 합니다. 이때 우라늄 정광은 U₃O₈이라 합니다.

정련의 과정을 거쳐 옐로케이크가 된 우라늄을 변환이라는 과정을 거쳐 중성자 흡수물질과 같은 불순물을 제거하게 됩니다. 이 과정을 통해 옐로케이크는 6불화 우라늄으로 변환됩니다. U₃O₈ → UF₆

이제 농축의 과정을 지나게 됩니다. 농축은 6불화 우라늄을 기화시켜 기체의 상태로 만들고 기체확산법, 원심분리법, 레이저 농축법 등과 같은 방법으로 농축을 시도합니다.

제가 공부한 교재 기준으로는 기체 확산법 위주로 소개가 되나 과거의 교재이므로 현재 주로 사용하는 농축법은 다른 방법으로 시도가 되고 있을지도 몰라서 이에 대한 소개는 생략하겠습니다. 다만 대부분의 방법이 동위원소 분류법으로 동위원소간의 질량차를 이용한 분리법을 사용한다는 점만 기억하시면 되겠습니다.

기화된 우라늄은 평균 4% 정도의 농축도를 가진 농축 6불화 우라늄으로 농축됩니다. 이때 농축되는 정도는 정확히 몇 %이다가 아니라 여러 농축도를 가진 우라늄을 생산하는데 앞으로 소개되겠지만 원자로 출력안정성 및 효율 증진을 위해 여러 농축 우라늄봉을 사용한다는 점을 기억하시길 바랍니다.

지금까지 따라온 모든 과정은 현재 국내 핵연료 생산 기업인 “한국원자력연료주식회사”에서는 하지 않는 공정입니다. 이 모든 공정은 해외에서 진행이 되며 이 모든 공정이 진행된 농축 6불화 우라늄을 전량 수입하게 됩니다. 앞서 있는 모든 과정을 국내에서 진행하지 않는 이유는 우라늄 원광을 수입하기 때문입니다. 원광으로 수입하면 운송에 부담이 크지만 이렇게 농축까지 진행하여 수입하면 운송에 대한 부담이 줄어들기 때문입니다. 그럼 핵연료주식회사는 어떤 일을 할까요? 이 뒤의 과정인 성형 가공과정을 진행하게 됩니다. 지금부터 설명하는 과정은 국내에서 진행되는 과정입니다.

우선 기체상태의 UF₆를 고체상태의 UO₂로 변환을 합니다. 산화우라늄으로 만들면 좋은 점은 열에 의한 팽창이 작고 산소와의 반응이 적은 안정성이 있기 때문입니다.
다음으로 고화된 UO₂를 균질하게 혼합을 시키고 분말처리 시킵니다.
이제 분말이된 UO₂를 하나의 핵연료 펠렛으로 만들기 위한 성형 가공을 합니다.
이 과정은 위아래를 접시 모양으로 들어가도록 모양을 압분의 과정을 거쳐 성형을 하고 약 815도의 고온에서 12시간 정도 소결을 합니다. 이렇게 하면 은회색의 펠렛 세라믹이 만들어집니다.
이렇게 만들어진 펠렛을 연로봉에 장입하여 제작하게 됩니다.
이에 대한 설명은 핵연로봉 구조를 설명할 때 하도록 하겠습니다.
자 이제 핵연로봉은 완성이 되었고 이를 핵연료집합체로 만들어 원자력 발전소로 보내게 됩니다. 이 모든 과정을 선행핵연료주기라고 합니다.

- 후행핵연료주기

원자력발전소는 열심히 전기를 생산하여 이제는 생산효율이 떨어진 핵연료폐기물을 만들어 냅니다. 이 뒤의 과정은 열린 연료주기와 닫힌 연료주기가 있습니다. 현재 우리나라의 분위기는 열린 연료주기일것으로 생각이 되나 아직 법적으로 결정이 되지 않았습니다.

열린 연료주기
여러분들이 흔히 알고 있는 폐기물저장시설에 폐기물을 보관하는 방법입니다. 핵연료폐기물은 폐기물의 방사능에 따라 극저준위, 저준위, 중준위, 고준위로 나눠지는데 핵연료페기물은 고준위에 해당하고 현재 이 고준위폐기물 방폐장은 모든 나라에서 건설에 어려움을 느끼고 있습니다. 누가 자기가 사는 곳에 이 위험하다는 물질을 나두고 싶겠습니까? 아무리 안전하다고 한들 찝찝함이 있음은 사실입니다. 이를 해결하기 위해서는 전문가와 국민들의 소통으로 많은 대화와 지식공유가 오고 가면서 해결되어야 할 문제입니다. 실제 이 고준위 폐기물 보관소를 건설한 필란드의 경우는 국가에 대한 국민들의 신뢰가 높다고 합니다. 그리고 주민들의 걱정을 없애기 위해 실시간으로 소통을 한다고 합니다. 이는 배워야 합니다.

닫힌 연료주기
사용후 핵연료를 재처리하는 방법을 사용하여 다시 사용하는 사이클입니다. 개인적으로는 이 과정이 필요하다고 생각합니다. 왜냐하면 재처리라는 과정을 거치면서 핵연료 폐기물을 많이 줄일 수도 있고 또한 실제 산업이나 연구에 필요한 동위원소를 얻을 수도 있습니다.
더 나아가 고속증식로가 상업화된다면 이 과정은 필수적으로 필요합니다.

이를 파이로프로세싱이라고 합니다. 하지만 이에 관한 연구는 연구비만 많이 먹은 연구로 낙인이 찍혀있고 실제 원자력연구원쪽에서 이에 관한 연구비가 삭감되고 있다고 합니다. 고속로에 대해서는 나중에 기회가 되면 소개하겠습니다.

하지만 이 과정은 현재 핵무기를 생산할 가능성이 있는 관계로 핵확산방지조약에 가입되어 있는 우리나라는 실시간으로 IAEA(국제원자력기구)로부터 감찰을 받고 있습니다. 그런데 아이러니하게도 평화적으로 사용하겠다고 선언하면 재처리를 하는 것을 허용해주기는 합니다.
그런데 왜 안할까요?....
바로 돈입니다. 이 과정에는 돈이 굉장히 많이 든다고 합니다. 그리고 비싼 돈 들인 것에 비해 재활용되는 비율도 극히 낮습니다.

단적인 예로 확실한지는 자세히 모르겠으나 방사성 동위원소중에 몰리브덴-100이라는 물질이 있는데 뉴트리노를 검출하기 위한 연구에 사용이 됩니다. 이 동위원소 1g을 모아놓게 되면 이 1g을 사기 위해 1억원을 내야된다고 합니다. 이를 생산하기 위해서는 원자로를 통해 생산해내기 때문이죠.

핵연료제작과정과 사용 그리고 그 뒤처리까지의 과정을 설명하다보니 글이 길어졌습니다.
나머지 연료봉부터의 이야기는 다음 포스팅으로 넘기도록 하겠습니다. 원자로만 5개 정도의 포스팅이 나오겠네요. 그래도 최대한 자세히 써보겠습니다.
긴 글 읽어주시느라 고생하셨습니다. 오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!