[투데이에너지 김병욱 기자] 우리나라에서도 원자력발전소에서 발생되는 사용후핵연료 및 방사성폐기물 관리에 대한 관심이 뜨거워지고 있다.
2011년 3월 후쿠시마 원전 사고 이후 국내 원전에 관심이 높아지면서 사용후핵연료 관리에 대한 부분이 민감한 상황이다.
이에 국내 방사성폐기물 및 사용후핵연료 현황, 관리방식, 중·저준위방사성폐기물 관리 및 처분 방식 등에 대해 살펴본다.
/ 편집자 주
▲방사성폐기물 관리
일반 산업 활동에서 산업폐기물이 발생되는 것처럼 원자력을 이용한 산업 활동에서도 폐기물이 발생된다.
원자력발전소, 병원 및 연구소의 운영 중 방사성 물질에 의해 오염된 폐기물로써 방사선관리구역에서 작업에 쓰였던 작업복, 종이, 기기부품, 공구 등이 이에 해당된다.
보통 방사성 물질을 제거해서 재사용하지만 더 이상 쓸모가 없게 된 대상물이 방사성폐기물로 분류된다.
단 그 양은 생활폐기물이나 산업폐기물 등 다른 폐기물에 비해서 그 양이 매우 적고 발생되는 곳도 한정돼 있어서 격리 및 체계적 관리가 용이한 것으로 알려졌다.
한국수력원자력에 따르면 원자력발전은 화석연료대비 경제적이고 한정된 에너지원으로 인해 대용량 에너지원으로서 세계적으로 건설·운영하고 있으나 2011년 3월 후쿠시마 원전 사고에 대한 기억은 아직도 일반인들에게 불안 심리를 갖게 하고 있어 안전성관리를 최우선으로 관리하고 있다.
우리나라에서는 어렵게 중·저준위 방사성폐기물 처분부지가 선정돼 처분장 건설이 진행되고 있으나 사용후연료의 중간저장을 위한 준비에는 아직도 많은 어려움이 있을 것으로 예상되고 있다.
원자력이 1950년대 군사적 목적으로 사용되면서 세상에 알려지고 반핵운동이 지속적으로 유지되면서 원자력에 대한 부정적인 이미지가 깊다. 또한 원자력발전에 의한 여러가지 혜택이 가려지고 대중적 호응도가 아직 개선되지 못하면서 방사성폐기물에 대한 일반인의 과잉 반응은 과학적인 근거와는 전혀 관계없이 호도되는 경향이 있다.
방사성폐기물은 발생원 및 발생량이 극히 적고 더구나 다른 일반폐기물과 달리 시간이 지남에 따라 방사능이 감소하는 특징이 있어 공학적인 조치를 통해 인간 및 환경에 전혀 위해가 없도록 관리할 수 있음에도 불구하고 일부에서 방사성폐기물이 경계의 대상으로만 인식되고 있다.
방사성폐기물의 처분은 유럽 및 일본 등 선진 외국의 처분장 운영 사례에서도 입증되듯이 원전과 마찬가지로 안전을 위주로 관리하는 완벽한 시설임을 인식시키기 위한 노력이 계속돼야 한다는 주장이 계속되고 있다.
지난 1970년대 말부터 본격화된 우리나라의 원자력산업은 지난 30여년간 괄목할 만한 성장을 이룩해 현재 23기의 원자력 발전소가 가동되고 있고 9개의 신규 원전이 건설 중에 있어 명실공히 원자력발전 국가로 발돋움했다.
국내 전력수요의 약 30%를 원자력발전으로 충당하고 방사선 및 방사성동위원소의 이용 면에서도 국가산업 발전에 비례해 산업적 이용이 큰 폭으로 늘어나고 그 이용분야가 더욱 다양화, 고도화되는 추세에 있다.
국내 원자력 산업이 확대되면서 방사성폐기물의 안전한 관리 및 처분은 지속적인 원자력이용을 위해 매우 중요한 사안이다. 국내 원자력 산업에서 생성된 방사성폐기물은 원전에서 배출되는 사용후연료를 제외하고는 모두 중·저준위 방사성폐기물이다.
발생원별로는 원전에서 생성되는 폐기물이 대부분을 차지하고 있으며 연구용 원자로 및 기타 방사성동위원소 이용기관에서 나머지 방사성폐기물을 발생시키고 있다. 한수원은 원전에서 발생되는 방사성폐기물을 원전 부지 내 방사성폐기물 저장고 등에 보관하고 있으며 방사성동위원소 폐기물은 한국방사성동위원소협회에서 수거 및 운반해 한국원자력환경공단(구 한국방사성폐기물공단)의 전용 저장시설에 보관하고 있다.
중·저준위 방사성폐기물 처분장이 건설되면 원자력발전 및 방사성동위원소 이용으로 발생된 폐기물을 안전하게 처분하게 될 전망이다.
▲사용후연료 저장 관리
사용후연료는 그 속에 포함된 핵분열생성물 때문에 원자로에서 꺼낸 이후에도 오랜 기간 동안 방사선과 열이 발생한다.
이에 발전소에서 근무하는 작업자를 방사선으로부터 보호하고 열을 제거하기 위해 사용후연료는 발전소의 원전연료취급건물안의 수조(지속적인 냉각 설비가 갖춰져 있고 이는 사용후연료저장조)에 저장한다.
사용후연료 중간저장시설의 건설이 늦어짐에 따라 상업운전을 시작한지 오래된 각 발전소의 사용후연료 저장용량을 확장하기 위해 고리3·4호기, 한울 1·2·3·4호기 및 한빛 1·3·4·5·6호기를 대상으로 조밀저장대를 설치했다.
한울 5·6호기 조밀저장대는 설치가 진행 중이다.
최근 해외에서는 물 속에 사용후연료를 저장하는 기술 외에도 콘크리트 또는 탄소강 등으로 방사선을 막고 자연순환 되는 공기를 이용해 냉각시키는 기술을 적용한 건식저장시설을 운영하고 있다.
우리나라도 월성원자력발전소에 이러한 공기냉각식 콘크리트 구조물 형태의 저장시설을 1992년, 1998년, 2002년 및 2006년 4회에 걸쳐 건식저장시설을 건설했으며 2010년 2월에 조밀건식저장시설 건설을 완료하고 원전부지 내에 저장 중이다.
■ 사용후연료 중간저장
중간저장이란 사용후연료를 직접처분하거나 재활용 처리를 하기 전 사용후연료의 방사능과 발열량을 충분히 낮추기 위해 저장하는 것을 말한다. 정부가 중간저장시설 건설 등을 포함한 종합적인 사용후연료 처리방침을 국가정책방향, 국내·외 기술개발 추세 등을 감안해 공론화를 통해 결정할 예정이다.
■ 사용후연료 영구처분
사용후연료는 열이 식을 때까지 충분히 원전 부지 내 또는 중간저장시설에 보관하다가 지하 깊이 최종 처분하는 개념이 세계적으로 널리 인정되고 있다. 이에 따라 일부 국가에서는 이미 암반특성을 연구하는 지하 실험시설을 운영 중에 있다.
이에 반해 한편에서는 회수 가능한 처분방안 연구가 계속되고 있는데 이는 다음 세대에 더 효과적인 처분방법이 개발될 것이므로 사용후연료를 회수할 기회를 주지 않고 최종 처분하는 것은 비경제적일 수도 있다고 보는 견해에서 비롯된다.
미국에서는 사용후연료를 직접 영구처분할 목적으로 영구처분시설 확보를 위해 추진해 왔으나 오바마 정부가 들어선 이후 지난 2009년 초에 보류돼 최종 처분방식은 추후 결정될 예정이다. 프랑스, 독일, 일본, 영국 등과 같은 나라에서는 재처리하고 남은 고준위 고화체를 2030~2040년대에 영구처분할 예정으로 있다.
또한 스웨덴은 최종 처분장 건설 예정지로 ‘포스마크’ 지역을 선정, 지하 500m 암반에 매립하는 심지층처분장을 2020년대초에 완공할 계획이다. 핀란드의 경우 2000년 최종 처분시설 부지로 올킬루오트를 선정했으며 2012년 건설허가를 신청했다.
한수원은 지난 1983년부터 상업운전에 들어가는 원전에 대해 향후 사용후연료 처분에 소요될 비용, 수명 종료 후 원전의 해체철거비 및 철거 시 발생될 중·저준위 폐기물 처분비용을 함께 적립하고 있으며 이를 매년 발전원가에 반영하고 있다.
해외 각국에서는 사용후연료의 누적량이 처분장을 운영하기에는 적정한 경제적 규모에 도달하지 않았다고 판단해 원전 부지 내, 재처리 시설 내 또는 중간저장시설에 저장하고 있고 아직 영구처분장을 운영하고 있지는 않으며 자체적 또는 공동으로 해결책을 찾는데 부심하고 있다.
▲중·저준위 방사선폐기물
■ 기체 폐기물관리
원자력에너지는 우라늄이 중성자를 흡수해 핵분열하는 과정에서 발생된다. 핵분열 과정에서 생성되는 핵분열생성물은 대부분 연료봉 안에 격리돼 있지만 극히 일부가 원자로 냉각재계통으로 이동해 원자로건물 및 보조건물 내 각종 설비에 존재하게 된다.
방사성 기체는 냉각재의 탈기, 체적제어계통 등의 배기시에 발생한다.
▣ 처리방법
기체 방사성폐기물은 기체폐기물 저장탱크에 압축 저장해 일정기간 동안 저장, 반감기가 짧은 방사성 동위원소는 완전 붕괴시키고 방사성 옥소와 반감기가 긴 방사성 동위원소는 여과설비로 제거한 후 배출하는 방법과 활성탄 지연대와 고효율 여과기(HEFA Filter)를 이용해 기체 폐기물을 제거하는 방법을 이용, 처리한 후 방사능 연속감시기로 감시하면서 배출하는 방법이 있다.
▣ 배출관리
원자력안전위원회 고시 제2012-29호에 의하면 기체 방사성폐기물에 대한 배출 방사능량은 발전소 부지경계에서 배출관리기준 상의 제한값을 초과하지 않도록 규정하고 있다.
또한 원자력안전법 시행령에서는 기체배출로 인한 발전소 인근 주민의 방사선 영향이 연간 선량한도를 넘지 않도록 제한하고 있다.
이에 원자력발전소에서는 이러한 관련 규정을 준수하기 위해 정기적으로 시료를 채취·분석하고 기체 폐기물을 외부로 배출하기 전에 방사성물질의 종류 및 농도를 측정해 발전소 인근 주민이 거주하는 지역에서 배출관리기준을 초과하지 않는지 확인하고 있다.
외부 배출 중에도 방사선감시기로 연속적으로 감시하며 만약 방사능이 기준치에 도달하게 되면 방사선감시기가 이를 감지, 배출을 차단시키는 신호를 발생시키게 된다.
기체 폐기물로 인해 발전소 울타리 바로 바깥에 거주하는 주민이 지난해에 받은 것으로 예상되는 유효선량은 최고 0.00131밀리시버트(mSv)였고 액체 폐기물로 인한 유효선량은 최고 0.000507밀리시버트(mSv)였다.
■ 액체 폐기물관리
액체폐기물 발생의 근원은 핵분열생성물과 방사화생성물이 포함돼 있는 원자로 냉각재이며 계통수 정화과정에서 발생되는 폐액, 각종 펌프나 밸브 등 기기로부터의 누설수, 세탁수 등으로 구성된다. 액체폐기물은 포함된 방사능의 양, 화학적 순도에 따라 발생원에서부터 분리, 수집하도록 돼 있다.
▣ 처리방법
원자로냉각재의 처리과정에서 발생하는 액체 방사성폐기물에는 입자나 이온형태의 방사성물질뿐만 아니라 붕산도 포함돼 있으므로 여과기 및 붕산증발기로 구성된 붕산회수설비를 사용, 붕산은 재사용하고 이 과정에서 붕산과 함께 있던 방사성물질은 제거된다.
방사능이 제거된 물은 발전소에서 재사용하거나 방사능 연속감시기로 감시하면서 배출하고 있다.
각종 기기로부터 누설된 액체 방사성폐기물은 먼지 등 불순물을 포함하고 있기 때문에 저장탱크에 수집했다가 액체 방사성폐기물 처리설비인 여과기, 이온교환수지탑 및 폐액증발기 등을 사용해 처리한다.
▣ 배출관리
기체 폐기물에 대한 배출관리와 마찬가지로 액체 방사성폐기물에 대해서도 원자력안전위원회 고시 제2012-29호의 배출관리기준 상의 제한값을 초과하지 않도록 관리하고 있으며 발전소 인근 주민의 방사선 영향도 원자력안전법 고시에서 정한 연간 선량한도를 넘지 않도록 제한하고 있다.
원전에서는 정기적으로 시료를 채취·분석하고 액체 폐기물을 외부로 배출하기 전에 방사성물질의 종류 및 농도를 측정, 발전소 인근 주민 거주 지역을 중심으로 배출관리기준 초과여부를 확인하고 있다.
액체 폐기물도 배출 방사능이 기준치에 도달하게 되면 방사선 연속감시기가 이를 감지해 배출을 차단시키는 신호를 발생하게 된다.
액체 폐기물은 증발·농축·여과 등을 거쳐 방사능 농도를 최대한 낮춰 배출하고 있으며 2012년도에 가동 중인 원전으로부터 배출된 액체폐기물의 방사능량은 총 0.00288테라베크렐(TBq)이었으며 액체 유출물로 인한 연간 주민 예상 방사선량은 가장 높았던 월성의 경우 5.07×10-4밀리시버트(mSv)로서 액체 배출물에 의한 제한구역 경계에서 연간선량한도인 0.03밀리시버트(mSv)의 1.7% 수준으로서 안전하게 관리되고 있다.
■ 고체 폐기물관리
고체 방사성폐기물은 기체 및 액체 방사성폐기물의 정화에 사용된 필터, 이온교환수지 및 액체폐기물 증발기의 농축폐액, 방사선 작업자들이 사용했던 작업복, 공구, 휴지 등의 잡고체로 구분할 수 있다.
고체 방사성폐기물은 일반 산업폐기물에 비하면 발생량이 매우 적으며 일반 산업폐기물의 경우 유해물질이 소멸되지 않으나 방사성폐기물 중의 방사능은 각각의 고유 반감기에 따라 시간이 지나면 세기가 감소된다. 이에 방사성폐기물을 생활환경으로부터 격리하고 적절한 시간동안 보관해 두면 방사능을 내지 않는 일반폐기물이 된다.
▣ 처리방법
고체 방사성폐기물은 종류에 따라 알맞은 처리방법을 사용해 그 부피를 감용하고 형태를 안정화함으로써 원전부지 내 임시저장시설의 이용효율 극대화, 영구처분 비용 절감, 최종 방사성폐기물의 특성 안정화 및 작업종사자 피폭 방사선량 저감을 도모하고 있다.
구체적으로 살펴보면 압축이 가능한 잡고체폐기물은 수집해 30톤 압축기로 드럼 내에서 압축, 뚜껑을 닫아 밀봉처리 한다. 폐수지는 완전 건조 후 고건전성용기(HIC: High Integrity Container)에 넣어 보관하고 있다.
▲유리화 설비
원전에서 발생되는 폐기물은 거의 방사선의 세기가 낮은 저준위방사성폐기물이지만 보다 안전한 관리를 위해 처분에 앞서 형태에 따라 알맞게 처리하고 있다.
특히 원전의 방사선 작업자들이 사용했던 작업복, 장갑, 덧신 등 가연성 고체폐기물을 처리하기 위한 방법으로 ‘유리화’가 있다. 유리는 보통 수정과 같은 결정성유리와 창문에 끼는 유리와 같은 비결정성유리로 구분된다.
이중 비결정성 유리는 나트륨, 붕소 및 실리콘 등이 산소와 결합해 서로 연결고리를 형성하는 분자를 가지고 있다.
유리분자 구조 중에서 붕소 및 실리콘의 조성을 적당히 변경시키면 연결고리에 큰 구멍이 뚫리게 되고 방사성 핵종을 유리와 함께 1,000도 이상의 온도로 가열하면 방사성핵종이 유리분자 구조의 큰 구멍 속에 잡히게 된다.
이렇게 유리분자 속에 갇힌 방사성핵종은 좀처럼 밖으로 빠져나오지 못하게 되는데 이러한 원리를 이용해서 방폐물을 처리하는 방법을 유리화라고 한다.
▣ 저장관리
고체 폐기물은 포장용기에 포장 후 전용트럭으로 원전 부지 내 방사성폐기물 임시저장고로 운송해 폐기물 종류별로 저장하고 있으며 최종적으로는 영구처분장으로 운반돼 처분하게 된다.
▲발생량 추이
2012년도에 가동 중인 원전에서 발생한 고체폐기물은 모두 1,843드럼(200리터 드럼 기준)으로써 전년도(1,782드럼)와 비슷한 수준이다.
방사성폐기물을 처분시설로 인도하기 위해서는 처분관련 규정을 적합하게 준비해야 한다.
처분관련 규정은 1991년 처음으로 과학기술부 고시로 제정돼 2차례 개정을 거쳤으나 정성적인 내용이 많아 처분요건으로 실제 활용하기에는 다소 미흡한 점이 있었다.
반면 2012년 1월 ‘중·저준위 방사성폐기물 인도규정’이 원자력안전위원회 고시 제2012-53호로 개정되면서 처분을 위한 기술기준이 구체적으로 제시됐다.
방사성폐기물의 처분을 위해서는 중·저준위 방사성폐기물 인도규정에서 정하는 바에 따라 폐기물에 포함돼 있는 주요 핵종별 방사능 농도를 규명해야 하며 규명방법으로 방사선계측 등에 의한 직접측정 방법, 척도인자 등 간접평가 방법, 물질수지 등을 이용한 이론적 평가방법을 이용하도록 규정하고 있다.
드럼내 감마 방사능분석을 위해 드럼 밖으로 방출되는 감마 방사성핵종의 방사능 세기를 분석한 후 이를 활용해 드럼 내에 존재하는 방사성핵종의 방사능농도를 평가하기 위해 각 원전본부별로 드럼핵종분석장치(Radioactive Waste Assay System)를 1대씩 방사성폐기물 임시저장고에 설치했다.
폐기물드럼 내 핵종평가를 위해서는 알파, 베타, 감마핵종을 분석해야 하나 알파, 베타 핵종의 경우 시료 전처리 및 복잡한 분석방법 등으로 척도인자를 적용하는 방법으로 평가한다.
척도인자(Scaling Factor)란 직접측정이 곤란한 핵종의 방사능을 평가하기 위한 인자로 주요 감마선 방출핵종과 알고자 하는 핵종과의 농도비를 말한다. 이러한 척도인자는 발전소별, 폐기물종류별 시료채취·분석을 통해 국내 원전별 특성이 반영되도록 개발했으며 주기적으로 유효성을 검증하고 있다.
또한 2010년에는 처분관련 규정에 적합하게 처리, 포장된 한울(1,000드럼) 및 월성(536드럼) 원자력발전소 중저준위 방폐물을 국내 최초로 경주 처분장에 안전하게 처분했으며 이후 2012년에 월성(1,000드럼)을 추가로 처분했다. 향후 발전소에 보관 중인 방폐물 드럼을 인도하기 위해 처분 적합성을 확인, 안전하게 처분할 계획이다.