“핵폐기물 낭비하지 말자” … 일부 국가들 주장
- Rick Laezman
- 8월 14일
- 5분 분량
‘사용후 핵연료’ 재처리로 더 많은 청정 에너지 확보, 방사성 폐기물 감축, 자연보호 지역 보호 방법
‘사용후 핵연료’ 재처리는 우라늄과 그 분열 생성물에서 탄소 배출이 없는 전기를 추출할 수 있으며, 방사성 폐기물의 양과 독성을 극적으로 줄이고, 자연 경관을 훼손하는 우라늄 채굴의 필요성을 크게 감소시킬 수 있다.
이것은 미래의 이론이 아니다. 프랑스, 인도, 일본, 러시아 등 여러 국가에서 이미 사용 중인 검증된 기술이지만, 미국에는 아직 도입되지 않았다.
핵 에너지는 이미 미국 전기 생산의 19%를 탄소 이산화물이나 미세먼지 배출 없이 공급한다. 우라늄 연료는 석유나 석탄처럼 유한하지만, 운영 중 온실가스를 배출하지 않아 풍력이나 태양광과 같은 무배출 전원군에 속한다.
문제는 미국의 원자력발전소가 사용후연료를 재사용하지 않는 '일회용’' 또는 '개방형’ 연료 사이클'을 사용한다는 점이다. 이 시스템은 연료의 작은 부분만 연소시키고, 나머지는 무기한 보관한다. '사용 후 연료봉'에 포함된 분열성 물질의 90% 이상은 여전히 전력 생산에 재사용될 수 있다.
미국 에너지부(DOE)의 아곤국립연구소(Argonne National Laboratory)에 따르면, ‘사용후 핵연료’ 재활용으로 '이미 채굴한 우라늄에서 수백 년분의 에너지를 생산할 수 있다'.
DOE의 태평양 북서부 국립연구소(PNNL)는 현재 미국의 관행을 자동차에 10갤런의 연료를 채우고 반 갤런을 태울 만큼 운전한 후 남은 연료를 버리는 것을 반복하는 것으로 비유했다. 재처리 과정은 이 방정식을 바꾼다: 사용후연료에서 재사용 가능한 우라늄과 플루토늄을 회수해 새로운 원자로 연료로 전환하고, 이 과정을 ‘폐쇄형’ 연료순환 체계에서 여러 번 반복한다.
미국 원자력발전소가 ‘사용후’ 핵연료봉을 버리는 이유는 우라늄235 연료 원자가 분열할 때 발생하는 다양한 방사성 핵분열 생성물이 중성자를 흡수해 연쇄반응을 방해하고 연료의 효율을 점차 저하시키기 때문이다. 결국 원자로는 연료를 교체하지 않으면 전력 생산을 유지할 수 없다.
PNNL 화학자 어맨다 라인은 "세계가 탄소 배출 감축과 전력 생산 확대라는 두 가지 과제에 직면한 상황에서, 사용후핵연료를 재활용해 새로운 연료를 만드는 것이 두 과제의 동일 해결책”이라고 말한다.
핵폐기물 재활용
우라늄 1톤당 에너지 생산량을 늘리는 것 외에도, 재처리 과정은 방사성 폐기물 양을 80% 줄이고 장기적으로 방사능을 90% 감소시킨다. 이는 사용후연료를 관리하는 시간과 비용을 대폭 줄인다. 현재 사용후연료는 냉온 상태의 수조에 담겨 무거운 콘크리트 용기에 보관되고 수천 년 동안 감시되어야 한다. 재활용은 또한 새로운 우라늄 수요를 줄여 호주, 카자흐스탄, 캐나다, 러시아, 나미비아, 미국 등 우라늄 광석이 풍부한 국가에서 채굴과 정련 작업으로 인한 환경 파괴를 방지한다.
현재 주로 사용되는 상업용 방법은 퓨렉스(PUREX)라는 플루토늄-우라늄 추출 공정으로, 재사용 가능한 우라늄과 플루토늄을 ‘사용후 연료’에서 분리해 혼합산화물 연료(MOX)를 생산한다. 이 방법은 여러 단계에서 액체 용액을 사용해 재사용 가능한 우라늄과 플루토늄을 분리하는 습식 공정이다. 피로처리 파이로프로세싱(pyroprocessing)이라는 새로운 기술은 습식 기술과 같은 대규모 액체 폐기물 발생 없이 재사용 가능한 금속을 분리하기 위해 초고온 용융염과 전기를 사용하는 건식 공정이다.
이점들은 명확하지만, 현재 대규모로 재처리를 수행하는 나라는 두 곳뿐이고, 프랑스가 선두를 차지하고 있다. 노르망디에 위치한 라아그 재처리 시설은 오라노 그룹이 운영하며, 1976년부터 4만 톤 이상의 ‘사용후 연료’를 재처리해 국가 전력 공급량 약 17%의 재활용 연료로 공급해 왔다. 프랑스의 원자력발전소는 국가 전력 공급의 약 61%를 담당하기 때문에 재활용이 중요한 역할을 한다. 이 시설은 다른 국가의 사용후연료도 처리하며, 재처리 연료를 독일과 일본, 스위스, 벨기에, 네덜란드, 이탈리아로 반환한다.
반면 러시아는 우랄 산맥의 마야크 시설에서 연간 약 100메트릭톤(1000킬로그램 톤 단위)의 ‘사용후 핵연료’를 재처리하고 있다. 이는 전체 ‘사용후 핵연료’ 분량의 극히 일부에 불과하지만 확장 계획을 가지고 있다. 일본과 중국, 인도, 영국도 재처리 프로그램을 추진해 왔으나 성공과 지속성 측면에서 차이가 있다.
미국은 재처리 분야에서 뒤처져 있다
미국은 다른 길을 선택했다. 핵 시대 초기, 맨해튼 프로젝트 아래에서 플루토늄을 열핵무기에 사용하기 위해 재처리 기술이 개발되었으며, 이후 우라늄이 부족해질 경우 상업용 연료 공급을 연장하기 위한 목적으로도 고려되었다. 그러나 민간 부문의 재처리 노력은 높은 비용, 기술적 어려움, 엄격한 규제 때문에 실패했다. 1976년 제럴드 포드 대통령은 핵무기 확산 위험을 이유로 상업적 재처리 추진을 중단했으며, 이후 대통령들도 이 입장을 유지했다. 핵 에너지 맥락에서의 ‘확산’은 퓨렉스 공정으로 회수되고 농축되는 플루토늄이 핵무기 보유국이 아닌 국가로 확산되는 것을 의미한다.
이 정책은 2006년 DOE의 글로벌 핵 에너지 파트너십을 통해 완화되기 시작했다. 이 파트너십은 폐기물 재활용을 위한 국제 협력을 촉구했다. 근래 바이든 행정부 하에서 DOE의 첨단 연구 프로젝트 기관 에너지(ARPA-E)는 ONWARDS와 마리 퀴리(라듐 발견자)의 이름을 딴 CURIE 프로그램을 통해 확산 저항성(비확산형) 재처리 기술 개발을 지원하기 위한 프로그램을 출범시켰다.
신세대 원자로의 등장
그러나 미국에는 상업용 재처리 시설이 없으며, 현재 운영 중인 경수로 원자로는 MOX나 기타 재활용 연료에 최적화되어 있지 않다. 기존 원자로를 개조하는 것은 비용이 너무 많이 든다.
더 유망한 대안으로는 나트륨 냉각 원자로, 초고온 원자로, 용융염 원자로 등 새로운 세대의 '고속' , 첨단 원자로를 들 수 있다. 이들은 '사용후 연료'로 효율적으로 가동할 수 있을 뿐 아니라, 연소 과정에서 발생하는, 수명이 긴 방사성 부산물 일부를 소비할 수 있다.
고속 원자로는 '고속 중성자'(물과 같은 중성자 감속재에 의해 속도가 줄어들지 않는 중성자)를 사용해 플루토늄과 ‘사용후 연료’에 포함된 소량 방사성 원소 등 더 넓은 범위의 동위원소를 분열시킬 수 있다. 또한 폐쇄형 연료순환을 통해 연료를 재활용해 핵폐기물의 양과 독성을 극적으로 줄일 수 있으며, 우라늄238에서 새로운 연료를 생산해 연료 공급을 수세기 동안 연장할 수 있다.
예를 들어 고속 원자로는 노심을 냉각하기 위해 물 대신 액체 나트륨을 사용한다. 이는 효율성을 높이고 핵분열 연쇄반응을 방해하는 부산물인 악티늄계 폐기물을 연소시킬 수 있다. 또한 기존 발전소에서 생성된 플루토늄을 연소하기 때문에 핵확산 문제를 무의미하게 만든다.
초고온 원자로는 반응을 조절하기 위해 흑연을 사용하고 헬륨 가스로 냉각하며, 재활용 연료 사용도 허용한다. 용융염 원자로는 핵연료를 뜨거운 염화물 냉각제에 혼합해 높은 연소율과 내재적 안전성을 달성한다. 미국에서는 아직 상업용으로 운영 중인 원자로는 없지만, 다수의 프로젝트가 진행 중이며 첫 번째 원자로는 2030년경에 가동될 것으로 예상된다.
다른 국가들은 이러한 설계 도입에 더 빠르게 움직였다. 세계원자력협회(World Nuclear Association)에 따르면, 첨단 제3세대 원자로는 1996년 일본에서 처음 도입되었다. 러시아의 BN-600 나트륨 냉각 고속 증식로는 1980년부터 운영 중이며, 후속 모델인 BN-800은 2016년에 가동되었고, BN-1200은 2027년 가동을 목표로 하고 있다. 제3세대 시설은 이전 유형보다 훨씬 안전하고 경제적인데, 비상 시 자동 물리적 과정을 통해 가동을 중단하며, 때로는 신뢰할 수 없는 운영자 대응에는 의존하지 않는다.
러시아와 중국은 또한 부유식 원자력 발전소를 탐색 중이다. 이는 많은 장점을 가지고 있다. 모듈 형태로 공장에서 사전 제작되어 현장에 운송되며, 기존형 원자로보다 시간과 비용을 절약할 수 있다. 또한 다른 연료를 수입하는 것이 실용적이지 않거나 비용이 많이 드는 외딴 지역의 경우 청정 에너지를 공급할 수 있다. 부유식 원자로는 해안이나 고립된 지역에서 인구와 산업(광업 등) 운영을 지원할 수 있다.
미국은 재처리 기술 부족으로 일회용 연료 주기, 폐기물 장기 저장, 우라늄 채굴에 의존하고 있다. 스타트업 큐리오(Curio: 큐리 그랜트 500만 달러 수혜 기업)의 에드 맥기니스(Ed McGinnis) CEO는 연료 주기를 폐쇄하는 것이 필수적이라며 “핵 에너지의 잠재력을 완전히 발휘하려면 사용후핵연료를 재활용함으로써 핵연료 주기의 후단부 문제를 해결해야 한다.”고 주장한다.
원자력 기술 추격 중
그 잠재력에도 불구하고, 미국에서는 아직 상업용으로 배치된 첨단 원자력발전소가 없다.
현재 많은 프로젝트가 진행 중이며, 연방정부는 이 기술의 성장을 지원하기 위해 조치를 취해 왔다. 2025년 5월, 트럼프 대통령은 이 기술의 ‘빠른 도입’을 보장하기 위한 행정명령에 서명했다. 그러나 상업용 원자력 산업을 지원하는 단체인 원자력에너지연구소(Nuclear Energy Institute)에 따르면, 북미 지역에서 첫 첨단 원자력발전소가 2030년 이전에는 가동을 시작할 것으로 예상되지 않는다.
미국이 재처리 기술을 대규모로 도입하는 것은 다음과 같은 의미를 지닐 수 있다:
이미 채굴된 우라늄에서 수백 년 분량이 될 수도 있을 만큼 더 많은 에너지를 얻을 수 있다.
수천 년 동안 보관 관리해야 할 폐기물 감소
새로운 우라늄 채굴로 훼손되는 땅의 감소
더 강력하고 깨끗하며 안전한 국내 에너지 공급.
요약하자면, 전 세계 국가들이 기후변화의 긴급성과 풍력, 태양광만으로는 전기 수요를 안정적으로 충족시키는 데 한계가 있음을 인식함에 따라 원자력 발전이 다시 주목받고 있다. 사용후핵연료 재활용은 만능 해결책이 아니지만, 이 기술을 훨씬 더 자원 효율적, 기후 친화적, 환경적으로 책임 있는 것으로 만들 수 있다.
지원 정책, 목표 지향적 투자, 그리고 대중의 수용을 통해 핵연료 재처리 기술은 비용이 많이 드는 폐기물 부담을 전략적 청정 에너지 자산으로 전환할 수 있다. 이는 화석연료에서 벗어나면서도 신뢰성과 경관을 희생하지 않고 에너지 전환을 지원하는 데 기여할 수 있다.
*릭 라즈먼은 미국 캘리포니아주 로스앤젤레스에 거주하는 프리랜서 작가이다. 그는 에너지 효율성과 혁신에 열정을 가지고 있으며, 재생 에너지 및 관련 주제를 10년 이상 취재해 왔다.
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