이글루에서 방사능 냄새날 것 같아요~
건식 저장되고 있는 사용후 핵연료 - 저 안에 인류 최악의 물질이...
고준위 핵폐기물
사실 이게 본론인데 말입니다ㅡ.ㅡ
일반적으로 10만년 이상 인류와 격리되어야 하는, 방사능이 극히 강한 핵폐기물을 고준위 폐기물로 분류합니다. 방사능도 방사능이지만 거기에 더해 수십년 이상 수백도의 고열을 내뿜기 때문에 저준위 폐기물과는 차원이 다른 취급과 처분이 필요하지요.
고준위 폐기물은 보통 두가지 부류로 나누어 집니다. 첫번째는 사용후 핵연료로, 현재 우리나라 원자력 발전소에 쌓여있는 놈들이 이겁니다.
조금 옆으로 새지만, 원자로에서 사용하는 핵연료(우라늄, 플루토늄)는 처음에 조그만 원통 모양으로 만들어집니다. 그리고 그걸 연료봉이라는 금속관 안에 쌓아 넣죠. 그리고 그 금속관을 다발로 묶은 연료봉 집합체를 연료로서 원자로에 집어 넣는데, 쓰고나면 이게 그대로 폐기물이 됩니다.
연료봉 집합체
핵분열 반응은 끝났지만 그 과정에서 생겨난 방사능 원소들이 자연붕괴하며 막대한 방사선과 열을 뿜어내고 있기 때문에 원자로에서 뽑아내자마자 이걸 통째로 물에 넣어서 식혀야 합니다. 그 안에는 주성분인 우라늄이 거의 그대로 남아있지만, 우라늄이 중성자를 흡수하는 과정에서 생겨난 플루토늄, 아메리슘 같은 초우라늄 원소들과 요새 좀 유명한 놈 세슘, 스트론튬 같은 우라늄의 핵분열로 분열된 원소나, 그것이 붕괴하여 생겨난 강한 방사능 물질도 무시 못하게 들어 있습니다.
각 원소들의 반감기는 천차만별이고, 그 화학 성질도 상이한데다, 구성비도 제각각이기 때문에 이것도 꽤 골치거리 입니다. 아무튼 꺼낸 사용후 핵연료는 그대로 수조나 공냉식 냉각통에 들어가서 열을 식히게 됩니다... 오랫동안...
이걸 이렇게 오랫동안 놓아 두는 이유는 오래 둘수록 방사능도 약해지고, 열도 식기 때문에 취급이 편해지기 때문입니다. 물론 버릴 곳이 없다(...)는 이유나 버리고 싶지 않다(!)는 이유가 강합니다.
처분장이 없으니 버릴 곳이 없다는거야 당연하지만, 버리고 싶지 않은 이유는 뭘까요?
원자력이 참 신기한게 사용 후 핵연료는 비유하자면 태우고 남은 쓰레기인데 다시 쓸 수가 있다는 겁니다. 사용 후 핵연료에는 핵반응을 하지 않은 우라늄이 거의 그대로 들어있을 뿐만 아니라, 새롭게 생성된 플루토늄이 잔뜩 들어있습니다. 오히려 핵분열 물질이 새것보다 더 많이 생기는 겁니다. 오오 연금술! 이걸 버리는건 아깝지 않나요?
그래서 예전부터 일부 국가들은 재처리라는 것을 해 왔습니다.
강한 질산으로 사용후 핵연료를 녹여서 쓸만한 우라늄과 플루토늄만 뽑아내서 다시 쓰자는 거지요. 이 과정을 거치면 97%까지 재활용 할 수 있어 폐기물의 양도 줄고, 반감기가 긴 우라늄과 플루토늄이 빠지는 것이므로 폐기물이 위험한 기간도 획기적으로 줄어듭니다. 이론적으로는(ㅡ.ㅡ)
아무튼 그렇게 쓸만한 걸 걸러내고 나온 쓰레기는 질산에 녹아있어 액체 상태이고 그걸 중화 시킨 뒤에는 액체상태에서 건더기(!)가 좀 들어있는 상태라고 합니다. 이것이 바로 재처리 폐기물입니다.
이것도 마찬가지로 그럭저럭 몇 년 간 식힌 뒤에 처리하는데, 주로 사용되는 방법은 유리화라고 해서 유리가루와 같이 섞어 녹인 뒤 같이 굳혀버리는 겁니다. 이렇게 하면 방사능 물질이 유리의 구조 안에 갖혀 새나오거나 하지 않고 안정적으로 저장된다고 합니다.
다만 이 재처리 과정이 위험하고 더러운데다 비싸기까지 하고, 핵폭탄 제조와 직접적으로 연관되어 있기 때문에(사실상 이게 제일 큽니다) 우리나라를 비롯한 많은 나라들의 사용이 금지되어 있습니다. 하지만 핵연료인 우라늄이 원래 한정된 자원이기 때문에 아무래도 아까워서(ㅡㅡ), 우리나라를 비롯한 대부분의 원자력 사용국가들은 재처리를 포기하지 않고 있습니다.
있는 핵폭탄도 없애야 할 차원인 미국만 유일하게 사용 후 핵연료를 그냥 버리자는 쪽이지요.
아무튼 버리자고 마음을 먹었다면, 처리는 어떻게 할까요?
고준위 핵폐기물의 처리방법들
이 위험하고 위험한 고준위 폐기물을 처리하는 방법은 오랫동안 고민되어 왔습니다. 일단 현재로서는 거의 포기된 처분법들을 살펴보기로 하죠. 왜?...재미있으니까.
첫번째는 지표 처분입니다. 이건 크고 튼튼한 건물(피라미드 같은)을 만들거나 그게 비쌀 것 같으면 산을 파내서 그 안에 핵폐기물을 집어 넣는겁니다. 비용은 비교적 저렴한데... 이게 10만년 이상 버틸수 있을까요? 나중에 핵폐기물을 재활용해야 할 때 쉽게 꺼내 쓸 수 있다는 장점은 있지만, 그만큼 자연(지진, 풍화작용)이나 악의를 가진 인간에 의해 훼손될 가능성이 큽니다.
고준위 핵폐기물의 처리를 더욱 어렵게 하는 요인이 바로 도난 문제인데, 거기 약하다는거지요.
상상을 초월하는 시간 동안 치사량의 방사능을 내는 고준위 폐기물은 '더러운 핵폭탄'의 아주 좋은 원료입니다. 테러리스트가 약간의 고준위 폐기물을 훔쳐낸 뒤, 폭탄으로 살짝 두른다음 도시 한복판에서 터뜨린다면?
테러리스트가 열 수 있는 최악의 헬게이트 입니다.
또 다른 처리방법은 많은 사람이 꿈꾸는 방법이죠. 우주 처분입니다. 지구에서 처리하기 곤란하다면 우주로 쏘아버리면 그만이죠. 그냥 영원히 잊어도 됩니다. 물론 발사 실패로 인해 핵폐기물이 추락하는 곤란한 경우도 있을 수 있습니다. 하지만 그 과정에서도 핵폐기물이 든 용기가 파괴되지 않도록 할 수는 있다는군요.
이 방법의 가장 큰 문제는 역시 돈입니다. 어떤 무게의 물체를 우주로 쏘아 올리는데 드는 비용은 같은 무게의 금값보다 비싸다죠... 핵폐기물에 그만한 가치가 없는건 분명합니다. 그래서 일부 학자들은 핵폐기물에서 특히 위험한 방사능 원소만 분리해서 날려버리자는 주장을 하긴 합니다만, 그 분리해 내는 과정이 훨씬 더 고비용이고 위험할거라는 건 상식으로도 넉넉히 짐작할 수 있는 사항이지요.
세번째는 SF스럽게도 빙하내 처분입니다. 말 그대로 극지방에 영원히 얼어있는 빙하 속에 파묻겠다는 건데... 이게 꽤 재미있는 것이 직접 땅이나 얼음을 팔 것도 없이 폐기물이 들어있는 용기를 빙하 위에 놓아두기만 하면, 폐기물이 뿜어내는 고열로 얼음이 녹아서 점점 아래로 내려간다는 겁니다. 그러면 그 위는 다시 얼어서 위험한 폐기물은 수백, 수천미터 두께의 얼음 속에 갇히게 되는 겁니다. 돈 한푼 안 들이고요.
이 방식이 폐기된 이유는... 결정적으로 그 뒤에 어떻게 될 지 모른다는 겁니다.ㅡ.ㅡ
빙하의 바닥까지 내려가서도 계속 펄펄 끓으면서 주위의 얼음을 녹일텐데... 도대체 어떻게 될 지 예측할 수가 없는거죠. 최악의 경우 빙하의 움직임을 가속해서 폐기물이 바다 속에 떨어질 지도 모른다고 합니다.
네번째도 꽤 원초적인(!) 방법입니다. 고준위 폐기물이 그렇게 무섭다면, 아-주 깊이 묻어버리면 되죠. 시추공을 3-5km 정도로 어마어마하게 깊이 뚫어서 그 구멍에 버리는 겁니다.
...뭐 쉽게 생각할 수 있는 결말입니다만, 그렇게 깊게 파는건 너무 돈이 많이 들죠(...)
더불어, 뜨거운 지하 깊은 곳에 더 뜨거운 폐기물을 버리면 녹아서 방사능 마그마가 생길텐데 다시 올라와서 po방사능화산wer이 생기는게 아닌가 하는 우려도 있었습니다.
심해저 지층처분
이건 일반적이지는 않지만 위에서 반박된 조금은 원초적인(!) 방법들과는 다릅니다. 꽤 고려해볼 만한 방법이죠.
그런데 이건... 뭐랄까... 상당히 헐퀴스런 계획이긴 합니다.
어떻게 보면 일반인과 전문가의 시각차이를 보여주는 것 같아 인상적이지요.
이 방법은 간단합니다. 고준위 폐기물을 통에 넣어 배에 싣습니다. 그리고 수심 5000m이상의 대양 한복판으로 갑니다. 대양 한복판의 해저에는 철분이 풍부하고 입자가 조밀한 '적색 점토'라는 것이 넓게 퇴적되어 있다고 합니다. 정해진 위치에 이르면 폐기물 통을 바다에 버립니다(!?). 이걸로 사람할 일은 끝.
그러면 폐기물 깡통은 낙하하면서 속력을 얻어 폭신폭신한 점토 퇴적층 아래로 파고들어 갑니다. 한 4-50m 정도 파고 들어간다는군요. 그리고 그대로 묻힙니다. 이 방법이 못 미덥다면 폐기물 통 뒤에 추진장치를 달아 속도를 낸다거나(어뢰?), 안전하게 배에서 시추 장치를 내려 점토층에 꽂은 다음 통을 내려서 처분하는 방법이 있다고 합니다.
우선 이 방법은 대양 한복판 수심 5km 아래의 지하에 처분한다는 점에서 인간 환경과 그 이상으로 멀리 떨어질 수 없는 방법입니다. 그리고 대양 한복판인 만큼 위험한 지진이나 화산 같은 지질 활동도 약하고, 폐기물 주위를 감싸게 되는 '적색 점토'는 방사능 물질의 흡착성이 아주 좋다는군요. 오랜 세월이 지나는 동안 방사능 물질이 새어 나오더라도 심해의 안정한 환경에서는 퍼지지 않는다고 합니다.
이 방법의 장점은 역시 비용이 적게 든다는거죠. 심플 그 자체입니다. 그러면서도 안전성은 가장 뛰어난 축에 속한다고 합니다.
물론 정서적, 정치적으로 바다, 그것도 공해인 대양 한복판에 지구상에서 가장 위험한 물질을 투하 한다는건 절대 용납되기 힘든 사항이긴 합니다만, 여러분들은 어떻게 생각하시나요...
지질학적 동굴처분
이런 저런 논의 끝에 비용 타당성, 안전성, 정치성, 실현 가능성 다 따져서 선택된 것이 바로 지질학적 동굴처분법입니다. 지금 전 세계가 선택한 방법이죠.
인적이 드문 지역, 안정된 지반에 수직갱을 파서 300-1500m까지 내려간 다음 수평 갱을 많이 뚫고 거기 폐기물을 버리자는 안 입니다.
다른 방법에 비해 비용도 상식선이고, 무엇보다 지질학에 대해서 인류가 많이 알고 있다는 것이 큰 장점입니다. 이미 알고 있는 암석과 지하수의 성질에 대한 지식은 10만년 이상이라는 인류의 경험을 뛰어넘은 격리 기간 동안 그곳에 어떤 일이 일어날 지 예측하고 대비할 수 있게 합니다. 아무튼 친숙한 방법입니다. 쓰레기는 파고 묻는다. ^^
인류는 고준위 핵폐기물에서 방사능 물질이 새어나오는 걸 막을 수 없다.
어떤 단단한 금속 껍질을 두르더라도 결국에는 부식되고, 아무리 깊은 지하에 묻더라도 결국 새어나온다. 그럼에도 불구하고 인류에게 해를 끼치지 않게 하려면 어떻게 해야하나.
이런 가정에 기초를 두고 만들진 처분법입니다.
그래서 세워진 목표는 1만년에서 10만년이라는 시간 동안, 처분된 고준위 핵폐기물이 지상으로 새어나와 인간에게 해를 끼치지 못하게 하는 겁니다.
그 정도 시간이면 안전할 정도로 방사능이 줄기 때문이죠. 이를 위해서 지질학적 동굴처분은 공학적 방벽과 지질학적 방벽이라는 두가지 안전망을 칩니다.
공학적 방벽은 인간이 할 수 있는 모든 대비입니다.
유리화된 재처리 폐기물이든, 사용후 핵연료든 고준위 핵폐기물은 우선 두꺼운 금속으로 만들어진 패키지 안에 넣어집니다. 이 패키지의 재질이 중요한데요. 잘 부식되지 않는 금속이어야 합니다. 제일 좋기로는 금이나 백금을 사용하면 거의 영원히 보장되...지만 당연히 이럴 수는 없고, 그 다음으로 쓸만한 재료가 구리라고 합니다. 100만년은 넉넉히 안전합니다. 하지만 구리도 원래 비싼 ㄱ금속인 만큼, 일반적으로 선택되는 것은 역시 강철이나 주철, 스테인레스 승리의 스뎅라는군요. 아무래도 철인 만큼 부식되기는 하지만 수천년 정도는 안전하다고 합니다.
그럼에도 불구하고 비싼 구리를 선택한 핀란드, 스웨덴... 부자 놈들...
위 사진을 좀 더 설명해보자면, 저기 아저씨 뒤에 있는 원통에 네모난 구멍이 있고, 뭔가 하나 끼워져 있죠? 저게 핵연료 복합체입니다. 원자로에서 꺼낸 모양 그대로 집어 넣는거죠. 그리고 다 채우고나면 사진 왼쪽의 왠지 보일러 광고가 생각나는 두꺼운 구리로 된 원통안에 집어 넣습니다. 이것이 패키지.
이 패키지들을 잘 용접해 뚜껑을 막고, 처리장 동굴에 넣습니다. 주위는 점토로 채웁니다. 이 점토도 중요한 역할을 하는데 물을 흡수해 팽창하여 빈틈을 막고, 패키지가 파괴될 경우 새나오는 방사능 물질들을 흡착하는 재료입니다. 처리장은 수십년 정도 사용한 뒤 완전히 메꾸도록 계획 중이죠.
이러면 끝!...이 아니라. 사실 이 처분 방법의 안전성에는 인간이 만드는 공학적 방벽보다 자연이 만드는 지질학적 방벽이 훨씬 중요합니다.
위에서 한 가정대로, 인간이 아무리 벽을 치고 친다고 해도 실수가 있거나 장구한 세월이 지나면 방사능 물질이 샐 수 밖에 없다는거죠. 그래서 새어나온 방사능 물질이 지표로 흘러나와 인간에게 해를 끼치지 못하도록 하는 것은 지질학적 방벽. 자연의 방벽이 중요합니다. 특별할 건 없고, 처분장이 들어서는 땅 그 자체가 지질학적 방벽입니다. 이 때문에 처분장을 건설할 때 가장 중요한 것은 처분장의 입지선택이 됩니다.
처분장이 될 수 있는 입지 조건은 까다롭습니다.
주위에 데모할거주하는 사람이 적을 것, 지하 자원이 없을 것(나중에 파보는 사람이 있을 수 있기 때문에), 충분히 튼튼하지만 굴착이 용이할 것 같은 소소한 조건도 많지만, 가장 중요한 것은 물이 잘 통하지 않아야 한다는 겁니다. 이 때문에 처분장은 일반적으로 건조한 지역에 건설되며, 처분장이 위치한 심도에서 지하수가 흘러서는 안됩니다. 처분장이 위치한 암반에 틈새가 많아서 지하수가 스며서도 안됩니다. 그리고 지하수가 새어들더라도 그 물 때문에 암반이 부식성이 되어서는 안되며, 지하수의 흐름이 강해서도 안 됩니다. 그리고 지하수에 묻어 새어나간 방사능 물질이 잘 흡착할 수 있는 재질이어야 합니다.
이렇게 물에 대한 제한이 엄격한 것은 물은 폐기물이 들어있는 금속 패키지를 부식시키고, 새어나온 방사능 물질을 녹여 지표로 운반하기 때문입니다.
그리고 중요한 것은, 처분장이 건설되는 암반이 폐기물에서 나오는 강렬한 열과 방사능에 버틸 수 있어야 한다는 겁니다. 고준위 폐기물의 경우 50년 이상 100도에서 250도까지 지속적으로 강한 열을 내는데요(폐기물의 농도를 낮추는 방법으로 조절할 수 있습니다. 물론 부피와 등가교환ㅡ.ㅡ). 암석 중에는 오랫동안 강력한 열을 받으면 구조가 변해 물이 잘 스며들게 되는 것이나, 물과 방사선을 받아 폐기물 패키지에 해가 되는 물질을 만드는 종류가 있다고 합니다. 그런 암석은 피해야 합니다.
그렇다면 어떤 암석으로 구성된 암반이 적당할까요?
첫번째 후보는 암염이 있습니다. 소금으로 되어있는 만큼 확실히 지하수 이동이 없고, 시굴이 쉽다는 장점이 있죠. 하지만 어쩌다 물이 새어들면 아주 진한 염수가 되는데, 이게 부식성이 강하다고 합니다. 주로 땅 넓는 미국에서 고려 중...
두번째는 화강암입니다. 대체로 지하수 이동이 없고, 튼튼하다는 장점이 있죠. 문제는 보통 열극(틈)이 많아 지하수가 새어들기 쉬우므로, 열극이 적은 암체를 찾아야 한다는 겁니다. 선택의 여지가 없는 나라에서 고려 중입니다(가령 스웨덴은 나라가 거의 화강암으로만 되어 있다는군요ㅡㅡ).
그 외에도 여러 암체가 고려되고 있는데, 현재 주종은 위의 두 종류라고 합니다,
그렇다면 이 지질학적 동굴처분법은 얼마나 안전할까요?
모든 가정과 그에 따른 실험에 따르면 최악의 경우. 그러니까 고준위 폐기물을 담은 깡통이 묻히는 즉시 새기 시작하고, 위에서 말한 모든 공학적 방벽이 즉시 무효화 되더라도, 부지만 잘 택했다면 자연적인 방벽만으로도 방사능 물질이 지표로 누출되어 해를 끼칠 가능성을 최소화 할 수 있다고 합니다.
결국 방사능 폐기물이 안전해질 때까지 인간 환경에서 최대한 차단하는 것이 목표인 방법입니다.
...
여러가지 핵폐기물과 그 처분법에 대해 알아 보았습니다. 쓰레기 주제에 복잡합니다.
아무튼 다양한 핵 폐기물을 처리하는 기술적인 기반은 알아본 바와 같이 어느정도 완성되어 있으며, 핀란드에서 건설중인 고준위 핵폐기물 처리장의 예에서 볼 수 있듯이 어느 정도는 지금도 이행되고 있습니다. 하지만 어떤 방법으로 어떻게 안전을 보장하든 핵폐기물 처리에서 가장 중요한 부분은 역시 과학이나 기술적인 분야가 아닌, 좀 씁쓸하지만 정치적 이해 관계를 어떻게 조정할 지에 대한 문제인 것 같습니다.
특히 중저준위 폐기물 처분장 입지 선정에도 내전 급의 갈등을 겪은 우리나라로서는 고준위 폐기물 처분장의 건설은 상상만 해도 한숨밖에 안 나올 하드코어한 일이 아닐 수 없습니다. 그래서 그런지 재처리에 올인하는 모습을 보여주고 있는데, 이게 또 문제가 복잡하지요...ㅡ.ㅡ 아무튼 그건 이 글의 범위 밖입니다.
오늘은 일단 이걸로 -끝-