우리얘기

핵의 재처리 여부를 알아낼 수 있는 방법으로는 총량분석법(bulk analysis)과 입자분석법(particle analysis)이 있습니다.

총량분석은 시료를 화학적으로 처리한 뒤 우라늄과 플루토늄을 각각 분리한 후, 열이온화 질량분석기(TIMS; Thermal Ionization Mass Spectrometry)등 질량분석기를 사용해서 핵물질의 양을 측정하고 동위원소 비율을 구해 이를 정상적인 핵물질의 동위원소 비율과 비교함으로써 비정상적인 핵활동 유무를 판별할 수 있습니다.

입자분석은 시료에 묻어있는 먼지와 입자들을 회수해서 균일한 입자층을 만든 다음 중성자를 조사하면 핵물질 입자 부분은 핵분열에 의해서 특정 모양의 흔적(트랙)이 생기는데, 이를 토대로 핵분열성 물질을 포함하는 입자만을 선별해서 입자별 동위원소 비율을 측정함으로써 개별 입자의 재처리, 농축 등의 핵활동 정보를 알아낼 수 있습니다.

이 같은 분석을 수행하기 위해서는 국제원자력기구(IAEA)의 '국제 사찰시료 분석 실험실 네트워크(IAEA-NWAL; NetWork of Analytical Laboratories)'에 가입되어야 하는데,  지금까지 IAEA-NWAL에는 미국, 프랑스, 일본 등 9개국 15개 연구기관만 가입되어 있었습니다.

NWAL은 IAEA가 세계 각국을 대상으로 핵 사찰 활동을 통해 수집한 시료를 정밀 분석하기 위해 운영 중인 사찰시료 전문 분석기관으로, IAEA가 요구하는 기술 및 시설 인증을 통과해야만 가입할 수 있습니다.

■ 한국원자력연구원이 국제원자력기구(IAEA)로부터 '국제 사찰시료 분석 실험실 네트워크(IAEA-NWAL; NetWork of Analytical Laboratories)' 총량분석 분야에서 가입 승인을 받았습니다.

한국원자력연구원은 지난 2008년 IAEA로부터 NWAL 가입 후보로 지정받아 2009년부터 총 70억원의 연구비를 투입해 극미량 핵물질 분석체계를 구축했습니다.

이 중 총 3차에 걸친 IAEA의 시험 시료 분석 절차와 관련 시설 검증을 통과함으로써 최근 NWAL 가입 승인을 최종 통보 받았습니다.

검증 절차에서 한국원자력연구원은 IAEA가 보내온 시험 시료에 포함된 1나노그램(10억분의 1그램) 이하 우라늄과 1 피코그램(1조분의 1그램) 이하 플루토늄의 총량과 동위원소 비율을 오차 범위 이내로 밝혀내 정확도, 정밀도, 품질경영 등 IAEA가 요구한 기술적 요건을 충족시켰습니다.

NWAL 가입을 위해서는 위의 기술 요건과 함께 극미량 핵물질 분석 과정에서의 오염을 막기 위해 'Class 100급'의 시설 구축이 요구되는데, 한국원자력연구원은 보유중인 소규모 시설로 IAEA의 검증을 통과했습니다.

Class 100(Class ISO 5)은 1 입방피트 공간에 0.5마이크로미터 이상의 입자가 100개 미만 존재하는 청정도로, 일반 가정의 청정도는 Class 50만, 반도체 생산 공정의 청정도는 Class 10 수준입니다.

한국원자력연구원은 올해 안에 입자분석 분야의 가입도 신청할 계획입니다.

또 한국원자력연구원은 이번 NWAL 가입으로 본격적인 사찰시료 분석 업무를 수행하게 됨에 따라 기존 시설 외에도 40억원을 투입해 올해 안에 청정실험연구동을 완공할 예정입니다.

한국원자력연구원의 NWAL 가입으로 우리나라는 극미량 핵물질 분석 기술을 국제적으로 인정받고 IAEA의 핵사찰 시료 분석 작업에 참여할 수 있게 됐습니다.

이번 NWAL 가입으로 우리나라는 국제 핵사찰 활동 참여를 통해 글로벌 핵비확산 노력에 원자력 기술 선진국 위상에 걸맞는 공헌을 할 수 있게 됐습니다.

총량분석을 위한 동위원소비 측정

열이온화 질량분석기(TIMS)

입자분석을 위한 입자 회수

<국제 사찰시료 분석 실험실 네트워크 관련 자료>  1. IAEA-NWAL  ○ IAEA에서는 전 세계에서 수집되는 사찰시료의 정밀분석을 위해 사찰시료 분석 실험실 네트워크(IAEA-NWAL; NetWork of Analytical Laboratories)를 운영하고 있으며 실험실의 기술적 수준, 국가적 능력 등을 고려해 분석 기술을 갖춘 기관들을 가입시키고 분석을 위탁하고 있음  ○ 사찰시료 분석에는 총량분석과 입자분석 분야가 있으며, NWAL도 총량분석 네트워크와 입자분석 네트워크로 나뉨 2. 사찰시료 총량분석  ○ 사찰시료에 포함된 핵물질 전체를 한꺼번에 분석하는 방법으로서, 시료 내 핵물질의 총량 정보와 평균적인 동위원소비 측정 가능  ○ 시료가 수집된 시설의 핵활동 유무에 대한 판단 근거 제공  ○ 총량분석 절차     1) 시료 회수 : 고온 가열로 시료 내 핵물질 회수     2) 고순도 산처리 : 핵물질 용액화     3) 기준 물질 첨가 : 총량 정보를 얻기 위한 기준 물질 첨가     4) 핵물질별 화학 분리 : U, Pu, Am 등의 핵물질 분리     5) 질량 분석 : 동위원소비 측정     6) 결과 처리   3. 청정실험연구동 건설 현황  ○ 건물 규모 : 총 1,400m2, 지상 1층/지하 1층  ○ 건물 내용 : 청정실 (약 500m2), 일반실험실 (약 65m2), 기타 (840m2)  ○ 소요 예산 : 40억원  ○ 진행 현황    - '10년도 상세 설계 완료    - '11년도 4/4분기 착공    - '13년 상반기 내 준공 예정     4. 총량분석 분야의 IAEA-NWAL 가입 실험실 현황

현재 원자력은 우리나라를 비롯한 대부분의 나라에서 주요 에너지원으로 활용되고 있습니다.

그러나 이 원자력 역시 연료인 우라늄 매장량 등을 토대로 볼 때 앞으로 약 60년 가량 밖에 사용할 수 없는 유한 에너지원입니다.

그럼에도 원자력에 대한 기대가 사라지지 않는 것은 현재 원자로 가동 방식과 다른 고속증식로에 대한 기대 때문입니다.

이는 고속중성자를 이용하여 핵분열반응을 일으켜 에너지를 생산함면서 동시에 비핵분열성 물질인 우라늄238을 핵분열성 물질인 플루토늄 239로 변환시키는 것이 핵심입니다.

기존 방식은 우라늄23를 분열시키는 것으로 중성자 속도가 저속이지만, 고속증식로는 중성자 속도가 고속인데다 우라늄238이 보다 많은 플루토늄239를 생성시키기 때문에 우라늄 이용 효율을 60~100배까지 높일 수 있습니다.

즉 현재 사용연한 60년인 매장 우라늄을 6000년까지 사용할 수 있는 것입니다.

그러나 고속로는 냉각재 등 기술적 난제가 있어 실용화를 위해 세계 원자력 선진국들이 연구 중에 있습니다.

이 제4세대 원자력 시스템은 현재 가동 중인 3세대 원전보다 지속가능성과 안전성, 경제성, 핵비확산성을 획기적으로 향상시킨 미래형 원자력 시스템으로, 각국이 2030년대 상용화를 목표로 개발 중입니다.

□ 소듐냉각고속로(SFR)는 제4세대 원자력 시스템 중에서도 가장 실현 가능성이 높은 것으로 평가되는 노형으로, 열 중성자를 이용하는 경수로와 달리 고속 중성자(fast neutron)를 이용해서 핵분열을 일으키고 이 때 발생하는 열을 물이 아닌 액체 소듐으로 전달해서 증기를 발생시키고 이 증기로 전기를 생산하는 원자로입니다.

소듐냉각고속로(SFR)는 경수로 사용후핵연료를 재활용하는 기술인 파이로프로세싱(pyroprocessing, 건식처리공정) 기술과 연계해서 독성이 높은 장수명 핵종을 반감기가 짧거나 안정된 핵종으로 변환시킴으로써 사용후핵연료의 방사성 독성 감소 기간을 1000분의 1로 줄이고, 소모한 핵연료보다 더 많은 핵연료 물질을 생산함으로써 경수로보다 100배 이상 우라늄을 활용할 수 있는 '꿈의 원자로'입니다.

□ 한국원자력연구원이 제4세대 소듐냉각고속로 기술을 실증하기 위한 종합효과시험시설(ITL) 1단계를 건설했습니다.

소듐냉각고속로(SFR; Sodium-cooled Fast Reactor)는 현재 사용되고 있는 원자로보다 우라늄 홀용도를 100배 이상 높일 수 있어 꿈의 원자로로 불리웁니다.

종합효과시험시설(ITL)은 실제 원자력 발전소의 주요 계통을 축소 모사한 것으로, 원자로에서 사고와 고장 발생시 일어날 수 있는 상황들을 시뮬레이션함으로써 신형 원전의 안전성을 실증하는 대형 실험시설입니다.

한국원자력연구원은 오는 2028년 원형로 건설을 목표로 개발 중인 소듐냉각고속로(SFR)의 성능을 종합적으로 실증하는 소듐 열유체 종합효과시험시설 STELLA-1(Sodium Integral Effect Test Loop for Safety Simulation and Assessment-1)을  최근 구축했습니다.

STELLA는 SFR 원형로의 원자로계통 및 핵심 안전계통인 잔열제거계통의 열용량을 1/9로 축소 제작한 것으로, 실제 원자로에서 일어날 수 있는 다양한 현상을 약 600 ℃이 실제 온도와 압력으로 모의할 수 있는 종합 효과시험 시설입니다.

STELLA는 실제 핵연료 대신 전기를 이용해서 고속로 내부와 같은 조건을 구현함으로써 방사성 물질의 유출 위험 없이 고속로에서 일어날 수 있는 각종 현상 및 사고들을 정밀하게 모의할 수 있습니다.

이번 소듐 열유체 종합효과시험시설(STELLA)의 구축으로 '제4세대 원자력 시스템'의 핵심 노형인 소듐냉각고속로(SFR)의 특정설계인가 획득에 필요한 실험 데이터를 생산, 그동안 설계 중심의 SFR 기술개발 능력을 하드웨어적인 검증 단계로 발전시킬 수 있게 됐습니다.

STELLA는 SFR 설계기술 및 전산체제, 소듐기술 등 지난 1997년 본격적으로 SFR 연구개발에 착수한 이래 축적해온 연구결과들을 종합적으로 실증함으로써 SFR 원형로 건설을 위한 경험과 기반기술의 수준을 향상시키는 역할을 수행하게 됩니다.

소듐 열유체 종합효과시험시설 STELLA-1 구성도

 용  어  설  명

종합효과시험시설(ITL) :

개별효과실험(Separate Effect Test) :
단독 기기나 부품의 기능이나 성능을 검증하는 실험

종합효과시험(Integral Effect Test) :
다수의 기기와 부품으로 구성된 계통 내에서 기기나 부품 상호간의 영향이나 계통 차원의 성능을 검증하는 시험