- 중준위 방사성폐기물 '폐수지' 2시간만 처리해도 99% 저준위 폐기물로 전환 -

- 처리 과정서 고가의 방사성동위원소(탄소-14)도 회수해 경제적 이윤 창출 기대 -

□ 월성원전과 같은 중수로(CANDU)에서는 중준위 방사성폐기물로 폐수지가 발생한다. 폐수지는 중수 등의 액체를 처리하는 과정에서 방사성 핵종을 제거할 때 사용한 이온교환수지※인데, 방사성동위원소인 탄소-14(14C)를 포함하고 있다. 방사능의 농도가 높고 양이 많아 경주 방사성폐기물 처분장에 처분하는 것이 불가능하다. 그래서 발전소 내 저장탱크에 따로 장기간 보관해왔지만, 이번에 한국원자력연구원이 해결 방법을 찾았다.

※ 이온교환수지(IRN150): 약 1mm 크기의 구슬 형태를 가진 고분자 물질에 방사성 동위원소를 제거할 수 있도록 기능성을 부여한 물질로, 사용한 유기이온교환수지는 물과 함께 폐수지 저장탱크에 보관되어 있다.

사진 1. 폐수지 처리 전(왼쪽)과 처리 후(오른쪽)

□ 한국원자력연구원(원장 주한규)은 선진핵주기기술개발부 박환서 박사 연구팀이 세계 최초, 최대 용량의 중수로 폐수지 처리 상용규모 실증에 성공했다고 15일 밝혔다.

 ㅇ 연구원은 2018년에 ‘마이크로파 조사를 통한 폐수지 처리 원천기술’을 개발한 바 있다. 이 기술은 마이크로파로 이온교환수지를 가열해 화학적 구조를 바꿔 탄소-14를 분리하는 기술이다. 해당 기술을 바탕으로 상용규모 공정(100kg/batch)을 개발해 지난 2월, 월성발전소 내 보관 중인 폐수지를 처리하여 고가의 방사성동위원소 탄소-14를 99% 분리·저감하고 회수했다. 이번 실증은 세계 최초로 안전성을 확인받고 인허가를 거쳐 실제 사용한 폐수지를 상용규모로 처리에 성공한 것으로 그 의미가 크다.

사진 2. (왼쪽) 중수로 폐수지 상용규모(100kg/batch) 처리 공정 장치, (오른쪽) 중수로 폐수지 실험실 규모 처리 공정 장치

□ 중수로를 운영하는 캐나다, 중국, 인도 등에서도 중수로 폐수지 처리 관련 연구를 진행하고 있으나, 실험실 규모에서 실증하는 단계이다. 또, 대부분 폐수지에 전기, 열 또는 산을 가하는 방식으로 저감 처리를 했는데, 이는 과도한 2차 폐기물이 발생하고 처리에 오랜 시간이 걸리는 등의 문제점이 있었다.

 ㅇ 반면, 연구팀은 폐수지내 탄소-14를 효과적으로 회수하기 위해 마이크로파에 주목했다. 마치 전자레인지의 마이크로파가 음식물을 조사해 운동에너지를 발생시켜 음식물을 데우듯이, 폐수지를 2시간 정도 마이크로파로 조사하면 화학 반응이 일어나 탄소-14가 약 99% 분리되는 것을 확인했다.

□ 연구팀은 실증을 위해 냉장고 크기 정도의 마이크로파 조사 반응기를 발전소 내부에 설치했다. 그 후 폐수지 저장탱크에 있는 폐수지를 옮겨 마이크로파 반응기에 투입했다. 조사가 진행되는 동안 폐수지의 탄소-14가 장치 내부에서 가스 형태로 발생 되고, 이를 흡착장치로 흘려보내면 흡착제가 탄소-14를 회수할 수 있다. 남은 폐수지는 저준위 폐기물로 분류되어 경주처분장에 보내지게 된다. 

 ㅇ 국내 중수로에 보관된 폐수지 역시 많은 양의 탄소-14를 포함하는데, 이는 약 1조 원 이상의 가치를 지닌다. 연구팀이 개발한 기술로 전량 수입에 의존하는 고가의 동위원소를 직접 회수하여 국내 산업에 활용하거나 외국으로 수출하는 길이 열린 것이다.

 ㅇ 또한, 폐수지에서 회수한 탄소-14는 농축 과정 한 번만 거치면 의약품 개발에 사용되는 표지화합물의 원료물질로 활용할 수 있다. 기능성 소재 개발과 같은 새로운 4차 산업 소재 분야에도 응용할 수 있어 기대가 크다. 

사진 3. (위) 탄소-14 회수 흡착제 외형, (아래) 흡착제 확대 모습

□ 이번 공정 개발은 산업통상자원부의 지원을 받아 산·학·연이 협업한 것으로 한국원자력연구원, ㈜선광티엔에스(대표 노광준), 울산과학기술원(김희령 교수)이 함께 했다.

 ㅇ 기술개발을 총괄한 박환서 박사 외에 연구원 이기락 박사 연구팀은 마이크로파 조사를 통해 발생하는 탄소-14를 외부로 배출하지 않고 내부에서만 순환시켜 탄소-14를 고농도로 회수할 수 있는 상용규모 공정시스템을 개발했다. ㈜선광티엔에스는 상용규모 공정장치를 설계·제작해 발전소에서 연구원과 공동으로 실증했으며, 울산과학기술원은 처리시스템의 방사선학적 안전성을 입증했다.

□ 선진핵주기기술개발부 류재수 부장은 “이번 중수로 폐수지 처리기술은 방사성폐기물의 문제를 해소하는 중요한 연구 결과 중의 하나”라며, “새롭고 혁신적인 방사성폐기물처리 공정기술과 관리기술을 지속적으로 추진할 계획”이라고 밝혔다.