우라늄의 일생
원자력 발전의 원료, 우라늄의 일생
우라늄 광석에서 핵연료가 되기까지
한 눈에 보는 우라늄의 일생
- 01 채광
주로 땅속에서 광석 형태의 우라늄(U)을 채굴합니다. 보통 우라늄이 0.1% 이상 존재하는 경우 경제성이 있는 것으로 평가합니다.
- 02 정련
채굴한 우라늄 광석은 불순물 등의 제거를 위해 화학적 여과(정련) 과정을 거칩니다. 모든 정련 과정이 끝나면 우라늄 정광 혹은 Yellow cake로 불리는 노란색 가루 형태의 순수한 우라늄이 만들어집니다.
- 03 변환 및 농축
자연에 존재하는 우라늄은 우라늄-238(약 99.2%)과 우라늄-235(약 0.715%), 우라늄-234(약 0.0058%)로 이뤄져 있습니다. 이 중 현재 우리나라 원자력발전소에서 사용할 수 있는 것은 우라늄-235입니다. 하지만 자연계에 존재하는 양이 너무 작아 반드시 농축 과정(2~5%)이 필요합니다.
이를 위해 Yellow cake를 기체 형태의 육불화우라늄(UF6)으로 변환시킨 후, 우라늄-235와 우라늄-238의 무게 차이를 이용한 원심분리법이나 기체의 속도차를 이용한 기체확산법 등을 활용합니다. 이후 취급이 용이하도록 분말 형태인 이산화우라늄(UO2)으로 재변환합니다. - 04 핵연료 제조
이산화우라늄(UO2) 분말을 원자로에 사용하기 적합한 형태로 제조하는 공정입니다.
우선 이산화우라늄을 약 1,700℃의 고온에서 가열하여 단단한 세라믹 형태로 만듭니다. 이를 핵연료 소결체 또는 펠렛(지름 8mm, 높이 1cm의 원기둥 모양)이라고 합니다. 그다음 가느다란 파이프 관에 펠렛을 모아 연료봉 형태를 갖추고, 이들을 여러 개로 묶어 하나의 다발을 만듭니다.
펠렛 1개는 4인 가족이 8개월 동안 사용할 수 있는 1,600kWh의 전기를 생산합니다. 이는 석유 3배럴(480리터), 석탄 0.6톤으로 만들 수 있는 에너지입니다. 1,400MW급 한국 신형 원자력발전소는 약 2천2백만 개의 펠렛이 핵연료 다발 형태로 장전되며 시간당 33,600MWh의 전기를 생산합니다. - 05 원자로 장전
핵연료는 한번 장전되면 3~5년간 사용 후 단계별로 교체됩니다.
다만 중수로(D2O)형 원자력발전소의 경우 천연 우라늄(농축X)을 원료로 사용하므로 매일 교체합니다. - 06 파이로 재활용 공정 및 소듐냉각고속로
수명이 다한 핵연료(사용후핵연료)를 재활용하는 기술입니다.
자세한 내용은 한국원자력연구원이 개발 중인 원자로에서 확인할 수 있습니다. - 07 임시 저장 및 영구처분
사용후핵연료는 우라늄의 핵분열 연쇄반응 과정에서 다량의 방사성물질들이 발생하기 때문에 매우 강한 방사능과 높은 열을 가집니다.
따라서 일정 기간 원자력발전소 내 임시저장시설(수조)에서 냉각 과정을 거친 후, 외부에 있는 중간저장시설로 옮겨 열과 방사능을 낮춰줍니다. 이 기간이 대략 40~50년입니다. 이후 땅속 500m 깊이에 영구 처분할 예정입니다. 물론 재처리를 통해 우라늄(U), 토륨(Th), 플루토늄(Pu) 등과 같은 핵물질을 재활용할 수 있으며, 이와 관련한 기술을 한국원자력연구원에서 개발 중이지만 처분의 필요성 자체가 없어지지는 않습니다.
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