단 1%짜리 재활용 위해 수백조원 투자?

[핵연료 재처리 진단과 대안 ④]

작년 말 UAE에 원전수출이 확정된 후, 원자력산업은 한국 경제의 새로운 돌파구가 된 것처럼 과대포장되어 정치적으로 이용되고 있다. 계약당시 소수 언론사를 제외하고는 한국의 언론들은 제대로 된 분석과 비평 기능을 실종한 듯 했다. 계약당시 흘러나왔던 파병설은 최근의 특전사 파병으로 확인되었지만 여전히 계약서는 공개되지 않은 채 저가공급은 물론 고정가격 계약, 완공연기에 따른 손해배상 등 불리한 조건으로 계약을 체결했다는 소식이 해외에서 들려오고 있다.

한편, 2014년에 종료되는 한미원자력협정을 연장하기 위한 실무 협상테이블이 시작된 후로 '파이로 프로세싱'이라는 새로운 재처리 방식으로 핵확산 걱정이 필요 없다는 주장에서부터 '핵주권론'까지 심심찮게 등장하고 있다.

한미원자력협정에서는 미국산 원전설비와 핵연료를 미국의 허가 없이 변형・가공할 수 없게 되어 있는데, 올 10월부터 시작한 차기협정 교섭을 통해 한국의 재처리 추진파는 '파이로 프로세싱'으로 재처리를 할 수 있도록 협정문을 개정하고 싶어 한다. 하지만 사용후 핵연료의 재처리는 핵무기원료인 플루토늄을 추출하기 때문에 국제적으로 매우 민감하다.

국내의 재처리 추진파들은 파이로 프로세싱이라는 새로운 재처리방식은 플루토늄을 단독으로 추출할 수 없으므로 핵확산에 연결되는 위험성이 적고, 재처리한 후의 우라늄도 재활용할 수 있어 경제성도 높다고 주장한다. 동시에 재처리와 떼놓을 수 없는 새로운 원전인 고속로를 개발하면 사용후 핵연료속의 우라늄자원의 재활용률을 더욱 높일 수 있으며, 거의 무한정의 자원을 얻을 수 있다고 말한다.

문제는, 이렇듯 특정 이해집단들의 주장과 잘못된 정보만 일방적으로 대중들에게 소개되고 있다는 것이다. <프레시안>은 이런 문제의식을 가진 장정욱 마쓰야마대 경제학부 교수의 주장을 8회에 걸쳐 연재한다. 장정욱 교수는 일본에서 재처리와 원전의 경제성을 연구한 학자다.

장 교수는 연재를 통해 1) '파이로 프로세싱' 재처리방식도 핵확산에 연결될 수 있다는 점 2) 사용후핵연료의 93～94% 재활용이 가능하다는 주장에 비해 사실은 플루토늄의 1～1.2%의 재활용에 불과하다는 점 3) 어떤 형태의 재처리라도 몇백조원에 달하는 막대한 비용이 필요하고 안전성이 보장되지 않는다는 점 4) 고속로 개발 역시 경제성과 안전성이 없으며, 홱확산에 연결된다는 점 등의 문제점을 짚어갈 예정이다. <편집자>

4. 핵연료의 재처리, 재활용률은 플루토늄 1.1%이다

2006년8월에 태양계의 가장 바깥쪽에 있는 명왕성이, 혹성의 자리에서 배제됐다. 명왕성(Pluto)이란 명칭은 그리이스신화의 명계(冥界) 즉 지옥의 왕 Pluto에서, 그리고 플루토늄(Plutonium)의 명칭은 명왕성에서 유래했다. 1945년, 플루토늄은 이름 그대로 핵무기로 변하여 일본의 나가사끼시를 불바다로 초토화시켰다.

국내의 20기의 원자력발전소(이하, 원전)는 월성원전(중수로, 4기)을 제외한 나머지의 원전(경수로)은 천연우라늄속의 우라늄235(235U)을 농축하여 핵연료로 사용하고 있는데, 고리원전 1호기(3.8%)이외의 15기는 4.5%의 농축도를 가진 핵연료를 이용하고 있다. 천연우라늄에는 핵분열하는 에너지원으로서 이용할 수 있는 핵분열성물질 235U이 0.72% 밖에 없으며, 나머지의 대부분은 핵분열을 하지 않는 우라늄238(238U, 99.275%)이다.

4.5%의 농축도를 가진 핵연료란, 4.5%의 235U와 96.5%의 238U으로 구성된 연료를 말한다. 원전에서 지속적인 에너지를 얻기 위해서는 핵연료는 최소 2%이상 농축한 235U가 필요하다. 국내의 원전은 보다 장시간의 사용을 위해 4.5%의 농축도의 연료를 사용하고 있다. 핵연료는 농축도가 높을수록 가공비의 절약과 고준위 방사성폐기물의 축소 등의 경제적인 장점이 있는 반면, 연료의 발열량이 높아져 원자로의 제어가 상대적으로 어려워지는 단점도 있다.

출력 100만kW급의 원전은 1년에 약 20"'30t의 핵연료가 필요하다. 가령 4.1%의 핵연료를 제조하기 위해서는 천연우라늄 166t(1.18t의235U" {164.82t의 238U)이 필요하다. 농축공장에서 235U의 농축도를 4.1%로 높혀 20t (0.82t의 235U" {19.18t의 238U)의 핵연료를 제조할 때, 핵연료로서 부적절한 열화우라늄이 146t(0.36t의235U" {145.64t의238U) 발생한다. 그 일부만이 군사용의 열화우라늄탄의 재료로 이용될 뿐 대부분은 폐기 또는 저장된다.

그리고, 농축도 4.1%의 핵연료를 3.5년간 원자로에서 연소한 사용후 핵연료(20t)의 경우, 타나 남은 농축도 1%정도인0.18t(0.9%)의 235U, 18.58t(92.9%)의238U, 0.22t(1.1%)의 플루토늄, 0.02t(0.1%)의 MA(Minor Actinide) 등으로 구성된다. 이것들을 재처리를 통해 추출하여 다시 핵연료로 사용하는 것이 재처리 추진파의 93"'94%의 재활용률의 근거이다. 참고로 Actinide는 원자번호 90"'103의 14가지 화학원소을 포함하는데, 그중에 양이 많은 우라늄과 플루트늄을 Major Actinide, 그외의 것을 Minor Actinide라고 한다.

현재 프랑스 및 일본은 일부의 원전(경수로)에서 플루토늄과 우라늄을 혼합한 MOX(혼합산화물)연료를 사용하고 있다. MOX연료는 열화우라늄91"'96%와 플루토늄 4"'9%를 섞은 혼합연료이다. 문제는 재처리를 통해 추출한 열화우라늄이 아니라 실제로는 농축과정에서 폐기"E 저장한 열화우라늄을 사용하고 있는 점이다. 왜냐하면, 재처리에서 추출한 열화우라늄에는 핵분열을 방해하는 불순물이 많이 혼입되어 있으나, 농축과정에서 나오는 열화우라늄의 성분이 순수하고 양도 재처리과정보다 7.8배나 많기 때문이다.

또 재처리후의 1%정도의 농축도를 가진 미연소의 235U를 다시 4.1%로 농축할 경우에도, 기존의 농축공장시설이 불순물에 오염되므로 별개의 전용의 농축공장을 건설해야 한다. 참고로, 한국은 해외의 농축공장에 핵연료의 전량을 위탁하고 있는데, 이 때 발생한 열화우라늄의 소유권을 포기하고 있을 것이다. 따라서, 만약 MOX 연료를 제조할 경우에는 열화우라늄의 구입이라는 추가적인 비용발생도 피할 수 없을 것이다.

이처럼, 재처리를 통한 자원의 재활용률은93"'94%가 아니라, 오직 플루토늄만을 이용하는 1.1%에 지나지 않는다. 게다가 원전(경수로)에서의 이용의 경우, 이 플루토늄 중에서 핵분열하는 플루토늄(239Pu, 241Pu등의 홀수의 플루토늄)은 약 7할 정도로, 보다 정확히 말하면 재활용률은 0.7% 정도에 그친다. 한편, 현재의 원전이 농축우라늄을 연료로 하는 한, 농축과정에서 나오는 열화우라늄도 대량으로 계속 발생할 것이다. 왜 사용하지도 않을 열화우라늄의 추출을 위해 재처리를 주장하는지 그 이유가 궁금하다.

해외에서는 MOX 연료를 일부 이용하고는 있으나 안전상의 문제로 전체연료의 3분1 이하로 제한하고 있다. 경수로에서 MOX 연료를 태우는 것을 Thermal Recycle이라 하는데, 일본에서도 작년 12월부터 올 10월 현재, 3기의 원전에서 실시하고 있다. 올해 3월부터 일본에서 2번째로 시작한 이카타 원전3호기의 경우, 1) MOX 연료의 가격은 약 8.9억 엔으로 우라늄연료보다 최소 5배나 비싸며, 2) 발전량도 약 80% 정도에 지나지 않고, 3) 우라늄자원의 절약도 최대 10"'20%정도이고, 4) 연료봉의 낮은 용융점 때문에 원자로의 안전 여유도를 축소시키는 문제를 가지고 있다.

일본의 경우, 영국과 프랑스에 사용후 핵연료의 해외 위탁재처리를 하였다. 이 때 추출한 플루토늄을 소비할 원전으로서 MOX 연료를 100% 사용하는 신형전환로(ATR)의 건설과 소규모의 고속증식로(몬쥬)의 원활한 가동을 전제로 하고 있었다. 그러나, 전자는 경수로보다3배나 비싼 발전단가 때문에 전기사업자들이 건설을 거부하였다. 고속증식로 몬쥬도 1995년12월의 화재"E폭발사고로 중지됐다. 이 때문에 연료인 플루토늄이 계속 쌓이면서 핵무기개발용이라는 국제적인 의혹과 비난을 사게 되었다.

그 해결의 궁여지책으로서 경수로에서의 이용이 나오게 되었는데, 2000년부터의 실시계획도 영국에서 제조한 MOX 연료의 데이터 날조사건, 계속된 원전사고 등으로 2009년 12월에야 겨우 실행에 옮기게 됐다. 또 실시하는 원전이 있는 지역에 5년간 총 60억엔(약 720억원) 의 특별교부금을 지급하는 조건을 제시한 덕분이기도 하다.

참고로, 사용후 MOX 연료의 재처리는 방사능이 높은 핵분열 생성물 때문에 별도의 농축공장이 필요하다. 플루토늄은 우라늄연료보다 핵분열을 지속하는 임계(臨界)량이 적으므로 임계방지의 설비부담이 크며, 또 플루토늄 가운데에서도 발열량이 높고 비핵분열성인 플루토늄(240Pu, 242Pu) 등이 늘어나기 때문에 비용의 증가와 함께 재이용은 겨우 1회에 그친다.

또, 만약 무리하게 재처리를 할 경우에도, 재처리 및 MOX 연료제조 등에 필요한 추가적인 자원 및 에너지의 투입을 고려하면 경제성과 안전성은 더욱 낮아진다.

한편, 원자력관계자의 꿈이라는 소듐냉각고속로(SFR)가 개발된다 하더라도 재처리를 통한 자원의 재활용률은 1.2%정도에 지나지 않는다. 1.1%의 플루토늄과 0.1%의 MA를 더한 수치이다. 왜냐하면, 계속 농축과정의 열화우라늄을 사용할 것이기 때문이다. MA의 일부를 분리하여 연료로서 사용하는 것도 이제 막 연구실험단계에 들어섰을 뿐이다. MA에는 사용후 핵연료의 높은 방사선량을 가진 핵종인 넵투늄(Np), 아메리시움(Am), 퀴륨(Cm) 등의 초우라늄원소가 포함되어 있다. 이것들과 일부의 핵분열 생성물을 재처리공정에서 [분리]하여 고속로의 연료로서 [변환(變煥)] 또는 소멸시킴으로서 최종처분장의 축소와 안전관리기간의 단축이 가능하다는 논리이다.

그러나 현재 개발중인 고속로의 중성자는 핵종의 변환 및 소멸의 효율이 낮으며, 또 MA의 감소는 동시에 핵분열로 다른 핵종의 증가를 가져온다. 파이로 프로세싱방식의 재처리는 경수로의 사용후 핵연료의 저장문제의 해결책이라기보다는 고속로개발 즉 고속로의 핵연료주기의 완성을 위한 것으로서, 고속로의 상용화가 절대조건이라는 점은 그다지 알려지지 않고 있다.

이처럼 재처리를 통한 재활용률의 과학적인 사실은 명백하지 않는가? 겨우 1%의 재활용을 위해 몇백조원의 재원과 국민의 안전성을 무시하는 재처리가 왜 주장되고 있는지 의문이다.

장정욱 마쓰야마대 경제학부 교수