선광티엔에스·원자력연 원전 폐수지 첫 상용규모 공정 실증…1조 원 가치

중준위 방사성폐기물 2시간내 저준위로 99% 전환 가능

원전 중준위 방사성 폐기물인 폐수지를 저준위로 처리할 수 있는 상용 규모 실증 공정이 세계 처음 개발됐다.

한국원자력연구원(원장 주한규)은 선진핵주기기술개발부 박환서 박사 연구팀이 중수로에서 나오는 폐수지 처리를 상용 규모로 실증하는데 성공했다고 15일 밝혔다.

월성원전과 같은 중수로(CANDU)에서는 중준위 방사성폐기물인 폐수지가 발생한다. 이 폐수지에는 방사성 핵종이 포함돼 있다. 이 핵종 제거를 위해선 이온교환수지를 사용해야 하는데, 여기엔 고농도의 방사성동위원소 탄소-14((¹⁴C)가 포함돼 있다.

문제는 이 폐수지가 탄소-14때문에 경주 방사성폐기물 처분장 처리 기준에 맞지 않는다는 것이다. 경주로 보내기 위해서는 방사능 농도가 10의 5승 수준이어야 하는데, 이 폐수지는 10의 5승 후반대에서 10의 6승 초반대다. 기준 대비 배수로 따지면 1.8배 가량 높다. 방사능 발생량도 기준인 10¹⁴ 레벨을 넘어선다.

폐수지를 경주로 보내기 위해서는 방사능 농도의 저준위 처리가 불가피한 것.

연구팀은 지난 2018년 ‘마이크로파 조사를 통한 폐수지 처리 원천기술’을 개발한 바 있다. 이 기술은 마이크로파로 이온교환수지를 가열해 화학적 구조를 바꿔 탄소-14를 분리하는 기술이다.

원전에서 나온 폐수지의 방사성 동위원소 처리전(왼쪽)과 후 사진.

연구팀은 이 기술을 바탕으로 이번에 상용규모 처리 공정(100㎏/batch)을 개발하고, 실증에 성공했다.

월성원전 폐수지 대상 탄소-14 분리, 저감 성공

연구팀은 지난 2월, 월성원전 내 보관 중인 폐수지를 대상으로 방사성동위원소 탄소-14를 99% 분리·저감했다.

이기락 박사는 "이번 실증은 세계 최초로 안전성을 확인받고 인허가를 거쳐 실제 사용한 폐수지를 상용규모로 처리에 성공한 것"이라며 의미를 부여했다.

박환서 책임연구원은 "중수로를 운영하는 캐나다, 중국, 인도 등에서도 중수로 폐수지 처리 관련 연구를 진행하고 있으나, 실험실 규모의 실증 단계"라며 "대부분 폐수지에 전기, 열 또는 산을 가하는 방식의 방사능 저감 처리는 과도한 2차 폐기물이 발생하고 처리에 시간이 오래 걸리는 단점이 있다"고 말했다.

연구팀은 폐수지 내 탄소-14를 효과적으로 회수하기 위해 마이크로파에 주목했다. 마치 전자레인지의 마이크로파가 운동에너지를 발생시켜 음식물을 데우듯, 폐수지를 2시간 정도 마이크로파로 조사하는 방법으로 화학 반응을 유도해 탄소-14가 99%정도 분리되는 것을 확인했다.

원자력연구원이 개발한중수로 폐수지 상용규모(100kg batch) 처리 공정 장치

연구팀은 실증을 위해 냉장고 크기 정도의 마이크로파 조사 반응기를 원전 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 흘려보내 탄소-14를 회수했다. 이 결과 남은 폐수지는 저준위 폐기물 수준을 나타냈다.

현재 국내 중수로에 보관된 폐수지는 상당한 양의 탄소-14를 포함한다. 이를 경제적 가치로 따지면 1조 원 가량 된다.

연구팀은 "이 기술로 전량 수입에 의존하는 고가의 동위원소를 직접 회수해 국내 산업에 활용하거나 외국으로 수출할 수 있다"고 말했다.

올해 한수원 사업 참여 상용화 계획

박환서 책임연구원은 "올해 한수원 사업에 참여해 상용화할 계획"이라면서 "기술 우위를 확보한 만큼 해외진출도 모색할 것"이라고 덧붙였다.

또한, 폐수지에서 회수한 탄소-14는 농축 과정을 단 한 번 거치면 의약품 개발에 사용되는 표지 화합물의 원료물질로도 활용할 수 있다. 기능성 소재 개발과 같은 새로운 4차 산업 소재 분야에도 응용할 수 있다.

이번 공정 개발은 산업통상자원부 산하 에너지기술평가원 지원을 받았다. 주관기관은 (주)선광티엔에스(대표 노광준)이다. 참여기관은 한국원자력연구원과 울산과학기술원(김희령 교수)이다.

과제기간은 2019년부터 2023년까지 5년 간이다. 예산은 60억 원이 투입됐다.

탄소-14 흡착제 내, 외부를 확대한 모습.

기술개발에는 박환서 박사 외에 원자력연구원 이기락 박사 연구팀이 참여했다. 이 박사 연구팀은 마이크로파 조사를 통해 발생하는 탄소-14를 외부로 배출하지 않고 내부에서만 순환시켜 고농도로 회수하는 상용규모 공정시스템을 개발했다.

주관기관인 ㈜선광티엔에스는 상용규모 공정장치를 설계·제작해 발전소에서 연구원과 공동으로 실증했다. 울산과학기술원은 처리시스템의 방사선학적 안전성을 입증했다.

선진핵주기기술개발부 류재수 부장은 “이번 중수로 폐수지 처리기술은 방사성폐기물의 문제를 해소하는 중요한 연구 결과"라며 "새롭고 혁신적인 방사성폐기물처리 공정기술과 관리기술을 지속적으로 개발해 나갈 계획”이라고 밝혔다.