박정희의 부활 “핵폭탄이 우리를 구원하리라!” 왜 사용 후 핵연료 재처리에 집착하는가 ③ 장정욱 일본 마쓰야마 대학 교수

[왜 사용 후 핵연료 재처리에 집착하는가 ③]

장정욱 일본 마쓰야마 대학 교수

“우리의 숙원인 한미 원자력 협정 개정이 또 무산됐습니다. 핵연료 재처리에 여전히 미국이 반대 입장을 굽히지 않았고, 대신 현행 협정 시한을 2년 연장하는 선에서 절충안을 마련했습니다.”

지난 19일 한미 원자력 협정 개정 무산 소식을 전하는 문화방송(MBC) 권재홍 앵커의 멘트입니다. 그런데 의문이 꼬리에 꼬리를 뭅니다.

언제부터 한미 원자력 협정 개정이 “우리의 숙원”이 되었을까요? 포화 상태에 이르렀다는 핵발전소의 쓰레기를 핵연료 재처리로 정말로 해결할 수 있을까요? 또 북한의 핵무기 개발은 소리 높여 반대하면서, 왜 핵폭탄 원료의 개발로 이어질 수 있는 핵연료 재처리를 한국 정부는 “숙원”이라며 목소리를 높일까요?

그 복잡한 사정을 일본 마쓰야마 대학 장정욱 교수가 이번 주 5회에 걸쳐서 파헤칩니다. 장 교수의 결론은 이렇습니다.

“거짓말은 그만! 핵연료 재처리로는 절대로 핵발전소의 쓰레기를 해결할 수 없다! 더구나 비용만 수백조 원이 든다! 또 핵연료 재처리는 잘못하면 동북아시아의 핵확산 도화선에 불을 댕기는 위험한 일이다!” <편집자>

사용 후 핵연료 재처리가 환경 친화적?

사용 후 핵연료 재처리를 추진하는 이들이 내세우는 또 다른 이점이 있다. 이들은 재처리 공정 중에 독성이 강한 방사성 물질을 분리해서, ‘고속로의 고속 중성자로 장수명 핵종(주로 MA)’을 단수명 핵종으로 ‘변환(Transmutation)’시켜 최종 처리장의 규모를 줄이고 관리 기간의 축소도 가져올 수 있다고 주장한다.

(국내의 추진파는 ‘변환’ 대신 ‘소멸(消滅)’이라는 표현을 사용한다. 그러나 장수명 핵종이 핵분열 또는 중성자의 흡수를 통해 단수명 핵종으로 바뀌지만(변환), 그것을 소멸이라고 할 수는 없다. 파이로-프로세싱을 ‘재처리’가 아닌 ‘재활용’이라고 부르는 것처럼 의도적인 조작 행위이다.)

아래 그림은 사용 후 핵연료의 방사능 쇠퇴 기간을 나타내는 것인데, 직접 처분의 경우(Total) 천연우라늄 정도의 방사능으로 낮아지기까지 최소한 10만 년이 소요된다. 그러나 추진파의 주장에 따르면, 재처리 공정에서 장수명 핵종(Pu, Am, Cm 등)을 분리시키면, 이 기간이 약 1000년 이하로 줄어든다. 그 위험도가 줄어드니 당연히 최종 처분장의 확보도 용이하다.

▲ 장수명 핵종의 분리에 의한 관리 기간의 단축. ⓒ프레시안

이런 추진파의 주장은 희망 사항일 뿐이다. 현재까지는 재처리 과정에서 모든 핵종을 분리하지도 못했을 뿐만 아니라 단일 핵종을 100퍼센트 완전히 분리하지도 못했다. 실험실 규모에서 극히 몇 가지의 핵종 분리를 시도한 것에 불과하다. 실험실에서의 결과가 상용 시설에서 그대로 적용되지 않아온 과거 경험까지 염두에 두면 상황은 더욱더 비관적이다.

좀 더 자세히 살펴보자. 현재의 분리 실험은, 핵종을 단지 세 종류의 집합(group)으로 분리하는 군(群) 분리 단계이다. 앞으로 원소별 분리 더 나아가 최종적으로 핵종 분리(동위 원소별 분리)까지 진행되어야 한다. 완벽한 핵종 분리를 위해서는 가속기 및 레이저의 개발도 필요하나, 그 전망은 여전히 불투명하다.

상업적인 변환 처리 역시 전망은 밝지 않다. 현재의 고속 중성자 수준으로는 효율성이 떨어지기 때문이다. 특히 장수명 핵종의 변환을 위해서는 연소용 고속로가 개발되어야 하는데, 이 역시 전망이 불투명하다.

가령 추진파의 주장대로 완전한 분리, 변환이 가능하더라도, 최종 처리장에 고준위 방사성 폐기물을 처분하는 상황은 변하지 않는다. 핵분열 생성물(FPs) 중의 장수명 핵종(요오드129(I129) 및 칼륨40(K40) 등)은 어떻게 할 것인가? (반감기를 보면, I129는 1570만 년, K40은 12.8억 년, Tc99는 21.3만 년이다. 반감기가 지나도 이들은 여전히 방사선을 내뿜는다.)

사용 후 핵연료 초기 방사능의 대부분을 차지하는, 세슘137(Cs137)과 스트론튬90(Sr90)은 반감기가 30.1년과 28.8년이다. 이 역시 반감기가 지난다고 안전해지는 것이 아니다. 이 두 핵종이 무시할 정도로 방사능이 약화하려면 반감기의 열 배의 기간이 필요하다. 즉, 환경 친화성의 주장을 정당화하려면, 두 핵종을 300년간에 걸쳐서 별도로 보관해야 한다.

더구나 추진파는 재처리 과정에서 액체 폐기물(용융염 등)과 고체 폐기물(연료봉의 잔해, 기기, 용기, 필터 등)의 양이 증대하는 것은 쏙 빼놓고 이야기하지 않는다. 즉 재처리를 통해서 사용 후 핵연료의 양이 줄어들지도 않을뿐더러, 과외의 핵폐기물만 다량 배출될 가능성이 크다.

ⓒ프레시안(손문상)

사용 후 핵연료 재처리는 위험하다!

사용 후 핵연료 재처리를 추진하는 이들은 완전한 관리로 사고 발생의 위험이 아주 낮다고 주장한다. 여기에 파이로-프로세싱 공장에서는 초산 및 특수한 화학 용매를 사용하지 않기 때문에 일본 로카쇼무라 재처리 공장과 같은 습식 재처리 공장보다는 안전하다는 주장도 덧붙여진다. 과연 그럴까?

액체를 사용하지 않으므로 습식 재처리보다는 건식 재처리가 임계량이 많다는 점은 인정할 만하다. 하지만 나머지의 사고 발생 위험은 습식 재처리나 건식 재처리나 거의 동일하다. 습식 재처리 공장과 마찬가지로, 파이로-프로세싱 공장에서도 전(前) 처리 공정에서 나오는 휘발성 가스의 방출은 피할 수 없다.

한편, 자동화를 기본으로 한 일괄 공정이 갖추어진 습식 재처리와는 달리, 파이로-프로세싱은 기기별로 분리된 상태에서 용기 속의 방사성 물질을 크레인 또는 로봇으로 다음 단계의 기기에 옮기는 공정이다. 따라서 기기의 제어도 종업원이 직접 해야 하므로 완전 밀폐된 공간(Hot-cell) 및 원격 조정 시설 등이 부가적으로 필요하다.

이런 사정 때문에 건식 재처리 공장은 피폭 방지를 위한 엄격한 방호 설비를 갖추어야 한다. 원격 조정을 위한 로봇 팔, 납유리, 1~2미터 두께의 콘크리트 벽 등이 갖춰진 건물로, 내부는 부압(負壓) 환경으로 불활성(活性) 물질인 아르곤(Ar) 가스로 채워야 한다. 강력한 감마(γ)선 및 중성자의 피폭을 방지하는 것은 물론, 금속 플루토늄의 계속적인 산화도 차단해야 한다.

히로시마에 떨어진 핵폭탄에서 핵 분열한 우라늄235(U235)의 양 즉 핵분열 생성물(죽음의 재)은 800그램이었다. 핵발전소에서는 핵분열 생성물이 매일 히로시마 핵폭탄의 약 3배 이상 생성된다. 그런데 재처리 공장은 이런 사용 후 핵연료를 대량 취급하는 곳이다. 즉 사고 시의 피해 규모가 핵발전소와도 비교할 바가 아니다.

고준위 방사성 폐기물을 주로 취급하기 때문에 재처리 공장뿐만 아니라, 연료 제조를 위한 성형 가공 공장 등에서 노동자가 피폭 당할 가능성이 크다. 또 일단 사고가 발생하면 강한 방사능 때문에 수리 및 보수가 장기화되므로 재처리 공장을 비롯한 관련 시설의 경제성은 더욱 떨어지게 된다.

앞에서 언급했듯이 재처리 공장 내의 기기, 용기, 용융염 등의 2차 방사성 폐기물도 대량 발생한다. 또 연료봉의 절단 시에 나오는 유독 가스의 배출은 어떻게 방지할 수 있을까?

한국원자력연구원은 1992~2006년 동안 연구비 약 488억 원을 투입해 DUPIC(Direct Use of spent PWR fuel In CANDU) 계획을 추진했다. 이 계획은 경수로의 사용 후 핵연료에서 기체의 핵분열 생성 물질만 제거하여, 감손우라늄(우라늄235 약 0.9퍼센트)을 중수로의 천연우라늄(우라늄235 0.7퍼센트)의 핵연료 대신에 사용한다는 계획이었다.

하지만 이 계획은 겨우 연료봉 하나만을 실험한 것으로 끝났다. 왜냐하면, 한국수력원자력조차 경제성의 우려와 종업원의 피폭 등을 이유로 그 추진을 반대했기 때문이다. 현재까지는 이것과 비교할 수 없을 정도로 막대한 비용이 들어가는 파이로-프로세싱 역시 같은 실패의 길을 걸을 가능성이 크다.

재처리는 핵무기의 원료를 만든다!

미국을 비롯한 전 세계가 사용 후 핵연료의 재처리를 막으려는 가장 큰 이유는, 재처리 과정에서 핵무기의 원료에 적합한 순도 높은 플루토늄을 대량 생산할 수 있기 때문이다. 특히 일본 로카쇼무라 재처리 공장과 같은 현재의 습식 재처리 과정에서는 이런 플루토늄의 대량 생산된다.

그러나 파이로-프로세싱과 같은 건식 재처리 기술을 추진하려는 이들은 이 공정에서 추출하는 플루토늄에는 우라늄, MA 등이 혼합되어 있어서 핵무기의 원료로 적합하지 않다고 주장한다. 즉 파이로-프로세싱은 핵무기에 적합하지 않은 지저분한 플루토늄을 생산하므로, 핵확산과 거리가 먼 재처리 기술이라는 것이다.

이 역시 사실이 아니다. 건식 재처리 역시 핵무기로 사용할 순도 높은 플루토늄을 단독 추출하는 시간이 습식 재처리와 비교했을 때 상대적으로 길 뿐 불가능하지 않다. 파이로-프로세싱을 거쳐서 제조된 새로운 연료는 금속 연료인데, 핵무기의 원료도 금속 플루토늄을 이용하기 때문이다.

일본의 연구를 보면, 플루토늄의 단독 추출이 곤란하다는 파이로-프로세싱 공장도 약 1개월 정도의 시간을 들여서 설비를 개조하면 플루토늄의 단독 추출이 가능하다. 덧붙이면, 산화물형태의 사용 후 핵연료 속의 플루토늄도 핵무기용의 금속 연료로 전환하는 데 단 5~8일이 걸릴 뿐이다.

또 다른 문제도 있다. 재처리로 사용 후 핵연료보다 방사능이 낮아지면 범죄 집단의 접근성이 재처리 전의 사용 후 핵연료보다 높아진다. 사용 후 핵연료 초기 방사능의 대부분을 차지하는 세슘(Cs)과 스토론튬(Sr)이 추출되기 때문이다. 미국은 재처리로 약화된 핵물질이 테러 집단에게 악용될 가능성을 차단하고자 재처리를 하지 않고 직접 처분 방식을 고수한다.

▲ 핵 확산성의 정도. ⓒ장정욱

2006년 미국 부시 행정부가 제안한 GNEP(Global Nuclear Energy Partnership)는 핵확산 방지에 도움이 되는 새로운 핵연료 사이클 기술의 개발 및 제4세대로(爐)의 개발 등이 중심 주제였다. 즉 방사성 독성이 높은 물질을 인위적으로 혼합하여 플루토늄을 분리하기 어렵게 하는 재처리 기술을 개발하려고 한 것. 하지만 이것은 그 실현 가능성을 의문시하는 오바마 정부에 의해서 2009년 중단되었다.

재처리 공장에서는 이곳저곳에서 상당량의 플루토늄이 발생한다. 하지만 시설 내의 높은 방사능 때문에 정확히 어디서 얼마나 플루토늄이 발생하는지 정확히 알 수 없다. 이렇게 확인을 못하는 플루토늄의 양을 정확히 산정하는 계산식을 개발 중이나, 그것이 얼마나 현실을 정확히 반영할지는 미지수다. 그리고 그런 플루토늄은 당연히 잠재적인 위험 요소다.

일본의 습식 재처리 공장은 플루토늄과 우라늄을 혼합한 산화물 형태로 추출하고 있다. 이는 토카이 재처리 공장(원형로 규모)의 가동을 미국이 강력히 반대하자 일본이 궁여지책으로 합의를 한 혼합 추출 방식이다. 그러나 이 혼합물의 경우에도 3주일 정도면 핵무기 급의 플루토늄을 추출할 수 있다. 일본의 사용 후 핵연료 재처리는 핵무장과 떼려야 뗄 수 없다.

마찬가지로 파이로-프로세싱으로 재처리한 플루토늄 혼합물을 다시 한 번 습식 방법으로 재처리하면 핵무기 급의 플루토늄이 추출된다. 한국도 핵무기를 가져야 한다고 생각하는 이들이 왜 사용 후 핵연료 재처리를 그렇게 바라겠는가? 일단 재처리를 시작해서 플루토늄을 얻을 길이 생기면 핵무장의 물꼬가 트이는 것이다. (계속)