“SMR, 일반 원전보다 더 많은 방사성 폐기물 배출된다”
2022.05.31 15:07
미국 스탠퍼드대·캐나다 브리티시컬럼비아대 연구진
한국과 미국을 비롯해 세계 각국이 차세대 원자력발전소로 주목받는 소형모듈원자로(SMR) 개발 경쟁을 벌이고 있는 가운데 SMR이 기존 상용 대형 원전보다 사용후핵연료를 포함한 방사성 폐기물을 더 많이 생성한다는 연구결과가 나왔다.
미국 스탠퍼드대와 캐나다 브리티시컬럼비아대 연구진은 현재 원자력 관련 기업들이 내놓은 SMR 설계안을 분석하고 SMR이 방사성폐기물 처리 문제를 더욱 악화할 가능성이 있다는 연구결과를 국제학술지 미국립과학원회보(PNAS) 30일자(현지시간)에 공개했다.
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왜 SMR 이 핵폐기물이 더 많이 나오냐면
1. 경수로에 비해 연료이용율이 낮기 때문에 같은 핵연료를 가지고도 재가 많이 나옴,
경수로 핵연료는 95% 는 타지않는 우라늄 (U238) + 5% 타는 우라늄(U235)인데
일반 경수로도 이 타는 우라늄 비율이 0.8 % 정도로 낮아지면 더이상 태우는 건 경제성이 없어서
꺼내어서 사용후 핵연료 (핵폐기물) 로 영구보관 처리 해야함.
재처리로 남은 1% 를 재활용 할 수도 있지만 재처리 비용이 높아서 경제성이 없고
새로 5% 농축 우라늄 사서 쓰는게 경제적.
그런데 SMR 은 노심의 규모가 작기 때문에 중성자의 손실이 많아서 (즉 중성자 흡수율이 낮음)
타는 우라뮴 비율이 1.5-2% 정도 이하가 되면 잘 타지 않기 때문에 경제성이 낮아져서
더이상 태우지 못하고 꺼내서 사용후 핵연료 로 영구보관 처리 해야함.
즉 핵연료 이용 효율이 낮음. 그러니 같은 발전량을 내는데 비해
30-40% 더 많은 핵연료를 사용해야 하고 당연히 사용후 핵연료도 많이 나오게 됨.
2. 두번 째 문제는 원자로 자체에가 폐기물로 나온 다는 것임.
원자로는 강철이나 콘크리트로 된 노심 도 30-40년 정도 사용후에는 폐기를 해야 하는데
일반 경수로나 SMR 이나 노심이 폐기물이 되기는 마찬가지인데 문제는 비율
SMR 은 원자로의 노심의 크기가 작아서 당연히 폐기물도 적은데
문제는 노심 부피에 비해 노심의 표면적이나 차폐벽의 크기가 큼
그리고 열교환기등 전체 시설등 많은 부분이 원자로 내부에 포함되는 형태이므로
노심의 부피에 비해 시설의 크기가 커서 그만큼 핵폐기물 이 되는 비율도 높음.
그리고 노심이 작다보니 중성자 흡수율이 낮아서 많은 중성자가 강철용기나
콘크리트에 흡수되는 비율이 높아져서 그만큼 방사성 물질을 많이 생성함.
거기다가 일반경수로는 수명연장으로 40-50년 쓰기도 하고 최고 60년 정도로
설계수명이 길지만 SMR 은 대부분 경제성을 위해 수명이 짧은 1회용임.
즉 노심 부피(=발전한 전력에너지) 에 비해서는 훨씬 많은 폐기물이 생성된다는 것임.
그러니 SMR 은 안전성에서는 경수로에 비해 우위에 있지만
방사성 폐기물은 훨씬 많이 생성된다는 것임.
그러면 이 걸 해결하는 방법은?
1. 현재 5% 정도인 핵연료의 농도를 19% 정도로 높인 중농축우라늄 (HALEU) 를 쓰는 것
그러면 5%-> 1.5% % 보다 19%-> 1.5% 태우는 비율이 높아지고
나머지 81% 의 안타는 우라늄 비율도 낮아서 같은 발전량 으로 사용후 핵연료 비율을
낮출 수 있음. 옛날에는 농축비용이 엄청 높아서 5% 농축이 가장 경제적이었지만
현재는 원심분리법등으로 획기적으로 비용이 낮아져 20%도 경제성이 있음.
하지만 HALEU는 현재는 상업적 수요가 없어 전세계에 공급업체가 없음.
즉 따로 우라늄 농축시설을 새로 건설해야 하고 따로 공급망을 구축해야 함.
그리고 이런 해결책은 SMR 만 해당되는 것도 아니고 일반 경수로도
HALEU 를 쓸 수있도록 설계하면 똑같은 이득을 누릴 수 있으니
굳이 SMR 의 장점이라고 할 수도 없음.
2. 중성자 흡수율이 높은 고속중성자를 이용하는 고속로로 설계하는 것
앞글에서 제시한 바와 같이 중성자의 속도와 밀도가 높은 고속로는
연료이용율도 높고 또 자체적으로 분열성물질도 생성하기도 하므로
또 생성된 분열성 물질을 자체적으로 소모하기도 하므로'
발전된 전력에 비해서는 사용후 핵연료의 생성량이 적고
또 보관 기간도 영구 보관이 아니고 300-500 년 정도로 짧아짐.
물론 이것도 대형 고속로로 만들 수도 있지만 굳이 대형로로 만들지 않아도
용융염 원자로 (MSR) 등 소형으로 만들 수 있는 원자로도
고속로로 운전할 수 있으므로 SMR 로 만드는 것도 타당함.
단 고속로는 반드시 핵재처리가 필요하다는 게 가장 큰 문제점의 하나
재처리를 통해서 생성된 분열성 물질을 재활용 해서 방사성 폐기물을
줄이는 것이니 재활용을 위해 핵 재처리가 반드시 필요.
그러니 SMR 이 경제성이 높은 것도 아니고 핵폐기물은 더 많이 나오니
굳이 경수로 기반 SMR 을 채택할 이유는 많지 않음.
다만 규모가 작다보니 안전성이 높고 안전 대책에 들어가는 건설 비용이 낮아지기는 하는데
발전량에 비해 핵폐기물이 더 많이 생성되므로 이를 위한 처리비용을 감안하면
실질적으로 경수로에 비해 오히려 경제성이나 핵폐기물을 포함한 안전성은 떨어짐.
이는 경수로축소형인 한국형 경수로 SMART 등에 적용되는 장단점임.
현재는 2030년 기준 SMR 건설비가 kW 당 1만 달러로 일반 경수로의 2배나 되고
MWh 당 발전원가도 규모가 작은 SMR 은 규모가 큰 일반경수로 보다 훨씬 높으므로
그런 안전성이 실질적 경제적 이득으로 이어지지가 않음. 즉 이론상의 이득일 뿐임.
용융염 원자로(MSR) 등 획기적인 SMR 방식으로 전환할 것이 아니면
경수로 축소형 SMR 의 이득은 없고 오히려 경제적으로 불리함.
작성일 : 22-06-05 16:46
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