▲현재의 핵 폐기물 캐니스터 용기가 부식에 취약할 수 있다는 연구 결과가 나왔다(사진=위키미디어 커먼스)

현재 저장 중인 핵폐기물 용기 모델은 방사성 물질을 장기간 보관할 수 없다는 새로운 연구 결과가 나왔다. 폐기물과 스테인리스강 사이의 화학반응에 의한 부식 효과로 캐니스터통(슴속 밀폐용기)이 심각하게 부식하고 있다는 설명이다.

이번 발견을 이끈 오하이오주립대학(OSU) 연구팀에 따르면, 핵 폐기물이 세라믹이나 유리와 혼합되면 그 혼합물은 금속 캐니스터에 부정적으로 반응한다. 그리고 혼합물이 수용성 환경에 보관될 경우 이들의 화학적 반응은 심각한 부식을 유발할 수 있다. 연구는 네이처 머티어리얼지에 발표됐다.

핵 폐기물이란

미국원자력협회(NEI)에 따르면 전기를 생산하는 원자력발전소는 전체 공정의 일부로 폐기물을 생산한다. 이를 핵 폐기물이라고 부르는데, 대부분의 인공 폐기물에 비해 방사능을 지닌 것이 특징이다.

다만 일반적으로 알려진 인식과는 다른 점도 있다. 가장 먼저 핵 폐기물은 녹색 빛을 띠지 않으며 고체 형태도 아니다. 이는 적절한 용기에 담지 않는 한 일반적인 고형 폐기물로 착각하도록 만들 수 있다. 두 번째는 핵 폐기물이 전력 생산에 사용되는 연료로 구성된다는 점이다. 연료 자체는 고체 폐기물을 생산하는 고체 형태다. 

마지막으로 사용된 연료는 에너지 잠재력의 일부만을 소모한다. 그러나 원자력 발전소의 경우, 이 연료는 더 이상 특정 속도로 높은 전기를 발생시키는데 사용될 수 없다. 이에 프랑스 같은 일부 국가들은 전력 생산을 극대화하기 위해 사용한 핵 연료를 재처리하고 재활용하는 방법을 채택한다.

중요한 점은 핵 폐기물이 방사성 물질이라는 점에서 격납과 저장이 전문가에 의해 세심히 다뤄져야한다는 것이다. 보통 사용된 연료가 원자로에서 제거되면 냉각용 저장고로 전달되 약 2~5년간의 냉각 기간을 거친다. 이후엔 강철과 큰크리트로 만들어진 마른 통에 옮겨 저장된다. 이 것이 핵 폐기물을 장기 저장하는 현재 모델 방식이다.

핵 폐기물 용기, 부식에 취약해

연구팀은 이와 관련해 방사성 물질을 장기간 보관하는 핵 폐기물 저장 모델의 효율성을 조사했다. 방산 폐기물 등 고준위 핵 폐기물에 활용되는 저장 물질을 분석한 것으로, 방산 폐기물이란 과거 과거 핵무기 생산 폐기물을 뜻한다. 방산 폐기물의 방사성 물질 가운데 일부는 반감기가 30년인 것들도 있지만, 플루토늄 같은 물질은 반감기가 수 만년 정도로 더 길다. 따라서 플루토늄 폐기물 저장시에는 용기의 효율성이 수 만년 동안 지속될 수 있어야한다.

그러나 현재 미국의 경우 방산 폐기물 처리 시설이 없다. 즉, 모든 방산 폐기물이 이를 생산한 공장 근처에 저장되는 것이다. 물론 이전부터 영구적으로 저장할 수 있는 부지들이 제안되긴 했었다. 이에 따라 네바다의 유카산이 장소로 선정됐지만, 이를 승인하는데 필요한 프로세스 절차는 중단된 상태다.

사실 전 세계적으로 방산 폐기물과 기타 고방사능 폐기물을 영구적으로 저장할 수 있는 처리장을 가진 국가는 없다. 이는 결국 세라믹이나 유리 같은 다른 이용가능한 재료와 혼합하도록 하는, 현재 표준이 되버린 저장 방식을 탄생시킨 이유이기도 하다. 앞서 언급됐듯이 혼합물들을 마른 통의 형태를 한 금속 캐니스터에 저장되는데, 이에 따라 통 내부의 세라믹과 유리는 점차 고방사능화된다.

연구팀은 또한 환경 조건이 혼합물과 용기에 어떤 영향을 미칠 수 있는지도 조사했다. 저장고의 시뮬레이션을 실시해, 저장된 핵 폐기물에 대한 환경적 영향을 결정한 것으로, 그 결과 한 시뮬레이션에서 용기가 물같은 수성 환경에 노출됐을 경우 세리막과 유리는 용기의 스테인리스강과 직접적으로 상호작용한 것으로 나타났다.했다. 이 상호작용은 부식 속도를 높여 방사선 누출을 초래할 수 있다.

팀은 이와 관련해 질적 측정 측면에서 부식의 심각성을 설명하기 위한 두 가지 시나리오 결과를 도출했다. 먼저 일반적인 시나리오는 폐기물이 용기와 접촉하면 부식이 발생할 수 있다는 것으로, 여기서의 부식률은 "정상"으로 간주된다. 그러나 특정의 조건에서는 강철의 부식이 더 빠르게 나타날 수 있다.

또한 부식률을 보다 구체적으로 이해하기 위해, 세라믹 혹은 유리 폐기물 혼합물을 스테인리스강에 압착하는 실험도 진행했다. 그런다음 용기를 30일 동안 용액에 담갔다. 이 조건은 유카산의 환경을 시뮬레이션하는데 사용되어 온 방식으로, 그 결과 스테인리스강 부식은 심각하고 국부적인 형태로 나타났다.

연구를 진행한 샤오레이 구오 박사는 "이 결과는 현재 모델이 폐기물을 안전하게 보관하기에 충분하지 않을 수 있다는 것을 의미한다"며 "핵 폐기물을 저장하기 위한 새로운 모델을 개발해야 한다는 것을 보여준다"고 평가했다.

연구팀은 부식이 가속화될 수 있는 이유는 관련 요소 때문이라고 말했다. 스테인리스강은 대부분 다른 원소와 혼합된 철로 이루어져 있기 때문으로, 철 자체는 유리 속의 화학 원소인 실리콘에 대한 화학적 친화력을 가진다. 이는 스테인리스강 부식의 가속화에는 특정 조건이 작용한다는 것을 보여준다.

원자력 데이터 2018

많은 국가들이 핵 폐기물을 가지고 있을 수 밖에 없는 이유 중 하나는 바로 에너지 분야 때문이다. 방사성 물질과는 별도로 원자력 발전소에서 사용되는 연료는 가동 중에 대기 오염이나 이산화탄소를 배출하지 않는다. 대신 사용된 연료는 제대로 보관하지 않으면 생명체를 죽일 수 있는 고체 폐기물이 된다. 경제협력개발기구(OECD) 원자력청이 발표한 2018년 원자력 자료에서는, 원자력이 2017년 무탄소 에너지 공급에 있어 핵심적인 역할을 한 것으로 나타났다.

2017년 기준으로, 미국 내에서는 OECD 국가들 중 총 120개의 원자로가 전력망에 연결된 것으로 나타났다. 120개 원자로 가운데 19개는 캐나다, 2개는 멕시코, 그리고 99개는 미국에 있었다. 미국 이외 국가에서는 OECE 유럽에서 127개의 원자로가, OECD 태평양에서 64개, 러시아 35개, 아르헨티나 4개, 그리고 루마니아에서 2개가 확인됐다.