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세계 각국의 4백여기 원전에서 쏟아져 나오는 핵폐기물을 보다 안전하게 처리하기 위한 방법들이 개발되고 있으나…

안면도 사태로 핵폐기물에 대한 관심이 고조되고 있다. 우리가 사용하는 전력의 50％이상이 원전을 통해 공급되고 있다. 또 정부는 2000년까지 50기(현재 9기)의 원전을 건설하겠다는 구상을 갖고 있다. 이러한 실정을 감안하면 핵폐기물에 쏟는 관심은 뒤늦은 감이 없지 않다.

원전에서 쏟아내는 핵폐기물은 어떤 것이며, 이를 어떻게 처리해야 안전한 것일까. 현재 핵폐기물 처리기술은 어떤 수준이며 선진 각국에서는 핵폐기물을 어떻게 처분하고 있을까.

야누스의 두얼굴

원자력 발전의 주원료인 농축 우라늄 2351g을 핵분열시키면 석탄 3t, 또는 석유 2천6백50ℓ를 태워 얻을 수 있는 에너지가 발생한다. 어마어마한 양이다. 그러나 핵분열과정은 생명을 위협하는 핵분열산물을 내놓는다. 이 방사성 물질은 지금까지 알려진 어떤 물질보다 위험하다. 길게는 수십만년 이상 방사선을 내뿜는다. '야누스의 두얼굴'을 가진 셈이다.

분열중인 핵연료(우라늄핵)는 핵분열과정을 거치면서 더 작은 핵으로 나뉘어진다. 이들 원소들은 주기율표상의 정식 원소지만 매우 불안정하다. 따라서 이들은 다른 핵종으로 붕괴해 안정화하려고 한다. 이때 전자나 α나 β선 그리고 γ선 등 에너지를 가진 양자(量子)를 방출한다. 이 반응은 흔히 빠르고 연속적으로 여러번 일어난다. 이러한 붕괴가 강력한 방사선을 공급한다. 그리고 시간이 지남에 따라 폐기물이 된다.

이들이 바로 고준위폐기물(사용후 핵연료)이다. 플루토늄(Pu) 세슘(Cs) 코발트(Co) 이트륨(Y) 요오드(I) 삼중수소(${H}^{3}$) 크립톤(Kr) 스트론튬(Sr) 루테늄(Ru) 등이 그것이다. 이들의 반감기(방사능의 세기가 반으로 줄어드는 기간)는 짧은 것도 있지만 129, 8일) 대부분 10년 이상씩이다. Sr90의 반감기가 29년, Pu239가 2만4천4백년이다. 일반적으로 방사능의 피해는 반감기의 10배 이상 지속되므로 Sr90의 방사능피해에서 완전 해방되려면 2백90년의 세월이 흘러야 한다. Pu239는 24만년이 지나야 안전하다.

핵폐기물에는 고준위폐기물만 있는 것이 아니다. 원전 종사자들이 사용한 피복류 장갑 등과 걸레 부속품 공구 등도 핵폐기물이다. 이들은 사용후 핵원료보다는 위험하지 않지만 방사능에 오염돼 있기는 마찬가지이다. 이를 저준위폐기물이라 한다. 이중에서 오염된 정도가 조금 심한 폐기물을 중준위폐기물로 분류하지만 그 양은 많지 않다.

이외에도 의료기관이나 방사능 관련 연구소 등 방사성동위원소 이용기관에서 나온 폐기물도 있다.

90년대 중반에 포화상태
 

우리나라 원전에서 발생하는 핵폐기물은 어느 정도일까. 현재 우리나라에는 모두 9기의 원자로가 가동중이다. 이를 통해 7백61만6천㎾의 발전량을 공급하고 있다. 여기에서 쏟아져 나오는 핵폐기물은 고준위폐기물인 사용후핵연료가 연간 2백61t이며, 중·저준위폐기물은 2백ℓ 드럼으로 연간 6천2백50개다(표1, 표2)

현재까지 발생한 양만도 사용후핵연료가 1천2백79t으로 발전소 자체에서 저장할수 있는 능력(3천3백66t)의 3분의 1을 넘어서고 있다. 이를 발전소별로 보면 월성의 경우 앞으로 1~2년 내에 새로운 저장소가 필요한 예정이며 고리 영광 울진도 90년대 중반을 넘어서면 자체저장은 불가능하게 된다.

중·저준위폐기물도 마찬가지이다. 이제까지 발생량(2만8천드럼)이 총저장량(6만드럼)의 반에 육박하고 있는 실정. 고리와 울진은 앞으로 2~3년내에 폐기물 대책을 서둘러야 한다.

또한 방사성동위원소를 이용하는 병원이나 연구기관도 급격히 늘어 폐기물도 양적으로 팽창하고 있다. 90년 10월말 현재 6백33개 기관에서 연간 약 4백드럼(2백ℓ)의 폐기물이 발생하는 것으로 집계됐다.

이러한 상황임에도 정부의 핵폐기물에 대한 관심은 굼벵이 걸음을 면치 못했다. 84년에 이르러서야 원자력위원회에서 기본원칙을 정했던 것. 그 내용은 극히 초보적인 단계로 저준위폐기물은 원전 부지 바깥에 육지처분하며 사용후핵연료는 별도의 관리대책을 세운다는 정도였다.
최초의 구체적인 계획은 88년 12월29일에 열린 2백21차 원자력위원회에서 세워졌다. 1백50만평 임해지역을 선정해 중·저준위폐기물을 위한 영구처분장과 사용후핵원료를 보관할 수 있는 중간저장시설을 분리해 건설한다는 내용을 담았다. 사용후 핵원료를 위한 중간저장시설은 지질학적으로 안정된 지층을 필요로 했고 중·저준위폐기물을 위한 영구처분장은 지질구조는 상관없고 처리시설이나 기술이 중요하다는 입장이 표명됐다.

이에따라 우리나라 지질중 가장 안정된 구조를 갖는 화강암층인 경북의 영덕 영일 울진 등이 유력한 후보지로 선정됐으나 주민들의 반발로 조사작업 한번 해보지 못하고 계획이 취소됐다.

이 여파로 안면도 핵폐기물 처리장은 서해과학연구단지로 철저히 위장된 채 작업이 진행됐다. 결국 '극비 추진'은 주민들의 거센 반발에 좌초되고 말았다. 현재까지 알려진바로는 정부는 95년12월까지 1단계로 25만드럼(2백 ℓ)의 저장능력을 갖는 중저준위 핵폐기물처리장을 준공키로 하고 예산을 5백60억 배정했다. 처분방식은 동굴처분이었으며 처리기술 개발을 위한 연구소를 병행 한다는 것.

정부는 이 사업을 위해 스웨덴의 SKB(방사성폐기물관리공사)와 공동으로 처리장 설계 및 처리기술 연구를 추진하려 했던 것으로 알려지고 있다. 사용후 핵연료 중간저장은 97년 말까지 1천7백10억원을 들여 건설키로 했으며 이를 위해 프랑스와 기술제휴가 진행중인 것으로 밝혀졌다.
 

아직 완벽한 기술은…

핵폐기물을 완벽하게 처리할 수 있는 기술이 존재할까. 애석하게도 이에 대한 답은 '아직'이다. 인간이 핵폐기물을 다룬 역사는 의외로 짧다.

1956년 영국에서 최초의 원전이 탄생하고 현재 27개국에서 4백여기의 원전이 전세계전력의 15％를 공급하고 있지만 핵폐기물을 완벽하게 처리할 수 있는 기술은 아직 개발되지 않고 있다. 삼중수소가 핵분열의 산물로 생성된다는 것이 알려진 것이 1959년이며 요오드129가 유해물질로 알려진지 20년이 넘지 않는다. 또한 탄소14가 우라늄을 태우고 난 후의 불순한 부산물임이 밝혀진 것도 그리 오래되지 않았다.

핵폐기물 관련 기술은 크게 두부분으로 나뉜다. 하나는 중·저준위폐기물에서 중요한 '처리'기술이고 또다른 하나는 어디에다 처분할 것인가를 다루는 '처분'기술이다.

고체폐기물 처리기술로는 압축과 소각이 있다. 압축은 가장 널리 쓰이는 방법으로 최대 압축효과는 폐기물내의 공간이 제로상태여야 하나 실제로는 실현키 어려우므로 최대치의 70~90％의 압축률을 최적으로 한다. 그렇다면 얼마나 줄일 수 있는가. 폐기물의 종류에 따라 다르지만 1/3~1/10까지 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 압축된 폐기물은 드럼에 수집돼 콘크리트로 밀봉된다.

원전에서 발생하는 폐기물의 대부분은 가연성이다. 따라서 소각시키면 부피와 무게가 크게 감소돼, 고정화 포장 소송 및 처분에 적합한 형태로 변형될 수 있다. 태우는 방법은 단순소각(incineration) 열분해(pyrolysis) 산침적(acid digestion) 용융염연소(molten salt incineration) 등이 있다.

소각에서 중요한 것은 배기가스를 통해 방사성물질이 대기로 방출되는 것을 어떻게 방지하느냐는 문제다. 즉 소각로에서 완전연소를 시키는 방법과 배기가스를 중간에서 철저하게 걸러 2차폐기물을 만들지 않아야 된다는 뜻이다.

액체폐기물의 처리방법은 용적을 감소시켜 고체화시키는 것이 일반화돼 있다. 대표적인 것으로 시멘트고화(cementation) 아스팔트고화(bituminization) 폴리머고화(polymerization) 등이 있다. 시멘트고화와 아스팔트고화는 일반화된 방법이고 폴리머고화는 아직 대중화되지는 않았다.

시멘트고화는 중·저준위 폐기물처리에 가장 많이 사용되는 방법으로 슬러지 농축폐액 이온교환수지 재(ash) 등을 처리할 수 있다. 보통 폐기물량의 4분의 1 정도의 시멘트로 범벅시킨다. 시멘트고화는 핵종이 스트론튬(Sr)이나 플루토늄(Pu) 아메리슘(Am)인 경우 좋은 효과를 얻을 수 있다. 그러나 세슘(Cs) 루테늄(Ru)의 경우는 이들이 녹아 흘러나오는 용출률이 커서 이에 대한 대책이 필요하다.

아스팔트고화는 1960년대 초에 개발돼 주로 유럽쪽에서 연구됐고 직접 사용을 통해 효과가 입증됐다. '원전 제1의 국가'(총 전력의 70％를 원전으로 공급함)로 알려진 프랑스에서 가장 잘 시행되고 있다. 1백℃ 이상의 아스팔트와 방사성폐기물을 혼합하면 폐기물에 함유된 수분이 99.5％이상 증발한다. 남은 폐기물은 아스팔트로 얇게 코팅된다. 아스팔트 최종고화체의 특성은 표면방사선량이 시멘트고화체보다 높으나 감용비(減容比)가 크고 용출률도 훨씬 적은 이점이 있다.

폴리머고화는 80년대 중반에 개발된 방법으로 고화가 즉시 일어나지 않고 서서히 중합반응이 일어난다. 중합반응의 촉매가 폐기물이다. 이 공정은 미국의 다우케미컬에서 개발했다. 시멘트고화방법의 감용비를 높이기 위해 제안된 방법중의 하나가 펠렛고화(pellet solidification)다. 일본 히다치사에서 개발했다.

영원히(?) 골칫거리

처분기술은 처분장을 어디에 설치하느냐가 핵심이다. 해양투기 우주투기 빙산매립 등 다양한 방법이 제기됐으나 아직까지 해결을 보지못한 난제가 처분기술이다. 극지방의 빙하속에 넣어두는 방법은 활성이 높은 폐기물이 저절로 얼음속으로 녹아들어 가도록 하는 것이다. 이 방법은 상대적으로 짧은 반감기를 가진 핵종에 대해서는 이점이 있다. 그러나 수명이 긴 폐기물은 빙하의 예상수명을 넘을 수도 있다. 현재 남극에는 국제조약에 의해 핵폐기물을 버릴수 없다.

70년대 중반에 구상된 우주투기는 그 발상 자체가 고약하다. 만약 우주공간에 버려진 핵폐기물이 지구 대기권속으로 되돌아 온다면 끔찍한 일이 아닐 수 없다. 저장용기가 완전할 수 없기 때문이다. 최근 목성탐사선(갈릴레이)이나 태양탐사선(율리시즈)등이 우주공간에 자가발전용으로 쓰고 난 핵폐기물을 버린다고해서 미국 유럽 등지에서 환경단체 주도의 반대데모가 일어나기도 했다. 우주투기는 이런 문제점과 아울러 비용도 엄청나기 때문에 백지화됐다.

해양처분은 바다에는 막대한 희석 및 분산능력이 있기 때문에 방사성물질이 축적되는 것을 막을 수 있다는 논리에 기초하고 있다. 그러나 무분별한 해양투기가 어떤 결과를 가져올지는 너무나 명약관화(明若觀火)하다. 실제로 영국 미국 스위스 프랑스 등은 60년대부터 80년대 초반까지 많은 방사성폐기물을 바다에 버린 것으로 알려졌다. 72년 런던조약 이후 해양처분은 조금씩 규제되기 시작해 최근에는 각국간의 외교적 노력과 협정에 의해 엄격하게 상호통제되고 있다.

가장 현실적이고 계속해서 감시의 눈총을 보낼 수 있는 방법은 육지처분이다. 이 방법에는 천부(淺部)처분(shallow ground disposal) 공동(空洞)처분(rock cavity disposal) 지하심층처분(underground geological disposal) 세가지가 있다.

천부처분은 참호나 도랑(trench)을 파고 폐기물을 묻고 흙을 덮는 방식과 지상에 처분하고 흙을 덮는 방식이 있다. 최근에는 트렌치에 인공방벽을 설치하고 흙을 덮는데 일반적이다. 천부처분은 아무래도 폐기물이 격리되는 동안 방사능이 허용가능 수준으로 줄어드는 폐기물에 제한될 수밖에 없다.

69년부터 운영중인 프랑스의 라망쉬처분장은 인공방벽을 갖춘 천부처분장이다. 현재 48만㎥ 중 85％가량이 차 제2처분장을 파리 남서쪽 아우베 포도단지내에 건설하고 있다. 91년부터 운영될 예정. 한때 라망쉬처분장에서 방사성물질을 인근 강으로 흘려보낸 것이 밝혀져 문제가 되기도 했다.

일본 아오모리현 로카쇼에 건설중인 용량 60만㎥ 규모의 중·저준위 핵폐기물처리장도 천부처분장. 지하 6~12m의 콘크리트 구조물 안에 폐기물을 넣고 그 위에 흙을 덮는다.

로카쇼에서는 중·저준위폐기물처리장 외에 사용후 핵원료 재처리공장을 비롯 우라늄농축공장을 병행건설해 원자공업 단지를 만들 예정이다. 현재 이 지역주민들은 각종 반핵단체를 만들어 저지투쟁을 벌이고 있고, 정부측은 대단위 홍보센터를 설치해놓고 핵폐기물처리의 안전성을 주민들에게 설득시키고 있다.

공동(空洞)처분은 중·저준위 폐기물을 폐광 혹은 천연동굴에 묻는 방식을 말한다. 때에 따라서는 인공적으로 동굴을 파서 묻기도 한다. 대표적인 공동처분으로는 독일 아세의 암염광산(salt mine). 60년대에 폐쇄된 이곳에 독일은 중·저준위폐기물을 70년대부터 매립하고 있다. 처음부터 방사능 폐기시설로 고려된 곳이 아니기 때문에 활성이 높은 폐기물은 처분하지 않고 있다. 현재는 지하 1㎞에 위치한 콘라드 폐광과 콜레벤 폐광을 개발중에 있다.

지하심층처분장은 암염 경암층 등 지하 수백m 아래에 위치한 모암(母岩)내에 저장소를 건설하고 폐기물을 처분하는 방법을 말한다. 지하심층처분장을 갖고 있는 유일한 나라는 스웨덴. 스웨덴은 모암상부의 토양층이 얇고 지하수 수위가 지표면에 가까워 천부처분이 곤란하다. 따라서 발틱해안의 포스마크지역의 해저 50m 암반에 영구처분장을 88년부터 운영중이다. 스웨덴은 지난 80년 국민투표로 2010년까지 모든 원전을 폐기하기로 결정한 나라다.

지하심층처리장으로 관심을 끌었던 것은 미국 네바다주 유카산에 건설키로 했던 영구처분장. 땅속 3백5m지점에 핵폐기물을 영구보관키로 하고 98년 완공을 목표로 계획을 추진했던 미국 에너지부는, 네바다주 주민들의 격렬한 반대로 완공계획을 2010년으로 미룰 수밖에 없었다. 그 대안으로 지상에 임시처리장을 찾고 있다.

군(群)분류 후 핵변환시키는 방법도

이제까지는 주로 중·저준위폐기물에 대한 처리기술과 처분방법을 알아보았다. 사용후 핵원료는 어떻게 처리될까. 일반적으로 사용후 핵원료는 재처리를 하거나 영구처리방식이 확정될 때까지 발전소에 저장하는 방법이 대종이다. 스웨덴의 경우 원전내에 암반동굴을 만들어 사용후 핵원료를 보관하고 있다.

사용후 핵원료를 처리하는 기술로 최근에 주목받는 것은 광화학반응을 이용해 핵종을 분류하고, 이를 양성자가속기로 핵변환시키는 방법이다. 현재 일본 독일 등이 참여해 국제프로젝트로 개발중인 이 방법은, 가속기 응용분야의 하나다. 자유전자레이저를 활용해 산화환원반응을 조정하면 플루토늄 세슘 스트론튬 등의 혼합물에서 같은 핵종끼리 분류가 가능하다. 이를 군(群)분류라 부른다.

군분류된 핵종들을 가속기에서 고에너지로 가속된 양성자로 충돌시키면, 쪼개져 핵변환이 일어나 안정된 원소로 변한다는 원리에 기초하고 있다. 일본에서는 실험실 수준에서 이미 개발을 완료한 것으로 알려졌다. 이 방법이 개발되면 핵폐기물처리에 큰 변화를 줄 것으로 예상된다.

핵폐기물 처리에 아직 왕도는 없다. 아무리 기술적으로 안전하다고 해도 이를 많은 사람들에게 알리고 동의를 구해야 하는데 더 큰 어려움이 있다. 또한 안전한 기술도 운영에 끊임없이 주의를 기울이지 않으면 순식간에 공든탑이 무너진다. 원전은 30년이 지나면 그 자체가 거대한 폐기물이 되는만큼 이를 처리할 수 있는 기술을 확보하고 여기에 드는 비용까지를 포함해 경제성을 따져야 할 것이다. 폐기물처리를 고려치 않는 원전건설은 착륙할 활주로도 갖추지 못하고 뜬 비행기와 같은 처지다.