레이저 농축법은 가스확산법과 같은 막대한 에너지나 열량을 소모하지 않으며 원심분리법의 우라늄 낭비 폐단도 없다. 막대한 시설이나 공장부지도 필요없다. 2시간 단위로 한 사이클이 계속되며, 우라늄 235 20kg를 얻는데, 30만초, 즉 3.5일밖에 안 걸린다고 한다. 이것은 지하 아지트에서 손쉽게 핵폭탄을 만들 수 있는 가능성을 동시에 열어놓는 것이다.
1977년 동아일보 기사에 따르면 핵폭탄 한 개를 제작할 수 있는 농축 우라늄 20kg를 얻는데, 30만초, 즉 3.5일이 걸린다고 하는데, NRDC 보고서에 따르면, 최신 기술을 적용한 경우, 농축 우라늄 5 kg이면 20 kt급 핵폭탄(히로미사급 핵폭탄)을 제작할 수 있다. 75,000초, 즉 21시간이면 20 kt급 핵폭탄(히로미사급 핵폭탄) 1발을 제작할 수 있다.
원자로가 필요한 플루토늄과 달리, 농축 우라늄 핵폭탄 제조에는 원자로도 필요없다.
레이저 농축법은 천연 우라늄 중에서 우라늄 235만을 이온화 시키는 레이저를 쏘아 이온화 된 우라늄 235를 전자기장을 걸어 가루로 모아오는 방식이다. 천연 우라늄에는 99.3%의 우라늄-238, 0.7%의 우라늄-235이 있으며 핵폭탄이나 원자로에 사용되는 우라늄은 우라늄 235이다.
#풀루토늄
1. 재처리, MOX, 플루토늄
핵연료재순환 시설·수송용기·수송
재처리, MOX, 플루토늄
개요
풀루토늄239는 천연에는 존재하지 않는 원소이며, 원자력발전에서 우라늄연료중 핵분열하기 어려운 우라늄238이 중성자를 흡수해서 최종적으로는 풀루토늄239로 되어 핵분열성물질로 변환한다. 사용후연료의 재처리에 의해 회수된 풀루토늄239는 다시 연료로서 사용이 가능하게 된다.
본문
현재의 원자력발전(경수로)에서는, 핵분열 하기 쉬운 우라늄235를 0.7%에서 3~5%로 농축한 연료가 이용되고 있다.
연료중의 우라늄235이외의 핵분열하기 어려운 우라늄238은 중성자를 흡수해서 우라늄239로, 다시 넵투늄239를 거쳐 풀루토늄239라는 물질로 변한다.
ｎ＋Ｕ－238→Ｕ239→→Ｎｐ239→→Ｐｕ239
β－（23.5분）β－（2.35일）
사용후연료를 재처리하면 풀루토늄을 회수할 수 있다. 보통 경수로에서 우라늄연료를 연소시킨 경우에는 타고남은 우라늄235, 타고남은 찌꺼기인 핵분열생성물, 거기에 우라늄238로부터 생성된 풀로토늄239가 남게된다.
연소가 여느정도 진행된 여료의 재처리에서 얻을수 있는 풀루토늄 동위체는 풀루토늄239가 가장 많고, 풀루토늄240, 241, 242, 238의 순으로 이에 이어지는 동위체 조성으로 된다. 이중 질량수가 239, 241이 핵분열성물질이며, 238,240,242가 어미물질이다.
핵연료물질로서 잘 알려져있는 핵분열성의 풀루토늄239는 원자로내에서 우라늄238이 중성자를 흡수함으로써 생성되는 인공원소인 알파 방사성핵종(반감기 약2만4천년)이다.
한 개의 핵분열성물질이 핵분열했을때 발생한 중성자가 어미물질에 흡수되어 새로이 핵분열성물질이 1개이상 만들어지는 조건의 원자로를 증식로라 부르고 있다.
풀루토늄239는 중성자의 운동에너지 E가 0.1eV이하이며, 분열에 의한 중성자의 발생수가 2보다 조금 많으며, 10＊＊4eV를 초과하면 발생수가 2를 초과하고, E가 증가하면 분열에 의한 중성자의 발생수가 단조로이 증대한다.
우라늄238과 풀루토늄239의 핵연료사이클에서는 고속중성자를 감속시키지 않고 사용하는 고속증식로로서 이용할 수 있다.
핵분열하기 어려운 우라늄238은 사용후연료중에서 풀루토늄239로 변해져 있지만 그 자신 핵분열성물질이기 때문에 그대로 고준위방사성폐기물로서 엄중하게 지층처분하는것이 아니고, 자원을 유효하게 활용하기위해 사용후연료로부터 풀루토늄239를 회수하여, 농축해서 불필요하게 된 우라늄(열화우라늄)과 섞어서 다시 연료(MOX연료)로 가공하면 국산의 에너지자원으로 이용할 수가 있다.
이미 일본에서도 쓰루가 1호기, 미하마 1호기의 두개 원자력발전소에서 MOX연료를 이용한 실적이 있으며 그 안정성은 확인되어 있다(그림-1). 신형전환로「후겐」에서의 사용실적을 표-1에 보여준다. 우라늄자원을 가지지 않는 일본에서는 사용후연료를 재처리해서 유용자원을 회수하고, 새로운 연료로서 이용하는 핵연료사이클을 원자력개발이용의 기본방침으로 하고있다.
유효이용의 가능성이 있는 풀루토늄을 이용목적이 없는 상태로 그냥 계속 보유한다는 것은 안전보장상 할수없는일이므로 풀루토늄을 기존의 원자력발전소(경수로)의 연료로서 사용하는 풀루서멀(풀루토늄 열중성자로 이용)을 몇 개의 원자력발전소에서 계획하고 있다(표-2).
또한, 경수로용 우라늄연료인 경우, 이 풀루토늄 중의 일부는 다시 핵분열에 의해 열을 발생하고 있으며 연소에 기여하는 것으로 된다. 일반적으로는 원자로에서 발생하는 에너지의 30%정도가 풀루토늄의 연소에 의한 것으로 알려져 있으며 이미 풀루토늄의 연소는 보통 경수로에서도 이루어지고 있는것이다.
2.
플루토늄 plutonium
원소기호 Pu, 원자번호 94, 녹는점 639.5℃, 끓는점 3.235℃, 액체의 비중 16.5(665℃), 고체의 비중 19.816, 전자배치 [Rn] 5f 6d 7s, 주요 산화수 3, 4, 5, 6.
주기율표 3A족에 딸린 악티늄족 원소의 하나. 1940년 미국의 G. T. 시보그, E. M. 맥밀런, J. W. 케네디 등이 사이클로트론에 의해 U을 중수소(重水素)로 충격해서 만든 Np의 붕괴에서 처음으로 얻었다.
92번 우라늄, 93번 넵투늄이 각각 천왕성 · 해왕성의 이름을 딴 것처럼 명왕성(Pluto)의 이름으로부터 명명했다.
발견 후 232에서 246까지의 동위원소가 밝혀졌고, 모두 방사성이다.
가장 긴 수명은 Pu이며, 반감기(半減期)는 3.76×10년이다.
천연으로는 1942년 시보그 등에 의해 우라늄석 속에 미량(微量) 존재하는 것이 밝혀졌는데, 광물 중에서 U이 중성자를 흡수하여 생기는 것으로 생각된다.
이것은 238U이 존재할 때 원자로 속에서도 일어나는 반응인데, 플루토늄의 인공제조용으로서 중요하다.
은백색 금속이며 공기 속에서 가열하면 산화된다.
수소와 상온에서 반응해 수소화물을 만든다. 염산 · 묽은 황산 · 과염소산에 녹고, 질산 · 진한 황산에는 녹지 않는다.
우라늄계 연료의 원자로에서는 재처리에 의해 생성되는 Pu가 대량으로 추출된다.
〔화합물〕 3, 4, 5, 6가(價)의 화합물이 알려져 있으며, 3가 화합물이 가장 안정하다.
할로겐화물 · 산화물 · 수소화물 · 질소화물 · 탄소화물 · 규소화물 · 할로게노착염(錯鹽) 등이 알려져 있다.
Pu는 핵분열반응에 의한 중요한 에너지원이며, 원자폭탄과 수소폭탄의 재료 및 중성자원(源)으로도 쓰인다.
〔핵원료〕 경수로(輕水爐)의 연료내에서 생긴 플루토늄은 핵분열하므로, 플루토늄이 함유되어 있지 않은 새 연료를 넣은 경수로에서도, 연료 수명 후기에는 생성된 플루토늄의 핵분열에 의한 에너지가 발생한다.
적극적으로 플루토늄을 이용하려면, 경수로에서의 사용이 끝난 연료의 재처리에 의해 플루토늄을 추출, 고속증식로(高速增殖爐)의 연료로 한다.
고속로에 사용되는 플루토늄의 형태는 UO, PuO의 혼합산화물이다.
홑원소물질(單體)인 플루토늄은 녹는점 912.5℃까지 사이에 6종의 상변태(相變態)가 있고, 이 상(相) 불안정성 때문에 금속 그대로 핵연료로 이용하지는 않는다.
플루토늄의 산화물 PuO는 UO와 비슷한 성질을 가지며, 혼합산화물로 했을 때 연료 사용시의 거동은 UO의 연료와 비슷하다.
〔위험성〕플루토늄의 독성은 플루토늄이 방출하는 선의 성질과 체내에 들어간 플루토늄이 체류하는 시간의 길이에 기인한다.
다른 초우라늄원소와 마찬가지로 원자력 발전에 따른 플루토늄의 발생 · 이용량이 증대함에 따라서 이 원소의 독성문제가 심각해졌다.
주로 문제가 되는 것은 발암(發癌) 효과이며, 1μg(방사능은 약 0.06μCi. Ci는 방사능의 단위이며, 1Ci=3.7×10Bq) 이하의 Pu를 투여한 쥐 · 비글견(犬)의 폐 · 뼈 · 피부 등에서 암이 발생하는 경우가 실험적으로 확인되었다.
인체에 불용성 입지(산화플루토늄)가 흡입되면 주로 폐에, 가용성 플루토늄을 섭취하면 뼈와 간(肝)에 모여, 각 장기의 암의 원인이 된다.
Pu에 대한 공기 및 수중의 허용농도는 각각 6×10 및 5×10μCi/cm이며, 일반인의 폐의 최대허용 부하량(負荷量 ; 체내에 받아들일 수 있는 허용량)은 1.6nCi(2.6×10g)로 작다.
고순도(高純度) 플루토늄은 5~10kg으로 원자폭탄이 될 수 있고, 또 수소폭탄의 방아쇠가 된다.
인도가 1974년에 평화목적인 원자시설을 이용하여 플루토늄을 제조 · 추출해 핵폭발을 성공시킨 이후, 플루토늄을 에너지로 이용할 것인가 하는 문제를 둘러싸고 열띤 논쟁이 벌어지고 있다.
#세계 우라늄 매장현황은?
우라늄 1g이 핵 분열될 때 나오는 에너지량은 석유 9드럼, 석탄 3t과 같다.
화석연료와 달리 원자로 안에서 핵분열을 일으킬 때 생기는 막대한 열과 증기를 이용해 전기를 생산하게 돼 이산화탄소배출도 거의 없다.
원자력 연료인 우라늄은 기타 화석연료(석유, 가스 등)에 비해 전 세계에 고르게 분포돼 있어 공급안정성과 가격안정성이 높다.
2008년 5월 IAEA는 세계 우라늄 확인매장량이 약 547만t, 추정 매장량은 약 1천55만t인 것으로 발표했다.
이는 2008년 기준 세계 연간 사용량 6.5만tU를 기준으로 약 240년 이상 사용이 가능한 것이다. 관련기사
아직 갈길은 멀다…'한국형 원전..국내 원자력 도입의 역사와 발전기한국전력의 사상 첫 한국형 원전 수..'원전 수주 성공' 한-UAE, 경제협력 ..
최근 우라늄 탐사기술 및 채광기술 발달과 세계 각국의 광산 추가발굴로 2005년 조사결과보다 약 130만t(약 20년) 늘어난 것이며, 향후 계속 늘어날 전망이다.
테마가 있는 뉴스Why뉴스[생생영상] 화제뉴스모조·가공치즈 쓰면서 '자연산치즈 100% 피자!'초콜릿, 알고 먹어야 더욱 달콤해요장흥 신와고택 등 3건 중요민속문화재 지정 예고2008년 6월 'British Petroleum' 자료에 따르면 화석연료 가채연수는 석유 40년, 천연가스 65년, 석탄 155년이다.
◈ 원전 연료(우라늄) 조달 체계
한수원은 해외에서 우라늄(정광, 변환, 농축)을 도입해 국내에서 성형가공(한전원자력연료㈜)을 거쳐 원전에 연료 완제품을 공급하고 있다.
한수원은 연간 약 4천t의 우라늄을 소비해 세계 사용량의 5%를 차지하고 있다.
정광(Uranium)이란 우라늄 광석을 채광해 정련한 순도 85% 이상의 산화우라늄을 말한다.
변환(Conversion)은 정광(U3O8)을 농축할수 있도록 우라늄 불소화합물(UF6)로 바꾸는 공정이다.
농축(Enrichment)은 천연우라늄의 구성물질(U238 99.3%+U2350.7%)중 핵분열성물질인 U235의 함유량을 최대 5%까지 높이는 공정이다.
성형가공(Fuel Fabrication)은 우라늄(UO2 분말)을 세라믹 펠렛(소결체) 형태로 압축 및 소결하여 연료집합체로 가공하는 연료 제조와 설계과정이다.
#,저농축 우라늄
저농축우라늄은 원자력 발전에 쓰이는 원료입니다. 자연계에 존재하는 우라늄은 대부분이 238의 질량을 가집니다. 그러나 우리가 핵연료로 사용하기에 좋은 우라늄은 235의 질량을가진 불안정한 우라늄입니다. 이 우라늄 235의 농도가 3~4%정도를 차지하도록 농축시킨것으로 생각하시면 됩니다.
저농축, 고농축 우라늄에 대한기사가 알기쉽게 나왔습니다.
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최근 잇따른 핵 관련 실험으로 우라늄이 많은 관심을 받고 있다. 신문 지면을 장식하는 저농축우라늄 고농축우라늄 플루토늄 등은 모두 우라늄의 일생에서 만들어지는 물질이다. 과연 이들은 어떻게 만들어지는 것일까.
처음 핵 관련 의혹을 불러일으켰던 농축우라늄은 ‘농축’이라는 말과는 달리 오히려 우라늄이 다이어트를 한 것이다. 자연 상태의 우라늄은 두 종류가 섞여 있는데 가벼운 우라늄(235)과 무거운 우라늄(238)이 그것이다. 요즘 마른 사람이 더 인기가 있듯 우라늄의 세계에서도 가벼운 우라늄이 더 쓸모가 많다. 가벼운 우라늄은 불안정하기 때문에 바깥에서 조금만 충격을 줘도 바로 변화를 일으키는데 이것이 핵분열이다. 핵연료든 폭탄이든 우라늄이 핵분열을 일으켜야 필요한 에너지를 얻을 수 있다.
문제는 우라늄에 들어 있는 가벼운 우라늄이 0.7%에 불과하다는 점이다. 나머지는 무거운 우라늄이다. 이런 우라늄을 원자력발전에 쓰면 효율이 떨어진다. 이 때문에 가벼운 우라늄을 더 늘려 사용하는데 이것이 ‘우라늄 다이어트’다. 다이어트 정도에 따라 가벼운 우라늄을 2∼4%로 늘린 것이 저농축우라늄, 90% 이상으로 늘린 것이 고농축우라늄이다. 가벼운 우라늄은 핵연료로 쓰이지만 고농축우라늄은 원자폭탄을 만드는 데 쓰인다. 최근 한국에서 문제가 된 농축우라늄은 가벼운 우라늄이 10% 들어 있다.
우라늄 다이어트에는 여러 방법이 있는데 이번에 한국에서 사용된 레이저농축법은 우라늄에 레이저를 쏘아 가벼운 우라늄을 분리하는 기술이다. 아직 상용화되지 않은 데다 많은 양의 우라늄을 얻기 어려워 핵폭탄을 만드는 데는 쓰기 어렵다는 것이 전문가들의 견해다.
무거운 우라늄도 변화를 일으킬 수 있다. 핵연료가 원자로 안에서 핵분열을 일으키면 중성자가 많이 만들어진다. 이 중성자가 무거운 우라늄에 부딪치면 가벼운 플루토늄(239)이 만들어진다. 이 플루토늄이 무거워지기 전에 특수 용액을 이용해 뽑아낼 수 있다. 가벼운 플루토늄으로 원자폭탄을 만들 수 있기 때문이다. 플루토늄도 가벼워야 몸값이 비싼 셈이다. 원자폭탄을 만들려면 우라늄은 52kg이 필요하지만 플루토늄은 11kg이면 충분해 더 위력적이다.
세상에 나오기 전 지하에 광석 형태로 묻혀 있는 우라늄을 ‘천연우라늄’이라고 한다. 천연우라늄이 들어 있는 광석이 인광석이다. 원유를 자동차에 넣어 쓸 수 없듯 우라늄 광석도 가공 과정을 거쳐야 원자력발전소에서 쓸 수 있는 형태로 바뀐다. 인광석에는 우라늄이 0.02%로 매우 적게 들어 있기 때문이다.
가장 먼저 하는 작업이 천연우라늄에서 불순물을 없애 금속막대 형태의 ‘금속우라늄’으로 바꾸는 과정이다. 먼저 인광석을 산화시킨 뒤 다시 불소를 붙여준다. 이 물질에 마그네슘을 섞어 섭씨 750도로 가열하면 불소가 떨어져 나가고 순수한 우라늄이 나온다. 이 우라늄에서 가벼운 우라늄의 비율을 늘리면 우리가 쓰는 핵연료가 된다.
##6불화우라늄의 제조(우라늄의 전환)
개요
우라늄정광(옐로케이크)으로부터 6불화우라늄을 제조하는 과정을 우라늄의 정광이라 한다. 옐로케이크, 2산화우라늄, 4불화우라늄의 형태를 거쳐 제조된다. 6불화우라늄은 온도, 압력조건에서 기체, 액체, 고체로 변화한다.
본문
우라늄정광으로부터 6불화우라늄을 제조하는 과정을 일반적으로 전환이라 한다.
6불화우라늄은 우라늄정광에서 2산화우라늄, 4불화우라늄을 거쳐 제조된다. 주요공정은 상술한 바와 같으나 현재 실시되고 있는 방법은 4 종류가 있으며 상세내용에 있어서는 다르다. 이들에 대해 다음에 기술한다.
1. 이 방법 및 다음에 말하는 방법 2는 옐로케이크를 먼저 정제하여 불순물을 제거하여 6불화우라늄을 만드는 방법이다.
옐로케이크를 질산에 용해하여 인산트리부틸(tributyl phosphate: TBP)을 헥산 또는 케로신 등의 석유에텔계 용제에 녹인 우라늄추출제로 용매추출을 하고 물로 역추출하면 정제한 질산우라닐용액이 얻어진다. 이 용액을 가열, 탈질(脫窒)하면 표-1의 (1)식에서 표시한 바와 같이 3산화우라늄을 얻는다.
이 공정에서 생기는 배출가스는 질산흡착탑에서 질산으로서 회수되어 우라늄정광용해용으로 사용된다.
3산화우라늄을 분쇄 후 유동상로(流動床爐) 등의 반응로 중에서 수소(암모니아를 분해한 가스를 사용한다)를 불어 넣어 550∼600 oC에서 반응(발열반응)시켜 3산화우라늄을 2산화우라늄으로 환원한다. 장치의 재질은 스테인레스강이 사용된다.
배기는 필터를 통하여 미분(微粉)의 2산화우라늄을 회수한 후 배기 중에 남은 수소는 버너로 소각하여 고성능필터를 통해 대기 중으로 방출된다.
이어서 2산화우라늄을 유동상 등의 반응로에서 불화수소가스를 불어 넣어 반응시킨다. 이 반응도 발열반응으로서 앞 공정보다도 다량의 열을 발생하므로 온도를 400∼450 oC로 유지하도록 관리한다. 장치의 재질로서는 니켈합금의 모낼이 내식성이 우수하여 사용되고 있다. 이 공정에서의 반응을 표-1의 (3)식에 표시한다.
4불화우라늄은 녹색의 고체이기 때문에 그린솔트라고도 부르고 있다.
배기는 잔류불화수소가스를 함유하므로 콘덴서와 알칼리스크러버를 통하여 불화수소를 회수, 제거한 후 고성능필터를 통하여 대기 중으로 방출된다
83산화우라늄이나 불화우라닐로부터 불소로 직접 6불화우라늄을 제조하거나, 4불화우라늄에 산소를 백금촉매하에 반응시켜 6불화우라늄을 제조할 수 있으나 경제적이 아니다. 일반적으로 표-1의 (4)식과 같이 4불화우라늄에 불소를 반응시켜 6불화우라늄을 제조한다(그림-2 참조).
배기는 잔류한 불소가스 및 미량의 6불화우라늄 등을 포함하므로 불화나트륨 및 활성알루미나 중을 통하여 6불화우라늄 및 불소를 흡착시켜 제거한 후 알칼리스크러버와 고성능필터를 통하여 대기로 방출한다. 또 불소생산 시 생성되는 수소가스와 함께 소각한 후 알칼리스크러버를 통하여 대기 중으로 방출된다.
6불화우라늄생성은 발열반응이며 온도를 450∼500 oC로 관리한다. 반응장치는 프레임형이나 유동상형이 사용되며 재질은 모넬이다. 생성한 6불화우라늄은 가스상이며 콜드트랩에서 약 -18 oC로 냉각되어 고체로 회수된다. 콜드트랩 중의 6불화우라늄을 액화하여 봄베에 충전하기 위해 온도와 압력을 높힌다. 충전된 6불화우라늄은 자연냉각되어 출하된다.
6불화우라늄은 온도와 압력의 조건에 따라 기체, 액체 또는 고체로 변화하며 3상태가 공존하는 3중점(64.02 oC, 1137.5 mmHg)을 갖는다(그림-1 참조).
따라서 어떤 형태에서 다른 형태로 만드는 데는 다른 형태의 온도와 압력으로 하면 된다.
이 방법으로 생산하고 있는 공장은 다음과 같다. [ ]내는 생산용량, tU/yr.
미국, Union Carbide사[16,500], Kerr-McGee Nuclear Co.[9,200]
캐나다, Eldorado사[14,000]
영국, British Nuclear Fuels사[9,500]
2. 방법 1과 같이 옐로케이크를 질산에 용해하고 TBP로 용매추출하여 정제된 질산우라닐용액을 만든다. 이어서 방법 1에서는 가열, 탈질(脫窒)하나 이 방법에서는 암모니아가스로 중우라늄산암모늄의 침전을 만들어 가소(假燒)하여 3산화우라늄으로 한다. 이 이후의 공정은 방법 1과 같다.
이 방법으로 생산하고 있는 공장으로서는 프랑스의 COMURHEX[생산용량, 12,000 tU/yr]가 있다.
3. 이 방법은 최초에 우라늄정광의 불순물을 제거하는 방법 1 및 2와는 달리 불순물을 제거하지 않은 채로 방법 1과 같이 수소가스에 의한 환원으로 2산화우라늄을 만들고 다음에 불화수소와 반응시켜 4불화우라늄으로 하며 불소가스로 6불화우라늄으로 하여 콜드트랩에서 고체로 하여 포집한다. 가열, 액체로 하여 증류탑에서 분별증류하여 6불화우라늄을 정제한다(그림-2 참조).
이 방법에서는 사용하는 우라늄정광에 제한이 있어 일반적으로 암모니아로 침전시킨 우라늄정광에 한정된다.
미국의 Allied Chemical사[생산용량, 14,000 tU/yr]에서는 이 방법으로 제조하고 있다.
4. 광석으로부터 옐로케이크를 만들지 않고 6불화우라늄까지 만드는 방법으로서 광석으로부터의 우라늄침출은 황산으로 하고 아민에서의 용매추출, 황산에서의 역추출 후 일반법에서는 여기서 강알칼리를 가하여 우라늄정광을 침전시키나 이를 하지 않고 용액상태에서 전해환원하여 불화수소용액을 가하여 4불화우라늄의 침전을 만든다.
침전을 세정, 건조한 후의 공정인 6불화우라늄의 제조는 전술한 방법 1과 같은 방법으로 한다. 이 방법에서는 아민에서의 용매추출과 4불화우라늄침전 시 불순물이 제거된다(그림-2 참조). 이 방법은 도넨(動燃)사업단에서 파일럿플랜트단계의 실증이 종료하였다. 상업플랜트로 실시되고 있는 곳은 없다.
그림/표
표-1 반응식
그림-1 6불화우라늄의 상태도
그림-2 6불화우라늄의 제조법
##6불화우라늄으로부터 2산화우라늄으로의 재전
개요
농축우라늄공장으로부터 나오는 제품은 6불화우라늄이다. 경수로의 연료는 2산화우라늄의 화합물로 사용하므로 연료가공의 제1공정은 6불화우라늄으로부터 2산화우라늄으로의 재전환이다. 재전환법에는 습식법과 건식법이 있으며, 여기서는 5종류의 전환법과 각각의 특성에 대하여 기술한다.
본문
6불화우라늄으로부터 2산화우라늄으로의 재전환에는 습식법과 건식법이 있다. 습식법에는 중우라늄암모늄(Ammonium Diuranate: ADU)법과 탄산우라닐암모늄(Ammonium Uranyl Carbonate: AUC)법이 있으며, ADU법은 다시 재래법과 용매추출법이 있다. 건식법에는 종합건식법(Integrated Dry Route: IDR)과 프레임리액터법이 있다. 표-1은 2산화우라늄분말제조공정을 비교한 것이다.
1. ADU법(종래법)
재전환기술의 개발에서 가장 오랜 역사를 가지며 많은 실용실적이 있다. 6불화우라늄은 강철제 봄베에 넣어 입하한다. 이 봄베를 120 oC 이하의 수증기로 가열하여 6불화우라늄을 기화하여 끄집어낸다. 6불화우라늄의 가스와 물을 반응시키면 가수분해하여 불화우라닐수용액이 된다. 여기에 암모니아수를 가하면 중우라늄산암모늄의 침전이 생긴다.
다시 여과하여 500-800 oC에서 배소·수소환원하면 2산화우라늄분말이 된다. 특징으로는 공정은 약간 복잡하나 각 반응마다 독립되어 있기 때문에 반응조건을 제어하기 쉽고 얻어진 2산화우라늄분말은 특성이 안정되고 있다.
2. 용매추출-ADU법
6불화우라늄의 가스를 질산알루미늄수용액과 반응시킨다. 우라늄은 질산우라닐수용액, 불소는 불화알루미늄수용액이 되어 용매추출에 의해 불화알루미늄을 분리한다. 다음에 질산우라닐수용액에 암모니아가스를 첨가하여 중우라늄산암모늄을 침전시킨다. 이후는 위의 ADU법과 같다. 이 전환법의 특징은 공정이 많으며 얼마간 복잡하나 2산화우라늄분말은 불순물이 적고 물성이 안정되어 있다.
3. AUC법
독일의 NUKEM사가 개발한 방법이다. 6불화우라늄의 가스를 물, 탄산가스, 암모니아가스와 동시에 반응시켜 탄산우라닐암모늄을 침전시킨다. 이것을 여과, 배소, 환원하여 2산화우라늄분말로 한다. 특징으로는 공정이 많으며 약간 복잡하나 분말의 유동성이 좋다. 또 펠릿성형전의 조립(造粒)공정을 생략할 수 있다.
4. IDR법
영국핵연료공사(BNFL)에서 개발한 건식법이다. 6불화우라늄의 가스와 수증기를 반응시켜 불화우라닐의 입자로 하고 이어서 수소가스에 의해 환원하여 2산화우라늄분말로 한다. 특징으로서는 장치가 소형으로 차지하는 용적이 작으며 폐액량이 적다. 2산화우라늄분말은 화학적 활성도가 높고 소결성이 좋다.
5. 프레임리액터법
6불화우라늄의 가스와 산소함유가스, 수소가스, 차폐용 질소가스를 혼합하여 화염내 전환을 하고 U3O8의 입자로 한다. 이것을 수소가스로 환원하여 2산화우라늄분말을 얻는다. 특징으로서는 공정이 짧고 폐액량이 적은 것이다. 또 2산화우라늄분말의 소결성이 좋다.
#6불화우라늄 및 2산화우라늄의 수송
개요
원자력발전소에서 사용되는 우라늄연료의 원료가 되는 6불화우라늄 및 2산화우라늄의 수송은 밀봉성을 갖는 내용기와 내열, 내충격성을 갖는 외용기의 2중구조를 갖는 용기가 사용된다. 이 수송물은 A형(핵분열성)수송물로서 규제된다.
본문
우라늄연료의 성형가공용 원료는 천연우라늄의 6불화우라늄, 농축된 후의 농축6불화우라늄 및 6불화우라늄에서 재전환된 농축2산화우라늄이다.
6불화우라늄(uranium hexafluoride)은 상온에서 고체인 무색의 결정이다. 56.5 oC에서 승화하여 기체가 되므로 우라늄의 동위체분리(우라늄농축)에 사용된다. 산소나 공기와는 반응하지 않는 비교적 안정하나 물과 격렬하게 반응하여 불화수소를 만든다.
이 불화수소는 격심한 부식성을 가지며 생체에의 독성도 매우 강하다. 따라서 6불화우라늄의 수송은 통상 고체상태에서 이루어지며 6불화우라늄의 용기나 패킹 등에서는 엄중한 방습과 밀봉제가 필요하며 또 용기자체의 임계안전, 방사선차폐의 설계도 이루어진다.
원자력발전소에서 사용되는 우라늄은 해외나 록까쇼무라의 시설에서 농축되어(농축도는 발전용 핵연료의 경우 5 % 이하이다) 6불화우라늄의 형태로 일본 내의 재전환공장으로 운반된다. 이 수송을 위한 용기는 직경 약 1.3 m, 길이 약 2.5 m의 강제용기(통칭 30B형 실린더)가 사용된다. 수송 중 30B형 실린더는 단열충격완충재를 라이닝한 강제의 보호용기에 수납되어 있다(그림-1 참조).
수송물의 크기는 직경 약 1.3 m, 길이 약 2.5 m이며 수납 시의 중량은 약 4 t이다. 또 이 수송물은 방사능의 양은 비교적 적고 방사선은 약하나 핵분열성물질이기 때문에 수송에 있어서는 A형(핵분열성)수송물로서 국가에 의한 안전의 확인이 필요하게 된다.
6불화우라늄은 일본 내의 재전환공장에서 2산화우라늄의 분말로 전환된다. 2산화우라늄의 분말은 융점이 약 2,800 oC의 짙은 갈색의 분말로서 상온에서는 공기 중에서 거의 산화되지 않는다. 수중에서도 300 oC까지는 반응하지 않는다. 방사능적으로는 6불화우라늄과 다를 것이 없다.
2산화우라늄분말의 수송물의 형상을 그림-2에 보여준다. 수송용기는 밀봉성을 갖는 내용기와 내열, 내충격성을 갖는 외용기의 2중구조이다. 내용기 내에는 2산화우라늄을 수납하는 용기가 끼워 넣어져 있다.
이들 수송물은 A형(핵분열성)수송물로서 규제되어 있다. 표-1에 수송물 확인실적을 제시한다.
그림/표
##원자법레이저 우라늄농축
개요
천연우라늄으로부터 농축우라늄을 제조하는 우라늄농축법에는 실용화되고 있는 가스확산법과 원심분리법 외에 현재 연구개발중인 방법으로서 금속우라늄을 증발시켜 얻어지는 우라늄원자를 사용하는 원자법과 우라늄화합물의 6불화우라늄을 사용하는 분자법이 있다. 원자법에서는 우라늄원자증기중에서 레이저광에 의해 우라늄-235만을 이온화하여 이를 전극에 모아 농축우라늄을 얻는다. 분리계수가 특히 크며 효율적으로 경수로연료용의 저농축우라늄이 얻어지는 것이 기대된다.
본문
우라늄원자의 흡수스펙트럼은 우라늄-235와 우라늄-238의 근소한 차 즉 동위체 쉬프트가 있다. 예를 들면 원자의 파수(波數) 16900 cm-1(파장: 591.5 nm)의 흡수선의 파수는 0.28 cm-1(파장: 0.01 nm)의 동위체 쉬프트가 있다. 우라늄-235만에 흡수되는 선폭이 매우 좁은 레이저광을 우라늄원자에 조사하여 우라늄-235만을 선택적으로 여기(勵起)시킬 수 있다.
우라늄-235가 여기상태가 된 것 만으로는 농축할 수 없으므로 다시 레이저광을 조사하여 여기상태의 우라늄-235를 전리준위(電離準位)로 여기하여 아온화시킨다. 선택적으로 이온화된 우라늄-235 이온을 음전압을 걸어 제품회수기에 부착시킨다.
우라늄원자의 전리에너지는 6.2 eV이다. 개발이 진행되고 있는 가시광레이저를 사용하는 경우 그림-2와 같이 전리에너지를 3분할하여 약 2 eV(∼600 nm)의 간격을 두고 가시광레이저를 사용하여 3 단계로 전리한다.
기저준위로부터 파장 λ-1로 여기시키는 준위를 선택여기준위, 선택여기준위부터 λ-2에서 여기시키는 상태를 중간여기준위, λ-3에서 여기시키는 상태를 전리준위라고 부른다. 또한 우라늄원자에는 기저준위부터 에너지가 크지 않은 준안정준위가 있어 증발시킨 우라늄원자기저준위의 수십 %를 차지한다. 준안정여기준위에 있는 우라늄-235원자를 회수하기 위해 파장 λ-4의 레이저광으로 준안정준위에서 선택여기준위로 여기한다.
원자법 레이저 우라늄농축장치는 그림-3에 보여주는 바와 같이 레이저계통과 분리계통으로 구성된다. 레이저계통은 파장가변(波長可變)이고 파장폭이 좁은 레이저광을 발생할 수 있는 색소(色素)레이저와 이 색소레이저를 여기하기 위한 동(銅)증기레이저로 되어 있다.
동증기레이저는 구리원자를 레이저 매질로 하여 가시광(녹색 510 nm와 황색 578 nm)을 발진하는 고출력, 고반복가능한 방전형 펄스레이저이다. 분리계통에서는 천연우라늄금속을 전자빔으로 가열, 액화하여 그 표면을 3000 K 이상 의 온도로 하여 우라늄원자를 증발시켜 우라늄원자의 빔을 만든다.
이 우라늄원자에 우라늄-235의 흡수파장에 맞춘 레이저광을 조사하여 우라늄-235만을 이온화시킨다. 이온화된 우라늄-235를 음(陰)의 전압을 건 전극에서 회수한다. 우라늄-238은 레이저광에 의해 여기, 이온화되지 않으므로 직진하여 열화우라늄회수기에 부착한다.
좋은 효율로 우라늄을 증발시키는 것, 되도록 저출력레이저광으로 효율 좋게 우라늄-235를 이온화할 수 있는 레이저파장을 선택하는 것, 이온화한 우라늄-235 이온을 효율 좋게 회수하는 것, 고출력이고 고반복화할 수 있는 동위체쉬프트보다 좁은 가시광레이저의 개발 등이 주요 연구항목이다.
우라늄-235를 이온화할 때 우라늄-238은 거의 이온화되지 않고 동위체 선택성이 매우 높은 것, 또한 적당한 파장과 각 파장의 레이저강도를 선택함으로써 천연우라늄중의 0.7 %의 우라늄-235를 1회의 공정으로 100 % 가까이 분리할 수 있는 것이 원자법 레이저 우라늄농축의 장점이다. 종래기술인 가스확산법이나 원심분리법은 통계적인 분리방법이며 1 단 당의 분리계수가 작고 캐스케이드가 필요한 데 비하여 원자법은 농축계통을 작게 할 수 있어 경제성이 높은 기술의 가능성이 있다. 그러나 지금까지의 핵연료주기에 들어 있지 않은 금속우라늄을 사용하는 것, 증발부, 회수부에서는 고온이고 부식성이 강한 액체우라늄의 취급이 필요한 것 등이 불리한 점이다.
일본원자력연구소에서는 1976년부터 원자법의 기초연구를 수행하여 레이저광에 의한 우라늄을 농축할 수 있음을 확인하였다. 1987년에 도쿄(東京), 칸사이(關西) 등의 전력회사와 일본원자력발전, 일본원연(日本原燃) 및 전력중앙연구소는 레이저농축기술연구조합을 설립하였다.
원연(原硏)은 계속하여 원자법의 기초공정의 연구를 하고, 연구조합은 원자법에 필요한 레이저기기, 분리계통을 개발하였다. 1992년에는 개발한 기기를 사용하여 계통시험을 하여 목표로 하고 있던 1 톤 SWU/yr에 가까운 농축특성을 얻었다. 현재 실용규모의 레이저,
증발회수장치 등을 개발하고 있다. 우라늄농축의 장기적인 추진방법에 대한 조사심의를 해온 원자력위원회 우라늄농축간담회는 1998년경 지금까지의 연구개발을 평가검토하여 상업화를 목표로 개발을 추진할 것인가의 판단을 내릴 예정으로 되어 있다.
그림-1 우라늄원자흡수선의 동위체쉬프트측정 예
그림-2 원자법레이저 우라늄농축에서의 우라늄-235의 이온화방식
그림-3 원자법레이저 우라늄농축장치의 개념도
※그림/표, 모두 생략
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