핵폐기물은 어떻게 처리하나요?

독일연방방사성폐기물공사(BGE)의 비관적 추정에 따르면, 독일 정부는 당초 핵폐기물 저장 장소를 2031년까지 확정할 계획이었으나, 2046년으로 연기될 가능성이 있다. 2023년 4월 독일은 마지막 원전 3기를 폐쇄했고, 핵폐기물은 임시시설 16곳에 임시 보관됐다. 2019년 기준으로 러시아와 슬로바키아를 제외한 유럽은 6만톤 이상의 핵연료를 비축하고 있으며(광업 및 처리폐기물 제외) 대부분이 프랑스에 있다. EU 국가 중 프랑스는 사용후핵연료의 약 25%를 보유하고 있으며, 독일(15%), 영국(14%)이 보유하고 있다.

핵폐기물이란 일반적으로 핵연료의 추출, 생산, 처리, 사용후핵연료 재처리, 원자력시설 및 사용후 원자로의 해체 등에서 발생하는 더 이상 필요하지 않은 방사성 폐기물을 말한다. 일반적으로 핵폐기물은 저준위 방사성 핵폐기물, 중준위 방사성 핵폐기물, 고준위 방사성 핵폐기물의 세 가지로 분류됩니다. 첫 번째 유형은 일반적으로 원자력 발전소 생산 과정에서 조사된 일부 항목과 일부 폐가스 및 액체 폐기물이며, 두 번째 유형은 일반적으로 발전 과정에서 생성되는 일부 폐액체 폐기물입니다. 원자로 노심에서 교체된 폐가스. 극히 일부만 활용되는 연료는 방사성이 높습니다.

핵폐기물의 특징은 방사능, 방사선 위험, 열에너지 방출이다.

지하 깊은 곳에 묻힌 핵폐기물에 들어 있는 방사성 핵종은 붕괴 과정에서 붕괴열을 방출하는데, 이는 지하 매체장에 열원을 추가하는 것과 같다. 열원의 존재는 먼저 지하 매질장의 온도 분포를 변화시킵니다. 온도 변화는 유체 점도 및 밀도에 영향을 주어 유체 이동에 영향을 미치며 일부 물질의 화학적 특성도 변경하여 코어에 직접적인 영향을 미칩니다. 지하 매체 분야. 온도 변화로 인해 균열이 열리고 닫힐 수도 있으며 이는 지하 응력 장에 영향을 미칩니다. 그러므로 열원의 존재는 환경에 더 큰 영향을 주지만 주로 근거리의 국부적인 지역에 집중되어 있다.

또한, 고형화된 폐기물에 포함된 핵종은 포장 용기에서 용출되어 지하수의 이동과 함께 생물권으로 유입되어 인간 환경에 영향을 미칠 수 있습니다.

핵폐기물은 종류가 다양하며 방사성폐가스처리, 방사성폐액처리, 고화처리, 처리 또는 미처리 최종처분방법으로 구분된다.

1. 방사성 폐가스 처리

방사성 폐가스는 일반적으로 작은 물방울, 에어로졸, 휘발성 가스의 형태로 존재합니다. 주로 원자로의 공정 시스템과 각 공장 건물의 배기 시스템에서 발생합니다. 공정 시스템의 배기 가스는 주로 특정 배출이 높은 불활성 가스인 네온과 요오드인 반면, 공장 배기 시스템에는 일반적으로 더 유해하지만 소량인 요오드-131뿐만 아니라 활성 가스와 에어로졸도 포함되어 있습니다. 요오드-131은 다른 물질에 비해 함량은 낮지만 독성이 강하고 인체에 농도를 주는 효과가 있습니다. 따라서 폐가스 내 요오드-131 처리에 상당한 주의를 기울여야 한다. 일반적인 처리방법은 집진기, 응축기, 질산요오드수은 세정기, NOx흡수기를 1차로 통과한 후, 2차 요오드 세정기, 은함유 제올라이트 요오드 흡수기, 고효율 입자필터를 차례로 통과한 후, 최종적으로는 100m가 넘는 대형 굴뚝을 통해 대기 중으로 배출됩니다.

2. 방사성폐액 처리

방사성폐액은 침투가 쉽고 부식성이 있으며 보관이 어렵기 때문에 처리가 가장 중요하다.

한 가지 방법은 초기에 유성 폐수를 중화시킨 후 pH가 10.0~10.5에 도달할 때까지 실온에서 석회유와 함께 저어주는 것입니다. 중화 과정에서는 침전이 매우 빠르게 진행되어 생성된 불용성 수산화물도 함께 침전하게 됩니다. 이 방법을 사용하면 폐액에서 우라늄, 라듐 등 유해물질을 효과적으로 제거할 수 있다.

원전의 방사성 폐기물 처리 시스템은 공정 배수 및 배수 처리를 위해 이온 교환 수지를 일반적으로 사용합니다. 이온교환의 수명과 정화효율을 향상시키기 위해 이온교환베드 전후에 프리필터와 포스트필터를 설치하는 경우가 많습니다. 프리필터는 부유물질과 고형입자를 제거하는데 사용되며, 포스트필터는 수지입자의 분산을 차단하는데 사용됩니다.

저준위 방사성 폐액 처리를 위한 전기투석법은 일반적으로 2단계로 진행되는데, 첫 번째 단계는 전기투석을 이용해 염 함량이 높은 방사성 폐액의 염 농도를 충분히 낮은 수준으로 낮추는 것이다. 2단계에서는 이온교환수지를 이용하여 잔류 염분 및 방사성 물질을 제거합니다.

진산 3호 원자력발전소의 독특한 특징은 외국 중수로 기술을 채택했다는 점이며, 우리나라 최초의 상업용 중수로 원자력발전소라는 점이다. 폐수 처리 설계.

2차 폐기물 발생을 크게 줄일 수 있고, 원전 부지 이용 비용과 폐수 처리 비용을 크게 줄일 수 있다.

진산 제3원자력발전소에는 2개의 저장탱크에 중·고준위 방사성 폐수가 저장되고, 3개의 저장탱크에는 저준위 방사성 폐수가 저장된다. 저장탱크의 폐수 수위가 일정 높이에 도달하여 그 안의 단수명 방사성물질이 완전히 붕괴된 경우에는 폐액저장탱크의 순환펌프를 가동하여 1시간 이상 연속 가동시켜 저장탱크의 폐수를 잘 섞어서 배출할 수 있습니다. 분석 상자에서 폐수를 샘플링하여 지표가 배출 기준을 충족하면 폐수를 외부로 직접 배출할 수 있습니다.

중등도 방사성 폐수를 처리한 후 직접 배출 기준을 충족하지 못하는 경우 다시 정화 및 제염 과정을 거쳐야 한다. 방사성 폐수 정화 루프의 공정 흐름은 그림 1에 나와 있습니다. 장비가 작동하는 동안 시스템 필터 포트의 압력 차이가 비정상적이면 필터에 막힘이 있음을 나타냅니다. 이때 시스템 필터 요소를 제때 교체해야 합니다. 흡수성 물질이 실패하면 물질을 교체해야 합니다. 샘플링 분석은 정화 주기 수와 정화 효과를 결정하기 위한 직접적인 참고 자료입니다.

2011년 5월호 '도시 도로, 교량 및 홍수 통제' 5호에는 핵으로 오염된 폐수를 빠르고 효율적으로 흡수하고 여과할 수 있는 신기술이 개발에 성공했다는 소박한 소식이 담겨 있습니다. 방사성 물질인 요오드-131과 기타 방사성 요오드 동위원소의 확산을 방지하고 통제하는 데 활용될 수 있으며, 원자력 사고 비상, 원자력 폐수 처리, 원자력 시설 보호, 의료 방사성 폐수 처리 등에 널리 사용될 수 있습니다. 요오드-131에 대한 이 물질의 흡착 효율은 놀랍습니다. 이 신기술로 만든 신소재인 촉매 바이오세라믹 입자 10g을 12,640Bq/L의 방사성 요오드-131을 함유한 핵폐수에 20분간 담그면 방사성 요오드를 최대 99.97%까지 흡수, 고정할 수 있다. 13l. 테스트에 따르면 이 새로운 물질은 방사능이 185만 Bq/L에 달하는 요오드-125 폐수를 필터링하는 데 사용할 수 있습니다. 이 작업은 단 5분만 소요되며 방사성 요오드-125 제거율은 2%에 달합니다.

폐수 ALPS 처리의 핵심 원리는 활성탄, 티타네이트, 페로시안화물, 함침활성탄, 산화티타늄, 킬레이트수지, 수지 등 7가지 흡착제의 흡착이다. 연구에 따르면 일본 후쿠시마 원전 오염 폐수는 핵종 제거 시스템(ALPS)으로 처리되었더라도 방사성 원소인 삼중수소만 희석할 수 있을 뿐 제거할 수는 없는 것으로 나타났습니다. 한국 정부는 후쿠시마 원전 하수를 적기에 처리한 후에도 오염도가 기준치의 2만 배를 초과한 것으로 보고 있다. 후쿠시마 원전의 다핵종 처리 시스템은 무려 8차례나 실패했다.

3. 방사성 폐액의 고형화

방사성 폐액의 고화는 두 가지 목적을 달성해야 하는데, 하나는 폐액을 고정시키는 것이고, 다른 하나는 방사성 핵종을 가두는 것입니다. 오랫동안. 상기 요구사항을 충족시키기 위해서는 경화물의 내손상성이 충분해야 합니다. 일단 경화되면 운송, 보관 및 최종 폐기가 용이해집니다. 그 성능은 일반적으로 조사 안정성, 열 안정성, 기계적 안정성 및 화학적 안정성으로 측정됩니다. 고화 공정에는 폐액 증발 및 농축, 탈질, 건조, 하소, 용융 응고 및 어닐링이 포함됩니다. 방법에는 시멘트, 플라스틱, 아스팔트, 유리 및 인공 암석 응고가 포함됩니다.

1978년 프랑스 마쿠르 공장에서는 세계 최초의 산업 규모 연속 유리화 장치(AVM)가 가동됐다. AVM은 2000m2 이상의 액체 폐기물을 처리했습니다. 운영 경험에 따르면 AVM 장치는 프로세스가 완벽할 뿐만 아니라 하소기 구성 요소의 수명이 10,000시간을 초과한다는 것이 입증되었습니다. 프랑스는 경수로 산화물 핵연료재처리 과정에서 발생하는 고준위 폐액을 고형화하기 위해 AVH 장치를 개발했다. AVH의 공정은 AVM의 공정과 유사합니다. 주요 차이점 중 하나는 UP-2 공장에서 건설한 R7 유리 경화 공장이 다른 하소 첨가제를 사용한다는 것입니다. ) 루테늄의 휘발을 감소시킨다. 프랑스 UP3 공장의 T7, R7과 UP2-800 공장은 각각 AVH 장치를 사용해 유리 경화 생산 라인 3개를 구축했습니다. 사용후 연료가 용해될 때 생성된 미세 입자와 플럭스 처리 중에 생성된 알칼리성 폐액이 유리체로 고화되었기 때문에 유리화는 유연한 것으로 실무적으로 입증되었습니다.

영국에서는 간헐적인 유리 도가니 응고 방법을 연구한 바 있다. 응고 후 도가니를 유리 본체의 보관 용기로 사용한다.

이 방법은 도가니의 여러 섹션을 사용하여 고준위 방사성 액체 폐기물을 증발시키고, 농축물을 소성하고, 유리체를 녹이고, 제련 섹션의 온도는 1050°C에 이릅니다. 영국은 나중에 프랑스의 연속 AVM 공정을 사용하여 Sellafield에서 폐기물을 처리하고 WVP 장치를 건설하기로 결정했습니다.

독일, 미국, 일본은 1970년대 중반부터 세라믹 용광로 응고법의 사용을 연구하기 시작했습니다. 처리 용량이 20-40kg/h인 첫 번째 세라믹 용해로와 처리 용량이 100kg/h인 두 번째 용해로인 두 개의 경화 장치가 Karlsruhe에 건설되었습니다. 폐액은 유리와 함께 세라믹 용광로에 첨가되어 폐액이 증발 및 농축되고 유리가 녹아 유리가 용기에 부어집니다.

미국의 실험 결과는 유리 산업에서 사용되는 것과 유사한 세라믹 용광로가 광범위한 응용 가능성을 가지고 있음을 입증했습니다. 연구 결과를 바탕으로 미국은 건설될 모든 경화 장치에 대해 1단계 세라믹 퍼니스 공정을 사용하기로 결정했습니다. 미국이 사바나강 기지에 고준위 방사성폐기물 유리화시설인 국방폐기물 처리시설을 건립했는데, 이는 세계 최대 규모의 유리화시설이다. 미국 웨스트밸리 유리고화공장은 웨스트밸리 재처리공장에서 나온 고준위 방사성 폐액 2300m² 처리를 완료하고 유리고화탱크 250개를 생산했다.

일본은 고준위 방사성 액체 폐기물을 유리 응고시키는 다양한 방법을 실험한 끝에 도카이 재처리장 폐기물을 고화하는 세라믹로 유리 응고 방법을 우선시했다.

러시아는 1974년부터 2단계 공정과 1단계 공정이라는 두 가지 액체 폐기물의 유리화 방법을 연구하기 시작했습니다. 1987년 러시아는 Mayak에 유리 응고 시설 EP-500 Joule 가열 세라믹 용해로를 건설했으며 1999년 말까지 12,500m²의 고준위 액체 폐기물이 가동되었습니다.

현재 미국, 러시아, 프랑스, ​​영국 등이 고준위 폐액유리 응고장치를 건설한 것은 물론, 일본, 벨기에, 인도 등도 이러한 시설을 건설했다.

4. 폐기방법

폐기방법에는 해양투기, 지표면처분, 지층처분, 우주처분 등이 있습니다.

국제원자력기구(IAEA)가 해양투기를 금지했지만, 일본은 감히 세계 1위를 차지했다. 독일 해양과학연구기관의 계산에 따르면 방사성물질은 방사일로부터 57일 이내에 태평양 대부분 지역으로 확산되고, 미국과 캐나다는 3년 안에 핵오염의 영향을 받게 된다.

근지층 처분의 주요 대상은 중저준위 방사성 폐기물이며, 매몰 깊이는 지상에서 10미터 이내이면 됩니다. 안전감독기간은 300~500년이다.

지층처분의 주요 처리 대상은 고준위 방사성폐기물과 중준위 장수명 폐기물로, 지하 수백미터, 심지어 수천미터에 달하는 지각암층에 매장되어 있다. 1급 방사성 폐기물과 중준위 장수명 폐기물 생활주기 폐기물의 지층처분은 전 세계적인 문제로 남아있습니다.

우주처리란 핵폐기물을 발사체에 담아 우주로 발사한 후 우주에 영구적으로 보관하는 것입니다. 이 아이디어는 소련 과학 아카데미의 학자였던 Kabica가 1959년에 처음 제안했습니다. 1989년 미국의 유명한 물리학자 슐레징거가 이 계획을 다시 제안하고 관련 주장을 추가했다. 실제 데이터에 따르면 발사체 발사 사고율은 대개 2% 내외로, 이로 인한 원전사고를 해결하기 위해 전문가들은 밀폐용기 설계 및 제작에 많은 노력을 쏟았고, 고강도 티타늄을 사용하기로 결정했다. 강철을 사용하여 껍질을 만듭니다. 그런 다음 표면은 여러 층의 단열재로 덮여 있습니다. 설계에 따르면 밀봉된 용기는 높이 3.4m, 내경 3m의 총알 모양으로 3개의 격리실로 나누어져 있다. 그러나 이러한 처리 방법은 현재 상황에서는 아이디어에 불과합니다.

초창기 미국은 탄소강 탱크를 사용해 알칼리성 및 중성 고준위 방사성 폐액을 보관했다. Hanford 및 Savannah River 발전소의 탄소강 탱크 183개에서 20개 이상의 누출이 발견되었습니다. 중성 폐액은 대부분의 방사성 핵종을 운반하는 슬러리 퇴적물을 생성합니다. 이는 Hanford, Savannah River 및 West Valley 공장에서 발생했습니다. Hanford 공장의 탄소강 라이닝 저장 탱크는 직경 23m, 깊이 6~12m, 용량 1800~3700m²입니다. Hanford 공장에서는 폐액을 저장 탱크에서 끓이고, 붕괴열은 배기 응축기에 의해 제거됩니다. 자체 증발 및 농축이 허용되면 저장 탱크에 추가 침전이 발생합니다. 이러한 고형물은 탱크 바닥에 침전되어 내부 냉각 장치가 없는 저장 탱크의 붕괴를 유발합니다. 붕괴 문제를 해결하기 위해 Hanford 공장에서는 폐액 충진 후 붕괴를 완화하기 위해 교반용 내부 공기 리프팅을 사용합니다.

미국, 영국 등의 고준위 농축 폐액을 저장한 경험을 통해 산성 고준위 방사성 폐액을 스테인리스 스틸 탱크에 저장하는 것이 현재 유일한 중간체임을 입증했다. 대규모로 적용되는 스토리지 기술. 누출 사고를 예방하려면 두 가지 안전 조치를 취해야 합니다. 첫째, 저장탱크는 저장탱크 전체를 수용할 수 있는 스테인리스 스틸 피복 지하 장비실에 배치해야 합니다. 둘째, 사용 중인 저장탱크는 누출 시 폐액을 이송할 수 있도록 빈 탱크에 연결해야 한다. 고농축 폐액의 비등을 방지하고 온도를 60°C 이하로 유지하기 위해서는 저장장치에 충분한 여유가 있는 냉각 시스템을 갖추어야 합니다. 냉각 시스템은 외부 열교환기에 연결됩니다. 압력 혼합 시스템 외에도 저장 탱크에는 자동 모니터링 및 제어 시스템이 장착되어 있습니다.

나노물질은 핵폐기물 처리에 있어 어떤 측면에서는 기존 물질을 대체할 수 없다는 분명한 장점을 갖고 있다. 관련 측면에서는 체계적이고 심층적인 연구가 필요하다.

5. 사용후핵연료 관리

핵폐기물 중 사용후핵연료는 가장 처리하기 어렵고, 가장 유해하며, 반감기가 가장 길다.

사용후핵연료는 자연스럽게 핵폐기물 관리의 최우선 과제가 됐다. 사용후핵연료는 일반적으로 최종 폐기 전에 재처리가 필요합니다.

사용후핵연료 재처리 역시 원자력의 지속가능한 발전을 보장하는 중요한 연결고리입니다. 유용한 우라늄과 플루토늄은 조사된 사용후 연료에서 재처리를 통해 회수할 수 있으며, 열 원자로나 고속 원자로에 사용하기 위한 새로운 연료 요소로 만들어 우라늄 자원의 활용도를 크게 향상시킬 수 있습니다.

향후 고속로 핵연료의 폐쇄회로 사이클이 실현되면 우라늄 자원 이용률이 약 60배 증가할 수 있다. 60년은 3,000년 이상 사용할 수 있습니다. 사용후핵연료를 재처리하면 다량의 유용한 우라늄과 플루토늄을 회수 및 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 폐기해야 하는 고준위 방사성 폐기물의 독성과 부피를 크게 줄일 수 있습니다.

사용후핵연료 재처리 기술은 50년이 넘는 역사를 갖고 있으며 현재 전 세계적으로 상업적 재처리에 종사하는 국가로는 프랑스, ​​영국, 러시아, 일본, 인도 등이 있다. 프랑스와 영국의 대규모 상업적 재처리는 세계 선두에 있는 미국은 정치적인 이유로 1970년대 중반 상업적 재처리 활동을 완전히 중단했지만 2006년에는 한 번도 재처리 기술에 대한 연구를 중단한 적이 없음이 분명하다. 재처리 계획의 재개를 발표했습니다.

현재 운영 중인 대규모 상업용 재처리 공장으로는 연간 1,700톤의 중금속 처리 능력을 갖춘 프랑스 헤이그 공장과 연간 1,700톤의 처리 능력을 갖춘 영국의 셀라필드 재처리 공장이 있다. 900톤. 현재 뜨거운 시험을 진행 중인 재처리 공장으로는 연간 처리 용량이 800톤에 달하는 일본의 Ryokushomura 재처리 공장이 있습니다.

50년 이상의 운영 경험을 통해 Purex가 탁월한 후처리 프로세스라는 것이 입증되었습니다. Purex 공정이 지속적으로 개선됨에 따라 이제 다양한 사용후 연료를 처리하고 다양한 순도 및 농도 요구 사항을 충족하는 제품을 생산하도록 설계할 수 있습니다.