사용후핵연료 저장방법  
 

 
 
  1. 개요

 

원자로에서 인출된 후 핵연료건물내에 임시로 저장된 사용후핵연료는 재처리 또는 직접처분에 앞서 사용후핵연료의 냉각을 위하여 중간저장하게 된다. 발전소를 건설할 때 소내저장조의 용량은 일반적으로 10년을 기준으로 설계되므로, 원자력발전소 수명기간 동안에 발생되는 사용후핵연료를 저장하기 위해서는 기존의 저장조 확장, 소내 원자로 계통에 영향이 없는 독립된 저장시설의 건설, 또는 별도의 독립부지를 확보하여 저장하는 소외 집중저장시설의 건설이 필요하다. 이와 같이 재처리와 영구처분이라는 최종관리방안의 중간단계로 발전소부지 외에 어느 한곳에 모아서 저장하는 방안을 중간저장이라 한다.

우리나라의 경우도 사용후핵연료를 50년 이상 중간저장하는 것이 기본정책이다. 사용후핵연료 중간저장기술은 습식저장기술과 건식저장기술로 구분되며, '80년대 중반까지는 실증경험이 풍부한 습식저장이 주로 채택되었으나, '90년대에 들어서면서 용량확장과 장기관리 측면에서 유리한 건식저장방식을 채택하기 시작하여 독일, 헝가리, 체코, 미국, 영국 등 현재 많은 나라에서 건식저장시설을 설치하여 운영하고 있다.


   
 
표. 사용후핵연료 건식저장시설의 분류체계
문헌
사용후핵연료 건식저장시설 분류체계
ANSI/ANS-57.9
캐스크 또는 사일로
볼트
또는
캐년(Canyon)
건정(Drywell) 또는
케이슨(Caisson)
IAEA
TECDOC-1100
용기저장 시스템
(Container Storage System)
볼트
-
금속
캐스크
콘크리트
캐스크
사일로
하버드대학
및 동경대
캐스크
사일로
볼트
-
IAEA
Safety Series
No. 116
캐스크
사일로
또는
콘크리트 캐니스터
볼트
-
IAEA
Safety Series
No. 118
캐스크
사일로
또는
콘크리트 캐니스터 볼트
볼트
-



2. 습식저장기술

 

사용후핵연료를 저장수조에 저장하는 습식저장 방식은 지금까지 각국에서 많은 운영경험을 확보하고 있으며, 이미 입증된 안전한 사용후핵연료 저장기술이다. 현재 세계적으로 90 % 이상의 사용후핵연료가 AR 또는 AFR 방식의 습식상태로 저장되어 있는 것으로 알려져 있으며, 일부 사용후핵연료는 40년 이상 유의할 만한 문제를 유발하지 않고 저장수조 내에 저장되고 있다. 일반적으로 사용후핵연료 집합체는 콘크리트 재질의 저장조내 저장대에 적치되며, 저장조는 주로 스테인레스 스틸 또는 에폭시 도장으로 라이닝되어 있다. 최근에는 콘크리트와 라이닝 사이에 틈을 두어 냉각수 누수시 냉각수를 한 곳으로 모을 수 있도록 하는 안전설계방법이 도입되었다.

사용후연료에서 발생되는 방사성 붕괴열은 열교환기를 이용한 강제냉각 방식에 의해 제거되며, 운전중 핵연료 피복관 온도를 30~40 ℃로 유지할 수 있어 저장밀도가 건식저장시보다 높다는 장점이 있다. 그러나 냉각시스템의 가동에 따른 시설 운영비의 증가, 그리고 2차 폐기물 발생량이 건식저장보다 많다는 것이 단점이다. 습식저장방식은 풍부한 운영경험에 의해 안전성과 효율성이 입증되었으나, 소외집중저장(AFR)의 개념으로는 영국과 프랑스 등 재처리시설 운영국가와 스웨덴, 불가리아 등 일부 국가에서만 채택되어 운영되고 있다.

모든 사용후핵연료 저장수조는 건물 내에 위치하며, 저장수의 화학적 성분에 대한 수질관리와 저장수조의 누설여부에 대한 감시가 이루어지고 있다. 저장수의 방사성물질의 농도는 ALARA 측면에서 관리되고 있다.

사용후핵연료의 습식저장과 관련한 안전성 측면의 주요 현안은 (1) 저장수가 손실되지 않은 상태에서 상시 핵연료를 저장할 수 있음을 보장하고, (2) 저장조 내에서 핵분열 연쇄반응에 따른 임계사고를 방지하기 위한 충분한 저장공간과 중성자 흡수능력을 보장하는 것으로 요약할 수 있다.


   
 


3. 건식저장기술

 

건식저장방식은 "물" 대신 "기체" 또는 "공기"를 냉각재(저장중인 핵연료의 산화를 방지하기 위하여 주로 헬륨과 같은 불활성기체를 이용하며, 반응도가 약한 질소를 이용하기도 함)로 이용하고, 방사선 차폐체로 "물" 대신 "콘크리트"나 "금속"을 이용한다는 점에서 습식저장기술과 구분된다.

건식저장이 가능한 수준으로 냉각하기 위하여 사용후핵연료는 일단 수년 동안 원전내 사용후핵연료 저장수조에 저장되어야 한다. 사용후핵연료가 건식저장시설에 저장된 후에는 요구되는 운영비용 및 위험도가 미미하므로 안전하고, 비용/이득 측면에서 적합한 저장방식으로 알려져 있다. 많은 수량의 사용후핵연료를 장기간 저장함으로써 경제적 효과를 달성하기 위해서는 볼트 또는 사일로 방식이 적절하며, 단위별 모듈화를 통한 관리의 유연성 확보가 필요한 경우에는 건식저장캐스크(DSC: Dry Storage Cask) 방식이 바람직하다고 알려져 있다.

건식저장기술중 현재 상용규모로 이용되고 있는 저장방식으로는 금속캐스크(Metal Cask) 방식, 콘크리트 사일로(Concrete Silo) 방식, 횡형 콘크리트 저장모듈(Horizontal Concrete Modular Storage)방식, 볼트 저장(Vault Storage)방식, 수송·저장겸용(Transport and Storage) 캐스크 방식 등 크게 5가지로 구분할 수 있다.

금속 캐스크방식은 사용후연료를 금속 캐스크에 담아 콘크리트 패드 위에 저장하는 간단한 개념이다. 캐스크구조는 몸체, 핵연료 바스켓, 뚜껑으로 구성되어 있으며, 캐스크 몸체의 외부 표면은 냉각 효율성을 높이기 위하여 여러종류의 냉각핀을 부착하기도 한다. 최근에는 저장·수송의 이중목적(Dual Purpose) 또는 수송·저장·처분의 다목적(Multi Purpose) 등의 금속캐스크 겸용방식에 대한 개발이 진행되고 있다. 겸용방식은 원전부지내(AR, At Reactor)에서 사용후연료를 일정기간 저장한 후 최종관리 시설로 직접 운반할 수 있는 방식으로서 초기 투자비용은 다소 비싸지만 사용후핵연료 수송에 따른 별도의 수송용기가 필요없고 수송 저장작업의 안전성이나 작업공정을 단순화시킬 수 있는 장점이 있다.

콘크리트 사일로 방식은 기본적으로 금속 캐스크 방식과 개념이 유사하다. 사용후연료를 콘크리트 용기에 저장하는 이 방식은 사용후연료에서 발생한 열이 콘크리트 용기와 탄소강재의 밀봉 바스켓으로 형성된 도너츠 형태의 공간에 흐르는 공기에 의해 냉각되도록 설계되었다. 이 방식은 금속 캐스크방식에 비해 값이 싸다는 장점은 있으나 내열성, 내충격성 및 냉각성능이 떨어진다는 단점이 있다. 횡형 저장모듈방식은 사용후연료가 장전된 차폐 캐니스터를 저장부지에 설치된 콘크리트 저장모듈에 수평상태로 저장하는 것이다. 차폐 캐니스터는 방사성물질이 외부로 누출되지 않도록 하며, 운반 및 저장기간중에 사용후연료를 지지 및 보호하는 역할을 한다. 이 방식은 작업공정이 다소 불편하지만 안전성 및 경제성면에서 다른 방식에 비해 우수한 것으로 알려지고 있으며, 여러 종류의 연료에 적용이 가능한 장점을 갖고 있다.

볼트저장방식은 콘크리트 구조물내에 금속 튜브를 설치하여 튜브내에 사용후연료를 장입 밀봉하여 저장하는 방식으로서, 튜브내에는 저장되는 연료의 특성에 따라 공기, 질소 또는 헬륨가스를 채운다.