[그린포스트코리아 김동수 기자] 최근 국내 연구진이 원자력발전소에서 나오는 사용후핵연료에 포함된 희소 원소들이 지하수 등에 어떻게 반응하는지 잇달아 규명해 눈길을 끌고 있다.

한국원자력연구원(이하 원자력연)은 국내 대학 연구진과 공동으로 사용후핵연료의 핵심 원소인 아메리슘(Am), 플루토늄(Pu), 우라늄(U)의 화학반응을 새롭게 규명했다고 2일 밝혔다.

사용후핵연료를 안전하게 처분하는 기술로는 심지층 처분 기술이 있다. 이 기술은 사용후핵연료를 지하 수백 미터 깊이에 처분 터널을 건설하고 보관하는 방법이다. 이를 완성하기 위해선 장기간 동안 사용후핵연료가 지하에서 어떻게 반응하며 변형될 수 있는지를 연구하는 게 무엇보다 중요하다.

특히, 아메리슘과 플루토늄, 우라늄은 높은 방사성과 핵 비확산 정책으로 취급이 극히 제한되어 연구가 까다로운데, 이번 연구는 희소 원소가 심지층의 지하수에서 어떻게 반응하는지를 분자 수준에서 규명해 학계에서 주목받고 있다.

원자력연은 이번 연구에 대해 “사용후핵연료에 존재하는 원소들이 지하수 중의 물질과 결합해 어떻게 변하고 이동· 확산하는지 예측할 수 있는 핵심 기초자료로 중요한 의미가 있다”고 전했다.

먼저, 세 가지 핵심원소 중 아메리슘에 관한 연구는 고려대학교 곽경원 교수 등과 함께 진행했다. 아메리슘은 맨해튼 프로젝트에서 처음 발견된 인공 방사선 금속인데, 분자 수준에서 아메리슘 화합물의 안정성과 아메리슘 원자에 빛을 쏘였을 때 나타나는 분광 특성의 상관관계를 제시하고 원소가 결합하는 특성을 발견했다.

플루토늄에 관한 연구는 KAIST 윤종일 교수 연구팀과 함께 진행했다. 플루토늄이 자연에 존재하는 탄산이온, 알칼리 토금속과 결합해 3성분 화합물(칼슘 플루토닐 카보네이트 화합물, 마그네슘 플루토닐 카보네이트 화합물)로 변하는 현상을 최초로 규명했다.

사용후핵연료의 95% 이상을 차지하는 우라늄은 원자력연구원이 최신 분광해석기법을 이용해 환원 상태 우라늄의 화학적 특징을 새롭게 규명하고 우라늄 나노입자가 생성되는 메커니즘을 제시했다. 특히, 사용후핵연료를 심지층 처분하는 경우 산소가 없는 깊은 땅속에 보관하게 되는데, 이때 우라늄 또한 산소와 결합하지 않은 환원 상태의 우라늄(U(Ⅳ))으로 존재하게 되므로 이에 관한 연구가 특히 중요하다.

이번 연구결과로 사용후핵연료 속 핵심 원소들이 다양한 자연환경에서 어떻게 반응하는지 화학적 거동을 예측할 수 있어 향후 고준위 방사성폐기물의 처분 안전성을 평가하는데 중요한 기초자료로 활용될 것으로 보인다.

연구를 이끈 차완식 책임연구원은 “이번에 연구한 원소들의 화학자료는 국제적으로 매우 부족한 상황”이라며 “지속적인 연구를 통해 국제 사회에 기여하는 한편, 보다 안전하고 지속가능한 국내 원자력 기술 개발을 위해 이바지할 것”이라고 밝혔다.

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