1. 서론

국내에는 현재 운영 중인 원전이 25기, 영구정지된 원 전이 1기 존재[1]하며, 이로부터 2018년 12월 기준으로 가압 경수로 사용후핵연료가 18,600여 다발, 중수로 사용후핵연 료가 451,000여 다발이 발생하였다. 이처럼 많은 사용후핵 연료를 안전하게 관리하기 위하여 정부는 2016년 7월 25일, ^「고준위방사성폐기물 관리 기본계획_」을 발표[2]하였으며, 현재 이를 보완하기 위한 작업을 진행 중에 있다.

사용후핵연료를 안전하게 관리하기 위한 기술 개발도 지 속적으로 수행 중에 있는데, 한국원자력연구원에서는 1997 년부터 2006년까지 사용후핵연료를 심부암반에 영구격리하 기 위한 개념을 개발하여 한국형 기준 처분시스템[Korean Reference Disposal System, KRS]을 제시[3]하였으며, 2007 년부터는 파이로 공정에서 발생한 고준위폐기물 및 장반감 기 폐기물을 처분하기 위한 연구를 수행하여 선진핵주기폐 기물 기준 처분시스템(Advanced Korean Reference Disposal System for Radwastes from Pyroprocessing of PWR Spent Fuels)을 제시[4]하였다. 2018년부터는 원자력연구개 발 사업에서 사용후핵연료를 처분하기 위한 연구를 다시 수 행함에 따라 현재는 한국형 처분시스템을 개량하는 연구를 한국원자력연구원에서 진행 중에 있다.

처분시스템 개발에 기초자료로 활용되는 방사선원항 관 련 연구도 함께 진행되었으며, 이의 결과물로 한국형 기준 처 분시스템(KRS) 설계를 위한 가압경수로 기준 사용후핵연료 는 집합체 제원으로 KSFA (Korean Standard Fuel Assembly), 초기농축도 4.0 wt%, 방출연소도 45 GWd/tU, 냉각기 간 40년을 사용하였다[5]. 파이로 공정 설계 및 선진핵주기 폐기물 기준 처분시스템(A-KRS) 설계를 위한 가압경수로 기 준 사용후핵연료는 집합체 제원으로 PLUS7, 초기농축도 4.5 wt%, 방출연소도 55 GWd/tU를 적용하였다[6]. 이때 가압경 수로 사용후핵연료의 파이로 공정처리 시점은 원자로 방출 후 10년, 폐기물의 처분시점은 원자로 방출 후 40년을 적용 하였다[6].

사용후핵연료는 현재에도 지속적으로 발생하고 있으며, 이로 인해 처분대상이 되는 사용후핵연료의 물리적 제원, 초 기농축도, 방출연소도, 냉각기간 분포도 지속적으로 변한다. 처분시스템을 타당하게 설계하고 지나친 보수성을 감소시키 기 위해서는 기준 사용후핵연료를 적절히 사용하기 위한 분 석도 지속적으로 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 가 압경수로 사용후핵연료만을 대상으로 발생물량, 설계제원, 장전핵연료 농축도, 방출연소도, 냉각기간 등에 대해 현황 및 향후 추이를 분석하였으며, 이를 통해 가상적인 기준 사용후 핵연료를 제안하였다.

2. 사용후핵연료 발생량

2.1 국내 원전수급계획

우리나라는 현재 가압경수로 21기와 가압중수로 4기를 운영 중[1]이며, 정부에서 확정 고시한 제8차 전력수급기본 계획[7]에 의하면, 2022년까지 1,400 MWe급 가압경수로 4기 가 순차적으로 건설 완료할 예정이다.

2.2 국내 사용후핵연료 발생량 추이

앞서 언급한 제8차 전력수급기본계획을 근거로 현재 운 영 중이거나 향후 건설할 가압경수로에서 발생할 사용후핵 연료만을 대상으로 연도별 발생량 및 누적량을 산출하였다. 2018년까지 가압경수로에서 발생한 사용후핵연료 물량은 저장실적 자료를 이용하여 산출하였으며[8], 현재 운영중인 가압경수로에서 향후 발생할 사용후핵연료의 물량은^「고준 위방사성폐기물 관리 기본계획_」에서 사용후핵연료 발생전 망 추정시 사용한 연간발생량 예측 값을 적용하여 추정하였 다. 1,400 MWe급 원자로를 제외한 모든 원자로에 대해서는 40년 운전기간을 가정하는 한편, 1,400 MWe급 원자로의 경 우는 60년 운전기간을 가정하였다.

각 원자로 호기별 사용후핵연료 누적량 예측 모델로 식 (1)을 사용하였다. 식 (1)에서 C f k 는 k호기에 대한 최종 사용후핵연료 발생 누적량을 의미하며, C c k 는 기준연도까지 의 사용후핵연료 발생 실제 누적량, L c k 는 노심 내 핵연료 총 장전량, n은 기준연도부터 폐로 시까지 향후 운전기간(연) 을 의미한다.

여기서, D a v g k 는 k호기의 연평균 사용후핵연료 발생량을 의미하며, 이 값은 앞서 언급한 연간발생량 예측 값이다.

이와 같은 방법으로 산출한 가압경수로 사용후핵연료 발 생량 추이는 Fig. 1과 같다. 예측된 연간 사용후핵연료 발생 량은 모든 원자로를 가동하는 2020년 중반 1,400다발 정도 발생하여 피크를 이루다가 점차 원자로의 수명이 종료됨에 따라 감소함을 볼 수 있다. 모든 원자로의 가동종료 최종시 점인 2082년에서의 사용후핵연료 예측 누적량은 약 62,500 다발 정도를 나타냈다.

3. 사용후핵연료 설계제원 및 연소특성 분석

사용후핵연료의 기하학적 구조, 크기, 냉각기간, 연소도, 방사선원의 세기 및 스펙트럼, 붕괴열량, 방사성물질 농도 등 은 처분시스템 설계에 필요한 기본 자료이다. 그런데, 우리 나라의 경수로 원자로에서 사용하는 핵연료의 설계제원, 초 기농축도 및 방출연소도 등은 매우 다양하므로 이에 대한 총 체적 분석을 통해 개념설계에 사용할 대표성을 갖는 사용후 핵연료를 선정하여야 한다.

3.1 사용후핵연료의 설계제원

지금까지 사용한 핵연료집합체는 14×14, 16×16, 17×17 등의 세 가지 핵연료봉 배열을 갖는다. 고리 1호기 에는 세 가지 종류의 핵연료 타입이 사용되었으며, 웨스팅하 우스(이하 WH) 14×14 OFA (Optimized Fuel Assembly) 핵 연료가 최종적으로 사용되다가 영구정지 되었다. 16×16 핵 연료집합체에 대해서는 너비 및 길이 측면에서 크게 두 가지 형태의 핵연료집합체가 사용되고 있는데, 하나는 WH형 원 전에 사용되는 연료[19.7×19.7×405.8 cm]로서 고리 2호기 에, 다른 하나는 한국형 원전에 사용되는 연료[20.7×20.7× 452.8 cm]로서 울진 3, 4, 5, 6호기, 영광 3, 4, 5, 6호기, 신월 성 1, 2호기, 신고리 1, 2, 3호기에 사용되고 있다. WH형 원 전인 고리 3, 4호기, 울진 1, 2호기, 영광 1, 2호기에는 17×17 핵연료집합체인 ACE7 연료[21.4×21.4×405.8 cm]가 장전 되고 있다. 한국형 원전에 이미 장전되어 있는 핵연료는 한 국표준형연료인 16×16 PLUS7이 대부분이며, 새로이 교체 되는 핵연료는 모두 PLUS7으로 장전되고 있다[8].

지금까지 발생된 핵연료집합체의 종류는 18가지로 분류 할 수 있으며, 가압경수로 핵연료를 영구격리하기 위한 심층 처분시스템 개념설계안은 이 모든 핵연료집합체를 수용해 야 하는데, 핵연료집합체 길이 측면에서 보면, 고리 1, 2호기 에 사용되는 16×16 연료 및 WH형 원전에 사용되는 17×17 연료가 405.8 cm이며, 그 외의 한국형 원전에 사용되는 연료 의 길이가 452.8 cm 이다. 단면적 측면에서는 WH형 원전 연 료의 경우는 21.4×21.4 cm가 가장 크며, 한국형 원전 연료 의 경우는 20.7×20.7 cm가 가장 크다.

Table 1에는 2018년 말까지 발생한 핵연료 종류별 발생 량을 수록하였는데, 고리 1, 2호기 연료가 15.3%, WH형 원 전의 17×17 핵연료가 44.3%, 한국형 원전의 연료가 40.4% 를 차지하고 있다. 처분용기는 사용후핵연료를 모두 수용하 도록 설계해야 하므로, 이러한 자료는 길이별로 구분하지 않 고 한 개 타입의 기준 사용후핵연료를 대상으로 처분시스템 을 설계한다면, 2018년 기준으로 약 60%의 핵연료는 처분 용기가 상대적으로 50 cm의 빈 공간을 갖게 됨을 의미한다. 달리 말하면, 사용후핵연료 길이를 고려하여 두 개의 핵연료 타입을 기준 사용후핵연료로 선정하여 설계한다면 보다 효 율적인 처분시스템 설계안을 도출할 수 있다.

Table 2에는 짧은 길이를 갖는 사용후핵연료(Table 2 에서 Westinghouse-type spent fuel)와 상대적으로 긴 길이 를 갖는 사용후핵연료(Table 2에서 Korean-type spent fuel) 의 점유율을 연도별로 나타낸 것이다. 표에서 보는 바와 같 이, 한국형 원전 연료의 점유율이 점점 증가하여 2082년에는 77% 정도를 차지함을 볼 수 있다.

3.2 장전핵연료 농축도 추이

핵연료의 초기 농축도는 사용후핵연료의 방출연소도 및 사용후핵연료 핵종 재고량과 상관성이 있으므로 향후 발생 할 사용후핵연료의 농축도 추이분석은 중요하다. 각 원자로 호기별로 지금까지 장전된 핵연료의 초기 농축도에 대해 설 명하면 다음과 같다. 고리 1호기에는 1996년 이후로 ²³⁵U 농 축도(이하 농축도) 3.8 weight percent(이하 wt%)인 핵연료 가 장전되었으며, 2014년에만 일부 핵연료에 대해 4.1 wt% 농축도가 사용되었다. 고리 2호기에 대해서는 1996년부터 2008년까지 3.8 wt% 농축도가 사용되다가, 그 이후부터는 농축도를 증가시켜 현재는 4.65 wt%인 핵연료가 장전되고 있다. 고리 3, 4, 영광 1, 2, 울진 1, 2호기에는 90년대 초반에 농축도 3.6 wt% 정도인 핵연료가 사용되다가 90년대 중반부 터 4.1~4.2 wt%인 Vantage 5H가 장전되었고, 2000년대 초 반부터 4.5 wt% Vantage 5H, RFA, ACE7이 순차적으로 장 전되다가 2010년대 초반부터는 4.65 wt%인 핵연료가 장전 되고 있다. 한국형 원전에는 90년대 말 4.2 wt% 핵연료가 사 용되다가 2000년대 초반부터 4.5 wt%인 핵연료가 장전되기 시작하였으며, 2010년대 중반부터는 4.65 wt% 핵연료가 사 용되고 있다.

2018년 말 기준으로 발생한 가압경수로 사용후핵연료는 18,600여 다발이며, 앞서 언급한 것처럼 모든 원전의 수명 이 종료되는 2082년까지 발생할 사용후핵연료가 62,500 다 발임을 감안할 때 4.65 wt%인 사용후핵연료가 최종 물량의 약 72% 정도를 차지할 것으로 예측되었다. 좀 더 세분해 보 면, WH형 원전의 경우는 4.65 wt%가 30%, 4.5 wt%가 25%, 4.2 wt%가 15%, 4.2 wt% 이하가 나머지를 차지하고, 한국 형 원전의 경우는 4.65 wt%가 약 85%를 차지할 것으로 예 상되었다.

이와 같은 자료를 바탕으로 볼 때, 궁극적으로는 4.65 wt%를 기준 사용후핵연료의 농축도로 선정하는 것이 바람 직 할 것으로 판단되나, 2018년까지의 발생실적 자료만을 보 면 아직까지 4.5 wt% 이하의 사용후핵연료가 90% 정도를 차 지하므로 2019년 현 시점에서는 4.5 wt%를 기준 사용후핵연 료의 농축도로 설정하는 것이 바람직해 보인다.

3.3 사용후핵연료 연소도 분포

사용후핵연료 연소도 분포를 정확히 추정하는 것은 앞 서 언급했듯이, 핵임계, 방사선차폐, 안전성 평가 측면에서 중요하다. Fig. 2에는 우리나라 원전에서 발생한 사용후핵 연료 연간발생량과 연소도의 분포가 표기되어 있다. 그림에 서 보듯이 연간 발생하는 사용후핵연료는 가동원자로의 증 가로 인해 꾸준히 증가하는데 가압경수로의 경우 현재 연간 900 다발 정도가 발생하고 있다. 방출연소도는 1980년대 중 반에는 30 GWd/tU 정도이었으나, 80년대 말부터 핵연료의 농축도를 3.2 wt%에서 3.8 wt%로 순차적으로 늘리면서 90년대 중반부터는 37 GWd/tU 정도를 나타냈다. 90년대 중·후반부터 초기농축도가 4.1~4.2 wt%인 핵연료를 장전 하면서 2000년대 초반에는 방출연소도가 40 GWd/tU 정도 를 상회하였고, 2000년대 중반부터 4.5 wt%인 핵연료를 장 전하면서 2010년 초에 45 GWd/tU 정도를 상회하였으며, 현 재는 다시 평균연소도가 감소추세를 보이나 이는 최근 건 설된 원전의 가동으로 인해 초기노심을 구성하는 초기 농 축도가 낮은 사용후핵연료가 발생하여 15 GWd/tU의 낮은 방출연소도를 갖는 사용후핵연료가 발생했기 때문이다. 최 대 방출연소도는 지속적으로 증가하여 2000년대 초반부터는 55 GWd/tU 이상을 유지함을 볼 수 있다.

Fig. 3에는 향후 방출될 사용후핵연료의 연소도를 예측 하기 위해 평형노심 상태의 국내 원전에서 발생한 사용후핵 연료의 연소도분포를 나타낸 것이다, 고리 3, 4, 영광 1~6, 울 진 1~6 호기를 분석대상으로 하였으며, 2005년도부터 발생 한 사용후핵연료 중, 초기노심 해당물량은 제외하였으며 평 형노심에서 발생한 사용후핵연료를 만을 대상으로 하였다. 그림에서 보듯이, 2005년 이후로도 평균연소도가 약간씩 증 가하고 있는데, 이는 2005년 이후에도 농축도를 4.65 wt% 까지 증가시켜왔기 때문이다. 2005년도 이후 평형노심에 서 발생한 사용후핵연료의 평균연소도 및 표준편차는 각각 45.7 GWd/tU, 3.6 GWd/tU의 값을 보여 향후 발생할 사용 후핵연료의 연소도 분포는 95% 신뢰수준에서 38.8 ~ 52.9 GWd/tU의 범위 안에 사용후핵연료의 방출연도도 값이 산 포할 것으로 예상된다.

2018년 기준으로 발생한 사용후핵연료가 약 18,600 다발 이고 향후 발생할 다발수가 43,900 다발 정도 되므로 현재까 지 발생한 물량은 총 물량의 30% 정도밖에 발생하지 않은 상 태이다. 즉 향후 발생할 사용후핵연료의 방출연소도는 기존 에 발생한 통계치 만으로 판단하기에는 여전히 불확실성이 매우 크다. 따라서 한국형 원전에서 발행한 기준 사용후핵연 료의 기준 연소도는 현 단계에서는 보수적으로 설정할 수 밖 에 없는 실정이며, 따라서 기존에 발생한 사용후핵연료의 최 대 값 부근인 55 GWd/tU으로 설정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 2018년까지 발생한 사용후핵연료의 집합체별 방 출연소도 또한 99% 정도가 55 GWd/tU 이하에 속하는 것으 로 나타나 향후 발생할 사용후핵연료의 방출연소도에 대한 불확실성을 고려한다 해도 55 GWd/tU을 적용하면 처분시 스템 설계에 문제가 없을 것으로 판단된다.

3.4 사용후핵연료 냉각기간 분포

처분시스템 설계에 있어서 냉각기간을 얼마로 설정할 것 인가는 방사선차폐, 안전성 평가 측면에서 중요하지만 무엇보 다도 처분장 면적을 결정하는데 있어서 중요한 역할을 한다. 그런데, 사용후핵연료의 냉각기간은 처분시점을 언제로 할 것인가에 따라 달라진다. 본 분석에서는 참고문헌 [9]에서 적 용한 처분시나리오를 가정하였다. 참고문헌 [9]에서는^「고준 위방사성폐기물 관리 기본계획_」을 참고하여 2053년부터 처 분장운영을 시작하여 10년 동안은 중수로 사용후핵연료를 처분하고 그 후 15년 동안은 WH형 원전에서 발생한 사용후 핵연료를 처분하고 그 이후부터는 한국형 원전에서 발생한 사용후핵연료를 처분하여 2125년까지 완료한다는 시나리오 를 적용하고 있다. 그리고 처분율은 매년 1,000 다발의 가 압경수로 사용후핵연료를 처분하는 것으로 가정하고 있다. Fig. 4는 이 시나리오를 적용하였을 경우, WH형 원전 및 한국형 원전에서 발생한 사용후핵연료에 대한 처분시점별 냉각기간을 보여주고 있다. 제일 오래된 핵연료부터 매년 1,000 다발씩 처분한다고 가정하면 그림에서 보듯이, 2063년 에 처분되는 사용후핵연료의 냉각기간은 74년이나, 2070년 에는 61년으로 감소하다가 마지막 물량을 처분하는 시점에 는 48년의 냉각기간을 갖는 것으로 나타났다. 이 자료로부터 WH형 원전의 사용후핵연료 냉각시간은 50년으로 결정하였 다. 실제로 냉각기간이 긴 사용후핵연료와 짧은 사용후핵연 료를 하나의 처분용기에 함께 처분하는데 문제가 없고 2077 년 시점에서 50년 이상 냉각된 WH형 사용후핵연료의 물량 이 97%를 상회하므로 냉각기간 50년은 충분한 보수성을 갖 는다. 한국형 원전에서 발생한 사용후핵연료에 대해서는 최 초 처분시점인 2078년 사용후핵연료의 냉각기간은 76년으 로 나타났으며, 2100년에는 65년, 2110년에는 63년으로 나 타나다가 처분 마지막 연도엔 2125년에는 44년의 냉각기간 을 갖는 것으로 나타났다. 이 자료로부터 한국형 원전으로부 터 발생한 사용후핵연료의 냉각시간은 45년으로 결정하였 다. 앞서와 마찬가지로 냉각기간이 긴 사용후핵연료와 냉각 기간이 짧은 사용후핵연료를 하나의 처분용기에 함께 처분 하는데 문제가 없고 2125년 시점에서 45년 이상 냉각된 한국 형 사용후핵연료의 물량이 98%를 상회하므로 냉각기간 45년 은 충분한 보수성을 갖는다.

4. 결론

사용후 핵연료 심층처분시스템 설계를 위하여 국내 사 용후핵연료의 발생량, 집합체 제원별 현황, 장전핵연료 농 축도, 연소이력 및 냉각기간 현황을 파악하였다. 2082년까 지 경수로 사용후핵연료 발생량은 약 62,500 다발로 추정되 었다. 2018년 말까지 발생한 사용후핵연료 중 상대적으로 길이가 50 cm 정도 짧은 WH형 원전연료가 약 60%, 상대적 으로 길이가 긴 한국형 원전 연료가 약 40%를 차지하였으 며, 2082년에는 한국형 원전 연료가 약 77%를 차지하는 것 으로 나타났다. 핵연료의 농축도는 현재 4.65 wt%가 장전되 고 있으나, 현재까지 발생한 물량 기준으로는 4.5 wt% 이하 가 90% 정도를 차지하는 것으로 나타났다. 평형노심에서 발 생한 사용후핵연료의 평균 방출연소도는 약 46 GWd/tU으 로 나타났으며, 98%의 물량이 55 GWd/tU 이하로 나타났다. 2077년을 기준으로 WH형 원전에서 발생한 사용후핵연료의 냉각기간은 50년 이상이 97% 정도를 차지하였으며, 처분 완 료시점인 2125년을 기준으로 한국형 원전에서 발생한 사용 후핵연료의 냉각기간은 45년 이상이 98% 정도를 차지하는 것으로 나타났다.

앞서의 결과를 바탕으로 볼 때, 효율적인 처분시스템 설 계를 위해서는 기준 사용후핵연료는 제원적 특성을 고려하 여 두 가지 형태로 설정하는 것이 바람직해 보이며, WH형 원전 연료의 기준 사용후핵연로는 집합체 제원으로 KSFA (단면적 21.4×21.4 cm, 축방향 길이 405.8 cm), 초기 농축도 4.5 wt%, 방출연소도 55 GWd/tU, 냉각기간 50년으로 설정 하고, 한국형 원전 연료의 기준 사용후핵연료는 집합체 제원 으로 PLUS7 (단면적 20.7×20.7 cm, 축방향 길이 452.8 cm), 초기 농축도 4.5 wt%, 방출연소도 55 GWd/tU, 냉각기간 45 년으로 설정하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 단 처분시 스템 설계 시 핵임계 안전성 측면에서는 초기농축도, 방출 연소도를 모두 높게 설정하는 것이 극한설정(bounding approach) 이 아니므로 이는 별도로 분석하여 설정하여야 할 것이다.