일본 아사히 신문의 이전 보도에 따르면 일본 정부 소식통은 일본 정부가 이르면 8월 말부터 후쿠시마 원자력 발전소에서 처리된 핵 오염수를 바다로 방류할 계획이라고 밝혔습니다.
일본의 핵 오염수 해양 방류 계획은 과학계와 대중 사이에서 핵폐수 처리 문제를 중심으로 격렬한 논쟁을 불러 일으켰습니다. 일반적으로 핵 오염수에는 스트론튬, 세슘, 플루토늄, 우라늄, 방사성 삼중수소와 같은 방사성 동위원소가 포함되어 있습니다. 이전에 도쿄전력은 세슘 흡착 장치와 ALPS(고급 액체 처리 시스템) 다핵종 흡착 시스템을 통해 세슘을 포함한 62개 핵종을 제거했습니다. 2014년에는 스트론튬 흡착 장치를 추가했습니다. 폐수는 세슘과 스트론튬 제거, 역삼투압을 통한 담수화 과정을 거친 후 약 280㎥의 물은 원자로 순환 냉각수로 주입조로 돌아가고, 나머지 물은 ALPS 장치 또는 이동식 스트론튬 제거 장치로, 처리된 폐수는 최종적으로 저장 탱크에 저장되는 세 가지 행선지를 갖게 됩니다. 그러나 한 가지 동위원소인 삼중수소는 ALPS 시스템을 통해 기준을 충족하기 위해 제거하기 어려운 것으로 밝혀졌습니다.
삼중수소란 무엇인가요?
삼중수소는 수소의 동위 원소이며 자연적으로도 발생합니다. 인체에 미치는 영향은 비교적 낮지만 농도가 높으면 건강에 위험을 초래할 수 있습니다. 기존 원자력 발전소의 삼중수소는 주로 냉각수 루프에서 수소 동위원소의 중성자 조사 또는 연료 원소의 핵분열 부산물이 루프 내로 침투하여 형성됩니다.
실제로 일본은 삼중수소 문제를 해결하기 위해 광범위한 연구와 탐사 노력을 기울여 왔습니다. 2014년 9월 일본 경제산업성은 삼중수소 제거 실증 프로젝트를 수행하기 위해 미국의 쿠리온, 러시아 국영 원자력 기업인 로사톰의 자회사인 로스라오, 캐나다의 GE-히타치 원자력 에너지를 선정했습니다. 그렇다면 매우 까다로운 삼중수소 제거 솔루션은 어떤 것일까요? 공개된 정보에 따르면, 베올리아(쿠리온을 인수한)와 로사톰은 모두 전기분해 촉매 교환(CECE) 공정을 사용하는 기술 솔루션을 채택하고 있습니다.
작동 온도가 낮고 공정 제어가 용이하다는 특성으로 인해 국제핵융합실험로(ITER)가 냉각수에서 삼중수소를 제거하기 위해 선택한 복합 전기분해 촉매 교환(CECE) 공정은 일본 도쿄전력에서도 후쿠시마 원전 사고 이후 원자력 폐수에서 대규모 삼중수소를 제거하기 위한 중요한 대안 기술로 채택되었습니다. CECE 공정에서는 처리된 삼중수소 폐수 중 극히 일부만 농축 및 농축 후 추가 처리를 거치고 대부분은 기체 수소로 전환하여 방출합니다. 방출된 수소는 포화 수증기를 포함하고 있으며, 삼중수소는 포화 수증기 내에 산화된 삼중수소(HTO) 형태로 존재하여 기체 삼중수소보다 10,000배 더 강한 생물학적 독성을 나타냅니다. 따라서 수소를 방출하기 전에 수증기를 철저히 처리해야 하며, 일반적으로 수증기를 응축하고 응축된 액체를 공정 시스템으로 되돌려 보내야 합니다.
쿠리온의 MDS 삼중수소 제거 시스템은 액상 촉매 교환탑 유닛과 전기분해 수소 생산 유닛의 두 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다. 액상 촉매 교환탑은 귀금속 소수성 촉매와 친수성 포장재로 채워져 있습니다. 전기분해 장치에서 생성된 수소는 촉매 교환탑에서 아래쪽으로 흐르는 물과 수소 동위원소를 교환합니다. 액체 상태의 물에서는 삼중수소가 농축되고 기체 상태의 수소에서는 삼중수소가 고갈됩니다. 촉매 교환탑은 삼중수소 유입구에서 두 부분으로 나뉘는데, 위쪽은 고갈 단계, 아래쪽은 농축 단계로 나뉩니다. 고갈 단계의 상단에서 자연수가 흘러내려 진화한 수소를 제거하고, 고갈된 수소는 상단에서 배출됩니다. 농축 단계에서는 트리티화 공급수가 고갈 단계에서 흘러내리는 물과 혼합되어 동위원소를 수소와 교환합니다. 이 과정을 통해 액상 촉매 교환탑의 바닥에 삼중수소가 농축됩니다.
핵폐수에서 삼중수소를 분리하는 것은 기술적으로 가능하지만, 일본 정부는 근본적인 “비용” 문제로 인해 삼중수소 제거 기술을 실제로 구현하지 않았으며, 이것이 산업화를 이루지 못한 이유입니다. 2014년 11월 세계 원자력 뉴스(WNN)의 보도에 따르면, 일본 경제산업성은 미국 방사성 폐기물 관리 회사 쿠리온에 약 1억 4천만 달러(약 1,000억 원)를 지원했습니다. 삼중수소 분리 기술을 실증하고 후쿠시마 원자력 발전소에 적용하기 위한 기술 검증과 설치 및 운영 비용을 평가하기 위한 목적이었습니다. 이 보고서는 중수에서 삼중수소를 분리하는 기존 기술은 당시 후쿠시마 원전 폐수를 처리하는 데 “고비용'으로 여겨졌다고 지적했습니다.
2015년 3월, 로스앤젤레스 타임즈는 쿠리온의 최고 기술 책임자인 개탄 본옴이 쿠리온의 기존 기술로 5~8년 내에 80만 입방미터의 물에서 삼중수소를 제거할 수 있을 것으로 예상했다고 보도했습니다. 하지만 시설 건설에만 1조 4천억 달러가 소요되고 연간 운영비도 수백만 달러에 달할 것으로 예상했습니다. 2016년 4월, 일본 정부의 특별 실무 그룹은 기존의 삼중수소 제거 기술이 후쿠시마 원전에 적용하기 어렵다는 결론을 내렸습니다. 이 보고서는 이러한 결론의 근거로 기술력 부족보다는 경제적 고려 사항을 제시했습니다.
국가 발전과 환경 보호의 필요성에 따라 원자력은 우리나라 에너지 부문에서 점점 더 중요한 역할을 하게 될 것입니다. 동시에 원자력은 화석 연료에 비해 환경 친화적이고 지속 가능하지만, 막대한 양의 에너지를 공급하는 과정에서 일정량의 방사성 폐기물을 불가피하게 발생시킨다는 점을 인식하는 것이 중요합니다. 또한 원자력 발전 규모가 확대됨에 따라 방사성 폐기물의 발생량도 점차 증가하게 됩니다. 방사성 폐기물의 고유한 특성으로 인해 방사성 폐기물은 항상 광범위한 관심사였습니다.
가압경수로(PWR) 원자력 발전소의 삼중수소는 주로 핵반응을 통해 생성되는데, 삼중수소 폐수는 이러한 우려의 중요한 측면 중 하나입니다. 일부는 핵분열 과정에서 생성되며, 일부는 핵연료 원소가 생성되어 피복재를 통과하여 루프에 침투할 때 방출됩니다. 또 다른 일부는 중성자 작용으로 형성되는 루프 냉각수 내 미량 물질(예: B, Li, D)에서 발생합니다. 100만 킬로와트 원자력 발전소의 경우 삼중수소 배출량은 연간 약 70테라베크렐이며, 폐수에는 삼중수소(HTO) 형태로 삼중수소가 존재합니다. AP1000 원자로의 경우, 루프 냉각수 내의 삼중수소는 주로 원자로 냉각수 시스템에서 유출수 형태로 폐액 처리 시스템(WLS)으로 유입됩니다.
삼중수소는 방사성이며 반감기가 최대 12.43년에 이르는 β 붕괴를 겪습니다. 중국 국가 표준인 “전리 방사선 보호 및 방사선원 안전에 관한 기본 표준'에서는 삼중수소를 저독성 방사성 핵종으로 분류하고 있지만, 그렇다고 해서 삼중수소의 위험성을 무시할 수 있는 것은 아닙니다. 액체 삼중수소(HTO/T2O)의 방사능 독성은 기체 삼중수소(HT/T2)보다 10,000배 더 높습니다. 삼중수소는 소화기 및 호흡기 계통과 손상된 피부를 통해 체내로 유입될 수 있습니다. 장기간 노출되거나 체내에 과도하게 축적되면 만성 내부 방사선 질환을 일으킬 수 있습니다.
기존 원자력 발전소에는 삼중수소 폐수 처리 시설이 없기 때문에 흡착, 여과, 증발, 이온 교환, 막 기술 등과 같은 기존의 방사성 핵종 제거 방법은 H2O에서 HTO를 분리하는 데 거의 효과적이지 않습니다. 그 결과 대부분의 삼중수소는 결국 환경으로 배출됩니다. 원자력 발전소 건설 규모가 증가함에 따라 삼중수소 폐수 배출량은 점차 증가할 것으로 예상됩니다. 특히 내륙 원자력 발전소 건설이 예정되어 있어 이 문제는 더욱 두드러질 것입니다. 해안 원전에 비해 내륙 수역의 희석 능력이 상대적으로 약하기 때문에 내륙 원전 개발은 저농도 삼중수소 폐수의 대량 배출 또는 식수 직접 오염에 따른 환경 영향을 우선적으로 고려해야 합니다.
원자력 발전소에서 발생하는 폐수는 농도가 낮고 처리해야 할 부피가 크다는 특징이 있습니다. 동시에 공정 간소화, 안전성, 비용 효율성과 같은 요소에 대한 요구 사항도 높습니다. 현재 시중에 나와 있는 삼중수소 처리 공정은 대부분 삼중수소가 포함된 중수를 대상으로 설계되어 있으며, 물에서 삼중수소를 제거하기 위해 상당한 양의 수소가 필요한 희석 공정을 포함하는 경우가 많습니다. 수소 동위원소 분리 장치의 백엔드 공정에는 상당한 압력과 에너지 소비가 수반됩니다.
이러한 상황에 대응하기 위해 중국의 연구 기관들은 삼중수소 핵폐수 처리 공정을 개선했습니다. 개선 사항에는 공급 시스템, 물 증류 장치, 다단계 시스템, 복합 전기 분해 촉매 교환 장치, 삼중수소 저장 용기 및 히트 펌프 에너지 절약 시스템의 수정이 포함됩니다. 2단계 처리 방식은 물 증류를 1차 희석 및 환원 공정으로 사용하여 고용량 저농도 삼중수소의 표준 배출 희석을 달성하는 것입니다. 결합된 전기분해 촉매 교환 공정은 삼투수의 다양한 배수에서 희석 및 환원 처리를 달성하기 위한 고효율의 2차 환원 공정으로 사용됩니다. 이 방법은 간단한 공정, 편리한 장비 작동, 우수한 시스템 안정성, 높은 희석 및 환원 계수 등의 장점을 제공합니다. 삼투수의 희석 및 환원 처리를 효과적으로 달성하며 엔지니어링 응용 가치가 높습니다.
DODGEN은 이 분야에 적극적으로 참여하여 이 애플리케이션에 적합한 주요 장비를 개발했습니다. 자세한 내용은 다음을 참조하세요: “중수 증류: 와이어 메쉬 포장 및 타워 내부 선택.”
요약하자면, 핵폐수 삼중수소 제거 기술이 성공적으로 산업화되지 못한 가장 큰 이유는 높은 비용입니다. 산업화된 핵폐수 처리 기술은 방대한 양의 핵폐수를 관리하기 위해 상당한 규모의 대규모 처리 능력을 갖춰야 합니다. 또한 핵폐수 처리에는 고위험 방사성 물질이 포함되어 있습니다. 모든 산업화 기술은 처리 과정에서 인간과 환경에 추가적인 위험을 초래하지 않도록 해야 합니다. 안전성과 환경 친화성은 화학 기술 는 필수 요건이며 광범위한 실험과 검증이 필요합니다.
현재 핵폐수 삼중수소 제거 기술의 산업화를 달성하려면 상당한 재정적 투자가 필요하기 때문에 경제적으로 실현 가능하지 않습니다. 그러나 기술이 계속 발전하고 산업화 과제가 지속적으로 극복됨에 따라 비용이 절감될 수 있을 것으로 예상됩니다.
