사용후핵연료 처리 소재 국산화 길 열었다

한국원자력연구원

김봉주 한국원자력연구원 박사가 초음파 및 부유 선별 과정을 시험하고 있다. 원자력연 제공

사용후핵연료 처분에 사용되는 핵심 소재 '벤토나이트'를 국내에서 대량 생산할 수 있는 공정이 개발됐다. 

한국원자력연구원(원자력연)은 김봉주 저장처분성능검증부 박사가 국내산 저품질 벤토나이트를 고품질로 생산할 수 있는 생산 공정 개발에 성공했다고 14일 밝혔다. 지금까지는 중국, 미국, 인도 등 국가에서 고품질 벤토나이트를 수입해왔다.

벤토나이트는 점토의 일종이다. 물을 흡수하면 부피가 크게 팽창하는 특성을 갖고 있다. 토목 분야에서 방수재로 많이 사용될 뿐만 아니라 고준위 폐기물인 사용후핵연료 처분 분야에서도 핵심 소재로 쓰인다. 방수 능력과 방사성 핵종 흡착 성능이 있기 때문에 사용후핵연료가 담긴 처분 용기 주변의 완충재로 사용하는 것이다. 이를 통해 지하수 유입을 차단하고 방사성물질의 이동을 저지한다. 

벤토나이트의 성능은 주성물 광분인 몬모릴로나이트 함량이 높을수록 좋아진다. 몬모릴로나이트는 천연 점토 자원으로, 매우 얇은 층이 쌓인 층상 구조로 이뤄져 있어 다른 점토에 비해 층 사이로 물을 더 많이 흡수하고 팽창할 수 있다. 지금까지는 국내산 벤토나이트의 몬모릴로나이트 함량이 외국산에 비해 매우 낮아 산업적 활용에 한계가 있었다.

연구팀은 벤토나이트를 물과 섞어 끈적한 진흙(슬러지)처럼 만들고, 초음파를 이용해 광물질 입자를 분산했다. 이후  슬러지에 미세 기포를 투입해 가벼운 입자만을 띄우는 '부유 선별 방식'으로 비교적 가벼운 몬모릴로나이트 입자만 분리해냈다. 이 공정을 통해 벤토나이트 내 몬모릴로나이트의 함량을 60%에서 94%까지 향상시키는 데 성공했다. 

한국은 원자력발전에서 발생한 사용후핵연료를 처리할 방법으로 지하 수백미터 아래에 격리하는 '심지층처분' 방식을 고려중이다. 이번에 개발한 국내 생산 공정을 통해 벤토나이트를 공급한다면 약 6000억 원의 비용 절감이 예상된다.

연구팀은 현재 대량 생산 공정시스템 개발 및 실증 연구를 수행 중이며, 향후 추가적인 실증 연구로 방사성폐기물처분 분야 외 다양한 산업에서의 적용 방안도 모색할 계획이라고 밝혔다. 

[박건희 기자 wissen@donga.com]