원자력 발전의 원료인 우라늄의 일생

우라늄은 원자력 발전의 핵심 연료로 사용되는 귀중한 자원입니다. 우라늄 광석 채굴부터 핵연료 제조, 사용 후 폐기까지, 우라늄은 복잡하고 긴 여정을 거칩니다. 이 글에서는 우라늄의 일생을 7단계로 나누어 자세히 살펴보겠습니다.

 

우라늄의 일생(출처:한국원자력연구원)

 

1. 채광

• 우라늄 광석 채굴: 지각 속에 묻혀 있는 우라늄 광석을 채굴합니다. 주로 오픈 피트 광산이나 지하 광산 방식을 이용합니다.
• 우라늄 함량: 경제성을 고려하여 일반적으로 우라늄 함량이 0.1% 이상인 광석을 채굴합니다.

 

2. 정련

• 제분: 채굴된 우라늄 광석을 균일한 크기의 가루로 만듭니다.
• 화학적 처리: 화학적 처리를 통해 우라늄 성분을 분리하고 정제합니다. 이 과정을 거치면 노란색 가루 형태의 우라늄 정광(Yellow cake, 옐로우 케이크)이 생산됩니다.

 

3. 변환 및 농축

• 변환: 우라늄 정광을 가스 상태의 육불화 우라늄(UF6)으로 변환합니다. 육불화 우라늄은 농축 과정에 적합한 형태입니다.
• 농축: 천연 우라늄에는 핵분열이 잘 일어나는 우라늄-235와 그렇지 않은 우라늄-238이 혼합되어 있습니다. 핵분열 반응을 효율적으로 일으키기 위해 우라늄-235의 함량을 높이는 과정을 농축이라고 합니다.
• 원심 분리법: 가장 일반적인 농축 방법으로, 무거운 우라늄-238과 가벼운 우라늄-235를 원심력을 이용하여 분리합니다.

 

4. 핵연료 제조

• 펠릿 제조: 농축된 육불화 우라늄을 산화 우라늄(UO2)으로 변환한 후, 이를 작은 알갱이 모양의 펠릿으로 만듭니다.
• 연료봉 제조: 우라늄 펠릿을 금속관에 채워 넣고 밀봉하여 연료봉을 제조합니다. 연료집합체 제조: 여러 개의 연료봉을 묶어 연료집합체를 만듭니다.

 

5. 원자로 장전

• 연료 교체: 주기적으로 노후된 연료를 새 연료로 교체합니다.핵연료는 한번 장전되면 3~5년간 사용 후 단계별로 교체됩니다.다만 중수로(D2O)형 원자력발전소의 경우 천연 우라늄(농축X)을 원료로 사용하므로 매일 교체합니다.
• 핵분열 반응: 원자로 내에서 연료봉에 중성자가 충돌하면서 핵분열 반응이 일어나고, 이때 발생하는 열에너지를 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산합니다.

 

6. 파이로 재활용 공정 및 소듐냉각고속로

• 파이로 재활용: 사용 후 핵연료에서 플루토늄과 우라늄을 분리하여 재활용하는 기술입니다.
• 소듐냉각고속로: 소듐을 냉각재로 사용하는 고속 중성자 원자로로, 파이로 재활용과 연계하여 사용되면 사용 후 핵연료를 더 효율적으로 활용할 수 있습니다.

 

7. 임시 저장 및 영구 처분

• 임시 저장: 사용 후 핵연료는 냉각조에서 일정 기간 동안 방사능이 감소할 때까지 저장됩니다. 이 기간이 대략 40~50년입니다
• 영구 처분: 방사능이 충분히 감소한 후 안전한 지질 환경에 영구적으로 처분됩니다.

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우라늄의 일생을 요약

우라늄 광석 채굴 → 정련 → 농축 → 핵연료 제조 → 원자로 장전 → 핵분열 반응 → 사용 후 핵연료 → 재활용 또는 영구 처분

 

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