[지금은 과학] 사용후핵연료 핵심 원소, 지하수 화학반응 알아냈다

[아이뉴스24 정종오 기자] 사용후핵연료 안에 있는 핵심 원소의 지하수 화학반응이 규명됐다. 사용후핵연료에 존재하는 원소들이 지하수 중의 물질과 결합해 어떻게 변하고 이동, 확산하는지 예측할 수 있는 핵심 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

아메리슘, 플루토늄, 우라늄은 높은 방사성과 핵비확산 정책으로 취급이 극히 제한돼 연구가 까다롭다. 이번 연구결과는 연구가 어려운 희소 원소가 심지층의 지하수에서 어떻게 반응하는지 분자 수준에서 규명한 우수한 연구 성과로 학계에서 주목받고 있다.

전 세계 연구자들이 원자력발전소에서 나오는 사용후핵연료를 안전하게 처분하기 위한 연구에 힘쓰고 있다. 그중 가장 안전한 처분기술로 지목하는 심지층 처분기술을 완성하기 위해 초장기간 동안 사용후핵연료가 지하에서 어떻게 반응하며 변형될 수 있는지 알아내는 데 집중한다. 최근 국내 연구팀이 사용후핵연료에 포함된 희소 원소들이 지하수 등에 어떻게 반응하는지를 잇달아 연구, 발표했다.

한국원자력연구원(원장 박원석)은 국내 대학 연구팀과 공동으로 아메리슘(Am), 플루토늄(Pu), 우라늄(U)의 화학반응을 새롭게 규명했다고 2일 발표했다.

맨해튼 프로젝트에서 처음 발견된 인공 방사성 금속인 아메리슘에 관한 연구는 고려대 곽경원 교수 등과 함께 진행했다. 분자 수준에서 아메리슘 화합물의 안정성과 아메리슘 원자에 빛을 쏘였을 때 나타나는 분광 특성의 상관관계를 제시했다. 원소가 결합하는 특성을 발견해 발표했다.

플루토늄에 대한 연구는 카이스트(KAIST) 윤종일 교수 연구팀과 함께 진행했다. 플루토늄이 자연에 존재하는 탄산이온, 알칼리 토금속과 결합해 3성분 화합물(칼슘 플루토닐 카보네이트 화합물(CaPuO2(CO3)32-), 마그네슘 플루토닐 카보네이트 화합물(MgPuO2(CO3)32-))로 변하는 현상을 규명해 국제 학계의 주목을 받고 있다.

우라늄은 사용후핵연료의 95% 이상을 차지한다. 사용후핵연료를 심지층 처분하는 경우 산소가 없는 깊은 땅속에 보관한다. 이때 우라늄 또한 산소와 결합하지 않은 환원상태의 우라늄(U(Ⅳ))으로 존재하는데 이에 대한 연구가 특히 중요하다.

원자력연구원은 최신 분광해석기법을 이용해 환원상태 우라늄의 화학적 특징을 새롭게 규명하고, 우라늄 나노입자가 생성되는 메커니즘을 제시했다. 분광해석기법은 물질을 통과한 빛의 분광 자료를 수치적으로 해석하는 기술을 말한다.

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

연구를 이끈 차완식 원자력연구원 책임연구원은 “이번에 연구한 원소들의 화학 자료는 국제적으로 매우 부족한 상황”이라며 “지속적 연구를 통해 국제 사회에 이바지하는 한편 보다 안전하고 지탱 가능한 국내 원자력 기술개발을 위해 이바지할 것”이라고 말했다.

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