🌍 사용후 핵연료 처리 기술의 모든 것: Butex부터 최신 공정까지

원자력 발전의 핵심 과제 중 하나는 사용후 핵연료를 안전하게 처리하는 것입니다. 이 글에서는 Butex 공정을 비롯해 PUREX, UREX, TRUEX 등 다양한 핵연료 재처리 기술을 심층적으로 분석합니다. 각 공정의 역사적 배경, 작동 원리, 장단점을 비교하며, 미래 전망까지 알아보겠습니다.

🔬 Butex 공정: 영국이 선택한 추출 기술

Butex는 디에틸렌 글리콜 디부틸 에테르를 주성분으로 하는 용매로, 1950년대 영국 채강리버 연구소에서 개발되었습니다. 이 공정의 핵심은 질산을 사용해 우라늄과 플루토늄을 추출하는 것입니다.

• 과정:
  1. 사용후 연료를 질산에 용해 → 금속 성분을 이온 형태로 분리.
  2. Butex 용매를 첨가 → 우라늄·플루토늄이 유기상으로 이동.
  3. 환원 반응으로 플루토늄을 3가로 전환 → 수용액으로 재추출.
• 장점:
  • 알루미늄 질산염 대신 질산 사용 → 폐기물 양 감소.
  • 우라늄 회수율이 높음.
• 한계:
  • 용매의 화학적 안정성 부족 → 장기 재사용 어려움.
  • 현재는 PUREX 공정에 밀려 사용 제한적.

🧪 흥미로운 사실:
미국 오크리지 연구소에서 Butex를 고려했으나, TBP 기반 PUREX의 효율성 앞에 도입되지 못했습니다.
https://www.chimia.ch/chimia/article/view/2005_898/3379

⚛️ PUREX 공정: 현대 재처리의 표준

**PUREX(Plutonium Uranium Reduction Extraction)**는 1949년 개발되어 현재까지 전 세계 90% 이상의 재처리 시설에서 사용됩니다.

• 핵심 장비:
  • 추출기: 트리부틸 포스페이트(TBP) 30% + 케로신 혼합 용매.
  • 분리 컬럼: 우라늄(6가)과 플루토늄(4가)을 단계적으로 분리.
• 프로세스:
  1. 연료 절단 → 질산 용해 → 여과
  2. TBP 용매로 U/Pu 동시 추출
  3. Fe(II) 첨가로 Pu(III) 환원 → 수용액으로 스트리핑 
  4. U는 저농도 질산으로 역추출  
• 현황:
  • 프랑스 라 아그 재처리장: 연간 1,700톤 처리.
  • 일본 로카쇼: MOX 연료 생산을 위해 가동 중.
    https://www.iaea.org/sites/default/files/gc/gc52inf-3-att4_en.pdf
    
• 쟁점:
  • 플루토늄 분리 → 핵확산 위험 증가.
  • 고준위 액체폐기물(HLW) 발생 → 유리화 처리 필요.

🌱 미래형 공정들: UREX에서 파이로프로세싱까지

1. UREX(URanium EXtraction)

• 목적: 플루토늄 분리 방지로 핵확산 저항성 강화.
• 특징:
  • 아세토하이드록삼산(AHA) 첨가 → Pu 추출 억제.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_reprocessing
    
  • 우라늄 99.9% 순도 회수.
• 적용: 미국 GNEP 프로그램에서 연구.
  https://www.iaea.org/sites/default/files/gc/gc52inf-3-att4_en.pdf
  

2. TRUEX(TRansUranic EXtraction)

• 목적: 아메리슘·큐리움 등 초우라늄 원소 분리.
• 용매: CMPO(카바모일메틸포스핀 옥사이드) + TBP.
• 성능: 1회 통과 시 99.99% 추출 효율.
  https://www.osti.gov/servlets/purl/1469804
  

3. 파이로프로세싱

• 원리:
  • 용융염(염화리튬-염화칼륨) 전기분해.
  • 액티나이드 금속으로 전착.
• 장점:
  • 건식 공정 → 방사성 가스 발생 적음.
  • 한국 원자력연구원(KAERI)에서 실증 연구 중.
    https://www.osti.gov/servlets/purl/1469804
    

4. 플루오라이드 휘발성 공정

• 방법:
  • UF₆ 가스 생성 → 증류 분리.
• 단점:
  • 플루오린 가스 부식성 → 장비 수명 단축.

📊 주요 공정 비교 분석

공정	유형	주요 용매	장점	단점
Butex	습식	디부틸 카비톨	폐기물 감소	용매 안정성 부족
PUREX	습식	TBP + 케로신	높은 효율성	핵확산 위험
UREX	습식	TBP + AHA	우라늄 단독 추출	공정 복잡성
TRUEX	습식	CMPO	초우라늄 원소 회수	고비용
파이로	건식	용융염	핵확산 저항성	상용화 미흡

 

🚀 전망과 과제

• Butex의 재조명:
  • 폐기물 최소화 측면에서 신규 용매 개발과 결합 가능성 탐구.
    https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_EN_CB9158432.htm
    
• 4세대 원전 대비:
  • 파이로프로세싱이 액체금속냉각고속로(SFR)와 시너지 예상.
• 폐기물 관리:
  • 프랑스 ANDRA의 지중처분장 모델 → 유리화 기술과 연계 필요.

🌟 전문가 의견:
"PUREX의 효율성과 파이로프로세싱의 안전성을 결합한 하이브리드 공정이 미래 핵심이 될 것"

• 원자력재료학회 보고서 인용( https://www.osti.gov/servlets/purl/1469804 )