핵 폐기물의 대체 용도

CO2 및 기타 유해한 오염 물질을 많이 배출하지 않고 많은 전기를 생산하려면 원자력이 좋습니다. 그러나 기술의 가장 큰 문제점은 항상 낭비 문제였습니다. 원자력 발전소 운영으로 인한 많은 부산물은 방사성이며 수천 년 동안 그 상태를 유지합니다. 이러한 폐기물을 안전하고 경제적인 방식으로 보관하는 것은 계속해서 문제가 되고 있습니다.

이 폐기물 흐름을 처리하는 대체 방법은 계속해서 활발한 연구 분야입니다. 그렇다면 이 폐기물을 전환하거나 재사용할 수 있는 방법에는 어떤 것이 있을까요?

일반적인 경수로(LWR)에서 발생하는 폐기물의 주요 형태 중 하나는 핵분열 반응에서 발생하는 사용후 연료입니다. 이는 대략 폐기물 동위원소 3%, 플루토늄 동위원소 1%, 우라늄 동위원소 96%로 구성됩니다. 이 폐기물에는 반감기가 수천 년에 달하는 초우라늄 원소가 많이 함유되어 있습니다. 이는 인간 사회의 수명을 훨씬 초과하는 기간 동안 안전한 장소에 안전하게 보관되어야 하기 때문에 보관에 가장 큰 문제를 야기합니다.

이 문제에 대해 제안된 해결책은 비핵분열성 우라늄-238을 플루토늄-239와 플루토늄-240으로 "증식"시켜 새로운 연료로 사용할 수 있는 고속 중성자 원자로를 대신 사용하는 것입니다. 고급 설계에는 다른 악티늄족 원소를 처리하여 핵분열 과정에서 연료로 사용할 수도 있습니다. 이들 원자로는 우라늄 연료에 함유된 거의 모든 에너지를 사용할 수 있어 기존 방법에 비해 연료 사용량을 60~100배 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.

불행하게도 빠른 육종 기술은 경제성 때문에 크게 제약을 받고 있습니다. 1970년대에 더 풍부한 우라늄 자원이 발견되면서 폐기물을 재처리하는 것보다 단순히 더 많은 연료를 채굴하는 것이 더 저렴하다는 것을 의미했습니다. 또한 무기에 적합한 핵 물질을 생성하는 고속 증식 원자로의 능력에 대한 우려도 개발을 방해했습니다. 기술은 유망하지만 이 분야의 주요 개발은 수십 년 후에 이루어질 가능성이 높습니다.

깊은 곳으로 여행하는 우주선의 경우 태양 에너지가 항상 차단되는 것은 아닙니다. 과거 화성에는 태양광 패널을 전원 공급 장치로 사용할 수 있는 태양으로부터 들어오는 빛이 그다지 많지 않습니다. 이러한 경우 우주선은 방사성 동위원소 열전 발전기(RTG)를 사용하는 경우가 많으며, 이는 열전대가 있는 케이스에 방사성 물질을 포장합니다. 부패하는 물질의 열은 우주선을 운행하는 데 사용되는 열전대 배열을 통해 전기를 생성합니다. 추가적인 이점은 제공되는 열이 선박의 시스템을 적절한 작동 온도로 유지하는 데 도움이 된다는 것입니다.

역사적으로 이것은 러시아와 미국에서 사용되었지만 유럽 우주국은 이 기술을 활용하는데 열중하고 있습니다. 이 계획에는 핵연료 재처리 과정에서 영국의 폐기물 플루토늄 재고에서 아메리슘-241을 추출하는 것이 포함됩니다. 폐기물 청소 측면에서 주요 프로젝트는 아닐 수 있지만 RTG 재료의 유용한 소스 역할을 할 수 있습니다. 이는 이전에 사용된 플루토늄-238이 이후 폐쇄된 핵무기 생산에 사용된 원자로에서만 얻을 수 있었기 때문에 미국 재고가 고갈되고 있는 상황에서 특히 관련이 있습니다. 더 많은 제품을 생산하기 위한 경쟁이 계속되고 있지만 그 동안 영국 프로젝트의 문이 열렸습니다.

이 분야의 또 다른 아이디어는 베타전지입니다. 이는 방사성 물질의 베타 붕괴에 의해 방출된 전자를 포획하는 반도체 물질을 사용하여 작동합니다. 브리스톨 대학은 영국 원자력 시설에서 사용되는 폐흑연 감속재 블록에서 나온 방사성 탄소-14를 사용하는 "다이아몬드 배터리"를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 블록은 대부분의 탄소-14가 존재하는 외부 층을 긁어내어 붕괴하면서 전자를 방출하는 인공 다이아몬드를 만드는 데 사용됩니다. 그런 다음 방사선이 대기로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 비방사성 탄소-12 껍질에 싸여 있습니다. 베타 붕괴에서 방출된 전자는 에너지가 낮으므로 약간의 차폐만 필요합니다. 이러한 배터리는 수천 년 동안 100uW 정도를 제공할 수 있는 것으로 추정됩니다.