핵폐기물 10만 년의 저주 풀린다… 수명 99% 단축 가속기 기술 ‘혁신’

수만 년 동안 방사능을 뿜어내며 인류의 난제로 남았던 핵폐기물을 안전한 수준으로 처리할 수 있는 혁신적인 기술이 개발되고 있다.

24일(현지시각) 에너지 전문 매체 오일 프라이스에 따르면, 미국 토머스 제퍼슨 국립 가속기 시설(제퍼슨 연구소) 연구진은 장수명 방사성 폐기물을 단수명 동위원소로 변환해 저장 기간을 99.7% 단축할 수 있는 차세대 가속기 기술을 선보였다.


제퍼슨 연구소가 개발 중인 ‘가속기 구동 시스템(ADS)’은 고에너지 양성자 빔으로 액체 수은 같은 중금속 표적을 타격해 중성자를 대량 발생시키는 원리다.

이 중성자들이 핵폐기물 내 장수명 핵분열 생성물을 폭격하면, 불안정한 원소들이 더 빠르게 붕괴하거나 안정한 원소로 전환된다.
이 과정을 거치면 통상 10만 년 이상 필요했던 핵폐기물 격리 기간이 단 300년 수준으로 획기적으로 줄어든다. 특히 이 처리 과정에서 발생하는 열을 전기로 변환할 수 있어 탄소 없는 에너지 생산까지 가능하다는 장점이 있다.


그간 가속기 기술의 최대 걸림돌은 거대한 극저온 냉각 시스템에 들어가는 막대한 비용이었다. 제퍼슨 연구소는 이를 해결하기 위해 순수 나이오븀에 얇은 주석층을 코팅한 ‘나이오븀-주석(Nb3Sn)’ 합금 초전도 기술을 적용했다.

이 기술을 쓰면 기존보다 높은 온도(18K)에서도 초전도 상태를 유지할 수 있어 냉각 비용을 대폭 낮출 수 있다. 현재 이 프로젝트는 817만 달러 규모의 뉴턴(NEWTON) 프로그램 지원을 받아 최적화 단계에 있으며, 향후 대규모 배치를 위한 연구가 진행 중이다.


가속기 기술이 연구 단계인 동안, 핀란드와 스웨덴 등 일부 국가는 심층 지질 저장소 건설로 정면 돌파에 나섰다.
핀란드는 2024년 세계 최초의 고준위 핵폐기물 영구 처분장 ‘온칼로’를 공개하며, 지하 400m 암반에 사용후핵연료를 10만 년간 격리하는 다중 장벽 시스템을 구축했다.

글로벌 원자력 용량은 AI 데이터 센터의 전력 수요 폭증과 탈탄소 목표 달성으로 2050년까지 1,000GW(e) 이상으로 두 배 이상 증가할 것으로 예상되며, 중국이 이 분야의 선두 주자로 나서고 있다.


미국의 이번 가속기 혁신은 ‘K-원전’ 수출을 확대하려는 한국 정부와 기업들에 ‘사용후핵연료 해결책’이라는 강력한 무기를 제공할 수 있는 중요한 변수다.

원전 도입을 검토 중인 국가들이 가장 우려하는 대목은 폐기물 처리다. 한국이 제퍼슨 연구소의 ADS 기술과 같은 차세대 처리 기술을 선제적으로 확보하거나 공동 연구를 통해 상용화한다면, 원자로 건설뿐만 아니라 ‘핵폐기물 수명 단축 처리 서비스’까지 포함된 토탈 패키지 수출이 가능해진다. 이는 경쟁국인 중국이나 러시아와 차별화되는 강력한 프리미엄이 될 것이다.

가속기 구동 시스템은 그 자체로 에너지를 생산하는 소규모 발전소 역할을 할 수 있다. 한국의 i-SMR 기술과 핵폐기물 변환 가속기 기술을 결합한다면, 전력을 생산하면서 동시에 폐기물까지 스스로 처리하는 ‘클로즈드 루프(Closed-loop)’ 에너지 시스템을 구축할 수 있다. 이는 도심 인근이나 전력망이 고립된 지역에 배치되는 SMR의 수용성을 획기적으로 높이는 열쇠가 될 것이다.

제퍼슨 연구소가 주목한 고효율 초전도 공동 기술은 한국의 가속기 관련 부품 기업과 소재 업계에 새로운 시장을 열어준다. 국내의 우수한 초전도체 제조 역량과 정밀 가공 기술을 바탕으로 차세대 가속기 핵심 부품 시장을 선점해야 한다. 원전 강국을 넘어 ‘원자력 사후 처리 산업’이라는 신시장을 개척함으로써, 2050년 원전 르네상스 시대의 진정한 글로벌 리더로 자리매김해야 할 시점이다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com