10만 년의 저주 풀리나… 미국, 핵폐기물 ‘300년’으로 줄이는 현대판 연금술 도전

원자력 에너지의 최대 난제이자 인류의 해묵은 숙제인 '사용후핵연료' 처리에 혁명적 변화가 예고됐다. 미국 정부가 입자가속기를 이용해 방사성 폐기물의 독성 지속 기간을 10만 년에서 단 300년으로 300배 이상 단축하는 이른바 '현대판 연금술' 기술 개발에 본격 착수하면서다.

지난달 30일(현지시각) 기술 전문 매체 BGR과 제퍼슨 연구소(Jefferson Lab)의 발표에 따르면, 미국 에너지부(DOE)는 토머스 제퍼슨 국립 가속기 시설이 주도하는 ‘핵에너지 폐기물 변환 최적화 프로그램(NEWTON, 이하 뉴턴)’에 817만 달러(약 123억 원)의 보조금을 지원하기로 했다. 이 프로젝트가 성공할 경우, 수십만 년 동안 지하 깊숙이 격리해야 했던 고준위 방사성 폐기물을 인간의 통제권 안에서 관리할 수 있는 수준으로 변모시키게 된다.



원전 가동 후 남는 사용후핵연료가 위험한 이유는 방사능이 자연 상태 수준으로 낮아지기까지 약 10만 년이라는 유구한 시간이 필요하기 때문이다. 뉴턴 프로젝트는 이 기다림의 고통을 기술로 해결하려는 시도다.
핵심 기제는 입자가속기를 통한 '핵종 변환(Transmutation)'이다. 가속기에서 발생한 고에너지 양성자 빔을 액체 수은 등 타깃 물질에 충돌시키면, 핵이 쪼개지며 다량의 중성자가 튀어나오는 '스팔레이션(Spallation, 파쇄)' 현상이 발생한다. 이 중성자를 사용후핵연료 내 장수명 핵종(플루토늄, 아메리슘 등 초우라늄 원소)에 조사하면, 이들이 중성자와 결합해 반감기가 훨씬 짧거나 안정적인 물질로 변하게 된다.

제퍼슨 연구소는 이 과정을 통해 독성 지속 기간을 300년 수준으로 낮추는 것을 목표로 한다. 300년은 인류의 역사적 맥락에서 충분히 관리가 가능한 시간대라는 점에서, 고준위 방사성 폐기물 처분장 건설을 둘러싼 사회적 갈등을 획기적으로 줄일 수 있는 '게임 체인저'로 평가받는다.


사실 가속기를 이용한 핵종 변환(ADS, 가속기 구동 시스템) 개념은 수십 년 전부터 존재했다. 그러나 막대한 건설비와 운영에 들어가는 엄청난 전력 소모가 상용화의 걸림돌이었다. 이번 뉴턴 프로젝트가 과거와 다른 점은 '에너지 효율 극대화'에 모든 역량을 집중한다는 데 있다.

연구팀은 특히 저온에서만 초전도성을 띠는 니오븀 소재의 한계를 극복하기 위해 주석 코팅 기술을 시험 중이다. 이 기술이 성공하면 가속기 운영 비용의 상당 부분을 차지하는 냉각 장치 부담을 덜 수 있다. 또한, 가속기 가동 과정에서 발생하는 열을 전기로 재변환하는 기술까지 결합해 경제성을 확보한다는 전략이다.

미국이 이처럼 속도를 내는 배경에는 글로벌 원전 시장의 주도권 다툼과 에너지 안보가 자리 잡고 있다. 이미 프랑스 원자력청(CEA)과 일본 원자력연구개발기구(JAEA) 등은 ADS 기술에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 보유하고 있으며, 벨기에는 실험용 가속기 '미라(MYRRHA)' 프로젝트를 통해 상용화를 타진 중이다.

전문가들은 뉴턴 프로젝트가 성공한다면 향후 30년 안에 핵폐기물 처리의 패러다임이 '영구 처분'에서 '능동적 변환'으로 바뀔 것으로 내다본다. 다만, 대규모 가속기 건설에 들어가는 수조 원대의 초기 비용과 변환 과정에서 발생할 수 있는 2차 방사성 부산물 처리 문제는 여전히 해결해야 할 과제다.

업계 관계자는 "300년이라는 시간은 지질학적 불확실성을 공학적 관리 영역으로 끌어들였다는 데 큰 의미가 있다"며 "다만 기술적 완결성 못지않게 가속기 기반 처리 시설에 대한 주민 수용성과 경제성 확보가 상용화의 최종 관문이 될 것"이라고 진단했다.

원자력 에너지가 '기후 위기의 대안'이자 진정한 '청정에너지'로 인정받기 위해서는 사용후핵연료라는 마지막 퍼즐을 맞춰야 한다. 10만 년의 저주를 300년의 관리로 치환하려는 미국의 도전이 원전 산업의 미래를 어떻게 바꿀지 전 세계가 주목하고 있다.


김주원 글로벌이코노믹 기자 park@g-enews.com