○ 방사성폐기물은 우라늄이나 토륨의 채광 및 제분, 핵연료주기와 원자력 발전소 가동, 원자력시설 제염과 폐로, 방사성 동위원소 사용 등에서 발생된다. 방사성폐기물의 환경방출은 방사성물질과 다른 불순물의 방출한계 및 요구사항을 만족시켜야 한다. 다양한 방사성폐기물 제거방법 중에서 막 공정은 핵연료주기의 채광단계에서부터 처분단계까지 사용되고 있다.

 

○ 막 기능은 군집적 콜로이드 제거와 특정원소(몰리브덴, 요오드, 세슘, 스트론튬, 삼중수소, 란타나이드, 악티니드 등)의 세정으로 대별된다. 방사성폐기물 처리방법으로는 주로 역삼투와 막 증류가 이용된다. 본 문헌은 최근의 막 기술 적용분야와 군집적 및 선택적 방사성핵종 제거 기술의 동향을 다루고 있다.

 

 

○ 군집적 방사성 콜로이드 제거에는 역삼투(RO) 방법과 막 증류(MD) 방법이 있으며, RO 방법으로는 베타-감마방출 Cs, Sr, Co와 알파방출 악티니드가 얻어진다. MD 방법은 액체공급, 막 접촉, 투과성분 증발로 구성되며, 직접접촉 MD와는 달리 기체 틈새 MD에서는 투과물이 막과 접촉하지 않는다.

 

. MD의 장점은 증발과정 우수성, 상압 및 저온 가동성, 공정규모 확대 용이성 등을 들 수 있다. MD는 중 저준위 방사성 액체폐기물 정제에서 제거성능이 높으며, 소수성 막은 이온화 방사선과 강한 화학환경에 대한 저항성을 지닌다. RO를 능가하는 MD의 장점은 한 단계 로 높은 농도를 얻고, 막 기공이 60Co2+, 137Cs+, 134Cs+를 흡수하지 않기 때문에 세척빈도가 적다는 점이다.

 

○ RO의 전처리단계에서는 정밀여과(MF)나 한외여과(UF)가 이용되며, 최근 시드 한외여과(SUF)에 의해 철 콜로이드와 239,240Pu의 회합이 관찰되었다. 한편, 한외여과와는 막 크기가 상이한 연합 응집정밀여과(EMF)에 의해 241Am-함유 저준위 방사성폐기물이 제염계수 1651로 처리되었다.

 

○ 또한, 제올라이트 막은 우수한 열적, 기계적 및 화학적 안정성이 우수하며, 분자혼합물의 분리가 가능하다. 고온 성능은 hydroxyl sodalite가 우수하다. 세라믹 막을 사용하는 투석증발(PV) 및 증기 투과(VP) 분리는 공비혼합물이나 비등 인접 액체혼합물 분리에서 증류공정의 대체가 가능하다.

 

 

○ 특정원소 분리용 막은 이온선택성 막, 액체 막 및 이온교환기 기저 막으로 대별되며, 액체 막에는 중합체 함유 막이 있다. 1998년, 막 셀이 폐기물 성분 처리용 전기화학적 방법에 적용되었으며, 단일장치에 의해 처리되는 것이 장점이다. 많은 이온선택성 막이 산업적 전기화학 공정을 위해 개발되고 있다.

 

○ 지지 액체 막(SLM)은 용매추출과 같은 재래공정의 추출과 벗김 과정을 한 단계로 결합시킨 막이며, 미세기공 폴리프로필렌 중공섬유 조직과 같은 지지대의 기공 내에 유기액체가 삽입된 것이다.

 

○ 중합체 내장 막(PIM)으로는 방사성핵종에 대한 특이성을 지닌 셀룰로오스 트리아세테이트 기저 막이 있다. 이것은 중합체 가소제 막(PPM)과 더불어 우수한 운반 신속성, 조립 및 운전 용이성, 내구성을 지닌다.

 

○ 티탄산염 기저 이온교환체는 열화도 없이 넓은 pH 범위에서 폐기물 내의 방사성핵종 대다수를 ppm 수준으로 제염하는 능력을 가진다. 실리코티탄산염 기저 막 판은 부식성 원자력폐기물에서 137Cs 및 90Sr을 제거하였고, 복합체 결합 세라믹 막이 독성물질 처리에 적용되었다.

 

 

○ 고준위 폐기물은 연료주기 방출량의 거의 99%이며, 독성이 가장 크다. 사용 후의 핵연료는 우라늄과 플루토늄과 같은 소중한 물질을 함유한다. PUREX 공정에서 우라늄과 플루토늄이 회수되고, 나머지 방사성폐기물 불용해 부분은 분열생성물과 넵투늄, 아메리슘, 세륨 등이 함유된다. 이들 방사성핵종을 지닌 불용해 부분은 증발에 의해 고방사성 액체폐기물(HLW)로 농축되며, 방사성동위원소의 풍부한 공급원으로 재사용된다.

 

○ 막 기술은 특정한 방사성 핵종의 분리와 정제에 유용하며, 이에 의한 특정 방사성동위원소 분리의 분야가 확대되고 있다.

 

○ 몰리브덴-99는 99mTc의 모 핵종으로 다양한 의학적 과정에서 사용되며, 테크네튬은 이온교환법으로 쉽게 분리된다.

 

○ 세슘-137은 방사선 조사원으로 이용되며, RO법으로 분리된다. 137Cs 제거에 크라운에테르 함유 가소 중합체 내포 막(PIM)이 사용되었다.

 

○ 삼중수소는 융합로에 사용된다. Pd-25%Ag 전극 전기분해와 Pd 막 반응기(PMR) 이후에 고체 중합체 전해질(SPE)을 사용한 물의 전기분해가 출현하였다.

 

○ 코발트-60은 멸균, 음식물의 방사선 처리, 산업적 방사선 촬영, 밀도 및 수위 측정에 이용되며, 57Co는 뫼스바우어 분광법의 방사선원 등으로 사용된다. 코발트는 주로 나노여과(NF) 및 EDTA 착화로 분리된다.

 

○ 나트륨은 방사선학적 관심대상은 아니지만 방출 제한치가 200㎎/L이다. Na+ 선택적 세라믹 막에 근거한 전기화학적 염분리 공정이 개발 된 이후, 나트륨 초이온 전도체에 의한 염 용액에서의 분리가 연구되었다.

 

○ 요오드-131은 갑상선 치료제와 방사성 표지로 사용되며, 123,125I는 진단용으로 이용된다. 고 선택성 음이온교환기나 종이 막이 Na125I와 Na36Cl 분리에 사용된다.

 

○ 스트론튬-90은 표준 두께용 방사선원과 암표면 방사선 요법에 사용되며, 89Sr은 뼈 암 치료에 이용된다. 90Sr 제거에는 연합된 최소 현탁 유동화 베드 반응기, 박테리아 생체 피막형성, 동시 반복추출용 운반체가 적용된다.

 

○ 란탄계열 분리에는 SLM에 의한 LLW 폐수에 액체 막 방법이 사용되며, 그 중 특정 중합체 함유 막(PIM)이 Ce3+ 운반에 효과적이다. 한편, 속빈 섬유 막 접촉기, 미세기공 판에 지지된 막을 통한 희토류원소의 투과 및 Sm3+ 회수용으로는 액체 에멀젼 막(LEM)이 고찰되었다.

 

 

○ 이 문헌에서 요약된 데이터는 방사성 폐기물 관리에서 막의 유용성이 폭넓다는 것을 시사하고 있다. 군집적 원소제거는 산업적 규모로 적용되는 반면, 개별적 원소분리는 실험실 규모이기 때문에 규모 확대를 위한 방법이 요구되고 있다.

 

○ 최근에는 나노입자 삽입 막이 물 정제에 새롭게 등장하고 있으며, 고도의 막 오염 제어성능과 기능성 및 구조 생성능력을 필요로 하고 있다. 방사성 폐기물 정제에서는 이들에 대해 보고된 것이 없기 때문에 이 분야는 최근의 중요한 연구대상이 되고 있다.

 

○ 방사성폐기물은 원전연료로 사용된 이후의 핵연료를 비롯해 원전 내의 방사선 관리구역 및 병원, 연구기관, 대학, 산업체 등에서 발생하는 방사성동위원소 폐기물이며, 일정 기간 안전하게 관리하게 되어 있다.

 

○ 또한, 방사성폐기물은 핵연료 주기 중의 우라늄 광석의 핵연료가공 과정과 핵연료의 원자로 사용단계 및 사용 후 연료의 안전한 보관관리 단계에서 다양하게 생성되고 있다.

 

○ 반면에, 방사성폐기물은 안전하고 효율적으로 관리됨으로써 이로 인한 위해를 방지하여야 하는 대상물인 한편, 산업과 의학 등 각종 분야에서 유익하게 활용되는 방사성동위원소의 공급원이기도 하다.

 

○ 이에 따라, 지금까지 수많은 방사성폐기물의 처리방법들이 연구되어 왔으며, 기존의 기술들을 능가하는 다양한 장점을 지닌 막(membrane) 기술이 1990년대 이후에 꾸준히 개발되고 있다.

 

○ 막 분리기술은 이미 이차전지와 발전, 의료, 반도체, 석유화학, 섬유 등 다양한 분야에 적용되고 있으며, 세계적으로 연구개발에 박차를 가하고 있는 미래의 핵심기술 중 하나이다.

 

○ 본 문헌은 방사성폐기물 관리에서 이용되는 막 정제기술을 군집적 이온 및 콜로이드 제거분야와 선택적 방사성핵종 제거분야로 나누어 그 기술동향을 상세하게 서술하고 있다.

 

○ 이 기술동향은 방사성폐기물로부터 보다 선택적이고, 보다 효율적으로 방사성동위원소들을 분리해낼 수 있는 신기술의 개발을 위한 기술발전 조감도를 제시해줄 것이다.