현재 모델에 따르면, 용기는 1,000년에서 최대 10,000년 후에 누출될 수 있다. 이는 많은 방사성 핵종의 반감기보다 훨씬 짧다.

핵폐기물 저장 용기 부식 과소평가
용기의 일반적인 재료 조합으로 부식 가속화

고준위 핵폐기물 저장용으로 설계했던 용기가 예상보다 내구성이 떨어진다는 실험결과가 발표됐다. 유리 또는 세라믹에 부은 폐기물이 둘러싸는 강철 용기와 조합돼 부식이 크게 가속화된다. 연구원들이 "Nature Materials" 저널에 보고한 바와 같이, 핵폐기물 용기는 이전 모델보다 투과성이 높아진다.

고준위 핵폐기물을 저장하기 위한 적절한 최종 장소 탐색은 계속되고 있다. 지금까지 그러한 저장소는 전 세계적으로 운영되고 있지 않다. 그래서 원자력 발전소의 해체로 인한 핵폐기물을 어디에 그리고 어떻게 처분해야 하는지도 불분명하다. 현재 계획들은 원자 폐기물이 유리 또는 세라믹 첨가제로 먼저 용융되고 이 고형물이 금속 용기에 담겨있을 수 있도록 한다. 모든 것은 암석형태에서 지하에 저장돼야 한다.

그러나 문제는 특히 물이 있는 경우 금속 용기가 부식될 수 있다는 것이다.
화학 반응은 점차 금속을 녹이고 용기 껍질에 구멍을 만든다. 현재 모델에 따르면, 용기는 1,000년에서 최대 10,000년 후에 누출될 수 있다. 이는 많은 방사성 핵종의 반감기보다 훨씬 짧다.

컨테이너 층의 상호 작용

오하이오 주립대(Ohio State University)의 샤오레이 구오(Xiaolei Guo) 와 주변연구원들이 발견한 바와 같이 미래의 저장소에서는 핵폐기물 용기가 더 일찍 침투될 수 있다. 그들은 실험에서 핵폐기물을 저장하기 위해 계획된 유리 및 세라믹 재료와 용기의 강철 외부 덮개의 접촉이 재료의 부식에 어떻게 영향을 미치는지 조사했다. 구오와 그의 팀은 “현재의 저장 개념에서는 스테인레스 스틸 용기와 부어진 폐기물의 유리 또는 세라믹 사이에 필연적으로 접촉이 있게 된다”라고 설명한다.

연구진은 핵폐기물 저장을 위해 표준으로 사용된 유리 블록과 유약 핵폐기물 모델로 두 가지 다른 세라믹 변형을 사용했다. 그들은 미국 핵폐기물의 최종 저장을 위해 계획된 것처럼 두꺼운 스테인리스 강판을 그 위에 올려놓았다. 이어서, 이 용기 모델을 30일 동안 섭씨 90도에서 약간의 소금기 있는 물에 보관하고 테스트했다.

"심각한 국소 부식"

그 결과 재료가 비교적 짧은 시간 후에 부식되기 시작했다. 이것은 시뮬레이션된 핵폐기물 컨테이너에서 개별 재료에 대해 일반적인 것보다 훨씬 더 두드러졌다. "스테인레스 스틸이 표준 유리와 밀접하게 접촉하면 접촉면을 따라 심각한 국소 부식이 발생한다"고 구오와 그의 팀은 말했다. 그들은 유리와 금속의 접촉점에서 작은 균열을 관찰했다.

면밀한 분석 결과, 금속 철 및 크롬의 존재는 특히 분자 유리 성분의 제거를 가속화 시켰다. 이것은 접촉면에 용해된 원자의 박막을 생성하여 유리의 부식을 더욱 촉진시킨다고 연구원들이 보고했다. 스테인레스 스틸의 부식은 약간 느려졌지만 손상을 피하기에는 충분하지 않았다.

자체적으로 부식 가속화되는 현상

세라믹 함유 재료에서도 비슷한 효과가 나타났다. 스테인리스 스틸과 결합하면 금속의 부식이 가속화됐다. "28일 만에 스테인리스 스틸에 깊은 구덩이가 형성됐다." 고 그들이 보고했다.
세라믹에서 방출된 크롬 이온이 부식의 주원인이다. 세라믹에서도 증가된 국소 부식이 발생했다.

과학자들은 “스테인레스 스틸의 이러한 움푹 패인 침식으로 인한 크롬 이온 방출은 스스로 가속화되고 있다. 그것은 극도로 공격적인 환경을 조성하고 주변 물질을 부식시킨다. 부식은 즉시 진행될 수 있다."고 설명한다.

일반적인 개념으로는 충분하지 않아

연구자원들은 기존 핵폐기물 용기 부식에 대한 감수성이 지금까지 과소 평가되었다고 평가한다. 일반적인 모델은 개별 재료의 부식 속도만 고려하고 상호 작용은 고려하지 않는다. "현재의 개념으로는 방사성이 높은 핵폐기물을 안전하게 담을 수 없다."고 구오는 말한다.

이들의 결과는 핵폐기물의 방사성 핵종이 이전에 생각했던 것보다 더 빠르고 쉽게 지하로 들어갈 수 있음을 의미한다. 화강암과 소금 돔의 경우와 같이 주변 암반이 밀도가 높지 않으면 최악의 경우 지하수의 오염으로 이어질 수도 있다. 원자력 폐기물 용기에 대한 이전 모델은 수정되어야 한다.

(Nature, Materials, 2020; doi : 10.1038 / s41563-019-0579-x)
출처 : 오하이오 주립대학교

[더사이언스플러스=문광주 기자]

[저작권자ⓒ the SCIENCE plus. 무단전재-재배포 금지]