사이클로트론 시설 방사성 콘크리트 폐기물 발생량 평가 및 감축기법 개발

Abstract

2015년 기준으로 국내 동위원소 생산용 사이클로트론이 42대 운영되고 있다. 이 중 상당수의 사이클로트론이 2000년대 초·중반에 설치되어 사이클로트론 수명이 20∼30년임을 감안할 때 향후 10년 혹은 20년이 지난 후 사이클로트론 시설의 해체를 고려해야 하는 상황이다. 하지만 현재 가동 중인 사이클로트론이 설치되었을 당시 인·허가 서류에는 방사화 평가 부분이 명시되어 있지 않고 따라서 향후 해체 계획이 세워지지 않았다. 비자체차폐형 사이클로트론에서 생성된 이차중성자는 주변 기기나 차폐벽에 흡수되어 방사성 물질로 변화시키고 이는 해체 시 중·저준위 방사성폐기물로 분류되어 방사성폐기물 처리 비용을 야기하게 된다. 특히 이차중성자로 인한 방사선 작업 종사자의 피폭선량을 최소화하기 위해 사용되는 콘크리트 차폐벽의 경우 방사화 수준이 높지는 않기 때문에 중·저준위 폐기물로 분류되지만 사이클로트론에서 가속되는 하전입자의 에너지에 따라 수 미터에 이르는 두께를 가지므로 상당한 부피를 차지한다. 따라서 방사성 콘크리트 폐기물의 처리비용은 시설 해체비용 중 상당한 비율을 차지하며 그 비용 또한 적지 않은 수준이므로 불필요한 폐기물 처분 비용을 양산한다. 2015년 기준으로 중·저준위 방사성 폐기물 처분 비용은 200ℓ 드럼 당 1,219만원이며 시간이 지날수록 방사성 폐기물 처분 비용이 증가하는 추세이므로 향후 더욱 막대한 예산이 필요할 것으로 예상된다. 따라서 사이클로트론 시설 해체 시 발생한 방사성 콘크리트 폐기물의 양을 최소화 시킬 감축기법을 찾는 것이 곧 불필요하게 손실되는 사회적인 비용을 최소화 시킬 수 있다고 판단된다. 본 연구에서는 순수하게 국내기술로 개발되었으며 현재 7대가 운영되고 있는 13 MeV 비자체차폐형 사이클로트론을 특정하여 방사화 저감물질 사용 전과 후의 방사성 콘크리트 폐기물 양을 비교하였고 저감물질을 사용함으로 인해 발생하는 추가적인 비용까지 고려하여 효과적으로 방사성 콘크리트 폐기물의 양을 줄일 수 있는 방안을 마련하였다. 입자수송코드인 MCNPX 2.7 코드로 사이클로트론 모델링 및 전산모사 하였고 방사화코드인 FISPACT 2010을 통해 주요 방사성 핵종을 선정한 후 MCNP 코드로 콘크리트 벽면에서의 각 핵종별 반응률(Reaction rate)을 산출하여 콘크리트 벽에서의 방사능 농도를 평가하였다. 저감물질을 사용하지 않았을 때의 방사성 콘크리트 차폐벽의 폐기비용을 산출하고 방사화 저감물질로 알려진 B2O3 B4C, Carbon, SiC(Silicon carbide)와 Borated polyethylene 및 방사화 저감 콘크리트인 Colemanite concrete를 본 사이클로트론에 적용하였을 때의 총 비용을 비교하였다. 본 연구에서는 방사성 콘크리트 폐기물의 양은 80% 이상, 총 비용은 절반 이상을 감축할 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서 사이클로트론 신규 설치 시 방사화 저감 기법을 적용하여 해체계획을 수립하면 불필요한 사회적인 비용을 감축하고, 방사성 폐기물의 양을 줄임으로써 시설 해체 후에도 해당 공간을 연속적으로 이용할 수 있을 것으로 예상된다.