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레이저 기술동향 (레이저 유도 방전 현상 분광법(LIBS)과 핵 연료 재활용)
ㆍ작성자: 전재필	ㆍ작성일: 2013-09-26 (목) 11:24	ㆍ조회: 1478

레이저 유도 방전 현상 분광법(LIBS)과 핵 연료 재활용

   제임스 본드는 창문이나 벽을 자르는데 레이저를 사용하였지만 첨단 에너지 연구 센터(CAES)의 과학자들은 금속을 녹일 수 있는 새로운 레이저를 사용한다. CAES 방사 화학 실험실 내에 설치된 이 레이저를 이용하여 연구진은 레이저 유도 방전 현상 분광법(LIBS)이라고 불리는 시스템을 연구하고 있다.
   이 장비는 사용한 핵연료의 내용물을 식별하기 위하여 고전력 레이저를 사용한다. 일부 국가는 고수준의 방사성 폐기물을 줄이고 사용한 핵연료봉으로부터 더 많은 에너지를 얻기 위한 방편으로 재처리 과정을 선택한다. 그러나 연료 재처리에는 핵 물질의 양뿐 아니라 제어 및 안전을 유지하기 위한 안전장치가 필요하다. 사용한 핵연료에 잔재해 있는 플루토늄이나 우라늄과 같은 원소를 식별하는 능력은 이 과정에서 매우 중요한 부분이다. 예를 들어 보안 관점에서 특정 원소나 동위 원소의 결여를 감지할 수 있는 시스템은 핵물질 도난을 방지하는데 도움을 준다. 이러한 종류의 신속한 탐지 시스템은 공공 안전 및 글로벌 보안에 혜택을 줄 수 있다.
   오늘날 동위 원소를 분석하는 과정은 많은 시간을 요구한다. 보통 표본을 분석하고, 처리하며, 전송하는 데 며칠이 소요된다. 국제적 안전의 경우 이러한 과정은 더 길어진다. 왜냐하면 표본을 다른 설비 또는 다른 나라로 보내야 하기 때문이다. CAES 방사 화학 연구진은 그 시간을 몇 분으로 줄일 수 있는 도구를 시연하기 위해 노력하고 있으며 CAES는 아이다호 국립 연구소, 보이시 주립대학, 아이다호 주립대학, 그리고 아이다호 대학 연구진과 협력하고 있다.
   핵 재처리 기술에는 두 가지 주요 유형이 있다. 수성 분리와 전기 화학적(또는 비수성 파이로프로세싱) 분리가 그것이다. 수성 분리는 연료 재활용에 사용되는 가장 일반적인 도구로서 혼합물에서 화학적으로 우라늄과 플루토늄을 분리하기 전에 선택한 산(질산과 같은)에 연료 원소를 용해하는 것이다. 전기화학적 분리에서는 핵연료를 용융염에 넣는다. 그리고 전류를 적용하여 이를 용해하고, 우라늄을 정화한다. 지난 수십 년 동안 여러 시설에서는 사용한 핵연료를 처리하기 위해 이 전기 화학적 처리를 연구해 왔다. 이 접근 방법은 간단하고 단축화된 처리 과정으로 말미암아 많은 이점을 제공할 수 있다.
   이 프로젝트를 이끌고 있는 CAES 연구원인 Supathorn Phongikaroon의 연구진은 파이로프로세싱 기술에 몰두하고 있다. 이 도구는 완벽한 화학적 또는 물리적 변화를 위해 매우 높은 온도(일반적으로 800도)가 필요하다. 이들은 화학 반응 동안 용융염 내의 원소를 감지하기 위한 새로운 도구로 레이저를 사용한다. 최근의 실험은 고도로 제어된 글로브박스(glovebox, 오염을 방지하거나 위험 물질 등을 다루기 위한 밀폐 투명 용기로 밖에서 부속 장갑으로 조작하는 것)에서 시연되었다. Phongikaroon의 동료인 Ammon Williams는 글로브 박스의 천장에 있는 매우 작은 석영 창인 레이저 포트를 언급했다. 이 레이저 포트의 아래에는 용융염이 있는 도넛 모양의 용광로가 있다. Williams가 스위치를 켜면 레이저 플래시 램프가 활성화되고 헬리콥터의 윙윙거리는 소리가 들려온다.
   특별히 고안한 반투명 레이저 안경을 통해 글로브박스 안을 들여다보면, 아무것도 변하지 않았다는 것을 알 수 있다. "이 레이저 안전 안경을 파란색과 녹색 파장을 차단하여, 레이저(녹색 빛)로부터 당신의 눈을 보호한다"고 Williams가 설명했다. 그는 글로브박스 창이 있는 모퉁이에서 렌즈 가장자리 아래를 통해 그 벽을 관찰하고 있다. 이 위치에서 레이저 빛은 벽을 비추며 주변에 강한 녹색 빛을 깜박인다. 다시 안경을 아래로 떨어뜨리면 빛은 사라진다. 윙윙거리는 환풍기만이 이 레이저가 작동한다는 것을 알려주는 유일한 단서이다.
   LIBS 시스템은 클래스 IV 펄스 레이저를 사용한다. 각각의 펄스는 8나노초 동안 지속하고 약 40에서 140밀리줄 또는 대략 17,500,000와트(W)의 에너지를 담고 있다. 일반적인 레이저 포인터는 보통 클래스 III 연속파 레이저이며 이는 보통 최대 약 0.005W의 전력을 가진다. 레이저에서 나오는 열은 용융염을 플라즈마로 변환한다. 이것이 냉각되면 플라즈마 내의 원소들은 광자를 방출한다. 원소들의 서로 다른 동위원소는 다양한 파장(우라늄 동위 원소는 일반적으로 416나노미터이다.)의 특정 광자를 내보낸다. 이러한 광자와 그들의 파장은 글로브박스에 연결된 ICCD(Intensified Charge Couple Device)와 분광기로 모아진다.
   장비가 기록하는 파장에 의해 그래프에는 다양한 원소(그리고 그들의 동위 원소)가 기록된다. 그래프에 나타난 원소들의 파장을 상호 참조함으로써 분석가들은 사용한 연료와 용융염에 있는 핵분열 부산물의 구도를 구축할 수 있다. 특히, 수집된 빛의 파장과 밀도는 연료의 내용물에 관한 정보를 제공함으로써 얼마나 많은 우라늄과 플루토늄이 그 표본 안에 포함되어 있는지를 정확히 계산하게끔 해준다. 그러한 정보는 처리 과정과 핵 확산 계수 검사를 최적화하는데 도움을 줄 수 있다. 차세대 원자력 기술이 지속적으로 발전하면서 향상된 안전성 평가는 공공의 안전을 유지하는데 매우 중요하다. 전기화학적 과정 동안 핵분열 생성물 염화물이나 희토류 금속과 같은 다양한 부산물이 용융염에 축적된다. 이러한 생성물들은 작동시 불필요한 문제들을 일으킬 수 있기 때문에 LIBS와 같은 장비는 이러한 축적물이나 기술적 오류를 방지하는데 도움을 줄 것이다.
   또한, LIBS는 재활용 동안 사용한 핵연료의 실시간 분석을 가능케 하기 때문에 산업체나 정부 기관이 요구하는 유용한 기능들을 제공할 수 있다. 재활용 과정을 통해서 나타나는 성분비는 불법 사용을 위한 플루토늄 전환을 방지할 수 있다. 표본 위치와 그것들의 처리는 매우 도전적이지만 LIBS가 제공하는 신속한 측정은 새활용 과정 동안 일어날 수 있는 이상 징후들을 감지할 수 있다.
   Phongikaroon 연구진은 비조사 표본을 이용하여 얼마나 정확히 LIBS가 그 비율을 기록하는지를 시험하기 위하여 원소의 조합을 변화시키는 실험을 하고 있다. 연구진은 곧 LIBS 시스템을 보정하기 위하여 세륨과 망간을 사용할 계획이다. 세륨이 플루토늄과 같은 범위의 특정 파장을 방출하기 때문에 LIBS의 진가를 시험해볼 수 있는 훌륭한 비방사 대체물이다.

< 발췌 (본문 및 그림) : KISTI
미리안(http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?tab_code=MO&totalSearch=레이저&reCheck=N&cont_cd=GN&record_no=5811)
- 『과학기술 모니터링-녹색기술정보포털』:
http://phys.org/news/2013-08-laser-benefit-nuclear-recycling.html>