2024년 상반기 NEA (NUCLEAR ENERGY AGENCY)에서 제안하고 있는 WISARD (Joint Project on Waste Integration for Small and Advanced Reactor Designs) 프로그램은 소형원자로 (Small Modular Reactor, SMRs) 및 4세대 원자로 (Generation IV Advanced Reactor, ARs) 초기 설계 단계에서 사용후핵연료를 포함하여 방사성폐기물 관리를 통합하려는 목적으로 국제 공동 프로젝트(JP)를 추진하고 있습니다.

전 세계적으로 SMRs 및 ARs 설계 수가 증가하면서 원자로에 대한 연료 농축도 증대, 작은 코어 크기, 신연료의 재료 변화 등의 새로운 특성을 나타내고 있는 추세에 있습니다. 또한, MSR, SFR, 및 HTGR은 actinide 연소, 중성자 효율, 열효율 증대 측면에 있어 새로운 성능 향상의 가능성을 제공합니다. 그러나 이러한 긍정적인 특성에도 불구하고 불가피하게 사용후핵연료 및 방사성폐기물의 특성에도 영향을 미칠 수 있습니다. 즉, 화학적, 물리적, 방사능 특성을 가진 방사성폐기물이 발생하므로 전주기 동안 방사성폐기물에 대한 관리가 필수적으로 필요합니다. 또한, 원자로 노심의 크기를 확장하면 생산되는 방사성폐기물의 상대적 부피가 변할 수도 있습니다. 그 외에도, 사용후핵연료 운반 시에는 높아진 연소율이나 재질 특성 변화, 잔열 특성, 캐스크내 저장 시 변화되는 연료 크기 등으로 인한 잠재적 문제가 있을 수 있습니다. 어떠한 방식의 설계를 선택하든지 SMR 및 AR 원자로의 방사성폐기물은 현재 우리가 경험하고 있는 방사성폐기물 관리 방식과 상당히 다를 것이라는 점은 분명합니다. 이러한 차이점들을 이해하고 평가하여 장기적이고 지속 가능한 방사성폐기물 관리 프로그램을 마련하는 것이 필요합니다. 이에 NEA는 회원국들이 지목한 이들 신기술에 대한 핵심적 폐기물 관리 주제를 고려하는 WISARD라는 새 공동 프로젝트(Joint Project, JP)를 개발하였습니다. 핵심 주제는 심지층 처분, 폐기물 운반 방법, 저장 방법, 사용후핵연료 처리기술 및 재활용 옵션 등이 포함됩니다. 각 분야에서는 기존 방사성폐기물 관리 해결책과의 호환성을 평가함으로써 전 설계 주기 동안 폐기물 관리 전략에 대한 통합이 가능해지고, 견고하며 지속가능한 방사성폐기물 관리 프로그램 개발을 지원할 것입니다. 특히, WISARD는 SMR과 AR의 방사성폐기물 관리를 위한 세계 최초의 국제 플랫폼으로 적용될 수 있으므로 향후, 성공적인 혁신적 원자로 설계를 위한 중요한 데이터를 도출하게 될 것입니다.

WISARD 국제 공동 프로젝트는 NEA를 주관으로 수행되는 프로젝트로써 관심 있는 각 회원사들의 비용 분담이란 원칙 하에 연구나 데이터를 공유하면서 수행되며, 모든 참여기관은 프로젝트 이사회에 회원을 추천할 수 있습니다. WISARD는 결과물에 대해 합의된 경우에만 공개될 수 있는 비밀 유지 프로젝트로 운영될 예정입니다. 또한, 참가자들은 공동 프로젝트에 앞서 소유하던 모든 기밀 정보의 권리를 보유하며, 공동 프로젝트의 결과는 모든 참가자들이 함께 소유하게 됩니다. 그림 1은 WISARD 프로그램 추진을 위한 NEA 추진단의 구성 체계도입니다.

본 프로젝트를 통해 참가자들은 관심 있는 분야에 개별적으로 역무에 참여할 수 있습니다. 이와 함께 타분야에 대한 정보도 함께 공유할 수 있으므로 더 넓은 시야를 갖고 프로젝트 전반을 볼 수 있는 장점이 있습니다. 또한, 모든 WISARD 참가자는 연구를 통해 수집되는 데이터 및 결과를 이용할 수 있으며, WISARD가 주관하는 국제 포럼에도 참석할 수 있습니다.

현재 SMR 및 AR의 경우 설계 초기단계에서 방사성폐기물 관리와 통합할 수 가능성이 있습니다. SMR과 AR은 현재 전세계적으로 학계 및 연구계를 통해 활발한 창업 문화가 형성되고 있는 원자력계 주요 추진 분야입니다. 잠재적 이해관계자의 범위가 매우 넓은 만큼, 설계, 운영 및 해체 단계 간의 의견 불일치를 최소화하기 위하여 모든 분야의 연구자를 방사성폐기물 관리 과정에 참여시키는 것이 중요합니다. 이를 위해, 효율적이고 지속 가능한 프로그램을 구축하는 데 있어 핵심이 될 수 있도록 협업과 이해를 촉진하기 위한 별도의 전용 플랫폼이 필요합니다.

WISARD 프로젝트에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 핵주기 전반적으로 고려되어야 하는 SMR 및 AR에 대한 방사성폐기물 처리, 처분, 운반, 저장 및 재활용에 대한 내용을 통합하였습니다. 회원국들과의 논의를 통해 결정되어야 할 여러 가지 주요 요소들이 도출되었으며, 여기에는 다양한 측면에서의 처분, 처리 및 재활용 과정, 운반 방법, 저장 등이 포함됩니다. 본 프로젝트에서는 모든 과제(TASK 1~6)에 있어 사용후핵연료 및 방사성폐기물 특성에 관한 정보를 필요로 하기 때문에 더 큰 프로젝트의 범위 안에서 이를 함께 고려하면 효율성을 개선하고 전체 방사성폐기물 관리 프로그램 내에서 발생하는 문제와 해결책 사이에서 발생하는 데이터를 확보하는 기회를 제공할 수 있습니다. WISARD는 원자력발전소 원자로 설계 단계와 방사성폐기물 관리 단계에 관심을 두고 있는 기업 및 기관들에게 국제협력 증진과 지식 및 정보 전파를 용이하게 할 것입니다. 그림 2는 사용후핵연료 및 방사성폐기물 관련 각 역무들의 상호 관계를 도표로 나타내고 있습니다.

본 프로젝트는 4세대 SMR 및 4세대 원자로에서 발생하는 사용후핵연료와 방사성폐기물의 저장, 처분 및 처리 등에 대한 실행 가능성을 분석해야 합니다. 전 세계에는 다양한 기술이 통합되어 있는 SMR 및 AR 설계 기술이 존재하기 때문에 본 프로젝트의 첫 단계는 효율성이 가장 높은 시스템을 선정하는 것입니다. 선정 후에는 사용후핵연료와 방사성폐기물에 대한 특성을 분석하고 처리 방안을 검토할 예정입니다. 또한, 선정된 폐기물 처리 경로에 대한 정성적인 적합성 평가를 위한 새로운 방법론을 도출함으로써 SMR과 AR로부터 발생하는 폐기물 처리 방법에 대한 성능평가를 수행할 예정입니다. 성능평가결과는 신개념 원자로 설계의 선행, 후행 핵주기간 연계성을 수립하기 위한 기회를 줄 것입니다. 또한 이 평가에서는 향후 추가적인 연구의 필요성을 평가할 수 있는 차이점(Gap) 분석을 포함하고 있어 현재의 SMR 및 AR의 사용후핵연료/방사성폐기물 관리 프로그램보다 그 기능이 더욱 향상될 수 있는 기회를 마련할 것입니다. 본 프로젝트에서 수행하고자 하는 주요 목표는 다음과 같습니다.

1. SMR 및 AR에서 발생되는 사용후핵연료 및 방사성폐기물의 유형 정의 및 특성화

2. 폐기물 처분, 운반, 처리 및 저장 옵션 평가

3. 환경영향평가 포함, 유사연구사례를 통해 SMR 및 AR 방사성폐기물 유형의 성능 평가

4. SMR 및 AR 방사성폐기물 관리 전략에 적합한 특정 폐기물 경로의 실현 가능성 연구

5. 각 영역별 실현 가능성 연구 결과를 통합하는 경우 설계단계에 미치는 영향 평가

6. 프로젝트 수행 시의 방법론, 결과 및 기술수준(TRL)에 대한 보고서

JP는 회원국들이 특별히 관심을 가진 주제에 초점을 맞춘 여섯 가지 과제로 구성됩니다. 그림 3은 WISARD 프로젝트의 역무 체계 및 흐름을 나타내고 있습니다.