우라늄 생산 공정 : 처음부터 끝까지 자세히 알아보기

안녕하세요. 요즘 원자력, 소형 원자로 SMR 등을 투자하기 위해서 카메코라는 기업을 조사하는 시리즈를 하고 있는 블로거입니다. 오늘 글에서는 좀 더 생산 원리적인 부분으로 다가가서 생산과정을 한 번 보려고 합니다.

 

기본적으로 제가 이해하는 생산과정은 3단계로 이루어져 있습니다. 1. 탐사 -> 2. 정제 -> 3. 정제 및 판매로 단계를 거치는데요. 이번 포스팅에서는 그 3단계에서 더 쪼개어서 아래의 6단계로 하나씩 아래의 글들을 통해 소개해보도록 하겠습니다.

 

우라늄은 무엇이며 어디에서 발견되나요?

우라늄은 자연적으로 존재하는 방사성 금속으로, 대부분의 우라늄은 광석 형태로 지표 아래에서 발견됩니다. 주요 우라늄 매장 지역은 캐나다, 호주, 카자흐스탄 등으로 전 세계 매장량의 60% 이상이 이 지역에 집중되어 있습니다. 이 원료는 원자로에서 에너지를 생산하는 데 필수적입니다. 따라서 세계 생산량 1위와 2위도 카자흐스탄과 캐나다입니다.

광산

우라늄 생산 공정의 첫 단계: 탐사

우라늄 생산의 첫 걸음은 매장지를 탐사하는 것이죠. 지질학적 조사와 첨단 기술이 결합되어, 우라늄이 존재할 가능성이 높은 지역을 찾습니다. 일반적인 탐사 과정은 다음과 같습니다:

• 지질학적 분석: 우라늄이 포함된 암석 구조를 파악합니다.
• 항공 방사선 측정: 헬리콥터나 드론을 사용해 방사능이 높은 지역을 확인합니다.
• 시추 탐사: 샘플을 채취하여 우라늄의 품위(grade)와 매장량을 평가합니다.

이 단계에서 중요한 지표는 우라늄의 품위(grade)입니다. 높은 품위를 가진 광석은 더 적은 비용으로 많은 우라늄을 추출할 수 있죠. 좀 더 쉽게 생각하면 그냥 품질에 대한 등급으로 생각하면 될 것 같습니다.

 

우라늄의 품위에 대해 중요하다는 생각이 들어 chatgpt에게 문의해 보았습니다. 그의 답은 아래와 같았습니다.

 

우라늄 품위의 기준 고품위(High-Grade) • 우라늄 함유량이 1% 이상인 경우를 의미합니다. • 전 세계에서 가장 높은 품위를 가진 광산은 캐나다의 맥아더 강(McArthur River) 광산과 키레이크(Key Lake) 광산으로, 품위가 10~20%에 이르기도 합니다. • 이러한 고품위 광산은 적은 양의 광석으로도 많은 우라늄을 추출할 수 있어 경제성이 뛰어납니다. 중간 품위(Mid-Grade) • 우라늄 함유량이 0.1%~1% 사이인 광석을 의미합니다. • 주로 호주, 나미비아 등에서 발견되는 광산이 해당되며, 이 품위는 산업적으로 충분히 수익성이 있습니다. 저품위(Low-Grade) • 우라늄 함유량이 0.01%~0.1% 이하인 경우입니다. • 카자흐스탄에서 주로 발견되는 광석이 이에 해당하며, ISR(In-situ Recovery) 방식으로 채굴해 경제성을 확보합니다. • 저품위 광산은 대규모 채굴과 효율적인 공정이 필수적입니다.

 

채굴: 우라늄을 지구에서 끌어내는 과정

탐사가 끝나면 우라늄을 실제로 채굴하는 단계로 넘어갑니다. 채굴 방식은 광산의 깊이와 매장 조건에 따라 달라집니다.

또한 앞에서 알아본 우라늄의 품위 등급에 따라서도 채굴방법이 달라진다고 합니다. 그러나 품위의 한계는 점점 사라지는 추세라고 하네요.

• 지하 채굴(Underground Mining): 깊은 곳에 위치한 고품위 우라늄 광석을 채굴하는 방식입니다.
• 표면 채굴(Open-pit Mining): 지표면 근처에 있는 광석을 대규모로 채굴합니다.
• ISR(In-situ Recovery): 화학 용액을 주입해 광석을 녹여 추출하는 방식으로, 환경에 미치는 영향이 적습니다.

이 중 ISR 방식은 최근 가장 선호되고 있으며, 카자흐스탄의 광산 대부분이 이 방법을 사용합니다. 이 방법은 친환경적이고 비용도 절감할 수 있어요.

 

품위와 채굴 기술의 관계

• 고품위 광산: 지하 채굴(Underground Mining)을 통해 효율적으로 채굴됩니다.
• 중·저품위 광산: ISR 방식이나 표면 채굴(Open-pit Mining)을 통해 대규모로 광석을 처리합니다.
• 기술 발전: 최근에는 저품위 광석에서도 경제성을 확보할 수 있는 정제 기술과 ISR 방식이 도입되고 있어, 품위의 한계가 점점 낮아지고 있습니다.

우라늄 채굴 장비

정제 및 가공: 우라늄이 황 케이크로 변하는 과정

채굴된 우라늄 광석은 정제 과정을 거쳐야만 원자력 발전에 사용할 수 있는 형태가 됩니다. 정제 과정은 다음과 같습니다:

1. 용출(Lixiviation): 황산(H2SO4) 또는 알칼리 용액을 사용해 광석에서 우라늄 성분을 녹여서 추출합니다.

과정 설명: 1. 우라늄 광석을 잘게 부숩니다. (광석을 분쇄하여 표면적을 넓히는 작업) -> 2. 분쇄된 광석에 황산 용액을 섞습니다. 이 용액은 우라늄 산화물을 화학적으로 녹이는 역할을 합니다. -> 3. 우라늄이 황산과 반응하여 우라늄 이온(UO2^2+)으로 용액에 녹아듭니다.

결과물: 이 과정에서 우라늄 외에 철, 알루미늄 등 불순물도 함께 녹아 들어가며, 이후 단계에서 분리됩니다.

특징: 황산은 가장 널리 사용되는 용출제이지만, 특정 광석에서는 알칼리 용액(탄산염 용액)을 사용하는 경우도 있습니다. 또한 용출 공정은 ISR 방식(지하 용출 채굴)에서도 핵심적인 역할을 합니다.

 

2. 침전(Precipitation): 용출된 용액에서 우라늄 성분만 선택적으로 고체로 분리하는 과정입니다.

과정 설명: 1. 용출된 우라늄 용액에 중화제(암모니아, 수산화 나트륨 등)를 추가합니다. -> 2. 화학 반응을 통해 용액 속의 우라늄 이온이 암모늄 디우라네이트(Ammonium Diuranate, ADU) 형태로 침전됩니다. -> 3. 침전된 고체는 필터로 걸러냅니다.

결과물: ADU 형태로 얻어진 고체는 다음 단계에서 건조 과정을 통해 황 케이크가 됩니다.

특징: 침전 과정에서는 우라늄 외에 불순물을 제거하는 작업도 병행됩니다. 또 침전 조건(온도, pH 등)을 조절하여 우라늄의 분리 효율을 높일 수 있습니다.

 

3. 건조 및 포장: 최종적으로 황 케이크(Yellowcake)라는 형태로 가공되어 시장에 판매가능한 형태로 만드는 단계입니다.

과정 설명: 1. 침전된 ADU를 고온 건조로에 넣어 수분과 남은 화학 성분을 제거합니다. -> 2. 이 과정에서 우라늄 화합물은 U3O8 형태의 노란 가루로 변합니다. -> 3. 건조된 U3O8는 밀폐 용기에 포장되어 운송됩니다.

• 결과물: 황 케이크(Yellowcake): 순도 75~85%의 U3O8 형태로, 원자력 연료로 가공되기 전 단계입니다.

• 특징: 황 케이크는 원자로에서 연료봉 형태로 사용되기 전, 추가적인 가공(농축 등)을 거쳐야 합니다.

 

황 케이크는 보통 80% 이상의 순도를 가지고 있으며, 핵연료 가공 공장에서 추가 처리 후 원자로에 사용됩니다.

 

추가 정보: 황 케이크의 활용과 특징

1. 원자력 연료로의 전환 과정:

• 황 케이크는 농축 공정을 통해 농축 우라늄(LEU)으로 가공된 후, 원자로 연료로 사용됩니다.

2. 물리적 특징:

• 노란색의 미세한 분말 형태이며, 방사능은 낮지만, 취급 시 안전 관리가 필요합니다.

 

 이 모든 과정을 통해, 우라늄은 단순한 광석에서 에너지의 원천으로 거듭나게 됩니다.

우라늄 장비

우라늄 생산의 경제적 의미

우라늄의 생산 원가는 시장 가격과 긴밀히 연결됩니다. 카메코와 같은 주요 기업은 평균 생산 원가를 약 1파운드당 30~35달러(1킬로당 70달러)로 유지하며, 가격 변동에 따라 광산 가동 여부를 조정합니다. 높은 우라늄 가격은 기업의 수익성을 크게 증가시키며, 생산 확대를 가능하게 하죠. 카메코는 캐나다의 기업이고, 최근 가장 원자력을 도입하려는 시도가 보이고 있는 미국과 가까운 거리에 있으면서 매장량의 대부분이 고품위에 해당하니까. 향후 10년간 경제적 가치가 얼마나 올라갈지 궁금해지네요.

 

우라늄 채굴의 환경적 영향과 관리

우라늄 채굴은 방사능 물질과 관련이 있기 때문에 환경적 관리가 매우 중요합니다. 현대적인 광산은 방사선 노출을 최소화하고, 폐기물을 철저히 관리하며, 복구 작업을 통해 환경 영향을 줄이려고 노력하고 있습니다. 그래도 대부분 국가의 경우 우라늄 폐기물에 대한 문제는 여전히 남아있습니다. 특히 대한민국 우리나라의 경우 해당 문제와 폭파 위험등의 안전성 문제로 탈원전 정책을 펼치기도 했었는데요.

 

사실 그 정책의 결과로 전기세가 지속적으로 올라버렸죠. 딱히 문제없던 원전들을 다시 가동하려는 움직임이 최근에는 있습니다. 이게 참 선택의 문제인 것 같아요. 미래에 환경에 나쁘다는 것. 그리고 좀 많이 위험하지만 꽤 높은 효율이라는 것. 이런 것들을 충분히 보아야 하는 것 같습니다.

 

우라늄과 SMR 시대

미래에는 소형 모듈 원자로(SMR)가 기존의 대형 원자로를 대체하며 우라늄 수요를 더욱 증가시킬 것으로 예상됩니다. SMR은 작은 크기로 인해 더 많은 지역에서 사용될 수 있고, 효율성이 높기 때문에 원자력 발전의 새로운 패러다임을 열어줄 것으로 기대돼요.

 

또한 미국이나 러시아 중국 등등 국가의 영토가 넓은 곳의 에너지 문제를 해결할 가능성이 높은 분야로 여겨져서 투자가 많이 일어나서 발전도 빠를 것으로 예상하고 있어요.

 

 

이제 여러분도 우라늄 생산 공정의 전체 그림을 이해하셨죠? 사뭇 석유산업과 비슷하면서도 다른 부분이 있네요.

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아래의 링크를 통해 카메코에 대한 시리즈 글을 추가로 보실 수 있습니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SMR 시대의 기회 : 카메코 기업분석 | 원자력 발전의 핵심 원료와 SMR 시대의 기회를 읽다