Earticle

고온 야금 핵연료 재활용 공정이라고 불리는 파이로프로세싱은 전망있는 핵연료 재활용 기술로써 잘 알려져 왔다. 파이로 프로세싱은 증가된 핵확산저항성과 경제적 효율 때문에 미래 원자력시스템에 있어서 중요하다. 파이로 프로세싱의 기본적인 개념은 핵확산저항성을 향상시키는 악티나이드그룹의 회수로 볼 수 있다. 파이로 프로세싱에서 중요한 공정 중 하나인 전해제련공정은 사용후핵연료로부터 우라늄과 악타나이드를 같이 회수하는 공정이다. 본 연구에서는 수직형 카드뮴 증류장치를 제작하였다. 773∼923K, 0.01torr이하의 압력조건에서 카드뮴의 증류속도는 12.3∼40.8g/cm2-h를 나타내었다. 고순도 아르곤 분위기의 글러브 박스에서 LCC 전해법으로 우라늄-카드뮴 합금을 제작하였다. 순수한 카드뮴과 우라늄-카드뮴 합금중의 카드뮴 증류거동을 조사하였다. 본 연구에서 얻을 수 있었던 카드뮴 증류거동 연구결과를 카드뮴 증류 공정의 개발에 이용할 수 있을 것이다.

The pyrometallurgical nuclear fuel recycle process, called pyroprocessing, has been known as a promising nuclear fuel recycling technology. Pyroprocessing technology is crucial to advanced nuclear systems due to increased nuclear proliferation resistance and economic efficiency. The basic concept of pyroprocessing is group actinide recovery, which enhances the nuclear proliferation resistance significantly. One of the key steps in pyroprocessing is “electrowinning” which recovers group actinides with lanthanide from the spent nuclear fuels. In this study, a vertical cadmium distiller was manufactured. The evaporation rate of pure cadmium in vertical cadmium distiller varied from 12.3 to 40.8 g/cm2/h within a temperature range of 773 923 K and pressure below 0.01 torr. Uranium - cadmium alloy was fabricated by electrolysis using liquid cadmium cathode in a high purity argon atmosphere glove box. The distillation behavior of pure cadmium and cadmium in uranium - cadmium alloy was investigated. The distillation behavior of cadmium from this study could be used to develop an actinide recovery process from a liquid cadmium cathode in a cadmium distiller.

원자력의 중흥기를 맞이하여 민감한 핵연료주기 기술의 무분별한 확장을 억제하고자 다양한 핵연료주 기 다자 방안이 제시되고 있다. 현재 원자력 공급국 위주의 핵연료주기 다자화가 추진되고 있는 실정에서 후행 핵연료주기 기술의 다자화 추진 추이를 파악하고자 사용후핵연료 공동 관리 시설에 대한 분석 결과 를 검토하였다. 또한 후행 핵연료주기 연구개발 시설의 다자화를 제안하고 기대효과와 문제점을 검토한 후 이를 실현하기 위한 추진방안을 도출하였다.

Various multilateral approaches to the nuclear fuel cycle have been proposed in order to suppress the expansion of sensitive fuel cycle technology. In order to prepare for the future multilaterallization of the nuclear fuel cycle, existing multilateral spent fuel management programs are analyzed. A trial multilateralization of a domestic R&D facility for the back end of the nuclear fuel cycle is proposed and its challenges, possibilities and implementation strategy are discussed.

고준위방사성폐기물처분을 위한 부지특성평가 기술을 구축하고, 이를 활용하여 심부지질환경을 이해 하기 위해 1997년부터 지금까지 한국원자력연구원 주변 지역을 고준위폐기물처분을 위한 연구지역으로 선정하여 다양한 지질 관련 연구를 수행해왔다. 특히, 2002년에는 고준위폐기물의 처분 대상 심도의 시 추공(지하 500 m)을 굴착하였으며, 2006년에는 지하처분연구시설(KURT, KAERI Underground Research Tunnel)을 준공하여 연구지역에 대한 심부지질환경 규명을 위해 노력하고 있다. 현재, 지하처 분연구터널의 좌측 연구용 모듈 내에 500 m 길이의 장심도 시추공을 굴착하여 다양한 부지특성평가 연 구를 수행 중에 있다. 본 연구는 고준위폐기물의 심지층 처분을 위한 요소 기술인 심부영역의 부지특성평가기술 구축을 위해 장심도 시추공 자료를 이용하여 KURT 주변의 지질구조 분석하였다. 연구지역의 장 심도 시추공에서 지구물리탐사, 시추공 지질조사 등 다양한 현장 조사를 수행하였으며, 그 결과 총 7개의 지질구조를 도출하였다. 이 연구 결과는 KURT 지역의 부지특성연구의 주요한 한 부분으로서 기존에 구 축된 지질모델을 보완하는데 이용될 예정이다.

To characterize geological features in study area for high-level radioactive waste disposal research, KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) has been performing the several geological investigations such as geophysical surveys and borehole drilling since 1997. Especially, the KURT (KAERI Underground Research Tunnel) constructed to understand the deep geological environments in 2006. Recently, the deep borehole of 500 m depths was drilled to confirm and validate the geological model at the left research module of the KURT. The objective of this research was to identify the geological structures around KURT using the data obtained from the deep borehole investigation. To achieve the purpose, several geological investigations such as geophysical and borehole fracture surveys were carried out simultaneously. As a result, 7 fracture zones were identified in deep borehole located in the KURT. As one of important parts of site characterization on KURT area, the results will be used to revise the geological model of the study area.

한국원자력연구원 내에 위치하는 방사성폐기물지하처분연구시설의 터널 내 벽면의 지반변위 및 온도 변화를 실시간으로 감시할 수 있는 시스템을 구축하였다. 이 시스템은 광섬유케이블(Optical Fiber Cable)의 Brillouin 산란현상을 이용하는 분포개념의 온도 및 변형율 측정기법(Distributed Temperatureand Strain Sensor: DTSS)을 적용하는 기술이다. 2년여 동안 감시한 결과 터널 벽면 쇼크리트 표면에서 균열 등과 관련한 뚜렷한 벽면 변위 징후는 발견되지 않았다. 다만, 시간이 경과함에 따라 터널 내에서 지 하수 누출 지점을 중심으로 벽면에서 변형의 누적 크기가 증대되어가는 경향을 보이나 그 크기는 미약하 고 완만하게 진행함을 확인하였다. 계속적인 지하수에 의한 포화-습윤-건조 등의 현상이 반복되는 구간이 나 포화상태에 있는 구간은 점진적으로 영향이 커질 것으로 예상된다. 광섬유센서케이블을 이용한 분포 개념의 측정 및 분석기술은 구조물의 특성에 따라 선택적ㆍ탄력적 적용이 가능하다. 변형률의 계측 범위 는 20 ∼28,000 크기까지 변위 계측이 가능하다. 변형률의 해상도는 0.01mm로서 최소 매 1m 간격, 온도는 0.01℃ 해상도를 가지고 최소 0.5m 간격으로 감시가 가능하다. 기존의 특정지점 계측방법(Point Sensing)과는 확연하게 차별된다. 현재까지 운영한 결과 본 감시시스템은 방사성폐기물 처분시설 등 공 동과 사면의 장기감시시스템으로 적용 가능성을 확인하였다.

Optical fiber cable, as a sensor, was installed on the wall of KAERI(Korea Atomic Energy Research Institute) Underground Research Tunnel(KURT) in order to monitor the physical stability of the tunnel, which was constructed for technical development and demonstration of radioactive waste disposal. This monitoring system has two simultaneous measurements of temperature and strain over time using Brillouin backscatter. According to the results of the monitoring from Jan. 2008 to Nov. 2009, there is no significant displacement or movement at the tunnel wall However, the cumulative volume of total strain increased slightly as time passes with the comparison of the reference observation, which was measured in Jan. 2008. The change in cumulative volume of total strain indicates that the strain level had been affected by saturation and de-saturation phenomena due to groundwater fluctuation at several points at KURT. This system is based on the distributed sensing technique concept, not point sensing. By using this system, a displacement can be detected with the range from 20 to 28,000 every 1m interval in minimum. A temperature variation can be monitored at every 0.5m interval with the resolution of 0.01 in minimum. Based on the study, this monitoring system is potentially applicable to long term monitoring systems for radioactive waste disposal project as well as other structures and underground openings.

사용후핵연료 건식처리공정(pyrochemical process)에서 LiCl-KCl 공융염의 회수는 방사성폐기물 부피 감량과 원료물질 회수를 위해 반드시 필요하다. 본 논문은 진공증류공정을 이용하여 희토류 침전물(희토 류 산염화물 또는 산화물)내 잔류하는 LiCl-KCl 공융염 회수에 관한 것이다. 진공증류시험장치에서 희토 류 침전물내 공융염은 효과적으로 휘발 및 분리되었다. 분리된 공융염은 감압증류시험장내 세 지점에서 침적되거나 필터에 포집되으며, 침적되거나 포집된 공융염을 회수하는 것은 쉽지 않았다. 이 문제점을 해 결하기 위해 감압조건에서 온도구배를 이용하여 공융염 거동을 제어할 수 있는 공융염 진공증류/응축회 수 시스템을 개발하였으며, 이 장치를 이용하여 휘발된 공융염을 회수용기에서만 응축시켜 쉽게 회수할수 있음을 확인하였다.

For the pyrochemical process of spent nuclear fuels, recovery of LiCl-KCl eutectic salts is needed to reduce radioactive waste volume and to recycle resource materials. This paper is about recovery of residual LiCl-KCl eutectic salts in radioactive rare earth precipitates (rare earth oxychlorides or oxides) by using a vacuum distillation process. In the vacuum distillation test apparatus, the salts in the rare earth precipitates were vaporized and were separated effectively. The separated salts were deposited in three positions of the vacuum distillation test apparatus or were collected in the filter and it is difficult to recover them. To resolve the problem, a vacuum distillation and condensation system, which is subjected to the force of a temperature gradient at a reduced pressure, was developed. In a preliminary test of the vacuum distillation/condensation recovery system, it was confirmed that it was possible to condense the vaporized salts only in the salt collector and to recover the condensed salts from the salt collector easily.

공학적 안전설비 공기정화계통의 규제지침인 Reg. Guide 1.52(Rev.3)의 변경사항중 성능시험과 관련 한 운전가능성 시험시간 단축, HEPA 필터 현장누설시험용 시험물질 변경 및 활성탄 성능시험 Methyl Iodidie 투과허용율 상향 변경을 영광 5,6호기에 적용하고자, 모사실험장치와 현장 설비를 활용하여 기술 적 타당성을 확인하는 실험을 수행하였다. 10시간 이상의 장시간 운전가능성 시험을 통해 계통내 습분을 제거하여도 시험후 1∼4일만에 회복됨을 확인하여 운전가능성 시험은 기기적 운전가능성 점검에 적합한 매월 15분 이상의 시험을 수행하는 것이 타당함을 확인하였다. HEPA 필터 현장누설시험용 시험물질 변 경을 위해 DOP와 PAO의 에어로졸 입자크기, 발생량, 누설인지도를 비교한 결과 PAO는 원전에서도 DOP 대체시험물질로 사용 가능함을 확인하였다. 베드깊이 4 인치 이상의 활성탄여과기에 대한 Methyl Iodide의 투과율 허용치가 0.175 %에서 0.5 %로 상향 변경된 것은, ASTM D3803(1989)으로의 활성탄 성 능시험 방법 변경에 따른 것으로서, 30 ℃ 상대습도 95 %에서의 Methyl Iodide 투과허용율 0.5 %가 사용 중 활성탄의 성능을 시험하기에 충분히 보수적인 시험방법임을 확인하였다. 본 실험 결과를 바탕으로 영 광 5,6호기는 인허가변경을 완료하였다.

U. S. NRC Regulation Guide 1.52 regulating ESF ACS in nuclear power plants has been revised to revision 3. To apply reduction of operability test time, allowance of alternative challenge agents for in-place leak test of HEPA filters, and upgrade of Methyl Iodide penetration acceptance criterion in activated carbon performance test suggested in Reg. Guide 1.52(Rev.3) on Yonggwang units 5 and 6 ESF ACSes, technical feasibility study was carried out with on-site experiments as well as experiments with a lab-scale model. It was confirmed that the moisture in the system returned to the level before the test in 1 or 4 days even though the moisture was removed during the operability test lasting more than 10 hours. Therefore, it is appropriate to perform monthly operability test in 15 minutes just long enough to check the operability of equipment. To change challenge material for in-place HEPA filter leak test, size of aerosol, production rate, and leak detection capability were compared for DOP and PAO. It was concluded that PAO can be substituted for DOP in nuclear power plants. The upgrade of Methyl Iodide penetration acceptance criterion from 0.175 % to 0.5 % in active carbon filter bed deeper than 4 inches was to conform to the change of activated carbon performance test method to ASTM D3803(1989). It was confirmed that Methyl Iodide penetration acceptance criterion of 0.5 % under 30 ,relative humidity 95 % condition was conservatively good enough for testing performance of active carbon insitu. The licence change of Yonggwang units 5 and 6 has been completed based on this study.

공학적 안전설비 공기정화계통과 관련된 실험 수행을 위해 원자력등급 ESF 공기정화계통 시뮬레이터 를 설계, 제작, 검증하였다. 영광 5,6호기 주제어실 공기정화계통의 공급자 정보, 도면 등을 기준으로 실 사를 통해 치수를 확인하여 3D CAD 모델을 작성하였다. 모델과 현장 계통의 실측 유량을 기준으로 CFD 분석을 수행하였다. 공기정화계통으로 유입되는 공기는 30 ℃, 유동형태는 균일한 것으로 가정하고, 검사 기록지에 의한 주제어실 ESF 공기정화계통의 유량이 12,986 CFM이고, 610×610 ㎟의 HEPA 필터가 9개 설치되어 있으므로 HEPA 필터 단면를 지나는 유속은 1.83 m/s이다. 주제어실 공기정화계통 모델링시 공 기 유동이 흐르지 않는 필터 테두리 지지대를 고려하여 현장과 유사한 유동현상을 모사하였다. 약 8 m/s 로 기록된 활성탄 흡착기 하단의 공기유동은 별도의 분석을 통해 7 m/s 이상의 유속이 모사되도록 CFD 분석하였다. 연료건물 비상배기계통 및 비상노심냉각계통 기기실 배기정화계통의 공기정화계통에 대해 서도 CFD 분석한 결과, 시뮬레이터의 유속을 조절하면 세가지 ESF 공기정화계통을 모두 모사할 수 있음 을 확인하였다. CFD 분석 후 시뮬레이터를 원자력등급으로 제작하였고, 본 실험에 착수하기 전에 공기유 동 분포도실험을 통해 시뮬레이터의 신뢰도를 검증하였다. 검증결과 중급 필터를 장착한 상태에서 시뮬 레이터의 필터 지지대 부분을 제외한 내부에서 공기유동이 고르게 분포함을 확인하였고, 제작된 시뮬레 이터는 Reg. Guide 1.52(Rev.3) 개정 내용 확인을 위한 실험에 사용되었다.

A nuclear plant ESF ACS simulator was designed, built, and verified to perform experiment related to ESF ACS of nuclear power plants. The dimension of 3D CAD model was based on drawings of the main control room(MCR) of Yonggwang units 5 and 6. The CFD analysis was performed based on the measurement of the actual flow rate of ESF ACS. The air flowing in ACS was assumed to have 30 and uniform flow. The flow rate across the HEPA filter was estimated to be 1.83 m/s based on the MCR ACS flow rate of 12,986 CFM and HEPA filter area of 9 filters having effective area of 610 610 mm2 each. When MCR ACS was modeled, air flow blocking filter frames were considered for better simulation of the real ACS. In CFD analysis, the air flow rate in the lower part of the active carbon adsorber was simulated separately at higher than 7 m/s to reflect the measured value of 8 m/s. Through the CFD analyses of the ACSes of fuel building emergency ventilation system, emergency core cooling system equipment room ventilation cleanup system, it was confirmed that all three EFS ACSes can be simulated by controlling the flow rate of the simulator. After the CFD analysis, the simulator was built in nuclear grade and its reliability was verified through air flow distribution tests before it was used in main tests. The verification result showed that distribution of the internal flow was uniform except near the filter frames when medium filter was installed. The simulator was used in the tests to confirm the revised contents in Reg. Guide 1.52 (Rev. 3).

경주 방사성 폐기물 처분장 주변 논에 대한 방사성 요오드 및 테크네튬의 토양-쌀알 전이계수를 조사하 기 위하여 온실 내에서 포트재배로 방사성 추적자 실험을 2 년에 걸쳐 수행하였다. 모내기 전에 상부 약 20 cm 깊이의 흙을 125I(2007 년) 및 99Tc(2008 년)와 고르게 혼합한 다음 포트에 관개하여 물이 찬 논같 이 만들었다. 전이계수는 토양 중 방사성 핵종 농도에 대한 쌀알(현미) 내 농도의 비로 나타내었다. 쌀알 의 방사성 요오드 및 테크네튬 전이계수는 토양에 따라 각각 1.1×10-3∼6.4×10-3(세 토양) 및 5.4×10-4∼2.5×10-3(네 토양)의 범위였다. 이러한 변이에 대해서는 토양 간 점토 함량의 차이가 유기물 함량이나 pH의 차이보다 중요한 역할을 한 것으로 보였다. 쌀알의 방사성 요오드 및 테크네튬 전이계수의 대표치 로서 각각 2.9×10-3 및 1.1×10-3이 제안되었다. 앞으로 보다 대표성이 높은 값을 얻기 위하여 관심 부지 들을 대상으로 조사가 지속적으로 수행될 필요가 있다.

Radiotracer experiments were performed over two years using pot cultures in a greenhouse to investigate soil-torice seeds transfer factors of radioiodine and technetium for paddy fields around the radioactive-waste disposal site in Gyeongju. Before transplanting rice seedlings, the top about 20 cm soils were thoroughly mixed with 125I (2007) and 99Tc (2008), and the pots were irrigated to simulate flooded rice fields. Transfer factors were determined as the ratios of the radionuclide concentrations in dry rice seeds (brown rice) to those in dry soils. Transfer factors of radioiodine and technetium were in the ranges of 1.1 10-3 6.4 10-3 (three soils) and 5.4 10-4 2.5 10-3 (four soils), respectively, for different soils. It seems that the differences in the clay content among soils played a more important role for such variations than those in the organic matter content and pH. As the representative values of radioiodine and technetium transfer factors for rice seeds, 2.9 10-3 and 1.1 10-3, respectively, were proposed. In order to obtain more highly representative values in the future, investigations for the sites of interest need to be carried out continuously.

최근 전 세계적인 원자력 수요 급증으로 민감 기술의 확산에 대한 우려가 커지고 있다. 원자력 수요 증가에 대처하면서 핵비확산체제를 강화하기 위해，다수의 ‘핵연료주기 다자화’ 방안이 제안되었다. ‘핵연료주기 다자화’ 방안이 실현될 경우，우리나라에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서 본 논문에서는 ‘핵연료주기 다자화’ 움직임에 대해 우리나라의 적절한 대응책 마련에 도움을 주기 위해，12가지 기존의 ‘핵연료주기 다자화 방안’ 을 검토하고，우리나라에 미칠 잠재적 영향을 평가하였다.

Recently, there have been grave concerns that the anticipated increase in the use of nuclear energy worldwide could result in dissemination of sensitive nuclear technologies. To meet the increase in nuclear energy demand and strengthen the non-proliferation regime simultaneously, the various proposals for 'multilateralization of nuclear fuel cycle' have been widely suggested. Those proposals are expected to have serious impacts on our country, if they has come true. In this paper, therefore, the 12 existing proposals were reviewed and assessed for their potential impacts on our country, in order to help prepare the appropriate measures responding to the international attempt of 'multilateralization of nuclear fuel cycle'.

사용후핵연료를 파이로 건식처리하면 사용후핵연료 자체 내에 존재하는 세슘, 스트론튬, 초우라늄 계열등이 중간저장 되어 영구처분 방사선원항에서 제외되므로 사용후핵연료집합체를 구성하는 구조재, 즉 금 속폐기물의 방사선원항이 중요해지게 된다. 따라서 본 연구에서는 17×17 KOFA 사용후핵연료 10 톤이 파 이로 건식처리 되었을 경우를 가정하여 각 구조재 부품별로 방사선원항 특성을 분석하였다. 우선 구조재 부품별로 질량 및 부피를 상세히 계산하였다. 핵연료 상단 및 하단 고정체에서의 중성자스펙트럼이 노심과 다르므로 각 구조재 부품별로 핵반응단면적라이브러리를 KENO-VI/ORIGEN-S 모듈로 직접 생산하였으 며, 이를 적용하여 ORIGEN-S 코드로 방사화 방사선원항을 평가하였다. 평가결과 원자로 방출후 10 년 시 점에서의 방사능세기, 붕괴열, 위해지수 값은 각각 1.40×1015 Bequerels, 236 Watts, 4.34×109 m3-water 로 나타났으며, 이는 사용후핵연료 자체 값의 0.7 %, 1.1 %, 0.1 %에 해당하는 값이다. 방사능세기, 붕괴 열, 위해지수 모든 측면에서는 금속폐기물 전체물량의 1 %만을 차지하는 인코넬 718 그리드판이 가장 중 요한 것으로 평가되었으며, 특히 이를 따로 분리하여 관리하면 금속폐기물 전체 방사능세기를 20∼45 % 정도, 위해지수를 30∼45 % 정도 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다. 전체적으로 볼 때, 금속폐기물의 방 사능세기 및 위해지수는 처분시스템 설계 시 중요한 인자로 고려되어야 하나, 붕괴열은 그 열량이 작아 중 요하지 않은 것으로 나타났다.

Source terms of metal waste comprising a spent fuel assembly are relatively important when the spent fuel is pyroprocessed, because cesium, strontium, and transuranics are not a concern any more in the aspect of source term of permanent disposal. In this study, characteristics of radiation source terms for each structural component in spent fuel assembly was analyzed by using ORIGEN-S with a assumption that 10 metric tons of uranium is pyroprocessed. At first, mass and volume for each structural component of the fuel assembly were calculated in detail. Activation cross section library was generated by using KENO-VI/ORIGEN-S module for top-end piece and bottom-end piece, because those are located at outer core with different neutron spectrum compared to that of inner core. As a result, values of radioactivity, decay heat, and hazard index were reveled to be 1.40 1015 Bequerels, 236 Watts, 4.34 109 m3-water, respectively, at 10 years after discharge. Those values correspond to 0.7 %, 1.1 %, 0.1 %, respectively, compared to that of spent fuel. Inconel 718 grid plate was shown to be the most important component in the all aspects of radioactivity, decay heat, and hazard index although the mass occupies only 1 % of the total. It was also shown that if the Inconel 718 grid plate is managed separately, the radioactivity and hazard index of metal waste could be decreased to 20 45 % and 30 45 %, respectively. As a whole, decay heat of metal waste was shown to be negligible in the aspect of disposal system design, while the radioactivity and hazard index are important.