Earticle

경수로 원전을 대상으로 원전 내 방사화 대상 물질인 스테인리스강, 탄소강 및 콘크리트의 불순물 정보 적용여부에 따른 방사화 핵종 재고량을 계산하였다. 본 연구에서 탄소강은 압력용기 물질에 사용되었고, 스테인리스강은 압력용기 내부 물질에사용되었으며, 일반 콘크리트가 생체 차폐체에 사용되었다. 금속 물질에 대해서는 참고자료 1개의 불순물 함량 정보를 적용하였고, 콘크리트 물질에서는 참고자료 5개의 불순물 함량 정보를 적용하여 평가를 수행하였다. 방사화 핵종 재고량 전산해석 시 중성자속 계산에는 MCNP 전산코드를, 방사화 계산에는 FISPACT 전산코드를 각각 사용하였다. 계산 결과, 금속 물질에서 불순물을 포함한 경우가 그렇지 않은 경우보다 비방사능이 2배 이상 높았으며, 특히 콘크리트에서는 불순물을 포함한경우가 그렇지 않은 경우보다 최대 30배 이상 비방사능이 높게 계산되었다. 방사화 핵종의 생성반응과 재고량을 분석한 결과, 금속 구조물에서는 불순물 중 Co원소와 중성자에 의해 생성되는 방사화 핵종인 Co-60이, 콘크리트에서는 불순물 중 Co, Eu 원소와 중성자에 의해 생성되는 방사화 핵종인Co-60, Eu-152, Eu-154 이 방사성폐기물 준위 결정에 큰 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 본 연구의 결과는 원전 해체 계획 수립 시 방사화 핵종 재고량 평가 및 규제에 활용될 수 있을 뿐 아니라, 해체를 고려한 원전 또는 원자력시설의 설계 단계에서도 참고자료로 활용 될 것으로 판단된다.

The neutron activation inventories in reactor vessel and its internals, and bio-shield of a PWR nuclear power plant were calculated to evaluate the effect of impurity elements contained in the structural materials on the activation inventory. Carbon steel is, in this work, used as the reactor vessel material, stainless steel as the reactor vessel internals, and ordinary concrete as the bio-shield. For stainless steel and carbon steel, one kind of impurity concentration was employed, and for ordinary concrete five kinds were employed in this study using MCNP5 and FISPACT for the calculation of neutron flux and activation inventory, respectively. As the results, specific activities for the cases with impurity elements were calculated to be more than twice than those for the cases without impurity elements in stainless and carbon steel. Especially, the specific activity for the concrete material with impurity elements was calculated to be 30 times higher than that without impurity. Neutron induced reactions and activation inventories in each material were also investigated, and it is noted that major radioactive nuclide in steel material is Co-60 from cobalt impurity element, and, in concrete material, Co-60 and Eu-152 from cobalt and europium impurity elements, respectively. The results of this study can be used for nuclear decommissioning plan during activation inventory assessment and regulation, and it is expected to be used as a reference in the design phase of nuclear power plant, considering the decommissioning of nuclear power plants or nuclear facilities.

본 연구는 고방사성해수폐액 (HSW)으로부터 Barium (Ba)이 함침된 4A 제올라이트 (BaA)에 의한 고방사성핵종 중에 하나인Sr의 흡착 제거를 수행하였다. BaA에 의한 Sr의 흡착 (BaA-Sr)은 Ba의 함침농도 20.2wt% 이상에서 Ba의 함침농도가 증가할수록 감소하며 Ba 함침농도는 20.2wt% 정도가 적당하였다. 그리고 BaA-Sr 흡착은 BaA 내 4A에 의한 Sr 흡착 (4A-Sr)에BaSO4 침전에 따른 Sr 공침이 첨가되어, Sr의 농도가 0.2 mg/L 이하 (HSW 내 실제 Sr 농도 수준)에서 BaA는 m/V (흡착제량/용액 부피)=5 g/L, 4A는 m/V >20 g/L에서 99% 이상의 Sr 제거가 가능하였다. 이는 흡착제 단위 g 당 Sr의 처리용량 및 2 차 고체폐기물 (폐흡착제 등) 발생량 저감화 차원에서 BaA-Sr 흡착이 4A-Sr 흡착보다 우수함을 나타낸다. 또한 BaA-Sr 흡착이 증류수보다 해수폐액에서 Sr의 제거능이 우수하여 HSW로부터 직접 Sr을 제거하는 데 효과적일 것으로 보인다. 반면에 BaA에 의한 Cs의 흡착 (BaA-Cs)은 주로 BaA 내 4A에 의해서 이루어지고 있어 함침 Ba의 영향은 거의 없는 것 같다. 한편 BaA-Sr 흡착속도는 유사 2차 속도식으로 표현할 수 있으며, Sr의 초기농도 및 V/m 비 증가에 따라서 속도상수 (k2)는 감소하지만 평형흡착량 (qe)은 증가하고 있다. 그러나 용액의 온도증가에 따라서는 반대로 k2는 증가하지만 qe는 감소하고 있다. BaA-Sr 흡착 활성화에너지는 약 38 kJ/mol 로 강력한 결합 형태를 이룬 화학흡착은 아니더라도 물리적 흡착보다 화학적흡착이 지배적일 것으로 보인다.

This study investigated the removal of Sr, which was one of the high radioactive nuclides, by adsorption with Barium (Ba) impregnated 4A zeolite (BaA) from high-radioactive seawater waste (HSW). Adsorption of Sr by BaA (BaA-Sr), in the impregnated Ba concentration of above 20.2wt%, was decreased by increasing the impregnated Ba concentration, and the impregnated Ba concentration was suitable at 20.2wt%. The BaA-Sr adsorption was added to the co-precipitation of Sr with BaSO4 precipitation in the adsorption of Sr by 4A (4A-Sr) within BaA. Thus, it was possible to remove Sr more than 99% at m/V (adsorbent weight/solution volume)=5 g/L for BaA and m/V >20 g/L for 4A, respectively, in the Sr concentration of less than 0.2 mg/L (actual concentration level of Sr in HSW). It shows that BaA-Sr adsorption is better than 4A-Sr adsorption in for the removal capacity of Sr per unit gram of adsorbent, and the reduction of the secondary solid waste generation (spent adsorbent etc.). Also, BaA-Sr adsorption was more excellent removal capacity of Sr in the seawater waste than distilled water. Therefore, it seems to be effective for the direct removal of Sr from HSW. On the other hand, the adsorption of Cs by BaA (BaA-Cs) was mainly performed by 4A within BaA. Accordingly, it seems to be little effect of impregnated Ba into BaA. Meanwhile, BaA-Sr adsorption kinetics could be expressed the pseudosecond order rate equation. By increasing the initial Sr concentrations and the ratios of V/m, the adsorption rate constants (k2) were decreased, but the equilibrium adsorption capacities (qe) were increasing. However, with increasing the temperature of solution, k2 was conversely increased, and qe was decreased. The activation energy of BaA-Sr adsorption was 38 kJ/mol. Thus, the chemical adsorption seems to be dominant rather than physical adsorption, although it is not a chemisorption with strong bonding form.

본 연구에서는 항 내부에서 부하되는 오염물질이 파랑 및 흐름 조건으로 인하여 항외로 유출되는 과정을 수리실험을 통해알아보았다. 월성원자력발전소 항내에 오염물질이 부하 되었을 시, 실험인자를 변화시켜가며 추적자를 활용한 흐름거동 조사를 수행하였다. 각 실험의 결과는 지수 함수에 따른 항내 오염물이 감소하는 경향이 나타나며, 항외 유출에 걸리는 시간의기울기는 각각 다른 결과를 보여주었다. 관측된 데이터로부터 회귀식을 도출한 결과, 흐름 관측의 경우 유입되는 모터의 회전 속도 30, 20, 10 rpm에서 좌측 항내의 오염물이 50% 유출률에 도달하는 시간은 각각 2.70, 10.40, 26.39 days를 보였다. 모터의 회전속도가 30 rpm인 실험에서 유출되는 감소 추세가 가장 뚜렷하게 나타났으며, 회전속도 10 rpm인 실험에서 기울기는 완만하였다. 파랑 관측의 우측 영역의 오염물이 50% 유출률에 도달하는 시간은 4.59 days로 나타났으며, 좌측영역의 경우 15.35 days의 결과를 보였다.

In this study, the dispersion process of pollutant substances in a port under wave and current environments was evaluated by a hydraulic experiment. Once the contaminants washed ashore into the port of Wolseong nuclear power plant, transport processes of pollutants were investigated by tracking the tracer according to the variations of experimental condition through a hydraulic experiment. Several hydraulic experiments were performed to analyze the pollutant discharge rate of the surface coming from the different coastal environments. From the hydraulic experiment results, the tracer concentration decreased exponentially. These results suggested that, after the tracer was transported to the open sea, a different gradient was shown under different conditions. For the case of a diluted condition, the half-life of flow rate was 2.70, 10.40, and 26.39 days for 30, 20 and 10 rpm in the left-side, respectively. The decrease of the tracer concentration under conditions of 30 rpm was much faster than that under conditions of 10 rpm. For the wave condition, the half-life of flow rate was 4.59 and 15.35 days for the right and left side of the port in a hydraulic scale prototype, respectively.

최근 국내에서는 월성 1호기 및 고리 1호기를 포함하여 운영 중인 원자력발전소가 노후화함에 따라 원전 해체에 대한 관심이 많이 증대되고 있다. 이와 관련하여 월성 1호기의 계속운전이 최근 결정되었으며, 고리 1호기의 경우 2017년 6월 영구정지하기로 결정되었다. 이에 본 논문에서는 상업용 원자로로서는 국내 최초로 해체가 예정된 고리 1호기에 대해, 원자로 압력용기 자체의 해체로 인해 발생하는 방사성폐기물 최종 처분량을 원자로 압력용기 절단 방법 및 방사성폐기물 처분용기를고려하여 산정하였다. 처분용기를 고려한 방사성폐기물 처분량을 산정한 결과 원자로 압력용기 몸통 부위보다는 반구 형태의 헤드 부분을 작게 절단할수록 최종 처분량이 감소하는 것으로 예측되었다. 또한 경주 방폐장의 200 L 및 320 L 드럼 처분용 처분용기의 경우 무게 제한으로 인해 적재효율이 좋지 못한 것으로 나타났다.

Decommissioning of nuclear power plants has become a big issue in South Korea as some of the nuclear power plants in operation including Kori unit 1 and Wolsung unit 1 are getting old. Recently, Wolsung unit 1 received permission to continue operation while Kori unit 1 will shut down permanently in June 2017. With the consideration of segmentation method and disposal containers, this paper evaluated final disposal amount of radioactive waste generated from decommissioning of the reactor pressure vessel in Kori unit 1 which will be decommissioned as the first in South Korea. The evaluation results indicated that the final disposal amount from the top and bottom heads of the reactor pressure vessel with hemisphere shape decreased as they were cut in smaller more effectively than the cylindrical part of the reactor pressure vessel. It was also investigated that 200 L and 320 L radioactive waste disposal containers used in Kyung-Ju disposal facility had low payload efficiency because of loading weight limitation.

심지층 처분시스템에서 완충재는 지하수 유입으로부터 처분용기를 보호하고, 방사성 핵종 유출을 저지하기 위한 중요한 방벽의 하나이다. 이에 완충재는 장기 건전성, 낮은 수리전도도, 낮은 유기물의 함량, 높은 핵종저지능, 높은 팽윤성, 높은 열전도도 등 기술적 요건을 충족시켜야 하며 이는 정량적 분석결과를 바탕으로 결정될 수 있다. 국내의 경우 한국원자력연구원에서는 1997년부터 경주지역에서 생산되는 벤토나이트를 완충재 후보물질로 연구를 지속하고 있다. 본 논문에서는 최근동일 지역에서 생산된 벤토나이트(KJ-II)의 7가지 물리적 및 화학적 특성을 평가하였다. 분석 결과, 국내산 벤토나이트의 몬모릴로나이트 함량은 약 65% 정도이며, 벤토나이트는 Ca형 벤토나이트이다. 본 논문을 통해 완충재 후보물질의 성능평가항목과 분석 방법에 대한 기준을 제시하고자 하였다.

The buffer in geological disposal system is one of the major elements to restrain the release of radionuclide and to protect the container from the inflow of groundwater. The buffer material requires long-term stability, low hydraulic conductivity, low organic content, high retardation of radionuclide, high swelling pressure, and high thermal conductivity. These requirements could be determined by the quantitative analysis results. In case of South Korea, the bentonites produced in Gyeongju area have been regarded as candidate buffer/backfill materials at KAERI (Korea Atomic Energy Research Institute) since 1997. According to the study on several physical and chemical characteristics of domestic bentonite in the same district, this is the Ca-type bentonite with about 65% of montmorillonite content. Through this study, we present the criteria for the performance evaluation items and methods when collecting new buffer/backfill materials.

저장조에 위치한 사용후핵연료는 가혹한 원자로 조건에 의해 구조적 건전성이 와해되므로 외력에 취약하다. 따라서 운반 및취급 중 사고 상황이 고려되어야 한다. 극단적인 경우, 핵연료 취급 중 사고로 인해 핵연료 저장조에서 핵연료집합체 낙하가 발생할 수 있다. 이러한 사고 상황 하에서 연료봉 파손 등을 평가하기 위해서 수조에 충돌할 때 발생하는 충돌력을 분석할 필요가 있다. 이는 핵연료가 수조 바닥에 충돌할 때의 속도를 입력으로 하여 평가될 수 있다. 연료봉이 핵연료 중량 및 부피의 대부분을 차지하고 있으므로, 연료봉 다발은 수중 항력을 예측하는데 중요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 본 연구에서는3×3 의 짧은 연료봉 다발을 모델로 사용하여 수중에서 낙하할 때 받는 수력을 계산하였고, 이를 전산모사와의 비교를 통하여 검증하였다. 본 방법론을 사용후핵연료 건전성 평가에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

The spent fuel stored in the pool is vulnerable to external impacts, since the severe reactor conditions degrade the structural integrity of the fuel. Therefore an accident during shipping and handling should be considered. In an extreme case, the fuel assembly drop can be happened accidentally during handling the nuclear fuel in the spent fuel pool. The rod failure during such drop accident can be evaluated by calculating the impact force acting on the fuel assembly at the bottom of the spent fuel pool. The impact force can be evaluated with the impact velocity at the bottom of the spent fuel pool. Since fuel rods occupies most of weight and volume of a nuclear fuel assembly, the information of the rods are important to estimate the hydraulic resistance force. In this study, the hydraulic force acting on the 3×3 short rod bundle model during the drop accident is calculated, and the result is verified by comparing the numerical simulations. The methodology suggested by this study is expected to be useful for evaluating the integrity of the spent fuel.

방사성폐기물용기의 설계는 용도 (운반, 저장, 처분)의 안전요건에 부합돼야 할 뿐 아니라 경제성과 기술적 기준도 만족해야한다. 이러한 기준은 장차 원전해체로부터 발생할 다량의 저준위/극저준위 해체폐기물의 관리에도 해당된다. 해체폐기물의특성은 원전운영에서 발생하는 방사성폐기물과는 매우 다르므로 적합한 용기의 개발이 요구된다. 이 논문은 다목적용도의 표준용기 개발을 제시한다. 이 개념은 경주처분장과 같은 국가 인프라를 고려한 원전해체폐기물의관리를 최적화하기 위한 용기이다. 이 연구는 일련의 시제품을 설계 또는 제작한 것이다 : 극저준위용 소프트백, 저준위용 금속용기 (해상운반용 표준 IP2 용기 및 도로운반용 ISO 용기), 이들 용기 설계의 안전성 분석을 위한 시뮬레이션 및 시험결과는 규제요건에 잘 부합되는 것으로 나타났다. 콘크리트 용기의 후속개발은 2016년에 수행예정이다.

Radioactive waste container designs should comply with the requirements for safety (i.e., transportation, storage, disposal) and other criteria such as economics and technology. These criteria are also applicable to the future management of the large amount of LLW and VLLW to arise from decontamination and decommissioning (D&D) of nuclear power plants, which have different features compared to that of wastes from operation and maintenance (O&M). This paper proposes to develop a set of standard containers of multi-purpose usage for transportation, storage and disposal. The concepts of the containers were optimized for management of D&D wastes in consideration of national system for radioactive waste management, in particular the Gyeongju Repository and associated infrastructures. A set of prototype containers were designed and built : a soft bag for VLLW, two metallic containers for VLLW/LLW (a standard IP2 container for sea transport and ISO container for road transport). Safety analyses by simulation and tests of these designs show they are in compliance with the regulatory requirements. A further development of a container with concrete is foreseen for 2016.

플라즈마토치 용융로에 있어서 내화물의 보수를 최소화하고 용융물의 배출을 원활하게 하기 위해서는 처리대상 폐기물의 물성을 충분히 고려하여야 한다. 원전에서 발생되는 비가연성 방사성폐기물 중 많은 비중을 차지하고 있는 콘크리트 조각, 유리, 모래 등에 대한 화학적 조성비를 조사하여 보면 산성산화물이 염기성산화물에 비해 압도적으로 많은 비중을 차지하고 있으므로 용융 시 염기도가 매우 낮은 산성 슬래그가 된다. 이 용융슬래그는 유동도가 낮아서 용융물의 배출특성이 좋지 않으며 내화물에 침식을 유발시키는 주된 요인이 된다. 경사형 구조의 측면 출탕구를 가진 플라즈마토치 용융로의 경우, 구조상출탕 후 일정량의 금속성 용융물이 항상 용융로 내부 바닥과 출탕구에 남게 된다. 비중차에 의해 비금속 용융슬래그는 금속성 용융물 상부에 위치하게 되며 혼합형 플라즈마토치를 이행형 운전모드로 가동하게 되면 금속성 용융물과 비금속 용융물이 동시에 용융되므로 비금속 용융슬래그의 온도는 금속 용융온도 이상으로 유지가 된다. 내화물의 수명 향상을 위해 용융로내부의 온도와 용융물과 접촉하는 부위와 접촉되지 않는 부위를 구별하여 내화물의 특성을 주지하고 가장 적합한 내화물을부위별로 선정하였다. 산성 내화물과 염기성 내화물이 인접하지 않도록 하고 용융슬래그에 대한 저항성을 높이도록 하였다.

The properties of wastes for melting need to be considered to minimize the maintenance of refractory and to discharge the molten slags smoothly from a plasma torch melter. When the nonflammable wastes from nuclear facilities such as concrete debris, glass, sand, etc., are melted, they become acid slags with low basicity since the chemical composition has much more acid oxides than basic oxides. A molten slag does not have good characteristics of discharge and is mainly responsible for the refractory erosion due to its low liquidity. In case of a stationary plasma torch melter with a slant tapping port on the wall, a fixed amount of molten slags remains inside of tapping hole as well as the melter inside after tapping out. Nonmetallic slags keep the temperature higher than melting point of metal because metallic slags located on the bottom of melter by specific gravity difference are simultaneously melted when dual mode plasma torch operates in transferred mode. In order to minimize the refractory erosion, the compatible refractories are selected considering the temperature inside the melter and the melting behavior of slags whether to contact or noncontact with molten slags. An acidic refractory shall not be installed in adjacent to a basic refractory for the resistibility against corrosion.

원자력발전소에서 전기를 생산하고 난 후 발생하는 사용후핵연료 또는 이들 사용후핵연료의 재처리/재활용 공정으로부터발생하는 고준위폐기물은 인간환경으로부터 안전하게 장기간 격리시켜야 한다. 최근 심부시추공 굴착기술의 획기적인 발전으로 인하여, 방사성폐기물의 심부시추공 처분기술에 대한 연구가 의미 있게 진행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 심부시추공을 활용하여 고준위 방사성폐기물을 지하 3~5 km 심도에 격리시키는 심부시추공 처분기술의 국내 적용 가능성을 분석하기 위하여 국내 심부 지하환경 특성에 대하여 예비분석 하였다 이를 위하여, 미국 및 유럽권 국가 연구사례와 기술개발 현황을 검토하고, 실제 국내의 심부 지질조건을 검토하기 위하여 고지열 분포지역에 개발 중인 지열 탐사공을 대상으로 3~4 km 심도까지의 암석, 지온 등 특성 자료를 수집, 분석하였다. 결정질 암반 심도 및 지온경사 등 분석 결과와 국내 발생 사용후핵연료를 바탕으로 심부시추공 처분시스템 구성요소인 처분용기, 밀봉시스템 등에 대하여 예비단계의 개념을 제안하였다.

Spent fuels from nuclear power plants, as well as high-level radioactive waste from the recycling of spent fuels, should be safely isolated from human environment for an extremely long time. Recently, meaningful studies on the development of deep borehole radioactive waste disposal system in 3-5 km depth have been carried out in USA and some countries in Europe, due to great advance in deep borehole drilling technology. In this paper, domestic deep geoenvironmental characteristics are preliminarily investigated to analyze the applicability of deep borehole disposal technology in Korea. To do this, state-of-the art technologies in USA and some countries in Europe are reviewed, and geological and geothermal data from the deep boreholes for geothermal usage are analyzed. Based on the results on the crystalline rock depth, the geothermal gradient and the spent fuel types generated in Korea, a preliminary deep borehole concept including disposal canister and sealing system, is suggested.

타지키스탄공화국에는 10군데의 우라늄광산 부지에 55백만톤의 우라늄광산 폐기물이 적치 되어 있는데 부지 면적이 200 핵타아르에 달한다. 이에 따라 우라늄 폐광과 폐기물의 안전한 관리가 주요 이슈로 부각되고 있다. 부지 복원을 위한 천연방벽과 인공방벽으로 구성된 다중 복토층은 성능 목표와 부지 조건을 고려하여 설치되어야 한다. 본 논문의 목적은 Degmay 부지에 장기간 (100년 이상)의 환경보호를 제공할 수 있는 경제적인 다중 복토층 개념을 제시 하는 것이다. HELP 코드를 사용하여 Degmay 부지의 복토층 설계 개념의 평가를 수행하였다. 그 결과 70 cm의 덮개층, 30 cm의 배수층, 지오멤브레인 라이너 그리고 60 cm의 토양 방벽층으로 구성된 복토층 개념이 두께를 최소화 할 수 있고 비교된 여러 설계개념 중 가장 경제적인 설계 안으로 제시되었다.

The Republic of Tajikistan has ten former uranium mining sites. The total volume of all tailings is approximately 55 million tonnes, and the covered area is more than 200 hectares. The safe management of legacy uranium mining and tailing sites has become an issue of concern. Depending on the performance requirements and site-specific conditions (location in an arid, semiarid or humid region), a cover system for uranium tailings sites could be constructed using several material layers using both natural and man-made materials. The purpose of this study is to find a feasible cost-effective cover system design for the Degmay uranium tailings site which could provide a long period (100 years) of protection. The HELP computer code was used in the evaluation of potential Degmay cover system designs. As a result of this study, a cover system with 70 cm thick percolation layer, 30 cm thick drainage layer, geomembrane liner and 60 cm thick barrier soil layer is recommended because it minimizes cover thickness and would be the most cost-effective design.