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설계 모델을 이용한 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 제작
Manufacture of the vol-oxidizer with a capacity of 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets using a design model 원문보기

방사성폐기물학회지 = Journal of the Korean Radioactive Waste Society, v.4 no.3, 2006년, pp.255 - 263  

김영환 (한국원자력연구소) ,  윤지섭 (한국원자력연구소) ,  정재후 (한국원자력연구소) ,  홍동희 (한국원자력연구소) ,  엄재법 (한국원자력연구소)

초록
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$UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치는 차세대관리 공정의 금속전환로 안으로 균질화된 분말을 공급하기 위하여 $UO_2$ 펠릿을 산화하여 $U_3O_8$으로 분말화하는 장치이다. 본 연구에는 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계모델을 제시하고, 실증용 분말화 장치를 제작하여 검증실험을 수행한다. 분말화 장치 설계모델은 내부구조, 성능, 가열로 위치와 크기 등이 고려된다. 실험 방법은 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계 모델에 따라 기존의 3단 메시 분말화 장치를 이용하여 분말의 메시 투과시험과 온도변화 특성 실험을 하여 장치 내부구조를 결정한다. $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch의 산화 반응도 실험과 가열로 위치별 온도 분포를 측정하고 장치의 성능과 가열로의 영 역 위치를 결정한다. 장치 크기를 결정하기 위하여 산화전의 20kg의 $UO_2$ 펠릿과 산화후의 $U_3O_8$ 부피를 측정한다. 이상의 결과를 토대로 실증용 분말화 장치를 설계. 제작하고, 검증을 위하여 산화도, 분말특성 및 분석 등을 수행하였다. 산화반응 실험결과 에서 기존장치에 비하여 분말의 메시 투과율이 향상되었으며, 기존의 3단 메시 장치의 $UO_2$ 펠릿산화시간이 13시간 소요된 것에 비하여 8시간으로 단축되었다. $U_3O_8$ 분말 특성 분석결과, 평균 입도가 $40{\mu}m$이었다. 제작된 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 성능과 설계모델 예측 값은 대체로 잘 일치되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Vol-oxidizer is a device to convert $UO_2$ pellets into $U_3O_8$ powder and to feed a homogeneous powder into a Metal Conversion Reactor in the ACP(Advanced Spent Fuel Conditioning Process). In this paper, we propose a design model of the vol-oxidizer, develop the new vol-oxidi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 국내의 KAERI에서는 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 3단 메시 형태의 분말화 장치를 개발하였다⑴. 그러나 3단 메시형 분말화장치는 산화완료까지 13시간이 소요되며, IQ 펠릿 20 kg HM/batch의 대용량의 반응으로 인한 발열 반응으로 온도조절이 안 돼서 입도조절이 어려우며, 메시 위에 반응된 분말들이 메시를 투과하지 못하고 남아 있어 회수율의 문제점이 있다 [21 국 외 연구 동향을 보면, 미국의 SRL(Savannah River laboratory)에서는 트리티늄 제거를 위해서 경사진 형태의 분말화 장치를 제작하였고, 28, 000 MWD/MTHM의 사용후 핵 연료 200 g/batch를 사용하여 소규모 산화연구를 수행하였다[, 2]일본의 JAERI는 FBR(Fast Breeder Reactor) 의 fuel cycle 개발 프로그램의 일환으로 1990년대 2 kgHM/batch 규모의 소형 공정장치를 개발하였고, 2005년에 재처리 시험시설에 적용하기 위하여 공학규모의 분말화장치를 개발함에 있어서 수평 형태 장치의 공기 흐름에 대한 분말산화 연구를 수행하였다[1], 본 연구의 목적은 기존 장치에 비하여 소형이면서 대용량을 처리하고 산화효율이 높은 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치의 제작을 위하여 설계모델을 제시하고자 한다. 또한 설계모델에 따라 실험결과를 반영하여 새로운 장치를 제작하고, 기존 장 치 에 비하여 새로운 장치의 성능을 검증하고자 한다.
  • 그러나 3단 메시형 분말화장치는 산화완료까지 13시간이 소요되며, IQ 펠릿 20 kg HM/batch의 대용량의 반응으로 인한 발열 반응으로 온도조절이 안 돼서 입도조절이 어려우며, 메시 위에 반응된 분말들이 메시를 투과하지 못하고 남아 있어 회수율의 문제점이 있다 [21 국 외 연구 동향을 보면, 미국의 SRL(Savannah River laboratory)에서는 트리티늄 제거를 위해서 경사진 형태의 분말화 장치를 제작하였고, 28, 000 MWD/MTHM의 사용후 핵 연료 200 g/batch를 사용하여 소규모 산화연구를 수행하였다[, 2]일본의 JAERI는 FBR(Fast Breeder Reactor) 의 fuel cycle 개발 프로그램의 일환으로 1990년대 2 kgHM/batch 규모의 소형 공정장치를 개발하였고, 2005년에 재처리 시험시설에 적용하기 위하여 공학규모의 분말화장치를 개발함에 있어서 수평 형태 장치의 공기 흐름에 대한 분말산화 연구를 수행하였다[1], 본 연구의 목적은 기존 장치에 비하여 소형이면서 대용량을 처리하고 산화효율이 높은 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치의 제작을 위하여 설계모델을 제시하고자 한다. 또한 설계모델에 따라 실험결과를 반영하여 새로운 장치를 제작하고, 기존 장 치 에 비하여 새로운 장치의 성능을 검증하고자 한다.
  • 넷째, 좁은 핫셀 공간에 설치하기 위하여 장치가 소형이어야 한다. 본 논문에서는 이러한 조건들을 만족하면서 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch 용량을 처리할 수 있는 실증용 분말화 장 치를 설계 . 제작하기 위해서 그림 1과 같이 실증용 분말화 장치의 설계모델을 제시하였다.
  • 본 연구에서는 대용량 설계에 적용될 수 있는 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치의 설계모델이 제시되었다. 기존의 3단 메시분말화 장치를 이용하여 실험이 이루어졌으며, 실험 결과를 바탕으로 실증용 분말화 장치가 제작되고, 설계모델에 대한 검증 실험이 수행되었다.
  • 실증용 분말 화 장치의 최적 크기를 결정하기 위하여 20 kg HM/batch의 UQ 무게를 측정하였다. 이 목적은 20 kg 의 UO2 펠릿이 상부 메시에 놓여 있을 때 상부 메시를 기준으로 가열로 상부, 하부공간 크기를 결정하는 것이다. 측정 방법으로는 체적을 알 수 있는 용기를 만들기 위해 투명한 용기에 용량을 알 수 있는 비커로 단계적으로 물을 채우면서 체적 눈금을 표시하였다.

가설 설정

  • 둘째, 방사선 환경에서 작업자가 장시간 노출되지 않아야 하기 때문에 산화시간이 짧아야 한다. 셋째, 반응영역의 위치를 결정해야 한다. 넷째, 좁은 핫셀 공간에 설치하기 위하여 장치가 소형이어야 한다.
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