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가설 설정
- 처분물량 발생량은 네 가지 시나리오에 대해 추정하였다. 첫 번째 시나리오(Case 1)는 월성 1호기는 30년 운전, 그 외 호기는 40년 운전기간을 가정한 경우이며, 두 번째, 세 번째, 네 번째 시나리오는 모든 호기에 대해 각각 40년(Case 2), 50년(Case 3) 및 60년(Case 4) 운전기간을 가정한 경우이다. 첫 번째 시나리오는 현재까지 인허가된 운전허가 연수를 가정한 경우이며, 그 외 시나리오는 설비개선 후 지속적 연장운전을 가정한 경우이다.
제안 방법
- 한다. 이런 배경 하에 본 연구에서는 중수로 사용후핵연료를 대상으로 처분시스템 설계에 기본적으로 필요한 처분대상 물량, 방출연소도 현황 등을 분석하고, 이를 바탕으로 중수로 기준사용후햭 연료에 대하여 핵종농도, 열원항 및 방사선원항 등을 도출하였다.
- 전력수급기본계획을 근거로 중수로 4기를 대상으로 사용후핵 연료 연도별 발생량 및 누적량을 추정하였다. 처분물량 발생량은 네 가지 시나리오에 대해 추정하였다.
- 2007년까지 발생한 중수로 사용후핵연료를 대상으로 방출연소도에 대한 통계분석을 수행하였다[9]. 그림 2는 월성 1호기 에서 각 연도별로 발생한 사용후핵연료를 대상으로 방출연소도 현황을 통계분석한 그래프이다.
- 5 W/gU을 적용하였으며, 방출연소도 8,100 MWD/MtU에 상응하는 318일 동안 원자로 정지없이 연소시켰다. 사용후핵 연료 1MtU을 기준으로 도출하였으며, 계산시 이에 상응하는 구조재의 양도 고려하였다.
- 처분안전성 평가시 입력자료로 활용하기 위하여 사용후핵연료 내에 존재하는 액티나이드 및 핵분열생성물을 도출하였다. 일반적으로 안전성 평가코드내에 붕괴사슬을 갖고 있어 처분시점에서 존재하는 핵종량을 입력해주면 시간에 따른 핵종변화를 추적하므로 여기서는 입력값으로 활용할 수 있도록 처분시점인 2이년에서 50년까지 도출하였다.
- 처분시스템 설계시 열해석 및 구조해석에 필요한 열원항을 도출하기 위하여 8,100 MWD/MtU의 대표연소도에 대하여 붕괴 열원을 도출하였다. ORIGEN-ARP 올 이용하여 원자로 방출 후, 냉각시간에 따른 붕괴열량을 구하고, 향후 열해석 시 처분용기내 열발생 입력값으로 사용할 수 있도록 통계분석을 수행하여 회귀식을 산출하였다.
- 냉각시간대별 붕괴열 감소 경향이 다르므로 냉각시간대 별로 회귀식의 상수를 도출하였다. 회귀상수는 표 4에 기재된 바와 같으며, 붕괴열의 변화는 그림 6에서 보는 바와 같다.
- 중수로 사용후핵연료 처분시스템 설계를 위해 필수적으로 필요한 처분물량, 처분대상 핵 연료의 대표연소도, 열원 및 방사선원항을 도출하였다.
데이터처리
- ORIGEN-ARP 올 이용하여 원자로 방출 후, 냉각시간에 따른 붕괴열량을 구하고, 향후 열해석 시 처분용기내 열발생 입력값으로 사용할 수 있도록 통계분석을 수행하여 회귀식을 산출하였다. 도출된 회귀식은 식 (3)과 같다.
- 회귀상수는 표 4에 기재된 바와 같으며, 붕괴열의 변화는 그림 6에서 보는 바와 같다. 그림 6에서 보듯이, 처분시스템 설계시 약간의 보수성을 갖도록 하기 위하여 회귀식으로 평가된 붕괴열량 값이 ORIGEN-ARP의 계산을 통해 산출된 값보다 1년 시점에서의 값만을 제외하고 모두 약간 높은 값을 갖도록 산출하였다.
이론/모형
- 핵종생성 및 소멸을 모사해야 한다. 사용후핵 연료성능평가 코드로 ORIGEN2 및 ORIGEN-ARP을 사용할 수 있다. 그런데, 처분시스템 설계시 가장 중요한 붕괴 열 측면에서 상호 코드 계산 값을 비교한 결과, 처분관점에서 중요한 수십에서 수천 년 사이에서 ORIGEN-ARP이 5%정도 높게 예측하고, 이는 처분공의 간격에 영향을 미치는 것으로 나타나, 본 연구에서는 ORIGEN-ARP을 사용하였다.
성능/효과
- 월성 2, 3, 4호기에서 발생한 사용후핵연료에 대해서도 같은 경향을 나타냈다. 월성원전 전호기를 대상으로 분석한 결과, 방출연소도의 평균값은 6,987 MWD/MIU, 표준편차는 1,167로 나타났다. 표 1에는 각 호기 및 월성 전호기를 대상으로 통계분석한 방출연소도의 평균 및 표준편차가 기재되어 있다.
- 이렇게 설정할 경우 이 값을 초과하는 사용후핵연료 즉, 16%의 물량은 대표연소도보다 낮은 값을 갖는 84%의 사용후핵 연료와 함께 처분용기에장전하면 사용후핵 연료 평균연소도는 충분히 대표연소도 이하로 유지시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 사용후핵 연료성능평가 코드로 ORIGEN2 및 ORIGEN-ARP을 사용할 수 있다. 그런데, 처분시스템 설계시 가장 중요한 붕괴 열 측면에서 상호 코드 계산 값을 비교한 결과, 처분관점에서 중요한 수십에서 수천 년 사이에서 ORIGEN-ARP이 5%정도 높게 예측하고, 이는 처분공의 간격에 영향을 미치는 것으로 나타나, 본 연구에서는 ORIGEN-ARP을 사용하였다. 그림 3은 ORIGEN2와 ORIGEN-ARP으로 각각 평가한 붕괴열을 비교한 그래프이며, 그림 4는 열원차가 처분공 간격에 미치는 영향을 무시할 수 없음을 보여주고 있다.
- %로 자원의 가치는 미미한 것으로 확인되었다. 냉각기간 10~50년 시점에서의 주요 액티나이드의 변화를 보면 10년 추가냉각시마다 237Np, 241Am의 경우, 각각 8%, 10% 증가를 나타냈으며, 238Pu, 241Pu의 경우, 각각 8%, 60% 정도의 감소추세를 갖는 것으로 나타났다.
- 붕괴열 측면에서 20~50년 시점에서의 냉각 특성을 살펴보면, Cs, Sr의 딸핵종인 Ba 및 Y가 총붕괴 열의 60% 정도를 차지하는 것으로 나타났으며, 이 네가지 핵종 모두로부터 발생하는 열량은 80~65%를 차지하는 것으로 나타났다. Am, Pu도 20년 이후부터는 약 20% 정도 기여하며, 냉각시간이 길어짐에 따라 기 여도는 점점 증가하여 50년 시점 에서는 35% 정도 기 여하는 것으로 나타났다.
- 평가결과, 냉각기간 20~50년의 기간중 중성자의 경우 지발중성자에 의한 선원의 세기는 미미하였으며 , 총중성자 선원의 세기중 자발핵분열에 의한 중성자 세기가 시간이 지남에 따라 70~50%(20년 시점에서 70%, 50년 시점에서 50%)를 차지하였으며, (α, n) 반응에 의한 중성자 세기는 30~50%를 차지하는 것으로 나타났다.
- 나타났다. 자발핵분열에 의한 선원의 세기는 244cm가 시간이 지남에 따라 50-25%, 240Pu이 약 40-65% 정도를 차지하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 대해서만 연도별로 핵종농도를 나타내었다. 이 값은 처분측면에서서 중수로 사용후핵연료 특성 파악 및 안전성 평가 시 유용하게 활용될 것이다.
- 정보를 나타내고 있다. 중성자 선원정보는 방사분해에 미치는 영향은 적은 것으로 나타나, 작업자보호를 위한 차폐설계시만 주로 활용될 것으로 예상되며, 감마선은 작업자 보호 및 앞서 언급한 처분용기의 성능유지를 위한 차폐설계에 유용하게 활용될 것이다.
- 월성원전 전호기에서 발생한 사용후핵연료를 대상으로 방출연소도 현황을 분석한 결과, 평균값은 6,987 MWD/MtU, 표준편차는 1,167로 나타났으며, 이를 고려하여 대표연소도는 8,100 MWD/MUJ로 선정하였다. 처분시스템 설계를 위한 선원항도 도출하였는데, 평가코드는 열원항 측면에서 보수적인 ORIGEN.ARP을 사용하였으며, 안전성괴열원항, 방사선 차폐설계를 위한 선원의 세기 및결과는 향후 처분시스템 또는 저장시설 설계시 유용하게 이용될 것으로 판단된다.
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