사용후핵연료 건식저장을 위한 지상저장 기술 및 동굴저장 기술의 현황을 살펴보고, 동굴저장 기술을 이용한 사용후핵연료 건식저장의 국내 적용 가능성을 분석하였다. 사용후핵연료 건식저장을 위한 동굴저장 기술의 타당성, 경제성 및 기술적 측면을 검토하였다. 지상 건식저장시설을 건설하기 위해서는 외부로부터 격리되어 있는 상당한 면적의 평탄한 부지가 필요하나, 산악지형이 주를 이루는 우리나라의 실정에서, 이러한 부지를 확보하는 것이 쉽지 않을 수도 있다. 만일 산지의 동굴 내에 사용후핵연료 저장시설을 건설한다면, 이러한 부지 문제를 보다 쉽게 해결할 수 있다. 따라서 동굴저장 방식은 자연 및 사회적 환경을 고려할 때, 우리나라의 사용후핵연료 건식저장을 위한 유력한 대안이 될 수 있다. 사용후핵연료 동굴저장 방식은 지상 건식저장 기술에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있으며, 경제성 측면에서도 큰 차이가 없다. 또 동굴저장 방식을 국내의 사용후핵연료 건식저장에 적용하는 데 큰 기술적인 장벽은 없다.
사용후핵연료 건식저장을 위한 지상저장 기술 및 동굴저장 기술의 현황을 살펴보고, 동굴저장 기술을 이용한 사용후핵연료 건식저장의 국내 적용 가능성을 분석하였다. 사용후핵연료 건식저장을 위한 동굴저장 기술의 타당성, 경제성 및 기술적 측면을 검토하였다. 지상 건식저장시설을 건설하기 위해서는 외부로부터 격리되어 있는 상당한 면적의 평탄한 부지가 필요하나, 산악지형이 주를 이루는 우리나라의 실정에서, 이러한 부지를 확보하는 것이 쉽지 않을 수도 있다. 만일 산지의 동굴 내에 사용후핵연료 저장시설을 건설한다면, 이러한 부지 문제를 보다 쉽게 해결할 수 있다. 따라서 동굴저장 방식은 자연 및 사회적 환경을 고려할 때, 우리나라의 사용후핵연료 건식저장을 위한 유력한 대안이 될 수 있다. 사용후핵연료 동굴저장 방식은 지상 건식저장 기술에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있으며, 경제성 측면에서도 큰 차이가 없다. 또 동굴저장 방식을 국내의 사용후핵연료 건식저장에 적용하는 데 큰 기술적인 장벽은 없다.
The rock cavern storage for spent fuel has been assessed to apply in Korea with reviewing the state of the art of the technologies for surface storage and rock cavern storage of spent fuel. The technical feasibility and economic aspects of the rock cavern storage of spent fuel were also analyzed. A ...
The rock cavern storage for spent fuel has been assessed to apply in Korea with reviewing the state of the art of the technologies for surface storage and rock cavern storage of spent fuel. The technical feasibility and economic aspects of the rock cavern storage of spent fuel were also analyzed. A considerable area of flat land isolated from the exterior are needed to meet the requirement for the site of the surface storage facilities. It may, however, not be easy to secure such areas in the mountainous region of Korea. Instead, the spent fuel storage facilities constructed in the rock cavern moderate their demands for the suitable site. As a result, the rock cavern storage is a promising alternative for the storage of spent fuel in the aspect of natural and social environments. The rock cavern storage of spent fuel has several advantages compared with the surface storage, and there is no significant difference on the viewpoint of economy between the two alternatives. In addition, no great technical difficulties are present to apply the rock cavern storage technologies to the storage of domestic spent fuel.
The rock cavern storage for spent fuel has been assessed to apply in Korea with reviewing the state of the art of the technologies for surface storage and rock cavern storage of spent fuel. The technical feasibility and economic aspects of the rock cavern storage of spent fuel were also analyzed. A considerable area of flat land isolated from the exterior are needed to meet the requirement for the site of the surface storage facilities. It may, however, not be easy to secure such areas in the mountainous region of Korea. Instead, the spent fuel storage facilities constructed in the rock cavern moderate their demands for the suitable site. As a result, the rock cavern storage is a promising alternative for the storage of spent fuel in the aspect of natural and social environments. The rock cavern storage of spent fuel has several advantages compared with the surface storage, and there is no significant difference on the viewpoint of economy between the two alternatives. In addition, no great technical difficulties are present to apply the rock cavern storage technologies to the storage of domestic spent fuel.
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문제 정의
본 연구에서는 국내외 사용후핵연료 건식저장기술 현황을 파악하고, 그 중에서 동굴저장 방식을 이용한 사용후핵연료 건식저장 기술의 국내 적용 가능성을 분석해 보고자 한다.
사용후핵연료 건식저장 기술로는 현재 지상저장기술이 주로 사용되고 있으나, 동굴저장 방식을 이용한 건식저장기술은 지상저장기술에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 동굴저장 방식을 이용한 사용후핵연료 건식저장 기술의 국내 적용 가능성을 분석하였다. 산악지형이 주를 이루는 우리나라의 실정에서 외부로부터 격리된 충분한 면적의 평탄한 부지를 확보하는 것이 쉽지 않으므로, 사용후핵연료의 건식저장시설을 산지에 건설된 동굴 내에 설치하는 동굴저장 방식이 유용한 대안이 될 수 있다.
가설 설정
암반동굴 방식은 차폐 저장용기 내에 넣은 사용후핵연료를 지하 50 m 깊이의 암반 층에 굴착된 동굴 내에 저장하는 방식이다. 이 세 가지 저장 방식에 모두 동일한 지상건물 및 설비가 설치된다고 가정하였다. 각 방식에 소요되는 총 비용을 비교하기 위해, 전 주기 비용은 부지, 초기 건설 및 운영, 두 번의 대대적 개수 및 한 번의 핵연료 재포장 작업을 고려하여 산출하였으며, 저장시설로의 사용후핵연료 수송비는 비용 추산에 포함되지 않았다.
일본의 전력중앙연구소(CRIEPI)는 산지 경사면에 수평으로 굴착한 터널 내에 사용후핵연료 저장시설을 건설하는 방안을 연구하였다[26]. 이 연구에서는 사용후핵연료를 금속제 용기인 캐니스터에 넣어 저장하는 것으로 가정하였다. 사용후핵연료를 캐니스터에 넣은 후 덮개를 덮고, 용접하여 밀봉시킨 다음 수송용기에 넣어 동굴 저장시설로 수송한다.
제안 방법
그러나 상업운전이 개시된 후 오랜 시간이 경과된 원자력발전소에서는 사용후핵연료의 누적량이 증가함에 따라 수조의 저장 용량이 부족하게 되는 문제가 발생되고 있다. 따라서 부족한 사용후핵연료 저장 용량을 확대하기 위해 고리 3, 4 호기, 한울 1, 2, 3, 4, 5, 6호기 및 한빛 1, 3, 4, 5, 6 호기에 조밀저장대를 설치하였으며, 한빛 2호기의 조밀저장대를 교체할 예정이다[1]. 월성원자력발전소에도 2010년 2월 조밀건식저장시설 건설을 완료 하였다.
따라서 이러한 발전소 부지의 지형적 특성을 고려하여, 2006년에 사용후핵연료 터널 저장시설이 건설되었다[24]. 발전소 후면 산지의 경사면에 갱구를 조성하고, 수평으로 각각 길이 84 m, 폭 14 m 및 길이 90 m, 폭 17.4 m 인 두 개의 평행한 원형 터널을 뚫어 심부 암반 내에 저장시설을 건설하였다. 두 개의 터널은 막장에서 연결 터널로 이어져 있고 터널의 벽은 콘크리트로 라이닝되어 있으며, 수직 환기갱과 대피로가 설치되어 있다.
고려된 저장개념은 빌딩 방식(CVSB, Casks and Vaults in Storage Buildings), 볼트 방식(SMV, Surface Modular Vaults), 수평 콘크리트 모듈 방식(CVST, Casks and Vaults in Shallow Trenches) 및 암반동굴 방식(CRC, Casks in Rock Caverns)이다. 여기서는 이 4 가지 개념 중에서, 가장 단순하나 안전성 측면에서 불리한 빌딩 방식을 제외한 볼트 방식(SMV), 수평 콘크리트 모듈 방식(CVST) 및 암반동굴 방식 (CRC) 등 3 가지 설계 개념을 대상으로 경제성을 검토하였다. 볼트 방식은 바스켓이나, 용기에 넣은 사용후핵연료 다발을 저장건물 내에 설치된 공학적 볼트에 일렬로 배치된 수직 저장관(storage tube) 속에 저장하는 방식이다.
일본 전력중앙연구소(CRIEPI)는 사용후핵연료 동굴저장시설과 지상 볼트 건식저장시설의 경제성을 비교, 분석하였다. 저장용량은 2,000 tU을 기준으로 하였으며, 두 방식의 소요 비용을 캐니스터 비용, 기전설비비, 건축공사비 및 토목공사비로 구분하여 산정하였다[26]. 사용후핵연료 동굴저장시설의 경우, 저장터널의 이차 복공 두께를 내진 설계를 고려하여 1 m로 하는 경우와, 터널표준시방서에 따라 0.
이 사용후핵연료 저장방식은 저장시설이 암반 내에 건설되므로, 외부 공격으로부터 안전을 보장할 수 있고, 방사선 차폐효과도 우수하다. 저장터널 막장 부분에서 산 정상부로 연결되는 수직 환기갱(ventilation shaft)을 굴착하여, 사용후핵연료에서 발생되는 붕괴열은 갱구에서 유입된 공기가 저장터널을 통해 환기갱으로 흐르는 자연대류에 의해 냉각되도록 하였다(Fig. 10). 이 저장 터널은 CASTOR V/19 수송/저장 겸용용기를 151개 저장할 수 있는 용량을 가지고 있다[24].
저장시설 내의 환기는 자연대류를 이용하는 것을 원칙으로 하고, 필요 시 냉각 능력을 향상시키기 위해 강제대류를 할 수 있는 시설을 갖추도록 한다. 즉 수평 진입터널을 흡기 통로로 사용하고, 저장동굴 막장 부근에 수직 배기 갱도를 설치하여 흡기통로로 유입된 공기가 사용후핵연료에서 발생되는 붕괴열을 냉각시킨 후, 자연대류에 의해 배기 갱도를 통해 배출되도록 한다.
대상 데이터
상부의 수평 터널은 사용후핵연료의 적재 및 회수 시 수송터널로 이용되며, 저장 중에는 가열된 공기가 모이는 환기터널로 사용된다. 저장시설은 하부 터널이 지하 150 m 깊이, 상부 터널은 하부 터널 20 m 위에 위치하며, 각 터널은 직경 6 m, 길이 350 m이다. 각 터널 쌍 사이의 간격은 21 m 이고, 터널 쌍 20 개가 각각 직경이 6.
사용후핵연료를 캐니스터에 넣은 후 덮개를 덮고, 용접하여 밀봉시킨 다음 수송용기에 넣어 동굴 저장시설로 수송한다. 캐니스터는 외경 1.607 m, 길이 4.84 m, 두께 1.6 cm인 스텐 레스 강 원통형 용기로서, 21 개의 PWR 핵연료집합체를 포장할 수 있다. 핵연료를 포장했을 때 캐니스터의 총 중량은 약 33 톤이며, 캐니스터의 개당 발열량은 최대 22 kW 이다.
성능/효과
이상과 같은 두 비용 분석은 자연 조건과 인문/사회적 환경이 크게 다른 국가에서 독립적으로 수행된 것이며, 분석에 사용된 저장용량 기준에도 상당한 차이가 있음에도 불구하고 동굴저장 방식과 지상 건식저장 방식 사이의 경제성이 유사한 것으로 나타났다. 따라서 사용후핵연료 동굴저장 방식과 지상 건식저장 방식은 경제성 측면에서는 큰 차이가 없다고 할 수 있다.
후속연구
그러나 이 논문에서 이루어진 분석은 주로 문헌에 보고된 외국 현황 및 연구 결과를 토대로 한 것이며, 경제성 분석은 현재의 국내 여건과 상이할 수도 있다는 점에서 한계점을 지니고 있다. 따라서 여기서 도출된 결론은 최종적인 것이 아니며, 사용후핵연료 동굴저장기술의 국내 적용 가능성을 상세분석하기 연구가 추후에 수행되어야 할 것이다.
그러나 이 논문에서 이루어진 분석은 주로 문헌에 보고된 외국 현황 및 연구 결과를 토대로 한 것이며, 경제성 분석은 현재의 국내 여건과 상이할 수도 있다는 점에서 한계점을 지니고 있다. 따라서 여기서 도출된 결론은 최종적인 것이 아니며, 사용후핵연료 동굴저장기술의 국내 적용 가능성을 상세분석하기 연구가 추후에 수행되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원자력발전 과정에서 발생되는 사용후핵연료는 무엇인가?
원자력발전 과정에서 발생되는 사용후핵연료는 그 속에 함유된 방사성물질의 붕괴로 인해, 원자로에서 인출된 후에도 장기간 동안 다량의 열과 방사선을 방출하는 고준위폐기물이다. 그러나 사용후핵연료는 재활용이 가능한 에너지 자원의 특성도 지니고 있으므로, 환경에 해를 끼치지 않도록, 적절한 열적, 화학적, 방사선적 방호 및 감시 설비가 갖추어진 시설에서 회수 가능한 상태로 저장된다.
습식 저장이란 무엇인가?
사용후핵연료의 저장방식 중, 가장 익숙한 기술은 습식 저장(wet sorage)이다. 습식저장은 사용후핵연료를 스테인 레스 강 또는 에폭시로 라이닝된 콘크리트 저장조 내의 물속에 저장하는 방식이다. 이 저장 방식은 사용후핵연료의 냉각 효과가 우수하며 수십 년 이상의 운영 경험이 있고, 저장 중인 사용후핵연료의 거동 감시가 용이하다는 장점이 있으나, 저장조의 물을 지속적으로 냉각 및 정화시켜야 하기 때문에 운영비가 많이 들고 장기 저장에 불리하며, 다량의 이차 방사성폐기물이 발생한다는 단점이 있다.
습식저장의 장점 및 단점은?
습식저장은 사용후핵연료를 스테인 레스 강 또는 에폭시로 라이닝된 콘크리트 저장조 내의 물속에 저장하는 방식이다. 이 저장 방식은 사용후핵연료의 냉각 효과가 우수하며 수십 년 이상의 운영 경험이 있고, 저장 중인 사용후핵연료의 거동 감시가 용이하다는 장점이 있으나, 저장조의 물을 지속적으로 냉각 및 정화시켜야 하기 때문에 운영비가 많이 들고 장기 저장에 불리하며, 다량의 이차 방사성폐기물이 발생한다는 단점이 있다. 따라서 최근에는 사용후핵연료의 중간저장 방식으로 습식저장 대신, 운영이 용이하고, 이차 폐기물이 거의 발생되지 않으며, 저장 용량의 확장이 용이할 뿐 아니라 경제성 측면에서도 유리한 건식저장(dry storage)이 주로 고려되고 있다.
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