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문제 정의
- MCNP/ORIGEN-2 선원항 평가 모델의 타당성은 참고문헌 [9]에서 수행한 압력관 시료의 선원항 측정값을 이용하여 검증하였다. 본 연구에서는 노심 운전이력과 중성자 스펙트럼이 선원항 계산에 미치는 영향을 분석하여, 이를 바탕으로 해체 폐기물의 저준위 폐기물 처분가능성을 살펴보았다.
- 본 연구에서는 월성 1호기에 대하여 비방사능 측정값과 계산값을 비교하여 MCNP/ORIGEN-2의 선원항 평가 모델을 검증하고 원자로 해체시 노심구조물의 저준위 방사성폐기물 처분 가능성을 살펴 보았다. 선원항 평가에 영향을 미치는 요인으로, 생애운전이력은 중성자 총조사량이 같을 경우 장반감기 핵종에 영향을 거의 미치지 않으나, 중성자 스펙트럼은 원자로 구조물의 선원항 평가에 중요한 요소임을 알 수있었다.
가설 설정
- 5%, Zircaloy-2, ASME SA240 304L이다. 현재 월성 1호기 노심 내의 압력관과 칼란드리아관은 2010년 설비개선 시 교체된 것으로 조사시간은 운영허가 연장기간을 고려하여 5/15/25 년으로 가정하였다. 칼란드리아 동체의 경우 중성자 조사기간을 30/40/50 년으로 계산하였다.
제안 방법
- 월성 1호기 설계자료를 토대로 MCNP 모델링을 수행하였고 MCNP 계산을 통하여 노심내 중성자 스펙트럼 및 핵반응단면적을 계산하였다. MCNP 계산결과인 유효증배계수와 채널별 출력분포를 월성 1호기 실측치와 비교하여 MNCP 노심모델의 타당성을 검증하였다. MCNP 로 계산한 중성자 스펙트럼으로 보정된 핵반응단면적 라이브러리를 이용하여 ORIGEN-2 코드[15]로 압력관, 칼란드리아관 및 칼란드리아 동체에 대한 선원항 평가를 수행하였다.
- MCNP 계산결과인 유효증배계수와 채널별 출력분포를 월성 1호기 실측치와 비교하여 MNCP 노심모델의 타당성을 검증하였다. MCNP 로 계산한 중성자 스펙트럼으로 보정된 핵반응단면적 라이브러리를 이용하여 ORIGEN-2 코드[15]로 압력관, 칼란드리아관 및 칼란드리아 동체에 대한 선원항 평가를 수행하였다. MCNP/ORIGEN-2 선원항 평가 모델의 타당성은 참고문헌 [9]에서 수행한 압력관 시료의 선원항 측정값을 이용하여 검증하였다.
- MCNP 로 계산한 중성자 스펙트럼으로 보정된 핵반응단면적 라이브러리를 이용하여 ORIGEN-2 코드[15]로 압력관, 칼란드리아관 및 칼란드리아 동체에 대한 선원항 평가를 수행하였다. MCNP/ORIGEN-2 선원항 평가 모델의 타당성은 참고문헌 [9]에서 수행한 압력관 시료의 선원항 측정값을 이용하여 검증하였다. 본 연구에서는 노심 운전이력과 중성자 스펙트럼이 선원항 계산에 미치는 영향을 분석하여, 이를 바탕으로 해체 폐기물의 저준위 폐기물 처분가능성을 살펴보았다.
- 또한 2010년도에 교체된 압력관, 칼란드리아관과 기존 칼란드리아 동체의 저준위 방사성폐기물 처분가능성을 살펴보기 위하여 노심내부에서 중성자속이 가장 낮은 위치인 V06의 첫 번째 핵연료 다발을 선정하여, 저준위 방사성폐기물 분류기준의 핵종별 비방사능 농도를 방사화 계산 결과와 비교하였다. 결과를 살펴보면 압력관과 칼란드리아 동체은 94Nb, 59Ni, 63Ni의 비방사능 농도 제한을 만족하지 못하기 때문에 저준위 방사성폐기물로 처분될 수 없는 것으로 나타났다.
- 8)이 선원항 평가에 영향을 주는 것으로 판단되므로 정확한 노심 구조물을 묘사하는 것이 선원항 평가에 중요하다. 또한 노심 연소도 분포를 실제 평형노심과 가깝게 구현하기 위해, MCNPX 연소계산을 수행하여 핵연료의 핵종 수밀도를 구하였고 이를 선원항 평가에 사용하였다.
- 저준위 방사성폐기물의 방사능 농도 제한치는 Table 7에서 볼 수 있다[18]. 본 연구에서는 해당 핵종 중 재질의 성분비와 방사화 계산 결과를 검토한 후 저준위 폐기물 분류가능성을 살펴보기 위하여 60Co, 59Ni, 63Ni 및 94Nb에 대한 비방사능 농도를 계산하였다.
- 선원항 평가의 정확성에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 해당 원자로의 생애 운전 이력, 중성자 스펙트럼의 영향이 있다. 원자로의 생애 운전이력을 방사화 계산에 적용하기 위하여 두 가지 방법을 검토하여 선원항 결과를 비교하였다. 방사화 계산에서의 중성자 스펙트럼의 영향을 분석하기 위하여 ORIGEN-2의 자체 핵반응단면적 라이브러리와 MCNP로 계산된 핵반응단면적을 비교하였고, ORIGEN-2 핵반응단면적 라이브러리 수정 전, 후의 계산된 방사화 핵종 재고량을 상호 비교하였다.
- 월성 1호기의 선원항 평가를 수행한 기존 연구[9,10,11] 에는 WIMS-AECL[12]를 사용하여 핵연료 연소도에 따라 핵종 수밀도를 계산한 반면 본 연구에서는 MCNPX[13]를 사용하여 핵종 수밀도를 계산하여 MCNP[14] 전노심 모델에 사용하였다. 월성 1호기 설계자료를 토대로 MCNP 모델링을 수행하였고 MCNP 계산을 통하여 노심내 중성자 스펙트럼 및 핵반응단면적을 계산하였다. MCNP 계산결과인 유효증배계수와 채널별 출력분포를 월성 1호기 실측치와 비교하여 MNCP 노심모델의 타당성을 검증하였다.
- MCNP로 구한 중성자 스펙트럼을 이용하여 ORIGEN-2의 라이브러리를 수정한 후, ORIGEN-2 코드로 방사화 계산을 수행한다. 이를 위하여 월성 1호기가 2012년 운전정지 할 때까지 30년간의 운전이력을 조사하였다. 수집된 자료를 바탕으로 MCNP 코드를 사용하여 노심의 중성자속을 계산하였고 ORIGEN-2 코드를 사용하여 방사화 핵종의 재고량을 평가하였다.
대상 데이터
- 1과 같다. MCNP 노심 모델링에 필요한 자료는 칼란드리아 동체 내부의 다양한 구조물의 상세 제원 및 재질의 성분비와 핵연료 다발의 연소도에 따른 핵종 수밀도이다. MCNP로 구한 중성자 스펙트럼을 이용하여 ORIGEN-2의 라이브러리를 수정한 후, ORIGEN-2 코드로 방사화 계산을 수행한다.
- MCNP 코드를 사용하여 칼란드리아 동체 내부에 존재하는 핵연료 채널들을 모델링 하였다. 노심 내에는 380개의 핵연료 채널이 있으며, 각 핵연료채널은 핵연료다발, 압력관, 칼란드리아관으로 구성되어있다.
- MCNP 코드를 사용하여 칼란드리아 동체 내부에 존재하는 핵연료 채널들을 모델링 하였다. 노심 내에는 380개의 핵연료 채널이 있으며, 각 핵연료채널은 핵연료다발, 압력관, 칼란드리아관으로 구성되어있다. 하나의 연료다발은 37개의 연료봉들로 구성되며, 봉단 접합판에 의해서 지지된다.
- MCNP/ORIGEN-2 선원항 평가 모델을 검증하기 위하여 참고문헌 [9]에 있는 월성 1호기의 방사화 압력관 시편에서 측정한 방사화 핵종 재고량과 본 연구의 MCNP/ORIGEN-2 선원항 평가 모델을 이용하여 계산한 방사화 핵종 재고량을 비교하였다. 비교 대상은 1994년 월성 1호기 노심 내 E11과 O08 채널의 압력관이다. 시편이 수집된 압력관의 위치는 Fig.
- 해당 압력관들은 1982년 12월 21일부터 조사가 시작되었으며 3,463 EFPD 동안 조사되었다. 수집된 시편은 2010년 6월 1일에 KAERI에서 분석이 수행되었다. 조사기간은 11.
- 12에서 볼 수 있다. 칼란드리아 동체의 경우 칼란드리아 동체 끝단 10 cm 영역에서 자료들을 수집하였다.
데이터처리
- Table 5는 압력관에서 94Nb의 비방사능 측정값과, ORIGEN-2 자체 라이브러리로 계산한 값, MCNP/ORIGEN-2 코드 체계로 계산한 결과를 보여준다. MCNP/ORIGEN-2 모델 검증을 위해 94Nb의 계산값을 참고 문헌 [9]에 수록된 94Nb 측정값과 비교하였다. Table 5에서 ORIGEN-2로 표시된 값은 라이브러리(CANDUNAU.
- MCNP/ORIGEN-2 선원항 평가 모델을 검증하기 위하여 참고문헌 [9]에 있는 월성 1호기의 방사화 압력관 시편에서 측정한 방사화 핵종 재고량과 본 연구의 MCNP/ORIGEN-2 선원항 평가 모델을 이용하여 계산한 방사화 핵종 재고량을 비교하였다. 비교 대상은 1994년 월성 1호기 노심 내 E11과 O08 채널의 압력관이다.
- 원자로의 생애 운전이력을 방사화 계산에 적용하기 위하여 두 가지 방법을 검토하여 선원항 결과를 비교하였다. 방사화 계산에서의 중성자 스펙트럼의 영향을 분석하기 위하여 ORIGEN-2의 자체 핵반응단면적 라이브러리와 MCNP로 계산된 핵반응단면적을 비교하였고, ORIGEN-2 핵반응단면적 라이브러리 수정 전, 후의 계산된 방사화 핵종 재고량을 상호 비교하였다.
이론/모형
- 0에 근사한 값을 가져야 한다. 각 핵연료다발의 연소도를 고려하여 핵연료다발에서의 악티나이드 핵종 및 핵분열 생성물 재고량을 MCNPX로 계산 하였으며, 이를 MCNP 모델에 반영하였다. 연소도가 반영된 MCNP 모델을 이용하여 KCODE로 계산한 유효증배계수는 1.
- LIB를 방사화 계산에 이용할 경우 중성자 스펙트럼 변화에 따른 핵반응단면적의 변화를 반영할 수 없다. 따라서, MCNP 코드를 사용하여 노심의 중성자 스펙트럼이 반영된 1군 핵반응단면적을 계산하였고, 이를 ORIGEN-2의 핵반응단면적 라이브러리인 CANDUNAU.LIB에 적용하여 방사화 계산을 수행하였다.
- 본 연구에서는 노심 평균 연소도 8041 EFPD(Effective Full Power Day)에서의 평형노심을 모델링 하였다. 정상 노심은 임계노심을 유지하고 있으므로 MCNP를 통하여 계산된 유효증배계수 결과도 1.
- 이를 위하여 월성 1호기가 2012년 운전정지 할 때까지 30년간의 운전이력을 조사하였다. 수집된 자료를 바탕으로 MCNP 코드를 사용하여 노심의 중성자속을 계산하였고 ORIGEN-2 코드를 사용하여 방사화 핵종의 재고량을 평가하였다.
- 월성 1호기에 대한 기존 연구[9,10,11]는 핵연료 다발의 연소도별 핵종 수밀도를 WIMS-AECL을 사용하여 구하였고 이를 MCNP 전 노심 모델에 사용하였다. 이에 반해 본 연구에서는 MCNPX로 단일 채널을 모델링하여 핵연료 다발의 핵종수밀도를 연소도별로 구하여 MCNP의 전 노심 모델에 사용하였다.
- 월성 1호기의 선원항 평가를 수행한 기존 연구[9,10,11] 에는 WIMS-AECL[12]를 사용하여 핵연료 연소도에 따라 핵종 수밀도를 계산한 반면 본 연구에서는 MCNPX[13]를 사용하여 핵종 수밀도를 계산하여 MCNP[14] 전노심 모델에 사용하였다. 월성 1호기 설계자료를 토대로 MCNP 모델링을 수행하였고 MCNP 계산을 통하여 노심내 중성자 스펙트럼 및 핵반응단면적을 계산하였다.
- 월성 1호기에 대한 기존 연구[9,10,11]는 핵연료 다발의 연소도별 핵종 수밀도를 WIMS-AECL을 사용하여 구하였고 이를 MCNP 전 노심 모델에 사용하였다. 이에 반해 본 연구에서는 MCNPX로 단일 채널을 모델링하여 핵연료 다발의 핵종수밀도를 연소도별로 구하여 MCNP의 전 노심 모델에 사용하였다. 2차원 무한 배열의 집합체를 묘사하는 WIMS-AECL과는 달리, MCNPX의 단일채널 모델은 3차원 모델로 핵연료 채널 양 끝에 진공경계조건을 사용하여 실제 노심에 가까운 중성자 스펙트럼이 연소 계산에 사용되어진다.
성능/효과
- EP4의 결과에서 보듯이 중성자 반사체 역할을 하는 핵연료다발 외부구조물(Fig. 8)이 선원항 평가에 영향을 주는 것으로 판단되므로 정확한 노심 구조물을 묘사하는 것이 선원항 평가에 중요하다. 또한 노심 연소도 분포를 실제 평형노심과 가깝게 구현하기 위해, MCNPX 연소계산을 수행하여 핵연료의 핵종 수밀도를 구하였고 이를 선원항 평가에 사용하였다.
- 선원항 평가에 영향을 미치는 요인으로, 생애운전이력은 중성자 총조사량이 같을 경우 장반감기 핵종에 영향을 거의 미치지 않으나, 중성자 스펙트럼은 원자로 구조물의 선원항 평가에 중요한 요소임을 알 수있었다. EP4의 결과에서 보듯이 중성자 반사체 역할을 하는 핵연료다발 외부구조물(Fig. 8)이 선원항 평가에 영향을 주는 것으로 판단되므로 정확한 노심 구조물을 묘사하는 것이 선원항 평가에 중요하다.
- 또한 2010년도에 교체된 압력관, 칼란드리아관과 기존 칼란드리아 동체의 저준위 방사성폐기물 처분가능성을 살펴보기 위하여 노심내부에서 중성자속이 가장 낮은 위치인 V06의 첫 번째 핵연료 다발을 선정하여, 저준위 방사성폐기물 분류기준의 핵종별 비방사능 농도를 방사화 계산 결과와 비교하였다. 결과를 살펴보면 압력관과 칼란드리아 동체은 94Nb, 59Ni, 63Ni의 비방사능 농도 제한을 만족하지 못하기 때문에 저준위 방사성폐기물로 처분될 수 없는 것으로 나타났다.
- 예비 선원항 계산 결과에서 볼 수 있듯이 압력관, 칼란드리아관, 칼란드리아 동체와 같이 노심에 가까운 구조물들은 높은 중성자속과 장기간의 중성자 조사에 의해서 방사화가 많이 진행되었음을 알 수 있다. 또한 장반감기 핵종들을 포함하고 있기 때문에 저준위 방사성폐기물로 처분되기 힘든 것을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 월성 1호기에 대하여 비방사능 측정값과 계산값을 비교하여 MCNP/ORIGEN-2의 선원항 평가 모델을 검증하고 원자로 해체시 노심구조물의 저준위 방사성폐기물 처분 가능성을 살펴 보았다. 선원항 평가에 영향을 미치는 요인으로, 생애운전이력은 중성자 총조사량이 같을 경우 장반감기 핵종에 영향을 거의 미치지 않으나, 중성자 스펙트럼은 원자로 구조물의 선원항 평가에 중요한 요소임을 알 수있었다. EP4의 결과에서 보듯이 중성자 반사체 역할을 하는 핵연료다발 외부구조물(Fig.
- 예비 선원항 계산 결과에서 볼 수 있듯이 압력관, 칼란드리아관, 칼란드리아 동체와 같이 노심에 가까운 구조물들은 높은 중성자속과 장기간의 중성자 조사에 의해서 방사화가 많이 진행되었음을 알 수 있다. 또한 장반감기 핵종들을 포함하고 있기 때문에 저준위 방사성폐기물로 처분되기 힘든 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 칼란드리아관의 경우는 5 년 이하의 중성자 조사기간에 대해서는 부분적으로 저준위 방사성폐기물로 처분이 가능할 것으로 보인다. 하지만 본 계산이 중성자속이 낮은 지역에서 계산이 수행된 점을 감안한다면 앞으로 이에 대하여 보다 자세한 연구가 필요할 것으로 판단된다. 칼란드리아 동체의 경우는 30년의 중성자 조사기간에서도 59Ni과 63Ni의 비방사능 농도 제한치를 초과하는 것으로 나타났다.
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