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사용후핵연료 심지층 처분장 복층개념 분석
Analyses of the Double-Layered Repository Concepts for Spent Nuclear Fuels 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.15 no.2, 2017년, pp.151 - 159  

이종열 (한국원자력연구원) ,  김현아 (한국원자력연구원) ,  이민수 (한국원자력연구원) ,  최희주 (한국원자력연구원) ,  김경수 (한국원자력연구원)

초록
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고준위 방사성폐기물로 분류되는 사용후핵연료를 현재 기술로 가장 안전한 격리 방법으로는 500 m 심도의 안정한 암반에 심지층 처분하는 방법으로, 가장 중요한 요건은 공학적방벽인 완충재의 온도가 $100^{\circ}C$를 초과하지 않도록 시스템을 설계하는 것이다. 국내의 경우 전체 전력 소요량의 약 30% 정도를 차지하고 있는 원자력발전으로 발생되는 사용후핵연료의 양은 지속적으로 증가하여 누적되고 있어, 이들을 처분하기 위한 소요면적도 증가하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 처분면적을 감소시킴으로써 처분효율을 향상시키기 위한 목적으로 다양한 복층처분 개념을 도출하였다. 이를 바탕으로 중요한 처분시스템 요건 만족여부를 확인하기 위하여 열해석을 수행하고 그 결과를 분석하여 처분시스템 열적 안정성을 평가하였다. 평가결과, 기준시스템 위치인 500 m 심도로부터 상부 또는 하부로 75 m를 이격한 심도에 복층으로 처분시스템 구축이 가능하였으며, 실제 부지특성자료에 따른 상세 분석이 요구된다. 본 연구결과는 사용후핵연료 관리정책 수립 및 실제 처분시스템 설계에 활용될 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A deep geological disposal at a depth of 500 m in stable host rock is considered to be the safest method with current technologies for disposal of spent fuels classified as high-level radioactive waste. The most important requirement is that the temperature of the bentonite buffer, which is a compon...

주제어

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문제 정의

  • 지속적인 원자력발전으로 인하여 발생되는 사용후핵연료의 양은 누적되고 있으며, 향후 발생될 사용후핵연료를 고려할 때, 이들을 처분하기 위해서는 상당한 면적이 소요될 것으로 예상된다. 따라서, 국토가 좁은 우리나라의 경우 처분에 필요한 면적을 효율적으로 활용하기 위하여 다양한 방안을 연구하고 있으며, 본 논문에서는 캐나다 사용후핵연료 관리기관인 NWMO (Nuclear Waste Management Organiza-tion)이 분석한 복층 처분시스템 개념[4]을 참고하여 다양한 적층 및 복층 처분시스템 개념을 도출하고, 이를 바탕으로 처분시스템에서 가장 중요한 인자인 열적 안정성 측면에서의 분석을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 사용후핵연료 특성변화에 따라 신규로 제안된 기준 사용후핵연료를 적용한 심지층 처분시스템을 검토하고, 처분장 면적 감소효과에 따른 처분효율 향상 방안의 일환으로서 복층 사용후핵연료 처분장 개념을 설정하고 이에 대한 열적 안정성 분석을 수행하였다. 복층 처분개념에 있어서는 처분공에 2개의 처분용기를 쌓아서 처분하는 개념을 포함하여 다양한 층간 간격의 처분장 개념을 설정하고 이에 대한 열적 안정성 해석을 수행하여, 처분시스템 열적요건을 만족하는 복층개념을 도출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사용후핵연료는 어떻게 관리되어야 하는가? 이들 사용후핵연료는 유용한 물질을 함유하고 있어 재활용하는 방안을 고려하거나 고준위폐기물로 분류하여 직접처분을 고려하고 있다. 사용후핵연료 또는 이들에 대한 재활용 공정으로부터 발생하는 고준위폐기물은 높은 열과 방사성 독성을 포함하고 있으므로 인간생활권으로부터 안전하게 격리시켜 수 만년 이상의 장기간 동안 관리하는 것은 원자력에너지의 지속적인 이용을 위한 필수사항이다. 이러한 고준위 방사성폐기물관리는 원자력발전소 가동 이래로 아직 해결되지 못한 과제로서 정부에서는 이에 대한 대책마련을 위한 고준위 방사성폐기물관리 기본계획[1]을 수립하고 이를 바탕으로 한 시행계획을 준비하고 있다.
다량의 사용후핵연료가 발생될 것을 대비하여 무엇이 요구되고 있는가? 또한, 원자력발전의 경제성 향상을 위하여 핵연료를 개량하고, 노심장전 모형을 개선하는등 기술의 진보에 따라 국내 원자로에서 방출되는 사용후핵연료의 특성도 변화하고 있다. 즉, 원자력발전소에서 전기를생산하고 난 후 연소도가 높은 사용후핵연료가 발생되고 이에 따라 붕괴열도 높아지고 있어 보다 넓은 처분면적이 요구되고 있다. 따라서, 이들을 장기간 안전하게 관리하기 위해서는 대규모의 사용후핵연료 처분장 면적이 요구므로, 국토를 효율적으로 이용하고 주민 수용성을 높이기 위하여 캐나다 NWMO에서 수행한 다층처분장에 대한 연구[4]와 같이 처분장 면적을 감소시켜 처분효율을 향상시키는 방안에 대한 연구가 필요하다.
고준위 방사성폐기물 심지층 처분시스템의 주요한 고려인자는 무엇인가? 국내에서 고준위 방사성폐기물에 대한 연구개발은 1997년부터 착수하였으며, 2007년에 사용후핵연료를 직접 처분대상으로 하여 현재기술로 가장 안전한 방법으로 고려하고 있는 심도 500 m의 안정한 암반에 처분하는 심지층 처분방식인 스웨덴 KBS-3형 처분개념을 바탕으로 한 기준 심지층처분 시스템을 개발하였다[2,3]. 고준위 방사성폐기물 심지층 처분시스템에 있어서 주요한 고려인자는 폐기물로부터 발생하는 열로 인하여 공학적방벽 요소인 완충재의 온도가 100℃ 이하가 되도록 처분공 및 처분터널 간격을 설정하는 것이다.
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참고문헌 (14)

  1. The Atomic Energy Promotion Commission (AEPC), The National Basic Plan for HLW Management, MOTIE, July 25, 2016 (2016). 

  2. J.Y. Lee, D. Cho, H. Choi, and J. Choi, Concept of a Korean Reference Disposal System for Spent Fuels, J. Nucl. Sci. Technol, 44(12), 1565-1573 (2007). 

  3. Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), Korean Reference HLW Disposal System, Korea Atomic Energy Research Institute, KAERI/TR-3563/2008, 23-35 (2008). 

  4. Jose L. Carvalho and Charles M. Steed, Thermo-Mechanical Analysis of a Multi-Level Repository for Used Nuclear Fuel, NWMO TR-2012-19 September 2012 (2012). 

  5. Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), Preliminary Conceptual Design of the Korean Reference Repository System for HLW in Vertical Emplacement, Korea Atomic Energy Research Institute Technical Report, KAERI/TR-3012/2005 (2005). 

  6. Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), Reference Spent Fuel and Its Source Terms for a Design of Deep Geological Disposal System, Korea Atomic Energy Research Institute Technical Report, KAERI/TR-3084/2005 (2005). 

  7. D.K. Cho, S.K. Yoon, H.J. Choi, J.W. Choi, and W.I. Ko, Reference spent nuclear fuel for pyro-processing facility design, J. Korean Radioact. Waste Soc., 6(3), 225-232 (2008). 

  8. Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), Evaluation on thermal performance and thermal dimensioning of direct deep geological disposal system for high burn-up spent nuclear fuel, Korea Atomic Energy Research Institute Technical Report, KAERI/TR-5230/2013 (2013). 

  9. Markku Juvankoski and Kari Ikonen, Buffer Production Line 2012 - Design, Production and Initial State of the Buffer, POSIVA 2012-17, POSIVA OY, December 2012 (2012). 

  10. Svensk Karnbranslehantering AB (SKB), Buffer and backfill process report for the safety assessment SRCan, SKB Technical Report, TR-06-18 (2006). 

  11. Dassault systems, Abaqus/CAE 6.14 User's manual, Dassault systems simulia corp. (2014). 

  12. Korea Atomic Energy Research Institute (KAERI), Geological Disposal of Pyroprocessed Waste from PWR Spent Nuclear Fuel in Korea, KAERI Technical Report, KAERI/TR-4525/2011 (2011). 

  13. J.Y. Lee, D.K. Cho, H.J. Choi, J.W. Choi, and L.M. Wang, Analyses of disposal efficiency based on nuclear spent fuels cooling time and disposal tunnel/pit spacing for the design of a geological repository, Prog. Nucl. Energy, 53(04), 361-367 (2011). 

  14. F. Kober, I. Gaus, S. Birkholzer, and S. Vomvoris, 18 Years of heating a full scale EBS at $100^{\circ}C$ and possible applications at higher temperatures ("hotFEBEX" at > $150^{\circ}C$ ), CLAY CONFERENCE, BRUSSELS, 52-53, March 23-26, 2015 (2015). 

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