[논문]사용후핵연료 연소도에 따른 주요 핵종의 함량 변화 분석

임혜인; 엄성호; 서지선; 박세환; 신희성

문제 정의

과제'를 수행하고 있다. 과제의 일환으로 수행된 본 연구는 연소도에 따른 핵종량 변화 분석을 목적으로 핵임계도 값에 크게 영향을 미치는 주요 Actinide 원소와 Fission Product의 핵종량 변화 및 Cs-134, Cs-137, Ru-106의 핵종량과 연소 도의 관계를 관찰하였다. 또한 이 결과는 그룹화에 따른 연소도 차이의 원인을 심층적으로 분석하기 위해 사용되었다.
과제의 일환으로 수행된 본 연구는 연소도에 따른 핵종량 변화 분석을 목적으로 핵임계도 값에 크게 영향을 미치는 주요 Actinide 원소와 Fission Product의 핵종량 변화 및 Cs-134, Cs-137, Ru-106의 핵종량과 연소 도의 관계를 관찰하였다. 또한 이 결과는 그룹화에 따른 연소도 차이의 원인을 심층적으로 분석하기 위해 사용되었다.
본 연구는 현재 KAERI에서 수행하고 있는 사용후핵연료 연소도 분포 측정과제에서 사용후핵연료의 연소도의 변화와 핵종량의 관계를 파악하기 위하여 수행되였다. 연소코드인 ORIGEN-S 계산 결과를 바탕으로 사용후핵연료의 연소도를 변화시키며 핵임계도값에 크게 영향을 미치는 주요 Actinide, Fission Product 핵종량을 확인하였다.

제안 방법

지난 추계 방폐학회에서 발표한 '사용 후 핵연료 축방향 연소도 분포의 그룹화에 따른 핵종량 변화분석' 논문에서는 사용후핵연료봉 축방향 연소도 분포를 그룹화한 후, ORIGEN계산을 통해 얻은 데이터를 분석하였다[1]. 그룹화는 울진 2호기의 K23 집합체를 길이방향으로 3등분한 것을 초기데이터로 정하여 그 것을 기준으로 연소도가 급격히 변하는 양 끝부분의 간격을 보다 더 세밀하게 설정하였다.
분석하였다[1]. 그룹화는 울진 2호기의 K23 집합체를 길이방향으로 3등분한 것을 초기데이터로 정하여 그 것을 기준으로 연소도가 급격히 변하는 양 끝부분의 간격을 보다 더 세밀하게 설정하였다. 핵임계도 값에 크게 영향을 미치는 U-235와 Pu-239의 핵종량 변화를 관찰하였는데, 그룹화에 따른 최대 핵종량의 차이는 U-235 의 경우엔 7.
410GWd/MTU의 연소도, 냉각기간 1730일의 연소이력을 포함하고 있다. 이러한 사용후핵연료 집합체의 정보를 바탕으로 ORIGEN 계산을 수행하였다.
사용후핵연료 축방향 연소도 분포의 그룹화에 따른 핵종량 변화분석에서 사용한 정보를 이용하여 6.318GWd/tU부터 50.756GWd/tU까지의 연소 도에서 핵종량.변화 분석연구를 수행하였다.
756GWd/tU까지의 연소 도에서 핵종량.변화 분석연구를 수행하였다.
연료봉을 등분했을 때, 각 등분한 핵종량 차이의원인을 파악하기 위해 같은 조건에서 그룹화한 후 각 그룹의 핵종을 분석하였다. 평균연소도 20GWd/tU의 등분하지 않은 한 개의 연료봉과 각각 10GWd/tU, 30GWd/tU의 연소도를 가지는 경우를 고려해 보았다.
평균연소도 20GWd/tU의 등분하지 않은 한 개의 연료봉과 각각 10GWd/tU, 30GWd/tU의 연소도를 가지는 경우를 고려해 보았다. 두 연료봉의 평균연소도는 20GWd/tU로 동일하지만 그 안에 포함되어 있는핵종량의 차이는 U-235의 경우 3.
수행되였다. 연소코드인 ORIGEN-S 계산 결과를 바탕으로 사용후핵연료의 연소도를 변화시키며 핵임계도값에 크게 영향을 미치는 주요 Actinide, Fission Product 핵종량을 확인하였다. 그룹화에 따른 U-235, Pu-239의 핵종량 차이가 3.

대상 데이터

본 연구에서는 Actinide 원소인 U-235, U-236, U-238, Pu-238, Pu-239, Pu-240, Pu-241, Pu-242 와 Fission Product 인 Cm-242, Cm-244, Ru-106, Cs-134, Cs-137, Eu-154를 분석 데이터로 사용하였다.

성능/효과

그룹화는 울진 2호기의 K23 집합체를 길이방향으로 3등분한 것을 초기데이터로 정하여 그 것을 기준으로 연소도가 급격히 변하는 양 끝부분의 간격을 보다 더 세밀하게 설정하였다. 핵임계도 값에 크게 영향을 미치는 U-235와 Pu-239의 핵종량 변화를 관찰하였는데, 그룹화에 따른 최대 핵종량의 차이는 U-235 의 경우엔 7.8%, Pu-239의 경우엔 3.5%의 차이를 보였다.
연소도와 핵종량의 관계를 살펴보면, 예상했던 대로 연소도가 높을수록 핵분열을 일으키는 U-235, 핵연료의 대부분을 차지하는 U-238의 양은 감소하였고, 나머지 핵종들을 모두 증가하였다. 특히 U-236과 Pu-239, Pu-241은 완만한 기울기를 보이며 증가한 반면, Pu-238, Pu-240, Pu-242, Cm-242, Cm-244, Ru-106, Cs-134, Eu-154는 고연소도에 근접할수록 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있었다.
특히 U-236과 Pu-239, Pu-241은 완만한 기울기를 보이며 증가한 반면, Pu-238, Pu-240, Pu-242, Cm-242, Cm-244, Ru-106, Cs-134, Eu-154는 고연소도에 근접할수록 급격하게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한, Cs-137은 연소도 와 선형적으로 증가함을 볼 수 있었다.
핵종비율과 연소도의 관계를 파악하기 위하여 Csl34와 Csl37의 비율, Rul06과 Csl37의 비율 및 (Csl34/137)2과 (Rul06/Csl37)의 비율을 계산하였는데, 세 비율 모두 연소도와 선형적인 그래프로 나타났다[2].
연소코드인 ORIGEN-S 계산 결과를 바탕으로 사용후핵연료의 연소도를 변화시키며 핵임계도값에 크게 영향을 미치는 주요 Actinide, Fission Product 핵종량을 확인하였다. 그룹화에 따른 U-235, Pu-239의 핵종량 차이가 3.67%, 9.64%로 나타난 이유는 연소도와 핵종 함량을 나타낸 그래프에서 확인할 수 있었다. 연소도 와 선형적인 관계를 보이는 Cs-137의 경우 그룹화에 따른 차이가 0.

후속연구

앞으로 보다 다양한 핵종분석을 통해 연소 도와 핵종 함량의 관계를 파악할 것이며, 사용후핵연료 집합체 감마/중성자 측정 데이터를 본 연구 결과와 연계하여 사용후핵연료의 연소도 분포측정 과제에 기여해 나갈 계획이다.

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