초록 ▼

● 본 연구의 목표는 사용후 핵연료에 남아있는 재활용 가능한 약 96% 의 우라늄, 플루토늄 등의 자원을 파이로 건식처리기술과 소듐냉각고속로를 도입해 안전적으로 재사용하고자 함
● 미래 원자력의 지속성을 위해서는 최종관문이라 할 수 있는 사용후핵연료의 관리는 중요한 문제이며, 자원의 효율적인 활용과 고준위폐기물 감량 측면에서 본 연구는 중요한 의미를 갖고 있음.
● 연구목표 및 성과
- 순환전압전류법(CV) 을 이용한 Tb(III) 의 형식전위 도출 / 시간분해레이저형광분광 (TRLFS), UV-Vis 흡수분광, 라

● 본 연구의 목표는 사용후 핵연료에 남아있는 재활용 가능한 약 96% 의 우라늄, 플루토늄 등의 자원을 파이로 건식처리기술과 소듐냉각고속로를 도입해 안전적으로 재사용하고자 함
● 미래 원자력의 지속성을 위해서는 최종관문이라 할 수 있는 사용후핵연료의 관리는 중요한 문제이며, 자원의 효율적인 활용과 고준위폐기물 감량 측면에서 본 연구는 중요한 의미를 갖고 있음.
● 연구목표 및 성과
- 순환전압전류법(CV) 을 이용한 Tb(III) 의 형식전위 도출 / 시간분해레이저형광분광 (TRLFS), UV-Vis 흡수분광, 라만분광을 이용한 Tb(III), Eu(III), Eu(II), Gd(III)의 분광특성 분석 및 화학적 거동 분석평가
- 낮은 소듐기화반응도계수를 위해서 2가지 개념 설계가 고려됨:
i) Design I: 노심전체에 단일 enrichment 및 핵연료봉 지름을 가지고 물질 “X”를 포함하는 핵연료집합체 개념제안
ii) Design II: 추가로 흡수물질층 “Y”를 도입하여 노심을 상단/하단 노심으로 분리함으로서, 축방향 중성자의 누출을 높일 수 있는 개념설계
- 제안된 2가지 방법을 모두 적용한 개념노심의 경우 소듐기화반응도계수가 기존의 개념설계에 비해 1~2 $정도 작아진 1500pcm (약 4~5 $)을 가지며, 총출력 역시 1468.34 MW_th에서 1527.69 MW_th으로 증가
- 설계하고자 하는 사이클의 고온, 고압에서도 안정한 혼합가스 후보군 선정 (CO₂-He, CO₂-Ar, CO₂-N₂, CO₂-O₂ 혼합가스)
- 단일 레이아웃과 재가압 레이아웃의 브레이튼 사이클 해석 툴 개발
- 단일 레이아웃의 브레이튼 사이클과 재가압 브레이튼 사이클에서 혼합가스에 따른 성능 평가
- 혼합가스의 임계점을 측정하는 장치 제작 완료, 이산화탄소-헬륨 혼합가스의 임계점 측정 진행 중
- CFD를 이용하여 열수력지름, 각도, 채널 주기 효과가 반영된 PCHE 상관식 개발
- 개발된 상관식을 이용하여 경제적인 PCHE 디자인을 제시할 방법론을 개발하고 사이즈를 도출
- 원자력 에너지 시스템 최적화를 위한 제약조건에서의 비용 함수최적화, 코드 개발 및 수정, 주요인자들에 대한 민감도 분석
● 대표성과 및 발견사항
- 측정이 불가능하다고 여겨졌던 고온 LiCl-KCl 용융염 내 Tb(III)의 형광을 처음으로 측정하였고, LiCl-KCl 용융염 내에서 Tb(III)의 농도증가에 따라 형광수명이 증가하는 특이현상 관찰
- 시뮬레이션을 통한 이산화탄소/헬륨 혼합가스를 이용한 BOP 시스템 효율 향상 가능성 확인

Abstract ▼

● The major purpose of this research is to reuse around 96 % of resources remaining in SNF (spent nuclear fuel) such as uranium and plutonium by developing pyroprocessing and SFR (sodium-cooled fast reactor) technologies.
● For the sustainable development of nuclear power as one of our major ener

● The major purpose of this research is to reuse around 96 % of resources remaining in SNF (spent nuclear fuel) such as uranium and plutonium by developing pyroprocessing and SFR (sodium-cooled fast reactor) technologies.
● For the sustainable development of nuclear power as one of our major energy resources, a technology development for reducing the amount of HLW (highlevel radioactive waste) and recycling the reusable materials in SNF is of utmost significance.
● Research targets and achievements
- Derivation of formal standard potential of Tb(III) via cyclic voltammetry and analysis of spectroscopic and chemical behaviors of Tb(III), Eu(III), Eu(II), and Gd(III) using TRLFS, UV-Vis absorption spectroscopy¸ and raman scattering
- For low sodium void reactivity coefficient, two conceptual designs are proposed:
i) Design I: Single enrichment/fuel rod diameter assembly configuration with material “X”
ii) Design II: In addition to material “X”, decoupling of active core into upper/lower regions by introducing “Y” absorber sandwich to maximize axial neutron leakage from the active core
- Combination of these two concepts shows about 1500 pcm (~4 to 5 $) sodium void reactivity coefficient which is about 1~2 $ lower than the conventional conceptual design. In addition to that, total power output is slightly increased (from 1468.34 MW_th to 1527.69 MW_th
- Selection of multi-component gas candidates that have stable state within the interested cycle operation range (CO₂-He, CO₂-Ar, CO₂-N₂, CO₂-O₂ binary gas mixture)
- Development of supercritical Brayton cycle tool with pure/multi-component gases for simple and recompression layout
- Evaluation of cycle performance in a simple layout and recompression layout of supercritical Brayton cycle with pure/multi-component gases
- Set up of the experimental system for observing the critical point of gas mixture and measurement of the CO₂-He mixture is in progress
- Expanding the capacity of turbomachinery design tool for pure/multi-component gas Brayton cycle with loss model
- PCHE correlations with the effects of angles, hydraulic diameters, and pitches were developed
- Cost-optimizing methodology was developed and cost-optimized size was proposed
- Optimization of cost function model under constraints, problem solving code development, and sensitivity analysis of important factors for nuclear energy system optimization
● Unique and new feature
- For the first time, the fluorescence emission of Tb(III) was measured in-situ, and the anomalous concentration-enhanced fluorescence lifetime was observed in molten LiCl-KCl salt
- Identification of a potential improvement of the cycle efficiency using CO₂-He gas mixture through the simulation

목차 Contents

• EEWS Research 2010 Final Report ... 1
• Summary (English) ... 3
• 국문 요약문 ... 8
• 1. Research Purpose ... 12
• 2. Research Target and Achievement ... 16
• 1) Research on Pyroprocessing Technology of SNF - Target of the year ... 16
• 2) Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) core and assembly design - Target of the year ... 17
• 3) Energy Conversion System Design for Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) ... 18
• 4) Nuclear Fuel Cycle Optimizaion and Economic Analysis ... 20
• 3. Research Method ... 21
• 1) Research on Pyroprocessing Technology of SNF ... 21
• 2) Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) core and assembly design ... 22
• 3) Energy Conversion System Design for Sodium-cooled Fast Reactor (SFR) ... 24
• 4) Nuclear Fuel Cycle Optimizaion and Economic Analysis ... 28
• 4. Research Results ... 29
• (1) Outcome results ... 29
• (2) Further research required ... 54
• (3) Findings deserve to press ... 55
• 5. Research Outcomes ... 55
• (1) Publication ... 55
• (2) Conference presentation ... 55
• (3) Patents ... 56
• (4) Creation of New Big Project ... 56
• 6. Reference ... 57
• 1. 연구목적 ... 59
• 2. 연구목표와 성과 ... 63
• 1) 사용후핵연료 파이로 건식처리기술 연구 ... 63
• 2) 소듐냉각 고속로 노심 및 핵연료 집합체 연구 ... 64
• 3) 소듐냉각고속로 에너지 변환 Cycle 연구 ... 64
• 4) 원자력핵연료주기 최적화 및 경제성 평가 ... 66
• 3. 연구방법 ... 67
• 1) 사용후핵연료 파이로 건식처리기술 연구 ... 67
• 2) 소듐냉각 고속로 노심 및 핵연료 집합체 연구 ... 69
• 3) 소듐 냉각 고속로 에너지 변환 Cycle 연구 ... 70
• 4) 원자력핵연료주기 최적화 및 경제성 평가 ... 74
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 75
• (1) 연구결과 ... 75
• (2) 수반되어야 할 (후행)연구내용 ... 100
• (3) 보도할 만한 내용 ... 100
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 100
• (1) 학회발표 ... 100
• (2) 논문 ... 101
• (3) 특허 ... 102
• (4) 대형 신규과제 발굴의 기여 ... 102
• 6. 참고문헌 ... 102
• 끝페이지 ... 103