초록 ▼

파이로-소듐냉각고속로 시스템은 사용후핵연료의 재활용을 통한 우라늄 자원 활용률 증대 및 고준위 방사성폐기물 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 미래 원자력 시스템이다.
본 연구는 파이로건식처리기술과 소듐냉각고속로의 핵심 기술 개발을 바탕으로 안전성, 경제성, 지속가능성을 갖춘 KAIST 고유의 파이로-소듐냉각고속로 개념 설계를 목표로 한다.
● 연구성과
- 고온 LiCl-KCl 용융염 내 Sm(III), Tb(III), Dy(III)의 형광 및 흡수분광 특성 분석을 통한 화학적 거동 평가
- 전기화학분석과 분광분석

파이로-소듐냉각고속로 시스템은 사용후핵연료의 재활용을 통한 우라늄 자원 활용률 증대 및 고준위 방사성폐기물 부피를 획기적으로 줄일 수 있는 미래 원자력 시스템이다.
본 연구는 파이로건식처리기술과 소듐냉각고속로의 핵심 기술 개발을 바탕으로 안전성, 경제성, 지속가능성을 갖춘 KAIST 고유의 파이로-소듐냉각고속로 개념 설계를 목표로 한다.
● 연구성과
- 고온 LiCl-KCl 용융염 내 Sm(III), Tb(III), Dy(III)의 형광 및 흡수분광 특성 분석을 통한 화학적 거동 평가
- 전기화학분석과 분광분석을 동시에 수행할 수 있는 셀 설계
- 설계된 셀을 이용하여 전위 변화에 따른 Sm(III)의 화학적 거동 평가 및 Nd(III), Dy(III)의 열역학 데이터 생산
- REBUS-3 코드 및 SFR neutronics 해석 코드 시스템을 통한 제안된 소듐냉각고속로 노심 개념설계의 평형주기 해석
- 주어진 노심의 평형주기말에서의 소듐기화반응도계수는 1468.2 pcm (약 4.5 $) 로 계산되었으며, 이는 여전히 1500 MWth 급의 소듐냉각고속로 노심으로는 낮은 값임
- Burnup reactivity swing은 1529 pcm, conversion ratio는 0.688로 나타남
- 이산화탄소-헬륨 이성분계 혼합가스의 임계점 측정
- 이산화탄소-제논 혼합가스의 열역학적 물성치 계산을 위한 상태방정식 개발
- 단순 레이아웃 및 재가압 레이아웃에서 초임계 이산화탄소-제논, 이산화탄소-크립톤, 이산화탄소-제논-크립톤 브레이튼 사이클의 성능평가
- 초임계 이산화탄소-제논, 이산화탄소-크립톤에 적합한 축류 turbomachinery 예비설계 및 성능평가
- 혼합가스 실험 루프 설치완료
- CFD 코드 FLUENT를 이용한 수치해석 모델 개발 완료
- 단상 기체 상관식과 혼합기체 상관식 비교 및 분석
- 파이로건식처리를 핵심요인으로 하는 비용편익분석
- 파이로 및 SFR이 유리해지는 포인트 제시
- 선형계획법을 사용한 지난 연구를 포함하는 복합 최적화 모델 개발
● 대표성과 및 발견사항
- 시뮬레이션을 통한 이산화탄소-제논, 이산화탄소-크립톤, 이산화탄소-제논-크립톤 혼합가스를 이용한 BOP 시스템 효율 향상 가능성 확인
- 지난 프로젝트 결과를 포함하여 복합적인 요소들이 고려된 전체 핵연료주기에 대한 비용편익 분석 모델 개발 및 개선

Abstract ▼

Reducing the amount of HLW (high-level radioactive waste) and recycling the reusable fissionable nuclear materials in SNF (spent nuclear fuel) are achieved by developing Pyro-SFR (sodium-cooled fast reactor) system. The major objective of the project is to design a KAIST unique conceptual Pyro-SFR s

Reducing the amount of HLW (high-level radioactive waste) and recycling the reusable fissionable nuclear materials in SNF (spent nuclear fuel) are achieved by developing Pyro-SFR (sodium-cooled fast reactor) system. The major objective of the project is to design a KAIST unique conceptual Pyro-SFR system with safety, economics, and sustainability.
● Research achievements
- In situ analysis of chemical behaviors of Sm(III), Tb(III), and Dy(III) using spectroscopic properties in molten LiCl-KCl at high temperature
- In situ analysis of chemical behaviors of Sm(III) using time-resolved laser fluorescence spectroscopy (TRLFS) with electric potential changes and derivation of thermodynamic data of Nd(III) and Dy(III)
- Analysis of equilibrium cycle for proposed SFR conceptual core design
- Sodium void reactivity coefficient at EOEC (end of equilibrium cycle) is 1468.2 pcm (~4.5 $) for given core configuration and this is still low value compared with other SFR design which has 1500 MWth power level
- Burnup reactivity swing is equal to 1529 pcm, and conversion ratio is 0.688
- Experimental measurement of critical points for CO₂-He binary mixture
- Development of EOS (equation of state) for predicting CO₂-Xe mixture thermo-physical properties
- Evaluation of cycle performance in simple layout and recompression layout of supercritical Brayton cycle using CO₂-Xe, CO₂-Kr binary mixtures and CO₂-Xe-Kr tertiary mixture
- Preliminary design and performance evaluation for axial-flow turbomachinery using CO₂-Xe and CO₂-Kr binary mixtures
- Construction of a mixture gas test facility
- Completion of a three dimensional numerical model using CFD code FLUNET
- Completion of comparison and analysis between the PCHE correlations developed in the mixture gas and those developed in the single working fluids
- Cost and benefit analysis based on pyroprocessing cost as a key factor
- Suggestion of advantageous point of pyroprocessing and SFR
- Complex modeling of optimization result from previous work using Linear Programming
● Unique and new feature
- Identification of a potential improvement of the cycle efficiency using CO₂-Xe, CO₂-Kr, CO₂-Xe-Kr gas mixtures through the simulation
- Complex modeling and improvements including the result from previous project
- Detailed description for more realistic fuel cycle

목차 Contents

• EEWS Research 2011 Final Report ... 1
• Summary (English) ... 4
• 국문 요약문 ... 7
• 1. Research Purpose ... 11
• (1) Research goal ... 11
• (2) Importance of the research ... 12
• (3) Novelty of the research ... 13
• (4) Expected impact of research and commercialization ... 13
• 2. Research Target and Achievement ... 14
• 3. Research Method ... 17
• 4. Research Results ... 26
• (1) Outcome ... 26
• (2) Further research required ... 45
• 5. Research Outcomes ... 46
• (1) Publication ... 46
• (2) Conference presentation ... 46
• (3) Patents ... 47
• (4) Creation of New Big Project ... 47
• 6. Reference ... 47
• 1. 연구목적 ... 50
• (1) 연구목표 ... 50
• (2) 연구과제의 중요성 ... 51
• (3) 연구 과제의 신규성 ... 52
• (4) 연구의 기대효과 및 사업성 ... 53
• 2. 연구목표와 성과 ... 53
• 3. 연구방법 ... 58
• 4. 연구결과 및 고찰 ... 68
• (1) 연구결과 ... 68
• (2) 수반되어야 할 (후행)연구내용 ... 88
• 5. 연구결과물 발표실적 ... 89
• (1) 학회 발표 ... 89
• (2) 논문 ... 90
• (3) 특허 ... 90
• (4) 기타 ... 90
• (5) 대형 신규과제 발굴의 기여 ... 90
• 6. 참고문헌 ... 90
• 끝페이지 ... 92