In order to investigate a nitriding process of spent oxide fuel and the subsequent change in thermal properties after nitriding, simulated spent fuel powder was converted into a nitride pellet with simulated fission product elements through a carbothermic reduction process. Nitriding rate of simulated spent fuel was decreased with increasing of the amount of fission products. Contents of Ba and Sr in simulated spent fuel were decreased after the carbothermic reduction process. The thermal conductivity of the nitride pellet was decreased by an addition of fission product element but was higher than that of the oxide fuel containing fission product elements.

방사성물질은 다양한 분야에서 사용되고 있으며 이에 따른 국내 및 국제간 운반이 계속적으로 증가하고 있다. 방사성물질을 수송하기 위해서는 수송용기의 안전성이 확보되어야 한다. 방사성물질 수송용기의 안전규정에 관해서는 국내 원자력법 운반안전규정 및 IAEA 운반규정에서 규정하고 있다. 방사성물질 수송용기 중에서 사용후핵연료를 운반하는 수송용기는 본체와 충격완충제로 구성되어 있다. 본 논문에서는 사용후핵연료 수송용기의 충격완충제에 작용하는 충격력을 계산하는 간편한 실험식을 차원해석을 통하여 유도하였다. 해석결과는 기존의 충격면적법 및 유한요소해석과 비교를 통하여 그 타당성을 입증하였다. 본 실험식을 이용하여 수송용기의 낙하충격력을 쉽게 예측할 수 있다.

방사선물질을 수송하기 위한 용기는 가상 사고조건에서도 안전해야만 한다. 운반용기 설계요구조건은 실험 및 유한요소 해석을 통해 구조적 건전성을 확보하여야 한다. 최근에는 실험보다 유한요소해석을 이용한 방법이 상대적으로 비용이 적기 때문에 주로 사용된다. 그러나 기계적인 반응이 복잡하기 때문에 프로그램을 적용하는 사용자의 방법에 의해 결과가 결정되고 해석하는 동안 여러가지 문제를 발생시킬 수 있다. 본 논문에서, 유한요소해석은 LS-DYNA3D와 ABAQUS/Explicit을 이용하여 운반용기의 9m 자유낙하충격실험에 대한 해석기술과 여러가지 손상을 갖는 경우를 발견하기 위해 연구하였다. 운반용기의 각각의 경우를 비교하고 사용후 핵연료 운반용기의 낙하 실험에 대해서 신뢰할 수 있는 비교적 간단한 해석 기술을 제안하였다.

국내 원자력발전소에서 발생하는 사용후핵연료의 제원 및 방출시점 등 특성과 현재의 고준위 방사성폐기물 기본계획에 근거한 처분시나리오를 도출하여 기존 심층 처분시스템을 바탕으로 처분효율과 경제성을 향상시킨 개선된 처분시스템을 제안 하였다. 이를 위하여 국내 원자력발전소에서 발생하는 사용후핵연료의 길이에 따라 2종류의 처분용기 개념을 도출하고, 사용후핵연료 발생 년도와 현재의 기본계획에 근거한 처분 시나리오 설정에 따른 처분시점에서의 냉각기간을 고려하여 처분 용기내 수용 가능한 붕괴열량을 결정하였다. 그리고 2종류의 처분용기에 대한 처분시스템과 결정된 붕괴열을 바탕으로 열 적 안정성 분석을 통하여 제안된 처분시스템의 설계요건에 대한 적합성 여부를 확인하고, 처분효율을 평가하였다. 개선된 처분시스템은 기존 처분시스템에 비하여 처분면적은 약 20% 감소되고 처분밀도는 약 20% 향상됨을 확인하였고, 처분용기와 완충재 재료도 상당량 절감됨을 확인하였다. 본 연구의 결과는 향후 사용후핵연료 관리정책 수립 및 실제 사업을 위한 처분시스템 설계를 위한 자료로 활용될 수 있다.

본 연구에서는 최근 개발중인 360 다발 장전용량의 중수로 사용후핵연료 운반용기에 대한 설계기준연료의 방사선원항 평가와 용기외부에서의 방사선량률 계산을 수행하였다. 그리고 국·내외 방사선적 안전성평가와 관련한 기술기준 부합여부를 판단하고 결과의 적합성을 제시하였다. 방사선원항으로 작용하는 설계기준연료 선정을 위해 월성원전에서 운영중인 운반 용기 및 두 가지 방식의 건식저장시설에 적용된 설계기준연료의 사양 및 특성을 조사하였다. 각 운반·저장 시스템 별 설계 기준연료의 연소도, 최소 냉각기간 및 중간저장시설로의 운반시점 등을 바탕으로 연소도 7,800 MWD/MTU와 최소 냉각기 간 6년을 설계기준연료로 설정하였다. 설계기준연료의 방사선원항은 SCALE 전산코드의 ORIGEN-ARP모듈을 이용하여 평가하였다. 운반용기의 방사선차폐평가는 MCNP6 전산코드를 이용하였으며, 기술기준에서 요구하는 운반용기 외부에서의 방사선량률 평가를 정상 및 사고조건으로 구분하여 수행하였다. 방사선량률 평가결과, 정상운반조건의 운반용기 표면 및 운반용기 표면 2 m 이격지점에서 계산된 최대 방사선량률은 각각 0.330 mSv·h-1와 0.065 mSv·h-1로 도출되어 선량률 제한치인 2.0 mSv^hr-1와 0.1 mSv^hr-1를 모두 만족하는 결과를 도출하였다. 또한 운반사고조건하 운반용기 표면 1 m 지점에서의 최대 방사선량률은 0.321 mSv·h-1로서 기술기준인 10.0 mSv·h-1 미만으로 평가되어, 대용량 중수로 사용후핵연료 운반용기는 방사선적 안전성을 확보하는 것으로 나타났다.

본 논문에서는 최근 새롭게 제안된 심부수평시추공처분 개념을 소개하고, 우리나라 여건에서는 어떻게 적용될 수 있을지에 대하여 고려해 보았다. 이 개념은 방향제어시추기술로 심부수평시추공을 설치하고 고준위방사성폐기물을 처분하는 개념으로, 경제성과 안전성에서 기존의 동굴식 처분개념에 비해 큰 장점을 가지고 있는 것으로 평가된다. 그러나, 아직까지 아이디어 수준이므로 국제사회에서 처분 안전성과 성능을 실증하기까지 시간이 꽤 걸릴 것이고, 규제기관의 지침 개발도 뒷받침되어야 하는 문제가 있다. 우리나라는 국토가 좁고 인구밀도가 높아 NIMBY (Not In My Back Yard) 현상이 강할 수 밖에 없고, 더불어 사용후핵연료 발생량도 적지 않아 매우 어려운 입지여건을 가지고 있다. 이러한 여건에서 연안 육지부보다는 대륙붕의 안정된 환경의 장점을 살려 연안 해저암반을 심부수평시추공처분 개념의 처분영역으로 활용한다면 해당 지역사회의 심리적인 불안감을 획기적으로 완화시킬 수 있고 처분 안전성도 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다. 더불어, 중앙집중식심부 동굴처분시설을 건설하는 경우에도 대륙붕을 활용하여 동일한 장점을 살리는 것을 고려해볼 필요가 있다.

제8차 전력수급기본계획에 근거하여 현재 운영중이거나 계획중인 원자력발전소에서 발생할 사용후핵연료의 양과 특성을 추정하였다. 본 연구에서 고려된 특성은 핵연료집합체에 대한 제원, 핵연료봉 배열, 235U 초기 농축도, 방출연소도, 냉각기간이다. 이들은 사용후핵연료 처분시스템을 설계하는데 필수적인 항목이다. 2082년까지 가압경수로 사용후핵연료의 예상발 생량은 약 62,500 다발로 추정되었다. 2018년 말까지 발생한 사용후핵연료 중 상대적으로 길이가 짧은 웨스팅하우스형 원전 연료가 약 60%, 상대적으로 길이가 50 cm 정도 긴 한국형 원전 연료가 약 40%를 차지하였다. 235U 초기 농축도 4.5 wt% 이 하를 갖는 사용후핵연료의 비율은 전체 발생량의 약 90%를 차지하였으며, 방출연소도는 98%의 물량이 55 GWd/tU 이하로 나타났다. 2077년을 기준으로 웨스팅하우스형 원전에서 발생한 사용후핵연료의 냉각기간은 50년 이상이 97% 정도를 차지하였으며, 본 논문에서 가정한 처분 완료시점인 2125년을 기준으로 한국형 원전에서 발생한 사용후핵연료의 냉각기간은 45 년 이상이 98% 정도를 차지하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 효율적인 처분시스템 설계를 위해 기준 사용후 핵연료는 제원적 특성을 고려하여 두 가지 형태로 설정하였으며, 웨스팅하우스형 원전 연료의 경우, 집합체 제원으로 KSFA, 초기 농축도 4.5 wt%, 방출연소도 55 GWd/tU, 냉각기간 50년으로, 한국형 원전 연료의 경우, 집합체 제원으로 PLUS7, 초기 농축도 4.5 wt%, 방출연소도 55 GWd/tU, 냉각기간 45년으로 설정하였다.

항공기 충돌사고는 1970년대부터 원자력발전소의 인허가에 중요하게 고려되어 온 외부 사건의 하나였다. 9.11 테러 이후 세계 각국에서는 사고로 인한 항공기 충돌에 더하여 의도된 항공기 충돌에 대비한 안전성 평가를 수행해오고 있으며 일부 국가에서는 이를 법제화하여 인허가의 중요한 요건으로 다루고 있다. 항공기 충돌에 대한 안전성 평가는 여러가지 요인으로 인하여 쉽지 않은 작업이며 보다 신뢰성 있는 평가를 위한 연구개발이 세계 각국에서 진행 중이다. 본 논문에서는 각국의 항공기 충돌에 대비한 안전성 평가 요건의 법제화 현황을 사고로 인한 충돌과 의도된 충돌의 경우로 분리하여 정리하였다. 다 양한 조건의 항공기 충돌에 대한 안전성 평가를 위하여 수행되어 온 연구 중 주요한 것들을 정리하였으며 특히 사용후핵연 료 건식저장시설에 대한 내용을 위주로 다루었다.

최근 국내에서 육상 및 해상을 통한 소외 정상운반 시 진동 및 충격하중에 대한 사용후핵연료의 건전성 평가 기술 개발이 수행되고 있다. 이와 관련된 국내 연구사례는 전무하여 기존에 진행된 또는 현재 수행중인 해외연구사례를 조사하여 국내 연구에 참고하고자 한다. 2000년 이전 과거 미국의 사용후핵연료의 정상운반 시 진동 및 충격하중 측정 관련 연구현황을 조사 하였고 2009년부터 미국국립연구소 주관으로 실시한 단축가진시험, 콘크리트블럭 트럭운반시험, 다축가진시험에 대해서 조사하였으며 2017년 미국 SNL, 스페인의 ENSA, 한국이 공동으로 수행한 복합운반시험을 상세히 조사하였다. 시험 준비과정, 절차, 가속도 및 변형률 측정결과, 유한요소 및 다물체동역학 해석과정 등이 조사되었다. 각 시험 별로 측정된 변형률 자료를 바탕으로 사용후핵연료 피로곡선과 비교한 결과 손상을 일으키기에는 매우 미미한 정도의 변형률이 발생한다는 초기 결론을 얻었음을 확인하였다. 하지만 현재 결론은 일부 결과만을 검토한 예비 결론으로 상세한 검토가 현재 미국에서 진행 중이다. 미국에서 지금까지 수행한 사용후핵연료의 정상운반조건에서의 진동 및 충격하중 측정과 관련하여 조사된 내용은, 국내 운반환경에서 사용후핵연료의 정상운반시험을 수행할 때 참고할만한 유용한 자료라 판단된다.

This study examined the safety of nuclear spent-fuel (NSF) transport casks against accidental puncture events. Finite element analyses were conducted according to the accident conditions in NUREG-1536 and RG 7.8, which specify 1-m parallel and vertical drops on a rigid rod that has 15-cm diameter and 20-cm height. We focused on the safety evaluation of the cask body, baskets, and canister based on ASME BPVC Section III, and evaluated whether these elements would undergo excessive fracture or puncture.

During the seven years from 2009 to 2016, PWR SNF (spent nuclear fuel) transportation and storage systems suitable for domestic conditions were developed by the government to cope with the saturation of wet storage capacity in NPPs. One of the developed systems is a multipurpose metal cask applicable for transportation/storage; the other is a concrete cask dedicated to storage. Efficient cask technologies were secured utilizing the characteristics and experience of relevant industrial, academic and research institutes. Technological independence was also achieved through several patent registrations of research outcomes. To prepare for a rapid increase of demand in the near future, technology transfer of secured patents and technologies to the domestic industry was carried out twice in the years of 2016 and 2017. This

A literature review on the effects of high temperature and radiation on radiation shielding concrete in Spent Fuel Dry Storage is presented in this study with a focus on concrete degradation. The general threshold is 95℃ for preventing long-term degradation from high temperature, and it is suggested that the temperature gradient should be less than 60℃ to avoid crack generation in concrete structures. The amount of damage depends on the characteristics of the concrete mixture, and increases with the temperature and exposure time. The tensile strength of concrete is more susceptible than the compressive strength to degradation due to high temperature. Nuclear heating from radiation can be neglected under an incident energy flux density of 1010 MeV·cm-2·s-1. Neutron radiation of >1019 n·cm-2 or an integrated dose of gamma radiation exceeding 1010 rads can cause a reduction in the compressive and tensile strengths and the elastic moduli. When concrete is highly irradiated, changes in the mechanical properties are primarily caused by variation in water content resulting from high temperature, volume expansion, and crack generation. It is necessary to fully utilize previous research for effective technology development and licensing of a Korean dry storage system. This study can serve as important baseline data for developing domestic technology with regard to concrete casks of an SF (Spent Fuel) dry storage system.

Bird screen meshes are installed at the air inlet and outlet ducts of spent fuel storage casks to inhibit the intrusion of debris from the external environment. The presence of these screens introduces an additional resistance to air flow through the ducts. In this study, a porous media model was developed to simplify the bird screen meshes. CFD analyses were used to derive and verify the flow resistance factors for the porous media model. Thermal analyses were carried out for concrete storage cask using the porous media model. Thermal tests were performed for concrete casks with bird screen meshes. The measured temperatures were compared with the analysis results for the porous model. The analysis results agreed well with the test results. The analysis temperatures were slightly higher than the test temperatures. Therefore, the reliability and conservatism of the analysis results for the porous model have been verified.

원자력발전소내 습식저장중인 사용후핵연료의 건식저장을 위해서는 캐니스터 내부에 사용후핵연료를 옮겨 담은 이후, 건 식저장 캐니스터 내장품이나 사용후핵연료 다발의 부식방지 및 피복관의 열화방지를 위해 모든 수분은 제거해야 한다. 캐 니스터 내부의 수분을 제거하는데 사용할 수 있는 기체강제순환 건조시스템 개발을 위한 연구개발이 진행중이다. 본 연구 에서는 기체강제순환 건조시스템 설계, 제작을 위한 예비설계를 수행하였다. 예비설계에는 캐니스터 내부 잔존수분 제거를 위한 건조사례조사, 건조관련 규격이나 표준, 건조합격기준, 건조장치구성, 현장요구분석, 습식저장중인 사용후핵연료 특성 을 포함하였다. 예비설계를 통하여 기체강제순환 건조시스템의 설계 개념도와 P&ID를 도출하였고, 이를 활용하여 건조시 스템 제작을 위한 상세설계를 수행할 것이다.

한국원자력환경공단에서는 국내 경수로 원전에서 발생된 사용후핵연료를 건식으로 저장할 수 있는 콘크리트 용기를 개발하 였다. 본 저장용기는 사용후핵연료가 건식환경에서 장기간 저장되는 동안 용기 및 사용후핵연료의 건전성이 유지되며, 방사 선량률이 저장시설의 설계기준을 초과하지 않도록 설계되어야 한다. 특히, 저장시설은 정상 및 사고조건에서 적절한 방사선 방호를 위한 차폐설계가 이루어져야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 미국 10CFR72 및 10CFR20의 기술기준과 NRC의 표준 심사지침 NUREG-1536에서 제시한 평가방법에 따라 건식저장조건하에서 단일 콘크리트용기 및 2×10 용기배열조건의 선 량율을 평가하였다. 평가결과, 일반인에 대한 연간선량 한도인 0.25 mSv를 만족하는 통제구역 경계까지의 거리는 약 230 m 로 도출되었다. 콘크리트 저장용기의 설계사고는 2×10 배열의 저장시설에서 한 개의 저장용기가 이송 중 전도사고가 발생 하여 용기의 바닥면이 통제구역 경계로 향하는 상황으로 가정하였다. 전도된 저장용기의 바닥면으로 부터 100 m 및 230 m 지점에서 각각 12.81 mSv 및 1.28 mSv로 평가되었다. 본 연구를 통해 건식저장조건에서 콘크리트 저장용기 및 저장시설은 적절하게 평가된 통제구역경계까지의 거리가 확보된다면 방사선적 안전성이 유지됨을 확인할 수 있었다. 본 평가결과만으 로 건식환경의 저장용기(시설) 설계에 직접 적용하기는 어렵겠으나, 향후‘국가 고준위폐기물 관리 전략’에 근거한 원전내 저장시설 또는 중간저장 시설의 설계 및 운영에 유용한 자료가 될 것으로 사료된다.