Because most spent nuclear fuel storage casks have been designed for low burnup fuel, a safety-significant high burnup dry storage cask must be developed for nuclear facilities in Korea to store the increasing high burnup and damaged fuels. More than 20% of fuels generated by PWRs comprise high burnup fuels. This study conducted a structural safety evaluation of the preliminary designs for a high burnup storage cask with 21 spent nuclear fuels and evaluated feasible loading conditions under normal, off-normal, and accident conditions. Two types of metal and concrete storage casks were used in the evaluation. Structural integrity was assessed by comparing load combinations and stress intensity limits under each condition. Evaluation results showed that the storage cask had secured structural integrity as it satisfied the stress intensity limit under normal, off-normal, and accident conditions. These results can be used as baseline data for the detailed design of high burnup storage casks.

A transfer cask serves as the container for transporting and handling canisters loaded with spent nuclear fuels from light water reactors. This study focuses on a cylindrical transfer cask, standing at 5,300 mm with an external diameter of 2,170 mm, featuring impact limiters on the top and bottom sides. The base of the cask body has an openable/closable lid for loading canisters with storage modules. The transfer cask houses a canister containing spent nuclear fuels from lightweight reactors, serving as the confinement boundary while the cask itself lacks the confinement structure. The objective of this study was to conduct a structural analysis evaluation of the transfer cask, currently under development in Korea, ensuring its safety. This evaluation encompasses analyses of loads under normal, off-normal, and accident conditions, adhering to NUREG-2215. Structural integrity was assessed by comparing combined results for each load against stress limits. The results confirm that the transfer cask meets stress limits across normal, off-normal, and accident conditions, establishing its structural safety.

Spent nuclear fuel (SNF) characterization is important in terms of nuclear safety and safeguards. Regardless of whether SNF is waste or energy resource, the International Atomic Energy Agency (IAEA) Specific Safety Guide-15 states that the storage requirements of SNF comply with IAEA General Safety Requirement Part 5 (GSR Part 5) for predisposal management of radioactive waste. GSR Part 5 requires a classifying and characterizing of radioactive waste at various steps of predisposal management. Accordingly, SNF fuel should be stored/handled as accurately characterized in the storage stage before permanent disposal. Appropriate characterization methods must exist to meet the above requirements. The characterization of SNF is basically performed through destructive analysis/non-destructive analysis in addition to the calculation based on the reactor operation history. Burnup, Initial enrichment, and Cooling time (BIC) are the primary identification targets for SNF fuel characterization, and the analysis mainly uses the correlation identified between the BIC set and the other SNF characteristics (e.g., Burnup - neutron emission rate) for characterizing. So further identification of the correlation among SNF characteristics will be the basis for proposing a new analysis method. Therefore, we aimed to simulate a SNF assembly with varying burnup, initial enrichment, and cooling time, then correlate other SNF properties with BIC sets, and identify correlations available for SNF characterization. In this study, the ‘CE 16×16’ type assembly was simulated using the SCALEORIGAMI code by changing the BIC set, and decay heat, radiation emission characteristics, and nuclide inventory of the assembly were calculated. After that, it was analyzed how these characteristics change according to the change in the BIC set. This study is expected to be the basic data for proposing new method for characterizing the SNF assembly of PWR.

Recently, the deep geological disposal system isolating a spent nuclear fuel (SNF) is considered a disposal method of high-level radioactive waste for the safety of humans or the natural environment. The one of important requirements for maintaining the thermal stability of these systems is that the temperature of the buffer does not exceed 100°C even though the decay heat is emitted from highlevel radioactive wastes loaded in the disposal container. In 2007, a deep geological disposal system based on the Swedish disposal concept was developed for the SNF in Korea. To respond to the development process, the thermal stability of the deep geological disposal system developed for the disposal of domestic pressurized light water reactor (PWR) SNFs with discharged burn-up of 55 GWD/MTU was evaluated in 2019. The thing is that the recent fuel activity is pursuing to operate further high burn-up fuel conditions, and it leads to emergency core cooling system (ECCS) revision for extending the license for up to 60 or more than 60 GWD/MTU in the world. In this regard, this study evaluates numerically the thermal stability of the deep geological disposal system for the high burn-up PWR SNF having large decay heat compared to previous conditions for two different length disposal containers classified according to the length of PWR SNFs discharged from domestic nuclear power plants. A finite element analysis using a computational program was used to evaluate the thermal design requirements. Results show that both types of disposal containers would increase the temperature which reduces or fails to meet the safety margin of the disposal system. This study suggests that the design of the previous disposal system is needed to be further developed for the high burn-up PWR SNF which would be used in future nuclear power plant systems.

The manufactured nuclear fuel assembly is loaded into the nuclear reactor after the core design, and is finally discharged to the wet storage pool after depletion for 3 cycles. The discharged spent nuclear fuel is transported and stored in a dry storage system at the on-site of the nuclear power plant, which is cooled by natural convection, and undergoes final disposal or reprocessing through an intermediate dry storage facility. In this series of processes, the characteristics of the final product, the spent fuel, vary depending on the environmental conditions, so it is essential to manage each history data to verify the long-term integrity of the spent nuclear fuel. In this paper, safety information on spent nuclear fuel is described in order to establish technical requirements that should be considered in each stage of storage, transport, reprocessing, and disposal of spent nuclear fuel. Comprehensive safety information on spent nuclear fuel is basically calculated from basic information that considers characteristic information that can be obtained through the manufacture and design of nuclear fuel assemblies, operation history in a nuclear reactor, and location history in a wet storage pool. It can be divided into secondary production information (SF Burnup, Nuclide Inventory, etc.) and tertiary integrity-related information obtained through cladding inspection during spent fuel storage. KHNP produces this multi-layered information according to the production stage and manages it through the comprehensive management system of the spent nuclear fuel, and safety information with some errors is not only improved through re-verification but also continuously updated. In this paper, the spent nuclear fuel safety information was derived based on various information calculated in the entire process of being discharged and managed in a wet storage pool, including new fuel manufacturing information and depletion history. Such safety information will be used as basic data for long-term safe management of spent nuclear fuel, and will be continuously produced and managed. In the future, additional discussions will be held on the safety information of the spent nuclear fuel through consultation with KORAD and regulatory agencies.

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.

본 논문은 국내 원전의 습식저장조에 저장 중인 경수로형 사용후핵연료를 금속겸용용기를 이용해 건식으로 운영하기 위한 운영공정을 개발하는 것이다. 국내 경수로형 원전의 사용후핵연료는 1990년대 초부터 습식으로 소내에서 운반을 한 경험은 많으나 건식으로 운전한 경험은 전혀 없는 실정이다. 이에 따라 금속겸용용기를 운영할 수 있는 세부 운영공정을 개발하 였으며 주요 운영공정에서 금속겸용용기의 주요 구성품 및 사용후핵연료의 안전성이 유지됨을 확인하였다. 단기운영공정은 총 21시간 내에 이루어지도록 절차를 수립하였고 단계별로 허용운전 시간(15시간 습식공정, 3시간 배수공정, 그리고 3시간 진공공정)도 제시하였다.

최근 국내 원전의 경수로 사용후핵연료 습식 저장시설의 포화시점이 다가옴에 따라 운반 및 저장용기를 이용한 건식저장시스템 개발이 활발하게 수행되고 있다. 일반적으로 사용후핵연료 운반 및 저장용기 설계를 위한 차폐해석 시 장전 가능 연료 중 가장 보수적인 연료를 설계기준연료로 선정하여 해석을 수행한다. 그러나 실제 금속 운반용기에 장전되는 사용후핵연료 는 해석평가에 적용된 설계기준연료에 한정되지 않고 다양하기 때문에 초기농축도, 연소도, 최소냉각기간의 특성을 고려한 차폐평가를 통하여 장전가능 여부가 결정된다. 이에 본 연구에서는 금속 겸용용기에 장전 가능한 연료를 대상으로 국내 운반기준을 만족하는 최소냉각기간의 결정을 위한 차폐해석 방법을 기술하였다. 특히 발생량이 많은 초기농축도 3.0~4.5wt% 의 사용후핵연료는 차폐해석 구간을 세분화하여 평가하여 연구결과의 활용에 효율성을 높이고자 하였다. 차폐평가를 통해 2008년까지 국내 원전에서 발생한 장전대상연료 중 약 81%의 사용후 핵연료를 금속겸용용기로 운반할 수 있는것으로 평가 되었다. 본 연구결과를 통해 금속 겸용용기의 운반조건에 장전 가능한 연료의 특성을 제시함으로써 운반 시 운영절차의 개 발을 위한 기술적 근거 수립에 도움이 되고자 한다.

한국원자력환경공단에서는 국내 경수로 원전에서 발생한 사용후핵연료를 건식으로 저장하기 위하여 안전성을 최우선으로 국내/외 기술기준을 준수하여 금속겸용용기를 개발하였다. 이러한 금속용기는 50년 동안 주요 안전성요소(구조, 열제거, 격납, 임계방지, 방사선차폐 등)에 대한 건전성을 유지하고, 운영기간 중 유지보수 과정에 폐기물의 발생을 최소화 하고 이를 안전하게 관리할 수 있도록 설계하였다. 본 논문은 설계수명이 종료된 금속용기 본체 및 내/외부 구조물에 대한 방사화 평가를 통해 정량적인 방사능 재고량에 대한 정보를 제공한다. 본 논문에서는 금속용기 본체 및 구성품의 방사화 방사능 재고량은 MCNP5·ORIGEN-2 평가체계를 이용하여 계산하였으며, 각 구성품의 화학조성, 중성자속 분포, 반응률 및 저장기간 동안 중성자조사 기간을 반영하여 평가하였다. 평가결과, 설계수명 이후 10년 경과시 모든 금속재질에서 60Co의 방사능이 기타 핵종들에 비하여 가장 큰 방사능을 띄는 것으로 나타났으며, 중성자차폐체인 수지에서는 수명직후 28Al 및 24Na등의 고에 너지 감마선을 방출하는 핵종은 반감기가 짧아 0.5년 이후에는 무시할 수 있는 수준으로 나타났다. 또한, 사용후핵연료 제거 후 캐니스터 및 금속용기 본체에 대한 표면 선량률 평가결과, 상당히 낮은 값을 나타내어, 해체 시 작업자가 받는 피폭선량은 무시할 수 있는 수준으로 평가되었다. 본 평가방법은 사용후핵연료 금속겸용용기 해체 시 계획의 수립 및 해체작업 종사자의 피폭선량 예측, 방사성폐기물의 관리/재활용 등의 기본자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

국가 주도로 2009년부터 개발중인 경수로 사용후핵연료 건식저장시스템은 금속 겸용용기와 콘크리트 저장용기의 두 가지 방식이다. 국외 건식저장시설 운영 시 주요 격납감시 방안으로는 금속 겸용용기인 경우 이중 뚜껑 사이에 압력센서를 설치 하여 실시간 압력변화를 감시하는 방법이 있고 콘크리트 저장용기의 경우는 캐니스터 기반으로 주요 격납 경계인 뚜껑을 이중으로 용접하는 방식으로 구조물(over pack 또는 module)의 공기 유로인 입구 및 출구에 대한 온도 변화를 감시하는 방 법으로 격납을 관리하는 것으로 나타났다. 미국, 독일 등 30 년 이상 안정적으로 저장시설을 관리한 국가의 다양한 적용기 술 및 운영사례를 조사/분석하여 우리가 개발중인 저장시스템에 적용할 수 있는 격납감시 방안을 도출하는데 활용할 수 있 도록 하였다.