As the use of nuclear energy has been expanded, issues in a spent nuclear fuel management are raised. Several methods have been proposed and developed to manage spent fuels safely and efficiently. One method is to reduce environmental burden in disposal of spent fuels by decreasing volume of high-level waste. A nuclides management process (NMP) is one example. Through this novel process, it is able to separate highly mobile nuclides (ex. iodine, krypton), high thermal emission nuclides (ex. strontium, barium), and optionally, uranium from spent fuels. Since the NMP is a back-end fuel cycle technology, a reliable safeguards system should be employed in the facility. As international atomic energy agency (IAEA) recommends safeguards-by-design (SBD), it is desirable to investigate an appropriate safeguards approach at a step of technology development. Process monitoring (PM) is a complemental safeguards technology for traditional safeguards technologies which based on mass balance. PM traces nuclear materials indirectly but consecutively by using process parameters such as temperature, pressure, and flow of fluid. These parameters are obtainable by installing appropriate sensors. In a respect of SBD, PM is a promising approach to achieve the safeguards goal, the timely detection of diversion of a nuclear material. However, it is necessary to classify useful process parameters from all available signals which provided from PM in order to properly utilize PM. In this study, we investigated application methods of the PM approach to NMP. NMP consists of several unit processes in series. Firstly, we inspected a principle and a feature of each unit process. Based on the results, we evaluated applicability of the PM approach to each unit process according to effectiveness in enhancing safeguardability. Several unit processes were expected that their safeguards are able to be enhanced by using certain process parameters from PM.

As an alternative technology for the efficient disposal of spent nuclear fuel, various process flows can be selected based on the recovered and separated radioactive nuclide group. This is to examine the efficiency of the disposal area of spent nuclear fuel when various disposal technologies and several treatment processes are applied to spent nuclear fuel, compared to the deep geological disposal of burying the entire spent fuel in the ground. Above all, the biggest advantage of the optional treatment processes is that it can be applied to various disposal methods (deep borehole disposal, deep geological disposal) because it can process spent fuel in various sizes and separate into some groups according to the properties of radionuclides. These optional processes are not new technology and currently available as of today, and the level is classified based on the stepwise separation of high heat emission nuclides and long half-life nuclides. This is to increase the efficiency of the disposal of spent nuclear fuel by separating and managing high-risk radionuclides separately. Relatively various optional processes are possible depending on the level, and characteristic analysis is performed on wastes treated with alternative technologies. The mass balance for each option process is completed, and the amount of waste is also calculated accordingly. These are used as basic data for waste disposal area and economic evaluation. Besides it is easy to process spent fuel of various sizes suitable for deep geological disposal or deep borehole disposal technology when an optional treatment technology is applied to spent fuel. However, since this selective process is based on the process structure constructed in a broad framework, it is considered that additional follow-up studies are needed not only on detailed technology but also on the flow and amount of waste.

A full-scale process has been developed to immobilize fission products that accumulate within the Mark IV electrorefiner (ER) electrolyte at Idaho National Laboratory. ER salt was blended with treatment additives, followed by pressureless consolidation (PC) in a furnace to produce a durable ceramic waste form (CWF). The goal is the development of a process to consolidate actual radioactive ER salt into a form suitable for transportation and disposal.Four batches (300 to 400 kg per batch) of full-scale pre-qualification material preparation runs have been prepared. From these four batches of nonradioactive salt-loaded surrogate material, three full-scale PC trials have been conducted. The first PC test run, established equipment parameters with a basic CWF container design. The second trial included a modified CWF container design, real-time measurement of CWF consolidation, and an audio recording to identify cracking during the CWF cool-down. During the third trial, salt was doped (from the fourth material preparation batch) to create a nonradioactive salt material and to more closely represent actual ER salt. The second and third trials were also used to validate a model developed for the CWF. The CWF model is beneficial for understanding and predicting the physical processes that occur during the heat cycle. This would be particularly useful when the CWF is located in a hot cell, which makes accessing and examining a CWF difficult.

상용원자로에서 발생하는 산화물 사용후핵연료의 부피감용과 재활용을 위하여 산화물을 금속으로 환원시 키는 공정에 대한 연구가 수행되어 왔다. 다양한 환원법 중에서, 한국원자력연구원은 LiCl-Li2O 용융염을 반 응매질로 사용하는 전해환원공정을 현재 개발 중이다. 파이로 공정의 전단부에 해당하는 전해환원 공정은 PWR 산화물 연료 주기를 소듐냉각 고속로의 금속연료 주기에 연결시켜 준다. 이 논문은 금속전환 공정을 개 발/개선하고, 용량 증대를 수행한 한국원자력연구원의 노력을 요약한다.

전세계 주요 원자력선진국들의 사용후핵연료 처리에 대한 기술 및 정책현황을 알아보고 향후 우리나라의 연구방향을 제시해 보았다. 재처리 정책을 가진 소위 핵연료주기 국가들은 최근 선진핵 연료주기기술에 기초한 새로운 사용후핵 연료 관리정책을 발표하였다. 그 정책은 사용후핵연료 내에 함유된 우라늄 또는 초우란 원소들을 재순환하고 고독성의 방사성 물질 및 장반감기를 가진 물질들을 소멸하거나 단반감기 원소로 변환하는데 초점을 맞추고 있다. 이러한 정책은 원자력의 자원 활용성을 높일 뿐만 아니라, 영구 처분할 고준위폐기물의 양을 감소시켜 궁극적으로 원자력의 지속가능성을 높여 준다. PUREX 방법에 기초한 습식재처리를 우선순위로 선택한 대부분의 국가들은 이 습식방법이 건식방법에 비해 실용화에 앞서 있음을 그 선택 의 근거로 든다. 그러나 습식방법은 건식에 비해 핵확산저항성 측면에서 더욱 민감하다. 왜냐하면 이 습식방법은 약간의 공정수정에 의해 순수 플루토늄을 회수 할 수 있기 때문이다. 반면에 아직까지 실용화 단계까지는 도달해 있지 않지만 고온 용융염을 사용하는 Pyroprocess와 같은 건식처리 방법은 순수한 플루토늄을 회수 할 수 없어서 핵비확산성 측면에서 유리하며, 제4세대 원자로로 고려되는 고속로의 핵연료주기 등에도 여러 가지 이점을 가지고 있다. 따라서 우리나라의 경우 현재 이 Pyroprocess에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

고연소도 경수로사용후핵연료를 이용하여 voloxidation 및 소결 열처리 공정으로부터 세슘의 시간에 따른 방출 거동을 실험적으로 평가하였다. 사용후핵연료 voloxidation 공정에서는 fragment 형태의 시편을 사용하여 최대 의 산화 및 환원 분위기에 따른 세슘 방출 거동을 상호 비교하였으며, 소결 공정에서는 압분체를 이용하여 4% H2/Ar 환원분위기 에서 열처리 온도 변화에 따른 세슘방출 특성 변화를 분석하였다. 산화 분위기에서 fragment 형태의 사용후핵연료로부터 세슘 방출 온도 구간은 였으며, 환원 분위기에서 압분체로부터 방출 온도 구간은 로서, 산화에 의한 사용후핵 연료의 분말화가 세슘 방출 거동에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 아울러 사용후핵 연료로부터 세슘 방출 거동에 영향을 미치는 주요 인자는 사용후핵 연료내 세슘 화합물의 화학적 형태뿐만 아니라 결정립 및 핵연료 표면으로의 확산 속도에 지배를 받음을 알 수 있었다.

한국원자력연구소에서는 현재 사용후핵연료의 효율적인 관리를 위한 차세대관리 종합공정의 실증용 핫셀을 건설중에 있다. 이 핫셀에서 모든 물품의 반출입은 후면 차폐문을 통해 이루어지므로 차폐문의 사용빈도가 매우 크며, 따라서 후면 차폐문의 구조적 안전성 유지가 필수적이다. 본 논문에서는 핫셀의 후면 차폐문에 대한 구조적 안전성을 유한요소 해석을 통해 평가하였다. 후면 차폐문을 닫을 때 벽면의 차폐문틀과 충돌하면서 발생하는 구조적 변형 에 대한 안전성 평가를 위해 이 상황을 충돌-접촉 문제로 가정하고 동적 해석을 수행하였다. 또한 충돌시 반력에의한 후면 차폐문의 전도 가능성 및 이동중 갑작스럽게 정지할 경우 관성에 의한 전도 가능성에 대해서도 해석을 수행하였다. 해석 결과를 통해 차폐문과 차폐문틀 모두 충돌에 의한 구조적 변형에 대해 충분히 안전함을 확인할 수 있었으며, 여러 사고 조건에 대해서도 후면 차폐문의 전도가 일어나지 않고 안정성을 유지함을 보였다.

한국원자력연구소에서는 현재 사용후핵연료의 효율적인 관리를 위한 차세대관리 종합공정 (ACP)의 실증용 핫셀을 건설중에 있다. 본 논문에서는 핫셀 내부의 리어도어(rear door)와 만나는 부분에 설치될 작업대(working table)의 구조적 안전성을 유한요소 해석을 통해 평가하였다. 이 부분의 작업대는 물품들의 반출입을 위해 개폐식으로 설계되었기 때문에 다른 작업대에 비해 지지 부위가 적으므로 구조적 안전성 평가가 반드시 필요하다. 핫셀을 가동할 때 작업대 위에 공정 장치들을 반입하거나 핫셀 크레인을 사용해 적재하게 되므로, 안전성 평가를 위해 정적 구조 해석과 동적 구조 해석들 함께 수행하였다. 해석 결과를 통해 두 경우 모두에 대해 개폐형 작업대가 구조적으로 충분히 안전함을 확인할 수 있었다. 또한 50 cm 낙하 충돌의 경우에도 작업대의 파손이나 붕괴가 일어나지 않고 안전성이 유지되었다.

사용후핵연료의 효율적인 관리를 위하여 원자력연구소에서 개발중인 사용후핵연료 차세대관리 종합공정(ACP)은 공정타당성연구 단계를 마치고 이의 실증을 위한 - type핫셀 건설 단계에 이르렀다. 핫셀의 설계에 앞서 사용후핵 연료를 취급하게 되는 과정에서 발생할 수 있는 방사능에 대한 환경영향평가를 정상운전 시와 사고발생 시로 나누어 수행하였다. 평가에 필요한 자료들은 공정의 개념설계 보고서와 최근 연구소부지 기상 테이터 및 부지특성 자료를 바탕으로 하였으며 기존의 유사한 시설에 대한 평가방법을 참조하였다. 각 핵종별 발생량과 방출량을 계산하여 피폭선량을 계산하였으며 평가결과 원자력법관련 규제기준과 핫셀이 위치하게 되는 IMEF 건물의 안전성분석 기준보다 매우 안전한 결과를 얻어 시설 운영에 대한 안전성을 확보하였다.