사용후핵연료 건식저장을 위한 기체강제순환 건조 유로 결정 연구

국문 초록 (Abstract)

국내 운영중인 원자력발전소의 가동년수 증가에 따라 사용후핵연료 발생 및 저장량은 매년 증가추세로서, 고리 및 한빛 원전의 경우 2024년에 사용후핵연료 저장공간의 포화가 예상되어 원자력발전소의 정상가동과 국내 전력수급에 막대한 영향을 줄 수 있다. 저장공간의 확충을 위하여 정부에서 마련중인 고준위방사성폐기물관리를 위한 기본계획이 확정된다면, 중간저장시설 건설 이전까지 원자력발전소내에 단기 건식저장시설이 설치, 운영될 것으로 예상된다. 원자력발전소 수조내 습식저장중인 사용후핵연료의 건식저장을 위해서는 수분에 의한 건식저장용기 내장품의 재료부식이나 사용후핵연료 피복관 열화손상방지를 위한 건조과정이 필수적이다. 국내 경수로형 사용후핵연료의 건식저장을 위해 활용 가능한 건조기술은 진공건조에 의한 방법과 기체강제순환에 의한 건조방법이다. 진공건조방법은 건식저장이 일반화된 해외 선진국이 저연소도 사용후핵연료 건조에 적용한 방법으로, 국내 원전 운영 초기에 발생하여 습식저장조내 보관관리중인 저연소도 사용후핵연료의 대부분을 건조하는데 적용할 수 있을 것으로 판단된다. 2000년대 초반부터 장주기운전 등의 원전연료 이용률 향상에 따라 고연소도 사용후핵연료가 발생하였고, 향후로도 그 발생량이 지속적으로 증가할 것으로 예상되는데, 이에 대한 건식저장이 이루어질 경우에는 기체강제순환 건조기술의 적용성 및 활용성이 클 것이다. 진공건조방법에 비해 사용후핵연료 피복관의 온도상승률을 낮출 수 있고, 건식저장기간중 사용후핵연료 피복관의 열화손상확률을 낮추며, 건조소요시간 단축효과를 갖는 것으로 알려진 기체강제순환 건조기술과 피복관의 건조영향성에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 국내외 개발된 경수로형 건식저장시스템의 사용후핵연료다발을 저장하는 캐니스터 내부구조가 복잡다양하고, 캐니스터 하부에 대부분 잔존할 수 있는 수분의 제거에 효과적인 기체순환 건조유로 결정 방법을 연구하였다. 원자력발전소 사용후핵연료 저장수조로 부터 건식저장을 위해 인출한 사용후핵연료 다발을 적재한 캐니스터 내부 건조시, 캐니스터 하부 바닥 잔류수와 사용후핵연료 다발 및 내부구조물에 잔존하는 수분 제거는 캐니스터 상부 뚜껑에 설치된 배수구와 배기구 및 캐니스터 내부를 통과하는 형태로 형성된 기체순환 건조유로에서 발생하는 열유체역학적 현상에 의해 이루어진다. 캐니스터를 3차원적으로 모델링하여 전산유체역학적 방법으로 실시한 해석결과로부터, 캐니스터 내부구조물은 강제 순환하는 건조유체의 유속을 감소시키고, 건조유로형성에 방해요인으로 작용하며, 배수구를 통해 캐니스터 내부의 물을 배수하는 배수공정과는 반대로 기체강제순환 건조시에는 내부구조물의 복잡성에 관계없이 배수구를 통해 건조기체를 주입하고, 캐니스터 내부를 지나 배기구 방향으로 순환하는 건조유로를 형성토록 하는 것이 건조에 효과적임을 확인하였고, 건조가 잘 되도록 하는 운전조건을 도출하였다. 연구결과는 기체강제순환건조 방법이 진공건조 방법에 비해 캐니스터 하부수에 대한 증발 저항성이 크다는 단점을 보완할 수 있는 건조운전시 건조유로 결정 방법을 제시한 것이며, 기체강제순환 건조운전절차 수립에 활용될 수 있다.