비순환 토륨핵연료 주기에 대한 핵특성 평가 = Evaluation of Nuclear Characteristics for Once-Through Thorium Fuel Cycle

국문 초록 (Abstract)

핵연료 성능 평가지수를 개발 응용하여 기존의 원자로 및 개발될 원자로에 적용함으로서 원자로와 핵연료의 설계 특성을 쉽게 파악할 수 있다. 또한 정량화된 수치로 특성을 비교함으로서 설계가 잘 되었는지 못 되었는지를 명확하게 판단할 수 있으며 설계의 초기단계에서 최적의 설계안에 용이하게 접근할 수도 있다. 개발된 여러 성능 평가지수는 기존 원자로의 상기 지표(증식, 핵변환, 핵확산 저항성, 방사성독성)에 대하여 정량적인 판별 기준을 제공하였다. 이미 개발된 지수들을 비교하여 본 연구 목적에 맞는 지수들을 제안하였으며, 기존 상업용 경수로와 비순환 토륨 핵연료 주기에 적용하여 설계안 별로 지수의 결과치를 비교함으로써 설계의 우수성을 비교할 수 있었다. 특성 비교 계산은 노심 전체를 모의하는 대신, 각 원자로 환경에서의 핵연료 집합체 운전 조건만을 평형주기에 대해 HELIOS 코드로 모의 계산하였다.
핵주기 특성을 핵연료 증식성, 핵확산 저항성, 핵변환 특성, 방사선 위해도에 대하여 평가한 결과 다음과 같은 특징을 얻었다. 첫째, 핵연료 증식성에 있어 토륨 핵연료를 사용하는 블랭킷에서 핵분열성 물질 총량 변화비율(Overall Fissile Inventory Ratio, FIR)과 핵분열성 물질 이득(Fissile Gain, FG)에서 기존 상업로보다 높은 값을 가졌다. 둘째, 임계질량(Bare Critical Mass, BCM), 자발 핵분열 중성자원(Spontaneous Fission Neutron Source, SNS), 열량방출(Thermal Generation, TG)로 토륨 핵연료를 활용한 블랭킷이 핵확산 저항성에 있어 유리한 것을 확인하였다. 셋째, 핵변환과 방사선 위해도 평가에서 토륨 핵연료 주기가 기존 상업로에 비해 상대적으로는 짧은 유효핵분열 반감기(Effective Fission Half-Life, EFHL)와 낮은 방사성독성을 갖는다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A variety of performance indices of fuel assembly design for an advanced reactor concept were reviewed and developed. These indices are used to measure the nuclear characteristics in fuel cycle economics, proliferation resistance, radio-toxicity burden and environmental adaptability. A direct comparison of calculated indices was done for 5 types of fuel and reactors: PWR, CANDU, Radkowsky Thorium Fuel(RTF), High-Converting Pressure-tube type LWR( HCPLWR) and Kyunghee Thorium Fuel(KTF). It was found that the proposed indices were easy to apply in nuclear design procedures.
Conversion ratio was measured by fissile inventory ratio(FIR) and fissile gain(FG). Proliferation resistance of plutonium composition from spent fuels was measured by bare critical mass(BCM), spontaneous fission neutron source rate(SNS), and thermal heat generation rate(TG). For the evaluation of long-lived minor actinide transmutation was measured by effective fission half-life(EFHL). Evaluation of radioactive toxicity was done by time-integral radio-toxicity(IS, IL). It was found that proposed indices were easy to apply in nuclear design procedures.
Two-dimensional calculation for the assembly-wise unit module showed each parameter values.

목차 (Table of Contents)

• 요약 = i
• 목차 = ii
• 표목차 = v
• 그림목차 = vi
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 = 1
• 1.2 연구 목적 = 3
• 1.3 연구 범위 및 내용 = 4
• 1.4 국내·외 기술 개발 현황 = 6
• 1.4.1 국내 기술개발 현황 = 6
• 1.4.2 국외 기술개발 현황 = 7
• 1.4.2.1 일본 TIT의 Prof. Sekimoto의 연구 내용 = 7
• 1.4.2.2 일본 TIT의 Dr. Kitamoto 연구팀의 연구 내용 = 9
• 1.4.2.3 미국 LANL의 Dr. Beller 연구팀의 연구 내용 = 12
• 제2장 핵연료주기 특성 평가 지수 = 15
• 2.1 핵연료 증식성 = 16
• 2.1.1 핵연료 증식 지수 개발 방향 = 16
• 2.1.2 핵연료 중식성 평가 지수 = 16
• 2.2 핵확산 저항성 = 19
• 2.2.1 핵확산 저항성 지수 개발 방향 = 19
• 2.2.2 핵확산 저항성 평가 지수 = 19
• 2.2.2.1 임계질량 = 20
• 2.2.2.2 자발 핵분열 중성자원 = 20
• 2.2.2.3 열량방출 = 21
• 2.3 핵변환 가능성 = 23
• 2.3.1 핵변환 가능성 지수 개발 방향 = 23
• 2.3.2 핵변환 가능성 평가 지수 = 25
• 2.3.2.1 유효 핵분열 반감기 = 25
• 2.3.2.2 핵변환율 = 27
• 2.3.2.3 F/T Ratio와 Dj = 32
• 2.4 방사선 위해도 = 35
• 2.4.1 방사선 위해도 지수 개발 방향 = 35
• 2.4.2 방사선 위해도 평가 지수 = 35
• 2.4.2.1 방사성 독성 지수 = 36
• 2.4.2.2 시간 적분 방사성 독성 지수 = 38
• 2.4.2.3 지수 계산 방법 = 40
• 2.5 종합적인 평가 지수 = 44
• 2.5.1 종합 평가 지수 개발 방향 제안 = 44
• 2.5.2 핵안전성 종합 평가 지수 = 47
• 제3장 HCPLWR 설계안 핵특성 평가 =49
• 3.1 HCPLWR 설계안 소개 = 49
• 3.2 HCPLWR 설계안 평가 결과 = 52
• 3.2.1 핵연료 증식성 = 52
• 제4장 KTF 설계안 핵특성 평가 = 60
• 4.1 KTF 설계안 소개 = 60
• 4.2 KTF 설계안 평가 결과 = 62
• 4.2.1 핵연료 증식성 = 62
• 4.2.2 핵확산 저항성 = 63
• 4.2.3 핵변환 가능성 = 64
• 4.2.4 방사선 위해도 = 66
• 제5장 결론 = 69
• 참고문헌 = 70
• ABSTRACT = 72