사용후핵연료

Spent nuclear fuel
원자력 발전소의 사용후 핵연료 저장조

사용후핵연료(used nuclear fuel)는 사용후핵연료로, 원자로(일반적으로 원자력 발전소에서)에서 조사된 핵연료다.그것은 더 이상 일반 열로에서 핵반응을 유지하는 데 유용하지 않으며, 핵연료 주기의 지점에 따라 상당히 다른 동위원소 성분을 가질 수 있다.[1]

사용후연료의 특성

나노물질 특성

산화연료에는 핵분열 생성물이 이동하게 하는 강도 높은 온도 구배가 존재한다.지르코늄은 온도가 가장 높은 연료 펠릿 중심부로 이동하는 경향이 있는 반면, 낮은 부글부글 끓는 핵분열 생성물은 펠릿 가장자리로 이동한다.펠릿은 사용 중에 형성되는 많은 작은 거품 같은 모공을 포함할 가능성이 높다; 핵분열 생성물 제논은 이러한 공극으로 이동한다.이 제논의 일부는 썩어 세슘을 형성할 것이고, 따라서 이 거품들 중 많은 것들은 많은 양의 C를 포함하고 있다.

혼합옥사이드(MOX) 연료의 경우 제논은 연료의 플루토늄이 풍부한 부위에서 확산되는 경향이 있으며, 그 후 주변 우라늄 이산화물에 갇히게 된다.네오디뮴은 이동성이 없는 경향이 있다.

또한 Mo-Tc-Ru-Pd 합금의 금속 입자가 연료에서 형성되는 경향이 있다.다른 고형물은 이산화 우라늄 알갱이 사이의 경계에서 형성되지만, 핵분열 생성물의 대다수는 고체 해결책으로 이산화 우라늄에 남아 있다.사용후 산화물 연료의 비방사성 "우라늄 활성" 시뮬레이션을 만드는 방법을 설명하는 논문이 존재한다.[2]

핵분열 생성물

질량의 3%는 U와 Pu의 핵분열 생성물(붕괴 사슬의 간접 생성물)로 구성된다. 이러한 생성물은 방사성 폐기물로 간주되거나 다양한 산업 및 의료 용도로 더 멀리 분리될 수 있다.핵분열 생성물은 아연에서 란타니드에 이르는 모든 원소를 포함한다. 핵분열 수율의 많은 부분은 두 번째 전환 행(Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag)에 한 개와 다른 하나의 주기율표(I, Xe, Cs, La, Ce, Nd)에 있는 두 개의 피크에 집중된다.핵분열 생성물의 상당수는 비방사선성 또는 단명 방사성 동위원소일 뿐이지만 상당수는 Sr, Cs, Tc, I와 같은 중간에서 장수의 방사성 동위원소일 뿐이다.핵분열 폐기물에서 희귀 동위원소를 분리하기 위한 연구는 재처리 비용을 상쇄하기 위한 방법으로 "배출 플라티노이드"(Ru, Rh, Pd)와 은(Ag)을 포함하며, 이는 현재 상업적으로 행해지고 있지 않다.

핵분열 생성물은 이산화 우라늄의 열 특성을 수정할 수 있다. 란타니드 산화물은 연료의 열전도도를 낮추는 경향이 있는 반면 금속 나노입자는 연료의 열전도도를 약간 증가시킨다.[3]

화학 데이터 표

이산화[4] 우라늄에서 핵분열 생성물의 화학적 형태
요소 가스 금속 산화물 고체 용액
BR 크르 네 - - -
Rb 네 - 네 -
SR - - 네 네
Y - - - 네
Zr - - 네 네
Nb - - 네 -
모 - 네 네 -
TC 루 RH 피디 AG cd 인 SB - 네 - -
Te 네 네 네 네
I 세 네 - - -
Cs 네 - 네 -
BA - - 네 네
라 CE Pr. ND PM sm Eu - - - 네

플루토늄

사용후 핵연료는 미국 워싱턴주 핸포드(Hanford) 부지에 수중에서 저장되고 미개봉된 핵연료

질량의 약 1%는 U 변환에 따른 Pu와 Pu로, 유용한 부산물 또는 위험하고 불편한 폐기물로 간주될 수 있다.핵 확산과 관련된 주요 관심사 중 하나는 이 플루토늄이 핵무기 국가로 이미 확립된 국가들이 핵무기를 생산하기 위해 사용되는 것을 막는 것이다.원자로를 정상적으로 사용했다면 플루토늄은 무기 등급이 아닌 원자로 등급으로 19% Pu와 80% Pu 미만이 들어 있어 폭탄 제조에 이상적이지 않다.조사 기간이 짧다면 플루토늄은 무기급(93% 이상)이다.

우라늄

질량의 96%는 남아 있는 우라늄이다: 대부분의 원래의 U와 약간의 U. 보통 U는 질량의 0.8% 이하와 0.4%가 된다.

재처리된 우라늄은 자연에서 발견되지 않는 U를 포함할 것이다; 이것은 사용후 원자로 연료의 지문으로 사용될 수 있는 하나의 동위원소다.

토륨 연료를 사용하여 핵분열성 U를 생산할 경우 SNF(Spent Nuclear Fuel)는 159,200년의 반감기를 갖게 된다(화학 공정에 의해 사용후 핵연료에서 이 우라늄을 제거하지 않는 한).U의 존재는 사용후 연료의 장기 방사능 붕괴에 영향을 미칠 것이다.만약 MOX 연료와 비교한다면, 토륨이 있는 주기에서 약 100만 년의 활동량은 완전히 썩지 않은 U가 존재하기 때문에 더 높을 것이다.

천연 우라늄 연료의 경우, 핵분열성분은 천연 우라늄에서 0.7% U 농도에서 시작한다.방전 시 총 핵분열성분은 여전히 0.5%(0.2% U, 0.3% Fissile Pu, Pu)이다.연료는 핵분열 물질이 완전히 소모되었기 때문이 아니라 중성자 흡수 핵분열 생성물이 축적되어 핵반응을 지속할 수 있는 능력이 현저히 떨어지기 때문이다.

일부 천연 우라늄 연료는 마그녹스와 같이 화학적으로 활성 피복재를 사용하며 장기간 보관과 폐기가 어렵기 때문에 재처리할 필요가 있다.[5]

부액티니데스

사용후 원자로 연료는 경미한 방사능 물질의 흔적을 포함하고 있다.이것들은 우라늄과 플루토늄이 아닌 다른 활성 물질이며 넵투늄, 아메리슘, 큐륨을 포함한다.형성되는 양은 사용된 연료의 성격과 사용 조건에 따라 크게 달라진다.예를 들어, MOX 연료(239U 매트릭스에서의 Pu)의 사용은 우라늄/토륨 233기반 연료(Th 매트릭스에서의 U)보다 더 많은 Am과 더 무거운 핵종을 생산하게 될 가능성이 있다.

해양 원자로와 연구용 원자로에 사용되는 고농축 연료의 경우, 동위원소 재고량은 코어 내 연료 관리 및 원자로 운용 조건에 따라 달라질 것이다.

사용후연료 붕괴열

두 개의 상이한 상관 관계를 사용하여 0시 최대 출력에서 SCRAM 처리된 원자로의 최대 출력 비율로 붕괴열 발생
주요 기사:붕괴열

원자로가 정지되고 핵분열 연쇄반응이 중단되었을 때, 핵분열 생성물의 베타 붕괴로 인해 연료에서 상당한 양의 열이 여전히 생성될 것이다.이 때문에 원자로 정지 순간에 원자로가 길고 일정한 전력 이력을 가졌을 경우 붕괴열은 이전 노심전력의 약 7%가 된다.셧다운 후 약 1시간이 지나면 붕괴열은 기존 노심전력의 약 1.5%가 된다.하루가 지나면 붕괴열은 0.4%로 떨어지고, 일주일이 지나면 0.2%가 된다.붕괴열 생산률은 시간이 지남에 따라 서서히 감소할 것이다.

원자로에서 제거된 사용후연료는 일반적으로 냉각시키고 방사능으로부터 차폐를 제공하기 위해 (일부 현장에서는) 1년 이상 동안(일부 현장에서는) 물이 채워진 사용후연료 저장조에 저장된다.실용적인 사용후 핵연료 저장조 설계는 일반적으로 수동 냉각에 의존하지 않고 오히려 열 교환기를 통해 물을 능동적으로 펌핑해야 한다.비상 상황으로 인해 능동 냉각이 장기간 중단될 경우 사용후 핵연료 저장조의 물이 끓어 방사성 원소가 대기 중으로 방출될 수 있다.[6]

연료 구성 및 장기 방사능

주요기사 : 장수 핵분열 생성물
세 가지 연료 유형에 대한 U-233의 활동.MOX의 경우 U-233은 U-235에 의해 중성자 흡수에 의해 원자로에서 생성된 Np-237의 붕괴에 의해 생성되기 때문에 처음 65만 년 동안 증가한다.
세 가지 연료 유형에 대한 총 활성도.지역 1에서는 단명 핵종에서 방사선을 방출하고, 지역 2에서는 Sr-90과 Cs-137에서 방사선을 방출한다.맨 오른쪽에는 Np-237과 U-233의 붕괴가 보인다.

원자로에서 다른 연료를 사용하면 활동 곡선이 다양한 SNF 구성이 달라진다.

특히 연료주기의 후방 끝에서 발생하는 장수명 방사성 폐기물은 SNF에 대한 완전한 폐기물 관리 계획을 설계할 때 관련된다.장기 방사성 붕괴를 볼 때 SNF의 액티나이드는 특성적으로 긴 반감기로 인해 상당한 영향을 미친다.원자로가 무엇으로 연료를 공급받느냐에 따라 SNF의 액티나이드 구성이 달라진다.

이러한 효과의 예는 토륨과 함께 핵연료를 사용하는 것이다.Th-232는 중성자 포획 반응과 2개의 베타 마이너스 데이를 거칠 수 있는 비옥한 물질로, 핵분열성 U-233이 생산된다.그것의 방사능 붕괴는 약 100만년 동안 SNF의 장기 활동 곡선에 강한 영향을 미칠 것이다.세 가지 SNF 유형에 대한 U-233과 관련된 활동의 비교는 오른쪽 상단에 있는 그림에서 볼 수 있다.연소된 연료는 원자로 등급 플루토늄(RGPu), 무기 등급 플루토늄(WGPu), 혼합 산화 연료(MOX, 토륨 없음)이다.RGPu와 WGPu의 경우 초기 U-233의 양과 100만년 전후의 붕괴를 볼 수 있다.이는 세 가지 연료 유형의 총 활성 곡선에 영향을 미친다.MOX 연료에 U-233과 그 딸 제품이 처음 없을 경우 오른쪽 아래 그림의 영역 3에서 활동이 더 낮은 반면, RGPu와 WGPu의 경우 완전히 부패하지 않은 U-233이 존재하기 때문에 곡선이 더 높게 유지된다.핵 재처리는 사용후 핵연료에서 액티니드를 제거하여 사용되거나 파괴될 수 있다(장수 핵분열 생성물#액티니데스 참조).

사용후연료 부식

노블 메탈 나노입자와 수소

부식 전기 화학자 David W의 연구에 따르면.Mo-Tc-Ru-Pd의 나노입자인 [7][8]슈즈미스는 이산화 우라늄 연료의 부식에 강한 영향을 미친다.예를 들어 그의 연구는 수소(H2) 농도가 높을 때(철제 폐기물 캔의 혐기성 부식으로 인해), 나노입자에서의 수소의 산화가 이산화 우라늄에 보호 효과를 발휘한다는 것을 시사한다.이 효과는 금속 양극이 반응하고 분해하는 대신 소비되는 수소 가스인 희생 양극에 의한 보호의 한 예로 생각할 수 있다.

보관, 처리 및 폐기

참고 항목:핵폐기물 처리기술 목록
2013년 11월 27일 동경전력 후쿠시마 제1원전 사용후연료 저장조

사용후핵연료는 사용후핵연료저장조(SFP)나 건조통 등에 저장된다.미국에서는 사용후연료가 포함된 SFP와 통조림이 원자력발전소 부지 직접 또는 ISFSI(독립사용후연료저장장치)에 위치한다.ISFSI는 원자력 발전소 현장에 인접할 수 있거나 또는 원터로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다(AFR ISFSI).대부분의 ISFSI는 건조한 통에 사용후 연료를 저장한다.모리스 오퍼레이션은 현재 미국에서 유일하게 사용후 핵연료 저장조를 갖춘 ISFSI이다.

핵 재처리는 사용후 연료를 재처리된 우라늄, 플루토늄, 경미한 활성제, 핵분열 생성물, 지르코늄 또는 강철 피복재의 잔해물, 활성화 제품, 그리고 재처리 자체에 도입된 시약이나 고형제의 다양한 조합으로 분리할 수 있다.사용후연료의 이러한 구성부품을 재사용하고 재처리의 부산물로 나올 수 있는 추가적인 폐기물이 제한된다면 재처리는 궁극적으로 폐기해야 할 폐기물의 양을 줄일 수 있을 것이다.

또는 온전한 사용후핵연료는 고준위 방사성폐기물로 직접 처리할 수 있다.미국은 유카산 핵폐기물 저장소와 같은 깊은 지질학적 형태로 처리를 계획했는데, 이 곳에서 수천 년 동안 인간의 즉각적인 환경으로의 이주를 막기 위해 방패와 포장을 해야 한다.[1][9]그러나 2009년 3월 5일 스티븐 추 에너지장관은 상원 청문회에서 "유카산 부지가 더 이상 원자로 폐기물을 저장하는 옵션으로 여겨지지 않았다"[10]고 말했다.

핀란드에서는 KBS-3 공정을 이용해 지질학적 처분이 승인됐다.[11]

스위스에서는 2008년 연방평의회가 방사성폐기물 심층 지질저장소 계획을 승인했다.[12]

교정

조류는 연구들에서 스트론튬에 대한 선택성을 보여주었는데, 이 연구에서는 생식화에 사용되는 대부분의 식물들이 칼슘과 스트론튬 사이의 선택성을 보여주지 못했으며, 종종 핵폐기물에 더 많은 양이 존재하는 칼슘으로 포화된다.스트론튬-90은 원자력에 사용되는 원자로가 생산하는 방사성 부산물이다.핵폐기물과 사용후핵연료의 구성요소다.반감기는 30년 전후로 길고, 고준위 폐기물로 분류된다.[13]

연구원들은 스케네데스무스 스피노수스에 의한 스트론튬의 생체적응을 시뮬레이션 폐수에서 관찰했다.이 연구는 S. 스피노수스의 스트론튬에 대해 고도로 선택적인 바이오 흡착 능력을 주장했는데, 이것이 핵 폐수 사용에 적절할 수 있다는 것을 시사한다.[14]비방사성 스트론튬을 이용한 연못 알가 클로스테륨 모닐리페룸의 연구결과 물 속 바륨 대 스트론튬 비율을 달리하면 스트론튬 선택성이 개선된 것으로 나타났다.[13]

위험

참고 항목: 사용후 연료 풀

사용후 핵연료는 2만 4천 년의 반감기로 장기간 방사선 위험을 유지한다.예를 들어 원자로에서 제거된 지 10년이 지난 후에도 일반적인 사용후연료 조립체의 표면 선량률은 여전히 시간당 10,000 렘을 초과하며 이는 한 번에 수령한 약 500 렘의 인간에게 치명적인 전신 선량보다 훨씬 크다.[15]

수영장에 저장된 사용후 핵연료가 지진이나[16] 방사능 방출로 이어질 수 있는 테러 같은[17] 사고에 취약한지 여부에 대한 논란이 일고 있다.[18]

정상운전중 드물게 연료고장이 발생할 경우 1차냉각재가 소자로 들어갈 수 있다.시각적 기법은 일반적으로 연료다발의 방사선 후 검사에 사용된다.[19]

9.11 테러 이후 원자력 규제 위원회는 모든 연료 저장소가 자연 재해와 테러 공격에 불침투하도록 의무화하는 일련의 규칙을 제정했다.그 결과 사용후 핵연료 저장조를 철제 라이너와 두꺼운 콘크리트로 감싸고 정기적으로 점검하여 지진, 토네이도, 허리케인, 해일 등에 대한 복원력을 확보한다.[20][21]

참고 항목

참조

  1. ^ a b 대형, John H: 조사핵연료의 방사성 붕괴 특성, 2006년 1월.[clarification needed]
  2. ^ Lucuta, P.G.; Verrall, R.A.; Matzke, Hj.; Palmer, B.J. (January 1991). "Microstructural features of SIMFUEL – Simulated high-burnup UO2-based nuclear fuel". Journal of Nuclear Materials. 178 (1): 48–60. doi:10.1016/0022-3115(91)90455-G.
  3. ^ 김동주, 양재호, 김종훈, 리영우, 강기원, 김건식, 송건우, 2007년 서모치미카 액타, 455, 123–128.
  4. ^ "Solution of Fission Products in UO2" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2008-09-10. Retrieved 2008-05-18.
  5. ^ "RWMAC's Advice to Ministers on the Radioactive Waste Implications of Reprocessing". Radioactive Waste Management Advisory Committee (RWMAC). 3 November 2002. Archived from the original on 29 August 2008. Retrieved 2008-05-18.
  6. ^ "Nuclear Crisis in Japan FAQs". Union of Concerned Scientists. Archived from the original on 2011-04-20. Retrieved 2011-04-19.
  7. ^ "David W. Shoesmith". University of Western Ontario. Retrieved 2008-05-18.
  8. ^ "Electrochemistry and corrosion studies at Western". Shoesmith research group, University of Western Ontario. Retrieved 2008-05-18.
  9. ^ 2008년 7월 15일 미국 하원 에너지 및 대기질위원회 소위원회에 앞서 로버트 마이어스 항공방사선국 부국장의 증언
  10. ^ Hebert, H. Josef. "Nuclear waste won't be going to Nevada's Yucca Mountain, Obama official says". Chicago Tribune. Archived from the original on 2011-03-24.
  11. ^ Ialenti, Vincent (October 2017). "Death and succession among Finland's nuclear waste experts". Physics Today. 70 (10): 48–53. Bibcode:2017PhT....70j..48I. doi:10.1063/PT.3.3728.
  12. ^ SFOE, Swiss Federal Office of Energy. "Sectoral Plan for Deep Geological Repositories". www.bfe.admin.ch. Retrieved 2020-10-19.
  13. ^ a b Potera, Carol (2011). "HAZARDOUS WASTE: Pond Algae Sequester Strontium-90". Environ Health Perspect. 119 (6): A244. doi:10.1289/ehp.119-a244. PMC 3114833. PMID 21628117.
  14. ^ Liu, Mingxue; Dong, Faqin; Kang, Wu; Sun, Shiyong; Wei, Hongfu; Zhang, Wei; Nie, Xiaoqin; Guo, Yuting; Huang, Ting; Liu, Yuanyuan (2014). "Biosorption of Strontium from Simulated Nuclear Wastewater by Scenedesmus spinosus under Culture Conditions: Adsorption and Bioaccumulation Processes and Models". Int J Environ Res Public Health. 11 (6): 6099–6118. doi:10.3390/ijerph110606099. PMC 4078568. PMID 24919131.
  15. ^ "Backgrounder on Radioactive Waste". www.nrc.gov. U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). 2021-06-23. Retrieved 2021-05-10.
  16. ^ Parenti, Christian (March 15, 2011). "Fukushima's Spent Fuel Rods Pose Grave Danger". The Nation.
  17. ^ "Are Nuclear Spent Fuel Pools Secure?". Council on Foreign Relations. June 7, 2003. Archived from the original on 2011-04-12. Retrieved 2011-04-05.
  18. ^ Benjamin, Mark (March 23, 2011). "How Safe Is Nuclear-Fuel Storage in the U.S.?". Time Magazine. Archived from the original on March 25, 2011.
  19. ^ Huang, W. H.; Krause, T. W.; Lewis, B. J. (10 April 2017). "Laboratory Tests of an Ultrasonic Inspection Technique to Identify Defective CANDU Fuel Elements". Nuclear Technology. 176 (3): 452–461. doi:10.13182/NT11-A13320.
  20. ^ "Fact Sheet on Storage of Spent Nuclear Fuel". Archived from the original on 2014-10-27. Retrieved 2017-06-25.
  21. ^ "Nuclear Waste Disposal". Archived from the original on 2012-07-06. Retrieved 2012-06-05.