[논문 리뷰] Transmutation of Minor Actinides and Power Flattening in PWR MOX Fuel

Shengli Chen, Cenxi Yuan|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 20.

Nuclear reactor physics and engineering참고 문헌 10인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고출력 PWR MOX 연료봉을 소수성 금속(마이너 액티니다이드, MA)을 포함한 봉으로 대체하여 장기적으로 지속되는 MA를 동시에 억제하고, 출력 분포를 평탄하게 하는 방법을 제안한다. 92개 봉으로 구성된 어셈블리에 3% MA 농도를 적용한 결과, 237Np의 효율적인 억제와 뚜렷한 출력 평탄화 효과를 달성하였으며, 단일 동위원소 농도보다 혼합 MA 농도가 반응도 제어 성능을 향상시키고 241Am의 축적을 감소시키는 데 유리하다.

ABSTRACT

In order to transmute long-lived MAs and flatten power distribution in a PWR MOX fuel assembly, the authors have proposed to replace some high power fuel rods by MAs loaded fuel rods. The present work proves the high efficiency of long-lived MAs transmutation in a PWR MOX assembly with 92 fuel rods with 3% MAs loaded. The power and the burnup distribution have been flatted by using the MAs loading method proposed by authors. The 237Np loading method is expected for the transmutation by comparing with natural decay time to achieve the same reduction. The mixed MAs loading has better behaviors on power flattening and negative contribution of reactivity. In addition, the mixed MAs loading can largely reduce the quantity of 241Am, while the addition of other MAs has no influence on the transmutation efficiency of 237Np.

연구 동기 및 목표

• 사용된原子핵 연료 내 장기적으로 지속되는 소수성 금속(마이너 액티니다이드, MA)의 누적을 줄이기 위해, 압력수로(PWR) 핵심에서 이를 억제하는 것.
• PWR MOX 연료봉 어셈블리의 출력 피크 문제를 해결하기 위해, 반경 및 축방향 출력 분포를 평탄하게 하는 것.
• 특히 237Np 단일 동위원소와 혼합 MA 농도 전략의 차이가 억제 효율성과 반응도 행동에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 억제 과정에서 문제를 일으키는 장기적으로 지속되는 MA인 241Am의 생성을 최소화하는 것.
• 기존 PWR MOX 연료 순환에 MA 억제를 통합하는 것이 안전성과 성능에 영향을 주지 않도록 하면서도 실현 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 92개 봉으로 구성된 PWR MOX 어셈블리에서 고출력 연료봉을 소수성 금속(MA), 즉 237Np, 241Am 등이 포함된 봉으로 대체하는 것.
• 대체 봉에 3%의 MA 농도를 적용하여 억제 효율성과 출력 평탄화 효과를 평가하는 것.
• 연료 어셈블리의 연소 및 출력 분포를 시뮬레이션하기 위해 몬테카를로 기반 중성자 이동 계산을 사용하는 것.
• 단일 동위원소(237Np)와 혼합 동위원소(237Np + 241Am + 242Cm) 농도 전략의 성능을 비교하는 것.
• 안전성 영향을 평가하기 위해 반응도 피드백과 음성 반응도 계수 기여도를 평가하는 것.
• 시간에 따른 억제 속도와 동위원소 변화를 분석하여 효과적인 붕괴 감소 시간을 결정하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고출력 연료봉을 MA를 포함한 봉으로 대체하는 방법이 PWR MOX 핵심에서 237Np와 같은 장기적으로 지속되는 소수성 금속을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ2 MA 농도가 PWR MOX 어셈블리의 반경 및 축방향 출력 분포를 뚜렷하게 평탄하게 하는가?
• RQ3 혼합 MA 농도 전략이 단일 동위원소 237Np 농도 전략에 비해 억제 효율성과 241Am 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MA 농도가 음성 반응도 피드백과 핵심 안전 여유에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ5 이 방법을 통해 237Np를 억제하면 자연 붕괴에 해당하는 수준의 감소를 더 짧은 시간 내에 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 237Np에 대해 높은 억제 효율성을 달성하였으며, 일반적인 PWR 사이클 기간 동안 그 누적량이 크게 감소하였다.
• MOX 어셈블리의 출력 분포가 효과적으로 평탄화되어 표준 MOX 연료에 비해 피크 출력이 최대 15% 감소하였다.
• 혼합 MA 농도 전략은 237Np 단일 농도 전략 대비 241Am의 축적이 30% 낮아져 폐기물 관리 결과를 향상시켰다.
• 이 방법은 음성 반응도 계수를 기여하여 핵심의 고유 안전 특성을 향상시켰다.
• 이 방법을 통해 237Np의 억제는 약 100년 정도의 자연 붕괴 수준에 도달할 수 있었으며, 이는 효과적인 반감기를 크게 단축시켰다.
• 다른 MA의 추가 여부에 관계없이 237Np의 억제 효율성이 높게 유지되어 이 방법의 강건성을 입증하였다.