A versatile thorium target system is proposed, providing rare α-emitters and a fast neutron source simultaneously. The system adopts affordable electron source and natural thorium target to generate (γ,xn) photonuclear reaction and fast neutrons (E > 0.8 MeV). From the MCNP-assisted depletion calculation, we found that this system can extract $^{225}$Ac and $^{227}$Th semi-permanently from their mother nuclei with periodic chemical separation procedure. Parametric studies regarding electron’s energy, beam diameter and dispersion were done to get optimal isotopic yields. A sufficient amount of mother nuclei can be retained from one-year beam irradiation and, for a 500 kW electron beam, the yearly yield of $^{225}$Ac and $^{227}$Th can be ~8.5 GBq and 49 GBq, respectively. We also evaluated the fast neutron flux from thorium target for electron beam bombardment. In order to utilize the intense and fast neutron source, we adopted split Th model and neutron-target is placed in-between separated Th targets. The reduction of $^{225}$Ac and $^{227}$Th yields is inevitable in the split Th model, we found that the yield loss can be minimized when the upper target’s thickness is higher than 1 cm. For a 2 cm thickness of upper Th target, about 7.3 % and 7.9 % reduction are expected in 225Ac and 227Th yields, respectively. However, the fast neutron flux in the neutron-target is about 2.21E+13/cm$^2$-sec, which is comparable to HANARO, the only research reactor in South Korea. Lastly, parametric studies were done to evaluate a heat removal capability of water-cooled thorium target system based on preliminary computational fluid dynamics (CFD) analyses and we found the possibility of managing the localized heat of a 500 kW electron beam.
본 연구에서 제안하는 다목적 토륨 표적 시스템은 상대적으로 가격이 저렴한 전자빔 선원과 취급이 쉬운 토륨 표적을 활용하여 희귀 알파방출 동위원소와 속중성자 선원을 동시에 제공할 수 있다. 상기 시스템을 통해 일반적인 화학적 추출을 반복하면 모핵종으로부터 반영구적으로 악티늄-225와 토륨-227을 생산할 수 있다는 것을 몬테칼로 연계 연소 계산 모듈을 통해 확인하였으며, 상기 추출량을 극대화할 수 있는 최적의 조건을 찾기 위하여 전자빔 조사와 관련된 매개변수적 연구를 수행하였다. 500 kW 전자빔의 1년 빔 조사를 통해 충분한 양의 모핵종이 생산될 수 있으며 이 때 악티늄-225와 토륨-227의 연간 생산량은 각각 약 8.5 GBq와 49 GBq로 평가되었다. 또한 전자빔 조사 중 생성되는 최소 0.8 MeV 이상의 에너지를 가지는 속중성자 속의 활용성 연구를 수행하였다. 상기 중성자 선원을 활용하기 위해서 분할 토륨 표적 모델을 채택하였으며, 분리된 토륨 표적 사이에 중성자 조사 표적이 놓인다고 가정하였다. 분할 표적 모델에서 알파방출 동위원소 수율의 감소는 피할 수 없지만, 상부 표적의 두께가 1 cm보다 두꺼운 경우 수율의 감소를 최소화 할 수 있다는 사실을 확인하였다. 상부 표적의 두께가 2 cm인 경우 악티늄-225와 토륨-227의 수율의 감소는 각각 약 7.3 %와 7.9 %로 평가되었다. 그러나 이 때 속중성자 속은 2.21E+13/cm$^2$-sec 로써 국내 유일의 연구용 원자로인 하나로 (HANARO) 조사 시 제공되는 중성자 속과 유사한 수준으로 평가되었다. 마지막으로 전산유체역학 해석을 바탕으로 수행한 매개변수적 연구로 물로 냉각되는 토륨 표적 시스템의 열 제거 능력을 평가하였으며, 비등 열전달 현상이 제대로 모사된다면 500 kW 전자빔 조사 시 발생하는 열도 충분히 제거될 수 있음을 확인하였다.
