The spent nuclear fuel of current nuclear reactor is one of challenging issues for the continuous utilization of nuclear power. In order to solve this problem, geological disposal has been suggested and studied for decades. But, because of difficulty in finding its highly qualified sites, the partitioning and transmutation (P&T) technology have been introduced an alternative idea. P&T method of radioactive waste from spent fuel is considered more attractive because of high concern on the public protection and the difficulty in radioactive waste disposal site selection in Korea. Seoul National University (SNU) proposed a new transmutation concept named as PEACER to convert all the final waste into the class of low-level waste (LLW). In order to dispose the final waste from PEACER, The establishment of waste acceptance criteria for the LLW facility has to be considered first. According to U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC), the human intrusion scenarios determine volumetric concentration limit. On the other hand, the radionuclide migration scenarios impose limit on the total inventory of a radionuclide disposed at the site by means of site specific analysis. The Methodology of NRC traced backward from the dose limit using the human intrusion scenario to find appropriate concentration. PEACER final waste has several special characteristics in establishing concentration limit. It consisted of TRU and LLFP and the mass ratio of each nuclide has been fixed by pyrochemical process. The previous study for waste from PEACER has focused on the feasibility of converting waste into LLW by pyroprocess technology and Practical value of decontamination factor (DF) to meet the concentration limit for class C waste of U.S. NRC.
For this reason, the concentration limit for the final waste from PEACER is evaluated with the methodology for establishment of waste acceptance criteria. DF and LLFP removal efficiency to satisfy the derived concentration limit also are suggested. Finally, the most important input parameter which has a most strong effect on the determination of the concentration limit is analyzed by sensitivity analysis. Because the generated mass ratio of each nuclide is pre-determined and final waste from PEACER is assumed to be homogenous, annual dose by most hazardous scenario is more focused in this study rather than the concentration limit determination by the sensitivity analysis. A pyrochemical process has been introduced and utilized so that the transmutation of spent PWR fuel in PEACER can produce mainly low and intermediate level waste for near surface disposal. Major radioactive nuclides from PEACER pyroprocessing are composed of transuranic element(TRU) and long-lived fission product(LLFP). In this study, the requirement for the final waste from PEACER is evaluated based on the methodology for establishment of waste acceptance criteria. Also, sensitivity analysis for several input parameters is conducted in order to determine acceptable decontamination factor (DF) and LLFP removal efficiency and to find out input parameter that extremely have an effect on DF. As a result of the study, LLFP removal efficiency, especially Sr-90 and Tc-99, is proved to be a major nuclide which contributes to annual dose by human intrusion scenario rather than TRU DF. More than 98.5% of LLFP have to be removed to meet below dose constraint within the DF more than $1.0 \times 10^4$. Besides, because of the relative short half-life of Sr-90, the increasing of the institutional control period is recommended for most important input parameter to determine DF. Also in this study decontamination requirement of metallic and gaseous radioactive wastes are derived by assessment. Additionally, the toxicity of PEACER spent fuel was turn out to be the toxicity level of natural uranium within 500 years.
In evaluation of the nuclear fuel cycle scenarios, we have considered four major quantitative factors which are fuel requirement, total discount cost, cost sensitiveness, environmental impact. As quantitative factors, fuel requirement, total discounted cost, cost sensitiveness and environmental impact are adopted for the evaluation. On the basis of these quantified factors, each scenario is formulated and the result derived by Goal Programming. Goal Programming is used to find the most optimal scenario by minimizing or maximizing under- or over- deviation variable.
The analysis shows that a cost reduction is the most important issue to be an optimal fuel cycle. In order to be applied the PEACER scenario, more cost reduction is needed to be an optimum fuel cycle.
원자력을 평화적으로 이용하고 있는 모든 국가들은 고준위폐기물인 사용후핵연료의 처리 및 처분문제를 항상 해결해야 할 과제로 안고 있다. 본 연구에서는 고준위폐기물의 핵변환 및 건식공정을 기반으로 하여 고준위폐기물의 저감화를 목표로 설계된 핵변환로 PEACER의 폐기물관리에 관한 평가를 수행함으로써 향후 발생될 폐기물의 처리 및 처분에 관한 요건을 도출하였다. PEACER에서 발생되는 폐기물은 중저준위 폐기물 처분장에 수용하는 것을 최종 목적으로 하고 있다. 따라서 중저준위 폐기물의 처분 안전성 확보를 위해 폐기물이 처분시설에서 수용기준을 만족해야 하며 이러한 폐기물 수용기준 중 폐기물의 핵종별 농도, 총 방사능량 등 처분제한 요건들의 정량화와 농도에 따른 분류가 필요하다. 그러나 전 세계적으로 핵변환로에서 발생되는 폐기물에 대해 아직 명확한 규정이 수립되지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 인간침입 시나리오를 통한 핵종별 처분 제한농도를 도출하고, PEACER폐기물이 이를 만족시키기 위한 제염계수를 설정하였다. 또한 미국 NRC 규정중 10CFR61.55에서 밝히고 있는 Class C를 만족시키기 위한 폐기물의 중저준위화 수립에 대한 타당성을 검토하였고, 이를 만족시키기 위한 건식공정의 요건을 산출 하였다.
본 연구에서는 RESRAD-OFFSITE 코드를 이용하여 지하수 이동을 통한 PEACER 폐기물 처분장 부지 외 시나리오에 대해서 평가를 수행 하였다. 또한 납-비스무스를 냉각재로 사용할 경우 Polonium 이 발생되기 때문에 이에 대한 방안을 연구하였다. PEACER 원자로의 정상 운전시에는 polonium으로 인한 문제는 발생되지 않는다. 그러나 1차측이 개방되었을 경우 발생된 polonium으로 인해 작업자 피폭의 원인을 제공한다. 따라서 본 연구에서는 Alkaline Extraction을 비롯하여 다양한 polonium제거 방안에 대한 연구를 수행하였다. 또한 Pyroprocessing 폐기물뿐만 아니라 금속폐기물과 기체폐기물의 평가를 수행함으로써 transmutation reactor에서 발생되는 모든 폐기물에 대한 처리 및 처분 방안을 검토하였다. PEACER 폐기물의 중저준위 처분을 위하여 인간침입 시나리오를 통한 핵종별 처분 제한 농도를 설정 하였으며, 이를 만족시키기 위한 제염계수를 평가하였다. GENII코드를 통한 핵종별 처분제한농도는 민감도 분석결과 선량제약치 및 제도적 관리기간의 영향이 처분 농도제한치를 결정하는데 있어 가장 크다는 것을 알 수 있었다. 따라서, U.S. NRC Class C 폐기물의 처분농도 제한치를 도출하는데 사용되어진 선량제약치 0.5rem/yr 및 제도적 관리기간 500년을 본 연구에 적용해 처분 농도 제한치를 도출하고, 농도 제한치와 Sum of fraction rule을 만족시키는 TRU 및 LLFP의 DF 값을 도출하였다. TRU DF에 의한 영향은 DF 1.0E+04 이상일시 대부분의 선량은 LLFP에 기인함을 알 수 있다. 제도적 관리기간 500년 적용시 LLFP 내 각 핵종들의 제거율에 따른 선량은 민감도 분석 결과와 같이 제도적 관리기간 300년 적용시에 주요 핵종이었던 Sr-90의 경우 짧은 반감기에 의해 방사붕괴 되어 그 영향이 현저하게 감소했음을 알 수 있었다. 또한, Tc-99가 주요 핵종으로 선량에 가장 큰 기여를 하고 있음을 보여주었다. 결과적으로, 제도적 관리기간 500년 이하에서는TRU DF는 1.0E+04 및 LLFP의 제거율이 98% 이상일 시(특히, Tc-99) 처분시설의 처분제한 농도와 Sum of Fraction rule을 만족하는 것을 알 수 있었다.
또한 실험실규모에서 최대 실현 가능한 DF 이하이면서 NRC Class C를 만족시키는 제염계수 평가 결과 U/Np:1.0E+04, Pu:1.9E+04, Am/Cm:2.9E+04, Tc/I:2E+01, Sr/Cs:1E+01를 설정하였다. 이는 실험실 규모의 검증 및 이론적으로 중저준위 처분이 타당하다는 것을 나타내고 있다. 인감침입을 통한 부지 내 시나리오와 더불어서 지하수 이동을 통한 부지 외 시나리오를 평가하기 위해서 RESRAD-OFFSITE코드를 활용하였다. 부지 외 시나리오는 부지 내 시나리오와 달리 총 처분량이 중요하며 Tc과 I의 제염계수가 2E+01이상일 경우 일반주민이 받는 방사선량은 25mrem/yr 이하를 만족시키는 것을 알 수 있었다.
이상의 부지 내 시나리오 및 부지 외 시나리오를 통한 평가 결과 PEACER에서 발생되는 폐기물의 중저준위 폐기물 처분의 타당성이 검토 되었으며, 이론적으로 실현 가능하다는 것을 알 수 있었다.
또한, PEACER의 경우 대부분의 Actinide는 회수가 되기 때문에 fission product의 의한 독성이 대부분을 차지하고 있다. 따라서 TRU와는 상관없이 항상 fission product에 의한 독성으로 약 300년 정도 지나면 Natural U 수준으로 떨어지는 것을 알 수 있었다. 물론 toxicity가 처분규제요건은 아니지만 PEACER의 1차 목표인 장반감기의 고준위폐기물을 대부분 중저준위의 단반감기 핵종으로 핵변환시켰다는 의미를 찾을수 있으며, 고준위폐기물의 저감화를 달성했다고 평가 할 수 있겠다.
또한 목표계획법 기법을 통하여 핵연료주기의 최적화를 평가하였으며, PEACER 핵주기 시스템이 최적의 후행핵주기로 선택되기 위해서는 경제적인 측면인 비용감소가 가장 중요한 요소임을 알 수 있었다.
본 연구에서는 미래형 핵연료주기인 Pyroprocessing 을 기반으로 하는 핵변환로 형태인 PEACER에서 발생되는 폐기물관리의 전과정을 평가하고 기본 요건을 도출함으로써 향후 상용화를 위해 필요한 규제 Guide line 및 방법론을 처음으로 제시했다는 점에서 그 의의를 찾을 수 있겠다.
