This work is concerned with transmutation of the highly toxic and radioactive isotopes Cs-135 and Cs-137, which are extremely difficult to transmute in the conventional neutron fields, together with I-129. In this study, a novel strategy of photon and neutron hybrid transmutation has been proposed for transmuting a CsI target. This process uses high intensity and high energy gamma rays for the giant dipole resonance (GDR) based photonuclear transmutation and then utilizes the emitted neutrons for further neutron capture based transmutation. From a comparative study of photon sources, the laser-Compton scattering (LCS) gamma ray source with monochromatic nature and energy tunability is chosen to pursue the hybrid transmutation. The spectral optimization of the LCS gamma ray source has also been performed to enhance the photonuclear transmutation and reduce the unnecessary heating due to photo-atomic reactions. In this research, the hybrid transmutation process is simulated by directing the optimized LCS gamma rays towards a central CsI target for photonuclear ($\gamma$,n) reactions. Energetic neutrons resulting from the GDR ($\gamma$,n) reactions are scattered through a moderator into surrounding hexagonal CsI blanket targets where they undergo both moderation and neutron capture (n,$\gamma$) transmutation reactions. The hexagonal geometry is chosen as it can minimize the leakage of neutrons from the blanket region. Design parameters such as target dimensions and lattice pitch size have been optimized to enhance the effectiveness of the transmutation. Both light and heavy water are compared as the neutron moderators to maximize the neutron-based transmutation rates. An innovative rotating central CsI target has been proposed to disperse the heat deposited by a focused LCS beam source. Furthermore, vertical and annular heat conduction pathways (HCPs) have been introduced and optimized to enhance the overall thermal conductivity of the central CsI target. The rotating CsI target in combination with the HCPs enables effective removal of heat from the central target bombarded by a high intensity LCS beam. Based on the transmutation and thermal analyses results, it has been concluded that the hybrid transmutation has promising potential for the radioactive waste management.
본 연구는 중성자를 이용한 핵변환이 극히 어려운 방사성 동위원소인 Cs-135와 Cs-137 핵종을 I-129와 함께 핵변환시키기 위하여 광자와 중성자를 동시에 활용하는 하이브리드 (Hybrid) 핵변환 방법을 제시하였다. 본 하이브리드 핵변환에서는 높은 에너지를 갖는 감마선을 CsI 표적에 조사하여 GDR (Giant Dipole Resonance)이라 불리는 ($\gamma$,n) 광핵반응을 통하여 CsI 표적을 핵변환시키고, 이 때 발생되는 중성자를 이용하여 추가적으로 Cs, I 핵종을 핵변환시킨다. 광핵변환을 위하여 준 단일에너지를 가진 감마선을 생성할 수 있는 LCS (Laser-Compton Scattering) 광자 선원이 사용되며, 광자-전자 반응에 의한 불필요한 열 생성을 최소화하면서 핵변환율을 극대화하기 위하여 최적화된 광자 스펙트럼을 고려하였다. 최적화된 하이브리드 핵변환 성능을 위해서 중앙 CsI 광핵변환 표적과 이를 감싼 육각형 구조 블랭킷 CsI 표적 영역으로 구성된 표적 시스템을 설계하였다. 중성자 흡수반응을 극대화하기 위해서 블랭킷 영역은 봉형CsI 표적과 감속재로 구성되고, 경수 ($H_2O$)와 중수 ($D_2O$) 두 감속재가 본 연구에서는 비교되었다. 두 가지 감속재에 대하여 블랭킷 표적의 구조나 배치 방법과 같은 주요 설계인자 최적화를 하이브리드 핵변환의 효율성 극대화 관점에서 수행하였다. 또한 하이브리드 핵변환 성능 극대화를 위해서 Cs 및 I 핵종분리를 고려하여 그 영향을 평가하였다. 극히 높은 세기의 LCS 빔에 의한 열을 중앙 표적에서 제거하기 위하여 회전식 환형 표적을 도입하고 추가적으로 표적 내부에 열전도도가 높은 물질을 삽입하여 효과적인 열 제거가 가능하게 하였다. 본 연구 결과를 통해 하이브리드 핵변환이 방사성 폐기물 관리 및 처리에 효과적으로 활용될 수 있다는 것을 확인하였다.
