KR100740779B1 - Method for reducing radioactivity of spent pwr cladding hull by using pulse laser - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경수로 사용후 핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 건식공정에서 발생된 사용후 핵연료 폐피복관(hull)의 표면에 고착되어 있는 초우라늄(Transuranic,TRU)원소, 핵분열 생성물 및 방사화 생성물을 펄스 레이저((pulse laser)를 이용하여 제거함으로써 방사능량이 100 nCi/g 미만이고 열발생율이 2 ㎾/㎥ 미만인 중저준위 폐기물화시키는 사용후 핵연료 폐피복관 방사능 저감방법에 관한 것이다. 상기와 같이 구성되는 본 발명은 폐피복관 내면의 고방사능 층을 펄스 레이저로 오염된 두께만큼 제거함으로써 폐피복관의 총방사능을 낮추어 처분비용을 절감할 뿐만 아니라, 고준위방사성 물질 등을 제거함으로써 금속적인 성능이 더 양호한 잉곳의 제조를 가능하게 한다.The present invention relates to a method for reducing radioactivity of spent nuclear fuel sheathed spent light reactors, and more particularly, transuranic (TRU) elements and nuclear fission products that are adhered to the surface of spent fuel hulls generated in a dry process. And a method for reducing spent nuclear waste-covered tube radioactivity, wherein the radioactive product is removed using a pulse laser to form a low to medium level waste having a radioactivity of less than 100 nCi / g and a heat generation rate of less than 2 mW / m 3. According to the present invention, the high radioactive layer of the inner surface of the closed coating tube is removed by the thickness of the contaminated pulse laser, thereby lowering the total radioactivity of the closed coating tube, thereby reducing the disposal cost, and removing the high level radioactive material. It allows the production of good ingots.

핵연료, 폐피복관, 방사능, 절삭Nuclear fuel, encapsulated tube, radioactivity, cutting

Description

펄스 레이즈를 이용한 사용후핵연료 폐피복관의 건식제염을 통한 방사능 저감방법{METHOD FOR REDUCING RADIOACTIVITY OF SPENT PWR CLADDING HULL BY USING PULSE LASER}METHODS FOR REDUCING RADIOACTIVITY OF SPENT PWR CLADDING HULL BY USING PULSE LASER}

도 1은 폐피복관 내부표면의 산소포텐셜을 나타낸 그래프이며, 1 is a graph showing the oxygen potential of the inner surface of the closed coating tube,

도 2는 폐피복관 내부표면의 EPMA 분석결과를 나타낸 그래프이며, Figure 2 is a graph showing the results of EPMA analysis of the inner surface of the lung coating tube,

도 3은 본 발명에 따라 펄스 레이저에 의해 표면처리를 나타내는 사진이고, 3 is a photograph showing the surface treatment by a pulse laser according to the present invention,

도 4는 종래의 연속 파장(continuous wave) 레이저에 의한 표면처리를 나타낸 사진이다. 4 is a photograph showing surface treatment by a conventional continuous wave laser.

본 발명은 경수로 사용후핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 건식공정에서 발생된 사용후핵연료 폐피복관(hull)의 내면에 고착되어 있는 초우라늄(Transuranic,TRU)원소, 및 핵분열 생성물 등을 펄스 레이저((pulse laser)를 이용하여 제거함으로써 사용후핵연료 폐피복관의 방사능을 저감하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for reducing the radioactivity of spent fuel spent pipes for use in hard water, and more particularly, transuranic (TRU) elements fixed to the inner surface of spent fuel spent pipes generated in a dry process, and nuclear fission. The present invention relates to a method for reducing the radioactivity of spent fuel lung coat by removing a product or the like using a pulse laser.

원자력 발전은 핵연료를 핵연료 피복관에 장전한 후 이를 중성자와 반응시켜 수행하는 것이다. 상기 핵연료는 이산화우라늄으로 제조된 펠렛 형태로 핵연료 피복관에 장전하는데, 상기 핵연료 피복관은 이산화우라늄과 직접 접촉되는 것으로 원자력 발전시 우수한 물성을 나타내야 한다. 이러한 이유로 인해 상기 핵연료 피복관은 지르코늄 합금으로 이루어진 것을 사용하며, 구체적으로 지르칼로이-2 및 지르칼로이-4를 사용하고 있다. 그 중 지르칼로이-4는 가장 많이 사용되고 있는 핵연료 피복관으로, Sn 1.20∼1.70 중량%, Fe 0.18∼0.24 중량%, Cr 0.07∼1.13 중량%, Ni <0.007 중량%, O 900∼1500 ppm 및 Zr 잔부로 이루어진 피복관이다.Nuclear power is carried out by loading nuclear fuel into fuel cladding and reacting it with neutrons. The nuclear fuel is loaded into a nuclear fuel cladding tube in the form of pellets made of uranium dioxide, and the nuclear fuel cladding tube is in direct contact with uranium dioxide and should exhibit excellent physical properties during nuclear power generation. For this reason, the fuel cladding tube is made of a zirconium alloy, and specifically, zircaloy-2 and zircaloy-4 are used. Among them, Zircaloy-4 is the most commonly used nuclear fuel cladding, which is 1.20 to 1.70 wt% Sn, 0.18 to 0.24 wt% Fe, 0.07 to 1.13 wt% Cr, Ni <0.007 wt%, O 900 to 1500 ppm and Zr glass It is a cladding tube consisting of parts.

원자력 발전소에서 연소시킨 사용후핵연료 다발은 현재 처리하지 않은 상태로 수조에 보관·저장하고 있으나, 발전이 계속될수록 점차 그 양이 누적되어 방대한 공간을 필요로 하고 있어 그 처리가 시급한 실정이다. 즉, 상기와 같이 이산화우라늄을 주성분으로 하여 제조된 핵연료는 지르칼로이(Zircalloy) 피복관에 담겨져서 핵연료 다발 형태로 원자로에 장전되는데, 핵연료 다발 1톤 중 피복관이 약 300kg이며, 부피 측면에서는 핵연료의 2배 이상을 피복관이 차지하고 있다. 원자로에서 일정기간 연소되고 방출된 사용후 피복관에는 핵연료 잔재 그리고 핵분열생성물이 열적, 물리적 및 화학적으로 고착되어 있어 고준위 폐기물로 분류·관리되고 있으며, 따라서 이들 핵연료 피복관에 대한 처리 방안이 요구되고 있다.The spent fuel bundles burned in nuclear power plants are stored and stored in the tanks without being processed at present, but as the power generation continues, the amount accumulates gradually, requiring vast space. That is, as described above, a nuclear fuel made mainly of uranium dioxide is loaded in a Zircalloy cladding tube and loaded into a nuclear reactor in the form of a bundle of nuclear fuel. The cladding pipe occupies more than double. Spent fuels and fission products are thermally, physically and chemically fixed in the spent cladding that has been burned and discharged for a certain period of time, so that they are classified and managed as high-level wastes. Therefore, treatment methods for these fuel claddings are required.

이러한 요구에 응하여, 상기 사용후핵연료를 저장하는 방법에 대해서는 여러 제안이 있었는데, 예를 들어 대한민국특허출원제1994-006237호는 "저장용기의 측면을 완전히 밀폐하고 용기의 상부 또는 상부와 하부에 용해성 방사성물질을 효과적으로 흡착할 수 있는 합성 제올라이트를 내장한 필터 카트리지를 부착하여 결함 핵연료로 인한 냉각수의 오염을 효과적으로 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 결함 사용후핵연료의 저장용기"를 개시하고 있으며,In response to these demands, several proposals have been made regarding the method of storing the spent fuel. For example, Korean Patent Application No. 194-006237 discloses that the sides of the storage vessel are completely sealed and are soluble at the top or the top and bottom of the container. And a filter cartridge containing a built-in synthetic zeolite capable of effectively adsorbing radioactive materials, thereby effectively preventing contamination of the cooling water due to defective nuclear fuel.

대한민국특허출원제1995-000102호는 "경수로 사용후핵연료의 저장 및 처분 공간을 절감하기 위해 사용후핵연료 집합체로부터 사용후핵연료봉을 건식 상태에서 원격으로 인출하여 밀집 재배열하고 이를 저장 또는 처분 용기에 집어 넣어 재포장하는 사용후핵연료봉 밀집 시스템(rod consolidation system) 중 핵심 장치로서, 핵연료봉의 인출 시 핵연료봉에 가해질 수 있는 충격을 완화해 주는 충격 방지 장치와 핵연료봉 인출 다음 공정인 핵연료봉 밀집 재배열 공정으로 핵연료봉을 수평 이송하여 주는 수평 이송 장치"에 대해 개시하고 있으며,Republic of Korea Patent Application No. 195-000102, "In order to reduce the storage and disposal space of spent fuel in light water, the spent fuel rods are remotely withdrawn from the spent fuel assembly in a dry state and rearranged densely and stored in a storage or disposal container. It is a core device of the rod consolidation system that is inserted and repacked.An impact protection device that mitigates the shock that may be applied to the fuel rod when the fuel rod is taken out and the fuel rod dense material which is the next process after the fuel rod withdrawal Horizontal feeder for horizontally feeding the fuel rods in the alignment process,

대한민국특허출원제2001-0046539호는 "사용후핵연료 집합체 구조폐기물의 볼륨 감용장치에 있어서; 상기 볼륨 감용장치는 압축구조폐기물이 안착되고, 압축구조폐기물의 끝단을 고정하여 간헐/이송시키는 이송부재와; 상기 이송부재 일측에 연결/설치되어 이송된 압축구조폐기물을 다수의 램에 의해 압축하여 절단하는 압축/절단부재와; 상기 압축/절단부재와 연결/설치되어 동력원을 공급하는 유압부재와; 상기 압축/절단부재와 연결/설치되어 압축/절단된 압축구조폐기물을 배출하는 배출부재를 포함하여 구성되어, 압축구조폐기물이 수평으로 이송되고, 동일한 수직방향으로 압축/절단되는 사용후핵연료 집합체 구조폐기물 압축/절단 감용장치" 를 개시하고 있다.Republic of Korea Patent Application No. 2001-0046539, "In the volume reduction device of the spent fuel assembly structure waste; The volume reduction device is a compression member waste is seated, the transport member for fixing the end of the compressed structure waste and intermittent / transfer; A compression / cutting member for compressing and cutting the compressed structural waste connected and installed on one side of the conveying member by a plurality of rams, and a hydraulic member connected / installed with the compression / cutting member to supply a power source; Spent fuel assembly structured waste, comprising a discharge member connected to and installed with the compression / cutting member to discharge the compressed structured waste, and the compressed structure waste is transported horizontally and compressed / cut in the same vertical direction. Compression / cutting reduction apparatus.

그러나, 상기한 방법들은 나름대로 사용후핵연료의 보관방법으로 유용하기는 하지만, 핵연료 피복관의 근복적인 처리방법으로는 미흡하다.However, although the above methods are useful as a method of storing spent fuel in their own way, they are insufficient as a recent method of treating a fuel cladding tube.

한편, 사용후핵연료의 재활용을 위하여, 일정한 기간동안 보관 저장한 핵연료봉은 분말화처리공정을 거치게 되는데, 이 공정은 습식처리공정과 건식처리공정으로 수행되고 있다.On the other hand, in order to recycle the spent fuel, the fuel rods stored and stored for a certain period of time go through a powdering treatment process, which is performed by a wet treatment process and a dry treatment process.

먼저 습식처리공정은 핵연료 피복관을 일정한 길이로 짧게 절단한 후 질산 용액에 핵연료를 녹이는 공정(Chop and leach)을 거치게 되는데, 이과정에서 이산화우라늄 펠렛은 질산에 용해되어 재활용을 위한 다음 공정으로 이어지지만, 펠렛을 담고 있던 피복관은 고체 폐기물로서 남게 된다. 이때 짧게 절단되어 남은 핵연료 피복관을 "폐피복관(hull)"이라 한다. First, the wet process is to cut the fuel cladding tube into short lengths and then dissolve the fuel in nitric acid solution (Chop and leach). In this process, uranium dioxide pellets are dissolved in nitric acid and lead to the next process for recycling. The cladding tube containing the pellets remains solid waste. At this time, the remaining nuclear fuel cladding tube is called "hull."

또한, 상기 건식처리공정에서는 핵연료 피복관을 일정한 길이로 짧게 절단하여 얻은 로드 컷(rod cut)을 길이방향으로 가늘게 쪼갠 후 가열하면서 산화 및 환원과정을 반복하여 우라늄 분말과 피복관을 분리하게 되는데, 이때 마찬가지로 고준위폐기물인 폐피복관이 발생한다. In addition, in the dry process, the rod cut obtained by shortly cutting the nuclear fuel cladding tube into a predetermined length is thinly divided in the longitudinal direction, and the oxidation and reduction process is repeated while heating to separate the uranium powder and the cladding tube. Pulmonary sheath, a high-level waste, develops.

상기와 같이 분말화처리공정에서 발생된 폐피복관(Hull)에는 핵연료를 용해시키는 과정에서 미용해된 핵연료 잔재가 묻어 나오게 되는데 이 양은 보통 최초 핵연료 양의 약 0.1% 정도인 것으로 알려져 있다. 즉, 상기와 같이 하여 발생된 폐 피복관에는 고착된 우라늄이나 플루토늄 등의 핵연료 잔재, 핵분열생성물, 피복관 재료 중에 포함되어 있던 금속 원소의 방사화로 인한 방사화생성물 및 습식처리의 경우 이외 에도 핵연료 용해액이 다량 도포되어 있어 고준위 방사성 폐기물로 분류되고 있다. As described above, the waste coating tube generated in the powdering treatment process (Hull) is buried with undissolved fuel residue in the process of dissolving the fuel, which is generally known to be about 0.1% of the initial fuel amount. That is, the waste coating tube generated as described above has a nuclear fuel dissolution solution in addition to the nuclear fuel residues such as uranium or plutonium, nuclear fission products, and radioactive products resulting from the radiation of metal elements contained in the coating material and wet treatment. Due to its large amount of coating, it is classified as a high-level radioactive waste.

고준위 방사성폐기물로 분류되면, 중저준위 방사성폐기물에 비해 많은 비용이 소요되며 또한 취급상 절차가 어려운 점이 있다.When classified as high-level radioactive waste, it is more expensive than the low and medium-level radioactive waste and has a difficult handling procedure.

고준위 방사성폐기물인 폐피복관은 보통 압축하거나 용융하여 감용한 후 감용체를 적당한 메트릭스에 고화시켜 패키지(package)화 상태로 처분하는 기술이 널리 사용되고 있다.Waste coating tube, which is a high-level radioactive waste, is usually compressed, melted, and then reduced, and then solidified to a suitable matrix and disposed of in a packaged state.

그러나, 상기 폐피복관을 높은 방사능을 띄고 있는 상태 그대로 압축 또는 용융시키면 고준위 방사성폐기물로 분류되므로 많은 비용이 소요되며 또한 취급상 절차가 어려운 점이 발생하는 것 뿐만 아니라 폐피복관 표면에 잔존하는 핵연료 잔재물 이외에도 핵분열 생성물 등으로 인하여 폐피복관(지르코니움 합금)의 연성, 경도, 내부식성 등의 성질이 나빠지게 되고 이로 인하여 우수한 금속성을 가진 잉곳(ingot)의 제조 및 장기 처분 안정성의 보장이 어렵다는 단점이 있다.However, if the closed tube is compressed or melted as it is, having high radioactivity, it is classified as a high-level radioactive waste, which is expensive and difficult to handle, and in addition to nuclear fission residues remaining on the surface of the closed tube. Due to the product, properties such as ductility, hardness, corrosion resistance, etc. of the closed coating pipe (zirconium alloy) are deteriorated, and thus, it is difficult to manufacture ingots having excellent metallic properties and to ensure long-term disposal stability.

폐피복관 전처리의 한가지 방법으로 화학적 제염기술을 이용하여 폐피복관에 부착되어 있는 방사능을 제거하는 전처리를 거친 후 이를 용융함으로써 양질의 금속 잉곳 형태로 처분할 수 있는 방안에 관한 연구는 수행된 바 있으나, 폐피복관 표면의 방사성 물질을 직접 제거하여 방사능의 준위를 낮추는 방안에 대해서는 제안된 바가 없다. 다만, 본 발명자 등이 출원한 대한민국특허출원제2003-0089056호에서, "경수로 사용후핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법”이라는 명칭으로 " 원자력 발전후 발생한 핵연료 폐피복관의 표면을 절삭하여 방사능량이 100 nCi/g 미만이고 열발생율이 2 ㎾/㎥ 미만인 중저준위 핵연료 폐피복관으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법"을 개시하고 있다. 그러나 상기 특허출원한 발명에서는 폐피복관의 표면을 절삭하는 방법으로 레이저에 의한 방안을 제시하고 있으나, 상기 레이저는 소위 C.W.(Continuous Wave) 레이저를 사용하는 방식으로 도 4에 나타난 바와 같이 용융물이 피복관에 잔류할 가능성이 있다.As a method of pretreatment of the lung coat tube, a method of disposing it in the form of high quality metal ingot by melting it after chemical pretreatment using radioactive decontamination technology has been studied. There is no proposal for lowering the level of radioactivity by directly removing radioactive material from the surface of the lung coat. However, in Korean Patent Application No. 2003-0089056, filed by the present inventors, etc., entitled "Reduction of Radiation in LWR spent fuel pipes", "The amount of radioactivity produced by cutting nuclear fuel waste pipes after nuclear power generation is 100 nCi. A method for reducing the radioactivity of a nuclear fuel cladding tube, which is formed by a medium-low-level nuclear fuel cladding tube of less than / g and a heat generation rate of less than 2 mW / m 3. Although a method using a laser is proposed as the method, the laser may use a so-called CW (Continuous Wave) laser, and as shown in FIG. 4, the melt may remain in the coating tube.

따라서, 본 발명자 등은 종래 기술의 소위 C.W.(Continuous Wave) 레이저를 이용하는 방식의 단점을 제거하기 위한 방법에 대해 예의 연구하던 중 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors completed the present invention while intensively studying a method for eliminating the disadvantages of the method using the so-called C.W. (Continuous Wave) laser of the prior art.

본 발명의 목적은 원자력 발전후 발생되는 고준위 방사성폐기물인 핵연료 폐피복관의 내면에 고착되어 있는 TRU 등 방사성 물질을 제거하여, 총 방사능 발생량(Total Radioactivity)을 현재 중저준위 폐기물기준인 100 nCi/g( 0.1 mCi/kg)이하로 낮춤으로써, 폐피복관을 non-TRU 폐기물로 전환시킬 수 있는 사용후핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법을 제공하기 위한 것이다.
The purpose of the present invention is to remove the radioactive materials such as TRU stuck on the inner surface of the nuclear fuel waste pipe, which is a high-level radioactive waste generated after nuclear power generation, to determine the total radioactivity 100 nCi / g (0.1) By lowering mCi / kg) or less, it is intended to provide a method for reducing the radioactivity of spent fuel waste canals that can convert them into non-TRU wastes.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 사용후 핵연료 폐피복관의 표면을 펄스 레이즈(pulse laser)로 절삭하여 총 방사능 발생량이 100 nCi/g 미만이고 열발생율이 2 kW/㎥ 미만인 non-TRU 핵연료 폐피복관으로 형성시키는 핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a non-TRU fuel with a total radiation generation less than 100 nCi / g and a heat generation rate of less than 2 kW / ㎥ by cutting the surface of the spent fuel closed tube with a pulse laser (pulse laser) Provided is a method for reducing radioactivity of a nuclear fuel closed tube formed by the closed tube.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 원자력 발전후 사용후핵연료의 재활용을 위한 분말화처리과정에서 발생되는 고준위 폐피복관의 방사능 저감방법에 관한 것으로, 폐피복관의 내면을 오염된 두께만큼 절삭함으로써 중ㆍ저준위 폐피복관으로 형성시키는 방사능 저감방법을 제공하는 것이다.The present invention relates to a method for reducing radioactivity of a high-level closed capillary tube generated during the powdering process for recycling spent nuclear fuel after nuclear power generation. It is to provide a method for reducing radiation.

본 발명의 폐피복관 방사능 저감방법은 원자력 발전후 발생되는 고준위 폐기물인 핵연료 폐피복관의 표면 방사화학적 특성을 이용한 것으로, 핵연료 피복관 및 분말화공정에 따라 폐피복관의 표면 방사화학적 특성에 차이가 발생한다.The method for reducing radioactive tube waste radiation according to the present invention utilizes the surface radiochemical characteristics of the nuclear fuel waste tube, which is a high-level waste generated after nuclear power generation, and a difference occurs in the surface radiochemical characteristics of the waste tube according to the fuel cladding and powdering process.

본 발명의 폐피복관은 원자력발전에 일반적으로 사용되는 지르칼로이-4 피복관으로부터 형성된 폐피복관으로, 상기 지르칼로이-4 피복관은 Sn 1.20∼1.70 중량%, Fe 0.18∼0.24 중량%, Cr 0.07∼1.13 중량%, Ni <0.007 중량%, O 900∼1500 ppm 및 Zr 잔부로 이루어진 피복관이다.The closed coating tube of the present invention is a closed coating tube formed from a zircaloy-4 cladding tube generally used for nuclear power generation, and the zircaloy-4 cladding tube is 1.20 to 1.70 wt% of Sn, 0.18 to 0.24 wt% of Fe, and 0.07 to 1.13 wt. Of Cr. %, Ni <0.007 wt%, O 900-1500 ppm and Zr balance.

상기 피복관을 원자력 발전에 사용한 후 처리공정을 거쳐 폐피복관으로 형성 되는데, 이때 처리공정은 습식처리공정 또는 건식처리공정 등을 수행할 수 있으나, 바람직하기로는 건식처리공정을 수행한다.After the cladding tube is used for nuclear power generation, it is formed as a closed cladding tube through a treatment process, in which the treatment process may be performed by a wet treatment process or a dry treatment process, but preferably, a dry treatment process is performed.

상기 건식처리공정은 핵연료봉을 절단하여 얻은 로드 컷(rod cut)을 길이방향으로 가늘게 쪼갠 후 가열하면서 산화 및 환원 과정을 반복하여 우라늄 분말과 폐피복관을 분리시키는 것으로, 상기 공정을 거쳐 얻어진 폐피복관 내부는 일정한 두께의 산화층 및 방사능 층이 형성되어 있다. In the dry treatment process, the rod cut obtained by cutting the nuclear fuel rod is thinly divided in the longitudinal direction, and the uranium powder and the waste coating tube are separated by repeating the oxidation and reduction process while heating. Inside, an oxide layer and a radioactive layer of constant thickness are formed.

본 발명은 상기 기술한 폐피복관의 표면 방사화학적 특성을 이용한 것으로, 상기 건식처리공정을 거쳐 형성된 폐피복관을 펄스 레이저를 사용하여 오염된 두께만큼 절삭함으로써 non-TRU 폐기물의 핵연료 폐피복관을 형성시킬 수 있다.The present invention utilizes the surface radiochemical characteristics of the above-described closed coating tube, and can form a fuel closed tube of non-TRU waste by cutting the closed coating tube formed through the dry treatment process by the contaminated thickness using a pulse laser. have.

이때, 상기 절삭은 폐피복관의 표면에서 필요한 두께만큼 제거하는 것으로, 본 발명에서는 20 ㎛ 이상의 깊이로 수행한다. 이는 약 10 ㎛ 이내에 방사능을 발생시키는 고준위 TRU 폐기물들이 포함되어 있으며, 이를 충분히 절삭하기 위하여 최소 20 ㎛ 이상의 깊이로 절삭하는 것이 바람직하다. 이러한 절삭으로 방사능 양 및 방출열량을 중ㆍ저준위 수준으로 감소시킬 수 있다.At this time, the cutting is to remove the required thickness from the surface of the closed coating tube, in the present invention is carried out to a depth of 20 ㎛ or more. It contains high-level TRU wastes that generate radiation within about 10 μm, and it is desirable to cut to a depth of at least 20 μm to sufficiently cut it. This cutting can reduce the amount of radiation and the amount of emitted heat to medium and low levels.

본 발명은 펄스 레이저를 사용하여 폐피복관의 내면을 절삭하는 것을 통하여 고준위 폐기물을 중ㆍ저준위 폐기물로 전환시키는 폐피복관 처리방법 중 전처리 과정에 속하는 것으로, 이후의 처리방법은 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 방법에 의해 처리할 수 있다. 이때, 본 발명의 전처리 과정을 통해 중ㆍ저준위 폐기물로 전환됨으로써, 처리방법 및 처리비용을 간편하고 용이하게 줄일 수 있다.The present invention belongs to the pretreatment process of the waste coating tube treatment method for converting high-level waste into medium- and low-level waste by cutting the inner surface of the waste coating tube using a pulse laser, and the following treatment methods are conventional in the field to which the present invention belongs. It can process by the phosphorus method. At this time, by converting to low and medium level waste through the pretreatment process of the present invention, it is possible to easily and easily reduce the treatment method and treatment cost.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are merely to illustrate the present invention is not limited to the contents of the present invention.

<실험예 1> 건식재처리공정에서 발생하는 폐피복관의 방사화학적 특성<Experimental Example 1> Radiochemical Characteristics of Waste Coated Tubes in Dry Reprocessing Process

연소도 32,000 MWd/tU, 냉각기간 15년인 PWR 사용후 핵연료의 건식처리공정에서 발생한 폐피복관에 대하여 SEM 및 EPMA 분석을 수행하였으며, 그 결과는 하기와 같다.SEM and EPMA analyzes were performed on the waste coating tubes generated during the dry treatment process of PWR spent fuel with a combustion degree of 32,000 MWd / tU and a cooling period of 15 years. The results are as follows.

(1) 산화층 분석(1) oxide layer analysis

폐피복관의 내면에는 피복관이 조사 받는 과정에서 산화층 및 Pu와 같은 TRU, 그리고 핵분열 생성물 침투층이 형성된다. Pu 등과 같은 α-핵종은 heavy fission fragment와 충돌하여 산화층 내부에 침투(implant)될 수 있지만 이들은 폐피복관 표면으로부터의 깊이에 따라 그 양이 지수적으로 감소하며 침투될 수 있는 깊이는 약 1 ㎛ 정도로 알려져 있다. 폐피복관 내부에 존재하는 산화층의 두께를 알아보기 위하여 산소포텐셜을 측정하여 도 1에 나타내었다.The inner surface of the closed coating tube forms an oxide layer, a TRU such as Pu, and a fission product penetration layer as the coating tube is irradiated. Α-nuclides, such as Pu, can collide with the heavy fission fragments and implant into the oxide layer, but they decrease exponentially with depth from the surface of the lung coating tube and can penetrate about 1 μm. Known. In order to determine the thickness of the oxide layer present in the closed coating tube, the oxygen potential was measured and shown in FIG. 1.

도 1에서 플루토늄 등 α-핵종이 최대치를 나타내는 지점으로부터 약 3 ㎛까지 산소포텐셜이 증가하고 있으므로 이 거리내에서 핵분열 생성물이 산화물형태로 존재하고 있음을 알 수 있으며, 특히 산화성이 큰 Zr 금속이 ZrO2의 산화층을 형성 하고 있을 것으로도 사료된다. In Fig. 1, since the oxygen potential is increased from about the point where α-nuclides such as plutonium is maximum to about 3 μm, it is understood that fission products exist in the form of oxide within this distance. It is also thought to form an oxide layer of 2 .

(2) 폐피복관 내면에 대한 EPMA 분석(2) EPMA analysis of the inner surface of the lung coat tube

폐피복관을 약 1 ㎝ 길이로 절단하여 EPMA 분석을 하였다. EMPA 분석 결과는 도 2에 나타내었다.The lung coat tube was cut to about 1 cm in length for EPMA analysis. EMPA analysis results are shown in FIG. 2.

도 2에서 보는 바와 같이, 폐피복관 내부표면으로부터 약 10 ㎛되는 지점까지 핵분열 생성물이 분포되어 있음을 알 수 있다. 원소 중에서 Zr이 거의 98.9%를 나타내었으며 핵분열 생성물은 약 1.1%를 나타내었다.As shown in Figure 2, it can be seen that the nuclear fission product is distributed to the point of about 10 ㎛ from the inner surface of the closed coat tube. Among the elements, Zr showed almost 98.9% and the fission product showed about 1.1%.

<실시예> 펄스 레이저를 이용한 폐피복관의 방사능 저감<Example> Reduction of radioactivity of the lung coat tube using pulse laser

원자력 발전 후 건식처리공정을 거친 모의폐피복관 내면을 펄스 레이저(모델명:Nd-YAG Pulse Laser)를 이용하여 약 20 ㎛ 깊이로 절삭하였다.After the nuclear power generation, the inner surface of the simulated closed tube which was subjected to the dry treatment process was cut to a depth of about 20 μm using a pulse laser (model name: Nd-YAG Pulse Laser).

이러한 절삭후의 외부표면 상태는 도 3에 나타낸 바와 같다. 이후 상기 절삭된 폐피복관에 대한 방사능 양 및 방출량의 변화를 살펴보면 다음과 같다. The external surface state after such cutting is as shown in FIG. Then, the changes in the amount of radiation and the amount of emission for the cut closed tube is as follows.

(1) 방사능 양(1) radioactivity

상기 실시예에 의해 표면이 절삭된 폐피복관으로부터 방출되는 총방사능 방출량(total radioactivity)은 핵분열 생성물의 방사능과 α-핵종의 방사능의 합으로서, 이론적으로 TR=0.00000 + 6.65 ×0.005 = 0.03325 mCi/kg Zry가 된다. 실제로 측정한 결과도 상기 수치적으로 계산한 것과 거의 동일하게 얻을 수 있었으며, 이러한 수치는 TRU 폐기물 기준인 100 nCi/g(0.1 mCi/kg) 이하가 된다.The total radioactivity emitted from the closed cut tube by the above embodiment is the sum of the radioactivity of the fission product and the radioactivity of the α-nuclide, which is theoretically TR = 0.00000 + 6.65 × 0.005 = 0.03325 mCi / kg It becomes Zry. In fact, the measured results were obtained almost the same as those calculated numerically, and these values were below 100 nCi / g (0.1 mCi / kg), which is the TRU waste standard.

(2) 방출열 량(2) the amount of heat released

지르칼로이-4 피복관에는 우라늄이 3.5ppm 정도로 균일하게 포함되어 있는데 이 우라늄이 핵연료 조사과정에서 TRU를 생성시킬 수 있다. 이러한 우라늄에 의하여 생성되는 TRU에 의한 방사능을 핵종붕괴 계산코드인 ORIGEN II를 이용하여 계산하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.The zircaloy-4 cladding contains 3.5 ppm of uranium uniformly, which can generate TRU during the fuel investigation. Radioactivity by TRU produced by such uranium was calculated using ORIGEN II, a nuclide decay calculation code, and the results are shown in Table 1.

TRU 분류 기준인 열발생 량 2kW/㎥을 지르칼로이 폐피복관에 적용하면 약 0.31 W/kg(잉곳 밀도 100% 기준)에 해당한다.Applying 2kW / m3 of heat generation, TRU classification standard, to Zircaloy closed-coated tube, it corresponds to about 0.31 W / kg (100% of ingot density).

최초first 5년5 years 10년10 years 15년15 years 20년20 years 25년25 years 30년30 years 35년35 years 40년40 years 8.163W/kg8.163W / kg 0.01920.0192 0.00840.0084 0.00390.0039 0.00190.0019 0.00090.0009 0.00040.0004 0.00030.0003 0.00010.0001

상기 표 1은 폐피복관 자체에 존재하는 우라늄이 조사과정에서 TRU로 변화할 때 발생하는 발열량이다. 한편 사용후핵연료 지르칼로이-4 폐피복관의 내면에 부착된 TRU 폐기물은 폐피복관 방사화로 인한 TRU폐기물의 199배(99.5% /0.5%=199)이므로 냉각기 15년인 경우 총 TRU에 의한 방출열량은 0.78W/kg(0.0039+199X0.0039=0.78)이고 냉각기 20년인 경우에는 0.38W/kg (0.0019+0.0019X199=0.38)이 되어 냉각기 20년 이상이 경과하여야만 TRU기준 이하로 떨어지게 된다.Table 1 is a calorific value generated when the uranium present in the closed coating itself changes to TRU during the irradiation process. On the other hand, the TRU waste attached to the inner surface of spent fuel Zircaloy-4 waste coating tube is 199 times (99.5% /0.5%=199) of TRU waste due to waste tube radiation. In the case of W / kg (0.0039 + 199X0.0039 = 0.78) and 20 years cooler, it is 0.38W / kg (0.0019 + 0.0019X199 = 0.38) and it will fall below the TRU standard only after 20 years or more.

그러나 폐피복관 내면을 20㎛ 정도 절삭하여 폐피복관 내면에 부착되어 있는 TRU를 제거하는 경우 냉각기간 5년 시점에서 총방출열량은 0.38W/kg (0.0192+0.0192X199X0.005=0.0383)으로 되어 TRU기준 이하로 떨어지게 된다.However, in case of removing the TRU attached to the inner surface of the closed coating pipe by cutting the inner surface of the closed coating pipe about 20㎛, the total discharged heat amount is 0.38W / kg (0.0192 + 0.0192X199X0.005 = 0.0383) at 5 years of cooling period. Will fall below.

이와같이 폐피복관 내면을 절삭하여 폐피복관 내면에 부착되어 있는 TRU를 제거하는 경우 폐피복관을 절삭하지 않는 경우에 비해 열방출량이 급속하게 줄어들어 20년 보다 훨씬 짧은 5년만 방치하더라도 상기 TRU 분류 기준 이하의 열방출량을 만족시킬 수 있다.As such, when the inner surface of the closed coating pipe is removed to remove the TRU attached to the inner surface of the closed coating pipe, the heat release rate is rapidly reduced compared to the case where the closed coating pipe is not cut, and the heat below the TRU classification standard is maintained even if it is left for 5 years which is much shorter than 20 years. The discharge amount can be satisfied.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법은 폐피복관의 고방사능 층을 펄스 레이저에 의해 균일한 두께로 제거함으로써 폐피복관의 총방사능을 낮추어, 특별관리 되어야 할 폐피복관의 부피를 줄임으로 처분비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 폐피복관으로부터 전처리과정을 통하여 핵분열 생성물 등 불순물을 제거함으로써 금속적인 성능이 더 양호한 잉곳 제조가 가능하여 궁극적으로 폐피복관을 보다 환경 친화적으로 처분할 수 있다.The method for reducing the radioactivity of the nuclear fuel lung coating tube of the present invention configured as described above reduces the total radioactivity of the lung coating tube by removing the high radioactive layer of the lung coating tube with a uniform thickness, thereby reducing the volume of the lung coating tube to be specially managed. In addition to reducing disposal costs, the pretreatment process removes impurities, such as fission products, from the waste coating tube, enabling the production of ingots with better metallic performance, resulting in more environmentally friendly disposal of the waste coating tube. .

Claims (3)

원자력 발전후 발생한 Sn 1.20∼1.70 중량%, Fe 0.18∼0.24 중량%, Cr 0.07∼1.13 중량%, Ni <0.007 중량%, O 900∼1500 ppm 및 Zr 잔부로 이루어지며, 건식처리공정으로 수행하여 얻어진 핵연료 폐피복관의 표면을 펄스 레이저(pulse laser)를 이용하여 표면에 대해 20 ㎛ 이상 깊이로 절삭하여, 방사능량이 100 nCi/g 미만이고 열발생 량이 2 ㎾/㎥ 미만인 중ㆍ저준위 핵연료 폐피복관으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 핵연료 폐피복관의 방사능 저감방법.Sn 1.20-1.70 wt%, Fe 0.18-0.24 wt%, Cr 0.07-1.13 wt%, Cr <0.007 wt%, O 900-1500 ppm and residues of Zr generated after nuclear power generation. The surface of the nuclear fuel cladding tube is cut to a depth of 20 µm or more with a pulse laser to form a medium and low level nuclear fuel cladding tube having a radioactivity of less than 100 nCi / g and a heat generation amount of less than 2 mW / m 3. A method for reducing radioactivity of a nuclear fuel cladding tube, characterized in that 삭제delete 삭제delete
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030000020A (en) * 2002-11-29 2003-01-03 최용기 The way to reduce facilities's rust by impressing water molecule's hot diamagnetism action activation.

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