KR100948354B1 - 방사능 폐기물 파괴 시스템 및 방법 - Google Patents

방사능 폐기물 파괴 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

원자로로부터의 폐핵연료를 핵변환하는 방법은 구동 핵연료 성분을 포함하는 성분들과 핵변환 연료 성분으로 폐기물을 분리하는 단계를 포함한다. 플루토늄230와 같은 핵분열 물질들을 포함하는 구동 핵연료는 원자로에서 임계 핵분열 반응을 일으키는데 사용된다. 비핵분열성 초우란 동위원소들을 포함하는 핵분열 연료는 구동 핵연료의 핵분열시 생성되는 열중성자들에 의해 핵분열된다. 시스템은 구동 핵연료의 핵분열을 촉진하고 구동 핵연료에 의한 중성자 포획을 감소시키도록 설계된다. 반응된 구동 핵연료는 건식 클린업 공정을 사용하여 초우란원소들과 핵분열성 생성물들로 분리되며, 결과적인 초우란원소들은 핵변환 연료와 혼합되어 원자로에 다시 도입된다. 원자로로부터의 핵변환 연료는 양자빔과 분쇄 타겟을 사용하여 생성되는 중성자들에 의해 다시 핵변환하기 위해 제2 원자로에 도입된다.

Description

방사능 폐기물 파괴 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR RADIOACTIVE WASTE DESTRUCTION}
본 발명은 일반적으로 고 레벨의 방사능 폐기물의 파괴를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 원자로부터의 폐핵연료를, 매립지에 장기간 저장에 적합한 형태로 변환시키는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 다음으로만 국한되는 것은 아니나, 폐핵원료에서 발견되는 플루토늄239 및 이외 초우란원소들을 보다 안정되고 덜 방사성 독물의 물질들로 핵변환하는데 유용하다.
폐핵연료는 매우 방사성 독물이며 핵확산, 방사선 피폭 및 환경오염을 포함하여 인류에 몇가지 도발적 위협이 되고 있음은 잘 알려져 있다. 지금까지, 약 25,000톤의 폐 방사능 연료를 포함한 대략 90,000 폐연료 집합체들이 미국 내에 있다. 또한, 매년 추가로 폐연료 집합체들이 발생되고 있어, 2015년까지는 폐연료 폐기물이 약 70,000 톤이 될 것으로 추정된다. 폐기물이 미국내 현존의 원자로에 의해 발생되는 율에 의하면, 매 20-30년마다, 유카산에 아직 열지 않은 매립지의 법정 용량에 맞먹는 새로운 매립용량이 필요하게 될 것이다. 현재, 이러한 방사성 독물의 약 95%는 워터 풀 내 발전 지점(즉, 발전소)에 임시 저장되고, 소량은 건식 저장조(cask)에 저장된다.
경수로와 같은 상업용 핵발전소로부터 제거해낸 전형적인 폐연료 집합체는 4가지 주요 성분들로서, 우라늄(약 95%), 풀루토늄239을 포함한 핵분열성 초우란원소(0.9%), 아메리슘, 풀루토늄, 큐륨 및 넵투늄의 어떤 동위원소들을 포함한 비핵분열성 초우란원소(0.1%), 및 핵분열 생성물(밸런스)을 포함한다. 비교적 짧은 시간 후에, 우라늄 및 핵분열 생성물의 일부는 일반적으로 천연 우라늄 광석처럼 방사성 독물이 아니다. 결국, 폐연료의 이들 성분들은 핵변환 혹은 특별한 처리를 필요로 하지 않는다. 나머지 핵분열 부산물들은 상업용 원자로에서 가연성 독물로서 사용된 후 매립지에서 처분될 수 있다.
그러나, 핵분열성 및 비핵분열성 초우란원소들은 환경으로부터 특별 격리하거나 비핵분열성의 생존이 짧은 형태로 핵변환해야 한다. 이들 초우란원소들 중 적어도 95%를 파괴한 후 이를 개선된 콘테이너들(즉, 단순 강철 콘테이너들보다 나은 콘테이너들)에서 처분하는 것은, 단순히 폐기물을 핵연료봉 형태로 비축해두는 것보단 훨씬 나은 해결책이 된다. 한 핵변환 방식에서, 초우란원소들은 원자로에서 핵변환된 후, 분리단계에서 나머지 초우란원소들을 농축시키고, 이어서 다시 핵변환한다. 불행하게도, 이러한 사이클은 95%라는 바람직한 파괴 수준을 이루기 위해 10-20번 반복되어야 하며, 결국, 매우 시간 소비적이고 비용이 많이 든다.
또 다른 핵변환 방식에서는 고속 중성자들을 사용하여 비핵분열성 초우란원소들을 핵변환한다. 예를 들면, 파쇄 타겟에 양자를 충돌시켜 생성되는 고속 중성 자들이 사용된다. 이들 고속 스펙트럼 시스템들은 상당량의 중성자들을 생성하긴 하나, 대다수의 중성자들이, 특히 미임계 시스템에서 낭비된다. 또한, 이들 고속 중성자들은 핵연료 및 구조물들에 심각한 손상을 야기할 수 있어 핵변환 장치들의 유용한 수명이 제한된다.
이에 비추어, 본 발명의 목적은 복수회에 걸친 재처리 단계들을 필요로 함이 없이 비교적 높은 파괴 수준을 달성하기 위해서 핵분열성 및 비핵분열성 초우란원소들을 핵변환하는데 적합한 장치들을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 열중성자들을 사용하여 핵분열성 및 비핵분열성 초우란원소들을 효율적으로 핵변환하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 핵분열성성 초우란원소들의 핵분열 중에 방출되는 중성자들을 사용하여 비핵분열성 초우란원소들을 핵분열시키는 것으로, 핵분열성 및 비핵분열성 초우란원소들을 효율적으로 핵변환 하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서, 경수로와 같은 원자로로부터 폐핵연료(즉, 방사능 폐기물)을 핵변환하는 시스템 및 방법은 폐기물을 성분들로 분리하는 단계를 포함한다. 본 발명에 있어서는 폐핵연료를, 우라늄 성분, 핵분열 생성물 성분, 구동 핵연료 성분 및 핵변환 연료 성분을 포함하는 성분들로 분리에 있어 종래의 UREX 공정을 사용할 수 있다. 분리 후에, 구동 핵연료 성분과 핵변환 연료 성분은 덜 위험한 물질들로 핵변환하기 위한 열중성자 스펙트럼을 사용하는 원자로 내에 놓여진다. 반면, 우라늄 성분은 비교적 비방사능 성분이고 핵변환없이도 처분될 수 있다. 또한, 핵분열 생성물들은 상용 열 원자로들에서 단수명의 비유독성 형태로 핵변환될 수도 있다.
플루토늄239와 같은 핵변환 물질들을 포함하는 구동 핵연료는 제1 원자로에서 임계, 자체-지속성(self-sustaining), 열중성자 핵분열 반응을 일으키는데 사용된다. 아메리슘, 풀루토늄, 넵튜늄 및 큐륨의 어떤 동위원소들과 같은 비핵분열성 물질들을 포함하는 핵변환 연료는 구동 핵연료의 핵분열시 나오는 중성자들에 의해 핵변환된다. 핵변환 연료는 안정된 반응성 피드백을 제공하며 원자로가 피동으로 확실히 안정되게 하는데 중요한 기여를 한다. 시스템은 구동 핵연료의 핵분열을 촉진하고 구동 핵연료에 의한 과도한 중성자 포획을 감소시키도록 설계된다. 구체적으로, 시스템은 구동 핵연료가 비교적 큰 중성자 포획 단면적과 비교적 작은 핵분열 단면적을 갖는 에너지 대역 내에서 구동 핵연료 성분이 열중성자들에 노출되는 것이 최소화되게 설계된다. 일 구현에서, 구동 핵연료는 소위 자기-차폐 효과에 의한 중성자 포획을 최소화하기 위해 비교적 큰 직경(예를 들면, 대략 300㎛)을 갖는 구체 입자들로 형성된다.
핵변환 연료는 소량의 핵변환 연료가 고온 중성자들(즉, 열중성자 에너지 스펙트럼에서 고 에너지 측의 열중성자들)에의 노출이 최대가 되게 대략 직경이 150㎛인 비교적 작은 대체로 구체의 입자들(혹은 희석된 250㎛의 입자들)로 형성된다. 이들 중성자들은 소위 공진 고온 영역에서 핵변환 연료 원자들과 상호작용하여 이들을 포획 및 이에 이은 핵분열 순으로 파괴한다.
또한, 입자들은 핵분열 반응으로부터의 중성자들을 감속시키는 흑연블록들 내 놓여진다. 구동 핵연료에 포획보다 핵분열을 조장하는 바람직한 에너지 레벨들로 중성자들을 감속시키기 위해 제1 원자로에서는 흑연량 대 구동 핵연료량의 비교적 높은 비가 사용된다.
구동 핵연료 및 핵변환 연료는 제1 원자로 내에 대략 3년간 존속하며, 기반응된 구동 핵연료 및 핵변환 연료의 1/3이 매년 제거되고 새로운 핵연료로 대치된다. 제1 원자로로부터의 제거시, 기반응된 구동 핵연료는 대략 1/3 초우란원소들과 2/3의 핵변환 생성물로 구성된다. 기반응된 구동 핵연료 내 초우란원소들은 휘발성 원소들을 가열하여 증발시키는 베이킹 공정을 사용하여 핵분열 생성물로부터 분리된다. 결과적인 핵분열 생성물은 매립지에 보내질 수 있고 나머지 초우란원소들은 UREX 분리에 의한 핵변환 연료와 혼합하여 재 핵변환을 위해 제1 원자로에 다시 도입시킬 수 있다.
3년 후에 제1 원자로부터 제거된 핵변환 연료는 다시 핵변환시키기 위해 제2 원자로에 도입된다. 제2 원자로는 양자빔이 윈도우를 통해 하우징 내로 통과되게 하는 윈도우를 구비한 상용 원통형 하우징을 포함한다. 분쇄 타겟은 하우징 내에 양자빔 경로를 따라 위치된다. 그럼으로써, 양자빔이 하우징에 들어가 분쇄 타겟과 충돌할 때 고속 중성자들이 나온다.
핵변환 연료를 수용한 흑연블록들은 분쇄 타겟으로부터 거리를 두고 하우징 내에 배치된다. 고온 중성자들이 핵변환 연료에 도달할 수 있게 제2 원자로에서는 흑연량 대 핵변환량의 비교적 낮은 비가 사용된다. 그러나, 핵변환을 위한 바람직한 감속을 달성하기 위해 충분한 량의 흑연이 사용되고, 이에 부수적인 효과로, 원자로 구조물들 및 장비에 고속 중성자가 가하는 손상이 제한된다. 대략 4년간의 제2 원자로 내 존속 시간 후에, 반응된 핵변환 연료는 제2 원자로부터 제거되어 곧바로 매립지로 보내진다. 핵변환 연료의 구체 입자들은 반응된 핵변환 핵연료가 매립지에 장기간 수용될 수 있게 불침투성의 세라믹 물질로 피복된다.
구조 및 동작에 관하여 발명 자체만이 아니라 이 발명의 신규의 특징들은 첨부한 설명과 함께, 동일 구성요소에 동일 참조부호를 사용한 첨부한 도면으로부터 충분히 이해될 것이다.
도 1은 경수로로부터 폐핵연료를 처리하기 위한 방법의 기능 블록도이다.
도 2는 피복 구동 입자의 중심을 통해 본 단면도이다.
도 3은 피복 핵변환 입자의 중심을 통해 본 단면도이다.
도 4는 핵연료 요소들을 제조하기 위한 공정도이다.
도 5는 도 4에서 선 5-5을 따라 본 핵연료 요소의 단면도이다.
도 6은 임계, 지속성 핵분열 반응을 위한 모듈형 헬륨 원자로(MHR)이다.
도 7은 도 6의 7-7선을 따라 본 단면도이다.
도 8은 중성자 에너지의 함수로서 초우란 폐기물의 100 원자들의 95% 파괴로부터 순 중성자 생성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 미임계, 가속기로 구동되는, 핵변환 반응을 위한 모듈형 헬륨 원자로(MHR)이다.
도 10은 도 9의 10-10선을 따라 본 단면도이다.
도 1은 열중성자를 사용한 핵변환을 통해 폐핵연로(12) 내 초우란원소들의 고 레벨 파괴를 달성하기 위해, 경수로(LWR)로부터 폐핵연료 집합체들과 같은 폐핵연료(12)를 처리하는 방법(11)을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 폐핵연료(12)를, 우라늄 성분(16), 핵분열 생성물 성분(18), 구동 핵연료 성분(20) 및 핵변환 연료 성분(22)을 포함하는 성분들로 분리시키는 데에 있어 종래의 UREX 공정(14)을 사용할 수 있다. 구체적으로, 폐핵연료(12)의 대략 95%를 구성하는 우라늄 성분(16)은 비교적 비방사능이어서 핵변환하지 않고도 처분될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 폐핵연료(12)의 대략 4%를 구성하는 핵분열성 생성물 성분(18)은, 테크니슘+(폐핵연료(12)의 대략 0.1%를 구성함) - 테크니슘+은 조사되면(irradiated) 루테늄(28)을 생성할 수 있음(26)- 과 같은 유독한 핵분열성 생성물(24)을 포함하며, 이는 패키징하여(30) 매립지(32)에 보내질 수 있다. 원한다면, 조사 단계(26)는 테크니슘+을 상용 원자로에서 가연성 독물로서 사용함으로써 달성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 요오드를 포함하는 그 외 핵분열성 생성물(폐핵연료(12)의 대략 3.9%를 구성함)은 패키징하여 매립지(32)에 보내질 수 있다.
도 1에서, UREX 공정(14) 후에, 폐핵연료(12)의 대략 0.9%를 구성하며 플루토늄239 및 넵투늄237과 같은 가연성 동위원소들을 포함하는 구동 핵연료 성분(20)은 피복 구동 입자들로 제조된 후(36), 제1 원자로(38)에서 임계 자체-지속성 열중성 자 핵분열 반응을 촉발시키는데 사용됨을 알 수 있다. 통상, 구동 핵연료 성분(20)은 대략 95%의 플루토늄과 5%의 넵투늄이다. 유사하게, 폐핵연료(12)의 대략 0.1%를 구성하며 이를테면 아메리슘, 큐륨, 구동 핵연료로부터 나오는 Pu 및 넵투늄의 어떤 동위원소들과 같은 비핵분열성 물질들을 포함하는, 핵변환 연료 성분은 피복 핵변환 입자들로 제조되어(40), 구동 핵연료 성분(20)의 핵분열시 생성되는 중성자들에 의한 핵변환을 위해 제1 원자로(38)에 도입된다. 통상, 핵분열 연료 성분(22)은 대략 42%의 플루토늄, 39%의 아메리슘, 16%의 큐륨 및 3%의 넵투늄이다. 핵변환 연료 성분(22)은 또한 원자로를 제어하기 위해 안정된 반응성 피드백을 제공한다.
도 2는 42로 표시한 피복 구동 입자를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 피복 구동입자(42)는, 구동 핵연료 성분(20)으로부터 제조되고 커넬(kernel) 직경이 d1인 구동 핵연료 커넬(44)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 구동 핵연료 커넬(44)은, 다공성 탄소층일 수 있는 버퍼층(46)을 갖는 코팅으로 피복된다. 기능적으로, 버퍼층(46)은 핵분열 리코일을 감쇄시키며 커넬 팽창을 수용한다. 또한, 구멍(pore)들은 핵분열 가스들을 위한 빈 공간들을 제공한다. 코팅은 내측 열분해탄소(pyrocarbon) 층(48), 탄화규소(SiC) 층(50) 및 외측 열분해탄소 층(52)을 포함한다. 내측 열분해탄소 층(48)은 조사(irradiation)시 탄화규소층(50)을 위한 지지를 제공하며, 제조시 구동 핵연료 커넬(44)에 Cl의 부착을 방지하며, 핵분열 생성물 및 CO로부터 SiC를 보호하며, 가스상 핵분열 생성물을 보존한다. 탄화규소층 (50)은 주 로드 담지(bearing) 부재를 구성하며 장기간 저장동안의 가스 및 금속 핵분열 생성물을 보존한다. 외측 열분해탄소 층(52)은 탄화규소층(50)을 위한 구조적 지지를 제공하며, 콤팩트화를 위한 접합면을 제공하며 결함이 있는 탄화규소층(50)을 갖는 입자들에 핵분열 생성 장벽을 제공한다.
도 3은 54로 표시한 피복 핵변환 입자를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 피복 핵변환 입자(54)는, 핵변환 연료 성분(22)으로부터 제조되고 커넬 직경이 d2인 핵변환 연료 커넬(56)을 구비한다. 도시된 바와 같이, 핵변환 연료 커넬(56)은 버퍼층(58), 내측 열분해탄소 층(60), 탄화규소층(62) 및 외측 열분해탄소 층(64)을 구비한 코팅으로 피복된다. 이들 층들은 위에 기술한 피복 구동 입자(42)의 대응하는 층들(즉, 버퍼층(46), 내측 열분해탄소 층(48), 탄화규소층(50) 및 외측 열분해탄소 층(52))과 조성 및 기능이 유사하다.
도 4는 피복 구동 입자들(42) 및 피복 핵변환 입자들(54)을 제조하는 제조공정을 도시한 것이다. 구체적으로, 우선, 유리 질산을 중화시키기 위해서 H2O 및 NH3를 첨가함으로써 농축 Pu 질산용액(예를 들면, 600-1100g Pu/l)을 브로스(broth)로서 준비한다. 요소를 첨가하고 용액을 10℃로 냉각하고 이 온도에서 HMTA(Hexamethylene-tetra-amine)를 첨가하여 대략 240-260g Pu/l의 농도를 갖는 브로스(66)를 형성한다. 드롭 컬럼(68)의 니들 오리피스들을 통해 브로스(66)를 펄싱함으로써 액적(liquid droplet)들이 생성되고 HMTA의 분해로부터 NH3를 제거해 겔상태가 되게 하기 위해 액적들을 80℃의 조(bath)에서 가열함으로써 액적들이 겔 화된다(겔상태의 구체들(70)을 생성함).
도 4에서, 겔화 후에, 세척 컬럼들(72a, 72b)을 사용하여 겔 상태의 구체들(70)을 희석 NH4OH에서 세척하여 구조체를 안정화시키고 잔류 반응 생성물들 및 유기물들을 제거한다. 세척 컬럼(72b)으로부터, 회전 건조기(74)를 사용해서 구체들을 200℃의 포화 공기에서 건조시킨다. 다음에, 구체들을 750℃의 건조 공기를 사용하여 소성로(calcinating furnace)(76)에서 소성한다. 소성로(76)로부터, 구체들은 소결로(78)에서 1500-1600℃로 순 H2에서 소결한다. 테이블(80)과 스크린(82)은 사용불가의 구체들을 폐기하는데 사용된다. 일 구현에서, 비-구체성(non-sphericity)(최대 직경 대 최소 직경의 비)은 1.06 미만이 되게 제어된다. 수락가능의 구체들은 구동 핵연료 커넬들(44)을 구성하며 이들은 이어서 유동 상(bed) 코팅기들(84, 86, 88)을 사용하여 코팅된다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 내측 열분해탄소 층(48)을 피착함에 있어서는 탄화수소 가스를 사용한 유동 상 코팅기(84)가 사용될 수 있음을 알 수 있다. 유사하게, 탄화규소층(50)을 피착함에 있어서는 메칠트리클로로실란을 사용한 유동 상 코팅기(86)가 사용될 수 있고, 외측 열분해탄소 층(52)을 피착함에 있어서는 탄화수소 가스를 사용한 유동 상 코팅기(88)가 사용될 수 있다. 코팅들은 또한 단지 하나의 코팅기만을 사용한 연속 공정에서 피복될 수도 있다.
수락가능의 크기, 밀도 및 형상의 피복된 구동 입자들(42)을 골라내기 위해서 테이블(90), 스크린(92) 및 분리(elutriation) 컬럼들(94)을 사용한다. 이어 서, 수락가능의 피복 구동 입자들(42)은 원통형 구동 핵연료 콤팩트(96)를 준비하는데 사용된다. 구체적으로, 피복 구동 입자들(42)을 열가소성 혹은 열경화성 매트릭스 물질과 함께 콤팩트 프레스(98)에 놓고 이 결합체를 가압하여 실린더들로 만든다. 이어서 실린더들을 침탄로(100)에 놓고, 이어서 열처리 노(102)에 두어 구동 핵연료 콤팩트(96)를 만든다. 콤팩트들로부터 초우란원소들 및 이외 불순물들을 제거하기 위해서 이들 콤팩트들을 침탄로(100)와 열처리 노(102) 사이에서 건 염화수소산 가스로 처리할 수도 있다.
도 4에서, 핵연료 요소들(106)을 준비하기 위해서 구동 핵연료 콤팩트들(96)을 흑연블록(104)에 놓아둘 수 있음을 볼 수 있다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 원통형상의 핵연료 콤팩트들(96)을 수용하기 위해 6각형 형상의 흑연블록들(104) 내에 원형형상의 구멍들(108)을 구비하게 가공된 것을 볼 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 핵연료 요소(106)에 균일하게 분포된 구동 핵연료 콤팩트들(96)을 수용하는 144개의 구멍들을 구비한 예시적인 핵연료 요소(106)가 도시되었다. 또한, 핵연료 요소(106)는 이에 균일하게 분포된 핵변환 핵연료 콤팩트들(110)을 수용하기 위한 72개의 구멍들, 및 헬륨과 같은 냉각제가 핵연료 요소(106)에 통과되게 하기 위한 108개의 냉각제 통로들(112)을 포함한다. 이외 유사한 구멍 구성들이 핵연료 요소들(106)에서 사용될 수 있음을 알 것이다. 당업자들은 구동 핵연료 콤팩트들(96)을 준비하기 위한 전술의 제조공정과 유사한 방식으로 핵변환 핵연료 콤팩트들(110)이 준비될 수 있음을 알 것이다.
이어서 구동 핵연료 콤팩트들(96)과 핵변환 핵연료 콤팩트들(110)을 수용한 복수의 핵연료 요소들(106)을, 핵변환을 위해 도 1에 도시된 바와 같은 제1 원자로(38)에 놓는다. 여기서 사용되는 핵변환이라는 용어는 생성 원자핵이 반응 원자핵과는 다른 질량수 혹은 다른 원자번호를 갖게 원자의 원자핵을 변경하며, 핵분열, 포획 및 붕괴 프로세스들로 한정되는 것은 아니나 이들을 포함하는 어떠한 프로세스(들)이든 이들을 의미하게 하고자 한 것이다. 예를 들면, 핵변환 핵연료 성분 내 비핵분열성 동위원소들은 일반적으로 우선 하나 이상의 포획 및/또는 붕괴 과정들을 통해 핵변환된 후 핵분열함에 의해 열중성자로 붕괴될 수 있다.
도 6은 제1 원자로(38)를 예시한 것이다. 방법(11)에 있어서는 제1 원자로(38)로서 모듈형 헬륨 원자로(MHR)가 사용될 수 있다. MHR에서는, 온도를 조절(regulate)하고 원자로 용기로부터 열을 추출하기 위해 헬륨이 원자로 용기를 순환된다. 추출된 열은 예를 들면 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 냉각제로서 헬륨의 사용은 중성자에 대한 헬륨의 투명성(transparency) 때문에 이점이 있다. 또한, 헬륨은 화학적으로 불활성이며, 결국, 핵 및 화학적 냉각제와 핵연료간 상호작용들이 최소화된다. 또한, 헬륨은 가스상태에 있어 계산 및 예측하기가 용이한 확실한 냉각을 제공한다.
도 7을 참조하면, 핵연료 요소들(106)은 중앙의 반사체(114)를 포위하는 대체로 환형의 배열로 제1 원자로(38) 내에 배열된 것을 볼 수 있다. 구체적으로, 도시된 바와 같이 핵연료 요소들(106)은 3개의 대체로 환형의 고리들(116, 118, 120)로 배열되며, 각 고리(116, 118, 120)는 핵연료 요소들(106)의 36개의 컬럼들을 포함하고 있고 각 컬럼은 10개의 핵연료 요소들(106)로 된 스택을 구비한다. 자체-지속성 임계 핵분열 반응을 일으키기 위해서 원자로(38)엔 충분한 량의 핵분열 물질이 포함된다. 방법(11)에 있어서는 제1 원자로(38) 내의 물질들은 구동 핵연료 성분(20)(도 1 참조)의 핵분열을 조장하고 구동 핵연료 성분(20)에 의한 중성자 포획을 감소시키도록 구성된다. 구체적으로, 제1 원자로(38)는 구동 핵연료 성분(20) 내 Pu239이 비교적 큰 중성 포획 단면적과 비교적 작은 핵분열 단면적을 갖는 에너지 대역 내에서 구동 핵연료 성분(20)이 열중성자들에 노출되는 것이 최소화되게 구성된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 이 에너지 대역은 대략 0.2eV 내지 대략 1.0eV에 있다.
방법(11)의 일구현에서, 원자로(38)내 물질들은 구동 핵연료 성분(20)이 열중성자에 최대 노출이 대략 0.1eV 내지 대략 0.2eV에 이르는 에너지 대역 내가 되도록 구성된다. 이를 달성하기 위해서, 구동 핵연료 성분(20)은 중성자 포획을 최소화하기 위해 대략 270㎛ 내지 대략 320㎛의 비교적 큰 구동 핵연료 커넬 직경(d1)(도 2 참조)을 갖는 구체 입자들로 형성된다. 문제의 에너지 대역 내 중성자들(즉, 대략 0.2eV 내지 대략 1.0eV 내의 중성자들)은 비교적 큰 구동 핵연료 커넬(44)의 표면으로 제한하여, 나머지 비교적 큰 구동 핵연료 커넬(44)을 대략 0.1eV 내지 대략 0.2eV 범위의 에너지들을 갖는 중성자들에 의한 핵분열에 사용될 수 있게 한다.
도 7에서, 핵연료 요소들(106)(도 5에 도시된 흑연블록들(104)을 포함하는)은 중앙의 반사체(114)와 외곽의 반사체(122) 사이에 개재된 환형의 배열로 배치된 것을 볼 수 있다. 흑연은 핵분열 반응으로부터의 고속 중성자들을 감속시킨다. 기능적으로, 흑연은 고속의 중성자가 핵연료, 원자로 구조물들 및 장비에 손상을 가하는 것을 감소시킨다. 문제의 에너지 대역 내의 중성자들(즉, 대략 0.2eV 내지 대략 1.0eV 사이의 중성자들)이 구동 핵연료 성분(20)에 도달하기 전에 이들 중성자들을 감속시키기 위해서 제1 원자로(38)에는 흑연량 대 핵연료 량의 비교적 큰 비(즉 100:1 이상)가 사용된다. 또한, Np237, Am241 및 Pu240를 포함하지만 이들로 한정되지 않는 구동 핵연료 성분(20) 및 핵변환 연료 성분(22) 내 비핵분열성 초우란원소들(도 1 참조)은 제1 원자로(38)에서 네가티브 반응성 피드백을 보장하고, Er167 또는 그외 유사 기생 독물들을 대신하여 원자로의 연료소비를 연장시키는 독물/핵분열 물질의 원료가 될 수 있는(fertile) 물질로서 작용하는데 사용될 수 있다.
도 1 및 도 7에서, 구동 핵연료 성분(20) 및 핵변환 핵연료 성분(22)은 대략 3년 동안 제1 원자로(38) 내에 존속한다. 매년, 새로운(반응시키지 않은) 핵연료 요소들(106)의 10 블록 크기의 36개의 컬럼들이 고리(118)에 추가되고, 한 해 동안에 고리(118)에 있었던 부분적으로 반응된 핵연료 요소들(106)은 고리(120)로 옮겨진다. 또한, 1년 동안 고리(120)에 있었던 부분적으로 반응된 핵연료 요소들(106)은 고리(116)로 옮겨지고, 1년 동안 고리(116)에 있었던 반응된 핵연료 요소들(106)은 제1 원자로(38)로부터 제거된다. 고리(118)에서 고리(120)로의 이동과 고리(120)에서 고리(116)로 이동 동안에, 핵연료 요소들은 축상으로 뒤섞인다. 구체 적으로, 각 컬럼 내 핵 요소들(106) 0-1-2-3-4-5-6-7-8-9은 축상으로 뒤섞여 새로운 컬럼 4-3-2-1-0-9-8-7-6-5이 된다.
도 1 및 도 7에서, 제1 원자로(38)의 고리(116)로부터 제거되었던 반응된 핵연료 요소들(106)로부터, 반응된 핵연료(124)는 휘발성 요소들을 가열하여 증발시키기 위한 베이킹 공정을 사용하여 초우란원소들(128)과 핵분열 생성물(130)로 분리됨(126)을 알 수 있다. 반응된 구동 핵연료(124)는 일반적으로 대략 1/3의 초우란원소들(128)과 2/3의 핵분열 생성물(130)로 구성될 것으로 계산된다. 도시된 바와 같이, 핵분열 생성물(130)은 패키징되어(30) 매립지(32)에 보내질 수 있다. 초우란원소들(120)을 핵변환 핵연료 성분(22)과 혼합하여(40) 3년간의 존속 시간 동안 제1 원자로(38)에 도입하게 될 피복 핵변환 입자들(54)(도 3 참조)을 만들 수 있다.
도 1에서, 3년간의 존속 시간 후에 제1 원자로(38)로부터 제거가 된, 반응된 핵변환 연료(132)는 다시 핵변환하기 위해 제2 원자로(134)에 도입된다. 반응된 핵변환 핵연료(132)의 대략 5/8은 초우란원소가 될 것이며 나머지는 핵분열 생성물이 될 것으로 계산된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제2 원자로(134)는 양자빔(140)이 윈도우(138)를 통해 하우징(136) 내로 통과될 수 있게 하는 윈도우(138)를 구비한 상용 원통형 하우징(136)을 포함한다. 일 구현에서, 하우징(136)은 적절한 열 제거가 될 수 있게 긴 길이 대 직경의 비로 형성된다. 양자빔(140)을 발생시키기 위해서 입자 가속기와 같은 양자원(142)이 제공된다. 대략 800 Mev의 에너지와 대략 10mA의 전류를 갖는 양자빔(140)을 방출할 수 있는 10 MW 양자원(142)이 사용될 수 있다. 양자빔(140)에 전형적인 빔 형상은 원뿔형상이고 양자 이동에 수직한 윈도우(138)에서 약 50cm의 직경을 갖는다. 하우징(136)은 상용 및 기밀하고 주로 고온 강철 합금으로 구성된 것이 바람직하다. 파쇄 타겟(144)은 양자빔(140)과의 상호작용을 위해서 하우징(136) 내에 위치한다. 파쇄 타겟(144)은 이 기술에 공지된 임의의 물질, 이를테면 양자빔(140)과 파쇄 타겟(144)간 충돌에 응하여 고속 중성자를 방출할 텅스텐 등으로 만들어질 수 있다.
제1 원자로(38)(도 6 참조)처럼, 제2 원자로(134)(도 9에 도시되어 있음)는 모듈형 헬륨 원자로(MHR)일 수 있으며 헬륨은 온도를 조절하고 용기로부터 열을 추출하도록 원자로 용기를 순환한다. 추출된 열은 예를 들면 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 위에 인용된 이점들 외에도, 헬륨은 추출된 에너지들의 양자들이 수 킬로미터를 헬륨 가스를 통해 에너지 손실없이 이동해 갈 수 있기 때문에 제2 원자로(134) 내에서 사용에 특히 적합하다.
도 9 및 도 10에서, 반응된 핵변환 핵연료(132)를 수용하는 6각형 형상의 핵연료 요소들(146)(도 1 참조)은 분쇄 타겟(144)을 포위하는 환형 배열로 배치된 것을 볼 수 있다. 제2 원자로(134)에서 사용되는 핵연료 요소들(146)은 제1 원자로(38)에서 사용하기 위한 전술한 핵연료 요소들(106)과 유사하다. 구체적으로, 핵연료 요소들(146)은 반응된 핵변환 핵연료(132)를 수용하기 위해 가공된 구멍들과 블록들을 통해 헬륨 냉각제가 순환되게 하기 위한 통로들을 구비한 6각형 형상의 흑연블록들로 구성된다.
도 10을 참조하면, 핵연료 요소들(146)은 분쇄 타겟(144)을 포위하는 대체로 환형 배열로 제2 원자로(134)에 배열된 것을 알 수 있다. 중앙의 반사체(148)는 분쇄 타겟(144)과 핵연료 요소들(146) 사이에 개재되어 있고 외곽의 반사체(150)는 핵연료 요소들(146)을 포위한다. 도시된 바와 같이, 핵연료 요소들(146)은 3개의 환형의 고리들(152, 154, 156)로 배열되고, 각 고리(152, 154, 156)는 핵연료 요소들(146)의 36개의 컬럼들을 수용하며 각 컬럼은 10개의 핵연료 요소들(146)로 된 스택을 구비한다.
제2 원자로(134) 내 핵분열 물질들의 량은 반응이 확실하게 임계치 이하에 있게 제한된다. 방법(11)에 있어서, 제2 원자로(134) 내 물질들은 대략 1.0eV 내지 대략 10.0eV에 있는 에너지 대역(도 8 참조) 내 중성자들에 의해 핵변환 핵연료 성분(22)의 핵변환을 촉진하도록 구성된다. 이 에너지 대역(즉, 대략 1.0eV 내지 대략 10.0eV) 내의 열중성자들을 여기서는 고온(epithermal) 중성자이라 칭한다.
이를 달성하기 위해서, 핵변환 핵연료 성분(22)은, 핵변환 핵연료 성분(22)의 표면적을 최대화시켜 고온 중성자를 사용한 핵변환을 증대시키도록 대략 130㎛ 내지 대략 170㎛ 사이에 있는 비교적 작은 핵변환 핵연료 커넬 직경(d2)(도 2 참조)을 갖는 대체로 구체의 입자들로 형성된다. 혹은, 입자들의 제조성을 용이하게 하기 하면서도 150㎛ 커넬들과 동일한 효과를 달성하기 위해서 희석된 250㎛ 핵변환 핵연료 커넬들(56)(희석된 150㎛ 커넬들과 동일 량의 커넬 당 핵변환 핵연료 성분(22)을 갖는)이 사용될 수도 있다. 동일한 피복 핵변환 입자들(54)(도 3 참조)이, 제1 원자(38) 및 제2 원자로(134) 모두에서 사용한다.
도 10에서, 중앙의 반사체(148)와 외곽의 반사체(150) 사이에 개재되는 대체로 환형의 배열로 핵연료 요소들(146)(흑연블록들을 포함하는)이 배치된 것을 볼 수 있다. 제2 원자로(134)의 흑연은 분쇄 타겟(144)으로부터의 고속 중성자들을 감속시킨다. 흑연의 한 부차적인 이점은 고속 중성자가 원자로의 구조물들 및 장치에 손상을 가하는 것을 방지한다는 것이다. 고온 중성자들에 의한 핵변환 핵연료 성분의 핵변환을 증가시키기 위해서 흑연질량 대 핵연료 질량의 비교적 낮은 비(즉, 10:1 미만)를 제2 원자로(134)에서 사용할 수 있다.
도 10에서, 제1 원자로(38)로부터의 기반응 핵변환 핵연료(132)는 대략 4년 동안 제2 원자로(134) 내에 존속한다. 매 16개월마다, 각각이 하나 이상의 제1 원자로(38)로부터의 기반응 핵변환 핵연료(132)를 수용하는 10개의 핵연료 요소(146) 스택을 구비하는 것인 핵연료 요소들(146)의 36개의 컬럼이 제2 원자로(134)에 추가된다. 방법(11)의 일 구현에서, 제2 원자로(134)는 4개의 제1 원자로(38)로부터의 기반응 핵변환 연료(1332)를 수용하는 크기이며, 이들 4개의 제1 원자로는 5개의 대형 경수로로부터 폐핵연료 전부를 수용하는 크기이다(즉, 각각의 제1 원자로(38)는 1.25 대형 LWR로부터의 대략 모든 폐핵연료를 수용하는 크기이다). 처음에 제2 원자로(134)의 고리(156)에는 360개의 핵연료 요소(146)가 도입된다. 대략 16개월 동안 고리(156)에 있었던 핵연료 요소들(146)은 전술한 바와 같이 축상 뒤섞음을 행하여 고리(154)로 옮겨진다. 대략 16개월 동안 고리(154)에 있었던 핵연료 요소들(146)은 축상 뒤섞임을 행하여 고리(152)로 옮겨지고, 대략 16 개월 동안 고리(152)에 있었던 핵연료 요소들(146)은 제2 원자로(134)로부터 제거된다. 제2 원자로(134)로부터 제거된 핵연료 요소들(146)은 대략 1/8의 초우란원소들과 7/8의 핵분열 생성물들을 포함할 것으로 계산된다. 이 물질은 곧바로 매립지(32)로 보내진다. 핵변환 핵연료의 구체 입자들은 처리된 핵변환 핵연료가 매립지(32)에 수용될 수 있게 불침투성의 세라믹 물질로 피복된다. 계산에 따르면, Pu239와 같은 핵분열 초우란원소들 전부와 LWR 폐핵연료 내 나머지 초우란원소들 중 95% 이상을 파괴할 수 있음을 나타낸다.
여기 도시하고 상세히 기술된 방사능 폐기물을 파괴하기 위한 특정의 시스템 및 방법은 목적들을 달성하고 앞서 기술한 이점을 제공할 수 있지만, 이들은 본 발명의 본 바람직한 실시예들을 단지 예시하는 것이고 첨부한 청구항에 기재된 것 이외의 여기 나타낸 구조 혹은 설계의 상세로 한정하고자 한 것은 아님을 알 것이다.

Claims (21)

  1. 원자로로부터의 폐핵연료를 핵변환시키는 방법에 있어서,
    적어도 하나의 핵분열성 동위원소를 포함하는 제1 성분과 적어도 하나의 비핵분열성의 초우란 동위원소를 포함하는 제2 성분을 포함하는 성분들로 상기 폐핵연료를 분리하는 단계;
    상기 분리된 제1 및 제2 성분들을 원자로에 배치하는 단계;
    상기 원자로에서 임계, 자체-지속성 핵분열 반응을 일으켜 상기 제1 성분의 적어도 일부를 핵변환하여 반응된 제1 성분과 반응된 제2 성분을 생성하는 단계;
    상기 반응된 제1 성분을 초우란원소 부분을 포함하는 부분(fraction)으로 분리하는 단계로서, 상기 초우란원소 부분은 적어도 하나의 비핵분열성의 초우란 동위원소를 포함하는, 단계;
    상기 초우란원소 부분을 다시 핵변환시키기 위해서 상기 원자로에 재도입시키는 단계;
    상기 반응된 제2 성분을 파쇄 타겟으로부터 거리를 두고 배치시키는 단계; 및
    상기 반응된 제2 성분을 상기 파쇄 타겟으로부터의 중성자들을 사용하여 핵변환시키는 단계를 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 성분은 풀루토늄239를 포함하는, 폐핵연료의 핵변 환 방법.
  3. 제2항에 있어서, 0.2eV 내지 1 eV의 에너지 대역에서 상기 플루토늄239에 의한 중성자 포획을 최소화하기 위해 270㎛ 내지 330㎛의 직경을 갖는 구체의 커넬들로 상기 제1 성분을 형성하는 단계를 더 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 커넬들을 세라믹 코팅으로 피복하는 단계를 더 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  5. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 구멍이 형성된 흑연블록을 제공하는 단계;
    상기 구멍에 상기 피복된 커넬들을 배치하는 단계; 및
    상기 원자로에 상기 블록 및 상기 피복된 커넬들을 배치하는 단계를 더 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 원자로에 흑연 중앙 반사체를 배치하는 단계;
    각각이 적어도 하나의 구멍이 형성된 복수의 흑연블록들을 제공하는 단계;
    상기 각 블록의 적어도 하나의 상기 구멍에 상기 코팅된 커넬들을 배치하는 단계; 및
    상기 흑연 중앙 반사체를 포위하도록 환형의 배열로 상기 원자로에 상기 블록들을 위치시키는 단계를 더 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제2 성분은 핵반응의 안정된 제어를 위해 안정된 부 온도계수의 반응성을 제공하도록 비핵분열성 초우란 원소 동위원소를 포함하며, 상기 원소는 플루토늄, 아메리슘, 큐륨 및 넵투늄으로 구성된 그룹에서 선택된 것인, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  8. 제2항에 있어서, 1.50㎛의 직경을 갖는 상기 제2 성분의 비희석된 커넬을 준비하기 위해 제2 성분을 제공하는 단계; 및
    220㎛ 내지 350㎛의 직경을 갖는 구체의 커넬을 준비하기 위해 상기 제2 성분을 희석하는 단계를 더 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  9. 제2항에 있어서, 상기 원자로 내 온도를 조절(regulate)하기 위해 상기 원자로에 헬륨을 순환시키는 단계를 더 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 분쇄 타겟으로부터의 중성자를 사용하여 상기 반응된 제2 성분을 핵변환시키는 상기 단계는 양자빔을 생성하기 위해 입자 가속기를 사용하는 단계; 및
    상기 양자빔을 상기 분쇄 타겟에 보내어 충돌시켜 고속 중성자들을 생성하는 단계를 더 포함하는, 폐핵연료의 핵변환 방법.
  11. 비핵분열성 초우란원소들을 핵변환하는 방법에 있어서,
    임계, 자체-지속성 핵분열 반응을 일으켜 제1 복수의 고속 중성자들을 생성하는 단계;
    상기 제1 복수의 고속 중성자들을 감속시켜 제1 복수의 열중성자들을 생성하는 단계;
    상기 비핵분열성 초우란원소들의 제1 부분을 상기 제1 복수의 열중성자들을 사용하여 핵변환하는 단계;
    양자빔을 분쇄 타켓에 충돌시켜 제2 복수의 고속 중성자들을 생성하는 단계;
    상기 제2 복수의 고속 중성자들을 감속시켜 제2 복수의 열중성자들을 생성하는 단계; 및
    상기 비핵분열성 초우란원소들의 제2 부분을 상기 제2 복수의 열중성자들을 사용하여 핵변환하는 단계를 포함하는, 비핵분열성 초우란원소의 핵변환 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 비핵분열성 초우란원소들의 제2 부분을 상기 제2 복수의 열중성자들을 사용하여 핵변환하는 단계는 상기 비핵분열성 초우란원소들의 제1 부분을 상기 제1 복수의 열중성자들을 사용하여 핵변환하는 단계 후에 수행되는, 비핵분열성 초우란원소의 핵변환 방법.
  13. 제11항에 있어서, 임계, 자체-지속성 핵분열 반응을 일으키는 상기 단계는 폐핵연료에서 분리된 핵분열성 동위원소들을 사용하여 달성되는, 비핵분열성 초우란원소의 핵변환 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 비핵분열성 초우란원소들의 제1 부분을 핵변환하는 상기 단계에 앞서 상기 비핵분열성 초우란원소들을 세라믹 코팅으로 피복하는 단계; 및
    상기 비핵분열성 초우란원소들의 제2 부분을 핵변환하는 상기 단계 후에 영구 매립지에 상기 코팅된 비핵분열성 초우란원소들을 처분하는 단계를 더 포함하는, 비핵분열성 초우란원소의 핵변환 방법.
  15. 원자로로부터의 폐핵연료를 핵변환시키는 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 핵분열성 동위원소를 포함하는 제1 성분과 적어도 하나의 비핵분열성의 초우란 동위원소를 포함하는 제2 성분을 포함하는 성분들로 상기 폐핵연료를 분리하는 수단;
    임계, 자체-지속성 핵분열 반응은 상기 제1 성분의 적어도 일부를 핵변환하여 반응된 제1 성분 및 반응된 제2 성분을 생성하는 것으로, 이 핵분열 반응 동안 상기 분리된 제1 및 제2 성분들을 수용하는 제1 원자로;
    상기 제1 원자로에서 재차 핵변환하기 위한 적어도 하나의 비핵분열성 초우란 동위원소를 포함하는 초우란원소 부분을 포함하는 부분들로 상기 반응된 제1 성 분을 분리하는 수단;
    상기 반응된 제2 성분을 수용하는 제2 원자로;
    상기 제2 원자로 내 배치된 분쇄 타겟; 및
    상기 분쇄 타켓으로부터의 중성자들을 사용하여 상기 반응된 제2 성분을 핵변환하기 위해 상기 분쇄 타겟과의 상호작용하기 위한 양자빔을 생성하는 수단을 포함하는, 폐핵연료 핵변환 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 원자로는 상기 핵분열 반응으로부터의 중성자들을 감속시키기 위한 분량(mass)의 흑연을 포함하고, 상기 제1 원자로 내 상기 분량의 흑연 대 상기 제1 성분의 분량의 비는 100:1 이상인, 폐핵연료 핵변환 시스템.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제2 원자로는 상기 분쇄 타겟으로부터의 중성자들을 감속시키기 위한 분량(mass)의 흑연을 포함하고, 상기 제2 원자로 내 상기 분량의 흑연 대 상기 제2 성분의 분량의 비는 10:1 미만인, 폐핵연료 핵변환 시스템.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제1 성분은 풀루토늄239를 포함하는, 폐핵연료 핵변환 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 성분은 0.2eV 내지 1 eV의 에너지 범위에서 상기 플루토늄239에 의한 중성자 포획을 최소화하기 위해 270㎛ 내지 330㎛의 직경을 갖는 구체의 커넬들로서 형성되는 것인, 폐핵연료 핵변환 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 커넬들은 탄화규소 코팅으로 피복된, 폐핵연료 핵변환 시스템.
  21. 제15항에 있어서, 상기 제2 성분은 플루토늄, 아메리슘, 큐륨 및 넵투늄으로 구성된 그룹에서 선택된 초우란 원소의 비핵분열성 동위원소를 포함하는, 폐핵연료 핵변환 시스템.
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