KR20150141782A

KR20150141782A - 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20150141782A
Application number: KR1020140070283A
Authority: KR
Inventors: 최성열; 고원일
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-21
Also published as: KR101614020B1

Abstract

본 명세서는 원자로 타입 및 핵연료 타입을 근거로 핵연료 주기를 제공함으로써, 핵연료주기를 별도의 리스트에서 선택하는 과정 없이 사용자에게 신속하고 정확한 핵연료 주기를 제공할 수 있는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치는, 제1 원자로 및 핵연료에 해당하는 미리설정된 제1 핵연료 주기를 데이터베이스로부터 독출하는 정보 제공부와; 상기 제1 핵연료 주기를 표시하는 표시부를 포함하며, 상기 정보 제공부는, 상기 제1 원자로의 사용후핵연료가 장전될 미리결정된 제2 원자로 타입을 자동으로 선택하고, 상기 제2 원자로 타입 및 상기 사용후핵연료에 해당하는 미리설정된 제2 핵연료 주기를 상기 데이터베이스로부터 독출하고, 상기 독출한 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름을 추적하고, 상기 제2 핵연료 주기에 상기 핵종 흐름을 반영하고, 상기 핵종 흐름이 반영된 제2 핵연료 주기를 상기 표시부에 표시할 수 있다.

Description

원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치{APPARATUS FOR PROVIDING NUCLEAR FUEL CYCLE FOR NUCLEAR POWER PLANT AND METHOD THEREOF}

본 발명은 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력발전소는 핵연료에서 일어나는 핵반응 에너지를 활용하며, 핵연료는 핵연료 물질을 채광하여 정련, 변환, 농축, 핵연료 제조, 원자로, 저장, 분리(재처리, reprocessing), 방사성 폐기물 처분 등의 각 공정을 거친 후 핵연료집합체 형태로 제조되어 원자로(nuclear reactor)에 장전된다. 핵연료는 원자로에서 핵분열 반응에 의한 에너지 생산에 이용된 다음에도 사용후 핵연료를 화학처리하여 핵분열생성물(fission products)을 제거하고 잔류된 핵분열성 물질(fissile material)을 핵연료로 가공하는 재순환 과정을 거쳐 다시 원자로에 사용될 수 있다.

한국특허 출원 번호 제10-2008-0132415호

본 명세서는, 원자로 타입 및 핵연료 타입을 근거로 핵연료 주기를 제공함으로써, 핵연료주기를 별도의 리스트에서 선택하는 과정 없이 사용자에게 신속하고 정확한 핵연료 주기를 제공할 수 있는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 명세서의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치는, 제1 원자로 타입 및 핵연료 타입을 입력받는 입력부와; 상기 제1 원자로 및 핵연료에 해당하는 미리설정된 제1 핵연료 주기를 데이터베이스로부터 독출하는 정보 제공부와; 상기 제1 핵연료 주기를 표시하는 표시부를 포함하며,

상기 정보 제공부는, 상기 제1 원자로의 사용후핵연료가 장전될 미리결정된 제2 원자로 타입을 자동으로 선택하고, 상기 제2 원자로 타입 및 상기 사용후핵연료에 해당하는 미리설정된 제2 핵연료 주기를 상기 데이터베이스로부터 독출하고, 상기 독출한 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름을 추적하고, 상기 제2 핵연료 주기에 상기 핵종 흐름을 반영하고, 상기 핵종 흐름이 반영된 제2 핵연료 주기를 상기 표시부에 표시할 수 있다.

본 명세서의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법은, 제1 원자로 타입 및 핵연료 타입을 입력받는 단계와; 상기 입력된 제1 원자로 및 핵연료에 해당하는 미리설정된 제1 핵연료 주기를 데이터베이스로부터 독출하는 단계와; 상기 제1 핵연료 주기를 표시부에 표시하는 단계와; 상기 제1 원자로의 사용후핵연료가 장전될 미리결정된 제2 원자로 타입을 자동으로 선택하는 단계와; 상기 제2 원자로 타입 및 상기 사용후핵연료에 해당하는 미리설정된 제2 핵연료 주기를 상기 데이터베이스로부터 독출하는 단계와; 상기 독출한 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름을 추적하는 단계와; 상기 제2 핵연료 주기에 상기 핵종 흐름을 반영하고, 상기 핵종 흐름이 반영된 제2 핵연료 주기를 상기 표시부에 표시하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치는, 원자로 타입 및 핵연료 타입을 근거로 채광, 정련, 변환, 농축, 원자로, 핵연료 제조, 냉각재, 저장, 분리, 처분 등 각 단계별 다양한 조합 형태의 원하는 핵연료 주기를 제공함으로써, 핵연료주기를 별도의 리스트에서 선택하는 과정 없이 사용자에게 신속하고 정확한 핵연료 주기를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치는, 원자력 발전설비, 사용후핵연료 저장량, 핵주기 시설과 같은 현재 핵연료주기 조건을 반영하여, 시간에 따라 다양한 핵연료주기 옵션들이 원자력 발전의 폐기물관리, 환경친화성, 안전성, 경제성, 에너지안보, 자원활용률, 핵확산저항성에 어떻게 영향을 미치는지 분석하는 계산방법을 제공할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치는, 핵연료주기 분석에서 우라늄, 초우라늄원소, 핵분열생성물과 같이 그룹 단위로만 추적하지 않고, 중요한 방사능 핵종들을 추가로 선정하여 그 핵종들의 이송, 중성자 조사, 방사능 붕괴와 같은 핵종 흐름 또는 변화를 계산하는 방법을 제공할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치는, 핵종 단위 추적으로 핵연료주기의 각 단계별로(채광, 정련, 변환, 농축, 핵연료제조, 원자로, 저장, 분리처분 등) 시간에 따른 핵종별 정확한 물질 입력 제공이 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치는, 제공된 핵연료 주기를 근거로 폐기물관리 등 다양한 기준들을 만족하는 최적시나리오를 확률론적 분석이나 특정 기준에 대한 최적화 기능을 이용해 기술분석 및 정책결정에 필요한 자료를 제공할 수 있는 체계를 마련할 수도 있다.

도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 핵연료주기를 나타낸 예시도 이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4는 특정 원자로에 장전되는 핵연료의 제조 및 사용후핵연료 관리에 대한 정보와 함께 모듈화한 예시도 이다.
도 5는 다양한 원자로 타입 조합에 따른 핵연료주기를 나타낸 예시도 이다.
도 6은 원자로와 관련 핵연료주기 모듈화를 통한 다단계 핵연료주기 모사를 나타낸 예시도 이다.
도 7은 원자로와 관련 핵연료주기 모듈화를 통한 복합 핵연료주기 모사를 나타낸 예시도 이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 핵종 붕괴 계산 매트릭스를 나타낸 예시도 이다.
도 9는 3가지 벡터(할당벡터)를 이용해 각 단계를 연결하는 예시도이다.

본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 핵연료주기를 나타낸 예시도 이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 원자력발전(nuclear power generation)은 핵연료에서 일어나는 핵반응 에너지를 활용하며, 핵연료는 핵연료 물질을 채광하여 정련, 변환, 농축, 핵연료 제조, 원자로, 저장, 분리(재처리, reprocessing), 방사성 폐기물 처분 등의 각 공정을 거친 후 핵연료집합체 형태로 제조되어 원자로(nuclear reactor)에 장전된다. 핵연료는 원자로에서 핵분열 반응에 의한 에너지 생산에 이용된 다음에도 사용후핵연료를 화학처리하여 핵분열생성물(fission products)을 제거하고 잔류된 핵분열성 물질(fissile material)을 핵연료로 가공하는 재순환 과정을 거쳐 다시 원자로에 사용될 수 있다. 우라늄(uranium)의 채광으로부터 에너지 생산을 위한 원자로에 장전 및 운전, 그리고 최종적으로 영구 처분될 때까지의 일련의 단계로 구성된 순환과정을 핵연료주기(核燃料週期, nuclear fuel cycle)라고 한다.

원자로심(reactor core)에 장전된 핵연료에서 핵분열 반응이 지속적으로 일어나기 위해서는 임계질량 이상의 핵분열성 물질이 원자로 내에 존재하여야 한다. 핵연료로는 우라늄(U: uranium), 플루토늄(Pu: plutonium), 토륨(Th: thorium) 등이 주로 사용된다. 일반적으로 상용원자로에서는 천연 우라늄(natural uranium, U-235)과 농축 우라늄(enriched uranium, U-235)을 핵연료로 사용한다. U-238은 직접 핵분열 반응을 일으키지 못하지만, 원자로 내에서 중성자(中性子, neutron)를 흡수하여 Pu-239로 바뀌고, 이 Pu-239가 핵분열을 일으킬 수 있으므로 핵연료로 사용된다. U-238과 같이 그 자체는 핵분열성 물질(fissile material)은 아니지만 원자로에서 변환하면 연료로 사용될 수 있는 물질을 핵원료 물질(fertile material)이라고 한다.

핵연료가 원자로 안에서 핵분열 과정을 거쳐 에너지를 생산하면 필연적으로 사용후핵연료를 생산하게 된다. 이러한 사용후핵연료에는 높은 준위의 단수명 혹은 장수명 방사능 핵종을 포함하고 있으며, 동시에 핵연료로 다시 사용할 수 있는 우라늄과 플루토늄 같은 핵분열성 물질을 포함한다. 사용후핵연료를 그대로 심지층에 처분하는 것을 직접처분주기(open fuel cycle)라고 하고, 사용후핵연료 안에 남아 있는 핵물질을 분리하여 원자로에 재사용하는 것을 재처리주기(closed fuel cycle)라고 한다. 이런 직접처분주기와 재처리주기는 다시 핵연료주기의 각 단계별로 어떤 공정을 사용하는가에 따라 수많은 조합이 존재할 수 있다.

재처리주기의 경우 직접처분주기에 비해서 새로운 원자로나 사용후핵연료 처리 및 처분 기술의 개발이 추가로 필요하고 전체 핵연료주기의 단계수를 늘리기 때문에 경제성이 떨어지는 경우가 많으나 발생하는 비용 차이의 정도를 평가하고 이를 줄이기 위한 방향성을 제시할 수 있는 체계 개발이 필요하다. 재처리주기의 경우 직접처분주기에 비해서 사용후핵연료 안에 잔존하고 있는 핵물질을 재처리 공정을 통해 분리하여 재사용하며, 이 과정에서 분리된 핵물질이 핵무기나 핵폭발장치에 이용될 가능성이 존재하여 핵연료주기의 핵확산저항성을 평가 및 관리한다. 여기서, 핵확산저항성이란 원자력발전소와 같은 민간시설에 이용되는 핵물질이 핵무기 혹은 핵폭발장치를 통해 군사적으로 전용되지 못하도록 제도적인 장치를 마련하거나 핵물질 자체에 불순물을 포함하여 군사적 이용가치를 떨어뜨리는 것을 의미한다.

재처리주기의 경우 직접처분주기에 비해서 원자력발전소에서 발생한 사용후핵연료를 재활용하여 고준위 장수명 핵종들을 저준위 단수명 핵종이나 방사능을 갖지 않는 안정 핵종으로 변환하기 때문에 장기적인 관점에서 폐기물 관리에 유리하다. 재처리주기의 경우 직접처분주기에 비해서 토륨이나 우라늄 혹은 여기서 중성자 조사를 통해 발생된 플루토늄 등을 재사용하기 때문에 자원활용률 측면에서 유리하지만, 어떤 사용후핵연료 분리 공정이나 재사용된 핵연료를 연소할 원자로의 노형에 따라 자원활용률에 많은 차이를 보일 수 있다. 재처리주기와 직접처분주기에 대해서 어떤 기술적 옵션을 사용하는가 혹은 어떤 국내외 정책을 추진하는가에 따라서 안전성이나 에너지안보 측면의 장단점이 달라질 수 있다.

이런 서로 다른 핵연료주기를 분석하기 위한 방법은 크게 평형 모델(equilibrium model)과 동적 모델(dynamic model)로 분리할 수 있는데, 동적 모델은 평형 모델이 가지고 있던 핵연료주기 각 단계별 시간에 따른 물질 흐름 변화를 계산할 수 없었던 단점을 해결하기 위해 개발된 개념이다. 종래의 평형 모델은, 정적물질 수지로서 시간에 따른 핵종 흐름 변화를 계산할 수 없으며, 각 시나리오 단위로 분석을 진행하여 새로운 핵연료주기 시나리오 해석을 위해서는 기존에 작성된 모델과는 별개로 처음부터 재작성이 요구된다. 또한, 평형 모델은 복잡한 원자로 배치, 원자로의 폐쇄를 고려하기 어려우며, 중요 핵종들의 이송, 중성자 조사, 붕괴와 같은 물질 흐름 추적을 할 수 없고, 여러 단계에 걸친 재처리주기를 모사하기 어렵다.

또한, 기존의 동적 모델들 역시 가능한 수많은 핵연료주기 조합을 계산하기 위해서 사용자가 직접 구체적인 목록에서 해당 주기를 선택하거나 존재하지 않으면 해석하지 못하거나 새로 모델을 만들어야하는 불편함이 존재한다. 예를 들어, 기존의 동적 모델들에 따른 코드는 가능한 핵연료주기 조합을 리스트로 보여주고, 그 리스트로부터 핵연료주기를 선택할 수 있게 제공하지만, 여기서 리스트에서 해당 핵연료주기를 찾는 것도 어렵고, 프로그램에서 제공되는 정형화된 핵연료주기 이외에 다른 조합의 핵연료주기 해석도 어렵다. 또한, 다양한 조합의 시나리오들을 미리 정해놓고 이들의 입력자료들을 각각 관리하면 데이터 관리가 쉽지 않다.

그리고 종래의 동적 모델은 설치된 원자력 발전설비, 사용후핵연료 저장량, 핵주기 시설과 같은 현재 핵연료주기 조건을 정확하게 반영할 수가 없다. 기존의 원자력발전소들은 표준 규격이 존재하는 것이 아니고 서로 총 발전 용량 등이 다르며, 이를 종래의 동적 모델은 정확히 반영할 수 없었다. 예를 들어, 종래의 동적 모델은 2개의 원자로 모델만 반영할 수 있는 반면에 기존의 원자력발전소는 1GWe, 0.95GWe, 0.56GWe 3가지 종류가 존재한다면, 1GWe과 0.56GWe 원자로는 동적 모델에 정확히 반영하지만 0.95GWe 원자로는 가장 비슷한 1GWe으로 설정하여 계산해야한다. 이는 동적 모델의 시간 고려 범위가 100년에 이르는 장기적인 관점에서는 큰 차이를 보이지 않지만, 단기적인 관점에서는 원자로 용량이 과소 혹은 과대 측정되어 오차를 가져올 수도 있다.

실제 핵종들의 변화는 원자로 안에서 핵연료 연소와 핵연료주기 전반에 걸쳐 방사능 붕괴 2가지를 통해 일어난다. 기존의 핵연료주기를 제공하기 위한 코드들은 중요한 핵종들을 선정하여 그 흐름을 추적하지 않고 단순히 우라늄, 플루토늄 혹은 초우라늄원소와 같이 핵종 그룹들의 물질 흐름만 계산하고 있다. 따라서, 실제 원자로 안에서 중성자 조사나 방사능 붕괴 등의 효과를 고려하지 못해 폐기물관리, 핵확산저항성이나 저장, 처분과 관련된 정확한 결과 예측에 한계가 있다. 또한, 시간에 따른 핵종변화를 고려하는 일부 코드들의 경우 계산시간이 오래 걸리는 연소, 붕괴 해석 코드와 핵연료주기 분석 코드를 커플링하여 계산을 수행하기 때문에 수행시간이 증가한다.

따라서, 본 발명은, 원자로 타입 및 핵연료 타입을 근거로 채광, 정련, 변환, 농축, 원자로, 핵연료 제조, 냉각재, 저장, 분리, 처분 등 단계를 포함하는 핵연료 주기를 제공함으로써, 핵연료주기를 별도의 리스트에서 선택하는 과정 없이 사용자에게 신속하고 정확한 핵연료 주기를 제공할 수 있는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치를 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치는, 입력부(10), 정보 제공부(20), 데이터베이스(30), 표시부(40)로 구성될 수 있다.

상기 입력부(10)는 키보드, 터치 패드, 터치스크린 중에서 어느 하나일 수 있다.

상기 표시부(40)는 액정 디스플레이(liquid crystal display), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나일 수 있다. 상기 표시부(40)는 터치스크린을 포함할 수 있으며, 상기 터치스크린은 상기 입력부(10)가 될 수 있다.

상기 데이터베이스(30)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들면, SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory) 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체이거나, 서버 또는 웹 스토리지(web storage)일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법을 나타낸 흐름도이다.

먼저, 상기 정보 제공부(20)는 상기 입력부(10)를 통해 사용자에 의해 입력된 제1 원자로 타입(종류)을 선택한다(S11). 예를 들면, 상기 정보 제공부(20)는 표시부(40)에 표시된 다수의 원자로 모델명 중에서 사용자에 의해 선택된 모델명에 대응하는 제1 원자로(원자로 타입)를 선택하거나, 키보드에 의해 입력된 모델명에 대응하는 제1 원자로(원자로 타입)를 선택한다.

상기 정보 제공부(20)는 상기 입력부(10)를 통해 사용자에 의해 입력된 핵연료 타입(종류)을 선택한다(S12). 예를 들면, 상기 정보 제공부(20)는 표시부(40)에 표시된 다수의 핵연료 타입 중에서 사용자에 의해 선택된 타입에 대응하는 핵연료(핵연료 타입)를 선택하거나, 키보드에 의해 입력된 타입에 대응하는 핵연료(핵연료 타입)를 선택한다.

상기 정보 제공부(20)는 상기 선택된 제1 원자로 및 핵연료에 해당하는 미리설정된 제1 핵연료 주기를 데이터베이스(30)로부터 독출(read)하고, 그 독출된 제1 핵연료 주기를 상기 표시부(40)에 표시한다. 상기 제1 핵연료 주기는 제1 원자로 및 핵연료에 해당하는 핵연료 주기로서, 상기 핵연료의 준비 단계, 상기 핵연료의 제조 단계, 사용후핵연료 처리 단계를 포함한다.

원자로는 어떤 핵연료를 사용하는가에 따라서 관련된 핵연료주기가 결정된다.

도 4는 특정 원자로에 장전되는 핵연료의 제조 및 사용후핵연료 관리에 대한 정보와 함께 모듈화한 예시도 이다.

원자로를 기준으로 이전 단계는 장전될 핵연료를 제조하는 단계와; 핵연료에 사용될 우라늄, 토륨, 플루토늄, 초우라늄원소 등 핵물질을 준비하는 단계가 있으며, 다음 단계로는 사용후핵연료 처리 단계가 있다. 예를 들어, 핵연료에 사용될 핵물질을 준비하는 단계는 농축우라늄 핵연료를 사용할 경우 우라늄 채광, 정련, 변환, 농축이 될 수 있으며, 만약 다른 원자로에서 발생한 사용후핵연료를 사용할 경우에는 사용후핵연료 분리 공정이 될 것이다. 또한, 사용후핵연료 처리 단계의 경우 발생된 사용후핵연료를 재활용하지 않는 원자로의 경우 소내저장, 중간저장, 심지층 처분과 같은 단계이며, 반면 이를 재활용할 경우는 사용후핵연료 소내저장, 중간저장 이후에 해당 사용후핵연료의 핵물질을 핵연료로 사용하는 원자로의 핵물질을 준비하는 단계와 연결하게 된다.

상기 정보 제공부(20)는 제1 핵연료 주기를 상기 표시부(40)에 표시한 후 상기 제1 원자로의 사용후핵연료를 재활용하기 위한 재처리 주기를 선택한다(S14). 예를 들면, 상기 정보 제공부(20)는 제1 핵연료 주기를 상기 표시부(40)에 표시한 후 상기 제1 원자로의 사용후핵연료를 재활용하기 위한 재처리 주기를 자동으로 선택하거나 사용자 입력을 근거로 선택할 수 있다.

상기 정보 제공부(20)는 상기 재처리 주기가 선택되면 상기 제1 원자로의 사용후핵연료가 장전될 미리결정된 제2 원자로(제2 원자로 타입)를 자동으로 선택한다(S15).

상기 정보 제공부(20)는 상기 제2 원자로 타입 및 상기 사용후핵연료에 해당하는 미리설정된 제2 핵연료 주기를 상기 데이터베이스(30)로부터 독출하고(S16), 그 독출한 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름을 추적한다(S17). 상기 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름은 데이터베이스(30)에 미리저장될 수 있으며, 상기 정보 제공부(20)는 데이터베이스(30)에 미리저장된 핵종 흐름을 독출할 수도 있다. 상기 정보 제공부(20)는 제1 핵연료주기의 핵종, 제2 핵연료주기의 핵종, 그리고 두 핵연료주기 사이의 핵종흐름을 추적(독출)할 수도 있다.

상기 정보 제공부(20)는 제2 핵연료 주기에 상기 핵종 흐름을 반영하고(S18), 그 핵종 흐름이 반영된 제2 핵연료 주기를 상기 표시부(40)에 표시한다(S19).

이하에서는, 상기 제1 및 제2 핵연료 주기를 제공하는 방법을 좀 더 자세히 설명한다.

원자로 타입이 결정되면 관련된 핵연료, 저장, 분리, 처분이 정해지기 때문에 원자로 타입별로 핵연료주기가 결정된다. 이런 원자로 타입을 배열의 첫 요소로 생각해서 핵연료주기를 구성하면 도 5와 같이 통합된 핵연료주기 계산이 가능해진다.

도 5는 다양한 원자로 타입 조합에 따른 핵연료주기를 나타낸 예시도 이다.

예를 들어, 여기에 경수로 사용후핵연료를 처리하여 고속로 핵연료로 사용하는 것처럼 원자로 타입 사이의 물질흐름(핵종 흐름)이 있을 경우 이를 설정하면 복잡한 사용후핵연료 재활용을 포함한 일반적인 시나리오를 구현할 수 있다. 이러한 조합을 사용하면 도 6과 같이 여러 가지 단계들을 반복 연결하는 다단계 주기를 해석할 수도 있으며, 도 7과 같이 특정 원자로들은 재활용주기를, 다른 원자로들은 직접처분주기를 사용하는 복합핵연료주기 형태를 해석할 수 있다.

도 6은 원자로와 관련 핵연료주기 모듈화를 통한 다단계 핵연료주기 모사를 나타낸 예시도 이다.

도 7은 원자로와 관련 핵연료주기 모듈화를 통한 복합 핵연료주기 모사를 나타낸 예시도 이다.

핵연료주기 분석과정에 신규로 도입하는 가상 원자로는 원자로 주문, 인허가, 건설, 운영, 폐쇄로 구분하여 추적하지만, 기존에 운영 중인 실제 원자로는 운영, 건설, 폐쇄의 3단계만 추적한다. 운영 중인 원자로 각 호기별로 발전용량, 폐쇄연도와 함께 도 3에서 필요한 핵연료 정보를 입력받는다. 신규 가상 원전은 동일한 원자로 노형끼리 묶음으로 취급하는 반면, 실제 원전은 각 호기별로 개별 추적한다. 실제로 100년 정도 분석에서 가상 원전은 수백기인 반면 실제 원전은 20기 전후인 경우가 많으므로 계산 시간에도 큰 영향을 미치지 않는다.

본 발명에서 핵연료주기의 핵종 흐름을 핵종단위로 추적하기 위해서 원자로에 장전하는 핵연료 및 사용후핵연료의 핵종 조성을 원자로(원자로 종류 또는 원자로 모델), 상기 사용후핵연료가 발생된 년도, 핵종 및 기타변수에 대한 다차원 배열 형태로 추적한다. 이렇게 추적한 핵종 조성은 단위시간마다 방사능 붕괴에 따라서 변하는 양을 갱신해주어야 한다. 이를 갱신하기 위해서 현재 핵종의 비율 1이라고 할 때 단위 시간에 핵종으로 붕괴하는 양과 다른 핵종이 해당 핵종으로 붕괴하여 생성되는 양을 도 8과 같이 행렬 및 벡터로 나타낼 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 핵종 붕괴 계산 매트릭스를 나타낸 예시도 이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 행렬의 (1,2)번째 원소는 2번 핵종이 단위시간 동안 1번 핵종으로 변화하는 비율을 나타낸다. 또한, (2,2)번째 원소는 2번 핵종이 단위시간 동안 붕괴하지 않는 비율을 나타낸다. 이 행렬과 벡터(

,

,...,

)의 곱으로 핵종 조성을 갱신한다. C₁ _~n는 핵종 1~n에 대한 저장량, 이송량, 처리량이며, i는 핵종이 발생된 원자로, j는 핵종이 발생한 년도를 나타낸다.

상기 행렬 및 벡터가 아니더라도 다차원 배열, 포인터 혹은 다른 저장방법으로 핵종을 갱신할 수 있다.

다른 방법으로 방사능 붕괴의 경우 핵분열 생성물은 방사능 붕괴를 통해 궁극적으로는 안정 핵종으로 천이하며 중요 핵종들 사이의 이동이 매우 적을 수 있다. 따라서, 핵종별로 반감기에 따른 함수를 적용하고, 모핵종(긴 반감기)과 함께 딸핵종(짧은 반감기)의 붕괴가 동시에 일어난다고 가정하여 방사능 독성이나 열 발생률을 계산할 수도 있다. 만약 모핵종의 반감기가 짧고 딸핵종이 긴 경우에는 반대로 모핵종이 이미 딸핵종으로 천이했다고 가정하고 상기 행렬과 벡터의 곱을 수행할 수도 있다. 다만, 악티나이드 핵종들의 경우 상호간의 방사능 붕괴를 통한 핵종 이동이 빈번하게 일어나기 때문에 단순히 함수화하여 핵종을 추적하기 어렵다. 따라서 현재 악티나이드 핵종들은 앞서 설명한 단위 시간에 어떤 비율로 변화하는지 그 비율을 미리 정의한 매트릭스를 만들어 시간에 따른 변화를 예측할 수도 있다.

또한, 본 발명은 원자로 발전량(원자로 타입)과 핵연료 제조, 재처리, 사용후핵연료 관리를 연결하는 방법을 각 단계를 연결해주는 할당벡터를 이용해 제공할 수도 있다. 이렇게 하면 이전에는 계산이 힘들었던 경우인 한 원자로에서 여러 개의 핵연료 타입을 요구하거나 여러 개의 분리공정 혹은 여러 개의 사용후핵연료 처리를 필요로 하는 복잡한 원자로 타입도 체계적인 해석이 가능하다.

도 9는 3가지 벡터(할당벡터)를 이용해 각 단계를 연결하는 예시도이다. 중간에 복잡한 핵연료주기 단계가 추가된다면 이에 해당하는 벡터를 삽입할 수도 있다.

도 9에 도시한 바와 같이, 원자로별로 발전량이 정해지면, 원자로 타입별로 필요한 핵연료 필요량을 천연 핵연료, 농축 핵연료, 재처리 핵연료, 블랭킷 핵연료 등의 타입별로 할당하는 벡터(V₁)가 첫 번째이다. 이때 한 원자로에서 여러 가지 핵연료 타입을 요구할 수도 있다.

두 번째는 재처리 핵연료 필요량에 따라서 각각 분리공정을 할당하는 벡터(V₂)이다. 이때, 한 원자로 혹은 재처리핵연료 제조를 위해 여러 개의 분리 공정이 필요할 수도 있다.

세 번째는 각 분리공정에 필요한 사용후핵연료 비율을 할당해주는 벡터(V₃)이다. 이때, 분리공정이 여러 가지 사용후핵연료 타입을 요구할 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법 및 그 장치는, 원자로 타입 및 핵연료 타입을 근거로 채광, 정련, 변환, 농축, 원자로, 핵연료 제조, 냉각재, 저장, 분리, 처분 등 각 단계별 다양한 조합 형태의 원하는 핵연료 주기를 제공함으로써, 핵연료주기를 별도의 리스트에서 선택하는 과정 없이 사용자에게 신속하고 정확한 핵연료 주기를 제공할 수 있다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 입력부 20: 정보 제공부
30: 데이터베이스 40: 표시부

Claims

제1 원자로 타입 및 핵연료 타입을 입력받는 입력부와;
상기 제1 원자로 및 핵연료에 해당하는 미리설정된 제1 핵연료 주기를 데이터베이스로부터 독출하는 정보 제공부와;
상기 제1 핵연료 주기를 표시하는 표시부를 포함하며,
상기 정보 제공부는,
상기 제1 원자로의 사용후핵연료가 장전될 미리결정된 제2 원자로 타입을 자동으로 선택하고, 상기 제2 원자로 타입 및 상기 사용후핵연료에 해당하는 미리설정된 제2 핵연료 주기를 상기 데이터베이스로부터 독출하고, 상기 독출한 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름을 추적하고, 상기 제2 핵연료 주기에 상기 핵종 흐름을 반영하고, 상기 핵종 흐름이 반영된 제2 핵연료 주기를 상기 표시부에 표시하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치.
제1항에 있어서, 상기 정보 제공부는,
상기 표시부에 표시된 다수의 원자로 모델명 중에서 사용자에 의해 선택된 상기 제1 원자로 타입을 선택하거나, 키보드에 의해 입력된 상기 제1 원자로 타입을 선택하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치.
제1항에 있어서, 상기 정보 제공부는,
상기 표시부에 표시된 다수의 핵연료 타입 중에서 사용자에 의해 선택된 상기 핵연료 타입을 선택하거나, 키보드에 의해 입력된 핵연료 타입을 선택하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치.
제1항에 있어서, 상기 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름은 상기 데이터베이스에 미리저장되며, 상기 정보 제공부는 상기 데이터베이스에 미리저장된 핵종 흐름을 독출하고, 상기 독출된 핵종 흐름을 사기 제2 핵연료 주기에 반영하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치.
제1항에 있어서, 상기 정보 제공부는,
상기 제1 원자로의 사용후핵연료를 재활용하기 위한 재처리 주기가 선택될 때, 상기 제1 원자로의 사용후핵연료가 장전될 미리결정된 제2 원자로 타입을 자동으로 선택하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치.
제1항에 있어서, 상기 정보 제공부는,
상기 제2 핵연료주기의 핵종 흐름을 핵종단위로 추적하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치.
제1항에 있어서, 상기 정보 제공부는,
상기 추적한 핵종이 단위시간마다 방사능 붕괴에 따라서 변하는 양을 갱신하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 장치.
제1 원자로 타입 및 핵연료 타입을 입력받는 단계와;
상기 입력된 제1 원자로 및 핵연료에 해당하는 미리설정된 제1 핵연료 주기를 데이터베이스로부터 독출하는 단계와;
상기 제1 핵연료 주기를 표시부에 표시하는 단계와;
상기 제1 원자로의 사용후핵연료가 장전될 미리결정된 제2 원자로 타입을 자동으로 선택하는 단계와;
상기 제2 원자로 타입 및 상기 사용후핵연료에 해당하는 미리설정된 제2 핵연료 주기를 상기 데이터베이스로부터 독출하는 단계와;
상기 독출한 제2 핵연료 주기의 핵종 흐름을 추적하는 단계와;
상기 제2 핵연료 주기에 상기 핵종 흐름을 반영하고, 상기 핵종 흐름이 반영된 제2 핵연료 주기를 상기 표시부에 표시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소의 핵연료주기 제공 방법.