핵융합로 핵분열 블랭킷의 핵변환 가능성 연구

Abstract

핵융합로용 핵분열 블랭킷의 핵변환 가능성을 연구하기 위하여 블랭킷 모듈에 대한 중성자 분석을 몬테카를로 코드인 McCARD를 이용하여 수행하였다. 핵변환을 위한 블랭킷은 ITER와 같이 모듈화 된 것을 가정하였으며 하나의 모듈의 토로이달 방향 길이 및 폴로이달 방향 길이는 ITER 모듈과 동일하게 설계하였다. 이 모듈은 총 252개의 채널로 구성이 되었으며 6개의 행, 42개의 열을 갖는다. 핵변환 계산에 사용된 연료의 조성은 50MWD/kgU 조건에서 방출된 KSNP 사용후 핵연료를 4년동안 냉각시킨 조성에서 우라늄 핵종을 완전히 제거하고 희토류족 원소를 5% 남긴 조성을 사용하였다. 냉각재로는 물이 사용되었으며 가장 적합한 냉각재 두께를 찾기 위한 연소 계산은 다양한 냉각재 두께에 대해서 하루 간격으로 총 200일 동안 이루어졌다. 냉각재 영역의 두께가 7 mm일 때 가장 효율적으로 액티나이드 핵종을 감소시킬 수 있었으며 이 경우에 대해서 1500일 동안 장기적인 연소 계산을 추가적으로 수행하였다. 그 결과 액티나이드 핵종 총 감소비율이 43.67%이었으며 이 때 채널 당 발생하는 열은 최대 43.5 kW이었다. 액티나이드 총 감소량을 연소도 단위로 나타내었을 때 냉각재 두께에 따른 질량감소 그래프가 서로 일치하였다. 이는 Pu-239가 핵분열을 일으키며 감소하는 반응이 주된 반응이기에 연소도에 비례해 질량이 감소하였기 때문이다. Pu을 제외한 마이너 액티나이드 핵종의 총질량은 냉각재 영역 7 mm의 경우에 10.16% 감소하였다. 마이너 액티나이드 핵종의 총질량은 감소하였으나 각각의 핵종별로 살펴보면 마이너 액티나이드 핵종 총질량의 81.74%를 차지한 Np-237, Am-241 이들 두 핵종의 질량만이 감소하였으며 나머지 10여개의 마이너 액티나이드 핵종의 질량은 증가하였다. 이 연구는 핵분열 블랭킷을 이용하여 마이너 액티나이드 핵종들을 핵분열 반응을 통해 핵변환하는 것이 목적이었으나 이와는 달리 Pu-239 핵분열이 주된 반응으로 나타났다. 이를 개선하기 위해서는 현재의 조성에서 Pu-239를 제거한 핵분열 블랭킷 설계에 대한 핵변환 연구가 수행되어야 할 것이다.