사용후핵연료 저장조

사용후 핵연료 저장조(, SFP)는 원자로에서 나온 사용후 핵연료를 보관하는 저장조(영국에서는 "연못" 또는 "pond")이다. 일반적으로 깊이는 12m(40피트) 이상이며, 바닥 4.3m(14피트)에는 원자로에서 제거된 연료 집합체를 보관하도록 설계된 저장 랙이 설치되어 있다. 원자로의 현지 저장조는 해당 연료가 사용된 원자로에 맞게 특별히 설계되었으며 원자로 부지에 위치한다. 이러한 저장조는 핵연료봉의 단기 냉각을 위해 사용된다. 이를 통해 반감기가 짧은 동위원소들이 붕괴되어 핵연료봉에서 방출되는 이온화 방사선과 붕괴열이 감소한다. 물은 핵연료를 냉각하고 방사선으로부터 방사선 방호를 제공한다.

원자로 부지에서 멀리 떨어진 곳에도 저장조가 존재하는데, 모리스 운영에 위치한 독립 사용후 핵연료 저장 시설(ISFSI)과 같은 장기 보관을 위한 것이거나, 재처리 또는 건식 저장으로 보내지기 전 10~20년간의 생산 완충 역할을 한다.

방사선 수준을 허용 가능한 수준 이하로 유지하는 데 약 6m(약 20피트)의 물만 필요하지만, 추가적인 깊이는 안전 여유를 제공하고 작업자를 보호하기 위한 특별한 차폐 없이 연료 집합체를 조작할 수 있도록 한다.

 운영 
섬네일|upright|사용후 핵연료 저장조
원자로 전체 연료량의 약 4분의 1에서 3분의 1이 12~24개월마다 노심에서 제거되고 신선한 연료로 교체된다. 사용후 핵연료봉은 열과 방사선을 발생시키며, 이를 봉쇄해야 한다. 연료는 일반적으로 자동화된 취급 시스템에 의해 원자로에서 저장조로 옮겨지고 조작되지만, 일부 수동 시스템도 여전히 사용된다. 가압수형 원자로(PWR)의 SFP에서는 노심에서 막 나온 연료 다발이 최종 처분을 기다리기 위해 저장조의 다른 부분으로 분류되기 전에 초기 냉각을 위해 몇 달 동안 분리되어 보관된다. 금속 랙은 핵연료를 물리적 보호와 추적 및 재배열의 용이성을 위해 통제된 위치에 유지한다. 고밀도 랙에는 붕소-10이 탄화 붕소 (메타믹,"Neutron Absorber Material ", Holtec International 보라플렉스, 보랄," 3M™ Neutron Absorber Composite (formerly known as Boral® Composite) " 테트라보 및 카보런덤"Monitoring Degradation of Phenolic Resin-Based Neutron Absorbers in Spent Nuclear Fuel Pools ", Matthew A. Hiser, April L. Pulvirenti and Mohamad Al-Sheikhly, 미국 원자력 규제 위원회 Office of Nuclear Regulatory Research, June 2013) 또는 기타 중성자 흡수 물질 형태로 포함되어 임계 미만성을 보장한다. 연료 또는 피복재가 열화되는 것을 방지하기 위해 수질이 엄격하게 관리된다. 여기에는 누출되는 연료봉을 나타낼 수 있는 악티늄족 오염에 대한 물 모니터링이 포함될 수 있다. 또한 PWR 사용후 핵연료 저장조의 물에 붕산을 첨가하여 임계 상태까지의 여유를 더욱 늘릴 수 있다. 현재 미국의 규정은 저장 효율성을 극대화할 수 있도록 사용후 핵연료봉을 재배열하는 것을 허용한다.

사용후 핵연료 다발의 최대 온도는 2년에서 4년 사이에 크게 감소하고, 4년에서 6년 사이에는 더 적게 감소한다. 사용후 핵연료 저장조의 물은 사용후 핵연료 집합체에서 발생하는 열을 제거하기 위해 지속적으로 냉각된다. 펌프는 사용후 핵연료 저장조에서 열교환기로 물을 순환시킨 후 다시 사용후 핵연료 저장조로 보낸다. 정상 작동 조건에서 물의 온도는 50°C (120°F) 미만으로 유지된다. 방사선에 의한 분자의 해리인 방사선분해는 습식 저장에서 특히 우려되는 사항인데, 잔류 방사선에 의해 물이 분해되고 수소 가스가 축적되어 폭발 위험이 증가할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 저장조가 있는 방의 공기뿐만 아니라 물도 지속적으로 모니터링하고 처리해야 한다.

 기타 가능한 구성 
지속적인 핵분열 활동 가능성을 최소화하기 위해 저장조의 재고를 관리하는 대신, 중국은 원자력 발전소의 사용후 핵연료를 사용하여 지역 난방 및 해수담수화를 위한 공정열을 생성하는 200MWt 원자로를 건설하고 있다. 본질적으로 심층 수영장 원자로로 작동하는 SFP는 대기압에서 작동하여 안전을 위한 공학적 요구 사항을 줄일 것이다.

다른 연구에서는 방사선분해에 의한 수소 생성을 제한하는 대신 냉각수에 촉매와 이온 포착제를 첨가하여 수소 생성을 촉진하는 유사한 저전력 원자로를 구상한다. 이 수소는 연료로 사용하기 위해 제거될 것이다.

 위험 
섬네일|후쿠시마 원전 사고 이후 IAEA가 조사한 저장조
사용후 핵연료 저장조의 중성자 흡수 물질은 시간이 지남에 따라 열화되어 임계 미만성 유지의 안전 여유가 감소하는 것으로 관찰되었다."Resolution of Generic Safety Issues: Issue 196: Boral Degradation (NUREG-0933, Main Report with Supplements 1–34)", 미국 원자력 규제 위원회Spent Fuel Storage; Neutron Absorbing Materials, "Nuclear Engineering Handbook", edited by Kenneth D. Kok, p. 302 또한 이러한 중성자 흡수체를 평가하는 데 사용되는 현장 측정 기술(BADGER, Boron Areal Density Gauge for Evaluating Racks)이 알 수 없는 불확실성 정도를 가지고 있음이 밝혀졌다."Initial Assessment of Uncertainties Associated with BADGER Methodology ", J. A. Chapman and J. M. Scaglione, 오크리지 국립연구소, September, 2012

비상 상황으로 인해 냉각이 장기간 중단되면 사용후 핵연료 저장조의 물이 끓어 넘쳐 방사성 물질이 대기 중으로 방출될 수 있다.

2011년 3월 후쿠시마 원전을 강타한 규모 9의 지진으로 인해 세 개의 사용후 핵연료 저장조가 손상된 건물에 있었고 수증기를 방출하는 것이 목격되었다. 미국 원자력 규제 위원회는 4호기 원자로의 저장조가 완전히 말라버렸다고 잘못 진술했는데, 이는 당시 일본 정부에 의해 부인되었고 후속 조사 및 데이터 분석에서 사실이 아닌 것으로 밝혀졌다.

원자력 발전소 안전 전문가에 따르면, 사용후 핵연료 저장조에서 임계 상태에 도달할 가능성은 매우 낮으며, 이는 일반적으로 연료 집합체의 분산, 저장 랙에 중성자 흡수체 포함, 그리고 전반적으로 사용후 핵연료가 핵분열 반응을 자체적으로 유지하기에는 농축 수준이 너무 낮다는 사실에 의해 방지된다. 또한 그들은 사용후 핵연료를 덮고 있는 물이 증발하더라도 중성자를 감속하여 연쇄 반응을 가능하게 하는 요소가 없다고 말한다.Criticality Safety in the Waste Management of Spent Fuel from NPPs, Robert Kilger Radioactive Waste Management/Spent Nuclear Fuel

원자력 및 방사선 연구 위원회의 케빈 크롤리 박사에 따르면, "사용후 핵연료 저장조에 대한 성공적인 테러 공격은 어렵지만 가능하다. 만약 공격이 지르코늄 피복재 화재를 일으키면, 이는 많은 양의 방사성 물질을 방출할 수 있다.""Are Nuclear Spent Fuel Pools Secure?" Council on Foreign Relations, June 7, 2003  9.11 테러 이후 미국 원자력 규제 위원회는 미국 원자력 발전소에 "높은 신뢰성으로" 특정 수와 능력을 가진 공격자들의 특정 위협에 대비하도록 요구했다. 또한 발전소는 "보안 요원의 수를 늘리고" "시설 접근 통제를 개선"해야 했다.

2010년 8월 31일, 라이프슈타트 원자력 발전소(KKL)의 사용후 핵연료 저장조에서 작업하던 잠수부가 미확인 물체를 취급한 후 법정 연간 선량 한도를 초과하는 방사선에 노출되었다. 이 물체는 나중에 원자로 노심의 방사선 모니터에서 나온 보호 튜브로 확인되었고, 이는 중성자 선속에 의해 고방사성으로 변했다. 잠수부는 손에 약 1,000 mSv의 선량을 받았는데, 이는 법정 한도인 500mSv의 두 배이다. KKL 당국에 따르면 잠수부는 사고로 인한 장기적인 결과는 겪지 않았다.

 같이 보기 
 심층 지층 처분장
 건식 저장
 원자력 사고 및 방사능 사고 목록
 핵연료 주기
 방사성 폐기물
 사용후 핵연료 운반용기
 체렌코프 효과

 각주 

 외부 링크 

 Radiological Terrorism: Sabotage of Spent Fuel Pool
 Storage of Spent Nuclear Fuel U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC)
 An example diagram of a Spent Fuel Pool  Indian Point Energy Center
 "Geek Answers: Does nuclear waste really glow?" BY GRAHAM TEMPLETON 07.17.2014 at Geek.com

분류:방사성 폐기물