Two conceptual flowsheets were developed for recycling used nuclear fuel. One flowsheet was developed for recycling used oxide nuclear fuel from light water reactors while the other was developed for recycling used metal fuel from fast spectrum reactors. Both flowsheets were developed from a set of design principles including efficient actinide recovery, nonproliferation, waste minimization and commercial viability. Process chemistry is discussed for each unit operation in the flowsheet.
Mullen, Eve;Harris, Ross;Graham, Dave;Rhodes, Chris;Hodgson, Zara
Nuclear Engineering and Technology
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제49권8호
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pp.1727-1732
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2017
Pyroprocessing is an alternative method of reprocessing spent fuel, usually involving the dissolving spent fuel in a molten salt media. The National Nuclear Laboratory designed, built, and commissioned a molten salt dynamics rig to investigate the transfer characteristics of molten lithium chloride-potassium chloride eutectic salt. The efficacy and flow characteristics of a high-temperature centrifugal pump and argon gas lift were obtained for pumping the molten salt at temperatures up to $500^{\circ}C$. The rig design proved suitable on an industrial scale and transfer methods appropriate for use in future molten salt systems. Corrosion within the rig was managed, and melting techniques were optimized to reduce stresses on the rig. The results obtained improve the understanding of molten salt transport dynamics, materials, and engineering design issues and support the industrialization of molten salts pyroprocessing.
A simple and rapid spectrophotometric method has been developed to enable the determination of plutonium concentration in an irradiated fuel solution in the presence of all fission products. An excess of ceric ammonium nitrate solution was employed to oxidize all the valence states of plutonium to +6 oxidation state. Interference due to the presence of fission products such as ruthenium and zirconium, and corrosion products such as iron in the envisaged concentration range, as in the irradiated fuel solution, was studied in the determination of plutonium concentration by the direct spectrophotometric method. The stability of plutonium in +6 oxidation state was monitored under experimental conditions as a function of time. Results obtained are reproducible, and this method is applicable to radioactive samples resulting before the solvent extraction process during the reprocessing of fast reactor spent fuel. An analysis of the concentration of plutonium shows a relative standard deviation of <1.2% in standard as well as in simulated conditions. This reflects the fast reactor fuel composition with respect to uranium, plutonium, fission products such as ruthenium and zirconium, and corrosion products such as iron.
Use of the reconstructed fuel assemblies from partially burnt nuclear fuel pins is analyzed. This reutilization option is a potential candidate technique to make better use of the nuclear resources. Standard two step method is used to calculate node i.e. fuel assembly average burnup and then pin by pin ${\eta}$ values are reconstructed to ascertain the residual reactivity in the used fuel pins. Fuel pins with ${\eta}$ > 1:0 are used to reconstruct to-be-reused fuel assemblies. These reconstructed fuel assemblies are burnt during the cycle 3, 4, 5 and 6 of a 1000 MW PWR core by replacing fresh, once burnt and twice burnt fuel assemblies of the reference core configurations. It is concluded that using reconstructed fuel assemblies for the fresh fuel affect dearly on the cycle length (>50 EFPD) when more than 16 fresh fuel assemblies are replaced. However, this loss is less than 20 days if the number of fresh fuel assemblies is less than eight. For the case of replacing twice burned fuel, cycle length could be increased slightly (10 days or so) provided burnt fuel pins from other reactors were also available. Reactor safety parameters, like axial off set (< ${\pm}10%$), Doppler temperature coefficient (<0), moderator temperature coefficient at HFP (<0) are always satisfied. Though, 2D and 3D pin peaking factors are satisfied (<1:55) and (<2:52) respectively, for the cases using eight or less reconstructed fuel assemblies only.
000년부터 2030년까지의 한국 원전연료주기의 최적전략을 도출하기 위하여 선형계획법을 사용하였다. 최적화를 위한 결정 인자로서는 원전연료 주기비용, 요소비용의 불확실성, 우라늄 소요량을 사용하였다. 위의 인자들을 동시에 고려하기 위하여 각각에 대한 만족도 중 최소값을 최대화하는 퍼지 의사결정기법을 이용하였다. 사용 후 원전 연료에 대한 가능한 선택대안으로는 직접처분, DUPIC, 재처리를 가정하였다. 한국의 원전연료주기 전략은 2010년경부터 재처리를 시작하여 그 처리용량을 2025년경에는 800톤까지 점차로 늘려 나가고, DUPIC 처리를 2025년경부터 시작하는 것이 최적인 것으로 나타났다. 요소비용의 불확실성과 우라늄 소요량을 고려함으로써 단순히 비용만을 고려한 경우보다 총비용은5.4%증가하나, 요소비용 불확실성은 7.1%, 우라늄 소요량은 6. d1% 감소하는 것으로 나타났다.
The burning-out of excess plutonium from the reprocessing of spent nuclear fuel and from the dismantlement of nuclear weapons is recently emphasized due to the difficulties in securing the final repository for the spent fuel and the necessity to consume the ex-weapons plutonium. An irradiation test in the Halden reactor was launched by the OECD Halden Reactor Project (HRP) to investigate the in-pile behavior of plutonium-embedded fuel as a form of mixed oxide (MOX) and of inert matrix fuel (IMF). The first cycle of irradiation was successfully accomplished with good integrity of test fuel rods and without any undesirable fault of instrumentations. The test results revealed that the MOX fuel is more stable under irradiation environments than IMF. In addition, MOX fuel shows lower thermal resistance due to its better thermal conductivity than IMF. The on-line measured in-pile performance data of attrition milled MOX fuel are used in the analysis of the in-pile performance of the fuel with the fuel performance code, COSMOS. The COSMOS code has been developed for the analysis of MOX fuel as well as $UO_2$ fuel up to high burnup and showed good capability to analyze the in-reactor behavior of MOX fuel even with different instrumentation.
Since plutonium accounts for 40-50% of the power produced by uranium fuels, spent fuel contains only residual plutonium. Management of this plutonium is one of the aspects influencing the choice of a fuel cycle back-end option: reprocessing, direct disposal or wait-and-see. Different grades and qualities of plutonium exist depending from their specific generation conditions; all are valuable fissile material. Safeguard authorities watch the inventories of civil plutonium, but access to those data is restricted. Independent evaluations have led to an estimated current inventory of 220t plutonium in total (spent fuel, separated civil plutonium and military plutonium). If used as MOX fuel, it would be sufficient to feed all the PWRs and BWRs worldwide during 7 years or to deploy a FBR park corresponding to 150% of today' s installed nuclear capacity worldwide, which could then be exploited for centuries with the current stockpile of depleted and spent uranium. The energy potential of plutonium deteriorates with storage time of spent fuel and of separated plutonium, due to the decay of $^{241}Pu$, the best fissile isotope, into americium, a neutron absorber. The loss of fissile value of plutonium is more pronounced for usage in LWRs than in FBR. However, keeping the current plutonium inventory for an expected future deployment of FBRs is counterproductive. Recycling plutonium reduce the required volume for final disposal in an underground repository and the cost of final disposal. However, the benefits of utilizing an energy resource and of reducing final disposal liabilities are not the only aspects that determine the choice of a back-end policy.
There are many factors to evaluate nuclear fuel cycle such as safety, public acceptance, economics, etc.. Transparency, proliferation, environment issues, public acceptance and safety are essential to expansion of nuclear industry and proliferation resistance is one of key constraints in the deployment of advanced nuclear energy systems. Proliferation resistance is being considered as one of the most important factors in assessing advanced and innovative nuclear systems. IAEA defmes proliferation resistance as characteristics of nuclear energy system that impedes the diversion or undeclared production of nuclear material [1]. Barriers to proliferation is consist of intrinsic and extrinsic barriers(institutional measures). Intrinsic barriers are characterized in material barriers and technical barriers in general. Material barriers is intrinsic, or inherent, qualities of materials that reduce the inherent desirability or attractiveness of the material as an explosive. Isotopic, chemical, radiological, mass and bulk, detectability barriers are considered as material barriers attributes [2]. Proliferation resistance is examined for several nuclear fuel cycles based on previous study which is focused on the intrinsic barriers [3-4]. Pyroprocessing and DUPIC are considered as reprocessing technologies in Korea and the PWR direct disposal is considered. Comparative assessments of the proliferation attributes and merits of different fuel cycle systems will be performed and the optimal back-end fuel cycle and strategy will be proposed.
The denuclearization of North Korea was unpredictable and resulted in radical changes. Despite the skepticism and disappointment surrounding denuclearization, it is important for certain verification technologies to establish what is technically possible or practically impossible, and how reliable these technical means are. This article presents the technical hurdles in nuclear verification by systematically categorizing them into issues of correctness and completeness. Moreover, it addresses the safety and security risks during the denuclearization process, including the radiological impact on humans, environmental effects, and the illegal transfer of material, information, and technologies.
고리원자로의 핵연로비 추정을 위한 가격 모델을 수립하고 이를 기초로 MITCOST-II 전자계산 code를 써서 고리 발전소의 전수명에 걸친 핵연료주기비를 계산하였다. 사용후 연료를 재처리 하지 않는다는 간단한 핵주기를 가정하였는데 평균 단위 핵연료비는 7.332 mills/Kwhe으로 추정되었으며 이중 우라늄 원광비와 농축비가 85% 이상을 차지하고 있음을 알아내었다. 또한 원광가격과 농축가격의 변동 및 발전소 가동율의 변화에 따른 영향을 계산했으며 그 결과 핵연료비가 원광가격 변동에 매우 민감하게 변화한다는 사실도 알아내었다. 따라서 경제적으로 전력을 생산하기 위해서는 적기에 염가로 우라늄을 확보할 수 있도록 노력을 기울여 야 한다고 제안하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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