Analysis of the Spent Fuel Cooling Time for a Deep Geological Disposal

심지층 처분을 일한 사용후핵연료 냉각기간 분석

The purpose of the HLW deep geological disposal is to isolate and to delay the radioactive material release to human beings and the environment for a long time so that the toxicity does not affect to the environment. The main requirements for the HLW repository design is to keep the buffer temperature below $100\;^{\circ}C$ in order to maintain its integrity. So the cooling time of spent fuels discharged from the nuclear power plant is the key consideration factors for efficiency and economic feasibility of the repository. The disposal tunnel/disposal hole spacing, the disposal area and thermal capacity required for the deep geological repository layout which satisfies the temperature requirement of the disposal system is analyzed to set the optimized spent fuels cooling time. To do this, based on the reference disposal concept, thermal stability analyses of the disposal system have been performed and the derived results have been compared by setting the spent fuels cooling time and the disposal tunnel/disposal hole spacing in various ways. From these results, desirable spent fuels cooling time in view of disposal area is derived. The results shows that the time reaching the maximum temperature within the design limit of the temperature in the disposal site is likely shortened as the cooling time of spent fuels becomes short. Also it seems that the temperature-rising and-dropping patterns in the disposal site are of smoothly varying form as the cooling time of spent fuels becomes long. In addition, it is revealed that a desirable cooling time of spent fuels is approximately 40-50 years when spent fuels are supposedly disposed in the deep geological disposal site with its structural scale under consideration in this study.

사용후핵 연료 심지층 처분의 목적은 그 독성이 인간 및 자연환경에 영향을 미치지 않도록 장기간 동안 격리하고, 방사성물질의 누출을 지연시키는 것이다. 이러한 심지층 처분장 설계시 주요한 요건은 처분시스템의 건전성 유지를 위하여 폐기물로부터 발생된 열로 인하여 완충재의 온도가 $100\;^{\circ}C$를 넘지 않도록 하는 것이다. 따라서, 원자력 발전소에서 방출된 후의 사용후핵연료 냉각기간은 심지층 처분장 설계시 효율 및 경제성을 위한 중요한 고려인자이다. 본 연구에서는 가장 적절한 사용후핵연료 냉각기간 설정을 위하여 처분시스템 온도요건을 만족하는 심지층 처분장 배치에 필요한 처분터널-처분공 간격 및 그에 따른 면적, 열하중에 대한 분석을 수행하였다. 이를 위하여, 기준 처분개념을 바탕으로 사용후핵연료의 냉각기간 및 처분터널/처분공 간격을 다양하게 설정하여, 처분시스템에서의 열적 안정성을 해석하고 그 결과를 비교분석하였다. 그리고 분석 결과를 바탕으로 처분면적 측면에서 효율적인 사용후핵연료 냉각기간을 도출하였다. 그 결과, 사용후핵연료의 냉각기간이 짧을수록 처분장에서 설계온도 제한치 범위내 최고온도에 이르는 시간은 빨라지고, 사용후핵연료 냉각기간이 길수록 처분장에서 온도상승 및 하강속도는 완만해지는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구에서 고려대상으로 삼은 처분장 규모와 사용후핵연료를 심지층에 처분한다고 할 때 그 냉각기간을 40-50년으로 함이 적합한 것으로 나타났다.