• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권8호
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• pp.2935-2940
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• 2023

A polystyrene phantom was developed following the guidance of the International Atomic Energy Association (IAEA) for gamma knife (GK) quality assurance. Its performance was assessed by measuring the absorbed dose rate to water and dose distributions. The phantom was made of polystyrene, which has an electron density (1.0156) similar to that of water. The phantom included one outer phantom and four inner phantoms. Two inner phantoms held PTW T31010 and Exradin A16 ion chambers. One inner phantom held a film in the XY plane of the Leksell coordinate system, and another inner phantom held a film in the YZ or ZX planes. The absorbed dose rate to water and beam profiles of the machine-specific reference (msr) field, namely, the 16 mm collimator field of a GK Perfexion^TM or Icon^TM, were measured at seven GK sites. The measured results were compared to those of an IAEA-recommended solid water (SW) phantom. The radius of the polystyrene phantom was determined to be 7.88 cm by converting the electron density of the plastic, considering a water depth of 8 g/cm². The absorbed dose rates to water measured in both phantoms differed from the treatment planning program by less than 1.1%. Before msr correction, the PTW T31010 dose rates (PTW Freiberg GmbH, New York, NY, USA) in the polystyrene phantom were 0.70 (0.29)% higher on average than those in the SW phantom. The Exradin A16 (Standard Imaging, Middleton, WI, USA) dose rates were 0.76 (0.32)% higher in the polystyrene phantom. After msr correction factors were applied, there were no statistically significant differences in the A16 dose rates measured in the two phantoms; however, the T31010 dose rates were 0.72 (0.29)% higher in the polystyrene phantom. When the full widths at half maximum and penumbras of the msr field were compared, no significant differences between the two phantoms were observed, except for the penumbra in the Y-axis. However, the difference in the penumbra was smaller than variations among different sites. A polystyrene phantom developed for gamma knife dosimetry showed dosimetric performance comparable to that of a commercial SW phantom. In addition to its cost effectiveness, the polystyrene phantom removes air space around the detector. Additional simulations of the msr correction factors of the polystyrene phantom should be performed.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제36권2호
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• pp.113-120
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• 2023

본 논문에서는 LS-DYNA를 활용한 원자력발전소 설치 로드블록 차량 시뮬레이션 방법을 소개한다. 차량 강습 위협이 원자력 발전소의 설계기준위협으로 포함된 이후로 차량 강습을 대비하기 위한 차량 방벽(Anti-ram barrier)의 성능 평가 소요가 커지고 있다. 차량 방벽은 일반적으로 충돌 실험을 통하여 성능을 인증 받는다. 하지만 국내에서는 차량 방벽에 대한 성능 시험 시설이 마련되어 있지 않아, 시뮬레이션을 통한 차량 방벽 성능 검증이 필요하다. LS-DYNA는 충돌 시뮬레이션에 특화되어 있으며, NCAC를 비롯한 여러 기관에서 충돌 시험과의 타당성 검증을 완료한 수치 모델을 배포하고 있다. 본 논문에서는 로드블록의 가장 핵심적인 차량 차단막 모듈의 FE 모델을 구축하여 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 계산된 결과는 NCHRP 179의 차량 안전 시설 충돌 시뮬레이션 검증 기준을 준용하여 검증하였다. 그 결과 모래시계 에너지(hourglass energy)가 총 에너지의 5%를 넘지 않고 내부 에너지의 10%를 넘지 않는 것을 확인하였으며, added mass가 1% 미만으로 기준인 10%를 넘지 않는 것을 확인하였다. 향후 FE 모델을 활용하여 물리적 방벽의 성능을 평가하여 데이터 베이스를 구축할 예정이다.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권6호
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• pp.2139-2146
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• 2023

During reactor operation, the divertor must withstand unprecedented simultaneous high heat fluxes and high-energy neutron irradiation. The extremely severe service environment of the divertor imposes a huge challenge to the bonding quality of divertor joints, i.e., the joints must withstand thermal, mechanical and neutron loads, as well as cyclic mode of operation. In this paper, potassium-doped tungsten (KW) is selected as the plasma facing material (PFM), oxygen-free copper (OFC) as the interlayer, oxide dispersion strengthened copper (ODS-Cu) alloy as the heat sink material, and reduced activation ferritic/martensitic (RAFM) steel as the structural material. In this study, a vacuum brazing technology is proposed and optimized to bond Cu and ODS-Cu alloy with the silver-free brazing material CuSnTi. The most appropriate brazing parameters are a brazing temperature of 940 ℃ and a holding time of 15 min. High-quality bonding interfaces have been successfully obtained by vacuum brazing technology, and the average shear strength of the as-obtained KW/Cu and ODS-Cu alloy joints is ~268 MPa. And a fabrication route for manufacturing the flat-type divertor target based on brazing technology is set. For evaluating the reliability of the fabrication technologies under the reactor relevant condition, the high heat flux test at 20 MW/m² for the as-manufactured flat-type KW/Cu/ODS-Cu/RAFM mockup is carried out by using the Electron-beam Material testing Scenario (EMS-60) with water cooling. This paper reports the improved vacuum brazing technology to connect Cu to ODS-Cu alloy and summarizes the production route, high heat flux (HHF) test, the pre and post non-destructive examination, and the surface results of the flat-type KW/Cu/ODS-Cu/RAFM mockup after the HHF test. The test results demonstrate that the mockup manufactured according to the fabrication route still have structural and interfacial integrity under cyclic high heat loads.

• 방사성폐기물학회지
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• 제12권3호
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• pp.235-243
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• 2014

본 논문에서는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 이용하여 ZIRLO (ZIRconium Low Oxidation) 피복관의 표면 산화 거동을 연구하였다. 산화 시간 (10-336 시간, $500^{\circ}C$) 및 산화 온도 ($400-700^{\circ}C$, 10 시간)에 따른 산화 특성변화를 관찰하였다. XPS peak 분석 결과, $500^{\circ}C$에서 산화된 피복관의 산화 시간이 24 시간이 될 때 $ZrO_2$ peak가 11.86% 관찰되었으며, 이후 산화 시간이 길어질수록 $ZrO_2$의 비율이 17.93%까지 (336 시간) 증가하는 것이 확인되었다. 반면, 10 시간 산화된 피복관에서 5.68% 존재하던 ZrO 상은 산화 시간이 24 시간으로 늘어남에 따라 사라지는 것이 관찰되었다. 산화 온도 증가에 의한 영향 분석 결과에서는 산화 온도가 $400^{\circ}C$에서 500, 600, $700^{\circ}C$로 증가할 때 ZrO 상의 비율이 0% 부터 5.68, 8.31, 9.16%로 증가하는 것이 확인되었다. 이 때, $ZrO_2$ 상은 $700^{\circ}C$에서 산화된 시료에서만 관찰되었다. ZrO 상의 형성 메커니즘은 불명확하지만, 고온에서 공기 중의 수분과 Zr의 반응으로 인해 $Zr(OH)_4$ 상의 형성이 가속되는 것으로 예상된다. 본 논문에는 $500^{\circ}C$에서 산화된 ZIRLO 피복관과 이들의 염소화 반응 특성에 대한 논의도 포함되었으며, 염소화 반응 진행 가능성에 있어서 산화막의 두께가 중요한 역할을 하는 것으로 보여진다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제3권2호
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• pp.77-84
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• 2005

실증용 UO$_{2}$ pellet 산화로의 실증을 위한 제한된 핫셀 공간 안에서 사용후 핵 연료를 취급하는 산화로는 소형화 하여야 하고, 사용후 핵 연료 분말은 UO$_{2}$ pellet 산화로 장치로부터 비산되지 않아야 한다. 본 연구에서는 분말의 최종속도를 구하기 위하여 Stokes식과 밀도비식을 제안하였다. U$_{3}$O$_{8}$ 의 최종속도 SiO$_{2}$ 의 최종속도를 사용하여 예측하였고, 비산방지를 할 수 있는 최적유량을 결정하였다. SiO$_{2}$ 의 이론 최종속도 식을 검증하고, U$_{3}$O$_{8}$ 과 관계식을 예측하기 위하여 아크릴 장치를 만들었다. 목업시설 에 설치 된 산화로에서 제안된 이론최종속도식 인 Stokes식 의 20 L/min과 밀도비식의 14.5 L/min을 적용하여 U$_{3}$O$_{8}$ 분말의 필터감지에 의해 검증하였다. 그 결과 밀도비식에 의한 14.5 L/min은 U$_{3}$O$_{8}$ 이전혀 검출되지 않았고, Stokes식의 20 L/min에서는 평균 7$\mu$m 의 입도분말이 검출되었다. 따라서 UO$_{2}$ pellet 산화로에서 U$_{3}$O$_{8}$이 비산되지 않는 최적유량은 14.5L/min임을 알 수 있었고, 제안된 밀도비식이 바람직함을 알 수 있었다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제9권3호
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• pp.131-139
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• 2011

연구는 $Na_2CO_3-H_2O_2$ 탄산염 용액의 숙성시간에 따른 안정성을 U의 산화 용해액, Cs/Re의 선택적 침전 여과액 및 U의 산성화 침전 여과액으로 구분하여 검토하였다. 숙성시간에 따른 산화 용해액 내 조성 변화는 거의 없었으며, Cs/Re의 선택적 침전에도 아무 영향이 없이 산화 용해액으로부터 순차적으로 Re과 Cs의 침전제거가 가능하였다. 그러나 U의 산성화 침전에서는 산화 용해액이나 Cs/Re의 선택적 침전 여과액을 장시간 동안 숙성시킬 경우 U이 uranyl peroxocarbonato complex에서 uranyltricarbonate로 일부 전환되어 U의 침전회수를 감소시켰다. 그러므로 99% 이상의 U을 회수하기 위해서는 산화 용해액 및 Cs/Re의 선택적 침전 여과액의 숙성시간을 각각 7일 이내에서 처리하는 것이 효과적이다. 그리고 SF 의 산화/용해${\rightarrow}$Cs과 Re(/Tc)의 선택적 침전${\rightarrow}$ U의 산성화 침전 등을 순차적으로 수행하여, 산화/용해에서는 대부분의 U과 FP 중 일부가 함께 용해 되었으며, 함께 용해된 FP 중 Re과 Cs은 각각 TPPCl 및 NaTPB로 99% 이상을 침전제거할 수 있었다. 그리고 산성화 (pH 4) 침전에서는 U을 거의 100% 침전회수 하여 $Na_2CO_3-H_2O_2$ 탄산염 용액에서 침전법으로 SF로부터 U 만의 회수 타당성을 확인하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제4권3호
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• pp.255-263
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• 2006

$UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치는 차세대관리 공정의 금속전환로 안으로 균질화된 분말을 공급하기 위하여 $UO_2$ 펠릿을 산화하여 $U_3O_8$으로 분말화하는 장치이다. 본 연구에는 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계모델을 제시하고, 실증용 분말화 장치를 제작하여 검증실험을 수행한다. 분말화 장치 설계모델은 내부구조, 성능, 가열로 위치와 크기 등이 고려된다. 실험 방법은 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계 모델에 따라 기존의 3단 메시 분말화 장치를 이용하여 분말의 메시 투과시험과 온도변화 특성 실험을 하여 장치 내부구조를 결정한다. $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch의 산화 반응도 실험과 가열로 위치별 온도 분포를 측정하고 장치의 성능과 가열로의 영 역 위치를 결정한다. 장치 크기를 결정하기 위하여 산화전의 20kg의 $UO_2$ 펠릿과 산화후의 $U_3O_8$ 부피를 측정한다. 이상의 결과를 토대로 실증용 분말화 장치를 설계. 제작하고, 검증을 위하여 산화도, 분말특성 및 분석 등을 수행하였다. 산화반응 실험결과 에서 기존장치에 비하여 분말의 메시 투과율이 향상되었으며, 기존의 3단 메시 장치의 $UO_2$ 펠릿산화시간이 13시간 소요된 것에 비하여 8시간으로 단축되었다. $U_3O_8$ 분말 특성 분석결과, 평균 입도가 $40{\mu}m$이었다. 제작된 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 성능과 설계모델 예측 값은 대체로 잘 일치되었다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제10권1호
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• pp.45-53
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• 2012

사용후 핵연료내 우라늄 및 초우란원소를 회수하는 파이로프로세싱 공정에서 배출되는 금속염화물계 방사성 폐기물은 높은 휘발특성과 붕규산계 유리와의 낮은 상용성으로 인해 고화처리가 쉽지 않은 폐기물이다. 이를 위해, 본 연구에서는 고화처리의 한 방법으로 탈염화 반응을 통한 고화체제조 개념을 채택하였다. 솔젤법을 이용하여 탈염화물질, $SiO_2-Al_2O_3-P_2O_5$ (SAP)을 합성하였으며 이를 이용하여 탈염화 반응거동 반응생성물의 고형화 특성을 조사하였다. LiCl계 폐기물과 달리, LiCl-KCl폐기물의 반응은 두 개의 온도범위에서 반응이 진행되며, $400^{\circ}C$의 경우에는 LiCl이, 약 $700^{\circ}C$에서는 KCl이 주로 반응하는 것으로 확인되었다. 여러 가지 반응실험을 통하여 LiCl-KCl의 탈염화 반응에 가장 적합한 물질은 SAP 1071 (Si/Al/P=1/0.75/1 in molar)인 것으로 확인되었다. 4가지 종류의 고형화 실험을 통하여 고화체의 bulk shape과 densification은 SAP/Salt의 비에 영향 받는 것을 확인하였다. 제조된 고형화 시료는 Product Consistency Test-A법을 이용하여 기본적인 내구성을 평가하였다. 본 연구는 $SiO_2$, $Al_2O_3$, $P_2O_5$로 이루어진 탈염화 물질을 이용하여 반응특성과 고형화 특성에 대한 기본적인 정보를 제공하였으며, 이와 같은 실험을 통하여, 본 연구에서 제안된 탈염화 고화처리방법이 휘발특성이 높고 기존 유리매질과 상용성이 낮은 금속염화물계 폐기물에 적용이 가능함을 확인하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제10권1호
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• pp.27-36
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• 2012

금속염화물계 방사성 폐기물은 전해공정으로 이루어진 파이로프로세싱공정의 주요한 방사성 폐기물이다. 이와 같은 폐기물은 탄산염이나 질산염과 달리 고온에서 분해되지 않고 바로 휘발되며, 기존의 규산계 유리와 상용성이 낮아 처리가 쉽지 않다. 본 연구팀은 금속염화물계 폐기물을 고화처리하는 방법으로 탈염화처리법을 채택하였다. 본 연구에서는 그 후속적인 연구로서, 탈염화물질로 제안된 SAP ($SiO_2-Al_2O_3-P_2O_5$)의 조성을 변화시켜 LiCl-KCl과의 반응성을 향상시키고 고화공정을 단순화시키고자 하였다. 기본물질계에 $Fe_2O_3$를 첨가할 경우 무게반응비 SAP/Salt를 3에서 2.25로 낮출수 있으며, Fe가 Al을 치환하는 몰분율이 0.1이상이 될 경우에는 오히려 반응성이 점진적으로 감소하는 것으로 확인되었다. 또한 M-SAP에 $B_2O_3$를 첨가할 경우에는 유리매질을 사용하지 않고 monolithic form을 제조할 수 있었다. 침출 시험결과 U-SAP 1071이 가장 높은 내구성을 보여주었으며, 1 g의 금속폐기물을 처리시 약 3~4 g의 고화체가 발생되며, 이는 기존의 고화처리법보다 약 $\frac{1}{3}{\sim}\frac{1}{4}$배정도 최종처분부피가 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 이상의 실험결과로부터, 기존의 유리고화공정으로 처리가 어려운 휘발성 금속염화물계 폐기물을 단 하나의 물질을 이용하여 처리할 수 있음을 확인하였으며, 이러한 처리방법은 고화처리시 발생되는 부피를 최소화활 수 있는 대안적인 고화처리방법이 될 것으로 판단된다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제7권2호
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• pp.93-100
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• 2009

본 연구는 12 성분의 모의 FP-산화물 (simulated fission products oxide)을 대상으로 하여 $(NH_4)_2CO_3-H_2O_2$ 탄산염 용액에서 U을 산화 용해할 때 U과 함께 용해되는 FP의 산화 용해특성을 규명하였다. FP-산화물의 산화용해 시 FP의 최소 용해를 위한 산화제로는 $H_2O_2$가 가장 우수하였다. 0.5 M $(NH_4)_2CO_3-0.5$ M $H_2O_2$ 계에서 U과 함께 산화 용해되는 원소로는 Re, Te, Cs, Mo 등이고, 2시간 용해에서 Re과 Te은 각각 98${\pm}$2%, Cs은 94${\pm}$2%, Mo는 29${\pm}$2%가 용해되었다. Re, Te 및 Cs의 용해는 각각 $(NH_4)_2CO_3$ 용액에서의 높은 용해도에 기인하여 $H_2O_2$ 함유 여부에 관계없이 매우 빠르게 일어나고, $(NH_4)_2CO_3$ 농도 및 $H_2O_2$의 농도증가에 거의 영향을 받지 않았다. 반면에 $H_2O_2$에 의한 Mo의 산화 용해는 $(NH_4)_2CO_3$ 농도에 무관하게 매우 느리게 일어나고, 4시간 용해에서 약 33%가 용해되었다. 그리고 용액 내 pH는 FP-산화물의 용해에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 U의 산화 용해 시 FP의 공용해를 방지하기 위해서 pH 9${\sim}$10에서 수행하는 것이 효과적이었다.