Pyroprocessing technology has been regarded as a promising solution for recycling spent fuel in nuclear power plants. The Korea Atomic Energy Research Institute has been studying the current status of equipment and facilities for pyroprocessing and found that existing facilities are manually operated; therefore, their applications have been limited to laboratory scale because of low productivity and safety concerns. To extend the pyroprocessing technology to a commercial scale, the facility, including all the processing equipment and the material-handling devices, should be enhanced in view of automation. In an automated pyroprocessing facility, a supervised control system is needed to handle and manage material flow and associated operations. This article provides a preliminary design of the supervising system for pyroprocessing. In particular, a manufacturing execution system intended for an automated pyroprocessing facility, named Pyroprocessing Execution System, is proposed, by which the overall production process is automated via systematic collaboration with a planning system and a control system. Moreover, a simulation-based prototype system is presented to illustrate the operability of the proposed Pyroprocessing Execution System, and a simulation study to demonstrate the interoperability of the material-handling equipment with processing equipment is also provided.
Pyroprocessing technology was developed in the beginning for metal fuel treatment in the US in the 1960s. The conventional aqueous process, such as PUREX, is not appropriate for treating metal fuel. Pyroprocessing technology has advantages over the aqueous process: less proliferation risk, treatment of spent fuel with relatively high heat and radioactivity, compact equipment, etc. The addition of an oxide reduction process to the pyroprocessing metal fuel treatment enables handling of oxide spent fuel, which draws a potential option for the management of spent fuel from the PWR. In this context, KAERI has been developing pyroprocessing technology to handle the oxide spent fuel since the 1990s. This paper describes the current status of pyroprocessing technology development at KAERI from the head-end process to the waste treatment. A unit process with various scales has been tested to produce the design data associated with the scale up. A performance test of unit processes integration will be conducted at the PRIDE facility, which will be constructed by early 2012. The PRIDE facility incorporates the unit processes all together in a cell with an Ar environment. The purpose of PRIDE is to test the processes for unit process performance, operability by remote equipment, the integrity of the unit processes, process monitoring, Ar environment system operation, and safeguards related activities. The test of PRIDE will be promising for further pyroprocessing technology development.
Kim, Sung-Wook;Heo, Dong Hyun;Lee, Sang Kwon;Jeon, Min Ku;Park, Wooshin;Hur, Jin-Mok;Hong, Sun-Seok;Oh, Seung-Chul;Choi, Eun-Young
Nuclear Engineering and Technology
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제49권7호
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pp.1451-1456
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2017
Finding technical issues associated with equipment scale-up is an important subject for the investigation of pyroprocessing. In this respect, electrolytic reduction of 1 kg $UO_2$, a unit process of pyroprocessing, was conducted using graphite as an anode material to figure out the scale-up issues of the C anode-based system at pilot scale. The graphite anode can transfer a current that is 6-7 times higher than that of a conventional Pt anode with the same reactor, showing the superiority of the graphite anode. $UO_2$ pellets were turned into metallic U during the reaction. However, several problems were discovered after the experiments, such as reaction instability by reduced effective anode area (induced by the existence of $Cl_2$ around anode and anode consumption), relatively low metal conversion rate, and corrosion of the reactor. These issues should be overcome for the scale-up of the electrolytic reducer using the C anode.
Pyroprocessing is a promising technology for managing spent nuclear fuel. The nuclear material accounting of feed material is a challenging issue in safeguarding pyroprocessing facilities. The input material in pyroprocessing is in a solid-state, unlike the solution state in an input accountability tank used in conventional wet-type reprocessing. To reduce the uncertainty of the input material accounting, a double-stage homogenization process is proposed in considering the process throughput, remote controllability, and remote maintenance of an engineering-scale pyroprocessing facility. This study tests two types of mixing equipment in the proposed double-stage homogenization process using surrogate materials. The expected heterogeneity and accounting uncertainty of Pu are calculated based on the surrogate test results. The heterogeneity of Pu was 0.584% obtained from Pressurized Water Reactor (PWR) spent fuel of 59 WGd/tU when the relative standard deviation of the mass ratio, tested from the surrogate powder, is 1%. The uncertainty of the Pu accounting can be lower than 1% when the uncertainty of the spent fuel mass charged into the first mixers is 2%, and the uncertainty of the first sampling mass is 5%.
Kim, Sung-Wook;Han, Seung Youb;Jang, Junhyuk;Jeon, Min Ku;Choi, Eun-Young
방사성폐기물학회지
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제19권2호
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pp.255-266
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2021
Solid-state mechanochemical reduction combined with subsequent melting consolidation was suggested as a technical option for the oxide reduction in pyroprocessing. Ni ingot was produced from NiO as a starting material through this technique while Li metal was used as a reducing agent. To determine the technical feasibility of this approach for pyroprocessing, which handles spent nuclear fuels, thermodynamic calculations of the phase stabilities of various metal oxides of U and other fission elements were made when several alkaline and alkali-earth metals were used as reducing agents. This technique is expected to be beneficial, not only for oxide reduction but also for other unit processes involved in pyroprocessing.
A series of experiments were performed to produce a fuel source for a molten salt reactor (MSR) through pyroprocessing technology. A simulated LiCl-KCl-UCl3-NdCl3 salt system was prepared, and the U element was fully recovered using a liquid cadmium cathode (LCC) by applying a constant current. As a result, the salt was purified with an UCl3 concentration lower than 100 ppm. Subsequently, the U/RE ingot was prepared by melting U and RE metals in Y2O3 crucible at 1473 K as a surrogate for RE-rich ingot product from pyroprocessing. The produced ingot was sliced and used as a working electrode in LiCl-KCl-LaCl3 salt. Only RE elements were then anodically dissolved by applying potential at - 1.7 V versus Ag/AgCl reference electrode. The RE-removed ingot product was used to produce UCl3 via the reaction with NH4Cl in a sealed reactor.
Pyroprocessing is the optimal means of treating spent metal fuels from metal fast fuel reactors and is proposed as a potential option for GNEP in order to meet the requirements of the next generation fuel cycle. Currently, efforts for research and development are being made not only in the U.S., but also in Asian countries. Electrorefining, cathode processing by distillation, injection casting for fuel fabrication, and waste treatment must be verified by the use of genuine materials, and the engineering scale model of each device must be developed for commercial deployment. Pyroprocessing can be effectively extended to treat oxide fuels by applying an electrochemical reduction, for which various kinds of oxides are examined. A typical morphology change was observed following the electrochemical reduction, while the product composition was estimated through the process flow diagram. The products include much stronger radiation emitter than pure typical LWR Pu or weapon-grade Pu. Nevertheless, institutional measures are unavoidable to ensure proliferation-proof plant operations. The safeguard concept of a pyroprocessing plant was compared with that of a PUREX plant. The pyroprocessing is better adapted for a collocation system positioned with some reactors and a single processing facility rather than for a centralized reprocessing unit with a large scale throughput.
사용후핵연료의 파이로처리기술에 대한 국내외 특허동향을 분석하였다. 1975-2009년에 걸쳐 한국, 미국, 일본 및 유럽연합에서 출원된 특허에 대하여 출원국별, 출원인별, 연도별 및 세부기술분야별로 구분하여 그 내용을 비교함으로써 파이로처리기술 개발 현황을 분석하였다. 그리고 주요 출원인의 세부기술별 특허활동지수로부터 특정분야의 기술개발 편중도, 분석대상 특허의 피인용횟수와 패밀리수로부터 각국의 기술 경쟁력을 조사하였다. 또 장차 파이로처리기술의 실용화에 대비하여 필수 요소기술들을 도출하고 그에 대한 현기술 수준과 기술개발동향 등을 파악하였다.
In this paper we discuss spent fuel management options in the Republic of Korea (ROK) from two interrelated perspectives: Centralized dry cask storage and spent fuel pyroprocessing and burning in sodium fast reactors (SFRs). We argue that the ROK will run out of space for at-reactors spent fuel storage by about the year 2030 and will thus need to transition centralized dry cask storage. Pyroprocessing plant capacity, even if approved and successfully licensed and constructed by that time, will not suffice to handle all the spent fuel discharged annually. Hence centralized dry cask storage will be required even if the pyroprocessing option is successfully developed by 2030. Pyroprocessing is but an enabling technology on the path leading to fissile material recycling and burning in future SFRs. In this regard we discuss two SFR options under development in the U.S.: the Super Prism and the Travelling Wave Reactor (TWR). We note that the U.S. is further along in reactor development than the ROK. The ROK though has acquired more experience, recently in investigating fuel recycling options for SFRs. We thus call for two complementary joint R&D project to be conducted by U.S. and ROK scientists. One leading to the development of a demonstration centralized away-fromreactors spent fuel storage facility. The other involve further R&D on a combined SFR-fuel cycle complex based on the reactor and fuel cycle options discussed in the paper.
A simplified flowsheet for pyroprocessing commercial spent fuel is proposed in which the only salt treatment step is actinide drawdown from electrorefiner salt. Actinide drawdown can be performed using a simple galvanic reduction process utilizing the reducing potential of gadolinium metal. Recent results of equilibrium reduction potentials for Gd, Ce, Nd, and La are summarized. A description of a recent experiment to demonstrate galvanic reduction with gadolinium is reviewed. Based on these experimental results and material balances of the flowsheet, this new variant of the pyroprocessing scheme is expected to meet the objectives of minimizing cost, maximizing processing rate, minimizing proliferation risk, and optimizing the utilization of geologic repository space.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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