연구용 원자로 개요

1. 연구용 원자로 개요 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정 2002. 6. 25 한국원자력연구소 하나로운영팀 전병진

2. 목차 • 가마 - 연구로 • 연구로의 용도 • 연구로의 분류 • 중소형 연구로의 설계 및 운전 특성 • 대형 연구로의 설계 및 운전 특성 • 전 세계의 연구로 현황 • 우리나라의 연구로 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

3. 가마 (爐, reactor) • 화학로: 도자기 가마, 숯가마, 용광로, 전기로 • 원자로 • 핵융합로 • 원자로 • 에너지 이용로: 발전로, 추진로, 열이용로 • 플루토늄 생산로 • 중성자 이용로: 연구용 원자로 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

4. 연구로의 용도 • 중성자빔 이용 • 핵연료 및 재료 조사 시험 • 방사성 동위원소 생산 • 방사화 분석 • 중성자 도핑 등 • 핵계산 검증 • 교육 및 훈련 • 기타 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

5. 중성자빔 이용 • 중성자 자체 연구 • 중성자 산란 (NS: neutron scattering) • 중성자 투과 비파괴 검사 (NR: neutron radiography) • 암치료 (BNCT: boron neutron capture therapy) • 즉발감마 방사화 분석 (PGNAA: prompt gamma neutron activation analysis) 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

6. 중성자 빔 이용 특성 • 대개 수평공 • 보다 높은 중성자속 요구 • 냉중성자, 초냉중성자, 중성자 안내관 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

7. Cold Neutron Source • Use very low temperature (~20K) moderator • Shifts the Maxwell-Boltzmann Distribution to Lower Energy. NIST Reactor 20MW With cold source Without cold source Neutron intensity 1 10 • Cold Neutron on Sample • HANARO = 3 x 104 (n/sec) • NIST = 3 x 106 (n/sec) • 100 Times Difference Energy (meV) • Liquid H2(20K) : Cold Neutron Source (SANS, Qmin= 0.1/Å) 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

8. Back Scat. 8m SANS ~100 m 30m SANS V. Reflectometer 20 MW Reactor DC TOF TAS SPINS Spin Echo TAS RSD FC TOF H. Reflectometer 30m SANS PD Cold Neutron Source TAS FANS Cold Neutron Thermal Neutron 5 Elastic Scattering Instruments 5 Inelastic Scattering Instruments 3 others 2 Elastic Scattering Instruments 4 Inelastic Scattering Instruments 2 others Cold Neutron Instruments NIST Center for Neutron Research 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

9. KAERI HANARO reactor and Cold Neutron Laboratory 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

10. 핵연료 및 재료 조사 시험 • 높은 고속 중성자속 요구 • 가속 시험 • 캡술, 루프 • 원전의 수명 연장, 핵연료 성능 및 연소도 증가 연구 등 • 연구로의 저농축 연료 개발 • 핵융합로 재료 개발 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

11. HANARO Fuel Test Loop System Concept OUT-PILE SYSTEM IN-PILE TEST SECTION 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

12. 방사성 동위원소 생산 • 산업 및 의료용 방사성 동위원소 생산 • 질병 진단용: 사이클로트론 동위원소의 비중 증가 추세 • 핵분열 생성물에서 추출, 중성자 흡수 반응: 대부분 -붕괴 핵종 • 안정 공급이 중요 • 중성자속이 높을수록 유리 • 캐나다: 전세계 RI 공급의 대부분을 차지 • Cf-252 등 초우라늄 원소 생산에는 high flux 원자로 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

13. 방사화 분석 • 다원소 동시 분석 • 비파괴적 • 극미량 불순물 분석에 유리 • 중소형 연구로도 적합 • PGNAA로 분석 영역 확장 가능 • Track 측정 및 이용 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

14. 중성자 도핑 등(neutron transmutation doping, etc.) • 대전력 반도체 소자: 매우 높은 도핑 균일도 • Wafer 도핑 • 보석 발색 • 중성자 계측기의 성능 시험 • 추적자 시험을 위한 중성자 방사화 등 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

15. 핵계산 검증 • 주로 임계 또는 미임계 실험 장치 이용 • 차폐 검증 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

16. 교육, 훈련, 기타 • 교육 및 훈련 • 원자력 종사자 • 연구로 각 이용 분야별 연구자 • 일반인의 원자력 이해 증진 • 기타 • 양전자 발생 장치 등 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

17. 원자로 대비 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

18. 중성자원 • 소형: (,n), (,n), 자발 핵분열 (Pu-238, Cf-252), D-T 펄스 중성자원 • 대형: 양성자 가속기 • Proton spallation reactor • 연구로: 강한 연속 중성자원 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

19. 연구로의 분류 • 연구로의 출력 규모에 따른 분류 • 미임계 또는 임계 시험로 • 중소형 연구로 • 대형 연구로 • High flux 연구로 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

20. 미임계 또는 임계 시험로 • Fast 임계 시험 장치 • 발전용 원자로의 노심 모의 장치 • 대형 연구로 모의 시험 장치 • 사용후 핵연료 저장 모의 시험 장치 • 재처리 공정 모의 시험 장치 등 • 노심 재배치 등의 편리성 • 노심 핵계산 검증 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

21. 중소형 연구로 • 자연 대류 냉각  2 MW • 10 CFR에서는 10 MW 기준하여 다른 규제 적용 • 훈련, 동위원소 생산, 방사화 분석 등 다목적 • TRIGA (Trainingm Research and Isotope Production, GA)형이 주류 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

22. 대형 연구로 • 강제 대류 냉각 • 전문 원자로 → 다목적 지향 추세 • 재료 시험로: MTR, ETR, ATR, JMTR, HFETR, OSIRIS 등 • 중성자 빔 원자로: ORPHEE, HFBR 등 • 동위원소 전문 원자로: NRX, NRU, MAPLE 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

23. High flux 연구로 • 중성자속이 1015 n/cm2 s 이상 • 미국의 HFIR (High Flux Isotope Reactor, ORNL), 러시아의 SM, 프랑스 ILL (Institute of Laue Langebin)의 원자로 • 러시아에서 건설 중인 PIK. 중국의 HFETR (High Flux Engineering Test Reactor)은 전출력에서 운전하지 않고 있음. 미국은 ANS (Advanced Neutron Source) 설계를 추진하였으나 취소 • HFIR, ILL 원자로, ANS, 독일의 FRM-II는 노심 전체가 하나의 핵연료 통 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

24. Proton Spallation Reactor • 약 1.5 GeV의 양성자로 중핵 (납 이상)을 때려 원자핵 파쇄 (spallation) 반응 • 미임계 원자로를 결합시켜 중성자속 증배 • 미국, 유럽, 일본에서 건설되고 있는 장치는 2010년 이전 가동을 목표, 펄스형 운전 • 국내에서는 연속 운전 장치 개발 고려 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

25. ANS 설계 노심과 연료통의 모습 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

26. 중소형 연구로의 설계 및 운전 특성 • 낮은 출력 밀도 • 자연 대류 냉각 • 높은 고유 안전성 • 근무 시간 운전 • 필요에 따라 핵연료 장전 또는 인출, 노심 배열 변경 • TRIGA 형이 대표적인 예 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

27. TRIGA • UZrHx • 균질로의 장점을 비균질로에 접목: 큰 즉발 부온도 계수 • 맥동 운전 가능: 다른 예로서 fast burst reactor (FBR) 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

28. 연구로 2호 원자로에서 맥동 운전 시의 출력 변화 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

29. 대형 연구로의 설계 및 운전 특성 • 높은 출력 밀도 • 저온 저압, 고속의 강제 대류 냉각 • 짧은 재장전 주기 • 반사체의 역할 중요 • 이용과 운전 사이의 긴밀한 관계 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

30. 높은 출력 밀도 • 출력에 비하여 작은 노심 부피 • 열전도도가 높은 재료 사용 • 열전달에 방해가 되는 요소 제거 • 핵연료의 표면적/부피 비를 크게 • 냉각재 유속을 빠르게 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

31. 대형 연구로용 핵연료 • 1950년대 미국에서 개발한 재료 시험로 (MTR) 연료가 표준적인 연료. 알루미늄을 모재로 하는 판형 연료 (MTR형 핵연료) • Blistering이 핵연료 건전성 측면에서 매우 중요 • 핵연료 심재: 알루미늄 속에 분산된 핵연료 가루 • RERTR: U3O8, U3Si2, U3Si  U-Mo • 핵연료 분말 제조법의 발전: 빻는 방법  원심 분무 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

32. 설계 및 운전 특성 (계속) • 짧은 운전 주기, 노심 실험 장치의 잦은 변경: 노심 관리 부담 • 냉각재: 상온, 상압의 물 또는 중수 • 붕산이나 수산화 리튬 등의 첨가 없음 • 중성자속 향상 등의 특별한 이유가 없으면 물을 사용하는 경향 • N-16이 주 방사선원 (반감기 7.13초) 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

33. 설계 및 운전 특성 (계속) • 원자로 탱크: 상부 개방 또는 밀폐형 • 개방형에서는 수조 상부 차폐 덮개 또는 고온층 필요 • 냉각수 흐름: 상향 또는 하향 • 1차 냉각관 파단 사고 (guilotine break) 사고 • 저온 저압: 사고 발생 가능성? • 발생할 경우 DNB 발생: 원자로 건물의 설계 및 제한 구역 설정에 큰 부담 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

34. 설계 및 운전 특성 (계속) • 반사체의 역할 중요 • Be, 중수, 물, 흑연 • 제어봉: 노심 아래 또는 위에서 구동 • Fuel follower control rod • Safety 또는 shut-off rod와 조절봉 • 2차 정지의 필요성? • 기체 방사성 물질의 환경 방출: 대부분 Ar-41 • 연구로 운영 • 운영자와 이용자 사이의 긴밀한 대화 • 안전의 궁극적인 책임은 원자로 운영자 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

35. 노심 및 반사체에서의 열중성자속 분포 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

36. 전 세계 연구로 현황 IAEA 회원국의 연구로 보유 현황 (1999년 현재) 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

37. 운전 중인 연구로 수의 변화 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

38. 연구로의 지역별 분포 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

39. 운전 중인 연구로를 보유한 회원국 수의 변화 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

40. 운전 중인 연구로의 연령별 분포 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

41. 운전 중인 연구로의 출력별 분포 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

42. 최근 IAEA 자료 (RRDB: research reactor data base)에 의한 분류 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

43. 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

44. 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

45. 우리나라의 연구로 • 1962년 연구로 1호 (TRIGA Mk-II) 첫 임계 • 1972년 연구로 2호 (TRIGA Mk-III) 첫 임계 • 1982년 경희대 AGN 첫 임계 • 1995년 하나로 첫 임계 • 1995년말 TRIGA Mk-II, III 운전 정지 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

46. 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

47. 연구로 1호의 노심 평면도 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

48. 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

49. 연구로 2호의 노심 평면도 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정

50. 하나로 • 대표적인 다목적 연구로 • MAPLE 건설을 추진하던 캐나다와 협력: U3Si-Al 봉형 연료 • 4개씩의 제어봉과 정지봉: Hf관 • 경수의 상향 강제 대류로 냉각 • 2중 냉각수 확보 설비 • 다양한 실험공: 노심 내부, 외부 노심, 반사체 영역 연구용원자로 및 핵주기시설 전문과정