Comprehensive Analysis of Burnup-Driven Fission Product Evolution and Radiological Releases in VVER-1200 in Bangladesh’s First Nuclear Power Plant

기술 요약: 방글라데시 제1 원자력 발전소의 VVER-1200 내 연소도 기반 핵종 진화 및 방사성 물질 방출에 관한 종합 분석

문제 제기
핵물질 내 방사성 핵종 조성에 대한 정량적 평가는 사고 시 환경 위험을 평가하고, 원자로 성능을 검토하며, 방사성 폐기물을 관리하는 데 있어 매우 중요하다. 국제적인 연구가 다양한 유형의 원자로에 대한 선원항(source term)을 광범위하게 조사해 왔으나, 방글라데시 루푸르(Rooppur) 원자력 발전소에 채택된 기술인 VVER-1200 설계에 특화된 연소도 의존적 핵종 거동 및 그에 따른 방사성 선원항에 초점을 맞춘 연구는 부족한 실정이다. 기존의 일반적인 데이터는 본 시설과 관련된 특정 운전 조건, 연료 농축도 및 연소도를 충분히 반영하지 못하는 경우가 많다. 따라서 방글라데시 원자력 에너지 분야의 안전성 평가, 비상 대응 및 규제 의사결정을 지원하기 위해 신뢰할 수 있는 연소도 의존적 선원항 모델을 구축할 필요가 있다.

방법론
본 연구는 ORIGEN 2.2 결합(depletion) 코드를 사용하여 루푸르 원전의 모델이 되는 전형적인 VVER-1200 원자로 코어 내 방사성 핵종 재고량의 진화를 모델링하는 계산적 접근 방식을 채택한다.

• 원자로 모델: 분석에는 열출력 3200 MWth, 163개의 핵연료 집합체로 구성된 육각형 연료 집합체 구조, 최대 4.95% $^{235}$U 농축도를 포함하는 VVER-1200 (V-392M)의 설계 파라미터가 활용된다. 연료 주기는 신연료, 1회 연소 연료, 2회 연소 연료의 혼합으로 구성되며, 19.808 MWd/kg까지의 연소도 범위(70% 출력에서 약 18개월 운전에 해당)에 중점을 둔다.
• 계산 방식: 본 연구는 핵분열을 통한 생성, 방사성 붕괴를 통한 고갈, 그리고 중성자 포획을 통한 변환을 고려하여 방사성 핵종의 시간 의존적 거동을 계산한다. 핵심 재고량($I_{ACTUAL}$)은 VVER-1200의 특정 연소도에 맞춰 조정된 NUREG-1940의 참조값과 벤치마킹된다.
• 선원항 추정: 방사성 선원항은 $R_i = A_i \times DF_i \times RF_i \times LF_i$ 관계식을 사용하여 추정하며, 여기서 $A_i$는 재고량이고, $DF_i$, $RF_i$, $LF_i$는 각각 연료 손상률, 방출률, 격납 용기 누출 분율을 나타낸다. 방출 분율은 화학적 그룹(비활성 기체, 할로겐, 알칼리 금속 등)에 기초하여 NRC Regulatory Guide 1.183 (2000)으로부터 도출된다.
• 범위: 분석은 비활성 기체, 할로겐, 알칼리 금속, 텔로륨 계열 동위원소, 귀금속, 란타넘족, 세륨 관련 액티나이드 등 7가지 주요 방사성 핵종 그룹을 다룬다.

주요 기여 및 결과
본 연구는 연료 연소도가 특정 방사성 핵종의 재고 및 잠재적 방출에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 상세한 특성을 제공한다:

1. 연소도 의존적 진화 패턴: 연구는 연소도가 0에서 19.808 MWd/kg으로 증가함에 따라 서로 다른 동위원소 그룹이 보이는 뚜렷한 행동 패턴을 식별하였다:

   • 지속적 축적: 장수명 동위원소인 $^{85}$Kr, $^{129}$I, $^{134}$Cs, $^{137}$Cs, $^{90}$Sr 및 핵종인 $^{239}$Pu, $^{241}$Pu, $^{239}$Np는 조사 기간 동안 단조 증가를 보인다.
   • 초기 피크 및 고갈: 단수명 또는 준안정 상태의 동위원소(예: $^{89}$Kr, $^{135}$Xe, $^{138}$Cs, $^{133}$I, $^{134}$I)는 매우 낮은 연소도 수준(흔히 < 0.6 MWd/kg)에서 최대 활도에 도달한 후, 생산보다 방사성 붕괴가 빨라짐에 따라 감소한다.
   • 성장 후 안정화: 중간 수명의 동위원소(예: $^{131}$I, $^{132}$I, $^{95}$Zr, $^{95}$Nb)는 초기 증가를 보인 후 높은 연소도에서 근사 평형 상태에 도달하거나 약간 감소하며 안정화된다.

2. 재고량 정량화:

   • 주기 종료 시 총 코어 재고량은 약 $2.008 \times 10^{20}$ Bq로 계산되었다.
   • 주요 기여 요소: 재고량은 핵분열 생성물이 지배적이다. 주요 기여자는 $^{239}$Np ($3.883 \times 10^{19}$ Bq)이며, 이어서 요오드 동위원소($^{134}$I, $^{133}$I)와 비활성 기체($^{133}$Xe, $^{137}$Xe)가 뒤를 잇는다.
   • 그룹별 기여: 비활성 기체와 할로겐이 전체 활도($2.045 \times 10^{19}$ Bq 및 $2.283 \times 10^{19}$ Bq)에 크게 기여하며, 란타넘족과 세륨 관련 액티나이드 또한 주요 역할을 한다.

3. 방사성 방출 잠재력:

   • 사고 조건 하에서 비활성 기체가 가장 높은 방출 분율(60.40%)을 보였으며, 할로겐(25.41%)과 알칼리 금속(9.97%)이 그 뒤를 이었다.
   • 격납 용기로의 추정 총 방사성 방출량은 약 $3.386 \times 10^{19}$ Bq이다.
   • $^{131}$I, $^{133}$Xe, $^{137}$Cs와 같은 휘발성 동위원소들이 주요한 외부 방사선 영향의 원인으로 확인되었다.

4. 참조 데이터(NUREG-1940)와의 비교:

   • 본 연구에서 계산된 재고량은 NUREG-1940 참조값에 비해 일반적으로 과소평가되었으며, 편차는 약 -15%에서 -50% 사이로 나타났다.
   • 비활성 기체는 15~44%, 할로겐은 약 30%, 알칼리 금속은 -20%에서 -37% 사이의 과소평가를 보였다.
   • 준안정 상태 동위원소(예: $^{131m}$Xe, $^{129m}$Te)는 핵 데이터 라이브러리, 이성질체 형성 비율, 붕괴 방식의 불확실성으로 인해 가장 큰 불일치(최대 -52%)를 보였다.
   • $^{93}$Y에 대해서는 드물게 양(+)의 편차(+15.75%)가 관찰되었다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 VVER-1200 원자로에 대한 연료 연소도, 방사성 핵종 재고 진화, 그리고 잠재적 방사성 방출 사이의 직접적인 관계를 확립한다고 주장한다. 연구 결과는 다음과 같은 용도로 유용한 자원으로 제시된다:

• 안전 분석: 설계 기준 사고(DBA) 및 중대 사고 결과 평가에 필수적인 연소도 의존적 재고량을 제공한다.
• 비상 대응: 방출 가능성이 높은 특정 동위원소(예: 비활성 기체 및 요오드)와 그 양을 식별함으로써 비상 계획 구역 및 완화 전략 수립에 정보를 제공한다.
• 규제 지원: 루푸르 원전의 규제 의사결정 및 안전 사례 개발을 지원하기 위한 데이터를 제공한다.
• 비교 안전성: 본 연구는 VVER-1200의 추정 선원항이 체르노빌 참사의 방출량보다는 일반적으로 낮으며, 후쿠시마 제1 원전 사고의 방출량과 비슷하거나 더 낮다고 주장한다. 이는 VVER-1200의 개선된 안전 기능과 견고한 격납 용기 설계 덕분이며, 이는 가정된 조건 하에서 통제되지 않은 환경 방출 가능성이 낮음을 시사한다.

본 논문은 VVER-1200 설계가 향에된 안전성을 제공하지만, 휘발성 및 장수명 방사성 핵종의 상당한 재고량이 존재하므로 연료의 연소도 의존적 특성에 맞춘 지속적이고 엄격한 안전성 평가, 효과적인 비상 계획 및 중대 사고 관리 프로토콜이 필요하다고 결론짓는다.