방사성폐기물 플라즈마 용융로(PTM) 설비의 핵심 부품은 무산소동(OFC) 재질의 전방전극 노즐을 채택한 공동형 직류(DC) 아크 플라즈마 토치이다. 이 무산소동 재질의 토치 전방전극은 냉각을 통해 장시간 운전할 수 있고, 전도성이 좋아 아크 발생 및 유지에 유리한 측면이 있다. 그러나 OFC 재료가 고가인데다 토치가 커질수록 가공이 어렵고, 과냉각으로 열효율이 떨어진다. 또 내부가열로 폐기물 용융효율을 높이기 위해 토치를 역극으로 운전할 경우 유동에 의해 음극 아크점이 쉽게 전방전극 노즐 바깥 쪽으로 빠져 나가는 비정상 아크 발생 등 플라즈마의 안정성이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 대해 비록 단시간 사용이 가능하나 재료가 비교적 저가이면서 가공이 쉽고, 별다른 냉각 없이 사용이 가능한 흑연 재질의 소모성 노즐을 전극에 채택할 경우, 열효율 개선을 통한 에너지 절감효과와 함께, 음극 아크점 고정을 통한 운전 안전성 향상 및 교체 주기를 일정하게 예측할 수 있어서 시스템 운영의 경제성 향상도 가능하기 때문에 토치 운전 방식을 크게 개선할 수 있다. 본 논문에서는 별다른 냉각없이 소모성으로 사용할 수 있는 500kW급 흑연재질 전방전극을 제안하고 이의 개발을 위해, 먼저 수렴-확장형 노즐을 갖는 기존 무산소동 전극 내에서 플라즈마 열유체의 온도 및 속도에 대한 수치해석을 수행하여 기존 토치의 설계의도를 이해하였다. 다음 이 결과를 바탕으로 전극의 개선 방향을 결정하여 흑연재질 신규 전극노즐에 대한 최적 설계를 수행하였으며 기존 전극 대비 흑연재질 전극의 영효율, 열속 profile 및 경제성 등의 개선 효과를 평가하였다. 그 결과 흑연재질 전극은 직접적 열효율이 16.5% 이상 향상되며, 질소 기체 유량의 증가를 통한 토이 효율 개선효과와 결합될 경우 전반적인 토치효율이 70%까지 개선되는 것으로 평가된다. 또한, 제철용 교류(AC) 아크로에서 냉각없이 사용하는 흑연재질 노즐에 대한 침식률과 동 제품에 대한 시장가격을 바탕으로 계산한 경제성 평가에서도 기존 토치 대비 약 20%의 운전비용 절감이 가능한 것으로 나타났다.