플라즈마 제염 기술은 방사성 오염 핵종과 휘발성 화합물 생성 반응성이 매우 높은 플라즈마 입자를 발생시켜서 이 오염 물질과 반응시켜 제거하는 건식 제염 방법이다. 이 기술은 오염 핵종이 금속 표면에 산화막 상태로 모재와 강하게 고착된 오염에도 효과적으로 적용할 수 있는 건식 제염 공정 기술로 최근 대량의 2차 폐액 발생으로 점차 그 적용에 제약을 받기 시작한 ...
플라즈마 제염 기술은 방사성 오염 핵종과 휘발성 화합물 생성 반응성이 매우 높은 플라즈마 입자를 발생시켜서 이 오염 물질과 반응시켜 제거하는 건식 제염 방법이다. 이 기술은 오염 핵종이 금속 표면에 산화막 상태로 모재와 강하게 고착된 오염에도 효과적으로 적용할 수 있는 건식 제염 공정 기술로 최근 대량의 2차 폐액 발생으로 점차 그 적용에 제약을 받기 시작한 습식 공정을 대체할 수 있는 신기술이다. 특히 반응생성물의 기화 온도와 압력의 차이를 이용하면 모재로부터 오염 핵종만이 선택적으로 기화하여 제거되며 기체상으로 탈착된 오염 핵종은 쉽게 회수될 수 있어 값비싼 원자력 금속재료의 재사용 및 재활용이 가능한 기술이다. 최근의 연구 개발을 통해 효율이 낮다는 건식 제염의 한계를 극복하고 습식 제염 처리보다 훨씬 높은 제염 효율 달성에 성공하였다. 이러한 과정에 여러 연구자들은 다양한 플라즈마 출력을 이용하여 플라즈마 제염 공정을 연구하였다. 이들 연구의 검토 결과 부식생성물(corrosion product, CP), 핵분열생성물(fission product, FP), 초우라늄원소(trans-uranic elements, TRU) 등 다양한 오염 핵종 모두 쉽게 제거/제염될 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 그러나 대표적인 부식생성물 원소인 Co 핵종의 경우 금속코발트 혹은 코발트산화막에 대한 여러 연구가 시도되었으나 실용화나 상용화가 가능한 높은 반응률은 달성되지 못하였으며 명확한 반응 기구 또한 밝혀지지 않고 있었다. 이 연구에서는 플라즈마 제염 기술의 실용화를 위하여 코발트의 플라즈마 식각 반응률을 향상시키기 위한 실험적인 연구를 수행하였으며 그 반응 기구를 규명하였다. 본격적인 식각 반응 연구에는 CF4-O2, SF6-O2, NF3 등 세 가지 불소 함유 기체 플라즈마를 사용하였다. 실험에서 원반형 금속코발트 시편을 이용하여 시편 온도를 변수로 표면반응 시킨 결과 420℃에서 NF3 기체를 사용하였을 때 17.2 ㎛/min의 최대 식각률이 달성되었으며 CF4-O2 기체와 SF6-O2 기체의 식각률은 각각 2.56 ㎛/min과 1.14 ㎛/min이었다. 또한 370℃-420℃ 사이의 영역에서 도출된 이들 반응성 플라즈마 기체에 대한 금속코발트의 식각 반응의 활성화에너지는 CF4-O2, SF6-O2, NF3 기체에서 각각 116.0 kJ/mol, 42.1 kJ/mol, 39.4 kJ/mol로 나타났다. 또한 NF3-Ar 혼합기체를 이용하여 실제 오염 핵종의 상태를 모사할 수 있도록 스테인리스스틸과 인코넬 합금을 모재로 코발트산화막을 형성시킨 시편에 대한 식각 실험을 수행하였다. 실험 결과 모재가 스테인리스스틸인 경우 외부 바이어스 전압 없이 0.18 ㎛/min 그리고 -300 V의 DC 바이어스 전압을 인가하면 0.28 ㎛/min의 식각률이 도출되었으며 모재가 인코넬인 경우에는 각각 0.21 ㎛/min과 0.33 ㎛/min의 반응률을 얻었다. 바이어스 전압에 의해 식각률을 1.5배 증가시킬 수 있었다. 이러한 표면 식각 반응의 반응 기구 규명을 위하여 AES (Auger Electron Spectroscopy)와 SIMS (Secondary ion mass spectrometry)를 이용하여 반응생성물의 성분을 분석한 결과 수소, 산소, 불소, 코발트가 검출되었다. 그러나 수소와 산소는 코발트와 플라즈마 기체 반응에 의한 것이 아니며 분석 과정에서 공기 중의 물분자에서 물리적으로 흡착된 것임이 확인되어 주요 식각 반응 기구는 코발트와 불소 원자의 표면반응에 의한 불화반응임이 밝혀졌다. 또한 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 분석에서는 코발트와 CF4-O2, SF6-O2 및 NF3 플라즈마 기체와의 표면반응에서 모두 동일한 반응이 일어나며 코발트 표면에서 CoF2 혹은 CoF3의 화합물이 형성되고 이들 불화물이 쉽게 기화하였다는 사실이 확인되었다. 기화된 코발트 반응생성물을 수집하여 분석한 결과에서는 CoF2가 검출되었으나 공기 중에서 흡착된 물 분자가 분석결과에 영향을 미치고 있는 것으로 드러났다. 일반적으로 코발트는 반응성이 매우 낮은 금속이지만 이 연구를 통해 금속 표면에 산화막 형태로 고착된 코발트도 플라즈마 입자의 촉매 반응을 이용하여 최적 공정조건에서 성공적으로 높은 식각률을 달성할 수 있었다. 특히 이번에 이룩한 높은 반응률은 건식 플라즈마 공정기술이 금속폐기물 표면 제염과 특히 고착성 오염 제염에 효과적으로 적용될 수 있다는 것을 입증할 수 있었을 뿐만 아니라 원자력이 저탄소 녹색기술로 자리매김하기 위해 필수적인 방사성폐기물 처리 분야의 신기술 개발과 그 실용화 연구에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
플라즈마 제염 기술은 방사성 오염 핵종과 휘발성 화합물 생성 반응성이 매우 높은 플라즈마 입자를 발생시켜서 이 오염 물질과 반응시켜 제거하는 건식 제염 방법이다. 이 기술은 오염 핵종이 금속 표면에 산화막 상태로 모재와 강하게 고착된 오염에도 효과적으로 적용할 수 있는 건식 제염 공정 기술로 최근 대량의 2차 폐액 발생으로 점차 그 적용에 제약을 받기 시작한 습식 공정을 대체할 수 있는 신기술이다. 특히 반응생성물의 기화 온도와 압력의 차이를 이용하면 모재로부터 오염 핵종만이 선택적으로 기화하여 제거되며 기체상으로 탈착된 오염 핵종은 쉽게 회수될 수 있어 값비싼 원자력 금속재료의 재사용 및 재활용이 가능한 기술이다. 최근의 연구 개발을 통해 효율이 낮다는 건식 제염의 한계를 극복하고 습식 제염 처리보다 훨씬 높은 제염 효율 달성에 성공하였다. 이러한 과정에 여러 연구자들은 다양한 플라즈마 출력을 이용하여 플라즈마 제염 공정을 연구하였다. 이들 연구의 검토 결과 부식생성물(corrosion product, CP), 핵분열생성물(fission product, FP), 초우라늄원소(trans-uranic elements, TRU) 등 다양한 오염 핵종 모두 쉽게 제거/제염될 수 있다는 사실이 밝혀졌다. 그러나 대표적인 부식생성물 원소인 Co 핵종의 경우 금속코발트 혹은 코발트산화막에 대한 여러 연구가 시도되었으나 실용화나 상용화가 가능한 높은 반응률은 달성되지 못하였으며 명확한 반응 기구 또한 밝혀지지 않고 있었다. 이 연구에서는 플라즈마 제염 기술의 실용화를 위하여 코발트의 플라즈마 식각 반응률을 향상시키기 위한 실험적인 연구를 수행하였으며 그 반응 기구를 규명하였다. 본격적인 식각 반응 연구에는 CF4-O2, SF6-O2, NF3 등 세 가지 불소 함유 기체 플라즈마를 사용하였다. 실험에서 원반형 금속코발트 시편을 이용하여 시편 온도를 변수로 표면반응 시킨 결과 420℃에서 NF3 기체를 사용하였을 때 17.2 ㎛/min의 최대 식각률이 달성되었으며 CF4-O2 기체와 SF6-O2 기체의 식각률은 각각 2.56 ㎛/min과 1.14 ㎛/min이었다. 또한 370℃-420℃ 사이의 영역에서 도출된 이들 반응성 플라즈마 기체에 대한 금속코발트의 식각 반응의 활성화에너지는 CF4-O2, SF6-O2, NF3 기체에서 각각 116.0 kJ/mol, 42.1 kJ/mol, 39.4 kJ/mol로 나타났다. 또한 NF3-Ar 혼합기체를 이용하여 실제 오염 핵종의 상태를 모사할 수 있도록 스테인리스스틸과 인코넬 합금을 모재로 코발트산화막을 형성시킨 시편에 대한 식각 실험을 수행하였다. 실험 결과 모재가 스테인리스스틸인 경우 외부 바이어스 전압 없이 0.18 ㎛/min 그리고 -300 V의 DC 바이어스 전압을 인가하면 0.28 ㎛/min의 식각률이 도출되었으며 모재가 인코넬인 경우에는 각각 0.21 ㎛/min과 0.33 ㎛/min의 반응률을 얻었다. 바이어스 전압에 의해 식각률을 1.5배 증가시킬 수 있었다. 이러한 표면 식각 반응의 반응 기구 규명을 위하여 AES (Auger Electron Spectroscopy)와 SIMS (Secondary ion mass spectrometry)를 이용하여 반응생성물의 성분을 분석한 결과 수소, 산소, 불소, 코발트가 검출되었다. 그러나 수소와 산소는 코발트와 플라즈마 기체 반응에 의한 것이 아니며 분석 과정에서 공기 중의 물분자에서 물리적으로 흡착된 것임이 확인되어 주요 식각 반응 기구는 코발트와 불소 원자의 표면반응에 의한 불화반응임이 밝혀졌다. 또한 XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) 분석에서는 코발트와 CF4-O2, SF6-O2 및 NF3 플라즈마 기체와의 표면반응에서 모두 동일한 반응이 일어나며 코발트 표면에서 CoF2 혹은 CoF3의 화합물이 형성되고 이들 불화물이 쉽게 기화하였다는 사실이 확인되었다. 기화된 코발트 반응생성물을 수집하여 분석한 결과에서는 CoF2가 검출되었으나 공기 중에서 흡착된 물 분자가 분석결과에 영향을 미치고 있는 것으로 드러났다. 일반적으로 코발트는 반응성이 매우 낮은 금속이지만 이 연구를 통해 금속 표면에 산화막 형태로 고착된 코발트도 플라즈마 입자의 촉매 반응을 이용하여 최적 공정조건에서 성공적으로 높은 식각률을 달성할 수 있었다. 특히 이번에 이룩한 높은 반응률은 건식 플라즈마 공정기술이 금속폐기물 표면 제염과 특히 고착성 오염 제염에 효과적으로 적용될 수 있다는 것을 입증할 수 있었을 뿐만 아니라 원자력이 저탄소 녹색기술로 자리매김하기 위해 필수적인 방사성폐기물 처리 분야의 신기술 개발과 그 실용화 연구에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.
In this study, plasma processing of metal surface is experimentally investigated to enhance the surface decontamination efficiency. Cobalt, the major contaminant in the nuclear facilities, and three fluorine-containing gases, CF4-O2, SF6-O2, and NF3 are chosen for the investigation. Thin metallic co...
In this study, plasma processing of metal surface is experimentally investigated to enhance the surface decontamination efficiency. Cobalt, the major contaminant in the nuclear facilities, and three fluorine-containing gases, CF4-O2, SF6-O2, and NF3 are chosen for the investigation. Thin metallic cobalt disk specimens are prepared and their surface etching reactions with the three plasma gases are examined. Results show that the maximum etching rate of 17.2 ㎛/min is obtained with NF3 gas at 420℃, while with CF4-O2 and SF6-O2 gas plasmas those of 2.56 ㎛/min and 1.14 ㎛/min are obtained, respectively. Cobalt oxide grown on stainless steel and inconel alloy surface is also investigated experimentally to demonstrate the application feasibility of plasma decontamination technique. In this experiment NF3-Ar gas is chosen to be an etchant gas. Thin cobalt oxides are grown on the surfaces of the disk specimens to simulate radio active contaminated surface. Results show that the etching reaction takes place, regardless of the base materials, and the maximum etching rate is 0.33 ㎛/min at 300℃ using -300 V bias voltage. Along with etching experiments, to investigate the reaction mechanism, constituent elements of the reaction products are analyzed using AES (auger electron spectroscopy) and SIMS (Secondary ion mass spectrometry) and identified to be hydrogen, oxygen, fluorine, and cobalt. XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) confirms that the product is very likely to be CoF2 and CoF3. It turns out that the hydrogen and oxygen atoms physically adsorb onto the surface from the ambient during the analysis after reaction in the form of CoF2․nH2O. Moreover, radioactive metal surface mainly contaminated by 60Co and 137Cs is decontaminated by plasma processing. In this experiment successful decontamination performance is achieved. After plasma processing the activity of specimens are lowered to be around 0.1 Bq/g. Therefore, it is conclusively expected that plasma decontamination technique can be a one of the useful dry decontamination method for high-bondig energy contaminant of metals and metal oxides and provides a breakthrough in the development of new comprehensive dry processing technology.
In this study, plasma processing of metal surface is experimentally investigated to enhance the surface decontamination efficiency. Cobalt, the major contaminant in the nuclear facilities, and three fluorine-containing gases, CF4-O2, SF6-O2, and NF3 are chosen for the investigation. Thin metallic cobalt disk specimens are prepared and their surface etching reactions with the three plasma gases are examined. Results show that the maximum etching rate of 17.2 ㎛/min is obtained with NF3 gas at 420℃, while with CF4-O2 and SF6-O2 gas plasmas those of 2.56 ㎛/min and 1.14 ㎛/min are obtained, respectively. Cobalt oxide grown on stainless steel and inconel alloy surface is also investigated experimentally to demonstrate the application feasibility of plasma decontamination technique. In this experiment NF3-Ar gas is chosen to be an etchant gas. Thin cobalt oxides are grown on the surfaces of the disk specimens to simulate radio active contaminated surface. Results show that the etching reaction takes place, regardless of the base materials, and the maximum etching rate is 0.33 ㎛/min at 300℃ using -300 V bias voltage. Along with etching experiments, to investigate the reaction mechanism, constituent elements of the reaction products are analyzed using AES (auger electron spectroscopy) and SIMS (Secondary ion mass spectrometry) and identified to be hydrogen, oxygen, fluorine, and cobalt. XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) confirms that the product is very likely to be CoF2 and CoF3. It turns out that the hydrogen and oxygen atoms physically adsorb onto the surface from the ambient during the analysis after reaction in the form of CoF2․nH2O. Moreover, radioactive metal surface mainly contaminated by 60Co and 137Cs is decontaminated by plasma processing. In this experiment successful decontamination performance is achieved. After plasma processing the activity of specimens are lowered to be around 0.1 Bq/g. Therefore, it is conclusively expected that plasma decontamination technique can be a one of the useful dry decontamination method for high-bondig energy contaminant of metals and metal oxides and provides a breakthrough in the development of new comprehensive dry processing technology.
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