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문제 정의
- 국내에서는 핫셀 내 고 방사성 물질로 오염된 핵물질 취급 장비에 대한 유지보수를 위하여 드라이 아이스 입자들의 충격을 이용한 드라이아이스 펠렛 분사 장치가 개발되었다© 개발된 드라이아이 스펠렛 분사 장치를 핫셀에 직접 적용하기 전에, 장치의 최적제염조건을 확립시키기 위해서는 공정변수가 제염 효율에 미치는 영향을 이해할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 4가지 종류의 대표 표면에 대하여 비고착성 및 고착성모의 시편을 제조하여 기본 실험을 수행하였다. 시편의 제거 효 율은 XRF 및 분사 전.
- 표면에 고착된 오염물을 제거하는 새로운 방안으로서 개발된 드라이아이스오염 제거장치의 최적 제염조건을 확립시키기 위한 실험을 수행하였다. 4가지 종류의 재질에 대하여 모의 시편으로 기본 실험을 수행한 결과 비고착성 오염의 경우, 분 사압력 3 kg/cm2, 분사거리 10 cm, 분사시간 10초 정도로 유지할 경우 제거 효율을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 비고착성 오염 형성 조건은 10, 000 ppm의 CsNOs 용액을 0J ml mass 피펫을 사용하여 소량씩 가하여 총 투입량 1ml 가한 후 상온에서 48시간 단순 건조시켰다. 고착성 오염 형성 조건은 시편 2 및 4에 대하여 10, 000 ppm의 CsNCh 용액을 0.1 ml mass 피펫을 사용하여 소량씩 가하여 총 투입량 1ml가 한 후 24시간 상온에서 건조시킨 후 400°C 온도의 전기로 (Lenton, UAF 17/12) 내에서 12시간 가열하였다. 비고착성 및 고착성 오염시편의제염 전 .
- 드라이아이스 오염 제거장치의 최적 분사 조건을 확립시키기 위해서 모의 시편을 제조하여 제염실 험을 수행하였다. 비고착성 오염시편 실험의 경우, 상기 4가지 시편 종류별로 분사압력(1〜4kg/cm2), 분사시간(5초〜90초) 및 분사거리(lcm~30cm)로 공정변수를 변화시켜 가면서 드라이아이스 오염 제거장치의 드라이 아이스 분사 제염특성을 조사하였다.
- 드라이아이스 입자들의 충격을 이용한 드라이아이스 오염 제거장치의 최적 분사 조건을 확립시키기 위해서 4가지 종류의 재질에 대하여 모의 시편으로 기본 실험을 수행한 결과.비고착성 오염의 경우, 분사 압력 3 kg/cm2, 분사거리 10 cm, 분사시 간 10초 정도로 유지할 경우 100%의 제거 효율을 얻을 수 있었다.
- 드라이아이스 오염 제거장치의 최적 분사 조건을 확립시키기 위해서 모의 시편을 제조하여 제염실 험을 수행하였다. 비고착성 오염시편 실험의 경우, 상기 4가지 시편 종류별로 분사압력(1〜4kg/cm2), 분사시간(5초〜90초) 및 분사거리(lcm~30cm)로 공정변수를 변화시켜 가면서 드라이아이스 오염 제거장치의 드라이 아이스 분사 제염특성을 조사하였다. 각 공정변수 실험시 드라이 아이스 주입량은 Ikg/min으로 일정하게 유입되도록 조절하였고 분사각도는 직각으로 고정하여 실험하였다.
- 2와 같이 시험기는 오염시 편을 고정하는 부분, 분사 헤드를 수직으로 고정하는 부 부 분사헤드를 시편에 대하여 좌/우, 전/후, 상/하로 이동하는 부분, 비산방지 프레임으로 제작되었다. 비산방지 프레임은 투명 아크릴로 되어 있어 운전자가 오염 환경에 노출되지 않고 제염상황을 관찰할 수 있도록 설계되었다.
- Purge system은 드라이아이스 공급 라인이 작동 중 막혔을 경우, 운전자가 쉽게 세척할 수 있도록 설계되었다. 시 편 시험장치는 드 라이아이스 펠렛 분사 후, 제염된 오염물질의 재비산을 방지하고 높은 압력 하에서도시편을 고정화시키고 또한 시편 표면을 균일하게 제염하기 위하여 제작되었다, Fig. 2와 같이 시험기는 오염시 편을 고정하는 부분, 분사 헤드를 수직으로 고정하는 부 부 분사헤드를 시편에 대하여 좌/우, 전/후, 상/하로 이동하는 부분, 비산방지 프레임으로 제작되었다. 비산방지 프레임은 투명 아크릴로 되어 있어 운전자가 오염 환경에 노출되지 않고 제염상황을 관찰할 수 있도록 설계되었다.
- 비고착성 및 고착성 오염시편의제염 전 .후 오염량에 대한 분석의 신뢰성을 얻고자 각각 3개씩 분석하였다.
- 시편의 제거 효 율은 XRF 및 분사 전.후의 표면 조건 변화로 평 가하였다.
대상 데이터
- 환원 공정 (OREOX) 및 소결 공정에서 발생되는 준휘발성 핵분열 가스인 세슘은 방사선적 위해도가 크며 침출성이 큰 핵종 중의 하나이다. 고방사성 핫셀 내 대표적인 오염핵종인 세슘을 모사하기 위해 시편 위에 CsNOs (Aldrich Co, 99%) 시약을 사용하여 수세척에 의하여 오염 표면을 완전히 제거시킬 수 있는 비고착성 오염과 수세척에 의해 용이하게 제거되지 않는 고착성 오염 시편을 준비하였다. 비고착성 오염 형성 조건은 10, 000 ppm의 CsNOs 용액을 0J ml mass 피펫을 사용하여 소량씩 가하여 총 투입량 1ml 가한 후 상온에서 48시간 단순 건조시켰다.
- 고방사성 핫셀의 제염 대상 재질을 모사하기 위해 대표적으로 4가지 구성 재질로 시편을 가공하여 사용하였다. 시편 종류들에는 SUS304를 단순 연마한 시편(specimen 1), SUS304를 polishing한 시편(specimen 2), steel에 열처리 도장한 시편 (specimen 3), SUS304를 기계 가공한 시편 (specimen 4)이었다.
- 사용된 드라이아이스펠렛은 직경 3 mm 정도였고 기밀된 드라이아이스박스에 보관하여 사용하였다. 드라이아이스는 국내 V사에서 공급받아 실험에 이용하였다. Purge system은 드라이아이스 공급 라인이 작동 중 막혔을 경우, 운전자가 쉽게 세척할 수 있도록 설계되었다.
- 고방사성 핫셀의 제염 대상 재질을 모사하기 위해 대표적으로 4가지 구성 재질로 시편을 가공하여 사용하였다. 시편 종류들에는 SUS304를 단순 연마한 시편(specimen 1), SUS304를 polishing한 시편(specimen 2), steel에 열처리 도장한 시편 (specimen 3), SUS304를 기계 가공한 시편 (specimen 4)이었다. SUS304 단순 연마한 시편 (specimen 1)은 금강석으로 연마 후 pickling 처리 한 것으로서 핫셀내 duct, 바닥, connector 둥을 대 표할 수 있다.
- 기계가공한 시편(specimen 4)은 선반 가공한 것으로서 기계부품 및 경첩 부분에 해당된다. 실험에 사용된 시편은 표면 오염 측정 방법인 XRF 측정이 가능하도록 금속 시편을 직경 43 mm, 두께 6 mm로 가공하여 실험에 사용하였다.
이론/모형
- 드라이아이스 분사제염전, 후모의 오염시 편의 농도 분석은 표면 분석 기술인 X-ray Fluorescence (XRF) 분석법을 이용하였다. XRF 장치(Siemens, SRS-303)는 Rh target을 사용하고 출력 3kw의 파장 분산형이 다.
성능/효과
- 표면에 고착된 오염물을 제거하는 새로운 방안으로서 개발된 드라이아이스오염 제거장치의 최적 제염조건을 확립시키기 위한 실험을 수행하였다. 4가지 종류의 재질에 대하여 모의 시편으로 기본 실험을 수행한 결과 비고착성 오염의 경우, 분 사압력 3 kg/cm2, 분사거리 10 cm, 분사시간 10초 정도로 유지할 경우 제거 효율을 얻을 수 있었다. 반면에 고착성 오염의 경우는 분사 압력 4 kg/cm2, 분사거리 20 cm, 분사시간 30초 정도로 유지할 경우 92〜96%의 제거 효율을 얻을 수 있었다.
- 86 wt% 이었다.고착성 오염시편의 세 슘 오염량은 비고착성 오염량의 약 65% 수준으로 나타났다. 표면의 거칠기가 상대적으로 큰 SUS304 를 기계가공한 시편<specimen 4)이 SUS304를 polishing한 시편 (specimen 2) 보다 오염도가 큰 것으로 나타났다.
- 54 wt% 이었다.고착성 오염시편의 세슘 오염량은 비고착성 오염량의 약 53% 수준으로 나타났다, 이는 세슘의 일부분이 400°C의 고온에서 시편 표면 내부로 침투된 것으로 사료된다.
- 이러한 경향은 분사 시간이 증가함에 따라 드라이아이스 펠렛이 오염 표면에 접촉 후 곧바로 승화되지 못하고 표면에 응결된 상태로 남아 있어서 제거 효율이 증가되지 않는 것으로 사료된다. 따라서 고착성 오염시편의제염시 약 30초 정도의 분사 시간이 적당한 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용한 시편의 종류, 고착상태에 따라 고착성 시 편의 오염 정도에 차이가 있음을 알 수 있었다. SUS304를 polishing 한 시편 (specimen 2)에 대하여 세슘을 비고착 시킨 경우, 세슘이 각각 2.
- 7에 제시된 것처럼 분사 시간 5초부터 30초 범위에서는 시간이 증가함에 따라 세슘의 제거 효율이 증가하였고 분사시간 30초 이상에서는 더 이상의 제거효 율 증가는 없었다. 분사 시간 30초에서 시편 2의 세슘 제거효율은 약 93%, 시편 4의 세슘 제거 효율은 약 88%로 나타났다. 이러한 경향은 분사 시간이 증가함에 따라 드라이아이스 펠렛이 오염 표면에 접촉 후 곧바로 승화되지 못하고 표면에 응결된 상태로 남아 있어서 제거 효율이 증가되지 않는 것으로 사료된다.
- 3에 제시된 것처럼 시편의 종류에 상관없이 분사거리 10cm, 분사 시간 10초 및 분사 압력 3kg/cm2 이상에서 모두 제거 효 율이 100 %으로 나타났다. 분사 압력 증가에 따라 드라이아이스펠렛 충격 에너지의 증가로 인하여 제거 효율이 증가된 것으로 비고착성 오염물질 제염시 3kg/cm2 정도의 비교적 낮은 분사 압력 조건에서도 우수한 제거 효율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 이는 비고착성으로 오염물질의 경우, 원격조작으로 고방사성 핫셀 내에서도 낮은 분사 압력 조건으로 우수한 제거 효율 값을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 고착성 오염시편의 세 슘 오염량은 비고착성 오염량의 약 65% 수준으로 나타났다. 표면의 거칠기가 상대적으로 큰 SUS304 를 기계가공한 시편<specimen 4)이 SUS304를 polishing한 시편 (specimen 2) 보다 오염도가 큰 것으로 나타났다.
후속연구
- 현재 방사성 물질로 오염된 장비는 주로 고압물 제트 세척 방법인 습식으로 오염관리를 하고 있으나 이 방법은 핵임계 문제, 2차 폐기물 발생 때문에 고방사성 환경인 핵연료 물질을 취급하는 핫셀 내에서는 적용이 불가능하다. 따라서 운전자가 오염 환경에 노출되지 않고, 2차 폐기물이 없으며 핫셀 내에서 원격 조작이 가능한 제염법 개발이 요구 된다.
- 반면에 고착성 오염의 경우는 분사 압력 4 kg/cm2, 분사거리 20 cm, 분사시간 30초 정도로 유지할 경우 92〜96%의 제거 효율을 얻을 수 있었다. 본 기술을 물 세척이 불가능한 고방사성 환경인 핵연료 물질을 취급하는 핫셀 내에서 사용한다면 매우 좋은 효과를 얻으리라고 전망된다.
- 향후, 여러 오염 핵종을 다양한 방법으로 오염시켜 제조한 모의오염 시편과 실제 고방사능 핫셀 내 에서 원격으로 고방사성물질로 오염된 핵물질 취급장치에 대하여 드라이아이스 오염 제거장치의 제염 기술에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 본다.
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