UO$_{2}$ 펠릿 산화로의 분말 비산 방지를 위한 최종속도 측정 Measurement of Terminal Velocity for Scatter Prevention of Powder in the Voloxidizer for Oxidation of UO$_{2}$ Pellet원문보기
실증용 UO$_{2}$pellet 산화로의 실증을 위한 제한된 핫셀 공간 안에서 사용후 핵 연료를 취급하는 산화로는 소형화 하여야 하고, 사용후 핵 연료 분말은 UO$_{2}$ pellet 산화로 장치로부터 비산되지 않아야 한다. 본 연구에서는 분말의 최종속도를 구하기 위하여 Stokes식과 밀도비식을 제안하였다. U$_{3}$O$_{8}$ 의 최종속도 SiO$_{2}$ 의 최종속도를 사용하여 예측하였고, 비산방지를 할 수 있는 최적유량을 결정하였다. SiO$_{2}$ 의 이론 최종속도 식을 검증하고, U$_{3}$O$_{8}$ 과 관계식을 예측하기 위하여 아크릴 장치를 만들었다. 목업시설 에 설치 된 산화로에서 제안된 이론최종속도식 인 Stokes식 의 20 L/min과 밀도비식의 14.5 L/min을 적용하여 U$_{3}$O$_{8}$ 분말의 필터감지에 의해 검증하였다. 그 결과 밀도비식에 의한 14.5 L/min은 U$_{3}$O$_{8}$ 이전혀 검출되지 않았고, Stokes식의 20 L/min에서는 평균 7$\mu$m 의 입도분말이 검출되었다. 따라서 UO$_{2}$ pellet 산화로에서 U$_{3}$O$_{8}$이 비산되지 않는 최적유량은 14.5L/min임을 알 수 있었고, 제안된 밀도비식이 바람직함을 알 수 있었다.
실증용 UO$_{2}$ pellet 산화로의 실증을 위한 제한된 핫셀 공간 안에서 사용후 핵 연료를 취급하는 산화로는 소형화 하여야 하고, 사용후 핵 연료 분말은 UO$_{2}$ pellet 산화로 장치로부터 비산되지 않아야 한다. 본 연구에서는 분말의 최종속도를 구하기 위하여 Stokes식과 밀도비식을 제안하였다. U$_{3}$O$_{8}$ 의 최종속도 SiO$_{2}$ 의 최종속도를 사용하여 예측하였고, 비산방지를 할 수 있는 최적유량을 결정하였다. SiO$_{2}$ 의 이론 최종속도 식을 검증하고, U$_{3}$O$_{8}$ 과 관계식을 예측하기 위하여 아크릴 장치를 만들었다. 목업시설 에 설치 된 산화로에서 제안된 이론최종속도식 인 Stokes식 의 20 L/min과 밀도비식의 14.5 L/min을 적용하여 U$_{3}$O$_{8}$ 분말의 필터감지에 의해 검증하였다. 그 결과 밀도비식에 의한 14.5 L/min은 U$_{3}$O$_{8}$ 이전혀 검출되지 않았고, Stokes식의 20 L/min에서는 평균 7$\mu$m 의 입도분말이 검출되었다. 따라서 UO$_{2}$ pellet 산화로에서 U$_{3}$O$_{8}$이 비산되지 않는 최적유량은 14.5L/min임을 알 수 있었고, 제안된 밀도비식이 바람직함을 알 수 있었다.
A voloxidizer for a hot cell demonstration, that handles spent fuels of a high radiation level in a limited space should be small and spent fuel powders should not be dispersed out of the equipment involved. In this study a density rate equation as well as the Stokes'equation has been proposed in or...
A voloxidizer for a hot cell demonstration, that handles spent fuels of a high radiation level in a limited space should be small and spent fuel powders should not be dispersed out of the equipment involved. In this study a density rate equation as well as the Stokes'equation has been proposed in order to obtain the theoretical terminal velocity of powders. The terminal velocity of U$_{3}$O$_{8}$ has been predicted by using the terminal velocity of SiO$_{2}$, and then determination has been the optimum air flow rate which is able to prevent powders from scattering. An equation which has shown a relationship between theoretical terminal velocities of U$_{3}$O$_{8}$ and SiO$_{2}$ has been derived with the help of the Stokes'equation, and then an experimental verification made for the theoretical Stokes' equation of SiO$_{2}$ by means of an experimental device made of acryl. The theoretical terminal velocity based on the proposed density rate equation has been verified by detecting U$_{3}$O$_{8}$ powders in a filter installed in the mock-up voloxidizer. As the results, the optimum air flow rates seem to be 20 LPM by the Stokes'equation while they are 14.5 L/min by the density rate equation. At the experiments with the mock-up voloxidizer, a trace amount of U$_{3}$O$_{8}$ seems to be detectable at the air flow rate of 14.5 L/min by the density rate equation, but U$_{3}$O$_{8}$ powders of 7$\mu$m diameter seem detectable at the air flow rate of 20 L/min by the Stokes'equation. It is revealed that 14.5 L/min is the optimum air flowe rate which is capable of preventing U$_{3}$O$_{8}$ powders from scattering in the UO$_{2}$ voloxidizer and the proposed density rate equation is proper to calculate the terminal velocity of U$_{3}$O$_{8}$ powders.
A voloxidizer for a hot cell demonstration, that handles spent fuels of a high radiation level in a limited space should be small and spent fuel powders should not be dispersed out of the equipment involved. In this study a density rate equation as well as the Stokes'equation has been proposed in order to obtain the theoretical terminal velocity of powders. The terminal velocity of U$_{3}$O$_{8}$ has been predicted by using the terminal velocity of SiO$_{2}$, and then determination has been the optimum air flow rate which is able to prevent powders from scattering. An equation which has shown a relationship between theoretical terminal velocities of U$_{3}$O$_{8}$ and SiO$_{2}$ has been derived with the help of the Stokes'equation, and then an experimental verification made for the theoretical Stokes' equation of SiO$_{2}$ by means of an experimental device made of acryl. The theoretical terminal velocity based on the proposed density rate equation has been verified by detecting U$_{3}$O$_{8}$ powders in a filter installed in the mock-up voloxidizer. As the results, the optimum air flow rates seem to be 20 LPM by the Stokes'equation while they are 14.5 L/min by the density rate equation. At the experiments with the mock-up voloxidizer, a trace amount of U$_{3}$O$_{8}$ seems to be detectable at the air flow rate of 14.5 L/min by the density rate equation, but U$_{3}$O$_{8}$ powders of 7$\mu$m diameter seem detectable at the air flow rate of 20 L/min by the Stokes'equation. It is revealed that 14.5 L/min is the optimum air flowe rate which is capable of preventing U$_{3}$O$_{8}$ powders from scattering in the UO$_{2}$ voloxidizer and the proposed density rate equation is proper to calculate the terminal velocity of U$_{3}$O$_{8}$ powders.
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문제 정의
차세대 관리 공정들 중에서 방사성 독성이 강한 특정 원소를 추출하는 금속 전환로의 반응 효율을 높이기 위해서 산화로에서 UO2 pellet을 산화하여 균질한 U3O8 분말을 공급하여야 한다. UO2 pellet 산화로의 최종 속도 측정 실험의 목적은 범용의 실증용 U0 pellet 산화로의 기본설계 자료 산출을 위한 것이다. 국외 연구 동향을 보면 미국의 ANL에서는 AIROX 기술에 바탕을 둔 AFCI (Advanced AOueous Separations) 연구의 일환으로 DOEX(Decladding via the Oxidation of Spent Oxide Fuel)와 핵분열성 물질에 대한 휘발 특성 관련 분말의 필터 포집에 관한 연구를 수행하였다.
설계 자료 산출을 위해서 핫셀 공간은 제한되어 있고, 방사성 독성이 높은 사용후핵연료를 취급해야 한다는 조건을 고려하여 소형화된 장치를 개발하여야 하며, 분말이 비산되지 않으면서 최대 회수율을 갖는 장치가 되어야 한다. 따라서, 최종 속도 실험에서는 장치 출구에서 분말이 밖으로 비산되지 않는 적정의 유량을 결정하고자 한다. 이를 위해서 UO2 pellet과 SiO2의 이론식을 Stokes 법칙으로 구하여 관계식을 비교하였다.
가설 설정
(실리카 분말)의 최종 속도를 측정하기 위하여 Stokes식(식2)과 계산 프로그램(그림 2)을 사용하였다. 500℃ 의 U3O8 조건에서와는 달리 SiO에 대한 공기 특성을 상온으로 가정하였으며, 그 분말 입도의 크기는 1-120 ㎛를 사용하였다.
최종 속도를 계산하기 위한 조건은 다음과 같다. SiO2 밀도는 2.2 ~ 2.6 g/cm3(2.2로 계산)이 고입자형상을 구형으로 가정하였다. 상온공기 특성에서 공기밀도 1.
분말 비산방지를 위한 공기 속도 계산 조건은 다음과 같다. 대상 분말의 입도는 1 ㎛, U3O8 밀도는 8.39 g/cm3, 입자형상은 구형을 가정하였으며, 상온공기 특성에서의 공기밀도를 1.220 kg/m3, 점성계수 1.8 X 10-5 kg/m ∙ s 로 하였고, 500 ℃ 에서 공기 특성 밀도를 0.457 kg/m3, 점성계수 3.55 X 10-5 kg/m ∙ s 이고, 1기압으로 가정하였다.
제안 방법
그리고 아크릴 실험장치를 이용하여 SiO2의 최종 속도 측정 실험을 하여 이론 최종 속도와 비교 검증하였다. U3O8 분말이 비산되지 않는 최적 공급 유량을 예측하기 위하여 SiO2와 UO2 pellet의 밀도비 관계식과 Stokes 법칙의 기울기관계 식[1]을 사용하였으며, U3O8이 비산되지 않는 이론 최적 유량의 결과를 검증하고자 실물장치를 U3O8 분말과 실제 산화로를 사용하는 Mock-up 시설에서 기존 산화로를 사용하여 확인하였다. 두 분말의 Stokes와 밀도비 식에서 나온 최종 이론 유량 값에 따라 분말 검출 유무를 확인하기 위하여 유량에 변수를 주어 1 ㎛의 배출 필터를 통해 분진 배출 유무 확인과 분석 실험을 수행하였다.
5 L/min, Stokes식의 결과는 20 L/min 이었다. U3O8의 공급 유량이 20 L/min, 14.5 L/min일 때 최적 유량을 결정하기 위해 공기유량에 따라 U3O8과 기존의 실제 산화장치를 가지고 Mock-up 시설에서 검증 실험을 하였다. 그 결과 Stokes식의 20 L/min에서 평균 입도 7 ㎛ 정도의 분말의 배출을 확인하였고, 밀도 비식 결과인 14.
6 ㎛이다. 공급 유량별 실험 결과에서 각 L/min 경우의 평균 입자 크기를 측정 분석하여 정리하였다.
본 실험을 통하여 실증용 UO2 pellet 산화로의 내경을 350 mm 로 결정하였다. 그리고 실증용 UO2 pellet 산화로를 설계하기 위한 최종 속도의 결정방법을 제안하였으며, 설계기본요건과 최적 공급 유량을 도출하였다.
그 이유는 분말 두께의 불균일한 분포에 따라 얇은 쪽에서 유속이 증가하기 때문이다. 두 물질의 Stokes 법칙과 밀도비 관계식에서 SiO2의 최종 속도 이론식에 대한 검증 실험결과와 U3O8의 예측 가능한 일반식을 이용하여 U3O8 분말이 비산하지 않는 UO2 pellet 산화로의 이론 최종속도 측정값을 산출하였다. 그 결과, 3 ㎛ 이하의 U3O8이 배출되지 않는 유량으로 밀도비 식에서는 14.
U3O8 분말이 비산되지 않는 최적 공급 유량을 예측하기 위하여 SiO2와 UO2 pellet의 밀도비 관계식과 Stokes 법칙의 기울기관계 식[1]을 사용하였으며, U3O8이 비산되지 않는 이론 최적 유량의 결과를 검증하고자 실물장치를 U3O8 분말과 실제 산화로를 사용하는 Mock-up 시설에서 기존 산화로를 사용하여 확인하였다. 두 분말의 Stokes와 밀도비 식에서 나온 최종 이론 유량 값에 따라 분말 검출 유무를 확인하기 위하여 유량에 변수를 주어 1 ㎛의 배출 필터를 통해 분진 배출 유무 확인과 분석 실험을 수행하였다. 이상의 검증 실험을 통하여 U3O8 분진이 발생하지 않는 최적공급유량을 확인하였으며, U3O8 분말이 비산되지 않는 산화로의 최종 속도 측정 방법을 범용의 실증용 UO2 pellet 산화로를 설계 하는데 적용하였다.
여기서 500 ℃를 기준으로 할 때 3 ㎛ 이하의 분말은 존재하지 않는다. 따라서 3 ㎛이 배출되지 않는 입자 크기를 기준으로 정하여 최종 속도 측정 실험을 하였으며, 그림 4, 5와 같이 U3O8과 SiO2의 입도 분포도로 2-120 ㎛의 범위를 선정하여 실험하였다.
5 kg을 사용하였다. 식(8) 및 식 (9)로부터 원통의 수직장치에서 유동화에 의하여 최초 분말이 흘러 넘치는 지점의 값인 TDH(Transport Disengaging Height) 값 (3)을 구하고 기존 장치의 크기와 동일한 아크릴 모델을 제작하여 (기존 UO2 pellet 산화로와 동형)상온에서 유량 변화(5, 10, 15, 20 L/min)를 주어 실험을 하였으며, 16시간마다 시료를 채취하여 분석하였다 (그림 6). 그림7은 최종 속도에서 체류 중인 분말 입자의 사진이며, 그림 8은 SiO2 의 최종 속도 이론식을 검증하기 위한 장치이다.
pellet 산화로 개발이 필요하다. 실증용 UO2 pellet 산화로의 설계와 최적 공급 유량을 결정하기 위하여 U3O8및 SiO2의 Stokes식과 밀도비 이론 관계식을 제시하였다.
그림7은 최종 속도에서 체류 중인 분말 입자의 사진이며, 그림 8은 SiO2 의 최종 속도 이론식을 검증하기 위한 장치이다. 실험당 공기의 공급시간을 16시간으로 하여 90 cm3/min, 600 cm3/min, 3 L/min, 9 L/min, 40 L/min별로 시료를 채취하였다.
두 분말의 Stokes와 밀도비 식에서 나온 최종 이론 유량 값에 따라 분말 검출 유무를 확인하기 위하여 유량에 변수를 주어 1 ㎛의 배출 필터를 통해 분진 배출 유무 확인과 분석 실험을 수행하였다. 이상의 검증 실험을 통하여 U3O8 분진이 발생하지 않는 최적공급유량을 확인하였으며, U3O8 분말이 비산되지 않는 산화로의 최종 속도 측정 방법을 범용의 실증용 UO2 pellet 산화로를 설계 하는데 적용하였다.
대상 데이터
따라서 U3O8이 비 산하지 않는 최적 유량으로는 밀도 비식의 14 L/min 이하가 바람직함을 알 수 있다. 본 실험을 통하여 실증용 UO2 pellet 산화로의 내경을 350 mm 로 결정하였다. 그리고 실증용 UO2 pellet 산화로를 설계하기 위한 최종 속도의 결정방법을 제안하였으며, 설계기본요건과 최적 공급 유량을 도출하였다.
실험 시료로 SiO2 5 kg을 사용하였다. 식(8) 및 식 (9)로부터 원통의 수직장치에서 유동화에 의하여 최초 분말이 흘러 넘치는 지점의 값인 TDH(Transport Disengaging Height) 값 (3)을 구하고 기존 장치의 크기와 동일한 아크릴 모델을 제작하여 (기존 UO2 pellet 산화로와 동형)상온에서 유량 변화(5, 10, 15, 20 L/min)를 주어 실험을 하였으며, 16시간마다 시료를 채취하여 분석하였다 (그림 6).
데이터처리
U3O8과 SiO2(실리카 분말)의 최종 속도를 측정하기 위하여 Stokes식(식2)과 계산 프로그램(그림 2)을 사용하였다. 500℃ 의 U3O8 조건에서와는 달리 SiO에 대한 공기 특성을 상온으로 가정하였으며, 그 분말 입도의 크기는 1-120 ㎛를 사용하였다.
이를 위해서 UO2 pellet과 SiO2의 이론식을 Stokes 법칙으로 구하여 관계식을 비교하였다. 그리고 아크릴 실험장치를 이용하여 SiO2의 최종 속도 측정 실험을 하여 이론 최종 속도와 비교 검증하였다. U3O8 분말이 비산되지 않는 최적 공급 유량을 예측하기 위하여 SiO2와 UO2 pellet의 밀도비 관계식과 Stokes 법칙의 기울기관계 식[1]을 사용하였으며, U3O8이 비산되지 않는 이론 최적 유량의 결과를 검증하고자 실물장치를 U3O8 분말과 실제 산화로를 사용하는 Mock-up 시설에서 기존 산화로를 사용하여 확인하였다.
)를 산출하였다. 다음으로 V1과 V2를 비교하여 오차범위를 줄이고 그 값이 같아질 때까지 계산 프로그램을 사용하였다.
이론/모형
따라서, 최종 속도 실험에서는 장치 출구에서 분말이 밖으로 비산되지 않는 적정의 유량을 결정하고자 한다. 이를 위해서 UO2 pellet과 SiO2의 이론식을 Stokes 법칙으로 구하여 관계식을 비교하였다. 그리고 아크릴 실험장치를 이용하여 SiO2의 최종 속도 측정 실험을 하여 이론 최종 속도와 비교 검증하였다.
성능/효과
의 이론 최종 속도 기울기 값과 같은 1차 함수로서 상수값의 차이로만 예측할 수 있음을 알 수 있었다. SiO2의 최종 속도 이론식을 검증한 결과 SiO2의 이론값과 실험 값이 비슷한 경향을 보이고 있으며, 이론값이 1.5 ㎛ 정도의 오차를 보이면서 실험 값보다 낮다. 그 이유는 분말 두께의 불균일한 분포에 따라 얇은 쪽에서 유속이 증가하기 때문이다.
5 L/min일 때 최적 유량을 결정하기 위해 공기유량에 따라 U3O8과 기존의 실제 산화장치를 가지고 Mock-up 시설에서 검증 실험을 하였다. 그 결과 Stokes식의 20 L/min에서 평균 입도 7 ㎛ 정도의 분말의 배출을 확인하였고, 밀도 비식 결과인 14.5 L/min에서는 극미량을 검출하였으며, 10 L/min 이하에서는 전혀 배출하지 않았다. 따라서 U3O8이 비 산하지 않는 최적 유량으로는 밀도 비식의 14 L/min 이하가 바람직함을 알 수 있다.
두 물질의 Stokes 법칙과 밀도비 관계식에서 SiO2의 최종 속도 이론식에 대한 검증 실험결과와 U3O8의 예측 가능한 일반식을 이용하여 U3O8 분말이 비산하지 않는 UO2 pellet 산화로의 이론 최종속도 측정값을 산출하였다. 그 결과, 3 ㎛ 이하의 U3O8이 배출되지 않는 유량으로 밀도비 식에서는 14.5 L/min, Stokes식의 결과는 20 L/min 이었다. U3O8의 공급 유량이 20 L/min, 14.
68몰의 산소를 요구한다. 이상 기체로 가정하면 1기압 298 K에서 이상 기체 1몰은 22.4L이고, 산소는 보통 공기 중에 21 %를 차지한다. 따라서, 100/21 X 24.
의 입도 분포도를 나타낸 것이다. 입도 분석기 (MICROTRAC-S3000)로 측정하였는데 그 결과, 얻어진 평균 입도 분포는 9.6 ㎛이다. 공급 유량별 실험 결과에서 각 L/min 경우의 평균 입자 크기를 측정 분석하여 정리하였다.
최종 속도 구성도 계산절차에 따라 계산 프로그램을 사용한 결과, U3O8의 이론 최종 속도 값의 기울기는 SiO2의 이론 최종 속도 기울기 값과 같은 1차 함수로서 상수값의 차이로만 예측할 수 있음을 알 수 있었다. SiO2의 최종 속도 이론식을 검증한 결과 SiO2의 이론값과 실험 값이 비슷한 경향을 보이고 있으며, 이론값이 1.
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