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문제 정의
- 본 연구에서는 원자력연구소 핫셀 내부에 오염된 고방사능분진의 오염특성 및 핫셀구조를 조사한 후 이에 적합한 규모 및 제거효율을 가진 사이클론을 개발하고, 개발한 사이클론에 대한 Vortex finder 길이, 유입속도, 온도, 압력 등의 변화에 따른 분진제거 성능평가시험을 수행했다.
제안 방법
- 8과 같이 Aerodynamic particle sizer model 3310을 사용하여 입도별 농도를 측정하였다. 1,2.5, 5, 10 크기의 모의입자를 동등한 질량으로 섞은 후 Fig. 9와 같이 약 150 g을 10분 동안 Particle mixing device feeder을 사용하여 사이클론과 연결된 관내부로 투입했다. 사이클론과 연결 된 앞쪽과 뒤쪽 파이프의 중앙 내부에 시료 측정관을 설치하여 시료를 채취하고 채취된 시료를 Aerodynamic particle sizer를 통과시켜 입도별 농도를 측정했다.
- 부착 및 탈착이 가능하도록 서랍식으로 제작하였다. Bag/HEPA 필터는 0.3 皿의 분진을 95%이상 제거할 수 있고 Manipulator로 교체 가능하도록 서랍형 카드리지로 만들었다. 사이클론 Vortex finder의 길이는 Man의 미세분진을 60%이상 제거할 수 있도록 제작된 장치에 의한 시험을 통해 결정했다.
- 다음으로 압력계를 사용하여 가스 유입속도에 따른 사이클론내부에서 의 압력강하와 Cut size diameter의 변화를 분석했다. 개발된 사이클론 내의 Reynolds number를 계산하여 사이클론내의 흐름이 층류(Laminar flow)인지 난류(Turbulent flow)인지 를 분석하였고, Stokes number와 Reynolds number의 상관관계를 조사했다.
- 원자력연구소 핫셀 내의 내부 표면에 부착된 고방사 능분진을 제거하기에 적합한 사이클론을 제작하고 성능평가실험을 수행했다. 개발된 장치는 핫셀 내에 투입할 수 있는 크기로 제작했고 Manipulator에 의해 작동 가능토록 했다. 핫셀 내에 오염된 Hot particulate을 샘플링하여 SEM으로 측정한 결과 크기는 0.
- 사이클론 Vortex finder의 길이는 Man의 미세분진을 60%이상 제거할 수 있도록 제작된 장치에 의한 시험을 통해 결정했다. 고방사능분진 제거장치 무게는 핫셀 내의 크레인으로 이동 가능하도록 3 톤 이하가 되도록 설계 제작했다. 고방사능 분진 제거장치의 설계제약조건은 Table 2와 같다.
- 이 분석결과를 사용하여 사이클론의 입도별/유입속도별 포집효 율을 계산하였다. 다음으로 Vortex finder 길이를 4.9cm와 7.5cm로 변화시켜 각각에 대한 포집효율을 측정했다. 포집효율 측정결과를 분석하여 높은 포집 효율을 보이는 Vortex finder 길이를 최종 길이로 결 정했다.
- 한편, 유입기체의 온도를 50*0와 75P로 상승시킨 후의온도상승에 따른 포집효율의 변화를 분석했다. 다음으로 압력계를 사용하여 가스 유입속도에 따른 사이클론내부에서 의 압력강하와 Cut size diameter의 변화를 분석했다. 개발된 사이클론 내의 Reynolds number를 계산하여 사이클론내의 흐름이 층류(Laminar flow)인지 난류(Turbulent flow)인지 를 분석하였고, Stokes number와 Reynolds number의 상관관계를 조사했다.
- 3과 같이 사이클론 각 부분의 비를 정하였다. 단지 Vortex Finder는 0.5 ~ 1.0D내에서 길이 조정이 가능하도록 제작한 다음, 최종 Vortex Finder 길이는 분진제거실험결과를 통하여 1如의 미세분진을 최대로 제거할 수 있을 때의 값으로 정하였다. 사이클론으로 유입 된 고방사 능분진은 포집 박스에서 1 如 이상의 고방사능분진이 제거된 후 필터로 유입되고 필터에서 0.
- 사이클론과 연결 된 앞쪽과 뒤쪽 파이프의 중앙 내부에 시료 측정관을 설치하여 시료를 채취하고 채취된 시료를 Aerodynamic particle sizer를 통과시켜 입도별 농도를 측정했다. 또한 모의입자의 유입속도는 Anemometer로 측정 했다.
- 사이클론 포집박스는 핫셀 내에서 Manipulatore. 부착 및 탈착이 가능하도록 서랍식으로 제작하였다. Bag/HEPA 필터는 0.
- 3 皿의 분진을 95%이상 제거할 수 있고 Manipulator로 교체 가능하도록 서랍형 카드리지로 만들었다. 사이클론 Vortex finder의 길이는 Man의 미세분진을 60%이상 제거할 수 있도록 제작된 장치에 의한 시험을 통해 결정했다. 고방사능분진 제거장치 무게는 핫셀 내의 크레인으로 이동 가능하도록 3 톤 이하가 되도록 설계 제작했다.
- 8cm로 고정하고, 진공펌프를 조절하여 모의입자 유입속도를 8, 12, 15, 18, 20 m/sec로 변화시켰다. 사이클론 전, 후에서 모의입자 를 채취하여 입도별 농도를 분석하였다. 이 분석결과를 사용하여 사이클론의 입도별/유입속도별 포집효 율을 계산하였다.
- 9와 같이 약 150 g을 10분 동안 Particle mixing device feeder을 사용하여 사이클론과 연결된 관내부로 투입했다. 사이클론과 연결 된 앞쪽과 뒤쪽 파이프의 중앙 내부에 시료 측정관을 설치하여 시료를 채취하고 채취된 시료를 Aerodynamic particle sizer를 통과시켜 입도별 농도를 측정했다. 또한 모의입자의 유입속도는 Anemometer로 측정 했다.
- 실제 고방사능 분진제거장치를 연구소 핫셀에 넣기 위해 핫셀의 구조특성 및 방사능오염특성을 조사 하고, 장치가 핫셀에 들어가 이동될 수 있도록 핫셀 뒷문 투입구와 연결문 크기 및 크레인과 Manipulator의 특성 등을 고려하여 그 크기를 이전 장치[4]의 약 1/20으로 축소하고 구조도 변경하였다. 제작한 고방사능 분진제거장치는 이전장치와는 달리 핫셀 내의 Manipulator로 작동할 수 있게 제작하였다.
- 앞에서 핫셀 내부에 분포한 고방사능분진의 크기가 0.2-10 加이므로 0.3, 1, 2.5, 5, 10 剛 크기의 AI2O3와 TiO2 모의입자를 사용하여 제작된 사이클론 장치를 이용하여 사이클론의 미립자 포집성능을 측정했다. 사이클론의 포집효율을 측정하기 위해 Fig.
- 원자력연구소 핫셀 내의 내부 표면에 부착된 고방사 능분진을 제거하기에 적합한 사이클론을 제작하고 성능평가실험을 수행했다. 개발된 장치는 핫셀 내에 투입할 수 있는 크기로 제작했고 Manipulator에 의해 작동 가능토록 했다.
- 사이클론 전, 후에서 모의입자 를 채취하여 입도별 농도를 분석하였다. 이 분석결과를 사용하여 사이클론의 입도별/유입속도별 포집효 율을 계산하였다. 다음으로 Vortex finder 길이를 4.
- 연료시험용 핫셀 (Ml, M2, M3, M4)에서는 조사장치 (Capsule)와 연료체 (Fuel bundle)의 해체, 조사 시편의 가공 그리고 핵연료의 비파괴 및 파괴시험을 수행하고 있다. 재료시험용 핫 셀 (M5a, M5b)에서는 조사재료 (Irradiated materials)의 기계적 특성시험과 물성 특성시험을 수행하며, 시험항목으로는 충격시험, 인장시험, 파괴인 성시험, 피로시험, 열처리시험, 열팽창율시험 등이다. 그리고 이 핫셀에 연이어 설치된 납핫셀 (M7)에 서는 조직시험과 경도시험 그리고 밀도측정 등을 수행하고 있다.
- 5cm로 변화시켜 각각에 대한 포집효율을 측정했다. 포집효율 측정결과를 분석하여 높은 포집 효율을 보이는 Vortex finder 길이를 최종 길이로 결 정했다.
- Cut size diameter는 Vortex finder 길이에 영향을 받으며, 모의입자의 유입속도가 클수록 작아졌다. 한편, 개발된 사이클론의 Stokes number가 Reynolds number에 미치는 영향을 조사했다. Reynolds number와 Stokes number의 방정식은 아래와 같다.
- 한편, 유입기체의 온도를 50*0와 75P로 상승시킨 후의온도상승에 따른 포집효율의 변화를 분석했다. 다음으로 압력계를 사용하여 가스 유입속도에 따른 사이클론내부에서 의 압력강하와 Cut size diameter의 변화를 분석했다.
대상 데이터
- 8 m 이하여야 하며, 진공펌프는 분진을 10-20 m/sec의 속도로 유입할 수 있는 용량을 사용해야 한다. 사이클론의 재질 및 성능은 2X105 Bq/cm2의 알파방사능을 견딜 수 있는 STS 304를 사용했고, 핫셀내부에 발생된 고방사능분진을 85%이상 제거할 수 있는 성능을 가져야 한다. 사이클론 포집박스는 핫셀 내에서 Manipulatore.
- 제작한 고방사능 분진제거장치는 이전장치와는 달리 핫셀 내의 Manipulator로 작동할 수 있게 제작하였다. 위의 설계제약 조건에 따라 설계된 고방사능분진제거장치 의 구조는 Fig. 4와 같이 사이클론, 포집박스, 필터 케이스, 진공펌프 등으로 구성되어있고 장치크기는 70x55x55cm이다. Fig.
이론/모형
- 5, 5, 10 剛 크기의 AI2O3와 TiO2 모의입자를 사용하여 제작된 사이클론 장치를 이용하여 사이클론의 미립자 포집성능을 측정했다. 사이클론의 포집효율을 측정하기 위해 Fig. 8과 같이 Aerodynamic particle sizer model 3310을 사용하여 입도별 농도를 측정하였다. 1,2.
성능/효과
- 2~2㎛ 이다. 분석결과 핫셀 내 부표면에 오염된 고방사능분진의 주요 크기는 0.2 ~ 10㎛이었고, 고방사능분진의 주 핵종은 UO2, u3o8, 질카로이 등이었다. 핫셀내부표면에 부착된 고방사 능분진의 성분을 분석하기 위해 핫셀에서 0.
- 알코올을 묻 힌 휴지를 사용할 때, 많은 폐기물이 발생한다. 진공 청소기를 사용할 때, 진공청소기 내에 설치된 필터가 단시간 내에 포화되며, 이 포화된 필터는 핫셀 내에서 Manipulator에 의한 교환이 어렵고, 고방사능 분진이 플라스틱으로 만든 진공청소기 몸체에 많은 방사능 부하를 주어 진공청소기의 수명이 짧았다. 그러므로 핫셀 내부에 부착된 고방사능 분진들을 효과적으로 제거하고 장기간 사용할 수 있는 고방사능분 진 제거장치의 개발이 필요하여 왔다.
- 5cm 크기로 Smearing하여 EDS로 성분 분석결과 주핵종 외에 Cs-137, Cs-134, Ru-106, Ce-144, Eu-154의 방사성핵종이 검출되었다. 핫셀내부의 표면오염 도는 핫셀내의 고방사능물질을 샘플링하여 베타감마 인 경우 MCA로 측정한 결과 약 4x 105~4x 107 Bq/cm2이었고, 알파인 경우 Scintillator HP380A로 측정한 결과2 X 103~2X 105 Bq/cm2이었다 (Table 1).
- 2 ~ 10㎛이었고, 고방사능분진의 주 핵종은 UO2, u3o8, 질카로이 등이었다. 핫셀내부표면에 부착된 고방사 능분진의 성분을 분석하기 위해 핫셀에서 0.5 X 0.5cm 크기로 Smearing하여 EDS로 성분 분석결과 주핵종 외에 Cs-137, Cs-134, Ru-106, Ce-144, Eu-154의 방사성핵종이 검출되었다. 핫셀내부의 표면오염 도는 핫셀내의 고방사능물질을 샘플링하여 베타감마 인 경우 MCA로 측정한 결과 약 4x 105~4x 107 Bq/cm2이었고, 알파인 경우 Scintillator HP380A로 측정한 결과2 X 103~2X 105 Bq/cm2이었다 (Table 1).
후속연구
- 개발된 고방사능분진 제거장치는 한국원자력 연구소 조사재 시험시설의 핫셀내에 투입하여 오염된 핫셀 내부표면과 핫셀내에 위치한 많은 시험장치의 오염 된 표면으로부터 고방사능분진을제거할 계획이다. 조사재 시험시설의의 지하에는 11개의 핫셀들이 위 치한다.
- 원자력 연구소 조사재 시 험시설과 조사후시험시설 의 핫셀 내부에 부착된 비고착성 고방사능분진을 제 거하기위해서는 먼저 핫셀내의 방사능 오염특성 및 핫셀 구조를 조사해야한다. 즉 고방사능 분진의 종류, 크기, 방사선량 등을 측정 분석해야하고, 오염특성에 적합하게 개발된 장치를 조사재시험시설과 조 사후시험시설 핫셀 내에 넣기 위해 핫셀 출입구와 핫셀 연결문의 크기를 조사해야 한다. 또한, 핫셀에 투입 된 장치의 작동은 Manipulator에 의해 수행되어야 하므로 Manipulator의 작업범위도 조사해야 한다.
- 사이클론에서 일반적으로 허락되는 압력강하 20~25cm[13]보 다는 작은 것으로 나타났다. 차후에 사이클론 내부표면을 좀 더 매끄럽게 만들어 마찰을 줄이면, 압력강하를 좀 더 줄일 수 있다고 사료된다.
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