설계 모델을 이용한 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 제작 Manufacture of the vol-oxidizer with a capacity of 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets using a design model원문보기
$UO_2$펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치는 차세대관리 공정의 금속전환로 안으로 균질화된 분말을 공급하기 위하여 $UO_2$ 펠릿을 산화하여 $U_3O_8$으로 분말화하는 장치이다. 본 연구에는 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계모델을 제시하고, 실증용 분말화 장치를 제작하여 검증실험을 수행한다. 분말화 장치 설계모델은 내부구조, 성능, 가열로 위치와 크기 등이 고려된다. 실험 방법은 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계 모델에 따라 기존의 3단 메시 분말화 장치를 이용하여 분말의 메시 투과시험과 온도변화 특성 실험을 하여 장치 내부구조를 결정한다. $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch의 산화 반응도 실험과 가열로 위치별 온도 분포를 측정하고 장치의 성능과 가열로의 영 역 위치를 결정한다. 장치 크기를 결정하기 위하여 산화전의 20kg의 $UO_2$ 펠릿과 산화후의 $U_3O_8$ 부피를 측정한다. 이상의 결과를 토대로 실증용 분말화 장치를 설계. 제작하고, 검증을 위하여 산화도, 분말특성 및 분석 등을 수행하였다. 산화반응 실험결과 에서 기존장치에 비하여 분말의 메시 투과율이 향상되었으며, 기존의 3단 메시 장치의 $UO_2$ 펠릿산화시간이 13시간 소요된 것에 비하여 8시간으로 단축되었다. $U_3O_8$ 분말 특성 분석결과, 평균 입도가 $40{\mu}m$이었다. 제작된 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 성능과 설계모델 예측 값은 대체로 잘 일치되었다.
$UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치는 차세대관리 공정의 금속전환로 안으로 균질화된 분말을 공급하기 위하여 $UO_2$ 펠릿을 산화하여 $U_3O_8$으로 분말화하는 장치이다. 본 연구에는 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계모델을 제시하고, 실증용 분말화 장치를 제작하여 검증실험을 수행한다. 분말화 장치 설계모델은 내부구조, 성능, 가열로 위치와 크기 등이 고려된다. 실험 방법은 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 설계 모델에 따라 기존의 3단 메시 분말화 장치를 이용하여 분말의 메시 투과시험과 온도변화 특성 실험을 하여 장치 내부구조를 결정한다. $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch의 산화 반응도 실험과 가열로 위치별 온도 분포를 측정하고 장치의 성능과 가열로의 영 역 위치를 결정한다. 장치 크기를 결정하기 위하여 산화전의 20kg의 $UO_2$ 펠릿과 산화후의 $U_3O_8$ 부피를 측정한다. 이상의 결과를 토대로 실증용 분말화 장치를 설계. 제작하고, 검증을 위하여 산화도, 분말특성 및 분석 등을 수행하였다. 산화반응 실험결과 에서 기존장치에 비하여 분말의 메시 투과율이 향상되었으며, 기존의 3단 메시 장치의 $UO_2$ 펠릿산화시간이 13시간 소요된 것에 비하여 8시간으로 단축되었다. $U_3O_8$ 분말 특성 분석결과, 평균 입도가 $40{\mu}m$이었다. 제작된 $UO_2$ 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치 성능과 설계모델 예측 값은 대체로 잘 일치되었다.
Vol-oxidizer is a device to convert $UO_2$ pellets into $U_3O_8$ powder and to feed a homogeneous powder into a Metal Conversion Reactor in the ACP(Advanced Spent Fuel Conditioning Process). In this paper, we propose a design model of the vol-oxidizer, develop the new vol-oxidi...
Vol-oxidizer is a device to convert $UO_2$ pellets into $U_3O_8$ powder and to feed a homogeneous powder into a Metal Conversion Reactor in the ACP(Advanced Spent Fuel Conditioning Process). In this paper, we propose a design model of the vol-oxidizer, develop the new vol-oxidizer with a capacity of 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets, and conduct a verification for the device. Design considerations include the internal structure, the capacity, the heating position of the device, and the size. The dimensions of the new vol-oxidizer are decided by the design model. We determine a permeability test of the $U_3O_8$ measuring the temperature distribution, and the volume of $UO_2$ and $U_3O_8$. We manufactured the new vol-oxidizer for a 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets, and then analyzed the characteristics of the $U_3O_8$ powder for the verification. The experimental results show that the permeability of the $U_3O_8$ throughout mesh enhance more than old vol-oxidizer, the oxidation time takes only 8 hours when compared with the 13 hours of the old device, and the average distribution of particle size is $40{\mu}m$. The capacities of new vol-oxidizer for a 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets were agree well with the predictions of design model.
Vol-oxidizer is a device to convert $UO_2$ pellets into $U_3O_8$ powder and to feed a homogeneous powder into a Metal Conversion Reactor in the ACP(Advanced Spent Fuel Conditioning Process). In this paper, we propose a design model of the vol-oxidizer, develop the new vol-oxidizer with a capacity of 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets, and conduct a verification for the device. Design considerations include the internal structure, the capacity, the heating position of the device, and the size. The dimensions of the new vol-oxidizer are decided by the design model. We determine a permeability test of the $U_3O_8$ measuring the temperature distribution, and the volume of $UO_2$ and $U_3O_8$. We manufactured the new vol-oxidizer for a 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets, and then analyzed the characteristics of the $U_3O_8$ powder for the verification. The experimental results show that the permeability of the $U_3O_8$ throughout mesh enhance more than old vol-oxidizer, the oxidation time takes only 8 hours when compared with the 13 hours of the old device, and the average distribution of particle size is $40{\mu}m$. The capacities of new vol-oxidizer for a 20 kg HM/batch in $UO_2$ pellets were agree well with the predictions of design model.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
국내의 KAERI에서는 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 3단 메시 형태의 분말화 장치를 개발하였다⑴. 그러나 3단 메시형 분말화장치는 산화완료까지 13시간이 소요되며, IQ 펠릿 20 kg HM/batch의 대용량의 반응으로 인한 발열 반응으로 온도조절이 안 돼서 입도조절이 어려우며, 메시 위에 반응된 분말들이 메시를 투과하지 못하고 남아 있어 회수율의 문제점이 있다 [21 국 외 연구 동향을 보면, 미국의 SRL(Savannah River laboratory)에서는 트리티늄 제거를 위해서 경사진 형태의 분말화 장치를 제작하였고, 28, 000 MWD/MTHM의 사용후 핵 연료 200 g/batch를 사용하여 소규모 산화연구를 수행하였다[, 2]일본의 JAERI는 FBR(Fast Breeder Reactor) 의 fuel cycle 개발 프로그램의 일환으로 1990년대 2 kgHM/batch 규모의 소형 공정장치를 개발하였고, 2005년에 재처리 시험시설에 적용하기 위하여 공학규모의 분말화장치를 개발함에 있어서 수평 형태 장치의 공기 흐름에 대한 분말산화 연구를 수행하였다[1], 본 연구의 목적은 기존 장치에 비하여 소형이면서 대용량을 처리하고 산화효율이 높은 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치의 제작을 위하여 설계모델을 제시하고자 한다. 또한 설계모델에 따라 실험결과를 반영하여 새로운 장치를 제작하고, 기존 장 치 에 비하여 새로운 장치의 성능을 검증하고자 한다.
그러나 3단 메시형 분말화장치는 산화완료까지 13시간이 소요되며, IQ 펠릿 20 kg HM/batch의 대용량의 반응으로 인한 발열 반응으로 온도조절이 안 돼서 입도조절이 어려우며, 메시 위에 반응된 분말들이 메시를 투과하지 못하고 남아 있어 회수율의 문제점이 있다 [21 국 외 연구 동향을 보면, 미국의 SRL(Savannah River laboratory)에서는 트리티늄 제거를 위해서 경사진 형태의 분말화 장치를 제작하였고, 28, 000 MWD/MTHM의 사용후 핵 연료 200 g/batch를 사용하여 소규모 산화연구를 수행하였다[, 2]일본의 JAERI는 FBR(Fast Breeder Reactor) 의 fuel cycle 개발 프로그램의 일환으로 1990년대 2 kgHM/batch 규모의 소형 공정장치를 개발하였고, 2005년에 재처리 시험시설에 적용하기 위하여 공학규모의 분말화장치를 개발함에 있어서 수평 형태 장치의 공기 흐름에 대한 분말산화 연구를 수행하였다[1], 본 연구의 목적은 기존 장치에 비하여 소형이면서 대용량을 처리하고 산화효율이 높은 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치의 제작을 위하여 설계모델을 제시하고자 한다. 또한 설계모델에 따라 실험결과를 반영하여 새로운 장치를 제작하고, 기존 장 치 에 비하여 새로운 장치의 성능을 검증하고자 한다.
넷째, 좁은 핫셀 공간에 설치하기 위하여 장치가 소형이어야 한다. 본 논문에서는 이러한 조건들을 만족하면서 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch 용량을 처리할 수 있는 실증용 분말화 장 치를 설계 . 제작하기 위해서 그림 1과 같이 실증용 분말화 장치의 설계모델을 제시하였다.
본 연구에서는 대용량 설계에 적용될 수 있는 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치의 설계모델이 제시되었다. 기존의 3단 메시분말화 장치를 이용하여 실험이 이루어졌으며, 실험 결과를 바탕으로 실증용 분말화 장치가 제작되고, 설계모델에 대한 검증 실험이 수행되었다.
실증용 분말 화 장치의 최적 크기를 결정하기 위하여 20 kg HM/batch의 UQ 무게를 측정하였다. 이 목적은 20 kg 의 UO2 펠릿이 상부 메시에 놓여 있을 때 상부 메시를 기준으로 가열로 상부, 하부공간 크기를 결정하는 것이다. 측정 방법으로는 체적을 알 수 있는 용기를 만들기 위해 투명한 용기에 용량을 알 수 있는 비커로 단계적으로 물을 채우면서 체적 눈금을 표시하였다.
가설 설정
둘째, 방사선 환경에서 작업자가 장시간 노출되지 않아야 하기 때문에 산화시간이 짧아야 한다. 셋째, 반응영역의 위치를 결정해야 한다. 넷째, 좁은 핫셀 공간에 설치하기 위하여 장치가 소형이어야 한다.
제안 방법
산화반웅 특성시험 결과를 반영하여 펠릿의 산화도 향상을 위한 구조설계를 다음과 같이 하였다. 13시간 이상 소요되는 산화시간을 단축하기 위하여 사이클로이드형 블레이드를 상하 두 개를 설계하고 정역회전이 가능하도록 했으며, 왕복 횟 수가 3, 800회 /분의 고성능 바이브레이터를 가열로의 X, y, z 방향으로 설치되도록 설계하였다.
20 kg의 UC>2 펠릿을 투입한 후, 시간의 흐름에 따라 온도 변화 실험을 하였다..
투과실험 방법은 UQ 펠릿의 산화 종료 후, 바이브레이터의 진동값을 max. 3.4 mm/sec까지 변화를 주어 각 중량에 대해 투과 정도를 관찰하였다. 그 결과, 대기 중의 수분으로 인하여 UQ8분말이 서로 엉키는 특성 때문에 최대 진동값에서도 그림 4-(a), (b)와 같이 상부 메시 4x4 mm(가로X세로)의 구멍 사이로 1kg의 U3O8은 90%, 5kg의 U3O8은 50%, 그리고 20kg의 U3O5은 30%밖에 투과되지 못하였다.
UO2 펠릿 20 kg HM/batch 와 U3O8의 부피를 측정하여 가열로 크기를 설계하였다. UC)2 펠릿 20 kg HM/batch의 부피는 3.7 L, U3O8의 분말 부피는~ 13 L로 측정되었으며, 이 결과를 토대로 가열로 크기, 상부 메시의 형태, 메시의 크기, 메시의 위치를 설계하였다. 이상의 종합 결과를 설계에 반영하여 실증용 분말화장치를 설계/제작 하였다.
UO2 펠릿 20 kg HM/batch 와 U3O8의 부피를 측정하여 가열로 크기를 설계하였다. UC)2 펠릿 20 kg HM/batch의 부피는 3.
제시된 설계모델에 따라 수행한 메시투과 회수율 시험에서 qQ이 메시 구멍 사이로 잘 투과되지 않다는 것이 고려되고 발열 반응의 온도 특성이 반영되어 콘형 메시와 회전이 가능한 블레이드가 설계되었다. UO2 펠릿 20 kg HM/batch의 산화 반응 실험을 통하여 산화시간이 13시간 임이 확인되었으며, 산화시간을 단축하기 위해서 2단 블레이드로 정역회전이 가능하게 블레이드가 설계 . 제작되었다.
uo2 펠릿의 산화시간과 특성을 알아보기 위하여 산화반 웅 실험장치를 그림 6과 같이 구성하여 제작하였다. 그림 중앙 부분에 있는 사다리꼴 원기둥은 분말화 장치의 반응기이며, 이곳으로O2와 N2의 혼합 반응가스를 공급하기 위하여 좌측 하단의 O2 유량 조절기 (MFC : Mass Flow Controller)에서 혼합유량 12 I /m 중에 산소 40%를 흐르게 하고, N2 유량 조절기 에서 60%의 질소를 보내어 다음의 유량 조절기에서 혼합가스를 만들어 반응기로 보낸다.
가열로의 최적 위치에 적정 온도를 전달하기 위하여 가열로 위치별 온도분포 측정 결과를 설계에 반영하였다. 그 결과 상부 플랜 지 하단에서 하부 분말 조 절밸브 3 cm 상단까지를 히팅 영역으로 결정하고, 영역에 맞게 반달형 히팅모듈을 설계하였다.
가열로의 최적 위치에 적정 온도를 전달하기 위하여 가열로 위치별 온도분포 측정 결과를 설계에 반영하였다. 그 결과 상부 플랜 지 하단에서 하부 분말 조 절밸브 3 cm 상단까지를 히팅 영역으로 결정하고, 영역에 맞게 반달형 히팅모듈을 설계하였다.
설계모델의 첫 단계인, 장치의 내부 구조를 결정하기 위하여 분말의 메시투과 회수율 시험과 온도 변화 실험을 수행하였고, UC>2 펠릿 20 kg HM/batch 산화 반응 특성 실험과가열로 온도분포 측정으로 장치 성능과 가열로 위치를 결정하였다. 그리고 20 kg의 UC>2 펠릿과 산화 후 U3O8 체적을 조사하여 장치 크기를 결정하였다. 이러한 실험을 토대로 실증용 장치 설계에 필요한데이터를 확보하고, 새로운 실증용 분말화 장치를 제작하였으며, 기존 3단 메시분말화 장치 대비하여 메시투과 회수율, 산화시간, 입도 등의 검증 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 대용량 설계에 적용될 수 있는 UC>2 펠릿 20 kg HM/batch용 분말화 장치의 설계모델이 제시되었다. 기존의 3단 메시분말화 장치를 이용하여 실험이 이루어졌으며, 실험 결과를 바탕으로 실증용 분말화 장치가 제작되고, 설계모델에 대한 검증 실험이 수행되었다. 제시된 설계모델에 따라 수행한 메시투과 회수율 시험에서 qQ이 메시 구멍 사이로 잘 투과되지 않다는 것이 고려되고 발열 반응의 온도 특성이 반영되어 콘형 메시와 회전이 가능한 블레이드가 설계되었다.
기존의 3단 메시분말화 장치와 제시된 설계모델 을 이용하여 도출된 설계요건을 가지고 제작한 실증용 분말화장치를 이용하여mock-up에서 검증 실험을 수행하였다. 그림 12에서와 같이 메시의 분말 투과 실험에서는 3 % 정도의 일부 잔여분말들이 메시 위에 남아 있었으나, 기존 장치보다 분말투과율이 대폭 향상되었음을 보여주고 있다.
메시크기는 7X7 mm(가로X세로) 크기의 구멍과 30°의 기울기를 가진 형태이며, UO2 펠릿이 반응할 때 일부 산화된 분말은 아래로 떨어지고, 산화가 안 된 펠릿은 진동에 의해 콘가운데 있는 구멍으로 떨어지는 구조로 설계를 하였다. 또한 장치 내부의 구조를 결정하기 위하여 온도 변화 실험 결과를 고려하여 설계에 반영하였다. 온도변화 실험에서 UO2 펠릿 20 kg HM/batch가 잠열과 발열 반응에 의해 불규칙 변화가 발생되는 것을 방지하기 위하여 상부 플랜지 중앙을 메카니 칼씰 로 설계하고 그것과 연결되는 축에 블레이드를 설계하여 분말을 혼합시킴으로써의 발열 반응과 잠열을 제거하였다.
장치 내부 구조를 결정하기 위하여 메시투과 실험을 한 결과를 반영하여 상부 메시에서 U3O8 분말이 잘 투과될 수 있도록 콘형의 상부 메시를 설계하였다. 메시크기는 7X7 mm(가로X세로) 크기의 구멍과 30°의 기울기를 가진 형태이며, UO2 펠릿이 반응할 때 일부 산화된 분말은 아래로 떨어지고, 산화가 안 된 펠릿은 진동에 의해 콘가운데 있는 구멍으로 떨어지는 구조로 설계를 하였다. 또한 장치 내부의 구조를 결정하기 위하여 온도 변화 실험 결과를 고려하여 설계에 반영하였다.
측정 방법으로는, 기존의 3단 메시분말화 장치의 상부 플랜지 중간과가열로 내벽 근처에 슬라이딩 흘을 만들어 길이 40 cm의 온도센서를 설치하여 상하로 움직이면서 각 부의 온도를 측정하였다. 상부 프랜지 하단에서 13 cm 위치를 upper, 가열로의 가장 중심부를 center, 상부 플랜 지 하단에서 30 cm 부근을 low, 가열로 내벽 쪽을 side로 해서 측정하였다. 그 결과, 그림 9에서와 같이 온도 범위가 상부에서는 450 X:, 중심에서는 520 °C, 하부에서는 410내벽에서는 550 12로 측정되었다.
설계모델의 제1단계인 장치 내부 구조를 결정하기 위하여 1 kg, 5 kg, 20 kg의 산화된 U3O8 분말을 메시에 투과시켜 투과율을 측정하였다. 투과실험 방법은 UQ 펠릿의 산화 종료 후, 바이브레이터의 진동값을 max.
실험 순서는 먼저, 기존의 3단 메시 분말화 장치와 설계 모델을 이용하여 실 험을 수행하였다. 설계모델의 첫 단계인, 장치의 내부 구조를 결정하기 위하여 분말의 메시투과 회수율 시험과 온도 변화 실험을 수행하였고, UC>2 펠릿 20 kg HM/batch 산화 반응 특성 실험과가열로 온도분포 측정으로 장치 성능과 가열로 위치를 결정하였다. 그리고 20 kg의 UC>2 펠릿과 산화 후 U3O8 체적을 조사하여 장치 크기를 결정하였다.
실증용 분말 화 장치의 최적 크기를 결정하기 위하여 20 kg HM/batch의 UQ 무게를 측정하였다. 이 목적은 20 kg 의 UO2 펠릿이 상부 메시에 놓여 있을 때 상부 메시를 기준으로 가열로 상부, 하부공간 크기를 결정하는 것이다.
일정한 입도를 얻기 위하여 가열로의 각 내부 영 역에 따라서 온도분포도가 측정되었으며, 이온도분 포도와 최적의 반웅 온도를 고려하여 반달형 히팅모 듈이 설계되었다. 실증용 분말화 장치의 크기를 결정하기 위하여 산화전 UC)2 펠릿 20 kg HM/batch와 산화 후 U3O8의 부피를 측정하여 장치 크기와 메시 위치가 설계 . 제작되었다.
연구방법은 다음과 같다. 실험 순서는 먼저, 기존의 3단 메시 분말화 장치와 설계 모델을 이용하여 실 험을 수행하였다. 설계모델의 첫 단계인, 장치의 내부 구조를 결정하기 위하여 분말의 메시투과 회수율 시험과 온도 변화 실험을 수행하였고, UC>2 펠릿 20 kg HM/batch 산화 반응 특성 실험과가열로 온도분포 측정으로 장치 성능과 가열로 위치를 결정하였다.
또한 장치 내부의 구조를 결정하기 위하여 온도 변화 실험 결과를 고려하여 설계에 반영하였다. 온도변화 실험에서 UO2 펠릿 20 kg HM/batch가 잠열과 발열 반응에 의해 불규칙 변화가 발생되는 것을 방지하기 위하여 상부 플랜지 중앙을 메카니 칼씰 로 설계하고 그것과 연결되는 축에 블레이드를 설계하여 분말을 혼합시킴으로써의 발열 반응과 잠열을 제거하였다. 산화반웅 특성시험 결과를 반영하여 펠릿의 산화도 향상을 위한 구조설계를 다음과 같이 하였다.
요구되는 입도 크기의 제조와 분말 화 장치 가열로에 대한 히터의 적정 위치를 결정하기 위하여 산화중의 각 위치에 대한 온도분포를 측정하였다. 측정 방법으로는, 기존의 3단 메시분말화 장치의 상부 플랜지 중간과가열로 내벽 근처에 슬라이딩 흘을 만들어 길이 40 cm의 온도센서를 설치하여 상하로 움직이면서 각 부의 온도를 측정하였다.
그리고 20 kg의 UC>2 펠릿과 산화 후 U3O8 체적을 조사하여 장치 크기를 결정하였다. 이러한 실험을 토대로 실증용 장치 설계에 필요한데이터를 확보하고, 새로운 실증용 분말화 장치를 제작하였으며, 기존 3단 메시분말화 장치 대비하여 메시투과 회수율, 산화시간, 입도 등의 검증 실험을 수행하였다.
7 L, U3O8의 분말 부피는~ 13 L로 측정되었으며, 이 결과를 토대로 가열로 크기, 상부 메시의 형태, 메시의 크기, 메시의 위치를 설계하였다. 이상의 종합 결과를 설계에 반영하여 실증용 분말화장치를 설계/제작 하였다.
제작되었다. 일정한 입도를 얻기 위하여 가열로의 각 내부 영 역에 따라서 온도분포도가 측정되었으며, 이온도분 포도와 최적의 반웅 온도를 고려하여 반달형 히팅모 듈이 설계되었다. 실증용 분말화 장치의 크기를 결정하기 위하여 산화전 UC)2 펠릿 20 kg HM/batch와 산화 후 U3O8의 부피를 측정하여 장치 크기와 메시 위치가 설계 .
그림 11에서와 같이 기존의 3단 메시 분말화 장치와 제시된 설계모델을 이용하여 실험한 결과를 실증용 분말화장치 설계에 반영하였다. 장치 내부 구조를 결정하기 위하여 메시투과 실험을 한 결과를 반영하여 상부 메시에서 U3O8 분말이 잘 투과될 수 있도록 콘형의 상부 메시를 설계하였다. 메시크기는 7X7 mm(가로X세로) 크기의 구멍과 30°의 기울기를 가진 형태이며, UO2 펠릿이 반응할 때 일부 산화된 분말은 아래로 떨어지고, 산화가 안 된 펠릿은 진동에 의해 콘가운데 있는 구멍으로 떨어지는 구조로 설계를 하였다.
기존의 3단 메시분말화 장치를 이용하여 실험이 이루어졌으며, 실험 결과를 바탕으로 실증용 분말화 장치가 제작되고, 설계모델에 대한 검증 실험이 수행되었다. 제시된 설계모델에 따라 수행한 메시투과 회수율 시험에서 qQ이 메시 구멍 사이로 잘 투과되지 않다는 것이 고려되고 발열 반응의 온도 특성이 반영되어 콘형 메시와 회전이 가능한 블레이드가 설계되었다. UO2 펠릿 20 kg HM/batch의 산화 반응 실험을 통하여 산화시간이 13시간 임이 확인되었으며, 산화시간을 단축하기 위해서 2단 블레이드로 정역회전이 가능하게 블레이드가 설계 .
이 목적은 20 kg 의 UO2 펠릿이 상부 메시에 놓여 있을 때 상부 메시를 기준으로 가열로 상부, 하부공간 크기를 결정하는 것이다. 측정 방법으로는 체적을 알 수 있는 용기를 만들기 위해 투명한 용기에 용량을 알 수 있는 비커로 단계적으로 물을 채우면서 체적 눈금을 표시하였다. 다음은 물을 비우고 충분히 건조시켰다.
요구되는 입도 크기의 제조와 분말 화 장치 가열로에 대한 히터의 적정 위치를 결정하기 위하여 산화중의 각 위치에 대한 온도분포를 측정하였다. 측정 방법으로는, 기존의 3단 메시분말화 장치의 상부 플랜지 중간과가열로 내벽 근처에 슬라이딩 흘을 만들어 길이 40 cm의 온도센서를 설치하여 상하로 움직이면서 각 부의 온도를 측정하였다. 상부 프랜지 하단에서 13 cm 위치를 upper, 가열로의 가장 중심부를 center, 상부 플랜 지 하단에서 30 cm 부근을 low, 가열로 내벽 쪽을 side로 해서 측정하였다.
대상 데이터
그림 3은 3단 메시 분말화 장치와 본 논문에서 제시된 설계모델을 이용하여 실험하는 장면이다. 기존의 3단 메시장치의 외경은 4 850 mm이고, 장치 높이는 1500 mm 이며, mock-up 실험실에서 산화실험을 수행하였다.
성능/효과
첫째 분말의 회수율이 높아야 한다. 둘째, 방사선 환경에서 작업자가 장시간 노출되지 않아야 하기 때문에 산화시간이 짧아야 한다. 셋째, 반응영역의 위치를 결정해야 한다.
제작된 실증용 분말화 장치 성능의 검증 실험 결과에서, 산화반응이 종료된 후 회수율은 97 % 정도로 많이 향상되었지만 U3O8 분말을 아래로 이송하고 난 후 메시 위에 3 %의 U3O8의 잔여분말이 남아있는 것을 고려할 때 회수율이 99 % 이상 될 수 있는 장치구 조로 개선할 필요가 있다. 산화시간은 13시간에서 8시간으로 단축되었으며, 산화 중 진동에 의하여 산화율이 증가되는 것을 고려할 때 고온에서 장시간 사용할 수 있는 고성능 바이브레이터가 요구됨을 알 수 있었다. 또한 온도 특성에 있어서 기존의 3단 메시장 치에 비해서 온도 변화가 안정적이었으나, 상부의 블레이드 회전 모터가 높은 열을 8시간 이상 견딜 수 있기 위하여 단열 구조가 되어야 할 것으로 판단한다.
가 열 위치별 온도분포 측정으로 히터의 적정 위치를 결정함으로써 정확한 온도값을 전달하여 분말의 40 ㎛ 크기의 최적 입도 분포를 만들 수 있었다. 이상의 결과로부터 제작된 US 펠릿 20 kg HM/batch용 분말 화장치의 성능과 제시된 설계모델 예측값은 대체로 잘 일치됨을 보여 주었다.
그림 14는 새로운 장치에서 반응된 U3O8의 입자 분포도를 보여준다. 입자 1개의 최대 길이로 크기를 나타냈을 때 평균 입자가 40 ㎛의 크기임을 볼 때 500 P 온도가 정확히 반웅시료에 전달이 되었고, 기존 장치보다 온도조절이 향상되었음을 알 수 있다.
제작된 실증용 분말화 장치 성능의 검증 실험 결과에서, 산화반응이 종료된 후 회수율은 97 % 정도로 많이 향상되었지만 U3O8 분말을 아래로 이송하고 난 후 메시 위에 3 %의 U3O8의 잔여분말이 남아있는 것을 고려할 때 회수율이 99 % 이상 될 수 있는 장치구 조로 개선할 필요가 있다. 산화시간은 13시간에서 8시간으로 단축되었으며, 산화 중 진동에 의하여 산화율이 증가되는 것을 고려할 때 고온에서 장시간 사용할 수 있는 고성능 바이브레이터가 요구됨을 알 수 있었다.
후속연구
그리고 60 ㎛ 이상일 때는 반웅 접촉 면적이 작기 때문에 반웅 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 그림 8과 같이 본 실험을 통하여 분석된 U3O8 입도 분포가 평균 23 ㎛으로 만족스런 분포도를 가지고 있지만, 비산 가능성이 있는 20 ㎛ 이하의 분말이 약 25% 이기 때문에 금속 전환로에 서 요구하는 입도 분포를 만족하기 위하여 정확한 온도를 전달할 수 있는 장치에 대한 가열로의 최적 위치 둥을 고려하여야 한다. 단, 여기서 입자의 길이는 입자 하나의 모양에서 가장 긴 부분의 길이를 말한다.
또한 아직까지 국외의 원자력 기술에서도 분말화를 위해 실험용으로 소량의 핵물질만 취급해 오는 실정 이고, 20 kg UO2 펠릿을 사용한 국가는 전무한 상태다. 따라서 본 논문에서 제시된 설계모델의 방법으로 실험을 수행하여 향상된 연구결과를 고려할 때, 이보다 Scale-up 된 대용량 실증용 분말 화 장치의 설 계 에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
산화시간은 13시간에서 8시간으로 단축되었으며, 산화 중 진동에 의하여 산화율이 증가되는 것을 고려할 때 고온에서 장시간 사용할 수 있는 고성능 바이브레이터가 요구됨을 알 수 있었다. 또한 온도 특성에 있어서 기존의 3단 메시장 치에 비해서 온도 변화가 안정적이었으나, 상부의 블레이드 회전 모터가 높은 열을 8시간 이상 견딜 수 있기 위하여 단열 구조가 되어야 할 것으로 판단한다. 가 열 위치별 온도분포 측정으로 히터의 적정 위치를 결정함으로써 정확한 온도값을 전달하여 분말의 40 ㎛ 크기의 최적 입도 분포를 만들 수 있었다.
본 논문에서 제시된 실증용 분말 화 장치의 설계모델은 실증용 분말화장치의 구조, 성능, 크기 등을 결정하는데 유용한 모델로서 향후 대용량의 실증용 분말 화 장치를 설계하는 데 활용될 수 있을 것으로 판단 한다.
이상의 실험 결과들을 종합해 볼 때, 방사성 핵물질을 취급하는 실증용 분말 화 장치를 설계하는 데 있어서 대용량의 실험 시료의 화학적 독성과 방사선의 위해도 때문에 대용량 설계에 대한 실험적으로 시행착오를 겪는 데 한계가 있으며, 많은 제약조건이 따른다. 또한 아직까지 국외의 원자력 기술에서도 분말화를 위해 실험용으로 소량의 핵물질만 취급해 오는 실정 이고, 20 kg UO2 펠릿을 사용한 국가는 전무한 상태다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.