[논문]소형 금속방사성폐기물 제염장치 개발 : 자기장 연삭핀과 초음파 세정기의 응용

홍용호; 박수리; 한상욱; 김병직

doi:10.7733/jnfcwt.2014.12.1.79

문제 정의

본 연구에서는 방사능 오염제거가 가능한 유리성 및 고착성 오염물인 소형 금속방사성폐기물을 대상으로 오염제거 실험을 실시하였고, 방사화된 금속방사성폐기물의 경우 오염을 제거하기 위해 용융제염방법을 택해야 하므로 본 연구에서는 제외하였다. 따라서 본 연구는 소형 금속방사성 폐기물을 효과적으로 제염처리방식의 융합을 통해 제염계수를 향상시키고자 SSRSM(Small-size Radioactive Scrap Metal)의 스마트 제염 장치를 개발하기 위하여 진행되었다.
따라서 본 연구에서는 자성연마재가 제염대상물인 금속방사성폐기물과 물리적 운동을 통해서 오염부위를 효과적으로 제거할 수 있도록 ㈜액트에서 “자기장을 이용한 제염장치 개발 과제”를 통해 발표된 자성연마재(크기 2.2 mm(φ)×5.0 mm(L)) 및 운전조건을 참고하고 본 연구를 통해 기존 제염장치를 개선하여 금속방사성폐기물에 효과적인 자기장제염 운전조건을 도출하고자 한다.
본 연구에서는 국내 · 외에서 다양하게 활용되는 금속방사성폐기물 제염기술 중에서 자기장 제염 및 초음파제염기술의 요소기술을 융합하고 개선하여 좀더 높은 제염계수와 제염과정에서 발생되는 2차 폐기물 발생량을 최소화할 수 있는 경제성이 높은 제염장치를 개발하게 되었으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 기존의 제염장치를 개선하여 금속방사성폐기물에 대한 제염계수를 증가시킬 수 있는 효과적인 운전조건 등을 도출하기 위하여, ㈜액트에서 “자기장을 이용한 제염장치 개발 과제”를 통해 발표된 자성연마재(크기 2.2 mm(Φ)×5.0 mm(L)) 및 운전조건을 참조하였다[11].
본 연구에서는 원자력이용시설의 운영 중에 발생한 오염된 소형 금속방사성폐기물을 대상으로 제염연구를 진행하였다. Fig.
이러한 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 방법으로 본 연구는 하나의 제염방식이 아닌 두 개의 장치를 융합한 제염장치를 활용하여 100%에 가까운 제염효율을 얻을 수 있도록 하고 제염공정으로 인한 2차 폐기물 발생량을 최대한 억제할 수 있는 융합 제염장치 개발을 통해 효과적으로 감용 가능한 제염공정을 도출하기 위한 실험을 실시하게 되었다.
이에 따라 자성연마재를 사용하는 자기장 제염과 초음파 제염방법을 융합하고 전 처리를 겸한 선행제염방식의 선정이 중요하므로 개선 전 · 후 자기장 및 초음파의 제염결과로부터 각 제염계수값을 토대로 운전조건 별로 효과적인 제염 순서를 선정 하고자 하였다[8-14].

제안 방법

금속방사성폐기물 제염 전, 후의 오염도는 현재 영광 제2 발전소에서 사용중인 Table 2의 측정기로 측정한 후 제염계수를 산출하였고, 본 연구에서는 유리성오염과 고착성오염 제거효과 를 산출하기 위한 목적이므로 핵종분석기는 활용하지 않았다. 또한 제염 후 측정결과에서 잔류 방사능이 백그라운드(BKG)이하라는 것은 자연방사능과 같은 수준이라는 의미이며, 본 연구에서 핵종분석을 배제하였기에 정량적인 잔류방사능 표현 없이 백그라운드라는 용어를 사용하였다.
Table 5는 실험대상 금속방사성폐기물의 제염 전, 후 결과값을 나타내었으며, 이 표를 참조하면 제염 후 금속방사성폐기물의 오염도는 95% 이상이 제거 되었음을 확인할 수 있었다. 또한 고압 세척 시 발생되는 제염폐액이나 초음파세정액, 자성연마재 등에 처리가 어려운 첨가 물질이 없으므로 Fig. 13과 같은 필터로 재순환시켜 계속 사용함으로써 제염 후 예상되는 2차 폐기물량을 최소화 하고, 2차폐기물 처리에 소요되는 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있도록 실험설비 구성을 마무리 하였다.
그러므로 제염순서는 자기장제염을 선행하고, 초음파장치로 제염하는 것이 높은 제염계수를 얻을 수 있다고 판단되었다. 또한 오염확산을 방지하는 목적으로 초음파제염 후 제염대상물에 묻은 물기로 인한 전이가능성을 배제하기 위해 높은 압력의 에어와 살수로 3차 제염을 하고 최종 마무리로 열풍으로 건조하는 방법을 선택하였다.
본 연구에서 자기장이나, 초음파 제염대상 시편의 오염도 및 오염상태에 대한 표준화 정량화 등 동일한 조건의 시료로 실험과 비교결과를 도출하는 것이 바람직하나, 본 연구에서는 현재 원자력이용시설에서 발생된 소형금속방사성폐기물을 대상으로 하였기 때문에 정량적인 오염제거계수 비교를 할 수 없었으며, 실험결과값의 신뢰성을 위해 최대한 비슷한 조건에서 발생된 크기와 형태의 시료를 수집하였고, 파이프류는 절단 하여 사용하였다.
6 은 개선된 초음파 제염장치를 보여준다. 왼쪽은 종래의 장치 모습이고, 오른쪽은 개선된 장치의 모습이며 금속방사성폐기물의 표면에 초음파의 접촉면적을 높이기 위해, 초음파 발생기의 위치를 측면과 하부에 설치하여 수조 내 초음파 도달거리를 중첩되게 하였고, 와류로 인한 제염효과를 고려하여, 수조 내에 위치한 금속방사성폐기물을 상하운동이 가능한 리프트에 탑재할 수 있도록 설계하여 제염계수를 높일 수 있도록 하였다.
자기장제염장치의 운전조건은 제염효율이 가장 높은 조건을 적용하여, 기동시간 15분, 자성연마재 크기 2.2 mm(φ)×5.0 mm(L), 회전수 1,500 rpm, 자기장의 세기 0.1 Tesla이고, 초음파제염장치의 운전조건은 기동시간 15분, 주파수 29 kHz, 전류 4 A, 수조온도 35℃ 로 적용하고, 실험을 진행하였다[11].
0 mm(L)) 및 운전조건을 참조하였다[11]. 주요 개선내용은 Fig. 3과 같이 자성의 N극과 S극을 원판에 번갈아 설치하여 회전시킴으로써 자석의 N, S극이 교류형태의 운동을 하도록 하여 자성연마재의 운동을 극대화하고, 또한 자석 원판 1개를 운영하였을 경우 Fig. 3과 같이 사각형의 제염조에서 제염조와 자석원판의 기하학적 구조로 인한 제염대상물 미 접촉 부분인 각의 가장자리에 자기장원판을 도달시키기 위해 Fig. 4의 개선 후 모형같이 2개의 원판을 설치하고 수평운동장치를 추가로 설치한 후 수평으로 왕복운동 함으로서, 사각의 제염조 내 제염대상물의 미 접촉 부분이 생기지 않도록 개선하여 제염계수를 높일 수 있도록 하였다.

대상 데이터

Fig. 8은 본 연구에서 활용된 실험 장치이며, 본 실험장치는 기존장치를 개선한 자기장 제염장치(자장원판 2개, 수평운동장치), 제어부, 초음파제염장치(측면 및 하부 초음파 발생기, 상하운동 리프트) 와 보조 장치인 세정 및 열풍건조장치로 구성되었다.
본 연구의 실험에 이용된 실험대상물은 국내 원자력이용 시설에서 시설운영 중에 발생된 금속방사성폐기물이고, 실험수행은 영광원자력 제 2 발전소 내에서 방사선안전 팀의 협조아래 이루어 졌으며, 금속방사성폐기물의 길이는 가장 긴 것이 1 m 미만이었다. 또한 동일한 조건의 시료수집이 어려워 제염계수 비교를 위해 본 연구에서는 주로 30 cm 미만의 시료를 대상으로 실험하였다. 본 실험은 금속방사성폐기물의 자체처분 조건의 만족여부를 확인하는 차원에서 수공구, 기어, 알미늄 캡, 파이프, 판금 등의 다양한 종류를 포함시켰으며(Fig.
본 연구의 실험에 이용된 실험대상물은 국내 원자력이용 시설에서 시설운영 중에 발생된 금속방사성폐기물이고, 실험수행은 영광원자력 제 2 발전소 내에서 방사선안전 팀의 협조아래 이루어 졌으며, 금속방사성폐기물의 길이는 가장 긴 것이 1 m 미만이었다. 또한 동일한 조건의 시료수집이 어려워 제염계수 비교를 위해 본 연구에서는 주로 30 cm 미만의 시료를 대상으로 실험하였다.

성능/효과

(1) 본 자기장, 초음파 융합장치는 기존의 장치보다 경제성이 높은 제염계수(융합 전 2.8~7.5, 융합 후 18~56)를 얻었다. 또한 제염공정에서 발생된 자성연마재와 초음파세정 액, 고압살수제염 폐액등의 2차 폐기물을 재활용이 가능하도록 필터를 장착하여 경제성을 향상시켰다.
(2) 본 자기장, 초음파 융합 제염장치는 오염종류에 따라 자기장제염, 초음파제염 및 융합제염의 3 가지 선택제염으로 제염성능을 향상시킬 수 있다고 판단됨.
(3) 효과적인 제염을 위해서는 제염대상에 따라 자성연마재의 크기, 회전수 및 작동 시간, 주파수와 전류의 선정(제염시간 : 15분, 주파수 : 29 kHz, 전류 : 4 A, 물 온도 : 35℃, 회전수 : 1,500 rpm, 자성연마재 크기 : 2.2 mm(φ)×5.0 mm(L), 자기장의 세기: 0.1 Tesla)이 중요하고, 또한 제염순서(1차 자기장제염, 2차 초음파제염)가 중요하다고 판단된다.
Table 1 은 오염제거방식 별 성능 및 단점을 나타내었다[3]. Table 1에서 화학적 방식 및 전기분해방식은 오염제거 성능이 우수하지만 2차 폐기물이 발생되어 본 연구에의 적용을 배제하였고, 건조 및 초 임계 방식도 오염제거 효율이 좋다. 하지만 높은 장치비용으로 인해 적용을 배제하였다.
9, 10과 같이 개선전의 자기장, 초음파 각각의 제염계수보다 개선 후 약 4 ~5배 정도 향상된 제염결과를 얻을 수 있었지만, 각 제염장치를 개선한 결과값 역시 만족할 만한 수준은 아니었다. 가장 큰 이유는 자기장을 이용한 제염장치의 경우 자기력을 통한 자성연마재의 자전과 공전을 이용하여 제염대상 금속방사성폐기물을 제염처리 하는데 오염된 표면과 미세한 틈이나 볼트의 홈에 붙어있는 고착성 오염도에 대한 제염효과는 좋으나, 자성을 띄는 제염대상물에 대한 제염은 불가능하였고, 초음파 제염의 경우 비교적 제거가 용이한 유리성 표면오염에 대한 제염효과는 좋으나, 금속표면에 강하게 고착이 되었을 경우 그 오염을 완전히 제거하기 힘든 근원적인 단점을 보였다.
개선 전 자기장을 이용한 제염방법과 초음파를 이용한 각각의 제염방법으로 실험한 결과 제염계수 최대값은 자기장이 2.8, 초음파가 7.5 정도 측정되었다. 따라서 각각의 장치에 대한 제염계수의 한계를 상승시킬 목적으로 새롭게 고안한 자기장 제염장치(자장원판 2개, 수평운동 장치 추가), 초음파제염장치(측면 및 하부 초음파 발생기, 상하운동 리프트 추가)를 기존의 제염에 활용되었던 비슷한 종류의 금속방사성폐기물을 대상으로 각각 제염한 결과 개선 후 제염계수 최대값은 자기장이 12.
그러므로 제염순서는 자기장제염을 선행하고, 초음파장치로 제염하는 것이 높은 제염계수를 얻을 수 있다고 판단되었다. 또한 오염확산을 방지하는 목적으로 초음파제염 후 제염대상물에 묻은 물기로 인한 전이가능성을 배제하기 위해 높은 압력의 에어와 살수로 3차 제염을 하고 최종 마무리로 열풍으로 건조하는 방법을 선택하였다.
기존 및 개선된 제염장치 모두 동일한 제염조건을 적용하여 측정하였으며, 비교결과 기어 등 홈이 많은 시료의 제염계수가 저조한 반면에, 플레이트, 스패너 등 비교적 표면이 평탄한 시료에 대한 제염계수가 높게 측정되었다. Fig.
Table 3에서 기존의 자기장 제염장치와 개선된 자기장 제염장치의 제염계수를 비교하였다. 기존 및 개선된 제염장치 모두 동일한 제염조건을 적용하여 측정하였으며, 측정결과 기존장치의 제염계수는 2.8이며, 개선된 장치의 제염계수는 12.8이다. Fig.
5 정도 측정되었다. 따라서 각각의 장치에 대한 제염계수의 한계를 상승시킬 목적으로 새롭게 고안한 자기장 제염장치(자장원판 2개, 수평운동 장치 추가), 초음파제염장치(측면 및 하부 초음파 발생기, 상하운동 리프트 추가)를 기존의 제염에 활용되었던 비슷한 종류의 금속방사성폐기물을 대상으로 각각 제염한 결과 개선 후 제염계수 최대값은 자기장이 12.8, 초음파가 18 정도 측정되었고, Fig. 9, 10과 같이 개선전의 자기장, 초음파 각각의 제염계수보다 개선 후 약 4 ~5배 정도 향상된 제염결과를 얻을 수 있었지만, 각 제염장치를 개선한 결과값 역시 만족할 만한 수준은 아니었다. 가장 큰 이유는 자기장을 이용한 제염장치의 경우 자기력을 통한 자성연마재의 자전과 공전을 이용하여 제염대상 금속방사성폐기물을 제염처리 하는데 오염된 표면과 미세한 틈이나 볼트의 홈에 붙어있는 고착성 오염도에 대한 제염효과는 좋으나, 자성을 띄는 제염대상물에 대한 제염은 불가능하였고, 초음파 제염의 경우 비교적 제거가 용이한 유리성 표면오염에 대한 제염효과는 좋으나, 금속표면에 강하게 고착이 되었을 경우 그 오염을 완전히 제거하기 힘든 근원적인 단점을 보였다.
따라서 이러한 근원적인 단점을 극복하기 위하여 제염방식의 융합을 시도하였고, 자기장의 장점과 초음파의 장점을 최대한 활용하여, 고착화된 오염입자들을 Fig. 11과 같이 자기장 제염장치의 자성연마재 운동에 의해 들뜨게 하여 금속방사성폐기물 표면에 대한 불림 및 전 처리효과를 상승시킨 후, 곧바로 초음파제염을 실시한 결과 Table 5, Fig. 12와 같이 백그라운드값(BKG) 이하의 제염결과를 얻을 수 있었고, 융합제염 결과 제염계수는 약 18~56까지 상승하였다.
금속방사성폐기물 제염 전, 후의 오염도는 현재 영광 제2 발전소에서 사용중인 Table 2의 측정기로 측정한 후 제염계수를 산출하였고, 본 연구에서는 유리성오염과 고착성오염 제거효과 를 산출하기 위한 목적이므로 핵종분석기는 활용하지 않았다. 또한 제염 후 측정결과에서 잔류 방사능이 백그라운드(BKG)이하라는 것은 자연방사능과 같은 수준이라는 의미이며, 본 연구에서 핵종분석을 배제하였기에 정량적인 잔류방사능 표현 없이 백그라운드라는 용어를 사용하였다.
5, 융합 후 18~56)를 얻었다. 또한 제염공정에서 발생된 자성연마재와 초음파세정 액, 고압살수제염 폐액등의 2차 폐기물을 재활용이 가능하도록 필터를 장착하여 경제성을 향상시켰다.
9는 기존의 자기장 제염장치와 개선된 자기장 제염장치의 제염계수 그래프이다. 모든 그룹은 개선된 자기장 제염장치에서 약 4배 정도 높은 성능을 확인하였다.
모든 그룹은 개선된 초음파 제염장치에서 3∼5배 정도 높은 성능을 확인하였다.
하지만 높은 장치비용으로 인해 적용을 배제하였다. 자기장방식 및 초음파방식 각각의 물리적 제염효율은 낮은 반면에 2차 폐기물이 거의 발생하지 않아 이 두 가지 방식을 융합한다면 높은 제염계수와 2차 폐기물 발생량 저감에 따른 경제적 시너지 효과의 가능성이 있다고 판단되었다.

후속연구

본 연구에서는 방사능 오염제거가 가능한 유리성 및 고착성 오염물인 소형 금속방사성폐기물을 대상으로 오염제거 실험을 실시하였고, 방사화된 금속방사성폐기물의 경우 오염을 제거하기 위해 용융제염방법을 택해야 하므로 본 연구에서는 제외하였다. 따라서 본 연구는 소형 금속방사성 폐기물을 효과적으로 제염처리방식의 융합을 통해 제염계수를 향상시키고자 SSRSM(Small-size Radioactive Scrap Metal)의 스마트 제염 장치를 개발하기 위하여 진행되었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초음파 세정은 무엇을 사용하는가?	초음파 세정은 일반적인 수용액 안에서 고주파 음파를 사용한다. 미세한 캐비테이션 기포는 금속, 플라스틱, 유리, 고무, 세라믹 내의 작은 틈새나 구멍 사이로 파고들어 그 기포가 깨지면서 발생된 압력으로 오염물을 제거한다.
	소형의 금속방사성폐기물들로부터 오염물의 제거가 확실히 된다면 어떠한 이점이 있는가?	소형의 금속방사성폐기물들로부터 오염물의 제거가 확실히 된다면 재활용 등의 방법으로 이들을 자원화 할 수 있는 경제적인 이점이 있다. 이에 따라 금속방사성폐기물 제염 기술이 다양하게 연구개발 되고는 있지만 어느 하나의 단일 종류의 제염장치에서 오염된 방사성물질을 100% 제거하기는 어려울 것으로 보인다.
	다중 제염장치의 기능은?	원자력이용시설에서 발생한 작은 크기의 금속 조각들을 효과적으로 제염하는 스마트 장치를 개발하였다. 이 장치는 자성연마재를 포함한 영역의 자속밀도를 연속적으로 변화시키는 방법과 초음파를 이용하는 다중 제염장치이다.

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