[논문]원전 해체를 고려한 저방사화 결합재 개발

이종석; 민지영; 이장화

문제 정의

특히, 시멘트의 경우 시멘트의 원재료에 포함된 Co와 Eu이 중성자에 의해 방사화가 되는 대표적인 물질이기에 이러한 성분을 최소한으로 포함하는 시멘트가 콘크리트의 결합재가 되어야 한다. 따라서 이 특집에 서는 원전의 사용 기간 이후 방사성폐기물을 줄이기 위한 저 방사화 기술개발을 위하여 원전 구조물 차폐벽에 사용되는 콘크리트 구조물을 위한 새로운 저 방사화 시멘트 결합재에 관한 기술현황에 대하여 소개하고자 한다.

제안 방법

이에 현재 국내에서 상용되는 시멘트에 대한 방사화 물질을 Co와 Eu의 측면에서 분석하였으며, 과 같은 결과를 나타내었다.
따라서 분쇄법에 따른 방사화 유발 원소 함량을 비교하고자 철제 볼 밀과 알루미나 볼 밀을 사용하여 콘크리트를 분쇄한 시료를 대상으로 핵종 원소인 Eu과 Co, 그리고 이들과 밀접한 관련이 있는 화합물로 보고된 AIM와 Fe2O₃ 함량을 비교분석을 하였다.
저 방사화 시멘트 결합재를 제조하면서 주요 핵종인 Co와 Eu의 함량을 줄이는 방향으로 설계하였다.

대상 데이터

한편, 시멘트를 만들기 위하여 사용되는 원재료의 방사화 물질 분석을 위하여와 같이 국내 광산의 광물을 지역 및 생성지층별로 분류한 65개 소에서 샘플을 채취하였으며, 일부 광물은 수입 광물을 포함하였다.

성능/효과

하지만 연구용 원자로 1, 2호기에 대한 해체 경험을 가지고 있다. 이 중 연구용 원자로의 해체에서 발생한 해체폐기물은 모두 2,580톤이며, 이 중 자체처분이 가능한 폐기물은 2,185톤, 방사성 폐기물은 총 해체 폐기물의 약 15.3%인 395톤이 발생하였다. 여기서 콘크리트가 차지하는 비중은 약 70% 정도인 269톤이 발생하였으며, 콘크리트의 방사화 깊이는 약 25 cm 정도로 계 산되었다气 소규모 연구용 원자로가 아닌 대형 상용 원자로를 해체할 경우 방사화 콘크리트 폐기물의 양은 훨씬 커지게 되며 이에 따른 막대한 비용과 노력이 소요될 것으로 추정된다.
백색시멘트의 경우 Eu과 C。모두의 함량이 가장 적어 저방사화 결합재로 적합함을 확인할 수 있었다.
시멘트 공장에서 고품위 석회석으로 분류된 #1의 경우 Co와 Eu 함량이 0.065 ppm, 0.036 ppm으로 가장 낮았으며, 옥천계 내 갑산층 대비로 추정되는 충북 및 전남 지역의 석회석 #15의 경우 Eu의 함량은 0.1 ppm 이하로 낮았으나 Co 함량이 6.627ppm 수준으로 높게 나타났다. 방사화 분석 결과 석회석 내 핵종 함량 차이가 매우 크게 나타나 저방사화 시멘트 원료 선정이 매우 중요함을 알 수 있었으며, 분석을 위한 샘플링 위치에 따른 결과 차이도 발생할 수 있을 것으로 판단하였다.
627ppm 수준으로 높게 나타났다. 방사화 분석 결과 석회석 내 핵종 함량 차이가 매우 크게 나타나 저방사화 시멘트 원료 선정이 매우 중요함을 알 수 있었으며, 분석을 위한 샘플링 위치에 따른 결과 차이도 발생할 수 있을 것으로 판단하였다.
규석의 경우, 중국 및 인도에서 수입된 규석(#1, #4) 의 경우 Co와 Eu이 O.lppm 수준으로 매우 작았으며, 이들의 SiO₂ 함량은 약 98 ~ 100 %로 순도가 매우 높았다. 반면, 국내 옥천계 및 평안계 지층에서 수급된 3규석(#2, 3)의 경우 SiO₂ 함량이 70~ 94%로 낮았으며, Co 함량이 32.
lppm 수준으로 매우 작았으며, 이들의 SiO₂ 함량은 약 98 ~ 100 %로 순도가 매우 높았다. 반면, 국내 옥천계 및 평안계 지층에서 수급된 3규석(#2, 3)의 경우 SiO₂ 함량이 70~ 94%로 낮았으며, Co 함량이 32.360 ppm, 84.110 ppm 수준으로 매우 높을 뿐만 아니라, Eu 함량도 석회석 대비 매우 높게 나타났다. 만약 국내에서 규석을 수급하여 시멘트 원재료로 사용할 경우 저 방사화 측면에서는 의 순도가 높은 것이 불순물의 함량이 적고 이에 따라 Co나 Eu를 함유하고 있을 가능성이 작으므로 유리하다고 판단된다.
납석의 경우, Co 함량이 11~64ppm으로 평균적으로 높게 나타났으며, 편차가 있지만, Eu도 최대 1.730 ppm으로 높게 나타났다. 다양한 성분이 혼입된 변성된 광종인 납석은 C。및 Eu과 같은 핵종이 생성과정에서 혼입될 가능성이 크므로 Co 함량의 측면에서는 저 방사화 재료로 부적합할 것으로 판단된다.
2.2 ~2.3절에서 분석한 결과, 시멘트 결합재의 원재료별 Eu 및 Co 함유량에 있어서 석회석< (백색 시멘트) < 규석< 슬래그< 점토류< 적철광< (보통 포틀랜드시멘트)< 납석< 자철광의 순으로 나타났다.

후속연구

74ppm으로 급격히 증가하였다. 따라서 저 방사화 시멘트를 제조할 경우 원료 분쇄 시부터 Eu과 Co 혼입을 줄이기 위해 알루미나 볼 밀 등을 사용하는 노력이 필요할 것으로 판단된다.
종료된 후 해체 단계에서 나타나게 된다. 즉, 사용 기간이 한정될 수밖에 없는 원자력시설의 폐로 후 해체를 고려할 경우, 신규 원자력시설에 저 방사화 차폐체를 적용하여 설계하면 수명기간 이후의 발생하는 막대한 방사성 폐기물 비용의 절감이 가능할 것이다. 특히, 원자력발전소의 설계수명은 초기 30년으로부터 시작하여 40년을 기본으로 하다가 신형 원전의 경우에 60년으로 귀결되고 있으며, 사용기간 및 계속운전 기간의 증가에 따른 방사화 범위 증가는 막대한 방사성폐기물 처리비용의 요구로 이어질 수 있다.
특히, 원자력발전소의 설계수명은 초기 30년으로부터 시작하여 40년을 기본으로 하다가 신형 원전의 경우에 60년으로 귀결되고 있으며, 사용기간 및 계속운전 기간의 증가에 따른 방사화 범위 증가는 막대한 방사성폐기물 처리비용의 요구로 이어질 수 있다. 따라서 저 방사화 차폐체를 통한 방사성 폐기물 물량의 저감은 필수적이며 이러한 원전 기술의 개발은 원자력발전소의 수출 경쟁력을 높이는 계기가 될 것으로도 기대된다. a

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