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계통 내 침적된 산화막 제거를 위한 과망간산/옥살산 기반의 화학제염 공정연구
Study on Chemical Decontamination Process Based on Permanganic Acid-Oxalic Acid to Remove Oxide Layer Deposited in Primary System of Nuclear Power Plant 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.17 no.1, 2019년, pp.15 - 28  

김초롱 (한국수력원자력(주) 중앙연구원) ,  김학수 (한국수력원자력(주) 중앙연구원)

초록
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고리 1호기는 원전해체 계획에 따라 영구정지 이후 가능한 한 빠른 시일 내에 원자로냉각재계통의 화학제염을 수행할 계획으로, 계통제염 기술 확보를 위해 한수원에서는 2014년부터 '원전 해체설계를 위한 냉각재계통 및 기기제염 상용기술개발' 연구과제를 통해 화학제염기술을 개발하고 있다. 본 연구를 위해 Lab. 규모 계통제염 공정장치를 제작하였으며, 계통제염 대상의 주요재료인 STS304, 316, 410, Alloy600, SA508을 사용하여 화학제염 공정실험을 수행하였다. 화학제염 공정실험의 목적은 산화-환원공정의 최적시간, 최적제염제 및 공정횟수를 도출하기 위함이다. 화학제염 공정실험은 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 및 연속공정 실험, 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험으로 나누어 수행하였다. 그 결과 단위공정실험을 통해 최적공정 시간인 산화공정 5시간, 환원공정 4시간을 도출하였으며, 연속공정실험을 통해 최적제염제와 공정횟수를 도출하였다. 최적제염제는 산화제의 경우 $200mg{\cdot}L^{-1}$ 과망간산 + $200mg{\cdot}L^{-1}$ 질산이고, 환원제$2000mg{\cdot}L^{-1}$ 옥살산이며, 공정횟수는 STS304와 SA508의 경우 2 cycle, Alloy600의 경우 3 cycle 이상 수행하는 것이 적절할 것으로 평가되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In accordance with the decommissioning plan for the Kori Unit 1 NPP, the reactor coolant system will be chemically decontaminated as soon as possible after permanent shutdown. This study developed the chemical decontamination process though the development project of decontamination technology of re...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 약품주입탱크를 통해 각 공정에 맞게 제염제(과망간산, 옥살산)를 주입시키고, 주입된 제염용액은 펌프를 사용하여 희석 및 순환시켰다. 1시간 간격으로 시료를 채취하며, 채취된 시료는 ICP-OES를 사용하여 철, 크롬, 니켈이온의 농도를 분석하였다. 제염공정 후 거치대에서 시편을 제거한 후 표면의 불순물을 제거하기 위해 초순수에 넣어 초음파 세척을 20분간 수행한 후 부식시편의 무게를 3회 측정하였으며, 모사시편에 대해 Videoscope를 사용하여 표면분석을 수행하였다.
  • 각 시편의 제염 전 산화막 양은 GDS 분석을 통해 얻는 계산값이며, 제거된 산화막의 양은 제염 전·후 무게 차를 통해 도출하였다.
  • 화학제염 공정실험은 3가지로 나누어 수행하였으며, 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험 및 연속공정 실험 그리고 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 수행하였다. 각 실험에서 산화막 제거율을 평가하며, 단위공정 실험을 통해 공정시간을 도출하고, 연속공정 실험을 통해 최적 화학제염제 및 공정횟수를 도출하였다.
  • 3에 나타내었다. 거치된 시편은 단위공정의 경우 STS304, SA508, Alloy600, STS316, STS410을 6개씩 한번에 거치하였으며, 연속공정의 경우 이후 STS304, SA508, Alloy600을 10개씩 총 30개를 거치하였다. 약품주입탱크를 통해 각 공정에 맞게 제염제(과망간산, 옥살산)를 주입시키고, 주입된 제염용액은 펌프를 사용하여 희석 및 순환시켰다.
  • 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험결과를 통해 도출된 공정시간을 사용하여 과망간산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 수행하였으며, 산화막 제거율을 평가한 결과를 Table 8과 Fig. 10에 나타내었다. 1 cycle 수행 후 각 모사시편의 산화막 제거율은 STS304의 경우 50%, SA508의 경우 75%, Alloy600의 경우 23%로 나타났으며, 3 cycle 수행 후 STS304의 경우 95.
  • 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험에서 산화막 제거율을 평가하기 위해 산화공정 48시간, 환원공정 24시간 수행하였으며, 이때 제염 전·후의 시편 무게를 측정한 결과를 Table 6에 나타내었다.
  • 과망간산-옥살산 기반의 단위공정의 경우 STS304, STS 316, STS410, SA508, Alloy600을 사용하여 실험을 수행하였으며, 제염 전·후 모사시편의 GDS 분석결과를 통해 모사시편의 산화막 두께 및 성분함량을 도출한 결과를 Table 3과 Fig. 4에 나타내었다.
  • 과망간산-옥살산 연속공정 실험에서 Alloy600의 산화막이 모두 제거되지 않은 것을 보완하기 위해 산화공정 시 질산을 추가하였다. 산화공정의 경우 과망간산-옥살산 연속공정에서 사용한 과망간산(300 mg·L-1) 농도보다 낮은 200 mg·L-1의 과망간산에 200 mg·L-1의 질산을 추가하였고, 환원공정은 2000 mg·L-1의 옥살산을 사용하였다.
  • Lab.규모 계통제염 공정개발 장치를 사용하여 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험 및 연속공정 실험 그리고 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 수행하였다. 공정실험은 3가지로 나누어 수행하였으며, 실험조건은 Table 2 와 같다.
  • 본 연구에서는 계통재료 중 가장 넓은 면적을 차지하는 Stainless 계열, Alloy계열, 탄소강을 사용하여 Lab.규모 계통제염 공정개발 장치를 통해 화학제염공정 실험을 수행하였다. 화학제염 공정실험은 3가지로 나누어 수행하였으며, 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험 및 연속공정 실험 그리고 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 수행하였다.
  • 반응시간에 따른 금속이온의 용출량을 평가하기 위해 제염공정 시 1시간 간격으로 시료를 샘플링하여, ICP-OES를 사용하여 철, 크롬, 니켈이온을 분석하였으며, 그 결과를  Fig.
  • 방냉한 시편들을 미세 저울로 각 3회씩 무게를  측정하여 기록하며.
  • 본 연구에 사용된 모사시편의 제염 전 두께 및 산화막 조성을 분석하기 위해 글로우방전분광 광도계(Glow Dis-charge Spectrometer, GDS850A, Leco)를 사용하여 분석을 수행하였으며, 이 때, RF 생성기의 압력 파워는 56 W, 압력은 700 Pa로 설정하였다. 이를 통해 각 시편별 모사된 산화막의 양과 산화막 조성을 확인할 수 있다.
  • 본 연구에서는 다양한 화학제염 실험조건을 통해 산화막 제거율을 평가하였으며, 각 실험결과를 통해 공정시간, 최적 산화제 및 공정횟수를 도출하였다. 단위공정 실험을 통해 공정시간을 도출한 결과, 산화공정 5시간, 환원공정 4시간 수행하는 것이 적절한 것으로 판단되었다.
  • 산화막 내 금속별 용출량을 확인하기 위해 실험 중에  채취한 샘플을 ICP-OES를 사용하여 정량분석을 수행하였으며, 이를 통해 각 cycle 당 용출된 산화물의 양을 도출하였다.
  • 계통 내 크롬 산화막을 제거하기 위해 산화제를 제조하였다. 산화제는 pH 조절제인 질산을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우 두 가지로 나누어 제조하였다. 과망간산 용액의 제조는 뷰렛(350 mL)에 강산성양이온수지를 충진한 뒤, 유리섬유로 수지를 막아주고 물로 여러 번 세척한 후 15.
  • 거치된 시편은 단위공정의 경우 STS304, SA508, Alloy600, STS316, STS410을 6개씩 한번에 거치하였으며, 연속공정의 경우 이후 STS304, SA508, Alloy600을 10개씩 총 30개를 거치하였다. 약품주입탱크를 통해 각 공정에 맞게 제염제(과망간산, 옥살산)를 주입시키고, 주입된 제염용액은 펌프를 사용하여 희석 및 순환시켰다. 1시간 간격으로 시료를 채취하며, 채취된 시료는 ICP-OES를 사용하여 철, 크롬, 니켈이온의 농도를 분석하였다.
  • 9와 Table 7에 나타내었다. 이때 용출된 금속이온의 경우 거치된 모사시편(STS304, 316, 410, Alloy600, SA508) 에서 용출된 금속이온으로 분석결과를 통해 적정공정시간을 도출하였다. 그 결과 산화공정의 경우 5시간 이내에 완료되고, 이때 크롬이온이 0.
  • 2와 같이 제작하였다[4,5,6]. 장치의 주요구성은 계통제염대상을 구현한 반응조, 제염제(산화제/환원제)를 저장 및 주입할 수 있는 약품주입탱크, 반응조의 온도 유지를 위한 Pre-heater와 Condenser, 제염제 순환을 위한 순환용 펌프, pH/전도도/ORP/유량 등을 감시할 수 있는 제염제 수화학 모니터링 기기로 구성하였다.
  • 과망간산-옥살산 기반의 연속공정과 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정의 경우 STS304, SA508, Alloy600을 사용하여 실험을 수행하였다. 제염 전 각 시편을 GDS를 사용하여 재질에 따른 산화막 두께와 산화막 구성함량을 분석하였으며, 그 결과를 Table 4와 5, Fig. 5에 나타내었다. STS304의 경우 산화막 두께가 약 9 μm로 나타났으며, SA508의 산화막 두께는 21 μm, Alloy600의 산화막 두께는 6.
  • 제염 전·후 모사시편의 표면 분석에 Videoscope (Industrial videoscope system, Sometech)를 사용하였으며, 이때 표면 분석 배율은 각각  60배 및 500배로 조절하였다.
  • 제염 전·후의 모사시편의 산화막 두께 및 두께별 성분 함량(%)을 분석하기 위해 글로우방전분광 광도계(GDS)를 사용하였으며, 모사시편은 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험과 연속공정 실험의 시편으로 나누어 분석하였다.
  • 제염 전·후의 무게 차를 통해 모사시편 표면의 산화막 제거율과 제염계수를 평가하였다.
  • 제염 후 모사시편별 표면을 분석하기 위해 Videoscope를 사용하였으며, 이때 표면분석배율은 60배, 500배로 조절하였다.
  • 공정실험은 3가지로 나누어 수행하였으며, 실험조건은 Table 2 와 같다. 제염공정 수행 전 모사시편의 불순물을 제거하기 위해 아세톤에 넣어 초음파 세척을 5분간 수행한 후 부식시편의 무게를 3회 측정하여 기록하고, Videoscope를 사용하여 표면을 촬영하였다. 측정이 완료된 시편들을 거치대에 거치시키고 Lab.
  • 초음파 세척한 시편은 미세저울(XS204, METTLER TOLEDO)을 사용하여 각 3회씩 0.1 mg까지 측정하여 기록하였으며, 제염공정 후 시편을 초순수에 넣어 초음파 세척을 20분간 수행한 뒤 데시케이터에 넣어  보관하였다.
  • 규모 계통제염 공정개발 장치를 통해 화학제염공정 실험을 수행하였다. 화학제염 공정실험은 3가지로 나누어 수행하였으며, 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험 및 연속공정 실험 그리고 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 수행하였다. 각 실험에서 산화막 제거율을 평가하며, 단위공정 실험을 통해 공정시간을 도출하고, 연속공정 실험을 통해 최적 화학제염제 및 공정횟수를 도출하였다.
  • 화학제염공정 실험을 통해 산화막 내 금속 용출량, 산화/환원 공정의 적정 공정시간, 연속공정 시 적정 공정횟수 등을 도출하였다.

대상 데이터

  • 계통 내 크롬 산화막을 제거하기 위해 산화제를 제조하였다. 산화제는 pH 조절제인 질산을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우 두 가지로 나누어 제조하였다.
  • 해체를 위한 계통 제염 대상은 원자로압력용기, 증기발생기, 가압기, 화학 및 체적제어계통, 잔열제거계통 및 주요배관으로 원자력발전소 일차계통이 된다. 계통제염 대상의 주요 재료는 오스테나이트 스테인리스강(Type304, 316, A-286)과 니켈합금(Alloy600, 690, X-750, 718)이 사용되며, 증기발생기 전열관은 Alloy600과 690, 가압기 히터와 가압기 계측 노즐 등은 Alloy82, 182 등이 사용된다. 일반적으로 경수로형 원전의 구조재료 내부표면에 형성된 산화막은 Fig.
  • 과망간산-옥살산 기반의 연속공정과 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정의 경우 STS304, SA508, Alloy600을 사용하여 실험을 수행하였다. 제염 전 각 시편을 GDS를 사용하여 재질에 따른 산화막 두께와 산화막 구성함량을 분석하였으며, 그 결과를 Table 4와 5, Fig.
  • 실험장치는 고리1호기의 예상체적(200 m3)을 바탕으로 규모를 약 1/27,000으로 축소하여 Fig. 2와 같이 제작하였다[4,5,6]. 장치의 주요구성은 계통제염대상을 구현한 반응조, 제염제(산화제/환원제)를 저장 및 주입할 수 있는 약품주입탱크, 반응조의 온도 유지를 위한 Pre-heater와 Condenser, 제염제 순환을 위한 순환용 펌프, pH/전도도/ORP/유량 등을 감시할 수 있는 제염제 수화학 모니터링 기기로 구성하였다.

데이터처리

  • 1시간 간격으로 시료를 채취하며, 채취된 시료는 ICP-OES를 사용하여 철, 크롬, 니켈이온의 농도를 분석하였다. 제염공정 후 거치대에서 시편을 제거한 후 표면의 불순물을 제거하기 위해 초순수에 넣어 초음파 세척을 20분간 수행한 후 부식시편의 무게를 3회 측정하였으며, 모사시편에 대해 Videoscope를 사용하여 표면분석을 수행하였다. 단위공정의 경우 GDS 분석을 통해 모사시편의 산화막 잔존여부를 확인할 수 있다.

이론/모형

  • 제조된 과망간산의 전환율을 확인하기 위해 강산성양이온수지의 통과 전·후의 pH를 측정하고, 유도결합플라즈마 발광광도법(ICP-OES, Prodigy High Dispersion ICP, Teledyne Leeman Labs, USA)을 사용하여 칼륨이온을 측정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
원자력발전소 해체 작업 전 제염을 해야하는 이유는? 해체를 위한 계통제염은 국외 여러 원전에서 수행한 사례가 있으나, 국내에서는 계통제염 경험이 전무한 상태로 고리 1호기 해체를 위한 계통제염 공정 기술 개발이 시급하다[1]. 원자력발전소의 경우 가동년수가 증가함에 따라 원자로에서 발생된 방사성 물질이 냉각재계통 표면에 부식산화막 형태로 침적되어 방사선준위가 높아진다. 이에 따라 해체 작업 시 작업자의 과중한 방사선 피폭을 초래하게 되기 때문에 해체 작업 전 제염을 통해 부식산화막을 제거하여 방사선 준위를 낮출 필요가 있다. 해체를 위한 계통 제염 대상은 원자로압력용기, 증기발생기, 가압기, 화학 및 체적제어계통, 잔열제거계통 및 주요배관으로 원자력발전소 일차계통이 된다.
원자로 해체를 위한 계통 제염 대상은 무엇인가? 이에 따라 해체 작업 시 작업자의 과중한 방사선 피폭을 초래하게 되기 때문에 해체 작업 전 제염을 통해 부식산화막을 제거하여 방사선 준위를 낮출 필요가 있다. 해체를 위한 계통 제염 대상은 원자로압력용기, 증기발생기, 가압기, 화학 및 체적제어계통, 잔열제거계통 및 주요배관으로 원자력발전소 일차계통이 된다. 계통제염 대상의 주요 재료는 오스테나이트 스테인리스강(Type304, 316, A-286)과 니켈합금(Alloy600, 690, X-750, 718)이 사용되며, 증기발생기 전열관은 Alloy600과690, 가압기 히터와 가압기 계측 노즐 등은 Alloy82, 182 등이 사용된다.
AP 공정의 단점은? AP 공정의 경우 1000 mg·L-1의 과망간산칼륨(KMnO4)과 100 mg·L-1의 수산화나트륨(NaOH)의 희석용액으로 이루어지며 pH는 10~11이고, 소요시간은 6~12 시간이다. 고 pH에서는 이산화망간(MnO2) 생성을 최소화하나 부식속도가 느리고 부식률이 낮은 단점이 있다. NP 공정의 경우 1000 mg·L-1의 과망간산칼륨과 200 mg·L-1의 질산의 희석용액으로 이루어지며, pH는 3~4이고, 소요시간은 4~8 시간이다.
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참고문헌 (9)

  1. T. Terachi, T. Yamada, T. Miyamoto, K. Arioka, and K. Fukuya, "Corrosion Behavior of Stainless Steels in Simulated PWR Primary Water -Effect of Chromium Content in Alloys and Dissolved Hydrogen-", J. Nucl. Sci. Technol., 45(10), 975-984 (2008). 

  2. H. Ocken, Decontamination Handbook, Economic Policy Research Institute Report, TR-112352 (1999). 

  3. R. McGrath, Jose Cabrera Nuclear Power Plant Full System Chemical Decontamination Experience Report, Economic Policy Research Institute Report, 21-43, TR-1019230 (2009). 

  4. T.A. Beaman and J.L. Smee, Evaluation of the Decontamination of the Reactor Coolant Systems at Maine Yankee and Connecticut Yankee, Economic Policy Research Institute Report, TR-112092 (1999). 

  5. D. Well, Recent Chemical Decontamination Experience, Economic Policy Research Institute Report, 3002000555 (2013). 

  6. D.H. Lee, Analysis of Basic Requirements for Kori-1 Full System Decontamination, Korea Hydro & Nuclear Power Central Research Institute Report, 2015-50003339-0488TC (2015). 

  7. H.C. Kwon, The Manufacture Methods of Artificial Oxide Film on the Material for Decontamination of RCS (Reactor Coolant System), Korea Hydro & Nuclear Power Central Research Institute Report, 2016-50003339-0526TC (2016). 

  8. J.H. Carter, "Corrosion and Passivation Studies on PWR Primary Materials to Reduce Corrosion Product Activity", Nucl. Energy, 24(1), 45-52 (1985). 

  9. J.Y. Jung, S.Y. Park, H.J. Won, W.K. Choi, J.K. Moon, and S.J. Park, "Crevice Corrosion Properties of PWR Structure Materials Under Reductive Decontamination Conditions", J. Nucl. Fuel Cycle Waste Technol., 12(3), 199-209 (2014). 

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