중수로 원전 $^{14}C$ 발생 특성 및 이온교환수지에 의한 $^{14}C$ 흡 $\\cdot$착탈 거동 분석 Analysis on the Generation Characteristics of $^{14}C$ in PHWR and the Adsorption and Desorption Behavior of $^{14}C$ onto ion Exchange Resin원문보기
CANBU형 원전에서 $^{14}C$ 핵종은 감속재 계통, 냉각재, 환형기체 및 연료 계통에서 생성된다. 이4가지 계통 중 감속재 계통이 전체 $^{14}C$ 생성의 94.8%를 차지하고 있다. $^{14}C$ 핵종은 용액 내에서 PH에 따라 용존 이산화탄소$^{14}CO_2$), 중탄산 이온($H^{14}{CO_3}^-$), 탄산 이온($^{14}{CO_3}^{2-}$) 및 탄산($H_2^{14}CO_3$)의 형태로 존재하는데, 감속재 계통에서는 PH가 5이상으로서 주로 이산화탄소($^{14}CO_2$), 탄산($H_2^{14}CO_3$) 및 중탄산 이온($H^{14}{CO_3}^-$)으로 존재한다. 본 연구에서는 월성 원전 각 계통에서 사용되고 있는 이온교환수지 현황과 년도별 폐수지 발생현황을 조사하였다. 그리고 월성 원전에서 사용되고 있는 IRN 150 수지의 탄소화합물의 흡$\cdot$탈착 특성을 살펴보기 위해, 중성 pH에서 주로 존재하는 ${HCO_3}^-$ 이온을 IRN 150 수지와 반응시켜 포화시킨 뒤, $NaNO_3$ 와 $Na_3PO_4$ 및 HC1, NaOH의 탈착용액을 선정하여 ${HCO_3}^-$ 이온의 탈착 가능성을 알아보았다. $Na^+$ 이온에 의한 $CO^{2+}$ 이온 및 $Cs^+$이온의 탈착은 거의 발생되지 않았으며, ${NO_3}^-$ 이온 및 ${PO_4}^{3-}$ 이온에 의한 ${HCO_3}^-$ 이온의 탈착은 서서히 진행되었다.
CANBU형 원전에서 $^{14}C$ 핵종은 감속재 계통, 냉각재, 환형기체 및 연료 계통에서 생성된다. 이4가지 계통 중 감속재 계통이 전체 $^{14}C$ 생성의 94.8%를 차지하고 있다. $^{14}C$ 핵종은 용액 내에서 PH에 따라 용존 이산화탄소$^{14}CO_2$), 중탄산 이온($H^{14}{CO_3}^-$), 탄산 이온($^{14}{CO_3}^{2-}$) 및 탄산($H_2^{14}CO_3$)의 형태로 존재하는데, 감속재 계통에서는 PH가 5이상으로서 주로 이산화탄소($^{14}CO_2$), 탄산($H_2^{14}CO_3$) 및 중탄산 이온($H^{14}{CO_3}^-$)으로 존재한다. 본 연구에서는 월성 원전 각 계통에서 사용되고 있는 이온교환수지 현황과 년도별 폐수지 발생현황을 조사하였다. 그리고 월성 원전에서 사용되고 있는 IRN 150 수지의 탄소화합물의 흡$\cdot$탈착 특성을 살펴보기 위해, 중성 pH에서 주로 존재하는 ${HCO_3}^-$ 이온을 IRN 150 수지와 반응시켜 포화시킨 뒤, $NaNO_3$ 와 $Na_3PO_4$ 및 HC1, NaOH의 탈착용액을 선정하여 ${HCO_3}^-$ 이온의 탈착 가능성을 알아보았다. $Na^+$ 이온에 의한 $CO^{2+}$ 이온 및 $Cs^+$이온의 탈착은 거의 발생되지 않았으며, ${NO_3}^-$ 이온 및 ${PO_4}^{3-}$ 이온에 의한 ${HCO_3}^-$ 이온의 탈착은 서서히 진행되었다.
The production of $^{14}C$ occurs in the Moderator(MOD), Primary Heat Transport System (PHTS), Annulus Gas System(AGS) and Fuel in the CANDU reactor. Among the four systems, The MOD system is the largest contributor to $^{14}C$ production(approximately 94.8%). $^{14}C$
The production of $^{14}C$ occurs in the Moderator(MOD), Primary Heat Transport System (PHTS), Annulus Gas System(AGS) and Fuel in the CANDU reactor. Among the four systems, The MOD system is the largest contributor to $^{14}C$ production(approximately 94.8%). $^{14}C$ is distributed of $^{14}CO_2$, $H_2^{14}CO_3$, $H^{14}{CO_3}^-$ and $^{14}{CO_3}^{2-}$ species as a function of the pH of water. Of these species, $H_2^{14}CO_3$ and $H^{14}{CO_3}^-$ form are predominant because the pH of MOD system is ＞ 5. In this paper, adsorption-desorption characteristics of bicarbonate ion (${HCO_3}^-$) by IRN 150 resin was investigated. ${HCO_3}^-$ ion existed in neutral condition(app. pH 7)was reacted with ion exchange resin (IRN-150) and saturated with it. Then $NaNO_3$ and $Na_3PO_4$ solutions selected as extraction materials were used to make an investigation into feasibility of ${HCO_3}^-$ extraction from resin saturated with ${HCO_3}^-$. Desorption of $CO^{2+}$ and $Cs^+$ ion by $Na^+$ ion was not occurred, and desorption of ${HCO_3}^-$ ion by ${NO_3}^-$ and ${PO_4}^{3-}$ was occurred slowly. Also, the status of ion exchange which is used in Wolsong NPPs and generation of spent resin yearly were surveyed.
The production of $^{14}C$ occurs in the Moderator(MOD), Primary Heat Transport System (PHTS), Annulus Gas System(AGS) and Fuel in the CANDU reactor. Among the four systems, The MOD system is the largest contributor to $^{14}C$ production(approximately 94.8%). $^{14}C$ is distributed of $^{14}CO_2$, $H_2^{14}CO_3$, $H^{14}{CO_3}^-$ and $^{14}{CO_3}^{2-}$ species as a function of the pH of water. Of these species, $H_2^{14}CO_3$ and $H^{14}{CO_3}^-$ form are predominant because the pH of MOD system is ＞ 5. In this paper, adsorption-desorption characteristics of bicarbonate ion (${HCO_3}^-$) by IRN 150 resin was investigated. ${HCO_3}^-$ ion existed in neutral condition(app. pH 7)was reacted with ion exchange resin (IRN-150) and saturated with it. Then $NaNO_3$ and $Na_3PO_4$ solutions selected as extraction materials were used to make an investigation into feasibility of ${HCO_3}^-$ extraction from resin saturated with ${HCO_3}^-$. Desorption of $CO^{2+}$ and $Cs^+$ ion by $Na^+$ ion was not occurred, and desorption of ${HCO_3}^-$ ion by ${NO_3}^-$ and ${PO_4}^{3-}$ was occurred slowly. Also, the status of ion exchange which is used in Wolsong NPPs and generation of spent resin yearly were surveyed.
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문제 정의
본 연구에서는 수지에 대해 각 이온이 다르게 갖고 있는 선택도 차이에 의한 폐수지 내 14c의 분리 실험을 수행하였는데 폐수지 내 함께 존재하는 Co* Cs 등의 양이온 핵종은 탈착하지 않고 HCO3 이온만을 폐수지로부터 탈착하여 용액으로 유출시키는 탈착용액을 선정하여 HCO3 이온 의 탈착 가능성을 평가하였다[4]. 또한, 14C의 자연 환경 및 원전에 의한 생성원과 생성량에 대한 조사와 분석도 수행하였다.
가설 설정
1) Na+ 이온에 의한 Co" 및 Cs* 이온의 탈착은 발생하지 않았다.
7mg/g으로 나타났다. 14Ce 안정 원소인 I":보다 존 재비가 10-122 정도 낮지만 수지 lg에 흡착된 5.7mg의 탄소를 이라고 가정하고 방사능을 계산하 면, 0.03 Ci(붕괴상수 X는 3.8 X 10-%s)로서, 즉 IRN 150 수지 lg 당 0.03Ci의 "C을 흡착·제거할 수 있다.
제안 방법
005N NaHCCh+CsCl의 혼합 용액을 제조하여 IRN 150 수지 3g이 충전된 컬럼에 5㎖ /min의 유속으로 C/CO값이 1을 초과할 때까지 주입하였다. CsCl+NaHCCh로 포화시킨 IRN 150 수지에 동일 노르말 농도의 탈착 용액(NaNC>3, Na3PO4 용액 및 HC1, NaOH 용액)을 주입하여 시간에 따른 각 이온의 농도를 측정하였다. 그림 4에 중탄산(HCO3)이온의 홉·탈착 실험 절차를 나타내었다.
그림 4에 중탄산(HCO3)이온의 홉·탈착 실험 절차를 나타내었다. C「, NO3 , PO43 등의 음이온은 Metrohm사의 IC(Ion Chromatography)<, Na+ 이온 및 Co2+, Cs+ 등의 양이온은 Thermo 사의 ICP-MS (Inductively Coupled Plazma-Mass Spectrometer)를 사용하여 분석하였다. 용액 내 HCO3 이온의 농도는 Shimadzu사의 TOC(Total Organic Carbon) Analyzer를 사용하여 용액 내 탄소 농도를 측정한 후 계산하였다.
IRN 150 수지의 탄소 흡착 성능을 조사하기 위해 상온에서 수지 0.5, 1, 2, 5, 10g과 0.005N NaHCO3 용액 l00㎖ 24시간동안 회분식 반응 실험을 수행하였다. 또한 탈착 용액에 의한 HCO3 이온의 탈착 가능성을 평가하기 위해, 동일 노르말 농도의 NaNO3, Na/Qj 용액 및 HC1, NaOH 용액을 탈착 용액으로 선정하였다.
이온 의 탈착 가능성을 평가하였다[4]. 또한, 14C의 자연 환경 및 원전에 의한 생성원과 생성량에 대한 조사와 분석도 수행하였다.
C「, NO3 , PO43 등의 음이온은 Metrohm사의 IC(Ion Chromatography)<, Na+ 이온 및 Co2+, Cs+ 등의 양이온은 Thermo 사의 ICP-MS (Inductively Coupled Plazma-Mass Spectrometer)를 사용하여 분석하였다. 용액 내 HCO3 이온의 농도는 Shimadzu사의 TOC(Total Organic Carbon) Analyzer를 사용하여 용액 내 탄소 농도를 측정한 후 계산하였다.
이렇게 0.005N NaHCO3+CsCl 용액으로 포화된 IRN 150 수지에, 동일 노르말농도의 탈착 용액 을 주입하여 각 이온들의 탈착 거동을 평가하였다. 그림 7는 탈착 용액을 NaNCh로 사용하였을 때 각 이온들의 탈착 거동을 나타내었다.
IRN 150 수지에 대한 탄소화합물의 흡. 탈착 특성을 살펴보기 위해 원전에서 실제 사용되는 H'/OH-혼합형 이온교환수지인 IRN 150 수지에 대해 HCO3- 이온의 흡착 거동을 알아보았다. 또한 HCO3 이온이 흡착되어 있는 폐수지로부터 HCO3 이온을 탈착시키기 위해 NaNO3 및 의 탈착용액을 주입하여 양.
대상 데이터
사용한 시약은 모두 분석용 특급시약으로 14C 핵종을 모사하기 위해 NaHCCh를 사용하였으며 모의 핵종으로 CsCl, C0CI2 . 6H2O과 탈착 용액으로 NaNO3 및 NasPQ을 사용하였다.
PO4 이온의 경우 HCO3「이온 및 NO3 이온과 흡착 site를 경쟁하여 초기에 용액 내로 유출되다가 시간의 흐름에 따라 수지에 흡착된 HCO3「이온 및 NO3 이온을 탈착시키고 수지내에 홉착하는 것으로 나타났다. 그러므로 선택도는 문헌과 같이 HCO3( I )<NO3( I ) <PO4(ffl) 순으로 나타나 탈착용액을 NaNO3 및 NasPd 용액으로 선정하여 실험을 수행하였다.
005N NaHCO3 용액 l00㎖ 24시간동안 회분식 반응 실험을 수행하였다. 또한 탈착 용액에 의한 HCO3 이온의 탈착 가능성을 평가하기 위해, 동일 노르말 농도의 NaNO3, Na/Qj 용액 및 HC1, NaOH 용액을 탈착 용액으로 선정하였다. 문헌에 의하면 양이온과 음이온의 선택도는 각각 다음 과 같다[11].
실험에 사용된 수지는 IRN 150 으로서 초순수로 충분히 세척하여 밀봉 관리한 후 사용하였다. 사용한 시약은 모두 분석용 특급시약으로 14C 핵종을 모사하기 위해 NaHCCh를 사용하였으며 모의 핵종으로 CsCl, C0CI2 . 6H2O과 탈착 용액으로 NaNO3 및 NasPQ을 사용하였다.
실험에 사용된 수지는 IRN 150 으로서 초순수로 충분히 세척하여 밀봉 관리한 후 사용하였다. 사용한 시약은 모두 분석용 특급시약으로 14C 핵종을 모사하기 위해 NaHCCh를 사용하였으며 모의 핵종으로 CsCl, C0CI2 .
성능/효과
2) HCO3 이온보다 선택도가 큰 음이온 NO3 및 PO43- 이온을 사용하였을 때 HCO3 이온의 탈 착은 잘 일어났으나 cr 이온 역시 탈착되었다.
그림 5(a)에 IRN 150 수지의 질량 변화에 대한 탄소 제거율을, 그림 5(b)에 수지 단위 질량당 탄소 흡착량을 나타내었다. 탄소 제거율은 수지가 1g일 때 93%, 2g 이상일 경우 약 100% 값을 보였고 수지 단위 g당 최대 탄소 흡착량은 5.7mg/g으로 나타났다. 14Ce 안정 원소인 I":보다 존 재비가 10-122 정도 낮지만 수지 lg에 흡착된 5.
후속연구
그러나 강산이나 연소를 통한 폐수지내 14C의 탈착 성능이 우수하다 하더라도, 강산에 의해 14C 뿐만 아니라 폐수지에 존재하는 ®℃o, 51Cr 등의 핵종 역시 약 99% 정도 탈착되고, 연소에 의한 방법에 의해서도 휘발성 핵종이 함께 기체 상태로 포집되므로 이들 핵종을 처리하기 위한 추가 공정이 필요할 것으로 예상된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 폐수지로부터 제거 대상 핵종인 "c만을 탈착하는 방안에 대한 연구가 필요하다.
이 때문에 캐나다 연구진은 강산을 이용하여 폐수지에 흡착되어 있는 14C 핵종을 탈착하거나, 폐수지를 연소시켜 14C 핵종을 "CO2 형태로 탈착시켜 제거한 후 고화하여 드럼에 저장하는 방안을 연구하였다. 그러나 강산이나 연소를 통한 폐수지내 14C의 탈착 성능이 우수하다 하더라도, 강산에 의해 14C 뿐만 아니라 폐수지에 존재하는 ®℃o, 51Cr 등의 핵종 역시 약 99% 정도 탈착되고, 연소에 의한 방법에 의해서도 휘발성 핵종이 함께 기체 상태로 포집되므로 이들 핵종을 처리하기 위한 추가 공정이 필요할 것으로 예상된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 폐수지로부터 제거 대상 핵종인 "c만을 탈착하는 방안에 대한 연구가 필요하다.
나 NaaPCh로 사용했을 경우와는 다르게 Cs 이온이 Na 이온과 비슷한 탈착율을 나타내었다. 그러므로 강산을 탈착 용액으로 사용한다면 폐수지로부터 탈착되어 용액 내로 유출된 Cs과 Co 핵종 등을 따로 처리하는 추가 공정이 필요할 것으로 판단된다. 산이 주입됨에 따라 pH는 초 기 7에서 3 이하로 감소하였는데 이 역시 발전소 계통 부식 등의 문제가 발생할 수 있어 추가 처 리 공정이 필요하다.
Cs 이온이나 Na 이온은 pH 12까지 자유 이온으로 존재하기 때문에 pH가 증가함에 따른 수산화물 형태로의 침전은 고려하지 않아도 되나 Co 이온이 존재한다면 고농도에서는 pH 6 이상에서도 침전되기 때문에 NaOH를 탈착 용액으로 사용하는 것을 제고할 필요가 있다. 또한 탈착 용액을 HC1 로 사용하였을 경우와 마찬가지로 용액 내로 유출된 HCO3「이온 및 Co, Cs 이온의 추가 공정이 요구되며, 기본적으로 탈착용액을 사용하여 폐수지로부터 14C 핵종을 추출하는 경우 발전소 액체 폐기물 발생량이 급격히 증가할 것으로 예상되기 때문에 이에 대한 대책 역시 필요하다.
월성 원전 운영중 발생된 14C 함유 폐수지에 대한 처리기술이 개발되지 않아 각 계통에서 발생하는 폐 이온교환수지를 발전소 내 대형 저장탱크에서 저장하고 있는데, 향후 10년 이내에 포화될 것으로 예상되므로 폐수지의 최종 처리수단 확보가 시급하다. 현재 국내에는 "C 핵종의 처분 제한치가 없지만, 인공방벽 천층처분장을 운영하고 있는 미국의 경우 14C 해종에 대해 8Ci/m, 를 최대 방사능 농도 제한치(3)로 두고 있다.
지구상에 존재하는 14C 화합물은 우주선과의 상호작용에 의한 자연적인 생성 요인으로 약 lOPci/nf이 대기로 방출되고[5], 원자력발전소(이하 원전)로부터 방출 등의 인위적인 요인에 의해서도 생성되어 배기체 내 14C 방사능은 10-5~10-6Ci/m3으로서 높 은 수준이다. 이렇게 생성된 14C 화합물은 호흡 및 음식물의 섭취에 의한 내부피폭으로 인체에 큰 영향을 미치고, 12C 화합물과 동일한 신진대사과정을 가지므로[6] 14C 핵종에 대해 종합적이고 체 계적인 연구가 필수적이다.
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