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KR-20260061810-A - Method and device for removing radionuclides from metal radioactive waste

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는, 분위기 가스를 목표 온도로 예열하는 예열단계;와, 상기 예열단계에서 상기 분위기 가스가 목표 온도로 예열되면 상기 분위기 가스를 금속 방사성폐기물로 공급하는 공급단계;와, 상기 분위기 가스에 의해 상기 금속 방사성폐기물의 표면 부위가 산화되는 산화단계; 및 상기 산화단계에 의해 생성된 산화층을 제거하는 제거단계;를 포함하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법을 제공한다.

Inventors

  • 조중욱
  • 박광수
  • 박동훈
  • 임태섭
  • 김창규
  • 김해웅
  • 임충식

Assignees

  • 두산에너빌리티 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (18)

  1. 분위기 가스를 목표 온도로 예열하는 예열단계; 상기 예열단계에서 상기 분위기 가스가 목표 온도로 예열되면 상기 분위기 가스를 금속 방사성폐기물로 공급하는 공급단계; 상기 분위기 가스에 의해 상기 금속 방사성폐기물의 표면 부위가 산화되는 산화단계; 및 상기 산화단계에 의해 생성된 산화층을 제거하는 제거단계;를 포함하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 방사성폐기물은 상기 산화단계에 의해 산화되기 전 전처리되는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 확산 속도보다 상기 금속 방사성폐기물의 산화 속도가 더 빠른 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 금속 방사성폐기물의 산화 속도는 표면에서 시간당 10㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제거단계에서는 진동장치를 이용하여 상기 금속 방사성폐기물을 진동시키는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제거단계에서 상기 금속 방사성폐기물의 산화층은 중력에 의해 낙하하는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제거단계에서는 블로워를 이용하여 상기 금속 방사성폐기물로부터 분리된 상기 산화층을 낙하시키는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제거단계 이후 상기 금속 방사성폐기물이 목표 제염도에 도달하였는지 판단하는 판단단계;를 더 포함하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법.
  9. 분위기 가스를 목표 온도로 예열하기 위해 분위기 가스가 공급되고 예열 버너가 구비되는 예열로; 금속 방사성폐기물이 장입되는 산화반응로; 상기 예열로와 상기 산화반응로를 연통시키는 분위기 가스 공급파이프; 및 상기 분위기 가스 공급파이프에 구비되어 상기 산화반응로로 공급되는 상기 분위기 가스의 흐름을 조절하는 개폐밸브;를 포함하며, 상기 개폐밸브가 열려서 상기 분위기 가스가 상기 산화반응로로 공급되면 상기 금속 방사성폐기물의 표면 부위가 산화되는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 개폐밸브는 상기 예열로 내의 상기 분위기 가스가 목표 온도에 도달하면 열리는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 산화반응로에는 상기 금속 방사성폐기물이 산화되기 전 전처리하기 위한 전처리 장비가 구비되는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 확산 속도보다 상기 금속 방사성폐기물의 산화 속도가 더 빠른 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 금속 방사성폐기물의 산화 속도는 표면에서 시간당 10㎛ 이상인 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 산화반응로에는 상기 금속 방사성폐기물을 진동시켜 상기 금속 방사성폐기물의 산화층을 제거하기 위한 진동장치가 구비되는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 진동장치의 진동에 의해 상기 금속 방사성폐기물로부터 상기 산화층이 분리된 후 중력에 의해 낙하하는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 산화반응로에는 상기 금속 방사성폐기물로부터 분리된 상기 산화층을 낙하시키기 위한 블로워가 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 산화반응로의 하부에는 낙하하는 상기 산화층을 수거하기 위한 산화층 수거부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 산화층 수거부는 상기 산화반응로로부터 분리 가능한 것을 특징으로 하는, 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치.

Description

금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법 및 제거 장치{Method and device for removing radionuclides from metal radioactive waste} 본 발명은 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법 및 제거 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 방사성폐기물을 목표 온도 이상의 분위기 가스에 노출시킴으로써 방사성핵종이 대부분 존재하는 금속 방사성폐기물의 표면 부위를 산화시키고, 생성된 산화층을 제거하여 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종을 제거하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 종래의 방사성폐기물 내 방사성핵종을 제거하는 방법으로서 용융제염법은 대기유도용해로 등을 이용하여 방사성핵종을 함유한 스크랩(scrap)을 용해시킨 후, 적절한 슬래그(slag)를 투입하여 핵종의 일부를 슬래그층으로 흡수시키고, 잔류하는 용강을 잉곳(ingot)으로 제조하는 방식이다. 이러한 종래의 슬래그 처리에 의한 용융제염법에서는 산화환원에 의한 핵종의 제거만이 가능하다. 따라서, 산화환원에 의하여 제거될 수 없는 Co, Fe, Mn, Ni 등의 성분은 잉곳 내에 잔존한다는 문제가 있다. 또한, 고온에서 용융조업이 이루어지므로 Ag, Cs, Na, Se, Te, Zn 등의 동위원소는 휘발하여 dust 형태로 존재하게 되어 역시 슬래그 처리에 의한 제거가 어렵다는 문제가 있다. 또한, 기존에 개발된 블라스팅, 레이저, 플라즈마 제염 방법은 금속 방사성폐기물의 외부 표면의 부착성 오염만 제거할 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다. 도 2는 도 1의 다른 상태를 나타낸 개략도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법을 나타낸 모식도이다. 이하, 본 발명의 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 방법 및 제거 장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다. 우선, 도 1 및 2를 참고하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종의 제거 장치에 대하여 살펴보도록 한다. 상기 제거 장치는 예열로(100), 예열 버너(140), 산화반응로(200), 전처리 장비(220), 분위기 가스 공급파이프(300), 개폐밸브(320), 진동장치(400), 블로워(500) 및 산화층 수거부(600)를 포함할 수 있다. 예열로(100)는 분위기 가스를 목표 온도로 예열하기 위해 제공되며, 예열로(100)에 구비되는 인렛 파이프(120)를 통해 분위기 가스가 예열로(100) 내로 공급된다. 또한, 예열로(100)에는 예열 버너(140)가 구비되어 예열로(100) 내의 분위기 가스를 목표 온도에 도달할 때까지 가열한다. 산화반응로(200)는 금속 방사성폐기물(10)을 표면 산화시켜 제염하기 위해 제공되며, 산화반응로(200) 내에 금속 방사성폐기물(10)이 장입된다. 특히, 금속 방사성폐기물(10)은 산화반응로(200)에 구비되는 진동장치(400)에 배치된다. 금속 방사성폐기물(10)은 배치식 혹은 연속식으로 장입될 수 있다. 분위기 가스 공급파이프(300)는 예열로(100)와 산화반응로(200)를 연결하여 연통시킨다. 이로 인해 예열로(100) 내의 분위기 가스가 산화반응로(200)로 공급될 수 있다. 분위기 가스 공급파이프(300)에는 산화반응로(200)로 공급되는 분위기 가스의 흐름을 조절하기 위해 개폐밸브(320)가 구비된다. 이로 인해 개폐밸브(320)가 열려서 분위기 가스가 예열로(100)로부터 산화반응로(200)로 공급되면 금속 방사성폐기물(10)의 표면 부위가 산화된다. 이때, 개폐밸브(320)는 예열로(100) 내의 분위기 가스가 목표 온도에 도달하면 열리게 된다. 이로 인해 금속 방사성폐기물(10)이 목표 온도 이상의 분위기 가스에 노출될 수 있으며, 금속 방사성폐기물(10)의 표면 부위가 효과적으로 산화될 수 있다. 목표 온도 이상의 분위기 가스의 공급은 목표 제염도를 달성하기 위해 필요한 시간만큼 유지될 수 있다. 분위기 가스의 종류와 목표 온도는 금속 방사성폐기물(10)의 강종에 따라 적절하게 선택될 것이다. 일 예로, 금속 방사성폐기물이 Inconel 725인 경우, 분위기 가스는 H2S이고, 목표 온도는 750℃일 수 있다. 즉, 750℃ 이상의 H2S 가스가 금속 방사성폐기물(10)에 공급되어 표면 산화시킬 수 있다. 이때, 금속 방사성폐기물(10)의 표면에서 70㎛의 깊이까지 산화시켜 방사성핵종을 제거하기 위해 750℃ 이상의 H2S 가스 공급이 유지되어야 하는 시간은 10분 이하이다. 전처리 장비(220)는 금속 방사성폐기물(10)이 산화되기 전 전처리하기 위해 산화반응로(200)에 구비된다. 전처리는 예열(preheating)에 해당할 수 있으며, 이 경우 전처리 장비(220)는 예열 버너일 수 있다. 이와 같은 금속 방사성폐기물(10)의 전처리는 금속 방사성폐기물(10)의 표면에서 표면 산화열이 발생하도록 하여 추후 산화층 제거 효율을 증가시킨다. 금속 방사성폐기물(10)의 전처리는 예열로(100)에서 분위기 가스가 목표 온도까지 가열되기 전에, 즉 개폐밸브(320)가 열려서 분위기 가스 공급파이프(300)를 통해 분위기 가스가 산화반응로(200)로 공급되기 전에 이루어질 수 있다. 상기와 같이 목표 온도 이상의 분위기 가스가 금속 방사성폐기물(10)에 공급됨으로써, 금속 방사성폐기물(10)의 표면 산화 시, 금속 방사성폐기물(10) 내 방사성핵종의 확산 속도보다 금속 방사성폐기물(10)의 산화 속도(산화층 생성 속도)가 더 빠르다. 이를 위해, 금속 방사성폐기물(10)의 산화 속도는 표면에서 시간당 10㎛ 이상인 것이 바람직하다. 이에 따라 용이하게 금속 방사성폐기물(10)의 표면의 방사성핵종을 산화층으로 제거할 수 있다. 진동장치(400)는 금속 방사성폐기물(10)을 진동시켜 금속 방사성폐기물(10)의 산화층을 제거하기 위해 산화반응로(200)에 구비된다. 진동장치(400)에 의해 금속 방사성폐기물(10)이 진동되면, 금속 방사성폐기물(10)로부터 산화층이 분리되며, 이후 중력에 의해 낙하하게 된다. 도 2에는 낙하하는 산화층(20)이 도시되고 있다. 진동장치(400)에 의한 금속 방사성폐기물(10)의 진동은 금속 방사성폐기물(10)의 표면 산화와 동시에 이루어질 수 있다. 즉, 금속 방사성폐기물(10)의 표면 산화층 생성과 제거가 동시에 이루어진다. 이와 같이 진동장치(400)를 이용할 경우 금속 방사성폐기물(10)의 표면에 형성된 산화층을 쉽게 분리시킬 수 있다. 도 1에는 개폐밸브(320)가 닫혀 있어서 분위기 가스가 산화반응로(200)로 공급되지 않으며, 금속 방사성폐기물(10)이 전처리 장비(220)에 의해 전처리되고 있는 상태가 도시되어 있다. 또한, 도 2에는 개폐밸브(320)가 열려 있어서 분위기 가스가 산화반응로(200)로 공급되며, 금속 방사성폐기물(10)의 표면 산화와 산화층의 제거가 이루어지고 있는 상태가 도시되어 있다. 이때 방사성핵종 중 대부분은 산화되어 산화층으로 제거되나, 극히 일부(예를 들어, Cs-134, Cs-137 등)는 산화 시 휘발되는 거동특성을 가지고 있어 분진(dust)으로 이동할 수 있다. 따라서 이와 같은 분진의 포집을 위해 bag filter 등이 더 구비될 수도 있다. 블로워(500)는 금속 방사성폐기물(10)로부터 분리된 산화층을 낙하시키기 위해 산화반응로(200)에 구비된다. 블로워(500)는 진동장치(400)와 함께 작동하여, 진동에 의해 금속 방사성폐기물(10)의 표면에서 분리된 산화층이 다시 진동장치(400) 등에 붙어서 낙하하지 않는 것을 방지하며, 이로 인해 분리된 산화층이 효과적으로 낙하할 수 있도록 한다. 이와 같이 낙하하는 산화층(20)은 산화반응로(200)의 하부에 구비되는 산화층 수거부(600)로 수거된다. 이때 산화층 수거부(600)는 산화반응로(200)로부터 분리 가능한 것이 바람직하다. 이에 따라 금속 방사성폐기물(10)이 목표 제염도에 도달하면 제거 작업을 종료하고 산화층 수거부(600)를 산화반응로(200)로부터 분리하여 처리할 수 있다. 또한, 제염된 금속 방사성폐기물(10)은 방사선량 측정 후 용융로로 이동할 수 있다. 본 발명에 따르면, 방사성핵종이 대부분 존재하는 금속 방사성폐기물(10)의 표면 부위를 산화시키고, 생성된 산화층을 제거함으로써 금속 방사성폐기물(10) 내 방사성핵종을 효과적으로 제거할 수 있다. 즉, 금속 방사성폐기물(10)의 제염 효율이 향상될 수 있다. 본 발명은 금속 방사성폐기물 내 방사성핵종은 표면 부위에 밀집하여 존재하고 표면에서 깊이가 깊어질수록 지수적으로 감소하는 것에 기초하여, 금속 방사성폐기물의 용융을 통한 감용작업에 앞서 금속 방사성폐기물의 표면에 집중된 방사성원소를 효과적으로 제거하기 위하여, 특정 기체 분위기와 온도 조절을 통해 산화층을 생성시키고 이를 스크랩하는 것을 특