"4조 플라스틱없애조"의 두 판 사이의 차이

2019년 6월 18일 (화) 20:25 기준 최신판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 철인산염유리를 이용한 유리고화기술을 통한 고준위 방사성 폐기물처리

영문 : Vitrification Of High Level Waste Using Iron Phosphate Glass

과제 팀명

주제바꿨조(플라스틱없애조에서 변경됨)

지도교수

김주식 교수님

개발기간

2019년 3월 ~ 2019년 6월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20138900** 정*(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 김**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 박**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 연**

서울시립대학교 환경공학부 20148900** 채**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

 철인산염유리를 이용해 고준위 방사성 폐기물로 분류되는 사용후 핵연료를 유리화시켜 인간 및 자연으로부터 격리시켜 처분하고자 한다. 주로 사용되어왔던 유리는 붕규산염 유리인데 인산염유리를 사용하면 용융온도가 더 낮아 방사성 원소의 휘발을 줄일 수 있다. 또한 화학적 내구성을 강화하기 위해 철을 첨가하여 철인산염유리를 사용할 것이다.

개발 과제의 배경 및 효과

대한민국은 2017년 기준으로 4곳의 원자력 발전소와 24기의 원자로를 가동 중이다. 발전량 기준으로는 세계 6위이며, 회사 단위로는 세계 2위의 원자력발전회사인 한국수력원자력이 있다. 원전은 한국 내 전체 전기 생산의 30%를 차지하고 있다. 대한민국은 24기의 원자로를 가동 중이며 국내 전기 생산의 30%를 차지하고 있다. 24기 원전 중 경수로 원전 20기에서는 사용후핵연료가 매년 약 400t(1기당 약 20t), 4기의 중수로 원전에서 약 350t(1기당 약 90t)씩 발생한다. 그럼에도 불구하고, 현재 한미원자력협정이라는 정치외교적인 상황 때문에 사용 후 핵연료 관리정책에 있어 최종적인 처분을 어떻게 할 지 결정하지 못한 상태로 사용 후 핵연료봉 다발들을 원자력 발전소 내의 임시저장 수조 혹은 건식저장소에 보관 중이며 이미 포화상태에 다다랐다.
사용후 핵연료봉 안에는 아직 분열되지 않은 우라늄-235와 핵분열생성물과 마이너액티나이드 원소들, 초우라늄 원소인 우라늄-238과 플루토늄이 들어있다. 여전희 고방서성을 띠고, 자연에 노출되어서는 안되는 위험한 상태로 존재한다. 방사능의 감쇠에 핵분열생성물은 1,000년 이상, 초우라늄원소는 10만년 이상이라고 하는 생각할 수 없을 정도로 오랜 세월을 필요로 하기 때문에 영구적인 처분이 필요하다.

사용후핵연료를 관리하는 방법은 두 가지다. 하나는 사용후핵연료의 열과 방사능이 감소될 때까지 처분장을 만들어 인간의 생활권에서 격리시키는 것인데 이를 직접처분 방식이라 한다. 다른 하나는 사용후핵연료에서 다시 사용할 수 있는 핵물질을 분리해서 재사용하는 방식으로 이를 재처리라고 한다. 재처리의 종류에는 PUREX와 Pyro Processing이 있다. 핵무기보유국들(미국, 프랑스, 러시아, 영국, 미국)과 일본, 인도에서 PUREX 재처리시설을 보유하고 있는 상황이고, Pyro Processing 설비를 보유한 나라는 없기 때문에 Pyro Processing보다는 자료를 얻기가 더 수월하여 우리 조는 PUREX 재처리 후의 고준위레벨 폐액을 하소, 유리고화하는 처분방법을 본 과제의 설계주제로 잡게되었다. PUREX란 우라늄과 플루토늄을 회수하는 용매추출기술이며 이후에는 질산용액속에 핵분열생성물 등 폐기물이 남게 된다. 이 용액을 High Level Liquid Waste라고 부르며 하소 및 유리고화처리의 대상이 된다. 먼저 rotary kiln calciner를 통해 질산용액을 날려 보내서 주요 구성성분이 알루미늄, 붕소, 지르코늄, stainless steel등과 핵분열생성물의 산화물, CaF₂인 하소체를 남긴다. 이것을 유리형성제와 함께 melter에 넣어 용융시키고, 이 용융물을 캐니스터라는 니켈 합금 저장용기에 넣어 납으로 밀봉하여 보관한다. 캐니스터 안의 용융물은 시간이 지나면서 냉각이 되는데 이것을 유리고화체라고 부른다. 유리는 다른 물질에 비해 화학적 내구성이 우수하고, 기계적 강도가 크며, 방사성성분을 다량으로 녹여 넣을 수 있기 때문에, 유리고화법은 여러 나라에서 가장 유력한 고레벨폐액 과하법으로서 왕성하게 연구되고 있다. 유리고화에 일반적으로 사용되어 온 붕규산염유리 대신 우리 조는 다음과 같은 장점때문에 철인산염유리를 사용하기로 했다. 철인산염유리는 물에 대한 용해성이 붕규산염유리보다 강해 지하수, 침출수에 더 강하고, 단위부피당 폐기물을 고화시킬수 있는 양이 더 많아 안정성, 부피, 부지면적 감소효과를 노릴 수 있다. 이는 같은 양의 폐기물을 처리할때 더 적은 양의 유리를 사용할 수 있다는 것을 의미하며, 유리를 녹이는데 필요한 전력량 또한 절반 수준으로 감소할 수 있어 경제적 효과도 얻을 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

 PUREX 공정을 거쳐 우라늄, 플루토늄 등의 재사용이 가능한 원소를 회수한 후 발생한 질산용액이 함유된 폐액은 calcination과정을 거쳐 휘발, 건조되고 calciner(하소체)가 된다. 그 후 철인산염유리 원료를 넣고 유도가열하여 용융시킨 후 canister라는 스테인레스 재질 용기에 담아 운반 및 저장하게 된다. 
 본 과제에서는 사용 후 핵연료를 PUREX 재처리 했을 경우 발생하는 고방사성 폐액을 처리하기 위해  핵분열 생성물을 안전하게 가둘 수 있는 화학적 내구성이 더 강화된 유리고화체를 만드는 공정 설계를 목표로 한다.
철인산염유리로 중저준위 폐기물을 처리할 수 있다는 연구 논문 및 특허는 다수 존재한다. 우리는 철인산염 유리를 고준위 폐기물인 고레벨폐액(HLLW)에 적용할 것이다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 유리고화기술은 방사성 폐기물 핵종을 분자들 간의 상호 화학적 결합을 이루도록 하는 incorporation 기술로 다른 기술에 비해 우수한 물리 화학적 내구성을 제공하며 폐기물의 감용효과가 크다.

◇ 철인산염유리는 붕규산염유리에 비해 단위부피당 가둘 수 있는 폐기물의 질량이 2배이상 많다.

◇ 붕규산염 유리에 비해 인산염 유리는 용융온도가 낮기 때문에 방사성 원소의 휘발을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 또한 낮은 온도에서 적정 점도조건을 만족시킬 수 있다.

◇ P₂O5에 Fe₂O₃를 첨가한 형태의 인산염 유리를 사용하면 화학적 내구성이 증가하므로, 지하수 및 침출수에 의한 오염에 저항성이 증가한다는 장점이 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

◇ 유리고화기술 적용시 폐기물 부피가 감소하므로, 폐기물 처리 비용이 감소한다.

◇ 폐기물 감용효과로 인해 방사성 폐기물 처리장 부지확보에 긍정적인 영향을 줄 수 있다.

◇ 용융온도를 감소시킬 수 있어서 용융에 들어가는 에너지 즉, 소모전력량의 감소효과가 있다.

◇ 안정적이며 영구적인 폐기물처리 기술로 환경적 측면에서 뛰어나므로 기존의 방사성 폐기물에 대한 대중의 인식의 변화가 나타날 수 있다.

구성원 및 추진체계

◇ 정영: 가열기술 선정 및 모형제작

◇ 김희연: 유리재질 선정 및 포스터 제작

◇ 박강림: 유리재질 선정 및 포스터 제작

◇ 연소정: 유리재질 선정 및 모형제작

◇ 채다영: 하소체 제조기술 선정 및 모형제작

설계

설계사양

1) 유리원료의 조성

- 요구사항 : 용융점이 낮고, 유리고화체의 화학적 내구성이 우수해야 한다.
- 요구사항 선정 이유 : 붕규산염 유리는 높은 내열충격성과 화학적 내구성, 낮은 열팽창률을 특징으로 하여 유리고화에 지금까지 주로 사용되어져 왔다. 하지만 1,600℃에 가까운 온도가 아니면 유리화하지 않는다. 이 온도는 도가니의 내화도의 한계에 가까운 온도이므로 용해기술은 매우 어렵고, 방사성 원소가 휘발할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 본 과제에서는 더 낮은 온도인 1200~1300℃에서 용융하는 인산염유리에 내구성을 강화시키기 위해 철을 첨가한 철인산염유리를 사용할 것이다. 또한, 유리고화체의 화학적 내구성이 우수한 최적화된 유리조성(Fe/P)을 결정해야 한다.

2) 용융로 방식
- 요구사항 : 안전성, 폐기물 처리용량의 최대화, 시설 보수유지 용이성, 휘발성 핵종들의 배기체 유입량 최소화, 긴 용융로 수명
- 요구사항 선정 이유 : 유리를 용융은 1000도 부근의 고온의 열을 필요로 하기 때문에 안전성이 있고,  에너지 손실을 최소화 시킬 수 있는 용융로 방식을 채택해야 한다. 고온에서도 물리*화학적 부식을 견딜 수 있으며, 방사능에 의한 오염을 최소화 할 수 있어야 한다.

3) 냉각 방법
- 요구사항 : 냉각시간이 단축되고, 유리고화체의 화학적 내구성이 우수해야 한다.
- 요구사항 선정 이유 : 냉각처분방법이 자연냉각인지 서냉인지에 따라 후열처리과정 유무가 결정되고 설치면적이 달라진다. 따라서 고준위 유리고화체의 영구적, 안정적 처리에 있어서 냉각처분방법은 공정 운용상의 경제성, 안전성 등의 관점에서 중요한 기술로 평가된다.

4) 캐니스터
- 요구사항 : 높은 강도, 방사선 차폐기능, 내부식성
- 요구사항 선정 이유 : 우라늄-235의 방사성 분열 생성물 스트론튬-90, 세슘-137, 라듐-226 등은 30년~1600년의 반감기를 가지며, 오랜 시간 동안 위험한 상태로 존재한다. 따라서 농축고화한 유리고화는 금속제 캐니스터에 봉입하고 지하 500~1000m의 안정된 지층에 만든 처분시설에 수납하여 밀폐하여 인간의 생활환경과 생태계로부터 장기간 철저히 격리시켜 처분해야 한다. 이에 캐니스터의 알맞은 재질과 디자인을 고려해야 한다.

기능계통도

개념설계안

가. 전체 공정구조

[그림 8] HLW 유리고화 공정 도식

나. 처리대상물질

본 과제에서 유리고화 처리의 대상이 되는 물질은 사용 후 핵연료를 PUREX 재처리한 고레벨 방사성 폐액이다. 사용 후 핵연료는 여전히 엄청난 방사능과 열을 내뿜고 있는 상태이기 때문에 재처리나 최종처분 전에 반드시 발전소내의 임시저장 수조에서 열과 방사능 수치가 감소할때까지 보관해야한다.

고준위 폐기물의 분류체계는 위와 같다. 고준위 폐기물은 반감기가 20년 이상인 알파선을 배출하는 핵종으로, 방사는 농도는 4000Bq/g이상이고, 열 발생률은 2KW/m³이상인 방사성 폐기물을 말한다.

임시저장수조에 보관된 고레벨 방사성 폐액이 고준위 폐기물에 해당하는지 알아본다. 다발무게는 23.67kg 이며, 1다발 당 연료봉 37개 이므로 연료봉 개당 무게는 639.73g이다.

계산된 수치는 고준위 폐기물의 기준인 4000Bq/g보다 훨씬 높다. 따라서 임시저장수조에 보관된 고레벨 방사성 폐액은 고준위 폐기물이라고 볼 수 있으며, 이에 우리는 이를 고화시키는 유리고화기술을 다룰 것 이다.

고준위 폐액(HLW Solution)의 구성성분으로는 분열 생성물, 추출되지 않은 우라늄과 플루토늄, 초우라늄(TRU)원소, 연료 합금 원소(Fe, Al, Si, Mo), 부식 생성물(Fe, Cr, Ni), 연료봉의 금속관으로 부터의 오염, 유기오염물질(dibutylphosphoric acid, monobutylphosphoric) 등이 있으며 폐액의 구성성분과 농도를 표 1에 나타내었다. 분열생성물의 종류와 함량은 발전소의 종류와 운전 조건에 따라서 달라진다. 그러나 이 차이는 일반적으로 작고 화학적 처리가 고준위 폐액의 조성에 미치는 효과는 훨씬 넓을 수 있다.

다. Calciner

 고방사성 폐액으로 유리고화체를 제조하는 기술은 대개 두 가지로 나누어지고 있다. 하나는, 액체 그대로 폐액을 유리원료와 함께 공급하여 직접통전(直接通電)하여 용융하는 기술이며, 미국, 독일, 일본 등에서 개발되고 있다. 또 하나의 방법은, 로타리킬른(rotary kiln)에서 만든 하소체(遐燒体)의 분말을 유리원료와 함께 고주파가열의 금속 멜터(melter)안에 넣어서 용융하는 기술로, 프랑스에서 개발되어, 영국에서도 사용되고 있다.
처분되어지는 고준위 폐기물의 양을 가장 효과적으로 줄이기 위하여 본 설계에서는 로타리킬른(rotary kiln)에서 만든 하소체(遐燒体)의 분말을 유리원료와 함께 고주파가열의 금속 멜터(melter)안에 넣어서 용융하는 기술을 선택하였다. 그림 2는 영국의 유리고화시설의 실제 calciner의 사진이다. 또한 하소체는 주로 Al 산화물, B 산화물, Zr 산화물, stainless steel 산화물, 분열생성물의 산화물들과 CaF₂로 이루어져있다.

라. 용융로 가열방식

장점

● 냉각을 통한 장시간의 운전 가능

● 전도성이 좋아 아크 발생 및 유지에 유리한 측면

● 기존 용융로에 비해 긴 수명

● 용융로 교체가 없는 반영구적 시스템

● 벽면의 수냉각으로 생성된 유리보호막이 물리, 화학적 부식 방지

단점

● 고가의 재료비

● 토치가 커질수록 가공이 어렵고 과냉각으로 효율 감소

● 용융효율 향상을 위해 역극성 운전을 할 경우 플라즈마 안전성 감소문제

● 가열초기에 유리의 비저항값이 높아 초기점화가 불가능

기존의 용융방식(플라즈마 토치)에 비해 장점이 많은 고주파 유도 가열식을 채택한다.

1) 고주파 유도가열식

◇ 방사성 폐기물은 유리와 혼합되어 8시간동안 약 1000℃로 가열되며 균질화된다. 이 유리용탕은 용광로에 둘러싸인 캐니스터로 들어가는데 일반적으로 캐니스터의 90%까지 채워진다. 유리용융액은 캐니스터 안에서 서서히 식으면서 균일한 유리고화체가 되어 그 속에 가두어진다. 이 작업이 끝나게 되면 용광로로부터 빠져나가 서서히 냉각되고, 다음 작업을 위해 내용물이 채워지지 않은 캐니스터로 교체되어 작업이 계속된다.

◇ 유도가열은 전자기 유도현상을 이용하여 재료를 가열하는 방법이다. 이를 위해선 마이클 패러데이가 발견한 시간변화(∆t)에 따른 전자장(즉, 전자장의 변화)은 전류가 흐를 수 있게 하는 전압을 유도한다는 패러데이의 전자기유도법칙을 알아야 한다. 자속이 발생하면 히스테리시스 손실, 유도전류 손실, 지연손실, 유전체 손실이 발생하나 가열물이 유리(우리가 다루는 물질)일 경우 유도전류 손실만 고려한다.

마. 냉각방식 서냉(annealing) 및 자연냉각

 원자력 발전소에서 발생되는 방사성 폐기물을 유리화하여 발생되는 유리를 용기에 담고 일정온도(전이온도)에서부터 서냉(annealing)한 후 저장 및 처분할 것인가 아니면 배출된 용기를 용기에서 자연냉각(급냉)한 상태로 저장 및 처분할 것인가는 발전소내에 상용 유리화 설비의 설계 및 건설을 위해 반드시 검토되어야 할 사항이다.
 유리고화체의 후열처리공정상 서냉 또는 급냉 처리공정의 적용여부는 처분된 재료에 대한 장시간에 거친 품질테스트가 동반되어야하며 공정의 채택에 따른 시설설치, 운전 경비 등 경제성 및 효용성을 고려한다면 이는 대단히 중요한 검토사항이 될 것이다.
 서냉이란 일정온도(전이온도)에서부터 서냉 후 저장 및 처분하는 것이며 급냉(자연냉각)은 배출된 물질을 용기에서 자연냉각한 상태로 저장 및 처분하는 것이다. 더욱더 균질하고 안정적인 유리고화체를 생산하기 위해선 급냉이 효율적이므로 이 방식을 채택한다.

바. 철인산염 유리

◇ 철인산유리의 임계변위에너지

 임계변위에너지란, 고체 속의 원자가 그 격자점에서 결함위치로 영구변위 할 필요가 있는 최소의 운동에너지를 뜻한다. 우리가 사용할 유리는 무정형 결정구조이므로 원자나 분자의 배열은 완벽하지 않으며 사이사이 결함(빈 공간)이 존재한다. 이러한 빈 공간을 채워 안정한 상태로 가려고 하는 에너지가 바로 임계변위 에너지이며 산화철인산염유리는 기존의 것보다 임계변위에너지가 낮아 고화체를 안정한 상태로 만드는데에 유리하다.

◇ 화학적 내구성 철이 결합되지 않은 인산염 유리는 화학적 내구성이 상대적으로 저조하다. 이는 일반적으로 쉽게 수분을 공급할 수 있는 P-O-P 본드 결합이 풍부하기 때문이다. (여기서 나온–O의 수화는 -P-OH 결합을 초래하여 유리 네트워크의 중성화를 유지하는 구조라 볼 수 있는 (PO4)-3 테트라헤드라 사이의 교차연결을 파괴하기 때문) 그래서 이 인산염 유리에 철 산화물을 첨가하면 -P-O-P결합의 일부를 내화성 -Fe-O-P로 대체함으로써 화학적 내구성을 개선할 수 있다. Kenny Jolley의 논문에 따르면 철 산화물을 첨가하면 유리구조가 소수의 P-O-P-결합만 포함하고 있음을 볼수 있다.

◇ 철-인산염유리의 전기전도도

  유리의 화학적 조성은 유리의 융용온도와 점도, 밀도, 전기전도도 등과 같은 물성을 결정하므로 주어진 방사성 폐기물에 대해 적합한 유리조성을 선정하는 것이 매우 중요하다. 유리용융시 전기전도도는 유리화 공정 용융로의 용융이 시작될 시점에서 매우 중요한 인자이다. 일반적인 운전조건의 적합한 전기전도도는 0.1~0.6 S/cm 이지만 전기전도도는 온도에 따라 큰 관계없이 만족하여 고려대상이 되지 않는다.

위의 그래프는 철-인산염 유리용액과 붕규산염 유리용액의 온도에 따른 전기전도도 그래프이다. 두 종류의 유리 모두 전기전도도가 적정범위 값 안에 들어 유리고화체로서 적당하지만, 철-인산염유리의 전기전도도 변화 폭이 붕규산염 유리보다 좁기 때문에 더 좋은 유리고화재질이라고 볼 수 있다.

◇ 철인산염유리의 점도

  용융유리의 점도는 온도의 함수로서 용융액의 용융속도 및 유리의 배출 용이성에 영향을 주는 가장 중요한 변수이다. 점도는 원료의 용융속도, 유리거품의 소멸속도, 균질화 속도를 결정하며 결국에는 최종 유리고화체의 품질을 결정한다. 이것은 안정성 및 운전용이성과 직접적으로 연관되어 있다. 운전용이성이란 유리가 전형적인 용융로 온도(1,050- 1,200℃)에서 용융될 때 그 점도가 용융로에서 폐기물과 유리간의 혼합을 원활히 하고 대류에 의한 온도의 전달을 용이하게 할 뿐 아니라 유리를 배출하기에 충분히 낮아야(20- 100 poise) 한다. 
 점도가 너무 낮으면 용융유리에 의한 접촉물체들의 부식이 초래되고 내침출성이 낮아진다. 한편, 점도가 너무 높으면 유리와 폐기물간의 혼합이 용이하지 못하고 폐기물의 처리량이 떨어진게 된다. 아래 그래프와 같이 철인산염유리가 붕규산염유리보다 점도가 낮고 기준범위를 충족하여 유리고화에 적합하다.

◇ 철인산염유리의 온도

  철 인산염 유리의 용해 온도는 붕산염 유리보다 약 100~200K 낮으며, 또한 용해된 용해도의 점도가 낮기 때문에 균질화 시간이 약 1.5~3시간 짧다.

◇ 철인산염유리의 용해율

  마지막으로, 철인산염유리의 화학적 안정도를 평가하는 지표 중 용해율(dissolution rate)을 비교하여 본다. 용해율은 90 ℃의 이온이 제거된 물(deionized water)에 최종유리를 7일간 수용시킨 뒤 질량의 변화를 측정하는 것으로서, 붕규산 유리를 매질로 사용한 최종유리의 경우의 용해율은 3.54×10^-8 g/cm²/min 인데 반하여 철-인산 유리를 매 질로 사용한 최종유리의 경우의 용해율은 5.72×10^-9 g/cm²/min이다. 용해율이 낮다는 것은 지하수 등 과 접촉하는 경우에도 최종유리에 함유되어 있는 방사성 폐기물(w)이 자연으로 배출되지 않는다는 것으로 화학적 안정도가 높다는 것을 의미한다. 철-인산 유리의 경우 붕규산 유리보다 화학적 안정도가 5배 정도 높음을 알 수 있다.

◇ 철인산염유리의 선정 중준위 폐기물 고화에 사용되는 시멘트고화는 물/시멘트의 비가 중요한 요소이다. 하지만, 경제성 때문에 결합제는 최소한으로 사용한다. 혼합물 시멘트 물은 함수율이 높을수록 낮은 강도, 높은 침투성, 기후에 대한 낮은 저항성, 높은 침출율을 보인다. 또한, 시멘트는 폐기물 충진재와 잘 섞이지 않으면 수화작용물이 입자 표면에 얇은 시멘트 겔로 된 막을 형성하고 서로 공간을 채우지 않게 되어 공극이 생긴다. 우리는 고준위폐기물 처리에 시멘트 고화가 아닌 유리고화체 기술을 이용하고자 한다. 현재, 유리고화체 기술에서는 붕규산염유리가 주로 사용된다. 인산염유리는 붕규산염 유리보다 용융온도가 낮기 때문에 휘발성 방사성원소(세슘)를 붙잡기에 더 적합하다. 하지만, 화학적 내구성이 낮다는 단점이 있다. 인산염유리의 화학적 내구성을 증가시키고, 유리구조물의 화학적 결합을 더 강화시키기 위해 철을 도입한 철인산염유리를 사용하고자한다. 이는 유리구조물이 더 자기들끼리 단단하게 연결되어있기 때문에 방사성 물질이 안에 갇혔을 때 빠져나올 가능성이 적다. 즉, 세슘이 (+)이온이기 때문에 유리의 빈 공간을 채움과 동시에 철인산염유리의 음전하(FeO₄-)를 상쇄시켜서 더 구조를 견고하게 한다. 또한, Fe2+ 함량이 철인산염 유리에 영향을 미치기 때문에, 방사성 폐기물 캡슐화에 중요할 것으로 판단하였다. IPG란 40 mol%의 Fe₂O₃와 60 mol%의 P₂O5를 말한다. 모든 IPG는 인-옥시겐과 철-옥시겐 결합을 그린다. 철의 개구부가 무정하고, 철 원자들이 격자 밖으로 균일하게 분포되어 있다. IPG의 모든 인 원자가 4개의 인접한 산소 원자를 가짐으로써 PO₄테트라헤드라(PO₄tetrahedra)를 형성한다. 붕산염유리에서는 칼슘 메타 프리즘이 안정된 상태를 유지하고 있어서, 해방산소 원자는 격자 안에 달리 갈 곳이 없다. 반면에 IPG의 경우, 초기 구성은 격리된 그룹이 거의 없는 PO₄테트라헤드라 체인을 포함한다. 또한, 철 원자는 다양한 국소 산소 농도를 수용하기 위해 교체될 수 있고 이들의 조정을 변경할 수 있다. 이로써 IPG는 불소아파타이트보다 훨씬 더 많은 결점을 복구할 수 있다.

한편, 철인산염유리는 유리네트워크 유연성이 크다. 유리네트워크의 유연성이 클수록 폐기물 구성요소의 수용이 더 용이해지므로, 방사성 원소를 유리안에 가두는 효율이 증가한다고 볼 수 있다.(테트라헤드라 왜곡 = 유리 네트워크 유연성증가) IPG 시스템의 최적 밀도는 Fe²+가 4%, 17%일 때이다. Fe²+의 최적함량을 알아보면, 4% Fe²+의 IPG는 17% Fe²+의 IPG보다 약간 적은 변환을 포함하고 있었다. 이는 Fe²+콘텐츠가 낮은 유리(4% 유리)가 임계 변위 에너지가 더 낮다는 것을 뜻한다. 한편, Fe/P 원자 비율이 증가하면 상한 용해 온도가 감소한다. Fe / P 원자 비가 더 높은 유리 조성일수록, 4keV에서의 방사선 손상을 시물레이션 한 결과 캐스케이드 후에 더 많은 수의 변위를 포함한다는 것을 발견했다. 4 % Fe 2+를 갖는 IPG가 17 % Fe 2+를 갖는 IPG보다 약간 적은 변위를 포함 한다는 것을 알 수 있다. 강력한 회복은 낮은 Fe²+ 함량을 가진 인산염 유리가 폐기물 캡슐화에 좋은 재료가 될 수 있다. 따라서, 우리는 Fe²+의 함량이 4%인 철인산염유리를 이용하여 방사능폐기물을 유리고화시키는 방법을 설계하고자 한다.

사. Off gas treatment

1) Off gas 성분

 vitrification plant에서 발생하는 off gas의 대부분은 수용성 성분의 증발로 인한 steam, 질산용액의 열분해에 의한 NOx, leak에 의해 들어온 air와 첨가제이다. 그림18을 보면 Pamela와 Harvest라는 유리고화시설 모두 steam이 약 60%를 차지하며, Air가 약 30%, NOx는 10%내외가 발생함을 알 수 있다. off gas의 오염물질은 방사성 물질과 방사성이 아닌 물질로 나눌 수 있다.

먼저, 방사성(radioactive)물질에는 빨려들어온(Entrained) 물질들, 반휘발성물질(semivolatile materials), 휘발성물질(voatile materials)이 있다. 빨려들어온 물질은 calciner에서 하소체 분말의 일부가 빨려올라가거나 melter안에서 가스 버블이 올라가면서 용융물의 액적이 함께 빨려올라간 것을 가리킨다. semivolatile materials로는 Se, Tc, Ru, Sb, Te, Cs가 있으며 이 중 Tc-99는 213000년이라는 긴 반감기를 가지기 때문에 이것의 처리가 중요하다. Ru만 RuO4의 형태로 비교적 낮은 온도에서 휘발성물질(voatile materials)로 존재한다. 
방사성이 아닌(Non-radioactive) 물질에는 HLLW를 유리고화하는 것이기 때문에 NOx 연기(fume)가 상당량 발생되며 wet scrubbing system이 NOx 제거에 주로 이용된다. scrubber는 방사성 오염물질이 대기로 방출되는 것을 통제하는데 중요한 역할을 한다. NOx 이외의 non-radioactive 오염물질로 중 주요 처리대상으로는 수은이 있다. 재처리에 있어 핵연료봉의 알루미늄 피복을 질산으로 녹이는데 용해속도를 높이기 위해 질산수은(mercuric nitrate)가 첨가된다. 수은은 (특히 halogen이 존재할 때) off gas 설비를 부식시킬 수 있기때문에  유리고화전에 수은을 제거하는 것이 필요하다.

2) Off gas treatment systems

고준위 폐기물 Off gas treatment의 주요 기능은 미립자물질(aerosols)과 vapour 나 gas를 제거하는 것이다. 이 미립자 물질은 off gas에 그대로 두면 허용할 수 없을 정도로 높은 수준의 오염물질(방사능 및 비방사능)을 환경으로 방출하게 되어 처리가 필요하다.

그림 23은 calcination vitrification 공정 동안 대부분의 휘발성 동위원소는 Ru-106이라는 것을 나타낸다. Ru-106의 상당량이 first scrubber를 통과하고, condenser와 acid recovery column에서 제거되었다. 또한 운전경험에 의하면 feed solution에 sugar를 추가하면 Ru의 휘발을 크게 낮출 수 있다고 한다.
Cs-137과 Ce-144는 calcination 동안 높은 휘발성과 first scrubber에서 상대적으로 낮은 제거율을 나타낸다. 그러나 condenser와 washing column에서는 이 동위원소들이 효과적으로 제거됨을 볼 수 있다.

1) CONDENSER

Condenser의 주요 기능은 응축 과정에 의한 증기나 수증기의 제거이다. Condenser는 두가지 유형이 있는데 직접접촉과 간접접촉이 있다. 직접접촉은 off gas가 흐르는 용기에 물을 주입하는 방식이며 이러한 장치의 효율은 off gas와 접촉하는 주입수의 표면적에 따라 달라지기 때문에 분무식 주입 시스템이 필요하다. 이러한 유형의 condenser는 높은수준의 미립자가 발생할 수 있는 곳에 설치하는 것이 유리하다. 간접접촉은 일반적으로 vitrification 공장에서 사용된다. 기본적으로 2가지 종류가 있는데 finned-tube와 shell-and-tube 가 있다. 많이 쓰이는 것은 shell-and-tube형식이며 off gas흐름은 condenser의 tube측면을 통과한다. 응축수는 방사성 핵종에 의해 오염이 되었기 때문에 환경에 직접적으로 배출할 수 없다. 따라서 응축수를 배출처리단지로 보내 처리해야 하며 가장 간단한 처리방법은 증발로 부피를 줄인 다음 방사능오염물질이 함유된 액체를 다시 고형화 과정으로 되돌리는 것이다.

2) SCRUBBER

스크러버의 주된 목적은 적절한 액체에 흡수되어 특정 증기를 제거하는 것이다. 스크러버는 가스성분을 위한 흡수 스크러버와 유입된 먼지와 에어로졸 입자를 위한 먼지 스크러버 두 종류가 있다.

2.1) ABSORPTION SCRUBBERS FOR REMOVAL OF NOx

scrubber는 보통 고정패킹이 들어있는 탑으로 구성되며, off gas는 탑 위로 흐르고 흡수하는 liquor, water나 alkali soultion은 아래로 흐른다. NOx흡수를 위한 스크러버는 주 condenser의 하류에 위치한다. 사용된 scrubbing liquor은 보통 환경으로의 즉각적인 배출에 적합하지 않으며 condenser condensate와 같은 방식으로 처리된다. NOx 제거는 NO2에 대한 NO의 느린 산화반응에 의해 좌우되므로 일반적으로 여러 개의 타워를 연속적으로 사용하여 운전의 효율을 높인다.

2.2) DUST SCRUBBERS

DUST SCRUBBER의 두가지 종류는 low efficiency/low pressure drop scrubbers와 high efficiency venturi scrubbers가 있다. Low efficiency/low pressure drop scrubbers는 quenchers, packed towers와 baffle type scrubbers를 포함한다. Quencher는 냉각된 재순환 응축수와 직접접촉해 off gas를 냉각시킨다. packed tower는 aerosol 입자를 제거한다. high efficiency venturi scrubber는 off gas시스템 전면 끝의 미세먼지를 제거하기 위해 주로 설치된다.

3) DEMISTERS

Demister의 기능은 고체입자와는 구별되는 액체의 off gas droplet를 제거하는 것이다. demister은 mesh of fine wire 와 wave plate로 구성되어있다. HEME filter는 상대적으로 느슨하게 포장된 미세유리섬유 요소와 backing screen와 wash spray system으로 구성되어 있다. 일반적은 섬유 밀도는 300kg/m³범위이다. 이는 HEPA필터 전에 설치하여 HEPA필터를 보호할 수 있다. HEME filter의 사용기간은 제거가능한 필터표면과 세철 절차의 효율에 따라 달라진다. HEME을 사용하여 90%의 입자를 off gas에서 제거할 수 있다.

4) AEROSOL FILTERS

Aerosol fiter는 처리된 off gas가 대기중으로 최종 배출되기 전에 가스를 청소하는 데 사용된다. 이 유형의 fiter는 작은 입자들(마이크로미터 크기 이하)에 효율적이어야 한다. 4.1) HEPA FILTERS HEPA fiter는 직경이 약 1㎛인 유리섬유로 구성된 필터이다. 이 filter는 0.1~0.3㎛의 입자에 대해 99.9%이상의 효율성을 확보할 수 있다. HEPA fiter bank 2개를 직렬로 설치하는데 이는 filter중 하나에 구멍이 생기면 두 번째 필터에 의해 시스템이 유지 될 수 있기 때문이다.

4.2) MISCELLANEOUS FILTERS

일반적으로 금속 wire 또는 유리 섬유로 구성된 prefilter는 HEPA filter앞에 사용된다. 이 prefilter의 목적은 off gas stream에 여전히 존재할 수 있는 큰입자를 제거하여 HEPA fiter가 작은입자만을 자유롭게 처리할 수 있도록 하는 것이다. prefilter 구조는 HEPA타입에서 발견되는 것보다 더 튼튼하다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 유리고화체의 부피감소 효과

   철-인산염 유리고화체의 부피감소 효과를 알아보기 위해 기존의 유리고화 재질인 붕규산염 유리와 비교를 해 보았다

[가정]

1. 처리장 부피가 같다고 가정(100㎥ 기준)

2. 붕규산염 유리 고화체의 부피를 x라 가정한다.

폐기물 1ton 기준 붕규산염 유리는 최종부피가 1.8㎥이고, 철인산염 유리는 0.7㎥이므로 0.388배 부피감소 효과가 있다.

[표 8] 유리고화체 부피감소 계산

    출원번호 10-2006-0106203의 철-인산 유리를 이용한 중,저준위 방사성 폐기물 유리화방법에 의하면 붕규산 유리를 매질로 사용하는 경우 방사성 폐기물을 최종유리에 대략 20wt%만을 포함할 수 있는 반면, 철-인산 유리를 매질로 사용하는 경우 대략 40wt%를 최종유리에 포함시킬 수 있게 된다. 부피로 환산하였을 때, 중저준위 방사성 폐기물 1 ton을 유리화시킬 경우, 붕규산 유리를 이용하면 최종유리의 부피가 1.8㎥이 되는 반면, 철-인산 유리를 이용하면 최종유리의 부피가 0.7㎥이 되어 그 부피가 획기적으로 줄어들 수 있다. 1년이면, 31.9m³의 부피감소 효과를 볼 수 있다.
   또한, 붕규산염 유리의 밀도는 2.23g/c㎥이고, 철인산염유리의 밀도는 3.25g/c㎥이다. 이를 고려하면 붕규산염 유리고화체는 유리 1부피당  0,5575 질량의 폐기물을, 철인산염유리고화체는 유리 1부피당 2.1644질량의 폐기물을 함유할 수 있다. 따라서, 철인산염유리고화체가 붕규산염 유리고화체보다 3.88배만큼의 폐기물을 더 가둘 수 있다.

나. 유리고화체 발생량 계산

그림26은 뉴글라스(작화제부, 2003)에서 일본 동연(動撚)의 붕규산 유리를 이용한 유리고화 사례를 인용한 것이다. 그림26 값을 참고하여 국내원전에서 발생한 사용 후 핵연료를 모두 재처리하고 이를 유리고화한다고 가정했을 때 발생하는 유리고화체의 양을 이론적으로 계산해 보았다. 한국원자력문화재단(2015.11) 기준에 따르면 국내 원전 총 24기의 설비용량은 21,716MW이다. 산업통상자원부의 자료에 따르면 24기 원전 중 경수로 원전 20기에서는 사용후핵연료가 매년 약 400t(1기당 약 20t), 4기의 중수로 원전에서 약 350t(1기당 약 90t)씩 발생한다. 따라서 사용 후 핵연료의 연간 발생량은 750ton/yr이고, 재처리 추출 폐액 발생량은 10000m³/yr이다. 이를 증발농축시키면 고레벨 농축 폐액이 937.5m³/yr 발생한다. Design and Operation of High Level Waste Vitrification and Storage Facilities (INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, VIENNA, 1992)에 의하면 미국 Idaho Falls의 New Waste Calcining Facility (NWCF)에서 1982년~1986년에 5700m3의 고레벨 농축폐액(HLLW)을 하소시켰고, 부피를 1/8로 감소시켰다고 한다. 또한 하소체는 주로 Al, B, Zr, stainless steel, 분열생성물의 산화물과 CaF2로 이루어졌다고 한다. 유리고화체 발생량은 Table2의 고레벨 방사성 폐액 대 유리고화체의 비율 24/150을 이용하여 붕규산염유리의 경우 발생량을 150m³/yr로 계산했다. 부피감소가 0.388배 줄어든다는 것을 이용하여 철-인산염 유리고화체는 58.2m³/yr이다. 따라서 1년이면 91.8㎥의 부피감소 효과를 볼 수 있다.

다. 원자력 발전소에서 소모하는 전력량

  위 자료는 2017년도 고리 원자력 발전소에서 소비한 전력량을 나타낸 표이다. 만약 유리화공정이 원자력 발전소 내에서 이루어질 경우 2017년 고리 3호기 기준으로 15,348 Mwh 중 어느 정도의 소모량을 차지할 것인가는 정확히 알 수 없기 때문에 소내전력량을 기준으로 비용을 계산해보면 다음과 같다. (전력소비량은 계절별 수요량을 고려하지 않고 매월 동일하다고 가정하였다.)
  
  정확한 비용 계산을 위해 한국전력 본사에 비용 산정 방식을 문의하였으나 원자력 발전소 내에서 이루어지는 전력 수요에 관한 것은 기밀 사항으로 알 수 없다는 답변을 받았다. 따라서 임의로 위 기준을 적용하여 5월 한달간 전력 소비량에 대한 전기요금을 계산하면 월 227,336,320원의 비용이 발생한다. 여름철과 겨울철의 경우 전기요금이 달라지지만 매월 동일 하다고 가정하여 1년간 발생할 비용을 계산한다면 2,728,035,840원/년이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

위 그림은 철-인산 유리용액과 붕규산 유리용액의 10분당 소모 전력량 그래프이다. 시간당 전력 소모량을 비교해보면 붕규산 유리용액은 20kW, 철-인산 유리용액은 10kW로 기존 소모량의 절반만 사용해도 되는 것을 알 수 있다. 이 자료를 토대로 위에서 계산한 전기요금을 절반 가까이 줄일 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.

조립도

조립순서

내용

부품도

France와 UK의 자료를 참고하여 Calcination과 Canister, Melter의 크기를 결정했다. 폐액의 유량을 비교해봤을 때, 프랑스는 36L/hr이고 영국은 자료가 없었다. 그러나 우리나라 폐액유량은 약 42.8L/hr이기 때문에 프랑스의 수치를 적용했다.

가. Calciner(하소기)

  길이 3.6m, 직경 270mm, 기울기 2.6도, 30rpm 회전, 600-840도로 약 1시간 가열해서 질산용액 휘발시켜 하소체 생성

[그림 30] Calciner 부품도

나. 가열장치 (Melter)

  전체 높이 : 1.39m (몸통 1m, 주둥이 0.35m), 두께 : 10mm, 재질 : inconel 601 (니켈 주성분, 크롬, 철, 탄소 합금), 하단에 배수구 2개, 1000 ~ 1200℃ 사이에서 약 6시간 가열

[그림 31] Melter 부품도

다. Canister (저장용기) 재질 : 스테인리스, 지름 : 350mm, 높이 : 1m, 용량 : 0.385m³ = 385L

[그림 32] Canister 부품도

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

포스터

특허출원번호 통지서

내용

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

내용

향후평가

 우리나라의 경우 고준위 방사성 폐기물의 처분 및 보관에 대한 부분이 기술적 및 제도적으로 미흡하다. 방사성 폐기물 처리에 관한 문제가 해결되지 않은 채 지연되고 있는 현재 이를 해결하는데 도움을 줄 수 있는 기술적 방법으로서 유리고화기술을 제시하였다. 유리는 다른 물질에 비해 화학적 내구성이 우수하고, 기계적 강도가 크며, 방사성성분을 다량으로 녹여 넣을 수 있기 때문에, 유리고화법은 여러 나라에서 가장 유력한 고레벨폐액 고화법으로서 왕성하게 연구되고 있다.

 사용후 핵연료의 최종처분의 결정을 위해 이번 2019년 5월에 사용후 핵연료 재검토 위원회가 조직되었다. 핵연료봉을 그대로 심층처분하거나 pyro process 후 처분  2가지 선택사항이 있다. pyro process가 고농도 플루토늄 추출로 인해 핵무기로 사용될 가능성이 있는지에 대한 한미공동연구가 2010년부터 2020년까지 진행중이다. 이 연구에 대한 결과가 곧 나올 것이고 몇 년 안에 사용 후 핵연료의 최종처분에 대한 결정과 실행이 이루어질 것이다. 다만 현재 우리나라는 스웨덴, 핀란드와 같이 지질적으로 안정적인 폐기물 저장장소가 마련되지 않은 상태이다. 작은 국토면적과 지질학적 안정성의 충분한 입증이 되지 않은 대한민국의 경우 부피가 큰 핵연료봉을 그대로 심층 처분하는 데에는 상당한 무리가 있는 것으로 생각된다. 따라서 우리는 철인산염유리를 사용하여 방사성 폐기물을 안전한 형태로 만들고, 최종적으로 저장해야 하는 부피를 효과적으로 줄일 수 있는 방안을 제안한다.

이로 인해 기대되는 효과는 다음과 같다.

1. 현재 사용되는 붕규산염 유리 대신 본 과제에서 제안한 철인산염유리를 사용한다면 최종 유리고화체의 부피를 더 줄일 수 있다. 붕규산염유리의 폐기물 함량이 최대 25%인데 반해 철인산염유리는 40%까지 폐기물을 가둘 수 있기 때문이다. 철인산염유리를 이용한 유리고화기술은 처분대상인 핵폐기물의 부피 감소 및 그로인한 저장 시설 면적 감소가 가능하다. 따라서 경제비용감소 효과로 그동안 사용후핵연료 처리에 부정적으로만 비춰졌던 이미지를 개선하여 국민들에게 긍정적인 이미지를 형성할 수 있을 것으로 기대된다.

2. 철인산염 유리를 이용한 공정과정에서 이루어지는 전력 소모량이 붕규산염 유리에 비해 절반 가까이 감소하므로 경제적으로 뛰어난 효과를 기대할 수 있을 것이다.

 이 보고서는 현 세대가 직면한 시급하고도 중대한 사용후 핵연료 문제에 대해 재처리라는 선택을 할 경우 핵폐기물의 유리고화를 통한 방사성 폐기물의 안전한 저장과 부피감소 효과를 제시하고 있다. 이를 통해 우리는 환경공학도로서 사용 후 핵연료의 안전한 처리방법에 대해 고민해 볼 기회가 있었다.

 그동안 사용후핵연료 처리에 부정적으로만 비춰졌던 이미지를 개선하여 국민들에게 긍정적인 이미지를 형성할 수 있을 것으로 기대된다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

◇ 작화제부, 뉴-글라스, 2003 ◇ Mike T. Harrison, Vitrification of High Level Waste in the UK, SciencDirect, 2014 ◇ INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Design and Operation of High Level Waste Vitrification and Storage Facilities, VIENNA, 1992 ◇ Hirohide Kofuji 외 5명, Chemical durability of iron-phosphate glass as the high level waste from pyrochemical reprocessing, Sciverse ScienceDirect, 2012. ◇ Kenny Jolley외 1명, Iron phosphate glasses : Structure determination and radiation tolerance, ScienceDirect, 2015. ◇ Chemical durability of iron-phosphate glass as the high level waste from pyrochemical reprocessing ◇ Glass as a Waste form and virification technology : summary of an international workshop, national academy press, 1996. ◇ 철 인산 유리를 이용한 중저준위 방사성 폐기물 유리화 방법, 대한민국 특허청, 2007 ◇ 김천우 외 5명, 방사성폐기물 유리화 환경친화적 처리기술, 한전 원자력환경기술원 ◇ 중, 저준위 방사성 폐기물 유리화(Vitrification)기술 (대한전기협회) ◇ 고주파 유도가열에 의한 방사성폐기물의 유리화 (한국세라믹학회) ◇ 특허등록번호 10-0768093, 철-인산 유리를 이용한 중저준위 방사성 폐기물 유리화방법 ◇ 방사성폐기물 유리화-환경친화적 처리기술, 한전 원자력 환경기술원 ◇ 송명재, 중ㆍ저준위 방사성폐기물 유리화(Vitrification) 기술, 송명재, 전기저널 ◇ 차세대 고화매질 인산세라믹에 대한 고찰, 한국원자력연구원 ◇ Vitrification of High Level Waste in the UK Mike T. Harrisona * ◇ The Glass Transition Temperature of Iron and Titanium Containing Phosphate Based Glasses ◇ 전력거래 용어해설집(한국전력거래소 2003.12) ◇ 전력계통정보시스템 ◇ https://patents.google.com/patent/KR19990050832A/ko ◇ https://patentimages.storage.googleapis.com/47/ec/ba/bd7e60e58058ea/KR100768093B1.pdf ◇ 고주파 유도가열에 의한 방사성폐기물의 유리화(2002.2) ◇ INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, VIENNA, 1992 ◇ INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, VIENNA, 1988 ◇ Vitrification technologies for treatment of hazardous and radioactive waste, EPA

소프트웨어 프로그램 소스

내용

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 ===자재소요서===
-내용
+[[파일:자재소요서.JPG]]
 ==결과 및 평가==
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 ===개발사업비 내역서===
-내용
+[[파일:내역서.JPG]]
 ===완료 작품의 평가===