4조 플라스틱없애조

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.

관련 기술의 현황

State of art

1) 전세계적 기술 현황

현재 대부분 국가에서 선호하는 것은 실험에 의해 모형화된 처분장 환경에서 용해에 대해 강한 저항을 보여준 보로실리케이트 유리체 borosilicate glass이다. 원자로에서 나오는 약간의 재처리 폐기물은 유럽과 일본에서 이런 방법으로 유리질화되고 있고, 미국에서는 플루토늄 생산으로부터 나오는 폐기물의 대규모 유리화가 곧 진행될 것이다. 이러한 작업에서 폐기물에 물질을 추가하면 적어도 다루어야 할 물질의 양이 두 배로 늘어날 것이다.
고준위방사성폐기물의 유리고화기술은 프랑스에서는 공업규모의 유리고화·저장시설이 1978년부터 운전을 계속하고 있으며, 지금까지에 약 2000 드럼캔의 고화체를 제조해서 저장하고 있다. 또 서독에서도 1985년부터 벨기에에 있는 공동 유리고화 플랜트가 가동 중에 있으며, 여기서도 약 1500드럼캔의 유리고화체를 제조하여 안전하게 저장하고 있다. 또한 프랑스는 1994년까지에 2기의 상업용 유리고화 플랜트를 건설하여 운전 중에 있다. 영국도 1994년에 1기의 상업용 플랜트를 건설하여 운전을 개시했다. 이와 같은 각국에서의 기술적 성과를 바탕으로 일본에서도 구동력로·핵연료개발사업단 (현재 「핵연료사이클 개발기구」로 개편)을 중심으로 유리고화의 기술 연구가 추진되고 있다.

2) 국내 기술 현황 우리나라에서는 현재 원자력발전소 내부 수조에 사용후핵연료를 임시저장하고 있으며, 곧 포화상태에 이를 것으로 예상된다. 월성원전(중수로)은 2021년, 한빛원전은 2026년, 고리원전은 2027년부터 사용후핵연료 저장 공간이 포화될 것으로 예상된다. 그러나 고준위 방폐물 처분장은 부지선정조차 못하고 있는 실정이다. 정부에서 2016년에 발표한 ‘고준위 방사성폐기물 관리 기본계획 ’에 따르면, 시작년도부터 약 12년에 걸쳐 부지선정이 추진되고 인허가용 지하연구시설(URL), 중간저장시설, 영구처분시설이 동일부지에 단계적으로 확보되도록 추진된다. 내부 수조의 포화예상시점과 중간저장시설 완공 시점까지 적지 않은 시간이 필요하며, 이에 따라 중간 저장시설이 운영을 시작하기 전까지 사용후핵연료 관리에 대한 대안이 필요하다. 현재 사용되는 처리방법은 고화, 압축 등의 공정을 거쳐 용기에 담아 밀폐 공간에 처리하는것. (중·저준위 방사성폐기물은 원자력에너지 이용과정에서 많은 양이 발생한다. 이들은 고화, 압축 등의 특별한 공정을 거쳐 용기에 담아 경주의 중·저준위 방사성폐기물 처분장에 저장·처분된다. 경주 중·저준위 방사성폐기물 처분장은 200리터 규모 용기 10만 드럼 저장·처분에 58,000m²의 면적이 소요되었으며 향후 70만 드럼까지 저장·처분하는데 총 0.406km² 면적이 필요한 것으로 분석되고 있다.) 그러나 국내 환경 특성상 부지 선정에 시간이 많이 걸린다. 유리고화기술을 사용하여 면적 및 관련 비용을 상당히 감소시킬 것으로 기대된다.

3) 유리고화기술

고준위방사성폐액(이하 폐액)의 고체화방법의 하나이다. 폐액을 탈질, 건조, 가소하여(약 600°C로 가열분해하여 산화물로 한다) 얻어진 가소체를 붕규산계의 유리원료와 혼합하고 고온에서 가열하여 융해물을 캐니스터 등의 저장용기로 흘려 넣어 고화시킨다. 유리고화는 시멘트고화나 비튜멘고화에 비해 고화체의 건전성이 우수하며 특히 내열성과 물에 대한 침출률이 낮은 것이 특징이다. 인산계 유리에서는 부식성이 문제된다.

비결정성 유리 속에 들어 있는 보조 원소인 Na나 B의 함량을 적절히 조정하면, 음이온과 양이온이 강하게 결합된 유리의 분자구조 일부가 흐트러지고 거기에 다른 금속 이온이 들어갈 수 있는 구멍이 생기게되고 이곳에 방사성 핵종을 집어 넣는 기술이 방사성 폐기물의 유리 고화 기술이다. 이는 섭씨 1천도 이상의 고온에서 이루어지며 유리 성분과 방사성 폐기물의 조합 방법 및 용융로의 종류 등에 따라 유리 화합물의 물성이 달라질 수 있다. 방사성 폐기물을 유리고화하면 우선 폐기물의 부피가 혁신적으로 감소하고 유리고화된 폐기물은 기계적, 화학적 또는 방사선 조사에 대해 매우 안정한 성질을 가지기 때문에 환경영향을 극소화시킨다는 특성이 있다. 하지만 상당한 비용이 들기에 주로 고준위 방사성 폐기물 처리에만 적용되어 왔으나 최근들어 중, 저준위 방사성 폐기물 처리에 대한 막대한 경비가 소요되고 환경에 대한 국민들의 관심이 고조되기 시작하자 폐기물 부피를 혁신적으로 줄이고 환경영향이 적은 유리고화 기술을 위에 적용하기 위한 기술 개발이 시작되었다.

기술 로드맵

내용

특허조사

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특허전략

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개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

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경제적 및 사회적 파급효과

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구성원 및 추진체계

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설계

설계사양

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개념설계안

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이론적 계산 및 시뮬레이션

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조립도

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조립순서

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부품도

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제어부 및 회로설계

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소프트웨어 설계

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자재소요서

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결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

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특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

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부록

참고문헌 및 참고사이트

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소프트웨어 프로그램 소스

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