KR100281840B1 - 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 전처리 필터를 거치고, 활성탄 흡착탑에 의해 부유입자를 제거하고, 무기이온 교환수지 탑(column)에 의해 방사성 쎄슘을 제거하며, 유기 양이온 교환수지탑에 의해 방사성 코발트를 제거하고, 유기 음이온 교환수지탑에 의해 방사성 요오드를 제거하면서 배출수의 pH(페하)를 조절함으로써, 방사성 이온을 효율적으로 제거할 수 있다. 그리고 본 발명은 상술한 장치들을 원자력발전소내에서 이동이 용이하도록 이동장치에 탑재하고, 방사선으로 부터 작업자를 보호하기 위해 납 차폐벽을 설치하고, 위에서 언급된 장치들을 모듈형으로 구성함으로써 운반, 조립 및 해체가 손쉬운 장치를 제시한다.

Description

모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치

본 발명은 원자력발전소에서 발생되는 저준위 방사성 액체 폐기물을 효율적으로 처리하기 위한 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리장치 및 이를 이용한 처리방법에 관한 것으로서, 특히 종래 액체방사물 처리에 이용되고 있는 증발농축법과 유기수지를 이용한 이온교환수지법이 갖고 있는 부식, 거품발생, 잦은 고장, 폐수지 발생량 과다 등의 단점을 개선할 수 있는 유기 및 무기이온 교환수지, 활성탄을 조합하여 사용하는 방법 및 이 방법을 현장에 적용하기 위해 제작된 이동 및 설치/해체가 손쉬운 모듈형 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 원자력 발전소에서 발생되는 방사성 액체 폐기물 내에는 입자, 콜로이드, 비방사성 이온, 방사성 이온 등이 함유되어 있다. 그 방사성 이온의 농도는 다른 용존물들에 비해 매우 미미하지만 주위 환경으로의 방출이 엄격히 제한되어 있어 일련의 처리를 통해 방사능이 방출 규제요건을 만족할 때만 방출하도록 되어 있다.

현재 국내원전에서 발생되는 방사성 액체폐기물을 처리하기 위해서는 증발농축법과 유기이온교환 수지법을 병행하여 사용하고 있다. 구체적으로는, 가압경수로 발전소에 발생되는 방사성 폐액내 용존물의 농도에 따라 용존물 농도가 비교적 높은 폐액은 증발 농축법을 이용하여 처리하고, 낮은 폐액은 유기이온교환 수지탑으로 처리하고 있다.

위에서 언급된 증발 농축법은 증발기를 이용하여 폐액을 처리하는 공정으로서, 증발기에서 증발되는 증류수를 감시탱크에 수집하여 방사능을 측정한 후 방출 규제 요건에 맞으면 환경으로 방출하고, 증발기에 농축되는 농축액은 일정 농도에 이를 때까지 농축된 후 고화처리 계통으로 보내져 고화처리 된다. 그러나 폐액에 포함된 다양한 용존물들로 인해 여러 문제들이 발생한다. 특히 붕산 및 세제는 증발기 운전에 여러 가지 문제점들을 야기 시켜 원활한 운전을 방해한다. 즉 세제로 인한 거품생성, 오일막에 의한 비말동반 현상등은 증류수내 방사능 세기를 증가시키는 요인이 되며, 붕산은 용해도가 낮아 쉽게 결정화되어 증발기관을 막거나 열교환기 튜브의 부식을 초래하여 자주 증발기 고장을 일으키게 된다.

또한, 유기이온 교환수지탑은 다이비닐 벤젠 공중합체에 여러 가지 기능기를 부착시켜 만든 이온교환수지를 충진시킨 탑으로서, 폐액내의 금속이온을 교환반응에 의해 포집하는 공정을 수행한다. 이 유기이온 교환 수지탑을 이용하는 경우, 수지탑 상부로 유입된 폐액은 하부 유출구를 향해 흘러내려 가면서 탑을 빠져나갈 때까지 탑내에 체류하는 동안 충진된 수지와 이온교환 반응에 의하여 이온들은 수지에 포집되고, 정화된 폐액은 감시탱크에 수집되어 방사능 세기 점검후 방출되게 된다. 그리고 이온교환 능력이 소모된 폐수지는 고화 처리되거나 고 건조성 용기에서 건조된 후 저장된다. 그러나, 이 공정은 폐액 내에 세제 등의 유기물, 콜로이드가 존재하면 제 성능을 발휘할 수 없고, 방사성 이온 보다 농도가 훨씬 높은 비방사능 이온들을 포집하는데 있어서 수지가 대부분 소모되어 폐수지 발생량을 증가시키며, 유기이온 교환수지가 지니고 있는 습윤시 팽창성, 시멘트와의 부조화 등 때문에 관리에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해, 증발기 농축법을 보완 내지는 대치할 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 유기이온 교환수지탑의 단점을 개선하여 액체 방사물내 방사성 쎄슘, 코발트 등을 효율적으로 제거하는데 그 목적이 있다. 아울러 본 발명은 발전소의 구조상 장치의 운반 및 설치에 필요한 공간이 협소한 점을 감안하여 이온교환수지탑 및 방사선 차폐벽을 모듈형으로 제작함으로써 운반, 조립 및 해체를 용이하게 하는데 다른 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방사성 폐액내의 방사성 이온들을 제거하기 위한 공정 순서의 일 예시도,

도 2는 본 발명에 각각 적용되는 탑(Column)의 상세 구성도,

도 3은 도 2를 포함한 본 발명의 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치의 구성도,

도 4는 도 3의 구성에 부착되는 납 차폐체의 사시도,

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 전처리 필터 2 : 활성탄 흡착탑

3 : 무기이온 교환수지탑 4 : 유기 양이온 교환수지탑

5 : 유기 음이온 교환수지탑 6 : 이동형 트레이

7 : 폐액 급수 탱크 8 : 수지공급탱크

9a, 9b : 제1, 제2 전처리 필터 10 : 납 차폐체

11 : 프레임 고정 브라켓 12a : 탑 상부 덮개

12b : 탑 하부 덮개 13 : 탑(Column)

14a : 상부 플랜지 14b : 하부 플랜지

15 : 하부 플랜지의 슬리이브(Sleve)

16 : 배기 노즐 17 : 수지 주입 노즐

18 : 폐액 유입 노즐 19 : 수지 유출 노즐

20 : 폐액 유출 노즐 21 : 폐액 분사용 깔대기

22 : 분사용 구멍

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하겠다.

도 1은 본 발명에 따른 개략적인 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치 및 그 공정을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조한 개략적인 장치의 구성은, 폐액내 부유입자를 제거하기 위한 전처리 필터(1), 이 필터(1)를 거친 유기물을 제거하기 위한 활성탄 흡착탑(2), 방사성 쎄슘을 선택적으로 제거할 수 있는 무기이온교환수지탑(3), 방사성 코발트를 제거할 수 있는 유기 양이온교환수지탑(4), 방사성 요오드를 제거하는 동시에 배출수의 pH(페하)를 조절할 수 있는 유기 음이온교환수지탑(5)으로 구성되어 있다. 이와같은 각 탑은 폐액의 처리특성에 따라 최대한 빠르고 효과적으로 처리할 수 있도록 배치 순서를 다르게 할 수가 있다.

이때, 상기 활성탄 흡착탑(2)에서는 3 종류의 활성탄(DT 10, DT 90, Durasil 70)을 사용하고, 무기이온 교환 수지탑(3)에서는 3종류의 무기이온교환수지(DT 30, Durasil 10, Durasil 230)를 사용하며, 유기 양이온 교환수지탑(4)에서는 한 종류의 유기양이온 교환수지(AmberiteIRN-77)를 일 예로서 사용할 수가 있다.

이에 따른 방사성 액체 폐기물 처리 공정은, 먼저 펌프로 부터 전달된 상술한 수지들의 일정량을 각각 폐액 100㎖에 첨가하여 항온 진탕기를 20℃로 유지하면서 1주일간 반응시킨 후 상징액을 0.22㎛로 전처리 필터(1)에서 여과한다. 전처리 필터(1)를 거친 유기물과 약간의 방사성 코발트는 활성탄 흡착탑(2)에서 제거된다. 이렇게 제거된 방사성 액체 폐기물을 받은 무기이온 교환 수지탑(3)에서는 유기 양 이온 교환수지 보다는 우수하게 상술한 무기이온 교환수지를 이용함으로써 방사성 쎄슘 이온을 제거하게 된다. 그 방사성 쎄슘 이온이 제거된 방사성 액체 폐기물을 받은 유기 양이온 교환수지탑(4)에서는 방사성 코발트를 상기 활성탄 흡착탑 보다는 우수하게 완전히 제거한다. 그리고나서, 이 방사성 코발트가 제거되면, 유기 음이온 교환수지탑(5)에서는 방사성 요오드를 제거하는 동시에 배출수의 페하를 조절한다. 이와같은 일련의 공정들은 방사성 폐액의 처리 특성에 따라 각 탑을 배치하여 공정 순서를 서로 다르게 조합하여 수행할 수가 있다. 그 이유는, 공정상 불필요한 공정 수를 줄여야 하기 때문이다.

이와같은 공정으로 수행된 결과는 화학분석을 실시하고 방사능 농도를 측정하여 그 결과를 비교 분석한다. 이 분석 결과는, 현재 유기 또는 무기 이온 교환 수지만을 사용하는 공정 보다는 도 1에 도시된 바와 같이, 무기이온교환수지와 유기이온교환수지를 병행하여 사용하는 것이 방사성 이온을 제거하는데 효과적이며 발생되는 폐수지의 양도 4∼8배 적어질 수 있게 된다.

도 2는 본 발명에 각각 적용되는 수지탑(Column; 3, 4, 5)의 상세 구성도로서, 도 2a는 탑의 정면도이고, 도 2b는 탑의 평면도이고, 도 2c는 폐액 유입노즐(18)내에 삽입되는 깔대기의 정면도이며, 도 2d는 깔대기의 평면도이다.

외경 355.6㎜ × 높이 2,000㎜의 크기로 스테인리스 304를 이용하여 제작되었다. 그 구성을 살펴보면, 중간 부위에 프레임에 고정할 수 있도록 4개가 부착된 프레임 고정용 브라켓(Braket)(11)이 일체로 형성되고, 주입되는 수지가 흘러내리도록 하여 폐액에서 불필요한 방사성 이온, 유기물, 입자 등을 제거하는 기둥형의 탑(Column; 13)과, 배기 노즐(16), 수지 주입노즐(17) 및 폐액 유입노즐(18)이 부착되어 탑(13) 상부를 덮기 위한 탑 상부 덮개(12a)와, 이 탑 상부 덮개(12a)와 탑(13)을 조립하기 위한 상부 플랜지(14a)와, 중앙에 폐액 유출노즐(20)이 부착되어 탑(13) 하부를 덮기 위한 탑 하부 덮개(12b)와, 탑 하부 측면에 부착되어 수지를 유출시키는 수지 유출노즐(19)과, 그리고 탑 하부 덮개(12b)와 탑(13)을 조립하고, 폐액에 포함된 이물질을 제거하기 위한 슬리브(Sleve; 15)가 삽입된 하부 플랜지(14b)로 구성되어 있다. 여기에서, 상술한 탑 상부 덮개(12a)내부에 부착된 폐액 유입노즐(17)에는 주입되는 폐액이 탑 벽면을 타고 아래로 흐를수 있도록 깔대기(21)를 만들고 깔대기 윗면에 직경 1㎜의 구멍(22)을 뚫어 폐액이 잘 분사되도록 하였다.

도 3은 도 2에 도시된 탑(13)이 적용된 본 발명의 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치의 구성도이다.

그 구성을 살펴보면, 방사성 폐액의 전처리를 위해 직렬 또는 병렬로 운전할 수 있도록 배치된 2기의 제1, 제2전처리 필터(9a, 9b)와, 이동형 트레이의 프레임에 각 고정 브라켓(11)에 의해 고정되는 활성탄 흡착탑(2), 무기 이온 교환수지탑(3), 유기 양이온 교환 수지탑(4) 및 유기 음이온 교환수지탑(5)과, 상기 각 수지탑(3, 4, 5)에 구비된 폐액 유입노즐(18)에 폐액 공급용 파이프(21)을 통해 폐액을 공급하는 폐액 급수탱크(7)와, 상기 각 수지탑에 구비된 수지 주입 노즐(17)에 수지 공급용 파이프(22)를 통해 해당되는 무기 이온 수지 또는 유기 양이온 및 음이온 수지를 공급하는 수지 공급탱크(8)와, 상술한 모든 장치들을 모두 탑재하여 원자력 발전소내에서 이동을 용이하게 하는 이동형 트레이(6)로 구성되어 있다. 여기에서 상기 전처리 필터(9a, 9b)는 현장 여건에 따라 1 ∼ 50㎛ 필터를 장착할 수 있도록 한 것이다. 그리고 각 탑의 폐액 유입노즐(18)간에는 폐액 공급용 파이프(21)로 연결되되, 각 탑이 파이프(21)로 연결되는 중간부분에는 폐액의 공급방향을 결정하는 3웨이 밸브(23)가 연결되어 있다. 또한, 각 탑의 폐액 유출 노즐(20)도 역시 폐액의 유출방향을 결정하는 3웨이 밸브(24)가 중간부분에 연결되어 있다.

이와같은 구성에 의거하여 실폐액을 이용하여 실험이 진행되는 동안 각 수지탑 후단에서 시료를 채취하여 화학분석 및 방사능 측정을 함으로써, 각 수지탑의 기능 및 폐액 처리 능력을 분석할 수가 있다.

도 4는 도 3과 같은 구성에 부착하여 방사선 피폭으로 부터 안전하게 보호할 수 있는 납 차폐체를 나타낸 사시도이다.

이 납 차폐체(10)는, 가로 55㎝ × 세로 50㎝ × 두께 15㎝ 크기로서, 현장조건에 따라 다수개를 조립하여 사용할 수가 있다. 납 차폐체는 중량 20㎏ 이내의 납 벽돌을 쌓아서 만들어지며 방사선의 투과를 방지하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 지그재그 타입으로 제작되므로써 서로 맞물리게끔 제작된 것이다. 상기 지그재그 타입의 납 차폐체(10)를 현장 여건에 따라 다수개로 조립한 하나의 납 차폐벽으로 제작하여 원자력 발전소내에서 상기 도 3에 도시된 구성요소 근처에 설치한다. 즉, 도 3(도면 부호 30)의 앞에 설치할 수가 있다. 본 장치는 처리용량이 1m³/hr 이다. 작업자의 안전을 위한 납 차폐벽의 두께는 IBM PC용 Microshied 프로그램을 이용하여 차폐계산을 한 후 결정한다. 본 발명에서는 납 차폐벽을 항상 함께 운반 설치/해체할 수가 있다.

상기와 같은 구성을 이용하여 본 발명의 전체적인 작용의 일 예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 이동형 트레이(6)를 원하는 원자력 발전소내 위치로 이동시킨다. 이동 시킨 후, 작업자를 방사선 피폭으로 부터 보호하기 위해 납 차폐벽을 근접한 곳에 배치한다. 그 배치 후, 폐액 급수 탱크(7)에서 폐액을 파이프(21)를 통해 공급하여 2기의 전처리 필터(9a, 9b)를 거쳐 필터링을 거친다. 이렇게 필터를 거친 폐액은 방사성 폐액의 처리 특성에 따라 3웨이 밸브(23)의 조절에 의해 각 탑의 공정 순서가 바뀌어 각 탑의 폐액 유입노즐(18)에 공급된다. 이와 동시에, 수지 공급탱크(8)는 각 탑의 수지 주입노즐(17)에 수지를 공급한다. 그러면, 각 탑에서는 각각 기능에 해당한 작용을 거쳐 방출 수준에 맞도록 처리된 폐액을 폐액 유출노즐(20)을 통해 방출시킨다. 이렇게 방출되는 처리수는 다시 3웨이 밸브(24)의 방향 조절에 의해 상기 공정 순서에 맞도록 처리되도록 한다. 그리고 남은 수지를 수지 유출 노즐(19)을 통해 이미 사용된 수지를 추출하여 고건전성 용기에 저장하게 된다.

이상과 같은 본 발명을 다음과 같은 효과들을 갖는다.

첫째로, 폐액내 유기물, 입자, 방사성 이온 등을 방출허용 수준까지 제거할 수 있다.

둘째로, 기존 증발기에 비해 운전 및 유지보수가 간단하며 초기 투자비가 적어 기존 증발기를 대체 또는 보완할 수가 있다.

세째로, 기존의 유기 또는 무기이온수지만을 사용하는 공정에 비해 효율적으로 방사성 이온을 제거하면서 아울러 폐수지 발생량도 4∼8 배 감소시킬 수가 있다.

Claims (8)

1. 방사성 액체 폐기물을 처리하기 위한 장치에 있어서, 방사성 액체 폐기물내 부유입자를 제거하기 위한 전처리 필터(1)와; 유기물을 제거하기 위한 활성탄 흡착탑(2)과; 방사성 쎄슘을 선택적으로 제거하기 위한 무기이온 교환수지탑(3)과; 방사성 코발트를 제거하기 위한 유기 양이온교환수지탑(4)과; 방사성 요오드를 제거하는 동시에 배출수의 pH(페하)를 조절하기 위한 유기 음이온교환수지탑(5)과; 상기 각 탑(column)에 폐액을 공급하는 폐액 급수 탱크(7)와; 상기 각 탑에 해당 방사성 이온을 제거하기 위한 수지를 공급하는 수지 공급 탱크(8)와; 상기 전처리 필터(1), 탑들(2, 3, 4, 5) 및 탱크들(7, 8)을 모두 탑재하고 이동을 용이하게 하는 이동형 트레이(6)와; 상기 이동형 트레이(6) 근접한 곳에 설치하여 방사선으로 부터 작업자를 보호하기 위한 납 차폐벽이 모듈형으로 구성되고, 방사성 액체 폐기물의 처리 특성에 따라 상기 각 탑의 배치 순서가 다르게 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 탑은 상기 이동형 트레이(6)의 프레임에 고정하도록 중간 부위에 부착된 프레임 고정용 브라켓(11)이 일체로 형성되고, 상기 주입되는 수지가 흘러내리도록 하여 방사성 액체 폐기물을 제거하는 기둥형의 탑(13)과; 배기 노즐(16), 상기 수지공급탱크(8)에서 수지를 공급하는 통로인 수지 주입노즐(17) 및 상기 폐액 급수탱크(7)에서 폐액을 공급하는 통로인 폐액 유입노즐(18)이 부착되어 탑(13) 상부를 덮기 위한 탑 상부 덮개(12a)와; 이 탑 상부 덮개(12a)와 탑(13)을 조립하기 위한 상부 플랜지(14a)와; 중앙에 폐액 유출노즐(20)이 부착되어 탑(13) 하부를 덮기 위한 탑 하부 덮개(12b)와; 탑 하부 측면에 부착되어 수지를 유출시키는 수지 유출노즐(19)과; 및 탑 하부 덮개(12b)와 탑(13)을 조립하고, 폐액에 포함된 이물질을 제거하기 위한 슬리브(15)가 삽입된 하부 플랜지(14b)로 구성된 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 탑 상부 덮개(12a)내부에 부착된 폐액 유입노즐(17)에는 주입되는 폐액이 탑 벽면을 타고 아래로 흐를수 있도록 깔대기(21)가 내설된 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 활성탄 흡착탑(2)은 DT 10, DT 90 및 Durasil 70 중 어느 하나의 활성탄을 사용한 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 무기이온 교환 수지탑(3)은 DT 30, Durasil 10 및 Durasil 230 중 어느 하나의 무기이온 교환 수지를 사용한 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 유기양이온 교환 수지탑(4)은 AmberiteIRN-77 의 유기양이온 교환수지를 사용한 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 전처리 필터(1)는 직렬이나 병렬로 방사성 폐액을 필터링하기 위해 복수개를 사용한 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 납 차폐벽은 다수개의 납 차폐체가 지그재그형으로 조립된 것을 특징으로 하는 모듈형 저준위 방사성 액체 폐기물 처리장치.

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