KR100392503B1 - 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단 - Google Patents

저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단 Download PDF

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Abstract

본 발명은 원자력발전소에서 발생되는 중·저준위 방사성폐기물중 가연성 폐기물을 유리화(Vitrification) 기술로 처리하기위한 유도전류 가열식 저온 용융로(Cold crucible melter)내에서 유리의 초기 점화(Start-up)에 필요한 장치에 관한 것인데, 더 상세하게는 유리의 초기 점화를 저항발열체에 의하도록 하는 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단에 관한 것으로, 냉각수 자켓을 형성하기 위하여 2중 벽으로 된 통상의 상부쳄버와 하부쳄버 그리고 하부쳄버를 감싸고 용융로내의 유리에 유도전류를 발생시키는 인덕터를 구비하여 가연성 중 저 준위 방사성폐기물을 직접투입하여 유리화하는 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로에 있어서, 초기 점화 및 상부쳄버(100)의 내측 배기체를 가열하기 위하여 상부쳄버(100)의 천장에 원기둥상의 저항 발열부(130) 3개를 수직으로 형성하고, 상부쳄버의 상부면을 관통하여 외부산소 및 공기를 도입하는 복합버블러(170)가 형성된 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단이다.

Description

저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단{Method for Start-up of Glass Using Resistance Heater in Cold Crucible Melter Combustible Low and Intermediate - Level Radioactive Waste}
본 발명은 원자력발전소에서 발생되는 중·저준위 방사성폐기물중 가연성 폐기물을 유리화(Vitrification) 기술로 처리하기위한 유도전류 가열식 저온 용융로(Cold crucible melter)내에서 유리의 초기 점화(Start-up)에 필요한 장치에 관한 것인데, 더 상세하게는 유리의 초기 점화를 저항발열체에 의하도록 하는 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단에 관한 것이다.
일반적으로 원자력발전소등에서 발생되는 가연성 방사성폐기물을 처리하는 폐기물처리방법은 가연성 방사성 폐기물을 연소시켜 재로 만든 후 용융유리와 함께 유리화시키는 2단계공정이 알려져 있다. 그러나 가연성 폐기물을 용융로로 직접투입할 수 있다면 재로 만드는데 필요한 전처리공정에 필요한 폐기물의 소각 또는 열분해를 위한 회전식 가열로와 발생된 재를 용융로로 수송하는 장치가 불필요하여 설비투자 및 유지보수비용을 상대적으로 줄일 수 있다는데 착안하여 본출원인은 "가연성 중·저준위 방사성 폐기물 직접투입 유리화 시스템"(출원번호 10-1998-0052360)을 발명하여 특허출원하였다. 그런데 상기 가연성 중·저준위 가연성 방사성 폐기물 직접투입 유리화 시스템에 사용되는 유리화 용융로는 용융로 몸체는 냉각수 자켓이 형성된 구조를 취하고 있으며 가열방법은 유도전류 가열방식을 취하고 있다.
이와 같은 종래의 중·저준위 방사성폐기물 처리를 위한 저온 용융로에서 유리화를 위해 이루어지고 있는 유리의 초기 점화 방법은 도 1 에 도시된 장치에 의하여 다음과 같은 방법으로 이루어진다. 폐기물을 투입하기 전 유리 용탕을 만들기 위해 먼저 일정량(예로써 약 60kg)의 유리 원료(Glass frit)를 용융로(10)의 내부공간(예로써 지름 55cm)에 채우고, 용융로 바닥으로부터 소정의 높이(예로써 16 또는 18cm) 지점에 유리속에 소정의 지름(예로써 내경 36cm, 외경 38cm정도)으로 된 티타늄(Titanium) 금속 고리(30)를 고상의 유리 원료 내에 장입시킨다.
이상태에서 고주파발진기(High frequency generator)의 출력을 서서히 증가시켜 용융로(10)의 주변을 감싸고 있는 인덕터(20, Inductor)에서 전자기파(Electromagnetic wave)를 발생시키어 상기 티타늄 금속고리(30)에 집중시키면 티타늄 금속고리(30)에 유도전류(Induced current)가 발생하는데, 고집적된 전자기파에 의해 유도전류가 집중된 티타늄 금속고리(30)의 일정 지점에서 발화된다.
이와 같이 티타늄 금속고리(30)에서 발생되는 열적, 전기적 에너지가 유리에 전달되어 유리의 점화 및 용융을 하도록 되어 있다. 발화되는 그 시점의 상황은 육안관찰을 통하여서도 알 수 있지만 저온 용융로(10)에 유입되는 입력 전압과 전류의 변화를 통하여 쉽게 알 수 있다. 티타늄 금속고리(30)가 발화되기 전 전압과 전류는 완만한 상승곡선을 그리면서 증가하다가 발화되는 순간 유리의 물성이 변함에 따라 전압은 급격히 하강하게 되고 전류는 반대로 급격히 상승하게 된다.
그러나, 이 방법을 사용할 경우 대부분 모든 유리에서 초기 점화가 일어 나는 것이 아니라 특정 성분의 유리에서만 점화가능하기 때문에 초기 점화용 유리를 잘 선택해야 하는 어려운 점이 있다.
또한 유리의 초기 점화는 유리의 특성중의 점도(Viscosity), 전기 전도도(Electrical Conductivity), 유리 알갱이 크기, 티타늄 금속 고리의 높이 등에 의존한다. 일반적으로, 1,150oC 온도 기준에서 100 poise 이상인 점도와 0.3 S/cm 이하인 전기 전도도를 만족하는 유리의 점화는 쉽게 일어나지만 그와 반대로 점도가 낮고 전기 전도도가 높은 유리의 경우 유리의 초기 점화는 실패할 가능성이 높다.
아울러 유리의 용융중에 일어날 수 있는 갑작스런 발진기 등의 고장으로 인해 유리에 전원공급이 차단될 상황이 발생할 경우 유리의 급격한 냉각이 일어나고 이를 다시 재점화(Restart-up) 해야 하는데 기존의 점화 방식으로는 티타늄 금속고리를 다시 장착하고 유리원료를 채워야하는 시간적 소요 등 여러 가지 어려움이 있을 뿐아니라, 초기 점화시 유리의 액화가 일어날 때 고상의 유리가 액상으로 변함에 따라 공극의 소멸 등에 의한 체적변화에 의하여 티타늄 금속고리의 위치가 변하여 효율적인 가열작용을 할 수 없게 되는 문제점이 있다.
그리고 종래의 용융로(10)의 상부쳄버(11)는 냉각수가 유통하여 용융로의 상부측 공간을 냉각하고 있으므로 상부쳄버(11)의 내측공간이 과도하게 냉각될 염려가 있음에도 용융로(10)의 상부쳄버(11)의 내측공간에 있는 배기체의 온도를 조절할 수 있는 가열수단이 없으므로 배기체의 완전연소 조건을 만들어 주는데 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기문제점을 해결하기 위하여 창안된 것인데, 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 상부챔버 즉 천장에 저항 발열체를 설치하여 유리 원료의 초기 점화가 원활하게 수행될 수 있게 하고, 굳은 유리의 재점화가 용이하도록 하며, 아울러 용융로의 상부쳄버내의 배기체 온도를 조절가능하게 하고자 하는데 그 특징이 있다.
도 1은 종래의 중·저준위 방사성폐기물 처리를 위한 저온 용융로에서 유 리화를 위해 이루어지고 있는 유리의 초기 점화 수단의 개략적인 단면도
도 2는 본 발명에 따른 수단이 구비된 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유 리화용 저온 용융로의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 수단이 구비된 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유 리화용 저온 용융로의 절단부 단면 사시도
도 4는 본 발명에 따른 수단이 구비된 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유 리화용 저온 용융로의 단면도
도 5는 본 발명에 따른 수단을 달성하기위한 저항 발열체의 투시 사시도이 다.
***도면의 주요부호에 대한 설명***
100 : 상부쳄버 200 : 하부쳄버 300 : 인덕터
120 : 폐기물 및 유리원료 투입장치 130 : 저항 발열부
131 : 알루미나 세라믹 발열 튜브 132 : 저항 발열체
140 : 온도계 150 : 관찰유리(Viewing glass)창
160 : 배기구(160) LG : 용탕유리 170 : 복합 버블러
171 : 상부버블러 172 : 연소용산소공급관
이하 본 발명에 따른 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단에 대하여 첨부도면과 함께 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 수단이 구비된 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 사시도이고, 도 3는 본 발명에 따른 수단이 구비된 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 절단부 단면 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 수단이 구비된 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 단면도이며, 도 5은 본 발명에 따른 수단을 달성하기위한 저항 발열체의 투시 사시도이다.
도 2 및 도 3, 도 4에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 수단이 구비된 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로는 냉각수가 흘러들어가 배출되도록 하여 수냉가능하게 된 냉각수 자켓을 형성하기 위하여 2중 벽으로 된 통상의 상부쳄버(100)와 하부쳄버(200)를 기본골격으로하고 하부쳄버(200)를 감싸고 용융로내의 유리에 유도전류를 발생시키는 인덕터(300)가 구성되며, 상기 상부쳄버(100)에는 폐기물과 유리 원료를 투입하는 폐기물 및 유리원료 투입장치(120), 세 개의 SiC 또는 MoSi2재질의 저항 발열체를 갖는 저항발열부(130) 및 온도계(140), 용융로 내부측을 관찰할 수 있게 구성된 관찰유리(Viewing glass)창(150, 도 2 참조), 그리고 용융로 내부의 배기체가 배출되는 배기구(160), 상부쳄버의 내부공간 중 유리 상부측과 용탕유리(LG) 중에 동시에 산소를 살포하고 버블링 할 수 있는 복수개의 복합 버블러(170)가 구비된다.
상기 저항발열부(130)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 저온 용융로의 내부 상부 쪽에 즉 상부쳄버(100)의 천장에 소정의 길이(예로써, 70cm)와 소정의 지름(예로써 7cm)으로 된 3개의 원기둥상이 수직으로 설치된 형상으로 형성된다.
상기 저항발열부(130)는 도 5에 도시된 바와 같이 원통형의 알루미나 세라믹발열튜브(131)와 상기 튜브(131)내에 수용된 원기둥상의 저항 발열체(132)로 구성되어 있으며, 이와 같이 알루미나 세라믹 발열 튜브(131) 내부에 위치해 있어서 저항 발열체(132)가 방사성 물질로부터 오염되는 것을 방지하고 저항 발열체(132)의 고장시 그 교환을 쉽게 하도록 하였다.
상기 SiC 저항발열체(131)를 이용해서는 1,350oC 까지, MoSi2저항발열체(131)를 이용해서는 1,600oC까지 온도를 가열 할 수 있으므로 저온 용융로내 유리 원료를 종래의 방법 보다 쉽게 용융 시킬 수 있는 것이다.
상기 온도계(140)는 R형 또는 B형 열전대(熱傳帶, THERMOCOUPLE)로 구성되어 용융로내의 액상 유리의 온도를 측정하는 것이다.
상기 관찰유리(Viewing glass)창(150)은 용융로내부의 상황을 육안으로 관찰가능하게 구비된 것이다.
그리고 첨부도면에 간략하게 도시된 바와 같이 폐기물 및 유리원료 투입장치(120), 복수개의 복합 버블러(170)는 상기 상부쳄버(100)나 하부쳄버(200)과 같이 그 몸체가 냉각수 자켓을 형성 수냉가능하게 구성된다.
그런데 상기 복합버블러(170)는 이중관으로 구성되어 내측관은 상부버블러(171)이고 외측관은 연소용산소공급관(172)인데, 상기 상부버블러(171)는 외부에서 도입된 공기나 산소를 용탕에 불어넣어 용탕을 버블링하는 것으로 그 단부가 용탕내에 삽입되어 있고, 연소용산소공급관(172)은 상기 상부버블러(171)의 상부측 외측을 감싸면서 이중관형태로 형성되어 용융로 내부의 상측공간에 연소용 산소를 공급할 수 있도록 구성된 것이다. 이와 같은 상부버블러(171)와 연소용산소공급관(172)은 각각 냉각수 자켓이 구비되어 그 몸체를 수냉가능하게 구성된다.
이와 같이 복합버블러(170)를 연소용산소공급관(172)과 상부버블러(171)가 동시에 형성되게 하므로써 별도의 연소용산소공급관을 구비할 필요가 없어 그만큼 장치의 단순화를 달성하게 된다.
상기 하부쳄버(200)에는 바닥에서 위로 용탕을 버블링하는 복수개의 하부버블러(220), 인코넬(Inconel-690)재질로 구성되어 발열가능한 배출구(210), 배출구(210)의 하부에 연장되어 배출로를 냉각하여 유리 배출을 차단하는 냉각장치(230)가 구비되는데, 상기 하부버블러(220)는 상기 상부버블러(171)와 같이 냉각수 자켓이 형성되어 몸체를 수냉할 수 있도록 구성된다.
원자력 발전소에서 발생되는 가연성 중·저준위 방사성폐기물을 저온 용융로내에서 유리화 하기 전 폐기물이 소각(Combustion), 열분해(Pyrolysis)되고 유해 물질들이 최종 유리구조 내로 포획(Immobilization)되기 위해서는 용매(Solvent)역할을 하는 초기 유리가 필요하다. 이 초기 유리는 일반적으로 1,150oC 근처에서 점도가 20에서 100 poise 범위를 유지하는 것이 유리화의 조업성면에서 가장 좋다. 초기 유리 원료는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같은 폐기물 및 유리원료 투입장치(120)를 통하여 용융로 내부에 투입되는데 두 가지 방법으로 할 수 있다. 첫 번째는 저온 용융로내부 상부쳄버(100)의 천장에 달려있는 SiC 또는 MoSi2저항 발열체(131)를 유리 원료가 투입되기 전 1,150oC 까지 올린 다음 시간당 30-40kg으로 투입하여 용탕을 만드는 방법이 있고, 두 번째는 저온 용융로내에 유리 원료를 약 60kg 정도 미리 투입해 놓은 후 저항 발열체(131)의 온도를 상승시켜 유리 원료를 용융 시키는 방법이 있다. SiC 저항 발열체(131)를 사용할 경우 1,150oC 까지 온도를 상승시키는데 약 2시간이 소요되며 MoSi2저항 발열체(131)의 경우 약 1시간 정도 소요된다. 유리 원료는 상부에서부터 저항 발열부(130)로 나오는 복사열에 의해 용융 되는데 대류(Convection)에 의해 바닥을 비롯한 모든 부분에 열에너지를 전달시키고 유리 원료의 빠른 용융 상태를 만들기 위해 제 2도의 복합 버블러(170)의 상부버블러(171)를 사용하여 유리 상부에서 유리 내부로 공기를 불어 넣어주는 공기 버블링(Air bubbling)을 유도하여 1,150oC의 유리 용탕을 만들 수 있다. 이 방법을 이용할 경우 초기 유리의 점화에 걸리는 시간은 3시간이면 충분하다.
저항 발열부(130)는 유리의 초기 용융만 시도하게 되고 방사성폐기물이 투입될 때부터 유리 용탕은 고주파 발진기에 의해 전자기파(Electromagnetic wave)를 발생시키는 인덕터(300)에 의하여 유리에 발생되는 유도전류에 의한 주울 효과(Joule effect, P = VI = I2R)에 의해 유리가 용융 상태를 유지하게 된다. 저항 발열체(131)는 비자성체(Non-magnetic) 물질로서 인덕터에 고주파를 걸어 주더라도 전자기파의 영향을 받지 않는 물질일 뿐아니라 유도전류가 집중되는 영역 밖에 위치하므로 초기 용융을 유도하고 난 후에는 유리 용탕 천장(Plenum)부분 즉 상부쳄버(100)의 내부온도를 제어 할 수 있는 기능을 할 수 있다. 유리 용탕위 천장부분 온도는 용탕으로부터 발생되는 배기체의 거동을 조절할 수 있는 중요한 운전 변수이다. 이 곳의 온도가 너무 낮을 경우 불완전 연소된 일산화탄소(CO)와 다이옥신(Dioxin)등의 독성가스가 발생될 수 있으므로 낮은 온도로 인해 발생되는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 발열체를 이용하여 최적의 온도를 자동으로 유지 할 수 있도록 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화를 위한 수냉각 방식 저온 용융로에서 유리의 초기 점화 방법과 장치를 이용할 경우 가연성 방사성폐기물을 유리화로 처리하는데 있어서 운전 용이성을 제고시킬 수 있다. 유리의 초기 점화를 위해 매 번 저온 용융로의 상부 뚜껑을 열어 티타늄 금속고리를 장착할 필요가 없어지며 용융상태에서 발진기 등의 고장으로 갑자기 굳어진 유리의 재점화가 쉬워진다. 또한, 발생 배기체 온도를 조절함으로써 독성가스 등의 파괴가 가능하다. 본 발명에서 고안된 알루미나 세라믹 발열튜브는 그 내부에 있는 발열체의 수명을 연장 시킬뿐 아니라 방사성 물질로부터 오염을 방지시켜 고장시 2차 폐기물 발생량을 방지하는 효과도 있다.

Claims (3)

  1. 냉각수 자켓을 형성하기 위하여 2중 벽으로 된 통상의 상부쳄버와 하부쳄버 그리고 하부쳄버를 감싸고 용융로내의 유리에 유도전류를 발생시키는 인덕터를 구비하여 가연성 중 저 준위 방사성폐기물을 직접투입하여 유리화하는 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로에 있어서, 초기 점화 및 상부쳄버(100)의 내측 배기체를 가열하기 위하여 상부쳄버(100)의 천장에 원기둥상의 저항 발열부(130) 3개를 수직으로 형성하고, 상부쳄버의 상부면을 관통하여 외부산소 및 공기를 도입하는 복합버블러(170)가 형성된 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단
  2. 제1항에 있어서, 저항 발열부(130)는 원통형의 알루미나 세라믹발열튜브(131)와 상기 튜브(131)내에 수용된 원기둥상의 SiC 또는 MoSi2재질로 된 저항 발열체(132)로 구성된 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단
  3. 제1항에 있어서, 복합버블러(170)는 이중관으로 구성되어 내측관은 상부버블러(171)이고 외측관은 연소용산소공급관(172)이며, 상부버블러(171)는 외부에서 도입된 공기나 산소를 용탕에 불어넣어 용탕을 버블링하는 것으로 그 단부가 용탕내에 삽입되어 있고, 연소용산소공급관(172)은 상부버블러(171)의 상부측 외측을 감싸면서 이중관형태로 형성되어 용융로 내부의 상측공간에 연소용 산소를 공급할 수 있도록 구성된 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물 유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단.
KR10-2000-0079274A 2000-12-20 2000-12-20 저항 발열체를 이용한 가연성 중·저준위 방사성폐기물유리화용 저온 용융로의 초기 점화 수단 KR100392503B1 (ko)

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