KR100727092B1 - 사용후핵연료 처분 용기 및 이를 이용한 사용후핵연료 처분 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 용기 내에 은 또는 은 화합물을 투입하는 것을 특징으로 하는, 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료를 담은 용기의 손상시 유출되는 방사성 요오드의 양을 감소시키는 방법을 제공한다. 본 발명은 또한 용기의 내벽에 은 또는 은 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 용기를 제공한다.

방사성 폐기물 처리, 방사성 요오드 유출, 요오드화은, 저장용기

Description

사용후핵연료 처분 용기 및 이를 이용한 사용후핵연료 처분 방법{Ddisposal container for used nuclear fuel and method for disposal of used nuclear fuel by using the same}

도 1은 국내에서 기존에 구상되고 있는 처분용기 모형도로서 왼쪽은 중수로 핵연료, 오른쪽은 경수로 핵연료를 위한 형태이다.

도 2는 용기의 내벽에 은 또는 은 화합물이 코팅된 핵연료용 처분용기 모형도이다.

도 3은 별도의 고형물로 투입된 은 또는 은 화합물을 담고 있는 핵연료용 처분용기 모형도이다.

본 발명은 폐기물 저장용기로부터 유출되는 방사성 요오드를 감소시키는 방법 및 그에 적합한 저장용기에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 은 또는 은 화합물을 사용하여 방사성폐기물 또는 사용후 핵연료를 담은 저장 용기가 부식, 파손 등으로 손상되었을 때 방사성 요오드가 용액 형태로 주변으로 유출되는 것을 감소시키는 방법 및 그에 적합한 저장 용기에 관한 것이다.

방사성폐기물 혹은 사용후 핵연료를 생태계로부터 안전하게 격리시키기 위하여 이들을 장기간 저장용기에 보관한 다음, 처분용기에 담아 최종적으로 지하 수 백미터 암반 속에 처분하는 것이 국제적으로 가장 많이 고려되고 있는 시나리오이다. 그러나 국내에서 장기 저장용기에 대해 구체적으로 고안된 형태는 아직 없으며, 다만 금속용기에 넣어서 콘크리트 건물로 둘러싸고 수중 혹은 대기 중에 수 십년간 보관한다고 가정하고 있다. 현재 국내에서 고려하고 있는 처분 용기는 내부가 주철 혹은 탄소강, 바깥쪽은 내부식성 재질로 되어 있으며, 용기수명을 1,000년으로 고려하고 있다. 방사성폐기물(액상 및 고체상) 혹은 사용후 핵연료를 담고 있는 용기의 빈 공간은 열전도도가 큰 헬륨 기체로 채워질 것으로 예상된다.

그러나 방사성폐기물 처분장 혹은 중간저장 시설에서 이들 용기가 파손되거나 부식되었을 경우, 천만년 이상의 반감기를 갖는 방사성 요오드가 자연수 혹은 지하수에 의해 생태계로 유출될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 각 선진국에서는 처분용기를 둘러싸고 있는 완충재로 사용되는 점토에 황동광, 활성탄 등과 같은 요오드 흡착물질을 첨가하는 방법을 연구하고 있다. 그러나 황동광의 요오드 흡착력은 작으며, 활성탄은 점토와 비중차가 매우 커서 점토와 균일하게 혼합하기 어려운 문제가 있다.

한편, 미국특허 H800호 (1990년 7월 3일)에는 분산된 탄산은을 사용하여 수용액에서 요오드를 제거하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법은 핵 반응기 등에서 사고로 유출된 물에서 방사성 요오드를 제거하는 데 유용하다고 기재되어 있다.

미국특허 5,352,367호 (1994년 10월 4일)에는 환원제와 질산은을 사용하여 요오드산 이온을 비롯한 요오드를 수용액에서 제거하는 방법이 기재되어 있다.

문헌 Radiochim. Acta 91 539-545 (2003)에는 지하수 및 방사성폐기물 침출수에서 방사성 요오드를 흡착하는 데 유용한 게터 재료로 은이 결합된 티올 함유 소재가 기재되어 있다.

상기한 바와 같이 종래 기술에서는 완충재 등에 요오드 흡착물질을 포함시키거나, 방사성 폐기물 내의 요오드를 침전시키는 등의 방법을 제공하고 있으나, 방사성 폐기물 등의 장기 저장에 사용되는 저장 용기 자체에 방사성 요오드의 유출을 감소시킬 수 있는 수단을 제공하지는 않는다.

본 발명의 목적은 방사성폐기물 등의 장기 저장과 관련하여 저장 용기 자체에서 은이 공급되도록 하여 용기 손상시 방사성 요오드가 수용액 상태로 주변 환경으로 유출되는 것을 감소시키는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 용기 내에 은 또는 은 화합물을 투입하는 것을 특징으로 하는, 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료를 담은 용기의 손상시 유출되는 방사성 요오드의 양을 감소시키는 방법을 제공한다.

본 발명의 방법은 요오드가 은(Ag)과 반응성이 크고, 용해도가 매우 작은 은-요오드 침전물 (AgI) (25℃에서 2.8 μg/L)을 형성하는 성질을 이용한 것이며, 금속 은 외에 은 화합물도 사용할 수 있다. 본 발명에 사용할 수 있는 은 화합물은 요오드화은 (AgI)보다 수용해도가 큰 것이어야 하는데, 대부분의 은 화합물, 구체적으로는 Ag-유기물, Ag-X (X=할로겐족 원소, CO₃, CN, NO₃, NO₂, PO₄, SO₄. S, SCN)및 Ag-산화물 등이 이에 해당한다 (용해도 참조: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 60th edition, pp B-122~B-123, edited by R.C. Weast and M.J. Astle, CRC press,Inc., Boca Raton Florida 33431, U.S.A.). 더 구체적으로는, Ag₂O, AgNO₃, AgCl 등을 예로 들 수 있다.

본 발명에서, "용기 내에 은 또는 은 화합물을 투입하는 것"은 방사성폐기물 혹은 사용후 핵연료를 담는 저장용기 또는 처분용기의 내부에서 은이 공급되도록 하는 것을 말한다. 구체적으로는, 용기의 내벽을 은 또는 은 화합물로 코팅하여 사용하거나, 용기 내에 은 또는 은 화합물을 별도로 넣어두는 경우를 상정할 수 있다. 별도로 투입하는 은 또는 은 화합물은 용기 내의 빈 공간에 도포되는 비말(spray) 형태, 분말 또는 펠렛과 같은 고형물 형태 등 그 형태에 별다른 제한이 없다. 저장 또는 처분 용기가 수명이 다해 부식되거나 파손되는 등의 이유로 손상되어 지하수 등이 유입되면 용기 내벽이나 용기 내 고형물 등으로부터 용해되어 나온 은 이온이 방사성 폐기물이나 사용후 핵연료로부터 유출되는 용액중 요오드와 반응하여 침전을 형성함으로써 방사성 요오드의 이동이 억제된다.

본 발명의 일면에 따르면, 은 또는 은 화합물로 방사성폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 저장 용기의 내벽을 코팅하여 용기 손상시 유출되는 방사성 요오드의 양을 감소시키는 방법이 제공된다.

저장 용기의 코팅은 용기 소재에 따라 적합한 통상의 코팅 방법을 사용하여 이루어질 수 있다. 대표적인 것은 분무(spray) 코팅 방식으로서, 코팅하고자 하는 원소의 분말을 녹여 용기표면에 분사시키는 고온 분무 코팅법과 상온에서 분말을 고속으로 용기표면에 충돌시켜 물리적으로 코팅하는 저온 분무 코팅법이 있다. 본 발명의 경우, 예를 들면 은을 고온 분무 코팅하거나 은 화합물을 저온 분무 코팅하는 것을 상정할 수 있다.

본 발명의 다른 일면에 따르면, 은 또는 은 화합물을 방사성폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 용기 내부에 비말(spray)시켜 용기 손상시 유출되는 방사성 요오드의 양을 감소시키는 방법이 제공된다.

본 발명의 또다른 일면에 따르면, 은 또는 은 화합물을 방사성폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 용기 내부에 별도의 고형물로 투입하여 용기 손상시 유출되는 방사성 요오드의 양을 감소시키는 방법이 제공된다.

상기 고형물에는 분말 또는 펠렛 등의 다양한 형태가 포함될 수 있으며, 투입하기 용이하고 표면적이 넓은 분말이나 과립 형태가 바람직하다고 여겨진다. 고형물 형태의 은 또는 은 화합물은 저장 용기와 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료 사이의 빈 공간에 배치할 수 있다.

마지막으로, 본 발명은 용기의 내벽에 은 또는 은 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 방사성 폐기물 또는 사용후 핵연료를 담는 용기를 제공한다.

본 발명에 따른 용기의 구조에는 별다른 제한이 없다. 이와 관련하여, 도 1은 국내의 중수로 및 경수로형 원자로로부터 발생한 사용후 핵연료를 처분하기 위 하여 구상되고 있는 처분용기의 구조를 예시하는 것으로, 위쪽은 횡단면도, 아래쪽은 종단면도이다. 도 2는 도 1에 예시된 처분용기의 내벽이 은으로 코팅된 상태를 나타낸다. 도 3은 은 또는 은 화합물을 용기와 사용후 핵연료 사이의 빈 공간에 넣어준 형태이다. 도 2 및 도 3에서 빗금친 부분은 내벽에 코팅되거나 별도의 고형물로 투입된 은 또는 은 화합물을 나타낸다. 도 1 ~ 도 3에서 저장용기가 처분용기를, 방사성폐기물이 사용후 핵연료를 각각 대치하여 방사성폐기물의 장기저장용기에 적용될 수 있다.

하기 실시예는 본 발명에 따라 저장용기로부터 은 이온이 공급될 때 수용액중 요오드가 제거될 수 있음을 보여주는 것이다.

실시예 1

은 금속에 의한 수용액 중 요오드 이온의 제거

KI를 증류수에 녹여 요오드의 농도가 10 μg/ml 인 용액을 만들고, 이 용액 10 ml를 병에 넣었다. 이 병에 표면적이 0.25 cm²인 은 과립을 4개 넣고, 광에 의해 요오드가 산화되지 않도록 알루미늄 호일로 병을 감쌌다. 이 시료를 30℃ 항온조 쉐이커에 넣고 60 회/분 속도로 4일간 흔들어 주었다. 4일 후 용액을 0.2 μm 필터로 여과하고, 여과한 용액이 들어있는 병을 알루미늄 호일로 감쌌다. 그 다음 이온 크로마토그래피로 요오드의 농도를 측정하였다.

한편, 바탕실험으로서 은 과립을 넣는 과정을 생략한 실험을 동시에 실시하였다.

실험결과, 바탕실험에서 요오드의 농도는 10 μg/ml를 그대로 유지하였으나, 은 과립이 첨가된 경우 요오드의 농도가 0.49 μg/ml로 감소하였다.

실시예 2

Ag ₂ O 에 의한 수용액중 요오드의 제거

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 요오드 농도가 100 μg/ml 인 수용액 20 ml을 사용하였으며, 은 과립 대신 2.0 mg의 Ag₂O 분말을 넣고 7일간 흔들어 주었다. 그 결과, 요오드의 농도가 0.05 μg/ml 이하로 감소하였다.

실시예 3

AgNO ₃ 에 의한 수용액중 요오드의 제거

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 은 과립 대신 5.0 mg의 AgNO₃ 분말을 넣어주었다. 그 결과, 요오드의 농도가 0.05 μg/ml 이하로 감소하였다.

실시예 4

벤토나이트와 혼합한 Ag ₂ O 에 의한 수용액중 요오드의 제거

실시예 1과 동일한 방법으로 실시하되, 은 과립 대신 1.0 mg의 Ag₂O 분말과 벤토나이트 1 g을 넣고 7일 동안 흔들어 준 결과, 요오드의 농도가 0.1 μg/ml 이 하로 감소하였다. 이 경우 바탕실험으로 벤토나이트 1 g을 넣고 시험한 결과, 벤토나이트에 의한 용액중 요오드의 제거효과는 없는 것을 확인하였다.

위 실시예 1 내지 3에서, 은 금속 혹은 은 화합물이 존재할 경우 용액중 요오드의 농도가 현격히 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 처분용기가 부식되어 용기를 둘러싼 벤토나이트(점토의 일종)가 용기 내로 유입된 경우를 모사한 실시예 4에서도 Ag₂O가 용액중 요오드 농도를 감소시키는 것을 확인하였다. 이로부터, 본 발명의 방법에 따라 저장 용기에 코팅되거나 분말 등의 형태로 저장 용기에 투입된 은 또는 은 화합물이 용기 손상시 유입된 지하수 등에 의해 폐기물에서 녹아나오는 방사성 요오드를 물에서 제거할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의하여, 방사성폐기물 또는 사용후 핵연료를 담은 저장 용기가 부식, 파손 등에 의해 손상되었을 때 지하수 등의 유입에 따라 용액 상태로 용기 밖으로 유출되는 방사성 요오드의 양을 감소시켜 환경오염의 위험성을 낮출 수 있다.

Claims (7)

1. 사용후핵연료를 담는 용기 내에 은 또는 은 화합물을 투입하는 단계;

   상기 용기에 상기 사용후핵연료를 담는 단계; 및

   상기 사용후핵연료가 담긴 용기를 지하에 매설하는 단계를 포함하는 사용후핵연료의 처분 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 은 또는 은 화합물을 투입하는 단계는, 상기 용기의 내벽에 상기 은 또는 은 화합물을 코팅하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 처분 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 은 또는 은 화합물을 투입하는 단계는, 상기 은 또는 은 화합물을 상기 사용후핵연료를 담는 용기 내부에 비말(spray) 시키는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 처분 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 은 또는 은 화합물을 투입하는 단계는, 상기 은 또는 은 화합물을 상기 용기 내부에 고형물로서 투입하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료의 처분 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   은 화합물이 AgI의 용해도 이상을 갖는 Ag-유기물, Ag-X (X=할로겐족 원소, CO₃, CN, NO₃, NO₂, PO₄, SO₄. S, SCN) 및 Ag-산화물로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 사용후핵연료의 처분 방법.
6. 제5항에 있어서,

   은 화합물이 Ag₂O, AgNO₃ 및 AgCl로 이루어진 군에서 선택된 것임을 특징으로 하는 방법.
7. 용기의 내벽에 은 또는 은 화합물이 코팅되고 사용후핵연료를 담기 위한 사용후핵연료 처분용 용기.

Images