KR100739855B1 - 혼상 폐수지내 방사성탄소 ｃ-14 핵종의 제거방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원자력발전소 특히 중수로 원자력발전소의 감속재 계통 등에서 방사성탄소인 C-14 방사성 핵종을 포함한 다양한 핵종을 제거하기 위한 공정으로부터 발생된 IRN-150 양이온-음이온 혼상 폐수지를 효율적으로 처리하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 이를 위해 대상 IRN-150 혼상 폐수지를 반응조에 투입하고 알칼리 또는 인산용액을 주입하여 폐수지로부터 C-14 핵종을 제거하는 혼상폐수지 처리 반응조(100); 및 상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100) 후단에 위치하고 혼상 폐수지를 C-14이 함유된 알칼리용액으로부터 분리한 후 알칼리용액에만 미량의 산용액을 주입하여 용액내 C-14 핵종을 ¹⁴CO₂ 형태로 기체화하는 C-14 핵종 기체화 반응조(200);로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 장치의 부식 및 다른 양이온 핵종도 폐수지로부터 다량으로 탈착되는 요인을 제공하는 산 용액 및 고온 산화처리 기술을 사용하지 않고 대상 혼상 폐수지를 양이온-음이온 폐수지로 각각 별도로 분리하지 않으며, 상온에서 알칼리 및 인산용액을 이용하여 혼상 폐수지로부터 양이온 핵종의 제거율을 최소로 하고 C-14 방사성 핵종을 효과적으로 제거하며, 이를 통해 폐수지내 C-14 방사성 핵종의 방사능을 저준위 방사성 폐기물 수준으로 감소시켜 폐수지 관리를 용이하게 하고 폐수지 저장용량 여유도를 증가시키며, 폐수지를 유리화공정을 이용하여 추가로 처리할 경우 이를 용이하게 할 수 있는 고방사능 C-14 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리를 제공하고, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 것이다.

원자력발전소, 중수로, 손상 폐수지, 알칼리용액, 인산용액.

Description

혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법 및 장치{A Method and A Equipment for Removal of Ｃ-14 Radionuclide on Spent Resin}

도 1 은 본 발명에 따른 혼상 폐수지 처리 반응조의 구성도.

도 2 는 본 발명에 따른 폐수지와 알칼리용액 분리조 및 C-14핵종의 ¹⁴CO₂

기체화 반응조의 구성도.

도 3 은 도 1 에 의해 구성된 NaNO₃ 알칼리용액 이용 혼상 폐수지로부터

HCO₃ 제거율 변화를 보인 실시예도.

도 4 는 도 2 에 의해 구성된 NaNO₃ 및 Na₃PO₄ 알칼리용액내 HCO₃ 이온의

CO₂ 기체화 변화를 보인 실시예도.

도 5 는 도 1 에 의해 구성된 NH₄H₂PO₄ 용액 이용 혼상 폐수지로부터 제거된

HCO₃ 이온의 CO₂ 기체화 변화를 보인 실시예도.

도 6 은 도 1 에 의해 구성된 혼상 폐수지로부터 H₃PO₄ 용액내 PO₄ 이온 총

몰수 변화에 따른 HCO₃ 이온의 제거율 변화를 보인 실시예도.

도 7 은 도 1 에 의해 구성된 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 용액 이용 실제 혼상 폐수지로

부터 C-14 핵종 제거특성 및 잔류용액내 감마핵종 변화에 대한 실

시예도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(100) : 혼상 폐수지 처리 반응조 (110) : 혼상폐수지 투입구

(120) : 인산용액 저장조 (130) : 알칼리용액 저장조

(140) : 인산용액 이송펌프 (150) : 알칼리용액 이송펌프

(155) : 용액 투입구 (160) : 기체 주입구

(170) : 교반기 (180) : 기체 배출구

(190) : 폐수지/용액 배출구 (200) : C-14 핵종 기체화 반응조

(210) : 하부 용액회수 탱크 (220) : 스크린

(230) : C-14 함유 용액 이송펌프 (240) : 산용액 투입구

(250) : 산용액 이송 펌프 (260) : 산용액 저장조

(270) : 기체 투입구 (280) : 교반기

(290) : 기체 배출구 (300) : 알칼리용액 배출구

본 발명은 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 장치의 부식 및 다른 양이온 핵종도 폐수지로부터 다량으로 탈착되는 요인을 제공하는 산 용액 및 고온 산화처리 기술을 사용하지 않고 대상 혼상 폐수지를 양이온-음이온 폐수지로 각각 별도로 분리하지 않으며, 상온에서 알칼리 및 인산용액을 이용하여 혼상 폐수지로부터 양이온 핵종의 제거율을 최소로 하고 C-14 방사성 핵종을 효과적으로 제거하며, 이를 통해 폐수지내 C-14 방사성 핵종의 방사능을 저준위 방사성 폐기물 수준으로 감소시켜 폐수지 관리를 용이하게 하고 폐수지 저장용량 여유도를 증가시키며, 폐수지를 유리화공정을 이용하여 추가로 처리할 경우 이를 용이하게 할 수 있는 고방사능 C-14 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리를 제공하고, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 것이다.

주지하다시피 폐수지는 일반적으로 원자력발전소의 여러 액체 폐기물 처리계통에서 다양한 핵종을 제거하기 위한 공정에서 발생되며, 특히 중수로 원자력발전소에서는 중수 사용에 따라 중수내 함유된 ¹⁷O에 의한 ¹⁷O(η,α)¹⁴C 반응에 의해 감속재 계통에서 C-14 핵종이 상당량 생성되고 있고, 양이온-음이온 혼상수지를 사용하여 양이온 방사성 핵종인 Co-60, Cs-137 등을 제거함과 동시에 음이온 방사성 핵종인 C-14을 제거하며, 양이온-음이온 폐수지를 별도로 분리하여 저장하지 않으므로 C-14 핵종이 함유된 혼상 폐수지가 다량 발생되고 있다. 이상 서술한 IRN-150 양이온-음이온 혼상 폐수지중 C-14 핵종은 탄산염(H¹⁴CO₃) 형태로 음이온 폐수지에 부착되어 있고, 양이온 폐수지에는 양이온 방사성 핵종인 Co-60, Cs-137 등이 함유되어 있다. C-14 방사성 탄소는 반감기가 5,730년으로 길고 β선을 방출하며, C-14 핵종 방사능이 높은 폐수지의 경우 지표 매설 처분이 곤란하고 깊은 지층에 처분하여야 하므로 비용이 높아지게 된다.

원자력발전소내 폐수지 저장탱크의 용량 확보와 폐기물의 부피 감용을 위하여 개발된 종래의 폐수지 처리기술은 크게 고농도 염산, 질산 등 산 용액 이용 기술, 소각 열처리 기술, 습식 산화 기술, 초임계 CO₂ 이용기술 등을 들 수 있으며, 산 용액 및 고온에서 폐수지를 처리함에 따른 장치의 부식 문제가 따르고 또한 장치의 대형화 및 고온?고압의 공정조건이 요구되고, 대부분의 기술들은 폐수지내 C-14 핵종 뿐만 아니라 폐수지 구조물인 유기물의 분해에 의하여 CO₂ 기체가 다량 발생하므로 고농도의 CO₂를 부수적으로 처리하는 고비용의 추가 공정이 필요하고 동시에 양이온 폐수지로부터 Co-60, Cs-137 등의 방사성 핵종들이 대부분 탈착되어 기체상으로 휘발하므로 이차 폐기물 처리에 큰 문제점을 발생시킨다. 따라서 장치의 부식 및 다른 양이온 방사성 핵종도 다량으로 탈착되는 요인을 제공하는 산 용액 및 고온 산화처리 기술을 사용하지 않고 대상 혼상 폐수지내 C-14 핵종을 효과적으로 제거하며, 폐수지를 유리화공정을 이용하여 추가로 처리할 경우 이를 용이하게 할 수 있는 고방사성 C-14 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리 방법이 요구된 다.

종래의 폐수지 처리에 관한 기술 발명으로는 폐수지로부터 C-14 동위원소 제조방법에 대한 것으로, 폐수지로부터 C-12, C-13, C-14의 다성분 탄소성분을 분리한 후 수백개의 증류단을 이용한 분별증류에 의하여 C-14 동위원소를 제조하는 발명에 관한 것이며 폐수지로부터 C-12, C-13, C-14의 다성분 탄소성분을 분리하기 위하여 6 N 염산 용액을 사용하는 특성으로 후술되는 본 발명과 그 기본 원리 및 목적, 방법에 있어 차이가 있다.

상기와 같이 전체적으로 종래의 기술을 특징으로 하는 폐수지 처리기술은 기본 원리 및 기술수단이 후술되는 본 발명과 차이가 있으며, 폐수지로부터 C-14 동위원소 제조를 위한 종래의 기술에서도 혼상 폐수지를 대상으로 하지 않고 있으며C-14 핵종의 제거를 위하여 일차적으로 고농도 산 용액을 사용하는 방식을 취하고 있어, 상온에서 알칼리 및 인산용액을 이용하여 대상 혼상 폐수지내 C-14 핵종을 효과적으로 제거하며, 폐수지를 유리화공정을 이용하여 추가로 처리할 경우 이를 용이하게 할 수 있는 다량의 C-14 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리방법 및 장치로 이루어진 본 발명과는 상이함을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 원자력발전소 특히 중수로 원자력발전소의 감속재 계통 등에서 방사성탄소인 C-14 방사성 핵종을 포함한 다양한 핵종을 제거하기 위한 공정으로부터 발생된 IRN-150 양이온-음이온 혼상 폐수지를 효율적으로 처리하는 것으로, 특히 장치의 부식 및 다른 양이온 핵종도 폐수지로부터 다량으로 탈착되는 요인을 제공하는 산 용액 및 고온 산화처리 기술을 사용하지 않고 대상 혼상 폐수지를 양이온-음이온 폐수지로 각각 별도로 분리하지 않으며, 상온에서 알칼리 및 인산용액을 이용하여 혼상 폐수지로부터 양이온 핵종의 제거율을 최소로 하고 C-14 방사성 핵종을 효과적으로 제거하며, 이를 통해 폐수지내 C-14 방사성 핵종의 방사능을 저준위 방사성폐기물 수준으로 감소시켜 폐수지 관리를 용이하게 하고 폐수지를 유리화공정을 이용하여 추가로 처리할 경우 이를 용이하게 할 수 있는 고방사능 C-14 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리방법 및 장치를 제공하는 것이며, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법 및 장치를 제공한다.

이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 IRN-77 양이온 폐수지와 IRN-78 음이온 폐수지가 당량비로 혼합하는 단계; 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지를 별도로 각각 분리하지 않고 혼상 폐수지 처리 반응조에 상기의 혼상 폐수지를 투입하는 단계; 알칼리계열 용액 및 인산 용액을 주입한 후 불활성기체를 반응조내로 공급하여 용액을 버블링함과 동시에 혼상 폐수지 및 용액을 교반하면서 상온에서 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 선택적으로 제거하는 단계;가 포함됨을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법을 제공한다.

또한 본 발명은 대상 IRN-150 혼상 폐수지를 반응조에 투입하고 알칼리 또는 인산용액을 주입하여 폐수지로부터 C-14 핵종을 제거하는 혼상폐수지 처리 반응조; 및 상기 혼상 폐수지 처리 반응조 후단에 위치하고 혼상 폐수지를 C-14이 함유된 알칼리용액으로부터 분리한 후 알칼리용액에만 미량의 산용액을 주입하여 용액내 C-14 핵종을 ¹⁴CO₂ 형태로 기체화하는 C-14 핵종 기체화 반응조;로 구성됨을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거장치를 제공한다.

이하에서는 이러한 목적 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 적용된 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법 및 장치는 도 1 내지 도 7 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 본 발명은 도 1, 2 에 도시된 바와 같이 대상 IRN-150 혼상 폐수지를 반응조에 투입하고 알칼리 또는 인산용액을 주입하여 폐수지로부터 C-14 핵종을 제거하는 혼상폐수지 처리 반응조(100); 및 상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100) 후단 에 위치하고 혼상 폐수지를 C-14이 함유된 알칼리용액으로부터 분리한 후 알칼리용액에만 미량의 산용액을 주입하여 용액내 C-14 핵종을 ¹⁴CO₂ 형태로 기체화하는 C-14 핵종 기체화 반응조(200);로 크게 나누어져 구성된다.

이를 보다 상세히 설명하면, 도 1 에 도시된 바와 같이 상기 혼상폐수지 처리 반응조(100) 내에 연결되는 혼상폐수지 투입구(110)가 구비된다.

또한 인산용액 저장조(120)로부터 인산용액 이송펌프(140)를 사용하여 상기 혼상폐수지 처리 반응조로 공급하는 인산용액 투입구(155)가 구비된다.

또한 질소, 알곤 불활성기체를 상기 혼상폐수지 처리반응조의 내부로 공급하는 기체주입구(160)가 구비된다.

그리고 상기 혼상 폐수지 처리반응조의 내부에 설치되어 용액을 버블링 시키면 혼상 폐수지 및 용액과의 접촉성을 증대시키는 교반기(170)가 구비된다.

더하여 상기 혼상 폐수지 처리 반응조의 하부에 연결되며, 2단의 하부 용액회수 탱크(210)중 1단 회수탱크에 구비된 스크린(220)을 이용하여 폐수지를 별도로 회수하여 유리화 공정 등 추가 공정으로 보내는 폐수지/용액 배출구(190)가 구비된다.

본 발명은 또한 알칼리용액 저장조(130)의 용액을 상기 혼상폐수지 처리 반응조로 공급하는 알칼리용액 이송펌프(150)가 구비된다.

또한 본 발명은 도 2 에 도시된 바와 같이 C-14 핵종이 함유된 용액을 C-14 핵종 기체화 반응조(200)로 이송하는 C-14함유 용액 이송펌프(230)가 구비된다.

그리고 산용액 이송펌프(250)를 이용하여 질산 혹은 염산이 내장된 산용액 저장조(260)의 산용액을 C-14 핵종 기체화 반응조(200)로 공급하는 산용액 투입구(240)가 구비된다.

또한 질소, 알곤 불활성 기체를 상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)에 공급하는 기체 투입구(270)가 구비된다.

더하여 상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)의 내부에 구비되어 용액을 교반시키는 교반기(280)가 구비된다.

본 발명은 또한 상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)의 하부에 구비되며, 반응이 완료된 후 C-14 핵종이 제거된 알칼리 용액을 수집, 저장후 별도로 처리하도록 연결된 알칼리 용액 배출구(300)가 구비된다.

마지막으로 본 발명 상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100)에는 ¹⁴CO₂가 배출되도록 함과 아울러 기체 처리장치에서 최종 포집할 수 있도록 기체 배출구(180)가 더 연결 구비됨은 물론 상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)에도 ¹⁴CO₂가 배출되도록 함과 아울러 기체 처리장치에서 최종 포집할 수 있도록 기체 배출구(290)가 연결 구비된다.

한편 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.

그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법 및 장치의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명은 IRN-77 양이온 폐수지와 IRN-78 음이온 폐수지가 당량비로 혼합하는 단계; 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지를 별도로 각각 분리하지 않고 혼상 폐수지 처리 반응조에 상기의 혼상 폐수지를 투입하는 단계; 알칼리계열 용액 및 인산 용액을 주입한 후 불활성기체를 반응조내로 공급하여 용액을 버블링함과 동시에 혼상 폐수지 및 용액을 교반하면서 상온에서 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 선택적으로 제거하는 단계;가 포함된 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법을 제공하게 된다.

이때 상기 알칼리 용액은 NaNO₃, Na₃PO₄ 이어서 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 제거하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법을 제공한다.

또한 상기 인산용액은 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 이어서 폐수지로부터 C-14 방사성핵종을 ¹⁴CO₂로 기체화하여 C-14 핵종을 제거하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법을 제공한다.

그리고 본 발명은 상기 NaNO₃, Na₃PO₄ 알칼리 용액을 사용하여 혼상 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 용액내로 제거하고 용액을 필터를 이용하여 용액만을 분리한 후, 용액내에 산 용액을 미량 주입하고 질소기체를 반응조에 주입하면서 용액내에 용해되어 있는 C-14 방사성 핵종을 ¹⁴CO₂ 기체형태로 전환시키는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법을 제공한다.

더하여 본 발명은 상기 반응조에 혼상 폐수지를 투입하고 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 인산계열 용액을 반응조에 주입하면서 혼상 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 용액내로 제거함과 동시에 용액내로 제거된 C-14 방사성 핵종을 방사성 기체형태인 ¹⁴CO₂로 전환시키는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법을 제공하게 된다.

이하 본 발명을 보다 구체적인 설명하면 다음과 같다.

본 발명 중수로 원자력발전소 폐수지 저장탱크내 보관중인 양이온-음이온 혼상 폐수지내에는 음이온 폐수지에 C-14 핵종이 탄산염(H¹⁴CO₃) 형태로 부착되어 있고, 양이온 폐수지에는 양이온 방사성 핵종인 Co-60, Cs-134, Cs-137 감마핵종 등이 함유되어 있다. 혼상 폐수지내 음이온 폐수지가 함유하는 C-14 핵종의 방사능이 미국 10 CFR 61.8 폐기물 분류기준에 따라 8 Ci/m³이상이면 심지층에 처분하여야 하므로 이에 따른 처분비용이 높아지게 되고, 혼상 폐수지를 고농도 산용액을 사용하거나 고온 산화 열처리하게 되면 폐수지내 C-14 핵종 뿐만 아니라 폐수지 구조물인 유기물의 분해에 의하여 CO2 기체가 다량 발생하므로 고농도의 CO2를 부수적으로 처리하는 고비용의 추가 공정이 필요하고, 동시에 양이온 폐수지로부터 Co-60, Cs-134, Cs-137 등의 방사성 핵종들이 대부분 동시에 탈착되어 기체상으로 휘발하므로 이 또한 고비용의 후처리 공정이 요구되는 불리한 점을 가지게 된다.

본 발명은 대상 혼상 폐수지를 양이온-음이온 폐수지로 각각 별도로 분리하지 않고 상온에서 알칼리 및 인산용액을 이용하여 혼상 폐수지로부터 양이온 핵종의 제거율을 최소로 하면서 C-14 방사성 핵종을 효과적으로 제거하는 고방사능 C-14 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 이온교환수지의 폐액중 양이온과 음이온의 흡착 친화도(affinity)는 교환되는 이온의 전하가 크고 원자번호가 클수록 증가한 것으로 알려져 있고, 예를 들면 양이온 및 음이온의 이온교환수지에 대한 친화도는 아래와 같다.

(양이온 이온교환 친화도)

(음이온 이온교환 친화도)

본 발명의 관심 대상 음이온인 C-14 핵종(주로 HCO₃- 형태)보다 친화도가 큰 이온들중 알칼리 특성을 나타내는것은 NO₃, PO₄ 등이며, 양이온인 Cs, Co보다 친화도가 낮은 이온 후보로는 NH₄, Na, H 등이다. 따라서 아래의 식 (1) 및 식(2)를 기본 개념으로 양이온 및 음이온들에 대한 친화도를 활용하여 본 발명에서는 폐수지로부터 C-14 핵종 제거를 위하여 선정한 탈착용액은 알칼리 용액으로 NaNO₃, Na₃PO₄, 약산성 인산용액으로 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 를 사용하여 혼상 폐수지로부터 양이온 감마핵종 제거율을 최소로 하고 C-14 핵종을 효과적으로 제거하기 위한 폐수지 처리방법 및 장치를 구성하였다.

(음이온 폐수지)

(양이온 폐수지)

여기서

는 양이온 폐수지 및 음이온 폐수지를 각각 나타낸다.

도 1 은 본 발명에 따른 C-14 핵종 제거를 위한 혼상 폐수지 처리 반응조예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 폐수지와 알칼리용액 분리조 및 C-14 핵종의 ¹⁴CO₂ 기체화 반응조 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 상기와 같은 원리를 이용하여 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종을 효과적으로 제거하기 위한 최적 조건을 제시하기 위한 것이며, 본 발명은 대상 IRN-150 혼상 폐수지를 반응조에 투입하고 알칼리 또 는 인산용액을 주입하여 폐수지로부터 C-14 핵종을 제거하는 혼상폐수지 처리 반응조(100)와, 상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100) 후단에 위치하고 혼상 폐수지를 C-14이 함유된 알칼리용액으로부터 분리한 후 알칼리용액에만 미량의 산용액을 주입하여 용액내 C-14 핵종을 ¹⁴CO₂ 형태로 기체화하는 C-14 핵종 기체화 반응조(200)로 구성되어 있다.

상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100)는 본 발명에서 채택한 상기 NaNO₃, Na₃PO₄ 알칼리용액 또는 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 인산용액을 사용하여 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종을 제거하는 공정으로, 상기 알칼리 용액을 사용할 경우에만 혼상 폐수지와 알칼리 용액을 스크린(220)을 이용하여 용액만을 회수하고 C-14 함유 용액이송펌프(230)를 이용 C-14 핵종 기체화 반응조(200)로 이송하여 미량의 산용액을 주입하고 C-14 핵종을 ¹⁴CO₂ 로 기체화시키게 되며, 인산용액을 사용할 경우에는 약산성 완충용액의 특성으로 인하여 혼상 폐수지 처리 반응조(100)에서 C-14 핵종 제거 및 용액으로 분리된 C-14 핵종의 14CO2 로의 기체화가 동시에 이루어져 산용액 주입 및 기체화 반응조(200)로의 이송이 필요 없게 된다.

상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100)내에 혼상 폐수지를 투입구(110)를 통하여 주입하고 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 인산용액 저장조(120)로부터 인산용액 이송펌프(140)를 사용하여 인산용액 투입구(155)를 통하여 혼상 폐수지 처리 반응조(100)로 공급하고 인산용액의 주입이 완료되면 인산용액 투입구(155)를 빠르게 잠그며, 동시에 질 소, 알곤 불활성기체를 기체 주입구(160)를 통하여 주입하여 용액을 버블링시키고 교반기(170)를 가동시킨다. 상기의 경우 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종이 제거됨과 동시에 H₂PO₄_, PO₄_ 함유 인산용액의 약산성, 완충용액으로의 화학적 특성으로 C-14 핵종의 ¹⁴CO₂ 로의 기체화가 동시에 이루어지므로 ¹⁴CO₂ 기체는 기체 배출구(180)를 통하여 빠져 나가며 연결된 ¹⁴CO₂ 기체처리 장치에서 최종 포집된다. 인산용액의 투입량은 폐수지를 적시는 정도의 최소 범위에서 혼상 폐수지내 C-14 핵종의 초기 흡착량에 따라 조절 가능하도록 구성할 수 있고, 배출된 ¹⁴CO₂ 기체 총량은 폐수지내 흡착된 C-14 양에 따라 달라지나 C-14 핵종만 탈착되어 기체화되는 특성으로 폐수지의 산화 또는 소각 열처리에 의한 공정에 비교하면 매우 낮을 것이다. 반응이 완료된 후 혼상 폐수지와 인산 용액을 상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100)하부의 폐수지/용액 배출구(190)를 통하여 2단의 하부 용액 회수탱크(210)중 1단 회수탱크에 구비된 스크린(220)을 이용하여 폐수지를 별도로 회수하여 유리화공정 등 추가 공정으로 보낸다.

상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100)내에 혼상 폐수지 투입구(110)를 통하여 주입하고 NaNO₃, Na₃PO₄ 알칼리용액 저장조(130)로부터 알칼리용액 이송펌프(150)를 사용하여 반응조(100)로 공급하고, 알칼리용액의 주입이 완료되면 알칼리용액 투입구(155)를 잠그며 동시에 질소, 알곤 불활성기체를 기체 주입구(160)를 통하여 주 입하여 용액을 버블링시키고 용액과 폐수지를 교반기(170)를 이용하여 교반시킨다. 상기의 경우 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종이 제거되고 알칼리용액의 화학적 특성으로 C-14 핵종의 ¹⁴CO₂ 로의 기체화는 일어나지 않는다. 특히 Na₃PO₄ 알칼리용액을 이용할 경우 공기중으로부터 CO₂ 기체의 흡수가 쉽게 일어나므로 전체 공정은 질소등의 불활성 분위기하에서 운전되어야 한다. 반응이 완료된 후 혼상 폐수지와 알칼리 용액을 상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100)하부의 폐수지/용액 배출구(190)를 통하여 2단의 하부 용액 회수탱크(210)중 1단 회수탱크에 구비된 스크린(220)을 이용하여 용액만을 회수하고, C-14 핵종이 함유된 용액을 C-14 함유 용액이송펌프(230)를 이용하여 C-14 기체화 반응조(200)로 이송한 후, 산용액 이송펌프(250)를 이용하여 질산 혹은 염산의 산용액 저장조(260)로부터 산용액 투입구(240)를 통하여 원하는 만큼의 산용액을 주입하고 기체 투입구(270)에 질소, 알곤 불활성 기체를 주입함과 동시에 교반기(280)를 이용하여 용액을 교반시키면서 C-14 핵종을 ¹⁴CO₂ 로 기체화되어 불활성 기체와 함께 기체 배출구(290)를 통하여 ¹⁴CO₂ 기체처리 장치에서 최종 포집되고, 반응이 완료된 후 C-14 핵종이 제거된 알칼리 용액은 알칼리 용액 배출구(300)을 통하여 수집, 저장후 별도로 처리한다. 알칼리 용액의 투입량은 폐수지를 적시는 정도의 최소 범위에서 혼상 폐수지내 C-14 핵종의 초기 흡착량에 따라 조절 가능하도록 구성할 수 있고, 기체화 반응조(200)로 투입된 산용액 양은 용액 pH가 3 이하를 유지할 정도면 충분하고, 배출된 ¹⁴CO₂ 기체 총량은 인산용액 이용 공정과 동일하게 매우 낮을 것이다.

상기 혼상폐수지 처리 반응조와 상기 혼상 폐수지 처리 반응조 후단에 위치한 C-14 핵종의 ¹⁴CO₂ 로의 기체화 반응조(200)는 모두 ¹⁴CO₂ 기체처리계통과 연결되고, 기체처리 계통으로는 기존의 Sodalime 혹은 수산화칼슘 이용 흡착공정을 사용하거나 수산화칼슘 혹은 Sodalime 흡착제가 충진된 기체 순환 흡착장치를 이용할 수 있다.

상기에서와 같이, 본 발명은 혼상 폐수지로부터 양이온-음이온 폐수지를 각각 분리하지 않고 상온에서 알칼리 및 인산용액을 이용하여 혼상 폐수지로부터 양이온 핵종의 제거율을 최소로 하고 C-14 방사성 핵종을 효과적으로 제거하는 고방사능 C-14 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리방법 및 장치를 제공하는 것이다. 상술된 본 발명의 알칼리 및 인산 탈착용액에 의한 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종의 제거 기술을 이용하면, C-14이 제거된 폐수지는 추가 처리 공정이 용이하게 되고 처분비용 또한 크게 감소하게 된다. 또한, 본 발명은 C-14 탈착용액으로 인산(H₂PO₄-, PO₄-)이온이 포함되어 있어 양이온 폐수지로부터 세슘 감마핵종이 미량 제거되더라도 인산이온과 반응하여 [Cs·PO₄] 침전물을 형성하여 용액내에서 안정상을 이루며 본 침전물은 고온에서도 휘발하지 않는 특성을 가지고 있어, 상기 탈착용액을 이용할 경우 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종처리 용이성이 더욱 증진될 수 있 다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

<실시예 1>

비방사성 HCO₃ 이온이 흡착된 IRN-150 폐수지를 이용하여 비방사성 탄소이온의 탈착제거 특성 실험 실시 예이다. 고농도에서도 공기중 CO2의 흡수성이 없는 NaNO₃ 알칼리 용액을 이용한 폐수지로부터 탈착율 변화를 보기 위하여, 비방사성 HCO₃ 이온의 흡착량이 약 12 mg-C/g인 IRN-150 혼상 폐수지 4 g, 알칼리용액 부피 30 ml로 일정하게 하고, 용액내 NaNO₃ 몰농도 변화에 따른 HCO₃ 이온의 탈착율 변화를 탈착용액내 NO₃ 이온 총 몰수/폐수지내 초기 C 총 몰수비의 함수로 관찰하였다. 도 1의 장치를 이용하여 얻은 결과는 도 3과 같다. 도 3에서 폐수지로부터 HCO₃ 이온의 탈착율을 90% 이상 얻기 위해서는 탈착용액내 NO₃ 이온의 총 몰수가 초기 폐수지내 함유되어 있는 C 몰수의 3배 이상이 되어야 함을 의미한다. 이는 음이온 페수지내 함유된 C-14 핵종의 함량을 기준으로 할 경우 사용되는 탈착용액의 부피는 폐수지를 적시는 정도 수준에서 총 몰수만 조절하면 효과적으로 C-14 핵종을 탈착시킬 수 있고, IRN-150 혼상수지의 최대 C-14 핵종 흡착량이 12 mg-C-14/g-IRN-150을 기준으로 탈착용액내 NO₃ 총 몰수를 3배이상으로 조절하면 실제 C-14 핵종이 흡착된 폐수지 처리시에 문제가 없을 것이다.

이상의 실시예는 질소기체 분위기하에서 운전할 경우 Na₃PO₄ 알칼리 용액에도 동일하게 적용이 가능하다.

<실시예 2>

실시예 2는 혼상 폐수지 처리 반응조에서 C-14 탈착반응이 완료된 후 C-14 핵종이 함유된 용액만을 기체화 반응조로 이송한 후, 미량의 산용액을 주입하고 기체 투입구에 질소기체를 주입함과 동시에 용액을 교반시키면서 시간에 따른 CO₂ 기체농도 변화를 도 2의 장치를 이용하여 관찰한 실험 예이다. 도 4는 실시 예 1로부터 회수된 Na₃PO₄와 NaNO₃ 알칼리용액 30 ml에 질산용액(68% 농질산) 투입 부피변화별 CO₂ 기체농도 변화 결과이다. 기체화 반응은 용액 pH가 2이하일 경우 10분 이내에 빠르게 종료됨을 알 수 있고 잔류용액내 C 함량은 미미하다. 이러한 예로부터 상기 알칼리 용액을 이용하여 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종을 제거한 후 폐수지와 용액을 분리후 용액내 C-14 핵종을 빠르게 ¹⁴CO₂ 기체로 완전 전환할 수 있고, 배출된 ¹⁴CO₂ 기체는 기체 순환식 흡착시스템으로 전량 흡착시켜 폐수지 처리의 부피 감용비를 크게 증진할 수 있음을 알 수 있다.

<실시예 3>

도 1 에 의해 구성된 혼상 폐수지 처리 공정에 따른 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 용액 사용에 대한 C-14 제거 실시예를 도시한 것으로, 비방사성 HCO₃ 이온의 흡착량이 약 12 mg-C/g인 IRN-150 혼상 폐수지 4 g과 6 g, 용액 부피 30 ml로 일정하게 하고 용액내 H₂PO₄-, PO₄-이온 총 몰수가 폐수지내 C 몰수의 3배가 되도록 조절하여 시간에 따른 CO₂ 기체 농도 변화를 관찰하였다. 도 5는 실시예 3의 결과이다. 실시예 2와 비교하여 HCO₃ 이온이 완전 탈착하기 위한 시간은 약 60분 ～80분으로 길어지지만 CO₂ 기체 농도가 약 4배 감소하여 후속 기체처리장치 성능 유지에 더 유리하게 된다. 잔류용액내 C의 함량은 거의 감지되지 않을 정도이다.

도 6은 비방사성 HCO₃ 이온의 흡착량이 약 12 mg-C/g인 IRN-150 혼상 폐수지 5 g, 인산(H₃PO₄)용액 부피 5 ml로 일정하게 하고, 폐수지내 C 몰수에 대한 인산(H₃PO₄)용액내 PO₄ 이온 총 몰수 변화에 대한 HCO₃ 이온의 탈착율 변화를 관찰한 결과이다. 도 6의 결과를 보면, 사용되는 탈착용액의 몰수는 초기 폐수지내 C 몰수의 2배(200%)일 경우 C-14 핵종이 전량 제거 가능하므로, 초기 폐수지내 C 몰수의 3배이상을 사용하는 실시예 1의 알칼리 용액의 결과와 비교하여 화학약품 사용량이 감소함을 알 수 있다.

<실시예 4>

도 1 에 의해 구성된 혼상 폐수지 처리 공정에 따른 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 인산용액 사용에 대한 실제 혼상 폐수지로부터 C-14 제거 실시예를 도시한 것으로, 실제 월성 원자력발전소에서 저장중인 IRN-150 혼상 폐수지 5 g, 6 mmol 농도 상기 인산용 액 부피를 20 ml로 일정하게 하고 방출된 ¹⁴CO₂ 기체를 2단(1단-500ml, 2단-300ml)으로 구성된 NaOH 흡수시스템에 포집하여 시간에 따른 포집된 C-14 방사능 변화를 관찰하였고, 잔류 인산용액내 Co-60, Cs134, Cs-137 감마핵종 방사능을 측정하여 양이온 폐수지로부터 인산용액내로 감마핵종 제거 특성을 관찰하였다.

도 7은 실시예 4의 결과이고 표에는 감마핵종의 탈착율을 정리하였다. 실제 폐수지로부터 C-14 핵종의 완전 탈착은 약 10분～30분이내에 모두 이루어지며, 인산용액으로부터 Co, Cs 감마핵종의 휘발은 전혀 감지되지 않았고 감마핵종의 양이온 폐수지로 부터의 탈착율은 NH₄H₂PO₄의 경우는 약 5%(Co-60)～15%(Cs-137)이지만 용액내에 안정상을 이루고 있으며, H₃PO₄ 용액은 감마핵종의 탈착율은 더 낮아 약 2%(Co-60) ～5 %(Cs-137)로 나타났다.

이와 같은 실시예로부터 본 발명의 인산(H₃PO₄)용액을 이용한 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종의 제거 장치 및 방법은 혼상 폐수지를 양이온-음이온 폐수지로 각각 분리하지 않고도 양이온 폐수지로부터 감마핵종의 탈착율은 5% 미만으로 하면서, 만일 감마핵종이 탈착되더라도 인산과 안정상을 이루어 침전물 형태로 존재하여 휘발되지 않으며, 혼상 폐수지로부터 C-14 핵종을 효과적으로 전량 제거하는 특성을 가짐을 알 수 있다.

상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 원자력발전소 특히 중수로 원자력발전소의 감속재 계통 등에서 방사성탄소인 C-14 방사성 핵종을 포함한 다양한 핵종을 제거하기 위한 공정으로부터 발생된 IRN-150 양이온-음이온 혼상 폐수지를 효율적으로 처리하는 것으로, 특히 장치의 부식 및 다른 양이온 핵종도 폐수지로부터 다량으로 탈착되는 요인을 제공하는 산 용액 및 고온 산화처리 기술을 사용하지 않고 대상 혼상 폐수지를 양이온-음이온 폐수지로 각각 별도로 분리하지 않으며, 상온에서 알칼리 및 인산용액을 이용하여 혼상 폐수지로부터 양이온 핵종의 제거율을 최소로 하고 C-14 방사성 핵종을 효과적으로 제거하며, 이를 통해 폐수지내 C-14 방사성 핵종의 방사능을 저준위 방사성폐기물 수준으로 감소시켜 폐수지 관리를 용이하게 하고 폐수지를 유리화공정을 이용하여 추가로 처리할 경우 이를 용이하게 할 수 있는 고방사능 C-14 방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지의 처리방법 및 장치를 제공하는 것이며, 이로 인해 제품의 품질과 신뢰성을 대폭 향상시켜 소비자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (9)

1. IRN-77 양이온 폐수지와 IRN-78 음이온 폐수지가 당량비로 혼합하는 단계;

   방사성 핵종이 함유된 혼상 폐수지를 별도로 각각 분리하지 않고 혼상 폐수지 처리 반응조에 상기의 혼상 폐수지를 투입하는 단계;

   알칼리계열 용액 및 인산 용액을 주입한 후 불활성기체를 반응조내로 공급하여 용액을 버블링함과 동시에 혼상 폐수지 및 용액을 교반하면서 상온에서 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 선택적으로 제거하는 단계;가 포함됨을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법.
2. 제 1 청구항에 있어서,

   상기 알칼리 용액은 NaNO₃, Na₃PO₄ 이어서 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 제거함을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법.
3. 제 1 청구항에 있어서,

   상기 인산용액은 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 이어서 폐수지로부터 C-14 방사성핵종을 ¹⁴CO₂로 기체화하여 C-14 핵종을 제거함을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법.
4. 제 2 청구항에 있어서,

   상기 NaNO₃, Na₃PO₄ 알칼리 용액을 사용하여 혼상 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 용액내로 제거하고 용액을 필터를 이용하여 용액만을 분리한 후, 용액내에 산 용액을 미량 주입하고 질소기체를 반응조에 주입하면서 용액내에 용해되어 있는 C-14 방사성 핵종을 ¹⁴CO₂ 기체형태로 전환시킴을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법.
5. 제 1 청구항에 있어서,

   상기 반응조에 혼상 폐수지를 투입하고 NH₄H₂PO₄, H₃PO₄ 인산계열 용액을 반응조에 주입하면서 혼상 폐수지로부터 C-14 방사성 핵종을 용액내로 제거함과 동시에 용액내로 제거된 C-14 방사성 핵종을 방사성 기체형태인 ¹⁴CO₂로 전환시킴을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거방법.
6. 대상 IRN-150 혼상 폐수지를 반응조에 투입하고 알칼리 또는 인산용액을 주입하여 폐수지로부터 C-14 핵종을 제거하는 혼상폐수지 처리 반응조(100); 및

   상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100) 후단에 위치하고 혼상 폐수지를 C-14이 함유된 알칼리용액으로부터 분리한 후 알칼리용액에만 미량의 산용액을 주입하여 용액내 C-14 핵종을 ¹⁴CO₂ 형태로 기체화하는 C-14 핵종 기체화 반응조(200);로 구성됨을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거장치.
7. 제 6 청구항에 있어서,

   상기 혼상폐수지 처리 반응조(100) 내에 연결되는 혼상폐수지 투입구(110);

   인산용액 저장조(120)로부터 인산용액 이송펌프(140)를 사용하여 상기 혼상폐수지 처리 반응조로 공급하는 인산용액 투입구(155);

   질소, 알곤 불활성기체를 상기 혼상폐수지 처리반응조의 내부로 공급하는 기체주입구(160);

   상기 혼상 폐수지 처리반응조의 내부에 설치되어 용액을 버블링 시키면 혼상 폐수지 및 용액과의 접촉성을 증대시키는 교반기(170);

   상기 혼상 폐수지 처리 반응조의 하부에 연결되며, 2단의 하부 용액회수 탱크(210)중 1단 회수탱크에 구비된 스크린(220)을 이용하여 폐수지를 별도로 회수하여 유리화 공정 등 추가 공정으로 보내는 폐수지/용액 배출구(190);

   알칼리용액 저장조(130)의 용액을 상기 혼상폐수지 처리 반응조로 공급하는 알칼리용액 이송펌프(150);

   C-14 핵종이 함유된 용액을 C-14 핵종 기체화 반응조(200)로 이송하는 C-14함유 용액 이송펌프(230);

   산용액 이송펌프(250)를 이용하여 질산 혹은 염산이 내장된 산용액 저장조(260)의 산용액을 C-14 핵종 기체화 반응조(200)로 공급하는 산용액 투입구(240);

   질소, 알곤 불활성 기체를 상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)에 공급하는 기체 투입구(270);

   상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)의 내부에 구비되어 용액을 교반시키는 교반기(280); 및

   상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)의 하부에 구비되며, 반응이 완료된 후 C-14 핵종이 제거된 알칼리 용액을 수집, 저장후 별도로 처리하도록 연결된 알칼리 용액 배출구(300);로 구성됨을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거장치.
8. 제 7 청구항에 있어서,

   상기 혼상 폐수지 처리 반응조(100)에는 ¹⁴CO₂가 배출되도록 함과 아울러 기 체 처리장치에서 최종 포집할 수 있도록 기체 배출구(180)가 더 연결 구비됨을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거장치.
9. 제 7 청구항에 있어서,

   상기 C-14 핵종 기체화 반응조(200)에는 ¹⁴CO₂가 배출되도록 함과 아울러 기체 처리장치에서 최종 포집할 수 있도록 기체 배출구(290)가 더 연결 구비됨을 특징으로 하는 혼상 폐수지내 방사성탄소 Ｃ-14 핵종의 제거장치.

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