KR100869074B1 - 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시방법 및 장치 - Google Patents

질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시 장치에 관한 것으로, 그 구성은 증기발생기 및 열교환기로부터 경수 시료를 취득하여 산화반응을 통해 중수와 경수의 화학적 형태로 전환시키는 반응기; 상기 반응기에서 전환된 시료를 공급받아 질량을 분석하는 질량분석기; 및 상기 반응기 및 질량분석기를 작동을 제어하는 제어 모듈;을 포함하여 이루어지며, 그 방법은 1) 증기발생기 및 열교환기에서 취득에 시료를 반응기를 이용해 중수 및 경수의 화학적 형태를 전환하는 단계; 2) 상기 1)단계에서 발생된 기체 시료를 운반가스에 의해 이송시켜 질량분석기로 기체 시료의 농도를 분석하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 따르면, 동위원소의 측정이 가능한 질량분석법을 이용하여 경수 내에 존재하는 중수의 농도를 측정하여 중수로에서 발생하는 1차측 냉각재 중수의 누설을 감시할 수 있게 하는 효과가 있다.
반응기, 질량분석기, 시료, 헬륨, 실린지 펌프, 석영튜브

Description

질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시방법 및 장치{apparatus and method for monitoring heavy water leak at CANDU plants by using mass spectrometer}
도 1은 본 발명의 중수로 중수누설 감지 장치를 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 중수로 중수누설 감지 방법을 나타내는 블록도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 증기발생기/열교환기 20 : 반응기
22 : 석영튜브 22a : 크롬칩
30 : 실린지 펌프 40 : 질량분석기
50 : 제어 모듈
본 발명은 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 동위원소의 측정이 가능한 질량분석법을 이용하여 경수 내에 존재하는 중수의 농도를 측정하여 중수로에서 발생하는 1차측 냉각재 중수의 누설을 감시할 수 있게 하는 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시방법 및 장 치에 관한 것이다.
중수로(PHWR 또는 CANDU)에서 1차측 냉각재로 사용되는 중수는 원전 운전중에 증기발생기 및 각종 열교환기 등 다양한 지점에서 2차측으로 누설될 수 있다. 이러한 누설은 2차측 냉각재인 경수내의 중수의 천연 농도 (150 ppm)의 증가를 야기하며, 또한 누설되는 중수와 함께 중수내에 포함되어 있는 방사성 핵종의 2차측 이동으로 인해 경수내의 방사성 핵종 농도 (주로 삼중수소)의 증가도 야기한다.
기존의 누설 감시 방법으로는 적외선 분광법 및 액체섬광계수법 두 가지가 있으며, 전자는 누설시 수반되는 2차측 냉각재 경수내의 중수 농도의 증가를, 후자는 2차측 냉각재내 방사성 핵종 농도의 증가를 각각 측정하여 중수 누설을 감시하는 방법이다.
상기 적외선 분광법의 원리를 간단히 기술하면 다음과 같다. 즉, 적외선이 조사된 물질의 구성 분자는 그 적외선의 특정 파장을 흡수하면서 진동하게 된다. 그 결과 조사된 후의 적외선 스펙트럼은 이러한 진동을 야기하는 파장 영역에서 흡수가 일어난 패턴을 보이게 되며, 따라서 이러한 스펙트럼으로부터 물질의 정성 및 정량 분석이 가능하게 된다.
중수 (D2O)와 경수 (H2O)의 차이는 산소와 결합되어 있는 수소의 동위원소의 종류에 차이에 있는데, 중수는 질량수가 2인 중수소 (2H 혹은 D)가, 경수는 질량수가 1인 수소 (1H)가 각각 2개씩 산소와 결합되어있다. 미량의 중수가 경수내로 혼입 되게 되면, 중수와 경수 분자간의 충돌반응으로 인해 거의 대부분의 중수는 D2O에서 HDO로 변하게 된다. 따라서 적외선 분광법에서는 이러한 경수 및 중수의 질량차이에서 비롯되는 적외선 흡수 특성의 차이를 이용하여 경수내 중수의 농도를 측정한다. 적외선 분광법은 시료의 전처리가 불필요하고, 장비의 운전이 용이하다는 장점이 있으나, 적외선 분광법 자체의 분석 특성으로 인하여 낮은 측정감도를 갖는다는 것이 단점으로 지적되고 있다.
상기 액체섬광계수법은 주로 에너지가 약한 베타 방사선의 방사능을 측정하는 방법으로, 중수와 함께 2차측으로 누설되는 삼중수소 (3H 혹은 T)의 경수내 방사능을 측정하여 누설을 감시한다. 이 방법에서, 준위가 낮은 삼중수소의 약한 베타 방사선을 측정하기 위해 시료는 섬광액과 혼합되며, 이때 방출되는 베타 방사선으로 인해 여기된 섬광액이 방출하는 광자를 비례계수관으로 측정하여 삼중수소의 방사능을 측정한다. 중수 누설 감시를 위해 사용되는 삼중수소는 질량이 3인 수소의 방사성 동위원소로써, 반감기가 12.35 년이며 평균 5.7 KeV (최대 18.6 KeV)의 에너지를 갖는 베타선을 방출하는 순수 베타 방출 방사성 핵종이다. 삼중수소는 1차측 내에 다량으로 존재하는 중수의 중수소가 중성자와 반응하여 생성되며, 이렇게 생성된 삼중수소의 1차측내 농도는 원전 운전 시간의 경과와 함께 증가하게 된다. 1차측내 삼중수소는 중수가 2차측으로 누설될 때 함께 2차측으로 누설되기 때문에, 2차측 경수내의 삼중수소의 농도는 중수 누설의 지시자 역할을 할 수 있다. 이 방법은 방사능 계측기가 갖는 뛰어난 측정감도로 인하여 매우 높은 측정감도를 갖는 다는 장점을 가지나, 시료의 전처리에 다량으로 소요되는 고가의 섬광액 때문에 유지보수비가 많이 들며 인체에 유해한 폐섬광액이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 동위원소의 측정이 가능한 질량분석법을 이용하여 경수 내에 존재하는 중수의 농도를 측정하여 중수로에서 발생하는 1차측 냉각재 중수의 누설을 감시할 수 있게 하는 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.
본 발명의 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시 장치는, 증기발생기 및 열교환기로부터 경수 시료를 취득하여 산화반응을 통해 중수와 경수의 화학적 형태로 전환시키는 반응기; 상기 반응기에서 전환된 시료를 공급받아 질량을 분석하는 질량분석기; 및 상기 반응기 및 질량분석기를 작동을 제어하는 제어 모듈;을 포함하여 이루어진다.
또한 상기 증기발생기/열교환기 및 반응기의 사이에는 시료를 취득을 위한 실린지 펌프;를 더 구비하며, 상기 반응기에는 적어도 하나 이상의 석영튜브를 구비하여 서로 교체되며 사용될 수 있게 한다.
그리고 상기 석영튜브에는 다수개의 크롬칩(Cr)이 포함되어 있으며, 상기 질량분석기는 2중초점식 마그네틱 섹터형 질량분석기(double focusing magnetic sector-type mass spectrometer)인 것이 바람직하다.
또한 상기 반응기와 질량분석기 사이에 운반가스를 마련하여 시료를 질량분석기 측으로 이송할 수 있게 한다.
한편 본 발명의 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시 방법은, 1) 증기발생기 및 열교환기에서 취득에 시료를 반응기를 이용해 중수 및 경수의 화학적 형태를 전환하는 단계; 2) 상기 1)단계에서 발생된 기체 시료를 운반가스에 의해 이송시켜 질량분석기로 기체 시료의 농도를 분석하는 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 1)단계에서는 석영튜브 내의 크롬칩(Cr)을 1000℃ ~ 1100℃ 이상의 고온 가열 후 크롬칩과 시료가 산화 반응하게 한다.
그리고 상기 질량분석기는 2중초점식 마그네틱 섹터형 질량분석기(double focusing magnetic sector-type mass spectrometer)인 것이 바람직하다.
또한 상기 반응기에는 적어도 하나 이상의 석영튜브를 구비하여 서로 교체되며 사용될 수 있게 하며, 상기 운반가스는 헬륨(He)인 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1에 도시된 바에 의하면, 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시장치는 반응기(10), 실린지 펌프(30), 질량분석기(40) 및 제어 모듈(50)로 구성된 온라인 중수 누설 감시장치로 구성된다.
먼저 시료를 연속적으로 측정 가능하도록 하기 위해 실린지 펌프(30)를 이용하여 일정량 (0.1 - 0.5㎕)의 시료가 연속적으로 시료 반응기(20)로 운반공급되게 한다.
상기 반응기(20)는 채취한 시료인 액상의 경수 내 소량으로 존재하는 중수의 HDO의 화학형태를 질량분석에 적합한 화학적 형태인 기상의 HD로 바꾸어 주는 반응관으로, 고온에서 견딜 수 있는 석영의 투명관으로 되어있으며 내부는 크롬 (MaxChrome Catalyst granule) 25g으로 채워져 있다. 상기 크롬의 하부와 상부에는 silica quartz wool이 위치한다. 이를 위해 상기 반응기(20)에는 다수개의 석영튜브(22)를 마련하고, 상기 석영튜브(22) 내부에 다량의 크롭칩(22a)을 내설한다. 상기 석영 튜브(22) 안에 놓여 있는 크롬칩(22a)을 예들 들어 1000℃~ 1100℃ 이상으로 가열한 후, 연속적으로 시료를 석영튜브(22)에 흘려주어 크롬의 산화반응을 통해 시료 내 중수 (HDO)를 HD의 기체로 환원시킨다. 이때 시료의 대부분을 차지하는 경수 (H2O)는 크롬과의 반응을 통해 대부분 H2로 환원되나 극히 일부는 H3 +로 환원된다. 또한 연속감시를 위해서는 석영튜브를 도 1에서와 같이 반응기(20) 내에 병렬로 설치하여, 측정에 사용 중인 한쪽의 석영튜브의 수명이 다 되어 교체가 필요하게 되면, 시료의 흐름을 나머지 다른 한쪽의 석영튜브 쪽으로 변환시켜 석영튜브 교체로 인한 측정 중단이 발생하지 않도록 한다.
한편 상기 반응기(20)에서 발생된 HD가 경수내 중수로인 HDO에서 온 것이기 때문에 HD의 농도는 곧 경수내 중수의 농도라고 할 수 있으므로 HD의 농도를 질량분석을 통해 측정한다. 여기서, 상기 전처리장치에서 발생한 기체 시료를 질량분석기(1)로 흘려보내주는 운반가스로 헬륨 (He)을 사용한다.
상기 질량분석법은, 어떤 물질을 전자로 충돌시켜 양이온으로 만든 다음 이 를 진공상태인 자기장에 쏘아주면 그 물질은 그것이 갖는 양 전하와 자기장의 상호작용에 의해 원을 그리며, 이때의 원의 직경은 그 물질의 질량 대전하비 (m/z)에 의해 결정된다는 원리를 이용한다. 즉, 모든 물질이 +1의 전하를 띤다고 가정할 경우, 원의 직경은 그 물질의 질량에 비례하게 되며, 따라서 측정대상 물질의 질량에 해당하는 원상에 검출기를 위치하여 검출할 수 있다. 이러한 원리를 이용하면 화학적으로는 구분이 불가능한 수소의 동위원소를 그 미세한 질량차이를 이용하여 구별이 가능하다.
특히 본 발명에서 측정대상이 되는 수소의 동위원소의 화합물은 H2, HD 및 H3 +이며, 이들 각각의 원자 질량은 2.0156504 amu, 3.0219274 amu, 3.0234756 amu이다. 이들 원자 질량에서 알 수 있듯이, H2와 HD는 질량차이가 크므로 구별이 쉬우나, HD와 H3 +는 그 질량차이가 매우 작아 구별이 어렵다.
일반적으로 질량분석기에서, 구별 가능한 최소의 질량차이를 나타내는 척도로 분해능이라는 개념이 사용되는데 이는 구별 가능한 최소 질량차이를 이웃한 원자의 질량으로 나눈 값으로 다음과 같이 계산된다.
R = m / Δ m
이 HD와 H3 +의 질량차이는 0.0015482 amu이고, HD의 질량이 3.0219274이므로 이들 값을 위 식에 대입하면 약 1952의 분해능을 얻을 수 있다. 이는 HD와 H3 +를 구별하기 위해서는 사용되는 질량분석기의 분해능이 최소 2000이상 되어야 함을 의미한다. 이러한 분해능을 얻기 위해서는, 일반 질량분석에 사용하는 사중극자형 질량분석기는 부적합하며, 대신 고감도의 2중 초점식 마그네틱 섹터형 질량분석기 (double focusing magnetic sector-type mass spectrometer)(20)를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 고감도 질량분석기(20)를 이용하여, 미세한 질량차이가 나는 중수로부터 환원된 HD와, 경수에서 환원된 H2와 H3 +를 각각 분리하여 HD의 농도를 100 ppb 수준 이하로 측정한다.
상기 제어 모듈(50)은 로컬 전원 및 제어박스(미도시), PLC(미도시) 및 프로세스 PC 및 MMI(미도시)로 구성되어 있다. 상기 제어 모듈은 전 시스템내의 자동화 부분, 즉 시료채취를 위한 실린지 작동, 시료의 주입 및 이송, 반응로 온도 조절, 헬륨 기체 유속 조절 및 질량분석기 작동 등을 조정하게 된다.
예컨대 상기 실린지 펌프(30)를 통해 증기발생기/열교환기(10)로부터 시료를 취득하고, 취득된 시료를 반응기(20)로 이송하여 상기 반응기(20) 내의 석영튜브(22)에 내설된 크롭칩(22a)과 시료가 고온에서 반응하여 시료를 기체로 환원시켜 화학적 형태를 전환하는 한다. 그리고 상기 전환된 시료를 질량분석기(40)를 통해 시료의 농도를 분석함으로써 중수로의 누설 유무를 수시로 감시할 수 있게 하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시방법를 설명한다.
도 2에 도시된 바에 의하면, 상기 중수로 감시 방법은 시료 취득 및 전환단계(S10)와 기체 시료 농도 분석단계(S20)로 이루어진다.
상기 시료 취득 및 전환단계(S10)는 석영튜브 안의 크롬칩을 1000℃~ 1100℃ 이상의 고온으로 가열한 후, 중수가 존재하는 경수 시료를 채취하여 연속적으로 석영튜브에 흘려주어 금속 크롬의 산화반응을 통해 시료 내 중수 (HDO)를 HD, 경수(H2O)는 H2와 H3 + 의 기체로 환원시켜 중수 및 경수의 화학적 형태를 전환시키는 단계이다.
상기 기체 시료 농도 분석단계(S20)는 상기 시료 취득 및 전환단계(S10)로부터 발생된 기체 시료를 캐리어 가스인 헬륨(He)을 이용하여 질량분석기측으로 이송시켜 상기 HD, H2 및 H3 + 의 농도의 질량을 분석하는 단계이다. 여기서 상기 질량분석기는 시료의 분해능이 최고 2000 이상인 고감도의 2중 초점식 마그네틱 섹터형 질량분석기인 것이 바람직하다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
본 발명에 따르면, 동위원소의 측정이 가능한 질량분석법을 이용하여 경수 내에 존재하는 중수의 농도를 측정하여 중수로에서 발생하는 1차측 냉각재 중수의 누설을 감시할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 1) 증기발생기 및 열교환기에서 취득한 시료를 반응기를 이용해 중수(HDO)를 HD, 경수(H2O)는 H2와 H3 + 의 기체로 환원시켜 중수 및 경수의 화학적 형태를 전환하는 단계;
    2) 상기 1)단계에서 발생된 기체 시료를 운반가스에 의해 이송시켜 질량분석기로 기체 시료의 농도를 분석하는 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 1)단계에서는 석영튜브 내의 크롬칩(Cr)을 1000℃ ~ 1100℃ 이상의 고온 가열 후 크롬칩과 시료가 산화 반응하게 하는 것을 특징으로 하는 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 질량분석기는 2중초점식 마그네틱 섹터형 질량분석기(double focusing magnetic sector-type mass spectrometer)인 것을 특징으로 하는 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 반응기에는 적어도 하나 이상의 석영튜브를 구비하여 서로 교체되며 사용될 수 있게 한 것을 특징으로 하는 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 운반가스는 헬륨(He)인 것을 특징으로 하는 질량분석법을 이용한 중수로 중수누설 감시 방법.
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