KR100877397B1

KR100877397B1 - 방사성폐기물 처분용 고건전성 용기

Info

Publication number: KR100877397B1
Application number: KR1020080044285A
Authority: KR
Inventors: 민병윤; 한병섭
Original assignee: 주식회사 계림폴리콘
Priority date: 2008-05-14
Filing date: 2008-05-14
Publication date: 2009-01-07

Abstract

본 발명은 방사성폐기물 처분용 고건전성 용기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 본 발명에 따른 고건전성 용기는 드럼과 덮개로 구성되고, 상기 드럼은 폴리머 콘크리트로 이루어지고, 상기 드럼의 외부는 스테인리스강 또는 탄소강으로 감싸지고, 상기 드럼의 내부는 폴리 에틸렌(PE) 재질의 용기로 덧대어 지고, 상기 드럼의 상단부분에는 폴리 에틸렌으로 이루어진 입구 부분이 형성되고, 상기 입구 부분에는 드럼의 밀봉을 위하여 폴리 에틸렌으로 이루어진 덮개가 결합되고, 상기 덮개와 드럼은 상기 입구부분 및 덮개에 형성된 나사선에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 고건전성 용기에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 폴리머 콘크리트를 이용하여 고건전성 용기를 제조함으로써 용기의 압축강도, 인장강도 및 휨강도를 향상시켜 방사성 폐기물을 처분하는 용기의 건전성을 향상시키는 효과가 있으며, 폴리머 콘크리트의 충격 강도를 보강하기 위하여 폴리머콘크리트로 이루어진 드럼의 외부는 스테인리스강 또는 탄소강으로 감쌈으로써 고건전성 용기의 운반 ·적재시 작업 편의성 및 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 드럼의 내부는 폴리에틸렌(PE) 재질의 용기를 덧대어 폐기물 유출 가능성을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

고건전성 용기, 폴리머 콘크리트, 폴리에틸렌, 스테인리스강

Description

방사성폐기물 처분용 고건전성 용기 {High Integrity Container for Radioactive Waste Disposal}

일반적으로, 방사성 폐기물 저장을 위한 고건전성 용기는 방사성 폐기물을 수용하는 드럼과 상기 드럼을 밀봉하는 덮개로 구성된다. 방사성 폐기물이 드럼에 수용되면, 덮개는 정위치에 배치되고, 예컨대 드럼을 밀봉시키는 결합부에 의해 드럼에 결합된다. 그 후, 주입관(tube)을 통해 방사성 폐기물이 드럼내로 장입된다.

원자력 산업에서 불가피하게 발생되는 중·저준위 방사성폐기물은 극저준위 방사물을 제외하고는 취급 및 처분시 규제요건에 적합한 안전성과 건전성이 확보되어야 한다. 방사물의 안전성과 건전성을 확보하기 위한 방법으로는 고형화하거나 이미 안전성과 건전성이 확보된 특수용기 즉, 고건전성용기(High Integrity Container, HIC)에 담아 포장하는 방법이 있다. 1981년 미국에서 폐기물 영구처분을 감안하여 현재와 같은 개념의 고건전성 용기를 처음 사용하기 시작하였다. 과학기술부 고시 제 2005-18호 "중저준위 방사성폐기물 인도규정"에서 "고건전성 용기"는 "폐기물 포장용기의 일종으로서 내용물과 우리나라의 일반적인 지하 환경 및 처분 조건에 대하여 300년 이상의 건전성을 갖는다고 인정되는 것"으로 정의하고 있다.

현재 미국이나 한국, 중국, 같은 몇 나라를 제외한 대부분의 나라에서는 고건전성용기란 용어 자체는 잘 사용되고 있지 않다. 또한 폐기물의 분류나 안정화 요건도 나라마다 상이하나, 처분장에서 300년 이상의 건전성을 유지해야 하는 개념의 폐기물 용기가 필요한 것은 당연하게 인지된다.

현재까지 외국에서 사용되어 온 고건전성용기의 재질로는 금속 계열, 콘크리트 계열 그리고 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 계열이 있다. 미국의 경우 가격적인 이유로 고밀도 폴리에틸렌을 많이 사용하였으나 이 용기는 미국 Barnwell 처분장 사용 예처럼 각 주 정부 당국에서 승인하여 사용하였으나 이 때는 미국의 원자력 규제 위원회(Nuclear Regulatory Commission, NRC)가 고건전성 용기를 승인하는 제도를 시행하기 전이었다. 그러나 이 후 NRC가 고건전성 용기에 대한 승인을 수행하였고 폴리에틸렌 고건전성 용기 에 대해 NRC 는 폴리에틸렌 용기가 크립 및 버클링, 연성에서 취성으로의 전이, 방사선 조사효과, 시간에 따른 기계적 특성의 열화 등의 측면에서 설계기준에 적합하지 않는 것으로 평가했고 사용승인을 하지 않았다. 이후 모든 폴리에틸렌 용기는 1989년 후반부터는 강화 콘크리트 소재의 용기로 덧포장해서 처분해 오고 있으며 1996년 부터는 과거 처분 된 것을 포함한 모든 폴리에틸렌 고건전성 용기에 대해 덧포장해서 처분해 오고 있다.

NRC에 따르면 철제 용기 및 콘크리트 계열 용기는 안전성과 건전성이 보장되어 처분 여건에 무관하게 손쉽게 처분할 수 있는 것으로 판단함에 반하여 폴리에틸렌 용기는 최종처분의 여건에 따라 가변적인 외부보강을 하여야 하는 것으로 검토되었다. 미국의 경우 실제로 많이 사용되는 고건전성 용기는 협정주 정부 당국에서 승인한 폴리에틸렌 용기인데, 타 고건전성 용기 대비 가격의 저렴성 때문에 미국 처분장의 경우 고밀도 폴리에틸렌 용기가 주로 사용되었다. 그러나 앞서 설명한 바와 같이 모든 폴리에틸렌 용기는 최종 처분시 콘크리트 덧포장체로 재포장해서 처분되고 있다. 콘크리트 덧포장 비용은 300 갈론 용기의 경우 대략적으로 용기 가격과 비슷하며 그 보다 클수록 덧포장 용기의 가격은 용기 용량 증가에 비해 상대적으로 가격 증가폭이 적어지게 된다. 그 외 군사용 Category 3 폐기물과 안정화 된 Class A 폐기물을 위주로 철근 콘크리트 고건전성 용기도 많이 사용되고 있다.

국내의 고건전성용기 개발과 관련하여 폴리머 콘크리트의 장점에 주목한 결과, 대표적인 연구로는 전력연구원과 연세대학교가 수행한 "강섬유 보강 폴리머 함침 콘크리트를 이용한 고건전성용기 개발 연구 (1995)"와 본원 발명자들이 공동 연 구한 "폴리머콘크리트 방사성폐기물 관리용기 개발 (1998)"가 있다.

강섬유 보강 폴리머 함침 콘크리트를 이용한 고건전성용기에 관한 종래기술을 살펴보면, 대한민국 특허등록 제0219726호는 강섬유 보강 폴리머 침투 콘크리트(SFPIC)를 이용한 원자력발전소의 중ㅇ저준위 방사성폐기물 처리용 고건전성 용기에 대하여 개시하고 있고, 대한민국 특허등록 제0162248호는 금속 섬유에 의해 강화된 콘크리트로 제조되는 방사성 폐기물 저장 용기에 대하여 개시하고 있다.

하지만, 이러한 강섬유 보강 폴리머 침투 콘크리트의 경우 고건전성 용기 소재로는 우수한 특성을 가지고 있으나 제조방법이 수종의 재료배합, 다단계 양생, 폴리머 함침 등의 여러 까다로운 절차를 거쳐야 되고 그에 따라 제조비용도 많이 드는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 콘크리트 소재 중 폴리머 콘크리트를 이용하여 내식성을 향상시키고, 압축강도 및 인장강도를 향상 시킨 고건전성 용기를 제조하되, 이 과정에서 이들이 고건전성 용기의 소재로서 가지는 강한 충격력에 대한 균열 가능성을 보완하여, 강한 충격에 대한 충격 흡수력을 향상시킨 고건전성 용기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 폴리머콘크리트를 이용하여 고건전성 용기를 제조함으로써 용기의 압축강도, 인장강도 및 휨강도를 향상시켜 방사성 폐기물을 처분하는 용기의 건전성을 향상시키는 효과가 있으며, 폴리머 콘크리트의 충격 강도를 보강하기 위하여 폴리머콘크리트로 이루어진 드럼의 외부는 스테인리스강 또는 탄소강으로 감쌈으로써 고건전성 용기의 운반·적재시 작업 편의성 및 안전성을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명에 따른 폴리머콘크리트는 그 조성비가 굵은 골재 40 내지 60 중량%, 잔골재 15 내지 25 중량%, 충전재 15 내지 25 중량%, 폴리머 수지 7 내지 9 중량% 및 저감제 1 내지 3 중량%로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기의 폴리머콘크리트에 충전되는 충전재는 기존의 충전재 보다 분말도가 큰(분말도가 300㎛ 이하, 바람직하게는 30㎛이하) 충전재를 사용한다. 상기 분말도의 충전재를 사용할 경우 폴리머 콘크리트의 압축강도와 휨강도가 15∼20%정도 증가한다.

본 발명에 따른 드럼의 외부는 폴리머콘크리트의 충격 강도를 보강하기 위하여 외부에 물리적 보강재로 감싼다. 상기 물리적 보강재는 두께가 1㎜ 내지 5㎜인 스테인리스강 또는 탄소강을 이용하는 것이 좋다. 상기 드럼의 외부를 스테인리스강 또는 탄소강으로 보강하여 고건전성 용기의 수송 중 낙하사고시의 외부 충격으로 인하여 발생하는 방사성 폐기물 유출 가능성을 현저히 감소시키고, 고건전성 용기의 취급 · 적재시 작업 편의성 및 안전성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 덮개는 그 하부에 상기 덮개의 밑면에 대응하여 얇은 원판 형태의 고무판이 결합된다. 상기의 덮개의 재질은 폴리 에틸렌을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 덮개는 상기 입구부분의 내부 측면 및 덮개의 측면에 형성된 나사선에 의하여, 상기 덮개를 회전시킴으로써 상기 입구부분의 내부 측면에 형성된 나사선에 맞물려 체결되며, 이로써 상기 드럼은 완전히 밀봉된다.

본 발명에 따른 드럼의 내부는 용기 파열로 인한 폐기물 유출 가능성을 최소화하기 위하여 폴리에틸렌(PE) 재질의 용기로 덧대어 보강한다.

본 발명에 따른 폴리머콘크리트 고건전성 용기의 제조방법은 다음과 같다.

먼저, 고건전성 용기의 내부에 덧대어 지는 폴리에틸렌(PE) 용기와 고건전성 용기의 외부를 감싸는 스테인리스강 또는 탄소강으로 이루어진 외부 셀(SHELL)을 몰드에 결합시켜 용기를 조립한다.

다음으로, 상기 조립된 용기에 타설하기 위한 폴리머콘크리트를 계량하고 혼합한다. 상기 폴리머콘크리트의 조성비는 굵은 골재 40 내지 60 중량%, 잔골재 15 내지 25 중량%, 충전재 15 내지 25 중량%, 폴리머 수지 7 내지 9 중량% 및 저감제 1 내지 3 중량%가 되도록 한다.

폴리머콘크리트의 혼합이 완료되면, 폴리머콘크리트를 상기의 조립된 용기에 타설하고, 이 후 2시간 동안 상온에서 양생한다.

상온에서의 양생이 끝나면, 상기의 몰드에서 용기를 분리하고, 분리된 용기의 하부에 폴리머 몰탈을 부어 놓고, 몰탈이 굳기 전에 용기의 하부에 바닥 철판을 부착한다.

이 후 상기의 몰탈이 완전히 굳게 되면, 상기의 용기 바닥에 부착된 철판을 용접한다.

마지막으로, 용기의 상단에 위치한 입구부분에 용기의 덮개를 체결하고, 추가로 7일간 양생하여, 본 발명에 따른 고건전성 용기를 완성한다.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나, 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기의 설명에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 고건전성 용기의 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 고건전성 용기의 측면 단면도, 도 3은 본 발명에 따른 고건전성 용기의 평면도,도 4는 본 발명에 따른 덮개의 분해도를 나타내고, 도5는 본 발명에 따른 덮개의 사시도를 나타내고 있다.

도 1에서, 본 발명에 따른 고건전성 용기는 원통형의 드럼(10)과 상기 드럼(10) 상단 부분의 중앙부분에 위치하여 상기 드럼(10)을 밀봉하는 덮개(20)의 결합 형태로 구성되어 있다.

도 2에 나타난 본 발명에 따른 고건전성 용기의 측면 단면도를 살펴보면, 드럼(10)의 외부는 외부 충격에 대한 고건전성 용기의 충격 강도를 보강하기 위하여 스테인리스강 또는 탄소강(11)으로 감싸져 있다. 여기서, 상기 스테인리스강 또는 탄소강(11)은 두께가 1㎜ 내지 5㎜인 것을 사용하는 것이 좋다.

또한, 도 2에 나타난 본 발명에 따른 드럼(10)의 내부는 드럼(10) 내부 형상과 동일한 폴리에틸렌(PE) 재질의 용기(12)로 덧대어 진다.

또한, 도 4에 나타난 본 발명에 따른 덮개(20)는, 덮개(20)의 하부에 상기 덮개(20)의 밑면에 대응하여 얇은 원판 형태의 고무판(21)이 결합된다. 상기의 덮개의 재질은 폴리 에틸렌을 사용하는 것이 좋다.

도 2 및 도 5에 의하면, 본 발명에 따른 덮개(20)는 상기 입구부분의 내부 측면 및 덮개의 측면에 형성된 나사선에 의하여, 상기 덮개(20)를 회전시킴으로써 상기 입구부분의 내부 측면에 형성된 나사선에 맞물려 체결된다.

<시험예>

본 발명에 따른 고건전성 용기의 물성 및 성능 평가를 위한 시험방법 및 측정 결과는 다음과 같았다.

(1) 적층 시험

시험방법은 적층의 경우 운반기준에 따르면 6단 적재를 기준으로 하므로 적층시험은 폐수지를 포함한 전체중량의 5배(약 10톤)에 해당하는 중량물을 용기의 상부에 하중이 골고루 분포하도록 적해한 후 24시간 동안 용기의 변형을 관찰한다. 그러나 특수한 경우 처분장의 처분조건에 의해 6단 이상의 적재가 필요한 경우에는 처분장의 적재조건을 고려하여 필요한 적재하중을 산정하여 적층시험을 수행해야 한다.

시험결과 NRC(Nuclear Regulatory Commission, 미국 원자력 규제 위원회)-BTP C.4.d/ NRC-BTP C.4.i 기준을 만족하였다.

(2) 자유낙하 시험

시험방법은 1.2m의 낙하높이에서 10cm 두께의 철판에 자유낙하시키며, 낙하 후 폐수지의 격납이 유지되어야 한다.

시험결과 NRC-BTP C.4.i/ 10CFR 71.71 (c).(7) 기준을 만족하였다.

(3) 운송진동 시험

시험방법은 이온 교환 수지와 유사한 수분 함유의 모래를 고건전성 용기에 가득 담고 지게차에 수직, 수평으로 단단히 묶고, 4cm 정방향 목재를 0.5m간격으로 배치한 후 1.6~2.5 kg/cm²의 가속도로 달린 후, 고건전성 용기에 이상이 없어야 한다.

시험결과 2.5g 이상으로서, NRC-BTP C.4.i/10CFR71.71(c).(5) 기준을 만족하였다.

(4) 관통 시험

시험방법은 지름3.2cm, 단부가 반구체, 무게가 6kg인 원통형 막대를 1m높이에서 떨어뜨린 후 균열이나 파괴가 없어야 한다.

시험결과 NRC-BTP C.4.i/ 10CFR 71.71(c).(10) 기준을 만족하였다.

(5) 밀봉시험

밀봉시험은 용기가 지하 처분된 후 또는 운반 중 발생할 수 있는 가스 누출이나 누수를 방지할 수 있는 밀봉시스템의 검증 시험이다. 밀봉시험은 압력강하시 험(Pressure drop test) 및 압력상승시험(Pressure rise test)을 통하여 수행되어야 한다.

시험방법은 압력강하시험의 경우 60 kPa의 감압 상태를 30분간 유지하여 수행하고, 압력상승시험은 200 kPa의 가압상태를 30분간 유지하여 을 실시한다. 누설시험에 대한 기술기준은 방사성물질 운반용기의 누설시험 기준을 따른다.

시험결과 NRC-BTP C.4.i 기준을 만족하였다.

(6) 승강시험

시험방법은 크레인에 모래를 채운 용기를 매달아 2~3ft 높이에서 떨어뜨린 후 외관에 균열이나 파괴가 없어야 한다.

시험결과 NRC-BTP C.4.j 기준을 만족하였다.

(7) 방사선 안전성 시험

시험방법은 10⁸ rad 조사하였을때, 인장강도가 1500 psi 이상이어야 한다.(적ㅇ자외선 효과도 고려함.)

시험결과 NRC-BTP C.4.g 기준에 따라 인장강도가 1500 psi 이상이었다.

(8) 생체부식 시험

생체부식율은 300년 후에 용기의 총 탄소 손실율이 10% 미만이어야 한다. 생 체부식율을 측정하기 위하여 Fungi와 Bacteria 생체 부식시험 후 인장강도가 50 psi 이상이 되어야 한다..

시험결과 NRC-BTP C.4.h/ ASTM (American Society of Testing Materials, 미국 재료 시험 협회) G21-70, ASTM G22-76기준을 만족하였다.

(9) 화학저항능력시험

시험방법은 방사성폐기물 내에서 발생 가능성이 있는 화학물질이나 폐기물 저장소 주위 환경에서 유출 가능성이 있는 화학물질 중 NRC Technical Position에 제시된 물질과 ASTM C114에 언급 된 내용을 참고하여 10% Citric Acid, 10% EDTA, 2% HCl, 2% H₂SO₄, 2% NaOH 가 포함되어 있는 용액을 선택 및 제조하여 화학적 저항성 시험 용액으로 사용하였다. 그리고, 6주간 보관하여 압축강도 변화 및 중량 변화를 평가하였으며, 일정한 온도를 유지하기 위하여 30 L 용량의 항온조를 사용하여 각각의 시험조건에 따라 30℃± 5℃, 40℃± 5℃, 50℃± 5℃ 및 60℃± 5℃를 유지하였다. 화학적 저항성 시험에 필요한 공시체는 각 변이 6 cm인 시편을 사용하였다. 공시체를 넣고 6 주간 보관하고 시험종료 후 공시체를 건조시킨 후 시험평가항목인 압축강도와 중량변화를 확인하였다.

시험결과 6주간의 시험 중 용액 pH의 변화는 없었고 화학 용액별로 정방형 시편 압축강도 변화량과 중량 변화률은 다음과 같이 확인할 수 있었다. 6주간의 화학적 저항성 시험에서 중량변화는 거의 없었으며 압축강도 변화율은 기존 강도에 비하여 55.4%에서 91.1% 정도의 강도가 유지되었으며 2% NaOH 용액 중에서 고온에 침지된 시편은 압축강도에 많은 영향을 받았다.

이상의 고건전성 용기의 물성 및 성능 평가를 위한 시험들로부터 얻어진 시험 결과에 의하면, 본 발명에 따른 고건전성 용기는 적층강도, 충격강도, 인장강도, 방사선 저항성, 생물학적 저항성 및 화학적 저항성이 우수하였다.

이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술할 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고건전성 용기의 사시도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 고건전성 용기의 측면 단면도를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 고건전성 용기의 평면도를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 덮개의 분해도를 나타낸 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 덮개의 사시도를 나타낸 것이다.

<도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 드럼 11 : 스테인리스강 또는 탄소강

12 : 폴리에틸렌 재질의 용기 20 : 덮개

21 : 고무판

Claims

내측에 방사성 폐기물을 보관할 수 있는 공간이 형성된 고건전성 용기에 있어서,

상기의 고건전성 용기는 드럼과 덮개로 구성되고, 상기 드럼은 굵은 골재 40 내지 60 중량%, 잔골재 15 내지 25 중량%, 충전재 15 내지 25 중량%, 폴리머 수지 7 내지 9 중량% 및 저감제 1 내지 3 중량%로 이루어진 폴리머 콘크리트로 이루어지고, 상기 드럼의 외부는 스테인리스강 또는 탄소강으로 감싸지고, 상기 드럼의 내부는 폴리 에틸렌(PE) 재질의 용기로 덧대어 지고, 상기 드럼의 상단부분에는 폴리 에틸렌으로 이루어진 입구 부분이 형성되고, 상기 입구 부분에는 드럼의 밀봉을 위하여 폴리 에틸렌으로 이루어진 덮개가 결합되고, 상기 덮개와 드럼은 상기 입구부분 및 덮개에 각각 형성된 나사선에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 고건전성 용기.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 스테인리스강 또는 탄소강은 두께가 1㎜ ~ 5㎜인 것을 특징으로 하는 고건전성 용기.
제 1 항에 있어서,

상기 덮개는 그 하부에 상기 덮개의 밑면에 대응하여 얇은 원판 형태의 고무판이 결합된 것을 특징으로 하는 고건전성 용기.
제 1 항에 있어서,

상기 덮개는 폴리 에틸렌으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고건전성 용기.