KR100926458B1 - 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는고준위폐기물의 저장 모듈 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물의 저장 모듈 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위한 흡착 방벽을 모듈 내부에 설치하여 음이온 핵종을 효과적으로 흡착하여 이동을 억제하기 위한 고준위폐기물 저장 모듈 및 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 상기 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기; 상기 폐기물용기를 감싸도록 형성되며, 상기 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위한 흡착 방벽; 자연 암반으로 이루어진 측벽; 및 상기 흡착 방벽과 상기 측벽 사이에 형성되는 충진층을 포함하고, 상기 흡착 방벽은 고온에 내구성이 있는 가교성 점토로 형성되는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈을 제공한다.
고준위폐기물, 음이온핵종, 요오드, 흡착, Pb-Al-pillared clay, 점토

Description

음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물의 저장 모듈 및 방법{The high level radioactive waste containing module comprising the adsorption wall for retarding the negative ion nuclide and the method thereof}
본 발명은 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물의 저장 모듈 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고준위폐기물에서 방출되는 방사성 핵종(특히, 음이온 핵종)을 흡착하기 위한 흡착 방벽을 모듈 내부에 설치하여 방사성 핵종의 이동을 억제하기 위한 고준위폐기물 저장 모듈 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 방사성 핵종은 고준위 폐기물로부터 빠져나와 지하수에 용해되어 고준위폐기물 저장 지역 주변을 오염시키는 문제점을 일으킨다. 오염을 방지하기 위한 다양한 방법 중 흡착은 방사성 핵종의 이동을 저지하는 가장 중요한 방법 중의 하나다. 방사성 핵종의 흡착특성은 고준위폐기물 저장 모듈의 물리적/화학적 특성에 의해 영향을 받는다.
핵 반응기의 작동에서, 그 에너지가 소정의 레벨로 완전히 고갈된 후 연료 조립체를 제거하는 것이 관례이다. 제거 시에, 폐핵연료와 같은 고준위 폐기물은 매우 높은 방사능을 갖고 상당한 열을 생성하며, 그 포장, 운반 및 저장에 큰 주의가 요구된다. 방사능 노출로부터 환경을 보호하기 위해, 고준위 폐기물은 먼저 캐니스터(canister)에 위치된다. 적재된 캐니스터는 그 후 운반되고 캐스크(cask)로 불리는 큰 원통형 용기에 저장된다.
상기 캐스크는 고준위 폐기물 용기들이 저장모듈 내에 위치되며, 종래에는 캐스크와 저장모듈의 내벽 사이를 시멘트성 재료 또는 점토성 재료로 충진하였다. 저장모듈의 측벽은 고준위 폐기물로부터 방출되는 고온 등의 영향으로부터 오랜 기간 동안 견고하게 유지되도록, 자연 암반을 이용하여 만들어진다.
벤토나이트와 같은 점토성 재료로 충진하는 경우에 방사성 핵종의 흡착 능력이 매우 뛰어나나, 주로 양이온 방사성 핵종에 대한 흡착력이 뛰어나고, 음이온 방사성 핵종에 대한 흡착력은 떨어지는 문제점이 있다. 비록 음이온 방사성 핵종이 많은 양으로 방출되는 것은 아니나, 음이온 핵종이 벤토나이트 점토층에 잘 흡착이 되지 않고 지하수를 따라 흐르면, 주변에 예기치 못한 환경문제를 야기할 수 있는 문제점이 있다.
도 1은 종래의 고준위폐기물을 저장하기 위한 모듈을 도시한다. 도 1을 참조하면, 종래의 고준위폐기물 저장 모듈은 내부에 고준위폐기물을 담고 있는 저장용기(110), 고준위폐기물로부터 방출되는 방사성 핵종을 흡착하기 위한 충진층(120) 및 오랜 기간 동안 고준위폐기물 저장용기를 안전하기 지키기 위한 자연 암반 측벽(130)을 포함한다.
캐스크와 같은 저장용기(110)는 일반적으로 구리로 만들어진다. 상기 저장용기(110)는 고준위폐기물 저장 모듈의 중앙 부분에 적재된다. 충진층(120)은 벤토나이트 점토를 포함하는 입상 충진재로 채워진다.
그러나, 도 1에 도시된 것처럼 충진층(120)이 벤토나이트 점토와 같은 물질로만 구성되는 경우에는, 전술한 것처럼 음이온 핵종이 상기 점토층에 잘 흡착이 되지 않는 문제점이 있으며, 상기 충진층(120)에 음이온과 결합할 수 있는 첨가물을 추가하는 경우에는 방사성 핵종의 흡착 효율은 좋으나 콜로이드를 형성하여 이동성을 유발하는 문제점이 있으며, 상기 충진층(120)에 인공합성소재를 첨가하는 경우에는 자연 광물 및 성분과 달라 지하에서 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.
종래에 방사성 핵종을 흡착하는 물질들에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 상기 물질들은 분진을 채집하기 위해 대기화학 분야에서 이용되고 있다. 도 2는 상기와 같은 종래의 흡착 물질들 중 하나인 Al-pillared 벤토나이트 점토의 특성을 나타내는 그래프이다.
Al-pillared 벤토나이트 점토는 약 90%의 벤토나이트를 포함하는 천연 점토로부터 얻어진다. Al-pillared 벤토나이트 점토를 얻는 일실시예는 다음과 같다. 천연 점토는 으깨진 후에, 침전에 의해 직경 100㎛ 미만의 점토만 분리된다. 분리된 점토는 먼저 1.0M NaCl로, 그 다음에 탈이온수(deionized water)로 수차려 씻겨짐으로써 Na+ 로 포화된 형태로 전환된다. 가교화(pillaring)는 가교제로서 알루미늄 하이드록사이드(aluminium hydroxide) 용액을 이용함으로써 달성될 수 있다.
상기 용액은 OH/Al 비율이 2.4가 될 때까지 0.2M AlCl3·6H2O로 0.5M NaOH를 적정함으로써 얻어진다. 그 다음에 상기 용액은 90℃에서 3시간 동안 보관하고, 30℃에서 밤새도록 보관한다. 그 다음에 상기 용액은 Na+로 전환된 벤토나이트 점토의 1% 현탁액과 반응시키며, Al/점토의 비율을 20 mmolg-1로 유지시킨다. 발생되는 슬러리는 30℃에서 6시간 동안 저어주고, 점토는 여과로 분리한다. 고형물질은 씻은 후에 250℃에서 3시간 동안 그리고 450℃에서 3시간 동안 가열하여 가루로 만든다. Al-pillared 벤토나이트 점토는 상기 가루 중 직경이 약 0.096mm인 입자들로 구성된다.
Al-pillared 벤토나이트 점토의 흡착 정도는 pH, 접촉 시간, 초기 농도, 이온 결합력 및 온도 등 다양한 요인들에 의해 영향을 받는다. 도 2는 상기 요인들 중 초기 농도 및 온도에 따라 Al-pillared 벤토나이트 점토가 Co(Ⅱ)의 흡착 정도(또는 Co(Ⅱ)의 물질 전달(mass transfer)율)에 미치는 영향을 도시한다. 아래 도면((A) 도면)은 초기 농도에 따른 흡착 정도를 나타내고, 위 도면((B) 도면)은 온도에 따른 흡착 정도를 나타낸다. 초기 농도가 크고 온도가 낮을수록 흡착 정도가 높은 것을 알 수 있다.
그러나, 아직까지 상기 Al-pillared 벤토나이트 점토를 고준위폐기물에 직접 이용하는 저장 모듈 및 방법이 이용되고 있지 않다. 또한, 고준위폐기물에서 방출되는 열에 의해 고온 환경이 유지되므로, Al-pillared 벤토나이트 점토를 그대로 사용하면 흡착 효율이 떨어지며, 특히 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 효과적으로 흡착할 수 없는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 자연물질인 벤토나이트 점토층과 유사하면서 음이온 핵종을 흡착할 수 있는 새로운 물질로 된 별도의 흡착 방벽을 제공함으로써, 고준위폐기물로부터 방출되는 방사성 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고준위폐기물을 저장하는 모듈에 있어서, 상기 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기; 상기 폐기물용기를 감싸도록 형성되며, 상기 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위한 흡착 방벽; 자연 암반으로 이루어진 측벽; 및 상기 흡착 방벽과 상기 측벽 사이에 형성되는 충진층을 포함하고, 상기 흡착 방벽은 고온에 내구성이 있는 가교성 점토로 형성되는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈을 제공한다.
상기 가교성 점토는 Pb-Al-Pillared 벤토나이트 점토 및 Ag-Al-Pillared 벤토나이트 점토 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 흡착 방벽은 2 내지 4 mm 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고준위폐기물을 저장하는 방법에 있어서, 상기 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기를 적재하는 단계; 상기 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위하여, 상기 폐기물용기를 감싸도록 흡착 방벽을 형성하는 단계; 및 상기 흡착 방벽과 자연 암반으로 이루어진 측벽 사이에 충진재를 충진하는 단계를 포함하고, 상기 흡착 방벽은 고온에 내구성이 있는 가교성 점토로 형성되는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 이용하는 고준위폐기물 저장 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈 및 방법은 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기 주변에 자연친화적 흡착 방벽을 형성함으로써, 고준위폐기물로부터 방출되는 음이온 핵종, 예를 들면, 방사성 요오드 이온을 흡착함으로써, 음이온 핵종이 지하환경에서 장시간 동안 효과적으로 안정되게 존재하게 할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우는 해당되는 발명의 상세한 설명 부분에서 그 의미를 기재하였으므로 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로 본 발명을 파악하여야 한다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하지만, 본 발명이 상기 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈을 나타내는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 상기 고준위폐기물 저장 모듈은 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기(310), 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위한 흡착 방벽(320), 자연 암반으로 이루어진 측벽(340) 및 상기 흡착 방벽(320)과 상기 측벽(340) 사이에 형성되는 충진층(330)을 포함한다.
상기 폐기물용기(310)는 구리 등을 이용하여 만들어질 수 있다. 상기 폐기물용기(310) 내에는 폐연료봉과 같은 고준위 폐기물이 저장되어 있다. 일반적으로 각각의 폐기물용기(310)마다 별도의 저장 모듈이 만들어진다.
상기 흡착 방벽(320)은 음이온 핵종, 예를 들면, 방사성 요오드 이온을 흡착할 수 있는 물질로 만들어진다. 본 발명에 따른 고준위폐기물 저장 모듈은 Pb-Al-pillared 벤토나이트 점토를 이용하여 상기 흡착 방벽(320)을 설치함으로써, 방사성 요오드 이온과 같은 방사성 핵종을 효과적으로 흡착할 수 있다. 방사성 핵종에는 양이온 핵종과 음이온 핵종이 있으며, 본 발명에 따른 흡착 방벽(320)은 음이온 핵종을 효과적으로 흡착한다.
전술한 것처럼, Al-pillared 벤토나이트 점토는 대기화학 분야에서 종래에 많은 연구자들에 의해 점토에 알루미늄을 첨가 및 합성하여 표면 개질된 점토를 만들어 왔다. 본 발명은 상기 Al-pillared 벤토나이트 점토에 Pb 원소를 부가적으로 첨가(약 1~20%)하여 표면 개질된 점토가 방사성 요오드 이온과 같은 방사성 핵종과 친화성이 있도록 하였다. 본 발명은 Pb 원소를 첨가하는 것뿐만 아니라, Ag 원소를 첨가하는 것과 Pb 원소 및 Ag 원소 둘 다 첨가하는 것을 포함한다. 이하에서는 Pb 원소를 중심으로 기술한다.
상기 Pb-Al-pillared 벤토나이트 점토를 고준위폐기물 저장용기(310) 주변에 약 2 내지 4 mm 두께의 방벽으로 설치하여, 방사성 요오드 이온과 같은 방사성 핵종에 친화성이 있는 환경친화적 흡착 방벽을 만든다. 만일 너무 얇은 층으로 상기 흡착 방벽을 만들면 시간이 지남에 따라 방사성 음이온의 흡착율이 급격히 떨어질 수 있고, 만일 너무 두꺼운 층으로 상기 흡착 방벽을 만들면 다른 층의 두께에 영향을 주어 예기치 못한 문제를 발생할 수 있다.
상기 Pb-Al-pillared 벤토나이트 점토의 Pb는 요오드 이온과 반응하여 요오드화납을 생성함으로써, 방사성 요오드 이온을 흡착할 수 있다. 또한 상기 흡착 방벽(320)을 고온에서도 내구성이 있도록 가교성 물질로 만든다.
상기 충진층(330)은 입상 충진재를 이용하여 형성할 수 있으며, 바람직하게는 벤토나이트 점토를 이용하여 형성할 수 있다. 입상 충진재는 유사한 입도의 충진재를 사용하며, 모듈 내에서 빽빽하게 채워진다. 상기 충진층(330)에는 산 중화를 위한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 충진층(330)은 생석회(CaO)를 포함할 수 있다. 생석회는 고준위폐기물에서 방출된 산을 중화시킬 뿐더러, 수분을 흡수할 수 있다. 상기 충진층(330)에 포함되는 물질은 예시적인 것이며, 본 발명은 상기 충진층(330)에 포함되는 물질에 제한되지 않고, 다른 물질이 포함된 충진층(330)을 포함한다.
자연 암반으로 이루어진 측벽(340)은 고준위폐기물 저장용기(310)를 오랫동안 안전하게 보호할 수 있다. 일반적으로 상기 측벽(340)은 자연 암반에 구멍을 뚫어 형성된다. 즉, 자연 암반에 구멍을 뚫어 측벽(340)이 이루어지고, 상기 측벽(340) 내부에 폐기물 저장용기(310)를 위치시킨다. 도 3에서는 자연 암반으로 이루어진 측벽(340)을 도시하고 있으나, 본 발명은 다른 물질로 이루어진 측벽을 포함한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 이용하는 고준위폐기물 저장 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3을 참조하여 도 4에 도시된 고준위폐기물 저장 방법을 기술한다.
먼저 자연 암반으로 이루어진 측벽(340) 내에 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기(310)를 적재한다(S410). 그 다음에, 상기 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위하여, 상기 폐기물용기(310)를 감싸도록 흡착 방벽(320)을 형성한다. 전술한 것처럼, 상기 흡착 방벽은 Pb-Al-pillared 벤토나이트 점토를 포함하며, 상기 흡착 방벽은 약 2 내지 4mm로 형성할 수 있다. 본 발명은 상기 Pb 원소 대신에 Ag 원소를 첨가하거나, 또는 Pb 원소 및 Ag 원소 모두를 첨가하여 형성된 흡착 방벽을 포함한다.
그 다음에 상기 흡착 방벽(320)과 자연 암반으로 이루어진 측벽(340) 사이에 충진재를 충진한다. 상기 충진재는 벤토나이트 점토를 포함한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 종래의 고준위폐기물을 저장하기 위한 모듈을 나타내는 사시도.
도 2는 종래의 Al-pillared 벤토나이트의 특성을 나타내는 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈을 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 이용하는 고준위폐기물 저장 방법을 나타내는 흐름도.

Claims (6)

  1. 고준위폐기물을 저장하는 모듈에 있어서,
    상기 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기;
    상기 폐기물용기를 감싸도록 형성되며, 상기 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위한 흡착 방벽;
    자연 암반으로 이루어진 측벽; 및
    상기 흡착 방벽과 상기 측벽 사이에 형성되는 충진층을 포함하고,
    상기 흡착 방벽은 고온에 내구성이 있는 가교성 점토로 형성되는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가교성 점토는 Pb-Al-Pillared 벤토나이트 점토 및 Ag-Al-Pillared 벤토나이트 점토 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡착 방벽은 2 내지 4 mm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는 고준위폐기물 저장 모듈.
  4. 고준위폐기물을 저장하는 방법에 있어서,
    상기 고준위폐기물을 담고 있는 폐기물용기를 적재하는 단계;
    상기 고준위폐기물에서 방출되는 음이온 핵종을 흡착하기 위하여, 상기 폐기물용기를 감싸도록 흡착 방벽을 형성하는 단계; 및
    상기 흡착 방벽과 자연 암반으로 이루어진 측벽 사이에 충진재를 충진하는 단계를 포함하고,
    상기 흡착 방벽은 고온에 내구성이 있는 가교성 점토로 형성되는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 이용하는 고준위폐기물 저장 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가교성 점토는 Pb-Al-Pillared 벤토나이트 점토 및 Ag-Al-Pillared 벤토나이트 점토 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 이용하는 고준위폐기물 저장 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 흡착 방벽은 2 내지 4 mm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 이용하는 고준위폐기물 저장 방법.
KR1020070122805A 2007-11-29 2007-11-29 음이온 핵종의 이동억제를 위한 흡착 방벽을 포함하는고준위폐기물의 저장 모듈 및 방법 KR100926458B1 (ko)

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