KR101365387B1 - 파이로 공정에서 사용되는 용융염 반응기내 용융염층 높이를 연속적으로 측정하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파이로 공정에서 사용되는 용융염 반응기내 용융염층 높이를 연속적으로 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융염층 내의 압력값을 측정하여 반응기의 공정중에 용융염 수위변동을 연속적으로 측정할 수 있도록 해주는 용융염층 높이 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
본 발명은 파이로공정에 사용되는 반응기(전해환원, 정련 및 제련반응기)내 존재하는 용융염층의 높이를 용융염층 온도 및 용융염층내의 압력변동 값만을 연속적으로 측정함으로써 공정이 진행되는 동안뿐만 아니라 공정시작 전후 연속적으로 용융염층의 높이를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

파이로 공정에서 사용되는 용융염 반응기내 용융염층 높이를 연속적으로 측정하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING MOLTEN SALT LEVEL OF REACTOR USED IN PYROPROCESSING}
본 발명은 파이로 공정에서 사용되는 용융염 반응기내 용융염층 높이를 연속적으로 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융염층 내의 압력값을 측정하여 반응기의 공정 중에 용융염 수위변동을 연속적으로 측정할 수 있도록 해주는 용융염층 높이 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다.
사용후 핵연료의 파이로공정은 전해질로 고온의 염(전해환원공정 : LiCl, 전해정련 및 제련공정 : LiCl-KCl 공융염)을 사용한다. 고온의 염은 금속용기에 용융상태로 존재하며 악틴족을 포함한 여러 종류의 핵분열성 핵종을 포함하고 있다. 따라서 파이로공정의 운전안전성 측면 및 안전조치(safeguards) 측면에서 공정운영 중 금속용기에 담겨있는 고온 용융염의 높이 변화를 연속적으로 측정하는 것은 매우 중요하다.
현재 상업적으로 가능한 고온 용융염 높이 측정방법은 laser나 초음파를 이용하여 용융염의 수위를 측정하는 기술로 장비가 복잡하고 고가일 뿐만 아니라 공정운전 중 안정한 상태로 연속적으로 금속용기에 담겨 있는 용융염의 수위변동을 측정할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
JP 1994-281492 A(1994.10.07) JP 1995-098240 A(1995.04.11)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 파이로공정에 사용되는 반응기(전해환원, 정련 및 제련반응기)내 존재하는 용융염층의 높이를 용융염층 온도 및 용융염층내의 압력변동 값만을 연속적으로 측정함으로써 공정이 진행되는 동안뿐만 아니라 공정시작 전후 연속적으로 용융염층의 높이를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고온의 용융염을 사용하는 공정에서 용융상태로 존재하는 용융염층의 높이를 측정하기 위한 용융염층 높이 측정장치에 있어서, 용융염반응기의 바닥부에서부터 플랜지 상부로 돌출 형성된 수직관; 상기 수직관에 연결되어 초기압력을 보정해 주는 초기압력 보정부; 상기 초기압력 보정부와 연결되는 고압부와 대기 중에 노출시킨 상태로 연결되는 저압부를 포함하는 차압센서; 및 상기 차압센서에서 측정된 출력값을 이용하여 상기 용융염층 높이를 판단하는 데이터 획득부;를 포함하고, 용융염층의 높이를 연속적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정장치를 제공한다.
또한, 상기 수직관의 하부에는 용융염이 수직관 내로 원활히 유입될 수 있도록 하는 구멍부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초기압력 보정부는 3개의 밸브로 구성되며, 제 1 밸브는 상기 차압센서의 고압부와 연결되고, 제 2 밸브는 아르곤가스 공급장치와 연결되며, 제 3 밸브는 상기 수직관과 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 초기압력 보정부는 보정작업시 상기 제 1 밸브를 잠그고, 상기 제 2 및 제 3 밸브를 열어서 아르곤가스를 상기 수직관을 통해서 상기 용융염반응기로 분산시키고, 아르곤가스가 분산된 후 다시 제 2 밸브를 잠그고, 제 1 밸브를 열어서 차압을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 데이터 획득부는 상기 차압센서에서 측정된 Volt값을 하기 수학식1에 의해 실제 압력차로 변환해 주고, 변환된 실제 압력차를 통해서 하기 수학식2를 이용하여 용융염층 높이를 판단하는 것을 특징으로 한다.
[수학식1]
△P = A1 × Volt ± A2
[수학식2]
△H = △P / (ρ×g)
여기서, △P 는 실제 압력차, A1과 A2는 사용되는 차압센서의 종류에 따라서 변하며 사용되는 차압센서의 출력 Volt를 압력으로 환산하기 위한 상수, ρ는 일정 온도에서 용융염 밀도, g 는 기체상수, △H 는 용융염층의 높이이다.
또한, 상기 데이터 획득부는 400 ℃ 내지 600℃ 의 공융염(LiCl-KCl)에서 용융염층 높이는 하기 수학식3을 이용해서 구하는 것을 특징으로 한다.
[수학식3]
용융염층 높이[cm] = (0.003156 × 용융염층 온도 + 4.55)×실제 압력[KPa]
본 발명은 상기 수직관을 용융염반응기 상부 플렌지를 통해 용융염층 바닥까지 장입시키는 S1 단계; 상기 초기압력 보정부를 이용하여 초기압력 보정을 수행하는 S2 단계; 상기 차압센서를 이용하여 대기압과 용융염층간의 압력차를 측정하는 S3 단계; 및 상기 데이터 획득부를 이용하여 상기 S3 단계에서 측정된 압력차를 실제 압력으로 변환해주고, 변환된 실제 압력을 이용하여 용융염층의 높이를 계산하는 S4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정방법을 제공한다.
또한, 상기 S2 단계는 압력측정을 새롭게 시작하는 경우에만 수행하고, 연속적인 압력측정에서는 S2 단계를 수행하지 않는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 S2 단계에서 초기압력 보정은 상기 제 1 밸브를 잠그고, 상기 제 2 및 제 3 밸브를 열어서 아르곤가스를 상기 수직관을 통해서 상기 용융염반응기로 분산시키고, 아르곤가스가 분산된 후 다시 제 2 밸브를 잠그고, 제 1 밸브를 열어서 차압을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통해 사용후 핵연료 처리를 위한 파이로공정에 사용되는 공정장치들에 대한 용융염층 높이를 매우 간단하고 저렴한 설비를 통해 연속적으로 측정이 가능하므로 파이로공정의 운전비용 절감과 안전조치(safeguards)측면의 안전성을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 공정장치의 과열 및 가압등과 같은 위급사항에 대한 모니터링도 가능하여 파이로공정의 운전안정성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 용융염층 높이 측정장치의 개략도이다.
도 2는 용융염층 높이에 따른 차압센서의 출력 Volt 값을 나타내는 그래프이다.
도 3은 용융염의 온도에 따라서 본 발명에 따른 측정장치를 통해 측정된 차압과 용융염층 높이의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 용융염층 높이 측정장치 및 측정방법의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 용기내에 담겨있는 고온 용융염(LiCl 및 공융염(LiCl-KCl))의 높이를 측정하기 위한 용융염층 높이 측정장치 및 측정방법에 대한 것으로 측정장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 수직관(20), 연결관(30, 31, 32), 초기압력 보정부(40), 차압센서(50) 및 데이터 획득부(60)로 구성되어 있다.
수직관(20)은 원형 금속 튜브를 사용하며 외경은 최대 0.5 인치를 초과하지 않으며 수직관(20)의 높이는 측정하고자 하는 용융염 반응기(10)의 바닥에서부터 플렌지 상부 20cm 정도로 한다. 수직관(20)의 하부는 구멍부(21)가 여러 개 존재하여 용융염층에 수직관(20)을 삽입 시 용융염이 수직관(20) 내로 원활히 유입되어 용융염층의 높이가 정확히 측정되도록 한다.
차압센서(50)는 일반적인 상용 제품을 사용하며 고압부(51)는 수직관(20)에 연결하고 저압부(52)는 대기중으로 노출시킨 상태에서 대기압과 용융염층의 압력차(pressure difference)를 측정한다. 차압센서(50)는 데이터 획득부(60)에 연결되며, 차압센서(50)에서 측정된 Volt 값을 이용하여 데이터 획득부(60)에서 연산을 수행하여 최종적으로 용융염층의 높이를 계산한다.
초기압력 보정부(40)는 차압센서(50)를 이용하여 압력을 측정할 때 초기압력의 보정을 위한 것으로 도 1에서 나타난 바와 같이, T자 형태의 연결과 3개의 밸브로 구성되어 있으며 제 2 밸브(42)는 아르곤가스 공급장치(44)와 연결되어 있다.
초기압력 보정부(40)를 이용한 초기압력 보정 방법은 다음의 순서로 진행한다.
첫번째로 제 1 밸브(41)를 잠그고 제 2 밸브(42) 및 제 3 밸브(43)를 연상태에서 소량의 아르곤가스를 수직관(20)을 통해 용융염반응기(10)의 용융염층 내부로 분산시킨다. 이때 수직관(20)의 구멍부(21)를 통해 아르곤가스가 분산되어야 한다.
두 번째로 제 2 밸브(42)를 잠그고 제 1 밸브(41)를 열어 차압센서(50)를 이용하여 차압을 측정한다. 아르곤가스가 수직관(20) 내부를 채움으로써 보다 정확한 차압을 측정할 수 있게 된다.
압력을 계속 측정하는 동안에는 상기와 같이 초기압력 보정부(40)를 이용한 보정작업은 불필요하나 압력측정을 정지하고 새롭게 측정을 시작할 경우에는 이러한 초기 압력보정을 반드시 수행하여야 한다.
본 발명 장치의 주요 목적은 파이로 공정의 전해환원, 정련 및 제련공정의 운전 시 고온 용융염층의 높이 측정이므로 최대한 단순한 구성이 중요하다. 따라서 본 발명장치의 각 구성 즉, 차압센서(50), 초기압력 보정부(40) 그리고 수직관(20)을 연결하는 연결관(30, 31, 32)은 최대한 짧은 상태로 연결되도록 하며 연결관(30, 31, 32)은 금속재질의 튜브를 사용하며 완벽한 밀봉(sealing)상태가 유지되도록 한다.
본 발명에 따른 용융염층 높이 측정장치를 이용한 용융염층 높이 측정 방법은 다음과 같다.
첫번째는 수직관(20)을 용융염반응기(10) 상부 플렌지를 통해 용융염층 바닥까지 장입시킨다.
두번째는 초기압력 보정부(20)를 이용하여 초기압력 보정을 수행한다. 초기압력 보정은 제 1 밸브(41)를 잠그고, 상기 제 2 및 제 3 밸브(42, 43)를 열어서 아르곤가스를 수직관(20)을 통해서 용융염반응기(21)로 분산시키고, 아르곤가스가 분산된 후 다시 제 2 밸브(42)를 잠그고, 제 1 밸브(41)를 열어서 초기압력 보정작업을 실시한다.
세번째는 차압센서(50)를 이용하여 대기압과 용융염층간의 압력차를 측정한다.
네 번째는 데이터 획득부(60)를 이용하여 세번째 단계에서 측정된 압력차를 실제 압력으로 변환해주고, 변환된 실제 압력을 이용하여 용융염층의 높이를 계산한다.
데이터 획득부(60)는 압력차값를 가지고 용융염층의 높이를 도출함에 있어서는 아래와 같은 식(2)를 이용한다.
△P = ρ×g×△H -------- 식(1)
△P : 실제 압력차 (압력 단위, KPa등)
ρ : 일정 온도에서 용융염 밀도
g : 기체상수
△H : 용융염층의 높이
△H = △P / (ρ×g) -------- 식(2)
식(2)를 사용하기 위해서는 실제 압력차(△P)가 필요한데, 일반적으로 차압센서(50)는 측정된 압력의 출력값으로 volt값이 전송된다. 따라서, 식(2)를 사용하여 용융염층의 높이를 측정하기 위해서는 사용된 차압센서(50)의 volt 값을 원하는 단위의 압력값으로 보정하는 식(3)과 같은 형태의 “실제 압력-출력 volt” 보정식을 미리 확보해 두어야 한다.
실제 압력차 = A1×Volt ± A1 --------- 식(3)
A1, A2 : 사용되는 차압센서의 출력 volt를 압력으로 환산하기 위한 상수
(사용되는 차압센서의 종류에 따라서 변함)
본 발명에 따른 용융염층 높이 측정 장치 및 측정방법을 이용하여 용융염층의 높이를 측정하였을 경우 측정된 높이는 실제 높이와 비교하여 ±5mm 정도의 측정높이 정확성을 가지고 있다.
아래에 실시예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 예시에 불과한 것으로서 본 발명의 특허 청구 범위가 이에 따라 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1] 500℃로 존재하는 공융염(LiCl-KCl)의 높이 측정
파이로 공정중 전해정련 및 전해환원 공정에서는 LiCl(45.2wt%)와 KCl이 공융상태로 존재하는 공융염을 전해매질로 사용한다. 따라서 본 실시예 1에서는 500℃ 공융염의 높이를 본 발명을 이용하여 측정하였다.
사용되는 차압센서는 기기의 종류에 따라 고유의 차압범위를 가지고 있으며 따라서 동일한 차압값이라도 센서에서 출력되는 volt 신호는 다른 값을 가진다. 따라서 우선적으로, 사용하는 차압센서를 이용하여 일정온도로 유지되는 용융염층의 높이 변화에 따른 “실제 압력차-출력 volt” 보정값을 도출하여야 한다.
도 2는 500 ℃로 유지되는 LiCl-KCl 공융염의 높이에 따라 실시예 1에 사용된 차압센서에서 출력되는 volt 신호에 대한 예이다. 도 2에서 볼 수 있듯이 용융염층의 높이 변화에 따라 다른 volt 출력값을 보임을 알 수 있다.
도 2를 통해 도출한 차압센서의 출력 volt에 따른 공융염층 높이에 관한 상관식을 구하고 이 식을 이용하여 실제 높이 특정시 차압센서에서 출력되는 volt 값을 실제 압력차(Kpa)로 전환한 식(2)를 이용하여 높이를 계산할 수 있다.
표 1에 상기와 같은 방법을 이용하여 도출한 결과를 나타내었는데 본 발명에 따른 용융염층의 높이 측정장치를 이용하여 측정한 값과 실제 공융염층 높이와의 차이는 거의 발생하지 않아 정확한 공융염층 높이측정이 가능함을 알 수 있다.
본 발명장치를 이용하여 측정한 500℃ 공융염층 높이
차압측정값[Kpa] 측정된 염층높이[cm] 실제 염층높이[cm]
0.870485 5.49 5.5
1.139544 7.32 7.2
1.440257 9.16 9.1
1.74097 10.99 11
2.05751 12.82 13
2.37405 15.27 15
2.611455 16.49 16.5
2.927995 18.32 18.5
[실시예 2] 온도에 따른 공융염(LiCl-KCl) 층높이 측정결과 및 측정된 차압과 공융염층 높이와의 상관식
도 3은 LiCl-KCl 공융염에 대하여 온도에 따라서 본 장치를 통해 측정된 차압과 공융염층 높이를 나타내었으며 이러한 관계를 바탕으로 LiCl-KCl 공융염 조건에서 400∼600 ℃의 범위에서 사용할 수 있는 차압과 공융염층 높이와의 상관식을 다음과 같이 도출하였다.
400 ℃ 공융염 : 공융염층 높이[cm] = 5.8228 × 차압[KPa]
500 ℃ 공융염 : 공융염층 높이[cm] = 6.1081 × 차압[KPa]
600 ℃ 공융염 : 공융염층 높이[cm] = 6.4539 × 차압[KPa]
따라서 400 내지 600 ℃의 공융염층의 높이는 다음과 같은 식(4)로 표현할 수 있다.
공융염층 높이[cm] = (0.003156 × 공융염층 온도 + 4.55) × 실제 압력차[KPa] --------- 식(4)
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 용융염반응기
20: 수직관
21: 구멍부
30: 연결관
31: 연결관
32: 연결관
40: 초기압력 보정부
41: 제 1 밸브
42: 제 2 밸브
43: 제 3 밸브
44: 아르곤가스 공급장치
50: 차압센서
51: 고압부
52: 저압부
60: 데이터 획득부

Claims (9)

  1. 고온의 용융염을 사용하는 공정에서 용융상태로 존재하는 용융염층의 높이를 측정하기 위한 용융염층 높이 측정장치에 있어서,
    용융염반응기의 바닥부에서부터 플랜지 상부로 돌출 형성된 수직관;
    상기 수직관에 연결되어 초기압력을 보정해 주는 초기압력 보정부;
    상기 초기압력 보정부와 연결되는 고압부와 대기 중에 노출시킨 상태로 연결되는 저압부를 포함하는 차압센서; 및
    상기 차압센서에서 측정된 출력값을 이용하여 상기 용융염층 높이를 판단하는 데이터 획득부;를 포함하고,
    용융염층의 높이를 연속적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직관의 하부에는 용융염이 수직관 내로 원활히 유입될 수 있도록 하는 구멍부를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기압력 보정부는 3개의 밸브로 구성되며, 제 1 밸브는 상기 차압센서의 고압부와 연결되고, 제 2 밸브는 아르곤가스 공급장치와 연결되며, 제 3 밸브는 상기 수직관과 연결되는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 초기압력 보정부는 보정작업시 상기 제 1 밸브를 잠그고, 상기 제 2 및 제 3 밸브를 열어서 아르곤가스를 상기 수직관을 통해서 상기 용융염반응기로 분산시키고, 아르곤가스가 분산된 후 다시 제 2 밸브를 잠그고, 제 1 밸브를 열어서 차압을 측정하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 획득부는 상기 차압센서에서 측정된 Volt값을 하기 수학식1에 의해 실제 압력차로 변환해 주고, 변환된 실제 압력차를 통해서 하기 수학식2를 이용하여 용융염층 높이를 판단하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정장치.
    [수학식1]
    △P = A1 × Volt ± A2
    [수학식2]
    △H = △P / (ρ×g)
    여기서, △P 는 실제 압력차, A1과 A2는 사용되는 차압센서의 종류에 따라서 변하며 사용되는 차압센서의 출력 Volt를 압력으로 환산하기 위한 상수, ρ는 일정 온도에서 용융염 밀도, g 는 기체상수, △H 는 용융염층의 높이이다.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 데이터 획득부는 400 ℃ 내지 600℃ 의 공융염(LiCl-KCl)에서 용융염층 높이는 하기 수학식3을 이용해서 구하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정장치.
    [수학식3]
    용융염층 높이[cm] = (0.003156 × 용융염층 온도 + 4.55) × 실제 압력차[KPa]
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 있는 용융염층 높이 측정장치를 이용하는 용융염층 높이 측정방법에 있어서,
    상기 수직관을 용융염반응기 상부 플렌지를 통해 용융염층 바닥까지 장입시키는 S1 단계;
    상기 초기압력 보정부를 이용하여 초기압력 보정을 수행하는 S2 단계;
    상기 차압센서를 이용하여 대기압과 용융염층간의 압력차를 측정하는 S3 단계; 및
    상기 데이터 획득부를 이용하여 상기 S3 단계에서 측정된 압력차를 실제 압력으로 변환해주고, 변환된 실제 압력을 이용하여 용융염층의 높이를 계산하는 S4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 S2 단계는 압력측정을 새롭게 시작하는 경우에만 수행하고, 연속적인 압력측정에서는 S2 단계를 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 S2 단계에서 초기압력 보정은 상기 제 1 밸브를 잠그고, 상기 제 2 및 제 3 밸브를 열어서 아르곤가스를 상기 수직관을 통해서 상기 용융염반응기로 분산시키고, 아르곤가스가 분산된 후 다시 제 2 밸브를 잠그고, 제 1 밸브를 열어서 차압을 측정하는 것을 특징으로 하는 용융염층 높이 측정방법.


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