KR101538349B1 - 방사성 요오드 포집방법 및 방사성 요오드 포집장치 - Google Patents

방사성 요오드 포집방법 및 방사성 요오드 포집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사성 요오드 포집방법 및 방사성 요오드 포집장치에 관한 것으로, 상세하게는 요오드 포집용액을 이용한 요오드 포집방법에 있어서, 요오드 포집용액과 별도로 요오드 용해 안정화물질을 배치하며, 오염된 공기 유입시 요오드 용해 안정화물질에 의해 요오드 포집용액의 농도를 증가시키는 단계를 포함하는 방사성 요오드 포집방법에 관한 것이다.
본 발명은 종래 포집용액에 비방사성 아이오다이드 화합물, 알칼리물질, 그리고 환원제가 수용액에 용해된 상태로 수 십년의 원전수명 동안 대기 상태를 유지하고 있었던 것과 달리, 대기시에는 저농도의 포집용액과 상기 요오드 용해 안정화물질을 분리시킴으로써 비방사성 아이오다이드 화합물, 알칼리물질로 인한 포집용액 용기의 부식을 줄일 수 있다. 또한, 상기 요오드 용해 안정화물질인 환원제를 포집용액과 분리시킴으로써 장기간 대기 시 용액 속의 용존산소와 계속적으로 반응하여 환원력이 저하되는 문제점을 막을 수 있다. 나아가, 오염된 공기가 유입되는 경우 분리되었던 요오드 용해 안정화물질이 포집용액의 농도를 높여주기 때문에 고용량 및 고효율의 포집용액을 제공할 수 있다.

Description

방사성 요오드 포집방법 및 방사성 요오드 포집장치{Method of capturing radioactive iodide and apparatus for capturing radioactive iodide}
본 발명은 방사성 요오드 포집방법 및 방사성 요오드 포집장치에 관한 것으로, 상세하게는 요오드 포집용액과 별도로 요오드 용해 안정화물질을 배치하여 포집용액의 포집용량을 높이는 방사성 요오드 포집방법 및 방사성 요오드 포집장치에 관한 것이다.
방사성 요오드는 핵분열을 할 수 있는 악틴족 원자가 핵분열될 때 핵에너지와 함께 발생하는 핵분열생성물의 하나로, 중성자에 의해서 우라늄이 핵분열될 때 생성되는 방사성 동위원소이다.
방사성 요오드는 방사능 준위가 높고, 기체로 존재할 수 있으므로 인체의 흡수성이 높기 때문에 사고 시 확산에 특별한 관심을 가져야 핵종이나, 반감기가 비교적 짧기 때문에 원전 중대사고 초기 몇 주간 특별히 관심을 가지는 핵종이다.
일반적으로 방사성 요오드는 사용 후 핵연료 내에서 세슘의 요오드화물(CsI)로 존재하며 이 형태로 연료 외부로 방출된다. 이때, 방출되는 환경이 냉각수 환경일 가능성이 높기 때문에 냉각수에 용해된 iodide(I-)가 휘발성 분자성 요오드(I2)로 산화되는 반응을 억제시키는 방법을 이용하여 왔다. 이러한 배경에서 냉각수의 pH와 산화환원(redox) 상태를 조절하는 방법이 오랫동안 사용되어 왔다.
pH와 산화환원 조건을 조절하여 수용액 내에 존재하는 방사성 요오드의 휘발도를 낮출 수 있으나, 건물 내부 냉각수의 온도가 상승한다거나 방사선 조사에 노출된 환경에서는 요오드의 휘발도가 상승하여 격납건물 내부 대기로 요오드 화학종이 확산하게 된다.
또한, 요오드는 유기물질과 쉽게 반응하여 유기 요오드를 형성하여 휘발도가 상승하는 경로가 있기 때문에 페인트와 같은 유기물질과의 접촉도 억제하고 있다.
최근 원자력발전소에서 중대사고가 발생할 경우, 격납건물의 안전성을 향상시키는 방안이 도입되고 있다. 대표적인 방법이 격납건물 외부에 별도의 "여과배기장치"를 준비하여 중대사고 시 격납건물 내 상승된 압력을 이 장치를 이용하여 완화시키는 방법이다.
사고시 격납건물 내부대기에는 수증기 뿐 아니라 핵연료로부터 발생된 다량의 휘발성 고방사성 기체 및 미세입자 물질이 존재한다. 여과배기장치는 격납건물 내부대기를 방출할 때 함께 방출될 수 있는 고방사성 기체와 미세입자를 포집하는 기능을 하며, 포집용액을 포함하고 있는 포집 시스템으로 구성되어 있다.
본 발명은 휘발성 방사성 물질 특히 방사성 요오드를 포집하는 장치에 대한 것이다. 요오드는 높은 pH와 환원조건에서 휘발도가 최소화되므로 포집용액은 수산화계, 인산계, 아민계 등의 알칼리 물질과 황을 포함하는 환원제를 사용한다.
그리고, 휘발성 물질의 용해를 촉진시키기 위하여 고분자 계면활성제를 사용하는 경우도 있다. 이와 함께, 다량의 분자성 방사성 요오드를 수용액에서 안정하게 용해시키기 위하여 비방사성 아이오다이드이온을 첨가한다.
비방사성 아이오다이드이온(I-)은 아래 식과 같이 휘발성 분자성 아이오다이드이온과 결합하여 휘발도를 낮추는 성질이 있다.
<반응식 1>
I- (aq) + I2 (dissolved gas) → I3 - (aq)
그러나 할로겐 이온인 아이오다이드이온은 염소이온과 같이 금속의 부동태 피막형성을 억제하여 국부부식을 유발시키는 화학종이다. 따라서, 포집용액을 담고 있는 금속 반응용기를 보호하기 위하여 높은 농도의 아이오다이드이온을 투입하여 사용할 수 없다. 이러한 이유에서 일반적으로 0.01 wt%의 비방사성 아이오다이드이온이 포함된 용액을 방사성 요오드 포집용액으로 사용하고 있다.
아울러 금속은 접하고 있는 수용액의 pH가 너무 높아지면 금속산화막을 용해시켜 금속부식에 좋지 않은 영향을 준다. 따라서 알카리물질도 금속 반응용기의 부식을 고려하여 너무 높지 않은 pH 10-11 범위에서 사용하고 있다.
한편, 대한민국 등록특허 제10-0376082호에서는 방사성 유기요오드 배기체 처리에 사용된 첨착활성탄의 재생 장치 및 방법이 개시된 바 있다. 구체적으로는, 원자력시설에서 방사성 유기요오드 제거에 사용된 첨착활성탄을 재생하는 장치에 있어서, 사용된 첨착활성탄으로부터 첨착물질과 흡착된 유기요오드를 분산기를 통해 유기용매인 아세토나이트릴을 첨착활성탄층의 상부에 분사시켜 탈착하고, 탈착된 활성탄층에 분산기를 통해 첨착물질인 트리에틸렌디아민(TEDA)이나 칼륨요오드(KI)를 분사시켜 재첨착을 동시에 할 수 있도록 구성한 유동층 탈,첨착 반응기와, 상기 탈,첨착반응기로 부터 추출용액을 연속적으로 순환시키고, 동시에 고화 첨가제에 의해 추출된 유기요오드를 고체로 만들어 필터링 하는 탈착조와, 상기 유동층 탈,첨착반응기에 공급되는 첨착물질을 혼합하고 공기 조절기의 압력으로 첨착물질을 활성탄 상부에 분사시키는 첨착조와, 사용된 첨착활성탄으로부터 첨착물질과 유기요오드를 탈착시키고 재첨착을 동시에 할 수 있도록 상기 각 장치를 제어하는 자동 제어박스로 구성된 것을 특징으로 하는 방사성 유기요오드 배기체 처리에 사용된 첨착활성탄의 재생 장치가 개시된 바 있다.
이에, 본 발명자들은 방사성 요오드를 효과적으로 포집할 수 있는 포집용액에 대하여 연구하던 중, 요오드 포집용액과 별도로 요오드 용해 안정화물질을 배치하여, 오염된 공기 유입시 요오드 용해 안정화물질에 의해 요오드 포집용액의 농도를 증가시킴으로써 포집 금속 반응용기의 수명을 확보하면서 방사성 요오드를 효과적으로 포집할 수 있는 방사성 요오드 포집방법 및 장치를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은,
방사성 요오드 포집방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은,
방사성 요오드 포집장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
요오드 포집용액을 이용한 요오드 포집방법에 있어서,
요오드 포집용액과 별도로 요오드 용해 안정화물질을 배치하며, 오염된 공기 유입시 요오드 용해 안정화물질에 의해 요오드 포집용액의 농도를 증가시키는 단계를 포함하는 방사성 요오드 포집방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
요오드 포집용액부 및 이와 별도로 요오드 용해 안정화물질부를 포함하는 방사성 요오드 포집장치를 제공한다.
본 발명에 따른 방사성 요오드 포집방법은 종래 포집용액에 비방사성 아이오다이드 화합물, 알칼리물질, 그리고 환원제가 수용액에 용해된 상태로 수 십년의 원전수명 동안 대기 상태를 유지하고 있었던 것과 달리, 대기시에는 저농도의 포집용액과 상기 요오드 용해 안정화물질을 분리시킴으로써 비방사성 아이오다이드 화합물, 알칼리물질로 인한 포집용액 용기의 부식을 줄일 수 있다.
또한, 상기 요오드 용해 안정화물질인 환원제를 포집용액과 분리시킴으로써 장기간 대기 시 용액 속의 용존산소와 계속적으로 반응하여 환원력이 저하되는 문제점을 막을 수 있다.
나아가, 오염된 공기가 유입되는 경우 분리되었던 요오드 용해 안정화물질이 포집용액의 농도를 높여주기 때문에 고용량 및 고효율의 포집용액을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 방사성 요오드 포집 장치의 일례를 나타내는 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 방사성 요오드 포집 장치의 일례를 나타내는 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 방사성 요오드 포집 장치의 일례를 나타내는 모식도이고;
도 4는 본 발명에 따른 요오드 용해 안정화물질이 담지된 캡슐을 나타낸 모식도이고;
도 5는 분자성 요오드 및 아이오다이드이온 혼합 용액에서 아이오다이드이온 농도에 따른 UV/VIS 흡수스팩트럼을 나타낸 그래프이고;
도 6은 분자성 요오드 및 아이오다이드이온 혼합 용액에서 아이오다이드이온 농도에 따른 트리아이오다이드이온 특성 파장에서의 흡수세기 변화를 나타낸 그래프이고;
도 7은 방사선 조사 환경에서 pH 변화에 따른 염화아이오다이드(NaI) 용액의 UV/VIS 흡수 스팩트럼을 나타낸 그래프이고;
도 8은 방사선 조사 환경에서 pH 변화에 따른 염화아이오다이드(NaI) 용액의 분자성 요오드(I2) 생성량 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명은,
요오드 포집용액을 이용한 요오드 포집방법에 있어서,
요오드 포집용액과 별도로 요오드 용해 안정화물질을 배치하며, 오염된 공기 유입시 요오드 용해 안정화물질에 의해 요오드 포집용액의 농도를 증가시키는 단계를 포함하는 방사성 요오드 포집방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 방사성 요오드 포집방법을 상세히 설명한다.
원자력발전소 및 사용 후 핵연료 중간저장시설 등 원자력시설에서 사고로 인하여 높은 방사능을 가진 휘발성 방사성 핵종이 핵연료로부터 누설되어 건물 내부에서 환경으로 방출될 때, 오염된 공기에 포함되어 있는 기체 및 에어로졸 형태의 방사성 요오드는 I-, I2, IO3 -, I3 - 등 다양한 산화수를 가지는 화학종으로 존재할 수 있으며, 유기물과 결합하여 유기요오드(RI)를 형성할 수 있다. 특히 유기 요오드와 분자성 요오드(I2)는 휘발성을 가지고 있다.
한편, 원자력시설 사고에서 발생될 수 있는 방사성 요오드는 방사능이 높으며 휘발성 화학종으로 존재할 경우 호흡으로 인체에 흡수될 수 있으므로, 사고 초기에는 각별히 주의가 요하는 핵종 중 하나이다.
종래에는 원자력시설 등에서 인체에 유해한 방사성 요오드가 함유된 오염된 공기가 대량으로 방출되는 경우를 대비하여, 요오드 포집 장치의 포집용액에 비방사성 아이오다이드 화합물, 알칼리물질, 그리고 환원제가 수용액에 용해된 상태로 제공하고 있었다.
하지만, 이러한 여과배기계통의 포집 반응기는 금속재질로 구성되어 있음에도 부식성이 높은 포집용액이 충진된 상태로 수 십년의 원전수명 동안 대기 상태를 유지해야 하기 때문에, 비방사성 아이오다이드이온, 알카리 물질 등과 같은 부식유발 화학종은 금속 반응용기 부식 문제로 현재 비교적 낮은 농도로 사용되고 있다.
또한, 환원제는 용액에 녹아 존재하는 용존산소와 계속적으로 반응하여 장기간 대기상태 유지 시 환원력이 저하되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에서는 금속 용기를 부식시킬 수 있는 아이오다이드 화합물 및 알칼리 물질과 환원력이 저하될 수 있는 환원제 등을 포집 용액과 분리시키고, 오염된 공기가 유입될 시에만 포집 용액에 투입되도록 한다.
따라서, 비방사성 아이오다이드 화합물 및 알칼리물질로 인한 포집용액 용기의 부식을 줄일 수 있고, 상기 요오드 용해 안정화물질인 환원제를 포집용액과 분리시킴으로써 장기간 대기 시 용액 속의 용존산소와 계속적으로 반응하여 환원력이 저하되는 문제점을 막을 수 있다.
또한, 오염된 공기가 유입되는 경우 분리되었던 요오드 용해 안정화물질이 포집용액의 농도를 높여주기 때문에 고용량 및 고효율의 포집용액을 제공할 수 있다.
상기 포집용액은 요오드 용해 안정화물질이 용해될 수 있는 수용성 매질을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 오염된 공기가 유입되는 경우 분리되어 있던 요오드 용해 안정화물질이 포집용액과 접촉하게 되므로, 상기 포집용액은 요오드 용해 안정화물질이 용해되어 고농도 및 고효율의 포집용액이 될 수 있도록 수용성 매질을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 방사성 요오드 포집방법에 있어서 상기 요오드 용해 안정화물질은 오염된 공기의 유입부에 배치될 수 있다.
상기 요오드 용해 안정화물질은 포집용액과 분리되어 오염된 공기의 유입부에 배치될 수 있고, 이로 인해 포집용액이 저농도로 유지되어 금속용기의 부식을 막을 수 있고, 환원제의 환원력이 저하되는 문제점도 막을 수 있다. 뿐만 아니라, 오염된 공기가 유입되는 경우 상기 요오드 용해 안정화물질이 오염된 공기에 포함된 수증기를 흡수하여 용해되고, 용해된 상태로 포집용액으로 도입되어 포집용액의 농도를 높일 수 있다.
본 발명에 따른 방사성 요오드 포집방법에 있어서 상기 요오드 용해 안정화물질은 캡슐에 담지되어 오염된 공기의 유입부 또는 요오드 포집용액 상에 배치될 수 있다.
상기 요오드 용해 안정화물질은 포집용액과 분리되어 캡슐에 담지될 수 있고, 상기 캡슐은 오염된 공기의 유입부 또는 요오드 포집용액 상에 배치될 수 있다. 이로 인해 포집용액이 저농도로 유지되어 금속용기의 부식을 막을 수 있고, 환원제의 환원력이 저하되는 문제점도 막을 수 있다.
또한, 상기 캡슐은 포집 장치의 가동, 밸브의 개방충격, 오염 공기의 유동, 포집 용액의 유동 및 온도 증가에 따른 내부압력 상승으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물리적 충격 또는 변화로부터 파괴될 수 있으나, 상기 캡슐의 파괴가 상기 물리적 충격 또는 변화로 제한되는 것은 아니다.
상기 캡슐이 파괴될 시, 상기 캡슐내에 고체 상태의 요오드 용해 안정화물질이 포함된 경우에는 상기 요오드 용해 안정화물질이 오염된 공기에 포함된 수증기를 흡수하여 용해될 수 있어 포집용액의 농도를 높일 수 있다.
반면, 액체 상태의 요오드 용해 안정화물질인 경우에는 그대로 포집용액에 도입되어 포집용액의 농도를 높일 수 있다.
이때, 상기 캡슐은 밀폐 또는 부분 밀폐 캡슐일 수 있고, 상기 캡슐은 도 4에 도시한 바와 같이 유리를 포함하는 재질로 제조될 수 있으나, 상기 캡슐이 이에 제한되는 것은 아니며, 유리와 같이 부식에 강한 재료를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 캡슐의 형태는 밀폐형인 경우에는 구형과 같은 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 충격에 의한 개방이 용이하도록 다양한 구조로 변형이 가능하다.
부분 밀폐형인 경우에는 상기 물리적 변화에 의하여 용기의 위치가 변화되어 중력이나 공기의 유동에 의하여 요오드 용해 안정화 물질이 포집용액으로 혼입될 수 있는 구조를 가지도록 구성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 상기 요오드 용해 안정화물질은 고체 및 액체 혹은 이 혼합 상으로 존재할 수 있고, 상기 요오드 용해 안정화물질은 할로겐 화합물, 알칼리 화합물 및 환원제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있으나, 상기 요오드 용해 안정화물질이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 할로겐 화합물은, 알칼리금속 또는 알칼리토금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함할 수 있고, 상기 할로겐 화합물은 아이오다이드 음이온을 포함하는 아이오다이드 화합물을 사용할 수 있으나, 상기 할로겐 화합물이 이에 제한되는 것은 아니다.
휘발성 요오드 안정화 할로겐이온 중 대표적인 아이오다이드이온(I-, iodide ion)은 하기 반응식에 의해서 휘발성이 높은 분자성 요오드과 반응하여 안정한 용해성 트리아이오다이드이온(I3 -: triiodide ion)을 형성함으로 요오드의 휘발도를 저하시킨다.
<반응식 1>
I- (aq) + I2(dissolved gas) → I3 - (aq)
한편, 아이오다이드이온은 염소이온 (Cl-)과 같이 부식성이 높은 할로겐 이온이므로, 금속을 쉽게 부식시켜 금속재료의 건전성을 저하시킨다는 이유로 종래 아이오다이드이온의 농도는 금속부식과 연계되어 제한되어 왔다.
상기 할로겐 이온은 염소이온 (Cl-), 아이오다이드이온(I-) 및 브롬이온 (Br-)의 금속염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 물질을 사용할 수 있으나, 상기 할로겐 이온이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 할로겐 화합물은 바람직하게는 아이오다이드이온을 포함하는 금속염으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 물질을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 나트륨(Na), 칼륨(K), 그리고 칼슘(Ca)의 아이오다이드 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 물질을 사용할 수 있으나, 상기 할로겐 화합물이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 알칼리 화합물은, 알칼리 금속 또는 알칼리토금속 양이온 및 수산화기, 인산염, 암모늄 및 산소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 음이온을 포함하며, 포집용액에 용해되어 포집용액의 pH 값을 상승시킬 수 있다.
바람직하게는 상기 알칼리 화합물은 리튬, 포타슘, 나트륨 등 이온화 경향이 높은 금속류를 포함할 수 있고, 수산화이온, 암모늄이온을 포함할 수 있으며, 칼슘산화물 등이 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
요오드 용해 안정화물질 중 알칼리물질은 분자성 요오드(I2)를 하기 반응식 2를 통하여 분해하여 안정 용해 화학종인 I-와 IO3 -로 각각 환원/산화시키는 강력한 안정제이다. 또한, 알칼리물질은 유기요오드를 포집하는 성능도 우수하다.
<반응식 2>
3I2(dissolved gas) + 6OH- → 5I-(aq) + IO3 -(aq)+ 3H2O
분자성 요오드와 유기 요오드는 휘발도가 높은 요오드 화학종으로 오염공기에 포함될 수도 있고, 포집용액 내에 포집된 방사성 물질에서 방출되는 방사선에 의해서 포집장치 내부에서 휘발성 요오드 화학종으로 다시 변화될 수도 있다.
일반적으로 알칼리 화합물은 금속의 부식을 억제하지만, 티타늄, 지르코늄과 같이 육각형 큐빅 구조를 가지는 특수 금속군은 알칼리 매질에서는 수소 취성이 높아져서 재료 건전성이 문제가 될 수 있다.
일반 금속도 알칼리성이 너무 높아지면 부동태 피막인 금속산화물 층이 용해되어 부식에 취약해 질 수 있다.
상기 환원제는, 티오황산나트륨, 포타슘 화합물, 염화주석, 하이드라진, 암모니아, 아연-수은 아말감 및 인산계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며, 분자성 요오드의 산화수를 감소시킬 수 있다.
요오드 용해 안정화물질 중 환원제는 분자성 요오드(I2)를 안정 용해성 화학종인 아이오다이드이온(I-)으로 환원시켜 휘발도를 저하시키는 역할을 하는 물질이다. 하기 반응식 3은 환원제인 티오설페이트이온이 분자성 요오드를 안정 용해물질인 아이오다이드이온으로 환원시키는 반응을 보여 준다.
<반응식 3>
2S2O3 2 - (aq) + I2 (dissolved gas) → S4O6 2 - (aq) + 2I- (aq)
그러나, 대부분의 환원제는 대기로부터 지속적으로 유입되는 용존산소 (dissolved oxygen)와 산화-환원 반응으로 상호 소멸되면서 그 성능이 서서히 저하될 수 있다.
분자성 요오드를 환원시키는 환원제로는 티오설페이트이온(S2O3 2-)이 포함된 나트륨, 포타슘의 화합물 (Na2S2O3, K2S2O3)등이 많이 사용되어 왔다.
그리고, Sn2 + 이온이 포함된 염화주석 (SnCl2) 화합물과 하이드라진, 암모니아, 아연-수은 아말감(Zn(Hg)), 인산계화합물 (phosphites, hypophosphites) 등이 있으나, 상기 환원제가 이에 제한되는 것은 아니다.
그러나, 유기 환원제는 유기요오드 발생을 유발시킬 가능성이 있으므로 사용에 주의를 요한다.
또한, 본 발명은,
요오드 포집용액부(10) 및 이와 별도로 요오드 용해 안정화물질부(20)를 포함하는 방사성 요오드 포집장치를 제공한다.
종래에는 요오드 포집 장치의 포집용액에 비방사성 아이오다이드 화합물, 알칼리물질, 그리고 환원제가 수용액에 용해된 포집용액부만을 제공하고 있었다.
하지만, 수 십년의 원전수명 동안 대기 상태를 유지해야 하기 때문에, 비방사성 아이오다이드이온, 알카리 물질 등과 같은 부식유발 화학종은 금속 반응용기 부식 문제로 현재 비교적 낮은 농도로 사용되고 있었으며, 환원제는 용액에 녹아 존재하는 용존산소와 계속적으로 반응하여 장기간 대기상태 유지 시 환원력이 저하되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에서는 요오드 용해 안정화 물질과 포집용액을 분리한 요오드 용해 안정화물질부를 제공하여 오염된 공기가 유입될 시에만 포집 용액에 투입되도록 한다.
따라서, 포집용액 용기의 부식을 줄일 수 있고, 환원력이 저하되는 문제점을 막을 수 있으며, 고농도 및 효율의 방사성 요오드 포집장치를 제공할 수 있다.
상기 요오드 용해 안정화물질부(20)는 오염된 공기의 유입부에 배치될 수 있으며, 본 발명에 따른 방사성 요오드 포집 장치는, 일례로써 도 2에 나타낸 바와 같은 구성일 수 있다.
구체적으로, 포집용액부(10)에 요오드 포집 용액(1)이 채워져 있으며, 포집 용액부 상부에는 핵분열 생성물로 오염된 공기가 유입되기 위한 주입관(2)과 포집 용액 보충관(4)이 위치한다. 또한, 상기 주입관(2)에는 파열판식 밸브(3)가 위치하고, 상기 포집 용액 보충관(4)에는 보충 밸브(5)가 위치한다. 이때, 상기 주입관(2)은 요오드 포집 용액(1) 내부까지 연결되고, 상기 주입관(2)의 노즐(6)은 방사성 요오드 포집 용액(1) 내에 위치하게 된다. 또한, 포집 용액부 하부와 우측 상단에는 배수관(7)이 위치하며, 포집 용액부 하부에 위치한 배수관(7)에는 배수 밸브(8)가 위치한다. 또한, 상기 배수관(7) 하부에는 포집 용액 처리 저장소(미도시)가 위치할 수 있다. 나아가, 포집 용액부 우측 상단에는 배출관(9)이 위치한다.
특히, 상기 주입관(2) 내부에는 요오드 용해 안정화물질부(20)가 배치될 수 있으며, 상기 주입관을 통해 오염된 공기가 유입되면서 상기 요오드 용해 안정화물질이 오염된 공기에 포함된 수증기를 흡수하여 용해될 수 있어 포집용액의 농도를 높일 수 있다.
상기 요오드 용해 안정화물질부(20)는 요오드 용해 안정화물질이 담지된 캡슐의 형태로, 오염된 공기의 유입부 또는 요오드 포집용액(1) 상에 배치될 수 있으며, 본 발명에 따른 방사성 요오드 포집 장치는, 일례로써 도 3에 나타낸 바와 같은 구성일 수 있다.
특히, 요오드 용해 안정화물질이 담지된 캡슐은 오염된 공기의 유입부인 상기 주입관(2) 내부에 위치할 수 있으며, 또는 포집 용액(1) 상에 위치할 수 있다.
상기 캡슐은 포집 장치의 가동, 밸브의 개방충격, 오염 공기의 유동, 포집 용액의 유동 및 온도 증가에 따른 내부압력 상승으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물리적 충격 또는 변화로부터 파괴될 수 있고, 상기 캡슐이 파괴되는 경우 상기 요오드 용해 안정화물질이 오염된 공기에 포함된 수증기를 흡수하여 용해될 수 있어 포집용액의 농도를 높일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<분석>
(1) 아이오다이드이온 농도 증가에 따른 분자성 요오드 용해 안정성 관찰
포집용액 성분 중 아이오다이드이온(I-: iodide ion)의 농도 증가가 휘발성이 높은 분자성 요오드(I2: iodine) 화학종을 보다 안정하게 용해시켜 요오드 포집성능을 향상시키는지 여부를 관찰하기 위해 통기 상태(aerated)의 pH 6.5의 조건에서 아이오다이드이온의 농도를 0.1, 1.0, 10.0, 100.0mM로 변화시킨 분자성 요오드혼합 용액의 UV/VIS 흡수스팩트럼 및 이때 생성되는 트리아이오다이드이온(I3 -) 특성 파장에서의 흡수세기 변화를 도 5 및 6에 도시하였다.
방사성요오드 I-131 원소가 I2 형태로 포집시스템으로 유입되면, 포집용액 내 아이오다이드이온(I-) 형태의 비 방사성 I-127와 하기 반응식 1과 같이 결합하여 안정하게 용해되는 I3 - 이온으로 존재하게 된다.
<반응식 1>
I2 (dissolved gas) + I- (aq) → I3 - (aq)
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 첨가하는 아이오다이드 이온의 농도가 증가할수록 I3 - 의 흡수강도가 약 0.01 내지 0.37로 증가하는 것을 보여준다.
특히, I- 농도가 I2의 농도의 2,000배가 되는 20 mM 까지는 I3 - 생성이 급격하게 증가하였다.
이를 통해, I2 농도가 일정할 때 I- 농도가 증가할수록 I3 - 로 보다 안정하게 존재한다는 것을 알 수 있으며, 이는 포집용액에 I- 이온의 농도가 높을수록 I2 화학종의 포집성능이 향상된다는 것을 의미한다.
(2) 방사선 조사환경에서 pH 증가에 의한 분자성 요오드 용해 안정성 향상
방사선이 요오드 화학종을 산화시켜 휘발도를 증가시키는 환경에서, 포집용액의 pH 증가가 휘발성이 높은 분자성 요오드(I2: iodine)를 안정하게 용해되는 화학종으로 변화시키는지 여부를 관찰하기 위하여, pH를 3.0, 8.5, 9.0, 11.0으로 변화시킨 5 mM 소듐아이오다이드(NaI) 용액 (탈기용액)을 10 kGy 감마선 조사 환경에서 2시간 조사시켜 휘발성이 높은 분자성 요오드를 생성시킨 소듐아이오다이드 (NaI) 용액의 UV/VIS 흡수스팩트럼 및 I3 - 농도로부터 산출된 I2 양을 도 7 및 8에 도시하였다.
이때, 감마선은 물을 방사 분해시키고 분해물 중 OH 라디칼과 과산화수소는 아이오다이드이온(I-)을 휘발성이 높은 I2로 환원시킨다.
도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, pH 증가에 따라 I2 생성량이 약 0.12에서 0에 가깝게 감소하고 있다.
이와 같이, pH가 증가함에 따라 I2 생성량이 감소하였거나, 생성 후 높은 pH에서 불안정하여 소멸하는 것일 수 있으며, 결국 높은 pH는 요오드의 휘발성을 감소시킴을 확인할 수 있었다.
상기 분석에 따라, 아이오다이드이온과 같은 할로겐이온, NaOH와 같은 알카리물질 등의 요오드 용해 안정화물질은 금속재료 부식에 미치는 나쁜 영향을 배제한다면, 농도가 높아질수록 요오드 화학종의 휘발도를 저하시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 이들 물질을 포집용액과 분리하여 설치하고, 필요 시 용액에 혼합되는 구조는 금속 반응용기의 부식에 대한 장기 건전성을 확보하면서 방사성요오드의 휘발성을 원천적으로 방어할 수 있을 것이다.
<실시예 1>
단계 1: 할로겐화합물로 요오드(NaI), 알칼리화합물로 수산화나트륨(NaOH), 환원제로 티오황산나트륨(Na2S2O3)을 포함하는 고체 입자 상태의 요오드 용해 안정화물질 20 그램을, 그물 구조(100 mesh)의 금속 망을 이용하여 막대형태의 지지대에 고정시켜 오오드 포집장치의 주입관에 배치하였다.
단계 2: 상기 요오드 포집장치의 주입관으로 분당 10 L의 속도로 오염된 공기(80 ℃, 상대습도 100 %)가 유입되고, 오염된 공기 내의 수증기에 의해 고체상태의 요오드 용해 안정화물질이 용해되어 포집용액에 도입되면서 포집용액(2 L) 내 안정화물질의 평균 농도가 초기 0.01 wt%에서 5분 이내에 0.1 wt%에 도달하였으며 이후 농도는 계속 증가하였다. 증가한 농도의 포집용액으로 방사성 요오드를 포집하였다.
<실시예 2>
단계 1: 할로겐화합물로 요오드(NaI), 알칼리화합물로 수산화나트륨(NaOH), 환원제로 티오황산나트륨(Na2S2O3)을 포함하는 액체 상태의 요오드 용해 안정화물질 (농도 20 wt%, 총 50 mL)을 유리로 제조된 복수의 구형 캡슐에 담지한 후, 요오드 포집장치의 주입관 및 포집용액 상에 배치하였다.
단계 2: 상기 요오드 포집장치의 주입관으로 분당 10 L의 속도로 오염된 공기가 유입되고, 작동시의 충격에 의해 캡슐이 파괴되며 포집용액(2 L)에 상기 요오드 용해 안정화물질이 도입되면서 포집용액의 농도가 순시간에 0.5 wt%로 증가하고, 증가한 농도의 포집용액으로 방사성 요오드를 포집하였다.
1 : 요오드 포집 용액
2 : 주입관
3 : 파열판식 밸브
4 : 포집 용액 보충관
5 : 보충 밸브
6 : 노즐
7 : 배수관
8 : 배수 밸브
9 : 배출관
10: 요오드 포집용액부
20: 요오드 용해 안정화물질부

Claims (17)

  1. 요오드 포집용액을 이용한 요오드 포집방법에 있어서,
    요오드 포집용액과 별도로 요오드 용해 안정화물질을 배치하며, 오염된 공기 유입시 상기 요오드 용해 안정화물질에 의해 상기 요오드 포집용액의 농도를 증가시키는 단계를 포함하되,
    상기 요오드 용해 안정화물질은 오염된 공기에 포함된 수증기를 흡수하여 용해되는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요오드 용해 안정화물질은 오염된 공기의 유입부에 배치되는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요오드 용해 안정화물질은 캡슐에 담지되어 오염된 공기의 유입부 또는 요오드 포집용액 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 캡슐은 포집 장치의 가동, 밸브의 개방충격, 오염 공기의 유동, 포집 용액의 유동 및 온도 증가에 따른 내부압력 상승으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물리적 충격 또는 변화로부터 파괴되는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 캡슐은 밀폐 또는 부분 밀폐 캡슐인 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 캡슐은 유리를 포함하는 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 요오드 용해 안정화물질은 고체 및 액체 혹은 이 혼합 상으로 존재하는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 요오드 용해 안정화물질은 할로겐 화합물, 알칼리 화합물 및 환원제로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 할로겐 화합물은,
    알칼리금속 또는 알칼리토금속 양이온 및 할로겐 음이온을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 할로겐 화합물은 아이오다이드 음이온을 포함하는 아이오다이드 화합물인 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 알칼리 화합물은,
    알칼리 금속 또는 알칼리토금속 양이온 및 수산화기, 인산염, 암모늄 및 산소로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 음이온을 포함하며, 포집용액에 용해되어 포집용액의 pH 값을 상승시키는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 환원제는,
    티오황산나트륨, 포타슘 화합물, 염화주석, 하이드라진, 암모니아, 아연-수은 아말감 및 인산계 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하며, 분자성 요오드의 산화수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 포집용액은 요오드 용해 안정화물질이 용해될 수 있는 수용성 매질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집방법.
  15. 요오드 포집용액부 및 이와 별도로 요오드 용해 안정화물질부를 포함하되,
    상기 요오드 용해 안정화물질부는,
    요오드 용해 안정화물질이 오염된 공기에 포함된 수증기를 흡수하여 용해되도록 하는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 요오드 용해 안정화물질부는 오염된 공기의 유입부에 배치되는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 요오드 용해 안정화물질부는 요오드 용해 안정화물질이 담지된 캡슐의 형태이고, 오염된 공기의 유입부 또는 요오드 포집용액 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 방사성 요오드 포집장치.
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