KR101971601B1 - 결정화기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법 - Google Patents

결정화기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법 및 장치에 관한 것이다. 상기 붕소 제어 및 정화 방법은, 화학 및 체적제어계통에서 붕산을 제어하는 방법에 있어서, 원자로냉각재로부터 붕소 농도를 높이기 위해서 증발농축하는 단계; 상기 농축된 원자로냉각재를 냉각시켜 결정화시키는 결정화 단계; 상기 결정화 단계에서 생성된 붕산결정을 상기 원자로냉각재로부터 분리하는 고액분리단계; 상기 고액분리단계에서 획득된 상기 붕산결정을 용해하여 붕산 농도를 적정 범위로 유지하는 단계; 및 상기 적정 농도 범위로 유지되는 붕산을 원자로에 재유입시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

결정화기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법{Method for controlling and purifying boron for the chemical and volume control system using crystallization}
본 발명은 결정화기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법에 관한 것으로, 특히 원자력발전소의 화학 및 체적제어계통에 있어서 붕소의 농도를 결정화 기술을 이용하여 조절할 수 있도록 한 결정화기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법에 관한 것이다.
원자력발전소가 점점 더 많이 운용됨에 따라 방사성폐기물의 양이 증가하고 있으며 방사성폐기물을 효과적으로 처리할 것이 요구된다. 가압경수로형 원자력발전소에서는 반응도를 조절하기 위해서 붕산을 사용하고 있으며, 이로 인하여 방사성폐기물에 붕산이 다량 함유되어 배출된다.
원자로 보조계통 중 화학 및 체적제어계통 (CVCS;Chemical and Volume Control System)은 원자로냉각재 (1차측 계통수)의 재고량 및 붕소농노를 조절하며, 냉각재의 일부를 우회시켜 연속적으로 정화함으로써 원자로냉각재계통의 냉각재 순도를 조절한다.
중성자를 흡수하여 반응도를 제어하는 붕소는 붕산의 형태로 주입된다. 붕산의 주입에 따라 원자로냉각재의 pH는 낮게 유지된다. 따라서 원자로 노심 열전달 표면에 대한 크러드 침적의 영향을 최소화하기 위하여 원자로냉각재의 pH를 높여주기 위해 수산화리튬 (Li7OH)이 첨가된다. 수산화리튬은 운전온도에서 원자로냉각재의 pH를 상승시킴으로써 부식생성물 용해도를 감소시켜 순환되는 원자로냉각재의 용해 침전물량을 감소시켜 준다. pH가 상승되면 부식생성물이 고온 표면 (노심) 보다는 저온 표면 (증기발생기)에 훨씬 더 잘 침적하는 냉각재 조건이 조성될 뿐만 아니라 노심 외 계통표면에 대해 보다 더 안정되고 점착력이 있는 불활성 산화층을 형성하는 이점이 있다.
도1은 종래 원자력발전소의 화학 및 체적제어계통의 개략도이다.
도1을 참고하면, 붕산농도는 주입과 방출 (Feed & Bleed) 방법에 의해 조절된다. 붕산농도를 조절하기 위해 보충수계통은 원자로 보충수저장탱크(1)에 저장된 보충수나 붕산저장탱크(2)에 저장된 붕산을 체적제어탱크(3)로 공급한다. 유출수는 수용전이온교환기(4)와 탈기기(5)를 거쳐 수용탱크(6)에 저장된다. 상기 수용탱크(6)에 저장된 유출수는 붕산농축기(7)를 거쳐 붕산저장탱크(2)에 저장된다. 원자로냉각재의 붕소 농도가 낮은 핵연료 주기말에는 주입과 방출이 비효율적이기 때문에 붕소제거이온교환기를 사용하여 원자로냉각재 붕산농도를 줄인다. 붕소제거이온교환기에는 음이온수지가 초기에 수산기 형태로 저장되어 있으나 붕소가 원자로냉각재로부터 제거됨에 따라 붕산염 형태로 바뀐다.
한편, 도1에 도시된 바와 같이, 이온교환수지를 이용하여 원자로냉각재를 정화하기 위해서, 상기 원자로냉각재는 열교환기 및 오리피스(8)를 경유한다. 상기 열교환기 및 오리피스(8)를 지나면서, 상기 원자로냉각재의 온도 및 압력이 낮아진다.
상기 열교환기 및 오리피스(8)를 경유한 상기 원자로냉각재는 이온교환기(9)를 경유한다. 상기 이온교환기(9)는 2개의 정화이온교환기와 1개의 붕소제거이온교환기로 구성된다.
2 개의 정화이온교환기(9) 각각은 혼상 이온교환수지로 채워져 있고, 이온교환수지 교체에 필요한 배출 배관이 설치된다. 각각의 정화이온교환기는 최대 유출유량을 처리할 수 있도록 되어 있다. 나머지 1 개의 정화이온교환기(9)에 채워진 수지 부피는 정상 유출수의 불순물과 방사성 핵종을 연속적으로 제거하기에 충분한 양이다. 상기 나머지 1 개의 정화이온교환기는 원자로냉각재의 리튬 농도를 제어하기 위해서 간헐적으로 사용된다. 초기에는 표준형 혼상수지가 공급되며 이 수지들은 처음 사용될 때 붕산으로 포화되어 원자로 운전 시나 정지 시에 붕산을 제거하지 않도록 한다. 일반적으로 현재 운전중인 원자력발전소의 정화이온교환기 및 붕소제거이온교환기의 수지 체적은 평균 850~935 Liter로 매우 많은 양의 이온교환수지를 사용함으로써 많은 양의 방사성물질이 함께 배출된다.
상기 붕소제거이온교환기는 혼상이온교환수지로 채워진다. 붕소제거이온교환기는 노심말기에 원자로냉각재 붕소농도를 30 ppm 만큼 감소시킨 후 발전소 정지운전 시 불순물 제거에 이용될 수 있다. 추가적으로, 붕소제거이온교환기는 출력운전 중 원자로냉각재 리튬농도 감소 및 정지화학 처리시 불순물 정화에 이용될 수 있으며, 이온교환수지는 수소 및 수산기 형태의 혼상수지로 충전될 수 있다. 일부 발전소에서는 음이온교환수지로 채워지고, 음이온수지를 2회 충전하여 원자로냉각재 붕소농도를 30 ppm에서 0 ppm으로 감소시킬 수 있도록 크기가 결정된다. 노심주기 말에 붕산 제거 기능을 하도록 설계되어, 원자로냉각재계통 붕소농도가 30 ppm에 도달하면 운전하게 된다.
이처럼 기존의 원자력발전소는 이온교환수지를 사용하여 붕산을 제거하고 있으므로, 다량의 방사성 폐기물이 발생하는 단점이 있다. 또한, 이온교환수지를 이용하기 위해서, 열교환기 및 오리피스의 설비를 구비하여야 하는 단점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1202795호
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 원자력발전소의 화학 및 체적제어계통에 있어서 붕소의 농도를 결정화 기술을 이용하여 조절하여 방사성폐기물의 양을 저감하도록 한 결정화기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법은, 화학 및 체적제어계통에서 붕산을 제어하는 방법에 있어서, 원자로냉각재로부터 붕소 농도를 높이기 위해서 증발농축하는 단계; 상기 농축된 원자로냉각재를 냉각시켜 결정화시키는 결정화 단계; 상기 결정화 단계에서 생성된 붕산결정을 상기 원자로냉각재로부터 분리하는 고액분리단계; 상기 고액분리단계에서 획득된 상기 붕산결정을 용해하여 붕산 농도를 적정 범위로 유지하는 단계; 및 상기 적정 농도 범위로 유지되는 붕산을 원자로에 재유입시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증발농축단계는 상기 원자로냉각재의 압력 및 온도가 다단식으로 낮추어지면서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다단식 저감은, 원자로냉각재를 260 ℃ 이상 내지 280 ℃ 이하이고, 65 기압 이상 내지 85 기압 이하로 낮추는 제1 저감 단계; 상기 제1 저감 단계 후, 원자로냉각재를 220 ℃ 이상 내지 240 ℃ 이하이고, 35 기압 이상 내지 45 기압 이하로 낮추는 제2 저감 단계; 및 상기 제2 저감 단계 후, 원자로냉각재를 120 ℃ 이상 내지 150 ℃ 이하이고, 5 기압 이상 내지 15 기압 이하로 낮추는 제3 저감 단계;로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 결정화 단계는 연속결정화기에서 수행되고, 상기 연속결정화기의 입구 측 온도는 60 ℃ 이상 내지 90 ℃ 이하이고, 기압은 대기압으로 유지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 결정화 단계는 연속결정화기에서 수행되고, 상기 결정화 단계는 30분 내지 90분의 범위 내에서 수행되고, 상기 연속결정화기의 출구측 온도는 단계의 20 ℃ 이상 내지 25 ℃ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 적정 붕산의 농도 범위는 25~30 g H3BO3/100 g H2O 인 것이 바람직하다.
또한, 상기 화학 및 체적제어 계통으로 유출되는 원자로냉각재의 유량은 150 ~ 450 L/min 으로 유지되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 붕산 결정의 평균크기는 35~ 95 ㎛인 것이 바람직하다.
또한, 상기 결정화 단계에서 결정의 성장 속도는 1x10-4~1x10-9 m/s인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고액분리단계에 의해 획득된 붕산 결정의 수율은 60% 내지 80%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 원자로냉각재는 배수탱크로 배수되어 저장되며, 상기 배수탱크에 저장된 상기 원자로냉각재는, 상기 결정화 단계가 수행되는 연속결정화기 전단으로 유입되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 적정 농도 범위로 유지되는 붕산은, 상기 결정화 단계가 수행되는 연속결정화기 전단으로 유입되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 장치는, 화학 및 체적제어계통에서 붕산을 제어하는 장치에 있어서, 원자로냉각재로부터 붕소농도를 높이기 위해서 증발농축을 수행하는 증발농축기; 상기 농축된 원자로냉각재를 냉각시켜 결정화시키는 연속결정화기; 상기 결정화 단계에서 생성된 붕산결정을 상기 원자로냉각재로부터 분리하는 필터부; 상기 필터부를 거쳐 획득된 상기 붕산결정을 용해하여 붕산 농도를 적정 범위로 유지하는 용해조; 상기 용해조에서 용해된 붕산을 저장하는 붕산저장탱크; 및 상기 붕산저장탱크에 저장된 붕산이 유입되어 원자로에 상기 붕산을 재유입시키는 체적제어탱크;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 증발농축기는 상기 원자로냉각재의 압력 및 온도를 다단식으로 낮추는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 증발농축기에서 증발된 증기는 응축기를 통하여 응축되어 상기 붕산저장탱크 또는 보충수저장탱크에 저장되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 용해조 또는 상기 붕산저장탱크에 저장된 붕산은 상기 연속결정화기 전단으로 유입되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 원자로냉각재는 배수탱크로 배수되어 저장되며, 상기 배수탱크에 저장된 상기 원자로냉각재는, 상기 연속결정화기 전단으로 유입되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법은, 원자력발전소에서 반응도 제어와 정화 기능을 담당하고 있는 화학 및 체적제어계통을 단순화하고 운전을 용이하게 하는 효과를 제공한다.
본 발명은, 원자력발전소가 고온 고압의 환경에서 운전되는 특성을 이용하고, 증발농축공정을 이용함으로써 붕산의 결정화 효율을 높임으로써, 붕소 농도를 용이하게 조절하는 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 방사성폐기물의 양을 획기적으로 줄일 수 있고, 후속적으로 방사성폐기물을 처리하기 위한 비용을 현저히 경감하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따르면, 고순도의 붕소를 회수하고 재순환시킴으로써, 비용을 절감하는 효과를 제공한다.
도1은 종래 화학 및 제적제어계통의 개략도
도2는 본 발명 실시예에 따른 붕소제어 및 정화 방법의 순서도,
도3은 도2의 증발농축단계를 상세히 보인 도면,
도4는 본 발명 실시예에 따른 붕소 제어 및 정화 장치의 블럭도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명 실시예에 따른 붕소제어 및 정화 방법의 순서도이고, 도3은 도2의 증발농축단계를 상세히 보인 도면이며, 도4는 본 발명 실시예에 따른 붕소 제어 및 정화 장치의 블럭도이다.
도2를 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적 제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법은, 원자력발전소의 화학 및 체적 제어계통에 있어서 붕산의 농도를 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 실시예에 따른 붕소 제어 및 정화 방법은, 증발농축단계(S1), 결정화단계(S2), 고액분리단계(S3), 붕산농도를 적정범위로 유지하는 단계(S4), 및 붕산을 원자로에 재유입시키는 단계(S5)를 포함한다.
상기 증발농축단계(S1)는, 원자력발전소에서 화학 및 체적제어계통으로 유출되는 원자로냉각재로부터 붕소농도를 높이기 위해서 마련된다. 본 실시예에 따르면, 상기 증발농축단계(S1)는 상기 원자로냉각재의 압력 및 온도를 다단식으로 낮추면서 수행된다.
원자력발전소의 운전 중에 원자로냉각재의 온도 및 압력은, 약 300 ℃, 150 기압에 달한다. 이와 같은 고온 고압의 환경에서 붕소를 결정화시키기 위해서, 온도 및 압력을 다단식으로 낮춘다. 본 실시예에 따르면, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 다단식 저감은 아래와 같이 3 단계로 이루어진다.
제1 저감 단계(S11)는, 원자로냉각재의 온도를 260 ℃ 이상 내지 280 ℃ 이하로 낮추고, 기압은 65 기압 이상 내지 85 기압 이하로 낮춘다.
제2 저감 단계(S12)는, 상기 제1 저감 단계(S1) 후, 원자로냉각재의 온도를 220 ℃ 이상 내지 240 ℃ 이하로 낮추고, 기압은 35 기압 이상 내지 45 기압 이하로 낮춘다.
제3 저감 단계(S13)는, 상기 제2 저감 단계 후, 원자로냉각재의 온도를 120 ℃ 이상 내지 150 ℃ 이하로 낮추고, 기압은 5 기압 이상 내지 15 기압 이하로 낮춘다.
상기와 같이 다단식 저감 단계를 거치면서, 온도 및 압력이 떨어지고, 물이 증발하면서 붕소의 농도가 높아진다. 상기 증발된 증기는 응축기(70) 측으로 유동하여 응축된다. 상기 응축기(70)에서 응축된 물은 이온교환기(80)를 통과하면서 원자로냉각재에 포함된 불순물이 제거되어 보충수저장탱크(90)에 저장된다. 또한, 상기 응축수는 붕산저장탱크(50)로 보내져 저장될 수 있다. 상기 응축기(70)에서 분리된 기체는 기체폐기물계통으로 보내져 처리된다.
상기 결정화 단계(S2)는, 상기 농축된 원자로냉각재를 냉각시켜서 결정화시키기 위해서 마련된다. 상기 결정화 단계(S2)는 연속결정화기(20)에서 수행된다. 상기 연속결정화기(20)의 외벽에 냉각재를 공급하여 상기 원자로냉각재를 냉각시킨다. 상기 원자로냉각재가 냉각되면서 붕산은 결정화된다.
본 실시예에 따르면, 상기 3 단계 저감 단계에 의해 낮추어진 온도 및 압력은 상기 연속절정화기(20) 전단에 배치되는 버퍼탱크(130)를 경유하면서 온도 및 기압이 더 낮아진다. 상기 결정화 단계(S2)가 수행되는 상기 연속결정화기(20)의 입구측 온도는 60 ℃ 이상 내지 90 ℃ 이하이고, 기압은 대기압으로 유지된다. 입구측 온도가 90 ℃ 초과하는 경우에는 물의 증발 문제가 발생할 수 있으며, 60 ℃ 미만에서는 붕산의 결정화 수율이 낮아지는 문제가 있으므로, 입구측 온도는 상기와 같은 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 연속결정화기(20)로 유입되는 붕산의 농도는 15~30 g H3BO3/100 g H2O 의 범위로 조절된다.
또한, 상기 결정화 단계(S2)는 30분 내지 90분 범위 내에서 수행되고, 상기 연속결정화기(20)의 출구측 온도는 20 ℃ 이상 내지 25 ℃ 이하의 범위로 유지된다. 또한, 붕산결정의 성장 속도는 1x10-4~1x10-9 m/s로 제어된다. 이와 같은 과정에 의해서, 붕산 결정은 평균 크기가 35~ 95 ㎛로 결정화된다.
상기 고액분리단계(S3)는, 상기 결정화 단계(S2)에서 생성된 붕산 결정을 상기 원자로냉각재로부터 분리한다. 상기 결정화 단계(S2)를 거치면서 붕산 결정을 포함하는 상기 원자로냉각재는 필터부(30)를 거치면서 붕산 결정과 폐액으로 분리된다. 상기 분리된 폐액은 액체폐기물처리계통으로 보내져 처리된다. 필터부(30)를 통과하여 획득된 붕산 결정의 순도는 99.9% 이상이고, 수율은 60% 내지 80% 범위로 유지된다.
상기 붕산 농도를 적정 범위로 유지하는 단계(S4)는, 상기 고액분리단계(S3)에서 획득된 상기 붕산결정을 용해하여 붕산의 농도가 적정 범위로 유지되도록 한다. 본 실시예에 따르면, 상기 붕산의 적정 농도는 25~30 g H3BO3/100 g H2O 범위로 유지된다. 본 실시예에 따르면, 상기 고액분리단계(S3)에서 획득된 붕산 결정은 용해조(40)로 공급되어 일정 범위의 농도를 갖도록 제어된다. 즉, 상기 붕산의 적정 농도 범위는 상기 용해조(40)에서 조절된다. 상기 용해조(40)에서 적정 농도로 맞추어진 붕산은 붕산저장탱크(50)로 이동하여 저장된다.
상기 붕산을 원자로에 재유입시키는 단계(S5)는, 상기와 같이 일정한 범위의 농도로 유지되는 붕산을 다시 원자로로 재유입시키는 단계이다. 본 실시예에 따르면, 상기 붕산저장탱크(50)에서의 붕산 농도는 4,400 ppm 이하로 맞추어져 관리된다. 상기 붕산저장탱크(50)에 저장된 붕산수는 탈염수와 함께 일정한 농도로 유지되면서 체적제어탱크(60)를 경유하여 다시 원자로로 재유입된다. 이러한 과정을 거쳐 원자로냉각재는 재순환됨으로써 원자로냉각재의 pH 프로그램에 따른 운전이 가능해 진다.
본 발명 실시예에 따르면, 붕산의 농도를 조절하기 위해서, 배수탱크(100)에 저장된 원자로냉각재는 연속결정화기(20) 전단으로 유입될 수 있다. 원자력발전소의 운전 중에 화학 및 체적제어계통으로 유출되는 원자로냉각재의 유량은 150 ~ 450 L/min으로 유지된다. 도4에 도시된 바와 같이, 원자로냉각재 중 일부는 배수탱크(100)로 배수되어 저장된다. 상기 배수탱크(100)에 저장된 원자로냉각재는 상기 결정화 단계가 수행되는 연속결정화기(20) 전단으로 유입되어 연속결정화기(20)로 유입되는 붕산의 농도를 조절한다. 상기 배수탱크(100)를 통과한 원자로냉각재는 필터(110)를 거치면서 불순물이 제거되고 탈기기(120)를 통해 기체가 분리된다. 상기 분리된 기체는 기체폐기물처리계통으로 보내져 처리된다. 따라서, 배수탱크(100)에 저장된 원자로냉각재는 불순물이 제거되고 기체가 제거된 상태로 필요한 경우 다시 연속결정화기(20) 전단으로 유입되어 붕산 농도 조절에 활용된다.
또한, 본 발명 실시예에 따르면, 상기 적정 농도 범위로 유지되는 붕산은, 붕산의 농도를 조절하기 위해서 상기 결정화 단계(S2)가 수행되는 연속결정화기(20) 전단으로 유입될 수 있다. 따라서, 상기 용해조(40) 또는 상기 붕산저장탱크(50)에서 적정 농도 범위로 유지되는 붕산은 상기 연속결정화기(20) 전단으로 유입될 수 있다. 본 실시예에 다르면, 상기 용해조(40) 또는 붕산저장탱크(50)로부터 상기 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 유로는 상기 탈기기(120)를 거쳐 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 유로와 합류될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 장치를 제공한다.
본 실시예에 따른 붕소 제어 및 정화 장치는, 증발농축기(10), 연속결정화기(20), 필터부(30), 용해조(40), 붕산저장탱크(50), 및 체적제어탱크(60)를 포함한다.
상기 증발농축기(10)는, 원자로냉각재로부터 붕소 농도를 높이기 위해서 원자로냉각재를 증발농축한다. 상술한 증발농축단계(S1)는 상기 증발농축기(10)에서 수행된다.
즉, 상기 증발농축기(10)는 원자로냉각재의 압력 및 온도를 다단식으로 낮춘다. 구체적으로, 상기 증발농축기(10)는 원자로냉각재의 온도 및 압력을 3 단계로 이루어지는 저감 단계를 통해 낮춘다. 상기 저감 단계는 상술한 바에 따른다. 상기 증발농축기(10)에서 증발한 증기는 응축기(70)로 유동하여 물로 응축되고, 상기 물은 이온교환기(80)를 거친 후 붕산저장탱크(50) 또는 보충수저장탱크(90)에 저장된다. 이와 같은 과정은 상술한 바, 그 구체적인 설명은 생략한다.
상기 연속결정화기(20)는, 상기 증발농축기(10)에서 농축된 원자로냉각재를 냉각시켜 결정화시킨다. 상술한 결정화 단계(S2)는 상기 연속결정화기(20)에서 수행된다. 따라서, 상기 연속결정화기(20)의 입구측 및 출구측 온도와, 상기 연속결정화기(20)에서 결정화가 지속되는 시간, 결정의 성장속도 및 평균 결정의 크기는 상기 결정화 단계(S2)의 조건 및 결과가 그대로 구현된다.
상기 필터부(30)는 상기 결정화 단계에서 생성된 붕산 결정을 상기 원자로냉각재로부터 분리한다. 즉, 상기 필터부(30)는 상술한 고액분리단계(S3)에 관여한다. 상기 필터부(30)를 통해 분리된 붕산 결정의 순도는 99.9% 이상이고, 수율은 60%~80%이다.
상기 용해조(40)는 상기 필터부(30)를 거쳐 획득된 상기 붕산결정을 용해하여 붕산 농도를 적정 범위로 유지한다. 상기 적정 붕산의 농도 범위는 25~30 g H3BO3/100 g H2O 으로 유지된다.
상기 붕산저장탱크(50)는 상기 용해조(40)에서 용해된 붕산을 저장한다. 상기 붕산저장탱크(50)는 상기 붕산의 농도를 상기 적정 범위로 유지하고, 붕산 농도를 4400 ppm 이하로 맞추어 관리한다.
상기 체적제어탱크(60)는, 상기 붕산저장탱크(50)에 저장된 붕산이 유입되어 원자로에 상기 붕산을 재유입시키기 위해 마련된다. 상기 붕산저장탱크(50)에 저장된 붕산수는 탈염수와 함께 일정한 농도로 유지되면서 체적제어탱크(60)를 경유하여 다시 원자로로 재유입된다.
또한, 본 발명 실시예에 따르면, 붕산의 농도를 조절하기 위해서, 배수탱크(100)에 저장된 원자로냉각재는 상기 연속결정화기(20) 전단으로 유입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 원자력발전소의 운전 중에 화학 및 체적제어계통으로 유출되는 원자로냉각재의 유량은 150 ~ 450 L/min으로 유지되고, 그 원자로냉각재 중 일부는 배수탱크(100)로 배수되어 저장된다. 상기 배수탱크(100)에 저장된 원자로냉각재는 상기 결정화 단계(S2)가 수행되는 연속결정화기(20) 전단으로 유입되어 연속결정화기(20)로 유입되는 붕산의 농도를 조절한다. 상기 배수탱크(100)에 저장된 원자로냉각재가 필터(110) 및 탈기기(120)를 거쳐 다시 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 과정은 상술하였으므로, 그 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 본 발명 실시예에 따르면, 상기 용해조(40) 또는 붕산저장탱크(50)에 저장된 붕산을 상기 연속결정화기(20) 전단으로 유입시켜서 붕산의 농도를 조절할 수 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 상기 용해조(40) 또는 붕산저장탱크(50)로부터 상기 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 유로는 상기 탈기기(120)를 거쳐 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 유로와 합류될 수 있다.
이처럼 본 발명에 따른, 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법 그리고 그 장치는, 원자력발전소에서 반응도 제어와 정화 기능을 담당하고 있는 화학 및 체적 제어계통을 단순화하고 운전을 용이하게 할 뿐만 아니라 방사성 폐기물의 양을 획기적으로 줄이는 효과를 제공한다.
종래 이온교환수지를 사용하는 원자력발전소에서는 1 주기당 약 5000 L의 방사성폐기물을 포함하는 이온교환수지가 발생하지만, 본 발명에 따른 붕소 제어 및 정화 방법 그리는 그 장치는, 이온교환수지를 사용하지 않으므로 방사성폐기물이 거의 발생하지 않는 효과가 있다. 또한, 종래 화학 및 체적제어계통의 탈염기(이온교환기)를 이용하여 붕소 농도를 조절하고 방사성 물질을 제거하는 경우, 많은 양의 고 방사선량을 가진 폐수지를 고가의 고밀도탱크에 담아 저장하여야 하는데, 본 발명은 이러한 폐수지 발생을 억제함으로써 고밀도 탱크에 의한 처리 비용을 절감하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 결정화 효율을 높이기 위해 고온 고압에서 운전되는 특성을 이용하면서 증발농축할 수 있는 설비를 사용하므로, 종래 온도 및 압력을 낮추기 위해서 사용하던 오리피스와 열교환기 설비를 별도로 요하지 않는 장점이 있다.
또한, 종래의 화학 및 체적제어계통은 대용량의 수용탱크(약 900-1500 ton)을 사용하고, 붕산을 회수하기 위해서 복잡한 증류공정을 수행하는 붕산농축설비가 별도로 요구되었으나, 본 발명은 이러한 대용량 탱크 및 별도의 붕산농축설비 없이 계통을 구성할 수 있으므로, 상당한 비용 절감을 가능케 한다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에 따르면, 상기 원자로냉각재는 상기 연속결정화기(20)를 1회 경유하면서 결정화 단계를 수행하는 것으로 설명하였지만, 상기 원자로냉각재가 상기 연속결정화기(20)를 다수회 경유하도록 함으로써 붕산 결정의 수율을 향상시킬 수 있음은 물론이다.
10... 증발농축기 20... 연속결정화기
30... 필터부 40... 용해조
50... 붕산저장탱크 60... 체적제어탱크
70... 응축기 80... 이온교환기
90... 보충수저장탱크 100... 배수탱크
110... 필터 120... 탈기기

Claims (17)

  1. 화학 및 체적제어계통에서 붕산을 제어하는 방법에 있어서,
    원자로냉각재로부터 붕소 농도를 높이기 위해서 증발농축하는 단계;
    상기 농축된 원자로냉각재를 냉각시켜 결정화시키는 결정화 단계;
    상기 결정화 단계에서 생성된 붕산결정을 상기 원자로냉각재로부터 분리하는 고액분리단계;
    상기 고액분리단계에서 획득된 상기 붕산결정을 용해하여 붕산 농도를 적정 범위로 유지하는 단계; 및
    상기 적정 농도 범위로 유지되는 붕산을 원자로에 재유입시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증발농축단계는 상기 원자로냉각재의 압력 및 온도가 다단식으로 낮추어지면서 수행되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 다단식 저감은,
    원자로냉각재를 260 ℃ 이상 내지 280 ℃ 이하이고, 65 기압 이상 내지 85 기압 이하로 낮추는 제1 저감 단계;
    상기 제1 저감 단계 후, 원자로냉각재를 220 ℃ 이상 내지 240 ℃ 이하이고, 35 기압 이상 내지 45 기압 이하로 낮추는 제2 저감 단계; 및
    상기 제2 저감 단계 후, 원자로냉각재를 120 ℃ 이상 내지 150 ℃ 이하이고, 5 기압 이상 내지 15 기압 이하로 낮추는 제3 저감 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 결정화 단계는 연속결정화기(20)에서 수행되고,
    상기 연속결정화기(20)의 입구 측 온도는 60 ℃ 이상 내지 90 ℃ 이하이고, 기압은 대기압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정화 단계는 연속결정화기(20)에서 수행되고,
    상기 결정화 단계는 30분 내지 90분의 범위 내에서 수행되고, 상기 연속결정화기(20)의 출구측 온도는 20 ℃ 이상 내지 25 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적정 붕산의 농도 범위는 25~30 g H3BO3/100 g H2O인 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 화학 및 체적제어 계통으로 유출되는 원자로냉각재의 유량은 150 ~ 450 L/min으로 유지되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 붕산 결정의 평균크기는 35~ 95 ㎛인 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 결정화 단계에서 결정의 성장속도는 1x10-4~1x10-9 m/s인 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고액분리단계에 의해 획득된 붕산 결정의 수율은 60% 내지 80%인 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 원자로냉각재는 배수탱크(100)로 배수되어 저장되며,
    상기 배수탱크(100)에 저장된 상기 원자로냉각재는, 상기 결정화 단계가 수행되는 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적정 농도 범위로 유지되는 붕산은, 상기 결정화 단계가 수행되는 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 방법.
  13. 화학 및 체적제어계통에서 붕산을 제어하는 장치에 있어서,
    원자로냉각재로부터 붕소 농도를 높이기 위해서 증발농축을 수행하는 증발농축기(10);
    상기 농축된 원자로냉각재를 냉각시켜 결정화시키는 연속결정화기(20);
    상기 연속결정화기(20)에서 생성된 붕산결정을 상기 원자로냉각재로부터 분리하는 필터부(30);
    상기 필터부(30)를 거쳐 획득된 상기 붕산결정을 용해하여 붕산 농도를 적정 범위로 유지하는 용해조(40);
    상기 용해조(40)에서 용해된 붕산을 저장하는 붕산저장탱크(50); 및
    상기 붕산저장탱크(50)에 저장된 붕산이 유입되어 원자로에 상기 붕산을 재유입시키는 체적제어탱크(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 증발농축기(10)는 상기 원자로냉각재의 압력 및 온도를 다단식으로 낮추는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 증발농축기(10)에서 증발된 증기는 응축기(70)를 통하여 응축되어 상기 붕산저장탱크(50) 또는 보충수저장탱크(90)에 저장되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 용해조(40) 또는 상기 붕산저장탱크(50)에 저장된 붕산은 상기 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 장치.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 원자로냉각재는 배수탱크(100)로 배수되어 저장되며,
    상기 배수탱크(100)에 저장된 상기 원자로냉각재는, 상기 연속결정화기(20) 전단으로 유입되는 것을 특징으로 하는 결정화 기술을 이용한 화학 및 체적제어계통의 붕소 제어 및 정화 장치.
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JPH05100070A (ja) * 1991-04-01 1993-04-23 Westinghouse Electric Corp <We> 原子炉制御系及びホウ酸濃度制御方法
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