KR102065771B1

KR102065771B1 - 핵연료 제조공정에서의 uf6 가스 누출 감지 시스템

Info

Publication number: KR102065771B1
Application number: KR1020180073540A
Authority: KR
Inventors: 배영문; 양승철; 곽동용; 이병국; 조현광; 이준호
Original assignee: 한전원자력연료 주식회사
Priority date: 2018-06-26
Filing date: 2018-06-26
Publication date: 2020-01-13
Also published as: US20210280328A1; KR20200001062A; JP7394204B2; WO2020004707A1; EP3816602A4; EP3816602A1; JP2021529307A; JP2023052158A; US11721446B2

Abstract

본 발명은 핵연료 제조공정에서의 UF6 누출 감지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 외기와의 반응을 통해 생성된 고체 상태의 UO2F2를 광학적으로 검출하여 UF6 누출 여부를 감지함으로써, 비접촉식에 의한 UF6 누출 여부 감지를 통해 검출 장비 손상을 방지하여 기계적 수명을 연장하고, 검출 장비 유지 보수 비용을 절감할 수 있도록 한 핵연료 제조공정에서의 UF6 누출 감지 시스템에 관한 것이다.
이를 위해, 내부에는 고체 상태의 육플루오르화우라늄(UF6)이 충진된 실린더가 배치되고, 일측과 타측에는 각각 질소 유입 및 질소 배출이 이루어지는 질소공급관 및 질소배출관이 설치되고, 기화기 내부의 질소 가열을 통해 상기 실린더 내의 UF6를 기화시키는 기화기가 마련되고, 상기 질소배출관에는 기화기 내부를 순환후 배출되는 질소에 UF6가 혼합되었는지를 감지함으로써 기화기내에서의 UF6 누출 여부를 감지하는 감지부가 마련되고, 상기 감지부는, 외기와 UF6를 반응시켜 UO2F2와 HF를 생성하고, 생성된 고체 상태의 UO2F2 입자를 광학적으로 검출할 수 있도록 한 계측기를 포함하여, 비접촉식의 UF6 누출 감지가 이루어지도록 하되, 상기 기화기로부터 질소배출관으로 배출되는 질소와 혼합될 외기를 주입하는 외기주입관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템을 제공한다.

Description

핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템{UF6 leakage detecting system for the nuclear fuel fabrication}

본 발명은 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 UF6 기화기 내에서 UF6가스 누출시 외기와의 반응을 통해 생성된 고체 상태의 UO2F2를 광학적으로 검출하여 UF6 누출 여부를 감지할 수 있도록 한 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템에 관한 것이다.

경수로 핵연료 제조공정 중 재변환공정은 어떤 종류의 공정이든지 고체 상태의 UF6(uranium hexafluoride;육플루오르화우라늄)를 기체 상태로 만드는 단위공정인 기화공정에서 시작한다.

UF6는 실린더 안에 고체 상태로 충진된 후 재변환 공장에 입고되어 기화 공정에서 기화되며, 후속 단위공정인 변환공정(DC 공정, IDR 공정의 경우)이나 침전공정(AUC 공정의 경우) 또는 가수분해공정(AUH 공정, ADU 공정의 경우)에 투입된다.

기화공정에서는 도 1에 도시된 바와 같이, UF6가 충진된 실린더(10)를 기화기(autoclave)(20)에 장입하고, 실린더(10)에 UF6 가스 이송배관(미도시)을 연결한 후, 기화기(10) 내부를 약115℃로 가열하여 UF6를 기화시켜 후속 공정의 반응부(미도시)로 UF6를 이송한다.

이때, 질소공급관(40)을 통해 기화기(20) 내로 질소 가스가 유입되며, 상기 질소 가스는 히터(30)에 의해 가열되어 실린더(10)를 가열한 후 질소배출관(50)을 통해 배출된다.

이 과정에서 UF6가 실린더(10) 혹은 배관이나 공정설비 외부로 누출될 경우, 방사성 물질이자 중금속인 우라늄 외에도 매우 유독한 물질인 HF(Hydrogen Fluoride) 생성으로 인해 작업자 및 설비의 안전에 중대한 영향을 끼치게 된다.

즉, UF6가 누출되어 공기 중에 노출되면 공기 중의 수증기와 다음과 같이 반응하여 UO2F2(uranyl fluoride 또는 uranium oxyfluoride)와 HF(hydrogen fluoride)를 생성한다.

UF6(g) + 2H2O(g)? → UO2F2(s) + 4HF(g)

또한, UO2F2는 물에 접촉시 빠르게 용해되어 다음과 같이 HF를 생성한다.

UO2F2(s) + nH2O(l)? → UO2²⁺(aq) + 2F^-(aq)

2F^-(aq) + 2H2O(l) ? ↔ ?2HF(aq) + 2OH^-(aq)

이러한 기화공정에서의 UF6의 누출을 감지하기 위한 UF6 감지기(UF6 detector)(60)가 질소 배출관(50)에 설치되어, 상기 반응식을 통해 생성된 HF를 감지함으로써, UF6 누출 여부를 감지할 수 있다.

즉, 기화기(20) 내부에서 UF6의 누출이 있을 경우, 질소배출관(50)을 통해 배출되는 가스는 UF6 감지기(60)를 통과할 때, UF6 감지기(60)에 주입되는 외부 공기와 반응하여 HF를 생성하는데, UF6 감지기(60)는 이를 감지하여 관리자가 UF6 누출 여부를 인지할 수 있도록 한 것이다.

이 과정에서, 상기한 UF6 누출 감지 시스템은 UF6 감지기(60)의 센서(61)가 부식성이 강한 HF에 직접 접촉되므로, 센서(61)가 부식되는 문제가 있었으며, UO2F2 역시 센서에 침적(沈積)되는 문제가 있었다.

이러한 문제를 최소화하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 질소배출관(50)에 상기 질소배출관(50)의 내경보다 작은 내경을 갖는 바이패스관(51)을 설치하고, 그 바이패스관(51)에 UF6 감지기(60)를 설치하여 UF6 감지기(60)로 유입되는 가스의 유량을 최소화화여 UF6 감지기(60) 손상을 최소화하였으나, 이 역시 별도의 질소 퍼징 라인을 구성해야 하는 등 구조가 복잡해지는 문제가 있었다.

또한, 바이패스관(51)의 관로가 좁아, UO2F2로 인해 관로 폐색이 발생하는 문제가 있었다.

또한, 질소배출관(50)을 통해 배출되는 가스는 실린더(10)를 가열한 고온의 가스이므로, UF6 감지기(60)의 센서(61) 고장을 야기하고 상기 센서(61)의 수명을 짧게 하는 문제가 있었다.

이에 따라, UF6 감지기(60) 유지 보수에 대한 번거로움 및 유지 보수 비용이 증가되는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 질소배출관(50)을 통해 배출되는 가스를 물과 반응시키는 방법도 제시되었으나, 센서(61)가 부식되는 문제를 해소하지는 못하였으며 방사성 액체폐기물(UO2F2 수용액)이 발생하는 문제점이 있었다.

대한민국 등록번호 제10-1227807호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 UF6 가스의 누출이 있을 경우 질소배출관을 통해 배출되는 가스에 외기를 혼합하여 UF6를 UO2F2와 HF로 반응시키고, 반응생성물인 UO2F2의 입자를 비접촉식으로 계측(計測)하여 UF6 가스 누출 여부를 감지함으로써, 센서 고장을 방지하고 감지기 유지 보수 비용을 절감할 수 있도록 한 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템을 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 내부에는 고체 상태의 육플루오르화우라늄(UF6)이 충진된 실린더가 배치되고, 일측과 타측에는 각각 질소 유입 및 질소 배출이 이루어지는 질소공급관 및 질소배출관이 설치되고, 기화기 내부의 질소 가열을 통해 상기 실린더 내의 UF6를 기화시키는 기화기가 마련되고, 상기 질소배출관에는 기화기 내부를 순환후 배출되는 질소에 UF6가 혼합되었는지를 감지함으로써 기화기내에서의 UF6 누출 여부를 감지하는 감지부가 마련되고, 상기 감지부는, 외기와 UF6를 반응시켜 UO2F2와 HF를 생성하고, 생성된 고체 상태의 UO2F2 입자를 광학적으로 검출할 수 있도록 한 계측기를 포함하여, 비접촉식의 UF6 누출 감지가 이루어지도록 하되, 상기 기화기로부터 질소배출관으로 배출되는 질소와 혼합될 외기를 주입하는 외기주입관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템을 제공한다.

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또한, 상기 질소배출관에는 감지부를 통과한 UO2F2를 걸러주는 필터가 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 질소배출관에는 감지부를 통과한 HF를 감지하는 HF센서가 설치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 계측기는 공기중에 부유하는 입자를 광학적으로 검출하는 장치인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 바이패스관 등의 복잡한 구성을 생략함으로써, UF6 가스 검출을 위한 감지 시스템의 구성을 간소화할 수 있는 효과가 있다.

둘째, 기화기로부터 배출되는 가스와 검출장치(계측기)가 직접 접촉될 필요가 없으므로, UF6 가스 누출이 있는 경우에도 검출 장치 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

즉, UF6와 외기의 반응을 통해 생성된 UO2F2의 고체 입자를 광학적으로 검출하여 UF6 누출 여부를 감지하는 비접촉식이므로, 부식 및 고온에 의한 검출장치의 손상을 방지할 수 있어 검출장비의 기계적 수명을 연장함으로써 유지 보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 핵연료 제조공정 중 UF6 기화 공정의 구성을 나타낸 도면
도 2는 종래 기술에 따른 핵연료 제조공정의 UF6 기화공정에서 UF6 누출 여부를 감지하는 감지기를 나타낸 요부 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템의 요부를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템의 구성을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 제조공정시 발생하는 UF6 가스 누출 감지 시스템을 통해 UF6 검출이 이루어지는 공정을 나타낸 순서도.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템에 대하여 설명하도록 한다.

설명하기에 앞서 기화기(20) 구성 및 작용은 주지된 기술이므로, 상세한 도시 및 설명은 생략하도록 한다.

핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 감지부(100)와, 필터(200)를 포함하여 구성되며, HF센서(300)를 포함할 수 있다.

감지부(100)는 기화기(20)로부터 배출되는 질소에 UF6가 포함되어 있는지 여부를 비접촉식으로 감지하는 역할을 하며, 질소배출관(50)에 설치된다.

상기 감지부(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 질소배출관(50)의 주관에 설치됨이 바람직하다.

감지부(100)가 질소배출관(50)에 설치됨에 따라, 질소배출관(50)을 통해 배출되는 질소는 감지부(100)를 거쳐 배출된다.

상기 감지부(100)는 기화기(20)로부터 배출된 질소와 외기 반응이 이루어지도록 함으로써, UF6 누출 여부를 감지할 수 있다.

즉, 질소배출관(50)을 통해 배출되는 가스에 UF6가 포함되어 있을 경우, 상기 UF6는 감지부(100)에서 외기와 반응이 이루어지면서 UO2F2와 HF를 생성하게 된다.

이를 위해, 상기 감지부(100)는 반응 공간을 제공하는 반응부(110)와, 상기 반응부(110)로 외기 주입이 이루어지는 관로인 외기주입관(120)과, 반응부(110)에서 반응된 UO2F2를 계측하는 계측기(130)를 포함하여 구성된다.

반응부(110)는 상기한 바와 같이 기화기(20)로부터 배출된 고온의 질소가 질소배출관(50)을 통해 배출되는 과정에서, 질소와 외기의 반응이 이루어지는 공간을 제공하며 질소배출관(50)에 설치된다.

이때, 상기 반응부(110)에는 UF6의 반응을 위해, 상기 반응부(110)로 외기 주입이 이루어질 수 있도록 외기주입관(120)이 설치된다.

그리고, 상기 계측기(130)는 반응부(110)에서 반응이 이루어지면서 생성된 UO2F2를 계측하는 역할을 한다.

기존에는 UF6 가스 누출 여부에 대하여 센서(61)가 기체 상태의 HF를 전자적으로 감지하는 기술이었다면, 본 발명은 고체 상태의 UO2F2를 광학적으로 계측하는 기술적 구성을 제공하는 것이다.

즉, 반응부(110)에서는 외기와 UF6 반응을 통해 연무와 같은 형태의 고체 입자인 UO2F2와 액체의 HF가 생성되는데, 상기 고체 상태의 UO2F2를 광학적으로 계측함으로써 UF6 가스 누출 여부를 감지할 수 있도록 한 것이다.

이때, 상기 반응부(110)는 반응부(110)의 내부가 보일 수 있도록 투명 재질로 제공되며, 계측기(130)는 반응부(110)의 외측에 설치됨이 바람직하다.

이에 따라, 계측기(130)는 반응부(110) 내에서 생성된 물질과 접촉하지 않고, 반응부(110)의 외측에서 UF6 누출여부를 감지할 수 있다.

상기 계측기(130)는 공기중에 부유하는 입자를 광학적으로 검출하는 장치로 제공됨이 바람직하다.

예컨대 상기 계측기(130)는 부유입자계수기 또는 포토센서로 제공될 수 있다.

다음으로, 필터(200)는 질소배출관(50)을 통해 배출되는 UO2F2를 걸러내어 질소배출관(50)의 관로가 폐색되는 것을 방지하는 역할을 한다.

즉, 질소배출관(50)을 통해 배출되는 질소에 UF6가 포함되어 있는 경우, UO2F2 생성으로 인해 상기 UO2F2가 질소배출관(50)의 관로를 폐색시킬 수 있는바, 상기 필터(200)를 통해 UO2F2를 걸러내어 질소배출관(50)의 관로 폐색을 방지하는 것이다.

이에 따라, UF6의 누출이 있더라도, UO2F2 입자는 감지부(100)를 지나 필터(200)에서 걸러지고, 질소와 HF만 필터(200)를 통과하여 배출된다.

다음으로, HF센서(300)는 필터(200)를 통과하는 HF를 감지하는 역할을 한다.

상기 HF센서(300)는 UF6 누출 여부 감지에 있어, 보조적인 역할을 한다.

즉, 본 발명은 계측기(130)를 통해 UO2F2 입자를 광학적으로 검출하는 것이지만, HF센서(300)의 설치를 병행하면 상기 계측기(130)의 오동작 및 고장이 발생하더라도 상기 HF센서(300)를 통해 UF6 누출 여부를 감지할 수 있는 것이다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템에 의해 UF6 누출 감지가 이루어지는 과정에 대하여 첨부된 도 5를 참조하여 살펴보도록 한다.

기화기(20)를 통해 핵연료 재변환 공정 중 기화 공정이 실시된다.(S100)

기화기(20) 내로 질소가 유입이 되고, 히터(30)에 의해 가열된 질소는 고체의 UF6가 충진된 실린더(10)를 가열하여 UF6를 기화시킨다.

이후, 실린더(10)에서 기화된 가스는 후속 공정으로 이송된다.

다음으로, 기화기(20) 내에서 순환하면서 실린더(10)를 가열한 질소는 질소배출관(50)을 통해 배출된다.(S200)

이때, 질소는 감지부(100)의 반응부(110)를 통과하여 배출되는데, 반응부(110)에는 외기주입관(120)을 통해 외기가 유입된다.(S300)

이에 따라, 반응부(110)에서는 외기와 질소가 혼합 된다.

이때, 만약에 UF6가 누출되어 질소와 함께 배출되고 있는 상태라면, 전술한 반응식을 통해 UO2F2와 HF가 생성 된다.(S400)

이때, UO2F2는 고체 상태의 입자로서, 반응부(110) 외측에 설치된 계측기(130)를 통해 검출된다.(S500)

이와 같이 계측기(130)를 통해 UO2F2의 검출이 이루어지면, 알람 또는 경고등 발광을 통해 관리자가 신속하게 인지하도록 하여 일련의 후처리가 이루어지도록 한다.

한편, 반응부(110)에서 반응된 UO2F2와 HF는 질소배출관(50)을 따라 계속해서 배출된다.

이때, UO2F2는 필터(200)를 통해 걸러지고, 질소와 HF는 필터(200)를 통해 빠져나간다.(S600)

이때, HF센서(300)는 질소배출관(50)을 통해 이송되는 HF를 감지하여 관리자가 인지하도록 한다.(S700)

계측기(130)를 통해 UO2F2가 검출되었다면, HF센서(300)를 통해서도 HF가 감지될 것이다.

설령, 계측기(130) 고장으로 인해 UO2F2 검출이 발생하지 않더라도, HF센서(300)가 HF를 감지함에 따라 UF6 검출 오류가 발생하지는 않는 것이다.

이로써, UF6 누출 검출 공정이 완료된다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 UF6 누출 감지 시스템은 외기 반응을 통해 고체 상태의 UO2F2 입자를 생성하여 상기 UO2F2 광학 검출을 통해 UF6누출 여부를 감지할 수 있다.

이와 같은 비접촉 방식을 통해 UF6 누출 감지가 이루어짐으로써, 검출 장비 손상을 방지할 수 있으며, 검출 장비 유지 보수 비용을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 감지부 110 : 반응부
120 : 외기주입관 130 : 계측기
200 : 필터 300 : HF센서

Claims

내부에는 고체 상태의 육플루오르화우라늄(UF6)이 충진된 실린더가 배치되고, 일측과 타측에는 각각 질소 유입 및 질소 배출이 이루어지는 질소공급관 및 질소배출관이 설치되고, 기화기 내부의 질소 가열을 통해 상기 실린더 내의 UF6를 기화시키는 기화기가 마련되고,
상기 질소배출관에는 기화기 내부를 순환후 배출되는 질소에 UF6가 혼합되었는지를 감지함으로써 기화기내에서의 UF6 누출 여부를 감지하는 감지부가 마련되고,
상기 감지부는,
외기와 UF6를 반응시켜 UO2F2와 HF를 생성하고, 생성된 고체 상태의 UO2F2 입자를 광학적으로 검출할 수 있도록 한 계측기를 포함하여, 비접촉식의 UF6 누출 감지가 이루어지도록 하되,
상기 기화기로부터 질소배출관으로 배출되는 질소와 혼합될 외기를 주입하는 외기주입관을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 질소배출관에는 감지부를 통과한 UO2F2를 걸러주는 필터가 설치된 것을 특징으로 하는 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 질소배출관에는 감지부를 통과한 HF를 감지하는 HF센서가 설치된 것을 특징으로 하는 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 계측기는 공기중에 부유하는 입자를 광학적으로 검출하는 장치인 것을 특징으로 하는 핵연료 제조공정에서의 UF6 가스 누출 감지 시스템.