KR102169966B1 - 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 중대사고시 분출될 수 있는 노외 노심용융물 냉각을 위한 고온반응성이 우수한 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중 어느 하나 이상을 적용함에 따라, 기존에 개발된 발열반응을 이용한 희생물질과는 달리, 노심용융물과 함께 다양한 인산염이 합성되는 흡열반응이 유도되면서 노심용융물의 온도를 낮출 수 있고, 냉각수 투입시 가연성 수소가스의 발생을 낮출 수 있도록 하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물{Calcium phosphate based sacrificial material of core catcher against nuclear reactor core melting accident and sacrificial concrete composition containing same}
본 발명은 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로 중대사고시 노심용융물과 반응하여 흡열반응을 일으킴으로써, 노외로 유출되는 노심용융물의 온도 및 반응성을 낮춰 안정화시킬 수 있도록 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물에 관한 것이다.
통상 원자로 노심용융물에 대처하기 위한 희생물질은 코어캐쳐 상부나 그에 상응하는 구조물에 콘크리트화하여 도포됨으로써 노심용융물의 분출과 동시에 수용하여 간접냉각을 수행하는 형태로 이루어진다.
이러한 희생물질은 노심용융물의 온도를 낮추고 노심용융물의 퍼짐성을 향상시킴으로써 코어캐쳐의 구조건전성을 위협하는 열집중 현상을 제거할 수 있어야 하고, 우라늄 종의 고정화(immobilization)와 free Zr을 포함한 금속성분을 제거하여 수소발생이나 원자로 격납용기의 건전성에 영향을 미치는 기타 비응축성 가스의 생성을 줄일수 있어야 한다.
이때 원자로 중대사고시 노심용융물이 제대로 냉각되지 않으면 다음과 같은 문제점이 발생할 수 있다.
첫째, 노심용융물이 원자로의 바닥 또는 벽면 콘크리트와 고온에서 반응하여 다량의 기체를 방출하면서 격납용기 내부 압력을 상승시키거나 콘크리트 바닥을 관통하여 격납용기를 파손시키는 문제점이 있다. 둘째, 반응생성가스와 액체가 방출되면서 방사성 물질로 격납용기 내부나 외부를 오염시키는 문제점이 있다.
체르노빌이나 동일본 대지진으로 인한 후쿠시마 원전사고의 수소폭발은 노심용융물 중 산화되지 않은 지르코늄과 물과의 반응으로 생긴 것으로 추정되고 있다. 특히 후쿠시마 원전사고의 수소폭발은 폭발 전 노심용융물의 일부가 원자로를 빠져나와 하부 콘크리트와의 반응(Molten core-concrete interaction, MCCI)을 시작한 상태에서 외부 물 주입 후 발생하게 된 것으로, 그 위험성이 심각하다.
노심용융물은 산화우라늄(UO2), 산화지르코늄(ZrO2) 등 산화물과 금속 free-Zr, stainless steel(SS) 등이 혼합되어있다. 따라서 노내(in-vessel)는 물론 노외(ex-vessel)에서 금속의 산화로 인한 상당량의 가연성(폭발성) H2 및 CO가 생성되기 때문에, 노심용융물의 온도를 낮추고 가연성 가스의 발생을 낮춰 원자로 노외 하부에 희생물질로 적절한 대처를 할 필요성이 있다.
이런 필요성에 의해 노심용융물에 대처하기 위한 희생물질에 대한 다양한 기술이 논문이나 특허에서 제안된바 있다.
한 예로, '노외 노심용융물 냉각설비 희생 콘크리트 조성물 및 이의 제조방법(등록번호: 10-1376076)'에서는 산화스트론튬(SrO)과 삼산화이철(Fe2O3)을 이용하여 스트론튬 헥사페라이트(Strontium hexaferrite, SrFe12O19)를 제조하고, 산화칼슘(CaO)과 산화알루미늄(Al2O3)으로 구성된 알루미늄 시멘트를 조합하는 방법에 대해 제안하였다.
다른 예로, '원자로 노심용융물 노외 냉각장치(등록번호: 10-1532865)'에서는 콘크리트에 우라늄(U)이나 지르코늄(Zr) 등의 방사성원소보다 산화도가 낮은 금속산화물(주로 산화철(Fe2O3))이 첨가된 재질로 이루어진 연질 희생물질층을 가지는 원자로 노심용융물 노외 냉각장치에 대하여 제안하였다.
상술된 두 특허는 모두 발열반응을 유도함으로써 노심융융물의 온도를 높여 점도를 낮추고 퍼짐성을 좋게 하고자 한 것인데, SrFe12O19의 경우 450℃ 이상에서 SrO와 6Fe2O3로 분해되기 시작하여 노심용융물과는 주로 Fe2O3가 반응하게 된다.
즉 상술된 두 특허에서는 주로 아래의 [식 1] 및 [식 2]의 발열반응을 유도하여 free U과 Zr을 없애는 걸로 제안되어 있다.
[식 1] 2Fe2O3 + 3Zr → 4Fe + 3ZrO2
[식 2] 2Fe2O3 + 3U → 3UO2 + 4Fe
그러나 [식 1] 및 [식 2]의 반응은 용접이나 폭약에 이용되는 테르밋(Thermite: Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe)과 유사한 반응을 이용한 것으로, 노심용융물의 온도를 올리고 노심용융물의 불안정성을 높여 폭발적 반응을 유도할 가능성이 높다.
그리고 [식 1] 및 [식 2] 각각의 반응에서 생성된 철(4Fe)은 고온에서 물과 만날 경우, 아래의 [식 3] 및 [식 4]의 반응을 일으킨다.
[식 3] 4Fe + 6H2O → 2Fe2O3 + 6H2 (↑)
[식 4] 4Fe + 6H2O → 2Fe(OH)3 + 3H2 (↑)
[식 3] 및 [식 4]에 기재된 바를 참조하면, 많은 양의 가연성 수소가스 생성으로 구조물의 건전성에 악영향을 미치게 됨이 확인된다.
다시 말해, 기존에 제안된 Fe2O3계 희생물질은 이러한 초고온 반응 메커니즘의 이해가 부족하여 초고온에서 원하는 물성을 얻기 힘들고 노심용융물인 코륨(corium)과 반응하게 되면 급격한 발열반응과 가연성(폭발성) 가스의 발생 외에 콘크리트의 공융(eutectic)온도를 현저하게 낮춰 국부적 용융이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
단, 공융온도를 크게 낮출 수 있는 Fe2O3 성분은 별도의 냉각을 위한 구획(containment, spreading chamber)을 만들고, 노심용융물과 희생물질을 반응시켜 초고온에서 반응물의 점도를 낮추어 물처럼 흘려보내기 위한 흐름성을 좋게 만드는 EPR(European Pressurised Reactor) 경우에는 그 응용이 어느 정도 가능하다고 여겨지고 있다.
하지만 현재 국내외에서 연구 중인 도가니(반구)형 코어캐쳐의 경우, 넓게 흘려보내는 EPR 타입과 달라 Fe2O3 성분이 포함된 희생물질을 다량 사용하게 되면 중대사고시 발열반응을 수반하는 너무 빠른 용융이 국부적으로 발생할 가능성이 높고, 오히려 발열반응으로 인하여 용융물의 온도를 높여 구조물의 건전성을 크게 해치는 문제점이 있다. 또한 냉각수와 만날 경우 [식 3] 및 [식 4]와 같은 다량의 수소가스 발생도 예상된다.
중대사고시 냉각수의 주입이 배관계통의 문제로 늦어질 가능성의 문제점이 있어 후쿠시마 원전사고 이후 원자력발전의 안전성이 주목받고 있는 이때, 원자로 중대사고를 대비하기 위하여 냉각계통의 정상 재개시까지 구조물의 건정성을 유지하면서 노심용융물의 온도를 낮추고 가연성 가스 발생을 최소화할 수 있는 희생물질에 대한 기술개발 연구가 절실히 요구되는 시점이다.
국내 등록특허공보 제10-1376076호, 2014.03.13.자 등록. 국내 등록특허공보 제10-1532865호, 2015.06.24.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 도가니형 코어캐쳐에 노심용융물의 분출과 동시에 노심용융물을 수용하여 간접냉각을 수행하는 형태로써, 우라늄산화물 및 지르코늄이 주성분인 노심용융물과 인산칼슘계 희생물질이 초고온에서 반응되면서 우라늄 및 지르코늄의 인산염을 형성하고, 이를 통해 노심용융물의 온도를 감소시킬 뿐만 아니라 높은 열부하(또는 열집중)를 제거할 수 있도록 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시, 노외로 유출되는 노심용융물을 냉각시키기 위한 것으로, 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 분말 형태의 인산칼슘계 조성물인 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질을 기술적 요지로 한다.
바람직하게는 상기 인산칼슘계 조성물은, 노심용융물에 함유된 우라늄산화물 및 지르코늄과 반응하여 우라늄 인산염 및 지르코늄 인산염을 형성하면서 흡열반응을 일으키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 인산칼슘계 조성물은, 1,100~1,300℃ 하에서 소결하여 세라믹소결체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 인산칼슘계 조성물은, 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.67인 수산화아파타이트(hydroxyapatite, HAp, Ca10(PO4)6(OH)2); 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1인 제2인산칼슘(dicalcium phosphate dihydrate, DCPD, CaHPO4·2H2O); 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.5인 제3인산칼슘(tricalcium phosphate, TCP, Ca3(PO4)2); 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 2인 제4인산칼슘(tetracalcium phosphate, TTCP, Ca4(PO4)2O); 및 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 무수제2인산칼슘(dicalcium phosphate anhydrous, DCPA, CaHPO4); 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시, 노외로 유출되는 노심용융물을 냉각시키기 위한 것으로, 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 분말 형태의 인산칼슘계 희생물질 50~99wt%; 및 시멘트 1~50wt%;를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질을 포함하는 희생용 콘크리트 조성물을 기술적 요지로 한다.
바람직하게는 상기 인산칼슘계 희생물질은, 노심용융물에 함유된 우라늄산화물 및 지르코늄과 반응하여 우라늄 인산염 및 지르코늄 인산염을 형성하면서 흡열반응을 일으키는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 인산칼슘계 희생물질은, 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.67인 수산화아파타이트(hydroxyapatite, HAp, Ca10(PO4)6(OH)2); 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1인 제2인산칼슘(dicalcium phosphate dihydrate, DCPD, CaHPO4·2H2O); 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.5인 제3인산칼슘(tricalcium phosphate, TCP, Ca3(PO4)2); 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 2인 제4인산칼슘(tetracalcium phosphate, TTCP, Ca4(PO4)2O); 및 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 무수제2인산칼슘(dicalcium phosphate anhydrous, DCPA, CaHPO4); 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물은, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 인산칼슘계 희생물질은 너무 낮거나 높지 않은 융점을 가질 뿐만 아니라 U과 Zr 양이온과 반응이 활발함으로써, 노심용융물과 반응시키기에 매우 효율적인 효과가 있다.
둘째, 우라늄(U)은 지구표면에 아파타이트(apatite)를 비롯한 인산염계(phosphate) 광물에 다량 함유되어 있어 인산계 비료생산시 부산물로 추출할 수 있고, 음이온을 발생시키는 모나자이트(monazite)도 토륨이나 우라늄을 포함하는 인산염계 광물로 인해 라돈이 발생되는 것으로 보아, 인산염계 광물은 우라늄에 대한 높은 반응성을 나타냄을 알 수 있다. 이런 이유로, 본 발명의 인산칼슘계 희생물질은 노심용융물 중의 우라늄 성분을 원래의 광물상태로 뒤돌릴 수 있는 효과가 있다.
셋째, 체르노빌의 노심용융물 노출사고시 노심용융물이 각종 수화물염을 형성하고, 이러한 염들이 물에 쉽게 용해되면서 주변에 2차오염 발생을 초래했던 반면, 본 발명의 인산칼슘계 희생물질은 물에 대한 용해도가 낮아 2차오염 발생의 가능성을 크게 낮추는 효과가 있다.
넷째, 기존의 Fe2O3계 희생물질(자체 융점은 1,560℃이나, 대부분의 물질과 격렬하게 반응하여 1,000℃ 이하로 공융온도를 낮춤)보다 융점이 높은 인산칼슘계 희생물질은 노심용융물과 반응해 녹으면서 흡열반응이 유도되고, 노심용융물과의 반응으로 우라늄 인산염 및 지르코늄 인산염 등의 인산염 형성시 추가적인 흡열반응이 발생함으로써, 노심용융물의 온도를 낮추는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 X-선 회절분석도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 희생물질 실험과정사진.
도 3은 종래의 희생물질 실험과정사진.
우선 종래의 도가니형 코어캐쳐로, 스트론튬 헥사페라이트(Strontium hexaferrite, SrFe12O19) 68~82wt% 및 알루미늄 시멘트 18~32wt%로 이루어진 노외 노심용융물 냉각설비 희생 콘크리트 조성물이 공개된바 있다.
그리고 프랑스 아레바에서 개발한 EPR 코어캐쳐는 원자로 용기 파손시 노심용융물을 초기에 가두는 역할을 수행하는 Pre-catcher와 장기적인 냉각을 수행하는 퍼짐공간을 따로 갖춘 구조로 되어있는데, 여기서 희생물질의 설치형태는 Pre-catcher에 20cm 정도의 지르코니아(ZrO2) 성분의 보호물질과 그 위에 50cm 두께의 콘크리트 형태 희생물질을 사용하고 있고, 퍼짐공간은 산화철(Fe2O3)을 첨가한 콘크리트 형태의 희생물질을 사용한바 있다.
상술된 두 경우는 Fe+3 산화철 성분들은 용융물 내의 금속 지르코늄(Zr)을 산화시켜 수소생성량을 감소시키고, 공융온도와 점도가 낮아 용융물의 퍼짐이 잘 되도록 한 것이다.
그러나 실제반응은 Zr과 급속한 산화에 따른 발열반응이 유도되어 폭발이 발생하고, 환원된 Fe 금속에 의해 추가적으로 수소가 발생하는 문제점이 있다. 또한 도가니형 코어캐쳐는 별도의 퍼짐공간이 없어 용융온도가 낮은 경우 너무 빨리 녹아 열전달 및 열부하가 심하게 발생하므로 구조물의 안정성에 나쁜 영향을 주는 문제점이 있다.
본 발명에서는 이를 탈피하여 새로운 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물을 제시해 보고자 한다.
즉 본 발명은 원자로의 노심용융물인 코륨(corium)을 노외에서 냉각하기 위한 희생용 소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시 외부로 유출되는 노심용융물과 반응하여 노심용융물의 온도 및 반응성을 낮추어 구조물 관통이나 격납용기 파손을 방지할 수 있게 한 것이다.
내용인즉 본 발명은 고온에서의 반응을 기반으로 한 희생물질의 조성을 설계하고자 한 것으로, 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시, 노외로 유출되는 노심용융물을 냉각하기 위하여 인산칼슘계 조성물이 주성분을 이룸으로써, 인산칼슘계 조성물 자체가 직접 희생물질로 작용하거나, 시멘트와 함께 혼합되어 희생용 콘크리트 조성물로 작용할 수 있다.
따라서 인산칼슘계 희생물질 및 이를 포함하는 희생용 콘크리트 조성물 각각에 대하여 아래에서 더욱 상세하게 설명해 보고자 하며, 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 인산칼슘계 희생물질은 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 분말 형태의 인산칼슘계 조성물인 구성이다.
즉 인산칼슘계 희생물질은 원자로 중대사고시 노외 하부에서 노심용융물을 수용하여 흡열 합성반응을 유도하여 노심용융물의 온도를 낮춰 안정화시키는 것으로, 안정성과 반응성이 높은 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중에서 단일 또는 2 이상의 물질이 혼합된 분말 형태로 이루어질 수 있다.
내용인즉 인산칼슘계 희생물질은 원자로 노심용융물인 코륨(corium)을 노외에서 냉각하기 위한 희생용 인산칼슘계 조성물로써, 원자로 중대사고시 외부로 유출되는 노심용윰물의 주성분인 우라늄산화물 및 지르코늄과 반응하여 우라늄 인산염 및 지르코늄 인산염을 형성하면서 흡열반응을 일으킴으로써, 노심용융물의 온도와 반응성을 낮추어 구조물 관통이나 격납용기 파손을 방지하는 작용을 한다.
이러한 인산칼슘계 조성물은 칼슘(Ca)을 포함한 칼슘 수용액 및 인(P)을 포함한 인산 수용액을 준비하는 제1단계(S1), 칼슘 수용액에 인산 수용액을 혼합하여 합성반응물을 형성하는 제2단계(S2), 상온(room temperature) 조건 하에서 합성반응물을 볼 밀링(ball milling)하여 분말 형태로 수득되는 제3단계(S3)를 통하여 제조될 수 있다.
특히 종래에는 칼슘계와 인산계의 화학적 반응을 위하여 고온 조건에서 pH조절제를 사용하였으나, 본 발명의 인산칼슘계 조성물은 칼슘계과 인산계의 화학적 반응을 위하여 상온 조건에서 pH조절제를 사용하지 않는 특징이 있으며, 각각의 단계에 대하여 간단히 설명해보기로 한다.
제1단계는 칼슘(Ca)을 포함한 칼슘 수용액 및 인(P)을 포함한 인산 수용액을 준비하는 단계이다. (S1)
칼슘(Ca)의 경우, Ca(OH)2를 사용하거나 CaO(물과 만나 Ca(OH)2 형성), CaCO3(산과의 접촉으로 CO2 기화 및 Ca(OH)2 형성), Ca의 기타 수용성 염류 또는 알콕시드 같은 Ca을 포함하고 있는 원료를 이용하여 수용액 중 Ca2+ 형태를 제공할 수 있으면 원료사용에 제한이 없다. 참고로, 칼슘의 농도는 수용액 중 0.3~1.5M이 되도록 하는 것이 바람직한데, 만약 칼슘 농도가 수용액 중 0.3M 미만이면 수득되는 인산칼슘계 조성물의 분말 양이 적을 우려가 있고, 1.5M을 초과하면 인산 수용액과의 반응 효율이 좋지 못하므로, 수용액 중 칼슘 농도가 0.3~1.5M이 되도록 하는 것은 중요한 의미를 가진다.
인(P)의 경우, 수용액에서 산성을 띠는 인산(H3PO4) 수용액을 이용하거나 아인산(H3PO3), 하이포아인산(H3PO2)을 이용할 수 있다. 인 공급을 위한 인산은 수용액(주로 85%로 시판) 그대로 사용하거나, 강알칼리(Ca(OH)2)에 강산(H3PO4)이 혼합되는 과정에서 격렬한 반응을 중화시켜주기 위해 증류수에 희석하여 사용할 수 있는데, 정해진 Ca/P의 조성 몰비에 맞게 공급되도록 하는 것이 바람직하다.
여기서 수득하고자 하는 인산칼슘계 조성물은 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.67인 수산화아파타이트(hydroxyapatite, HAp, Ca10(PO4)6(OH)2), 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1인 제2인산칼슘(dicalcium phosphate dihydrate, DCPD, CaHPO4·2H2O), 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.5인 제3인산칼슘(tricalcium phosphate, TCP, Ca3(PO4)2), 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 2인 제4인산칼슘(tetracalcium phosphate, TTCP, Ca4(PO4)2O), 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 무수제2인산칼슘(dicalcium phosphate anhydrous, DCPA, CaHPO4) 중 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
예컨대, 수산화아파타이트(hydroxyapatite)의 Ca/P 조성 몰비를 1.67로 하였을 때 수산화아파타이트의 반응성이 높아 순수한 결정질의 수산화아파타이트 합성이 쉽게 이루어지기 때문에 칼슘(Ca)과 인(P)의 조성 몰비는 1.67인 것이 바람직하다.
이렇게 인산칼슘계 조성물의 합성하기 위하여 제1단계에서는 칼슘을 공급하는 물질로 수산화칼슘(calcium hydroxide, Ca(OH)2)의 수용액과, 인을 공급하는 물질로 인산(phosphoric Acid, H3PO4)의 수용액을 준비하는 것으로 마무리한다.
제2단계는 칼슘 수용액에 인산 수용액을 혼합하여 합성반응물을 형성하는 단계이다. (S2)
말하자면, 제2단계는 인산칼슘계 조성물을 합성할 때 pH조절제를 포함한 어떠한 첨가제도 사용하지 않고, 상온(room temperature) 조건 하에서 Ca(OH)2 수용액 및 H3PO4 수용액의 Ca/P 조성 몰비에 의해서만 칼슘 수용액에 인산 수용액이 혼합될 수 있도록 하는 단계이다.
기존에는 Ca(OH)2와 H3PO4의 반응에서 H3PO4의 양에 따라 pH의 변수가 생기곤 하였는데, pH가 낮을 때는 NaOH와 같은 별도의 pH조절제를 첨가하여 pH를 높이는 과정을 수행하였다. 하지만 이러한 경우 용액 내에서 발생되는 불순물(예컨대, Na)로 인해 필터링 과정을 추가적으로 거쳐야 하기 때문에 추가 장치로 공정이 복잡해지거나, 증류수를 충분히 사용하지 않으면 순도에 문제가 생기기도 하였다. 더구나 NaOH를 사용하지 않으려면 H3PO4 첨가가 빠를 경우 국부적으로 심한 pH 저하가 발생하여 원하지않는 상이 형성될 가능성이 있으므로 굉장히 천천히 투입해야 하나, 이런 경우엔 대량생산에 불리하기 때문에 비효율적이었다. 이를 개선하고자, Ca(OH)2가 물에 첨가되면 물에서 OH가 녹으면서 pH가 자체적으로 높아지는 자체 발열로 인해 상온에서 합성이 가능하게 된다.
제3단계는 상온(room temperature) 조건 하에서 합성반응물을 볼 밀링(ball milling)하여 분말 형태로 인산칼슘계 조성물을 수득하는 단계이다. (S3)
말하자면, 제3단계에서는 상온 조건 하에서 볼 밀링을 통해 분말 형태의 인산칼슘계 조성물의 합성이 완료되는 것인데, 제2단계에서 pH조절제를 포함한 어떠한 첨가제도 사용하지 않고, Ca(OH)2 수용액 및 H3PO4 수용액의 Ca/P 조절에 의해서만 조절되도록 함으로써, 하기의 [식 5] 및 [식 6]과 같은 합성 반응 후 부산물(또는 불순물)이 오직 물(H2O)만 생성되기 때문에 여과 및 세척같은 후처리 공정이 필요하지 않게 된다.
[식 5] 10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(HAp) + 18H2O
[식 6] 3Ca(OH)2 + 2H3PO4 → Ca3(PO4)2(TCP) + 6H2O
종래에는 [식 5] 및 [식 6]과 같은 반응을 통한 수용액 합성 과정에서 원료들간의 반응 유도시 불순물 상의 형성을 방지하기 위해 H3PO4의 투입속도(80ml/min 이하)가 낮아야 하고, pH 조절 반응 후에도 그 유지시간이 24시간 이상으로 길어야 비로소 원하는 조성이 합성된다는 단점이 있다. 또한 반응시 국부적 pH의 변화로 불균일한 합성이 발생하므로 NaOH 등을 사용하여 용액의 pH를 12 이상으로 유지시킴으로써 합성 후 Na같은 불필요한 성분들을 없애기 위한 오랜 여과 및 세척과정이 필요하게 된다는 단점도 있다.
이런 단점들을 해소하고자, 제3단계에서는 볼 밀링과정을 통해 합성이 이루어지게 함으로써, H3PO4의 투입속도에 제한이 없어 반응속도를 빠르게 할 수 있을 뿐만 아니라, 수산화칼슘 수용액에 인산 수용액 투입 후 바로 완전한 반응을 일으킬 수 있다.
이처럼 제3단계에서 볼 밀링을 수행할 수 있기 때문에 균일 합성을 유도할 수 있어 추가적인 pH조절제가 필요하지 않음에 따라, 볼 밀링 후 여과세척과정이 별도로 필요하지 않고, 볼 밀링 후 수분을 건조만 시키면 원하는 분말 형태의 인산칼슘계 조성물을 얻게 된다.
즉 볼 밀링과정은 볼이 투입된 용기를 회전시켜 볼들 간의 마찰(전단력)과 볼의 회전(tumbling)으로, 낙하시 충돌을 통한 분쇄로 균일/균질한 혼합효과와, 미반응된 원료들의 확산거리가 짧아져 합성반응이 빠른 시간 안에 이루어질 수 있도록 하는 것이다. 또한 이러한 볼들에 의한 충격은 온도상승, 압력증가 및 전자방출 등을 일으킬 수 있어 추가적인 기계화학적 반응을 유도할 수 있도록 한다.
이처럼 Ca/P 조성 몰비에 맞게 혼합된 수용액은 유지시간을 별도로 거칠 필요없이 곧바로 볼 밀링을 위한 용기에 담겨지는데, 이때 용기로 투입되는 볼은 합성반응물의 부피 대비 20~40의 vol%로 첨가되는 것이 좋다. 만약 볼이 합성반응물의 부피 대비 20vol% 미만으로 투입되면 반응이 충분히 이루어지지 않아 불순물 상의 피크가 없어지지 않을 뿐만 아니라 그 효율이 낮다. 반면 볼이 합성반응물의 부피 대비 40vol%가 초과되게 투입되면 그 이하의 볼을 투입한 경우와 비교하여 더 탁월한 효과가 나타나지 않을 뿐만 아니라, 볼을 많이 넣는다고해서 효율이 좋은 것은 아니기 때문에 볼은 합성반응물의 부피 대비 20~40의 vol%(바람직하게는 20~30 vol%, 더욱 바람직하게는 25~27vol%)로 투입되는 것이 바람직하다.
단, 상술된 단계를 통한 인산칼슘계 조성물의 합성과정은 하나의 예시로 나타낸 것일 뿐, 인산칼슘계 조성물은 상술된 방법에 의해서만 제조될 수 있는 것에 한정되는 것이 아니라, 다양한 방법으로 제조될 수도 있다. 즉 상술된 방법 외의 기타 다양한 합성방법으로 제조되는 인산칼슘계 조성물은 모두 포함될 수 있는 것임을 의미한다.
그리고 볼 밀링은 2~24시간 동안 이루어지는 것이 좋은데, 2시간 미만으로 볼 밀링하면 불순물의 피크가 사라지지않고 잔존하게 되며, 24시간을 초과하여 볼 밀링해도 상관은 없으나 굳이 24시간 이상으로 볼 밀링하지 않아도 인산칼슘계 조성물을 얻을 수 있기 때문에 24시간을 초과하여 볼 밀링할 필요는 없다. 바람직하게는 6~18시간(더욱 바람직하게는, 6~12시간) 동안 볼 밀링하는 것이 좋다. 이렇게 볼 밀링을 완료한 후 용기로부터 볼을 분리해낸 후 남은 물질을 건조시킴으로써, 분말 형태의 인산칼슘계 조성물을 얻을 수 있게 된다.
특히 제1단계(S1), 제2단계(S2) 및 제3단계(S3)를 통하여 수득되는 인산칼슘계 조성물을 인산칼슘계 희생물질로 적용한 이유는, 우라늄은 물론 Zr 및 Fe(구조물인 스테인리스 용융물의 주성분)과의 반응성도 높아 인산염 화합물(예를 들어, FePO4UO2, Zr2O(PO4)2, CaZr4(PO4)6, ZrP2O7)을 쉽게 형성함으로써, Fe2O3가 주성분인 기존의 희생물질과 같은 수소발생([식 3] 및 [식 4])없이 노심용융물 주요성분을 소모할 수 있고, 수용액 중에서도 [식 7]와 같은 반응을 통해 불용성 인산염을 형성하여 우라늄의 고정(immobilization)을 통한 2차오염을 방지할 수 있기 때문이다.
[식 7] 2UO2+ + Ca2+ + 2PO4 3- → Ca(UO2)2(PO4)2
아울러 안정성과 반응성이 높은 인산칼슘계 희생물질은 Fe2O3(자체융점은 1,560℃이나 대부분의 물질과 격렬하게 반응하여 1,000℃ 이하로 공융온도를 낮춤)보다 융점이 비교적 높아(수산화아파타이트의 경우, 1,670℃) 이들이 녹으면서 흡열반응이 유도되고 노심용융물과 반응하여 인산염 형성시 추가적인 흡열반응이 발생함으로써 노심용융물 온도를 낮추는 역할을 수행할 수 있다.
만약 Fe2O3가 작용하여 공융점이 너무 낮아지면 급속한 용융이 발생하기 쉬워 불균일한 국부적 용융이 발생하고 지속적인 발열반응으로 용융물의 온도를 올려 원자로 하부 구조물의 건전성에 영향을 미치게 된다. 반면, 공융점이 너무 높으면 용융물과의 반응이 활발하지 않아 계속 그 온도가 유지됨으로써 역시 용융물의 온도를 낮추지 못하는 단점이 발생한다.
따라서 너무 낮거나 높지 않은 융점을 가지고 우라늄과 지르코늄 양이온과 반응이 활발한 인산칼슘계 희생물질은 노심용융물과 반응시키기 위한 매우 효율적이고 적합한 것이라 할 수 있다.
이처럼 인산칼슘계 희생물질은 노심용융물과 반응 및 결합하여 안정한 불용성 우라늄 인산염(UO2-phosphate) 및 지르코늄 인산염(ZrO2-phosphate) 등을 쉽게 형성하기 때문에, 발열반응을 유도하는 Fe2O3가 주성분인 기존의 희생물질과는 다르게 흡열반응이 일어나게 되는 것이다.
참고로, 분말 형태로 수득된 인산칼슘계 조성물을 1,100~1,300℃ 하에서 소결하여 소결 형태의 세라믹소결체로 형성시켜 사용될 수도 있다. 이때 1,100℃ 미만으로 소결시키면 원하는 형태로 만들어주기에 부족한 온도이고, 1,300℃를 초과하면 오히려 물성 변형를 초래할 수 있기 때문에 1,100~1,300℃의 온도조건으로 소결시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 희생용 콘크리트 조성물은 좀더 수월한 작업성 및 기밀성을 부여하기 위하여 칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 분말 형태의 인산칼슘계 희생물질 50~99wt%와, 시멘트 1~50wt%를 혼합하여 형성되는 구성이다.
상세하게는 희생용 콘크리트 조성물은 분말 형태의 인산칼슘계 희생물질을 1,100~1,300℃ 하에서 소결한 후 분쇄하여 시멘트와 혼합하여 콘크리트화된 것이다.
첫째, 인산칼슘계 희생물질은 앞서 설명한 구성이므로, 여기서의 설명은 생략하기로 한다.
단, 희생용 콘크리트 조성물 중에서 인산칼슘계 희생물질은 50~99wt% 범위로 포함되는 것이 좋은데, 50wt% 미만이면 노심용융물과 반응하게 되는 힘이 약해져 흡열반응을 유도할 수 없으며, 99wt%를 초과하면 시멘트가 첨가될 수 있는 양이 줄어들기 때문에 시공성이 좋지 못하므로, 인산칼슘계 희생물질은 50~99wt%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
둘째, 시멘트는 인산칼슘계 희생물질에 수월한 작업성 및 기밀성을 부여하여 도가니형 코어캐쳐로 완성되도록 하는 구성이다.
우선 콘크리트는 구조를 지탱하기 위해 시멘트와 물, 강도를 위해 골재와 혼화재료를 적절하게 배합하여 굳힌 물질을 의미하나, 원자로에서 사용될 희생용 콘크리트 조성물은 구조를 지탱하는 용도가 아닌 세라믹의 인산칼슘계 희생물질과 시멘트가 혼합되어 사용되는 장기 안정성을 가지는 희생용 콘크리트 조성물로 이해되어야 한다.
만약 시멘트가 1wt% 미만으로 혼합되면 콘크리트화하기에 그 양이 턱없이 부족하고, 시멘트가 50wt%를 초과하여 혼합되면 인산칼슘계 희생물질의 물성보다 시멘트의 물성이 희생용 콘크리트 조성물의 전체 물성을 지배하여 용융온도가 너무 낮아지게 되어 가열시 시멘트 부분이 스펀지에 구멍이 뚫리듯이 용융하는 상태가 되어버린다.
시멘트는 혼합되는 양이 적을수록 고온에서 인산칼슘계 희생물질의 높은 반성성과 비정질 용융물 형성 등 그 장점을 살릴 수 있으므로, 시멘트는 1~50wt%의 범위 내에서 적절하게 조절하여 혼합하는 것이 바람직하다.
특히 인산칼슘계 희생물질은 bone china 도자기 제조시 첨가되는 수산화아파타이트에서와 같이 고온에서 콘크리트 중 시멘트 성분과 만나 유리상을 형성(glass former)하여 점도가 낮은 액체(용융물)를 형성함으로써 적절한 퍼짐성을 가질 수 있으나, 희생용 콘크리트 조성물에서 시멘트의 양이 많아지게 되면 콘크리트의 다성분계 혼합물의 공융점이 크게 낮아져 구조물을 약화시킬 수 있기 때문에 시멘트를 50wt% 이하로 사용해야 하는 중요한 임계적 의미가 있다.
이때 인산칼슘계 희생물질에 시멘트를 혼합하여 콘크리트화하는 이유는, 분말 형태 또는 소결 형태의 인산칼슘계 희생물질 자체를 도가니형 코어캐쳐에 타일로 붙여서 사용할 수도 있긴 하지만 작업성 및 시공성을 보다 높이기 위함이다.
참고로, 인산칼슘계 희생물질의 분말 형태 또는 소결 형태나, 인산칼슘계 희생물질에 시멘트가 혼합된 콘크리트 형태로 사용될 수 있는바, 도가니형 코어캐쳐에는 인산칼슘계 희생물질 50~99wt%와 시멘트 1~50wt%가 혼합되어 시공성이 우수한 콘크리트 형태로 사용하는 것이 바람직하나, 인산칼슘계 조성물의 조성만 유지되는 경우라면 그 방법이나 형태에 제한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 통하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
수산화아파타이트(hydroxyapatite, HAp, Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , Ca/P: 1.67) 조성의 희생물질 제조
수산화칼슘(Ca(OH)2)과 인산(H3PO4)의 액상반응(Ca 및 P의 조성을 1.67로 조절)을 이용하여 상온에서 수산화아파타이트를 합성한다. 합성된 수산화아파타이트는 mold와 press를 이용하여 원형의 pellet 형태로 성형하고 1,150℃에서 2시간 동안 소결한다. 이렇게 소결된 세라믹소결체는 그대로 희생물질로 사용이 가능하나, 작업성을 부여하기 위해 세라믹소결체인 수산화아파타이트를 2~10mm 정도의 크기를 가지도록 분쇄한 70wt%에 초조강 알루미나계 시멘트 30wt%를 섞어 콘크리트로 형태로 제조한다.
[실시예 2]
제3인산칼슘(ttricalcium phosphate, TCP, Ca 3 (PO 4 ) 2 , Ca/P: 1.5) 및 기타 인산칼슘(Ca/P: 1~1.5) 혼합조성의 희생물질 제조
수산화칼슘(Ca(OH)2)과 인산(H3PO4)의 액상반응(Ca 및 P의 조성을 원하는 조성비로 조절)을 이용하여 분말을 합성한다. 합성된 분말은 원하는 조성의 단일 상 또는 혼합 결정상을 얻을 수 있는 온도에서 하소(calcination)한다. 이렇게 하소된 분말은 ball mill을 이용하여 분쇄한 후 mold와 press를 이용하여 원형 pellet 형태로 성형하고, 1,150℃에서 2시간 동안 소결한다. 이와 같이 소결된 Ca-인산염 세라믹소결체를 2~10mm 정도의 크기를 가지도록 분쇄한 70wt%에 초조강 알루미나계 시멘트 30wt%를 섞어 콘크리트로 형태로 제조한다.
[비교예 1]
종래의 희생물질 제조
비교실험을 위하여 기존에 개발되었던 희생물질인 스트론튬 헥사페라이트(Strontium hexaferrite, Sr-ferrite, SrFe12O19)를 제조한다. 즉 탄산스트론튬(SrCO3)과 삼산화이철(Fe2O3)을 이용하여 하소온도 950℃에서 2시간 가열하여 단일상 분말을 제조한다. 이렇게 하소된 분말은 ball mill을 이용하여 분쇄한 후 mold와 press를 이용하여 원형 pellet 형태로 성형하고, 1,150℃에서 2시간 동안 소결한다. 이와 같이 소결된 스트론튬 헥사페라이트 일부를 2~10mm 정도의 크기를 가지도록 분쇄한 70wt%에 초조강 알루미나계 시멘트 30wt%와 섞어 콘크리트 형태로 제조한다.
[실험과정]
희생물질 상에 초고온에서 노심용융물이 흐르는 상황을 가정하기 위해 상술된 [실시예 1], [실시예 2] 및 [비교예 1]를 통해 소결된 pellet 형태의 세라믹소결체에 Zr-금속 sheet를 올리고 3,000℃까지 가열할 수 있는 산소-가솔린(gasoline) 가스토치를 이용하여 가열한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 X-선 회절분석도이다. 도 1을 참조하면, 도 1-(a)는 [실시예 1]과 같이 합성하여 소결한 수산화아파타이트의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 것이고, 도 1-(b)는 ZrO2의 X-선 회절분석 결과를 나타낸 것이며, 도 1-(c)는 수산화아파타이트에 Zr-금속 sheet를 올리고 가스토치로 3,000℃ 정도로 가열하여 반응시킨 후 측정한 X-선 회절분석 결과를 나타낸 것이다.
이러한 도 1의 결과를 살펴보면, Zr-금속의 경우 고온에서 발열반응을 거쳐 ZrO2로 산화되어야 하나, 수산화아파타이트와 반응한 결과 ZrO2 피크들이 거의 보이지 않고 Zr-금속과 수산화아파타이트와 반응하여 복잡한 인산염 피크들이 나옴이 확인된다.
이는 반응성이 높은 금속용융물이 흘러나오더라도 발열산화반응이 억제되고 흡열합성반응이 유도됨을 의미한다. 그리고 2θ 10도 근처에서 보이는 크고 넓은 비정질 피크는 유리상이 다량으로 생성된 것으로, 고온에서 점도가 낮아 흐름성과 젖음성이 좋아짐을 의미한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 희생물질 실험과정사진이다. 도 2를 참조하면, [실시예 1]에서와 같이 소결한 수산화아파타이트(HAp) 위에 Zr-금속 sheet를 올리고 가스토치로 3,000℃ 정도로 가열하면서 고온반응을 유도하여 가열시간 별로 찍은 사진을 나타낸 것이다. 이러한 도 2의 실험과정을 통하면 흡열 합성반응임이 확인된다.
말하자면 도 2는 도 1의 결과를 얻기 위하여 수행한 실험과정을 나타낸 것으로, 도 2-(a)는 가스토치로 화염 방사 시작 후 1초에 찍은 사진이고, 도 2-(b)는 화염 방사 시작 후 8초에 찍은 사진이고, 도 2-(c)는 화염 방사 시작 후 1분 20초에 찍은 사진이고, 도 2-(d)는 화염 방사 시작 후 5분에 찍은 사진이고, 도 2-(e)는 반응 완료 후 찍은 사진이다. 특히 도 2-(d)를 살펴보면 용융물이 형성됨을 알 수 있고, 도 2-(e)를 살펴보면 인산염이 합성됨을 알 수 있다. 즉 가스토치로 5분 정도 가열하면 용융물과 인산염이 형성됨이 관찰된다.
도 3은 종래의 희생물질 실험과정사진이다. 도 3을 참조하면, [비교예 1]에서와 같이 소결한 스트론튬 헥사페라이트(Strontium Hexaferrite, SrFe12O19)를 Zr-금속과 함께 가스토치로 3,000℃ 정도로 가열하면서 고온반응을 유도하여 가열시간 별로 찍은 사진을 나타낸 것이다. 이러한 도 3의 실험과정을 통하면 발열 폭발반응임이 확인된다.
구체적으로, 도 3은 [비교예 1]을 통해 제조된 기존 개발 조성의 스트론튬 헥사페라이트(Sr-ferrite) 위에 Zr-금속 sheet를 올리고 가스토치로 3,000℃ 정도로 가열한 사진을 나타낸 것으로, 도 3-(a)는 화염 방사 시작 후 0초에 찍은 사진이고, 도 3-(b)는 화염 방사 시작 후 4초에 찍은 사진이고, 도 3-(c)는 화염 방사 시작 후 5초에서 찍은 사진이고, 도 3-(d)는 화염 방사 시작 후 6초에서 찍은 사진이고, 도 3-(e)는 화염 방사 시작 후 19초에서 찍은 사진이다.
더욱 구체적으로, 도 3-(b)를 살펴보면 화염 방사 후 4초에서 급격한 발열이 일어나면서 연소가 시작됨을 알 수 있고, 도 3-(c)를 살펴보면 화염 방사 후 5초에서 폭발이 일어나고, 도 3-(d)를 살펴보면 화염 방사 후 5초에서의 폭발 후 6초에서 연소 중임을 알 수 있으며, 도 3-(e)를 살펴보면 화염 방사 후 19초에서 페라이트 파인 부분 발열이 확인된다.
특히 2Fe2O3 + 3Zr → 4Fe + 3ZrO2와 같은 [식 1]의 급격한 유사 테르밋(Thermite: 2Fe2O3 + 3Zr → 4Fe + 3ZrO2) 발열반응이 발생하여 5초 정도 가열함에 따라 폭발함을 알 수 있다.
물론 스트론튬 헥사페라이트를 시멘트와 섞어 콘크리트화할 경우, 이 정도의 폭발적인 급격한 반응은 억제될 것으로 예상되긴 하나 종래의 특허들에서 이용하고자 하는 발열반응으로 흐름성을 좋게 만드는 방법은 노심용융물 중 많은 양의 금속용융물이 포함되게 되면 급격한 발열반응으로 노심 하부 구조물 전체가 빠른 시간 안에 용융될 수 있는 큰 위험성이 있다.
또한 이 상태에서 냉각수가 투입될 경우, [식 3] 및 [식 4]의 수소발생 반응이 일어나 엄청난 규모의 수소가스가 발생할 가능성도 있어 원자로 전체 구조물의 건전성에 영향을 미친다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다.
본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시, 노외로 유출되는 노심용융물을 냉각시키기 위한 것으로,
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 분말 형태의 인산칼슘계 조성물인 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인산칼슘계 조성물은,
    노심용융물에 함유된 우라늄산화물 및 지르코늄과 반응하여 우라늄 인산염 및 지르코늄 인산염을 형성하면서 흡열반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인산칼슘계 조성물은,
    1,100~1,300℃ 하에서 소결하여 세라믹소결체로 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인산칼슘계 조성물은,
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.67인 수산화아파타이트(hydroxyapatite, HAp, Ca10(PO4)6(OH)2);
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1인 제2인산칼슘(dicalcium phosphate dihydrate, DCPD, CaHPO4·2H2O);
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.5인 제3인산칼슘(tricalcium phosphate, TCP, Ca3(PO4)2);
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 2인 제4인산칼슘(tetracalcium phosphate, TTCP, Ca4(PO4)2O); 및
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 무수제2인산칼슘(dicalcium phosphate anhydrous, DCPA, CaHPO4); 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질.
  5. 원자로의 노심이 용융되는 중대사고시, 노외로 유출되는 노심용융물을 냉각시키기 위한 것으로,
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 포스페이트(phosphates), 하이드로겐 포스페이트(hydrogen phosphates) 및 포스페이트 하이드록사이드(phosphate hydroxides) 중 어느 하나 이상으로 이루어진 분말 형태의 인산칼슘계 희생물질 50~99wt%; 및
    시멘트 1~50wt%;를 혼합하여 형성되는 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질을 포함하는 희생용 콘크리트 조성물.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인산칼슘계 희생물질은,
    노심용융물에 함유된 우라늄산화물 및 지르코늄과 반응하여 우라늄 인산염 및 지르코늄 인산염을 형성하면서 흡열반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질을 포함하는 희생용 콘크리트 조성물.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 인산칼슘계 희생물질은,
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.67인 수산화아파타이트(hydroxyapatite, HAp, Ca10(PO4)6(OH)2);
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1인 제2인산칼슘(dicalcium phosphate dihydrate, DCPD, CaHPO4·2H2O);
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1.5인 제3인산칼슘(tricalcium phosphate, TCP, Ca3(PO4)2);
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 2인 제4인산칼슘(tetracalcium phosphate, TTCP, Ca4(PO4)2O); 및
    칼슘(Ca) 및 인(P)의 조성 몰비가 1~2인 무수제2인산칼슘(dicalcium phosphate anhydrous, DCPA, CaHPO4); 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 원자로 노심용융사고 대비 코어캐쳐용 인산칼슘계 희생물질을 포함하는 희생용 콘크리트 조성물.
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