KR102293451B1 - 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 금속연료심 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법은 금속연료심 제조과정에서 발생하는 금속연료 폐기물을 회수하는 금속연료 폐기물 회수단계, 레이저 표면청정장치를 이용하여 회수된 금속연료 폐기물의 표면오염층을 제거하는 표면오염층 제거단계, 표면오염층이 제거된 금속연료 폐기물을 포함하는 재장입원료를 준비하는 재장입원료 준비단계, 그리고 준비된 재장입원료를 금속연료심 사출주조장치에 공급하여 재활용 금속연료심을 제조하는 재활용 금속연료심 제조단계를 포함한다.

Description

금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 금속연료심{METAL FUEL SLUG MANUFACTURING METHOD USING METAL FUEL WASTE AND METAL FUEL SLUG MANUFACTURED BY THE METHOD}
금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 금속연료심이 제공된다.
일반적으로 소듐냉각고속로(SFR ; Sodium-cooled Fast Reactor)는 4세대 원자로 중 실현가능성이 가장 높은 원자로이며, 경수로나 중수로와 달리 고속 중성자를 이용해 핵분열 반응을 일으키는 차세대 원전이다. 소듐냉각고속로 금속연료 제조공정 중 핵심기술은 금속연료심 제조기술이라고 할 수 있다. 금속연료심 제조방법은 용해하여 잉곳(ingot)을 만들고 후속공정으로 압출, 압연 등의 공정으로 제조한다. SFR 금속연료심은 주조성, 휘발방지성, 생산성 및 원격성을 갖는 사출주조방법으로 제조된다.
금속연료심 제조공정 중에 발생하는 금속연료 폐기물중 용해도가니와 주조주형 표면에 소량 부착되는 우라늄합금 핵물질 스컬(skull)은 분리하여 회수하였다. 그러나, 금속연료심 제조공정에서 발생하는 금속연료 핵물질 스크랩(scrap)은 방사성 폐기물로 분류하여 핵물질 저장고에 보관하고 재사용하지 않았다. 우라늄합금은 고온에서 산화성이 매우 크기 때문에, 용해주조 중에 금속연료 잔탕(melt residue)이나 연료심 버트(butt)에 형성되는 표면 산화 불순물층을 제거하여 재용해하고 건전한 주조성을 가지고, 품질요건에 적합한 금속연료심을 제조하는 것이 어렵기 때문이다. 사출주조방법으로 제조된 금속연료심은 수율 약 60%로 제조되어 회수되며, 금속연료심 스크랩 폐기물(잔탕 약 25%, 불합격 연료심 및 버트 약 15%)이 다량 발생하여 금속연료심 제조수율이 매우 낮으며, 고가의 핵연료물질 활용이 어렵게 되는 문제점이 발생하게 된다. 이와 같은 금속연료심 스크랩 폐기물의 발생을 감소시키기 위해서는 스크랩 표면 불순물을 제거하여 재활용하는 기술 개발이 요구된다.
관련 선행문헌으로 한국등록특허 1,185,501는 "레이저 제염시 제염성능을 향상시키는 방법"을 개시하며, 미국등록특허 6,444,097는 "Radioactive decontamination"를 개시하며, 한국등록특허 1,341,309는 "3차원 오염 표면 제염에 효과적인 광용발 제염노즐"를 개시한다.
한국등록특허 1,185,501 미국등록특허 6,444,097 한국등록특허 1,341,309
본 발명의 한 실시예는 금속연료 폐기물의 표면오염층을 제거하여 재활용함으로써 금속연료심 스크랩 폐기물의 발생을 감소시킬 수 있고, 고가의 금속연료 스크랩 폐기물을 재활용하여 우라늄 이용율을 증가시키고 건전한 금속연료심을 다시 제조할 수 있는 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법은 금속연료심 제조과정에서 발생하는 금속연료 폐기물을 회수하는 금속연료 폐기물 회수단계, 레이저 표면청정장치를 이용하여 회수된 금속연료 폐기물의 표면오염층을 제거하는 표면오염층 제거단계, 표면오염층이 제거된 금속연료 폐기물을 포함하는 재장입원료를 준비하는 재장입원료 준비단계, 그리고 준비된 재장입원료를 금속연료심 사출주조장치에 공급하여 재활용 금속연료심을 제조하는 재활용 금속연료심 제조단계를 포함한다.
본 발명의 한 실시예는 금속연료심 제조과정에서 발생하는 금속연료 폐기물을 회수하여 금속연료 폐기물의 표면오염층을 제거하고 표면오염층이 제거된 금속연료 폐기물을 재활용하여 금속연료심을 제조할 수 있다.
따라서, 금속연료심 스크랩 폐기물의 발생을 감소시킬 수 있고, 고가의 금속연료 스크랩 폐기물을 재활용하여 우라늄 이용율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법을 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법은 금속연료 폐기물 회수단계(S110), 표면오염층 제거단계(S120), 재장입원료 준비단계(S130), 재활용 금속연료심 제조단계(S140)를 포함한다. 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법은 금속연료를 사용하는 원자로, 예를 들어, 소듐냉각고속로(SFR) 금속연료심 제조과정에서 발생하는 원료장입량의 약 40%를 차지하는 금속연료 폐기물을 레이저빔을 이용하여 처리하여 표면오염층을 제거할 수 있다. 그리고 고가의 금속연료 스크랩 폐기물을 재활용하여 건전한 금속연료심을 다시 제조할 수 있다. 금속연료심 스크랩 재활용 방법으로 금속연료심 제조수율을 최대화하여 핵연료물질 자원 사용을 극대화하고, 방사성 폐기물을 최소화할 수 있다.
금속연료 폐기물 회수단계(S110)는 금속연료심 제조과정에서 발생하는 금속연료 폐기물을 회수하는 단계이다. 여기서, 금속연료 폐기물은 금속연료 잔탕이나 연료심 스크랩에 형성되는 표면 불순물을 포함할 수 있다. 금속연료 잔탕 및 연료심 버트(butt)를 재활용하여 금속연료심 회수율을 95% 이상으로 하여 우라늄 이용율을 증가시키고 금속연료 폐기물 발생율을 최소화할 수 있다.
표면오염층 제거단계(S120)는 레이저 표면청정장치를 이용하여 회수된 금속연료 폐기물의 표면오염층을 제거하는 단계이다. 레이저 표면청정장치는 네오디뮴 야그 레이저 솔리드 스테이트(Nd-YAG laser solid state) 및 다이오드 펌핑(diode pumping)을 사용하는 파워 레이저(power laser), 워크 스테이션(work station) 및 로봇 시스템(robot system)을 포함할 수 있다. 레이저 표면청정장치를 이용하여 금속연료 잔탕이나 연료심 스크랩에 형성되는 표면오염층을 레이저빔으로 제거할 수 있다. 레이저빔에 의해 금속연료 스크랩의 표면오염층을 제거하여 재활용하기 위해서는 금속연료심 사출주조공정에서 발생한 잔탕(melt residue)과 품질검사에서 불합격한 연료심 버트(butt)와 같은 금속연료 스크랩을 회수하여 글로브 박스(glove box)나 핫 셀(hot cell)에서 고정지그를 사용하여 위치시킨다. 레이저 표면청정장치를 진공이나 불활성분위기에서 상부 표면에 부착되어 있는 우라늄(U) 산화물, 지르코늄(Zr) 산화물 또는 탄화물과 같은 지르코늄(Zr) 화합물, 희토류(RE ; rare-earth elements(Nd, Ce, Pr, La)) 산화물을 제거하고, 금속연료 측면부나 하부에 부착되는 우라늄 탄화물, 지르코늄(Zr) 탄화물 및 이트리아(Y2O3) 플라즈마 코팅 표면오염층을 제거할 수 있다.
표면오염층 제거단계(S120)에서 레이저빔 표면청정공정의 공정변수를 조정하여 선택적으로 표면오염층을 제거할 수 있다. 여기서, 레이저빔 표면청정공정의 공정변수는 강도 레벨(intensity level), 펄스 주파수(pulse frequency), 스캐닝 회수(scanning pass), 초점 거리(focus distance)를 포함할 수 있다. 표면오염층 재료 종류와 표면오염층 두께 특성에 따라서, 강도 레벨(intensity level), 펄스 주파수(pulse frequency), 스캐닝 회수(scanning pass), 초점 거리(focus distance)와 같은 레이저빔 표면청정공정의 공정변수를 조정하여 선택적으로 표면오염층을 제거한다. 이때 금속연료 스크랩의 우라늄 산화물/지르코늄 산화물(U-oxide/Zr-oxide), 우라늄 탄화물/지르코늄 탄화물(U-carbide/Zr-carbide), 희토류 산화물(RE-oxide) 및 이트리아(Y2O3) 플라즈마 코팅 표면불순물층을 제거하기 위한 최적의 공정조건으로는 톱햇 프로파일(Top hat profile) 또는 가우시안 프로파일(Gaussian profile)에서는 밀도 레벨 50~300MW/cm2, 펄스 주파수 50~300KHz, 초점 거리 150~350mm에서 삭마(ablation)를 수행하여 모재의 손상 없이 표면오염층만 선택적으로 제거할 수 있다.
레이저 조사에 의한 금속연료 폐기물의 표면오염층 제거의 기능적인 원리를 설명한다. 금속연료 폐기물의 표면오염층은 초점이 맞춰진 레이저빔을 흡수하는 과정에서 제거된다. 짧은 레이저 펄스는 매우 강력하지만, 금속연료 스크랩을 포함하는 금속연료 폐기물에 매우 작은 열영향을 주게 된다. 이때 물리적 효과인 승화에 의한 삭마과정으로 금속연료 폐기물의 표면오염층은 기화된다. 즉, 금속연료 폐기물의 표면오염층은 압력이 포함된 열인 열압력에 의해 삭마될 수 있다. 한편, 금속연료 스크랩 기지재료가 레이저빔을 반사하면, 삭마과정은 중단된다.
금속연료 폐기물의 표면오염층에 대한 레이저빔 제거 방법의 장점은 다음과 같다. 표면오염층 제거 깊이를 쉽게 조절하는 것이 가능하다. 여러 가지 방법(용융, 증발, 승화 등)으로 표면오염층을 제거할 수 있기 때문에 제거후의 표면상태를 조절하는 것이 용이하다. 표면오염층 제거물질이 액체가 아니기 때문에 포집이 용이하고 포집된 제거물만의 재가공이 가능하다. 표면오염층은 열충격으로 제거할 수 있기 때문에 성질이 다른 두 재료의 경계면(금속연료 스크랩 기지재료와 표면오염층)을 분리 제거가 가능하다. 금속연료 스크랩 기지표면의 손상없이 오염된 물질만의 제거가 가능하며, 원래 기지표면으로 재생하는 것이 가능하다. 실시간으로 표면오염층 제거상태를 관찰하면서 작업을 진행할 수 있다. 공정 자동화가 용이하여 노동력이 많이 필요하지 않다. 레이저빔 청정 처리후 2차 공정폐기물 발생도 최소화할 수 있다.
재장입원료 준비단계(S130)는 표면오염층이 제거된 금속연료 폐기물을 포함하는 재장입원료를 준비하는 단계이다. 여기서, 재장입원료는 순금속과 표면오염층이 제거된 금속연료 스크랩 폐기물이 미리 설정된 비율과 진공도로 혼합되어 용해되는 원료를 포함할 수 있다. 금속연료 폐기물 스크랩 100%를 재장입원료로 사용하면, 재용해, 불순물 제어 및 용탕 주조성과 관련하여 문제를 야기할 수 있다. 따라서, 순금속 및 폐기물 금속연료를 적절한 비율로 혼합해서 용해원료로 재장입한다. 그리고 금속연료 폐기물을 재사용한 건전한 주조성 및 우수한 품질을 가지는 금속연료심 제조를 위해서 특화된 용해주조 절차 및 방법을 도입할 수 있다. 예를 들어, 10-3 torr 이상의 고진공도로 용해하여 표면처리 연료 폐기물의 정제(purification), 재용해를 용이하게 한다. 재용해후 발생된 금속연료 용탕 잔탕(melt residue), 불합격 연료심 및 버트(butt) 등의 금속연료 스크랩도 계속해서 재활용하여 건전한 금속연료심을 연속 반복 재(再)제조하여 금속연료 스크랩 거의 전량을 재활용할 수 있다. 한편, 우라늄합금 스크랩을 고진공도에서 재용해가 가능하도록 하여 건전한 주조성을 가지고, 우수한 품질을 가지는 금속연료심을 제조할 수도 있다.
재활용 금속연료심 제조단계(S140)는 준비된 재장입원료를 금속연료심 사출주조장치에 공급하여 재활용 금속연료심을 제조하는 단계이다.
한편, 폐기물 회수장치를 이용하여 레이저 표면청정공정 폐기물을 회수하는 폐기물 회수단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 폐기물 회수장치는 공정 폐기물 흡입 시스템(suction system), 사이클로트론 시스템(cyclotron system), 그리고 헤파 필터 박스(HEPA filter box)를 포함할 수 있다. 레이저 표면청정공정 폐기물은 더스트(dust), 칩(chip)을 포함할 수 있다. 폐기물 회수장치를 이용하여 레이저 표면청정공정 폐기물을 회수하여 금속연료 손실율을 최소화할 수 있다. 즉, 레이저 표면청정과정에서 발생한 칩(chip)이나 더스트(dust) 등 2차 공정 폐기물을 대부분 회수할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법은 소듐냉각고속로 뿐만 아니라, 연구시험로 등의 금속연료 제조과정에서 발생하는 금속연료 폐기물 스크랩을 고가의 금속연료 폐기물을 재활용하여 특화된 사출주조기술로 건전한 금속연료를 반복 재(再)제조할 수 있다. 그리고 금속연료심 제조수율을 95% 이상으로 최대화하여 핵연료물질 자원 사용을 극대화하고, 방사성 폐기물을 최소화하는 금속연료심 폐기물 재활용할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 원자로 금속연료심 제조과정에서 발생하는 금속연료 폐기물을 회수하는 금속연료 폐기물 회수단계,
    레이저 표면청정장치를 이용하여 회수된 금속연료 폐기물의 표면오염층을 제거하는 표면오염층 제거단계,
    표면오염층이 제거된 금속연료 폐기물을 포함하는 재장입원료를 준비하는 재장입원료 준비단계, 그리고
    준비된 재장입원료를 금속연료심 사출주조장치에 공급하여 재활용 금속연료심을 제조하는 재활용 금속연료심 제조단계
    를 포함하며,
    상기 재장입원료는 순금속과 상기 표면오염층이 제거된 금속연료 폐기물이 미리 설정된 비율과 진공도로 혼합되어 용해되는 원료를 포함하고,
    상기 재장입원료의 재용해후 발생된 금속연료 폐기물을 계속해서 재활용하여 상기 재활용 금속연료심을 연속 제조하는 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법.
  2. 제1항에서,
    상기 표면오염층 제거단계에서 레이저빔 표면청정공정의 공정변수를 조정하여 선택적으로 표면오염층을 제거하는 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법.
  3. 제2항에서,
    상기 레이저빔 표면청정공정의 공정변수는 밀도 레벨(intensity level), 펄스 주파수(pulse frequency), 스캐닝 패스(scanning pass), 초점 거리(focus distance)를 포함하는 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법.
  4. 제1항에서,
    상기 금속연료 폐기물은 금속연료 잔탕이나 연료심 스크랩에 형성되는 표면 불순물을 포함하는 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    폐기물 회수장치를 이용하여 레이저 표면청정공정 폐기물을 회수하는 폐기물 회수단계를 더 포함하는 금속연료 폐기물을 이용한 금속연료심 제조방법.
  7. 제1항 내지 제4항, 제6항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 금속연료심.
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