KR102450490B1 - 중성자 흡수제 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예는 붕산폐액 내에 존재하는 붕소, 특히 중성자를 흡수할 수 있는 질량수 10의 붕소(B-10)를 재활용하여 중성자 흡수제의 원료인 보론카바이드를 합성할 수 있는 중성자 흡수제 제조장치를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따른 중성자 흡수제 제조장치는 붕소를 포함하는 방사성폐기물이 외부로부터 공급되어 내부에 유입되며, 제1 열원의 제1 열처리 조건으로 방사성폐기물의 수분을 제거하여 화합물을 생성하는 전처리부, 그리고 방사성폐기물로부터 생성된 화합물이 내부에 유입되며, 제2 열원의 제2 열처리 조건으로 보론카바이드를 합성하는 보론카바이드 합성부를 포함한다.
Description
본 발명은 중성자 흡수제 제조장치에 관한 것이다.
원자력 발전소에서 발생하는 액체폐기물 처리 계통에서는 다양한 형태의 폐기물이 발생하게 된다. 이중 1차 냉각수 계통의 액체 폐기물에서는 냉각수 내 붕산의 농도조절과 누수 등에 의해 발생하며 0.3∼0.8wt%의 붕산이 포함되어 있다. 이렇게 발생된 폐액은 붕산의 농도를 높이도록 수분을 증발시키고 소석회를 혼합하여 건조분말 상태로 만들 수 있다. 현재 원전에는 건조분말 형태로 보관 중이며, 이를 처분하기 위한 방법으로는 붕산폐액 건조분말을 시멘트와 혼합하여 고화체 형태로 처분하는 것으로 고려되고 있다.
종래기술에는 붕산폐액을 폴리머 고화 또는 시멘트 고화, 고건전성 용기(HIC : High Integrity Container)로 저장 및 처분하고 있지만, 많은 양의 폐기물이 발생되는 문제점이 있다.
관련 선행문헌으로 일본등록특허 4,152,562는 "고농도 붕산수 용액의 고화재 및 중성자 흡수체"을 개시한다.
본 발명의 한 실시예는 붕산폐액 내에 존재하는 붕소, 특히 중성자를 흡수할 수 있는 질량수 10의 붕소(B-10)를 재활용하여 중성자 흡수제의 원료인 보론카바이드를 합성할 수 있는 중성자 흡수제 제조장치를 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 중성자 흡수제 제조장치는 붕소를 포함하는 방사성폐기물이 외부로부터 공급되어 내부에 유입되며, 제1 열원의 제1 열처리 조건으로 방사성폐기물의 수분을 제거하여 화합물을 생성하는 전처리부, 그리고 방사성폐기물로부터 생성된 화합물이 내부에 유입되며, 제2 열원의 제2 열처리 조건으로 보론카바이드를 합성하는 보론카바이드 합성부를 포함한다.
본 발명의 한 실시예는 방사성폐기물로 배출되는 붕산폐액 내에 존재하는 붕소를 재활용하여 보론카바이드를 합성하므로써 방사성폐기물 발생을 감소시키고 원자력 산업에 필요한 기초물질을 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수제 제조장치를 이용한 보론카바이드 합성과정을 도시한 도면이다.
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 중성자 흡수제 제조장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수제 제조장치를 이용한 보론카바이드 합성과정을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수제 제조장치는 전처리부, 보론카바이드 합성부, 수분 처리부, 일산화탄소 제거부를 포함하며, 원전에서 발생하는 액체 방사성폐기물인 붕산폐액(H3BO3)을 활용하여 중성자 흡수제인 보론카바이드(B4C)를 합성할 수 있다. 여기서, 방사성폐기물은 붕산폐액 또는 건조분말(Na2B4O7·10H2O) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
전처리부는 붕소를 포함하는 방사성폐기물이 외부로부터 공급되어 내부에 유입되며, 제1 열원의 제1 열처리 조건으로 방사성폐기물의 수분을 제거하여 화합물을 생성할 수 있다. 제1 열원은 전통적인 퍼니스 또는 마이크로웨이브를 포함할 수 있다. 마이크로웨이브를 제1 열원으로 이용하여 연속적으로 균일하게 수분을 제거할 수 있다. 여기서, 제1 열처리 조건은 제1 설정온도에서 제1 설정시간 동안 제1 열원으로 열처리를 수행하며, 제1 설정온도는 50~500 ℃이고, 제1 설정시간은 30분 이상일 수 있다. 제1 열원으로 사용되는 두 방법 모두 전처리 온도는 원료에 따라 50~500 ℃의 온도에서 30분 이상 열처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 전처리부 내에서 수분 제거를 위한 제1 설정온도는 50 ~ 500 ℃의 범위 내의 온도로 설정할 수 있다. 제1 설정온도가 500 ℃보다 높을 경우 방사성폐기물이 용융될 가능성이 있고, 제1 설정온도가 50 ℃보다 낮을 경우에는 수분 제거 효율이 저하될 수 있다. 전처리부에서 생성되는 화합물은 삼산화이붕소(B2O3), 또는 산화나트륨(Na2O)과 2B2O3의 혼합물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
보론카바이드 합성부는 방사성폐기물로부터 생성된 화합물이 내부에 유입되며, 제2 열원의 제2 열처리 조건으로 보론카바이드를 합성할 수 있다. 제2 열원은 마이크로웨이브를 포함할 수 있다. 마이크로웨이브를 제2 열원으로 이용하여 연속적으로 균일하게 보론카바이드를 합성할 수 있다. 여기서, 제2 열처리 조건은 제2 설정온도에서 제2 설정시간 동안 제2 열원으로 열처리를 수행하며, 제2 설정온도는 1,600~2,000 ℃이고, 제2 설정시간은 1시간~4시간일 수 있다. 제2 열처리 조건은 불활성 가스의 불활성 분위기, 진공상태를 유지하는 조건 중 1개 이상의 조건을 포함할 수 있다. 여기서, 불활성 가스는 아르곤(Ar), 또는 질소(N2) 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 보론카바이드 합성부를 이용하는 보론카바이드 합성공정의 경우 마이크로웨이브를 활용하여 기존의 열처리 방식의 온도(2,000 ℃ 이상)보다 상대적으로 낮은 설정온도(1,600~2,000 ℃)에서 빠른 시간(1~4 시간)내에 보론카바이드를 합성할 수 있다. 여기서, 고온열처리 시에 보론카바이드 합성부의 분위기는 불활성 분위기(아르곤(Ar) 또는 질소(N2)) 또는 진공상태로 유지할 수 있다. 보론카바이드 합성 반응중에는 다량의 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)가 발생되며 이 가스는 진공펌프(vacuum pump)를 지나 일산화탄소 제거부(CO removal tower)로 이송되어 이산화탄소(CO2) 형태로 배출될 수 있다. 산화나트륨의 경우 1,950 ℃ 이상으로 열처리할 경우 휘발하며 그 이하에서는 불순물로 존재할 수 있다. 보론카바이드 합성부를 통해 최종적으로 합성된 보론카바이드는 별도의 회수경로를 통해 회수할 수 있다.
수분 처리부는 전처리부에 연결되며, 전처리부에서 전처리된 수분이 공급되어 수분을 처리할 수 있다. 전처리 공정에서 발생한 수분은 수분 응축을 위해 별도로 구비되는 수분 처리부에서 응축될 수 있다. 수분 처리부에서 모아진 응축수의 경우 별도로 방사성 액체 폐기물처리 공정으로 보내질 수 있다.
일산화탄소 제거부는 보론카바이드 합성부를 통해 보론카바이드의 합성 반응 중 발생된 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)가 공급되며, 일산화탄소의 제거와 이산화탄소의 배출을 안내할 수 있다. 일산화탄소 제거부는 일산화탄소를 산화시켜 제거하는 타워 형상으로 형성될 수 있다. 보론카바이드 합성부와 일산화탄소 제거부 사이에는 진공펌프가 구비되며, 진공펌프는 일산화탄소와 이산화탄소의 흐름을 안내할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수제 제조장치는 붕산폐액 내에 잔류하는 수분을 제거하는 전처리부, 마이크로웨이브를 열원으로 활용하여 보론카바이드를 합성하는 보론카바이드 합성부, 수분 응축용 콘덴서를 포함하는 수분 처리부, 보론카바이드 합성과정에서 발생되는 일산화탄소(CO)를 제거하는 일산화탄소 제거부를 포함할 수 있다. 그리고 중성자 흡수제 제조장치는 방사성폐기물인 붕산폐액 또는 농축된 형태의 붕산폐액 건조분말을 활용한 중성자 흡수제를 합성할 수 있다. 여기서, 중성자 흡수제는 보론카바이드(B4C)를 포함할 수 있다. 즉, 원전에서 발생하는 액체 방사성폐기물인 붕산폐액(H3BO3)을 활용하여 중성자 흡수제로 유용한 원료인 보론카바이드를 생산할 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수제 제조장치를 이용한 보론카바이드 합성과정을 설명한다. 방사성폐기물을 활용한 보론카바이드 합성장치에서 전처리부와 보론카바이드 합성부를 이용한 전처리 공정과 보론카바이드 합성공정을 중심으로 설명한다. 여기서, 방사성폐기물은 붕산폐액(H3BO3)이 활용될 수 있다. 붕산폐액을 활용한 중성자 흡수제 제조장치를 이용하면, 붕산폐액 내에 들어있는 유용한 원소인 붕소(B)를 활용하여 원자력 산업계에서 쓰이는 중성자 흡수제인 보론카바이드를 합성할 수 있다. 보론카바이드의 경우 원자력 발전소에서 중성자를 흡수하기 위한 독봉으로 쓰이거나, 사용후 핵연료의 온도를 조절하기 위한 중성자 흡수제로도 활용되고 있어 재활용된 보론카바이드를 사용할 경우 신규 물질의 유입을 막아 새로운 폐기물을 저감할 수 있다. 또한 추후 사용후 핵연료를 처분 할 경우에도 중성자 흡수제로 쓰일 수 있어 높은 경제성을 가지고 있다.
먼저, 전처리부의 내부로 공급되는 붕산폐액에서 수분을 제거하는 전처리 과정을 설명한다. 전처리부를 이용하는 전처리 공정에서는 대상 방사성폐기물에 잔류하는 수분을 제거할 수 있다. 이때 사용되는 열원으로는 전통적인 퍼니스 또는 마이크로웨이브(MW)를 활용할 수 있다.
2H3BO3 → B2O3 + 3H2O Na2B4O7·10H2O → Na2O + 2B2O3 + 10H2O
전처리 온도 : 50~500 ℃
보론카바이드 합성부에서 마이크로웨이브를 열원으로 활용하여 보론카바이드를 합성하는 과정을 설명한다. 전처리 공정에서 수분을 제거하고 나면 삼산화이붕소(B2O3) 또는 산화나트륨(Na2O) + 2B2O3의 화합물을 얻을 수 있다. 여기서, 생성된 화합물을 보론카바이드 합성 반응기로 투입하여 보론카바이드를 합성할 수 있다.
B2O3 + C → B2O2 + CO
B2O3 + C → 2BO + CO
B2O3 + 3CO → 2B + 3CO2
4B + C → B4C
보론카바이드 합성부 처리 온도 : 1,600~2,000 ℃, 아르곤(Ar) 또는 진공상태(vacuum environment)
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 중성자 흡수제 제조장치는 방사성폐기물인 붕산폐액을 활용하여 유용한 원료인 보론카바이드를 생산할 수 있다. 또한 마이크로웨이브를 활용하여 기존의 보론카바이드 합성방법에 비하여 상대적으로 낮은 온도에서 빠른 시간 내에 보론카바이드를 합성할 수 있다. 보론카바이드 합성부를 통해 합성된 보론카바이드의 경우 원자력 산업계에서 중성자 흡수제를 활용하는 공정에서 활용될 수 있으며, 사용후 핵연료의 처분시 중성자 흡수제로 처분용기에 활용될 수 있다. 이는 새로운 물질의 유입을 제한함으로써, 현재의 방사성폐기물을 활용하여 기존의 발생될 방사성폐기물의 양을 감소시킬 뿐만 아니라 미래에 발생될 방사성폐기물을 제한하는 효과가 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.
10 ; 전처리부 20 ; 보론카바이드 합성부
30 ; 수분 처리부 50 ; 일산화탄소 제거부
40 ; 진공펌프
30 ; 수분 처리부 50 ; 일산화탄소 제거부
40 ; 진공펌프
Claims (11)
- 붕소를 포함하는 방사성폐기물이 외부로부터 공급되어 내부에 유입되며, 제1 열원의 제1 열처리 조건으로 상기 방사성폐기물의 수분을 제거하여 화합물을 생성하는 전처리부,
상기 방사성폐기물로부터 생성된 화합물이 내부에 유입되며, 제2 열원의 제2 열처리 조건으로 보론카바이드를 합성하는 보론카바이드 합성부,
상기 보론카바이드 합성부를 통해 상기 보론카바이드의 합성 반응 중 발생된 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)가 공급되며, 상기 일산화탄소의 제거와 상기 이산화탄소의 배출을 안내하는 일산화탄소 제거부, 그리고
상기 보론카바이드 합성부와 상기 일산화탄소 제거부 사이에 구비되어 상기 일산화탄소와 상기 이산화탄소의 흐름을 안내하는 진공펌프
를 포함하는 중성자 흡수제 제조장치. - 제1항에서,
상기 제1 열처리 조건은 제1 설정온도에서 제1 설정시간 동안 상기 제1 열원으로 열처리를 수행하며, 상기 제1 설정온도는 50~500 ℃이고, 상기 제1 설정시간은 30분 이상인 중성자 흡수제 제조장치. - 제1항에서,
상기 제2 열처리 조건은 제2 설정온도에서 제2 설정시간 동안 상기 제2 열원으로 열처리를 수행하며, 상기 제2 설정온도는 1,600~2,000 ℃이고, 상기 제2 설정시간은 1시간~4시간인 중성자 흡수제 제조장치. - 제3항에서,
상기 제2 열처리 조건은 불활성 가스의 불활성 분위기, 진공상태를 유지하는 조건 중 1개 이상의 조건을 포함하는 중성자 흡수제 제조장치. - 제4항에서,
상기 불활성 가스는 아르곤(Ar), 또는 질소(N2) 중 1종 이상을 포함하는 중성자 흡수제 제조장치. - 제1항에서,
상기 전처리부에 연결되며, 상기 전처리부에서 전처리된 수분이 공급되어 처리되는 수분 처리부를 더 포함하는 중성자 흡수제 제조장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에서,
상기 제1 열원과 상기 제2 열원은 마이크로웨이브를 포함하는 중성자 흡수제 제조장치. - 제1항에서,
상기 방사성폐기물은 붕산폐액, 또는 건조분말 중 1종 이상을 포함하는 중성자 흡수제 제조장치. - 제1항에서,
상기 화합물은 삼산화이붕소(B2O3), 또는 산화나트륨(Na2O)과 2B2O3의 혼합물 중 1종 이상을 포함하는 중성자 흡수제 제조장치.
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