KR20100110399A - 화학 제염 장치 및 그 제염 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 화학 제염 장치는 제염 대상물의 표면에 생성 또는 부착된 방사성 물질을 포함하는 산화 피막을 오존수를 이용하여 화학적으로 용해시키고, 제염하는 것이다. 이 화학 제염 장치는, 오존 가스를 생성하는 오존 발생 수단과, 생성된 오존 가스를 수 중의 오존 공급부에 공급하는 오존 공급 수단과, 상기 오존 공급부에 설치되며 상기 오존 공급 수단으로부터 오존 가스의 공급을 받는 소결 금속 엘리멘트 (37)을 가지고, 상기 오존 공급 수단으로부터 소결 금속 엘리멘트 내부에 공급되는 오존 가스를 그 엘리멘트 외부로 유동시켜 물 중에 공급하여 오존수를 생성하도록 한 것이다.

Description

화학 제염 장치 및 그 제염 방법{CHEMICAL DECONTAMINATION APPARATUS AND DECONTAMINATION METHOD THEREIN}
본 발명은 오존을 이용한 화학 제염 기술에 관한 것이고, 특히 예를 들면, 원자로 기기나 배관 등의 원자로 일차계에서의 원자로 구성 재료 등의 제염 대상물의 표면에 부착 또는 생성된 산화 피막을 화학적으로 용해시켜, 제염하는 화학 제염 장치 및 그 제염 방법에 관한 것이다.
오존을 이용한 화학 제염 기술에 대하여 수많은 특허가 출원되고, 화학 제염 기술이 실제 원자로의 화학 제염 작업에도 적용되었다.
특허 문헌 1(일본 특허 공개 제2000-81498호 공보)에는 오존수의 pH를 5 이하로 컨트롤하여 용존 오존 농도를 높이는 화학 제염 기술이, 또한 특허 문헌 2(일본 특허 공개 제2002-250794호 공보)에는 오존수에 탄산, 탄산염, 붕산, 붕산염, 황산, 황산염, 인산 및 인산염으로부터 선택된 1종 이상의 산화 보조제를 첨가하여 원자로 구성 재료의 부식을 억제하는 화학 제염 기술이 개시되었다. 특허 문헌 3(일본 특허 공개 제2002-228796호 공보)에는 다관식 중공사막 믹서에 의해 오존 가스를 공급하여, 물 중에 오존 가스를 효율적으로 용해시키는 오존을 이용한 화학 제염 기술이 기재되었다.
특허 문헌 1에 기재된 화학 제염 기술은 물에 질산을 첨가하여 pH 5 이하의 오존수를 생성시키고, 생성된 pH 수용액 중에서 산화 처리를 행하여 산화 피막을 용해시켜 화학 제염을 행하는 것을 포함한다. 그러나 물에 첨가되는 산화 보조제가 질산이기 때문에, 오존수 용액의 산화력이 약하여 오존수에 의한 원자로 구성 재료의 부식을 억제할 수 없는 과제가 있다.
또한, 특허 문헌 2에는 원자로 구성 재료의 부식을 억제하기 위해서 산화 보조제로서 인산을 첨가하는 기술이 기재되었다. 그러나 인산은 약산에 가깝기 때문에, 산화 보조제로서 인산을 첨가하더라도 산화력이 약하여 원자로 구성 재료의 부식을 효율적이며 효과적으로 억제시킬 수 없고, 또한 인산을 산화 보조제로서 첨가하여 큰 산화력을 갖기 위해서는, 다량의 인산을 첨가할 필요가 있다. 이 결과, 제염 종료 후에 이차 폐기물이 다량으로 발생하고, 상기 이차 폐기물의 처리에 큰 노동력과 비용을 필요로 하는 새로운 과제가 발생한다.
또한, 특허 문헌 3에 기재된 다관식 중공사막 믹서를 이용한 화학 제염 기술에서는, 다관식 중공사막 믹서의 재질이 수지이기 때문에 파손을 받기 쉬운 문제가 있었다.
한편, 원자력 발전 플랜트에 있어서, 원자로 기기나 각종 배관이 스테인레스강이나 탄소강 등의 철강 재료로 제작되었다. 원자로 기기나 배관 내 표면은 고온수과의 접촉에 의해서 부식 작용을 받아 산화 피막이 형성된다. 고온수에 노출된 원자로 기기나 배관 내 표면의 접액 부위에 형성되는 산화 피막에 로수(爐水) 중의 방사능이 취입되고, 산화 피막이 피폭 선원이 된다.
원자로 기기나 각종 배관 내 표면의 접액 부위에 형성되는 산화 피막은 화학 제염 기술에 의해 화학적으로 용해되고 제거된다. 이 화학 제염법은 산화 피막을 화학적으로 용해시키는 방사능 제거 기술이고, 제염 대상물의 형상이 복잡한 경우나 제거가 곤란하여 제염 후에 재차 사용되는 부위의 화학 제염에 적합하고, 최근 화학 제염을 적용한 많은 기술이 보고되었다.
화학 제염에 있어서, 철 산화물을 용해시키는 제염제와 크롬 산화물을 용해시키는 산화제를 조합하여 사용함으로써 제염 효과를 높였다. 산화제로는, 과망간산, 과망간산칼륨 용액, 오존수 등이 사용된다. 오존수의 경우, 오존의 자기 분해성이 강하기 때문에 오존수를 계속해서 공급해야만 한다.
원자로 일차계의 로 내 제염과 같이 제염 대상물의 규모가 큰 경우, 오존의 자기 분해성 때문에 순환되는 동안에 오존 농도가 감소되어 충분한 제염 효과가 얻어지지 않을 우려가 있다. 제염에 필요한 오존 농도는 1 ppm 이상이라는 보고가 있다.
원자로 관련 시설의 제염 대상물의 금속 표면을 제염하기 위한 효율적인 오존 주입 방법으로서 원자로 재순환계의 재순환 펌프 입구에 오존을 주입하는 예가, 예를 들면 특허 문헌 4(일본 특허 공개 제2003-98294호 공보)에 개시되었다. 기체를 물에 효율적으로 혼합시키는 방법으로서 이젝터(ejecter)를 이용하고, 이 이젝터에 기체를 흡입시켜 혼입시키는 기술이, 예를 들면 특허 문헌 5(일본 특허 공개 제2005-34760호 공보)에 개시되었고, 또한 오존을 하강류에 주입하여 물에 용해시키는 기술이, 예를 들면 특허 문헌 6(일본 특허 공개 (평)8-192176호 공보)에 기재되었다.
또한, 원자로 구조물의 방사능 오염 제거를 행하는 원자로 구조물의 화학 세정 장치에 이온 교환 수지를 이용하는 기술이, 예를 들면 특허 문헌 7(일본 특허 공개 제2001-91692호 공보)에 개시되었다.
원자력 발전 플랜트에 있어서, 원자로 기기나 각종 배관 등의 제염 대상물을 순환하는 물의 온도가 높다. 제염 온도는 통상 70 ℃ 이상이다. 제염수는 물과 오존의 기액 혼합류가 되기 때문에, 원자로 재순환 펌프의 펌프 상류측에의 오존 주입은, 주입된 오존에 의한 펌프 공동(cavitation)이 재순환 펌프의 펌프부에 발생하여 펌프 손상의 우려가 있다.
또한, 특허 문헌 5에 기재된 기체 용해 장치와 같이 이젝터를 이용하는 기술을 원자로의 로 내 화학 제염 장치나 그 제염 방법에 적용하면, 원자로 내에의 이젝터의 설치는 공사 지연을 초래하거나, 로 내 구조물과의 간섭 문제가 생겨 실시가 곤란하다.
이젝터의 설치를 간소화하고 용이하게 하기 위해서, 가설(假設) 순환 루프를 형성하고, 이 가설 순환 루프에 이젝터를 설치하게 되지만, 원자로 일차계의 로 내 제염을 행하는 경우, 전체의 계통 용적이 크기 때문에 고농도의 오존이 요구되고, 오존 농도를 충분히 확보하고 유지하는 것이 곤란하다.
또한, 특허 문헌 6에 기술된 바와 같이, 하강류에 오존을 산기(散氣)시키는 방법도 존재하지만, 이 오존 산기 방법을 원자로의 로 내 화학 제염 장치에 적용하는 것은 곤란하다. 원자로에서는 로 내 하강류가 생기는 슈라우드와 원자로 압력 용기와의 간극의 어뉼러스부(다운커머(downcomer)부)까지는, 상부 플랜지로부터 수 m 이상, 예를 들면 6 m 정도 아래쪽에 있고, 다량, 예를 들면 1600 m3/h의 로 내 유동과 기체의 분출에 견딜 수 있는 오존 주입 치구가 필요해진다.
또한, 특허 문헌 7에 기재된 원자로 구조물의 화학 세정 장치는 방사능 오염 제거를 위해 대형 이온 교환 수지탑이나 역세척형 필터 장치를 설치할 필요가 있어, 장치가 복잡화된다.
본 발명자들은 오존을 이용한 화학 제염 기술에서는, 오존수의 pH가 3 이하이면 충분한 제염 성능이 얻어지는 한편, pH가 3을 초과하면 제염 성능이 현저히 저하되는 것을, 화학 제염 기술의 반복 시험 중에서 새롭게 발견하였다.
본 발명은 상술한 환경하에서, 오존을 이용한, 산화 피막의 분해와 제염 성능을 향상시키고, 제염 대상물의 건전성을 유지하면서 제염 성능을 향상시킨 고성능 화학 제염 장치 및 그 제염 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 오존수가 pH 3 이하인 조건을 만족시키며 원자로 구성 재료 등의 제염 대상물의 부식 억제의 첨가제를 최적화하고, 제염 대상물의 부식 억제를 효율적이며 능률적으로 도모하여 제염 및 세정 효과를 향상시킬 수 있는 화학 제염 장치 및 그 제염 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 오존 가스를 안정적으로 공급하여 적정 오존 농도의 오존수를 얻어 제염 효율을 높이고, 로 내 유동에 견디는 오존 산기관(散氣管)을 어뉼러스부의 상측에 안정적으로 설치하여, 연속적이며 안정적으로 주입되는 오존 가스에 의한 적정 오존 농도를 얻고, 오존 산기관의 설치 위치에 의해 제염 효율을 향상시킨 로 내 화학 제염 장치 및 그의 제염 방법을 제공하는 것에 있다.
상술한 과제를 해결하기 위해서 제공되는 본 발명에 따른 화학 제염 장치는, 제염 대상물의 표면에 생성 또는 부착된 방사성 물질을 포함하는 산화 피막을 오존수를 이용하여 화학적으로 용해시키고, 제염하는 화학 제염 장치로서,
오존 가스를 생성하는 오존 발생 수단과,
생성된 오존 가스를 물 중의 오존 공급부에 공급하는 오존 공급 수단과,
상기 오존 공급부에 설치되며 상기 오존 공급 수단으로부터 오존 가스의 공급을 받는 소결 금속 엘리멘트를 포함하고,
상기 오존 공급 수단으로부터 소결 금속 엘리멘트 내부에 공급되는 오존 가스를 그 엘리멘트 외부로 유동시켜 물 중에 공급하여 오존수를 생성하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해서 제공되는 본 발명에 따른 화학 제염 장치는, 원자로 압력 용기 내에 로심(爐心) 슈라우드(shroud)를 설치하고, 이 로심 슈라우드와 원자로 압력 용기 사이에 형성되는 다운커머부에 제트 펌프를 설치하며, 상기 원자로 압력 용기의 물을 재순환시키는 원자로 재순환계를 설치하고, 이 원자로 재순환계 재순환 펌프의 구동에 의해 상기 원자로 압력 용기 내의 물에 유동을 부여하여 원자로 압력 용기 내 또는 원자로 일차계를 화학적으로 제염하는 화학 제염 장치로서,
오존 가스를 생성하는 오존 발생 수단과,
생성된 오존 가스를 상기 제트 펌프 흡입구 근방 또는 원자로 재순환계 재순환 배관 내의 오존 공급부에 공급하는 오존 공급 수단과,
상기 오존 공급부에 설치된 소결 금속 엘리멘트를 포함하고,
상기 오존 공급 수단에 의해 소결 금속 엘리멘트 내부에 공급되는 오존 가스를 그 엘리멘트 외부로 유동시켜 물 중에 공급하여 오존수를 생성하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해서 제공되는 본 발명에 따른 화학 제염 방법은, 제염 대상물의 표면에 생성 또는 부착된 방사성 물질을 포함하는 산화 피막을 오존수를 이용하여 화학적으로 용해시키고, 제염할 때, 상기 오존수를 제염액으로서 사용하고, 이 오존수를 이용하여 상기 제염 대상물의 산화 피막을 화학적으로 용해시키고, 제염시키는 화학 제염 방법으로서,
상기 제염 대상물의 모재 부식을 억제하는 산화 보조제와 제염액 중의 용존 오존 농도를 높이는 pH 조정제를 물 중에 첨가하고,
이어서, 물 중에 오존 가스를 용해시켜 오존수를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해서 제공되는 본 발명에 따른 화학 제염 방법은, 원자로 압력 용기와 그 내부에 설치된 로심 슈라우드 사이의 다운커머부에 로수를 강제 순환시키는 제트 펌프가 설치되고, 이 제트 펌프로부터의 로수를 원자로 재순환계의 재순환 펌프의 구동에 의해 재순환시키고, 오존수에 유동을 부여하여 원자로 압력 용기 및 원자로 일차계를 오존에 의해 화학 제염하는 화학 제염 방법으로서,
상기 제트 펌프의 흡입구 근방 또는 원자로 재순환계의 재순환 배관 내에 오존 가스를 공급하고,
상기 산화 보조제와 pH 조정제를 첨가한 물에 상기 오존 가스를 공급하여 오존수를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해서 제공되는 본 발명에 따른 화학 제염 장치는, 원자로 일차계의 제염 대상물을, 유기산을 환원제로, 오존수를 산화제로 이용하여 화학 제염하는 로 내 화학 제염 장치로서,
원자로 일차계의 원자로 내에 제염액을 공급하는 제염액 공급 수단과,
원자로 일차계의 원자로 내에 오존 가스를 주입하는 오존 공급 수단과,
주입된 오존 가스로 오존수를 발생시키는 오존수 발생 수단과,
발생한 오존수를 원자로 일차계 내에서 순환시키는 오존수 순환 수단을 가지고,
상기 오존 공급 수단은 오존수 발생 수단의 흡입측에 오존 가스를 산기시키는 오존 산기관을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위해서 제공되는 본 발명에 따른 화학 제염 방법은, 원자로 일차계의 제염 대상물을, 유기산을 이용한 환원제와 오존수를 이용한 산화제로 화학 제염하는 로 내 화학 제염 방법으로서,
원자로 재순환계를 펌프 운전시켜 원자로 재순환계 및 원자로 내에 순환수의 유동을 발생시킴과 함께,
원자로 내 어뉼러스부의 상부에 설치된 오존 산기관으로부터 오존 가스를 주입하고,
주입된 오존 가스를 상기 순환수에 공급하여 용존 오존의 오존수를 생성시키고,
제염액 공급 수단에 의해 원자로 내에 공급되는 제염액과 용존 오존의 오존수를 조합하여 상기 원자로 일차계의 제염 대상물을 화학 제염시키는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명에 따른 바람직한 한 실시형태에서의 화학 제염 장치 및 그의 제염 방법에 있어서는, 제염 대상물의 건전성을 유지하면서 산화 피막을 용해시켜 제염 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 상술한 본 발명에 따른 바람직한 다른 실시형태에 있어서의 본 발명에 따른 화학 제염 장치 및 그의 제염 방법은, 오존수가 pH 3 이하인 조건을 만족시키며 제염 대상물의 부식 억제의 첨가제를 최적화하고, 제염 대상물의 부식 억제를 효율적으로 능률적으로 행하여 제염 및 세정의 효과를 증대시킬 수 있다.
또한, 상술한 본 발명에 따른 바람직한 다른 실시형태에서의 화학 제염 장치 및 그 제염 방법에 있어서는, 원자로 내에 오존 가스를 안정적이며 연속적으로 공급하고, 공급된 오존 가스에 의해 소정 농도 오존의 오존수를 효율적으로 생성하고, 이 오존수를 원자로 압력 용기 내 및 원자로 일차계 내를 순환시켜 원자로 일차계의 오염 대상물을 효율적으로 안정적으로 화학 제염하여 제염 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제1 실시 형태에 의한 오존을 이용한 화학 제염 방법의 산화 피막의 용해량과 pH의 관계를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 제1 실시 형태에 의한 오존을 이용한 화학 제염 방법의 이차 폐기물의 발생량을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 제2 실시 형태로서의 화학 제염 장치를 나타내는 계통도이다.
도 4는 도 3의 화학 제염 장치에 적용되는 오존 용해 믹서의 개략도이다.
도 5는 본 발명에 따른 화학 제염 장치에 적용되고, 오존을 이용한 화학 제염 방법의 용존 오존 농도의 분포도이다.
도 6은 본 발명에 따른 화학 제염 장치에 적용되고, 오존을 이용한 화학 제염 방법의 pH와 용존 오존의 자기 분해 상수의 관계도이다.
도 7은 본 발명에 따른 제3 실시 형태로서의 화학 제염 장치를 나타내는 것으로, 비등수형 원자로(BWR)의 원자로 압력 용기 내를 제염하기 위한 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제4 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
도 9는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제5 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
도 10은 원자로 내 각처에서의 용존 오존 농도를 측정한 그래프이다.
도 11A 및 도 11B는 오존 농도를 측정하는 원자로 내 각처의 측정 장소를 간략하게 각각 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제6 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
도 13은 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제7 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
도 14는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제8 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
도 15는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제9 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
도 11에 있어서 b: 노즐 흡입구에서의 오존 농도, c: 노즐 흡입구에서의 오존 농도, d: 노즐 흡입구에서의 오존 농도, e: 노즐 흡입구에서의 오존 농도, f: 노즐 흡입구에서의 오존 농도, g: 원자로 재순환계 토출구 노즐부에서의 오존 농도, h: 펌프 토출구에서의 오존 농도, i: 펌프 토출구에서의 오존 농도, j: 펌프 토출구에서의 오존 농도, k: 펌프 토출구에서의 오존 농도, 1: 펌프 토출구에서의 오존 농도.
<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>
본 발명에 따른 화학 제염 장치의 실시 형태에 대하여 첨부 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 화학 제염 장치는 pH 3 이하의 오존수를 이용하여 제염 대상물, 예를 들면 원자로 구성 재료의 표면에 부착된 방사성 물질을 포함하는 산화 피막을 효율적으로 분해하여 화학 제염하고, 이에 따라 원자로 구성 재료의 건전성을 유지하면서 제염 성능을 향상시킨 것이다.
[제1 실시 형태]
본 발명에 따른 제1 실시 형태로서의 화학 제염 방법은, 예를 들면 원자로 구성 재료의 제염 및 부식 억제에 적합한 것이다.
이 제염 방법에 있어서 원자로 구성 재료로서 니켈 기재 합금, 예를 들면 인코넬(Inconel) 182를 선정하고, 이 인코넬 시험편을 오존수에 침지시켜 부식 유무의 확인 시험을 행하였다.
제염 대상물로서, 예를 들면 인코넬 182 시험편의 크기는, 예를 들면, 30×10×2 mm3, 이 시험편의 침지 조건은 오존수의 용존 오존 농도 3 ppm, 온도 80 ℃, 침지 시간 10 h이다.
시험 매개 변수는
i) 산화 보조제 및 pH 조정제의 첨가제 없음,
ii) 산화 보조제로서 인산 20 ppm 첨가,
iii) pH 조정제로서 질산 40 ppm 첨가,
iv) 산화 보조제로서 인산 20 ppm 및 pH 조정제로서 질산 40 ppm 첨가,
를 이용하여 인코넬 시험편의 부식 유무의 확인 시험을 실시하였다. 산화 보조제는 제염 대상물의 모재 부식을 억제하는 것이고, pH 조정제는 물(제염액) 중의 용존 오존 농도를 높이기 위한 것이다.
인코넬 시험편의 표면은 오존수 침지 전후에 육안과 광학 현미경을 이용하여 관찰하였다. 인코넬 182 시험편의 오존수 침지 시험 결과를 표 1에 나타낸다.
Figure pat00001
10 h의 침지 후에, 첨가제가 없는 오존수와 질산 40 ppm 첨가한 오존수에 침지된 인코넬 시험편에는 피트상의 부식이 발생하였다. 상기 피트상 부식을 억제하기 위해서, 특허 문헌 1에서는 오존수에 인산을 첨가하였다. 인산을 20 ppm 첨가한 오존수에서는 부식하지 않는 것을, 이 부식 유무 시험에서도 확인하였다.
또한, 인코넬 시험편의 부식 유무 확인 시험에 있어서, 첨가제로서 인산 20 ppm과 질산 40 ppm을 첨가한 오존수에서도 부식하지 않는 것을 확인할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 산화 보조제로서 예를 들면 인산을, pH 조정제로서 예를 들면 질산을 첨가한 오존수는 인산의 부식 방지 효과에 의해 니켈 기재 합금의 부식을 억제할 수 있다. 니켈 기재 합금의 부식 억제 효과에 의해, 원자로 구성 재료, 예를 들면 원자력 발전소의 원자로 압력 용기 내 및 원자로 일차계를 제염한 후의 재료의 건전성을 확보하며 유지할 수 있다.
그러나 오존수의 산화력의 지표가 되는 산화 환원 전위는 하기 반응식 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 산성에서는 크고, 알칼리성에서는 작다.
[반응식 1]
<산화 용액 중>
O3+2H++2e=O2+H2O 2.07 vs SHE(25 ℃에서)
[반응식 2]
<알칼리성 용액 중>
O3+H2O+2e=O2+2OH- 1.24 vs SHE(25 ℃에서)
다음으로, 오존(O3)수 산화력의 pH 영향을 확인하기 위해서, 예를 들면 SUS304 시험편에 부여한 산화 피막의 용해 시험을 실시하였다.
산화 피막은 SUS304 시험편을 비등수형 원자로(BWR) 일차 냉각계의 수질 조건을 모의한 고온 고압하(288 ℃, 8.5 MPa, 산소 농도 : 200 ppb)의 물에 3000 시간 침지시켜 생성하였다. 산화 피막의 용해 시험 절차는, 산화 피막이 형성된 스테인레스강, 예를 들면 SUS304 시험편을 80 ℃의 오존수에 2 시간 침지시키고, 그 후 95 ℃, 200 ppm의 옥살산 수용액에 2 시간 침지시키고, SUS 시험편의 중량 경감을 측정하였다.
오존수의 처리 조건은 용존 오존 농도를 3 ppm으로 고정시키고, 오존수의 pH 3 내지 pH 5(인산과 질산의 첨가량으로 조정)의 범위에서 실시하였다.
SUS304 시험편의 산화 피막의 용해 시험 결과를 도 1에 나타낸다. 산화 피막의 용해량은 오존수의 pH가 작아짐에 따라서 커졌다. 그러나 오존수의 pH가 3 이하에서는, 대략 일정해지는 경향이 확인되었다.
pH 3의 오존수의 산화 피막의 용해량은 pH 5의 오존수의 용해량의 대략 5배였다. 상기 산화 피막의 용해 시험 결과로부터, 산화 피막의 용해량은 오존수의 pH가 3을 초과하면 점차 저하되는 것으로 판명되었다. 따라서, 오존수에 의한 산화 피막의 분해를 촉진시켜 제염 성능을 향상시키기 위해서는, 오존수가 pH 3 이하인 산성을 갖는 것이 바람직하다.
다음에, 제염 성능이 향상되는 pH 3의 오존수에 대해서, 본 실시형태와 종래의 화학 제염 방법으로부터 발생하는 이차 폐기물량을 시산(試算)하였다.
본 발명의 화학 제염 방법에서는, 산화 보조제로서 인산 20 ppm 및 pH 조정제로서 강산인 질산 40 ppm을 첨가함으로써 오존수의 pH가 3이 된다.
한편, 오존수를 인산만의 첨가로 pH 3으로 만드는 종래 방법에서는, 인산이 약산에 가까운 산이기 때문에, 기본 농도 조건(20 ppm)에 대하여 약 50배량, 예를 들면 약 1000 ppm을 첨가할 필요가 있다.
물 중의 인산 및 질산은 음이온 교환 수지 발생량을 본 실시형태 A와 비교하여 나타내는 것이다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에서는 음이온 교환 수지 발생량을 종래예 B의 1/25로 감소시킬 수 있다.
[제2 실시 형태]
도 3은 본 발명에 따른 제2 실시 형태에서의 화학 제염 장치를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 화학 제염 장치가 적용되는 BWR을 모의한 용존 오존 농도 확인 시험 장치를 나타낸다. 이 용존 오존 농도 확인 시험 시스템 (10)은 원자로 압력 용기를 모의한 원통형 탱크 (11)을 가지고, 이 탱크 (11) 내에 탱크 내의 물의 유동을 제어하는 대략 원통상 또는 슬리프상의 내부 구조물 (12)를 갖는다. 이 내부 구조물 (12)는 로심 슈라우드를 모의한 것이다. 원통 탱크 (11)의 탱크 용량은, 예를 들면 3.5 m3이다. 이 경우, 원통형 탱크 (11) 및 내부 구조물 (12)가 제염 대상물에 해당한다.
또한, 원통형 탱크 (11)의 내주 벽면에는, 탱크 (11) 내의 물의 용존 오존수 농도를 측정하기 위한 샘플링 노즐 (13a) 내지 (13f)가 복수 개소, 예를 들면 6 개소에 부착되어 있다. 원통형 탱크 (11) 내의 물은 A계 및 B계의 순환 계통 (15A), (15B)에 의해 순환되었다.
A계 순환 계통 (15A)를 흐르는 물은 A계 순환 펌프 (16)에 의해, A계 하부 흡입 배관 (17)과 A계 상부 흡입 배관 (18)으로 흡입되고, A계 토출 배관 (19)를 통해 원통형 탱크 (11) 내에 토출된다.
B계 순환 계통 (15B)도 A계 순환 계통 (15A)와 동일하게 구성되고, B계 순환 계통 (15B)를 흐르는 물은 B계 순환 펌프 (21)에 의해 B계 하부 흡입 배관 (22)와 B계 상부 흡입 배관 (23)으로 흡입되고, B계 토출 배관 (24)를 통해 원통형 탱크 (11) 내에 토출된다.
원통형 탱크 (11) 내의 물의 유동은, 탱크 (11) 내 하부에 분출된 물의 유동이 내부 구조물 (12)의 하측에서 반전되어 내부 구조물 (12) 내를 상측으로 이동하고, 물이 내부 구조물 (12)의 상부에 도달한 시점에, 원통형 탱크 (11)과 내부 구조물 (12) 사이의 환상 공간 (25) 내에서 아래쪽으로 이동하는 재순환류가 된다.
또한, 원통형 탱크 (11)의 바닥부에는, 다공질의 소결 금속 엘리멘트 (27)이 설치되고, 이 소결 금속 엘리멘트 (27)에는 오존 발생기 (28)로부터 발생하는 오존 가스(O3)를 엘리멘트 내부에 공급하는 가스 공급관 (29)가 접속되어 있다.
또한, A계 및 B계 순환 계통 (15A), (15B)의 A계 토출 배관 (19) 및 B계 토출 배관 (24)에는 A계 오존 용해 믹서 (31) 및 B계 오존 용해 믹서 (32)가 설치된다. A계 오존 용해 믹서 (31)에는, 오존 발생기 (28)로부터 발생하는 오존 가스를 공급하는 A계 가스 공급관 (33)이, 또한 B계 오존 용해 믹서 (32)에는 동일하게 하여 B계 가스 공급관 (34)가 각각 접속된다.
오존 용해 믹서 (31), (32)는 A계와 B계 모두 동일한 구성, 기능을 갖기 때문에 A계 오존 용해 믹서 (31)을 하기에서 예로서 설명한다.
도 4는 A계 오존 용해 믹서 (31)의 구성을 나타낸다. A계 오존 용해 믹서 (31)은 A계 토출 배관 (19)의 일부에 설치되는 대략 T자 관상의 홀더 (36)과 이 홀더 (36)에 수납되는 다공질의 소결 금속 엘리멘트 (37)을 구비한다. 홀더 (36)은 관 접속 플랜지인 외주 플랜지 (38a), (38b)에 의해 A계 토출 배관 (19)에 접속된다.
또한, 원통형 탱크 (11)의 바닥부에 접지되는 소결 금속 엘리멘트 (27) 및 A계 오존 용해 믹서 (31)의 소결 금속 엘리멘트 (37)은 한쪽을 봉하고, 다른쪽을 가스 공급 배관 (29) 및 A계 가스 공급관 (33)에 각각 접속되어 엘리멘트 내부에 오존 가스가 공급된다. B계 오존 용해 믹서 (32)의 소결 금속 엘리멘트도 A계 소결 금속 엘리멘트 (37)과 동일하다. T자 관상 홀더 (36)은 그의 중앙 개구가 덮개형 플랜지 커버 (39)로 덮힌다. A계 가스 공급관 (33)은 홀더 (36) 상부의 덮개형 플랜지 커버 (39)에 고정된다.
소결 금속 엘리멘트 (27) 및 (37)은 스테인레스제와 브론즈제가 알려져 있다. 도 4에 나타내는 실시 형태에서는, 내약품성을 고려하여 스테인레스강제, 예를 들면 SUS316L을 이용하였다. 소결 금속 엘리멘트 (27), (37)에 형성되는 기공 최소 직경은 φmin이, 예를 들면 63 ㎛, 최대 φmax가, 예를 들면 850 ㎛ 이다. 이 실시 형태에서는, 미세한 오존 가스 기포를 생성하여 오존 가스를 물 중에 효율적으로 신속하게 용해시키기 위해서, 기공 직경이 가능한 한 작은, 예를 들면 기공 직경 φmin=63 ㎛의 것을 이용한다.
도 3 및 도 4에 나타낸 용존 오존 농도 확인 시험 시스템 (10)을 이용하여 원통형 탱크 (11) 내의 물 중에 오존 가스를 용해시키는 시험을 실시하였다.
이 용존 오존 농도 확인 시험 장치 (10)에 의한 오존 가스 용해 시험에 이용되는 여러 가지 조건은 다음과 같다.
원통형 탱크 (11) 내의 물의 조건은, 액량이, 예를 들면 3.5 m3, 온도가 80 ℃, 산화 보조제로서 인산 20 ppm과 pH 조정제로서 질산 40 ppm을 첨가하여, 오존수의 pH를 3으로 조정하였다.
물의 유동 조건은 A 계통 및 B 계통이 모두, 예를 들면 80 m3/h이며 합계 160 m3/h이다.
오존 가스의 공급 조건은 기상 오존 농도가, 예를 들면 120 g/m3, 오존 가스 공급량은 A 계통 및 B 계통이 모두, 예를 들면 45 g/h이며, 합계 90 g/h이다.
원통형 탱크 (11) 내의 물의 조건, 유동 조건 및 오존 가스 공급 조건을 상술한 예로 설정한 경우의 용존 오존 농도의 측정 시험 결과를 도 5에 나타낸다.
도 5에 나타내어진 횡축은 도 3에 나타내어진 샘플링 장치(샘플링 노즐 (13a) 내지 (13f)의 설치 위치)를, 종축은 물 중의 용존 오존 농도를 각각 나타낸다.
도 5에 있어서, ○ 표시는 A계 및 B계 오존 용해 믹서 (31), (32)로부터 오존 가스를 공급한 경우, △ 표시는 원통형 탱크 (11)의 바닥부에 설치한 소결 금속 엘리멘트 (27)로부터 오존 가스(O3)을 공급한 경우의 용존 오존 농도를 각각 나타낸다.
A계 및 B계 토출 배관 (19), (24)에 설치한 오존 용해 믹서 (31), (32)로부터 오존 가스(O3)를 외부의 물 중에 공급한 경우, 용존 오존 농도는, A계 및 B계 토출 배관 (19), (24)의 토출부 근방(13a, 13b)에서 2.5 ppm이며, 그 이후에는 물 유동에 따라서 저하되는 경향을 나타낸다. ○ 표시로 나타낸 바와 같이, 최하류인 13f에서는 용존 오존 농도가 1.9 ppm까지 저하하였다.
한편, 원통형 탱크 (11)의 바닥부에 설치한 소결 금속 엘리멘트 (27)로부터 오존 가스(O3)을 수 중에 공급한 경우, 용존 오존 농도는 △ 표시로 나타낸 바와 같이 0.6 내지 0.8 ppm의 범위에서 추이하였다.
도 5에 나타내어진 용존 오존 농도 추이 결과로부터, 오존 가스(O3)를 물 중에 효율적이며 효과적으로 용해시키기 위해서는, A계 및 B계 토출 배관 (19), (24)와 같이 좁은 공간을 흐르는 물에 오존 가스를 공급하여, 물과 오존 가스를 완전 혼합에 가까운 상태로 들어가게 하는 것이 효과적인 것으로 판명되었다.
오존 가스를 효율적으로 용해시키는 엘리멘트로서는, 특허 문헌 3에 기재되어 있는 수지제 다관식 중공사막 엘리멘트 또는 세라믹(알루미나)제 산기관이 있다. 단, 수지제 엘리멘트나 세라믹제 산기관은 금속관과 비교하여 파손되기 쉬운 문제가 있다.
본 실시 형태에서는 기계적 강도가 강하고 내압이 큰 다공질의 소결 금속 엘리멘트 (37)을 A계 및 B계 오존 용해 믹서 (31), (32)에 적용한 것이다. 소결 금속 엘리멘트 (37)에는, 기공 직경이 작은 것이 바람직하게 사용된다. 소결 금속 엘리멘트 (37)은 물의 여과, 액체의 발포 또는 교반에 일반적으로 사용되지만, 도 5의 오존 가스 용해 시험 결과에 나타낸 바와 같이 오존 가스를 효율적이며 능률적으로 물에 용해시키는 믹서로서 사용할 수 있다.
한 실시형태에 있어서 물 중의 용존 오존은 산성 용액 중에서 비교적 안정적이다. 그러나, 물 중의 산성도가 저하되거나, pH의 상승이나 온도 상승에 따라서 용존 오존이 급속히 분해되는 것으로 알려져 있다. 문헌["오존 핸드북" 일본 오존 협회, 2004년]에 따르면, 오존의 자기 분해 반응 차수는 1.0 내지 2.0(무차원)의 범위라고 보고되어 있다. 단, 취득 데이터의 온도 조건은 60 ℃ 이하인 것이 대부분이다.
이 실시형태에서는 도 3 및 도 4에 나타낸 용존 오존 농도 확인 시험 장치를 이용하여 오존수의 제염 조건인 80 ℃에서의 용존 오존의 자기 분해 속도 차수를 측정하여 취득하였다.
용존 오존의 자기 분해 속도 상수(정수)의 측정 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6은 오존의 자기 분해 반응이 1차식에 따른다고 설정하여 정리한 것으로, 자기 분해 속도 상수(정수)의 pH 의존성을 나타내는 것이다.
용존 오존의 자기 분해 속도 상수(정수)는 pH의 상승에 따라서 직선적으로 커지는 경향이 존재한다(확인된다). 인산 및 질산으로 조정한 pH 3의 오존수의 분해 속도 상수(정수)는 인산만으로 조정한 pH 3.5의 오존수의 약 1/2, 인산만으로 조정한 pH 4의 약 1/10인 것으로 판명되었다.
이로부터, 오존을 물에 효율적으로 용해시키더라도, pH가 크면 오존 공급 장치로부터 떨어진 장소의 용존 오존 농도는 크게 저하되는 것을 알았다.
제염 대상물을 원자로 전체로 한 대규모 화학 제염에, 오존을 이용한 화학 제염을 적용하는 경우, 오존수의 pH를 감소시킴으로써 용존 오존 농도의 저하를 방지할 수 있고, 균일한 화학 제염이 가능해진다.
본 실시형태에서는 오존수에 산화 보조제로서, 예를 들면 인산 또는 인산염, 또한, pH 조정제로서, 예를 들면 질산을 첨가하고, A계 및 B계 토출 배관 (19), (24)에 설치한 소결 금속 엘리멘트 (37)로부터 관내를 흐르는 물 중에 오존 가스를 공급하는 것이고, 이 오존 가스의 공급에 의해 오존의 효율적인 용해와 용존 오존의 자기 분해를 억제할 수 있기 때문에, 적절한 오존 가스 공급량으로 큰 화학 제염 효과를 얻을 수 있다.
[제3 실시 형태]
도 7은 본 발명에 따른 제3 실시 형태로서의 화학 제염 장치를 나타낸 개략도이다.
이 실시 형태는 비등수형 원자로(BWR)의 원자로 압력 용기 (50)을 오존에 의해 제염하는 화학 제염 장치 (51)을 나타내는 것이다.
원자로 압력 용기 (50) 내에는 원자로 로심 (53)이 설치되고, 이 원자로 로심 (53) 내의 로심 지지판 (54) 및 상부 격자판 (55)에 의해 다수의 연료 집합체가 지지된다. 또한, 원자로 로심 (53)에 제어봉 구동 기구 (56)에 의해 제어봉(도시하지 않음)이 출입된다. 도 7에는 연료 집합체 및 제어봉, 증기 분리기, 증기 건조기 등의 로 내 기기를 제거한 상태를 나타낸다.
원자로 로심 (53)은 로심 슈라우드 (57)로 둘러싸고, 이 로심 슈라우드 (57)과 원자로 압력 용기 (50) 사이의 환상 공간인 다운커머부 (58)에 제트 펌프 (59)가 설치된다. 제트 펌프 (59)는 다운커머부 (58)의 주위 방향에 간격을 두고 복수대 설치된다.
또한, 원자로 압력 용기 (50)의 하부에는 2계통의 원자로 재순환계 (60)이 설치되어 있고, 원자로 재순환계 (60)의 재순환계 배관 (61)에는 재순환 펌프 (62)가 각각 설치된다. 원자로 재순환계 (60)의 재순환 펌프 (62)의 구동에 의해, 원자로 압력 용기 (50) 내의 로수는 재순환계 배관 (61)을 통해 원자로 압력 용기 (50) 내로 복귀되고, 제트 펌프 (59)에 의해 주위의 로수를 감아넣어 하강하고, 로심 하부 플래넘 (64)로 유도된다. 원자로 압력 용기 (50)의 바닥부에는, 이 바닥부를 관통하여 제어봉 구동 기구 하우징 (65)가 설치된다.
또한, 다운커머부 (58)에 설치되는 제트 펌프 (59)의 상부 근방에는, 다공질의 소결 금속 엘리멘트 (66)이 설치된다. 이 소결 금속 엘리멘트 (66)은 제트 펌프 (59)의 상부 근방에서 원자로 압력 용기 (50)의 내주벽을 따라서 복수개 설치된다. 각 소결 금속 엘리멘트 (66)은 오존 발생기 (67)에 오존 가스 공급 배관 (68)을 통해 접속된다. 오존 발생기 (67)에서 생성된 오존 가스(O3)는 오존 가스 공급 배관 (68)을 통해 소결 금속 엘리멘트 (66)의 엘리멘트 내부에 공급되고, 이 각 엘리멘트 (66)으로부터 엘리멘트 외부로, 구체적으로는 원자로 압력 용기 (50) 내의 다운커머부 (58)을 향해 오존 가스를 공급하는 것이다. 공급된 오존 가스는 제트 펌프 (59)에 주변의 로수와 함께 흡입되고, 로심 하부 플래넘 (64)로 유도된다.
다음에, 본 실시 형태에 따른 오존에 의한 화학 제염 장치 (51)의 작용을 설명한다.
원자로 압력 용기 (50)에 물(이하, 오존수라 함)을 채우고, 원자로 재순환계 (60)의 재순환 펌프 (62)를 정격 운전시의, 예를 들면 20 ％의 회전 속도로 운전한다.
오존수에는, 산화 보조제로서 예를 들면 인산 20 ppm과 pH 조정제로서, 예를 들면 질산을 첨가하여 오존수의 pH를 3 이하, 예를 들면 3으로 조정한다. 그 다음, 원자로 압력 용기 (50) 내의 물(오존수)을 약 80 ℃로 가온시킨다.
그 후, 화학 제염 장치 (51)의 오존 발생기 (67)로부터 오존 가스를 발생시키고, 발생한 오존 가스를, 오존 가스 공급 배관 (68)을 통해 제트 펌프 (59)의 상부 근방에 설치된 소결 금속 엘리멘트 (66)에 공급한다.
오존 가스는 소결 금속 엘리멘트 (66)의 엘리멘트 내부에 공급되고, 공급된 오존 가스는 소결 금속 엘리멘트 (66)의 미소한 기공을 통해 엘리멘트 외부의 오존수에 공급되고, 오존수 중에서 미세 기포가 된다. 오존 가스는 오존수 중에서 미세 기포가 되어 제트 펌프 (59)에 흡입되고, 로수와 혼합되어 일부 로수에 용융되어 로 바닥부의 로심 하부 플래넘 (64)에 토출되고, 이 유동이 로심 하부 플래넘 (64)에서 반전되어 원자로 로심 (53)으로 이동된다.
오존 가스가 원자로 로심부의 상부 격자판 (55)에 도달한 후, 일부 오존 가스는 기상으로 산일(散逸)하여 배기 가스 처리계(도시하지 않음)로 이동하였다. 그 밖의 오존 가스 기포는 로심 슈라우드 (57)과 원자로 압력 용기 (50)의 내주 벽면 사이의 다운커머부 (58)을 아래쪽으로 이동하고, 원자로 재순환계 (60)을 통과하여 다시 제트 펌프에 흡입된다.
원자로 압력 용기 (50) 내의 오존 가스 기포의 유동 상태는 도 3에 나타내어진 예와 실질적으로 동일하기 때문에, 오존 가스는 제트 펌프 (59)에 의해 효율적으로 물에 용해된다.
실제 기기의 BWR의 원자로 압력 용기 (50)을 화학 제염하는 경우, 원자로 압력 용기 (50) 내에서의 보유 수량은 800 내지 1100 MWe급으로 300 내지 400 m3이다. 제2 실시 형태에 나타내어진 도 3의 예의 용존 오존 농도 확인 시험에서는, 원통형 탱크 (11) 내의 용존 오존 농도는 3.5 m3의 물에 오존 가스를 90 g/h 공급함으로써 용존 오존 농도를 2.0 내지 2.5 ppm의 범위로 유지할 수 있다.
실제 기기의 BWR에서는 원자로 압력 용기 (50) 내의 보유 수량이 약 100배이기 때문에, 실제 기기의 원자로 압력 용기 (50) 내의 용존 오존 농도는 오존 가스 공급량을 9000 g/h 이상이며 오존수 유량 내에서 2 ppm 이상으로 할 수 있다.
이 오존을 이용한 화학 제염 장치 (51)에 있어서는, 오존수에 산화 보조제로서, 예를 들면 인산 또는 인산염을, pH 조정제로서, 예를 들면 질산을 첨가함으로써, 예를 들면 원자로 구성 재료를 화학 제염 대상물로 하는 경우에도, 원자로 구성 재료의 건전성을 유지할 수 있다.
또한, 오존수를 산화 보조제 및 pH 조정제의 첨가에 의해 조정하여 pH 3 이하로 함으로써 용존 오존 농도가 향상되고, 또한 용존 오존의 자기 분해가 억제되기 때문에 제염 성능이 향상된다.
미세 기공, 예를 들면 수십 ㎛ 내지 수백십 ㎛의 기공 직경을 갖는 소결 금속 엘리멘트를, 제염액이 순환하는 배관, 예를 들면 원자로 재순환계 (60)의 토출 배관 또는 제트 펌프 (63)의 흡입구 근방에 설치하고, 소결 금속 엘리멘트로부터 오존 가스를 공급한다. 이 방식에 있어서, 제염액 중에 오존 가스를 효율적으로 용해시킬 수 있어 충분한 제염 성능이 얻어진다.
이 오존을 이용한 화학 제염 장치 (51)에서는, 제염액인 오존수에 pH 3 이하의 조건을 만족시키며 화학 제염 대상물인, 예를 들면 원자로 구성 재료의 부식을 효율적이며 효과적으로 억제 가능하고, 또한 부식을 억제하는 첨가제를 최적화할 수 있으며, 원자로 구성 재료의 건전성을 유지하여 제염 성능을 향상시킬 수 있다.
[제4 실시 형태]
도 8은 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제4 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
상기 로 내 화학 제염 장치 (110)은 원자력 발전 플랜트의 원자로 기기나 각종 배관 등의 제염 대상물을 화학 제염하는 것이고, 제염 대상물로서 비등수형 원자력 발전 플랜트의 원자로 압력 용기 (111), 원자로 재순환계 (112)의 배관 (113)이나 재순환 펌프 (114) 등, 원자로 일차계의 제염 대상물이 있다. 제염 대상물에는 비등수형 원자로(BWR, ABWR)의 원자로 용기 및 원자로 일차계 뿐 아니라 가압수형 원자로의 원자로 용기나 원자로 일차계가 있다. 원자로 재순환계 (112)는 통상 2계통 설치되고, 원자로 압력 용기 (111)에 구비된다.
비등수형 원자로는 원자로 압력 용기 (111) 내에 로심 슈라우드 (116)이 설치되고, 로심 슈라우드 (116) 내에 로심 (117)이 형성된다. 로심 (117)은 로심 지지판 (118)과 상부 격자판 (119)에 의해 지지된다. 로심 (117)의 하단부에는 로심 하부 플래넘 (121)이 설치되고, 그 상측에 로심 상부 플래넘 (122)가 설치된다.
원자로 압력 용기 (111)과 로심 슈라우드 (116) 사이의 간극은 슬리브상 또는 환상의 어뉼러스부(annulus portion) (123)으로서 형성된다. 어뉼러스부 (123)에는 주위 방향을 따라서 복수대, 즉, 6쌍 12대 내지 10쌍 20대의 제트 펌프 (124)가 설치된다. 제트 펌프 (124)는 재순환 배관 (113)으로부터 분지되는 헤더 배관 (125)에 흡입구 노즐 (115b)를 통해 접속되는 제트 펌프 라이저관 (126)과, 이 제트 펌프 라이저관 (126)을 상승하는 상승류를 반전시켜 두 갈래로 갈라지는 제트 펌프 노즐 (127)과, 이 펌프 노즐 (127) 주위에 형성되는 제트 펌프 (124) 흡입구로부터 계통수(로수)을 흡입하여 혼합시키는 트롯(throat)부(혼합실) (128)과, 혼합된 물을 로심 하부 플래넘 (121)로 안내하는 디퓨저 (129)를 갖는다.
또한, 로 내 화학 제염 장치 (110)은 원자로 압력 용기 (111)의 하부 외측에 부설되는 가설 제염 루프 (130)을 구비한다. 가설 제염 루프 (130)은 원자로 압력 용기 (111)의 바닥부에 설치된 제어봉 구동 기구(CRD)의 제어봉 하우징 (131)에 접속되는 가설 순환 라인 (132)와, 이 가설 순환 라인 (132)에 설치된 순환 펌프 (133)과 화학 제염 설비 (134)를 가지고, 화학 제염 설비 (134)의 하류측은 가설 스프레이 링 (135)에 접속되어 제염제 공급 수단을 구성한다. 가설 스프레이 링 (135)는 원자로 압력 용기 (111)의 상부에 부착되고, 화학 제염 작업시에 스프레이 링 (135)로부터 옥살산 등의 제염액을 원자로 압력 용기 (111) 내에 산포한다.
가설 순환 루프 (130)은 순환 펌프 (133)을 사용하여 원자로 압력 용기 (111)의 하부로부터 가설 순환 라인 (132)를 통과시켜 제염액을 제거하고, 제거된 제염액은 화학 제염 설비 (134)에 보내지게 된다. 화학 제염 설비 (134)는 화학적으로 제염을 행하는 기기이고, 예를 들면 가열용 히터, 방사능 수집을 행하는 이온 교환 수지탑, 제염 종료 후에 제염제를 분해하는 제염제 분해 장치, 및 옥살산 등의 제염제(액)을 주입하는 약액 주입 펌프 등으로 구성된다.
화학 제염 설비 (134)로부터의 제염액은 스프레이 링 (135)를 통해 원자로 압력 용기 (111) 내에 상측으로부터 산포된다. 가설 순환 루프 (130)은 화학 제염 설비 (134)를 구비하여 제염액 공급 수단을 구성한다.
또한, 로 내 화학 제염 장치 (110)에는, 원자로 압력 용기 (111) 내부나 로심 슈라우드 (116), 로심 지지판 (118), 상부 격자판 (119)의 로 내 구조물, 제트 펌프 (124) 등의 로 내 기기나 원자로 재순환계 (112)의 원자로 일차계 내의 제염 대상물을 화학 제염한다. 제염 효율을 높이기 위해, 원자로 압력 용기 (111) 내의 로 내 유동에 필요한 원자로 재순환 펌프 (114)의 운전을 행한다. 제트 펌프 (124)는 오존 공급 수단 (140)으로부터 공급된 오존 가스를 혼합하여 오존수를 발생시키는 오존수 발생 수단을 구성하고, 원자로 재순환계 (112)는 발생한 오존수를 원자로 일차계의 계통 내에서 순환시키는 오존수 순환 수단을 구성한다.
원자로 재순환 펌프 (114)를 연속 운전함으로써 원자로 압력 용기 (111) 내의 오존수 또는 제염액은 원자로 재순환계 (112)를 통과하고, 그 재순환계 배관 (113)으로부터 제트 펌프 라이저 (126) 배관에서 상승하여 제트 펌프 (124)의 펌프 노즐 (127)로부터 주위의 물을 감아넣어 로심 하부 플래넘 (121)에 토출한다. 로심 하부 플래넘 (121)에 토출된 제염액은 여기서 반전되어 로심 슈라우드 (116) 내를 상승하고, 다시 어뉼러스부 (123)으로 유도된다. 어뉼러스부 (123)으로 유도된 제염액은 하강하여 어뉼러스부 (123) 하부에 설치된 원자로 재순환계 (112)로 다시 주입된다. 원자로 압력 용기 (111) 내의 로 내 구조물이나 로 내 기기, 원자로 재순환계 (112)는 원자로 일차계를 구성한다.
화학 제염에 이용되는 제염액에는 통상 옥살산 등의 유기산이 이용되고, 이 유기산의 제염액(제염제)이 환원 제염 공정에서 이용된다. 환원 제염 공정의 실시에 의해, 철의 산화물 및 이 산화물에 취입되는 Co-60, Co-58 등의 방사능을 제염액 중에 용출(용해)시킨다.
한편, 원자로 압력 용기 (111)의 상측에는, 원자로 압력 용기 (111) 내에 오존 가스를 공급하는 오존 공급 수단 (140)이 설치된다. 오존 공급 수단 (140)은 오존 발생 장치를 구성하는 오조나이저 (141), 오조나이저 (141)에서 생성된 오존(O3) 가스가 공급되는 오존 공급관(산기관 도관) (142) 및 이 오존 공급관 (142)의 말단부에 접속되는 오존 산기관 (143)을 갖는다.
오존 산기관 (143)은 원자로 압력 용기 (111)의 상측, 예를 들면 오퍼레이션 플로어(도시하지 않음)로부터 늘어뜨려 선단이 어뉼러스부 (123)으로 안내되고, 제트 펌프 (124)의 제트 펌프 노즐 (127)의 상측 근방에 입설(立設) 상태로 설치된다. 오조나이저 (141)에서 생성된 오존 가스는, 제트 펌프 노즐 (127)의 흡입구(트롯) 근방에 개구하는 오존 산기관 (143)으로부터 분출되도록 되어 있다. 오존 산기관 (143)은 원자로 압력 용기 (111) 내에서 선단이 어뉼러스부 (123)을 향하도록 복수개, 예를 들면 6개 내지 12개, 주위 방향에 배치된다.
한편, 원자로 압력 용기 (111)에 수용되는 제염액에 의한 제염 대상물인 로 내 구조물, 로 내 기기 및 원자로 재순환계 (112)의 원자로 일차계 금속 표면에 부착된 방사능의 용해가 수습된 후에, 옥살산 등의 제염제로 산화 철 등의 금속 산화물을 용해시키고, 분해·정화하는 한편, 오존 공급 수단 (140)을 작동시켜 산화 피막을 용해시키는 산화 처리를 행하는 산화 공정으로 이행된다.
화학 제염에서의 산화 처리는 제염 대상물의 금속 표면 내층의 크롬 산화물에 취입된 방사능을 용해시킨다. 도 8에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110)에서는 소정 오존 농도가, 예를 들면 1 ppm 이상인 오존수가 산화제로서 이용된다.
오존은 자기 분해성이 있는 기체이며 단수명이기 때문에, 오존 공급 수단 (140)으로부터 원자로 압력 용기 (111) 내의 물 중에 오존 가스를 계속 주입할 필요가 있다. 오존 가스는 오조나이저 (141)에서 발생시키고, 오존 산기관 (143)을 통과하여 산기되고, 로 내에 주입된다.
오존 가스의 주입점은, 어뉼러스부 (123)의 상부에 원자로 재순환 펌프 (114)의 로 내 유동과 함께 제트 펌프 (124)에 강제적으로 흡입시킨다. 오존 산기관 (143)의 설치 위치는 제트 펌프 (124)의 흡입구(트롯)에 최대한 가까운 것이 바람직하지만, 오존 가스 압력의 수심을 넘어 안정적으로 주입시키기 위해서, 가압 펌프 등의 승압 장치가 없는 경우에는 로심 슈라우드 (116)의 상단으로부터 소요 거리, 예를 들면 1 m 정도의 범위 내에 설치된다. 오존 산기관 (143)은 제트 펌프 (124)의 상부 근방에서 어뉼러스부 (123)의 상측에 있어서 주위 방향에 복수개, 예를 들면 수개 내지 십수개 설치된다.
오존수에 의한 산화 처리의 목적은, 제염 대상물 내층의 크롬 함유율이 높은 산화 피막의 용해이고, 크롬을 포함하는 산화 피막의 용해가 수습되면, 오존수에 의해 산화 처리를 행하는 산화 공정은 종료된다. 산화 공정이 종료되어도 오존의 분해를 특별히 행할 필요가 없고, 오존의 자기 분해성에 맡겨지거나, 그 후의 환원 공정에서 옥살산을 주입함으로써 처리한다.
한편, 도 8에 있어서 부호 145는 원자로 급수계에 헤더 배관을 통해 접속된 급수 분산기(sparger)이고, 부호 146은 로심 스프레이 배관이다.
다음에, 로 내 화학 제염 장치의 작용, 즉 로 내 화학 제염 방법을 설명한다.
로 내 화학 제염 장치 (110)을 원자로 압력 용기 (111)에 설치하여, 원자로 압력 용기 (111)이나 로 내 구조물, 로 내 기기, 원자로 재순환계 (112)의 원자로 일차계의 제염 대상물을 대규모로 화학 제염하는 작업은, 원자로의 운전을 정지시킨 정기 정검시 또는 보수 점검시에 행해진다.
화학 제염 작업은 원자로 일차계 계통수를 순환시키는 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (1)을 운전시켜 원자로 압력 용기 (111) 내에 유동을 발생시키는 한편, 오존 공급 수단 (140)을 설치하고, 오존 산기관 (143)을 로 내 어뉼러스부의 상부 또는 상측에 설치함으로써, 오존 발생 장치인 오조나이저 (141)에서 생성된 오존 가스는 제트 펌프 (124)의 흡입구에 효율적으로 주입되고, 원자로 압력 용기 (111) 내를 순환하게 된다. 즉, 발생한 오존 가스는 제트 펌프 (124) 흡입구로부터 흡입되고 디퓨저 (129)에 의해 혼합실 (128) 및 내의 펌프수와 혼합되어 오존수를 발생시킨다. 발생한 오존수는 로심 하부 플래넘 (121)로 주입된다. 로심 하부 플래넘 (121)로 주입된 혼합류(오존수)는 여기서 반전되어 로심 슈라우드 (116) 내로 유도되고, 로심 슈라우드 (116) 내에서 상승류가 된다.
원자로 압력 용기 (111) 내의 어뉼러스 상부에서는, 로심 슈라우드 (116) 내를 상승해 온 상승류가 반전되어 하강류가 되고, 제트 펌프 (124)의 흡입부(제트 펌프 입구 믹서)에 흡입된다. 주입된 오존 가스는 제트 펌프 (124)의 흡입부에 거의 감겨들어가 흡입된다. 이 때문에, 어뉼러스부 (123)의 하부에 설치되는 원자로 재순환계 (112)의 토출구(토출구 노즐 (115a))에는 오존이 기포 상태로 주입되지는 않는다. 이 때문에, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)에 펌프 공동이 생길 우려가 없다.
어뉼러스부 (123)을 구성하는 원자로 압력 용기 (111)의 내주벽이나 로심 슈라우드 (116)의 외주벽에 형성된 산화 피막은, 오존 가스를 혼입한 하강류(오존수)에 의해 용해되고 제거된다.
또한, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)에는 오존 가스의 기포는 도달하지 않는다. 재순환 펌프 (114)에는 오존이 순환수에 용해된 오존수만이 주입되기 때문에, 재순환 펌프 (114)의 재순환 배관 (113) 내를 오존수에 의해 양호한 효율로 제염하고, 산화 피막을 용해시킬 수 있다.
또한, 제트 펌프 (124)의 흡입부로부터 혼합실 (128)을 통과하여 디퓨저 (129)로 주입된 오존 가스의 기포는, 혼합하여 교반되어 오존수가 되어 원자로 바닥부(로심 하부 플래넘)에 토출되고, 로 바닥부의 산화 피막을 산화 용해시킨다. 이 산화 용해 후, 오존수는 로 내 구조물인 로심 지지판 (118), 로심 슈라우드 (116) 내주벽 및 상부 격자판 (119)과 순차적으로 접촉하여, 표면에 형성된 산화 피막을 순차 용해시킨다. 한편, 믹싱 효과에 의해서도 용해시킬 수 없었던 잉여 오존 가스는 로 중앙의 수면에서 기상부로 이행하여, 외부로 배기되도록 되어 있다.
상기 로 내 화학 제염 장치 (110)에 따르면, 대규모인 로 내 화학 제염 작업에서도, 소정 오존 농도의 오존수가 원자로 압력 용기 (111) 내 및 원자로 재순환계 (112) 전체와 원자로 일차계에 효율적으로 널리 퍼져 순환시킬 수 있기 때문에, 로 내 구조물 및 로심 외부의 재순환 배관에 생성된 산화 피막을 효율적으로 용해시킬 수 있다.
오존수의 산화 피막의 용해 공정과 전후하여 제염제, 예를 들면 옥살산을 이용한 제염액의 환원 제염 공정을 조합함으로써, 원자로 내의 로 내 구조물이나 원자로 재순환계 (112)의 방사화를 제외한 방사선이 제거되어 방사선량의 대폭 감소를 도모할 수 있다.
[제5 실시 형태]
도 9는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제5 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
도 9는 비등수형 원자력 발전 플랜트에 구비되는 원자로 압력 용기 (111) 내의 평단면도를 나타내는 것으로, 원자로 압력 용기 (111), 로심 슈라우드 (116), 제트 펌프 (124) 및 오존 산기관 (143)의 배치 관계를 나타내는 평면도이다. 도 9는 원자로 압력 용기 (111)과 로심 슈라우드 (116) 사이에 형성되는 어뉼러스부 (123)에 20대 (10쌍)의 제트 펌프 (124)를 설치한 예를 나타낸다. 제트 펌프 (124)는 어뉼러스부 (123)의 주위 방향에 소정의 간격을 두고 설치된다.
쌍을 이루는 제트 펌프 (124)의 상측 근방에 오존 가스 공급 수단 (140)을 구성하는 오존 산기관 (143)이 설치된다. 원자력 발전 플랜트의 원자로 압력 용기 (111) 내의 구성이나 원자로 재순환계, 제염액 공급 장치로서의 가설 제염 루프의 구성은 제4 실시 형태에 나타내어진 것과 다르지 않기 때문에, 동일한 부호를 붙여 이들의 도시 및 구성의 설명을 생략 또는 간략화한다. 한편, 부호 142는 오존 산기관 (143)에의 산기관 도관(오존 공급관)이고, 부호 150은 액세스 홀 커버이다.
도 9에 나타내어진 로 내 화학 세정 장치 (110A)에서도, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)의 구동에 의해 원자로 압력 용기 (111) 내의 계통수 흐름은, 원자로 재순환계 (112)로부터 헤더 배관(링 헤더)을 통해 제트 펌프 (124)의 라이저관 (126)을 상승하고, 제트 펌프 노즐 (127)에서 두 갈래로 분지되며 1쌍 2대의 제트 펌프 (124)로 유도된다.
한편, 오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)은 10쌍의 제트 펌프 노즐 (127)의 상부 근방 또는 바로 윗쪽에 구비된다. 오존 산기관 (143)을 제트 펌프쌍에 대응시켜 각각 분할시킨 것은, 어뉼러스부 (123)의 상측에 급수 분산기 (145)나 로심 스프레이 배관 (146)이 있고, 로심 슈라우드 (116)의 외측에도 장착 브라켓(bracket) 등의 설치상의 간섭물이 있고, 이들 간섭물과 간섭을 발생시키지 않기 위해서이다.
오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)으로부터 주입되는 오존 가스는, 각각 쌍을 이루는 제트 펌프 (124)의 흡입구에 주위의 로수와 함께 흡입되고, 트롯부(혼합실) (128)로 주입되어 교반되고, 혼합된다. 이 혼합물은 디퓨저 (129)를 지나 로심 하부 플래넘 (121)로 토출된다.
또한, 어뉼러스부 (123)으로 유도된 로수는 하강류가 되어 어뉼러스 하부의 원자로 재순환계 (112)의 토출구로 주입되지만, 원자로 재순환계 (112)로 주입되는 로수에는 오존 산기관 (143)으로부터 분출되는 오존 가스는 거의 포함되지 않는다. 이 때문에, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)에 공동의 발생을 우려할 필요가 없다.
또한, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)에는 오존 가스의 기포가 도달하지 않지만, 소정 농도의 용존 오존을 함유한 오존수가 순환되어 오기 때문에, 제염 효과가 나빠지지도 않는다.
재순환 펌프 (114)로부터 토출되는 오존수가 제트 펌프 (124)로 유도되고, 이 제트 펌프 (124)의 펌프 노즐 (127)로부터 토출되었을 때, 오존 가스와 함께 주위의 로수(로 내 순환수)를 감아넣고, 제트 펌프 (124)의 혼합실 (128)로 유도된다. 혼합실 (128)로 안내된 오존 가스는 혼합 효과로 물 중에 용해되고, 디퓨저 (129)로부터 로심 하부 플래넘 (121)로 유도되며, 여기서 로 바닥부의 산화 피막을 산화 용해시킨 후, 로 내 구조물인 로심 지지판 (118), 슈라우드 내주벽, 상부 격자판 (119)의 산화 피막을 순차 용해시킨다.
잉여 오존 가스는 로 중앙의 수면에서 기상부로 이행하여 배기된다.
오존 산기관 (143)이 설치되지 않은 원자로 압력 용기 (111)의 어뉼러스부 (123)의 0°, 180°의 위치에, 원자로 재순환계 (111)의 토출구 노즐이 설치되고, 이 어뉼러스부 (123)의 하강류가 편향류가 되어 토출구 노즐로 진행되기 때문에, 어뉼러스부 (123)의 0°, 180°의 위치에 오존 산기관을 설치할 필요는 없다.
제5 실시 형태에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110A)에서도, 대규모인 로 내 화학 제염 작업을 실시할 수 있다. 이 화학 제염 작업에서도, 소정 오존 농도의 오존수를 원자로 압력 용기 (111) 및 원자로 재순환계 (112)의 원자로 일차계 전체로 공급될 수 있다.
원자로 압력 용기 (111)의 로 내 구조물, 로 내 기기 및 로심 외의 원자로 재순환계 (112)에 생성된 산화 피막을 효율적으로 용해시킬 수 있다.
도 10의 파선은, 오존 산기관 (143)을 10개 설치한 경우의 오존 농도 평가점(원자로 압력 용기의 로 내 각처) (a) 내지 (l)과, 그 평가점 위치에서의 용존 오존 농도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10의 오존 농도 평가점 (a) 내지 (l)은 도 11A 및 도 11B에 나타내어진 원자로 압력 용기의 로 내 각처 (a) 내지 (l)에 각각 대응한다.
제5 실시 형태에서는, 오존 산기관 (143)으로부터 토출되는 오존 가스를, 예를 들면 11.5 kg/h의 속도로 공급한 예이다. 도 11로부터 원자로 압력 용기 (111) 내의 용존 오존 농도가 가장 낮은 장소에서도 1 ppm 이상의 용존 오존 농도가 얻어진다. 비특허 문헌 1[아오이, "오존법 화학 제염 기술의 개발(그의 2)-제염 성능와 재료에의 영향 평가-" 일본 원자력학회 「2001년 춘계 학회」 강연 번호 M38, 강연 요지집 III 분책 p.691]에는 1 ppm 이상의 용존 오존 농도로 충분한 제거 효과가 얻어지는 것이 보고되었다.
소요 용존 오존 농도를 갖는 오존수에 의한 산화와 이 산화 공정 전후에 (제염액 공급 장치를 구성하는) 가설 제염 루프 (130)을 활용한 환원 제염 공정을 조합함으로써, 원자로 압력 용기 (111) 및 원자로 재순환계 (112)의 방사화를 제외한 방사능이 효율적이며 효과적으로 제거되어, 방사선량의 대폭 감소를 달성할 수 있다.
또한, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)를 운전시키더라도 재순환 펌프 (114)에 오존 가스의 기포가 혼입되지 않기 때문에, 오존 가스의 기포에 의한 공동(cavitation)이 생기는 것을 미연에 확실하게 방지할 수 있어, 공동(cavitation)의 악영향을 받지 않는다.
[제6 실시 형태]
도 12는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제6 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
상기 제6 실시 형태의 로 내 화학 제염 장치 (110B)를 설명할 때, 제4 실시 형태에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110)과 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여 도시 및 설명을 간소화 내지 생략한다.
도 12는 비등수형 원자력 발전 플랜트에 구비되는 원자로 압력 용기 (111)의 평단면도이며, 원자로 압력 용기 (111), 로심 슈라우드 (116), 제트 펌프 (124) 및 오존 산기관 (143)의 배치 관계를 나타내는 평면도이다. 도 12에는, 원자로 압력 용기 (111)과 로심 슈라우드 (116) 사이에 형성되는 어뉼러스부 (123)에 20대 (10쌍)의 제트 펌프 (124)가 설치된다. 제트 펌프 (124)는 어뉼러스부 (123) 주위 방향에 소정의 간격을 두고 설치된다.
제트 펌프 (124)의 각 쌍 사이의 중간부 상측에 오존 가스 공급 장치 (140)을 구성하는 오존 산기관 (143)이 설치된다. 오존 산기관 (143)은 인접하는 제트 펌프쌍 사이의 중간부 상측 근방에 입설 상태로 배치된다. 오존 산기관 (143)은 원자로 재순환계 (112)의 토출구 노즐 (115)가 위치하는, 예를 들면 0°, 180°의 주위 방향 위치를 제외하고 각 쌍의 제트 펌프 (124)와 인접하는 제트 펌프쌍 사이에 설치된다.
원자력 발전 플랜트의 원자로 압력 용기 (111)의 로 내 구성, 원자로 재순환계 (112), 제염액 공급 장치를 구성하는 가설 제염 루프의 구성은, 제4 실시 형태에 나타내어진 것과는 다르지 않다.
원자로 재순환계 (112)를 순환하는 로 내의 계통수(순환수)의 흐름은 원자로 재순환계 (112)의 헤더 배관(링 헤더)에서 분지된 후, 흡입구 노즐 (115b)를 지나 제트 펌프 라이저관 (126)을 상승하고, 제트 펌프 노즐 (127)로 두 갈래로 분지되어 2대 (1쌍)의 제트 펌프 (124)에 들어간다.
원자로 재순환계 (112)는 통상 2계통이기 때문에, 제트 펌프 (124)는 20대 (10쌍) 존재한다. 도 12에는, 20대(10쌍)의 제트 펌프 (124)의 각 쌍 사이에 오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)이 설치된다. 도 12에 나타내어지는 예에서는, 오존 산기관 (143)이 8개 설치된다. 오존 산기관 (143)은 어뉼러스부 (123) 상부의 한쪽에 4개, 다른쪽에 4개 설치한 예를 나타낸다. 오존 산기관 (143)은 8개로 한정되지 않고, 6개 내지 19개 중에서 선택할 수도 있다.
제트 펌프 (124)쌍의 중간부에서, 제트 펌프 노즐 (127)의 상측 근방에 설치된 오존 산기관 (143)으로부터 오존 가스가 주입되고, 이 오존 가스는 인접하는 제트 펌프쌍 사이의 인접하는 제트 펌프 (124)의 각 흡입구에 거의 흡입된다. 제트 펌프 (124)에 흡입된 오존 가스를 트롯부 (128)에서 교반하고 혼합시키는 한편, 어뉼러스부 (123)을 하강하여 원자로 재순환계 (112)의 토출구 노즐 (115a)로 유도되는 오존 가스는 거의 존재하지 않는다. 어뉼러스부 (123)을 하강하는 하강류에 오존 가스가 미량으로 포함되어 있어도, 이 오존 가스는 흐름 도중에 하강류에 용해되어 용존 오존의 오존수가 되고, 이 오존수가 원자로 재순환 펌프 (114)로 유도된다. 이 때문에, 재순환 펌프 (114)에 펌프 공동(cavitation)이 발생할 우려가 없다.
또한, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)에는 오존 가스의 기포가 거의 주입되지는 않지만, 재순환 배관 (113) 내는 소정 농도의 용존 오존을 갖는 오존수가 순환되어 오기 때문에, 오존수에 의한 산화 처리를 촉진시킬 수 있어, 제염 효과가 나빠지지도 않는다. 재순환 펌프 (114)로부터 토출되고, 제트 펌프 (124)에 흡입구 노즐 (115b)로부터 공급되는 오존수는 제트 펌프 노즐 (127)로부터 토출되었을 때, 오존 가스를 포함하는 로수를 감아넣어 혼합실(트롯부) (128) 내에서 교반되고, 혼합된다.
제트 펌프 (124)의 혼합실 (128)로 유도된 오존 가스의 기포는, 믹싱 효과로 물 중에 용해되어 디퓨저 (129) 내를 하강하고, 로심 하부 플래넘 (121)에 토출된다. 로심 하부 플래넘 (121)에 토출되는 토출수에 의한 산화 처리에 의해 로심 바닥부의 산화 피막을 용해시킨다. 로심 바닥부의 산화 피막을 용해시킨 후, 로 내 구조물(로심 지지판 (118), 슈라우드 내주벽, 상부 격자판 (119))의 산화 피막을 순차 용해시킨다. 잉여 오존 가스는 원자로 압력 용기 (111) 내의 로 중앙의 수면에서 기상부로 이행하고, 외부로 배기된다.
오존 산기관 (143)은, 예를 들면 0°, 180°의 주위 방향 위치에는 설치되지 않는다. 오존 산기관 (143)이 설치되지 않은 주위 방향 위치에는 원자로 재순환계 (112)의 토출구 노즐 (115a)가 설치되어 있기 때문에, 어뉼러스부 (123)의 하강류는 토출구 노즐 (115a)로 향하는 편향류가 된다. 따라서, 산화 피막의 용해 효과가 감소되지는 않는다.
상기 로 내 화학 제염 장치 (110B)에 따르면, 원자로 압력 용기 (111) 내 및 원자로 재순환계 (112)의 전체에 걸쳐, 대규모인 로 내 화학 제염 작업을 효과적이며 효율적으로 행할 수 있다. 로 내 화학 제염 작업에는, 소정 오존 농도의 물(오존수)이 이용되고, 상기 오존수는 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)의 운전에 의해 원자로 압력 용기 (111) 내 전체 또는 원자로 재순환계 (112) 내 전체에 걸쳐 순환하며 널리 퍼져, 로 내 구조물 및 원자로 재순환계 (112)에 생성된 산화 피막을 효율적으로 용해시키는 산화 처리를 행할 수 있다.
도 10의 실선은 오존 산기관 (143)이 8개인 경우에서의 원자로 압력 용기 (111)의 로 내 각처(농도 평가점 (a) 내지 (l))의 오존 농도 측정값의 예를 나타내는 그래프이다. 이 경우, 오존 가스는 소정의 속도, 예를 들면 11.5 kg/h의 속도로 원자로 압력 용기 (111) 내에 공급한 예를 나타낸다. 상기 로 내 화학 제염 장치 (110B)에서는, 원자로 압력 용기 (111) 내의 로 내 각처 (a) 내지 (l) (도 11A, 도 11B 참조) 중의 오존 농도가 가장 낮은 곳이라도, 1 ppm 이상 얻어졌고, 이 1 ppm 이상의 용존 오존 농도에 의해 충분한 제염 효과를 얻을 수 있다.
1 ppm 이상의 용존 오존 농도를 이용한 산화 공정과 이 산화 처리 전후에 제염제를 이용한 환원 제염 공정을 조합함으로써, 원자로 압력 용기 (111) 내, 로 내 구조물, 원자로 재순환계 (112)의 원자로 일차계의 방사화를 제외한 방사능을 제거할 수 있어, 방사선량의 대폭 감소를 달성할 수 있다. 옥살산 등의 제염제는 가설 스프레이 링 (135)로부터 원자로 압력 용기 (111) 내로 분사된다.
또한, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 펌프 (114)에 오존 가스가 기포 상태로 주입되지 않기 때문에, 기포에 의한 펌프 공동(cavitation)을 발생시키지 않는다.
[제7 실시 형태]
도 13은 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제7 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
이 실시 형태는 오존 가스 공급 장치 (140)의 오존 산기관 (143)의 장치 구조에 특징을 갖는 것이다. 다른 구성은 도 8에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110B)와 다르지 않기 때문에, 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 내지 간소화한다.
도 13에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110C)는 오존 가스 공급 수단(장치) (140)의 복수개의 오존 산기관 (143)을 원자로 압력 용기 (111) 내에 입설 상태로 안정적으로 설치한 것이다. 오존 산기관 (143)의 선단은 도시하지 않는 오퍼레이션 플로어로부터 아래쪽으로 늘어뜨려, 원자로 압력 용기 (111)과 로심 슈라우드 (116) 사이의 어뉼러스부 (123) 상부에 배치된다. 오존 산기관 (143)은 수 m 정도, 예를 들면 6 m 정도 길이의 장척 SUS 배관이고, 그 산기관 상단은 원자로 압력 용기 (111) 상부에 위치된다. 오존 산기관 (143)은 원자로 압력 용기 (111)의 주벽 근처의 사용되지 공간을 이용하여 배치되고, 다른 로 내 기기에 의해 간섭되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 13은 원자로 압력 용기 (111)의 하측 좌측반을 나타내는 종단면도이고, 이 원자로 압력 용기 (111) 내에 입설 상태로 설치되는 복수개의 오존 산기관 (143)은 원자로 압력 용기 (111) 내에 상하 복수 개소, 예를 들면 적어도 상하 2개소에서 고정된다. 도 13에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110C)에서는, 오존 산기관 (143)은 그의 하단에 가까운 곳에서 상부 슈라우드 링 (150)에 클램프 장치 (151)로 고정되고, 그의 상단에 가까운 곳에서 급수 분산기 (145)에 클램프 장치 (152)로 고정된다.
상부 슈라우드 링 (150)에 오존 산기관 (143)의 하부를 고정시킬 때, 상부 슈라우드 링 (150)에 입설되는 슈라우드 헤드 볼트(도시하지 않음)의 볼트 브라켓을 이용할 수 있다. 슈라우드 헤드 볼트는 상부 슈라우드 링 (150)의 정상부에 주위 방향을 따라서 복수개가 입설되고, 이 슈라우드 헤드 볼트에 볼트 브라켓이 설치된다.
상기 제7 실시 형태에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110C)는 오존 가스 공급 장치 (140)의 오존 산기관 (143)을 상하 복수 개소에서 원자로 압력 용기 (111) 내에 부착되고, 오존 산기관 (143)의 하단측을 상부 슈라우드 링 (150)에 고정시킴으로써, 오존 가스의 주입점을 안정적이며 정확하게 유지할 수 있다.
어뉼러스부 (123)의 상부에서는, 로심 슈라우드 (116) 내를 상승하는 상승류의 반전되어 형성된 하강류의 수류와 오존 산기관 (143)의 선단 노즐부로부터 분출되는 오존 가스의 분출류에 의해 심한 요동을 수반하는 흐름이 생기지만, 오존 산기관 (143)의 선단부를 상부 슈라우드 링 (150)에 고정시킴으로써 오존 산기관 (143)을 안정적으로 유지할 수 있고, 오존 주입점을 정확하게 유지할 수 있다.
또한, 오존 산기관 (143)의 상부를 급수 분산기 (145)에 고정시킴으로써 장착의 스테인레스강 배관이 지나친 진동을 일으키지 않고, 오존 산기관 (143)과 산기 도관(오존 공급관) (142)의 결합부에 대한 부하를 경감시킬 수 있다.
제7 실시 형태에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110C)에서도, 원자로 압력 용기 (111) 내에 항상 안정되고 안전한 상태로 오존 가스를 계속해서 공급하는 것이 가능해지고, 소정의 오존 농도의 오존수를 원자로 압력 용기 (111) 내 및 로심 외의 원자로 재순환계 (112)의 재순환 배관 (113)의 전체에 순환시켜 널리 퍼지게 할 수 있고, 로 내 구조물 및 원자로 재순환계 (112) 등의 원자로 일차계 내에 생성된 산화 피막을 효율적으로 용해시켜 산화 처리를 실시할 수 있다.
따라서, 오존 가스 공급 장치 (140)으로부터 오존 가스를 원자로 압력 용기 (111) 내에 공급하여 산화 피막을 용해시키는 산화 공정과 그 산화 공정 전후의 제염제를 이용한 환원 제염 공정을 조합함으로써, 원자로 압력 용기 (111) 내, 로 내 구조물(로심 지지판 (118), 로내 슈라우드 (116), 상부 격자판 (119)나 원자로 재순환계 (112)의 재순환 배관 (113) 내의 원자로 일차계의 방사화를 제외한 방사능이 제거되어 방사선량의 대폭 감소를 달성할 수 있다.
[제8 실시 형태]
도 14는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제8 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
이 실시 형태는 원자로 압력 용기 (111) 내에서의 오존 가스 공급 수단(장치) (140)의 오존 산기관 (143)의 장치 구조에 관한 것이다. 다른 구성은 제4 실시 형태에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110)과 다르지 않기 때문에, 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 내지 간소화한다.
도 14에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110D)는, 오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)을 도시하지 않은 오퍼레이션 플로어로부터 아래쪽으로 늘어뜨리고, 산기관 선단을 원자로 압력 용기 (111)과 로심 슈라우드 (116) 사이에 형성되는 어뉼러스부 (123)의 상부를 향하도록 입설 상태로 배치한 것이다. 오존 산기관 (143)은 수 m 정도, 예를 들면 6 m 정도의 길이를 갖는 장척 SUS 배관이고, 산기관 상단은 원자로 압력 용기 (111) 내 상부에 위치된다.
또한, 도 14는 원자로 압력 용기 (111)의 하측 좌측반을 나타내는 종단면도이다. 이 원자로 압력 용기 (111) 내에 입설 상태로 설치되는 오존 산기관 (143)은 원자로 압력 용기 (111) 내에 상하 복수 개소, 예를 들면 적어도 상하 2개소에서 고정된다. 이 제8 실시 형태에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110D)에서는, 오존 산기관 (143)은 그의 하단에 가까운 곳에서 상부 슈라우드 링 (150)에 클램프 장치 (151)에 의해 고정되고, 그의 상단에 가까운 곳에서 로심 스프레이 배관 (146)에 클램프 장치 (153)으로 고정된다.
상부 슈라우드 링 (150)에 오존 산기관 (143)의 하부를 고정시킬 때, 로심 슈라우드 (116) 정상부의 슈라우드 헤드 볼트 브라켓을 이용할 수도 있다.
오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)을 상부 슈라우드 링 (150)에 고정시킴으로써, 오존 가스의 주입점을 정확하며 안정적으로 유지할 수 있다.
어뉼러스부 (123)의 상부에서는, 로심 슈라우드 (116) 내를 상승하는 상승류의 반전에 의한 하강류가 생기고, 오존 산기관 (143)의 선단 노즐부로부터 분출되는 오존 가스의 분출류에 의해 심한 요동을 수반하는 흐름이 생기지만, 오존 산기관 (143)의 선단부를 상부 슈라우드 링 (150)에 고정시킴으로써, 오존 산기관 (143)을 안정적으로 유지할 수 있고, 오존 주입점을 정확하게 유지할 수 있다.
또한, 오존 산기관 (143)의 상부를 로심 스프레이 배관 (146)에 고정시킴으로써 장척 스테인레스강 배관이 지나친 진동을 일으키지 않고, 오존 산기관 (143)과 산기 도관(오존 공급관) (142)의 결합부에 대한 부하를 경감시킬 수 있다. 오존 산기관 (143)은 원자로 압력 용기 (111) 내의 주위 방향을 따라서 사용되지 않는 공간을 이용하여 배치된다.
도 14에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110D)에서도, 원자로 압력 용기 (111) 내에 항상 안정된 안전한 상태로 오존 가스를 공급하는 것이 가능해지고, 소정의 오존 농도의 오존수를 원자로 압력 용기 (111) 내 및 로심 외의 원자로 재순환계 (112) 전체에 순환시켜 널리 퍼지게 할 수 있고, 원자로 압력 용기 (111) 내나 로 내 구조물, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 배관 (113) 내의 원자로 일차계에 생성된 산화 피막을 효율적으로 용해시키는 산화 처리를 실시할 수 있다.
따라서, 오존 가스에 의한 산화 피막을 용해시키는 산화 공정과 이 산화 공정 전후에 제염제를 이용한 환원 제염 공정을 조합함으로써, 원자로 압력 용기 (111) 내 및 로 내 구조물, 원자로 재순환계 (112)의 재순환 배관 (113)의 방사화를 제외한 방사능이 제거되어 방사선량의 대폭 감소를 달성할 수 있다.
[제9 실시 형태]
도 15는 본 발명에 따른 로 내 화학 제염 장치의 제9 실시 형태를 나타내는 구성도이다.
이 실시 형태는 오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)의 장치 구조에 관한 것이다. 다른 구성은 도 8에 나타내어진 로 내 화학 제염 장치 (110)과 다르지 않기 때문에, 동일한 구성에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략 내지 간소화한다. 도 15는 원자로 압력 용기 (111) 내에서의 오존 산기관 (143)의 장치에 관한 실시 형태이다.
오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)은, 원자로 압력 용기 (111) 내에 상하 복수 개소, 예를 들면 상하 2개소 이상에서 고정된다. 오존 산기관 (143)은 원자로 압력 용기 (111) 내에 입설 상태로 원자로 압력 용기 (111) 내의 사용되지 않는 공간을 이용하여 설치된다. 오존 산기관 (143)은 수 m 정도, 예를 들면 6 m 정도의 길이를 갖는 장척 스테인레스강 배관이고, 원자로 압력 용기 (111)과 로심 슈라우드 (116) 사이의 어뉼러스부 (123)에 배치되는 제트 펌프쌍에 대응하여 복수개, 예를 들면 8개 내지 10개의 오존 산기관 (143)이 설치된다.
오존 산기관 (143)의 선단(하단)은 어뉼러스부 (123)의 상부에 위치되고, 그의 상단은 원자로 압력 용기 (111) 내 상부에 위치된다. 제9 실시 형태의 로 내 화학 제염 장치 (110E)에서는, 오존 산기관 (143)은 그의 하단에 가까운 곳에서 상부 슈라우드 링 (150)에 클램프 장치 (151)로 고정되고, 그의 상단에 가까운 곳에서 로 내 화학 제염에 이용되는 가설 스프레이 링 (155)에 클램프 장치 (156)에 의해 고정된다.
가설 스프레이 링 (155)는 화학 제염시의 최고 수위 WHL에서도 수몰되지 않는 위치에 설치되어 있고, 오존 산기관 (143)은 제4 및 제5 실시 형태에 비해 높은 위치에서의 고정되어, 로 내 유동에 대하여 안정화된다. 오존 산기관 (143)을 보다 안정적으로 고정시키기 위해서, 중간부를 급수 분산기 (145) 및 로심 스프레이 배관 (146)의 적어도 한쪽에 필요에 따라서 고정시킬 수도 있다. 오존 산기관 (143)의 하단부를 상부 슈라우드 링 (150)에 고정시킬 때, 슈라우드 헤드 볼트 브라켓을 이용할 수도 있다.
상기 로 내 화학 제염 장치 (110E)에서는, 오존 가스 공급 수단 (140)의 오존 산기관 (143)의 하단부를 상부 슈라우드 링 (150)에 고정시킴으로써 오존 가스의 주입점을 정확하게 유지할 수 있으며 안정화시킬 수 있다.
또한, 오존 산기관 (143)의 상부를 가설 스프레이 링 (155)에 고정시킴으로써, 장착 오존 산기관 (143)이 지나친 진동을 일으키지 않아 오존 산기관 (143)과 산기 도관(오존 공급 배관 (142))의 결합부에 대한 부하를 경감시킬 수 있다.
제9 실시 형태의 로 내 화학 제염 장치 (110E)는 원자로 압력 용기 내나 원자로 재순환계가 대규모인 로 내 화학 제염에 적용할 수 있고, 로 내 화학 제염 작업에 있어서 오존 가스를 항상 안정되고 안전한 상태로 공급할 수 있다. 오존 가스 공급 수단 (140)으로부터 오존 가스를 원자로 압력 용기 (111) 내에 공급하고, 원자로 재순환계 (112)의 운전에 의해 원자로 압력 용기 (111) 내나 원자로 재순환계 (112)에 소정 오존 농도의 오존수를 순환시켜 전체에 널리 퍼지게 할 수 있고, 원자로 압력 용기 (111) 내나 로 내 구조물 및 원자로 재순환계 (112)의 재순환 배관 (113)에 생성된 산화 피막을 오존수의 산화 처리에 의해 효율적으로 용해시킬 수 있다.
상기 로 내 화학 제염 장치 (110E)는 오존수에 의한 산화 공정(산화 처리) 전후에 제염제를 이용한 환원 제염 공정와의 조합에 의해, 원자로 압력 용기 (111) 내 및 원자로 재순환계 (112)의 방사화를 제외한 방사능이 제거되어 방사선량의 대폭 감소를 달성할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 형태에서는, 오존을 이용한 화학 제염 장치를 비등수형 원자로의 원자로 압력 용기 및 원자로 일차계에 주로 적용한 예를 나타내었지만, 본 발명은 가압 수형 원자로의 원자로 용기 및 원자로 일차계에도 적용할 수 있고, 또한 제염 대상물의 표면에 생성 또는 부착된 방사성 물질을 포함하는 산화 피막을 화학적으로 용해시키고, 제염하는 장치에도 적용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 원자로 일차계의 제염 대상물을, 유기산을 환원제로, 오존수를 산화제로 이용하여 화학 제염하는 로 내 화학 제염 장치로서,
    원자로 일차계의 원자로 내에 제염액을 공급하는 제염액 공급 수단과,
    원자로 일차계의 원자로 내에 오존 가스를 주입하는 오존 공급 수단과,
    주입된 오존 가스로 오존수를 발생시키는 오존수 발생 수단과,
    발생한 오존수를 원자로 일차계 내에서 순환시키는 오존수 순환 수단을 포함하고,
    상기 오존 공급 수단은 오존수 발생 수단의 흡입구측에 오존 가스를 산기(散氣)시키는 오존 산기관을 구비한 것을 특징으로 하는, 로 내 화학 제염 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제염액 공급 수단이 원자로 압력 용기 내 상부에 가설된 제염액 산포용 스프레이 링을 포함하고, 상기 오존수 발생 수단은 원자로 압력 용기와 로심 슈라우드 사이의 어뉼러스부(annulus portion)에 설치된 제트 펌프를 포함하고, 상기 오존수 순환 수단이 원자로 재순환계를 포함하는, 로 내 화학 제염 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 오존 공급 수단이 원자로 압력 용기와 로심 슈라우드 사이에 형성되는 어뉼러스부에 설치된 여러쌍의 제트 펌프의 상측 근방 또는 제트 펌프쌍 사이의 상측 근방에 설치된 복수개의 오존 산기관을 포함하는, 로 내 화학 제염 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 오존 공급 수단의 오존 산기관이 원자로 압력 용기 내 상부에 입설 상태로 설치된 장척관이고, 상기 오존 공급관이 원자로 압력 용기 내에 상하 복수 개소에서 고정된, 로 내 화학 제염 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 오존 공급 수단의 오존 산기관이 그 하단부가 로심 슈라우드의 상부 슈라우드 링에 고정된, 로 내 화학 제염 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 오존 공급 수단의 오존 산기관의 상부가 급수 분산기, 로심 스프레이 배관 또는 제염액 산포용 스프레이 링에 고정된, 로 내 화학 제염 장치.
  7. 원자로 일차계의 제염 대상물을, 유기산을 환원제로, 오존수를 산화제로 이용하여 화학 제염하는 로 내 화학 제염 방법으로서,
    원자로 재순환계를 펌프 운전시켜 원자로 재순환계 및 원자로 내에 순환수의 유동을 발생시킴과 함께,
    원자로 내 어뉼러스부의 상부에 설치된 오존 산기관으로부터 오존 가스가 주입하고,
    주입된 오존 가스를 상기 순환수에 공급하여 용존 오존을 함유하는 오존수를 생성시키고,
    제염액 공급 수단에 의해 원자로 내로 공급되는 제염액과 용존 오존을 함유하는 오존수를 조합하여 상기 원자로 일차계의 제염 대상물을 화학 제염시키는 것을 특징으로 하는, 로 내 화학 제염 방법.
  8. 제7항에 있어서, 오존 산기관으로부터 주입되는 오존 가스가 원자로 압력 용기와 로심 슈라우드로 사이에 형성되는 어뉼러스부에 설치된 여러쌍의 제트 펌프의 상측 근방 또는 제트 펌프쌍 사이의 상측 근방으로부터 어뉼러스부의 상부에 주입되는, 로 내 화학 제염 방법.
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