WO2018169130A1 - 원자로냉각재 방사성 물질 정화/ph 조절 장치 및 방법 - Google Patents

원자로냉각재 방사성 물질 정화/ph 조절 장치 및 방법 Download PDF

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김항건
김덕용
김항준
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순천대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a reactor coolant radioactive material purification / pH control device and method, and more particularly to a device and method for recovering the radioactive material present in the reactor coolant to purify the reactor coolant system, and to adjust the pH. .
  • the system of nuclear power plants is the primary system (4xx), which is related to nuclear steam, and the secondary system (5xx), which is related to turbine generators, and the auxiliary system of the primary and secondary systems.
  • the BOP system (Balance of Plant System) is classified into three types. It may also be classified as a nuclear steam system, a turbine generator system, or an electrical system.
  • the conventional chemical and volume control system includes a regenerative heat exchanger (10) and a regenerative heat exchanger (10) in which high-temperature reactor coolant discharged from the reactor coolant system is heat-exchanged.
  • the present invention has been made in view of the above, the problem of the present invention, in addition to the ionic material due to the characteristics of the ion exchange resin, which is a disadvantage of the purification of the reactor coolant by the existing ion exchange resin and Li control function, Since it is almost impossible to remove, after a certain time, the adsorbed metal particles leave the resin layer and flow into the reactor coolant to raise the radioactivity level of the coolant system, and to remove a large amount of radioactive material and Li ions. Not only generates large amounts of radioactive waste ion exchange resins, but also does not have a stable method of segregation and disposal of radioactive waste ion exchange resins, and requires enormous costs for temporary containment and large amounts of waste ion exchange resins. Not only generates radioactive wastewater but also takes too much time. To provide an alternative and complement possible reactor coolant radioactive purification / pH adjuster and how the problems such as increase in radiation exposure of the operator it is an object.
  • the chemical and volume control system including a regenerative heat exchanger 10, a non-regenerative heat exchanger 20 and a volume control tank (50) Applicable to (CVCS), the apparatus is installed between the non-regenerative heat exchanger 20 and the volume control tank 50 in the path of the reactor coolant, the first negative electrode member 112 connected to the negative (-) pole And a first anode member 114 having a positive electrode connected thereto, and the first cathode member 112 and the first anode having a direct current power flowing through the reactor coolant discharged from the non-regeneration heat exchanger 20.
  • CVCS volume control tank
  • a radioactive metal ion recoverer (110) configured to pass between the members (114) to recover the radioactive metal ions and metal particles in the first cathode member (112);
  • a second positive electrode member 124 having a positive electrode connected to one side thereof, a second negative electrode member 122 and a second positive electrode member 124 having a negative electrode connected to the other side thereof, and a second negative electrode member ( And a cation exchange membrane 126 installed between the second cathode member 124 and the cation exchange membrane 126.
  • the reactor coolant passed through the radioactive metal ion recoverer 110 is disposed between the second anode member 124 and the cation exchange membrane 126.
  • the DC power source may be intermittently applied to the radioactive metal ion recoverer 110 at a predetermined cycle.
  • Li 7 ions stored and circulated in the Li ion separation concentrator 120 and the Li 7 concentration tank 130 is introduced into the LiOH concentrated water exiting the Li ion separation concentrator 120 to allow the volume control tank to flow. 50 may be supplied.
  • the reactor coolant radioactive material purification / pH control method includes a chemical and volume control system (CVCS) including a regenerative heat exchanger (10), a non-regeneration heat exchanger (20), and a volume control tank (50).
  • CVCS chemical and volume control system
  • the present invention relates to a method for purifying radioactive material and adjusting pH of a nuclear reactor coolant, the first cathode member 112 of the radioactive metal ion recovery unit 110 through which a direct current power flows through the reactor coolant discharged from the non-regenerated heat exchanger 20. Passing through the first anode member 114 and collecting the radioactive metal ions and metal particles in the first cathode member 112.
  • the reactor coolant passing through the radioactive metal ion recoverer 110 passes between the second anode member 124 and the cation exchange membrane 126 of the Li ion separation concentrator 120 to be introduced into the volume control tank 50.
  • Li + ions passing through the cation exchange membrane 126 generated in the reactor coolant by continuously recycling pure water between the second cathode member 122 and the cation exchange membrane 126 move toward the second cathode member 122.
  • a direct current power source may be intermittently applied to the radioactive metal ion recoverer 110 with a predetermined period.
  • the DC power supply interruption application condition may be repeated for 1 to 10 minutes and stop for 5 to 10 seconds.
  • the present invention since no ion exchange resin is used to purify the radioactive material of the reactor coolant and maintain the Li ion concentration, there is no generation of radioactive waste resin, and a large amount of process waste water is not generated for the replacement of the ion exchange resin. It is possible to drastically reduce the emission of radioactive waste, and can be installed in the existing chemical and volume control system, and can be used as an alternative to the mixed bed deionizer and the cationic debase. It works.
  • the present invention has the effect of reusing concentrated Li 7 without purchasing expensive LiOH, which relies on imports, since only Li ions generated during output operation are concentrated and reused when necessary.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an existing conventional chemical and volume control system.
  • Figure 3 is a schematic diagram showing a state in which the reactor coolant radioactive material purification / pH control device of the present invention is applied to the existing chemical and volume control system.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a method for purifying a radioactive material for purifying a radioactive material / pH of the present invention.
  • the reactor coolant radioactive material purification / pH control device 100 of the present invention is a radioactive metal ion recovery unit 110, Li ion separation concentrator 120, Li 7 It includes a concentration tank 130 and a control unit, and is disposed between the non-regeneration heat exchanger 20 and the volume control tank 50 of the movement path of the reactor coolant of the existing chemical and volume control system (CVCS).
  • CVCS chemical and volume control system
  • the reactor coolant entering the chemical and volume control system (CVCS) from the reactor coolant system is at a high temperature
  • the high temperature reactor coolant is returned from the chemical and volume control system (CVCS) to the reactor coolant system in the regenerative heat exchanger (10). Heating the cold reactor coolant and then raising the temperature reduces the likelihood of thermal shock to the reactor coolant system.
  • the radioactive metal ion recovery unit 110 passes the reactor coolant between the first negative electrode member 112 and the first positive electrode member 114 through which the DC power flows by applying the principle of electroplating instead of the conventional ion exchange resin tower.
  • the radioactive metal ions not only the radioactive metal ions but also the metal particles are integrated and separated on the first negative electrode member 112.
  • electrochemical plating ( ⁇ ) is an application technology for recovering the radioactive metal ions present in the water by using the principle that the metal ions are deposited (plated) on the cathode in the process of passing the DC power through the electrolyte solution.
  • the first negative electrode member 112 of the radioactive metal ion recoverer 110 has a negative (-) electrode connected to a body forming an external appearance, and a metallic radioactive material is continuously integrated to shield the external appearance.
  • the member 112 should be easy to separate when replaced, but since the volume of radioactive material accumulated is very small, the member 112 can be used for almost a lifetime.
  • the radioactive metal ion recoverer 110 may prevent the metal particles from being converted into the radioactive material while being introduced into the reactor and being radiated, thereby drastically reducing the radioactive material in the reactor coolant.
  • it can be safely isolated in the form of the metal of the most stable minimum volume while minimizing the radiation exposure of the operator.
  • the radioactive metal ion recovery unit 110 is a lithium ion (Li +) that must be maintained at a constant concentration in the reactor coolant as a countermeasure solution for the radioactive material purification device is also integrated in the first negative electrode member 112 to be removed together
  • DC power is intermittently applied through a control unit (not shown).
  • lithium which can be easily dissolved in an aqueous solution through intermittent application of DC power, can be easily dissolved in the reactor coolant to maintain a constant concentration when no current flows, but other radioactive metals cannot be dissolved again into metal ions.
  • 1 may be integrated and isolated in the negative electrode member 112.
  • radioactive isotopes such as Cr and Co, which are cationic radioactive materials, and Li ions, which are pH adjusting materials of the reactor coolant, are precipitated and integrated together.
  • Lithium has a very high solubility, so if the current does not flow, the precipitated lithium ions are immediately dissolved in the reactor coolant. Therefore, when the current is intermittently flowed to maintain a certain amount of Li ion concentration in the reactor coolant, the precipitated Li ions are reactor coolant. Easily dissolved in the solution to maintain a certain concentration, radioactive materials such as Cr, Co is very difficult to dissolve, it is possible to maintain the integrated state.
  • the current when the current is intermittently applied to maintain a certain amount of Li ion concentration in the coolant, the current may flow for about 1 minute and the stop may be repeated for 5 to 10 seconds. In this case, the intermittent application condition may be changed without being limited thereto. Do.
  • an iodine isotope that can be integrated in the first positive electrode member 114 has a protective film that protects the electrode that is inevitably damaged by ionization of the metal due to the characteristics of the first positive electrode member 114 (supplementing electrons that escape from the metal). It may play a role, and the conductivity may drop in large amounts, but it dissolves when current does not flow intermittently to maintain Li concentration, thereby restoring normal function. At this time, the iodine isotope is not shortened because it has a very short half-life and disappears easily.
  • the radioactive metal ion recovery unit 110 of the reactor coolant radioactive material purifying / pH control device 100 of the present invention is used only once. The installation can last for almost a lifetime. However, the higher the accumulation amount of radioactive material, the higher the radiation level, so the shielding should be good. If the anode member 114 is damaged, the first anode member 114 can be easily removed and replaced to minimize the exposure of the worker. shall.
  • Li ion separation concentrator 120 is a facility that replaces the role of the cationic demineralizer in the existing chemical and volume control system (CVCS), which separates the Li 7 generated in the reactor coolant passed through the radioactive metal ion recovery unit 110 Function That is, the Li ion separation concentrator 120 employs an existing electrodialysis system to employ only two cations as the cation exchange membrane 126.
  • CVCS chemical and volume control system
  • the Li ion separation concentrator 120 has a second positive electrode member 124 having a positive (+) electrode connected to one side, a second negative electrode member 122 having a negative (-) electrode connected to the other side, and a second electrode.
  • a positive electrode member 124 and the second is provided between the negative electrode member 122 of boric acid for the Li + ion is passed through and control reactivity in the reactor coolant (BO 3 -) ion comprises a cation exchange membrane 126 which ever remain do.
  • the Li ion separation concentrator 120 supplies a direct current power source through the cation exchange membrane by applying an electrodialysis apparatus to remove and maintain the pH regulator, but part of the reactor coolant continues toward the second anode member 124.
  • the Li ions passing through the cation exchange membrane move toward the second negative electrode member 122 to concentrate Li ions.
  • the concentrated Li ions may be injected into the reactor coolant to adjust the pH in the reactor coolant.
  • Li-ion separation concentrator 120 is Li 7 to move to the second anode member 122, the Li ions are Li 7 concentrate tank 130 and concentrated to Li 7 is connected to the concentration tank 130 and the circulation line (Lc), circulated in the circulation line (Lc) A portion of the ions is introduced into the LiOH concentrated water and a supply line Ls for supplying the volume control tank 50 is connected on the circulation line Lc.
  • the supply line (Ls) is illustrated as being connected to the circulation line (Lc) and the inlet line of the volume control tank 50, but is not limited to this Li 7
  • the concentration tank 130 may be selectively connected to the volume control tank 50 or the inlet line of the volume control tank 50.
  • the three-way valve (V2) is provided at the intersection of the circulation line (Lc) and the supply line (Ls), Li 7 by controlling the operation of the three-way valve (V2) through a control unit (not shown)
  • the movement path of the concentrated Li ions stored in the concentration tank 130 may be selectively controlled.
  • a pump is provided in the middle of the circulation line Lc and on the line connected to the regenerative heat exchanger 10 in the volume control tank 50 to forcibly transport Li ions and the reactor coolant.
  • control unit may control the current interruption control to maintain a certain amount of Li ion concentration in the reactor coolant that is moved in the Li ion separation concentrator 120, in addition to other device operation and the like can be controlled.
  • the separation membrane of the second negative electrode member 122 and the second positive electrode member 124 for the lithium concentration control in the Li ion separation concentrator 120 is made of a cation exchange membrane 126, only Li + ions pass through and are concentrated. , boric acid for the controlled reaction in a reactor coolant (BO 3 -) ions are ever maintained.
  • the concentration tank 130 is separated from Li 7 separated in the Li ion separation concentrator 120.
  • the concentrated Li 7 is stored therein during the recycling process, and if necessary, the supply line Ls is connected to the inlet line of the volume control tank 50 so that the reactor coolant injected with Li 7 is supplied to the volume control tank 50. do.
  • the concentration tank 130 may be connected in line with the volume control tank 50 to supply the concentration Li 7 stored therein to the volume control tank 50.
  • the control unit controls the operation of the three-way valves V1 and V2 to control the movement path of Li ions by opening and closing the three-way valve V1 and to move the reactor coolant by opening and closing the three-way valve V2. You can adjust the path.
  • the control unit controls the overall control necessary for the operation of the apparatus, for example, the amount and time of the current applied to the radioactive metal ion recoverer 110 and the Li ion separation concentrator 120, the driving of various pumps, and the like.
  • reactor coolant radioactive material purification / pH control device 100 of the present invention as shown in Figure 3 is applied to the existing chemical and volume control system (CVCS), non-regenerated heat exchanger 20 and the volume control tank
  • the reactor coolant heat-exchanged in the non-regeneration heat exchanger 20 is provided with a bypass line L R to bypass the cationic demineralizer 40 and the mixed bed demineralizer 30 on a line connected between the 50. Do not flow into the mixed phase demineralizer 30 and the cationic demineralizer 40.
  • the reason why the reactor coolant radioactive material purification / pH control apparatus 100 of the present invention does not remove the mixed bed demineralizer 30 and the cationic demineralizer 40 when applied to the existing chemical and volume control system (CVCS) is mixed bed. This is because radioactive waste (fills such as various pipes and tanks and ion exchange resins) is generated during the cost increase and removal process for removing the demineralizer 30 and the cationic demineralizer 40.
  • radioactive waste fills such as various pipes and tanks and ion exchange resins
  • the operation of the reactor coolant radioactive material purification / pH control apparatus 100 and the reactor coolant radioactive material purification / pH control method of the present invention is a heat exchange step (S100), a non-regeneration heat exchanger by a regenerative heat exchanger Heat exchange step (S110), radioactive metal and metal particle direct separation step (S120), Li ion migration and concentration step (S130), Li 7 concentration step (S140) and Li 7 reactor coolant injection step (S150).
  • the heat exchange step S100 by the regeneration heat exchanger is a step in which the high temperature reactor coolant discharged from the reactor coolant system is heat-exchanged through the regeneration heat exchanger 10.
  • the reactor coolant discharged from the regeneration heat exchanger 10 is heat-exchanged through the system equipment coolant and the non-regeneration heat exchanger 20.
  • the direct separation of the radioactive metal and the metal particles (S120) includes a first cathode member 112 and a first anode member in which a direct current power flows inside the radioactive metal ion recoverer 110 from the reactor coolant discharged from the non-regeneration heat exchanger 20. Passing through the 114 to allow the radioactive metal and the metal particles to be integrated into the first negative electrode member 112 to be separated.
  • the radioactive cation passes through the first negative electrode member 112 while the reactor coolant passes between the first negative electrode member 112 and the first positive electrode member 114 through which DC power flows.
  • Substances (Co, Cr ions, etc.) are precipitated and removed.
  • Li ions and boric acid ions which may be precipitated at the first anode member 114, are easily dissolved, so that they are maintained in the reactor coolant by intermittent current flow by a controller, thereby controlling existing chemical and volume control used for purifying the reactor coolant. It is possible to replace the mixed bed demineralizer 30 in the system (CVCS).
  • the direct separation of radioactive metal and metal particles includes recovering radioactive metal ions and metal particles, and recovering radioactive metal ions and metal particles through the radioactive metal ion recovery unit 110.
  • lithium ions Li +
  • the cathode As a countermeasure solution for application, lithium ions (Li +), which must be maintained at a constant concentration in the reactor coolant, are also integrated and removed together at the cathode, so that DC power is intermittently applied by the controller to solve this problem.
  • lithium which can be easily dissolved in an aqueous solution through intermittent application of DC power, can be easily dissolved in the reactor coolant to maintain a constant concentration when no current flows. Can continue to accumulate in and isolate.

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Abstract

개시된 본 발명에 따른 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 장치 및 방법 중 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 장치는, 재생 열교환기(10)와 비재생 열교환기(20) 및 체적 제어 탱크(50)를 포함하는 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 적용되고, 원자로냉각재의 경로 중 상기 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50) 사이에 설치되는 장치에 관한 것으로서, 음(-)극이 연결된 제1 음극 부재(112)와, 양(+)극이 연결된 제1 양극 부재(114)를 구비하며, 상기 비재생 열교환기(20)에서 배출된 원자로냉각재를 직류전원이 흐르는 상기 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이에 통과시켜 상기 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속이온 및 금속입자가 집적되면서 회수되게 하는 방사성 금속이온 회수기(110); 일측에 양(+)극이 연결되는 제2 양극 부재(124)와, 타측에 음(-)극이 연결되는 제2 음극 부재(122) 및 제2 양극 부재(124)와 제2 음극 부재(122)의 사이에 설치되어 양이온을 통과시키는 양이온 교환막(126)을 구비하며, 상기 방사성 금속이온 회수기(110)를 통과한 원자로냉각재는 상기 제2 양극 부재(124)와 양이온 교환막(126) 사이를 통과하여 상기 체적 제어 탱크(50)로 유입되고, 제2 음극 부재(122)와 양이온 교환막(126) 사이에는 순수를 계속 재순환시켜 원자로냉각재에서 생성되는 상기 양이온 교환막(126)을 통과한 Li+ 이온이 상기 제2 음극 부재(122) 쪽으로 이동 및 분리되도록 하는 Li 이온 분리 농축기(120); 및, 상기 Li 이온 분리 농축기(120)에서 분리된 Li7 을 다시 Li 이온 분리 농축기(120)로 재순환 하면서 재순환 과정에서 Li7을 농축하는 Li7 농축 탱크(130)를 포함한다.

Description

원자로냉각재 방사성 물질 정화/PH 조절 장치 및 방법
본 발명은 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원자로냉각재 내에 존재하는 방사성 물질을 회수하여 원자로냉각재 계통을 정화하고, pH를 조절하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자력 발전소의 계통은 핵증기 관련 설비 계통인 1차 계통 (Primary System, 4xx) 및 터빈 발전기 관련 설비 계통인 2차 계통(Secondary System, 5xx), 그리고 1차 계통과 2차 계통의 보조설비 계통을 따로 분류한 BOP 계통(Balance of Plant System) 등 크게 3가지로 분류한다. 또는 핵증기 관련 계통, 터빈 발전기 관련 계통, 전기계통으로 분류하기도 한다.
여기서, 핵증기 공급 계통은 감속재 및 냉각재로 경수를 사용하며, 원자로 내의 연료다발에서 열을 흡수하여 증기발생기를 통해 증기를 발생시키는 원자력 발전소의 핵심 계통으로써, 가압된 냉각수를 순환시켜 원자로 노심에서 발생된 핵반응 열을 증기 발생기로 전달하는 원자로 냉각재 계통(Reactor Coolant System: RCS), 원자로냉각재 계통에서 넘어온 냉각재의 화학성분 및 체적을 조절하여 적절한 순도를 유지하는 화학 및 체적제어 계통(Chemical and Volume Control System: CVCS), 냉각재 상실 사고(Loss of Coolant Accident)와 같은 가상 사고 시 중성자 흡수 물질인 붕산수와 비상 냉각수를 주입하는 안전주입 계통(SI), 기타 핵연료 취급 계통(Fuel Handling System: FH) 및 계측제어 계통으로 구성되어 있다.
이때, 원자력 발전소는 운전기간 중 냉각재 계통의 마모·부식으로 생긴 금속이온이나 입자 등이 연료의 피복재 표면에 흡착된 후 중성자 조사에 의해 방사성 물질로 변환되어 다시 냉각재 계통을 흐르다가 저 유속부분에 집적되어 계통의 방사선 준위를 높이기 때문에 이를 위해 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 혼상이온교환수지 탑이 설치되어 방사성 물질을 제거하도록 설계되는데, 이 과정에서 다량의 방사성 폐이온교환 수지가 발생되고 있다.
또한, 원자로냉각재의 pH 조절을 위해 원자로 기동시에는 고가의 Li7OH를 다량 주입하지만, 출력운전 중에는 원자로에서 Li7이 생성되기 때문에 양이온교환수지 탑에서 일정량을 계속 제거하여 pH를 조절하므로 방사성 폐이온교환 수지가 발생되고 있다.
이러한 방사능 물질을 정화하기 위한 기술이 공개특허 제2002-0066775호 및 대한민국 공개특허 제2012-0092924호에 제안된 바 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)은 원자로냉각재 계통에서 배출된 고온의 원자로냉각재가 열교환되는 재생 열교환기(Regenerative Heat Exchanger: 10)와, 재생 열교환기(10)에서 배출된 원자로냉각재가 계통기기 냉각재와 열교환이 이루어지는 비재생 열교환기(Non-regenerative Heat Exchanger: 20)와, 내부에 양이온 및 음이온교환수지가 충전되어 있으며 원자로냉각재 중의 방사성 물질(Cr-51, Co-58, Co-60, I-131 등)을 이온교환으로 제거하는 다수의 혼상 탈염기(30)와, 내부에 양이온교환수지가 충전되어 있으며 원자로냉각재 중의 리튬을 제거하여 pH를 조절하는 기능을 하는 양이온 탈염기(40), 및 혼상 탈염기(30)와 양이온 탈염기(40)를 거쳐 탈염 처리된 원자로냉각재가 저장되며 재생 열교환기(10)를 통과하여 원자로에 냉각재를 공급하는 체적 제어 탱크(Volume Control Tank: 50)로 구성된다. 한편, 양이온 탈염기(40)와 혼상 탈염기(30)는 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50)의 연결 라인 상에 병렬로 연결되어 비재생 열교환기(20)에서 배출되는 원자로냉각재 중의 방사성물질 제거와, pH 조절을 동시에 수행하게 된다. 또한, 양이온 탈염기(40)와 혼상 탈염기(30)는 정비 또는 수지 교체 등의 작업이 필요한 경우 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)의 운전을 정지시키지 않고 원자로냉각재를 체적 제어 탱크(50)로 직접 공급할 수 있도록 양이온 탈염기(40)와 혼상 탈염기(30)와 같이 우회라인(LR)이 병렬로 연결된다.
그러나 종래기술의 이온교환수지에 의한 원자로냉각재의 정화 및 Li 조절기능의 단점이 하기와 같이 있다.
첫째, 이온교환수지는 이온성 물질 외에 금속입자들은 거의 제거가 불가능하여 일정시간이 지나면 흡착되었던 금속입자들이 수지층을 빠져나와 원자로 냉각재로 유입되어 냉각재계통의 방사능 준위를 상승시킨다. 둘째, 소량의 방사성 물질 및 Li이온 제거를 위해 다량의 이온교환수지가 사용되기 때문에 방사성 폐 이온교환수지가 다량 발생할 뿐만 아니라, 아직 방사성 폐 이온교환수지의 안정된 격리 및 처리방법이 없으므로 임시격리를 위해서도 막대한 비용이 소요되고 있다. 셋째, 폐 이온교환수지 교체를 위해서는 다량의 방사성 공정폐수가 발생될 뿐만 아니라, 공정 소요시간 과다 및 작업자의 방사선 피폭증가 등의 문제점이 있다. 넷째, 고가의 LiOH를 사용해야 하므로 운전 비용이 상승되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결과제는, 기존 이온교환수지에 의한 원자로냉각재의 정화 및 Li 조절기능의 단점들인 이온교환수지의 특성상 이온성 물질 외에 금속입자들은 거의 제거가 불가능하여 일정시간이 지나면 흡착되었던 금속입자들이 수지층을 빠져나와 원자로 냉각재로 유입되어 냉각재계통의 방사능 준위를 상승시키는 문제점과, 소량의 방사성 물질 및 Li이온 제거를 위해 다량의 이온교환수지가 사용되기 때문에 방사성 폐 이온교환수지가 다량 발생할 뿐만 아니라, 아직 방사성 폐 이온교환수지의 안정된 격리 및 처리방법이 없으며 임시격리를 위해서도 막대한 비용이 소요되고 있는 문제점, 및 폐 이온교환수지 교체를 위해서 다량의 방사성 공정폐수가 발생될 뿐만 아니라, 공정 소요시간 과다 및 작업자의 방사선 피폭증가 등의 문제들을 대체 및 보완 가능한 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, Li6를 제거하고 Li7만을 농축한 고가의 LiOH주입 없이 출력운전 중 원자로에서 자연 생성된 Li7을 농축 및 저장하여 재사용이 가능하게 한 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 원자로 냉각재 정화장치에 적용할 때 역기능으로 방사성 금속이온물질과 함께 pH조절제로 사용되는 리튬(Li+)이온이 제거되는 문제를 해결 가능하게 한 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치는, 재생 열교환기(10)와 비재생 열교환기(20) 및 체적 제어 탱크(50)를 포함하는 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 적용되고, 원자로냉각재의 경로 중 상기 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50) 사이에 설치되는 장치에 관한 것으로서, 음(-)극이 연결된 제1 음극 부재(112)와, 양(+)극이 연결된 제1 양극 부재(114)를 구비하며, 상기 비재생 열교환기(20)에서 배출된 원자로냉각재를 직류전원이 흐르는 상기 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이에 통과시켜 상기 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속이온 및 금속입자가 집적되면서 회수되게 하는 방사성 금속이온 회수기(110); 일측에 양(+)극이 연결되는 제2 양극 부재(124)와, 타측에 음(-)극이 연결되는 제2 음극 부재(122) 및 제2 양극 부재(124)와 제2 음극 부재(122)의 사이에 설치되어 양이온을 통과시키는 양이온 교환막(126)을 구비하며, 상기 방사성 금속이온 회수기(110)를 통과한 원자로냉각재는 상기 제2 양극 부재(124)와 양이온 교환막(126) 사이를 통과하여 상기 체적 제어 탱크(50)로 유입되고, 제2 음극 부재(122)와 양이온 교환막(126) 사이에는 순수를 계속 재순환시켜 원자로냉각재에서 생성되는 상기 양이온 교환막(126)을 통과한 Li+ 이온이 상기 제2 음극 부재(122) 쪽으로 이동 및 분리되도록 하는 Li 이온 분리 농축기(120); 및, 상기 Li 이온 분리 농축기(120)에서 분리된 Li7 을 다시 Li 이온 분리 농축기(120)로 재순환 하면서 재순환 과정에서 Li7을 농축하는 Li7 농축 탱크(130)를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 방사성 금속이온 회수기(110)에는 직류전원이 일정주기를 가지고 단속적으로 인가될 수 있다.
더욱이, 상기 Li 이온 분리 농축기(120)와 상기 Li7 농축 탱크(130)에 저장되고 순환되는 Li7 이온의 일부는 상기 Li 이온 분리 농축기(120)를 빠져나오는 LiOH 농축수가 유입되어 상기 체적 제어 탱크(50)에 공급될 수 있다.
한편, 상기 방사성 금속이온 회수기(110)의 제1 음극 부재(112)는 외관이 차폐되는 폐쇄구조를 가지며, 상기 제1 양극 부재(114)는 제1 음극 부재(112)의 내부에 교체 가능하게 설치될 수 있다.
또한, 원자로냉각재의 경로 중 상기 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50) 사이에 원자로냉각재 중의 방사성 물질이 이온교환으로 제거되면서 Li 제거를 통해 pH를 조절하는 탈염기(30, 40)가 설치된 경우, 상기 비재생 열교환기(20)를 거친 원자로냉각재는 상기 탈염기(30, 40)를 거치지 않고 방사성 금속이온 회수기(110)로 우회시켜 공급될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따른 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 방법은, 재생 열교환기(10)와 비재생 열교환기(20) 및 체적 제어 탱크(50)를 포함하는 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 적용되어 원자로냉각재의 방사성 물질 정화와 pH를 조절하는 방법에 관한 것으로서, 상기 비재생 열교환기(20)에서 배출된 원자로냉각재를 직류전원이 흐르는 방사성 금속이온 회수기(110)의 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이에 통과시켜 상기 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속이온 및 금속입자가 집적되면서 회수하는 단계; 상기 방사성 금속이온 회수기(110)를 통과한 원자로냉각재를 Li 이온 분리 농축기(120)의 제2 양극 부재(124)와 양이온 교환막(126) 사이를 통과시켜 상기 체적 제어 탱크(50)로 유입되게 하고, 제2 음극 부재(122)와 상기 양이온 교환막(126) 사이에 순수를 계속 재순환시켜 원자로냉각재에서 생성되는 상기 양이온 교환막(126)을 통과한 Li+ 이온이 상기 제2 음극 부재(122) 쪽으로 이동 및 분리되도록 하는 단계; 상기 Li 이온 분리 농축기(120)에서 분리된 Li7 이 재순환 과정에서 Li7 농축 탱크(130)에 농축되는 단계; 및 상기 Li7 농축 탱크(130)에 저장된 Li7 을 상기 체적 제어 탱크(50)에 공급하여 원자로냉각재에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 방사성 금속이온 및 금속입자 회수 단계의 수행시, 상기 방사성 금속이온 회수기(110)에 직류전원이 일정주기를 가지고 단속적으로 인가될 수 있다.
이때, 상기 방사성 금속이온 및 금속입자 회수 단계 수행시 직류전원 단속 인가 조건은 1분간 전류를 흘리고 5~10초간 멈춤을 반복할 수 있다.
본 발명에 의하면, 원자로냉각재의 방사성 물질 정화 및 Li 이온농도 유지를 위한 이온교환수지를 사용하지 않기 때문에 방사성폐수지의 발생이 전혀 없을 뿐만 아니라 이온교환수지의 교체를 위해 다량의 공정폐수가 발생되지 않아 방사성 폐기물의 배출을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 기존 화학 및 체적 제어 계통에 부가 설치하여 혼상 탈염기 및 양이온 탈염기에 대체 사용이 가능하므로 혼상 탈염기 및 양이온 탈염기 없이도 방사성물질 제거와 pH 조절이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 이온물질만 제거 가능한 기존의 이온교환수지 방법과 달리 금속입자까지 제거하여 노심으로 유입되는 금속입자를 줄여주기 때문에 노심에서 중성자조사에 의해 생성되는 방사성 물질의 생성량을 낮출 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명은, 방사성 물질이 집적된 음극만을 분리하여 격리시켜야 하지만 한 주기 동안 발생되는 방사성 금속 및 이온의 총량은 수 g 이내로 매우 적기 때문에 한 번 설치로 거의 수명기간까지 방사성 물질을 제거할 수 있는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명은, 출력운전 중 생성된 Li 이온만을 농축하여 필요시 재사용하기 때문에 수입에 의존하고 있는 고가의 LiOH 구매 없이 농축된 Li7을 재이용할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 기존의 기존 화학 및 체적 제어 계통을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치가 신규 화학 및 체적 제어 계통에 적용된 상태를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치가 기존 화학 및 체적 제어 계통에 적용된 상태를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 방법을 도시한 블록도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치 및 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치(100)는 방사성 금속이온 회수기(110), Li 이온 분리 농축기(120), Li7 농축 탱크(130) 및 제어부를 포함하며, 기존 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)의 원자로냉각재의 이동 경로 중 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50)의 사이에 배치된다.
여기서, 원자로냉각재 계통에서 화학 및 체적제어 계통(CVCS)으로 들어오는 원자로냉각재는 고온상태에 있으며, 고온 원자로냉각재는 재생 열교환기(10)에서 화학 및 체적제어 계통(CVCS)으로부터 원자로냉각재 계통으로 되돌아 들어가는 저온 원자로냉각재를 가열한 후 온도를 상승시킴으로써 원자로냉각재 계통에 대한 열충격의 가능성을 감소시켜 준다.
방사성 금속이온 회수기(110)는 비재생 열교환기(20)의 출수 라인에 구비되어 기존 화학 및 체적 제어 계통에서 혼상 탈염기(30)의 기능을 대체하는 정화 설비로 원자로냉각재 중의 방사성물질을 제거한다.
즉, 방사성 금속이온 회수기(110)는 기존의 이온교환수지 탑 대신 전기도금의 원리를 응용하여 원자로냉각재를 직류전원이 흐르는 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114)의 사이에 통과시키면, 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속이온뿐만 아니라, 금속입자까지 집적되어 분리된다.
이때, 전기화학 도금(鍍金)은 전해질 용액에 직류전원을 통과시키는 과정에서 음극에 금속이온이 석출(도금)되는 원리를 이용하여 수중에 존재하는 방사성 금속이온을 회수하는 응용기술이다.
여기서, 방사성 금속이온 회수기(110) 중 제1 음극 부재(112)는 외관을 형성하는 몸체로 음(-)극이 연결되며, 금속성 방사성 물질이 계속 집적되어 외관이 차폐된다, 또한, 제1 음극 부재(112)는 교체시 분리조작이 쉬워야 하나 집적되는 방사성물질의 부피는 매우 작기 때문에 거의 수명기간까지 사용할 수 있다.
제1 양극 부재(114)는 전리에 의해 전극이 손상되었을 때 제1 음극 부재(112)의 내부에 교체 가능하게 설치되며, 금속이온이 전리(ionization)되기 때문에 백금흑 도금이나 티타늄 또는 탄소 재질 등의 전도체 물질로 제작되어야 한다. 결국, 제1 양극 부재(114)는 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속입자의 과집적 또는 제1 양극 부재(114)의 전리 손실로 인한 신규교체를 위해 제1 음극 부재(112)에서 분리시킬 수 있다.
이렇게, 방사성 금속이온 회수기(110)는 금속입자가 원자로에 유입, 방사화되면서 방사성 물질로 전환되는 것을 방지하여 원자로냉각재 내의 방사성 물질을 획기적으로 줄일 수 있다. 그리고, 금속의 형태로 집적된 제1 음극 부재(112)를 분리 및 격리시킴으로써 회수되는 방사성 물질의 부피를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 제1 음극 부재(112)의 분리에 따른 방사성 공정폐수 또한 거의 발생하지 않는다. 또한, 작업자의 방사선 피폭을 최소화하면서 가장 안정된 최소부피의 금속형태로 안전하게 격리시킬 수 있다.
한편, 방사성 금속이온 회수기(110)는 방사성 물질 정화장치 적용을 위한 역기능 해결 방안으로 원자로냉각재에서 일정농도가 계속 유지되어야 하는 리튬이온(Li+) 역시 제1 음극 부재(112)에서 함께 집적되어 제거되기 때문에 이를 해결하기 위해서 직류전원을 제어부(도면에 미도시)를 통해 단속적으로 인가하게 된다.
이렇게, 직류전원을 단속적으로 인가하는 과정을 통해 수용액에서 쉽게 용해가 가능한 리튬은 전류가 흐르지 않을 때 원자로 냉각재에 쉽게 용해되어 일정농도를 유지할 수 있으나, 다른 방사성 금속들은 금속이온으로 다시 용해되지 못하고 제1 음극 부재(112)에 계속 집적되어 격리시킬 수 있다.
즉, 기존 원자로냉각재 취출수를 전류가 흐르는 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114)의 사이에 통과시키면 제1 양극 부재(114)에는 음이온 방사성 물질인 요오드(Iodine) 동위원소가 집적되고, 제1 음극 부재(112)에는 양이온 방사성 물질인 Cr, Co 등의 방사성 동위원소와 원자로 냉각재의 pH 조절물질인 Li 이온이 함께 석출되어 집적되는 것이다.
그러나 리튬(Lithium)은 용해도가 매우 커서 전류가 흐르지 않으면 석출되었던 리튬 이온이 즉시 원자로냉각재 내에 용해되기 때문에 원자로냉각재 내에 일정량의 Li 이온농도 유지를 위해 단속적으로 전류를 흘려보내면 석출되었던 Li 이온은 원자로냉각재 내에 쉽게 용해되어 일정농도를 유지하고, 방사성 물질인 Cr, Co 등은 용해되기가 매우 어렵기 때문에 집적상태를 계속 유지할 수 있는 것이다.
여기서, 냉각재 내에 일정량의 Li 이온농도 유지를 위해 단속적으로 전류를 인가할 때 약 1분간 전류를 흘리고 5~10초간 멈춤을 반복할 수 있으며, 이때, 단속 인가 조건은 이에 한정하지 않고 변경 실시가 가능하다.
또한, 제1 양극 부재(114)에 집적될 수 있는 요오드 동위원소는 제1 양극 부재(114)의 특성상 금속의 전리로 손상될 수밖에 없는 전극을 보호하는 보호 피막(금속에서 이탈되는 전자를 보충) 역할을 하며, 많은 양의 집적으로 도전율(conductivity)이 떨어질 수 있으나 Li 농도 유지를 위해 단속적으로 전류가 흐르지 않을 때 용해되어 정상적인 기능이 회복된다. 이때, 요오드 동위원소는 반감기가 매우 짧아 쉽게 소멸됨으로써 제거대상이 아니다.
한편, 원자로 냉각제 내에 존재하는 방사성 금속입자 및 이온의 한 주기 제거 총량은 수 g 정도에 불과하므로 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치(100)의 방사성 금속이온 회수기(110)는 1회 설치로 거의 수명기간까지 사용할 수 있다. 그러나 방사성 물질의 집적량이 많아질수록 방사선 준위가 높아지기 때문에 차폐가 잘 되어야 하며, 만약 양극 부재(114)가 손상되었을 때는 작업자의 피폭이 최소화 되도록 제1 양극 부재(114)의 분리 및 교체가 쉽게 가능하여야 한다.
Li 이온 분리 농축기(120)는 기존 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)에서 양이온 탈염기의 역할을 대체하는 설비로, 방사성 금속이온 회수기(110)를 통과한 원자로냉각재 내에서 생성되는 Li7을 분리하는 기능을 한다. 즉, Li 이온 분리 농축기(120)는 두 극의 분리막을 양이온 교환막(126)으로 채용하여 양이온만 통과되도록 기존의 전기투석 시스템(Electro Dialysis System)을 응용한 설비이다.
이때, Li 이온 분리 농축기(120)는 일측에 양(+)극이 연결되는 제2 양극 부재(124)와, 타측에 음(-)극이 연결되는 제2 음극 부재(122), 및 제2 양극 부재(124)와 제2 음극 부재(122)의 사이에 구비되어 Li+ 이온은 통과시키고 원자로냉각재 내의 반응도조절을 위한 붕산(BO3 -)이온은 그대로 유지토록 하는 양이온 교환막(126)을 포함한다.
결국, Li 이온 분리 농축기(120)는 pH 조절제 제거 및 유지가 가능하도록 전기투석 장치를 응용하여 양이온교환 막을 사이에 두고 직류전원을 공급하되, 제2 양극 부재(124) 쪽으로 원자로냉각재의 일부가 계속 흐르도록 하고, 제2 음극 부재(122) 쪽에는 순수(pure water)가 계속 재순환되게 하면 양이온교환 막을 통과한 Li 이온이 제2 음극 부재(122) 쪽으로 이동하여 Li 이온이 농축된다. 이렇게, Li 이온이 농축되므로 원자로에서 생성된 Li 이온이 제거되며, 원자로냉각재 내의 Li 농도가 증가하는 경우 농축된 Li 이온을 다시 원자로냉각재에 주입함으로써 원자로냉각재 내의 pH를 조절할 수 있다.
즉, Li 이온 분리 농축기(120)는 제2 음극 부재(122)에 농축된 Li 이온이 Li7 농축 탱크(130)로 이동하도록 Li7 농축 탱크(130)와 순환 라인(Lc)으로 연결되며, 순환 라인(Lc)에 순환되는 Li7 이온의 일부가 LiOH 농축수에 유입되면서 체적 제어 탱크(50)로 공급하기 위한 공급 라인(Ls)이 순환 라인(Lc) 상에 연결된다.
여기서, 공급 라인(Ls)은 순환 라인(Lc)과 체적 제어 탱크(50)의 입수라인에 연결되는 것으로 예시하였으나, 이에 한정하지 않고 Li7 농축 탱크(130)에서 체적 제어 탱크(50) 또는 체적 제어 탱크(50)의 입수라인에 선택적으로 연결될 수 있다.
또한, 순환 라인(Lc)과 공급 라인(Ls)과의 교차 지점에는 삼방 밸브(V2)가 구비되며, 제어부(도면에 미도시)를 통해 삼방 밸브(V2)의 작동을 제어하여 Li7 농축 탱크(130) 내에 저장된 농축된 Li 이온의 이동 경로를 선택적으로 조절할 수 있다.
그리고 순환 라인(Lc)의 도중과, 체적 제어 탱크(50)에서 재생 열교환기(10)로 연결되는 라인 상에 펌프가 각각 구비되어 Li 이온 및 원자로냉각재를 강제 이송시킨다.
또한, 제어부는 Li 이온 분리 농축기(120)에서 이동되는 원자로냉각재 내에 일정량의 Li 이온농도 유지를 위해 전류 단속 조절을 제어할 수 있으며, 이외에도 기타 장치 운전 등의 제어가 가능하다.
한편, Li 이온 분리 농축기(120)에서 리튬 농도조절을 위한 제2 음극 부재(122)와 제2 양극 부재(124)의 격리 막이 양이온 교환막(126)으로 제작되므로 Li+ 이온만 통과되어 농축되도록 하고, 원자로냉각재 내의 반응도조절을 위한 붕산(BO3 -)이온은 그대로 유지토록 한다.
Li7 농축 탱크(130)는 Li 이온 분리 농축기(120)에서 분리된 Li7 의 재순환 과정에서 농축된 Li7이 내부에 저장되며, 필요시 Li7이 주입된 원자로냉각재가 체적 제어 탱크(50)로 공급되도록 체적 제어 탱크(50)의 입수 라인에 공급 라인(Ls)이 연결된다.
또한, Li7 농축 탱크(130)는 내부에 저장된 농축 Li7을 체적 제어 탱크(50)에 공급하도록 체적 제어 탱크(50)와 라인으로 연결될 수 있다.
제어부(도면에 미도시)는 삼방 밸브(V1, V2)의 작동을 제어하여 삼방 밸브(V1)의 개폐에 의한 Li 이온의 이동 경로 조절과, 삼방 밸브(V2)의 개폐에 의한 원자로냉각재의 이동 경로를 조절할 수 있다. 또한, 제어부는 본 장치의 작동에 필요한 전반적인 제어, 예를 들면 방사성 금속이온 회수기(110)와 Li 이온 분리 농축기(120)에 인가되는 전류의 양 및 시간, 각종 펌프의 구동 등을 제어하게 된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치(100)가 기존 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 적용되는 경우, 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50)의 사이에 연결된 라인 상에 양이온 탈염기(40) 및 혼상 탈염기(30)에 우회할 수 있도록 우회라인(LR)을 구비하여 비재생 열교환기(20)에서 열교환된 원자로냉각재가 혼상 탈염기(30) 및 양이온 탈염기(40)로 유입되지 않도록 한다. 이때, 비재생 열교환기(20)의 출수라인과 방사성 금속이온 회수기(110)로 연결되는 연결라인과의 교차 지점에는 삼방 밸브(three way valve: V1)가 설치되어, 제어부(도면에 미도시)를 통해 삼방 밸브(V1)의 작동을 제어하여 비재생 열교환기(20)를 통해 배출되는 원자로냉각재의 경로를 조절할 수 있다.
여기서, 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치(100)가 기존 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 적용될 때 혼상 탈염기(30) 및 양이온 탈염기(40)를 제거하지 않는 이유는 혼상 탈염기(30) 및 양이온 탈염기(40) 제거를 위한 비용 상승과 제거 과정에서 방사성 폐기물(각종 배관 및 탱크와 이온교환수지 등의 충전물)이 발생되기 때문이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 장치(100)에 의한 동작 및 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 방법은 재생 열교환기에 의한 열교환 단계(S100), 비재생 열교환기에 의한 열교환 단계(S110), 방사성 금속 및 금속입자 직접 분리 단계(S120), Li 이온 이동 및 농축 단계(S130), Li7 농축 단계(S140) 및 Li7 원자로냉각재 주입 단계(S150)를 포함한다.
재생 열교환기에 의한 열교환 단계(S100)는 원자로냉각재 계통에서 배출된 고온의 원자로냉각재가 재생 열교환기(10)를 통해 열교환되는 단계이다.
비재생 열교환기에 의한 열교환 단계(S110)는 재생 열교환기(10)에서 배출된 원자로냉각재가 계통기기 냉각재와 비재생 열교환기(20)를 통해 열교환되는 단계이다.
방사성 금속 및 금속입자 직접 분리 단계(S120)는 비재생 열교환기(20)에서 배출된 원자로냉각재를 방사성 금속이온 회수기(110) 내부의 직류전원이 흐르는 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이로 통과시켜 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속 및 금속입자가 집적되면서 분리되게 하는 단계이다.
즉, 방사성 금속 및 금속입자 직접 분리 단계(S120)는 직류전원이 흐르는 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이를 원자로냉각재가 통과하면서 제1 음극 부재(112)에 방사성 양이온물질(Co, Cr 이온 등)이 석출되어 제거된다. 한편, 동시에 Li 이온 및 제1 양극 부재(114)에서 석출될 수 있는 붕산이온은 용해되기 쉽기 때문에 제어부에 의한 단속적인 전류 흐름으로 원자로냉각재 내에 유지되도록 하여 원자로냉각재 정화에 사용되는 기존 화학 및 체적 제어 계통(CVCS)에서의 혼상 탈염기(30)를 대신토록 할 수 있다.
결국, 방사성 금속 및 금속입자 직접 분리 단계(S120)는 방사성 금속이온 및 금속입자를 회수하는 단계를 포함하며, 방사성 금속이온 및 금속입자 회수 단계는 방사성 금속이온 회수기(110)를 통해 방사성 물질 정화장치 적용을 위한 역기능 해결 방안으로 원자로냉각재에서 일정농도가 계속 유지되어야 하는 리튬이온(Li+) 역시 음극에서 함께 집적되어 제거되기 때문에 이를 해결하기 위해서 제어부에 의해 직류전원을 단속적으로 인가하게 된다.
이렇게, 직류전원을 단속적으로 인가하는 과정을 통해 수용액에서 쉽게 용해가 가능한 리튬은 전류가 흐르지 않을 때 원자로 냉각재에 쉽게 용해되어 일정농도를 유지할 수 있으나, 다른 방사성 금속들은 금속이온으로 다시 용해되지 못하고 음극에 계속 집적되어 격리시킬 수 있다.
즉, 기존 원자로냉각재 취출수를 전류가 흐르는 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이에 통과시키면 제1 양극 부재(114)에는 음이온 방사성 물질인 요오드 동위원소가 집적되고, 제1 음극 부재(112)에는 양이온 방사성 물질인 Cr, Co 등의 방사성 동위원소와 원자로 냉각재의 pH 조절물질인 Li 이온이 함께 석출되어 집적되는 것이다.
그러나 리튬은 용해도가 매우 커서 전류가 흐르지 않으면 석출되었던 리튬 이온이 즉시 원자로냉각재 내에 용해되기 때문에 원자로냉각재 내에 일정량의 Li 이온농도 유지를 위해 단속적으로 전류를 흘려보내면 석출되었던 Li 이온은 원자로냉각재 내에 쉽게 용해되어 일정농도를 유지하고, 방사성 물질인 Cr, Co 등은 용해되기가 매우 어려워 집적상태를 계속 유지할 수 있는 것이다.
여기서, 방사성 금속이온 및 금속입자 회수 단계 수행시 냉각재 내에 일정량의 Li 이온농도 유지를 위해 단속적으로 전류를 인가할 때 약 1분간 전류를 흘리고 5~10초간 멈춤을 반복할 수 있으며, 단속 인가 조건은 이에 한정하지 않고 변경 실시가 가능하다.
Li 이온 이동 및 농축 단계(S130)는 방사성 금속이온 회수기(110)를 통과한 원자로냉각재가 Li 이온 분리 농축기(120)의 내부에서 직류전원을 공급한 양이온교환 막의 사이로 통과되면서 Li 이온이 제2 음극 부재(122) 쪽으로 이동 및 농축되도록 분리하는 단계이다.
더욱 상세히 설명하면, Li 이온 이동 및 농축 단계(S130)는 전기투석 시스템을 응용하여 제2 양극 부재(124)로는 냉각재를 계속 흐르도록 하고, 격리 막에는 양이온교환막(126)을 채용하여 Li 이온만 제2 음극 부재(122) 쪽으로 분리 농축되게 하므로 필요시 원자로냉각재 내에 다시 주입하게 된다. 이렇게, 기존 화학 및 체적 제어 계통에서의 양이온 탈염기(40)의 기능을 대신할 뿐만 아니라 수입에 의존하여 발전소 기동시 주입해야 하는 고가의 Li7OH를 수입할 필요가 없어 경제적으로 운용할 수 있다.
Li7 농축 단계(S140)는 Li 이온 분리 농축기(120)에서 분리된 Li7 이 재순환되는 과정에서 Li7 농축 탱크(130)에 농축되는 단계이다.
Li7 원자로냉각재 주입 단계(S150)는 재생 열교환기(10)에서 재사용될 수 있도록 상기 Li7 농축 탱크(130)에 저장된 Li7 을 원자로냉각재에 주입하는 단계이다.
이렇게, 본 발명의 원자로냉각재 방사성 물질 정화/pH 조절 방법은 소량의 방사성 물질 및 리튬농도 제어를 위해 다량의 방사성폐수지가 발생될 뿐만 아니라 폐수지 처리 및 격리방법 또한 없어 발전소 내에 산적해 있는 상황을 감안하였을 때 방사성 폐수지의 발생 없이 원자로 냉각재 내의 방사성 물질을 제거하여 정화하고 pH 제어제인 Li 이온을 적절히 분리 농축하여 재사용 하고자 한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
본 발명은 원자로 발전소 내에 설치되어 원자로냉각재의 방사성 물질을 정화하고, 원자로냉각재의 pH 조절을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (8)

  1. 재생 열교환기(10)와 비재생 열교환기(20) 및 체적 제어 탱크(50)를 포함하는 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 적용되고, 원자로냉각재의 경로 중 상기 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50) 사이에 설치되는 장치에 관한 것으로서,
    음(-)극이 연결된 제1 음극 부재(112)와, 양(+)극이 연결된 제1 양극 부재(114)를 구비하며, 상기 비재생 열교환기(20)에서 배출된 원자로냉각재를 직류전원이 흐르는 상기 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이에 통과시켜 상기 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속이온 및 금속입자가 집적되면서 회수되게 하는 방사성 금속이온 회수기(110);
    일측에 양(+)극이 연결되는 제2 양극 부재(124)와, 타측에 음(-)극이 연결되는 제2 음극 부재(122) 및 제2 양극 부재(124)와 제2 음극 부재(122)의 사이에 설치되어 양이온을 통과시키는 양이온 교환막(126)을 구비하며, 상기 방사성 금속이온 회수기(110)를 통과한 원자로냉각재는 상기 제2 양극 부재(124)와 양이온 교환막(126) 사이를 통과하여 상기 체적 제어 탱크(50)로 유입되고, 제2 음극 부재(122)와 양이온 교환막(126) 사이에는 순수를 계속 재순환시켜 원자로냉각재에서 생성되는 상기 양이온 교환막(126)을 통과한 Li+ 이온이 상기 제2 음극 부재(122) 쪽으로 이동 및 분리되도록 하는 Li 이온 분리 농축기(120); 및,
    상기 Li 이온 분리 농축기(120)에서 분리된 Li7 을 다시 Li 이온 분리 농축기(120)로 재순환 하면서 재순환 과정에서 Li7을 농축하는 Li7 농축 탱크(130)를 포함하는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방사성 금속이온 회수기(110)에는 직류전원이 일정주기를 가지고 단속적으로 인가되는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Li 이온 분리 농축기(120)와 상기 Li7 농축 탱크(130)에 저장되고 순환되는 Li7 이온의 일부는 상기 Li 이온 분리 농축기(120)를 빠져나오는 LiOH 농축수가 유입되어 상기 체적 제어 탱크(50)에 공급되는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방사성 금속이온 회수기(110)의 제1 음극 부재(112)는 외관이 차폐되는 폐쇄구조를 가지며, 상기 제1 양극 부재(114)는 제1 음극 부재(112)의 내부에 교체 가능하게 설치되는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    원자로냉각재의 경로 중 상기 비재생 열교환기(20)와 체적 제어 탱크(50) 사이에 원자로냉각재 중의 방사성 물질이 이온교환으로 제거되면서 Li 제거를 통해 pH를 조절하는 탈염기(30, 40)가 설치된 경우, 상기 비재생 열교환기(20)를 거친 원자로냉각재는 상기 탈염기(30, 40)를 거치지 않고 방사성 금속이온 회수기(110)로 우회시켜 공급되는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 장치.
  6. 재생 열교환기(10)와 비재생 열교환기(20) 및 체적 제어 탱크(50)를 포함하는 화학 및 체적제어 계통(CVCS)에 적용되어 원자로냉각재의 방사성 물질 정화와 pH를 조절하는 방법에 관한 것으로서,
    상기 비재생 열교환기(20)에서 배출된 원자로냉각재를 직류전원이 흐르는 방사성 금속이온 회수기(110)의 제1 음극 부재(112)와 제1 양극 부재(114) 사이에 통과시켜 상기 제1 음극 부재(112)에 방사성 금속이온 및 금속입자가 집적되면서 회수하는 단계;
    상기 방사성 금속이온 회수기(110)를 통과한 원자로냉각재를 Li 이온 분리 농축기(120)의 제2 양극 부재(124)와 양이온 교환막(126) 사이를 통과시켜 상기 체적 제어 탱크(50)로 유입되게 하고, 제2 음극 부재(122)와 상기 양이온 교환막(126) 사이에 순수를 계속 재순환시켜 상기 양이온 교환막(126)을 통과한 Li+ 이온이 상기 제2 음극 부재(122) 쪽으로 이동 및 분리되도록 하는 단계;
    상기 Li 이온 분리 농축기(120)에서 분리된 Li7 이 재순환 과정에서 Li7 농축 탱크(130)에 농축되는 단계; 및
    상기 Li7 농축 탱크(130)에 저장된 Li7 을 상기 체적 제어 탱크(50)에 공급하여 원자로냉각재에 주입하는 단계를 포함하는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 방사성 금속이온 및 금속입자 회수 단계의 수행시, 상기 방사성 금속이온 회수기(110)에 직류전원이 일정주기를 가지고 단속적으로 인가되는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방사성 금속이온 및 금속입자 회수 단계 수행시 직류전원 단속 인가 조건은 1분간 전류를 흘리고 5~10초간 멈춤을 반복하는 원자로냉각재 방사성물질 정화/pH 조절 방법.
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