WO2024090707A1 - 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 c-14을 탈착하고 회수 처리하기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원전에서 발생한 폐수지 혼합물에서 폐수지와 그 외 혼합물을 분리하고, 분리된 폐수지에서 방사성 핵종을 탈착하고, 탈착된 방사성 핵종을 회수하여 처리하는 장치에 관한 것이다. 상기 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치는, 폐수지 혼합물 임시 저장탱크; 폐액 저장탱크; 폐수지 혼합물 분리탱크; 폐혼합물 저장탱크; 폐수지 저장탱크; 상기 폐수지 저장탱크에서 이송되는 폐수지에 마이크로파를 조사하여 14CO2 포함 기체를 분리하기 위한 마이크로파 반응기; 14CO2 포함 기체에서 수분을 제거하기 위한 열교환기; 흡착제에 의해 14CO2 를 흡착하여 제거하기 위한 1차 흡착탑; 상기 1차 흡착탑과 상기 마이크로파 반응기를 연결하는 1차 흡착탑 연결배관; 을 포함한다. 이러한 구성에 따르면, 원전에서 발생되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리해내고, 마이크로파 반응기에 마이크로파를 조사하여 폐수지에서 14CO2 포함 기체를 분리하여 방사성 물질인 C-14를 제거할 수 있다.
Description
본 발명은 원전에서 발생한 폐수지 혼합물에서 폐수지와 그 외 혼합물을 분리하고, 분리된 폐수지에서 방사성 핵종을 탈착하고, 탈착된 방사성 핵종을 회수하여 처리하는 장치에 관한 것이다.
원자력발전소(원전)에서는 감속재, 냉각재, 핵연료 교환 시 냉각수를 사용하게 된다. 이때, 핵종 붕괴 및 방사선 방출로 인해 냉각수가 방사성이온들로 오염되므로, 원전에서는 운전 중에 다공성 고분자 수지를 이용하여 액상에 녹아있는 방사성이온을 포집하고 있다. 또한, 활성탄과 제올라이트도 방사성이온 포집을 위해 사용되고 있다.
원전 운영 중에서 발생되는 폐수지는 폐수지내 C-14 농도가 높아 방사성 핵종별 농도에 따른 분류체계에 따르면 중준위폐기물로 분류되며, 최종 처분을 위한 한국원자력환경공단 인수기준인 방사성 핵종별 총량제한치보다 높아 처리가 곤란하다.
현재 원전에서 발생되는 폐수지, 활성탄, 제올라이트는 혼합되어 대형 저장탱크에 저장하고 있으므로, 이러한 폐수지 혼합물에서 비교적 방사성 농도가 낮은 활성탄과 제올라이트를 먼저 분리하고, 분리된 폐수지에 대해서는 최종 처분을 위해 C-14(방사성탄소)를 제거하여 처리하는 것이 필요하다.
(선행기술문헌)
(특허문헌)
대한민국 등록특허 제10-1102438호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 원전에서 발생되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리해내고, 분리된 폐수지에서 방사성 물질인 C-14를 분리하고 안정한 형태로 포집하는, 원전에서 발생되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치는, 폐수지 혼합물 저장 탱크로부터 이송되는 일정 양의 폐수지 혼합물을 저장하는 폐수지 혼합물 임시 저장탱크 ; 폐수지 혼합물 분리과정에서 발생되는 폐액을 저장하는 폐액 저장탱크; 상기 폐수지 혼합물 임시 저장탱크에서 이송되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하기 위한 폐수지 혼합물 분리탱크; 상기 폐수지 혼합물 분리탱크에서 분리된 폐수지 외 혼합물을 저장하기 위한 폐혼합물 저장탱크; 상기 폐수지 혼합물 분리탱크에서 분리된 폐수지를 저장하기 위한 폐수지 저장탱크; 상기 폐수지 저장탱크에서 이송되는 폐수지에 마이크로파를 조사하여 14CO2 포함 기체를 분리하기 위한 마이크로파 반응기; 상기 마이크로파 반응기에서 이송되는 14CO2 포함 기체에서 수분을 제거하기 위한 열교환기; 수분이 제거된 14CO2 포함 기체가 이송되고 흡착제에 의해 14CO2 를 흡착하여 제거하기 위한 1차 흡착탑; 상기 1차 흡착탑을 통과하는 14CO2 흡착 후의 기체를 상기 마이크로파 반응기로 이송하기 위해 상기 1차 흡착탑과 상기 마이크로파 반응기를 연결하는 1차 흡착탑 연결배관; 을 포함한다.
또한, 상기 1차 흡착탑의 전단과 연결되고 14CO2 흡착 후의 기체를 저장하는 버퍼탱크; 상기 버퍼탱크에 저장된 14CO2 흡착 후의 기체가 이송되고 흡착제에 의해 14CO2를 추가로 흡착하는 2차 흡착탑; 을 더 포함하고, 상기 1차 흡착탑의 전단과 상기 버퍼탱크 사이에는 차단 밸브가 설치되고, 상기 1차 흡착탑 전단의 배관 내부에서 측정된 CO2 농도가 소정값 이하인 경우, 상기 차단 밸브가 개방되어 14CO2 흡착 후의 기체가 상기 버퍼탱크와 상기 2차 흡착탑 사이에서만 순환하는 2차 순환을 시행한다.
또한, 상기 폐수지 저장탱크는, 타공판으로 제작되는 깔때기 형상의 호퍼; 상기 호퍼의 하부와 연결되어, 상기 호퍼에서 배출되는 폐수지를 이송하는 이송 스크류; 상기 이송 스크류의 단부 및 상기 마이크로파 반응기를 연결하는 연결배관; 을 포함하고, 상기 폐수지 저장탱크로 공정수와 함께 이송된 폐수지는 상기 호퍼의 하부로 배출되어 상기 이송 스크류 및 상기 연결배관을 통해 상기 마이크로파 반응기로 이송되고, 공정수는 상기 호퍼의 개구를 통해 배출되어 상기 폐수지 저장탱크에 저장된다.
또한, 상기 호퍼의 상부에는 분사노즐이 설치되고, 상기 폐액 저장탱크로부터 공급되는 공정수가 상기 분사노즐을 통해 공급된다.
또한, 상기 폐수지 저장탱크는 상기 호퍼의 타공판에 발생되는 공기층을 제거하기 위해 상기 호퍼에 충격을 가하는 노커; 를 더 포함한다.
또한, 상기 폐수지 저장탱크는 상기 호퍼의 타공판 위에 적층되는 폐수지를 하부로 용이하게 배출하기 위해 상기 호퍼를 진동시키는 바이브레이터; 를 더 포함한다.
또한, 상기 마이크로파 반응기는, 횡방향으로 연장되는 교반축; 상기 교반축에 연결되는 다수의 교반날개; 상기 교반축을 회전시키는 교반모터; 를 포함하고, 상기 교반날개의 회전에 의해 폐수지가 교반됨으로써 폐수지의 탄화를 방지한다.
또한, 상기 마이크로파 반응기와 상기 1차 흡착탑을 연결하는 배관 또는 상기 1차 흡착탑 연결배관에는 분진을 제거하기 위한 분진제거장치가 설치된다.
또한, 상기 마이크로파 반응기는 상기 교반축을 냉각시키는 냉각기; 를 더 포함하고, 상기 냉각기는 상기 교반축을 냉각시키고, 그에 따라 상기 교반축 주위의 폐수지를 냉각시켜 폐수지의 탄화를 방지한다.
또한, 상기 1차 흡착탑은 상하에 버터플라이 밸브가 각각 구비되는 복수의 흡착통이 종방향으로 연결된 형태가 되고, 상기 흡착통 내에는 14CO2 를 흡착하기 위한 흡착제가 구비되고, 상기 흡착제를 교체하기 위해 상기 버터플라이 밸브를 폐쇄한 상태에서 각각의 상기 흡착통을 개별적으로 분해 및 조립할 수 있다.
또한, 상기 1차 흡착탑의 전단과 후단에는 CO2 농도 센서가 각각 배치되어, 상기 1차 흡착탑의 전단과 후단을 유동하는 14CO2 포함 기체에서 CO2 농도의 농도를 검출할 수 있다.
또한, 상기 1차 흡착탑은 2세트 이상이 바이패스 라인에 의해 연결되어, 어느 하나의 상기 1차 흡착탑의 흡착제 교체시에도 상기 1차 순환을 중단하지 않고 흡착제 교체가 가능하다.
또한, 상기 1차 흡착탑의 전단과 후단에는 차압계가 연결되어 가스 누설 여부를 확인할 수 있다.
또한, 상기 마이크로파 반응기에서 분리된 14CO2 포함 기체는 상기 열교환기 및 상기 1차 흡착탑을 지나 다시 상기 마이크로파 반응기로 유입되는 1차 순환을 하고, 상기 1차 순환을 위한 배관에는 CO2 의 누설 여부를 확인할 수 있도록 공정가스를 투입하고, 상기 1차 순환을 위한 배관의 연결부에는 공정가스의 누설을 검출하기 위한 검출기와, 상기 검출기에서 공정가스의 누설이 검출된 경우 주위 가스를 흡입하기 위한 흡입기를 포함한다.
또한, 상기 흡입기를 통해 흡입된 가스는 14CO2 를 제거하기 위한 NaOH 스크러버를 거쳐 배출된다.
또한, 상기 2차 순환 과정에서 폐가스 모니터링 장치에 의해 14CO2 의 농도를 검출하고, 검출된 14CO2 의 농도가 소정값 이하인 경우 배관 내의 기체는 14CO2 를 제거하기 위한 NaOH 스크러버를 거쳐 배출된다.
또한, 상기 폐수지 혼합물 임시 저장탱크, 상기 폐액 저장탱크 및 상기 폐혼합물 저장탱크의 하부에 각각의 탱크를 둘러싸도록 설치되어, 탱크 내용물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 오염방지둑; 을 더 포함한다.
또한, 상기 1차 순환을 위한 순환장치는 밀폐형 구조로 형성되어 상기 마이크로파 반응기에서 발생하는 14CO2 포함 기체의 누설을 방지할 수 있고, 열의 발산을 위한 방열판과, 내부 가스의 배출을 위한 배출 포트를 포함한다.
본 발명에 따르면, 원전에서 발생되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리해내고, 마이크로파 반응기에 마이크로파를 조사하여 폐수지에서 14CO2 포함 기체를 분리하여 방사성 물질인 C-14를 제거하는, 원전에서 발생되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐수지 분리 및 처리 장치의 전체 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에서 폐수지 혼합물로부터 폐수지를 분리하기 위한 구성을 상세히 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1에서 분리된 폐수지로부터 방사성핵종인 C-14를 분리하여 처리하기 위한 구성을 상세히 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에서 폐수지 저장탱크 및 마이크로파 반응기의 구성을 상세히 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 흡착탑의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명에서 NaOH 스크러버를 이용하여 잔여 C-14를 제거하는 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명에서 1차 순환과 2차 순환에 사용되는 순환장치의 구성을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 폐수지 분리 및 처리 장치의 전체 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1에서 폐수지 혼합물로부터 폐수지를 분리하기 위한 구성을 상세히 도시하는 도면이다. 도 3은 도 1에서 분리된 폐수지로부터 방사성핵종인 C-14를 분리하여 처리하기 위한 구성을 상세히 도시하는 도면이다. 도 4는 도 3에서 폐수지 저장탱크 및 마이크로파 반응기의 구성을 상세히 도시하는 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 흡착탑의 구성을 도시하는 도면이다. 도 6은 본 발명에서 스크러버를 이용하여 잔여 C-14를 제거하는 구성을 도시하는 도면이다. 도 7은 본 발명에서 1차 순환과 2차 순환에 사용되는 순환장치의 구성을 도시하는 도면이다.
본 발명은 원전에서 냉각수의 방사성이온 처리를 위해 사용되는 폐수지, 활성탄 및 제올라이트가 혼합된 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하고, 분리된 폐수지에 포함된 방사성 물질인 C-14를 제거하여 처리하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치(이하, 폐수지 분리 및 처리 장치)는 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110), 폐액 저장탱크(120), 폐수지 혼합물 분리탱크(130), 폐혼합물 저장탱크(140), 폐수지 저장탱크(150), 마이크로파 반응기(160), 반응 후 폐수지 저장탱크(167), 열교환기(170), 1차 흡착탑(180), 1차 흡착탑 연결배관(188), 버퍼탱크(190) 및 2차 흡착탑(195) 등을 포함한다.
폐수지 혼합물 저장 탱크(101)는 원전에서 냉각수의 방사성이온 처리를 위해 사용되는 폐수지, 활성탄 및 제올라이트가 혼합된 폐수지 혼합물이 저장되는 탱크이다.
폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)는 폐수지 혼합물의 분리 및 처리를 위해 폐수지 혼합물 저장 탱크(101)로부터 이송되는 일정 양의 폐수지 혼합물을 임시로 저장하고, 일정량 이상의 폐수지가 한번에 공정에 투입되지 않게 하여 사고 시 방사성물질이 누출되는 것을 제한한다. 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)의 하부에는 탱크를 둘러싸도록 설치되어, 탱크 내용물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 오염방지둑(115)이 설치된다.
폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)는 레벨 센서(탱크의 총용량 대비 50~95 %)와 로드셀을 이용하여 실시간으로 폐수지 혼합물의 레벨과 무게를 확인할 수 있다. 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110) 내의 폐수지 혼합물이 레벨과 무게를 넘을 경우 알람 및 투입이 자동 정지되고, 이후에 용량이 줄어들면 다시 투입이 시작된다.
폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)에는 폐수지 혼합물을 교반시키기 위한 모터(111)와 교반장치(112)가 구비되어, 폐수지 혼합물의 유동성을 확보할 수 있다.
폐액 저장탱크(120)는 폐수지 혼합물로부터 폐수지를 분리하고 분리된 폐수지의 이송에 필요한 공정수를 투입하기 위해, 폐수지 혼합물 분리과정에서 발생되는 폐액(또는 공정수)을 저장한다. 폐액 저장탱크(120)는 레벨 센서와 로드셀을 이용하여 실시간으로 공정 내 공급/회수되는 공정수의 무게를 확인할 수 있고, 지정된 값에 의해 공정에 대한 지속/정지 기능을 포함한다. 폐액 저장탱크(120)의 하부에는 탱크를 둘러싸도록 설치되어, 탱크 내용물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 오염방지둑(121)이 설치된다.
폐액 저장탱크(120)는 배관을 통해 각 공정 파트별 필요한 공정수(폐액)를 공급하고 다시 회수한다. 또한, 폐액 저장탱크(120)로부터 공급되는 공정수는 폐수지 혼합물과 같은 처리대상물을 희석하여 배관 또는 장치에서의 막힘 현상을 방지한다.
폐수지 혼합물 분리탱크(130)는 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)에서 배관(116)을 통해 이송되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리한다. 배관(116)은 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)의 상부와 연결되어 폐수지 혼합물이 폐수지 혼합물 분리탱크(130)로 이송될 수 있게 한다. 또한, 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)의 하부는 연결 유로(114)를 통해 배관(116)과 연결되고, 밸브(113)의 개폐에 의해 폐수지 혼합물은 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)의 하부에서 배관(116)을 따라 이송될 수 있다.
배관(116)에는 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)와 연결되는 바이패스 유로(117)가 설치된다. 폐수지 혼합물 분리탱크(130)에서의 처리 용량에 따라 폐수지 혼합물은 폐수지 혼합물 분리탱크(130)로 유입되지 않고, 바이패스 유로(117)를 통해 다시 폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)로 유입될 수 있다.
폐수지 혼합물 분리탱크(130)는 지름 0.4~2mm 크기의 타공판으로 형성되고 상향으로 소정 각도로 경사지는 원통형의 분리실(131)과, 이러한 분리실(131) 내에서 폐수지 혼합물을 이송하는 블레이드(132)를 포함한다. 분리실(131)은 모터에 의해 회전되고, 분리실(131)이 경사지는 각도는 조절될 수 있다.
폐수지 혼합물 분리탱크(130)는 레벨 센서와 로드셀을 이용하여 실시간으로 분리탱크의 레벨과 무게를 확인할 수 있고, 지정된 값을 넘을 경우 알람 및 투입이 자동 정지되고, 이후에 용량이 줄어들면 다시 투입이 시작된다.
폐수지 혼합물 임시 저장탱크(110)에서 배관(116)을 통해 폐수지 혼합물이 분리실(131)로 들어오면, 블레이드(132)에 의해 이송되면서 크기가 작은 폐수지가 먼저 분리실(131)의 개구를 통해 하부로 낙하된다. 폐수지보다 크기가 큰 폐활성탄과 폐제올라이트는 블레이드(132)를 따라 위로 이송된다(도 2에서 분리실(131)의 좌측으로). 이때, 폐액 저장탱크(120)에서 공정수가 분리실(131)의 상부로 공급되어 폐수지 혼합물이 잘 분리될 수 있게 한다.
공정수의 공급에 의해 폐수지 혼합물에서 분리된 폐수지는 분리실(131)의 일측 하부에 있는 수집구(133)를 통해 수집되고 배관(135)을 통해 폐수지 저장탱크(150)로 이송된다. 폐수지 혼합물에서 분리된 폐활성탄과 폐제올라이트는 블레이드(132)를 따라 분리실(131)의 타측 단부로 이동하고, 그 하부에 있는 수집구(134)를 통해 폐혼합물 저장탱크(140)로 이송된다.
폐혼합물 저장탱크(140)는 수집구(134)와 연결되어 폐수지 혼합물 분리탱크(130)에서 분리된 폐활성탄, 폐제올라이트 등의 폐수지 외 혼합물을 저장한다. 폐혼합물 저장탱크(140)의 하부에는 탱크를 둘러싸도록 설치되어, 탱크 내용물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 오염방지둑(146)이 설치된다.
폐혼합물 저장탱크(140)는 타공판으로 제작되는 깔때기 형상의 호퍼(141)와, 이러한 호퍼(141)의 하부와 연결되어 호퍼에서 배출되는 폐수지를 횡방향으로 이송하는 이송 스크류(142)를 포함한다. 호퍼(141)의 상부에는 분사노즐(144)이 설치되고, 폐액 저장탱크(120)로부터 공급되는 공정수가 분사노즐(144)을 통해 공급되어, 폐수지 외 혼합물이 잘 이송될 수 있게 한다.
이송 스크류(142)를 통해 이송된 폐수지 외 혼합물은 밸브(143)를 통해 별도의 저장탱크(145)에 저장되어 처리될 수 있다. 폐혼합물 저장탱크(140)의 하부에는 폐액이 저장되고, 이러한 폐액은 밸브를 통해 폐액 저장탱크(120)로 이송되어 저장될 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 폐수지 저장탱크(150)는 폐수지 혼합물 분리탱크(130)에서 분리된 폐수지를 저장한다.
폐수지 저장탱크(150)는 타공판으로 제작되는 깔때기 형상의 호퍼(151)와, 이러한 호퍼(151)의 하부와 연결되어 호퍼에서 배출되는 폐수지를 이송하는 이송 스크류(152)를 포함한다. 연결배관(158)은 이송 스크류(152)의 단부 및 마이크로파 반응기(160)를 연결한다.
호퍼(151)의 상부에는 분사노즐(155)이 설치되고, 폐액 저장탱크(120)로부터 공급되는 공정수가 분사노즐(155)을 통해 공급되어, 폐수지가 잘 이송될 수 있게 한다. 폐수지 저장탱크(150)의 세척시에도 분사노즐(155)을 통해 공정수가 공급될 수 있다.
폐수지 저장탱크(150)로 공정수와 함께 이송된 폐수지는 호퍼(151)의 하부로 배출되어 이송 스크류(152) 및 연결배관(158)을 통해 마이크로파 반응기(160)로 정량 이송되고, 공정수는 호퍼(151)의 개구를 통해 배출되어 폐수지 저장탱크(150)의 하부에 저장된다. 폐수지 저장탱크(150)의 하부에 저장된 폐액은 밸브를 통해 폐액 저장탱크(120)로 이송되어 저장될 수 있다.
폐수지 저장탱크(150)에서는 다량의 공정수와 함께 폐수지가 이송되는데, 그로 인해 타공판 내벽에 공기층이 발생될 수 있다. 공기층이 발생되면 타공판의 개구가 막혀 공정수가 하부로 원활히 배출되지 않게 된다. 이를 방지하기 위해, 폐수지 저장탱크(150)는 호퍼(151)의 타공판에 발생되는 공기층을 제거할 수 있도록 호퍼(151)에 충격을 가하는 노커(knocker)(156)를 포함한다.
또한, 폐수지 저장탱크(150)는 호퍼(151)의 타공판 위에 적층되는 폐수지를 하부로 용이하게 배출하기 위해 호퍼(151)를 진동시키는 바이브레이터(157)를 포함한다.
마이크로파 반응기(160)는 폐수지에 마이크로파를 조사하여 14CO2 포함 기체를 분리하여 C-14 및 H-3 핵종을 제거한다.
폐수지에 마이크로파가 조사되면 14CO2 포함 기체가 분리되면서 폐수지는 건조되는데, 건조 과정에서 과열로 폐수지가 탄화될 수 있다. 이를 방지하기 위해, 마이크로파 반응기(160)는 횡방향으로 연장되는 교반축(162)과, 이러한 교반축(162)에 연결되는 다수의 교반날개(163)와, 교반축(162)을 회전시키는 교반모터(161)를 구비한다.
교반축(162)과 교반날개(163)는 정/역 회전을 통해 폐수지를 상하좌우로 교반할 수 있다. 교반날개(163)는 마이크로파가 조사되는 동안 폐수지를 교반하여 이동시킴으로써, 폐수지가 과열되지 않도록 하여 탄화를 방지한다.
교반날개(163)에 의해 폐수지가 충분히 교반되지만, 교반축(162) 근처에 부착되는 폐수지는 교반이 충분히 일어나지 않아 탄화될 수 있다. 이를 방지하지 위해, 냉각기(164)가 교반축(162)에 연결되어 교반축(162)을 냉각시키고, 그에 따라 교반축(162) 주위의 폐수지를 냉각시켜 폐수지의 탄화를 방지한다.
마이크로파 반응기(160)의 하부 및 좌우측에 온도계가 설치되어, 처리되는 폐수지의 온도를 확인할 수 있고, 온도 측정을 통해 마그네트론의 출력량을 조절할 수 있다. 반응 온도 조건은 목적에 따라 마그네트론의 출력을 조절하여 80~150 ℃ 조건에서 반응을 수행할 수 있다. 마이크로파 반응기(160) 내부가 소정 온도 이상으로 상승할 경우 온도 제어를 위한 공정수가 투입되고, 180℃ 이상에서는 화재방지를 위해 비상급수가 이루어질 수 있다.
마이크로파 반응기(160)에서 14CO2 포함 기체의 발생에 따라 일시적으로 압력이 증가될 수 있으므로, 압력계에 의한 측정값에 따라 내부 압력을 조절할 수 있다.
마이크로파 반응기(160)에서는 로드셀을 이용하여 실시간으로 반응기의 무게를 확인할 수 있고, 지정된 값에 의해 공정의 지속과 정지를 제어한다.
마이크로파 반응기(160)에서 14CO2 포함 기체가 분리된 폐수지는 낙하되어 반응 후 폐수지 저장탱크(167)로 이송되고, 별도의 저장탱크(168)에 저장되어 처리될 수 있다. 저장탱크(168)의 하부에는 탱크를 둘러싸도록 설치되어, 탱크 내용물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 오염방지둑(169)이 설치된다.
마이크로파 반응기(160)에서 분리된 14CO2 포함 기체는 열교환기(170)로 이송되어 수분이 제거된다. 열교환기(170)에는 냉각기(171)가 연결되고, 14CO2 포함 기체는 냉열을 흡수해 H-3이 포함된 수분을 액화시켜 제거한다. 열교환기(170) 내부의 온도는 3~25℃로 조절될 수 있다. 열교환기(170)에서는 분진이 열교환 튜브에 끼이는 것을 방지하기 위해 분사노즐이 설치될 수 있다.
수분은 열교환기(170) 하부의 응축수 저장탱크(172)에 저장된다. 응축수 저장탱크(172)에서는 마이크로파 반응기(160)에서 발생한 분진을 1차적으로 제거하기 위해 응축수 저장탱크의 수위를 10 ~ 70 % 이내로 제어한다. 응축수에 포집된 분진은 추후 응축수 배출시 함께 배출되고, 필터를 통해 응축수와 분진을 분리하여 응축수는 폐액 저장탱크(120) 또는 폐수지 저장탱크(150)로 이송될 수 있다. 응축수 저장탱크(172)의 하부에는 탱크를 둘러싸도록 설치되어, 탱크 내용물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 오염방지둑(173)이 설치된다.
수분이 제거된 14CO2 포함 기체는 순환장치(175)에 의해 응축수 저장탱크(172)를 거쳐 1차 흡착탑(180)으로 유입된다.
응축수 저장탱크(172)와 1차 흡착탑(180) 사이에는 순환장치(175)가 설치되고, 순환장치(175)의 전단에는 분진제거장치(174)가 설치되어, 열교환기(170)에서 제거되지 못한 분진을 추가로 포집하여 순환장치(175)와 1차 흡착탑(180)에 투입되는 분진을 제거한다. 1차 흡착탑(180)의 후단에도 분진제거장치(177)가 추가로 설치된다. 분진제거장치(particle trap)는 1차 흡착탑(180)이 포함되는 1차 순환을 위한 배관, 구체적으로 마이크로파 반응기(160)와 1차 흡착탑(180)을 연결하는 배관 또는 1차 흡착탑 연결배관(188)에 설치되어, 마이크로파 반응기(160)의 교반 과정에서 발생할 수 있는 폐수지 분진과 흡착제에 존재할 수 있는 미세 분진을 제거한다. 분진 제거 장치(174, 177)는 기본적인 필터 또는 스트레이너로 구성되고, 분진 제거 장치에 포집된 분진은 공정이 완료된 후 포집통으로부터 분진을 회수한다.
1차 흡착탑(180)은 흡착제에 의해 수분이 제거된 14CO2 포함 기체에서 14CO2 를 흡착하여 제거한다. 흡착제로는 알카리토 산화물 또는 수산화물로 구성된 흡착제를 사용하며, 탄산염으로 전환되어 방사성탄소인 C-14가 회수 또는 포집될 수 있다. 흡착 온도 조건을 10~ 90℃로 제어하기 위해 히터가 추가로 설치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 1차 흡착탑(180)은 상하에 버터플라이 밸브(181a, 181b, 182a, 182b, 183a, 183b)가 각각 구비되는 복수의 흡착통(181, 182, 183)이 종방향으로 연결된 형태가 될 수 있다. 흡착통(181, 182, 183) 내에는 14CO2 를 흡착하기 위한 흡착제가 구비된다. 흡착제를 교체하기 위해서는 버터플라이 밸브(181a, 181b, 182a, 182b, 183a, 183b)를 폐쇄한 상태에서 각각의 흡착통(181, 182, 183)을 개별적으로 분해 및 조립할 수 있다.
1차 흡착탑(180)의 전단과 후단에는 CO2 농도 센서(186, 187)가 각각 배치되어, 1차 흡착탑(180)의 전단과 후단을 유동하는 14CO2 포함 기체에서 CO2 농도의 농도를 검출할 수 있다. CO2 농도의 검출에 의해 흡착통(181, 182, 183)의 흡착제 교체시기를 판단할 수 있다. 1차 흡착탑(180) 후단의 CO2 농도가 5000ppm 이하에서 흡착제 교체주기를 선정한다. 1차 흡착탑(180)의 전단과 후단 사이에는 차압계(185)가 연결되어 가스 누설 여부를 확인할 수 있다. 1차 흡착탑(180)의 후단에는 가스의 액화 현상으로 인해 발생하는 응축수를 저장하기 위한 응축수 저장조가 설치될 수 있다. 1차 흡착탑(180)의 전단에는 폐가스 모니터링 장치(176)가 설치될 수 있다.
1차 흡착탑(180)을 통과한 14CO2 흡착 후의 기체는 1차 흡착탑(180)과 마이크로파 반응기(160)를 연결하는 1차 흡착탑 연결배관(188)을 통해 마이크로파 반응기(160)로 이송된다.
이러한 구성에 의해, 마이크로파 반응기(160)에서 분리된 14CO2 포함 기체는 열교환기(170), 응축수 저장탱크(172) 및 1차 흡착탑(180)을 지나 다시 마이크로파 반응기(160)로 유입되는 밀폐형의 1차 순환을 한다.
도 7을 참조하면, 1차 순환을 위한 순환장치(175)는 흡입구(175a)와 토출구(175b)를 갖고, 피드쓰류(feed through) 방식이 적용된 밀폐형 구조로 형성되어 마이크로파 반응기(160)에서 발생하는 14CO2 포함 기체의 누설을 방지할 수 있다. 또한, 순환장치(175)에는 방열판(175c)이 설치되어 밀폐형 구조의 순환장치(175)로부터 발생하는 열을 외부로 발산하여 순환장치(175)의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 순환장치(175)에는 순환장치의 교체 과정에서 밀폐형 구조에 남아있는 14CO2 포함 기체를 제거하기 위한 배출 포트(175d)가 추가로 설치되어, 순환장치(175)의 교체 과정에서 작업자의 안정성을 확보할 수 있다.
1차 흡착탑(180)은 2세트 이상이 바이패스 라인(181)에 의해 연결되어, 어느 하나의 1차 흡착탑(180)이 포화되어 흡착제 교체시에도 1차 순환을 중단하지 않고 흡착제 교체가 가능하여 공정의 유연성을 확보할 수 있다.
또한, 1차 순환에서는 배관 내에 CO2 측정장치가 설치되어, 순환하는 기체 내 포함되어 있는 CO2 농도를 실시간으로 확인하고, 과도한 CO2가 발생할 경우 마이크로웨이브 반응기(160)가 자동 정지할 수 있다.
14CO2 포함 기체는 대기에 포함되는 CO2 를 포함하고 있으므로, 누설 여부를 판단하기 어렵다. 배관을 통한 14CO2 의 누설 여부를 확인할 수 있도록 1차 순환을 위한 배관에는 CO2 의 누설 여부를 확인할 수 있도록 He, Ar, H2와 같은 공정가스를 투입한다. 1차 순환을 위한 배관의 연결부에는 공정가스의 누설을 검출하기 위한 검출기와, 이러한 검출기에서 공정가스의 누설이 검출된 경우 주위 가스를 흡입하기 위한 흡입기를 포함한다. 그에 따라, 배관을 통한 14CO2 의 누설 여부를 확인할 수 있고, 누설된 경우 흡입하여 2차 사고를 방지할 수 있다.
흡입기를 통해 흡입된 가스는 14CO2 를 제거하기 위한 NaOH 스크러버를 거쳐 배출된다. NaOH 스크러버의 구성은 도 6에 도면부호 197로 도시되고 있다. NaOH 스크러버197는 C-14가 NaOH 수용액에 용해되게 하여 C-14를 제거한다.
버퍼탱크(190)는 1차 흡착탑(180)의 전단과 연결되고 14CO2 흡착 후의 기체를 저장한다. 버퍼탱크(190)에 저장된 14CO2 흡착 후의 기체는 2차 흡착탑(195)으로 이송되고, 흡착제에 의해 14CO2 흡착 후의 기체에서 14CO2를 추가로 흡착한다. 2차 흡착탑(195)은 1차 흡착탑(180)과 동일한 구성을 가질 수 있다.
1차 흡착탑(180)의 전단과 버퍼탱크(190) 사이에는 차단 밸브(191)가 설치된다. 1차 흡착탑(180) 전단의 배관 내부에서 폐가스 모니터링 장치(176)에 의해 측정된 CO2 농도가 소정값 이하, 예를 들어 5000ppm 이하인 경우, 차단 밸브(191)가 개방되어 배관 내에 남아 있는 14CO2 흡착 후의 기체는 1차 흡착탑(180)을 지나지 않고 바로 버퍼탱크(190)로 보내져 14CO2 흡착 후의 기체가 버퍼탱크(190)와 2차 흡착탑(195) 사이에서만 순환하는 2차 순환을 시행한다. 즉, 1차 순환 과정에서 14CO2 의 농도가 충분히 줄어들었다고 판단한 경우, 차단 밸브(191)가 개방되어 14CO2 포함 기체는 버퍼탱크(190)와 2차 흡착탑(195) 사이에서 순환하는 2차 순환에 의해 추가로 14CO2 가 제거되고, 이때 1차 순환 계통과 2차 순환 계통은 분리된다. 2차 순환 과정에서 폐가스 모니터링 장치(196)에 의해 14CO2 의 농도가 충분히 낮아졌다고 판단한 경우, 순환 공정을 정지하고 배관 내의 기체는 NaOH 스크러버(197)를 거쳐 14CO2 가 추가로 제거된 후 원전 기체 폐기물 처리 계통으로 배출된다.
버퍼탱크(190)와 2차 흡착탑(195) 사이에는 2차 순환을 위한 순환장치(192)가 설치되고, 이러한 순환장치(192)의 구성은 1차 순환을 위한 순환장치(175)와 동일하다.
상술한 본 발명의 폐수지 분리 및 처리 장치에 따르면, 원전에서 발생되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리해내고, 분리된 폐수지에서 14CO2 포함 기체를 분리하고 흡착제에 의해 방사성 물질인 C-14를 제거할 수 있다. 14CO2 포함 기체가 분리된 폐수지는 저장탱크(168)에 저장되어 처리될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
(부호의 설명)
101 : 폐수지 혼합물 저장 탱크 110 : 폐수지 혼합물 임시 저장탱크
111 : 모터 112 : 교반장치
115, 121, 146, 169, 173 : 오염방지둑 116 : 배관
117 : 바이패스 유로 120 : 폐액 저장탱크
130 : 폐수지 혼합물 분리탱크 131 : 분리실
132 : 블레이드 133, 134 : 수집구
140 : 폐혼합물 저장탱크 141 : 호퍼
142 : 이송스크류 144 : 분사노즐
145 : 저장탱크 150 : 폐수지 저장탱크
151 : 호퍼 152 : 이송스크류
155 : 분사노즐 156 : 노커
157 : 바이브레이터 158 : 연결배관
160 : 마이크로파 반응기 161 : 교반모터
162 : 교반축 163 : 교반날개
164 : 냉각기 167 : 반응 후 폐수지 저장탱크
168 : 저장탱크 170 : 열교환기
171 : 냉각기 172 : 응축수 저장탱크
180 : 1차 흡착탑 181, 182, 183 : 흡착통
181a, 181b, 182a, 182b, 183a, 183b : 버터플라이 밸브
185 : 차압계 186, 187 : CO2 농도 센서
188 : 1차 흡착탑 연결배관 190 : 버퍼탱크
191 : 차단밸브 195 : 2차 흡착탑
197 : NaOH 스크러버
[이 발명을 지원한 대한민국 국가연구개발사업]
- 과제고유번호: 1415174253
- 과제번호: 20191510301110
- 부처명: 산업통상자원부
- 과제관리(전문)기관명: 한국에너지기술평가원
- 연구사업명: 원자력핵심기술개발
- 연구과제명: C-14 함유 방사성폐기물 처리 설비 시제품 개발 및 실증
- 기여율: 1/1
- 과제수행기관명: (주)선광티앤에스
- 연구기간: 2019.05.01 ~ 2023.09.30
Claims (18)
- 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치에 있어서,폐수지 혼합물 저장 탱크로부터 이송되는 일정 양의 폐수지 혼합물을 저장하는 폐수지 혼합물 임시 저장탱크 ;폐수지 혼합물 분리과정에서 발생되는 폐액을 저장하는 폐액 저장탱크;상기 폐수지 혼합물 임시 저장탱크에서 이송되는 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하기 위한 폐수지 혼합물 분리탱크;상기 폐수지 혼합물 분리탱크에서 분리된 폐수지 외 혼합물을 저장하기 위한 폐혼합물 저장탱크;상기 폐수지 혼합물 분리탱크에서 분리된 폐수지를 저장하기 위한 폐수지 저장탱크;상기 폐수지 저장탱크에서 이송되는 폐수지에 마이크로파를 조사하여 14CO2 포함 기체를 분리하기 위한 마이크로파 반응기;상기 마이크로파 반응기에서 이송되는 14CO2 포함 기체에서 수분을 제거하기 위한 열교환기;수분이 제거된 14CO2 포함 기체가 이송되고 흡착제에 의해 14CO2 를 흡착하여 제거하기 위한 1차 흡착탑;상기 1차 흡착탑을 통과하는 14CO2 흡착 후의 기체를 상기 마이크로파 반응기로 이송하기 위해 상기 1차 흡착탑과 상기 마이크로파 반응기를 연결하는 1차 흡착탑 연결배관;을 포함하고,상기 마이크로파 반응기에서 분리된 14CO2 포함 기체는 상기 열교환기 및 상기 1차 흡착탑을 지나 다시 상기 마이크로파 반응기로 유입되는 1차 순환을 하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 1차 흡착탑의 전단과 연결되고 14CO2 흡착 후의 기체를 저장하는 버퍼탱크;상기 버퍼탱크에 저장된 14CO2 흡착 후의 기체가 이송되고 흡착제에 의해 14CO2를 추가로 흡착하는 2차 흡착탑;을 더 포함하고,상기 1차 흡착탑의 전단과 상기 버퍼탱크 사이에는 차단 밸브가 설치되고,상기 1차 흡착탑 전단의 배관 내부에서 측정된 CO2 농도가 소정값 이하인 경우, 상기 차단 밸브가 개방되어 14CO2 흡착 후의 기체가 상기 버퍼탱크와 상기 2차 흡착탑 사이에서만 순환하는 2차 순환을 시행하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 폐수지 저장탱크는,타공판으로 제작되는 깔때기 형상의 호퍼;상기 호퍼의 하부와 연결되어, 상기 호퍼에서 배출되는 폐수지를 이송하는 이송 스크류;상기 이송 스크류의 단부 및 상기 마이크로파 반응기를 연결하는 연결배관;을 포함하고,상기 폐수지 저장탱크로 공정수와 함께 이송된 폐수지는 상기 호퍼의 하부로 배출되어 상기 이송 스크류 및 상기 연결배관을 통해 상기 마이크로파 반응기로 이송되고,공정수는 상기 호퍼의 개구를 통해 배출되어 상기 폐수지 저장탱크에 저장되는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제3항에 있어서,상기 호퍼의 상부에는 분사노즐이 설치되고, 상기 폐액 저장탱크로부터 공급되는 공정수가 상기 분사노즐을 통해 공급되는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제3항에 있어서,상기 폐수지 저장탱크는 상기 호퍼의 타공판에 발생되는 공기층을 제거하기 위해 상기 호퍼에 충격을 가하는 노커; 를 더 포함하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제3항에 있어서,상기 폐수지 저장탱크는 상기 호퍼의 타공판 위에 적층되는 폐수지를 하부로 용이하게 배출하기 위해 상기 호퍼를 진동시키는 바이브레이터; 를 더 포함하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로파 반응기는, 횡방향으로 연장되는 교반축; 상기 교반축에 연결되는 다수의 교반날개; 상기 교반축을 회전시키는 교반모터; 를 포함하고,상기 교반날개의 회전에 의해 폐수지가 교반됨으로써 폐수지의 탄화를 방지하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제7항에 있어서,상기 마이크로파 반응기는 상기 교반축을 냉각시키는 냉각기; 를 더 포함하고,상기 냉각기는 상기 교반축을 냉각시키고, 그에 따라 상기 교반축 주위의 폐수지를 냉각시켜 폐수지의 탄화를 방지하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로파 반응기와 상기 1차 흡착탑을 연결하는 배관 또는 상기 1차 흡착탑 연결배관에는 분진을 제거하기 위한 분진제거장치가 설치되는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 1차 흡착탑은 상하에 버터플라이 밸브가 각각 구비되는 복수의 흡착통이 종방향으로 연결된 형태가 되고,상기 흡착통 내에는 14CO2 를 흡착하기 위한 흡착제가 구비되고,상기 흡착제를 교체하기 위해 상기 버터플라이 밸브를 폐쇄한 상태에서 각각의 상기 흡착통을 개별적으로 분해 및 조립할 수 있는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 1차 흡착탑의 전단과 후단에는 CO2 농도 센서가 각각 배치되어, 상기 1차 흡착탑의 전단과 후단을 유동하는 14CO2 포함 기체에서 CO2 농도의 농도를 검출할 수 있는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 1차 흡착탑은 2세트 이상이 바이패스 라인에 의해 연결되어, 어느 하나의 상기 1차 흡착탑의 흡착제 교체시에도 상기 1차 순환을 중단하지 않고 흡착제 교체가 가능한, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 1차 흡착탑의 전단과 후단에는 차압계가 연결되어 가스 누설 여부를 확인할 수 있는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 마이크로파 반응기에서 분리된 14CO2 포함 기체는 상기 열교환기 및 상기 1차 흡착탑을 지나 다시 상기 마이크로파 반응기로 유입되는 1차 순환을 하고,상기 1차 순환을 위한 배관에는 CO2 의 누설 여부를 확인할 수 있도록 공정가스를 투입하고,상기 1차 순환을 위한 배관의 연결부에는 공정가스의 누설을 검출하기 위한 검출기와, 상기 검출기에서 공정가스의 누설이 검출된 경우 주위 가스를 흡입하기 위한 흡입기를 포함하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제14항에 있어서,상기 흡입기를 통해 흡입된 가스는 14CO2 를 제거하기 위한 NaOH 스크러버를 거쳐 배출되는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제2항에 있어서,상기 2차 순환 과정에서 폐가스 모니터링 장치에 의해 14CO2 의 농도를 검출하고, 검출된 14CO2 의 농도가 소정값 이하인 경우 배관 내의 기체는 14CO2 를 제거하기 위한 NaOH 스크러버를 거쳐 배출되는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 폐수지 혼합물 임시 저장탱크, 상기 폐액 저장탱크 및 상기 폐혼합물 저장탱크의 하부에 각각의 탱크를 둘러싸도록 설치되어, 탱크 내용물이 외부로 유출되는 것을 방지하는 오염방지둑;을 더 포함하는 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
- 제1항에 있어서,상기 1차 순환을 위한 순환장치는 밀폐형 구조로 형성되어 상기 마이크로파 반응기에서 발생하는 14CO2 포함 기체의 누설을 방지할 수 있고, 열의 발산을 위한 방열판과, 내부 가스의 배출을 위한 배출 포트를 포함하는, 원전 발생 폐수지 혼합물에서 폐수지를 분리하여 처리하기 위한 장치.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2022-0138546 | 2022-10-25 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2024090707A1 true WO2024090707A1 (ko) | 2024-05-02 |
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