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ISSN : 1738-1894(Print)
ISSN : 2288-5471(Online)
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology Vol.17 No.1 pp.15-28
DOI : https://doi.org/10.7733/jnfcwt.2019.17.1.15

Study on Chemical Decontamination Process Based on Permanganic Acid-Oxalic Acid to Remove Oxide Layer Deposited in Primary System of Nuclear Power Plant

Chorong Kim*, Haksoo Kim
Korea Hydro & Nuclear Power Co., Central Research Institute, 70, 1312-gil, Yuseong-daero, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea
Corresponding Author. Chorong Kim, Korea Hydro & Nuclear Power Co., Central Research Institute, E-mail: chorong.kim@khnp.co.kr, Tel: +82-42-870-5570
September 27, 2018 October 24, 2018 January 3, 2019

Abstract


In accordance with the decommissioning plan for the Kori Unit 1 NPP, the reactor coolant system will be chemically decontaminated as soon as possible after permanent shutdown. This study developed the chemical decontamination process though the development project of decontamination technology of reactor coolant system and dismantled equipment for NPP decommissioning, which has been carried out since 2014. In this study, Oxidation/reduction process was conducted using system decontamination process development equipment of lab scale and was divided into unit and continuous processes. The optimal process time was derived from the unit process, and decontamination agent and the number of process were derived through the continuous processes. Through the unit process, the oxidation process took 5 hours and the reduction process took 4 hours. As optimum decontamination agent, the oxidizing agent was 200 mg·L-1 Permanganic acid + 200 mg·L-1 Nitric acid and the reducing agent was 2000 mg·L-1 Oxalic acid. In the case of the number of processes, all oxide films were removed during the two-cycle chemical decontamination process of STS304 and SA508. In the case of Alloy600, all oxide films were removed when chemical decontamination was performed for three cycles or more.



계통 내 침적된 산화막 제거를 위한 과망간산/옥살산 기반의 화학제염 공정연구

김 초롱*, 김 학수
한국수력원자력(주) 중앙연구원, 대전광역시 유성구 유성대로1312번길 70

초록


고리 1호기는 원전해체 계획에 따라 영구정지 이후 가능한 한 빠른 시일 내에 원자로냉각재계통의 화학제염을 수행할 계 획으로, 계통제염 기술 확보를 위해 한수원에서는 2014년부터‘원전 해체설계를 위한 냉각재계통 및 기기제염 상용기술 개발’연구과제를 통해 화학제염기술을 개발하고 있다. 본 연구를 위해 Lab. 규모 계통제염 공정장치를 제작하였으며, 계 통제염 대상의 주요재료인 STS304, 316, 410, Alloy600, SA508을 사용하여 화학제염 공정실험을 수행하였다. 화학제염 공 정실험의 목적은 산화-환원공정의 최적시간, 최적제염제 및 공정횟수를 도출하기 위함이다. 화학제염 공정실험은 과망간 산-옥살산 기반의 단위공정 및 연속공정 실험, 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험으로 나누어 수행하였다. 그 결 과 단위공정실험을 통해 최적공정 시간인 산화공정 5시간, 환원공정 4시간을 도출하였으며, 연속공정실험을 통해 최적제 염제와 공정횟수를 도출하였다. 최적제염제는 산화제의 경우 200 mg·L-1 과망간산 + 200 mg·L-1 질산이고, 환원제는 2000 mg·L-1 옥살산이며, 공정횟수는 STS304와 SA508의 경우 2 cycle, Alloy600의 경우 3 cycle 이상 수행하는 것이 적절할 것 으로 평가되었다.



    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20141510300310
    © Korean Radioactive Waste Society. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서론

    고리 1호기는 원전해체 계획에 따라 영구정지 이후 가능 한 한 빠른 시일 내에 원자로냉각재계통의 화학제염을 수행 할 예정이다. 해체를 위한 계통제염은 국외 여러 원전에서 수 행한 사례가 있으나, 국내에서는 계통제염 경험이 전무한 상 태로 고리 1호기 해체를 위한 계통제염 공정 기술 개발이 시 급하다[1]. 원자력발전소의 경우 가동년수가 증가함에 따라 원자로에서 발생된 방사성 물질이 냉각재계통 표면에 부식 산화막 형태로 침적되어 방사선준위가 높아진다. 이에 따라 해체 작업 시 작업자의 과중한 방사선 피폭을 초래하게 되기 때문에 해체 작업 전 제염을 통해 부식산화막을 제거하여 방 사선 준위를 낮출 필요가 있다. 해체를 위한 계통 제염 대상 은 원자로압력용기, 증기발생기, 가압기, 화학 및 체적제어 계통, 잔열제거계통 및 주요배관으로 원자력발전소 일차계 통이 된다. 계통제염 대상의 주요 재료는 오스테나이트 스테 인리스강(Type304, 316, A-286)과 니켈합금(Alloy600, 690, X-750, 718)이 사용되며, 증기발생기 전열관은 Alloy600과 690, 가압기 히터와 가압기 계측 노즐 등은 Alloy82, 182 등 이 사용된다. 일반적으로 경수로형 원전의 구조재료 내부표 면에 형성된 산화막은 Fig. 1과 같이 철, 니켈, 크롬 등의 금 속산화물로 구성된다[2,3].

    이들 금속 산화물 중 철 및 니켈 산화물은 환원적 방법으 로, 크롬 산화물은 산화적 방법으로 각각 용해시킬 수 있기 때 문에 계통제염 공정수행 시 산화공정과 환원공정을 적절히 혼합하여 운전하는 것이 필요하다[2,5,6].

    계통 내 크롬산화막(Fig. 1의 C)을 제거하기 위해서 산화 공정이 적용되는데, AP (Alkaline Permanganate)공정, NP (Nitric Permanganate)공정, HP (Permanganic Acid)공정이 있다. AP 공정의 경우 1000 mg·L-1의 과망간산칼륨(KMnO4) 과 100 mg·L-1의 수산화나트륨(NaOH)의 희석용액으로 이 루어지며 pH는 10~11이고, 소요시간은 6~12 시간이다. 고 pH에서는 이산화망간(MnO2) 생성을 최소화하나 부식속도 가 느리고 부식률이 낮은 단점이 있다. NP 공정의 경우 1000 mg·L-1의 과망간산칼륨과 200 mg·L-1의 질산의 희석용액으 로 이루어지며, pH는 3~4이고, 소요시간은 4~8 시간이다. 저 pH에서는 과망간산염(MnO4-)의 분해가 촉진되어 더 많 은 이산화망간이 생성되는 반면 AP보다 부식성이 크고, 부 식속도가 빠르다. HP 공정의 경우 50~300 mg·L-1의 과망간 산(HMnO4)만으로 이루어지며, AP 또는 NP공정에 비해 주 입되는 약품이 적고, 주입농도가 낮기 때문에 폐수지 발생 량 저감 측면에 매우 유리하다. 특히 300 mg·L-1의 과망간 산을 주입할 경우 계통수 pH가 2.8~3.0 수준으로 낮게 유 지되므로 NP 공정에 비해 산화제를 낮은 농도로 주입함에 도 불구하고 크롬산화물의 산화용해에 있어 대등한 효과를 얻을 수 있다[2,3,4]. 사용된 과망간산은 과망간산칼륨을 강 산성양이온교환수지에 통과시킴으로써 얻을 수 있다. 산화 공정이 완료되면 계통 내 잔류하는 과망간산염과 침적된 이 산화망간, 철과 니켈 산화막(Fig. 1의 B)등을 제거하기 위 해 과량의 옥살산을 사용하여 환원공정을 수행하고, 이후 정화공정을 수행하게 된다.

    본 연구에서는 계통재료 중 가장 넓은 면적을 차지하는 Stainless 계열, Alloy계열, 탄소강을 사용하여 Lab.규모 계통 제염 공정개발 장치를 통해 화학제염공정 실험을 수행하였 다. 화학제염 공정실험은 3가지로 나누어 수행하였으며, 과 망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험 및 연속공정 실험 그리 고 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 수행하였 다. 각 실험에서 산화막 제거율을 평가하며, 단위공정 실험 을 통해 공정시간을 도출하고, 연속공정 실험을 통해 최적 화 학제염제 및 공정횟수를 도출하였다.

    2. 실험장치 및 실험방법

    2.1 실험장치

    실험장치는 고리1호기의 예상체적(200 m3)을 바탕으로 규모를 약 1/27,000으로 축소하여 Fig. 2와 같이 제작하였다 [4,5,6]. 장치의 주요구성은 계통제염대상을 구현한 반응조, 제염제(산화제/환원제)를 저장 및 주입할 수 있는 약품주입 탱크, 반응조의 온도 유지를 위한 Pre-heater와 Condenser, 제염제 순환을 위한 순환용 펌프, pH/전도도/ORP/유량 등 을 감시할 수 있는 제염제 수화학 모니터링 기기로 구성하 였다.

    2.2 실험준비

    2.2.1 산화제 제조

    계통 내 크롬 산화막을 제거하기 위해 산화제를 제조하 였다. 산화제는 pH 조절제인 질산을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우 두 가지로 나누어 제조하였다. 과망간산 용액의 제 조는 뷰렛(350 mL)에 강산성양이온수지를 충진한 뒤, 유리 섬유로 수지를 막아주고 물로 여러 번 세척한 후 15.91 g·L-1 과망간산칼륨 수용액을 흘러주어 강산성양이온교환반응에 의해 15.91 g·L-1 과망간산을 제조하였다. 제조된 과망간산 의 전환율을 확인하기 위해 강산성양이온수지의 통과 전·후 의 pH를 측정하고, 유도결합플라즈마 발광광도법(ICP-OES, Prodigy High Dispersion ICP, Teledyne Leeman Labs, USA) 을 사용하여 칼륨이온을 측정하였다. 제조된 15.91 g·L-1의 과망간산을 희석하여 300 mg·L-1 과망간산을 제조하였으며, 이는 과망간산-옥살산 기반의 단위공정과 연속공정 실험 시 사용하였다. 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정에서 사 용된 산화제의 경우 200 mg·L-1의 과망간산에 pH 조절제로 200 mg·L-1의 질산을 첨가하여 제조하였다.

    2.2.2 모사시편 제조

    원자로냉각재계통 구성 재료 부식의 정도를 평가하기 위한 시편의 종류 및 재질은 Table 1과 같다. 모사시편의 제조방법은 14 g·L-1의 에틸렌다이아민테트라아세트산과 2 mg·L-1의 하이드라진 혼합용액을 사용하여 Autoclave 내 에서 300℃, 72시간동안 시편을 부식시켜 모사시편을 제조 한다. 제조된 모사시편은 초음파 세척하여 시편 표면의 불순 물을 제거 한 후 건조시켰다[7].

    2.3 실험방법

    2.3.1 모사시편의 물성분석평가

    본 연구에 사용된 모사시편의 제염 전 두께 및 산화막 조성을 분석하기 위해 글로우방전분광 광도계(Glow Discharge Spectrometer, GDS850A, Leco)를 사용하여 분석을 수행하였으며, 이 때, RF 생성기의 압력 파워는 56 W, 압력 은 700 Pa로 설정하였다. 이를 통해 각 시편별 모사된 산화막 의 양과 산화막 조성을 확인할 수 있다. 제염 전·후 모사시편 의 표면 분석에 Videoscope (Industrial videoscope system, Sometech)를 사용하였으며, 이때 표면 분석 배율은 각각 60배 및 500배로 조절하였다.

    2.3.2 모사시편의 산화막 제거율 평가

    제염공정 전 각 모사시편은 여분의 불순물을 제거하기 위해 아세톤이 담긴 비커에 시편을 넣어 초음파 세척을 5분 간 수행한 후 건조시켰다. 초음파 세척한 시편은 미세저울 (XS204, METTLER TOLEDO)을 사용하여 각 3회씩 0.1 mg 까지 측정하여 기록하였으며, 제염공정 후 시편을 초순수에 넣어 초음파 세척을 20분간 수행한 뒤 데시케이터에 넣어 보관하였다. 방냉한 시편들을 미세 저울로 각 3회씩 무게를 측정하여 기록하며. 제염 전·후의 무게 차를 통해 모사시편 표면의 산화막 제거율과 제염계수를 평가하였다.

    산화막 제거율 = (제거된 산화막의 양/제염전 산화막의 양) ×100

    • - 제염 전 산화막 양 = (시편의 가로×세로×산화막 두께 ×산화막 두께에 해당되는 금속별 함량×금속별 밀도) 값들의 합

    • - 산화막 두께 및 산화막 두께에 해당되는 금속별 함량 : GDS 분석을 통해 도출

    • - 제거된 산화막의 양 = 제염 전 산화막의 무게 − 제염 후 산화막의 무게

    제염계수 = 제염 전 산화막의 양/제염 후 산화막의 양

    산화막 내 금속별 용출량을 확인하기 위해 실험 중에 채취한 샘플을 ICP-OES를 사용하여 정량분석을 수행하였으 며, 이를 통해 각 cycle 당 용출된 산화물의 양을 도출하였다.

    2.3.3 실험방법

    Lab.규모 계통제염 공정개발 장치를 사용하여 과망간산- 옥살산 기반의 단위공정 실험 및 연속공정 실험 그리고 과망 간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 수행하였다. 공 정실험은 3가지로 나누어 수행하였으며, 실험조건은 Table 2 와 같다. 제염공정 수행 전 모사시편의 불순물을 제거하기 위해 아세톤에 넣어 초음파 세척을 5분간 수행한 후 부식 시편의 무게를 3회 측정하여 기록하고, Videoscope를 사용 하여 표면을 촬영하였다. 측정이 완료된 시편들을 거치대 에 거치시키고 Lab. 장치 내 반응조에 설치하였으며, 거치 모습은 Fig. 3에 나타내었다. 거치된 시편은 단위공정의 경 우 STS304, SA508, Alloy600, STS316, STS410을 6개씩 한 번에 거치하였으며, 연속공정의 경우 이후 STS304, SA508, Alloy600을 10개씩 총 30개를 거치하였다. 약품주입탱크를 통해 각 공정에 맞게 제염제(과망간산, 옥살산)를 주입시키 고, 주입된 제염용액은 펌프를 사용하여 희석 및 순환시켰다. 1시간 간격으로 시료를 채취하며, 채취된 시료는 ICP-OES 를 사용하여 철, 크롬, 니켈이온의 농도를 분석하였다. 제염 공정 후 거치대에서 시편을 제거한 후 표면의 불순물을 제 거하기 위해 초순수에 넣어 초음파 세척을 20분간 수행한 후 부식시편의 무게를 3회 측정하였으며, 모사시편에 대해 Videoscope를 사용하여 표면분석을 수행하였다. 단위공정 의 경우 GDS 분석을 통해 모사시편의 산화막 잔존여부를 확 인할 수 있다.

    화학제염공정 실험을 통해 산화막 내 금속 용출량, 산화/ 환원 공정의 적정 공정시간, 연속공정 시 적정 공정횟수 등 을 도출하였다.

    3. 실험결과

    3.1 모사시편의 물성분석 결과

    3.1.1 산화막 두께 및 성분분석 결과

    제염 전·후의 모사시편의 산화막 두께 및 두께별 성분 함량(%)을 분석하기 위해 글로우방전분광 광도계(GDS)를 사용하였으며, 모사시편은 과망간산-옥살산 기반의 단위공 정 실험과 연속공정 실험의 시편으로 나누어 분석하였다.

    3.1.1.1 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험

    과망간산-옥살산 기반의 단위공정의 경우 STS304, STS 316, STS410, SA508, Alloy600을 사용하여 실험을 수행하였 으며, 제염 전·후 모사시편의 GDS 분석결과를 통해 모사시 편의 산화막 두께 및 성분함량을 도출한 결과를 Table 3과 Fig. 4에 나타내었다.

    제염 전 모사시편의 GDS 분석결과, STS304의 경우 산화 막 두께가 약 15 μm로 나타났으며, STS316의 산화막 두께는 1.6 μm, STS410의 산화막 두께는 약 7.1 μm, SA508의 산화 막 두께는 22.5 μm, Alloy600의 산화막두께는 6.2 μm로 나 타났다. 모사시편 별 제염 전 산화막의 성분함량을 분석한 결과 STS304와 STS316의 경우 철 산화물의 함량이 가장 많 고, 크롬, 니켈 산화물 순으로 산화막이 생성된 반면, STS 410의 경우 산화막이 철과 크롬으로 구성된 것으로 나타 났다. SA508은 철 산화물로 구성되어 있으며, Alloy600의 경우 표면~1.20 μm까지는 철 산화물의 함량이 많았으나, 1.37~4.46 μm에서는 크롬산화물의 함량이 증가함에 따라 크롬, 철, 니켈 순으로 산화물이 형성되었다.

    제염 후 모사시편의 GDS 분석결과, STS304, STS316, STS410의 경우 산화막이 모두 제거되고, 모재의 구성성분 만 남은 것으로 확인되었다. Alloy600의 경우 시편 표면에서 3.37 μm까지 크롬산화물의 함량이 가장 높고, 니켈, 철 산화 물 순으로 나타났다. Alloy600의 모재 구성성분의 경우 대부 분 니켈로 이루어져 있는 것과 달리 크롬산화물의 함량이 높 게 나타난 것으로 보아, 산화막이 모두 제거되지 않은 것으 로 판단된다. Table 3

    3.1.1.2 연속공정 실험

    과망간산-옥살산 기반의 연속공정과 과망간산+질산- 옥살산 기반의 연속공정의 경우 STS304, SA508, Alloy600 을 사용하여 실험을 수행하였다. 제염 전 각 시편을 GDS 를 사용하여 재질에 따른 산화막 두께와 산화막 구성함량을 분석하였으며, 그 결과를 Table 4, Fig. 5에 나타내었 다. STS304의 경우 산화막 두께가 약 9 μm로 나타났으며, SA508의 산화막 두께는 21 μm, Alloy600의 산화막 두께는 6.9 μm로 나타났다. 두께별 산화막 성분함량을 분석한 결 과, STS304의 경우 철, 크롬, 니켈 순으로 성분함량이 나타 났고[8,9] SA508의 경우 주로 철 산화물로 구성되어 있으며, Alloy600의 경우 표면~4.5 μm까지는 철 산화물의 함량이 많 았으나, 4.5~5.2 μm에서는 크롬산화물의 함량이 증가하여 크롬, 철, 니켈 순으로 나타났다. Table 5

    3.1.2 시편의 표면사진

    제염 후 모사시편별 표면을 분석하기 위해 Videoscope 를 사용하였으며, 이때 표면분석배율은 60배, 500배로 조절 하였다.

    3.1.2.1 과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험

    시편의 표면분석 결과(Fig. 6), STS316의 경우 산화막이 모두 제거되었으며, STS304의 경우 표면에 다량의 점식(pitting) 이 형성된 것을 확인 할 수 있다[9]. STS410과 SA508의 경우 표면 일부에 철 산화물이 형성되어 황색을 띄며, 국부부 식이 발생되었고, 점식(pitting)이 시편 표면 전체에 분포되 어 있다. Alloy600의 경우 다른 시편과 달리 표면이 녹색으로 나타났는데, 이는 크롬 산화물로 산화막이 모두 제거되지 않 은 것으로 사료되며, 이는 GDS 결과를 통해서도 확인하였다.

    3.1.2.2 과망간산-옥살산 기반의 연속공정 실험

    시편의 표면분석 결과(Fig. 7), STS304의 경우 제염공정 을 3 cycle 수행 후 산화막이 모두 제거됨을 확인 하였으며, SA508의 경우 표면에 철 산화물이 형성되어 황색을 띄며, 국 부부식 및 점식(pitting)이 시편 표면에 나타났음을 확인하였 다. Alloy600의 경우 다른 시편과 달리 표면에 산화막이 일부 남아 있음을 확인할 수 있다. 이를 통해 Alloy 계열의 경우 과 망간산-옥살산 기반의 연속공정 실험을 3 cycle 수행할 때 모 두 제거되지 않음을 확인 할 수 있다.

    3.1.2.3 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험

    각 Cycle마다 제염 후 시편표면을 Videoscope를 사용 하여 분석한 결과를 Fig 8에 나타내었다. STS304의 경우 1 cycle 후부터 표면의 산화막이 거의 제거되었으며, 2 cycle 후 표면 산화막이 모두 제거된 것을 확인 할 수 있다. Alloy 600의 경우 2 cycle 수행 후 산화막이 일부 남아 있었으나, 3 cycle 수행 시 산화막이 모두 제거됨을 확인하였다. 과망 간산-옥살산 기반의 단위공정과 연속공정 실험의 모사시편 의 표면분석 결과를 비교하였을 때 산화공정 시 질산 첨가에 따라 산화막의 제거율이 더 향상됨을 확인 할 수 있다.

    3.2 모사시편의 산화막 제거율 평가

    3.2.1 과망간산-옥살산 기반의 단위공정

    과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험에서 산화막 제 거율을 평가하기 위해 산화공정 48시간, 환원공정 24시간 수 행하였으며, 이때 제염 전·후의 시편 무게를 측정한 결과를 Table 6에 나타내었다. 각 시편의 제염 전 산화막 양은 GDS 분석을 통해 얻는 계산값이며, 제거된 산화막의 양은 제염 전·후 무게 차를 통해 도출하였다.

    STS304의 경우 평균 81% 제거되었고, Alloy600은 평균 75% 제거된 것으로 나타났다. 그 외 STS316, STS410, SA508 의 경우 산화막이 모두 제거되었으며, 추가적으로 모재까지 부식된 것으로 나타났다. 위 결과를 통해 긴 공정시간으로 인해 제염제와 모사시편이 과잉 반응하여 산화막뿐만 아니 라 모재까지 부식된 것으로 판단된다.

    반응시간에 따른 금속이온의 용출량을 평가하기 위해 제염공정 시 1시간 간격으로 시료를 샘플링하여, ICP-OES 를 사용하여 철, 크롬, 니켈이온을 분석하였으며, 그 결과를 Fig. 9와 Table 7에 나타내었다. 이때 용출된 금속이온의 경우 거치된 모사시편(STS304, 316, 410, Alloy600, SA508) 에서 용출된 금속이온으로 분석결과를 통해 적정공정시간 을 도출하였다. 그 결과 산화공정의 경우 5시간 이내에 완 료되고, 이때 크롬이온이 0.1132 mg·L-1 용출되었으며, 철 과 니켈이온은 거의 용출되지 않았다. 이는 크롬산화막이 과망간산에 의해 산화되어 크롬이온이 용출 된 것으로 판 단된다.

    Cr 2 O 3 + 2MnO 4 + 2H 2 O 2HCrO 4 + 2MnO 4
    (1)

    Fig. 9(b)는 환원공정 시 반응시간에 따른 용출된 금속이 온 농도로써 4시간 이내에 환원공정이 완료되는 것으로 나 타났으며, 산화/환원 공정 수행 후 크롬이온이 2.057 mg·L-1, 철이온이 22 mg·L-1, 니켈이온이 1.5 mg·L-1 용출된 것으 로 나타났다. 용출된 금속이온을 바탕으로 제거된 산화물의 양을 계산한 결과 크롬 산화물은 0.13 g, 철 산화물은 1.3 g, 니켈 산화물은 0.08 g 제거되었으며, 총 제거된 산화물의 양은 1.15 g으로 나타났다. 용출된 금속이온 농도 결과를 바탕으로 공정시간을 도출한 결과 산화공정은 5시간, 환원공 정은 4시간 이내로 수행하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

    3.2.2 과망간산-옥살산 기반의 연속공정 실험

    과망간산-옥살산 기반의 단위공정 실험결과를 통해 도 출된 공정시간을 사용하여 과망간산-옥살산 기반의 연속공 정 실험을 수행하였으며, 산화막 제거율을 평가한 결과를 Table 8과 Fig. 10에 나타내었다. 1 cycle 수행 후 각 모사 시편의 산화막 제거율은 STS304의 경우 50%, SA508의 경우 75%, Alloy600의 경우 23%로 나타났으며, 3 cycle 수행 후 STS304의 경우 95.35%, SA508의 경우 152%, Alloy600의 경 우 57%로 나타났다. 위 결과를 통해 STS304의 경우 제염공 정을 3 cycle 수행하였을 때 표면 산화막이 거의 제거된 것 을 확인 할 수 있다. SA508의 경우 2 cycle 이후 산화막 제거 율이 100% 이상으로 나타남에 따라 산화막뿐만 아니라 모재 까지 제거된 것으로 판단된다. 이는 SA508의 경우 주로 철로 구성되어 있기 때문에 기존의 산화막뿐만 아니라 제염제에 의 해 추가적으로 부식되어 산화막이 형성된 것으로 판단된다. Alloy600의 경우 3 cycle 수행 후 표면의 산화막이 모두 제거 되지 않은 것을 확인 할 수 있으며, 이를 통해 추가적인 제염 제가 필요할 것으로 판단된다.

    제염공정 횟수에 따른 모사시편(STS304, SA508, Alloy 600)에 대한 용출된 총 금속이온 농도를 Table 9와 Fig. 11 에 나타냈으며, 그 결과 1 cycle 수행 후 크롬이온은 0.445 mg·L-1, 철이온은 15.669 mg·L-1, 니켈이온은 0.258 mg·L-1 용출되었다. 공정횟수가 증가함에 따라 크롬과 니켈이온의 농도는 감소하는데 반해 철이온의 농도가 증가하는 것으로 나타났다. 이는 제염공정이 반복됨에 따라 모사시편(STS304, Alloy600) 표면의 산화막이 제거됨으로써 크롬과 니켈이온의 농도는 감소하게 되는 반면, 철이온의 경우 화학제염제에 의 해 SA508의 산화막 뿐만 아니라 모재까지 계속해서 부식됨에 따라 철이온의 농도가 증가되었다.

    3.2.3 과망간산+질산-옥살산 기반의 연속공정 실험

    과망간산-옥살산 연속공정 실험에서 Alloy600의 산화 막이 모두 제거되지 않은 것을 보완하기 위해 산화공정 시 질산을 추가하였다. 산화공정의 경우 과망간산-옥살산 연속공정에서 사용한 과망간산(300 mg·L-1) 농도보다 낮은 200 mg·L-1의 과망간산에 200 mg·L-1의 질산을 추가하였고, 환원공정은 2000 mg·L-1의 옥살산을 사용하였다.

    제염공정 수행 후 시편의 무게를 통한 산화막 제거율을 Table 10과 Fig. 12에 나타내었다. 1 cycle 수행 후 각 모사 시편의 산화막 제거율은 STS304의 경우 94%, SA508의 경 우 845%, Alloy600의 경우 62%를 나타내었다. 3 cycle 수행 후 STS304와 SA508, Alloy600 모두 산화막 제거율이 100% 이상으로 나타났다. STS304와 SA508의 경우 과망간산-옥살 산 연속공정에서는 3 cycle 수행 시 부식산화막이 100% 이 상 제거되었으나, 질산을 첨가한 제염공정에서는 2 cycle 수 행 시 부식산화막이 100% 이상 제거된 것을 확인 할 수 있다. 또한 Alloy600의 경우 과망간산-옥살산기반의 연속공정을 3 cycle 수행했을 때 부식산화막이 57% 제거된 반면, 과망간 산+질산-옥살산 기반의 연속공정에서는 100% 이상의 부식 산화막이 제거되었다. 이 결과를 통해 질산 첨가에 따라 제 염효율이 향상됨을 확인 할 수 있다.

    제염공정 횟수에 따른 모사시편(STS304, SA508, Alloy 600)에 대한 용출된 총 금속이온 농도를 Table 11과 Fig. 13에 나타냈었다. 그 결과 1 cycle 수행 후 크롬이온의 농도는 0.857 mg·L-1, 철이온은 34 mg·L-1 용출되었고, 2 cycle 수 행 시 크롬이온은 0.336 mg·L-1, 철이온은 28 mg·L-1 용출되 었으며, 3 cycle 수행 시 크롬이온은 0.169 mg·L-1, 철이온은 29 mg·L-1으로 나타났다. 이를 통해 공정횟수가 증가함에 따 라 용출되는 크롬이온의 양이 감소하는 것을 확인 할 수 있 으며, 이는 모재 표면에 형성된 부식산화막이 제거됨에 따라 크롬이온의 양이 감소하는 것으로 판단된다.

    4. 결론

    본 연구에서는 다양한 화학제염 실험조건을 통해 산화막 제거율을 평가하였으며, 각 실험결과를 통해 공정시간, 최적 산화제 및 공정횟수를 도출하였다. 단위공정 실험을 통해 공 정시간을 도출한 결과, 산화공정 5시간, 환원공정 4시간 수 행하는 것이 적절한 것으로 판단되었다. 질산유무에 따른 연 속공정을 비교한 결과, 질산을 첨가한 공정의 경우가 첨가하 지 않은 공정보다 산화막 제거율이 2배 높게 나타났으며, 특 히 Alloy600에 대해 3 cycle 공정 수행 시 산화막이 모두 제 거되는 것으로 나타났다. 이를 통해 최적제염제로 산화제는 200 mg·L-1 과망간산에 200 mg·L-1 질산을 첨가하여 제조하 고, 환원제는 2000 mg·L-1 옥살산으로 제조하며, 공정횟수는 STS304와 SA508의 경우 2 cycle로 수행하고, Alloy600의 경 우 3 cycle 이상 수행하거나 국부적으로 제거가 안된 곳은 별 도의 제염이 필요할 것으로 판단된다.

    본 연구에서 도출한 질산이 첨가된 화학제염 공정은 기 존의 HP CORD 공정에 비해 제염제의 농도가 낮고, 질산 첨가에 따라 제염효율이 높아 공정횟수를 감소시킬 수 있 으며, 고체폐기물이 적게 발생되는 장점이 있다. 상기 연구 결과의 경우, Lab 규모 실험결과로서 실제 계통제염에 적 용하기에는 어려움이 있으므로, 추가적인 실증시험이 필 요하다.

    감사의 글

    이 논문은 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가 원의 지원을 받아 수행된 연구입니다(No.20141510300310).

    Figure

    JNFCWT-17-1-15_F1.gif

    Comparison of oxide film composition in PWRs and BWRs.

    JNFCWT-17-1-15_F2.gif

    Experimental equipment for system decontamination process development.

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    Specimen mounted to the experimental equipment.

    JNFCWT-17-1-15_F4.gif

    GDS analysis results of specimens.

    JNFCWT-17-1-15_F5.gif

    GDS analysis results of specimens (a) STS304, (b) Alloy600, (c) SA508.

    JNFCWT-17-1-15_F6.gif

    Surface of the before/after decontamination specimens.

    JNFCWT-17-1-15_F7.gif

    Surface of the specimens after Oxidation / Reduction decontamination.

    JNFCWT-17-1-15_F8.gif

    Surface of the specimens.

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    Concentration of dissolved metal ions in the decontamination (a) Oxidation, (b) Reduction.

    JNFCWT-17-1-15_F10.gif

    Removal rate of oxide film by decontamination process.

    JNFCWT-17-1-15_F11.gif

    Concentration of dissolved metal ions in the decontamination process based on permanganic acid-oxalic acid.

    JNFCWT-17-1-15_F12.gif

    Removal rate of oxide film of specimens by decontamination process.

    JNFCWT-17-1-15_F13.gif

    Concentration of dissolved metal ions in the decontamination process based on permanganic acid+2.5 mM nitric acid-oxalic acid.

    Table

    Type and materials of specimen

    Test conditions of decontamination process based on permanganic-oxalic acid

    Thickness of specimen oxide film

    Thickness of specimen oxide film

    Oxide metal content of pre-decontamination specimen

    The oxide film weight of the specimens before and after decontamination

    The weight of removed oxide

    Removal rate of oxide film

    Concentration of dissolved metal ions

    Removal rate of oxide film

    Concentration of dissolved metal ions

    Reference

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