1.서 론

전세계의 원자력이용시설에서 발생하는 금속방사성폐 기물의 양은 해마다 증가하고 있다. 대형 금속방사성폐기물 의 경우 2060년까지 증기발생기 880기, 원자로헤드 440기가 교체되어 금속 방사성폐기물로 발생될 전망이며[2], 그 밖의 소형 금속방사성폐기물도 동일한 증가추세에 있다. 매우 높 은 방사성폐기물의 처분 비용 때문에 제염이나 용융방식을 통한 재활용 등 금속방사성 폐기물을 최소화 하는 것이 필요 하다. 이러한 사유로 인하여 금속방사성폐기물의 제염 및 재 활용의 중요성이 점차 커지고 있다[1-7].

우리나라의 경우 원자력이용 시설에서 발생되는 금속방 사성폐기물 중 대형 금속방사성폐기물은 현재 증기발생기 8 기와 원자로헤드 1기가 교체되어 보관 중에 있으며, 2035년 까지 증기발생기 52기가 교체예정에 있고, 그 밖의 소형 금 속방사성폐기물 발생량도 지속적으로 증가하고 있다. 따라 서 대형이든 소형이든, 금속방사성폐기물의 처분비용 절감 을 위해 금속방사성폐기물의 제염을 통한 재활용과 규제해 제 목적의 자체처분 중요성이 크게 부각되고 있다. 또한 금 속류의 방사성폐기물의 오염형태는 방사화된 금속류, 핵분 열생성물과 부식생성물에 의해 오염된 금속류 들에서 오염 제거가 가능한 유리성 표면오염과 오염제거는 가능하지만 제염방법 적용이 어려운 미세한 틈새에 오염된 고착성 오염 등으로 분류할 수 있다.

본 연구에서는 방사능 오염제거가 가능한 유리성 및 고 착성 오염물인 소형 금속방사성폐기물을 대상으로 오염제 거 실험을 실시하였고, 방사화된 금속방사성폐기물의 경우 오염을 제거하기 위해 용융제염방법을 택해야 하므로 본 연 구에서는 제외하였다. 따라서 본 연구는 소형 금속방사성 폐 기물을 효과적으로 제염처리방식의 융합을 통해 제염계수를 향상시키고자 SSRSM(Small-size Radioactive Scrap Metal)의 스마트 제염 장치를 개발하기 위하여 진행되었다.

본 연구에서는 원자력이용시설의 운영 중에 발생한 오 염된 소형 금속방사성폐기물을 대상으로 제염연구를 진행하 였다. Fig. 1은 SSRSM의 처리과정 흐름도를 보여준다. 방사 능 준위가 원자력 안전법에서 규정된 자체처분 허용치 보 다 낮은 금속방사성폐기물은 재사용하거나 재활용할 수 있 고, 그렇지 않은 금속방사성폐기물은 방사성폐기물 드럼으 로 이동한다. 따라서 금속방사성 폐기물의 재활용 및 자체 처분 양을 극대화 할 수 있는 효과적인 제염장치를 개발하 는 것이 중요하다.

소형의 금속방사성폐기물들로부터 오염물의 제거가 확 실히 된다면 재활용 등의 방법으로 이들을 자원화 할 수 있 는 경제적인 이점이 있다. 이에 따라 금속방사성폐기물 제염 기술이 다양하게 연구개발 되고는 있지만 어느 하나의 단일 종류의 제염장치에서 오염된 방사성물질을 100% 제거하기 는 어려울 것으로 보인다. 예를 들면 단위 제염방법에 있어 서 제염효율이 높은 화학제염 기술은 유기산 및 무기산 등 강 산류를 사용하기 때문에 액상의 2차 폐기물이 다량으로 발생 되고 이를 중화처리 하는데 많은 처리비용이 소요되고 있다.

이러한 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 방법으로 본 연구는 하나의 제염방식이 아닌 두 개의 장치를 융합한 제염장치를 활용하여 100%에 가까운 제염효율을 얻을 수 있 도록 하고 제염공정으로 인한 2차 폐기물 발생량을 최대한 억제할 수 있는 융합 제염장치 개발을 통해 효과적으로 감용 가능한 제염공정을 도출하기 위한 실험을 실시하게 되었다.

Table 1 은 오염제거방식 별 성능 및 단점을 나타내었다[3]. Table 1에서 화학적 방식 및 전기분해방식은 오염제거 성능이 우수하지만 2차 폐기물이 발생되어 본 연구에의 적용 을 배제하였고, 건조 및 초 임계 방식도 오염제거 효율이 좋 다. 하지만 높은 장치비용으로 인해 적용을 배제하였다. 자 기장방식 및 초음파방식 각각의 물리적 제염효율은 낮은 반 면에 2차 폐기물이 거의 발생하지 않아 이 두 가지 방식을 융 합한다면 높은 제염계수와 2차 폐기물 발생량 저감에 따른 경제적 시너지 효과의 가능성이 있다고 판단되었다. 이에 따라 자성연마재를 사용하는 자기장 제염과 초음파 제염방법을 융합하고 전 처리를 겸한 선행제염방식의 선정 이 중요하므로 개선 전·후 자기장 및 초음파의 제염결과로 부터 각 제염계수값을 토대로 운전조건 별로 효과적인 제염 순서를 선정 하고자 하였다[8-14].

2.본 론

2.1.메커니즘

2.1.1.자기장 제염 메커니즘

파이프 내면의 자기연마법에서는 비자성 파이프 외부에 설치한 자극에 의해 파이프 내부에 불 균일 자장분포가 일어 나 파이프 내부에 투입한 자성연마재와 자극 사이에 연마압 력이 발생하며, 파이프를 고속으로 회전시키면 내면과 자성 연마재 사이에 상대운동이 발생되어 내면이 연마된다. 연마 압력은 자성연마재가 자극에 흡인되는 자력으로 자성연마 시 연마입자 하나가 받는 연마압력은 Fig. 2에 간략하게 나타 내었다. 연마입자 한 개가 받는 연마압력을 이론 식으로 설명 하면, 불 균일 자장분포에 있어서 자성연마재에 작용하는 자 력선 방향 성분 자력 Fx와 등자위선 방향 성분 자력 F_y의 합력 으로 이루어지는데 이 합력은 F로 주어진다. 자력F_x, F_y는 식 (1)과 식(2)로 표시할 수 있다.

여기서,

V : 자성연마재의 체적(m³)

X : 자성연마재의 자화율(%)

x,y : 자력선 방향 및 등자위선 방향의 좌표

H : 자기장의 세기(W_b/m²)

(∂H/∂x),(∂H/∂y) : 자력선 및 등자위선 방향의 자기장 세기의 변화율

그러므로 합력 F는 식 (3)과 같다.

이 자력은 자성연마재의 체적 V와 자화율 X의 곱에 비례해 서 증가한다. 자화율 X는 자성연마재의 재질과 그 제조과정 에서 결정된다. 또 자성연마재의 작용압력은 자기장의 세기 H와 그 변화율 (∂H/∂x),(∂H/∂y)의 곱에 영향을 받는다. 그러 므로 자성연마재의 직경을 크게 함으로써 작용압력을 높일 수 있고, 또 입자의 직경이 일정하다면 작용압력을 크게 하 기 위해서는 자장분포의 값을 높일 필요가 있다. 파이프 내 면의 자장 분포 값을 높이기 위해서 자속누출을 최소화하 여야 하며, 영구자석을 이용하여 자장 분포 값을 크게 하는 방법이 있다. 따라서 본 연구에서는 자성연마재가 제염대상 물인 금속방사성폐기물과 물리적 운동을 통해서 오염부위 를 효과적으로 제거할 수 있도록 ㈜액트에서 “자기장을 이용한 제염장치 개발 과제”를 통해 발표된 자성연마재(크기 2.2 mm(φ)×5.0 mm(L)) 및 운전조건을 참고하고 본 연구를 통 해 기존 제염장치를 개선하여 금속방사성폐기물에 효과적인 자기장제염 운전조건을 도출하고자 한다.

2.1.2.개선된 자기장 제염장치

본 연구에서는 기존의 제염장치를 개선하여 금속방사성 폐기물에 대한 제염계수를 증가시킬 수 있는 효과적인 운 전조건 등을 도출하기 위하여, ㈜액트에서 “자기장을 이용한 제염장치 개발 과제”를 통해 발표된 자성연마재(크기 2.2 mm(φ)×5.0 mm(L)) 및 운전조건을 참조하였다[11]. 주요 개 선내용은 Fig. `3과 같이 자성의 N극과 S극을 원판에 번갈아 설치하여 회전시킴으로써 자석의 N, S극이 교류형태의 운동 을 하도록 하여 자성연마재의 운동을 극대화하고, 또한 자석 원판 1개를 운영하였을 경우 Fig. 3과 같이 사각형의 제염조 에서 제염조와 자석원판의 기하학적 구조로 인한 제염대상 물 미 접촉 부분인 각의 가장자리에 자기장원판을 도달시키 기 위해 Fig. 4의 개선 후 모형같이 2개의 원판을 설치하고 수 평운동장치를 추가로 설치한 후 수평으로 왕복운동 함으로 서, 사각의 제염조 내 제염대상물의 미 접촉 부분이 생기지 않도록 개선하여 제염계수를 높일 수 있도록 하였다.

2.1.3.초음파 제염의 메커니즘

초음파 세정은 일반적인 수용액 안에서 고주파 음파를 사용한다. 미세한 캐비테이션 기포는 금속, 플라스틱, 유리, 고무, 세라믹 내의 작은 틈새나 구멍 사이로 파고들어 그 기 포가 깨지면서 발생된 압력으로 오염물을 제거한다. 이 개 념은 제거해야 할 오염물질에 따라 물이나 특정용매를 사용 하여 고체 표면 위에 달라붙어 있는 오염물질을 제거하는 것 을 뜻한다. 여기서 오염물질은 먼지, 오일, 안료, 녹, 윤활유, 조류, 균류, 박테리아, 라임 스케일, 광택혼합물, 스타왁스, 지문, 혈액 등과 같은 생물학적 오물 등을 포함 할 수 있다 [13-14]. 초음파 세정은 제염대상물의 크기와 재료에 상관없 이 세정 전 제염대상물의 원형을 그대로 보존한 상태에서도 적용 가능한 장점은 있으나 제염계수가 낮다는 단점이 있다. Fig. 5는 캐비테이션 기포의 내측파열 발생 모습이다[13].

2.1.4.개선된 초음파 제염장치

Fig. 6 은 개선된 초음파 제염장치를 보여준다. 왼쪽은 종래의 장치 모습이고, 오른쪽은 개선된 장치의 모습이며 금 속방사성폐기물의 표면에 초음파의 접촉면적을 높이기 위 해, 초음파 발생기의 위치를 측면과 하부에 설치하여 수조 내 초음파 도달거리를 중첩되게 하였고, 와류로 인한 제염효 과를 고려하여, 수조 내에 위치한 금속방사성폐기물을 상하 운동이 가능한 리프트에 탑재할 수 있도록 설계하여 제염계 수를 높일 수 있도록 하였다.

2.2.실험 재료 및 방법

2.2.1.금속방사성폐기물 조각

본 연구의 실험에 이용된 실험대상물은 국내 원자력이용 시설에서 시설운영 중에 발생된 금속방사성폐기물이고, 실 험수행은 영광원자력 제 2 발전소 내에서 방사선안전 팀의 협조아래 이루어 졌으며, 금속방사성폐기물의 길이는 가장 긴 것이 1 m 미만이었다. 또한 동일한 조건의 시료수집이 어 려워 제염계수 비교를 위해 본 연구에서는 주로 30 cm 미만 의 시료를 대상으로 실험하였다. 본 실험은 금속방사성폐기 물의 자체처분 조건의 만족여부를 확인하는 차원에서 수공 구, 기어, 알미늄 캡, 파이프, 판금 등의 다양한 종류를 포함 시켰으며(Fig. 7 참조), 이러한 종류의 소형 금속방사성폐기 물을 SSRSM(Small-size Radioactive Scrap Metal)이라 정의 하고, 구체적으로 다음과 같이 정의하였다.

Fig. 7은 다양한 SSRSM의 종류를 보여준다.

2.2.2.실험 방법

Fig. 8은 본 연구에서 활용된 실험 장치이며, 본 실험장 치는 기존장치를 개선한 자기장 제염장치(자장원판 2개, 수 평운동장치), 제어부, 초음파제염장치(측면 및 하부 초음파 발생기, 상하운동 리프트) 와 보조 장치인 세정 및 열풍건조 장치로 구성되었다.

자기장제염장치의 운전조건은 제염효율이 가장 높 은 조건을 적용하여, 기동시간 15분, 자성연마재 크기 2.2 mm(φ)×5.0 mm(L), 회전수 1,500 rpm, 자기장의 세기 0.1 Tesla이고, 초음파제염장치의 운전조건은 기동시간 15분, 주 파수 29 kHz, 전류 4 A, 수조온도 35°C 로 적용하고, 실험을 진행하였다[11].

본 연구에서 자기장이나, 초음파 제염대상 시편의 오염 도 및 오염상태에 대한 표준화 정량화 등 동일한 조건의 시료 로 실험과 비교결과를 도출하는 것이 바람직하나, 본 연구에 서는 현재 원자력이용시설에서 발생된 소형금속방사성폐기 물을 대상으로 하였기 때문에 정량적인 오염제거계수 비교 를 할 수 없었으며, 실험결과값의 신뢰성을 위해 최대한 비 슷한 조건에서 발생된 크기와 형태의 시료를 수집하였고, 파 이프류는 절단 하여 사용하였다.

2.2.3.분석 방법

금속방사성폐기물 제염 전, 후의 오염도는 현재 영광 제 2 발전소에서 사용중인 Table 2의 측정기로 측정한 후 제염 계수를 산출하였고, 본 연구에서는 유리성오염과 고착성오 염 제거효과 를 산출하기 위한 목적이므로 핵종분석기는 활 용하지 않았다. 또한 제염 후 측정결과에서 잔류 방사능이 백그라운드(BKG)이하라는 것은 자연방사능과 같은 수준이 라는 의미이며, 본 연구에서 핵종분석을 배제하였기에 정량 적인 잔류방사능 표현 없이 백그라운드라는 용어를 사용하 였다.

3.결과 및 토론

3.1자기장 제염장치의 오염제거 성능

Table 3에서 기존의 자기장 제염장치와 개선된 자기장 제염장치의 제염계수를 비교하였다. 기존 및 개선된 제염장 치 모두 동일한 제염조건을 적용 하여 측정하였으며, 측정결 과 기존장치의 제염계수는 2.8이며, 개선된 장치의 제염계수 는 12.8이다. Fig. 9는 기존의 자기장 제염장치와 개선된 자 기장 제염장치의 제염계수 그래프이다. 모든 그룹은 개선된 자기장 제염장치에서 약 4배 정도 높은 성능을 확인하였다.

3.2.초음파 제염장치의 오염제거 성능

Table 4에서 기존의 초음파 제염장치와 개선된 초음파 제염장치의 제염계수를 비교하였다.

기존 및 개선된 제염장치 모두 동일한 제염조건을 적용 하여 측정하였으며, 비교결과 기어 등 홈이 많은 시료의 제 염계수가 저조한 반면에, 플레이트, 스패너 등 비교적 표면이 평탄한 시료에 대한 제염계수가 높게 측정되었다. Fig. 10은 기존의 초음파 제염장치와 개선된 초음파 제염 장치의 제염 계수 그래프이다. 모든 그룹은 개선된 초음파 제염장치에서 3~5배 정도 높은 성능을 확인하였다

3.3.융합 제염장치의 성능

개선 전 자기장을 이용한 제염방법과 초음파를 이용한 각각의 제염방법으로 실험한 결과 제염계수 최대값은 자기 장이 2.8, 초음파가 7.5 정도 측정되었다. 따라서 각각의 장 치에 대한 제염계수의 한계를 상승시킬 목적으로 새롭게 고 안한 자기장 제염장치(자장원판 2개, 수평운동 장치 추가), 초음파제염장치(측면 및 하부 초음파 발생기, 상하운동 리 리프트 추가)를 기존의 제염에 활용되었던 비슷한 종류의 금속 방사성폐기물을 대상으로 각각 제염한 결과 개선 후 제염계 수 최대값은 자기장이 12.8, 초음파가 18 정도 측정되었고, Fig. 9, 10과 같이 개선전의 자기장, 초음파 각각의 제염계수 보다 개선 후 약 4 ~5배 정도 향상된 제염결과를 얻을 수 있 었지만, 각 제염장치를 개선한 결과값 역시 만족할 만한 수 준은 아니었다. 가장 큰 이유는 자기장을 이용한 제염장치의 경우 자기력을 통한 자성연마재의 자전과 공전을 이용하여 제염대상 금속방사성폐기물을 제염처리 하는데 오염된 표면 과 미세한 틈이나 볼트의 홈에 붙어있는 고착성 오염도에 대 한 제염효과는 좋으나, 자성을 띄는 제염대상물에 대한 제염 은 불가능하였고, 초음파 제염의 경우 비교적 제거가 용이한 유리성 표면오염에 대한 제염효과는 좋으나, 금속표면에 강 하게 고착이 되었을 경우 그 오염을 완전히 제거하기 힘든 근 원적인 단점을 보였다.

따라서 이러한 근원적인 단점을 극복하기 위하여 제염방 식의 융합을 시도하였고, 자기장의 장점과 초음파의 장점을 최대한 활용하여, 고착화된 오염입자들을 Fig. 11과 같이 자 기장 제염장치의 자성연마재 운동에 의해 들뜨게 하여 금속 방사성폐기물 표면에 대한 불림 및 전 처리효과를 상승시킨 후, 곧바로 초음파제염을 실시한 결과 Table 5, Fig. 12와 같 이 백그라운드값(BKG) 이하의 제염결과를 얻을 수 있었고, 융합제염 결과 제염계수는 약 18~56까지 상승하였다.

그러므로 제염순서는 자기장제염을 선행하고, 초음파장 치로 제염하는 것이 높은 제염계수를 얻을 수 있다고 판단되 었다. 또한 오염확산을 방지하는 목적으로 초음파제염 후 제 염대상물에 묻은 물기로 인한 전이가능성을 배제하기 위해 높은 압력의 에어와 살수로 3차 제염을 하고 최종 마무리로 열풍으로 건조하는 방법을 선택하였다.

Table 5는 실험대상 금속방사성폐기물의 제염 전, 후 결 과값을 나타내었으며, 이 표를 참조하면 제염 후 금속방사성 폐기물의 오염도는 95% 이상이 제거 되었음을 확인할 수 있 었다. 또한 고압 세척 시 발생되는 제염폐액이나 초음파세정 액, 자성연마재 등에 처리가 어려운 첨가 물질이 없으므로 Fig. 13과 같은 필터로 재순환시켜 계속 사용함으로써 제염 후 예상되는 2차 폐기물량을 최소화 하고, 2차폐기물 처리에 소요되는 비용을 절감하여 경제성을 높일 수 있도록 실험설 비 구성을 마무리 하였다.

4.결론

본 연구에서는 국내·외에서 다양하게 활용되는 금속 방사성폐기물 제염기술 중에서 자기장 제염 및 초음파제염 기술의 요소기술을 융합하고 개선하여 좀더 높은 제염계수 와 제염과정에서 발생되는 2차 폐기물 발생량을 최소화할 수 있는 경제성이 높은 제염장치를 개발하게 되었으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.