1.서 론

원자력시설을 가동 또는 해체할 경우 세슘, 코발트, 우라 늄 등의 방사성핵종으로 주변 토양이 오염될 수 있다. 대부 분의 방사선관리구역은 방사능 오염수준이 기준치 한도내 에서 관리되지만, 부지를 타 용도로 재사용하기 위해서는 제 염이 필요할 경우가 있다. 한국원자력연구원 내 우라늄변환 시설은 건설된 지 20 년 이상 경과하여 설치된 대부분의 장 치들이 노후되어 2001년도부터 이 시설에 대한 해체를 결 정한 이래, 현재 모든 해체공정은 완료되었다. 발생된 폐기 물은 약 83%가 금속류, 전선류 약 3%, 토양 및 콘크리트 약 6%, 기타 잡고체가 약 3%로 구성되어 있다. 이러한 해체폐 기물 중 현장제염이 가능한 폐기물 이외에 토양이나 콘크리 트 같은 제염이 어려운 폐기물은 임시저장고에 보관 중이다 [1]. 한편 방사성폐기물의 처분단가가 지속적으로 증가하고 있는 국내 실정과 경주처분장의 효율적 활용을 위하여 가능 한 한 폐기물의 부피를 줄여야 한다. 따라서 한국원자력연구 원 내 임시저장고에 보관중인 약 14,000 드럼의 토양 폐기물 을 처리하여 자체처분함으로써 폐기물을 감용시키려는 연구 가 시도되고 있다.

토양세척기법은 1970년대 말에 유류 유출로 인해 오염 된 해안가 모래를 정화하기 위하여 미국환경보호청(United State Environmental Protection Agency: USEPA)에 의해 개 발된 방법으로, 적절한 세척제를 사용하여 토양입자에 결합 되어 있는 유해 유기물질 및 중금속을 제거하기 위하여 처음 시도되었다[2]. 그 후, 국내·외에서 오염된 토양을 정화시키 기 위해 다양한 기술이 개발되었다[3-7]. 최근에는 유류 및 중 금속 오염 토양 외에도 방사능 오염 토양에 대한 연구개발이 진행되고 있다[8-10].

유류 오염 토양 중에 포함된 오염된 자갈은 오래 전부터 이들의 정화에 막대한 노력을 기울여 다양한 기술들이 개발 되어 일부는 실용화되고 있는 반면[11], 방사능 오염 자갈은 원자력시설에 한하여 발생되므로 그 특성상 많은 연구가 진 행되지 않아 제염에 대한 기초자료가 부족하다. 따라서 이들 을 제염하는 기술을 개발하기 위해서는 앞으로 많은 시간과 비용이 소요될 것이다. 그러나 이러한 방사능 오염 자갈 폐 기물 제염방법의 개발은 향후 원자력 시설 해체 시 발생할 막 대한 양의 자갈이 발생할 수 있으므로 환경적인 측면에서나 경제적인 측면에서 매우 중요하다.

따라서 본 연구에서는 방사능 오염 자갈을 제염하기 위 해 토양세척법을 이용한 기초실험을 수행하였다. 먼저 우라 늄 오염 자갈의 오염정도를 측정하고, 세척제염을 실시하여 우라늄 제거경향을 살펴보았다. 또한, 제염효율을 높이기 위 해 최적 제염제를 선정하였고, 우라늄 제염효율이 낮은 자갈 은 파쇄한 후 세척하여 최종적으로 자체처분허용농도(천연 우라늄기준 1.0 Bq/g이하)를 만족시키고자 하였다.

2.실험재료 및 방법

2.1.재료 및 장치

실험에 사용된 방사능 오염 자갈은 한국원자력연구원 우 라늄변환시설을 해체하고 난 후 발생된 우라늄 오염 토양 중 에 포함된 자갈로서, 약 20vol.% 차지하고 있다. 이 중 세척 제염에 사용한 시료는 자갈 표면에 붙어있는 오염토양을 충 분히 제거한 후 실험에 사용하였다. 제염제로는 물, 계면활 성제, 질산을 사용하였다. 특히, 우라늄변환시설에서 발생된 자갈의 경우 우라늄 UO₂²⁺ 혹은 U(Ⅳ) 형태로 흡착되어 있는 것으로 생각된다. 따라서 이를 세척하기 위하여 사용 된 계 면활성제는 주로 세정제로 이용되는 음이온계면활성제가 소 독제나 살균제로 사용되는 양이온계면활성제보다 더 적합 한 것으로 판단된다. 그러므로 계면활성제로는 단가가 싸고, 음이온계면활성제 성분이 다량 함유된 가정용 세탁세제(A 사, S제품)를 사용하였으며, 물은 증류수를, 질산(Ducksan chemicals, 66%)은 실험용을 희석하여 사용하였다.

실험에 사용한 장치로는 자갈 세척제염을 위하여 자체 제작한 세척장치(Fig. 1)와 자갈을 파쇄하기 위한 파쇄장치 (Fig. 2, S사, S제품) 및 분쇄장치(Fig. 3, K사, H제품)를 이 용하였다. 특히 자체 제작한 세척장치는 자갈이 호퍼에 투입 되면 RPM 조절이 가능한 원통형의 본체가 회전하면서 자갈 을 투입 반대방향으로 이동시키고, 이때 본체 내 수십 개의 노즐에서 제염제를 고압으로 뿜어주는 형태로 자갈을 세척 하는 원리이다.

2.2.세척제염 실험

방사능 오염 자갈의 오염 정도를 확인하기 위하여 임의 로 선택한 방사능 오염 자갈의 방사능 농도를 측정하였다. 방 사능 오염 자갈의 세척제염실험은 자체 제작한 세척장치로 세척하였으며, 부피가 큰 자갈이 많기 때문에 세척장치에 머 무는 시간을 15 분 이상 지체시켜 충분한 세척이 이뤄질 수 있도록 세척하였다.

자갈 제염 시 효과적인 제염제를 선택하기 위하여 물, 계 면활성제, 질산으로 각각 자갈을 세척하였다. 특히, 산 농도 에 따른 제염효율을 알아보기 위해 0.01 M ~ 1 M의 범위로 변화시켜 세척하였다.

제염효율이 낮은 자갈에 대해서는 제염효율을 높이기 위 해 방사능 오염 자갈을 파쇄장치로 파쇄하여 2 mm이상과 이 하로 나누어 세척하였다. 파쇄한 자갈의 세척제염은 파쇄자갈 의 용량이 작아 자체 제작한 세척장치를 이용하였다(Fig. 4). 장치의 구조는 크게 용기 역할을 하는 본체와 파쇄자갈을 교 반시키는 임펠러로 나뉘며, 세척원리는 장치 본체에 시료 및 제염제를 넣은 후 RPM 조절이 가능한 임펠러를 회전시켜 일 정시간 동안 세척제염을 수행하였다. 이 장치를 이용하여 먼저 세척용기에 시료와 제염제를 1 g : 2 mL비율로 주입하 고, 120 rpm으로 4 시간 동안 교반시켜 세척제염을 수행하였 다. 세척한 시료는 105°C에서 1 시간 건조시킨 후 방사능 농 도를 측정하였다. 한편, 분쇄한 방사능 오염 자갈의 세척제 염은 파쇄 후 분쇄장치를 이용하여 분쇄한 다음, Fig. 4의 세 척장치를 이용하여 위와 동일한 방법으로 세척하였다.

2.3.분석방법

우라늄은 알파 핵종으로 자갈 중 우라늄 농도를 직접 측 정하기가 쉽지 않아, U-238 → Th-234 → Pa-234m의 감쇄 체인으로부터 Pa-234m의 감마선 (1001 KeV)을 이용하여 간접적으로 측정하였다. 또한, 우라늄변환시설의 해체에서 채취한 자갈은 시료의 오염이 수십년 전에 발생하였으므로 U-238, Th-234 (반감기 24.1일)와 Pa-234m (반감기 1.17 분) 간의 방사평형이 충분히 이루어졌다고 판단된다. 측정기기 로는 고순도 게르마늄 검출기를 가진 γ-spectrometry (Canberra, Genie 2000)를 이용하였으며, 시료용기는 한국표준 연구원에서 제작한 80 mL와 1000 mL의 마리넬리비이커를 사용하였다. 방사능 농도 분석을 위한 측정 시간은 시료의 오 염 농도에 따라 달리하며 약 4~8 시간 측정하였다.

3.결과 및 고찰

3.1.방사능 오염 자갈의 오염도 측정 및 세척제염

임의로 채취한 방사능 오염 자갈은 종류와 관계없이 무 게로 나누어 자갈을 구분하고 방사능을 측정하였다. 그 결 과 자갈에 오염된 방사능은 우라늄으로 확인되었으며, 토양 세척법을 적용하여 자체 제작한 자갈 세척장치로 제염을 실 시하였다(Fig. 5). Table 1은 세척 전 우라늄 농도와 세척제 염을 수행한 후 우라늄 농도를 나타냈다. 세척제염하기 전 우라늄 오염 자갈의 농도는 1.2 ~ 5.8 Bq/g이고, 평균 농도 는 2.7 Bq/g이었다. 우라늄 농도는 자갈의 무게가 가벼울 수록 높은 경향을 보였다. 2회 세척제염 후 우라늄 농도는 0.6 ~ 3.5 Bq/g이고, 평균농도는 1.7 Bq/g으로, 1회 세척 결 과와 큰 차이가 없었다. 따라서 1회 세척만으로 자갈표면에 서 제염 가능한 우라늄이 제거되는 것을 알 수 있었다.

세척 후 일부 시료는 자체처분허용농도를 충족한 반 면, 대부분의 시료는 그렇지 못하였다. 그 이유는 오랫동안 방사능에 노출된 자갈이 산화되는 과정에서 우라늄도 함께 자갈 내부로 침투함으로써 자갈 내부까지 오염이 진행된 것 으로 판단된다. 결국 자갈 표면에 오염된 우라늄은 세척만으 로 제염이 가능하나, 자갈 내부까지는 세척이 이뤄지지 못하 기 때문에 자갈표면을 세척하는 것만으로 원하는 제염효율 을 얻을 수 없었다.

3.2.최적 제염제 선정

증류수, 계면활성제, 질산 중 우라늄으로 오염된 자갈의 제염으로부터 최적 제염제를 선정하기 위한 실험을 통하여 Table 2를 얻었다. 이 표에서 우라늄 오염 자갈의 초기농도는 2.1~22.4 Bq/g이었으며, 좀 더 정확한 비교를 위해 각 제염 제를 적용한 실험 시 최대한 유사한 농도의 우라늄 오염 자갈 을 선택하여 세척제염하였다. 그 결과, 증류수는 제염효율이 가장 낮게 나타났으며, 계면활성제는 증류수보다 제염이 잘 되었는데, 특히, 우라늄 농도가 19.4 Bq/g인 고농도 우라늄 오염 자갈에서 제염효율이 높게 나타났다. 한편, 질산을 제 염제로 사용하였을 때 대부분의 우라늄 오염 자갈에서 다른 제염제보다 우수한 제염효율을 보였으며, 고농도 우라늄 오 염 자갈의 경우 약 50% 정도 제염효율을 보였다. 이처럼 우라 늄으로부터 오염된 자갈을 제염하기 위해서는 제염제로 질 산을 사용하는 것이 증류수와 계면활성제를 사용하는 것 보 다 좀 더 유리한 것으로 확인되었다.

최적제염제로 질산을 선정한 후 제염제의 산 농도에 따 른 제염효율을 확인하기 위하여 제염액의 산 농도를 0.01 M, 0.1 M, 0.15 M, 0.5 M, 1.0 M로 달리하여 우라늄 오염 자갈 의 세척제염을 수행한 결과, 예상과 달리 0.1 M에서 가장 높 은 제염효율을 나타내었다(Table 3).

3.3.자갈파쇄 후 제염

우라늄으로 오염 된 자갈의 제염효율을 높이기 위해서는 자갈 내부까지 오염된 우라늄을 제염할 필요가 있다. 따라서 물리적으로 파쇄한 후 세척제염을 실시하였다. 우라늄 오염 자갈을 파쇄장치로 파쇄하고, 공극 2 mm체로 쳐서, 분리하 여 세척제염을 수행하였다(Fig. 6).

파쇄자갈의 초기 우라늄 농도는 2 mm이하의 자갈이 12.9 Bq/g으로 2 mm이상의 자갈 (7.6 Bq/g)보다 약 2배 높 았다(Fig. 7). 세척제염 횟수를 자체처분허용농도 이하로 낮 추기 위해 우라늄 농도가 1.0 Bq/g보다 낮게 될 때까지 세척 제염을 반복하였다. 그 결과, 2 mm이상의 파쇄자갈은 비교 적 높은 제염효율을 보였으나, 1 회 세척제염 이후 우라늄이 더 이상 제거되지 않았으며, 자체처분허용농도까지 제염되 지 않았다. 반면, 2 mm이하의 파쇄자갈은 세척제염 횟수를 3 회 수행하였을 때 우라늄 농도가 0.7 Bq/g으로 나타났다. 제염효율은 약 94%였으며, 자체처분허용농도 이하를 만족 하였다. 이와 같이 우라늄 오염 자갈을 파쇄하여 세척제염한 결과, 파쇄자갈의 크기가 크면 세척제염하는데 한계가 있는 반면, 파쇄자갈의 크기가 작을수록 표면적이 넓어짐에 따라 세척이 훨씬 더 용이한 것으로 나타났다. 또한, 세척횟수는 파쇄자갈의 크기가 클 때는 효과가 없지만, 파쇄자갈의 크기 를 작게 했을 때 세척횟수의 증가는 제염효율을 점점 증가시 키는 것으로 확인되었다.

3.4.분쇄 후 제염

자갈의 세척횟수가 늘어날수록 그에 따른 세척제염 후 발생하는 폐액량이 증가하여 향후 폐액처리에 따른 2차 방사 성폐기물 발생량에 영향을 준다. 앞서 실험결과와 같이 파쇄 자갈의 크기가 작을수록 세척제염이 쉽게 이뤄짐에 따라 파 쇄자갈을 1 mm이하 크기로 분쇄하여 세척제염을 실시하였 다. Table 4는 분쇄하기 전 자갈의 우라늄 농도가 3.78 Bq/g 인 시료를 대상으로 파쇄하여 분쇄한 후 세척제염 한 결과, 1 회 세척으로 우라늄 농도가 5.0 Bq/g에서 0.6 Bq/g로 88%의 제염효율을 보이는 것으로 확인되었다.

오염된 자갈은 우라늄 농도가 낮은 것도 있지만, 높은 우 라늄 농도를 갖는 자갈도 상당량 있기 때문에 이들에 대한 세 척제염 여부를 확인할 필요가 있다. 초기 우라늄 오염 농도가 14.6 Bq/g인 자갈을 파쇄하여 1 mm이하로 분쇄한 후, sieve 를 이용하여 체분리를 실시하였다. 체분리는 0.075 mm이 하, 0.075-0.45 mm, 0.45 mm-1.0 mm기준으로 구분한 후 세척제염을 수행하여 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 분 쇄자갈의 크기별 우라늄 농도는 0.075 mm이하의 분쇄자 갈에서 다른 크기의 분쇄자갈보다 높게 나타났다. 3회 세 척제염을 수행한 결과, 0.075 mm이하 분쇄자갈은 초기 우 라늄 농도 17.9 Bq/g에서 0.7 Bq/g으로 제염효율은 95.8% 를 보였다. 또한, 0.075-0.45 mm입자는 초기 우라늄 농도는 12.1 Bq/g에서 1.3 Bq/g으로 제염효율 89.5%를, 0.45 mm- 1.0 mm입자는 초기 우라늄 농도 10.1 Bq/g에서 1.2 Bq/g 으로 제염효율은 88.1%를 나타내었다. 이처럼 세가지 조 건 모두 높은 제염효율을 보였다. 특히, 분쇄자갈의 크기가 0.075 mm이하인 분쇄자갈은 1회 세척제염만으로 자체처분 허용농도 이하로 제염되므로, 우라늄 오염 자갈의 크기가 작 으면 작을수록 오염자갈로부터 우라늄을 제염하는 데 조금 더 효과적인 것으로 확인되었다.

4.결론

원자력시설에서 발생한 방사능 오염 자갈을 자체처분 허용농도(천연우라늄 기준 1.0 Bq/g) 이하로 제염하기 위 해 토양세척법을 적용하여 기초실험을 수행하였다. 세척 제염을 수행하기 전 우라늄 오염 자갈의 우라늄 평균 농도 2.7 Bq/g이고, 세척제염 후 우라늄평균농도는 1.6 Bq/g으로 나타났다. 제염제로는 증류수, 계면활성제, 질산 중 질산이 다른 제염제보다 높은 제염효율을 보였다. 또한, 질산을 이 용한 제염제의 산 농도 0.01 ~ 1.0 M영역에서 제염효율을 비 교한 결과, 예상과 달리 산 농도 0.1 M에서 가장 좋은 제염 효율을 보였다.

그러나 자갈이 단순세척으로는 자체처분허용농도 이하 로 제염되지 않으므로 제염효율을 높이기 위한 파쇄 후 세척 제염한 결과, 2 mm이상의 자갈은 파쇄 전 시료의 세척결과 와 비슷한 반면, 2 mm이하의 자갈은 3 회 세척제염 후 자체 처분허용농도 만족하였다. 파쇄자갈을 1 mm이하로 분쇄하 여 세척제염한 결과, 평균 90%이상의 높은 제염효율을 얻을 수 있었으며, 특히, 0.075 mm이하인 분쇄자갈은 1 회 세척 제염만으로 자체처분허용 농도를 만족하였다.

따라서 우라늄 오염 자갈을 효과적으로 제염하기 위해 서는 자갈을 0.075 mm이하로 분쇄한 다음, 제염제로 질산 을 이용한 0.1 M에서 세척제염하는 것이 제염시간을 단축하 고 높은 제염효율을 얻는 가장 효과적인 방법으로 판단된다.