KR101069453B1 - 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소의 연속포집장치 - Google Patents

원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소의 연속포집장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 경수로 원자력 발전소 각 건물 배기단을 통해 환경으로 방출되는 방출 기체 중에 포함되어 있는 방사성 탄소(14 C)의 방출 방사능을 평가하기 위하여, 발전소 배기구에서 외부로 방출되는 배기 덕트에 장치를 연결하여 일정한 유량으로 흐르는 방출 기체로부터 방사성 탄소(14 C)를 무기물 및 유기물 형태별로 포집하는 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 연속포집장치는 유량을 일정하게 흘려보내는 기능을 가진 유량 제어부와 배출 공기 중에 함유되어 있는 삼중수소를 제거하기 위해 순수를 담을 수 있는 삼중수소 제거용 폭기병과 배출공기 기체중의 방사성탄소(1 4 C)를 포집하기 위해 NaOH 수용액이 담겨 있는 포집 폭기병과 유기물을 무기물로 변환시켜 주는 촉매반응기를 이용한 방출 기체 시료의 연속포집장치를 제공하는 것이다.
원자력발전소, 방사성탄소, 방출, 촉매, 삼중수소, 무기물, 유기물

Description

원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소의 연속포집장치{Continuous collecting system for radiocarbon from stack in PWR nuclear power plant's}
본 발명은 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소의 연속포집장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 경수로 원자력발전소 배기구를 통해 환경으로 방출되는 방출 기체 중에 적은 량으로 함유되어 있는 다양한 형태의 방사성탄소 화합물을 무기물 형태(14CO2)와 유기물 형태(14CH4)로 분리하여 포집한 후 적절한 전처리 과정을 거쳐 액체섬광계수기로 방사성탄소(1 4 C)에 대한 방사능을 측정할 수 있도록 하기 위한 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소의 연속포집장치에 관한 것이다.
원자력이용시설의 운영과정에서 액체, 기체 또는 고체상태의 방사성물질이 발생하며 기본적으로 이러한 방사성물질은 원자력관계법령 하에서 정의하는 방사성폐기물로서 관리되고 있다. 원칙적으로 방사선 관리구역에서 발생된 모든 고체방사성폐기물은 적절한 임시저장 단계를 거쳐 방사성폐기물 및 비방사성폐기물로 분리하여 관리 및 처리해오고 있다. 액체 및 기체상태의 방사성폐기물은 허가방 출(authorized discharge) 개념에 따라 적절한 처리과정을 거친 후 감시 및 통제된 상태에서 환경으로 배출되고 있다. 이렇게 원자력발전소 운영과정에서 생성되어 환경으로 배출되는 유출물은 감시 및 통제된 상태에서 이루어지나 일부 기체상태의 방사성 핵종의 경우 생성 또는 배출량이 미미하거나 평가의 필요성이 요구되지 않아 제외시켜 왔다.
하지만 원자로 가동 호기수의 증가와 더불어 최근 방사성탄소(1 4 C)의 경우는 다른 핵종과는 달리 방사성탄소(14 C)가 가지고 있는 독특한 특성으로 인해 환경방출관리 핵종으로 주요 관심의 대상으로 대두되어 왔다.
방사성탄소(14 C)는 붕괴시 방출되는 β선의 최대에너지가 156 keV로 3H(삼중수) 보다 높을 뿐 아니라 5,730년이라는 긴 반감기를 가지고 있다. 방사성탄소(14 C)의 비방사능 준위는 원자력 발전 설비로부터의 배출 핵실험 우주선 (cosmic ray) 등이 일으키는 자연적 방사화학 반응 등 여러 가지 요인에 의해 생성 및 변화될 수 있다. 일반 대기에서의 방사능 준위는 탄소 1g당 약 0.25Bq 정도인 것으로 알려져 있으며, 대기 중의 방사성탄소(14 C)의 방사능은 탄화수소(14CnHm)나 이산화탄소(14CO2) 형태로 존재하는 방사성탄소(14 C)에 기인하며, 특히 방사성이산화탄소는 동, 식물에 의한 호흡이나 탄소동화작용을 통해 생물체 내에 고정되고 먹이사슬의 경로를 거쳐 인체 내에 축적될 수 있어 다른 형태의 방사성탄소(14 C) 화합물보다 각 별한 관리와 감시가 요구된다.
원자력발전소의 가동시 생성되는 다른 핵종들과 구별되는 방사성탄소(14 C)의 특성으로는 5,730년이라는 긴 반감기와 동식물에 의한 호흡이나 탄소동화작용을 통해 먹이사슬에 의해 인체에 축척될 가능성으로 인해 방사성탄소(14 C) 방출경향이나 환경에 미치는 영향에 관심의 대상이 대두되고 있다는 것이다. 게다가 기상 방사성탄소(14 C) 혼합물의 방출로 인해 방사성탄소(14 C)는 전 세계로 분포되는 결과를 가져왔다. 따라서 방사성탄소(14 C)를 생성 및 환경으로 방출되는 방사성탄소(14 C)에 대한 특성을 조사하고 평가하기 위해서는 측정하고자 하는 시료에 대한 화학형별로 분리하여 포집할 수 있는 기술이 확립되어 있어야 한다.
이와 관련된 종래의 기술로는 대기 중에 존재하는 삼중수소를 화학형태별, 예를들면, 수분상태 삼중수소(HTO), 가스 상태 삼중수소(HTO)로 포집함과 동시에 방사성탄소(1 4 C)를 포집하는 포집장치가 국내특허 제100204187호로 등록되어 사용되고 있다. 이와 같이 이미 개발 및 등록되어 사용 중인 포집장치는 방사성탄소(1 4 C)를 화학 형태(무기형 및 유기형) 별로 분리하지 않고 포집하는 장치라고 할 수 있다.
그리고 이와 유사한 방법 중의 또 하나의 종래의 기술로는 중수로 원자력발전소의 배기구를 통해 빠져나가는 방출 기체 중의 방사성탄소(1 4 C)를 화학형별 구분 없이 포집 분석하는 기술이 있다. 이와 같은 기술들은 방사성탄소(1 4 C)에 대해 화학형태별로 구분하지 않고 14CO2 형태만을 포집하는 장치라고 할 수 있다. 원자력발전소에서 방사성탄소(1 4 C)의 방출량 및 방출 화학형태 등에 있어서 다소 차이가 있을 수 있으나 생성 메커니즘 및 방출형태는 유사하다고 할 수 있다. 따라서, 경수로의 경우도 중수로와 마찬가지로 환경으로 방출되는 유출물 중에는 14CO2 뿐 만 아니라 14CH4, 14CO 및 기타 탄화수소의 형태 등이 있다. 하지만 종래의 기술을 적용하고 있는 대기중 삼중수소 및 방사성탄소(1 4 C) 동시 포집장치와 중수로에 적용하고 있는 포집장치의 경우는 방출시료에 대해 무기물(14CO2) 형태만을 분석대상으로 설정하여 방사성탄소(1 4 C)를 감시하고 있다.
이와 같이 이미 사용 중인 방사성탄소(1 4 C) 농도 측정법은 방출기체 중의 무기물 형태의 탄소 방사능을 알아낼 수 있는 측정 방법이라고 할 수 있다.
원자력발전소의 공기 배출구를 통해 빠져 나가는 유출물 중에 무기물 형태의 탄소와 유기물 형태의 탄소를 측정하기 위해서는 보다 더 정확하고 포집 효율이 높은 방사능 측정법이 요구되고 있다.
본 발명은 향후 국내 경수로 원자력발전소에서 원자력발전소 운영과 더불어 필연적으로 생성되어 원자로 건물, 핵연료 건물 등의 배기구를 통해 환경으로 방출되는 방출 기체 중에 함유되어 있는 방사성탄소(14 C)의 방사능량을 분석하기 위한 것으로, 배출되는 방출 기체에 존재하는 유기물 형태의 방사성탄소(14 C)와 무기물 형태의 방사성탄소(14 C)를 구분하여 연속적으로 포집할 수 있는 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소의 연속포집장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
본 발명의 원자력발전소 배기구 방출 방사성 탄소의 연속포집장치는,
원자력발전소 배기구로부터의 방출 기체 시료를 일정한 유량으로 흘러보내게 되는 유량 제어부;
상기 방출 기체 시료 중에 함유된 삼중수소를 제거할 수 있도록 순수가 담겨있는 삼중수소 제거 폭기병;
상기 방출 기체 시료로부터 무기물 (14CO2) 형태의 방사성탄소(1 4 C)를 포집하기 위하여 NaOH 수용액이 담겨있는 포집 폭기병;
포집되지 않은 유기물형태의 방사성탄소(1 4 C)를 무기물형태의 방사성탄소(1 4 C)로 변환시켜주기 위한 촉매반응기; 및
상기 방출 기체 시료의 포집 유량, 시간 및 온도를 조절하고 정확한 촉매 작용을 할 수 있도록 하기 위한 촉매 반응기 제어부로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소(1 4 C)의 연속포집장치는 원자력발전소 방출 기체 시료를 화학형태별로 구분해서 연속적으로 포집할 수 있으며, 그로 인하여 원자력발전소의 각 건물 배출구로부터 환경으로 방출되는 방사능 농도 및 방사능 양에 대한 정확한 측정 및 분석 값을 산출할 수 있는 효과가 있다
이에 따라 원자력발전소 주변주민의 방사선량 평가 및 환경에 미치는 방사성탄소(1 4 C)의 영향을 평가하는데 중요한 근거 자료로 활용될 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 원자력 발전소에서 환경으로 방출되는 방출 기체 중에 함유되어 있는 방사성 탄소를 화학형태, 예를 들면 무기물(14CO2) 및 유기물(14CH4) 형태로 포집하는 장치로써 원자력발전소 배기구에서 외부로 방출되는 배기 덕트에 연결하여 일정한 유량으로 방출 기체를 흘려보내면서 시료를 포집하는 장치이다.
첨부 도면 중 도 1은 본 발명에 따른 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소(1 4 C)의 연속포집장치(10)의 전체 구성도이고, 도 2은 본 발명에 따른 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소(1 4 C)의 연속포집장치(10)를 개략적으로 나타낸 정면도이 고, 도 3은 그의 내부 구조를 나타낸 배면도이다.
여기서, 부호 11은 유량 제어부, 12는 삼중 수소 제거 폭기병, 13은 방사성 탄소 폭기병, 14는 촉매 반응기, 15는 촉매 반응기 제어부, 16은 장치의 냉각용 팬 콘트롤러이며, 17은 폭기병을 통과한 기체가 온도차에 의해 응축수가 발생할 경우 발전소 계통내로 흘러들어가는 것을 방지하기 위해 응축수 추출용 수유기이고, 18은 전원 공급 콘센트이며, 19는 장치의 온도의 상승을 방지하기 위한 냉각팬이다.
상기 유량 제어부(11)는 원자력발전소 배기구로부터 외부 환경으로 방출되는 기체 시료의 유량을 일정하게 흘려보내면서 시료를 포집할 수 있도록 하기 위한 것으로, 도 1과 도 3에서와 같이, 기체 입·출구 밸브(111), 유량제어용 공급전원부(112)가 설치되어 있으며, 그의 내부에는 에어필터(113), 디지털타이머, 유량센서(114), 매스플로우 컨트롤러, 다이아프램 펌프(115), 압력계 등으로 구성되어 있다. 따라서, 유량 제어부(11)는 방출 기체를 강제로 흡입시켜 1차적으로 에어필터(113)에 의해 방출 기체 중에 존재할 수 있는 불순물을 제거 한 후에 매스 플로우 컨트롤러(Mass Flow Controller)에 일정한 유량을 통과시키고, 이때 매스플로우 컨트롤러에서 보내오는 신호를 이용하여 현재의 유량과 총 적산 유량을 유량지시계에 나타나도록 한다. 또한 유량의 흡입과 배출을 원활히 할 수 있도록 다이아프램 펌프(115)를 사용하여 일정한 압력을 유지하는지를 판단할 수 있도록 압력계가 장착되어 있으며, 유량 제어부(11) 내의 액상 및 기상의 유체가 역류하는 것을 방지하기 위하여 역류방지 밸브가 부착되어 있다. 도 1에서 미설명 부호 20은 배출라인이다.
본 발명의 연속포집장치(10)에서의 삼중수소 제거 폭기병(12)은 GWC(Gas Washing Column)로서 방출 기체 시료 중에 함유된 삼중수소를 제거하고 건조한 기체에 의해 포집용액인 NaOH가 증발하지 않도록 하기 위해 순수가 충진되어 있으며, 방사성탄소 포집 폭기병(13)은 방출 기체 시료로부터 무기물 및 유기물 형태의 방사성탄소(1 4 C)를 포집하기 위하여 포집용액으로서 2M의 NaOH 수용액이 채워져 있다. 특히 상기 포집 폭기병(13)은 도 4에 예시한 바와 같이, 포집용액에 의한 변형 등에 견딜 수 있도록 내화학적 재질로 구성되어 있으며, 방사성탄소의 포집효율을 높이기 위해서는 배출기체가 포집용액을 통과할 때 방사성탄소가 포집용액과 적절한 화학반응을 일으킬 수 있도록, 방사성탄소의 용액 내에서의 일정 체류가 필요하므로 미세한 공기방울을 일으킬 수 있는 폴리에틸렌 버블러(131 : Porosity 70마이크로)를 장착되어 있다. 방출 기체 시료 포집 폭기병 내의 과도현상에 의한 역류방지를 위해 포집 폭기병 내부에 피봇밸브(132)가 설치되어 있으며, 또한, 포집 폭기병 뚜껑의 탈ㅇ부착이 용이하도록 나사선 병과 테프론 실링 캡(133)이 설치되어 있다. 도 3에서 미설명부호 134은 튜브 콘넥터이고, 135은 직류 공급 전원부이다.
본 발명의 연속포집장치(10)에 의하면, 도 5에 나타낸 바와 같이 유기형태(14CH4)의 방사성탄소를 포집하기 위해 유기형태(14CH4) 방사성탄소를 무기형태(14CO2)의 방사성탄소로 변환시켜주는 촉매 반응기(14)가 설치되어 있으며, 촉매제의 충진 및 교체는 촉매반응기 양쪽에 설치되어 있는 콘넥터를 열어 실시하는데 이를 용이하게 수행토록 촉매 반응기(14) 전,후단에 열고 풀수 있는 나사식 K-존 콘넥터(141)가 설치되어 있다. 본 발명에서 사용하는 촉매는 알루미늄 펠렛에 백금(Pt)이 도금된 촉매(143), 알루미늄 펠렛에 파라듐(Pd)이 도금된 촉매(144)를 석영관(145) 내에 충진하여 사용하며, 이것은 500℃ 정도에서 유기물을 산화시켜 무기물 형태(14CO2)로 변환시키게 된다.
촉매 반응기를 통과한 후단에 추가로 포집 폭기병이 설치되어 있으며, 유기물 형태(14CH4)를 무기물 형태(14CO2)로 포집하기 위해 2M NaOH의 용액이 채워져 있다. 여기서, 미설명부호 142는 누출방지용 섬유이고, 146은 실링 캡이다.
본 발명의 연속포집장치(10)에 의하면, 촉매반응기 제어부(15)는 방출 기체 시료의 포집 유량, 시간 및 온도를 조절할 수 있도록 유량계, 디지털 타이머 및 촉매 반응기에 공급되는 열원을 조절하기 위한 온도 프로그램 컨트롤러로 구성되어 있으며, 정확한 촉매 작용을 할 수 있게 되며, 촉매 장치의 이상 온도에 의한 안전사고를 방지할 수 있도록 전원 차단장치가 설치되어 있으며, 정전에 의한 포집 장치의 가동 중지 후에도 그 동안의 가동된 시간 및 총 유량을 확인할 수 있도록 복원모드가 적용되어 있다.
이와 같은 본 발명의 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소(1 4 C)의 연속포집장치를 이용한 포집 메커니즘을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 의하면, 원자력발전소의 배기구를 통해서 방출되는 기체로부터 방 사성탄소(1 4 C)의 포집은 2단계로 구분할 수 있는데, 제1단계는 상기 삼중수소 제거 제거용 폭기병(12)에서 방출 기체에 함유되어 있는 삼중수소를 제거하고, 방사성탄소 포집 폭기병(13)에서 방사성탄소(1 4 C)를 Na2 14CO3형태로 포집을 한다.
다음에 제1단계에서 포집되지 않은 유기물 형태의 방사성탄소(1 4 C)는 제2단계로 촉매 반응기(14)를 통과시키면서 14CO2 형태로 전환시켜서 NaOH 포집 폭기병에 포집된다.
도 1은 본 발명에 따른 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소(1 4 C)의 연속포집장치(10)의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 원자력발전소 배기구 방출 방사성탄소(1 4 C)의 연속포집장치를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 2의 내부 구조를 나타낸 배면도이다.
도 4는 본 발명에서 방출 기체 시료를 포집하기 위한 포집 폭기병의 개략도이다.
도 5는 본 발명에서 촉매 반응기의 구성을 보여주기 위한 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 ---- 방사성탄소의 연속포집장치
11 ---- 유량 제어부
12 ---- 삼중수소 제거 폭기병
13 ---- 방사성탄소 포집 폭기병
14 ---- 촉매 반응기
15 ---- 촉매 반응기 제어부
16 ---- 팬 콘트롤러
17 ---- 수유기
18 ---- 전원 공급 콘센트
19 ---- 냉각팬
111 ---- 기체 입·출구 밸브
112 ---- 유량제어용 공급전원부
131 ---- 폴리에틸렌 버블러
132 ---- 피봇밸브
133 ---- 테프론 실링 캡
134 ---- 튜브 콘넥터
135 ---- 직류 공급 전원부
141 ---- K-존 콘넥터
142 ---- 누출방지용 섬유
143 ---- 알루미늄 펠렛에 백금(Pt)이 도금된 촉매
144 ---- 알루미늄 펠렛에 파라듐(Pd)이 도금된 촉매
145 ---- 석영관
146 ---- 실링 캡

Claims (6)

  1. 원자력발전소 배기구로부터의 방출 기체 시료를 일정한 유량으로 흘러보내게 되는 유량 제어부;
    상기 방출 기체 시료 중에 함유된 삼중수소를 제거할 수 있도록 순수가 담겨있는 삼중수소 제거 폭기병;
    상기 방출 기체 시료로부터 무기물 (14CO2) 형태의 방사성탄소를 포집하기 위하여 NaOH 수용액이 담겨있는 포집 폭기병;
    포집되지 않은 유기물형태의 방사성탄소(1 4C)를 무기물형태의 방사성탄소(1 4C)로 변환시켜주기 위한 촉매반응기; 및
    상기 방출 기체 시료의 포집 유량, 시간 및 온도를 조절하고 정확한 촉매 작용을 할 수 있도록 하기 위한 촉매 반응기 제어부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 배기구 방출 방사성 탄소의 연속포집장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 포집 폭기병은 내화학적 재질로 구성되어 있으며, 포집 효율을 높일 수 있도록 폴리에틸렌 버블러가 장착되어 있고, 방출 기체 시료 포집 폭기병 내의 과도현상에 의한 역류방지를 위해 그 내부에 피봇밸브가 설치되어 있으며, 뚜껑의 탈ㅇ부착이 용이하도록 나사선 병과 테프론 실링 캡이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 배기구 방출 방사성 탄소의 연속포집장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 촉매 반응기는 그의 양쪽에 촉매제의 충진 및 교체를 위해 K-존 콘넥터가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 배기구 방출 방사성 탄소의 연속포집장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 촉매제는 알루미늄 펠렛에 백금(Pt)이 도금된 촉매, 알루미늄 펠렛에 파라듐이 도금된 촉매를 석영관 내에 충진하여서 사용하는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 배기구 방출 방사성 탄소의 연속포집장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 촉매 반응기는 500℃ 정도에서 유기물 형태의 방사성탄소(1 4C)를 산화시켜 무기물 형태(14CO2)의 방사성탄소로 변환시키는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 배기구 방출 방사성 탄소의 연속포집장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 촉매 반응기 후단에 추가로 포집 폭기병이 설치되어 있으며, 무기물 형태(14CO2)의 방사성탄소를 포집하기 위해 2M NaOH의 용액이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 원자력발전소 배기구 방출 방사성 탄소의 연속포집장치.
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