KR100826966B1

KR100826966B1 - 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법

Info

Publication number: KR100826966B1
Application number: KR1020060107165A
Authority: KR
Inventors: 김형준; 최종원; 최희주; 김주호; 박동룡
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; (주)태광테크; 한국원자력연구원
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2008-05-02

Abstract

본 발명은 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법에 관한 것으로서,

방사선 폐기물 처분용기를 제조하는 방법에 있어서, 고압의 분사가스를 히팅하는 단계; 코팅분말을 예열시키는 단계; 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말을 챔버 내로 송급하여 혼합하고, 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계;를 포함하며,

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 도금에 비해 짧은 시간 내에 처분용기를 제작할 수 있으므로 생산성이 높고, 코팅 중 코팅분말의 산화발생이나 코팅 후 잔류 인장응력의 발생이 거의 없으므로 신뢰성이 높다.

방사성 폐기물, 처분용기, 코팅

Description

방사성 폐기물의 처분용기 제조방법{Method for producing disposal canister of radioactive waste}

도 1은 본 발명의 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법에 따라서 구상화 주철에 구리를 코팅한 후 단면을 나타낸 도면.

도 2는 도 1의 단면조직을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법에 따라서 주철롤에 구리를 코팅한 후 단면을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법을 나타낸 순서도.

도 5는 본 발명의 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법에 따른 장치구성의 일예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10:분사가스 공급원

12:히팅부

20:코팅분말 공급원

22:예열부

30:혼합부

40a:분사부1

40b:분사부2

50:처분용기 구조물

본 발명은 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 짧은 시간 내에 처분용기를 제작할 수 있으므로 생산성이 높고, 코팅 중 코팅분말의 산화발생이나 코팅 후 잔류 인장응력의 발생이 거의 없으므로 신뢰성이 높은 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 방사성 폐기물이란 방사성 물질 또는 방사성 물질에 의하여 오염되어 일정한 농도 이상의 방사성 핵종을 함유하고 있어 사용의 의도가 없는 것으로서, 폐기의 대상이 되는 물질이다.

이러한 방사성 폐기물은 함유된 방사성 핵종의 특성에 따라 고준위 방사성 폐기물과 중·저준위 방사성 폐기물로 크게 분류된다.

고준위 방사성 폐기물은 붕괴열이 발생하고, 고방사능을 방출하며, 열발생률이 2kW/㎥ 이상이고, 반감기 20년 이상의 알파선을 방출하는 핵종으로 4,000 Bq/g 이상의 방사능 농도를 갖는 물질이며, 중·저준위 방사성 폐기물은 고준위 방사성 폐기물 이외의 방사성 폐기물이다.

한편, 상술한 방사성 폐기물은 최종적으로 특정한 장소에 영구적으로 처분되며, 여기서 처분이란, 향후 방사성 폐기물을 다시 꺼내지 않도록 특정한 장소에 일정하게 두는 것, 즉, 지하 수백 m 깊이에서 짧게는 500년 길게는 수십만년 격납하는 것을 말하며, 인간과 자연생태계로부터 영구히 격리시키는 것을 의미한다.

이처럼 방사성 폐기물을 이송, 취급 또는 처분하기 위해서 내부 공간에 방사성 폐기물을 수용하여 처분하는 처분용기가 사용된다.

통상적으로 처분용기의 형상은 대략 지름이 1m이고, 높이가 5 m 정도의 원통형의 구조물(이하, 처분용기 구조물)로서 탄소강이나 주철을 사용하여 제작하며, 이 처분용기의 내부 공간에 4개 내지 12개 정도의 밀봉된 폐기물 상자를 수용시킨다.

처분용기 구조물은 탄소강이나 주철을 사용하여 제작하며, 처분용기 구조물의 표면에는 열을 방출하기 용이하고 내부식성이 우수한 구리 소재 또는 스테인레스 316 소재를 입혀서 제작한다.

한편, 코팅소재가 처분용기의 표면에 코팅되는 두께는 내식성 및 수명에 따라 5 ~ 20 mm 정도이며, 구리 또는 스테인레스 316 소재의 파이프를 처분용기 표면에 접합하여 사용하기도 한다.

상술한 바와 같은, 처분용기 표면에 5 ~ 20 mm 정도의 코팅소재를 코팅하는 방법으로 종래에는, 도금이나 용사코팅이 있었다.

도금이란 금속재료의 표면을 다른 종류의 금속 또는 합금의 얇은 막으로 피 복하는 것으로서, 일반적으로 전기도금이 널리 사용되며, 전기도금이란 수용액 중에 이온 형태로 존재하는 목적금속(직접 박막이 되는 금속)을 전기에너지를 이용하여 물품 표면에 환원ㆍ석출시켜 피복층을 얻는 방법을 말한다.

그러나 상술한 도금은 처분용기 구조물을 수용할 수 있는 대형의 도금욕조가 필요할 뿐만 아니라, 5 ~ 20 mm 정도의 두꺼운 코팅을 위해서는 수주일 혹은 수개월의 기간이 소요된다는 문제점이 있었다.

용사코팅은 모재인 기판에 블라스팅(blasting) 처리하여 요철을 주어서 기계적 결합으로 코팅하는 방법으로서, 코팅하고자 하는 코팅분말 소재를 전기아크나 플라즈마와 같은 여러 가지 열원으로 녹여서 빠른 속도로 기판에 분사하여 코팅하는 방법이다.

그러나 용사코팅은 코팅소재인 구리 소재 또는 스테인레스 316 소재를 열원으로 녹여서 사용하기 때문에 구리 또는 스테인레스 316 소재의 산화가 용이하게 발생하고, 대기중에서 용사코팅할 경우에는 내부 조직에 수많은 산화물 발생으로 인하여 원하는 물성을 얻지 못하는 문제점이 있었다. 한편, 구리 또는 스테인레스 316 소재의 산화를 방지하기 위하여 진공 중에서 행하는 용사코팅은 대형 진공 챔버를 사용해야 하므로 현실적으로 거의 불가능하였다.

또한, 용사코팅은 코팅소재인 구리 소재 또는 스테인레스 316 소재를 고온열원으로부터 용융액적으로 변화시켜 고속으로 처분용기의 표면에 충돌시켜 급냉응고 적층한 피막을 형성하는 기술이므로, 응고시 발생되는 잔류 인장응력으로 인하여 5 ~ 20 mm 정도의 두꺼운 코팅을 할 경우에, 구리 또는 스테인레스 316 소재의 코 팅이 박리되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 도금에 비해 짧은 시간 내에 처분용기를 제작할 수 있으므로 생산성이 높고, 코팅 중 코팅분말의 산화발생이나 코팅 후 잔류 인장응력의 발생이 거의 없으므로 신뢰성이 높으며, 코팅시간을 단축시킬 수 있는 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 방사선 폐기물 처분용기를 제조하는 방법에 있어서, 고압의 분사가스를 히팅하는 단계; 코팅분말을 예열시키는 단계; 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말을 챔버 내로 송급하여 혼합하고, 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하는 단계는, 상기 처분용기 구조물의 적어도 2곳의 표면에 동시 분사하여 코팅하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하는 단계 이전에, 상기 처분용기 구조물의 표면에 알루미늄(Al)계 합금 또는 니켈(Ni)계 합금으로 본드코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하는 단계 이전에, 상기 처분용기 구조물의 표면에 블라스팅(sting)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 구리(Cu) 코팅분말의 예열온도는 100℃ ~ 500℃인 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게, 상기 스테인레스(STS) 코팅분말의 예열온도는 100℃ ~ 600℃인 것을 특징으로 한다.

이하, 본원발명의 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.

본원발명의 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법은 저온 스프레이 장치를 이용한 저온분사 공법을 이용하여 처분용기를 제조하는 방법에 대한 것으로서, 상세하게는, 본원 출원인이 출원한 등록특허 제10-0515608호에서 명기하는 저온 분사 공법을 이용하여 처분용기 구조물의 표면에 코팅을 제작하여 처분용기를 제조하는 것이 바람직하다.

저온 스프레이 장치란 1∼50㎛ 크기 정도의 금속분말 입자를 질소, 헬륨, 공기 및 혼합가스 등의 고압 분사가스를 이용하여 입자속도를 300 내지 1200 m/sec로 가속시켜 코팅하고자 하는 모재에 충돌시킴에 따라, 모재와 코팅소재에 따른 임계속도에 다다르면 코팅이 실시되는 장치를 칭한다.

한편, 저온 스프레이 장치를 이용한 저온분사 공법은 기본적으로 금속분말이 고상의 상태에서 코팅되는 공법이므로, 금속분말의 산화가 방지되어 초기 금속분말의 산화도와 동일수준의 코팅층을 형성할 수 있고, 열적으로 민감한 금속분말에도 적용가능하며, 코팅 후 잔류 인장응력이 거의 존재하지 않아 수십 mm 의 두꺼운 코팅을 용이하게 할 수 있다.

예를 들면, 본원발명에서 사용된 구리 코팅분말은 열적으로 민감한 소재이지만, 구리 코팅분말을 대기 중에서 작업하더라도 코팅분말의 산화도를 그대로 유지할 수 있고, 다른 코팅소재인 스테인레스 316 코팅분말의 경우에는 산화도를 그대로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 원래의 합금 성분을 그대로 유지할 수 있다.

한편, 구리 코팅분말 또는 스테인레스 316 코팅분말을 직경 1 m, 길이 5 m 정도의 처분용기 구조물에 코팅하기 위해서는, 한대의 저온분사 장치에 여러 개의 분사 노즐을 사용하여 코팅하거나, 여러 대의 저온분사 장치를 사용하여 코팅을 함으로써 공정시간을 단축할 수 있으며, 코팅분말을 예열함으로써 코팅의 적층효율을 증가시킬 수 있다.

한편, 코팅 전에 블라스팅을 하지 않고 작업하거나, 코팅과 모재와의 결합력을 증대하기 위하여 블라스팅 처리를 하거나 본드 코팅으로서 알루미늄(Al)이나 니켈(Ni)을 0.1 ~ 0.5 mm 코팅한 후 코팅하기도 한다.

일반적으로 본드 코팅이란, 모재와 코팅층 간의 여러 물성 차이 (강도나 열팽창계수 등)로 인하여 사용시 코팅이 박리될 것을 우려하여 모재와 코팅소재의 중간정도의 특성을 지니는 통상적으로 인성이 우수한 알루미늄(Al)이나 니켈(Ni)계 합금을 모재와 상기 코팅층 사이에 미리 수십 마이크로미터 코팅을 하는 것을 칭한 다.

본 발명의 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 고압의 분사가스를 히팅하는 단계(S10), 코팅분말을 예열시키는 단계(S20), 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말을 챔버 내로 송급하여 혼합하고(S30), 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계(S40)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 고압의 분사가스를 히팅하는 단계에 대하여 설명하도록 한다.(S10)

처분용기를 제조하기 위해서 사용되는 분사가스로는 질소, 헬륨, 공기 또는 혼합가스 등의 고압의 분사가스를 사용하며, 히팅 온도는 높을수록 좋지만 장비의 성능이 구현을 못하거나 장비의 수명이 짧아지는 이유로 400℃ ~ 600℃로 히팅하는 것이 바람직하다. 한편, 분사가스의 압력도 상기 문제점을 고려하여 대략 25 ~ 30 kg/cm²으로 하는 것이 바람직하다. 하지만, 상기 문제점을 극복할 수 있다면 분사가스의 히팅 온도 및 압력을 더 높게 하는 것은 자명하다.

다음으로, 코팅분말을 예열시키는 단계에 대하여 설명하도록 한다.(S20)

처분용기 구조물은 탄소강 또는 주철의 재질로 구성되며, 처분용기의 표면에 코팅되는 코팅분말은 열을 방출하기 용이하고, 내부식성이 우수한 구리 소재나 스테인레스(바람직하게, 스테인레스 316)를 사용한다.

한편, 구리 코팅분말은 100℃ ~ 500℃로 예열하고, 스테인레스 316 코팅분말 은 100℃ ~ 600℃로 예열하는 것이 바람직하다.

이는, 구리 코팅분말 또는 스테인레스 316 코팅분말의 예열을 100℃ 이하로 할 경우에는 코팅분말 예열 효과가 미미할 뿐만 아니라, 추가적으로 코팅 이전에 코팅분말을 오븐에서 습기를 없애는 열처리를 행하여야 하는 문제점이 있고, 구리 코팅분말 500℃ 이상, 스테인레스 316 코팅분말 600℃ 이상으로 할 경우에는 코팅분말 표면에 산화물이 생성되어 코팅의 적층효율이 감소할 뿐만 아니라, 코팅에 산화물이 발생할 가능성이 높기 때문이다.

마지막으로, 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말을 챔버 내로 송급하여 혼합하고,(S30) 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계에 대하여 설명하도록 한다.(S40)

상술한 바와 같이 히팅단계를 거쳐 히팅된 분사가스와, 예열단계를 거처 예열된 코팅분말은 각각의 경로를 따라서 밀폐된 챔버 내로 공급되며, 이 챔버 내에서 서로 혼합되어 챔버와 연통된 분사부를 통해서 처분용기 구조물의 표면에에 분사되어 코팅하게 된다.

상술한 바와 같은 단계로 이루어진 방사성 폐기물의 처분용기 제조방법에 있어서, 히팅된 분사가스와 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계 이전에, 상기 처분용기 구조물의 표면에 알루미늄(Al)계 합금 또는 니켈(Ni)계 합금으로 본드코팅하는 단계를 더 포함하거나 처분용기 구조물의 표면에 블라스팅(blasting)하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이는, 알루미늄(Al)계 합금 또는 니켈(Ni)계 합금으로 본드코팅하거나 처분용기 구조물의 표면에 블라스팅하여 구리 또는 스테인레스 소재의 코팅분말이 처분용기 구조물의 표면에 코팅되는 코팅력을 높이기 위함이다.

한편, 상기 처분용기 구조물의 적어도 2곳의 표면에 동시 분사하여 코팅하는 바람직하다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 분사가스 공급원(10)으로부터 분사가스가 공급되어 히팅부(12)에서 히팅되고, 이때, 일부의 분사가스가 코팅분말 공급원(20)으로부터 공급된 코팅분말과 함께 예열부(22)에서 예열되며, 히팅된 분사가스와 예열된 코팅분말이 챔버와 같은 혼합부(30)에서 혼합되어 분사부1(40a) 및 분사부2(40b)를 통해서 회전되는 처분용기 구조물의 표면에 동시 분사하는 것이다.

상술한 바와 같이, 처분용기 구조물을 회전하는 상태에서, 분사부1(40a) 및 분사부2(40b)를 통해서 히팅된 분사가스와 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 적어도 2곳의 표면에 동시 분사하여 코팅하면, 작업 공정시간을 단축시킬 수 있으므로 생산성이 높아진다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명하도록 한다.

<제 1 실시예>

사용가스	메인가스 온도	분말예열 온도	분말송급 속도	메인가스 압력	건과 기판과의 거리	분사건의 이송속도	코팅패스 수
질소	600℃	400℃	1kg/hr	26kg/cm²	30mm	50mm/sec	15회

10mm 두께의 구상화 주철을 절단하여 저온분사를 이용한 구리 코팅을 실시하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 코팅두께는 5 ~ 6mm정도로 양호하게 코팅이 되었다.

도 2는 도 1의 단면조직을 나타낸 도면으로서, 내부 단면은 기공과 산화물이 거의 존재하지 않으며, 분말이 소성변형되어 찌그러진 형태를 보이고 있었다.

<제 2 실시예>

사용가스	메인가스 온도	분말예열 온도	분말송급 속도	메인가스 압력	건과 기판과의 거리	분사건의 이송속도	코팅패스 수
질소	500℃	300℃	3kg/hr	28kg/cm²	30mm	80mm/sec	10회

10mm 두께의 주철 롤을 절단하여 저온분사를 이용한 구리 코팅을 실시하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 코팅두께는 5 ~ 6mm정도로 양호하게 코팅이 되었다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 도금에 비해 짧은 시간 내에 처분용기를 제작하여 공정시간을 단축할 수 있으므로 생산성이 높고, 코팅 중 코팅분말의 산화발생이나 코팅 후 잔류 인장응력의 발생이 거의 없으므로 신뢰성이 높다.

또한, 처분용기 구조물의 적어도 2곳의 표면에 동시 분사하여 코팅함으로써, 코팅시간을 단축시킬 수 있으므로 생산성이 높다.

또한, 처분용기 구조물의 표면에 본드코팅 또는 블라스팅 처리를 한 후 코팅함으로써, 처분용기 구조물과 코팅분말 간의 결합력을 증대시킬 수 있다.

Claims

방사선 폐기물 처분용기를 제조하는 방법에 있어서,

고압의 분사가스를 히팅하는 단계;

코팅분말을 예열시키는 단계;

상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말을 챔버 내로 송급하여 혼합하고, 상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하여 코팅하는 단계;를 포함하고,

상기 코팅분말은 구리(Cu) 또는 스테인레스(STS)인 것을 특징으로 하는 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하는 단계는, 상기 처분용기 구조물의 적어도 2곳의 표면에 동시 분사하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하는 단계 이전에, 상기 처분용기 구조물의 표면에 알루미늄(Al)계 합금 또는 니켈(Ni)계 합금으로 본드코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 히팅된 분사가스와 상기 예열된 코팅분말의 혼합물을 처분용기 구조물의 표면에 분사하는 단계 이전에, 상기 처분용기 구조물의 표면에 블라스팅(blasting)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 구리(Cu) 코팅분말의 예열온도는 100℃ ~ 500℃인 것을 특징으로 하는 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 스테인레스(STS) 코팅분말의 예열온도는 100℃ ~ 600℃인 것을 특징으로 하는 방사선 폐기물의 처분용기 제조방법.