Applied Chemistry,
Vol. 16, No. 1, May 2012, 29-32
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감손 우라늄 취급 중소형 글러브 박스 시스템의 설계·제작
구대서⋅정동유⋅이정민⋅정흥석†
한국원자력연구원
Design and Fabrication of Small and Medium-sized Glove Boxes for the Handling of Depleted Uranium
Daeseo Koo⋅Dongyou Chung⋅Jungmin Lee⋅Hongsuk Chung† Korea Atomic Energy Research Institute
(hschung1@kaeri.kr)
Abstract
Small and medium-sized glove boxes for the handling of depleted uranium were designed and fabricated. We controlled the moisture and oxygen concentration to < 1 ppm and placed depleted uranium into the primary vessel of the hydrogen isotope storage bed. This system consists of a glove box, a purification system and an antechamber, etc. In this study, the characteristics of the small and medium-sized glove box system for the handling of depleted uranium are presented for each component. Operation examples of the glove box system are also presented. The fabricated small and medium-sized glove box system will be utilized for the fabrication of the hydrogen isotope storage bed.
Key words: glove box, depleted uranium, fabrication, purification, antechamber
1. 서 론
핵융합 에너지 활용 위하여 메탈 합금 베드에 대한 수소 동위원소 흡장(recovery) 및 탈장(deli- very) 시험을 수행할 수 있는 수소동위원소 저장⋅공급 bed 개발을 수행해 왔다[1-6]. 감손 우라늄을 수소 동위원소 흡장재로 사용하는 베드를 제작하기 위하여 산소, 수분영향 없는 작업 공간이 필요하다 [7-10]. 이를 위하여 불활성 아르곤 가스를 사용하여 로터리 펌프로 글러브 박스를 진공배기하고 송풍 기로 질소가스를 순환시켜 습기와 산소에 민감한 감손 우라늄 취급 중소형 글러브 박스 시스템을 설계
⋅제작하였다. 제작한 글러브 박스 시스템은 글러브 박스, 재생시스템 및 안티챔버(antech- amber) 등으로 구성된다. 본 연구에서는 감손 우라늄 취급 중소형 글러브 박스 시스템 각 구성품 특성을 소개 하고 글러브 박스 실험 예를 제시하였다. 설계⋅제작한 감손 우라늄 취급 중소형 글러브 박스 시스템을 사용하여 수소동위원소 저장⋅공급 감손우라늄 베드 제작에 활용 할 예정이다.
2. 글러브 박스 설계⋅제작
Fig. 1은 글러브박스 시스템 도면을 나타낸 것이다. 시스템 크기는 가로 2,200mm 폭 900mm 높이 2,050mm 이고 글러브박스 모듈(hermetically sealed module), 정제장치(purification system), 컨 트롤러(controller), 순환송풍기(circulation blower), 진공펌프(vacuum pump), 안티챔버, 미니 안티 챔버(mini ante chamber) 및 풋 스위치(foot switch) 로 구성되어 있다. Fig. 2는 글러브 박스 시스템 장치를 나타낸 것이다. 한 사람은 글러브 박스 시스템 전면에서 다른 사람은 후면에서 상호 마주 보며 불활성 아르곤 가스 분위기에서 운전하도록 하였다.
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2.1. 글러브박스 모듈
Fig. 3은 글러브박스 모듈을 나타낸 것이며 밀폐된 글러브박스, 안티 챔버 및 윈도우 등으로 구성되 어 있다. 박스의 재질은 스테인리스 스틸 304이며 2인용으로 제작하였다. 컨트롤러 재생장치를 조작하 여 재생시스템 내 산소 및 수분을 제거를 수행하고, 또한 불활성 아르곤가스 순환 송풍기를 작동하여 글러브 박스 내 수분 및 산소농도를 1 ppm 이하 유지되게 하였다. 컨트롤러 압력계는 박스 내의 압력을 측정한다. 단위는 inch⋅H2O 이며 4 inch⋅H2O는 1kPa에 해당되며 표시범위는 ±5 inch⋅H2O 이다.
2.2. 정제장치
Fig. 4는 정제장치를 나타낸 것이다. 글러브 박스 내 수분 및 산소농도를 1 ppm 이하로 제거하기 위 한 장치이다. 즉 잔류수분, 산소를 불활성 아르곤 가스 분위기에서 chemical filter를 사용하여 제거하 는 장치이다. 정제장치는 순환 송풍기를 사용하여 강제적으로 불활성 아르곤가스를 순환시켜 수분 및 산소농도를 1 ppm 이하로 유지하도록 하는 것이다. 아이솔레이션 밸브(isolation valve) 색은 열림일 때 황색이며, 닫힘일 때 적색으로 표시된다. 컨트롤러 밸브버튼을 가볍게 누르기(touch)하여 개폐 조작 한다. 아이솔레이션 밸브(isolation valve)를 닫으면 순환 가스는 멈추게 됨으로, 밸브를 임의로 닫고자 하면 반드시 순환송풍기를 꺼야 한다.
Fig. 1. 글러브박스시스템 도면. Fig. 2. 글러브박스시스템.
Fig. 3. 글러브박스 모듈. Fig. 4. 정제장치. Fig. 5. 안티챔버.
2.3. 안티챔버
Fig. 5는 안티챔버를 나타낸 것이다. 큰 시료를 글러브 박스 내 반입 및 반출 위해 사용한다. 안티챔 버 및 미니 안티챔버를 조작하기 전에 반드시 진공펌프가 커져 있어야 한다. 리필밸브(refill valve)를
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가볍게 누르기 하면 글러브 박스에서 안티챔버로 아르곤가스가 충전한다. 이 밸브를 조작할 때는 컨트 롤러 안티챔버 리필 밸브 버튼을 가볍게 누르기 한다. 밸브가 닫힐 일 때 버튼 색은 적색이며 열릴 때는 녹색이 된다. 글러브박스에서 안티챔버로 아르곤가스를 공급하여 글러브박스의 압력이 하한보다 내려 갈 때 아르곤 가스는 설정된 압력범위로 자동으로 충전된다. 안티챔버는 사용종료 시 진공펌프로 배기 한 후 수동으로 진공밸브를 닫아 진공상태를 유지하게 한다.
컨트롤러는 안티챔버의 상부에 놓이며, 전원스위치와 제어판넬로 구성된다. 글러브박스 산소 및 수분 농도는 컨트롤러에 의해 용이하게 조절이 가능하도록 하였다. 순환 송풍기는 글러브박스 내 불활성 아 르곤 가스를 순환시키는 역할을 한다. 진공펌프는 첫째 글러브박스 내부의 압력자동조절 목적으로 사용 한다. 글러브박스의 내부 압력은 실온의 변화나 글러브를 사용하는 작업량에 따라 변화하므로 설정압력 범위 내로 유지하기 위해 사용한다. 글러브박스 운전 중일 때 진공펌프는 항상 작동하도록 한다. 둘째 안티챔버와 미니 안티챔버 내 아르곤 가스 공급하여 압력평형유지 하여 작업을 종료 후 진공배기 용도 로 사용하고 셋째 정제장치 재생 시 진공배기를 위해 사용한다.
미니 안티챔버는 작은 시료의 출입을 위해 사용한다. 풋 스위치는 글러브박스 내부압력을 풋 페달 (foot petal)을 사용하여 수동으로 조절하기 위해 사용한다. 풋 스위치에 의한 조절은 자동압력조절과 독립적으로 가스의 도입 및 배기를 하는 것이 가능하다. 글러브를 이용하여 작업하는 경우 풋 스위치 우 측을 누르면 압력상승 되고, 좌측을 누르면 압력하강 하여 글러브 박스 내 압력 조절가능 하므로 글러브 작업 향상을 제고 할 수 있다. 이 경우 글러브 박스 내 압력 자동 조절되며 일시적으로 압력상한 또는 하한을 넘어도 풋 스위치를 끄면 글러브 박스 내 압력은 자동적으로 설정한 압력범위로 복귀한다.
3. 글러브 박스 실험
3.1. 감손우라늄 flakes 투입
감손 우라늄 chips 산화방지를 위하여 글러브 박스 시스템의 컨트롤러 재생장치를 작동하여 재생시 스템 내 산소 및 수분을 제거하고, 불활성 아르곤가스 순환 송풍기를 작동하여 글러브 박스 내 수분 및 산소농도를 1 ppm 이하 유지되게 한 후 감손 우라늄 취급 시험을 수행하였다. Fig. 6은 핀셋 (pincette)을 사용하여 소형 DU 베드 1차 용기 투입구로 저장재 DU chips을 충전하는 것을 나타낸 것 이다. Fig. 7은 소형 DU 베드 1차 용기 투입구로 저장재 DU chips을 충전한 후 볼트로 체결한 것을 나타낸 것이다. 감손 우라늄 취급 시험을 통하여 글러브 박스 시스템을 사용하여 불활성 아르곤 가스 분위기에서 DU chips 계량 및 취급이 가능함을 확인하였다.
Fig. 6. DU chips 투입. Fig. 7. DU 베드 1차용기 투입구 체결.
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4. 결 론
산소 및 수분영향 없이 감손우라늄을 취급하고 수소 동위원소 SDS 베드 1차 용기를 구동할 수 있는 감손 우라늄 취급 중소형 글러브 박스 시스템을 설계⋅제작하였다. 감손 우라늄 취급 중소형 글러브 박 스 시스템 각 구성품 특성을 소개하였고 글러브 박스 불활성 아르곤가스 분위기에서 감손우라늄 chips 을 계량하여 소형 DU 베드 1차 용기 내로 투입하는 실험 예를 제시하였다. 글러브 박스 내 감손 우라늄 취급 예비시험을 통하여 설계⋅제작된 감손 우라늄 취급 중소형 글러브 박스 시스템을 사용하여 감손 우라늄 베드 제작에 활용 할 예정이다.
감사의 글
본 연구는 교육과학기술부와 지식경제부의 국제핵융합실험로 공동개발사업으로 수행되었습니다 (NRF 2012-0000276).
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