방사성폐기물 공학

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방사성폐기물 공학

부산가톨릭대학교 방사선학과

신 상 화

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Part 11. 원자력시설 부지복원 기술(2)

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피폭선량 평가

미국 DOE 주관으로 ANL(Argonne National Lab.)에서 개발한 피폭선량 평가 프로그램

부지 잔류방사성 물질에 의한 작업자 및 거주자의 피폭선량 평가

피폭 경로를 고려한 각각의 방사성핵종들에 대한 토양 가이드라인, DCGLs 도출

Dust, Radon

Drinking Water

Fish Plant

Foods Milk Meat

Radioactively Contaminated Material in Soil Soil

Ingestion Infiltration

Leaching

External

Surface Water Groundwater

Dust, Radon

Drinking Water

Radioactively Contaminated Material in Soil Soil

Ingestion Infiltration

Leaching

External

Groundwater

Surface Water

피폭 경로 1) 직접 접촉 2) 흡입

3) 곡물·채소·과일 섭취 4) 축산물 섭취

5) 유제품 섭취 6) 해산물 섭취 7) 물 섭취 8) 토양 섭취 9) 라돈 부지 재이용

농업용지

부지 재이용 공업용지

RESRAD - A Regulatory Tool for Determining the Allowable RESidual RADioactivity in Site Cleanup

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피폭선량 평가

물리적 인자 (Physical parameters)

size, depth, density, porosity, diffusion coefficient

수력학적 인자 (Hydrological parameters)

hydraulic conductivity, gradient, soil b parameter, water table depth

지화학적 인자 (Geochemical parameters)

distribution coefficient, leach rate, solubility

기상학적 인자 (Meteorological parameters)

precipitation, evapotranspiration, erosion, runoff, mass loading

사용 및 소비 인자 (Usage and consumption parameters)

inhalation, irrigation, ingestion, occupancy

RESRAD 부지특성 매개변수

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피폭선량 평가

고리1호기에 대한 RESRAD 연구결과

한국원자력안전기술원의 방사선 안전규제 기술개발(KINS/GR-297) 연구에서 고리 1호기 해체 후 주민들에 대한 피폭선량 시뮬레이션 수행

호흡과 섭취에 대한 핵종별 선량환산인자를 ICRP-60 선량개념으로 변경하여 적용 (국내기준 고려)

고리 1호기 토양 종류: 주로 Silty Sand (고리 1호기 최종안전성분석보고서 참조)

주요 방사성핵종: Co-60 & Cs-137 으로 가정 (해외 해체원전 자료 참조)

오염부지의 방사성핵종 농도: 1 Bq/g 로 가정

오염부지 범위: 반경 150 m, 깊이 1 m (면적 70,685 m2, 체적 70,685 m3) 로 가정

토양제염 작업은 가정하지 않음 (오염토양 제거·제염과 복토 작업 등은 미고려)

결과

시간(년) 0 1 5 10 50 60 100 500 1,000

유효선량(mSv/yr) 4.05 3.65 2.45 1.59 0.30 0.23 0.09 1.43e-6 9.19e-17

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부지복원 기술

오염이 상당히 진척될 때까지 인식하기 어려움, 즉 검출성(detectability)이 매우 낮음

토양은 유동성이 없으므로 오염의 진행이 매우 느림

오염된 토양에 거주하는 주민들에게 피해 발생

오염과 피해 발생은 시간차가 존재하고 제염에는 많은 시간과 비용이 소요 토양 오염의 특성

부지복원

토양 방사능 오염평가

토양제염

(폐기처분) 굴삭

최종 처분장 복토

슬러지

방사성 토양폐기물

토양제염 완료

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부지복원 기술

In-Situ 제염(지중제염) – 오염된 토양을 굴삭하지 않고 지중상태 그대로 처리하는 기술

Ex-Situ 제염(지상제염) – 오염된 토양을 굴삭하여 지상에서 처리하는 기술

각각의 토양제염 기술에 따라서 In-Situ/Ex-Situ 적용가능 여부가 다름

비교 인자 In-Situ 제염 Ex-Situ 제염

경제성 상대적으로 유리 상대적으로 불리

공정 비교적 단순 비교적 복잡

작업 과정에서

2차 오염확산 가능성 낮음 높음

처리 전 토양 균질화 불가 가능

(제염효율 상승)

제염 소요 시간 비교적 단시간 비교적 장시간

2차 방사성폐기물 발생 없음 또는 소량 발생 있음

(별도 처분처리 필요)

In-Situ 제염 vs. Ex-Situ 제염

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부지복원 기술

전반적으로 중금속과 유사한 특성

일반적으로 비휘발성이며 물에 대한 낮은 용해성

(단, 각각의 특성이 상이: eg. Cs-137 의 경우 휘발성이 강하고, Ra-226은 물에 용해 )

방사성 핵종은 파괴(destroyed)되거나 열화(degraded)되지 않음

분리, 농축·감량, 고정화(immobilization) 기술 적용 가능

제염작업 과정에서 작업자와 작업장비의 오염 가능성 고려

핵종과 방사선 에너지(알파선, 베타선, 감마선, 중성자)에 의해 위험수준 결정

ALARA 원칙에 근거

Ex-Situ(지상제염) 기술 적용 시 방사성폐기물 최종 처분이 필요

제염기술은 일반적으로 저준위 폐기물을 처리하는데 적합 → 심한 오염은 굴삭 후 폐기

일부 제염기술은 방사성폐기물을 농축시켜 준위를 높임 → 저준위에서 고준위로 이동

각각의 기술 마다 제염성능, 제염효율, 안정성, 기술개발의 진척도, 잔류물질, 사회수용성, 처리속도가 다름

단일 기술보다 다수의 제염기술을 복합적으로 적용하는 것이 일반적으로 훨씬 더 좋은 결과

고려해야 할 사항

방사성핵종(Radionuclides)의 특징

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부지복원 기술

분류 제염기술 (In-Situ/Ex-Situ) 일반적인 특징

생물학적 처리

(Biological Treatments)

생물통기 (Bioventing) I

강화생물복원 (Enhanced Bioremediation) I 식물재배정화 (Phytoremdiation) I

생물반응 (Bioreactor) E

자연저감 (Natural Attenuation) E etc.

선택적으로 방사성핵종을 흡수하는 미생물을 이용

오염부지에 적절한 식물을 재배하여 방사성핵종을 식물에 흡수시킴

미생물을 이용한 방법은 반응속도가 빠르고 단기적인 제염작업에 적합

식물재배정화법은 처리에 매우 장시간 소요

전반적으로 방사성핵종 제염효율이 낮은 편

미생물과 동전기법을 동시에 이용하는 기술에 대한 연구가 이루어 지고 있음

물리·화학적 처리

(Physic-Chemical Treatments)

동전기 (Elecktro-Reclamation, Electro- Kinetic) I

토양세정 (Soil Flushing) I 토양세척 (Soil Washing) E

고분자흡착 (Polymer Adsorption) I 오염차단 (Containment Barriers) I

고형화/안정화 (Solidification/Stabilization) IE

화학적 추출 (Chemical Extraction) E 분리 (Separation) E

etc.

물리적 반응과 화학적 반응은 상호 동반해서 발생하기 때문에 대개 분리하지 않고 물리·화학적 처리로 취급

동전기방법과 고형화/안정화는 In-Situ/Ex-Situ 모두 적용가능한 기술

토양 특성, 제염제, 반응조건에 대한 지속적 추가 연구개발 필요

고형화/안정화 기술은 방사성핵종에 대한 제염효율이 높지만 폐기물 부피감량 효과 없음

동전기법은 러시아에서 개발된 방법으로 실제 토양 시험결과 제염효율이 다소 낮은 편

동전기법과 토양세척법을 병행한 제염기술에 대한 국내연구 사례 (원자력연구원)

열적 처리

(Thermal Treatments)

소각 (Incineration) E 유리화 (Vitrification) IE etc.

유리화 기술은 방사성핵종에 대한 제염효율이 매우 높지만 폐기물 부피감량 효과 없음

http://www.ytn.co.kr/_ln/0115_201106210748035154

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부지복원 기술

기술 특징 장점 단점 방사선학적 안정성

(Electo-Kinectic) 동전기법

토양표면에 흡착되어 있는 물질을 전기적인 힘으로 이동시켜서 제거

점토와 같은 미세토양에서도 오염물질을 이동시킬 수 있음

자연친화적

기본적으로 In-Situ 기술이지만 Ex-Situ 적용 가능성 있음

높은 운전비용

알칼리에 의한 침전 발생 ★★★

침전발생 가능성

(Soil Washing) 토양세척

세척제를 이용하여 오염물질을 액상으로 변화시켜 분리하는 기술

오염물질은 모래보다는 clay와 같은 미세토양과 강하게 결합하기 때문에 미립자의 분리와 처리가 중요

단기간 처리가능

높은 활용도

낮은 제염효율

미세토양 처리 곤란

2차 폐기물 발생 많음

추가로 처리해야 할 대량의 폐기물 발생

복합동전기 제염 토양세척 + 동전기장치 +

폐액처리장치로 구성 (국내개발)

높은 핵종 제염효율

토양 폐액 발생 적음

In-Situ 적용 곤란

대규모 Site 검증 필요

★★★★

제염지수가 높고 폐액발생이 적음

퇴적침출

오염토양을 재분리하여 미세토양을 응결시킴으로써 토양입도를 증가시킨 후 퇴적침출장치에 투입하여 토양 내 방사성핵종제거

특정 핵종에 대해

선별적 제거 가능 2차 폐기물 발생

★★★★

원자력연구원에서 TRIGA 오염토양에 대해 실증시험 완료 자력 선별 방사성핵종의 대자율을 이용하여

토양에 존재하는 우라늄과 코발트

등을 제거하는 방법 2차 폐기물이 적음 토양 미세공극 제거율이 낮음

미세공극 별도 처리 ★★★

필요 초임계 CO2 기술 초임계 상태의 CO2의 큰 용해도와 낮은

표면장력을 이용하여 방사성핵종을

추출 2차 폐기물이 적음 초기 개발단계

(성능 검증 필요)

안정성 미검증 http://www.ytn.co.kr/_ln/0115_201106210748035154

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부지복원 사례

노형: 고온가스냉각로(HTG) 원전 / 순출력: 380 MWe

운전시작: 1979년 / 영구정지: 1989년

해체완료: 1997년 / 해체비용: $195 million

영구정지 사유: 운전 경제성 상실

부지개방기준: NRC Reg. 1.86

해체전략: 가동정지 후 즉시해체, 부지특성평가는 MARSSIM 발표 이전의 지침인 NUREG/CR-4869에 의거

부지 재활용: Natural Gas 발전소 부지로 활용 (무제한적 재이용 기준 적용)

미국 Fort St. Vrain @ Platteville, Colorado

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부지복원 사례

미국 Yankee Rowe Nuclear Power Station (YNPS) @ Rowe, Massachusetts

노형: 가압경수로(PWR) 원전 / 순출력: 185 MWe

운전기간: 1960년 – 1992년

영구정지 사유: 운전 경제성 상실 및 원자로 결함

해체계획서제출: 1994년 / 해체인허가 1996년

해체완료: 2007년

부지개방기준: 개인 유효선량 0.25 mSv/yr

부지 재활용: 방안 미정 해체 이전 해체 후 전경 (2012년) 사용후핵연료

건식 저장시설 (2012년)

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부지복원 사례

미국 Maine Yankee Power Plant @ Wiscasset, Maine

노형: 가압경수로(PWR) 원전 / 순출력: 860 MWe

운전기간 1972년 – 1996년

영구정지 사유: 운전 경제성 상실

해체기간: 1997년 - 2005년 / 해체비용: $635 million

부지개방기준: 무제한적 재이용

전경 (1998년)

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부지복원 사례

미국 Connecticut Yankee Nuclear Power Plant @ Haddam Neck, Connecticut

노형: 가압경수로(PWR) 원전 / 순출력: 582 MWe

운전기간 1968년 – 1996년

영구정지 사유: 운전 경제성 상실

해체전략: 즉시해체

해체기간: 1998년 – 2007년 / 해체비용: $820 million

부지개방기준: 무제한적 재이용

해체 전

해체 후

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부지복원 사례

독일 Greifswald – 1호기

노형: VVER-440/V230 (구동독에서 운영되었던 러시아형 가압경수로)

원자로 설계와 관련된 안전성 문제로 독일통일 후 운전중지

오염의 이력을 고려하여 부지 구분 (오염지역 / 잠재적 오염지역 / 청정지역)

부지의 무제한적 재이용을 위한 Co-60과 Cs-137 기준 적용

부지 재이용 방안으로 산업용지로 재활용 고려

복원작업이 진행 중인 부지 In-Situ 방사능 측정

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Q/A

수치

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