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(2)

2022년 2월 박사학위 논문

원전해체 중 발생한 에어로졸 흡입으로 인한 작업자의 내부피폭선량 평가 연구

조선대학교 대학원

원자력공학과

김 선 일

(3)

원전해체 중 발생한 에어로졸 흡입으로 인한 작업자의 내부피폭선량 평가 연구

A study on the internal exposure evaluation of workers due to inhalation of generated radioactive aerosol dur

ing nuclear power plant decommissioning

2022년 02월 25일

조선대학교 대학원

원자력공학과

김 선 일

(4)

원전해체 중 발생한 에어로졸 흡입으로 인한 작업자의 내부피폭선량 평가 연구

지도교수 송 종 순

이 논문을 공학 박사학위 신청 논문으로 제출함 2021년 10월

조선대학교 대학원

원자력공학과

김 선 일

(5)

김선일의 박사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 교수 이 경 진 (인) 위 원 조선대학교 교수 정 운 관 (인) 위 원 조선대학교 교수 송 종 순 (인) 위 원 한국원자력연구원 박사 안 홍 주 (인) 위 원 원전해체연구소 박사 최 영 구 (인)

2022년 1월

조선대학교 대학원

(6)

목 차

ABSTRACT · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ⅶ

제1장 서론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

제2장 연구배경 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3

제1절 원전 해체와 에어로졸 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3

1. 원전 해체시 에어로졸 발생 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3

가. JPDR (Japan Power Demonstration Reactor) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3

나. BR-3 (Begian Reactor-3) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·8

다. Kozloduy NPP · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·10

2. 국내 원전해체 예상 절단 및 용융 대상 폐기물 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·11

제2절 절단 방법 및 용융 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 15

1. 열적 절단 기술 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·15

2. 전기적 절단 기술 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·19

3. 기계적 절단 기술 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·22

제3절 에어로졸 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·30

1. 에어로졸의 생성 및 성장 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 30

가. 브라운 운동 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·31

나. 중력 강하 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·32

다. 난류 운동 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·33

라. 에어로졸 동역학 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 34

2. 에어로졸 직경 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·36

가. 전기적 이동도 직경 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 36

나. 스토크스 직경 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·36

(7)

다. 공기역학적 직경 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 39

3. 입자분포 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·40

가. 수농도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·40

나. 질량분포 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·41

다. 누적분포 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·41

제4절 내부피폭 평가 방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42

1. 섭취량계산 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·42

가. In-Vivo Bioassay (직접 생체검정법) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 42

나. In-Vitro Bioassay (간접 생체검정법) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 44

다. 공기포집 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·47

라. 내부피폭 평가식 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 48

2. 내부피폭 평가 Code · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·51

가. BiDAS (Bioassay Data Analysis Software) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 51

나. IMIE (Individual Monitoring of the Internal Exposure) · · · ·53

다. IMBA (Integrated Modules for Bioassay Analysis) · · · · · · · · · · · · ·54

라. TAURUS · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·55

마. Code 비교 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·57

제3장 내부피폭 인자 선정 및 평가 결과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 58

제1절 평가 인자 선정 및 방법론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 58

1. 작업자의 방사성에어로졸 흡입 경로 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 60

가. 흡입 경로 (절단) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 60

나. 흡입 경로 (용융) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 60

2. 핵종 및 농도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·61

가. 핵종 선정 및 방사능 농도 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 61

나. 작업시간 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·63

(8)

라. 입자크기 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·64

마. 흡수형태(F/M/S) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·67

바. 마스크 방진률 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·68

3. 내부피폭 평가 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·69

가. 선정 인자 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·69

나. 에어로졸로 호흡으로 인한 내부피폭 평가 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 71

제2절 내부피폭 평가결과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 75

제4장 결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 81

참고문헌 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·83

(9)

표 목차

Table 1. 절단공정 별 SS-304의 절단 및 세분화로 인한 에어로졸 입자들의 이송비율 ···7

Table 2. BR-3의 열차폐판 해체 결과 ···8

Table 3. PMF에서 발생되어 포집된 방사성 에어로졸의 핵종 농도 ···10

Table 4. 중·저준위 방사성폐기물 발생원별 누계발생 전망 ···12

Table 5. 제 9 차 전력수급기본계획에 따른 원전 방사성폐기물 발생전망 ···13

Table 6. 고리 1 호기 중·저준위 방사성폐기물 추정 발생량 ···14

Table 7. 절단공법 별 특징 ···29

Table 8. 입도별 Cunningham 보정계수 ···38

Table 9. 방사성핵종 분석시료 계측장비 ···46

Table 10. 내부피폭평가 코드비교 ···57

Table 11. 핵종별 에어로졸 방사능 농도 ···62

Table 12. Plasma Melting Facility에서 발생된 에어로졸 농도 ···62

Table 13. 작업자 호흡률 (ICRP-66) ···63

Table 14. 열적절단공법 별 입자분포 ···65

Table 15. 기계적절단공법 별 입자분포 ···65

Table 16. 절단 공법 별 AMAD ···66

Table 17. 마스크분진포집효율 ···68

Table 18. IMBA Code Input Data (금속 절단시) ···69

Table 19. IMBA Code Input Data (PMF) ···70

Table 20. 극저준위 농도 가정 에어로졸 흡입으로 인한 내부피폭평가(마스크 미착용) ···76

Table 21. 단위 농도 가정 에어로졸 흡입으로 인한 내부피폭평가(마스크 미착용) ····78

Table 22. PMF시설에서의 내부피폭평가결과 ···80

(10)

그림 목차

Fig. 1. 왼쪽: Reciprocating Saw를 적용시 공기역학적직경 분포,

오른쪽: Plasma Torch를 적용시 공기역학적직경 분포 ···4

Fig. 2. 공기역학적 직경에 따른 방사능 ···5

Fig. 3. 공기역학적 직경에 따른 비방사능 ···5

Fig. 4. Plasma Arc Torch를 사용하여 SS-304, FUGEN의 Carbonn steel, Copper를 자른 후 발생한 에어로졸의 공기역학적 직경에 따른 방사능량 분포 ···6

Fig. 5. Plasma Arc Torch를 사용하여 SS-304, FUGEN의 Carbonn steel, Copper 를 자른 후 발생한 에어로졸의 공기역학적 직경에 따른 입자 비율 ···6

Fig. 6. 절단방법 별 발생 에어로졸 특성 ···9

Fig. 7. Flame 절단 ···15

Fig. 8. 산소 lance (창) 절단 ···16

Fig. 9. Laser 절단 공법 원리 ···17

Fig. 10. Laser 절단 공법을 이용한 파이프 절단 예시 ···17

Fig. 11. Plasma Arc 절단 ···18

Fig. 12. EDM 절단 공법 ···19

Fig. 13. MDM 절단 기기 ···20

Fig. 14. Arc Saw 절단 ···21

Fig. 15. 기계톱 절단 기기 ···22

Fig. 16. Nibbler 절단 기기 ···23

Fig. 17. Nibbler 절단 작업 예시 ···24

Fig. 18. Grinder 절단 ···25

Fig. 19. Shear 절단 기기 ···25

Fig. 20. Diamond Wire Saw기기 및 절단 방법 ···26

Fig. 21. Milling 절단 ···27

Fig. 22. Abrasive Water Jet 절단 공법 ···28

Fig. 23. Abrasive Water Jet 절단 예시 ···28

(11)

Fig. 24. 기체 단위 부피의 크기에 따른 수농도의 경로 ···41

Fig. 25. 내부피폭 평가 방법 ···43

Fig. 26. 체내 방사능 측정 방법 ···45

Fig. 27. 직립 (FASTCAN) 및 전신계수기 (ACCUSCAN) ···45

Fig. 28. 간접 생체측정법을 위한 감마핵종분석기 및 액체섬광계수기 ···46

Fig. 29. 내부피폭 평가 인자 ···47

Fig. 30. BiDAS 코드의 구성 ···52

Fig. 31. IMIE 프로그램 ···53

Fig. 32. IMBA 프로그램 ···54

Fig. 33. TAURUS 프로그램 ···55

Fig. 34. TAURUS를 활용한 시간에 따른 섭취량 (예시) ···56

Fig. 35. IMBA MAIN SCREEN ···71

Fig. 36. Deposition Model ···72

Fig. 37. Particle Transport & GI-Tract Model ···73

Fig. 38. Absorption Model ···73

Fig. 39. 방사선가중치 및 조직가중치 ···74

Fig. 40. 마스크 방진률 99 % 일 때 절단 방법 별 내부피폭 정도 ···77

Fig. 41. 마스크 방진률 99.9 % 일 때 절단 방법 별 내부피폭 정도 ···77

Fig. 42. 마스크 방진률 99 % 일 때 단위 농도로 가정된 오염도 ···79

Fig. 43. 마스크 방진률 99.9 % 일 때 단위 농도로 가정된 오염도 ···79

(12)

ABSTRACT

A study on the internal exposure evaluation of workers due to inhalation of generated radioactive aerosol dur

ing nuclear power plant decommissioning

Sun Il Kim

Advisor : Prof. Jongsoon Song, Ph.D.

Department of Nuclear Engineering Graduate School of Chosun University

Korea's first commercial nuclear power plant, the Kori-1 reactor,

is about to be dismantled permanently in June, 2017. Currently, var

ious studies on the decontamination and dismantlement process are b

eing underway, whereas there are not sufficient ones on the reducti

on in radiation exposure of workers involved in such a dismantlemen

t operation. It is possible to physically manage external exposure

during the operation, while internal exposure is deemed difficult t

o evaluate. Hence, the need to conduct a study to assess internal e

xposure of workers through inhalation of radioactive aerosols, gene

rated during the operation of cutting pipes and concrete structure

s, which accounts for the most of the dismantlement process. If onl

y the annual dose limit coming from external exposure in the disman

tling operations is reflected in the management, excluding that of

(13)

internal exposure, it might lead to potential overexposure of worke rs.

This study is aimed to conduct an assessment of internal exposure of workers through inhalation of radioactive aerosols, formed durin g a dismantling operation. Pipe cutting and melting operations were chosen as sources of exposure to assess the internal exposure of wo rkers caused by aerosols during the operations. IMBA and TAURUS cod e were used as a tool to evaluate the internal exposure and it was required to choose the size of aerosols, the concentration of nucli des, how they were absorbed, and the respiratory quotient during th e duration of the operation. Although there are the recommended val ues from ICRP (International Commission Radiological Protection), t hey might lead to lower values than the actual scope of exposure.

The assessment of internal exposure was done by comparing the anal

yzed and produced values in this study against the ICRP values. Whe

n it comes to the selection of parameter values, ICRP-66 suggests t

he particle size of 1㎛ for public places and 5㎛ for an occupation

al environment for an assessment of internal exposure through inhal

ation. However, previous studies on pipe cutting indicate that the

relevant operations generated aerosols smaller than 5㎛. If the ICR

P values are applied, it is highly likely that the internal exposur

e of workers might be underestimated than the actual situations. Th

erefore, the particle size of aerosols, formed according to the pip

e cutting technologies during the dismantlement, was compared and a

nalyzed by applying both 5㎛ suggested by ICRP and the AMAD value c

alculated in this study. As for the nuclide concentration, the nucl

(14)

ar Power Plant in Spain was employed to assume the radiation concen tration.

For the absorption type, in case the chemical conformation of the radioactive nuclides is unclear, the type was assumed to be M (Mode rate) according the ICRP recommendation, and the duration of the op eration was assumed to be eight hours a day, five days a week for a year in line with Korea's Labor Standards Act.

The respiratory quotient was assessed in the following two cases:

light work (1.2m

3

/hr) and heavy work (1.68m

3

/hr). In addition, this

study would like to suggest the management methods of the annual do

se limit to reduce the exposure of workers in an environment where

aerosols are formed during the dismantling operation of a nuclear p

ower plant in the future.

(15)

제1장 서론

국내 최초의 상업용 원자력발전소인 고리1 호기는 2017 년 6 월에 영구 정지되어 해체를 앞두고 있다. 현재 제염 및 해체 공정에 대한 연구는 활 발히 진행되고 있으나, 원전 해체과정 중 작업자의 피폭 저감화에 대한 연구는 미흡한 상황이다. 해체 중 외부피폭은 개인선량계 등 가시적인 관 리가 가능하지만 내부 피폭의 경우 평가의 어려움이 있다. 따라서 해체 공정의 대부분을 차치하는 금속이나 콘크리트 절단 작업 시 발생하는 방 사성 에어로졸 호흡으로 인한 작업자 내부피폭 평가 연구가 요구된다. 내 부피폭을 고려하지 않고 작업자의 연간 해체 중 외부피폭만을 고려한 선 량한도를 관리한다면 작업자의 과피폭이 우려되는 상황이다.

본 연구에서는 해체 중 발생하는 방사성 에어로졸 호흡으로 인한 작업 자의 내부피폭 평가를 수행하고자 한다. 해체 중 에어로졸로 인한 작업자 의 내부피폭 평가를 위한 피폭 경로를 금속 절단, 용융 공정으로 선택하 였다. 내부피폭 평가 Tool로는 IMBA 전산코드를 사용하였으며 평가를 위 해서는 에어로졸의 입자크기, 핵종농도, 흡수형태, 작업시간 호흡률 선정 이 필요하다. ICRP(International Commission Radiological Protection) 에서 제시하는 값들이 있지만, 이는 실제 피폭되는 정도보다 낮은 값이 도출될 수 있다.

내부피폭 평가는 ICRP에서 제시한 값과 실제 본 연구에서 분석 및 도출

한 값 두 가지를 적용하여 비교하고자 한다. 인자값 선정에 있어서 입자

크기의 경우 호흡을 통한 내부피폭 평가 시에 ICRP-66 은 공공장소 1

μm

,

작업환경 5

μm

를 적용하여 평가하라고 제시하고 있다. 하지만 절단에 대

한 사전 연구 사례를 보면 5

μm

보다 작은 크기의 에어로졸 발생 분포를

보이고 있다[1]. ICRP에서 제시하는 값을 적용 할 경우 실제 작업자의 내

(16)

사전연구사례에서의 절단공법 별 입자분포를 확인하였으며, 이를 통하여 AMAD를 도출, 내부피폭선량을 평가하였다.

핵종의 경우 국내 원자력안전법 자체처분 핵종 257 개의 핵종을 선정코 드에 모두 적용할 수 없어 저준위 핵종 11 가지 중 전알파를 제외한 10 가 지 핵종을 선정하였다.

핵종의 농도는 평가핵종 10 가지에 대해 자체처분 허용농도의 100배를 적용하였으며, 추가적으로 추후 원전 해체시 발생된 방사성에어로졸로 인 한 내부피폭선량 평가의 편의를 위하여 단위 농도로 오염되어 있다고 가 정하고 평가하였다.

흡수형태는 ICRP 권고에 따라 방사성핵종의 화학적 형태를 모르는 경우 흡수형태를 M (Moderate)으로 가정하여 적용하였다. 작업시간은 국내 근 로기준법에 따라 작업시간 8 시간을 반영한 실질적 절단 시간 2시간, 작업 준 비 및 휴식시간 1 시간을 고려하여 인자값인 K

s,i

을 적용하였다.

호흡률은 Light Work(1.2 m

3

/hr)와 Heavy Work(1.68 m

3

/hr)로 나누어 평가

하였다. 또한 추후 원전 해체 중 에어로졸이 발생하는 환경에서 작업자의

피폭 저감화를 위한 연간 선량한도 관리 방안에 대해 제시하고자 한다.

(17)

제2장 연구배경

제1절 원전 해체와 에어로졸

1. 원전 해체시 에어로졸 발생

가. JPDR (Japan Power Demonstration Reactor)

일본에서 처음으로 전기를 생산한 JPDR (Japan Power Demonstration Reacto r)은 JAERI (Japan Atomic Energy Research Institute) 내에 위치하고 있으 며, 1963 년부터 1976 년까지 총 21,500 MWD의 출력 이력을 가지고 있는 BWR (Boiling Water Reactor)타입의 동력실증로이다. JPDR의 해체 사업은 연구개 발을 병행한 해체 사업으로써 총 3 단계로 나뉘어 수행되었으며, 그 중 1 단 계(1981 년 ~ 1986 년)와 3 단계(1996 년 ~ 2000 년)에서 해체 관련 연구 개발을 수행하였으며, 2 단계인 1986 년부터 1996 년까지 실제적인 해체 활동을 수행 하였다. 2 단계에서의 JPDR 해체 사업은 NSC (Nuclear Safety Commission)에 의해 제시된 지침에 따라 해체 활동 계획이 수립되었고, 이 해체 계획에서는 작업종사자의 안전과 방사성물질의 방출에 대한 예방을 원칙으로 하였다. 해 당기간 동안 해체 기술의 연구개발을 수행하였으며, 이에 따른 기술을 현장 에 적용하여 실증하였다. 총 소요 비용은 약 2 억 6000 만 달러이며, 작업종사 자의 총 피폭량은 306 man-mSv로 평가되었다.

JPDR에서 발생한 방사화된 부품들은 다양한 방식으로 절단되었으며, Fig.

1 과 같이 12 inch 표면 Chalk River Unidentified Deposit (CRUD)로 오염된 Stainless Steel (SS-304) 파이프를 절단하여, 다음과 같은 에어로졸 포집이 이루어졌다[2].

(18)

Fig. 1. 왼쪽: Reciprocating Saw를 적용시 공기역학적직경 분포, 오른쪽: Plasma Torch를 적용시 공기역학적직경 분포[3]

Fig. 1 에서 왼쪽은 Reciprocating saw, 오른쪽 그림 SS-304 를 Plasma Arc Torch로 절단과정에서 발생한 에어로졸을 포집기(Impactor)를 통해 측정하였 다. 공기역학적직경(μm)에 따른 분류를 하고 액체섬광계수기와 가이거계수 기를 활용하여 방사능을 측정하였으며, 측정값을 질량으로 나누어 비방사능 을 구하였다. Fig. 2 는 JPDR의 강제 순환 냉각 계통을 Plasma Arc Torch로 잘랐을 때 공기역학적 직경에 따른 방사능이며, Fig. 3 은 공기역학적 직경 에 따른 비방사능이다[4].

(19)

Fig. 2. 공기역학적 직경에 따른 방사능

Fig. 3. 공기역학적 직경에 따른 비방사능.

(20)

Fig. 4 는 JPDR 의 강제 순환 냉각 계통을 Plasma Arc Torch 로 자른 후 발 생한 방사성 에어로졸의 방사능 분포를 나타낸다. 방사성 에어로졸의 분포를 비교하기 위하여, 사전연구사례에서의 FUGEN (FUGEN Nuclear Power Plant)과 JPDR 원전에서 발생된 재질 별 방사성 에어로졸의 방사능 분포를 비교하였 다. 비교한 결과 절단하고자 하는 금속의 조성에 따라 방사능에 따른 에어로 졸 분포에 영향을 끼친다.

Fig. 4. Plasma Arc Torch를 사용하여 SS-304, FUGEN의 Car bonn steel, Copper를 자른 후 발생한 에어로졸의 공기역학적 직경에 따른 방사능량 분포[4]

Fig. 5. Plasma Arc Torch를 사용하여 SS-304, FUGEN의 C

arbonn steel, Copper를 자른 후 발생한 에어로졸의

공기역학적 직경에 따른 입자 비율[4]

(21)

또한 JPDR 은 작업공간 내에 에어로졸 방사능을 저감하기 위해 환기시설을 적용하여 작업자의 안전을 도모하였다.

해체 절단작업 환경에서 발생한 에어로졸의 실제 포집량 확보가 현실적으로 어려움이 있었다. 따라서 JAERI 에서는 에어로졸의 발생 비율을 기반으로 하 여 절단작업 환경 내에 에어로졸의 질량 및 농도를 계산하였다.

Table 1 은 방사화된 SS-304 파이프 절단에 대한 방사성 에어로졸의 이송 비율을 보여준다.

절단공법

배관 직경 (inch)

방사능 이송 비율 (%) 질량 이송 비율 (%)

범위 평균 범위 평균

Band saw 2 5.8 ~ 37 13 - < 10-2

Band saw 6 10 ~ 58 19 - < 10-2

Reciprocating saw 12 7.0 ~ 24 9.9 - < 10-2 Plasma torch 12 0.23 ~

0.78 0.44 0.53~0.82 0.66 Table 1. 절단공정 별 SS-304의 절단 및 세분화로 인한 에어로졸 입자들의 이송 비율[1]

(22)

나. BR-3 (Begian Reactor-3)

벨기에 BR-3 (Belgian Reactor-3)는 1962 년 유럽에서 최초로 건설된 Westing House 사의 PWR형 원자로로 40 MWth의 열출력을 가지고 있다. BR-3 는 1962 년 운영을 시작하여 1987 년 영구 정지되었으며, 총 운영 기간은 25 년이다.

BR-3 열차폐관의 해체를 위해 3 가지 기술이 선택되었다. Plasma Arc Torc h, EDM (Electric Discharge Machining), 그리고 Milling을 이용한 기계적인 절단 방법이다. 이와 같은 기술들은 작업자의 피폭, 기술의 절단 속도 및 2 차 폐기물의 발생량의 인자들을 통해 비교할 수 있다.

기본 기술 선택원칙은 기존에 존재하며 보증된 기술이면서, 여기에 작업환 경인자 및 작업 운영 인자들이 첨부되었다. Table 2 는 BR-3 에 적용된 적단 기술들에 대한 비교를 나타내고 있다[5].

항목 절단속도

(mm/min)

최적평균절단속도

(mm/min) 피폭 2차폐기물

절단방법 절대값 상대적비교 절대값 상대적비교 단순비교값 단순비교값

EDM 0.6 0.1 0.28 0.25 -3 -5

Mech. 6 1 1.13 1 1 1

Plasma 300 50 1.83 1.6 -1 -5

Table 2. BR-3의 열차폐판 해체 결과[1]

(23)

Fig. 6. 절단방법 별 발생 에어로졸 특성

Table 2 에서 보는 바와 같이 에어로졸 발생을 고려해서 사용후핵연료 저장 수조에 잠겨 있는 chamber의 절단은 Plasma Arc Torch 절단 방법을 결정하였 고, 연기의 발생 및 수소가스의 환기 및 정화 시설을 설치하였다. BR-3 의 열 차폐판을 Plasma Arc Torch 및 기계적 절단 방법을 통해 500 x 540 mm 크기로 절단하였다. 이에 따른 절단 속도 및 에어로졸의 발생량을 비교하여 Fig.6 에 나타내었다. 결과적으로 해체를 수행하기 위해서는 기계적인 절단방법이 작업 자의 에어로졸인한 내부피폭 방지 측면에서 효율적인 것을 알 수 있었다[6].

(24)

다. Kozloduy NPP

Kozloduy 원전은 불가리아의 원자력 발전소로 소피아 북쪽 120 km, 루마니 아 국격 근처의 다뉴브 강 유역 Kozloduy 동쪽 5 km에 위치하고 있다. 현재 K ozloduy 원전은 총 2,000 MWe의 PWR 2 기를 관리하고 있으며, 2010 년 10 월 11 일에 노후 원전인 VVER-230/400 은 해체가 시작하였다.

해체에서 발생된 폐기물의 저감 및 재활용을 위해 Secondary Storage에 위치 한 PMF (Plasma Melting Facility)로 운송되어 용융되었다. 23,700 m3의 면적을 가진 PMF는 500 kW의 이동형 토치가 장착된 Tilting Plasma로 구성되어 있으며 연간 250 ton을 처리하고 40 Week(280 day) 동안 연속 운용이 가능하다.

Table 3 은 PMF 시설에서 용융 작업 시 발생한 에어로졸을 농도를 나타내고 있다. Kozloduy 원전은 해체 과정 중에 발생된 절단 구조물 및 제염 대상이 되는 폐기물들을 PMF로 옮겨와 용융을 수행하였다. 이 과정에서 발생되는 방 사성 에어로졸을 Impactor로 포집하여 그 농도를 분석하였다[7,8].

Radionuclide Stack-1

A, MBq

54Mn 0.362

58Co 0.181

59Fe 0.0603

60Co 3.44

Nb 0.0603

Ag 0.362

Cs 0.362

Cs 1.21

Total 6.04 MBq

Table 3. PMF에서 발생되어 포집된 방사성 에어로졸의 핵종 농도[4]

(25)

2. 국내 원전해체 예상 절단 및 용융 대상 폐기물

현재 제 9 차 전력수급기본계획에 의하면 2017 년 6 월 첫 영구정지 원전인 고리 1 호기를 시작으로 원전 해체가 완료되는 2095 년까지 총 30 기의 원전 해 체를 목표로 추진하고 있다. 이에 따라 약 70.8 만 개의 중·저준위폐기물이 발생될 것으로 전망되고 있다. 하지만, 최근 중·저준위처분시설 건설의 지연 및 사용후핵연료 보관시설(맥스터)가 추가 확보가 결정되면서, 월성 1 호기 원 전 해체가 우선이 대두되고 있는 상황이다[9].

‘경수로형 및 중수로형 원전 해체 선원항 및 폐기물량 평가보고서 (한국수 력원자력, 2006)’에 따르면, 고리 1 호기 원전 즉시 해체시 발생하는 중·저 준위 방사성폐기물 발생량은 중준위 54 드럼, 저준위 36,581 드럼, 극저준위 44, 074 드럼, 총 80,794 드럼이 발생할 것으로 나타났다[10].

국내 처분장 현황을 고려하여 총 약 80,000 드럼 중·저준위폐기물을 14,500 드럼으로 줄이는 것으로 목표를 하고 있다. 원전 해체시 대량의 폐기물이 발생 되는데, 이러한 폐기물을 제대로 감용하지 못할 경우 14,500 드럼 목표를 달성 이 어려울 것으로 보여지고 있다[11]. 원전 해체 중 발생되는 폐기물의 부피 저감을 위해 다양한 절단/감용 처리 기술이 적용되어야 할 것으로 사료된다.

(26)

연도 원전

비원전 합계

운영 해체 소계

~2019 108,470 - 108,470 36,743 145,213 2020 110,970 - 110,970 37,490 148,460 2030 134,570 17,400 151,970 44,960 196,930 2040 150,970 174,000 324,970 52,430 377,400 2050 161,970 243,600 405,570 59,900 465,470 2060 168,570 307,400 475,970 67,370 543,340 2070 174,570 348,000 522,570 74,840 597,410 2080 179,870 348,000 527,870 82,310 610,180 2090 180,270 394,400 574,670 89,780 664,450 2095 180,270 435,000 615,270 93,515 708,785 발생비율 25.43 % 31.37 % 86.80 % 13.20 % 100 % Table 4. 중·저준위 방사성폐기물 발생원별 누계발생 전망

(단위:200 L 드럼)

(27)

원전 구분 운영기간(계획) 잔여기

발생전망

운영폐기물 해체폐기물 합계

고리

1 호기 1977.06 ~ 2017.06 0 0 14,500 14,500

2 호기 1983.04 ~ 2023.04 6 400 14,500 14,900

3 호기 1984.09 ~ 2024.09 7 500 14,500 15,000

4 호기 1985.08 ~ 2025.08 18 600 14,500 15,100

신고리

1 호기 2010.05 ~ 2050.05 33 3,100 14,500 17,600 2 호기 2011.12 ~ 2051.12 34 3,200 14,500 17,700 3 호기 2015.10 ~ 2075.10 59 5,600 14,500 20,100 4 호기 2019.02 ~ 2079.02 60 6,000 14,500 20,500 5 호기 2022.08 ~ 2084.11 60 6,000 14,500 20,500 6 호기 2024.11 ~ 2084.11 60 6,000 14,500 20,500

한빛 (영광)

1 호기 1985.12 ~ 2025.12 8 800 14,500 15,100

2 호기 1986.09 ~ 2026.09 9 900 14,500 15,200

3 호기 1994.09 ~ 2034.09 17 1,700 14,500 16,000 4 호기 1995.06 ~ 2035.06 18 1,800 14,500 16,100 5 호기 2001.10 ~ 2041.10 24 2,400 14,500 16,700 6 호기 2002.07 ~ 2042.07 25 2,500 14,500 16,800

한울 (울진)

1 호기 1987.12 ~ 2027.12 10 1,000 14,500 15,300 2 호기 1988.12 ~ 2028.12 11 1,100 14,500 15,400 3 호기 1997.11 ~ 2037.11 20 2,000 14,500 16,300 4 호기 1998.10 ~ 2038.10 21 2,100 14,500 16,400 5 호기 2003.10 ~ 2043.10 26 2,600 14,500 16,900 6 호기 2004.11 ~ 2044.11 27 2,700 14,500 17,000

신한울 1 호기 2020.06 ~ 2080.06 60 6,000 14,500 20,500

2 호기 2021.06 ~ 2081.06 60 6,000 14,500 20,500

월성

1 호기 1982.11 ~ 2022.11 0 0 14,500 14,500

2 호기 1996.11 ~ 2026.11 9 900 14,500 15,200

3 호기 1997.12 ~ 2027.12 10 1,000 14,500 15,300 4 호기 1999.02 ~ 2029.02 12 1,200 14,500 15,500

신월성 1 호기 2011.12 ~ 2051.12 34 3,400 14,500 17,700

2 호기 2015.07 ~ 2055.07 38 3,800 14,500 18,000

합계 71,800 435,000 506,800

Table 5. 제9차 전력수급기본계획에 따른 원전 방사성폐기물 발생전망

(단위:200 L 드럼 / ‘19년 말 기준)

(28)

폐기물 등급 폐기물 유형 200 L 드럼용기(EA)1) 순발생량 중준위 폐기물(ILW)

소형 금속류 54

폐수지 또는 폐필터2) 85

소계 139

저준위 폐기물(LLW)

케이블류 119

콘크리트 조각 1,488

스캐블링 콘크리트 189

잡고체 2,456

유해성 폐기물 65

석면 65

대형기기 5,408

원자로압력용기 1,293

소형 금속류 22,207

사용후저장조랙 3,188

폐수지/폐필터2) 103

소계 36,581

극저준위 폐기물(VLLW)

케이블류 457

콘크리트 조각 1,218

스캐블링콘크리트 551

유해성 폐기물 132

석면 712

소형 금속류 41,004

사용후저장조랙 0

폐수지/폐필터2) 0

소계 44,074

총 중·저준위방사성폐기물 80,655

Table 6. 고리1호기 중·저준위 방사성폐기물 추정 발생량

1) 포장용기 공극률은 폐기물 형태에 따라 0 ~ 30 %로 가정하며, 금속용융 후 공극률은 30 %에서 10 %로 낮아지는 것으로 가정 2) 즉시해체시 일차계통 제염수지는 보수적으로 중준위폐기물로, 기타제염수지는 저준이폐기물로 가정

(29)

제2절 절단 방법 및 용융

1. 열적 절단 기술

가. Flame 절단

Flame 절단 공법은 금속절단기술 중 대표적인 열적 절단 공법으로서, 고압 의 산소와 화학반응으로 발생된 열로 물체를 절단하는 기술이다. 열전도성이 낮은 재질에 적용이 가능하며, 강재 절단에 이용, 주로 큰 지름을 가진 탱크, 파이프, 압력용기 등에 적용이 가능하다. 산화반응에 의한 절단공법으로서 ST S나 Al과 같은 비철금속의 절단은 어려우며, 주철과 카본스틸과 같은 제일철 등에 적용이 가능하다.

Fig. 7. Flame 절단 [2]

(30)

나. 산소 lance (창) 절단

산소 lance 절단은 Torch 대신에 가늘고 긴 강관 (안지름 3.2 mm, 길이 1.5

~ 3 mm)에 산소를 보내어 그 강관이 산화 연소할 때, 반응열로 금속을 절단하 는 공법으로 최고 2500 ℃까지 온도를 유지할 수 있다.

Fig. 8. 산소 lance(창) 절단 [2]

다. Laser 절단

Laser 절단 공법은 금속의 절단 공법으로서 열처리, 절단, 취성 재료의 절 단 등과 같이 광범위하게 적용이 가능한 기술이다. Laser 절단은 연소 절단, 승화 절단, 용융 절단 등으로 구분이 가능하며, 통상적으로 금속 절단으로는 절단 가스를 활용하는 연소 절단이 사용된다. 성능에 영향을 주는 주요 인자 는 공정 가스 종류, 압력, 출력, 절단 속도 등이 있다.

플라즈마 절단과 비교하여 장치 비용이 많이 들며, 출력을 유지하기 위한 정기적 점검, 보수가 요구된다. 타 절단 기술과 비교하여 필요 에너지가 작

(31)

고, 2차 폐기물인 에어로졸 발생량이 적다. 하지만 절단 시 먼지 형태의 미립 자가 많이 발생하며, 환기 시설을 필요로 한다.

Fig. 9. Laser 절단 공법 원리 [12]

(32)

라. Plasma Arc 절단

Plasma Arc 절단은 미국, 일본 등 해외 원전 해체 시 적용된 기술로 열적 절단의 대표적인 금속 절단 공법이다. Fig. 11과 같이 Plasma Arc 에너지를 이용하여 절단하는 기술로서, 작은 노즐의 구멍으로 Arc를 집중시켜 형성된 높은 온도 및 유속의 플라즈마 열원을 이용한다.

절단의 성능에 영향을 주는 인자로는 공법 가스 와 유량, Arc 전류, 절단 속도, 노즐의 크기와 토치의 설계 등이 있다. 타 공법인 레이저 절단과 비교 하여 비용이 적게 들지만 절단면이 거칠고 2차 폐기물인 가스 및 슬래그, 방 사선 미립자, 에어로졸이 대량 발생한다[12].

Fig. 11. Plasma Arc 절단 [14]

(33)

2. 전기적 절단 기술

가. EDM (Electrical Discharge Machining)

EDM 절단 공법은 금속 절단 공법 중 전기적 절단 기술로서, 모든 재질 및 형상을 가진 물체의 절단에 이용이 가능하다. 전기불꽃의 침투에 의해 절단하 는 방식으로 타 공법과 비교하여 섬세하고 정확한 절단이 가능하며, 수중 절 단 및 원격 절단이 가능하다. 하지만 절단속도가 느리고 전기 소모량이 크며, 전도성을 지닌 물체에만 활용이 가능하다. 2차 폐기물인 에어로졸 발생량은 기계적 절단 공법과 비교하여 약5배 정도 발생되는 단점을 가지고 있다[2, 1 2].

Fig. 12. EDM 절단 공법 [2]

(34)

나. MDM (Metal Disintegration Machining)

MDM 절단은 EDM절단과 비슷한 절단 공법이며, 일정한 교류 전력을 공급해 전극봉을 이용하여 금속을 절단하는 방법이다. 모든 재질에 적용 가능하며, 어떠한 기계적 형상에서의 절단, 수중 절단, 원격 조정이 가능하다는 장점이 있다.

절단 속도는 기계적 방식의 10 분의 1 수준이며, 에어로졸 발생량은 기계적 방식의 약 5 배 정도 발생한다[12].

Fig. 13. MDM 절단 기기 [15]

(35)

다. Arc Saw 절단

Arc Saw 절단 공법은 톱날이 없는 blade를 사용하여 절단 대상물과 접촉이 없이 절단되는 방식이며, 높은 전류의 전기 불꽃을 활용한다.

스테인리스강, 고합금강, 알루미늄, 구리 등과 같은 전도성 물질에 적용이 가능하며 수중절단이 가능하다. 카본 스틸류의 절단에 적용이 어려운데 이러 한 이유는 slag 발생으로 인한 속도의 저해와 수소가스의 발생으로 인한 마그 네슘, 티타늄, 아연 성분 물질은 발화 및 폭발의 원인으로 인하여 사용이 제 한되고 있다. 타 절단 기술인 기계적 절단 공법과 비교하여 2차 폐기물 발생 량이 5배 정도 많으며, 소음이 크게 발생하는 단점을 가지고 있다[12].

Fig. 14. Arc Saw 절단[4]

(36)

3. 기계적 절단 기술

가. 기계톱 절단

기계톱 절단의 동력원으로서 전기를 이용하며, 가스 발생량이 적고 구입 비 용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다. 또한 작업자가 단독으로 작업할 수 있 으며, 공간의 구애를 받지 않아 좁은 공간에서도 작업이 가능하다. 하지만 한 정된 규격의 대상물에 적용이 가능하고 느린 속도, 날의 마모에 의해 자주 교 체해주어야 하는 단점을 가지고 있다[4].

Fig. 15. 기계톱 절단 기기[16]

(37)

나. Nibbler 절단

Nibbler 절단은 고속 왕복하는 펀치와 다이를 활용하여 절단물에 구멍을 내거나 자르는 절단 도구로서 수중 절단 및 원격 절단이 가능하다. 통상적으 로 큰 지름을 가진 파이프 및 탱크, 연강 및 스테인리스 스틸과 같은 재질에 적용이 가능하다.

Nibbler 절단의 해외 적용 사례로 Rocky Lats site에서 탱크, RV(Reactor Vessel)의 Insulation shroud를 절단하는데 사용되었으며, VAK 실험로에서 수중 절단 공법으로 활용하였다[12].

기술의 단점으로는 많은 진동이 유발되며, 제한된 형태와 두께를 가진 대 상체에만 적용이 가능하고 대상물 주변이 정리되어 있어야 한다.

Fig. 16. Nibbler 절단 기기[12]

(38)

Fig. 17. Nibbler 절단 작업 예시[2]

다. Grinder 절단

Grinder 절단은 전기 및 가스, 압축공기 등과 같은 동력원 선택의 범위가 크고 단독 작업이 가능하다. 폭 넓은 규격을 가진 대상물과 많은 양의 절단에 용이하다. 하지만 2차 폐기물인 Aerosol 발생량이 많고 칼날의 마모가 쉽기 때문에 비용적인 측면으로 보았을 때 효율이 많이 떨어진다. 또한 화재의 원 인이 되는 불꽃이 발생된다는 단점을 가지고 있다[12].

(39)

Fig. 18. Grinder 절단[2]

라. Shear 절단

Shear 절단은 수동, 유압, 수압식, 전기와 같은 다양한 구동 방식이 있으 며, 절단 대상체의 재질에 제한이 없다. 또한 수중 절단이 가능하다. 타 공정 과 비교하여 절단 비용 및 분진 발생량이 적으며, 에어로졸을 발생시키지 않 는다. 하지만 절단면이 찌그러지는 경향이 있고, 절단 칼날 손상 시 대체 공 구의 적용이 어렵다는 단점을 가지고 있다[12].

Fig. 19. Shear 절단 기기[18]

(40)

마 Diamond Wire Saw 절단

Diamond Wire Saw는 다이아몬트 팁을 붙인 와이러를 회전시켜 절단하는 공 법으로서, 절단 대상물의 재질 및 두께에 제한이 없다. 두꺼운 구조물, 벽, f loor, 파이프 등에 적용이 가능하다. 레이저 공법과 비교하였을 때 절단면이 거칠어 정밀한 절단이 불가능하며, 에어로졸, 물, 가스, 오염된 전선 등과 같 은 다양한 2차폐기물이 발생된다[12].

Fig. 20. Diamond Wire Saw기기 및 절단 방법 [2]

(41)

바. Milling 절단

Milling 절단 공법은 둥근 칼날을 장착하여 절단하는 공법으로 비용이 적게 소요되며, 에어로졸 발생량이 적어 수중 절단에 적합하다. 하지만 많은 힘이 소요되기 때문에 원격 절단에 어려움이 있고 대상물의 두께에 제한이 있으며, 작동 시 냉각용 액체가 필요하다[12].

Fig. 21. Milling 절단[2]

사. AWJ (Abrasive Water Jet) 절단

Abrasive Water Jet 절단 공법은 고압 펌프에서 배출되는 고압의 물을 활 용하여 연마제와 함께 분사해 물체를 절단하는 기술이다.

노즐의 선단장치가 작아 원격이 가능하며 미진동, 저소음, 무분진 등과 같 은 장점을 가지고 있다. 또한 주변 재료의 온도 변화에 의한 변형 등에 대한 영향이 적어 복합재료에도 적용이 가능하다. 하지만 초고압수를 위한 별도의 장치가 필요하고 타 공법인 Plasma Arc 절단과 비교하여 느린 속도, Plasma 및 Laser 보다 높은 가격, 2차 폐기물인 다량의 폐수가 발생하는 단점이 있 다[12].

(42)

Fig. 22. Abrasive Water Jet 절단 공법[12]

Fig. 23. Abrasive Water Jet 절단 예시[2]

(43)

절단공법 특징 절단대상 절단속도 에어로졸 발생 여부

열적 절단

Flame · 수중/원격 작동 가능 - - O

산소 lance(창) · 수중/원격 작동 가능 - - O

Laser · 수중/원격 작동 가능

· 복잡한 형상

· 반사되지 않는 물체

· 화재에 둔감한 재료 강철

· 750~30 m m/min(STS) O

Plasma · 수중/원격 작동 가능

· 큰 지름의 파이프와 탱크, 평판 및 압력용기 단순한 형상

· 금속 및 전도성 재질

· 전기전도성물질, Al, Cu, STS 등

· 70~130 m

m/min O

전기적 절단

EDM · 수중/원격 작동 가능 · 모든 재질 · 기계적

방식의 1/10 O

MDM · 수중/원격 작동 가능 · 어떠한 기계적 형상도 절단 가능

· 모든 재질 - O

Arc Saw · 수중/원격 작동 가능

· 작은 지름의 파이프 평판 및 압력용기

· 전기 전도성물질, STS, 고합금강 Al, Cu 등

· 10~1 cm/m

in O

기계적 절단

기계톱 · 수중/원격 작동 가능

· 복잡한 형상 작은 지름의 파이프

· 모든 재질

· 왕복톱의 경우 스틸, Al, 비철금속

· 와이어톱은 매우 두거운 금속 및 콘크리트 절단에 적합

· 1~0.2 cm/

min O

Nibbler · 수중/원격 작동 가능 · 큰 지름의 파이프와 탱크

· 연강, STS · 1m/min O

Grinder · 수중/원격 작동 가능

· 대상물 규격에 대한 선정 범위가 넓음

· 대량 처리가 가능

- O

Shear · 수중/원격 작동 가능 · 파이프, 벽

· 모든 재질 - O

Diamond Saw · 수중/원격 작동 가능

· 두꺼운 구조물 및 벽, 파이프, 콘크리트, 금속

· 대상물의 재질 및 절단 깊이에 제한 없음

- O

Milling · 수중 작동 가능 · 복잡한 형상 O

AWJ · 수중/원격 작동 가능 · 복잡한 형상

· 대부분의 재질

· 25~115 m

m/min O

Table. 7 절단공법 별 특징[12]

(44)

제3절 에어로졸 특성

1. 에어로졸의 생성 및 성장

원전에서 에어로졸의 생성은 절단 및 용융공정에서 발생하게 된다. 발생된 에어로졸이 서로 충돌하면서 뭉쳐지는 경우, 에어로졸 입자의 성장 및 응집 이라 한다. 응집은 입자들의 속도 차이에 의해 일어나며, 원인에 따라 응집 의 종류가 달라진다.

브라운 응집이란 에어로졸 입자의 경우 매우 가볍고 크기가 매우 작아 대 기 상에서 불규칙적인 운동을 하게 된다. 이때 서로 충돌할 경우 응집현상이 발생하며 이를 브라운 응집이라 한다.

중력 응집이란 서로 크기가 달라 다른 속도로 중력 침강하는 두 입자가 충 돌하여 응집하는 현상이다.

난류응집은 난류 와동에 의하여 입자가 충동이 일어나는 경우를 뜻한다.

위와 같은 메카니즘과 같이 크기가 다른 두 개의 입자가 응집을 나타내는 확률을 나타내는 함수는 입자들의 충돌을 유발하는 물리적 현상에 선형적으 로 비례하며, 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다[1].

   

  

  

 

(1)

·B : 브라운 운동

·G : 중력 강하

·T : 난류운동

(45)

가. 브라운 운동

브라운 운동에 의한 입자의 결합은 입자의 매질기체의 충돌에 의한 불규칙 한 운동에서 야기되며 에어로졸의 확산과 관계가 있다. 주로 크기가 작은 입 자들의 결합을 지배하는 이 함수는 아래 식 (2)와 같이 표시된다.

    

 

 

 



 

(2)

·

: 상수

·

: 온도

·    : 각각 질량이  인 입자의 반경

·  : 응고 상태 인자(Coagulation Shape Factor)

는 응고 상태 인자 (Coagulation Shape Factor)로서 에어로졸 입자와 실 제 입자의 크기의 차이를 보정해주는 계수이다.

(46)

나. 중력 강하

중력 강하는 크기가 다른 두 개의 입자가 중력에 의해 하강하면서 충돌하 며 응집되는 현상이다. 이러한 응집은 질량이 큰 입자와 작은 입자의 종말침 강속도차이에 의하여 일어나며, 상대적으로 질량이 큰 입자에 의하여 충돌현 상이 발생한다.

충돌 확률은 두 입자의 단면적의 합과 침강속도 차에 비례한다. 이 경우 충돌하는 유효단면적은 유체역학적 반응의 현상으로 인하여 실제 단면적의 합보다 작게 되는데 이를 보정하기 위하여 충돌 효율 계수 (Collision Effic iency Factor)를 사용한다. 중력 결합 핵은 식 (3)과 같이 표현할 수 있다 [1].

    





 

 



 





′

  

(3)

·ϵ(γ,γ’): 충돌효율계수(Collision Efficiency Factor)

(47)

다. 난류 운동

난류 결합의 경우 두 가지 현상에 의하여 일어날 수 있는데 첫 번째 현상 은 식 (4)와 같으며, 모든 크기의 입자들 사이에서 발생된다.



  

 

 





(4)

두 번째 현상은 식 (5)와 같으며 크기가 서로 다른 입자들 간의 현상으로 관성충돌에 의하여 발생한다.

   







′

(5)

· ϵT : 난류 에너지 소산 비율 (Turbulent Energy Dissipation Rate)

따라서 전체 난류 결합율은 식 (6)과 같이 식 (4)와 식(5)의 합으로 표시된다.

  



 





(6)

(48)

라. 에어로졸 동역학

원전 해체 공정에서 발생되는 방사성 에어로졸은 선형적으로 그 양이 증가 하는 것이 아니라 결합 (Coagulation)과 입자표면에 수증기가 응축 (Condensa tion)함으로써 입자의 크기가 성장하게 된다. 구조물의 표면에 부착 (Deposi tion)하거나 바닥에 침전 (Sedimentation)하여 양이 감소하며, 새로운 입자 의 생성으로 그 양이 증가한다. 또한 매질기체의 흐름과 에어로졸의 농도 차 에 의해서 공간적 분포에 변화가 일어난다.

에어로졸 입자들의 반응은 동시에 복합적으로 일어나며 그에 따른 에어로 졸의 변화는 에어로졸 일반거동방정식 (Aerosol General Dynamic Equation) 으로 기술되는데 이 방정식은 다음과 같다[1].





 ∇ ∙ ∇  ∇ ∙   ∇ ∙  (7)

  

 

    

  



  

    

·  : 입자 크기 분포함수(Particle Size Distribution Function)로서 시간 t, 공간좌

에서 크기와

  

사이에 있는 입자 수밀도

·   : 크기가

인 입자의 Brown확산계수

·   : 크기가

인 입자의 외부력에 의한 운동속도

· : 매질기체의 운동속도

·    : 크기가 각각



인 두 입자가 충돌하여 결합할 확률을 나타내는 계수

·



: 수증기 응축으로 인한 크기가

인 입자의 성장률

·   : 크기가

인 입자의 생성률

(49)

· 



: 크기가

인 입자수의 변화율

·

∇ ∙   ∇

: 확산

·

∇∙  

: 외부력에 의한 운동

·

∇∙  

: 매질기체의 운동에 의한 공간분포의 변화율

·

      : 작은 입자들의 결합으로 인한 크기가

인 입자의 생성율

·

   : 결합으로 인한 크기가

인 입자의 감소율

·  

   : 크기가

인 입자표면에 수증기가 응축하여 성장함으로써 감소되는 양

(50)

2. 에어로졸의 직경

통상적으로 공기 중에 에어로졸 입자의 크기는 수Å ~ 수백μm까지의 다양 한 입경을 가진 입자들로 이루어져 있다. 입자의 입경을 정의하는데 있어 입 자의 형태는 중요한 의미를 가지게 된다. 대기 중에 액상으로 존재하는 에어 로졸의 경우 표면장력에 의하여 구형태를 가지게 되지만, 연소나 절단 등에 의하여 발생하는 무기물질의 에어로졸의 경우 불규칙적이고 다양한 형상을 띄기 때문에 이들에 대한 직경을 정의하는 것은 매우 어렵다. 이에 따라 본 연구에서는 불규칙한 형상의 입자의 직경을 등가직경의 변환에 따라 정의해 보고자 한다[18,19,20,21].

가. 전기적 이동도 직경

전기적 이동도 직경 (Electrical Mobility Diameter)이란 특정 에어로졸 입 자와 동일한 전기장 내에서 이동속도가 같은 구형입자의 지름을 나타내며, 주 로 전기적 방법에 의한 에어로졸 크기 측정 시 많이 사용되는 직경이다[18].

나. 스토크스 직경

스토크스 직경 (Stokes diameter)이란 사전적 의미로 특정 입자와 침강속 도, 밀도가 같은 가상의 구형입자의 반지름을 뜻한다. 분진입자의 운동에 적 용되는 거의 대부분의 조건은 스토크스 영역의 범주에 들어가 있으며, 절단 시 발생하는 에어로졸 역시 여기에 포함된다.

기체내 에어로졸의 거동은 입자 크기에 따라 달라진다. 입자의 크기가 평 균자유행로 (λ, mean free path)와 비교하여 클 경우 연속체로서 거동하지 만 같거나 작을 경우 분산분자 형태로 존재하게 되어 연속체로서의 성질이 사라진다.

참조

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