우라늄으로 오염된 자갈의 제염

Decontamination of Uranium-Contaminated Gravel

Abstract

선행핵연료 주기관련 시설의 해체/복원 시 방사능으로 오염된 다량의 자갈폐기물이 발생할 수 있다. 하지만 현재 방사성 오염 자갈을 제염하기 위한 기초자료가 부족하므로, 본 연구에서는 토양세척법을 응용하여 방사능 오염 자갈을 제염하는데 필요한 기초실험을 수행하였다. 효율적인 제염을 위하여 제염제를 비교하여 선정하였는데, 우라늄으로 오염된 자갈의 제염제로는 증류수나 계면활성제보다 0.1 M의 질산을 사용하였을 때 제염이 잘 되었다. 또한, 제염효율을 높이고 제염시간을 단축하기 위하여 우라늄 오염 자갈을 파쇄/분쇄한 후 세척한 결과, 입자의 크기가 작으면 작을수록 제염효율이 높고 자체처분허용농도를 만족하는 것으로 나타났다.

A large amount of radioactively-contaminated gravel can be produced on the demolition/restoration of facilities related the back end of fuel cycle. However, because of the lacking in basic knowledge for decontamination of radioactive-contami-nated gravel, this study has performed the basic tests using for soil-washing. To find effective decontamination condition, several experiments were carried out for the selection of optimal decontamination agents. Washing by 0.1 M nitric acid was proved to be more effective than that by distilled water or surfactant for decontamination of uranium-contaminated gravel. In addition, crushing/grinding of uranium-contaminated gravel prior to washing was contributed to increase in of removal efficiency of uranium and reduction of decontamination time. The smaller the sizes of crushed gravel was, the more the removal efficiency increased. Also, small the sized particles improved chances for meeting the clearance requirement of the treated gravel.

1. 서 론

원자력시설을 가동 또는 해체할 경우 세슘, 코발트, 우라늄 등의 방사성핵종으로 주변 토양이 오염될 수 있다. 대부분의 방사선관리구역은 방사능 오염수준이 기준치 한도내에서 관리되지만, 부지를 타 용도로 재사용하기 위해서는 제염이 필요할 경우가 있다. 한국원자력연구원 내 우라늄변환 시설은 건설된 지 20 년 이상 경과하여 설치된 대부분의 장치들이 노후되어 2001년도부터 이 시설에 대한 해체를 결정한 이래, 현재 모든 해체공정은 완료되었다. 발생된 폐기물은 약 83%가 금속류, 전선류 약 3%, 토양 및 콘크리트 약 6%, 기타 잡고체가 약 3%로 구성되어 있다. 이러한 해체폐기물 중 현장제염이 가능한 폐기물 이외에 토양이나 콘크리트 같은 제염이 어려운 폐기물은 임시저장고에 보관 중이다[1]. 한편 방사성폐기물의 처분단가가 지속적으로 증가하고 있는 국내 실정과 경주처분장의 효율적 활용을 위하여 가능한 한 폐기물의 부피를 줄여야 한다. 따라서 한국원자력연구원 내 임시저장고에 보관중인 약 14,000 드럼의 토양 폐기물을 처리하여 자체처분함으로써 폐기물을 감용시키려는 연구가 시도되고 있다.

토양세척기법은 1970년대 말에 유류 유출로 인해 오염된 해안가 모래를 정화하기 위하여 미국환경보호청(United State Environmental Protection Agency: USEPA)에 의해 개발된 방법으로, 적절한 세척제를 사용하여 토양입자에 결합되어 있는 유해 유기물질 및 중금속을 제거하기 위하여 처음 시도되었다[2]. 그 후, 국내•외에서 오염된 토양을 정화시키기 위해 다양한 기술이 개발되었다[3-7]. 최근에는 유류 및 중금속 오염 토양 외에도 방사능 오염 토양에 대한 연구개발이 진행되고 있다[8-10].

유류 오염 토양 중에 포함된 오염된 자갈은 오래 전부터 이들의 정화에 막대한 노력을 기울여 다양한 기술들이 개발되어 일부는 실용화되고 있는 반면[11], 방사능 오염 자갈은 원자력시설에 한하여 발생되므로 그 특성상 많은 연구가 진행되지 않아 제염에 대한 기초자료가 부족하다. 따라서 이들을 제염하는 기술을 개발하기 위해서는 앞으로 많은 시간과 비용이 소요될 것이다. 그러나 이러한 방사능 오염 자갈 폐기물 제염방법의 개발은 향후 원자력 시설 해체 시 발생할 막대한 양의 자갈이 발생할 수 있으므로 환경적인 측면에서나 경제적인 측면에서 매우 중요하다.

따라서 본 연구에서는 방사능 오염 자갈을 제염하기 위해 토양세척법을 이용한 기초실험을 수행하였다. 먼저 우라늄 오염 자갈의 오염정도를 측정하고, 세척제염을 실시하여 우라늄 제거경향을 살펴보았다. 또한, 제염효율을 높이기 위해 최적 제염제를 선정하였고, 우라늄 제염효율이 낮은 자갈은 파쇄한 후 세척하여 최종적으로 자체처분허용농도(천연 우라늄기준 1.0 Bq/g이하)를 만족시키고자 하였다.

 

2. 실험재료 및 방법

2.1 재료 및 장치

실험에 사용된 방사능 오염 자갈은 한국원자력연구원 우라늄변환시설을 해체하고 난 후 발생된 우라늄 오염 토양 중에 포함된 자갈로서, 약 20vol.% 차지하고 있다. 이 중 세척 제염에 사용한 시료는 자갈 표면에 붙어있는 오염토양을 충분히 제거한 후 실험에 사용하였다. 제염제로는 물, 계면활성제, 질산을 사용하였다. 특히, 우라늄변환시설에서 발생된 자갈의 경우 우라늄 UO22+ 혹은 U(Ⅳ) 형태로 흡착되어 있는 것으로 생각된다. 따라서 이를 세척하기 위하여 사용 된 계면활성제는 주로 세정제로 이용되는 음이온계면활성제가 소독제나 살균제로 사용되는 양이온계면활성제보다 더 적합한 것으로 판단된다. 그러므로 계면활성제로는 단가가 싸고, 음이온계면활성제 성분이 다량 함유된 가정용 세탁세제(A사, S제품)를 사용하였으며, 물은 증류수를, 질산(Ducksan chemicals, 66%)은 실험용을 희석하여 사용하였다.

실험에 사용한 장치로는 자갈 세척제염을 위하여 자체 제작한 세척장치(Fig. 1)와 자갈을 파쇄하기 위한 파쇄장치 (Fig. 2, S사, S제품) 및 분쇄장치(Fig. 3, K사, H제품)를 이용하였다. 특히 자체 제작한 세척장치는 자갈이 호퍼에 투입되면 RPM 조절이 가능한 원통형의 본체가 회전하면서 자갈을 투입 반대방향으로 이동시키고, 이때 본체 내 수십 개의 노즐에서 제염제를 고압으로 뿜어주는 형태로 자갈을 세척하는 원리이다.

Fig. 1.Gravel washing equipment.

Fig. 2.Crusher.

Fig. 3.Pulverizer.

2.2 세척제염 실험

방사능 오염 자갈의 오염 정도를 확인하기 위하여 임의로 선택한 방사능 오염 자갈의 방사능 농도를 측정하였다. 방사능 오염 자갈의 세척제염실험은 자체 제작한 세척장치로 세척하였으며, 부피가 큰 자갈이 많기 때문에 세척장치에 머무는 시간을 15 분 이상 지체시켜 충분한 세척이 이뤄질 수 있도록 세척하였다.

자갈 제염 시 효과적인 제염제를 선택하기 위하여 물, 계면활성제, 질산으로 각각 자갈을 세척하였다. 특히, 산 농도에 따른 제염효율을 알아보기 위해 0.01 M ~ 1 M의 범위로 변화시켜 세척하였다.

제염효율이 낮은 자갈에 대해서는 제염효율을 높이기 위해 방사능 오염 자갈을 파쇄장치로 파쇄하여 2 mm이상과 이하로 나누어 세척하였다. 파쇄한 자갈의 세척제염은 파쇄자갈의 용량이 작아 자체 제작한 세척장치를 이용하였다(Fig. 4). 장치의 구조는 크게 용기 역할을 하는 본체와 파쇄자갈을 교반시키는 임펠러로 나뉘며, 세척원리는 장치 본체에 시료 및 제염제를 넣은 후 RPM 조절이 가능한 임펠러를 회전시켜 일정시간 동안 세척제염을 수행하였다. 이 장치를 이용하여 먼저 세척용기에 시료와 제염제를 1 g : 2 mL비율로 주입하고, 120 rpm으로 4 시간 동안 교반시켜 세척제염을 수행하였다. 세척한 시료는 105℃에서 1 시간 건조시킨 후 방사능 농도를 측정하였다. 한편, 분쇄한 방사능 오염 자갈의 세척제염은 파쇄 후 분쇄장치를 이용하여 분쇄한 다음, Fig. 4의 세척장치를 이용하여 위와 동일한 방법으로 세척하였다.

Fig. 4.Pulverization-gravel washing equipment.

2.3 분석방법

우라늄은 알파 핵종으로 자갈 중 우라늄 농도를 직접 측정하기가 쉽지 않아, U-238 → Th-234 → Pa-234m의 감쇄 체인으로부터 Pa-234m의 감마선 (1001 KeV)을 이용하여 간접적으로 측정하였다. 또한, 우라늄변환시설의 해체에서 채취한 자갈은 시료의 오염이 수십년 전에 발생하였으므로 U-238, Th-234 (반감기 24.1일)와 Pa-234m (반감기 1.17 분)간의 방사평형이 충분히 이루어졌다고 판단된다. 측정기기로는 고순도 게르마늄 검출기를 가진 γ-spectrometry (Canberra, Genie 2000)를 이용하였으며, 시료용기는 한국표준 연구원에서 제작한 80 mL와 1000 mL의 마리넬리비이커를 사용하였다. 방사능 농도 분석을 위한 측정 시간은 시료의 오염 농도에 따라 달리하며 약 4~8 시간 측정하였다.

 

3. 결과 및 고찰

3.1 방사능 오염 자갈의 오염도 측정 및 세척제염

임의로 채취한 방사능 오염 자갈은 종류와 관계없이 무게로 나누어 자갈을 구분하고 방사능을 측정하였다. 그 결과 자갈에 오염된 방사능은 우라늄으로 확인되었으며, 토양 세척법을 적용하여 자체 제작한 자갈 세척장치로 제염을 실시하였다(Fig. 5). Table 1은 세척 전 우라늄 농도와 세척제염을 수행한 후 우라늄 농도를 나타냈다. 세척제염하기 전우라늄 오염 자갈의 농도는 1.2 ~ 5.8 Bq/g이고, 평균 농도는 2.7 Bq/g이었다. 우라늄 농도는 자갈의 무게가 가벼울 수록 높은 경향을 보였다. 2회 세척제염 후 우라늄 농도는 0.6 ~ 3.5 Bq/g이고, 평균농도는 1.7 Bq/g으로, 1회 세척 결과와 큰 차이가 없었다. 따라서 1회 세척만으로 자갈표면에서 제염 가능한 우라늄이 제거되는 것을 알 수 있었다.

Fig. 5.Gravel washing.

Table 1.Radioactivity of gravels before and after 1st and 2nd washing

세척 후 일부 시료는 자체처분허용농도를 충족한 반면, 대부분의 시료는 그렇지 못하였다. 그 이유는 오랫동안 방사능에 노출된 자갈이 산화되는 과정에서 우라늄도 함께 자갈 내부로 침투함으로써 자갈 내부까지 오염이 진행된 것으로 판단된다. 결국 자갈 표면에 오염된 우라늄은 세척만으로 제염이 가능하나, 자갈 내부까지는 세척이 이뤄지지 못하기 때문에 자갈표면을 세척하는 것만으로 원하는 제염효율을 얻을 수 없었다.

3.2 최적 제염제 선정

증류수, 계면활성제, 질산 중 우라늄으로 오염된 자갈의 제염으로부터 최적 제염제를 선정하기 위한 실험을 통하여 Table 2를 얻었다. 이 표에서 우라늄 오염 자갈의 초기농도는 2.1~22.4 Bq/g이었으며, 좀 더 정확한 비교를 위해 각 제염제를 적용한 실험 시 최대한 유사한 농도의 우라늄 오염 자갈을 선택하여 세척제염하였다. 그 결과, 증류수는 제염효율이 가장 낮게 나타났으며, 계면활성제는 증류수보다 제염이 잘되었는데, 특히, 우라늄 농도가 19.4 Bq/g인 고농도 우라늄 오염 자갈에서 제염효율이 높게 나타났다. 한편, 질산을 제염제로 사용하였을 때 대부분의 우라늄 오염 자갈에서 다른 제염제보다 우수한 제염효율을 보였으며, 고농도 우라늄 오염 자갈의 경우 약 50% 정도 제염효율을 보였다. 이처럼 우라늄으로부터 오염된 자갈을 제염하기 위해서는 제염제로 질산을 사용하는 것이 증류수와 계면활성제를 사용하는 것 보다 좀 더 유리한 것으로 확인되었다.

Table 2.* 25 g of surfactant was dissolved in 1.0 L water.

최적제염제로 질산을 선정한 후 제염제의 산 농도에 따른 제염효율을 확인하기 위하여 제염액의 산 농도를 0.01 M, 0.1 M, 0.15 M, 0.5 M, 1.0 M로 달리하여 우라늄 오염 자갈의 세척제염을 수행한 결과, 예상과 달리 0.1 M에서 가장 높은 제염효율을 나타내었다(Table 3).

Table 3.Removal efficiency of uranium as a function of the concentration of nitric acid

3.3 자갈파쇄 후 제염

우라늄으로 오염 된 자갈의 제염효율을 높이기 위해서는 자갈 내부까지 오염된 우라늄을 제염할 필요가 있다. 따라서 물리적으로 파쇄한 후 세척제염을 실시하였다. 우라늄 오염 자갈을 파쇄장치로 파쇄하고, 공극 2 mm체로 쳐서, 분리하여 세척제염을 수행하였다(Fig. 6).

Fig. 6.Assortment of crushed gravel (larger than 2 mm: left, smaller than 2 mm: middle).

파쇄자갈의 초기 우라늄 농도는 2 mm이하의 자갈이 12.9 Bq/g으로 2 mm이상의 자갈 (7.6 Bq/g)보다 약 2배 높았다(Fig. 7). 세척제염 횟수를 자체처분허용농도 이하로 낮추기 위해 우라늄 농도가 1.0 Bq/g보다 낮게 될 때까지 세척제염을 반복하였다. 그 결과, 2 mm이상의 파쇄자갈은 비교적 높은 제염효율을 보였으나, 1 회 세척제염 이후 우라늄이 더 이상 제거되지 않았으며, 자체처분허용농도까지 제염되지 않았다. 반면, 2 mm이하의 파쇄자갈은 세척제염 횟수를 3 회 수행하였을 때 우라늄 농도가 0.7 Bq/g으로 나타났다. 제염효율은 약 94%였으며, 자체처분허용농도 이하를 만족 하였다. 이와 같이 우라늄 오염 자갈을 파쇄하여 세척제염한 결과, 파쇄자갈의 크기가 크면 세척제염하는데 한계가 있는 반면, 파쇄자갈의 크기가 작을수록 표면적이 넓어짐에 따라 세척이 훨씬 더 용이한 것으로 나타났다. 또한, 세척횟수는 파쇄자갈의 크기가 클 때는 효과가 없지만, 파쇄자갈의 크기를 작게 했을 때 세척횟수의 증가는 제염효율을 점점 증가시키는 것으로 확인되었다.

Fig. 7.Variation of uranium radioactivity according to the washing number.

3.4 분쇄 후 제염

자갈의 세척횟수가 늘어날수록 그에 따른 세척제염 후 발생하는 폐액량이 증가하여 향후 폐액처리에 따른 2차 방사성폐기물 발생량에 영향을 준다. 앞서 실험결과와 같이 파쇄 자갈의 크기가 작을수록 세척제염이 쉽게 이뤄짐에 따라 파쇄자갈을 1 mm이하 크기로 분쇄하여 세척제염을 실시하였다. Table 4는 분쇄하기 전 자갈의 우라늄 농도가 3.78 Bq/g인 시료를 대상으로 파쇄하여 분쇄한 후 세척제염 한 결과, 1 회 세척으로 우라늄 농도가 5.0 Bq/g에서 0.6 Bq/g로 88%의 제염효율을 보이는 것으로 확인되었다.

Table 4.Removal efficiency of uranium in pulverized gravel

오염된 자갈은 우라늄 농도가 낮은 것도 있지만, 높은 우라늄 농도를 갖는 자갈도 상당량 있기 때문에 이들에 대한 세척제염 여부를 확인할 필요가 있다. 초기 우라늄 오염 농도가 14.6 Bq/g인 자갈을 파쇄하여 1 mm이하로 분쇄한 후, sieve를 이용하여 체분리를 실시하였다. 체분리는 0.075 mm이하, 0.075-0.45 mm, 0.45 mm-1.0 mm기준으로 구분한 후 세척제염을 수행하여 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 분쇄자갈의 크기별 우라늄 농도는 0.075 mm이하의 분쇄자 갈에서 다른 크기의 분쇄자갈보다 높게 나타났다. 3회 세척제염을 수행한 결과, 0.075 mm이하 분쇄자갈은 초기 우라늄 농도 17.9 Bq/g에서 0.7 Bq/g으로 제염효율은 95.8%를 보였다. 또한, 0.075-0.45 mm입자는 초기 우라늄 농도는 12.1 Bq/g에서 1.3 Bq/g으로 제염효율 89.5%를, 0.45 mm-1.0 mm입자는 초기 우라늄 농도 10.1 Bq/g에서 1.2 Bq/g으로 제염효율은 88.1%를 나타내었다. 이처럼 세가지 조건 모두 높은 제염효율을 보였다. 특히, 분쇄자갈의 크기가 0.075 mm이하인 분쇄자갈은 1회 세척제염만으로 자체처분 허용농도 이하로 제염되므로, 우라늄 오염 자갈의 크기가 작으면 작을수록 오염자갈로부터 우라늄을 제염하는 데 조금 더 효과적인 것으로 확인되었다.

Fig. 8.Removal efficiency of uranium from pulverized gravel.

 

4. 결론

원자력시설에서 발생한 방사능 오염 자갈을 자체처분 허용농도(천연우라늄 기준 1.0 Bq/g) 이하로 제염하기 위해 토양세척법을 적용하여 기초실험을 수행하였다. 세척제염을 수행하기 전 우라늄 오염 자갈의 우라늄 평균 농도 2.7 Bq/g이고, 세척제염 후 우라늄평균농도는 1.6 Bq/g으로 나타났다. 제염제로는 증류수, 계면활성제, 질산 중 질산이 다른 제염제보다 높은 제염효율을 보였다. 또한, 질산을 이용한 제염제의 산 농도 0.01 ~ 1.0 M영역에서 제염효율을 비교한 결과, 예상과 달리 산 농도 0.1 M에서 가장 좋은 제염 효율을 보였다.

그러나 자갈이 단순세척으로는 자체처분허용농도 이하로 제염되지 않으므로 제염효율을 높이기 위한 파쇄 후 세척제염한 결과, 2 mm이상의 자갈은 파쇄 전 시료의 세척결과와 비슷한 반면, 2 mm이하의 자갈은 3 회 세척제염 후 자체 처분허용농도 만족하였다. 파쇄자갈을 1 mm이하로 분쇄하여 세척제염한 결과, 평균 90%이상의 높은 제염효율을 얻을 수 있었으며, 특히, 0.075 mm이하인 분쇄자갈은 1 회 세척제염만으로 자체처분허용 농도를 만족하였다.

따라서 우라늄 오염 자갈을 효과적으로 제염하기 위해서는 자갈을 0.075 mm이하로 분쇄한 다음, 제염제로 질산을 이용한 0.1 M에서 세척제염하는 것이 제염시간을 단축하고 높은 제염효율을 얻는 가장 효과적인 방법으로 판단된다.