원전 해체 시 금속 표면의 방사성 오염 물질에 대한 레이저 제염 공정에 관한 연구

Abstract

세계 각국에서 주요 에너지원으로 사용되고 있는 원자력 발전소의 에너지는 다른 발전 방식에 비하여 높은 효율을 가지고 있으나 핵 물질로 인한 많은 위험이 존재한다. 특히 원전 해체 시 핵 물질을 포함하고 있는 시설 및 방사성 폐기물에서 방사성 물질이 방출되기 때문에 인체 및 생태계에 심각한 위해를 끼칠 수 있다. 따라서 방사성 오염 물질이 외부로 확산되는 것을 방지하고 방사능 준위를 낮추는 제염 공정은 필수적이다. 원전 해체 시 제염 공정은 화학적 및 기계적 제염 방식이 주로 사용되고 있다. 그러나 기존의 제염 방식은 폐용액, 폐연마재 및 퓸(fume) 등 다량의 2차 폐기물이 발생하며, 밀폐된 공간에서의 작업으로 인한 작업자의 안전 문제를 야기한다. 반면 레이저 제염 기술은 협소 구역 및 복잡한 형상에 대한 작업이 비교적 쉽고 원격 작업이 가능하여 작업자의 피폭에 대한 위험을 방지할 수 있으며, 우수한 제어성으로 인하여 정밀한 작업이 가능하다. 또한 친환경 열원인 레이저를 이용하여 재료 표면의 오염 물질을 증발시켜 제거함으로써 2차 폐기물 양이 매우 적다. 이러한 이점으로 인하여 반도체, 자동차, 선박 및 항공기 등에 적용되고 있는 레이저 클리닝 기술을 기반으로 원전 해체에 적용하고자 한다. 현재 원전 해체 분야에서의 레이저를 이용한 제염 기술의 수준은 초기 단계이며 기존의 제염 기술을 대체하고자 다양한 연구가 진행 중이다. 기존의 제염 기술을 대체하고 영구 정지된 고리 1호기 및 월성 1호기의 해체 작업에 적용하기 위하여 레이저 제염 기술을 확보하는 것이 시급하다. 본 연구에서는 평균 출력 100W의 큐스위칭(Q’switching) 파이버 레이저를 이용하여 금속 기판(STS304 및 A6061) 표면의 Ni-ferrite 코팅층을 제거하기 위한 레이저 제염 실험을 진행하였다. 이때 코팅층은 실제 원전 해체 작업 시 금속 표면에 침적된 산화물의 주요 성분인 Ni-ferrite를 이용하여 모사 산화막 시험편을 제작하였다. 실험은 레이저 빔 패턴(beam pattern), 비초점 거리, 에너지 밀도, 스캔 횟수, 빔 중첩 비율 및 평균 출력 등의 공정 변수에 따른 레이저 제염을 실시하였다. 이와 같이 다양한 공정 변수 제어에 따른 레이저 제염 효율을 계산하여 최적의 조건을 도출하였으며, 얻어진 결과를 통해 제염부의 기계적 및 재료학적 특성을 분석하였다. 공정 변수의 영향을 살펴본 결과, 빔 패턴에 따라서 코팅층의 제거 특성이 다르게 관찰되었다. 따라서 원자력 시설의 기기 및 부품의 다양한 형상에 따라서 적합한 빔 패턴을 선정하는 것이 중요하다. 비초점 거리는 시험편 표면에 조사되는 레이저 빔의 직경을 결정하여 에너지 양이 달라지는 것을 확인하였다. 또한 초점 거리 0mm(𝑓d=0mm)와 유사한 제염 결과를 나타내는 비초점 거리의 범위를 도출하였다. 에너지 밀도, 스캔 횟수, 빔 중첩 비율 및 평균 출력은 재료 표면으로의 입열량을 결정하여 코팅층 제거량에 영향을 미쳤다. 입열량이 증가하면 코팅층의 제거량이 증가하였으나 표면에 변색이 발생하였다. 따라서 적절한 조건을 찾는 것이 중요하다. 또한 단위 시간당 코팅층의 제거량은 작업 시간을 결정하는 중요한 요소이기 때문에 레이저 제염 효율을 계산하여 구하였다. 이를 통하여 상대적으로 스캔 시간 빠르고 스캔 횟수가 적은 조건이 가장 효율적인 것을 확인하였다. 본 연구 결과는 원자력 시설의 방사성 오염 물질에 대한 레이저 제염의 적용 가능성을 확인하고 향후 원전 해체 시 레이저 제염 기술의 중요한 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.|The energy of nuclear power plants, which are used as a major energy source in many countries around the world, has higher efficiency than other power geration methods, but there are many risks due to nuclear materials. In particular, since radioactive materials are released from facilities and radioactive waste containing nuclear materials during nuclear power plant decommissioning, it can cause serious harm to human and the ecosystem. Therefore, a decontamination process that prevents radioactive contaminants from spreading to the outside and lowers the level of radioactivity is essential. During decommissioning of nuclear power plants, chemical and mechanical decontamination methods are mainly used in the decontamination process. However, the existing decontamination method causes a safety problem for workers due to work in an enclosed space along with the generation of a large amount of secondary waste such as waste solution, waste abrasive, and fume. On the other hand, laser decontamination technology is relatively easy to work on narrow areas and complex shapes, and remote work is possible to prevent the risk of exposure to workers, and precise work is possible due to excellent controllability. In addition, the amount of secondary waste is very small by evaporating and removing contaminants on the surface of the material using a laser, which is an eco-friendly heat source. Due to these advantages, it is intended to be applied to nuclear power plant decommissioning based on laser cleaning technology applied to semiconductors, automobiles, ships, and aircraft. Currently, the level of decontamination technology using laser in the field of nuclear power plant decommissioning is in its early stages, and various studies are being conducted to replace the existing decontamination technology. It is urgent to secure laser decontamination technology in order to replace the existing decontamination technology and apply it to the decommissioning work of the permanently suspended Kori Unit 1 and Wolseong Unit 1. In this study, a laser decontamination experiment was conducted to remove the Ni-ferrite coating layer on the surface of metal substrates(STS304 and A6061) using a Q-switching fiber laser with an average power of 100W. At this time, as the coating layer, a simulated oxide film specimen was produced using Ni-ferrite, a major component of oxide deposited on the metal surface during the actual nuclear power plant decommissioning work. Laser decontamination was performed according to process parameters such as laser beam pattern, defocused distance, energy density, number of scans, beam overlap rate, and average power. As such, the optimal conditions were derived by calculating the laser decontamination efficiency according to the control of various process parameters, and the mechanical and material properties of the decontaminated area were analyzed through the obtained results. As a result of examining the influence of process parameters, the removal characteristics of the coating layer were observed differently depending on the beam pattern. Therefore, it is important to select an appropriate beam pattern according to various shapes of devices and parts of nuclear facilities. It was confirmed that the amount of energy varied by determining the diameter of the laser beam irradiated on the surface of the test piece. The results of this study confirm the applicability of laser decontamination to radioactive contaminants in nuclear facilities and are expected to be used as important data for laser decontamination technology in the future of nuclear power plant decommissioning. It was confirmed that the defocused distance varied in the amount of energy by determining the diameter of the laser beam irradiated on the surface of the specimen. In addition, a range of defocused distance showing decontamination results similar to the focal length of 0 mm(𝑓d=0mm) was derived. Energy density, number of scans, beam overlap rate, and average power determined the amount of heat input to the material surface and thus affected the amount of coating layer removal. As the heat input increased, the removal amount of the coating layer increased, but discoloration occurred on the surface. Therefore, it is important to find the appropriate conditions. In addition, since the removal amount of the coating layer per unit time is an important factor in determining the working time, the laser decontamination efficiency was calculated and obtained. Through this, it was confirmed that the conditions where the scan time was relatively fast and the number of scans was small were the most efficient.