원자로 냉각재와 감속재로 중수(D2O)를 사용하는 가압중수로(PHWR)형 원자력발전소는 발전소 운전 중 중성자를 포획해 삼중수소가 생성되며 원전의 가동 경년이 증가함에 따라 삼중수소의 양도 축적, 증가한다.
삼중수소의 증가는 운전원과 정비원들의 방사선 피폭을 초래하고 원전 주변지역 방사선에 의한 환경오염을 증가시켜 삼중수소를 제거하기 위한 설비의 필요성은 대두돼 왔다.
이에 지난 99년부터 정부와 한수원은 동 설비 설치계획을 수립, 가압중수로형 원전인 월성원전에 설치키로 했다.
방사선에 의한 원전주변 지역의 환경오염 방지와 작업자의 방사선 쪼임량 저감화에 기여할 동 설비의 설치와 가동은 인간중심의 원자력발전, 환경친화적 원자력발전 등의 이미지 구축에 적지 않은 영향력을 행사할 것으로 기대된다.
가압중수로형 원자력발전소 운전 중 발생·축적된 삼중수소는 ‘삼중수소 치환’(TDP : Tritium Displacement Program)법을 적용해 농도를 저감시키거나 ‘삼중수소 제거설비’(TRF : Tritium Removal Facility)를 사용해 완전히 제거하는 방법 등이 있다.
두 가지 방법 중 삼중수소 제거설비를 사용해 삼중수소를 제거하는 방법이 월성원자력본부(본부장 이철언)에 적용되며 동 설비는 오는 2005년 6월 완공될 계획이다.
월성원전 ‘TRF 설치 공사’는 월성원전 2·3·4호기 건설인허가 당시 ‘삼중수소 저감화 대책 수립·추진’이란 정부의 요구에 따른 것으로 이후 지난 99년 9월 한국수력원자력(주)는 오는 2005년까지 동 설비를 설치한다는 ‘삼중수소제거설비 건설 기본계획’을 수립했다.
AECL·한수원 종합 설계계약 체결
건설기본계획 수립 이후 한수원은 지난 2000년 11월 캐나다 원자력공사(AECL)와 종합설계계약을 체결, AECL은 국내에서 개발된 촉매와 촉매탑을 제외한 설비 전반에 대한 설계업무와 종합적인 성능보증 등의 업무를 수행한다.
한국전력기술(KOPEC, 사장 정경남)이 토목, 건축, 보조계통(BSI 70000), 중수공급 및 생산계통 등의 설계업무를, 캐나다 Kinectrics社가 초저온증류계통(Cryogenic Distillation)의 설계 담당하는 등 총 2개社가 총체적인 설계업무를 수행한다.
국내기술진이 개발한 촉매탑(LPCE Colume) 설계는 한국전력공사(사장 강동석) 산하 전력연구원이 수행하며 촉매는 지난해 8월 한국원자력연구소(소장 장인순)와 한수원 간 백금촉매 공급계약 체결 이후 현재 원자력연구소가 백금 촉매를 제작 중에 있다.
지난해 9월 경주시청으로부터 건축허가를 취득한 한수원은 금년 1월 대우건설과 두산중공업 공동도급(80:20)으로 시공계약을 체결했으며 지난 2월 월성 현장에서 지역주민대표와 건설사 관계자, 한수원 관계자와 정부관계자 등이 참여한 가운데 기공식을 갖고 착공에 들어갔다.
지난 8월 콘크리트 타설 등 토목공사와 구조물 공사 등으로 시작된 ‘TRF 설치공사’는 건설계획에 따라 오는 2004년 12월 촉매탑과 초저온 증류탑 설치가 완료될 계획이며 오는 2005년 1월 시운전에 들어갈 계획이다.
원성원전의 삼중수소 제거설비
KOPEC과 캐나다 Kinectrics社의 안전성과 경제성이 고려된 설계에 따라 건설되는 원성원전의 삼중수소제거설비는 월성원전 2호기와 3호기 사이 중간지점의 34m×33m 부지 위에 지하1층 지상 3층 연건편 4130㎡의 규모로 지상부는 철골조로 지하부는 철근 콘크리트 구조로 들어선다.
원전 2호기와 3호기 사이에 설비가 들어서는 것은 설비 준공 후 중수의 배관이송, 운전에 필요한 ▲전원 ▲증기 ▲냉각수 등 보조계통의 운전 편의성과 건물 시공성 등이 고려된 것이다.
건물 내부는 ▲서비스 구역 ▲운전구역 ▲공정(기기) 구역 등 3개의 주요 시설구역으로 구분되며 3개의 시설구역은 수소의 잠재적인 위험성이 상대적으로 높은 사업환경과 낮은 지역을 구분하는 설계에 따라 삼중수소를 함유한 공정계통의 대기가 다른 계통의 대기와 혼합되는 것을 막기 위해 각각 격리된다.
기존호기 중수공급설비와 TRF로 오가는 중수급수 및 냉각수 등 각종 보조설비와 연결배관은 새로운 전용 터널이 설치되고 운전시는 In line으로 중수가 이송 돼 이송 중 중수가 누설되지 않도록 했다.
위 같이 설치 될 월성원전 TRF의 중수 처리용량은 100kg/h이며 1회 처리를 통해 중수 중 삼중수소 농도를 처음 농도의 97%까지 제거할 수 있다.
또 정상운전시 80% 이상의 가동율로 운전될 TRF는 감속재 및 냉각재의 삼중수소농도를 각각 10Ci/kg 와 1Ci/kg 이내로 낮춰 월성원전 1호기의 삼중수소 농도를 현재 수치의 약 1/6 수준으로 유지시킬 계획이다.
월성원전 TRF의 설비용량 100kg/h는 세계 최초로 설치·운영되고 있는 캐나다 달링톤 발전소 TRF 처리용량 350kg/hr에 비해 규모면에서 차이가 있으나 달링톤의 설비가 캐나다 내 20여기의 중수로 원전의 삼중수소를 처리하는 사실과 월성설비는 4개 호기만 담당한다는 사실을 감안하면 설비용량은 충분할 것으로 판단된다.
삼중수소 처리 주요공정
삼중수소 처리 공정은 크게 ▲삼중수소 분리공정 ▲삼중수소 농축공정 ▲삼중수소 저장공정 등 3단계 공정으로 분류된다. <표>
1단계 삼중수소 분리공정은 삼중수소에 오염된 중수로부터 삼중수소 기체 밍 증수를 분리하는 공정이다.
월성원전 TRF의 삼중수소 분리공정은 현재 캐나다 달링톤 TRF에서 운영중인 ‘기상촉매교환공정’보다 높은 효율을 나타내고 있는 ‘액상촉매교환공정’을 채택했다.
동 기술은 한국전력공사 산하 전력연구원과 한국원자력연구소 등이 공동 개발해 낸 순 우리 기술로 지난 90년 이후 삼중수소제거에 적용되던 전기분해공정이나 달링톤 TRF의 기상촉매교환공정 보다 효율성이 뛰어난 것으로 알려져 있다.
2단계 삼중수소 농축공정은 1단계에서 분리된 삼중수소 기체에서 중수소 및 삼중수소를 분리해 중수소는 기체로 삼중수소는 액체상태로 분리, 농축시키는 과정이다.
월성원전 TRF는 수소동위원소 사이의 끓는점 차이를 이용해 농축하는 ‘초저온증류법’을 적용한다.
중수소와 삼중수소의 액화온도를 유지하기 위한 초저온 냉매로는 액화수소나 저온 헬륨가스가 사용되고 있으나 월성원전 TRF는 헬륨가스를 냉매를 사용한다.
초저온증류탑 운영온도가 영하 250℃이므로 단열이란 문제점이 발생한다.
대기와의 온도차가 매우 커 진공단열(10-5 torr 이하)이 필요하며 이에따라 초저온 증류탑은 ‘cold box’ 내에 설치된다.
이외에도 복사에 의한 열전달을 방지하기 위해 다층반사단열재가 설치된다.
3단계 삼중수소 저장공정은 최종적으로 처저온증류탑 하부에서 생산된 99%의 고순도 삼중수소를 티타늄(Ti) 스폰지에 수소화물 형대로 고정화시켜 안전하게 보관하는 단계이다.
안정된 티타늄금속에 삼중수소를 흡수시키는 것은 수백℃의 고온에서도 안정된 금속화합물형태의 삼중수소화티타늄(TiT3)을 형성시켜 스테인레스 용기 속에 안전하게 저장된다.
중수 재활용
경제적 효과 기대
월성원전은 오는 2005년 1월 시운전을 거쳐 6월 준공 이후 동년 말 본격적인 가동에 들어 갈 계획이며 현재 삼중수소농도가 가장 높은 월성원전 1호기의 중수를 우선적으로 처리할 계획이다.
월성원전 1호기의 중수중 감속재계통의 삼중수소농도는 75Ci/kg에서 최대 10Ci/kg 이내로, 냉각재계통의 삼중수소농도는 2Ci/kg에서 최대 1Ci/kg 이내로 낮춰 상당량의 삼중수소 준위가 감소하게 될 것으로 기대된다.
이에따라 환경으로 방출되는 삼중수소량은 현재보다 약 80% 이상 저감될 것으로 보이며 운전원과 작업자 등 원전 종사자들의 방사선 쪼임량도 기존 보다 약 50% 정도 감소될 것으로 기대된다.
동 설비의 가동은 월성원전의 수명연장 시나 폐로작업시에 다량의 중수 중의 삼중수소를 제거해 고가의 중수를 재활용할 수 있는 경제적인 효과도 자져올 것으로 기대된다.
이외에도 설비 운영을 통해 부산물로 얻게될 최대 6MCi/년 정도의 순수한 삼중수소는 향후 중요한 산업자원으로서 그 활용도가 기대된다.
군사적용도 이외에도 삼중수소는 현재 의료분야에 백혈구 검사, 의료용 추적자 등에 사용되며 밀도측정, 야광조명, 특수 형광체 제조 등 광범위한 분야에 사용되고 있다.
/자료제공=월성원자력본부
정리 : 최동혁 기자 free@epowernews.co.kr
