콘크리트 표면 제염기술

작성자 : 원자력환경기술원 황 태 원

1. 개요

원자력발전소의 제염,해체시 콘크리트 표면제염 및 절단 공정은 매우 중요한 공정이나 국내의 경우 이와 관련된 자료가 미흡하기 때문에 일본, 미국, 프랑스, 영국에서 수행한 연구결과와 실용사례를 중심으로 기술코져 한다.

콘크리트 제염의 경우 크게 일반적인 제염과 콘크리트 표면을 물리적인 힘에 의해 제거하는 콘크리트 파쇄기술이 이용 가능하며, 이들을 구분하여 기술하였다.

오염이 비교적 제거가 용이한 유리성 오염의 경우 일반적인 제염방법에 의해서 제염이 가능하며, 고착성 오염의 경우에는 제염보다는 콘크리트 면을 제거하는 파쇄기술이 더 유용하다 할 수 있다.

제염전에 필요한 사항으로서는 원자력시설이나 핫셀 바닥등의 콘크리트 표면의 오염정도는 균일하지 않고 국부적으로 오염도가 다른 부위가 있기 때문에 이러한 부위를 우선적으로 측정하여 확인하여야 한다.  그리고 표면 오염 제한치가 약 0.5 Bq/cm2이므로 이러한 수치까지 계측하기 위한 장비가 필요하며 알파,베타, 감마선을 모두 측정하여야 한다.

2. 콘크리트에 침투되는 방사성핵종의 특성

1979년 TMI 발전소의 사고시의 예를 중심으로 살펴볼 때, 이 사고로 인해 상당한 양의 오염된 물이 원자로 건물과 보조 및 핵연료 취급 빌딩으로 방출되었으며, 이로 인하여 건물 콘크리트 바닥이나 벽면등이 방사성물질로 오염되었다.  각 부위의 방사성 오염정도는 매우 다양하게 나타났다.

대부분의 바닥과 벽면은 특수한 에폭시 코팅으로 보호되어 있으나 시험 결과 방사성물질이 잔류한 것으로 나타났다.  특히 페인트 칠이 안된 콘크리트 부분이나 코팅 보호막이 벗겨진 부분은 콘크리트 내부로 방사성 물질이 상당량 침투한 것으로 조사 결과 나타났다.

원자력시설내 콘크리트 내부로 침투되는 방사성 핵종은 주로 Cs-137, Sr-90 및 Co-60으로 나타났으며 침투깊이는 Cs>Sr>Co 순인 것으로 판명되었다.  방사성핵종의 침투깊이는 콘크리트 종류 및 시설 사용기간에 따라 다르겠지만 최대 약 5mm 정도로 추정할 수 있다.

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3. 제염방법

제염방법중에는 건습식 연마기술(wet and dry abrasive blasting technique)과 표면 절단 공법이 널리 이용되어 왔다.  화학적인  제염방법을 적용할 경우에는 오염물질이 콘크리트 내부로 더 침투하기 때문에 차후 물리적인 제거를 위하여 작업양이 더욱 많아 진다.  특히 오염물질이 상당히 깊게 침투한 경우에는 화학적인 제염후에 표면은 깨끗하여 지지만 수 주일후 고농도의 오염물질이 내부에서 표면으로 이동하여 재오염이 되게 된다.

오염물질이 고착된 경우에는 표면을 일정 두께로 절단하는 방법이 매우 효과적이며 이 기술은 물리적으로 오염된 콘크리트 표면을 오염되지 않은 깊이까지 깍아내는 방법이다.  각 제염 방법별 원리 및 특성은 다음과 같다.

가. Vacuum Cleaning

○ 원리 : 표면에 약하게 부착되어 있는 분진 또는 방사성물질 제거

○ 작업능률 : 간단하고 저렴함

○ 문제점 : 낮은 제염효과, 홈이나 불규칙한 표면의 제염의 어려움,

오염확산 가능, 개인 피폭, 발화 또는 폭발 가능성 분위기에서는 사용 불가능

나. Brushing, Washing, Scrubbing

○ 원리 : 부드러운 표면의 마른천 또는 젖은 천으로 오염물질 제거

○ 작업능률 : 간단하고 저렴하며 비교적 제염효과가 높다.

방사성물질이 깊이 침투된 경우 연마분말/연마지 사용

○ 문제점 : 개인피폭, 오염확산 가능, 세제 사용에 따른 2차 폐기물 발생

다. 고압 물 또는 스팀 분사

○ 원리 : 고압, 고유속의 물 또는 포화스팀을 분출시켜 표면의 오염물질

제거

○ 작업능률 : 세제 또는 용해성 연마제(보론 산화물) 등을 첨가하면 제염효과 상승

○ 문제점 : 물을 재사용하지 않으면 다량의 액체폐기물 발생

라. 전기화학적 제염

○ 원리 : 콘크리트에 전기를 통하여 방사성핵종의 용출을 촉진

마. 오염고정화 도료막 (Fixative/Stabilizer coatings)

○ 원리 : 도료막을 형성하여 표면의 오염물질을 고정화

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바. 도료막 박리제염 (Strippable coatings)

○ 원리 : 도료막층을 형성한 후 도료막을 벗겨냄으로서 오염물질 제거

○ 작업능률 : 2차 오염에 따른 오염확산을 억제

미국 TMI-2의 보조건물, 콘크리트 바닥의 제염에 사용

사. 광에 의한 제염 (Light ablation)

○ 원리 : 빛에너지를 열에너지로 바뀌어 표면에서 도료막이나 오염물

제거

○ 작업능률 : 모재는 안전

○ 문제점 : 고온의 기체나 플라스마 섬광발생, 소음이 크다.

아. 극초단파 파쇄제염 (Microwave scabbling)

○ 원리 : 콘크리트 내의 수분을 가열하여 증기압에 의해 파쇄

○ 작업능률 : 현재 바닥면에만 기술의 적용이 국한

○ 문제점 : 분진, 표면의 틈새는 증기가 빠져나가는 통로로서 성능저하

차후의 벽면 및 천장에도 적용 기술개발

자. 화염제염 (Flaming)

○ 원리 : 고온의 화염으로 유기 오염물을 분해

○ 작업능률 : 제염효과 우수, 자동화 가능

○ 문제점 : 휘발성 물질을 생성, 연소성으로 폭발 위험

차. 플라스마 토치 제염

○ 원리 : 매우 높은 용융온도는 열팽창계수의 차를 이용하여 모재로부터 표면층을 제거

○ 문제점 : 산화방지를 위해 불활성 분위기 요구

*  콘크리트 표면 제염방법은 화학적 방법보다는 물리적으로 제염하는 방법이 보다 효과적으로 판단된다.

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3. 콘크리트 파쇄기술

가. 연마제염 (Grinding)

○ 원리 : 수냉각 연마휠 (wheel) 또는 디스크를 사용하여 표면 연마

○ 연마제로는 다이아 몬드 또는 텅스텐 카바이트 사용

○ 작업능률 : 정교하지 않은 표면연마에 적합

○ 문제점 : 분진발생으로 분진 제어시스템 필요

나. 파쇄 (Scabbler)

○ 원리 : 공압으로 작동되는 피스톤 헤드를 사용하여 표면에 충격을 주어 파쇄

○ 작업능률 : 오염된 콘크리트의 얇은 층의 제거에 적합한 기술

○ 문제점 : 다른 기술에 비해 분진 발생이 많고 분진제거효율도 저하

다. Drill과 spall

○ 원리 : 오염된 콘크리트에 30cm 일정 간격으로 구멍을 뚫고 spaller을 집어 넣어 압으로 파쇄

○ 작업능률 : 오염된 콘크리트 표면만을 제거학 위해 개발된 기술

표면으로부터 5cm 깊이 까지 침투된 오염물질을 제거

다른 기술에 비해 비오염콘크리트 발생량이 감소

○ 문제점 : 분진 처리

라. 탄환 폭풍 (Shot blaster)

○ 원리 : 고압, 고속의 공기중에 탄환을 혼합하여 충격으로 표면을 파쇄

○ 작업능률 : 작업효율이 매우 우수, 탄환을 회수 재사용

○ 문제점 : 분진, 수 mm 정도의 오염된 표면 깊이만을 제거

마. 모래폭풍 (Sand blaster)

○ 원리 : 고압고속 공기중에 모래를 혼합하여 층격으로 표면을 파쇄

○ 작업능률 : 작업효율이 탄환폭풍에 비해 저조

○ 문제점 : 분진

* 콘크리트 바닥은 작업효율이 우수하고 분진의 발생이 비교적 낮은 shot blaster 방법이, 벽면에 부분적으로 오염된 부위만 제거할 수 있는 drill과 spall 방법을 적용하는 것이 효과적일 것으로 사료됨

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4. 적용 사례

가. 미국 West Valley Demonsaton Project

○ 재처리시설의 콘크리트 바닥 제염

○ 미국 Pentek사에서 소규모 시험을 거쳐 단점을 보완한 수 □MOOSE" 절단장비 제작사용

○ 바닥의 1과 1/16인치 깊이만큼 절단 -- 99% 제거효율

○ 제염장비 특성 :

- 기계적인 공정만으로 수행하므로 물, 화학약품, 연마용 모래등을 사용하지 않음

- 2차 폐기물 발생량 최소화 및 고성능 진동 시스템을 사용함으로서 공기중 오염물질 비산 방지 가능

- 작업자의 방독면 착용 및 공기 공급을 위한 방독 마스크 착용필요가 없음

- 원격적으로 운전, 면적이 넓은 콘크리트 바닥이나 슬래브를 깍아냄.

나. Hanford내 Hot cell

○ PNL 1990년 DOE 지원하에 Hanford에 있는 Hot cell 제염,해체 프로그램 수행

○ air lock 구역내에서 고밀도 콘크리트의 페인트가 마모되어 기존으 제염방법으로는 제거할 수 없을 정도로 방사성물질이 침적됨

○ 콘크리트 표면 2.5cm 만큼 절단

○ 절단방법 : 기계적인 chipping 과 hydromilling한 후 hydraulic spalling 방법 선택

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