It is important to emphasize that the current trend to longer fuel cycle (1824 month) has complicated the dilemma of finding optimum chemical condition for the primary coolant because of some problems such as increase of radioactive corrosion product, possibility of axial offset anomaly and so on. Radioactive corrosion products which are generated by the neutron activation of general corrosion products at a nuclear power plant are the major source of occupational radiation exposure.
There are several ways to reduce the radiation levels around the primary water system. For example, improving the coolant purification system, operating at high pH, the adopting materials with low levels of cobalt in the primary coolant system and decontaminating the primary system more frequently. The representative method for CRUD reduction is the high pH operation that controls the deposition of general corrosion products using solubility difference in the primary coolant system. The pH value of 7.4 has been suggested as suitable pH value in many experiments and researches. However, it is difficult to operate on the high pH chemistry at the long term fuel cycle (1824 month cycle) due to high boron concentration. The concentration of lithium that works as chemical agent with boron in order to control pH of the primary coolant is restricted because of possibility of Li-Zr stress corrosion cracking related to nuclear fuel damage. Therefore, it is important to emphasize that current movement to long term fuel cycle has increased the difficulty of pH optimization. Amounts of CRUD generation at long term fuel cycle expect to increase compared to 12 month fuel cycle owing to difficulty of high pH operation.
Not only passive ways for CRUD reduction but also active methods for CRUD removal are required at a long term fuel cycle. During the power operational period, the crud in the primary coolant is generally removed at the chemical volume control system (CVCS), which controls the concentration of chemicals that is boron and lithium. At the shutdown, the primary coolant water is treated through various chemical processes for crud removal. Ion exchangers mainly remove the soluble form, while physical filters remove particulate. However, physical filters have the disadvantage of being unable to operate continuously because of the pressure drop caused by filter clogging.
Most crud elements (nickel ferrite, magnetite and so on) are strongly ferrimagnetic. A magnetic filter that uses permanent magnets can be applied efficiently under extreme conditions such as high temperature and high pressure. The system we have developed is comprises two main parts: a separator and a driving motor. The separator consists of an inner assembly and an outer magnet assembly, a fluid channel and a container surrounding the outer magnet assembly. The fluid channel is located between the inner and outer permanent magnet assemblies. As corrosion products in the fluid pass through the channel between the magnet assemblies, they move toward nearby magnets became of the strong magnetic field. They then move toward the rotating direction of permanent magnets, which are rotated by a driving motor connected to the separator.
원자력발전소 일차계통내에는 일반적인 부식물이 노심내에서 중성자속에 의해 방사화되어 방사성 원소로 바뀌는 현상이 발생한다. 이때 발생되는 것을 방사화 부식생성물(일명:크러드)이라 하며, 이는 원자력발전소 종사자의 피폭에 주요한 원인으로 보고 되고 있다. 전세계적으로 크러드를 저감화시키는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 현재 적용중인 가장 대표적인 저감화 방안으로는 부식물의 용해도차이를 이용한 고 pH 운전이다. 국내 PWR 원전에서도 대부분 고 pH 운전을 채택하고 있으며, 작업자 피폭의 저감효과를 가져오고 있다. 최근 원자력발전소의 운전추세는 발전단가의 경제성 재고를 위하여 12개월 운전주기에서 18개월 운전주기로 전환하였으며, 궁극적으로는 24개월 주기로의 운전을 목표로 하고 있다. 그러나 장주기 운전은 원자력 발전소의 일차계통내의 화학조절의 핵심인 고 pH 운전에 제약이 되고 있다. 운전 초기 과도한 붕산의 양이 필요로 함으로써 pH를 높이지 못하여, 크러드 발생이 증가할것으로 예상되어 본 연구에서는 전산코드를 이용하여 이를 정량적으로 예측하였다. 그 결과 24개월 주기 운전 시 18개월 주기 운전보다 약 20-30% 정도의 크러드 발생이 증가하는 것으로 예상되었다. 또한 반응도 조절을 위해 주입되는 붕산을 천연붕산 대신 농축붕산을 이용하여 시뮬레이션 한 결과 고 pH운전 기간이 길어져 크러드 저감에 좋은 방법임을 확인하였다.
크러드의 주요성분으로는 스피넬 구조를 가진 니켈 페라이트라고 알려져 있으며(그 이전의 연구에서는 마그네타이트라는 연구결과도 있음), 이는 자기장에 의해 지배될수 있는 강자성 물질이다. 이러한 자기적 성질을 이용하여, 위에서 언급한 크러드 발생 저감화 방안 뿐만 아니라 발생된 크러드를 제거할 수 있는 방법을 개발하였다. 최근 영구자석 제조기술이 급격히 발달하여 영구자석만으로도 큰 자기장 형성이 가능하게 되었다. 본 연구에서는 희토류(Nd) 자석을 적절히 배치하여 물속에 존재하는 크러드(강자성 물질)를 분리할 수 있는 마그네틱 필터링 장치를 개발하였다. 제작된 필터링 장치의 핵심인 분리기는 크게 유로 용기 및 내외측 자석 어셈블리로 구성되어 있으며, 이 자석 어셈블리가 유로 용기의 내부와 외부에 각각 마주보게 설치되어 같은 회전속도로 회전하게 된다. 유로 용기내에 흐르는 유체내에 포함된 강자성 물질은 자기장의 영향을 받아 유로 용기 아래쪽 구석으로 모이게 되며, 정화된 물은 용기 윗부분에 설치된 출구로 배출되는 원리이다. 이 장치의 특징으로는 기존에 연구되었던 전자기필터와는 달리 에너지 의존성이 작으며, back-flushing 작업이 없기 때문에 연속적인 운전이 가능하며, 일반적인 물리적 필터(mesh type)에서 발생되는 압력저하(pressure drop) 문제 또한 해결할 수 있으리라 판단된다.
실험실 스케일로 장치를 제작하여 실험한 결과 약간의 차이가 존재하지만 파우터 형태(평균 5㎛)의 니켈 페라이트, 코발트 페라이트, 마그네타이트 90% 이상의 높은 분리 효율을 나타내었다. 실제 원자력 발전소에 존재하는 방사성 부식생성물은 상당히 저농도로 존재하기 때문에 가능한한 적은 농도로 실험하여야 하나, 실험적인 오차로 인해 10ppm에서 실험을 실시하였다. 분리기 내를 지나는 유체의 속도가 가장 큰 영향을 미치는 요인이었으며, 입자크기 또한 효율에 많은 영향을 미치는 변수임을 확인하였다. 그리고 유로용기 내외측에서 회전하는 자석 어셈블리의 회전 속도 또한 분리 효율에 일부 영향을 주었다. 이를 분석하기 위해 전산유체코드인 Fluent 6.0 코드를 이용하여, 효율을 최대화 할 수 있는 적정의 유속을 도출하였으며, 실험결과와의 비교에서도 일부 결과(마그네타이트, 니켈페라이트)와 잘 일치하는 경향을 보여주었다.
입자크기가 작은 경우 (1~2㎛) 에는 분리 효율이 그다지 좋지 않게 나타나는 점에 주목하여 강자성 물질이라는 자기적 성질을 이용하여 불순물이 분리기에 들어가기 전 전처리 공정을 통하여 입자의 직경을 크게하는 연구가 수반될 필요성이 있다고 여겨진다. 이와 더불어 분리효율을 높이기 위하여 고려될 수 있는 여러 방안에 대해서도 연구가 필요하다.
