To comply with increasingly strict regulations for protection against radiation exposure, many nuclear power plants have continuously worked to reduce both the radiation sources within power plants and the radiation exposures of operational and maintenance personnel. Many research studies have shown that deposits of irradiated corrosion products on the surfaces of coolant systems are the main cause of occupational radiation exposure in nuclear power plants. These corrosion product deposits on the fuel clad surface are also known to be main factors in the onset of axial offset anomaly (AOA). Hence, there is a great deal of ongoing research into water chemistry and corrosion processes.
In the previous study, a magnetic filter using permanent magnets was devised to remove the corrosion products in the coolant stream, by taking advantage of the magnetic properties of the corrosion particles. Experiments using permanent magnets to filter the corrosion products demonstrated a removal efficiency of over 90% for particles above 5㎛. This finding led to the construction of an electromagnetic device, in this study, that causes the metallic particulates to flocculate into larger aggregates of about 5㎛ in diameter, using a novel application of electromagnetic flocculation on radioactive corrosion products.
Therefore, the cohesive device was set up before the PMF in order to increase the corrosion product removal rate. Experiments with the novel magnetic filter using permanent and electric magnets showed the highly improved removal rate for corrosion products. The removal efficiency of the PMF for very fine corrosion products was increased from under 70% to over 90%, under most concentrations.
발전소의 일차계통 내에서 침적되는 부식생성물의 화학조성은 상당히 가변적이지만 대부분은 화학적 성분비가 일정하지 않은 비 화학양론적 니켈페라이트(NixFe3-xO4)이며 이때 x 값은 주로 0.45와 0.75 사이의 값을 가진다. 원자력 발전소의 주된 방사성 핵종은 58Co과 60Co이며 이들은 니켈페라이트와 유사하게 마그네타이트(Fe3O4)의 Ferrous 이온(Fe++)을 치환시킴으로써 냉각재 내에서 코발트페라이트(CoFe2O4)로 존재하거나 철, 코발트, 니켈의 금속형태로 존재한다. 이들은 매우 강한 자기적 성질을 띠는 강자성물체로서 외부에 자장이 작용하지 않는 경우에도 순수한 자기적 모멘트를 가지고 자발적으로 자화 된다. 따라서 방사성 부식생성물은 자성을 이용한 필터로 잘 제거될 수 있는 특성을 지니고 있다.
선행 연구에서는 부식생성물 제거를 위해 영구자석을 이용한 마그네틱 필터를 개발하였다. 마그네틱 필터의 분리기 내부는 내측 및 외측 자석 어셈블리로 구성되어 있으며 S-N극의 교차배열로 반대 극끼리 마주보도록 설계되어 있다. 이들은 구동모터에 의해 같은 회전속도로 회전하게 되며 강력한 교차자기장을 발생시켜 자성을 띤 부식생성물을 분리하게 된다. 실험결과, 마그네틱 필터의 분리효율은 모든 부식생성물 입자에 대해 80%를 상회하며 우수한 성능을 보여주었다. 일반적으로 마그네틱 필터의 성능은 유속과 시료 입자의 크기에 의해 좌우되었으며 유속이 낮아질수록 입자의 크기가 증가할수록 필터의 분리효율이 상당히 증가하는 추세를 보여주었다. 특히, 시료 입자의 크기가 5㎛ 이상인 경우, 그 분리효율은 90%를 상회하여 마그네틱 필터의 분리효율 향상을 위해 입자의 크기를 증가시켜주는 응집장치의 필요성이 제기 되었다.
따라서, 본 연구에서는 전자기장을 이용하여 입자의 응집을 발생시키는 전자석 응집장치를 개발하였다. 응집장치는 전자석에서 발생된 강력한 전자기장을 이용하여 물질을 분리하는 고구배자기분리 (HGMS, High Gradient Magnetic Separation) 원리를 적용하였으며 입자의 분리가 아닌 입자들이 응집하는 효과를 발생시키는데 초점을 맞추었다.
부식생성물은 매우 강한 자기적 성질을 띠고 있어 전자석에서 생성된 강한 자기장에 의해 쉽게 그 입자의 움직임이 영향을 받게 된다. 또한, 응집장치의 핵심요소인 매트릭스는 강자성체로 이루어져 있어 주위의 전자석코일에 의해 자기장을 받으면 곧 자화되어 자기장내에 큰 자기장구배를 형성하게 된다. 이렇게 형성된 자기장구배에 강자성체인 부식생성물 입자가 근접하게 되면 입자 표면의 전위차로 인해 미세한 입자들이 서로 뭉쳐져 큰 덩어리를 이루는 응집현상이 발생한다. 입자들을 응집시키는 응집장치는 전자기 필터의 원리와 비슷하며 전자기장의 세기를 적절히 조절하여 입자의 크기가 어느 정도 커지게 되면 전자기장을 제거하여 입자가 유체의 흐름에 의해 빠져나가게 한다.
응집장치를 이용한 실험결과 입자 크기가 0.1 ~ 3㎛ 인 대부분의 부식생성물 입자가 전자기장에 의해 응집하여 크기가 5 ~ 8㎛ 으로 증가되어 응집실험에 대해 전반적으로 만족스러운 결과를 도출하였다. 부식생성물의 농도가 10ppm일 경우, 응집실험 후, 대부분 입자의 크기는 5㎛를 상회하였으며 특히 마그네타이트 시료인 경우 시료의 높은 자화율로 인해 입자의 크기가 8㎛까지 증가하였다. 부식생성물의 농도가 높을수록 전자석 가동시간이 길어질수록 입자의 크기가 뚜렷이 증가하는 경향을 보여주었다.
부식생성물에 대한 영구자석 필터의 제거효율 향상을 위해 영구자석 필터 전단에 응집장치를 설치하였다. 응집장치와 영구자석 필터가 결합된 새로운 마그네틱 필터는 고구배자기분리 (HGMS) 원리와 개방형구배자기분리 (OGMS) 원리를 적용하였으며 응집장치에서 발생된 강한 자기장으로 인해 비교적 자성이 약한 물질의 제거에도 사용될 수 있다. 또한, 응집장치에 설치된 강자성 매트릭스는 입자의 응집이 일어난 후 입자들을 다시 유체와 함께 통과 시켜주기 때문에 전자석 필터의 문제점인 매트릭스에 쌓인 불순물을 제거해 주어야 하는 역세척(Back flushing)이 필요 없는 장점을 지니고 있다. 부식생성물에 대한 새로운 마그네틱 필터의 실험결과, 대부분의 입자에 대해 90%을 상회하는 높은 분리효율을 보여주었다. 특히, 5㎛ 이하의 아주 미세한 입자에 대한 분리효율이 큰 폭으로 증가하였으며 이는 응집장치로 인해 미세한 입자의 응집이 발생하고 이로 인해 입자의 크기가 커져 영구자석 필터에서 잘 분리되는 결과를 가져다 주었기 때문이다.
