After Fukushima nuclear accident in 2011, the possibility of severe accidents occurrence at nuclear power plants of any country in the world cannot be ignored. Such disastrous situation involving the release of radioactive material such as radioactive iodine and particles to the atmosphere can create significant impact on human health through thyroid cancer. Therefore, it is highly desirable to have new technological approaches to be placed for containing and limiting the spread of radioactive fission products. The purpose of this study was to examine the use of spray technology to mitigate the consequence of severe accidents outside the containment. An emergency response spray system can be deployed outside the conventional physical barrier-the reactor containment to prevent the dispersion of hazardous radionuclide. In this study, the efficiency of spray method in removing the released fission products, in particular, gaseous iodine and particles were investigated under the hypothetical accident situation. Effects of different parameters such as spray flow rate, spray solution pH, spray materials types and gas release rate were investigated as part of the study. Laboratory-scale experimental systems combining spray chamber with a nozzle and gaseous iodine and aerosol particles release port was setup to examine the performance of the proposed system. The alkaline (aqueous NaOH.$Na_2S_2O_3$) solutions of varying pH combined with water and foam based spray material (sodium lauryl sulphate) were used in the spray chamber to examine capture efficiency of gaseous iodine and aerosol particles.
The captured and un-captured fractions were determined by the UV-Visible spectroscopy and ion selective electrode methods. Experimental results showed that use of proper spray solution pH and flow rate was important in determining iodine removal efficiency. The removal efficiency was also affected by the release rate of gaseous iodine. The removal efficiency of foam based- sprays was observed significantly higher when compared with water based-sprays. Temperature variation was also found to have effect on the volatility of the captured iodine in the sprayed solution. A mathematical model based on two film theory was also used to calculate the removal efficiency and was validated by the experimental results. The computational fluid dynamics (CFD) simulations of aerosol particle removal efficiency by sprays in ANSYS CFX were also performed and results were compared with experimental results. The radioactive iodine source terms released from a breached nuclear power plant as a result of severe accident and projected radiation doses were also estimated using RASCAL 4.3 computer code and the impact of proposed spray system on radiation dose was analyzed.
Furthermore, the concept of deploying spray system to mitigate the consequence of severe accidents outside the containment or other buildings of a nuclear power plant were explored. Moreover, an economic study was performed to estimate the cost of fire-truck based spray system during a real nuclear accident situation.
일본에 후쿠시마 원전 중대사고 때 발전소 최후의 장벽, 격납용기의 실패로 인해 다량의 방사능이 환경으로 배출되었다. 그러한 유감스러운 상황에서는 긴급 응답의 일부로서 배출되는 방사능을 억제하고 캡처하는 기능을 갖는 공학적 안전 시스템의 구축이 요구된다. 캡처 가능한 방법들 중 하나는 적절한 화학 첨가제 또는 폼과 물로 위험한 방사성 제품을 제거하는 큰 효율을 갖는 스프레이 방안이다. 스프레이 시스템의 응용은 중대사고의 영향을 줄여 발전소에서 최악의 조건을 완화 할 수 있다. 이 연구는 스프레이 기술이 원전 중대사고시 침해된 원자로 건물로부터 방출 된 방사능을 캡쳐함으로 중대사고 결과를 완화할 수 있도록 구현 될 수 있는 방법을 연구하였다. 스프레이 시스템은 사고 상황에 따라 높은 상승 크레인이 달려있는 트럭, 무인 항공기 (예 무인 헬기), 또는 비행기구를 활용하거나, 발전소 격납 건물 주위에 고정 배관 구조를 설치함으로서 침해된 원자로 건물에 사용 할 수 있다.
스프레이 시스템의 요오드 가스 입자 제거 효과를 평가하기 위하여, 실험실 규모의 실험 시스템이 설계 및 제작되었다. 요오드 기체 및 에어로졸은 가스 생성기와 입자 생성기 에서부터 압축 공기를 운반 가스로 활용하여 배관과 밸브 장치를 통해 실험실 규모의 스프레이 챔버로 동반되었다. 분무 용액은 실험에 설치된 펌프의 도움으로 스프레이 챔버에 설치된 노즐에 공급하였다. 요오드 종의 용해도를 증가시키기 위해, 스프레이 물에 NaOH를 섞어 알칼리성으로 만들고, Na2SO3를 알칼리성 액체에 섞음으로 캡쳐된 요오드 기체 및 에어로졸을 안정적인 요오드 형대로 변환하도록 하였다. 요오드 가스를 포착하는 분무 용액의 능력은 분무 용액 분무 유량과 pH를 변화시킴으로써 평가되었다. 분무 유량 생산 속도를 늘리면 미세 액적의 계면 영역과 적용범위가 증가함으로 스프레이 능률을 향상시켰다. 또한 기체 및 입자 방출 속도는 스프레이의 완화 성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 제거 효율은 요오드 기체 및 입자 방출 속도의 함수로도 평가되었다.
기체와 입자 요오드의 보다 신속하고 효과적인 캡처를 위해 노즐 두 종류 (완전 원추와 중공 원형 노즐)를 사용하는 폼 기반의 스프레이 방법 또한 본 연구에서 조사되었다. 이 방식에서 소듐 라 우릴 설페이트 (SLS) 수성 발포 액으로 폼을 만들어 기체 요오드 미립자를 포착하는 분무 재료로서 사용 하였다. 폼 스프레이 방법은 긴급 상황에서 침해된 원자로 건물으로 인한 방사능 피폭을 빨리 감소시키고 현장에 방사선 레벨을 빠르게 최소화 시키는 방안으로 활용할 수 있다. 실험에서 요오드와 입자를 함유하는 알칼리성 용액들은 수거되었고, 포착 물질의 양은 UV-비스 분광계를 사용하여 측정되었다.
실험에서의 주요 연구 결과는 다음과 같다:
1. 분무 유량의 증가와 함께 알칼리 스프레이의 기체 요오드 제거 효율은 증가한다.
2. 스프레이의 알칼리수가 증가하면 기체 요오드 제거 효율이 증가하고 (~pH 13까지), 도시 물로
인한 제거효율은 알칼리성 물에 의한 것보다 매우 낮은 것으로 관찰된다.
3. 기체 요오드 제거 효율은 요오드 가스 방출 속도가 증가함에 따라 감소한다.
4. 스프레이 용액의 온도의 증가와 함께 캡쳐된 요오드 종이 요오드 이온으로 환원된다.
5. 폼 기반 스프레이의 기체 및 에어로졸 요오드 제거 효율은 알칼리 수성 스프레이와 비교할 때
더 높다.
6. 원형 스프레이를 생산하는 노즐이 중공 원형 스프레이를 생산하는 노즐보다 더 좋은 제거 효율
을 제공한다.
7. 수성 스프레이에 비해 폼 기반 스프레이 시스템은 스프레이 물질 (물 포함)을 덜 소모함으로
다량의 액상 폐기물 발생을 최소화 할 수 있다.
8. 요오드 기체 제거의 수학적 모델링 결과는 실험 결과와 잘 일치한다.
9. CFD 시뮬레이션 결과는 낮은 캐리어 가스의 방출 속도에서 실험 결과와는 잘 일치하지만, 높
은 캐리어 가스의 방출 속도에서의 실험 결과보다는 6-14% 높다.
