1.1 연구 개요

국내･외 노후 원전 증가로 인한 원전의 영구 정지 및 해체가 가속화되면서, 원전 해체 과정에서 발생하는 콘크리트 폐기물의 감용, 안정화 및 재활용 기술 고도화의 필요성이 대두되고 있다. 특히 원자력시설 해체 시 발생하는 콘크리트 폐기물은 시설의 유형, 운전이력, 유지보수, 해체공법, 감용 처리 여부 등에 따라 매우 다양하게 나타나며, 이는 해체공정의 경제성에 큰 영향을 미치는 요소이다^{(Lee et al. 2016)}.

European Commission의 보고서에 의하면 2060년까지 원자력시설의 해체에 따라 유럽에서만 약 500만 톤의 콘크리트 폐기물이 발생할 것으로 예상하고 있으며, 상용 원자력발전소의 경우 콘크리트 해체폐기물이 약 50~55만 톤 정도 발생하는 것으로 알려져 있다^{(Choi and Min 2008)}. 국내의 경우는 총 28기의 원전 중 현재 고리 1호기와 월성 1호기가 영구 정지되어 해체가 진행될 예정이고, 2030년까지 추가로 10기의 원전이 설계수명에 도달할 예정이다^{(KHNP 2022)}. 원전 해체 시 원전 1기당 약 2,600드럼의 콘크리트 폐기물이 발생되며^{(IAEA 2008)}, 이로 인해 국내 처분비용 기준으로 원전 1기당 약 500억 원 이상의 콘크리트 폐기물 처리비용이 발생된다^{(MOTIE 2022)}.

따라서 원전 해체 시 발생하게 될 콘크리트 해체 폐기물 감용을 위해서는 콘크리트 폐기물의 처리방법과 재활용 기술에 관한 연구가 요구되며, 이를 위해 Fig. 1과 같이 방사성 콘크리트 폐기물 가열분쇄 기반의 건식공정과 세정용해 기반의 습식공정 기술 개발이 진행 중이다. 이러한 연구개발 기술은 원전 해체 시 대량으로 발생하는 콘크리트 폐기물의 감용 처리를 통해 방사성폐기물 처분장으로 보내지는 폐기물의 양 감소와 이에 따른 폐기물 처분 비용 절감을 가능하게 한다.

Fig. 1 Advanced volume reduction process based on dry and wet technology

1.2 연구개발 기술 상세

방사성 콘크리트 폐기물 가열분쇄 기반의 건식공정 기술은 방사성 콘크리트 폐기물에 대한 가장 대표적인 열기계적 감용 기술이다^{(Piasta 1984; IAEA 1998; NEA 1999; Handoo et al. 2002; Min et al. 2010)}. 즉 방사성 오염이 주로 시멘트에 존재하고, 가열분쇄 후 분급을 통해 비오염 골재와 오염 시멘트를 물리적으로 분리할 수 있는 효과적인 방법이다. Fig. 2는 방사성 콘크리트 폐기물의 오염 특성과 가열분쇄 이후의 입도별 오염도 차이를 나타내고 있다^{(Lee et al. 2018)}.

Fig. 2 Contamination characteristics of radioactive concrete waste (left) and contamination level difference by particle size after heat crushing (right)

방사성 콘크리트 폐기물 가열분쇄 기반의 건식공정 기술은 오염도가 낮은 폐기물에 적용성이 좋고, 국내･외에서 기술성숙도가 높은 편이지만, 오염도가 높거나(수 Bq/g 이상) 난처리성 핵종(Cs-137)으로 오염된 경우에는 건식공정 기술만으로 원자력안전위원회고시(제2023-7호)에서 정의하는 자체처분허용농도^{(NSSC 2023)} 미만으로 골재 및 미분말에 대한 방사성오염 제거가 어렵다^{(Bath et al. 2003, Pabalan et al. 2009)}. 즉 Co-60은 시멘트 성분 중 Al, Fe 등의 금속이온과 주로 결합하고 열역학적 처리를 통해 쉽게 분리되기 때문에 열기계적 처리를 통해 어느 정도 제거되지만, Cs-137은 시멘트 성분의 Ca-Si상 화합물(CSH)과 골재 표면의 운모 성분과 정전기 흡착에 의해 강하게 결합되어 있어 열기계적 처리로 제거하기 어려운 점이 있어서 자체처분허용농도 미만으로 효과적으로 제거되기 위해서는 화학적 처리가 추가로 필요하다^{(Oh and Lee 2021)}. 따라서 오염도가 높은 폐기물 또는 Cs-137로 오염된 폐기물의 경우에는 건식공정에서 발생되는 골재 및 미분말을 자체처분허용농도 미만 수준까지 방사성오염 제거를 위해 골재 표면의 시멘트에 결합된 방사성 핵종을 산용액으로 화학적으로 제염하는 습식공정 기술이 요구된다. 방사성 콘크리트 폐기물 부피 감용을 위한 사전 연구결과, 화학적 습식 처리단계로 골재 및 미분말 표면의 시멘트를 염산(HCl)으로 용해시키면 골재 및 미분말 표면의 잔여 시멘트에 존재하는 Co-60 및 Cs-137 등이 시멘트와 함께 용해되어 골재 및 미분말 표면의 Co-60 및 Cs-137 등의 오염물질이 효과적으로 제거되는 것으로 확인되었다^{(Oh and Lee 2021)}.

Fig. 3은 염산(HCL) 농도에 따른 콘크리트 미분말의 용해수율과 잔류 시멘트 변화추이를 나타내고 있으며, 2M 이상의 염산(HCL) 농도에서 효과적으로 오염핵종이 제거됨을 확인할 수 있다^{(Oh and Lee 2021)}.

Fig. 4는 Co-60과 난처리성 핵종인 Cs-137로 오염된 방사성 콘크리트 폐기물을 대상으로 가열분쇄 기반의 건식공정과 화학적 세정기술 기반의 습식공정 적용에 따른 1 mm 초과 입자크기를 가지는 시멘트(1 mm 초과 입자) 내 방사성핵종농도의 분포를 나타내고 있다^{(Oh and Lee 2021)}.

본 논문에는 Lap Scale 규모의 습식공정 장치를 활용하여 도출된 습식공정 기술을 기반으로 Bench Scale 규모의 골재 세정과 미분말 세정장치를 활용한 실험결과 기반의 최적 습식공정 도출 내용과 상용규모의 습식공정 장치 설계 및 제작을 위한 고려사항 등이 기술되어 있다.

Fig. 3 Changes in dissolution yield and residual cement of concrete fine aggregate according to acid concentration

Fig. 4 Characteristics of radionuclide distribution in cement by application of wet process technology

2.1 Bench Scale 규모 습식공정 장치

2.1.1 골재 세정장치

Fig. 1에 제시된 방사성 콘크리트 폐기물 가열분쇄 기반의 건식공정을 통해서 분급되는 골재와 미분말 중 골재에 대한 습식공정 적용을 위한 Bench Scale 규모의 단위 설비인 골재 세정장치는 Fig. 5와 같다. 골재 세정장치는 가열분쇄 기반의 건식공정 과정을 통해서 분급되어 배출되는 골재 표면에 결합된 방사성핵종을 산용액으로 화학적으로 제염하는 장치로써 골재와 산용액이 입･출구 겸용 설비를 통해서 주입되며 골재 표면에 결합된 방사성핵종을 물리적 및 화학적 반응에 의해 효과적으로 제거하기 위해 교반속도, 산용액 온도 및 경사각도 조절설비와 골재 세정 이후 골재와 액체 분리를 위한 고액분리 설비(~1 mm sieve) 등으로 이뤄져 있으며, 골재 세정장치 내부는 물리적 및 화학적 반응 증가와 세정 이후 효과적으로 골재와 액체를 배출하기 위한 목적으로 나선형 형식의 회전날개가 설치되어 있다.

Fig. 5 Coarse aggregate cleaning device for wet-process technology application

2.1.2 미분말 세정장치

Fig. 1에 제시된 방사성 콘크리트 폐기물 가열분쇄 기반의 건식공정을 통해서 분급되는 골재와 미분말 중 미분말에 대한 습식공정 적용을 위한 Bench Scale 규모의 단위 설비인 미분말 세정장치는 Fig. 6과 같다. 미분말 세정장치는 가열분쇄 기반의 건식공정 과정을 통해서 분급되어 배출되는 미분말 표면에 결합된 방사성핵종을 산용액으로 화학적으로 제염하는 장치로써 미분말과 산용액이 상부의 입구 설비를 통해서 주입되며 미분말 표면에 결합된 방사성핵종을 물리적 및 화학적 반응에 의해 효과적으로 제거하기 위해 회전속도 및 산용액 온도 조절설비와 미분말 세정 이후 장치 하단에 위치하는 미분말과 액체 배출 설비 그리고 미분말과 액체 분리를 위한 고액분리 설비(~0.1 mm sieve) 등으로 이뤄져 있으며, 미분말 세정장치 내부는 물리적 및 화학적 반응 증가를 위한 2단으로 구성되어 있고 각각의 높이 조절이 가능한 프로펠러 형식의 교반용 회전날개가 설치되어 있다.

Fig. 6 Fine aggregate cleaning device for wet-process technology application

2.2 습식공정 장치 세정실험

2.2.1 실험 내용 및 방법

방사성 콘크리트 폐기물 고도감용을 위한 습식공정 단위 설비인 Fig. 5 및 Fig. 6과 같은 Bench Scale 규모의 골재 세정장치와 미분말 세정장치의 성능은 골재와 미분말의 화학적 습식공정 처리를 통한 골재의 산세정 효율특성과 미분말의 시멘트 용해율 특성평가를 통해서 확인할 수 있으며, 추가로 미분말의 경우 습식공정 처리 후 Mesh Type 여과막을 이용한 적절한 고액분리를 위해 미용해 입자의 입도분석이 필요하다. 이러한 평가 및 분석결과는 상용규모 습식공정 장치 개발을 위한 기본 및 상세설계 기초자료로 활용될 수 있다.

Fig. 7은 Bench Scale 규모의 골재 세정장치와 미분말 세정장치에 대한 특성평가를 위한 실험과정을 나타내고 있으며, 가열분쇄 기반 건식공정 과정을 통해서 분급된 골재와 미분말에 대한 무게측정 후 골재를 골재 세정장치 내 반응기(30L)에 투입하여 투입량, 교반속도, 반응기의 각도, 산 농도를 변경하여 용해율을 평가하였으며, 미분말을 미분말 세정장치 내 용해조(30L)에 투입하여 투입량, 교반속도, 회전날개 위치, 산 농도를 변경하여 용해율을 평가하였다(가열분쇄 기반 건식공정에 사용된 시료는 일반 산업건물 해체과정에서 발생된 콘크리트 폐기물 사용-충청환경 제공).

Table 1과 Table 2는 골재 세정장치 반응기 내 골재 투입량, 교반속도, 반응기의 기울기 및 산농도 변화에 따른 골재 세정장치 습식공정 특성 확인 및 최적화 조건 도출을 위한 실험조건을 나타내고 있다.

Table 3과 Table 4는 미분말 세정장치 용해조 내 미분말 용해시간, 회전날개 위치, 미분말 투입량 및 산농도 변화에 따른 미분말 세정장치의 습식공정 특성 확인 및 최적화 조건 도출을 위한 실험조건을 나타내고 있다. Table 4에 제시된 블레이드 위치 부분은 회전날개를 구성하는 2개의 블레이드가 각각 미분말 세정장치 용해조 내 중간 및 하단부분과 상부 및 하단부분에 위치(최초 위치는 모두 하단부분에 위치)하는 경우에 대한 실험조건을 나타내고 있다.

Fig. 7 Experimental process for characteristics evaluation using wet-process devices in bench scale

Table 1 Agitation speed and treatment amount experimental conditions (1st experiment)

Agitation speed (Hz)	Coarse aggregate mass (kg)	Acid fluid amount (L, 0.4 M HCL)	Distilled water amount (L)	Slope (°)
30	1.6	1.07	14.9	45
30	2.3	1.53	21.5	45
10	2.3	1.53	21.5	45

Table 2 Reactor slope and acid concentration experimental conditions (2nd experiment)

Slope (°)	Agitation speed (Hz)	Coarse aggregate mass (kg)	Acid concentration/ acid fluid amount (M/L, HCL)	Distilled water amount (L)
30	30	1.0	0.4/0.67	9.3
10	30	1.0	0.6/0.67	9.3

Table 3 Fine aggregate dissolution time experimental conditions (1st experiment)

Dissolution time (hr)	Fine aggregate mass (kg)	Acid fluid amount (L, 2 M HCL)	Distilled water amount (L)
2	1.6	5.33	10.7
1	1.6	5.33	10.7
0.5	1.6	5.33	10.7

Table 4 Rotation blade position and acid concentration experimental conditions (2nd experiment)

Blade position	Dissolution time (hr)	Fine aggregate mass (kg)	Acid concentration /acid fluid amount (M/L, HCL)	Distilled water amount (L)
	2	1.0	2/3.33	6.7
	2	1.0	3/3.33	6.7

2.2.2 실험 결과

2.2.2.1 골재 세정장치 실험 결과

골재 세정장치에 대한 Table 1 실험조건으로 수행된 1차 실험결과는 Table 5와 같으며, 실험은 가열분쇄 기반의 건식공정을 통해서 분급된 골재시료를 대상으로 각 실험조건에서 3회 수행되었다. Table 5의 실험결과는 Table 1 실험조건에서 수행된 골재 세정 이후의 골재시료를 대상으로 시료샘플을 취득하여 골재 표면에 잔존하는 시멘트 양을 측정한 결과이다. 실험결과와 같이 골재 세정장치 반응기 내 산용액 및 증류수 혼합 양(골재 시료량은 산용액 및 증류수 혼합 양과 일정 비율 적용, 0.1 kg/L) 차이에 따른 골재 표면에 잔존하는 시멘트 양에서는 반응기 내 처리량 증가로 인하여 골재 표면에 잔존하는 시멘트의 량이 조금 증가되는 것을 확인할 수 있다(Table 5의 1번 및 2번 실험결과). 즉 골재 세정장치 반응기의 전체 부피(30 L) 기준으로 산용액 및 증류수 혼합 양의 부피를 53 %(16 L)에서 77 %(23 L)로 골재 세정장치 내 반응기의 처리량이 증가되면 골재 표면에 잔존하는 시멘트의 물리적 및 화학적 반응효과가 다소 감소되어 골재 표면에 잔존하는 시멘트의 양이 조금 증가되는 것으로 판단된다. 회전속도에 따른 영향평가 실험의 경우는 더 낮은 회전속도(10 Hz) 조건에서 골재 표면에 잔존하는 시멘트 양이 더 큰 것으로 조사되었다(Table 5의 2번 및 3번 실험결과). 따라서 Table 1 실험조건에 따른 실험결과 기준으로 회전속도를 최대 30 Hz까지 가능한 높게 운영하는 것이 더 적절한 것으로 평가되었다.

골재 세정장치에 대한 Table 2 실험조건으로 수행된 2차 실험결과는 Table 6과 같으며, 실험결과 분석 방법은 1차 실험과 동일하다. 실험결과와 같이 골재 세정장치 반응기의 기울기는 낮지만 산용액의 농도를 높인 조건에서도 골재 표면에 잔존하는 시멘트 양이 더 높음을 확인할 수 있다. 따라서 Table 2 실험조건에 따른 실험결과 기준으로 골재 세정장치 반응기의 기울기를 최대 30o까지 가능한 높게 운영하는 것이 더 적절한 것으로 평가되었다.

Table 5 Results of the 1st experiment on coarse aggregate cleaning

Experimental conditions		Cement+ pure coarse aggregate (g)	Pure coarse aggregate (g)	Cement residual rate (%)
A_1	1.6 kg/16 L, 30 Hz (0.4 M HCL, 45°)	102.84	102.55	0.28
A_2		102.26	101.87	0.38
A_3		101.10	100.77	0.33
Avg.		102.07	101.73	0.33
B_1	2.3 kg/23 L, 30 Hz (0.4 M HCL, 45°)	103.94	103.58	0.35
B_2		108.67	108.27	0.37
B_3		106.69	106.32	0.35
Avg.		106.43	106.06	0.35
C_1	2.3 kg/23 L, 10 Hz (0.4 M HCL, 45°)	101.29	100.88	0.40
C_2		104.83	104.39	0.42
C_3		104.45	103.94	0.49
Avg.		103.52	103.07	0.44

Table 6 Results of the 2nd Experiment on coarse aggregate cleaning

Experimental conditions		Cement+ pure coarse aggregate (g)	Pure coarse aggregate (g)	Cement residual rate (%)
D_1	1.0 kg/10 L, 30 Hz (0.4 M HCL, 30°)	101.92	101.84	0.078
D_2		102.74	102.64	0.097
D_3		100.72	100.64	0.079
Avg.		101.79	101.71	0.085
E_1	1.0 kg/10 L, 30 Hz (0.6 M HCL, 10°)	102.95	102.86	0.087
E_2		101.77	101.63	0.138
E_3		101.91	101.82	0.088
Avg.		102.21	102.10	0.104

2.2.2.2 미분말 세정장치 실험 결과

미분말 세정장치에 대한 Table 3 실험조건으로 수행된 1차 실험결과는 Table 7과 같으며, 실험은 가열분쇄 기반의 건식공정을 통해서 분급된 미분말 시료를 대상으로 각 실험조건에서 3회 수행되었다. Table 7의 실험결과는 Table 3 실험조건에서 수행된 미분말 세정 이후의 미분말 시료를 대상으로 시료샘플을 취득하여 미분말 표면에 잔존하는 시멘트 양을 측정한 결과이다. 실험결과와 같이 미분말 표면에 잔존하는 시멘트 양은 용해시간 증가에 따라 감소되는 것으로 확인될 수 있다. 미분말 세정장치의 요구 기능은 미분말 표면에 존재하는 시멘트 내의 방사성핵종을 제염하여 미분말의 방사성핵종 오염농도를 자체처분허용농도 미만 수준으로 떨어뜨리는 것이다. 따라서 미분말 표면의 시멘트 내에 존재하는 방사성핵종의 제염특성(제염목표치: 자체처분허용농도 미만)을 고려한 전체 습식공정의 처리속도 및 업무효율성 관점에서의 최적 용해시간 도출이 필요함을 확인할 수 있다.

미분말 세정장치에 대한 Table 4 실험조건으로 수행된 2차 실험결과는 Table 8과 같으며, 실험 및 분석 방법은 1차 실험과 동일하다. 실험결과와 같이 산용액의 농도를 높인 조건에서도 미분말 세정장치 용해조 내 블레이드의 위치를 상부 및 하단부분에 위치하는 블레이드 조건에서의 미분말 표면에 잔존하는 시멘트 양이 더 높음을 확인할 수 있다. 따라서 Table 4 실험조건에 따른 실험결과 기준으로 미분말 세정장치 용해조 내 2개의 블레이드 위치는 중간 및 하단 부분에 위치하는 것이 미분말에 대한 물리적 및 화학적 세정효과를 더 좋게 하는 것으로 평가되었다.

미분말 세정장치를 활용한 미분말 세정 이후 미분말과 폐액으로의 고액분리가 요구되며, 이러한 고액분리를 위한 최적의 filter size를 결정하기 위해 미분말 세정 이후의 미분말 폐액을 대상으로 Fig. 8과 같이 여과망 filter size에 따른 여과속도를 분석하였다. 여과속도는 각 여과망 filter size에 filter cake가 형성되기 이전까지의 측정결과를 기준으로 평가되었으며, Fig. 8과 같이 여과속도는 filter size기준으로 45 μm ＜ 58 μm ＜ 150 μm ＜ 85 μm ＜ 100 μm 순으로 나타났으며, 150 ㎛ filter size의 경우는 초반 유속이 빨라 filter cake가 빠르게 생성되어 더 작은 filter size 보다 여과속도가 더 떨어지는 것으로 확인되었다. 따라서 Fig. 8의 실험결과를 기반으로 최적의 filter size는 100 μm임을 확인할 수 있다.

Fig. 9는 100 μm filter size 여과망을 활용하여 고액분리 한 후 필터링된 입자와 필터링되지 않은 폐액 내 미세입자에 대한 입도분포 분석결과를 나타내고 있다. Fig. 9와 같이 미분말 세정 이후의 미분말 폐액을 100 μm filter size 기반으로 고액분리 시 약 16wt %의 가량의 미세입자가 폐액 내에 존재하는 것으로 확인되었다.

Fig. 9 Residual rate of cement in fine aggregate according to experimental conditions

Table 7 Results of the 1st experiment on fine aggregate cleaning

Experimental conditions		Cement+ pure coarse aggregate (g)	Pure coarse aggregate (g)	Cement residual rate (%)
A_1	1.6 kg/16 L, 2 h (2 M HCL)	20.63	20.09	2.62
A_2		20.08	19.55	2.64
A_3		20.19	19.32	4.31
Avg.		20.30	19.65	3.19
B_1	1.6 kg/16 L, 1 h (2 M HCL)	20.94	19.39	7.39
B_2		20.07	19.74	1.64
B_3		20.06	19.35	3.54
Avg.		20.36	19.49	4.19
C_1	1.6 kg/16 L, 0.5 h (2 M HCL)	20.12	19.45	3.33
C_2		20.48	18.71	8.64
C_3		20.10	18.89	6.02
Avg.		20.23	19.02	6.00

Table 8 Results of the 2nd experiment on fine aggregate cleaning

Experimental conditions		Cement+ pure coarse aggregate (g)	Pure coarse aggregate (g)	Cement residual rate (%)
D_1	1.0 kg/10 L, 2 h (2 M HCL, ① blade position)	50.69	50.45	0.47
D_2		50.22	49.86	0.72
D_3		50.02	49.81	0.42
Avg.		50.31	50.04	0.54
E_1	1.0 kg/10 L, 2 h (3 M HCL, ② blade position)	50.14	49.45	1.38
E_2		50.30	49.39	1.81
E_3		50.16	49.20	1.91
Avg.		50.20	49.35	1.70

2.3 결과 및 고찰

2.2절에 기술되어 있는 골재 세정장치와 미분말 세장장치의 실험조건에 따른 실험결과와 관련하여 Fig. 10은 Table 5와 Table 6의 벤치규모 골재 세정장치에 대한 실험결과를 요약적으로 나타내고 있다. Fig. 10의 골재 세정장치를 활용한 실험결과와 같이 최적 조건에서 골재 내 잔류 시멘트의 용해율이 98 % 이상 가능하고, 골재 세정장치 내 반응기의 처리량 증가 시, 교반속도 감소 시에 골재 내 시멘트 잔류율이 소폭 상승하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11은 2장의 실험조건에 따른 실험결과와 관련하여 Table 7과 Table 8의 벤치규모 미분말 세정장치에 대한 실험결과를 요약적으로 나타내고 있다. Fig. 11의 미분말 세정장치를 활용한 실험결과와 같이 최적 조건에서 미분말 내 잔류 시멘트의 용해율이 98 % 이상 가능하고, 미분말 세정장치 내 용해조의 처리량 증가 시, 용해시간 감소 시에 골재 내 시멘트 잔류율이 소폭 상승하는 것을 확인할 수 있다.

상기의 실험결과와 같이 골재 세정장치와 미분말 세장장치와 관련된 각 장치의 운전조건 특성에 따라 골재 및 미분말 표면에 잔류하는 시멘트 량에서 다소 차이가 발생함을 확인 할 수 있다. 따라서 방사성물질로 오염된 골재 및 미분말을 대상으로 원자력안전위원회고시(제2023-7호)에서 정의하는 자체처분허용농도 미만으로 방사성 오염물질을 제거하기 위해서는 각 장치를 구성하는 설비들에 대한 운전조건 특성을 기반으로 최적공정 도출을 통한 효율적인 세정작업이 요구됨을 확인할 수 있다.

Fig. 10 Residual rate of cement in coarse aggregate according to experimental conditions

Fig. 11 Residual rate of cement in fine aggregate according to experimental conditions