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절단

※ 발췌 : 한국원자력연구원, 2013

절단/철거 기술 개요

  • 원자력시설의 설비나 구조물을 열적, 기계적, 전기적 절단 기술을 이용하여 제거(전체 설비 완전 제거 또는 방사능 오염 장비/구조물만 제거) 하는 것
  • 요구되는 최종 상태에 따라 완전 제거 또는 최소 제거의 전략을 취할 수 있음
  • 외부 전용 설비를 이용한 해체 (ex-situ)에 유용한 기술이 있고 설비내 투입 장비를 이용한 해체 (in-situ)에 유용한 기술이 있음
절단/철거 기술 개요:작업자 접근곤란, 고방사능 유출시 고방사능 핵심설비에 적합한 고난이도 해체 기술 필요

절단 적용 대상

절단 적용 대상 : 콘크리트 외벅, 터빈 및 발전기, 2차 계통 배관, 콘크리트+철판 복합재(Containment Demolition), 제어기 및 지원시설, 방사선 방호 콘크리트, 원자로 냉각 게통 배관, 원자로 및 대형 핵심설비 이미지

핵심설비 절단 작업절차

핵심설비 절단 작업절차로 해체 대상물로 절단 장비 이송(이송장비-크레인, 호이스트, 텔레스코픽 기구, 바퀴 또는 트랙형 이동 장비)→절단 장비의 정밀 제어(매니플레이터-유압 또는 전동, 작업하중 30~150kg, 6자유도 정교한 작업)→절단 작업 수행(절단장비-고압워터젯, 플라즈마 아크 절단기, 밀링 절단기, 유압 절단기 등), RPV절단 개념도 이미지
※ 발췌 : 부산발전연구원, 2016

절단기술 종류

열분리 기술
  • 모든 열 절단 및 분리 기술은 화염, 전기 아크, 레이저 또는 다른 에너지가 절단 되어야 할 물질에 전이된다는 공통점
  • 열 분리 기술은 금속을 자르는데 일반적으로 활용
  • 공정의 적용 방법에 따라, 가스 매체(gaseous media)와 용융된 물질 및 전극의 적용은 가스와 분진 형태로 배출물(emmisions)을 생산
  • 수중과 공기중에서 행해지는 절삭과정에서 발생하는 에어로졸(aerosols)과 하이드로졸(hydrosols)은 일반적인 추출(extraction)과 여과(filtering) 기술을 사용하면 제어 가능
산소아세틸렌 절단(Oxyacetylene Cutting)
산소아세틸렌 절단(Oxyacetylene Cutting) 이미지
  • 순수한 강(iron)과 몰리브덴(molybdenum), 티타늄(titanium)의 절삭에 적합
  • 재료는 발화점까지 아세틸렌 산소 불꽃(acetylene oxygen flame)을 사용해 가열
  • 가압 절삭 화염의 운동에너지는 절삭면에서 절삭 부산물 생산
  • 3,200mm 두께를 가진 재료를 공기 중에서 절삭 가능
  • 200mm 두께를 가진 재료를 수중에서 절삭 가능
  • 수중에서는 산소와 공기가 계속해서 화염에 제공되는 형태의 가스 실드(gaseous shield) 필요
플라즈마 아크 절단(Plasma Arc Cutting)
플라즈마 아크 절단(Plasma Arc Cutting) 이미지
  • 재료와 절단 전극 사이의 절삭 가스의 전기에 의한 이온화로 매우 높은 에너지 밀도를 가진 플라즈마빔 생성
  • 플라즈마 가스는 아르곤(argon), 질소(nitrogen), 수소(hydrogen), 산소(oxygen), 압축공기 또는 이것들의 혼합물
  • [장점]
    1. 재료를 효율적으로 최대 10cm 두께로 빠르게 절단
    2. 이동 수단에 의해 제한을 받을 뿐, 전 방향 절단 가능
  • [단점]
    1. 넓은 커프(kerf)로 인한 많은 양의 잔해 발생 및 고속 절삭 제트는 잔해수집 방해, 과다 조사(Highly irradiated) 된 입자는 난류 배기가스에 의해 물 표면으로 상승, 수조(Pool)와 수조 벽 주변이 오염되고 선량률(Dose rates)이 상승
레이저 절단(Laser Cutting)
레이저 절단(Laser Cutting) 이미지
  • 레이저 빔이 절삭할 재료를 용융, 가열 및 증발 시키는 서로 다른 공정을 가리키는 일반적인 용어
  • 재료를 용융 시키고 절삭 홈에서 제트가스로 밀어냄
  • 높은 절삭속도와 두꺼운 재료에 적합
  • 재료의 흡수율에 따라 고밀도 에너지 레이저 빔은 어떤 재료라도 절삭
  • [장점]
    1. 레이저를 위한 에너지가 절삭 장소에 있을 필요가 없다.
    2. 레이저 빔과 절삭 팁을 로봇이 사용하기 쉽게 만들어 준다.
  • [단점]
    1. 높은 기술 수준을 요구
전기 방전 가공(Electro Discharge Machining)
전기 방전 가공(Electro Discharge Machining)이미지
  • 지속적인 공급(continuous feed) 전극과 용융될 재료 사이에 연속적인 전기 아크 또는 스파크 생성
  • 재료를 절삭하는데 적합할 뿐만 아니라, 구멍을 뚫는데도 적합
  • 일반적인 전압만을 사용하기에, 전류가 매우 많이 필요
  • 장점은 팁을 매우 작게 만들 수 있다
  • 팁은 때때로 가공하려고 하는 특정 기하학적 모양에 따라 최적화가능
아크 워터젯 절단(Arc Water jet Cutting)
전기 방전 가공(Electro Discharge Machining)
  • 재료를 국소 용융시키고 물을 분사해서 제거하는 방식
  • 절삭 전극과 전기 전도도를 가진 재료 사이의 쇼트를 이용하여 전기 아크를 발생
  • 전기전도도가 있는 재료를 절삭하는데 적합
  • 수중에서 100mm까지의 재료를 절삭
  • 비교적 쉽게 원격 조종형태로 개발 가능
  • 복원력은 작지만 와이어의 온 보드 코일(onboard coil)의 무게 때문에 장치의 무게가 무거움
아크 산소 절단(Arc Oxygen Cutting)
  • 아크 워터젯 커팅(Arc Water Jet Cutting)에 기반
  • 차이점은 용융된 재료 제거 시 물 대신에 산소를 쓰는 점
  • 철 재료가 철 절삭 와이어로 절삭 되면, 산소가 열을 발생시켜 발열 산화 반응 발생
  • 절삭에 필요한 에너지 상승
마이크로파(Microwave)
  • 고에너지 전자파를 콘크리트 표면을 붕괴시키기 위해 사용
  • 충분한 양의 수분이 콘크리트 내부에 존재 해야 함
  • 매우 제한된 환경에서만 사용 가능
  • 절삭 홈을 기계적으로 재료에서 발생 시키는 것
  • 용융이나 점화시키는 과정이 없음
  • 절삭 공정에서 발생한 조각들은 필터를 통해 쉽게 수집 가능
  • 일반적으로 적용 되는 곳은 금속이나 건축 구조물
기계적 분리 기술
톱질(Sawing) – Hack, Jig, Circular and band saws

톱질(Sawing) – Hack, Jig, Circular and band saws 이미지1

 

톱질(Sawing) – Hack, Jig, Circular and band saws 이미지2

  • 일반적이고 자주 사용되는 기술
  • 공구가 이송에 의한 이동을 해야한다는 공통점
  • 절단 시 발생하는 에어로졸(aerosols) 양이 무시할 정도로 적음
  • 공구 홀더가 흡수하고 분산(diffuse)시키는 복원력과 반력은 적지 않음
  • 좁은 공간에서 사용하기 위한 실톱(jigsaw) 또는 세이버톱(sabre saw)은 원자력 압력 용기 내부에서 사용
  • 정상 위치에서 원자력 용기(reactor vessel)를 제거하는데 적합하며 공기와 물속에서 둘 다 사용
  • 실톱(jigsaw) 또는 세이버톱(sabre saw)의 이론적 절삭 깊이는 그 톱 날의 길이에 제한
  • 실제로는 최대 약 100 mm까지 사용
  • 공구의 마모는 절단재료의 두께에 따라 크게 증가
  • 많은 해체 과제(decommissioning project)에서 다루어진 보편화된 기술
  • KRB-A와 KWW에서는 대형부품 분리, KGB에서는 증기발생기(steam generator) 분리에 대형 고정 밴드 톱(large stationary band saws)을 접목하여 사용
측면 밀링(Side-milling) 및 원형 톱(Circular saw) – 카바이드 팁(carbide tip)

측면 밀링(Side-milling) 및 원형 톱(Circular saw) – 카바이드 팁(carbide tip) 이미지

  • 밀링 공구는 날이 장착된 디스크로 구성되어 있고 연속 홈(groove)이 생성되도록 회전하고 전진함으로써 칩(chip)을 직접 전단
  • 물속이나 공기에서 적용 가능
  • 냉각 윤활유(coolant lubricant)는 종종 절삭 성능을 향상시키기위해 사용
  • 해체에서 발생하는 이차 폐기물의 양을 최소화
  • 공정의 한계는 공구의 높은 무게와 강한 복원력
  • 칩(chip)은 다른 공정보다 커 쉽게 처리 가능
다이아몬드 와이어 톱질 (Diamond Wire Saws) 및 다이아몬드 체인 톱질(Diamond Chain Saws)

다이아몬드 와이어 톱질 (Diamond Wire Saws) 및 다이아몬드 체인 톱질(Diamond Chain Saws)이미지

  • 일반적으로 철근 콘크리트 구조물의 분리와 화강암 또는 다른 건축자재의 채굴을 위해서 사용
  • 절삭 와이어는 질화 붕소(boron nitride) 또는 다이아몬드 고리로 소결되어있는 강으로 구성
  • 철제의 절단에도 알맞지만 콘크리트 절단에 효과적
  • 생성된 절단 커프(cutting kerf)는 비교적 넓고 절삭 잔해 양 많음
  • 장점은 절단 형상(cutting geometry)이 유동적
  • 단점은 다량의 2차 폐기물 발생
앵글 그라인더(Angle grinders)

앵글 그라인더(Angle grinders)

  • 전기, 수압, 기압으로 동력이 공급되는 연마디스크를 사용
  • 제염과정에서 발생하는 모든 재료(금속,콘크리트,철근 콘크리트) 에 사용 가능(공기 중 및 물속)
  • 원격 제어 응용에서도 사용
  • 사용에 필요한 공간으로 인해, 이 과정은 제한된 공간에서 사용하기에 부적합(원자로 압력 용기 내부)
  • 장착 위치에서 두꺼운 금속 구조를 분리하는데 적합
코어 보링(Core Boring)

코어 보링(Core Boring)이미지

  • 코어보링 원통을 유압모터로 회전하여 절단
  • 절단 후 유압 인출 장비를 이용하여 절단물 분리
  • 절삭날의 냉각을 위하여 물을 사용하므로 다량의 슬러지 발생
  • 콘크리트 내부에 묻혀있는 긴 대상물의 해체도 가능
  • 별도의 숙련 기술 불필요
니블링 머신(Nibbling machine)

니블링 머신(Nibbling machine)이미지

  • 공구의 두 날 사이의 매우 높은 절삭력으로 재료 절단
  • 절삭력으로 분리가 되므로 냉각 과정은 불필요
  • 물속에서의 전단은 연료 저장 탱크에서 연료 박스를 제거하는데 적합
  • 특수 파이프 커터는 현장에서 파이프 분리에서 사용되기도 하지만 원자로 용기로부터 제거된 내부 부분을 절단하는데 사용
  • 장점은 상대적으로 작은 공구를 사용한다는 점으로 밀폐된 공간에서 사용 가능
  • 2차 폐기물을 발생시키지 않고 작거나 적당한 두께의 벽 파이프에 사용
물 분사 연마 절단(Water Abrasive Suspension Jet Cutting)
  • 고압 분사에서 작은 광입자를 사용해 재료에 분사 및 절단
  • 모든 종류의 재료의 절단에 적합
  • 장점은 일반적으로 공구크기가 작으며 다루기 쉽고 모든 재료의 표면을 제거 할 때 작업의 다양성을 제공
  • 지르코늄(zirconium), 산화알루미늄(aluminium oxide)과 감람석(olivine)은 연마제로서 사용
  • 물속에서 연마제의 사용은 연마입자로 인해 발생하는 물을 중화시키기 위한 전문 필터시스템의 설치가 필요
  • 해양 석유 굴착 장치의 해체 같은 다른 작업에도 적합
착암기(Jackhammer)

착암기(Jackhammer)이미지

  • 주로 콘크리트 구조물의 분리에 사용
  • 착암기는 캐터필러(caterpillar)에 사용
  • KNN의 생체 차폐(biological shields) 및 연구로(the research reactor) FRJ-1 를 파괴하는데 사용
코어 드릴링(Core-drilling)

코어 드릴링(Core-drilling)이미지

  • 철근 콘크리트 벽을 뚫는 드릴링(drilling)에 사용
  • 큰 직경의 코어드릴로 이루어진 생체 차폐(biological shield)의 분리에 적합
  • Core-drills은 또한 매니퓰레이터(manipulators)에 장착 가능
  • 영국 원자로(British reactor)의 해체 중 이 공정이 사용 되었을 때 blasting보다 비용 저렴
  • 독일에서 기존분야에서의 사용이 주로 개발되어 왔던 많은 다른 기술들처럼 이 기술은 HDR과 KRB-A에서 응용 분야를 발견

자료관리 담당자

원자력안전과
권순환 (051-888-3031)
최근 업데이트
2018-08-06

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