Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT) (방사성폐기물학회지)

Korean Radioactive Waste Society (한국방사성폐기물학회)
권호 표지

Development of Liquid Cadmium Cathode Structure for the Inhibition of Uranium Dendrite Growth

수지상 우라늄 성장억제를 위한 액체카드뮴 음극구조 개발

  • Received : 2009.12.16
  • Accepted : 2010.02.04
  • Published : 2010.03.30
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Abstract

The LCC (Liquid Cadmium Cathode) structure to be developed for inhibiting the formation and growth of the uranium dendrite has been known as a key part in the electrowinning process for the simultaneous recovering of uranium and TRU (TRans Uranium) elements from spent fuels. A zinc-gallium (Zn-Ga) experimental system which is able to be functional in aqueous condition and normal temperature has been set up to observe the formation and growth phenomena of the metal dendrites on liquid cathode. The growth of the zinc dendrites on the gallium cathode and the performance of the existing stirrer type and pounder type cathode structure were observed. Although the mechanical strength of the dendrites appeared to be weak in the electrolyte and easily crashed by the various cathode structures, it was difficult to effectively submerge the dendrite into the bottom of the liquid cathode. Based on the results of the aqueous phase experiments, a lab-scale electrowinning experimental apparatus which are applicable to the development of LCC srtucture for the electrowinning process was established and the performance tests of the different types of LCC structure were conducted to prohibit the uranium dendrite growth on LCC surface. The experimental results of the stirrer type LCC structures have shown that they could not effectively remove the uranium dendrites growing at the inner side of the LCC crucible and the performances of the paddle and harrow type LCC structure were similar. Therefore a mesh type LCC structure was developed to push down the uranium dendrites to the bottom of the LCC crucible growing on the LCC surface and at the inner side of the crucible. From the experimental results for the performance test of the mesh type LCC structure, the uranium was recovered over 5 wt% in cadmium without the growth of uranium dendrites. After completion of the experiments, solid precipitates of the bottom of the LCC crucible were identified as an intermetallic compound (UCd11) by the chemical analysis.

액체카드뮴음극(LCC, Liquid Cadmium Cathode)을 사용하여 우라늄과 TRU (TRans Uranium) 원소를 동시에 회수하는 전해제련공정에서 LCC 표면에서 성장하는 수지상(dendrite) 우라늄의 생성 및 성장을 억제하기 위한 LCC 구조는 개발은 전해제련공정의 핵심이다. 금속 수지상의 생성과 성장 현상을 관찰하기 위해 상온에서 실험이 가능하며 육안관찰이 가능한 Zn-Ga 계의 모의실험장치를 제작하였으며 갈륨 계면에서의 수지상 아연의 성장 현상과 기존의 교반기형과 파운더형 LCC 구조의 성능을 관찰하였다. 이러한 금속 수지상은 전해용액 내에서 그 기계적 강도가 약한 것으로 보여 여러 가지 음극 구조에 의해 쉽게 파쇄 되지만 액체금속으로 쉽게 가라앉지는 않았다. 모의 실험결과를 바탕으로, LCC 구조개발에 활용할 수 있는 실험실 규모의 액체음극 전해제련 실험 장치를 제작하였으며, 수지상 우라늄의 성장 억제를 위한 여러 가지 형태의 LCC 구조의 성능 시험을 수행하였다. 교반기형 LCC 구조의 실험결과 LCC 도가니 내벽에서 성장하는 수지상 우라늄을 효과적으로 파쇄하지 못하였으며, 일자형과 harrow형 LCC 구조의 성능은 유사하였다. 이에 따라 LCC 표면과 도가니 내벽에서 성장하는 수지상 우라늄을 LCC 도가니 바닥으로 침전시키기 위하여 mesh형 LCC 구조를 개발하였다. 이의 성능실험결과 수지상 우라늄의 성장 없이 약 5 wt%까지의 우라늄을 회수할 수 있었다. 실험 종료 후 LCC 바닥 침전물을 화학 분석한 결과 금속간화합물(UCd11)이 형성되었음을 확인할 수 있었다.

Keywords

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