• Nuclear Engineering and Technology
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• 제40권3호
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• pp.175-182
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• 2008

The results of process development for the blending of waste salt from the electrorefining of spent fuel with zeolite-A are presented. This blending is a key step in the ceramic waste process being used for treatment of EBR-II spent fuel and is accomplished using a high-temperature v-blender. A labscale system was used with non-radioactive surrogate salts to determine optimal particle size distributions and time at temperature. An engineering-scale system was then installed in the Hot Fuel Examination Facility hot cell and used to demonstrate blending of actual electrorefiner salt with zeolite. In those tests, it was shown that the results are still favorable with actinide-loaded salt and that batch size of this v-blender could be increased to a level consistent with efficient production operations for EBR-II spent fuel treatment. One technical challenge that remains for this technology is to mitigate the problem of material retention in the v-blender due to formation of caked patches of salt/zeolite on the inner v-blender walls.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제54권10호
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• pp.3957-3961
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• 2022

Deposition behaviors of Sr and Cs in various liquid cathodes, such as Zn, Bi, Cd, and Pb, were examined to evaluate their recovery from LiCl-KCl eutectic salt. Cations in the salt were deposited on the liquid cathode, exhibiting potential of -1.8 to -2.1 V (vs. Ag/AgCl). Zn cathode had successful deposition of Sr and exhibited the highest recovery efficiency, up to 55%. Meanwhile, the other liquid cathodes showed low current efficiencies, below 18%, indicating LiCl-KCl salt decomposition. Sr was recovered from the Zn cathode as irregular rectangular SrZn₁₃ particles. A negligible amount of Cs was deposited on the entire liquid cathode, indicating that Cs was hardly deposited on liquid cathodes. Based on these results, we propose that liquid Zn cathode can be used for cleaning Sr in LiCl-KCl salt.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제50권4호
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• pp.696-701
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• 2012

사용후핵연료의 안정적 관리와 재활용을 위해 건식 처리공정이 관심을 끌고 있으며 현재 국내에서도 이를 중심으로 사용후핵연료 관리를 위한 방안이 모색되고 있다. 파이로 공정으로 불리는 사용후핵연료 고온 용융염 공정 중 전해환원 공정은 후속 공정인 전해정련 공정에 금속 물질을 공급하는 역할을 한다. 이를 위해 전해환원 공정은 고온 LiCl을 매질로 사용하여 전기화학적으로 생성된 Li과의 반응으로 산화물을 금속으로 전환시킨다. 사용후핵연료에 존재하는 다양한 핵종들은 전해환원 공정의 매질인 LiCl과 반응 매질인 Li에 대한 반응성에 차이에 의해 시스템 내에 분배하게 된다. 본 연구에서는 이와 같은 시스템에서 사용후핵연료 구성 성분들의 거동을 해석하기 위해 열역학적 계산을 통해 각 원소들의 반응성을 확인하였다. 공정온도에서 우라늄 및 초우란 원소들은 금속으로 환원되는 반면 Eu를 제외한 희토류 산화물들은 안정적인 산화물로 존재하게 된다. 또한, 본 연구에서는 공정온도에 대한 반응의 경향을 판단하였으며 공정 온도에서 기준 사용후핵연료를 대상으로 전해환원 반응에 따라 분배되는 상들의 방사능 및 열부하를 계산하여 공정 자료를 제시하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제13권3호
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• pp.181-186
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• 2015

사용후핵연료 파이로프로세싱에서 발생하는 방사성폐기물의 양을 최소화하기 위해서는 방사성 핵종 함유 염폐기물을 효과적으로 처리할 수 있는 기술개발이 필요하다. 이를 위해 탄산화물(Li₂CO₃, K₂CO₃)을 이용한 반응증류공정에서 LiCl-KCl 공융염 내 NdCl₃의 분리특성을 관찰하였다. HSC-Chemistry 프로그램을 이용한 탄산화물과 NdCl₃의 반응모델결과에서 NdCl₃는 탄산화물의 주입조건 및 온도변화에 따라 산염화물(NdOCl) 또는 산화물(Nd₂O₃) 형태로 전환됨이 확인되었으며, 탄산화물의 주입조건에 따른 LiCl-KCl-NdCl₃계의 반응증류시험에서 반응모델결과와 유사한 경향을 확인하였다. 이 결과들을 이용하여 LiCl-KCl 공융염 내 NdCl₃를 고화가 용이한 산화물 형태로 분리하기 위한 공정조건을 도출하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제11권1호
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• pp.23-29
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• 2013

경제적이고 우수한 핵확산저항성을 갖는 파이로공정의 핵심 단위공정인 전해제련 공정에서 U와 TRU를 동시에 회수하기 위해 환원전극으로써 LCC가 사용된다. 한가지 원소만을 회수하는 금속음극과는 달리 LCC는 전기화학적으로 U와 TRU의 선택적 분리가 어려워 핵확산저항성을 높이는 기술의 핵심이라고 할 수 있다. LCC를 담아놓는 LCC 도가니는 U나 TRU로만 전착되어야하기 때문에 도가니는 전기적으로 절연되어야 한다. LCC와의 안정성과 회수된 TRU 및 용융염과의 화학적 안전성은 물론 공정 중 전착될 수 있는 금속 Li과의 반응성도 고려되어야하므로 LCC 도가니의 소재 특성은 매우 중요하다. 본 연구에서는 $Al_2O_3$, MgO, $Y_2O_3$, BeO 네 가지 대체 세라믹 소재의 화학적 안정성을 $500^{\circ}C$에서 모의 LCC로 열역학적 및 실험적으로 평가하였다. 세라믹 기판 위의 LCC 접촉각은 화학적 반응성을 예측하기 위해 시간에 따라 측정하였다. $Al_2O_3$는 가장 낮은 화학적 안정성 갖고 BeO는 재료 내에 존재하는 기공은 접촉각감소에 영향을 주었다. MgO, $Y_2O_3$는 우수한 화학적 안정성을 나타내었다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제18권2호
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• pp.207-215
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• 2020

희토류(Rare Earth) 함량이 높은 TRU 생성물 중의 RE 원소를 감소시키기 위하여 RE 원소와 UCl₃의 산화반응을 이용한 RE 제거 공정의 타당성을 HSC Chemistry 코드를 이용하여 검토하였다. 사용후핵연료에 포함된 TRU 원소 및 RE 원소의 조성 및 열역학적 자료를 검토하였으며, UCl₃와의 산화 반응에 따른 평형 자료를 계산하여 공정 가능성을 검토하였다. 실제 파이로 프로세싱 처리를 가정한 물질수지로부터 TRU 생성물의 RE 함량이 다른 두 가지 경우에 대하여 RE 원소 제거율과 TRU 회수율을 평가하였다. TRU 생성물을 산화제인 UCl₃와 반응시켰을 때 각 원소의 Gibbs free energy의 차이에 의한 선택적 산화 반응이 일어났다. 투입된 UCl₃ 양을 조절하여 TRU 회수율을 최대로 유지하면서도 RE 원소를 제거하여 최종생성물의 TRU/RE 비를 증가시킬 수 있는 가능성을 계산 결과로 확인하였다. 본 연구의 결과들은 열역학적 평형 자료에 기반한 결과이므로 실제 공정에 적용하기에는 많은 차이점이 존재한다. 그러나 TRU 물질을 취급하기 어려운 환경에서 파이로프로세싱의 TRU 생성물을 고속로의 핵연료로 공급하기 위한 공정 설계에 중요한 자료로 활용될 것으로 기대된다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제15권4호
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• pp.333-341
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• 2017

원자력 발전 이후에 누적되는 사용후핵연료를 해소하기 위한 다양한 연구가 시도되고 있으며, 특히 건식으로 사용후핵연료를 재활용하는 파이로 공정이 주목되고 있다. 파이로 공정의 공학규모 실증을 위하여 대형 공정셀을 구비한 PRIDE 시설이 구축되었다. 파이로 공정에 사용되는 용융염의 화학반응성을 고려하여, 공정셀 내부는 아르곤 분위기를 유지한다. 결과적으로, 작업자가 공정셀 내부에 진입할 수 없으며, 공정셀 내부에 설치된 모든 공정장치는 원격수단에 의해 공정셀 밖에서 원격조작을 통해 수행한다. 따라서, 공정셀에 설치되는 공정장치는, 설계단계에서 부터 원격작업을 고려하여 설계되어야 하며, 공정셀에 반입하기 전에 원격으로 작동이 가능한지 철저히 검증하여야 한다. 만약, 공정셀에 반입되어 작동하는 단계에서 문제가 발생하는 경우, 장치를 반출하여 수정한 후 재반입하기까지 많은 비용과 시간을 허비하게 된다. 공정장치의 원격성 검증을 위하여, 물리적인 목업을 사용할 뿐 아니라, 설계단계에서 3D 모델을 활용한 가상 검증이 가능하다. 본 연구는, 가상공간에 PRIDE 공정셀을 구성하고, 설계된 공정장치 3D 모델을 입력하여, 원격조작성을 검증하기 위한 PRIDE 3D 시뮬레이터 개발에 관한 것이다. 실제 PRIDE 공정셀의 형상과 공정셀에 설치되는 원격운전 및 유지보수 장치의 움직임을 가상공간에 구현하고, 공정장치의 3D 모델을 실제 설치할 장소에 위치할 수 있도록 하였다. PRIDE 공정셀에 설치될 전해공정장치의 전극교체 작업을 시뮬레이션 시나리오로 설정하여, 개발된 PRIDE 3D 시뮬레이터의 사용성을 검증하고자 하였다. 8단계로 이루어진 원격작업 시나리오를 구성하여, 각 단계의 원격작업을 성공적으로 모사함으로써, PRIDE 공정셀의 원격성 평가를 성공적으로 수행하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제15권4호
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• pp.343-353
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• 2017

KAERI의 PRIDE 시설에서 공학규모의 전해환원용 원료물질인 $UO_2$ 다공성펠렛 제조를 위해 공정과 장치를 최적화시킨 내용을 다루었다. $UO_2$ 분말과 별도로 attrition 밀링된 대용산화물 분말을 출발분말로, 정밀 칭량을 통해 사용후핵연료 조성을 모사하였다(Simfuel). Simfuel 분말은 각각 tumbling mixer로 혼합하여 균질화 하고, rotary press로 성형하여 furnace를 이용해 소결하였다. $4%\;H_2-Ar$ 분위기에서 $1450^{\circ}C$ 24시간 고온 열처리하여 제조된 소결펠렛은 $6.89g{\cdot}cm^{-3}$의 벌크밀도를 가지며 이는 후속 전해환원 공정의 요구에 부합한다. 소결된 다공성펠렛의 미세구조 관찰을 통해 다공성 기지상과 함께 산화/금속 석출물이 관찰되어 사용후핵연료의 상이 모사됨을 확인하였다. 본 결과는 향후 공학규모 이상의 파이로 연구를 위한 $UO_2$ 다공성펠렛 제조에 중요한 기초자료로 활용 될 것이다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제8권1호
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• pp.19-32
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• 2010

고온 용융염 전해환원 공정은 후행핵연료 주기의 대안 공정인 파이로공정의 산화물 사용후핵연료의 확대를 위해 필수적인 공정이다. 사용후핵연료는 다성분 산화물로 이루어져 있으며 각 산화물은 전해환원 공정에서 화학적 특성에 따라 산소를 잃게 된다. 본 연구에서는 건식분말화 공정 이후 전해환원 반응기에 도입되는 사용후핵연료 조성을 기준으로 각 금속-산소 시스템을 독립적인 이상고용체로 가정하여 전해환원 반응거동을 계산하였다. 전해환원을 Li의 환원과 이어지는 Li과의 화학반응의 결합으로 산정하여 U을 비롯한 금속 환원 거동을 계산하였다. 계산결과 대부분의 산화물들은 전해환원 공정에 의해 금속으로 전환되는 것으로 예상되었다. 란타나이드 원소들의 경우 $Li_2O$의 농도가 낮아지면 금속 전환율이 높아지나 대부분 산화물로 존재하는 것으로 나타났다. 추가적으로 $U_3O_8$의 전해환원 거동에 대해 Li의 확산과 Li과의 화학반응을 고려하여 반실험적 모델이 제시되었다. 실험데이터를 활용하여 매개변수를 결정하였으며 시간에 대한 환원율 및 전류에 대한 99.9% 환원 시간을 계산하였다.

• 방사성폐기물학회지
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• 제16권1호
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• pp.59-64
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• 2018

사용후핵연료을 건식처리하는 파이로프로세싱 중 전해정련 및 제련공정 후 발생되는 우라늄과 초우라늄 및 희토류 등의 염화물을 함유한 LiCl-KCl 공융염에는 특히 희토류 함량이 높기 때문에 유효자원으로 활용이 가능한 형태의 우라늄과 초우라늄의 분리/회수가 쉽지 않다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 $LiCl-KCl-UCl_3-NdCl_3$ 시스템에서 산화제($K_2CO_3$)를 이용하여 $UCl_3$를 산화물 형태로 전환한 후 전기화학적 방법을 이용하여 $NdCl_3$를 금속형태로 분리하는 실험을 실시하였다. 실험에 앞서, 이론적 평형계산을 수행하여 우라늄 염화물을 산화물로 전환하기 위한 실험조건을 결정하였다. 상기의 실험에서 LiCl-KCl 내 $UCl_3$는 첨가제의 주입량이 이론적 반응당량에 근접하였을 때 거의 대부분이 염내에서 염화물 형태로 존재하지 않는 것으로 나타났다. 이후 액체금속음극을 이용하여 $NdCl_3$를 금속형태로 전착시켰으며, 전착실험 후 투명한 용융상의 LiCl-KCl 공융염과 갈색의 우라늄 산화침전물이 존재함이 확인되었다. 이러한 결과들을 통해 $LiCl-KCl-UCl_3-NdCl_3$ 시스템에서 우라늄 및 희토류를 각각 분리할 수 있는 방안을 수립할 수 있을 것으로 판단된다.