Olga Y. Palazhchenko;Jane P. Ferguson;William G. Cook
Nuclear Engineering and Technology
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제55권10호
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pp.3665-3676
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2023
The use of ion exchange resins to remove ionic impurities from solution is prevalent in industrial process systems, including in the primary heat transport system (PHTS) purification circuit of nuclear power plants. Despite its extensive use in the nuclear industry, our general understanding of ion exchange cannot fully explain the complex chemistry in ion exchange beds, particularly when operated at or near their saturation limit. This work investigates the behaviour of mixed-bed ion exchange resin, saturated with species representative of corrosion products in a CANDU (Canadian Deuterium Uranium) reactor PHTS, particularly with respect to iron chemistry in the resin bed and the removal of lithium ions from solution. Experiments were performed under deaerated conditions, analogous to normal PHTS operation. The results show interesting iron chemistry, suggesting the hydrolysis of cation resin bound ferrous species and the subsequent formation of either a solid hydrolysis product or the soluble, anionic Fe(OH)3-.
본 연구에서는 확산에 의해 발생하는 시멘트 방벽의 변질 과정을 반응성용질이동 모델링을 통해 장기간 동안 예측하고자 하였다. 모델링 결과 50,000년 후 시멘트의 변질은 30cm까지 진행되었다. pH는 13.0에서 11.86까지 감소하였으며 이는 알칼리 이온의 감소, 포틀랜다이트(portlandite)와 CSH (Calcium Silicale Hydrate)광물의 용해/침전반응에 의해 결정되고 있었다. 공극률 또한 portlandite와 $CSH2.0(Ca_2SiO_3(OH)_2:0.17H_2O)$의 용해에 의해 가장 큰 영향을 받고 있었으며 최고 약 0.3 점도 증가하였다. 우라늄의 용해도 역시 증가하고 있었으며 이는 pe의 증가에 기인하고 있었다. 본 연구 결과는 장기간의 시멘트 변질이 pH, pe, 공극률을 변화시킴으로서 핵종의 이동을 증가시킬 수 있음을 보여주고 있다.
The bacterial uranium(VI) reduction and its resultant low solubility make this process an attractive option for removing U from groundwater. An impact of aqueous suspending iron phase, which is redox sensitive and ubiquitous in subsurface groundwater, on the U(VI) bioreduction by Shewanella putrefaciens CN32 was investigated. In our batch experiment, the U(VI) concentration ($5{\times}10^5M$) gradually decreased to a non-detectable level during the microbial respiration. However, when Fe(III) phase was suspended in solution, bioreduction of U(VI) was significantly suppressed due to a preferred reduction of Fe(III) instead of U(VI). This shows that the suspending amorphous Fe(III) phase can be a strong inhibitor to the U(VI) bioreduction. On the contrary, when iron was present as a soluble Fe(II) in the solution, the U(VI) removal was largely enhanced. The microbially-catalyzed U(VI) reduction resulted in an accumulation of solid-type U particles in and around the cells. Electron elemental investigations for the precipitates show that some background cations such as Ca and P were favorably coprecipitated with U. This implies that aqueous U tends to be stabilized by complexing with Ca or P ions, which easily diffuse and coprecipitate with U in and around the microbial cell.
1%, 2%, 8% 및 16%의 가교도를 가진 스타이렌(제4류 위험물 중 제2석유류) 디비닐벤젠 공중합체에 1-aza-15-crown-5 거대고리 리간드를 치환반응으로 결합시켜 수지를 합성하였으며, 이들 수지의 특성을 염소 함량, 원소 분석, 열 중량 분석, 비표면적(BET), 그리고 적외선 분광법으로 확인하였다. 수지 흡착제에 대한 금속 이온의 흡착에 미치는 pH, 시간, 수지의 가교도 그리고 용매의 유전상수에 따른 영향들을 조사한 결과 금속 이온들은 pH 3 이상에서 큰 흡착율을 보였으며, 금속 이온들의 흡착 평형은 2 h 정도였다. 한편, 에탄올 용매에서 수지에 대한 흡착 선택성은 우라늄$(UO_2^{2+})$ > 납$(Pb^{2+})$ > 크롬$(Cr^{3+})$ 이온이었고, 금속 이온의 흡착력은 1%, 2%, 8% 및 16%의 가교도 순이며, 용매의 유전상수 크기에 반비례하였다.
흐름주입법에 의해 분광광도법으로 U(VI) 및 Th(IV) 이온을 정량하였다. Chrome Azurol S는 양이온 계면활성제인 CTAB 존재하에서 U(VI) 및 Th(IV) 이온과 착물을 형성한다. 아세트산 완충용액에서 U(VI) 착물의 최대 흡수 파장은 pH 5.0에서 600nm이고 몰흡광계수는 약 $2.3{\times}10^5Lmol^{-1}cm^{-1}$이며, Th(IV) 착물의 최대 흡수파장은 pH 5.5에서 611nm이고 몰흡광계수는 약 $3.8{\times}10^5Lmol^{-1}cm^{-1}$였다. FIA에 의한 U(VI) 및 Th(IV)의 검정곡선은 0.1~0.8ppm 범위에서 직선 관계를 보였고, 이 검정곡선은 상관계수는 0.9960 및 0.9930이었다. 검출한계(S/N)는 U(VI)에 대하여는 20ppb이고, Th(IV)에 대하여는 15ppb였다. 상대표준편차는 시료 0.4ppm에 대하여 각각 ${\pm}1.8%$와 ${\pm}2.1%$이고 시료의 분석속도는 약 $50hr^{-1}$이었다.
chloromethylated syrene, 1,4-divinylbenzene과 동공의 크기를 달리한 여러 가지 거대고리 화합물을 개시제로 하여 공중합법에 의하여 1%, 2%, 5%, 및 10%의 다리결합도를 가진 새로운 이온교환수지를 합성한 후 이 수지들을 에탄올 매질에서 열분석, pH, 시간, 다리결합도, 용매 등에 대하여 흡착특성 및 선택성을 살펴 보았다. 이 수지들은 강산, 강염기 및 열에 대해서 안정하였으며, pH 4.0 이상에서는 $UO_2^{+2}$이온에 대한 겉보기용량이 가장 크게 나타났고 U(VI)금속이온은 Ce(III)금속이온에 대하여 선택성을 보였다.
The sorption of UO$_{2}$$^{2+}$ onto goethite and kaolinite under various experimental conditions was successfully interpreted using surface complexation modeling (SCM). The SCM approach used in this work is the triple-layer model (TLM) in which weakly bonded ions are modeled as outer-sphere (ion-pair) complexes and strongly bonded ions as inner-sphere (surface coordination) complexes. The change of ionic strength did not affect the U(VI) sorption onto goethite, thus the formation of inner-sphere surface complexes, (FeO)$_2$UO$_2$ and (FeO)$_2$(UO$_2$)$_3$OH$_{5}$ was assumed to simulate the effects of ionic strength and goethite concentration. On the other hand, the U(VI) sorption onto kaolinite showed ionic strength dependence, thus the formation of AlO-UO$_{2}$$^{2+}$(outer-sphere complex) and SiO(UO$_2$)$_3$OH$_{5}$ (inner-sphere complex) was assumed to simulate the experimental data. In the presence of carbonates, the sorption of U(VI) onto kaolinite decreased in the weakly alkaline pH range. This was well simulated assuming the formation of a outer-sphere surface complex, A1OH$^{2+}$- (UO$_2$)$_2$CO$_3$OH$_3$. Since SCM approach uses thermodynamic data such as surface complexation constants, it is more predictive than empirical modeling approach in which conditional values such as partition coefficient are used. used.
An electrochemical reduction of a mixture of metal oxides was conducted in a LiCl molten salt containing 3 wt% $Li_2O$ at $650^{\circ}C$. The oxide reduction was carried out by applying a current to an electrolysis cell, and the $Li_2O$ concentration was analyzed during each run. The concentration of $Li_2O$ in the electrolyte bulk phase gradually decreases according to Faraday's law due to a slow diffusion of the $O^{2-}$ ions. A hindrance effect of the unreduced metal oxides was observed for the reduction of the uranium oxide. Cs, Sr, and Ba of high heat-load fission products were diffused into and accumulated in the salt phase as predicted with thermodynamic consideration.
A coupled column liquid chromatography system was applied for the separation of the burnup monitors in spent nuclear fuel sample solutions. A reversed phase column was studied for the adsorption behavior of uranyl ions using alpha-hydroxyisobutyric acid as an eluent and used for the separation of plutonium and uranium. A cation exchange column prepared by coating 1-eicosylsulfate onto the reversed phase column was used for the separation of the lanthanides. In addition, retention of Np was checked with the reversed phase column and cation exchange column, respectively, according to the oxidation states to observe the interference effect for the separation of burnup monitors. This chromatography system showed a great reduction in separation time compared to a conventional anion exchange method. A good agreement from the burnup data was obtained between for this method and a conventional anion exchange method to within 1% of a difference for the spent nuclear fuel samples of about 40 GWD/MTU.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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