[논문]핵주기 공정에서의 이온성 액체 활용 기술 개요

김기섭; 박병흥

핵주기 공정에서의 이온성 액체 활용 기술 개요
Overview on Ionic Liquid Application Technologies for Back-end Fuel Cycle Processes 원문보기

융ㆍ복합기술연구소 논문집 = Journal of institute of convergence technology, v.3 no.2, 2013년, pp.1 - 6

김기섭 (한국교통대학교 화공생명공학과) , 박병흥 (한국교통대학교 화공생명공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The ionic liquids are known to potential alternative solvents capable of replacing the commercial solvents in various processes including those in nuclear fuel cycle. As to the material, a number of studies have already reviewed the interesting results and addressed the spectroscopic as well as electrochemical behaviors of metal elements included in spent nuclear fuels. It has found that the important properties of metal ions in TBP dissolved ILs have led the development of alternative technologies to traditional solvent extraction processes. On the other hand, the electrochemical deposition of metal ions in ILs have been investigated for the application of the solvents to aqueous as well as to non-aqueous processes. In this work, a review on the application of ILs in nuclear fuel cycle is briefly presented to understand the notable researches on ILs focusing on aqueous processes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

사용후핵연료 처리 공정을 수용성 공정과 비수용성 공정으로 구분한다면 추출-전해회수 방법은 수용성 공정으로 이해할 수 있으며 용해-전해회수 방법은 비수용성 공정으로 분류할 수 있다. 본 논문에서는 이와 같은 분류를 기준으로 우라늄, 악티나이드, 란타나이드 및 주요 분열생성물을 대상으로 연구된 결과들을 정리하였다.
그러나, 기술적 측면에서 여러 다른 국가 기술에 뒤처지지 않기 위해서는 시급히 기술 개발이 시도되어야하는 분야이기도 하다. 본 연구에서는 연구자들이 이온성 액체를 활용한 후행핵연료 주기 공정 개발 단계로 진입을 원활하게하기 위해 기존 연구들의 접근 방법들과 주요 결과들을 정리하였으며 현황과 주요 이슈들을 검토하였다. 이를 위해 이온성 액체 연구자들에 초점을 둔 검토 논문^1-3)을 벗어나 사용후핵연료 공정에 관심 있는 연구자들을 위해 이온성 액체의 설명을 강화하였으며 앞선 검토 논문들이 담지 못한 최근 연구들을 포함하였다.
본 연구에서는 최근 다양한 화학 공정에서 친환경 용매로 주목 받고 있는 이온성 액체가 어떻게 방사성 폐기물 처리 공정에 적용될 수 있는지 판단하기 위하여 현재까지의 주요 연구 결과들을 정리하여 제시하였다. 이온성 액체는 그 자체가 금속 이온을 추출할 수 있는 추출제로 사용되는 것은 아니며 추출제를 희석하여 수용액 상과 상 분리를 발생시키기 위한 소수성용액으로 사용된다.

제안 방법

우라늄의 전기화학적 거동 연구에서와 동일하게, 추출된 Cs과 Sr 이온들 역시 이온성 액체의 전기 전도성 특징을 활용하면 전기화학적 방법으로 회수할 수 있다. Crown ether 계열의 추출제를 사용하여 수용액상에서 이온성 액체상으로 추출된 Cs과 Sr의 전기화학적 거동이 수은을 작업 전극으로 하여 실험적으로 연구되었으며 추출제와 복합체를 형성한 각 이온들의 환원 전위가 측정되었다. 수은 풀(pool)을 전극으로 사용하여 90% 정도의 금속을 회수할 수 있음이 밝혀졌으며³⁷⁾ 수은 전극에서는 아멜감을 형성하는 것으로 나타났다³⁸⁾.
1 M TBP/[omim][PF₆]에서 우라늄의 분배율이 모든 질산 농도 범위에서 [bmim][PF₆] 보다 다소 낮았으나 [omim][PF₆]의 질산에 대한 용해도는[bmim][PF₆]에 비해 두세 배 낮은 것으로 관찰되었다¹⁷⁾. 후속 연구로 1.1M TBP/[bmim][NTf2]를 사용하여 질산에 용해된 우라늄을 추출하여 분배율이 1.1 M TBP/[bmim][PF₆]와 1.1 M TBP/n-DD 시스템의 결과와 비교되었으며 더 나아가 추출된 우라늄을 포함하고 있는 이온성 액체상으로부터 전기화학적 방법으로 우라늄 산화물을 전착시켰다¹⁸⁾. 우라늄 이온을 전착 시키는 연구는 PUREX 공정에 이온성 액체를 적용시키기 위해서는 필수적으로 연구되어야하는 분야이며 최근에는 우라늄 이온의 이온성 액체에서의 전기화학적 물성이 측정되어 [bmim][Cl]계에서 U(VI)의 확산계수와 활성화 에너지가 보고되기도 했다¹⁹⁾.

후속연구

따라서, 현재까지의 연구는 화학적 접근으로 분광학적 분석과 전기화학적 물성 측정에 집중되어 있는 것으로 볼 수 있다. 사용후핵연료 및 방사성 폐기물 처리 공정에 적용을 위한 실제적인 접근으로 우라늄 및 여타 금속 원소들을 포함하고 있는 다성분 계에서 추출 성능과 전기화학 거동이 이온성 액체를 이용한 공정 개발을 위해서 필요한 것으로 판단된다. 이에 더불어 핵확산 저항성 측면에서 Pu이 어떻게 독자적으로 분리되지 않을지에 대한 과학적, 기술적 연구 또한 병행되어야 할 것으로 보인다.
사용후핵연료 및 방사성 폐기물 처리 공정에 적용을 위한 실제적인 접근으로 우라늄 및 여타 금속 원소들을 포함하고 있는 다성분 계에서 추출 성능과 전기화학 거동이 이온성 액체를 이용한 공정 개발을 위해서 필요한 것으로 판단된다. 이에 더불어 핵확산 저항성 측면에서 Pu이 어떻게 독자적으로 분리되지 않을지에 대한 과학적, 기술적 연구 또한 병행되어야 할 것으로 보인다. 이온성 액체가 다양한 양이온-음이온 조합이 가능하므로 이에 대한 연구 범위는 상당히 넓게 되며 만약 성공적으로 이러한 목적에 맞는 이온성 액체와 공정이 개발된다면 PUREX 공정에 비해 친환경적이며 폐기물이 저감된 공정으로, 파이로 공정에 비해 보다 온화한 조건에서 운전되어 반응기 재질 등에서 안정성이 향상된 공정으로 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
이에 더불어 핵확산 저항성 측면에서 Pu이 어떻게 독자적으로 분리되지 않을지에 대한 과학적, 기술적 연구 또한 병행되어야 할 것으로 보인다. 이온성 액체가 다양한 양이온-음이온 조합이 가능하므로 이에 대한 연구 범위는 상당히 넓게 되며 만약 성공적으로 이러한 목적에 맞는 이온성 액체와 공정이 개발된다면 PUREX 공정에 비해 친환경적이며 폐기물이 저감된 공정으로, 파이로 공정에 비해 보다 온화한 조건에서 운전되어 반응기 재질 등에서 안정성이 향상된 공정으로 개발될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온성 액체가 낮은 용융점을 갖는 특징이 나타나는 이유는 무엇으로 설명될 수 있는가?	순수한 물질의 액체 상태가 이온들로 구성되었다는 측면에서 국내에서 활발히 연구되고 있는 건식공정인 파이로 공정(pyroprocessing)에서 사용되는 용융염과 개념적으로는 동일하여 이온성 액체를 용융염의 일종으로 분류할 수도 있으나 무기염들인 용융염과 달리 낮은 온도에서 액체 상태를 나타내는 특징으로 인해 일반적으로는 용융염과 분리하여 정의한다. 이렇게 낮은 용융점을 갖는 특징이 나타나는 이유는 음이온과 양이온의 크기 차이로 설명된다. 보편적으로 사용되는 이온성 액체들의 양이온들은 크기에서 음이온들과 큰 차이를 보이고 있으며 이로 인해 이온들의 결합에 입체장애(steric hindrance)가 발생하기 때문에 상온에서도 양이온-음이온 사이에 강한 결합이 발생하지 않고 액체 상태를 유지하는 것으로 알려져 있다.
	이온성 액체가 소수성을 지녀야 하는 이유는 무엇인가?	추출 공정에 활용되기 위해서는 수용액에 존재하는 금속이온을 추출한 후 액-액 상분리를 유발시켜야 하므로 이온성 액체는 소수성을 지녀야 한다. 이러한 소수성 환경은 이온성 액체에 의해 만들어지며 실제 금속 이온 추출은 추출제를 사용하여 얻게 된다.
	이온성 액체란 무엇인가?	이온성 액체(IL, Ionic Liquid)는 양이온과 음이온으로 구성되어 일반적으로 상온에서 액체 상태를 나타내는 유기염을 일컫는 용어로 사용된다. 순수한 물질의 액체 상태가 이온들로 구성되었다는 측면에서 국내에서 활발히 연구되고 있는 건식공정인 파이로 공정(pyroprocessing)에서 사용되는 용융염과 개념적으로는 동일하여 이온성 액체를 용융염의 일종으로 분류할 수도 있으나 무기염들인 용융염과 달리 낮은 온도에서 액체 상태를 나타내는 특징으로 인해 일반적으로는 용융염과 분리하여 정의한다.

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구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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