사용후핵연료파이로 공정은 전기화학 이론들에 기초하여 개발되고 있다. 공정 모사는 공정 개발과 실험데이터 해석에 주요한 방법 중 하나로 파이로 공정에서도 필요한 접근 방법 중 하나이다. 현재까지 파이로 공정의 공정 모사는 전해정련 공정 위주로 진행되어 왔으며 전해환원 공정에 대한 연구는 많지 않았다. 전해환원 공정은 전해정련 공정과 달리 기체 발생과 다공성 전극의 특징을 지니고 있기 때문에 공정 모사를 위한 모델 개발을 위해서는 이를 고려한 수식들이 필요하게 된다. 본 연구에서는 전기화학 셀 해석에 필요한 열역학, 물질전달, 반응공학 이론 중 전해환원 공정 모델 개발에 필요한 개념과 수식들을 정리하여 제시하였다. 전해환원 셀을 구분하여 각 부분에 적용해야하는 수식들을 나열했으며 각 부분들 연결에 사용되는 경계조건들 역시 제시하였다. 이들 수식들은 추후 모델 개발에 기초로 사용될 수 있으며 실험데이터와 결합시켜 결정되어야 하는 매개변수 파악에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
사용후핵연료 파이로 공정은 전기화학 이론들에 기초하여 개발되고 있다. 공정 모사는 공정 개발과 실험데이터 해석에 주요한 방법 중 하나로 파이로 공정에서도 필요한 접근 방법 중 하나이다. 현재까지 파이로 공정의 공정 모사는 전해정련 공정 위주로 진행되어 왔으며 전해환원 공정에 대한 연구는 많지 않았다. 전해환원 공정은 전해정련 공정과 달리 기체 발생과 다공성 전극의 특징을 지니고 있기 때문에 공정 모사를 위한 모델 개발을 위해서는 이를 고려한 수식들이 필요하게 된다. 본 연구에서는 전기화학 셀 해석에 필요한 열역학, 물질전달, 반응공학 이론 중 전해환원 공정 모델 개발에 필요한 개념과 수식들을 정리하여 제시하였다. 전해환원 셀을 구분하여 각 부분에 적용해야하는 수식들을 나열했으며 각 부분들 연결에 사용되는 경계조건들 역시 제시하였다. 이들 수식들은 추후 모델 개발에 기초로 사용될 수 있으며 실험데이터와 결합시켜 결정되어야 하는 매개변수 파악에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
Pyroprocess for treating spent nuclear fuels has been developed based on electrochemical principles. Process simulation is one of the important methods for process development and experimental data analysis and it is also a necessary approach for pyroprocessing. To date, process simulation of pyropr...
Pyroprocess for treating spent nuclear fuels has been developed based on electrochemical principles. Process simulation is one of the important methods for process development and experimental data analysis and it is also a necessary approach for pyroprocessing. To date, process simulation of pyroprocessing has been focused on electrorefining and there have been not so many investigations on electrolytic reduction. Electrolytic reduction, unlike electrorefining, includes specific features of gas evolution and porous electrode and, thus, different equations should be considered for developing a model for the process. This study summarized required concepts and equations for electrolytic reduction model development from thermodynamic, mass transport, and reaction kinetics theories which are necessitated for analyzing an electrochemical cell. An electrolytic reduction cell was divided and equations for each section were listed and, then, boundary conditions for connecting the sections were indicated. It is expected that those equations would be used as a basis to develop a simulation model for the future and applied to determine parameters associated with experimental data.
Pyroprocess for treating spent nuclear fuels has been developed based on electrochemical principles. Process simulation is one of the important methods for process development and experimental data analysis and it is also a necessary approach for pyroprocessing. To date, process simulation of pyroprocessing has been focused on electrorefining and there have been not so many investigations on electrolytic reduction. Electrolytic reduction, unlike electrorefining, includes specific features of gas evolution and porous electrode and, thus, different equations should be considered for developing a model for the process. This study summarized required concepts and equations for electrolytic reduction model development from thermodynamic, mass transport, and reaction kinetics theories which are necessitated for analyzing an electrochemical cell. An electrolytic reduction cell was divided and equations for each section were listed and, then, boundary conditions for connecting the sections were indicated. It is expected that those equations would be used as a basis to develop a simulation model for the future and applied to determine parameters associated with experimental data.
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문제 정의
이와 함께 산화전극은 생성된 기체에 의해 유효전극 표면적이 축소되므로 이를 고려한 수식이 필요하며 환원전극은 전해환원 결과로 발생되는 다공성 성질을 고려한 수식이 결합되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 수식들과 함께 각 구역을 연결시키는 경계조건을 정리하여 제시된 수식들의 결합 방법을 나타내었다. 본 연구의 결과를 기초로 실험조건에 맞도록 수식을 변현하고 실험데이터를 사용하여 필요한 매개변수를 결정한다면 전해환원 셀을 모사할 수 있을 것으로 예상되며 상용 전산툴과 결합시켰을 경우 다양한 형상의 전극 또한 표현할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 전기화학반응을 활용하는 전해환원 공정모델 개발을 위해 일반적 범위에서 용융염 공정에 적용 가능한 전기화학, 열역학 및 물질전달 이론들을 정리하였으며 전해환원 반응 특징을 반영한 특정 수식들 또한 정리하여 추후 예상되는 모델 개발에 기초를 제시하고자 하였다.
전해환원 공정은 전해정련/전해제련 공정과 다른 특징들을 보이고 있기 때문에 기존에 전해정련/전해제련 공정에 대해 개발된 공정 모델을 직접 사용하는 것에는 무리가 따르게 된다. 본 연구에서는 전해환원 공정의 특징인 기체 발생과 다공성 전극을 고려하여 모델 개발에 필요한 기존 이론들과 지배 방정식들을 정리하여 추후 모델 개발을 위한 기초를 제시하고자 하였다.
가설 설정
일본 CRIEPI(Central Research Institute of Electric Power Industry)의 Kobayashi는 확산과정이 제한 단계인 조건에서 전기화학 반응을 모델로 만든 TRAIL을 개발하였다[5]. 금속전극과 용융염 사이의 경계면은 매우 빠른 반응속도로 전기 화학반응은 항상 평형상태에 있으며 전체 반응속도는 경계면으로의 확산에 의하여 지배된다는 가정하에 전극전압과 용융염에서 금속 원소들의 농도 변화 등을 계산하였다. Kobayashi는 TRAIL의 금속전극과 용융염에서의 전류 전압관계 모형을 전해제련 반응기에서 전체 저항에 대한 분극저항의 효과 및 이온의 분포를 평가하기 위하여 확장하여 DEVON이라는 전산모형을 개발하였다[6-8].
일반적으로 전기화학에서는 전해질 벌크에서 농도 및 포텐셜 구배가 없는 반면 전해질 전체에 걸리는 농도 및 포텐셜 구배는 양 전극의 확산층에 존재하는 것으로 가정한다. 산화전극 계면 확산층에서 전류는 물질전달에 의해 발생되며 이는 식(4)로 표현되는 전달현상 이론으로부터 유도되는 Nernst-Plank식으로 표현된다.
전해환원 공정의 환원전극의 전기화학반응은 산화물이 전자를 받는 직접 환원인 경우 식(13)과 같이 발생하는 것으로 가정할 수 있으며 산화물에서 산소 이온이 지속적으로 제거되므로 생성된 금속은 다공성 성질을 지니게 된다.
제안 방법
DEVON은 전해제련 반응기의 전압 분포를 Laplace식을 이용하여 계산하고 전류 밀도는 계산된 전압분포로부터 Ohm의 법칙을 사용하여 계산하였다. 이 때 분극저항은 TRAIL 모형으로 계산하여 분극에 따른 이차 전압 및 전류밀도에 미치는 영향을 분석하였다. 한국에서는 전해정련 공정에 대해 FORTRAN으로 작성된 전산 모델인 REFIN이 개발되었다[9].
Ahluwalia와 Geyer은 화학적 평형이론에 근거하여 공정 흐름에 대한 GC Code로 명명된 전산모형을 개발하였다[4]. 이 모델은 전기화학 이론보다 화학반응 이론을 활용한 것으로 건식공정에 존재하는 다양한 상태 및 수많은 원소들의 화학반응에서 평형상태를 계산하기 반응의 Gibbs 에너지의 크기에 따라 수식들을 정렬하여 최소화시키는 SLG 알고리듬을 개발하여 경수로 산화물 연료의 건식처리 공정도를 모사하였다. 일본 CRIEPI(Central Research Institute of Electric Power Industry)의 Kobayashi는 확산과정이 제한 단계인 조건에서 전기화학 반응을 모델로 만든 TRAIL을 개발하였다[5].
이론/모형
Kobayashi는 TRAIL의 금속전극과 용융염에서의 전류 전압관계 모형을 전해제련 반응기에서 전체 저항에 대한 분극저항의 효과 및 이온의 분포를 평가하기 위하여 확장하여 DEVON이라는 전산모형을 개발하였다[6-8]. DEVON은 전해제련 반응기의 전압 분포를 Laplace식을 이용하여 계산하고 전류 밀도는 계산된 전압분포로부터 Ohm의 법칙을 사용하여 계산하였다. 이 때 분극저항은 TRAIL 모형으로 계산하여 분극에 따른 이차 전압 및 전류밀도에 미치는 영향을 분석하였다.
성능/효과
전해환원 셀을 전극, 전극면, 확산층 등으로 구분하였을 때 전극면에서 전류는 반응공학에 기초한 Butler-Volmer식이 적용가능하며 비가역 반응인 산화전극에서는 Tafel식이 유효할 것으로 판단되었다. 확산층에서 전류는 물질전달 현상에 의해 나타나며 농도 및 전위차에 의해 발생되는 물질전달을 표현하는 Nernst-Plank식을 사용할 수 있을 것이다.
한국과 미국은 공동연구인 I-NERI 프로그램의 일부로 Mark-IV 전해정련 장치에서 발생되는 기초 화학 및 물리 특성을 이해하기 위해 동적 모델 개발을 위한 프로젝트를 시작하였다[13-15]. 제시된 모델은 우라늄과 지르코늄의 상대적 용해 거동을 추적할 수 있으며 지르코늄의 용해를 최소화하기 위해서는 우라늄 용해가 제한되어야한다는 것을 보여 실험 결과와 일치하는 것으로 나타났다.
후속연구
본 연구에서는 이러한 수식들과 함께 각 구역을 연결시키는 경계조건을 정리하여 제시된 수식들의 결합 방법을 나타내었다. 본 연구의 결과를 기초로 실험조건에 맞도록 수식을 변현하고 실험데이터를 사용하여 필요한 매개변수를 결정한다면 전해환원 셀을 모사할 수 있을 것으로 예상되며 상용 전산툴과 결합시켰을 경우 다양한 형상의 전극 또한 표현할 수 있을 것으로 기대된다.
전해환원 셀을 전극, 전극면, 확산층 등으로 구분하였을 때 전극면에서 전류는 반응공학에 기초한 Butler-Volmer식이 적용가능하며 비가역 반응인 산화전극에서는 Tafel식이 유효할 것으로 판단되었다. 확산층에서 전류는 물질전달 현상에 의해 나타나며 농도 및 전위차에 의해 발생되는 물질전달을 표현하는 Nernst-Plank식을 사용할 수 있을 것이다. 이와 함께 산화전극은 생성된 기체에 의해 유효전극 표면적이 축소되므로 이를 고려한 수식이 필요하며 환원전극은 전해환원 결과로 발생되는 다공성 성질을 고려한 수식이 결합되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파이로 공정은 어떻게 구성되는가?
한국은 산화물 형태인 경수로 사용후핵연료를 대상으로 전기화학적 원리에 기초한 파이로 공정을 개발하고 있다. 전해환원(electrolytic reduction), 전해정련(electrorefining), 전해제련(electrowinning)으로 이어지는 일련의 전기화학 반응기들을 거치면 산화물 사용후핵연료는 환원되고 우라늄이 분리되며 TRU원소들이 회수되도록 파이로 공정이 구성되어 있다. 이들 전기화학 반응들은 유사한 것처럼 보일 수 있으나 이를 명확히 구분하면 전해환원은 고체 형태의 대상산화물을 전극으로 하여 전위를 인가함으로서 산화물에서 산소를 제거하는 공정이고 전해정련은 불순물이 포함된 금속을 정제하는 개념으로 전기화학 반응 측면에서 작업전극과 상대전극은 서로 역반응에 해당하여 공급 물질 전극의 상대편 전극에서 최종 목적물을 회수하는 공정이며 전해제련은 여러 다양한 금속 이온들이 함께 녹아있는 매질에서 목적물질을 원소들의 환원 전위차를 이용하여 획득하는 개념의 공정이다.
파이로 공정이란 무엇인가?
사용후핵연료 처리를 위해 개발되어 상용화된 습식공정의 대안 기술로 핵확산 저항성이 제고된 파이로 공정이 2000년대 이후 주목받고 있다. 파이로 공정은 PUREX로 대표되는 습식공정에 비해 장치들이 단순하여 공정이 간소화되며 방사능에 대해 비교적 안정한 매질을 사용하기 때문에 냉각기간이 짧고 상대적으로 방사능이 높은 사용후핵연료를 처리할 수 있는 공정으로 Pu을 포함한 TRU(transuranic) 원소들을 개별 분리하지 않는 특성으로 습식공정에 비해 상대적으로 높은 핵확산 저항성을 보이고 있다. 파이로 공정을 활용하면 사용후핵연료에 잔존하고 있는 유효자원들을 회수하여 폐기물 발생량을 줄이고 장기적으로는 제4세대 원전인 고속로에 사용될 수 있는 연료 물질을 확보하는 동시에 고속로 사용후핵연료 처리를 통해 순환 핵연료주기를 완성할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
GC Code모델의 모사 메커니즘은 무엇인가?
Ahluwalia와 Geyer은 화학적 평형이론에 근거하여 공정 흐름에 대한 GC Code로 명명된 전산모형을 개발하였다[4]. 이 모델은 전기화학 이론보다 화학반응 이론을 활용한 것으로 건식공정에 존재하는 다양한 상태 및 수많은 원소들의 화학반응에서 평형상태를 계산하기 반응의 Gibbs 에너지의 크기에 따라 수식들을 정렬하여 최소화시키는 SLG 알고리듬을 개발하여 경수로 산화물 연료의 건식처리 공정도를 모사하였다. 일본 CRIEPI(Central Research Institute of Electric Power Industry)의 Kobayashi는 확산과정이 제한 단계인 조건에서 전기화학 반응을 모델로 만든 TRAIL을 개발하였다[5].
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