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Li2O-LiCl 용융염에서의 다공성 양극 슈라우드를 이용한1kg 우라늄산화물의 전해환원
Electrolytic Reduction of 1 kg-UO2 in Li2O-LiCl Molten Salt using Porous Anode Shroud 원문보기

전기화학회지 = Journal of the Korean Electrochemical Society, v.18 no.3, 2015년, pp.121 - 129  

최은영 (한국원자력연구원) ,  이정 (한국원자력연구원) ,  전민구 (한국원자력연구원) ,  이상권 (한국원자력연구원) ,  김성욱 (한국원자력연구원) ,  전상채 (한국원자력연구원) ,  이주호 (한국원자력연구원) ,  허진목 (한국원자력연구원)

초록
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사용후핵연료 재활용을 위한 파이로프로세싱의 전해환원 공정에서는 $Li_2O-LiCl$ 용융염을 전해질로 사용하며 금속산화물 형태의 사용후핵연료를 음극, 백금을 양극으로 사용하여 금속전환체를 제조한다. 따라서, 음극에서는 금속산화물이 금속으로 전환되는 환원반응으로 인해 산소 이온이 생성되고, 양극에서는 그 산소이온이 산소 가스가 되는 산화반응이 발생한다. $650^{\circ}C$의 운전 온도에서 발생하는 양극의 산소 가스로 인한 금속 재질 장치의 부식을 막기 위해 양극을 둘러싸는 슈라우드(shroud)를 사용해 산소 가스를 포집하여 전해질로의 확산을 막는 동시에 장치 외부로 배출되도록 한다. 기존에는 슈라우드 자체의 부식과 산소 가스의 염 내 확산을 방지하기 위하여 세라믹을 사용하였으나 비다공성 재질로 인해 산소 이온의 백금 표면으로의 이동 경로를 제한하여 공정의 속도를 좌우하는 전류 크기를 낮춘다는 문제점이 있었다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 스테인레스 스틸 mesh로 구성된 다공성 슈라우드의 사용이 수 그램 규모 실험을 통해 제안된 바 있다. 본 연구에서는 킬로그램 규모의 우라늄산화물 전해환원 운전을 통해 다공성 슈라우드의 안정성을 확인 하고자 하였다. 음극의 우라늄산화물로는 크기 1~4 mm, 밀도 $10.30{\sim}10.41g/cm^3$의 파쇄 펠렛 1 kg이 사용되었으며, 백금 전극과 다공성 슈라우드가 포함된 양극 모듈을 사용하였다. 전해환원 종료후 음극에서 우라늄 금속이 성공적으로 얻어졌으며, 백금 양극 및 다공성 슈라우드도 손상 없이 안정하게 사용되었다. $650^{\circ}C$에서의 LiCl의 점도와 동일한 물과 에틸렌글리콜의 혼합물에서 산소 가스를 주입하여 확인 결과 산소 버블이 다공성 슈라우드 외부로 유출되는 것은 관찰되지 않았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The platinum anode for the electrolytic reduction process is generally surrounded by a nonporous ceramic shroud with an open bottom to offer a path for $O_2$ gas produced on the anode surface and prevent the corrosion of the electrolytic reducer. However, the $O^{2-}$ ions gene...

주제어

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문제 정의

  • 다공성 슈라우드 양극 모듈을 사용한 1 kg의 UO2 전해환원의 본격 운전을 수행하기 전에 슈라우드를 사용하지 않는 경우와 비다공성 슈라우드를 사용하는 경우에 나타나는 전류 크기를 비교하기 위한 실험을 수행하였다. 1 kg의 UO2가 담긴 바스켓을 공통의 음극으로 사용하고 1.
  • 이 사전 연구에서 사용된 우라늄산화물(UO2)은 실험 당 20 g으로 bench-scale 규모였기 때문에 전해환원에 의해 발생하는 전류의 크기도 작고, 운전 시간도 2시간 이내로 짧아 scale-up 장치에서 적용이 가능한지 판단하는데 어려움이 있었다. 따라서, 본 연구에서는 규모가 확장된 장치에서 1 kg 우라늄산화물의 전해환원 운전을 통해 다공성 슈라우드의 scale-up 장치에서의 적용 가능성을 시험하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
파이로프로세싱은 어떤 특징을 갖는가? 원자력발전소에서 연소된 후 발생한 핵연료인 사용 후 핵연료에 남아있는 우라늄 등의 유용 물질을 에너지 자원으로 재활용할 수 있는 기술 중 하나로 파이로프로세싱(pyroprocessing)이 주목 받고 있다. 파이로프로세싱은 핵연료를 화학적으로 녹이지 않고 고온 용융염 매질에서 전기화학적 방법으로 핵물질을 분리하되 플루토늄이 단독으로 추출되지 않아 핵확산 저항성이 높다는 특징이 있다. 파이로프로세싱의 세부공정으로는 사용후 핵연료 집합체를 해체, 탈피복 등의 가공을 하는 전처리 공정, 산화물형태의 사용후 핵연료를 금속으로 전환시키는 전해환원 공정, 우라늄을 선택적으로 회수하는 전해정련 공정, 전해정련 후 용융염에 남아있는 우라늄 및 초우라늄 원소들을 회수하는 전해제련 공정, 염 폐기물 재생 공정 및 핵연료 제조공정으로 나누어진다.
양극 슈라우드란? 양극 슈라우드란 Fig. 1에서 보는 바와 같이 백금 양극을 둘러싸며 백금 표면에서 발생한 산소 가스가 전해질로 유출되지 않고 배기 시스템을 통해 장치 외부로 유출될 수 있도록 하는 원통형의 튜브를 말한다. 양극 슈라우드가 전해환원 속도에 미치는 영향을 조사한 기존 연구에서,38) 우리는 세라믹 형태의 비다공성 슈라우드에 비해 스테인레스 스틸(stainless steel, STS) mesh 형태의 다공성 슈라우드 사용 시 음극에서 발생한 산소이온이 양극 표면으로 이동이 보다 원활하고 더 넓은 양극 면적에서 산화 반응이 일어날 수 있기 때문에 전류 크기가 2배 정도 커서 공정 속도를 높일 수 있다는 사실을 확인하였다.
사용후핵연료 재활용을 위한 파이프 프로세싱에서 일어나는 반응은 무엇인가? 사용후핵연료 재활용을 위한 파이로프로세싱의 전해환원 공정에서는 $Li_2O-LiCl$ 용융염을 전해질로 사용하며 금속산화물 형태의 사용후핵연료를 음극, 백금을 양극으로 사용하여 금속전환체를 제조한다. 따라서, 음극에서는 금속산화물이 금속으로 전환되는 환원반응으로 인해 산소 이온이 생성되고, 양극에서는 그 산소이온이 산소 가스가 되는 산화반응이 발생한다. $650^{\circ}C$의 운전 온도에서 발생하는 양극의 산소 가스로 인한 금속 재질 장치의 부식을 막기 위해 양극을 둘러싸는 슈라우드(shroud)를 사용해 산소 가스를 포집하여 전해질로의 확산을 막는 동시에 장치 외부로 배출되도록 한다.
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