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LiCl-KCl-UCl3-NdCl3 system에서 U 및 Nd 분리에 관한 기초연구
A Basic Study on Separation of U and Nd From LiCl-KCl-UCl3-NdCl3 System 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.16 no.1, 2018년, pp.59 - 64  

김택진 (한국원자력연구원) ,  안도희 (한국원자력연구원) ,  은희철 (한국원자력연구원) ,  이성재 (한국원자력연구원)

초록
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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.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In case of high contents of rare earths in the LiCl-KCl salt, it is not easy to recover U and TRU metals as a usable resource form from LiCl-KCl eutectic salts generated from the pyroprocessing of spent nuclear fuel. In this study, a conversion of $UCl_3$ into an oxide form using $K_...

주제어

#사용후핵연료   #파이로프로세싱   #분리  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 갈색의 우라늄 산화물은 공융염 내 불용성 화합물로 고체상으로 존재하기 때문에 침전분리가 가능하며 공융염 내 잔류하는 희토류 염화물은 액체금속음극을 이용하여 금속형태로 쉽게 전착시켜 분리하는 것이 가능하다[3]. 본 연구에서는 화학적 첨가제(chemical agent)를 이용하여 우라늄 염화물을 산화물 형태로 전환시켰으며 여기에 일련의 공정으로서 희토류 염화물을 전기화학적 방법으로 전착시켜 금속형태로 분리하는 실험을 실시하였으며, 이 결과들을 활용하여 LiCl-KCl-UCl3-RECl3 시스템에서 우라늄과 희토류를 각각 분리하는 공정을 수립하고자 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우라늄과 초우라늄의 분리/회수가 어려운 문제점을 해결하기 위해 어떤 방법을 이용하였는가? 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.
파이로프로세싱은 무엇인가? 파이로프로세싱(Pyroprocessing)은 고온의 용융염(LiCl 또는 LiCl-KCl)을 전해질로 활용하여 전기화학적 방법으로 사용후핵연료에서 유효자원으로써 재사용이 가능한 U 및 TRU(transuranic)을 금속형태로 회수하는 공정이다[1-3]. 이러한 파이로프로세싱은 전처리, 전해환원, 전해회수(전해정련+전해제련) 등의 공정으로 구성되어 있으며, 재사용이 가능한 U 및 TRU 금속은 전해회수공정에서 회수된다[3].
파이로프로세싱의 구성은? 파이로프로세싱(Pyroprocessing)은 고온의 용융염(LiCl 또는 LiCl-KCl)을 전해질로 활용하여 전기화학적 방법으로 사용후핵연료에서 유효자원으로써 재사용이 가능한 U 및 TRU(transuranic)을 금속형태로 회수하는 공정이다[1-3]. 이러한 파이로프로세싱은 전처리, 전해환원, 전해회수(전해정련+전해제련) 등의 공정으로 구성되어 있으며, 재사용이 가능한 U 및 TRU 금속은 전해회수공정에서 회수된다[3]. 그러나 LiCl-KCl 공융염 내 희토류의 함량이 높을 경우에는 희토류의 공전착이 발생되어 재사용이 가능한 형태의 U 및 TRU 금속을 회수하는 것이 쉽지 않으며[4], 이를 위해서는 LiCl-KCl 공융염 내 희토류의 농도를 일정수준 이하로 낮추거나 희토류 핵종들을 공융염에서 분리할 수 있는 기술개발이 필요하다.
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참고문헌 (7)

  1. K.R. Kim, D.H. Ahn, J.B. Shim, S. Paek, I.T. Kim, and Y. Jung, "Pyrochemical extraction analysis of an immiscible molten LiCl-KCl/Cd system", J. Nucl. Chem., 304, 329-335 (2015). 

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  2. D. Rappleye, S.M. Jeong, and M. Simpson, "Application of multivariate analysis techniques to safeguards of the electrochemical treatment of used nuclear fuel", J. Nucl. Energy, 77, 265-272 (2015). 

    상세보기 crossref

  3. H.S. Lee, G.I. Park, G.H. Kang, J.M. Hur, J.G. Kim, D.H. Ahn, Y.Z. Cho, and E.H. Kim, "Pyroprocessing Technology Development at KAERI", Nucl. Eng. Technol., 43(4), 317-328 (2011). 

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  4. P. Soucek, R. Malmbeck, E. Mendes, C. Nourry, and J.-P. Glatz, "Exhaustive electrolysis for recovery of actinides from molten LiCl-KCl using solid aluminum cathodes", J. Radioanal. Nucl. Chem., 286(3), 823-828 (2010). 

    상세보기 crossref

  5. H.C. Eun, J.H. Choi, T.K. Lee, I.H. Cho, N.Y. Kim, J.U. YU, H.S. Park, and D.H. Ahn, "Separation Characteristics of $NdCl_3$ From LiCl-KCl Eutectic Salt in a Reactive Distillation Process using $Li_2CO_3\;or\;K_2CO_3$ ", J. Nucl. Fuel Cycle Waste Technol., 13(3), 181-186 (2015). 

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  6. Y.H. Kang, S.C. Hwang, H.S. Lee, E.H. Kim, S.W. Park, and J.H. Lee, "Effectc of neodymium oxide on an electrorefining process uranium", J. Mater. Processing Technol., 209, 5008-5013 (2009). 

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  7. A. Roine. "Outokumpu HSC chemistry for windows", Pori, Finland (2002). 

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