[논문]HSC Chemistry 코드를 이용한 TRU 생성물 중의 희토류 원소 제거 거동 모사

백승우; 이창화; 윤달성; 이성재

doi:10.7733/jnfcwt.2020.18.2.207

[국내논문] HSC Chemistry 코드를 이용한 TRU 생성물 중의 희토류 원소 제거 거동 모사
Simulation of Rare Earth Elements Removal Behavior in TRU Product Using HSC Chemistry Code 원문보기

Journal of nuclear fuel cycle and waste technology = 방사성폐기물학회지, v.18 no.2, 2020년, pp.207 - 215

백승우 (한국원자력연구원) , 이창화 (한국원자력연구원) , 윤달성 (한국원자력연구원) , 이성재 (한국원자력연구원)

초록
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희토류(Rare Earth) 함량이 높은 TRU 생성물 중의 RE 원소를 감소시키기 위하여 RE 원소와 UCl₃의 산화반응을 이용한 RE 제거 공정의 타당성을 HSC Chemistry 코드를 이용하여 검토하였다. 사용후핵연료에 포함된 TRU 원소 및 RE 원소의 조성 및 열역학적 자료를 검토하였으며, UCl₃와의 산화 반응에 따른 평형 자료를 계산하여 공정 가능성을 검토하였다. 실제 파이로 프로세싱 처리를 가정한 물질수지로부터 TRU 생성물의 RE 함량이 다른 두 가지 경우에 대하여 RE 원소 제거율과 TRU 회수율을 평가하였다. TRU 생성물을 산화제인 UCl₃와 반응시켰을 때 각 원소의 Gibbs free energy의 차이에 의한 선택적 산화 반응이 일어났다. 투입된 UCl₃ 양을 조절하여 TRU 회수율을 최대로 유지하면서도 RE 원소를 제거하여 최종생성물의 TRU/RE 비를 증가시킬 수 있는 가능성을 계산 결과로 확인하였다. 본 연구의 결과들은 열역학적 평형 자료에 기반한 결과이므로 실제 공정에 적용하기에는 많은 차이점이 존재한다. 그러나 TRU 물질을 취급하기 어려운 환경에서 파이로프로세싱의 TRU 생성물을 고속로의 핵연료로 공급하기 위한 공정 설계에 중요한 자료로 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The feasibility of rare earth (RE) removal process via oxidation reactions with UCl3 was investigated using the HSC Chemistry code to reduce the concentrations of RE in transuranic (TRU) products. The composition and thermodynamic data of TRU and RE elements contained in the reference spent fuel were examined. The reactivity was evaluated by calculating equilibrium data considering oxidation reactions with UCl3. Both RE removal rate and TRU recovery rate were evaluated for the two cases, wherein TRU products with different RE concentrations were used. When TRU products were reacted with UCl3, selective oxidation was driven by the difference in the Gibbs free energy of each element. The calculation results imply that the TRU/RE ratio of the final product can be increased by removing RE elements while maintaining the maximum recovery rate of TRU, which is accomplished by controlling the amount of UCl3 injected. Since the results of this study are based on thermodynamic equilibrium data, there are many limitations to apply to the actual process. However, it is expected to be used as an important data for the process design to supply the TRU product of pyroprocessing to SFR's fuel demanding low RE concentrations.

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문제 정의

최근의 연구결과에 따르면 UCl₃를 산화제로 사용하여 U/RE 잉곳 으로부터 RE 원소를 효과적으로 분리할 수 있다는 실험결과를 보여 준바 있으나[12], TRU 원소를 사용한 실험은 수행할 수는 없었다. 따라서 본 연구에서는 HSC Chemistry 코드를 이용하여 TRU 원소와 RE원소의 염화물생성에 대한 Gibbs 에너지 차이에 따른 산화 반응 특성을 모사하여 파이로프로세싱의 TRU 생성물 중 RE원소의 제거 성능을 평가하였다. HSC Chemistry 계산 결과는 정상상태에서의 화학평형만을 고려한 계산 결과이므로 실제 TRU 생성물을 사용하였을 때 공정 상에서 나타나는 결과는 TRU 생성물의 물리적 상태 및 반응기의 운전 조건 등에 따라 달라질 수있다.
한국원자력연구원에서 개발 중인 파이로프로세싱의TRU 회수공정에서는 고준위폐기물의 양을 최소화하기 위하여 TRU 원소의 손실 없이 사용후핵연료내의 거의 전량 (TRU회수율 › 99.9%)의 TRU 물질을 회수하여 고속로의 핵연료로 사용하는 것을 목표로 하고 있다.
TRU 생성물 중 우라늄과 TRU 원소 및 RE원소간의 비율은 TRU 회수 공정의 운전 방법 및 결과에 따라차이가 있지만 LCC의 분리 성능에 따라 TRU/RE의 비는 차이가 날 수 있다. 따라서 본 연구에서는 TRU/RE의 비가 크게차이 나는 두 가지 경우 (TRU/RE=1 과 TRU/RE=0.2) 에 대한 UCl₃와의 반응 성능을 검토하였다.
본 연구에서는 파이로프로세싱 공정에서 RE 함량이 높아 고속로의 핵연료로 직접 공급하지 못하는 TRU 생성물의RE 원소를 제거하기 위하여 UCl₃를 산화제로 이용한 공정의화학평형 반응 거동을 HSC Chemistry code를 이용하여 검토하였다. 우라늄, TRU 원소 및 RE 원소 혼합물의 잉곳 형태로 회수되는 TRU 생성물을 산화제인 UCl₃와 반응시켰을때 각 원소의 Gibbs free energy의 차이에 의한 선택적 산화반응이 일어났다.

가설 설정

평형상태에서 각각의 반응물과 생성물의 조성을 계산하기 위하여 “평형 조성 모듈”을 사용하였다. 전체 금속 원소와 반응할 수 있는 당량의 산화제 UCl₃의양을 20회에 나누어 주입한다는 가정하에 반응온도 500℃에서 계산을 수행하였다.
TRU 생성물의 TRU/RE=1 인 경우의 RE 제거 공정은 산화제 UCl₃를 20회에 나누어 각각 142 g씩 주입하는 것으로 가정하였다. Fig.
TRU 생성물의 TRU/RE=0.2 인 경우의 RE 제거 공정은 산화제 UCl₃를 20회에 나누어 각각 173 g씩 주입하는 것으로 가정하였다. Fig.

제안 방법

본 연구에서는HSC Chemistry 코드의 “반응식 모듈”을 이용하여 관련 반응들의 거동을 예측하기 위한 열역학적 값을 계산하였다.
사용후핵연료를 구성하는 금속원소들의 염화물 형태로 나타나는 주요 핵종에 대한 염화물 생성 표준 Gibbs freeenergy 는 Table 1과 같다. 이러한 자료는 기존에 발표된 자료[13]도 있지만 본 연구에서는 계산 결과의 일관성 유지를 위해 HSC Chemistry 코드를 이용한 계산 결과를 사용하였다[14]. 우라늄의 ΔG 값이 가장 작으며, RE 원소들이 크고, TRU 원소들이 그 중간 정도의 값을 갖는다.
우라늄, TRU 원소 및 RE 원소 혼합물의 잉곳 형태로 회수되는 TRU 생성물을 산화제인 UCl₃와 반응시켰을때 각 원소의 Gibbs free energy의 차이에 의한 선택적 산화반응이 일어났다. UCl₃와의 산화반응에 대한 Gibbs freeenergy 값이 큰 RE 원소의 반응이 일어난 후, TRU 원소의 반응이 진행되었다.

대상 데이터

한국원자력연구원은 파이로프로세싱 기술개발을 위해전체 공정에서 사용후핵연료를 처리하는 과정을 일괄하여조절하기 위하여 물질수지(Material balance) 자료를 관리하고 있다[15, 16]. 본 연구에서 고려한 사용후핵연료는 U-2354.5wt%의 핵연료에 대해 연소도는 55,000 MWD/MTU 이며 10년 냉각된 산화물핵연료 10 MTU를 기준으로 하였다.

성능/효과

TRU 원소와 핵분열생성물은 사용후핵연료의 발생열과 방사능의 대부분에 영향을 미치며 우라늄의 영향은 적다. 따라서 사용후핵연료로부터 TRU원소와 핵분열 생성물을 분리하면 고준위 폐기물의 양을 크게 감소시킬 수 있으며, 분리된 TRU를 고속로에서 연소시키면 방사성 독성을 크게 감소시킬 수 있다. 그러나 TRU 원소를 분리하기 위한 대부분의 기술은 핵확산저항성에 문제점을 가지고 있다.
물론 Dy, Y, Gd의 RE 원소는 TRU 원소와의 차이가 작지만 이들 원소가 사용후핵연료 중의 RE 원소 중 차지하는 비율이 작으므로 무시할 수 있다. 즉 산화제인 UCl₃의 양을 적절히 조절하면 TRU 원소의 손실을 최소화하면서 TRU 생성물로부터 RE 원소를 상당량 제거할 가능성이 있음을 보여준다. 평형상태에서 각각의 반응물과 생성물의 조성을 계산하기 위하여 “평형 조성 모듈”을 사용하였다.
최종 생성물의 TRU/RE 비와TRU 회수율을 자세히 살펴보면, UCl3의 주입량 1.35 kg 에서의 TRU/RE › 5 이며, 이 때의 TRU 회수율은 99.9% 이상,RE 제거율은 80% 이었다.
또한 UCl3의 주입량 1.51 kg 에서의 TRU/RE ›10 이며, 이 때에도 TRU 회수율은 99.9% 이상,RE 제거율은 90% 를 유지하였다.
2인 경우에 TRU와 UCl₃의 반응이 좀 더 후반 단계에서 진행되는 것을 알 수 있다. 따라서 산화제 UCl₃의 양을 적절히 조절하면TRU 생성물 중 RE 원소가 제거된 TRU 생성물을 회수할 수 있을 것으로 생각된다.
4에 TRU 생성물의 TRU/RE=1 인 경우에, 산화제UCl₃ 주입 양에 따른 TRU원소와 RE원소의 변화를 나타내었다. UCl₃ 주입 초기부터 RE 원소는 계속 감소하고 TRU 원소는 거의 반응하지 않다가 UCl₃의 주입량 1.6 kg 정도부터급격히 감소하는 것으로 나타났다. TRU/RE 비는 초기 값 1에서 서서히 증가하다가 UCl₃의 주입량 1.
4에서 보는 바와 같이 TRU의 양이 감소하여 TRU 손실량이 커질 우려가 있다. 따라서 TRU/RE 비를 5~10 범위를목표로 하면 UCl₃를 산화제로 이용하여 RE 원소를 80~90%제거할 수 있으며 TRU 회수율을 99.9%를 유지하면서도 고속로의 핵연료로 공급할 수 있을 것으로 생각된다.
그러나 RE 함량이 높은TRU/RE=0.2 인 TRU 생성물의 경우에는 TRU 회수율을99.9%이상으로 유지하려면 TRU/RE 비를 5 이상으로 증가시킬 수 없었으며, TRU/RE ›5 로 향상시키려면 TRU회수율이 99.9% 이하로 감소함을 알 수 있었다.
2 인 경우에, 산화제 UCl₃ 주입 양에 따른 TRU원소와 RE원소의 변화를 나타내었다. TRU 생성물 중 RE 원소의 함량이 높아서 RE 원소의 양은 계속 감소하는 반면에 TRU 원소의 양은 변화가 없다가 RE 원소의 양이 TRU 원소의 양 보다 적어진 후 산화제 UCl₃의 주입량이 약 3 kg 정도 도달한 후 급격히 감소하는 것을 보여준다. TRU/RE 비는 초기 값 0.
2에서 서서히 증가하다가 UCl₃의 주입량 3 kg 정도부터 급격히 증가하는 것을 보여준다. 최종 생성물의 TRU/RE 비와 TRU회수율을 자세히 살펴보면, UCl₃의 주입량 2.95 kg 에서의TRU/RE=5 이며, 이 때의 TRU 회수율은 98.9%, RE 제거율은 96% 이었다. 또한 UCl₃의 주입량 3.
TRU 회수 공정의 운전 방법에 따라 생산된 TRU 생성물의 TRU/RE=1인 경우 TRU 회수율을 99.9% 이상으로 유지하며 RE 원소를 80~90%제거하면서도 TRU/RE 비를 5~10범위까지 증가시킬 수 있었다. 그러나 RE 함량이 높은TRU/RE=0.
9% 이하로 감소함을 알 수 있었다. 따라서 산화제 UCl₃의 양에 따른 TRU 회수율과 RE 제거율을 조절하여 TRU 생성물의 TRU/RE 비를 증가시킬 수 있는 가능성을 계산 결과로 확인하였다. HSC Chemistry 계산 결과는 steady-state 에서의 화학평형만을 고려한 계산 결과이므로 실제 TRU 생성물을 사용하였을 때 공정 상에서 나타나는 결과는 TRU 생성물의 물리적 상태 및 반응기의 운전조건 등에 따라 달라질 수 있다.

후속연구

HSC Chemistry 계산 결과는 정상상태에서의 화학평형만을 고려한 계산 결과이므로 실제 TRU 생성물을 사용하였을 때 공정 상에서 나타나는 결과는 TRU 생성물의 물리적 상태 및 반응기의 운전 조건 등에 따라 달라질 수있다. 그러나 실제 공정 적용 이전에 공정의 이론적 타당성을 검토함으로써 TRU 생성물 중의 RE 제거 공정 개발을 위한 중요한 자료가 될 것으로 생각된다.
따라서 TRU회수 공정에서 가능하면 RE 함량이 적은 TRU 생성물을 얻을 수 있도록 운전을 수행하여야 한다. 그러나 TRU 손실율을 줄이기 위해 TRU 회수공정에서 RE 함량이 큰 TRU 생성물이 얻어진 경우에는 UCl₃를 이용하여 RE를 80% 이상 제거한 후의 생성물을 전해정련 공정의 양극으로 재순환시켜, TRU손실율을 줄이고 RE 함량이 적은 TRU 생성물을 다시 얻도록 하여야 할 것이다.
그러나 TRU 물질을 사용한 실험을 수행하기 어려운 환경에서 UCl₃를 이용하여 파이로프로세싱의 TRU 생성물의 RE 제거를 위한 공정 실험을 수행할 수는 없다. 따라서 열역학적 평형 자료를 이용하여 수행한 공정의 특성에 대한 모사 결과는 파이로프로세싱의 TRU 생성물을 SFR 핵연료로 공급하기 위한 공정 설계에 중요한 자료로 활용될 것으로 기대된다.
HSC Chemistry 계산 결과는 steady-state 에서의 화학평형만을 고려한 계산 결과이므로 실제 TRU 생성물을 사용하였을 때 공정 상에서 나타나는 결과는 TRU 생성물의 물리적 상태 및 반응기의 운전조건 등에 따라 달라질 수 있다. 그러나 TRU 물질을 사용한 실험을 수행할 수 없는 환경하에서 실제 공정 적용 이전에 공정의 이론적 타당성을 검토함으로써 TRU 생성물 중의 RE 제거 공정 개발을 위한 기초자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
그러나 계통 내로 순환되는 TRU 생성물의 RE 함량이 많으면 계통 내에 RE원소가 추가로 축적되어 용융염 중 RE 농도가 높은 상태를 유지하게 된다. 따라서 계통으로 순환되는 TRU 생성물의 RE함량을 낮추어 가능하면 고속로의 핵연료로 활용하거나 적어도 계통으로 순환되는 TRU 생성물의 RE 함량을 낮추어계통의 RE 함량에 따른 운전 부하를 줄여주는 추가적인 공정이 필요하다. TRU 회수공정에서 회수되어 SFR 핵연료로사용되지 못하고 계통으로 순환되는 TRU 생성물의 조성은기준핵연료를 사용한 전체 물질수지를 고려하여 추산하면Table 3과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핵연료의 연소 후 발생하는 사용후핵연료의 구성은 무엇인가?	우라늄 산화물 핵연료를 사용하는 경수로에서 핵연료의 연소 후 발생하는 사용후핵연료는 약 95%의 우라늄과 약1% 내외의 초우라늄(TRU, TRansUranium) 원소 및 4~5%의 핵분열생성물로 구성된다. TRU 원소와 핵분열생성물은 사용후핵연료의 발생열과 방사능의 대부분에 영향을 미치며 우라늄의 영향은 적다.
	사용후핵연료로부터 TRU원소와 핵분열 생성물을 분리할 시 얻는 이점은 무엇인가?	TRU 원소와 핵분열생성물은 사용후핵연료의 발생열과 방사능의 대부분에 영향을 미치며 우라늄의 영향은 적다. 따라서 사용후핵연료로부터 TRU원소와 핵분열 생성물을 분리하면 고준위 폐기물의 양을 크게 감소시킬 수 있으며, 분리된 TRU를 고속로에서 연소시키면 방사성 독성을 크게 감소시킬 수 있다. 그러나 TRU 원소를 분리하기 위한 대부분의 기술은 핵확산저항성에 문제점을 가지고 있다.
	TRU원소의 RE함량을 낮게 유지하기 위한 방법은 무엇인가?	그러나 TRU 원소와 함께 회수되는 RE 원소의 양이 많을 경우 고속로의 연료로 활용될 때 연료 봉의 건전성에 문제가 될 수 있으므로 TRU원소의 RE함량은 가능하면 낮게 유지하여야 한다[10,11]. 따라서 한국원자력연구원에서는 고속로의 핵연료조건에 부합하는 TRU 생성물은 고속로의 금속연료로의 원료로 공급하고, 고속로의 핵연료 조건보다 RE원소가 많은 TRU 생성물은 파이로프로세싱 공정 내로 재순환하여 다시 처리하는 공정을 개발하였다. 그러나 RE 함량이 높은 TRU 생성물이 전해정련 공정의 양극으로 사용되면 전해정련 전해조에서의 RE 처리량이 증가하여 우라늄 회수 전해정련과 TRU회수 전해제련 공정에 부담으로 작용하게 된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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