[보고서]PRIDE 전해제련 및 염재생 장치제작 기술 개발

백승우

PRIDE 전해제련 및 염재생 장치제작 기술 개발
Development of Electrowinner and Salt Regenerator for PRIDE 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국원자력연구원
연구책임자	백승우
참여연구자	이한수 , 허진목 , 조용준 , 김응호 , 김시현 , 정재후 , 은희철 , 김기호 , 김인태 , 심준보 , 김광락 , 김택진 , 김가영 , 김정국 , 안도희
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2012-01
과제시작연도	2010
주관부처	교육과학기술부
사업 관리 기관	한국연구재단
등록번호	TRKO201200003632
과제고유번호	1345137099
DB 구축일자	2013-05-20
키워드	고온용융염건식처리기술개발,전해제련,염폐기물재순환Pyroprocessing,Electrowinning,Waste salt recycling

초록 ▼

o PRIDE 전해제련 장치제작
PRIDE에 사용될 공학규모 액체음극 전해제련 장치의 악티늄족 금속 처리용량은 1 kg/batch로 설정되었으며 이에 따라 음극으로 사용되는 카드뮴은 10 kg, 전해조의 LiCl-KCl 공융염은 50 kg 으로 설계되었다. 전해제련 장치의 가장 핵심 파트인 LCC assembly는 Lab-scale 실험장치의 운전 경험을 바탕으로 제작되었으며, 특히 glove box에서 운전하는 lab-scale장치와 달리 원격운전 개념이 필요한 PRIDE 에서의 운전을 위해 액체음극도가니 회수장치를 자동화하여 설치하였다. 또한 graphite를 사용하게되는 불활성 양극의 구조를 전극 반응면적 증대와 염소가스 배출이 효과적인 구조로 개선하였다. 장치는 실제 제작 전에 설계 자료를 이용한 3D test를 통해 전해제련장치의 원격운전성에 대한 예비점검을 수행하였고 점검 결과를 바탕으로 장치를 제작하여 원격성에 대한 점검을 수행한 후 최종적으로 PRIDE 용 액체음극 전해제련 장치를 제작하였다.
o PRIDE 염재생 산화, 침전장치 제작
기존의 lab-scale장치를 바탕으로 20 kg-공융염/batch의 처리용량을 가지는 PRIDE 염재생 산화침전장치를 설계/제작하였다. 장치는 크게 반응로, 산소분산장치, flange 이송장치 및 용기이송장치로 구성되어 있으며 고온산화분위기에서 부식성에 강한 재질을 사용하여 제작하였다. 전체적인 장치의 크기는 PRIDE Ar cell내의 운전성을 고려하여 책정되었으며 특히, 장치의 원격운전이 가능하도록 장치의 각 부분에 대한 모듈화 및 자동화가 가능하도록 설계/제작 되었다. 장치는 실제 제작 전에 설계 자료를 이용한 3D test를 통해 산화침전장치의 원격운전성에 대한 예비점검을 수행하였고 점검 결과를 바탕으로 장치를 제작하여 원격성에 대한 점검을 수행한 후 최종적으로 PRIDE 용염재생 산화침전 장치를 제작하였다.

Abstract ▼

A scope of this study includes an manufacturing an electrowinning equipment of LCC(Liquid Cadmium Cathode) to recover actinides such as uranium and TRU(Np, Pu, Am, Cm) remained in the molten salt(LiCl-KCl) transferred after an electrorefining process which collects uranium of high purity and an salt regeneration equipment to remove RE(Rare Earth) from the remaining salt after electrowinning process by oxidation and precipitation
1. M anufacturing and improvement an LCC electrowinning equipment for PRIDE
- Improvement of LCC assembly and inert anode
- Securing the evaluation data of electrodes location in the electrowinner
- Assessment for the operation properties considering remote operability
- Manufacturing an LCC electrowinning equipment
2. M anufacturing and improvement an salt regeneration equipment by oxidation and precipitation for PRIDE
- Design and improve perforate oxygen sparger and oxidative precipitation reactor
- Manufacture PRIDE eutectic salt regeneration apparatus based on remote operation ability.

목차 Contents

표지 ... 1
제출문 ... 3
보고서 요약서 ... 5
요약문 ... 7
SUMMARY ... 11
목차 ... 17
제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 25
제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 27
제 1 절 전해제련장치 개발 ... 27
1. 국외 기술개발 현황 ... 27
2. 국내 기술개발 현황 ... 30
제 2 절 LiCl-K Cl 공융염 재생 산화/침전장치 개발 ... 32
1. 국외 기술개발 현황 ... 32
가. 이온교환(Zeolite A ) ... 32
나. 인산화 침전 ... 32
다. 산화 침전 ... 36
2. 국내 기술개발 현황 ... 40
가. 산화/침전에 의한 LiCl-K Cl 공융염 내 희토류 핵종 제거기술 개발 ... 40
나. Lab-scale 희토류 핵종 제거장치 개발 및 성능 검증 ... 41
제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 45
제 1 절 PRIDE 전해제련장치 제작 ... 45
1. PRIDE 전해제련 장치 개요 ... 45
가. 전해제련공정 특성 ... 45
나. 전해제련장치 설계요건 ... 47
2. PRIDE 전해제련 장치설계 ... 48
가. PRIDE 전해제련 장치 전해조 및 전극구조 설계개선 ... 48
나. PRIDE 전해제련 장치 설계 ... 58
다. PRIDE 전해제련 장치 운전 ... 67
3. 원격운전성 기반 PRIDE 전해제련 장치 제작 ... 70
가. 원격운전성 및 원격유지보수 개념설계 ... 71
나. 원격운전을 위한 3D test ... 81
다. 장치제작 및 성능시험 ... 90
제 2 절 PRIDE 염재생 산화/침전 장치 제작 ... 99
1. PRIDE 염재생 산화/침전장치 개요 ... 99
2. PRIDE 염재생 산화침전장치 설계 ... 100
가. 반응용기 ... 100
나. 반응기 ... 100
다. 분산관과 플랜지 ... 102
라. 전기히터 ... 103
3. 원격운전성 기반 PRIDE 염재생 산화침전 장치 제작 ... 104
가. 원격운전성 개념설계 ... 104
나. 운격운전을 위한 3D test ... 115
다. 장치제작 및 원격운전 성능시험 ... 124
제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 138
제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 140
제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 142
제 7 장 참고문헌 ... 143
수정,보완요구사항 대비표 ... 146

표/그림 (129)

표 Fig. 2.1.1.1. Cold Mockup Test of Cathode Pounder.
표 Fig. 2.1.1.2. Section view of HFDA. and LCC
표 Fig. 2.1.1.3. Engineering-scale LCC experiment device
표 Fig. 2.1.1.4. Engineering installation of semi-continuous electrorefine rwith melt transferring device
표 Fig. 2.1.2.1. Lab-scale LCC experimental apparatus
표 Fig. 2.1.2.2. 전해제련 장치의 가열부 높이에 따른 열전달해석결과
표 Fig. 2.2.1.1. Zeolite column apparatus
표 Fig. 2.2.1.2. Zeolite column test results.
표 Fig. 2.2.1.3. INL의 공융염폐기물 처리 흐름도
표 Fig. 2.2.1.4. 일본의 금속사용후핵연료 파이로공정도
표 Lanthanide phosphate precipitation in a molten salt [2.2.4]
표 Fig. 2.2.1.5. Lanthanide compound distribution in LiCl-KCl-LnCl3-Na3PO4 system
표 Fig. 2.2.1.6. Effects of enthalpy change and formation energy on the equilibrium reaction, REOCl+0.5O2-=0.5RE2O3+Cl-
표 Chemical analysis results of carbonate injection tests [2.2.1.9]
표 Oxidation of plutonium nuclides in NaCl-KCl molten salts by using vanadium oxide [2.2.1.9]
표 Fig. 2.2.1.7. EU의 사용후핵연료 처리공정도
표 Fig. 2.2.2.1. Lab-scale oxidative precipitation apparatus.
표 Fig. 2.2.2.2. XRD pattern of 8 rare-earth precipitates
표 Fig. 2.2.2.3. SEM image of 8 rare-earth precipitates
표 Fig. 2.2.2.4. Particle size distribution of RE precipitates
표 Fig. 2.2.2.5. Full precipitation time within molten salt bed
표 Fig. 2.2.2.6. 공학규모 산화침전장치 예비 설계도
표 Fig. 3.1.1.1. Flow diagram of electrowinng system
표 Fig. 3.1.1.2. 전해제련 시스템의 물질수지
표 Lab-scale 및 공학규모 PRIDE 전해제련 장치의 규모 비교
표 Fig.3.1.2.1. PRIDE 전해제련조 용 음극 구조 및 절연
표 Fig.3.1.2.3. Stirrers와 mesh
표 Fig.3.1.2.2. 안전도가니 (safety 도가니) 구조
표 Fig. 3.1.2.4. 튜브형 mesh 교반기의 작동 방법
표 Fig.3.1.2.5. (a) PRIDE 전해제련 용 양극과 (b) 양극 내부 구조
표 Fig. 3.1.2.6. PRIDE 전해제련장치의 전기장해석을 위한 용융염 전해질 도메인
표 교환전류밀도, 확산계수 및 이온 이동도 (500℃)
표 Fig. 3.1.2.8. 전해제련장치의 용융염 전해질 도메인에서 교반기 방향의 종단면 전위분포
표 Fig. 3.1.2.7. 전해제련장치의 용융염 전해질 도메인에서 양극 방향의 종단면 전위분포
표 Fig. 3.1.2.9. 전해제련장치의 용융염 전해질 도메인에서 기준전극 방향의 종단면 전위분포
표 Fig. 3.1.2.10. 전해제련장치의 용융염 전해질 도메인에서 양극 방향의 종단면 전기장분포
표 Fig. 3.1.2.11. 전해제련장치의 용융염 전해질 도메인에서 양극 방향의 종단면 전류흐름 분포
표 Fig. 3.1.2.12. 전해제련장치의 용융염 전해질 도메인에서 양극 방향의 종단면 전류벡터장
표 Fig. 3.1.2.13. PRIDE 전해제련 장치 모형도
표 Fig. 3.1.2.14. PRIDE 전해제련 장치 전체 설계도면
표 Fig. 3.1.2.15. 가열로 assembly 설계도면
표 Fig. 3.1.2.16. 전해조 도가니 assembly 설계도면
표 Fig. 3.1.2.17. LCC crucible assembly 설계도면 및 3차원 모형도
표 Fig. 3.1.2.18. 상부 플랜지 설계도면
표 Fig. 3.1.2.19. LM guide assembly 설계도면
표 Fig. 3.1.2.20. 도가니 회전장치 설계도면
표 Fig. 3.1.2.21. 기타 구성품
표 Fig.3.1.2.22. 전해조 및 전해조 덮개
표 Fig.3.1.2.23. PRIDE 전해제련조 구조
표 Fig.3.1.2.24. LCC 전해조 이송장치
표 Fig.3.1.2.25. 교반기 및 참조전극
표 Fig.3.1.2.26. Mesh assembly
표 Fig.3.1.2.27.도가니 회전장치
표 Fig. 3.1.3.1. 장치 주요부의 구동모터모듈
표 Fig. 3.1.3.2. 구동모터모듈.
표 Fig. 3.1.3.3. 히터 상하/전후 이동
표 Fig. 3.1.3.4. 플랜지.
표 Fig. 3.1.3.5. 히터구동모터모듈 인양 고리
표 Fig. 3.1.3.6. 히터구동모터모듈 해체 tool
표 Fig. 3.1.3.7. Stirrer assembly 구동 모터 모듈
표 Fig. 3.1.3.8. Stirrer assembly.
표 Fig. 3.1.3.9. 볼트 및 클램핑.
표 Fig. 3.1.3.10. LCC Crucible assembly
표 Fig. 3.1.3.11. 전해조 assembly 모듈.
표 Fig. 3.1.3.12. 전해조 안전 도가니.
표 Fig. 3.1.3.13. 알루미나 도가니.
표 Fig. 3.1.3.14. 상부 플랜지 assembly 모듈.
표 Fig. 3.1.3.15. LM guide assembly.
표 Fig. 3.1.3.16. 장치 제어 판넬.
표 Fig. 3.1.3.16. 장치 제어 판넬.
표 Fig 3.1.3.17. PRIDE 전해제련 장치 3D test tool.
표 Fig 3.1.3.18. PRIDE 전해제련 장치 3D test tool.
표 Fig. 3.1.3.19 제련 장치 배치에 따른 3D test.
표 Fig. 3.1.3.20. 장치 중심점으로부터 2 m 떨어진 위치의 장치시야
표 Fig 3.1.3.21. PRIDE 전해제련 장치 3D 도면
표 Fig 3.1.3.22. PRIDE 전해제련 장치 제작품
표 PRIDE 전해제련 장치 유지보수 절차서
표 Fig 3.1.3.23. 운전장비(MSM 및 BDSM) 접근성
표 Fig 3.1.3.24. 장치 원격운전성 시험
표 Fig 3.1.3.25. 장치 유지보수성 시험
표 Fig. 3.2.2.1. PRIDE 염재생 산화침전장치 구성도
표 Fig. 3.2.2.2. 반응용기 설계도
표 Fig. 3.2.2.3. 반응기 설계도
표 Fig. 3.2.2.4. 분산관/플랜지 설계도
표 Fig. 3.2.2.5. 전기히터 설계도
표 Fig. 3.2.3.1. 분산관 모듈
표 Fig. 3.2.3.2. 볼트
표 Fig. 3.2.3.3. 볼트 해체 전용 임팩트
표 Fig. 3.2.3.4. 인양체인
표 Fig. 3.2.3.5. 플랜지 모듈
표 Fig. 3.2.3.6. 반응용기 모듈
표 Fig. 3.2.3.7. Lab-scale 장치에서 사용된 반응용기 도면
표 Fig. 3.2.3.8. 반응용기 gripper
표 Fig. 3.2.3.9. 플랜지 상/하 이동용 전기모터 모듈
표 Fig. 3.2.3.10. 플랜지 상/하 이동장치 모듈
표 Fig. 3.2.3.11. 플랜지 전/후 이동장치 모듈
표 Fig. 3.2.3.12. 반응기 모듈
표 Fig. 3.2.3.13. 전기히터 모듈
표 Fig. 3.2.3.14. 프레임 모듈
표 Fig. 3.2.3.15. 온도센서 삽입/반출용 손잡이
표 Fig. 3.2.3.16. 장치 배치에 따른 3D test
표 Fig. 3.2.3.17. 플랜지 볼트 해체를 위한 적절한 방법
표 Fig. 3.2.3.18. 반응용기 반출/입에 대한 3D test 결과
표 Fig. 3.2.3.19. 히터교체에 대한 3D test 결과
표 Fig. 3.2.3.20. 플랜지 전/후 이동장치 분해/조립에 대한 3D test 결과
표 Fig. 3.2.3.21. 플랜지 전/후 이동장치 전동모터 모듈 분해/조립 평가 결과
표 Fig. 3.2.3.22. 플랜지 상/하 이동장치 분해/조립에 대한 평가 결과
표 Fig. 3.2.3.24. 분산관/플랜지 모듈 분해/조립에 대한 평가 결과
표 Fig. 3.2.3.23. 플랜지 상/하 이동장치 전동모터 모듈 분해/조립 평가 결과
표 Fig. 3.2.3.25. 분산관 이동장치 모듈 분해/조립에 대한 평가 결과
표 Fig. 3.2.3.26. 장치 프레임 모둘 분해/조립 평가 결과
표 Fig. 3.2.3.27. 3D test 후 보완된 PRIDE 염재생 산화침전장치 3D 도면
표 Fig. 3.2.3.28. 제작된 산화침전 원격운전 장치 사진
표 Fig. 3.2.3.29. 3D test 결과 반영 원격운전 성능시험 공간 내 장치 배치 사진
표 Fig. 3.2.3.30. 원격운전 성능시험 전 장치 상부 MSM 접근 사진 1
표 Fig. 3.2.3.31. 원격운전 성능시험 전 장치 상부 MSM 접근 사진 2
표 Fig. 3.2.3.32. 원격운전 성능시험 전 장치 후단 MSM 접근 사진
표 Fig. 3.2.3.33. MSM 이용 분산관 모듈 내 온도센서 접근 사진
표 Fig. 3.2.3.34. 플랜지 상승 이동 조작 사진
표 Fig. 3.2.3.35. 플랜지 후진 이동 조작 사진
표 Fig. 3.2.3.36. 플랜지 상/하 이동장치 전동모터 볼트 접근성 시험 사진
표 Fig. 3.2.3.37. 플랜지 전/후 이동장치 볼트 접근성 시험 사진 1
표 Fig. 3.2.3.38. 플랜지 전/후 이동장치 볼트 접근성 시험 사진 2
표 Fig. 3.2.3.39. 전기히터 고정핀 조작 1
표 Fig. 3.2.3.40. 전기히터 고정핀 조작 2
표 Fig. 3.2.3.41. 전기히터 이동 조작 1
표 Fig. 3.2.3.43. 분산관 장입 조작
표 Fig. 3.2.3.42. 전기히터 이동 조작 1
표 원격운전 성능시험을 위한 산화침전장치 절차1) 조립/분해 절차

과제명(ProjectTitle) :	-
연구책임자(Manager) :	-
과제기간(DetailSeriesProject) :	-
총연구비 (DetailSeriesProject) :	-
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과제수행기간(LeadAgency) :	-
연구목표(Goal) :	-
연구내용(Abstract) :	-
기대효과(Effect) :	-

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