초록 ▼

용융염-액체금속 추출공정을 이용하여 파이로공정의 주 공정인 전해환원, 정해 정련, 전해제련 공정에서 발생하는 폐용융염인 LiCl과 LiCl-KCl에서 잔류 악티니드를 제거하여 중저준위화를 달성하기 위한 공정흐름도를 개념설계하였다. 이 개념은 LiCl-KCl과 LiCl 폐용융염을 하나의 공정 흐름도에서 같이 처리하는 특징을 가진다. 개념 설계된 공정흐름도를 분석하기 위하여 용융염과 액체금속에서 란타니드 원소들의 분배계수 평가 연구를 수행하였다. 실험적인 연구와 더불어 이를 해석적으로 구하기 위한 방법으로 과냉각 액체상태 형성 Gibb

용융염-액체금속 추출공정을 이용하여 파이로공정의 주 공정인 전해환원, 정해 정련, 전해제련 공정에서 발생하는 폐용융염인 LiCl과 LiCl-KCl에서 잔류 악티니드를 제거하여 중저준위화를 달성하기 위한 공정흐름도를 개념설계하였다. 이 개념은 LiCl-KCl과 LiCl 폐용융염을 하나의 공정 흐름도에서 같이 처리하는 특징을 가진다. 개념 설계된 공정흐름도를 분석하기 위하여 용융염과 액체금속에서 란타니드 원소들의 분배계수 평가 연구를 수행하였다. 실험적인 연구와 더불어 이를 해석적으로 구하기 위한 방법으로 과냉각 액체상태 형성 Gibbs 자유에너지, 용융염과 액체금속에서 과잉 Gibbs 에너지 모델을 문헌 연구결과의 비교로 제시하였다. 이와 더불어 계면을 통한 물질전달에서 반응결정단계를 평가한 결과 어느 정도 난류 조건을 만족할 경우 물질전달은 계면에서의 전자교환반응속도가 아니라 확산층에서의 물질전달속도가 지배적임을 확인하였다. LiCl-KCl/Bi와 LiCl-KCl/Cd 계에서 란타니드의 Cyclic Voltammogram을 측정하여 란타니드와 액체금속과의 반응으로 생성되는 이종금속간 합금을 확인하였다. 군분리 실험으로 일본 교토대의 연구시설을 이용하여 천연 우라늄과 조사후 천연 우라늄을 이용한 실험을 진행하였으며 천연 우라늄을 란타니드와 섞은 후 군분리 실증을 하였다.
LiCl-KCl/Bi 계에서 Li 환원제와의 교환반응에 따라 란타니드 원소의 시간에 따른 농도 변화를 측정하였을 때 대부분의 란타니드는 Li 환원제와 반응하여 30분 이내에 용융염에서의 농도가 초기농도의 5%이하로 감소함을 보였다. 30분까지의 농도 변화로 추론하였을 때 란타니드 원소들의 물질전달 속도는 Ce > Nd ~Pr > La > Sm 순으로 됨을 확인하였다.
계면을 통한 물질전달에서 난류 효과는 분자확산계수의 n 차수에 비례하는 것으로 나타났으며 이를 더 향상시키기 위하여 수 Hz의 저주파 자기장을 인가하였을 때 계면이 파형으로 변형이 일어나 계면의 면적 증가와 더불어 모세관 현상 등에 의해 물질전달속도를 크게 개선할 수 있을 것이다. 고려 대상인 LiCl-KCl/Cd, LiCl-KCl/Bi, LiCl/Bi 계에서 계면 변형을 일으키는 자지장의 진동수는 약 4 Hz 근방으로 추정되었다.

Abstract ▼

Ⅳ. Results
A conceptual design of flowsheet for conversion of HLW salt waste into LILW waste was developed with molten salt-liquid metal extraction process. It is characterized by decontamination of LiCl salt waste and LiCl-KCl salt waste in one process flowsheet. A study on distribution coeffici

Ⅳ. Results
A conceptual design of flowsheet for conversion of HLW salt waste into LILW waste was developed with molten salt-liquid metal extraction process. It is characterized by decontamination of LiCl salt waste and LiCl-KCl salt waste in one process flowsheet. A study on distribution coefficient in molten salt-liquid metal system was performed to support an analysiss of the conceptually designed flowsheet. In addition to experiment, supercooled liquid state Gibbs free energy of lanthanide chlorides, excess Gibbs free energy of lanthanides in liquid metal and molten salt were theoretically studied. Analytical approach on mass transfer through interface between molten salt and liquid metal showed that mass transfer in diffusion layer dominates the overall mass transfer. Formation of intermetallic compounds of lanthanides with liquid metal such as Cd or Bi was confirmed with cyclic voltammogram. Group separation experiment with natural uranium and lanthanides was performed in KURRI.
Mass transfer experiment of lanthanides in LiCl-KCl/Bi system was performed to estimate mass transfer coefficient with film theory. But the experimental results showed that most lanthanides were transferred from molten salt phase into liquid metal phase within 30 minute. The results showed that a seqeunce of mass transfer rate is Ce > Nd ~ Pr > La > Sm.
Film theory predicts that mass transfer coefficient is proportional to molecular diffusion coefficient, while mass transfer coefficient due to turbulence is proportional to nth order of molecular diffusio coefficient, where n is real number greater than 1. The magnetic field with low frequency of a few Hz could enhance mass transfer because it generates free surface deformation.
Theoretical calculation showed that magetic field with about 4 Hz frequency will induces surface deformation in LiCl-KCl/Cd, LiCl-KCl/Bi and LiCl/Bi system.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 4
• 요 약 문 ... 6
• Summary ... 8
• CONTENTS ... 10
• 목 차 ... 11
• 표 차례 ... 13
• 그림 차례 ... 15
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 17
• 제 1 절 연구개발의 목적 ... 17
• 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 19
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 제 1 절 국내외 기술개발 현황 ... 20
• 제 2 절 앞으로의 전망 ... 26
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 27
• 제 1 절 중저준위화 공정 개념 설계 ... 27
• 1. 개요 ... 27
• 2. 중저준위 공정의 원리 ... 29
• 3. 중저준위화를 위한 폐용융염의 특성 ... 32
• 4. 중저준위화 공정흐름도 설계 ... 34
• 제 2 절 용융염-액체금속 접촉계면에서 분배계수 분석 ... 37
• 1. 단일 성분에 대한 분배계수 분석 ... 37
• 2. 분배계수의 다성분계 영향 분석 ... 77
• 3. 분배계수의 시간종속성 분석 ... 79
• 4. 액체금속과 용융염의 접촉 방법 ... 87
• 5. 우라늄 조사후 군분리 실험 ... 90
• 제 3 절 용융염-액체금속 계면을 통한 물질전달계수 ... 107
• 1. 물질전달계수 평가 ... 107
• 2. 난류에 의한 물질전달계수 영향 ... 119
• 3. 자기장에 의한 물질전달계수 영향 ... 123
• 4. 전자기장에 의한 물질전달계수 영향 ... 124
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 129
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 130
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 131
• 제 7 장 참고문헌 ... 132
• 끝페이지 ... 136