초록 ▼

파이로 공정에서 발생하는 염폐기물에서 잔류 악티니드를 회수하기 위한 용융염-액체금속 추출공정의 원천기술 개발을 위한 용융염 처리기술 분야의 연구로 용융염과 액체금속에서 란타니드물성 측정과 자료구축, 용융염과 액체금속 계면을 통한 물질전달 특성분석, 중저준위화 공정개념개발과 적용이 가능한 단위공정장치에 대한 특성분석, 중저준위화 공정 평가를 위한 전산모델 연구를 수행하였다. 란타니드의 용융염과 액체금속에서 거동을 분석하고 물성자료를 측정하기 위하여 전기화학적 분석이 가능한 고온 실험장비를 구축하였다. 란타니드에 대한 전기화학적 분석으

파이로 공정에서 발생하는 염폐기물에서 잔류 악티니드를 회수하기 위한 용융염-액체금속 추출공정의 원천기술 개발을 위한 용융염 처리기술 분야의 연구로 용융염과 액체금속에서 란타니드물성 측정과 자료구축, 용융염과 액체금속 계면을 통한 물질전달 특성분석, 중저준위화 공정개념개발과 적용이 가능한 단위공정장치에 대한 특성분석, 중저준위화 공정 평가를 위한 전산모델 연구를 수행하였다. 란타니드의 용융염과 액체금속에서 거동을 분석하고 물성자료를 측정하기 위하여 전기화학적 분석이 가능한 고온 실험장비를 구축하였다. 란타니드에 대한 전기화학적 분석으로 식표준전위, 활동도 계수, 이온화도, 확산 계수 등을 도출하고, 이를 기존 문헌 자료와 비교하였으며 오차 범위의 결과를 얻었다. 또한 용융염-액체금속 추출공정의 군분리 특성평가를 위하여 란타나이드(Cs-Y-La-Ce)들 사이의 군분리 실험을 수행하였으며, 군분리 실험시 용융염내 이온 농도를 모니터링하기 위한 전위법을 시험하였다. 용융염-액체금속 추출공정을 이용하여 파이로공정발생 염폐기물인 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 과잉Gibbs 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/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. 중저준위화 공정개념의 구현을 위한 단위공정장치로 역흐름충전탑과 원심추출기를 대상으로 기초실험을 실시하였다. 역흐름충전탑에서 접촉계면의 평가에 기준이 되는 액체금속 액적의 크기를 추정할 수 있는 상관식에 대해 상사실험을 통한 액적크기 측정치와 비교하여 적용가능성을 확인하였다. 원심추출기 장치를 예비설계하고 제작하여 장치의 적용가능성을 란타니드 원소를 이용한 군분리 실험을 통해 확인하였다. 또한 중저준위화 공정 개념의 평가를 위하여 확산층 이론과 계면에서 반응속도식을 적용하여 여러 단을 모사할 수 있는 전산모델을 개발하였다.

속/열중성자, 감마선 에너지 분광 센서를 개발하였으며 소형 광섬유 방사선 센서를 이용하여 감마선원 및 중성자선원에서 방출되는 방사선을 측정하였다. 특히, 에너지 분광기법을 이용하여 감마선원이 혼합된 경우에도 고유 에너지 피크의 검출을 통해 각 감마선원의 판별이 가능함을 확인하였다. 고온 환경에서 개발된 센서의 온도특성을 평가하고 문제점을 분석/보완하였음. 특히 고온 단열 방법 연구를 통하여 고온에서 센서의 사용 가능성을 확인하였다. 개발된 광섬유 방사선센서 기술은 중저준위화 pyro 공정 모니터링을 포함한 사용후연료의 감시, 원전 및 방사성폐기물저장시설 주변의 환경방사선 측정 그리고 방사선 진단 시 피폭선량 계측 등에도 적용 가능될 것으로 예상된다. 광섬유 방사선 센서는 pyro 공정 모니터링 및 사용후연료의 감시와 방사선 치료용 의료장비의 방사선 계측기로 사용 가능할 것으로 판단된다.

단위 공정 해석을 위한 제트 주입법을 적용하여 기하학적 형태에 따른 수치 해석을 수행하였으며 연속공정 해석을 위한 방법론을 제시하였다. 원심 분리를 적용한 공정에 대한 해석을 수행하고 회수율을 평가하였다. 개발된 용융염/액체금속 물질 전달 모델은 Pyro 중저준위화 공정 개발에 활용 될 수 있으며 이를 통해 고준위 폐기물 발생량을 저감 시키는 것과 고준위 폐기물 처분장 부지 확보에 유리한 점으로 활용 될 수 있음.

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 analysis 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 lanthanide 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.

From this research, unit processes for TRU recovery is analyzed and through sensitivity analyses for various geometrical configurations and operational conditions optimization results are presented. Also, an analysis model for a continuous process where unit processes are successively operated is proposed.
For analyses of an integrated process, a model for a centrifugal separator is established and sensitivity analyses for various geometrical and operational conditions are performed.

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 3요 약 문 ... 5Summary ... 11CONTENTS ... 17목차 ... 19표목차 ... 24그림목차 ... 29제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 44 제 1 절 연구개발의 목적 ... 44 제 2 절 연구개발의 필요성 ... 48제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 50 제 1 절 국내외 기술개발 현황 ... 50 1. 사용후핵연료 중저준위화 연구 ... 50 2. 용융염-액체금속 추출 원리 연구 ... 50 3. 용융염-액체금속 추출 공정흐름도 연구 ... 54 4. 공정 구현기술 현황 ... 57 5. 방사선 센서 연구 ... 59 제 2 절 앞으로의 전망 ... 61제 3 장 중저준위화 Pyro 공정 기반의 용융염 처리기술 개발 ... 62 제 1 절 중저준위화 공정 개념 설계 ... 62 1. 개요 ... 62 2. 중저준위화 공정개념의 원리 ... 64 3. 중저준위화를 위한 폐용융염의 특성 ... 68 4. 중저준위화 공정흐름도 설계 ... 70 제 2 절 용융염과 액체금속에서 란타니드 물성 ... 74 1. 개요 ... 74 2. 고온 용융염 실험 ... 74 3. 란타니드 염화물의 전기화학 ... 82 4. 형식전위, 확산계수 활동도 계수 ... 99 5. 용융염-액체금속 군분리 실험 ... 102 6. 우라늄 조사후 군분리 실험 ... 108 제 3 절 용융염-액체금속 계면을 통한 물질전달과 분배 ... 125 1. 단일 성분에 대한 분배계수 분석 ... 125 2. 분배계수의 다성분계 영향 분석 ... 161 3. 분배계수의 시간종속성 분석 ... 163 4. 물질전달계수 평가 ... 171 5. 난류에 의한 물질전달계수 영향 ... 181 6. 자기장에 의한 물질전달계수 영향 ... 184 7. 전자기장에 의한 물질전달계수 영향 ... 185 제 4 절 중저준위화 공정을 위한 물리화학적 상수 DB ... 190 1. 중저준위화 공정의 물리상수 ... 190 2. 실험 연구 ... 193 제 5 절 중저준위화 단위공정 장치 ... 196 1. 단위공정 장치 개념 ... 196 2. 액체금속 액적의 생성 특성 ... 196 3. 원심력을 이용한 단위공정장치: 원심추출기 ... 212 제 6 절 중저준위화 공정 모델 ... 221 1. 개요 ... 221 2. 용융염-액체금속 추출공정 모델 ... 221 3. 수치 모델 ... 232 4. 수치해법 ... 237 5. 결과 및 논의 ... 237제 4 장 중저준위화 Pyro 공정 모니터링 시스템 개발 ... 238 제 1 절 열중성자 측정을 위한 광섬유 센서 개발 ... 238 1. 열중성자 계측용 섬광체-광섬유 센서의 물질 연구 ... 238 2. 열중성자 계측용 섬광체-광섬유 방사선 센서의 설계 및 제작 ... 242 3. 열중성자 계측용 섬광체-광섬유 센서의 성능평가 ... 248 제 2 절 고속 및 열중성자 분광이 가능한 광섬유 센서 개발 ... 252 1. 중성자 분광용 섬광체-광섬유 센서의 물질 연구 ... 252 2. 중성자 분광용 섬광체-광섬유 센서 시스템 설계 및 제작 ... 259 3. 중성자 분광용 섬광체-광섬유 센서 시스템의 성능평가 ... 262 제 3 절 감마선 측정을 위한 광섬유 센서 개발 ... 266 1. 감마선 계측용 섬광체-광섬유 센서의 센서부 물질 연구 ... 266 2. 감마선 계측용 섬광체-광섬유 센서의 설계 및 제작 ... 273 3. 감마선 계측용 섬광체-광섬유 센서의 성능 평가 ... 279 제 4 절 감마선 분광을 위한 소형 광섬유 센서 개발 ... 293 1. 감마선 분광용 신틸레이터-광섬유 센서의 센서부 물질 연구 ... 293 2. 감마선 분광용 섬광체-광섬유 센서의 설계 및 제작 ... 293 3. 감마선 분광용 신틸레이터-광섬유 센서 시스템의 성능 평가 ... 295 제 5 절 고온 환경에서 사용 가능한 감마선 분광학 기반의 고온광섬유 방사선 모니터링 시스템의 개발 및 성능평가 ... 301 1. 고온 광섬유 감마선 모니터링 시스템의 감지프로브 제작 ... 301 2. 위치 조절장치 및 고온 광섬유 감마선 모니터링 시스템을 이용한 실험장치 구축 ... 311 3. 고온장치를 이용한 고온 광섬유 감마선 모니터링 시스템의 건전성 및 성능평가 ... 313 제 6 절 고온 환경에서 사용가능한 중성자/감마선 동시측정용 고온 광섬유 방사선 모니터링 시스템의 개발 및 성능평가 ... 328 1. 고온 환경에서 사용 가능한 중성자 측정용 감지프로브 설계 및 제작 ... 328 2. 고온 광섬유 중성자/감마선 모니터링 시스템을 이용한 실험장치 구축과 건전성 및 성능평가 ... 336 3. 열중성자와 속중성자 측정을 위한 광섬유 센서 ... 344제 5 장 중저준위화 Pyro 공정 잔류 TRU 회수 최적화 기술 개발 ... 347 제 1 절 확산우세 물질전달현상 물리모델구축 ... 347 1. 확산 우세 물질전달 현상에 대한 척도 해석 ... 347 2. 확산 우세 물질전달 현상 해석 (수학적/수치적 방법) ... 347 3. 용융염/액체금속 2유체 유동장 해석 ... 351 제 2 절 물질전달 해석을 위한 물리상수 추정 방법론 개발 ... 357 1. 용융염 DB를 통한 자료 확보 ... 357 2. 확보 불능 물리상수 추정 기법 개발 ... 357 제 3 절 대류-확산 물질전달 현상 해석을 위한 물리모델 개발 ... 359 1. 대류-확산 물질전달 현상 척도해석 ... 359 2. 확장 칼만 필터를 적용한 시간 의존 반응 계수 추정 ... 359 3. 대류-확산 물질전달 현상 수학적/수치적 해석 ... 360 제 4 절 각 혼합 방법에 대한 척도해석 ... 363 1. 각 혼합 방법에 대한 척도 해석 ... 363 2. 제트 분사에 의한 유동 혼합 상세 모사 ... 364 3. 잔류 TRU 회수율 분석 방법론 개발 ... 365 제 5 절 단위 공정 해석 ... 368 1. 혼합방법별/운전조건별 해석 ... 368 2. 복합 단위공정 해석 ... 389 제 6 절 단위공정 최적화 ... 390 1. 파이로 공정의 개발 ... 390 2. 용융염-액체금속 추출공정 개발 ... 396 제 7 절 연속공정 해석 방법론 개발 ... 403 1. 각 후보 단위공정에 대한 연속공정 해석방법론 구축 ... 403 제 8 절 중저준위화 종합공정 최적화 ... 405 1. 후보 종합공정에 대한 상세해석 ... 405 2. 2차원 원심분리기에 대한 수치 시뮬레이션 ... 405 3. 3차원 원심분리기에 대한 수치 시뮬레이션 ... 412 4. 결론 ... 423제 6 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 424 제 1 절 연구개발 목표달성도 ... 424 제 2 절 관련분야에의 기여도 ... 428제 7 장 연구개발결과의 활용계획 ... 429제 8 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 431제 9 장 참고문헌 ... 433끝페이지 ... 440