초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
상용 원자로급 Zr 생산 기술은 노동 집약적이고 염화 공정이 필수적인 Kroll 공정이다. 하지만 환경 오염 문제가 심각해 짐에 따라, 최근 친환경 공정의 개발에 대한 요구가 늘고 있다. 기존의 금속 산화물의 환원 기술은 전기화학적인 방법을 통하여 Ti 금속의 환원을하는 것에 그쳤다. 하지만, Ti 금속과는 다르게 Zr 금속은 환원에 여러 어려움이 있다. 또한 환원한 Zr 금속은 원자력 발전소에서 이용하기 위해 Hf 농도가 100 ppm 이하로 제어되어야 한다. 하지만 Hf은 Zr과의 특성이 비슷하기

□ 연구의 목적 및 내용
상용 원자로급 Zr 생산 기술은 노동 집약적이고 염화 공정이 필수적인 Kroll 공정이다. 하지만 환경 오염 문제가 심각해 짐에 따라, 최근 친환경 공정의 개발에 대한 요구가 늘고 있다. 기존의 금속 산화물의 환원 기술은 전기화학적인 방법을 통하여 Ti 금속의 환원을하는 것에 그쳤다. 하지만, Ti 금속과는 다르게 Zr 금속은 환원에 여러 어려움이 있다. 또한 환원한 Zr 금속은 원자력 발전소에서 이용하기 위해 Hf 농도가 100 ppm 이하로 제어되어야 한다. 하지만 Hf은 Zr과의 특성이 비슷하기 때문에 분리의 어려움이 있다. 따라서 일반적인 전해 정련 공법으로 생산한 Zr은 Hf이 공 전착되어 ASTM B 349 조건을 만족시키기 어렵다. 따라서 이러한 문제들을 해결하고 최종적으로 친환경적인 원자로급 Zr 생산을 하는데 그 목적을 가지고 있다.

□ 연구결과
ZrO₂를 Zr(Hf)-Cu으로 환원하기 위해서 사용하는 흑연 양극을 대체하기 위해 YSZ를 이용하였다. YSZ의 경우 이온전도성을 가지기 위해서 고온에서 공정을 진행해야 하기 때문에, 전해질로, CaCl₂를 이용하였다. 또한 첨가물로써 CaO를 5wt%까지 첨가하여 공정을 진행하였다. 공정온도는 1110℃이며 YSZ의 이온전도도가 충분히 높아지는 온도로 설정하였으며, I-V 곡선 결과 이온 전도도가 있다는 것을 확인 하였다. 또한 전해질 변경에 따른 기초 전기화학 실험을 수행하였으며 그 결과 액체음극을 사용할 경우 –0.75V의 Ca 이온의 환원전위를 확인 할 수 있었다. 이때의 음극 형태는 액체 음극을 이용하였으며 최종적으로 CuZr 금속을 잉곳 형태로 회수 할 수 있었다. 이후 전해 정련 공정을 통해 순수 Zr을 제조한다. 이때, 원자로급 Zr을 생산하기 위해서는 Hf 농도를 제어해야 한다. 전해 정련시 Hf 농도에 영향을 미치는 요인은 크게 3가지가 있다. 특히 전해질 내 Hf 이온은 양은 매우 중요한 변수로, 전류밀도 조건과 전해질 첨가 염화물의 양을 어느 정도는 극복할 수 있으나, 반대로 5wt% 이상의 HfF₄가 전해질에 포함된 경우에는 Hf 농도를 100ppm 이하로 제어가 불가능 하다. HfF₄가 전해질에 5 wt% 이하 포함되는 경우, 염화물의 양과 전류밀도 조건에 관계없이 100 ppm 이상의 Hf을 함유하고 있는 Zr이 회수되는 것을 확인하였으며, 이 실험 결과에 따라, LiF-KF(공정조성)-LiCl-KCl(공정조성)의 염을 이용하는 경우, 전해질 1 kg 당 Zr 금속 3.47 kg를 생산 가능하다.

□ 연구결과의 활용계획
연구 결과는 지르코늄 산화물 원료로부터 원자로급 Zr금속의 직접 생산을 가능하게 하였다. 또한 원자로급 Zr 생산 뿐만 아니라 Ti 금속, Hf 금속 등의 생산도 가능할 것으로 판단하고 있다. 특허 관련하여 기술 이전을 준비 중이며, 호주의 ZrO2원료 생산 기업인 Alkane사와의 원자재 공급 MOU를 체결하고, 국내 관심 기업의 참여를 유도하고 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

Abstract ▼

□ Purpose& contents
The commercial reactor grade Zr production technology is the Kroll process which is labor-intensive and needs to chlorination process. However, as environmental pollution becomes serious, there is a growing demand for the development of eco-friendly processes. Conventional met

□ Purpose& contents
The commercial reactor grade Zr production technology is the Kroll process which is labor-intensive and needs to chlorination process. However, as environmental pollution becomes serious, there is a growing demand for the development of eco-friendly processes. Conventional metal oxide reduction techniques have been studied on the reduction of Ti by an electrochemical method. However, unlike Ti metal, Zr metal has various difficulties in a reduction because of its oxygen affinity. Reduced Zr metals should also be controlled for Hf concentrations below 100 ppm for use in nuclear power plants. However, Hf is difficult to separate because it has similar characteristics to Zr. In order to solve this problem, it is necessary to establish the conditions and the process parameters to control Hf concentration in the recovered Zr which satisfies ASTM B 349. Therefore, it is aimed to solve these problems and finally to produce environmentally friendly nuclear grade Zr metal.

□ Result
YSZ was used to replace the graphite anode to reduce ZrO2 to Zr (Hf)-Cu. In the case of YSZ, CaCl2 was used as an electrolyte because the process had to be carried out at a high temperature in order to have an ionic conductivity of YSZ. Also, CaO was added up to 5 wt% as an additive and the process was carried out. The process temperature was set at 1110 ℃ and the ionic conductivity of YSZ was set at a sufficiently high temperature. As a result of the I-V curve, ion conductivity was confirmed. As a result, the reduction potential of Ca ion of -0.75V was confirmed by using the liquid cathode. In this case, a cathode was used as a liquid cathode, and CuZr metal was finally recovered as an ingot. Then pure Zr is produced through an electrorefining process. At this time, in order to produce reactor grade Zr, Hf concentration in electrolyte should be controlled. There are three main factors influencing Hf concentration during the electrorefining process. The most significant effect is the amount of Hf ions in the electrolyte, which has a greater effect on electrolytic refining than the current density condition and the amount of chloride. The production of nuclear grade metal is impossible when a concentration of HfF4 is more than 5 wt% in the electrolyte. When the concentration of HfF4 contained less than 5 wt% in the electrolyte, it was confirmed that Zr containing more than 100 ppm of Hf. According to the results of this experiment, when salt is used, it is possible to produce 3.47 kg of Zr metal per kg of the electrolyte.

□ Expected Contribution
The results of the study made it possible to localize reactor grade Zr. In addition, it is believed that it is possible to produce not only reactor grade Zr but also Ti metal and Hf metal from these metal oxide. And We are preparing to transfer technology related to patents, and we have signed MOU with Alkane, a ZrO2 raw material producer in Australia, to encourage participation of interested companies in Korea.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 45
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 47
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 48
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 49
• 8. 참고문헌 ... 50
• 9. 연구성과 ... 51
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 57
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 58
• 12. 기타사항 ... 60
• 별첨1. 대 표 연 구 실 적 ... 61
• 끝페이지 ... 77