KR0161958B1

KR0161958B1 - 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR0161958B1
Application number: KR1019960006815A
Authority: KR
Inventors: 양영석; 황성찬; 주근식; 김상중; 강영호; 국일현
Original assignee: 신재인; 한국원자력 연구소; 이종훈; 한국전력공사
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1998-11-16
Also published as: KR970065417A

Abstract

본 발명은 이산화우라늄을 염소화하여 사염화우라늄(UCl₄)으로 기화시켜 기화가 어려운 불순물을 제거할 수 있으며, 기화되는 불순물은 증기압차이를 이용하여 분리한 후 정제공정을 통하여 금속연료를 제조하기 위한 중간물질인 고순도의 사염화우라늄을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 공정에서 제염계수는 약 1,000 정도로 알려져 있다.

기화된 사염화우라늄은 냉각에 의해 고체화되는데 이 고체를 다시 용융점에서 전기분해하면 음극에서 순수한 우라늄을 얻을 수 있는데 이 공정에서의 제염계수도 역시 약 1,000 정도로 보고되어 있다. 현재 미국에서 연구되고 있는 이 방법의 염소화공정의 적용온도는 600℃이상으로 알려져 있는데 본 발명에서 반응기 내부압력과 반응가스의 분압을 조절하여 줌으로서 이보다 낮은 온도인 400℃∼600℃에서도 가능함이 입증되었다.

본 발명은 사용후 핵연료중 우라늄만을 분리하여 γ선 차폐가 필요없는 정도로 제염이 가능할 것으로 판단되어 사용후핵연료의 중간 저장에 응용할 가치가 충분히 있다고 생각되며, 플루토늄의 분리는 극히 어렵다고 보고되고 있으므로 핵확산정책에 위배되지 않는 기술이다.

Description

산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법

제1도는 산화우라늄으로부터 금속우라늄을 제조하는 공정도.

제2도는 제1도의 사염화우라늄을 제조하는 장치.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 8 : 가스 주입관 2 : 반응기 뚜껑

3 : 흑연도가니 뚜껑 4 : 석영 반응기

5 : 흑연도가니 6 : 반응물

7 : 흑연도가니 받침 9 : 가열밴드

10 : 가스관 11 : 포집기

12 : 사염화우라늄 분말 13 : 가스 배출관

본 발명의 이산화우라늄을 염소화하여 사염화우라늄(UCl₄)으로 기화시켜 기화가 어려운 불순물을 제거할 수 있으며, 기화되는 불순물은 증기압차이를 이용하여 분리한 후 정제공정을 통하여 금속연료를 제조하기 위한 중간물질인 고순도의 사염화우라늄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

산화우라늄으로부터 금속우라늄을 제조하는 방법은 여러가지가 있으나 현재 이용되는 것은 산화우라늄과 불산을 반응시켜 얻은 사불화우라늄(UF₄)을 마그네슘(Mg) 또는 칼슘(Ca)를 이용한 환원반응을 통하여 우라늄금속을 얻는 방법이다.

그러나 이 방법은 반응물로 사용되는 불소가 부식성이 강하고 취급이 용이하지 않다. 더구나, 부산물로 발생되는 불화마그네슘(MgF₂), 불화칼슘(CaF₂)은 우라늄이 포함되어 있기 때문에 처리가 복잡하여 공정의 효율성이 떨어지며, 처리비용이 많이 들어 경제적인 방법이 되지 못한다.

이같은 공정의 단점을 보완하기 위해 개발된 공정이 우라늄염화물을 제조하여 금속우라늄을 제조하는 공정인데, 미국 특허 제5,164,050호에서는 불산을 사용하는 대신 삼산화우라늄을 수소로 환원시켜 이산화우라늄으로 만든 뒤 탄소분말과 혼합하고 600℃이상을 유지하는 유동식반응기에서 염소등의 가스와 반응시켜 사염화우라늄(UCl₄)을 제조한 후 전기분해하는 방법으로 음극에서 금속우라늄을 석출시키는 방법을 개발하였다. 또한, 미국 특허 제5,421,855호에서는 역시 600℃이상 유지되는 반응기에서 사염화우라늄욕을 이산화우라늄과 탄소의 혼합물을 넣고 연소가스를 주입하여 사염화우라늄을 제조한 후 이를 환원시킬 수 있는 제3의 금속을 사용하여 금속우라늄을 회수하고 금속염화물은 전기분해하여 재사용하는 방법을 개발하였다.

그러나, 이들 방법은 불산을 사용하는 공정과 비교하여 볼 때는 우수한 방법이나 고온에서 염소와 반응시키기 때문에 에너지 소비가 많을 뿐만 아니라 장치부식 및 유지보수에 단점이 있다고 할 수 있다.

본 발명은 이상과 같은 발명에서 사용한 방법과 달리 금속우라늄을 제조하기 위해 필요한 중간물질인 사염화우라늄(UCl₄)을 제조하기 위해 상대적으로 저온인 400℃∼600℃의 온도범위에서 반응기내부의 압력 및 염소의 분압을 적절하게 조절하여 사염화우라늄을 제조하였다.

제2도의 반응기내에 이산화우라늄과 탄소를 혼합하여 주입한 후 반응기와 연결배관을 질소가스로 채운후 과량의 염소가스를 주입하여 우라늄염화물기체를 생성시켰다. 반응이 진행되면서 발생되는 생성가스내에는 오염화우라늄(UCl₅)기체와 육염화우라늄(UCL₆)기체도 포함될 수 있으며, 미반응한 염소가스가 포함되어 있다. 그러나, 이러한 염소가스는 사염화우라늄기체를 휘발성이 매우 큰 오염화우라늄기체와 육염화우라늄기체로 산화시킬 수 있기 때문에 이 같은 산화반응의 억제를 위해 반응기내부의 염소분압을 조절하여 사염화우라늄을 제조하였다.

[실시예 참조]

이같은 방법은 상대적으로 반응온도가 낮기 때문에 장치의 부식이 작고 유지보수가 용이하여 경제적인 장점을 가지는 공정이다.

본 발명은 다음과 같은 2단계를 거치면서 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조할 수 있다.

(1) 삼산화우라늄 및 사산화우라늄을 900℃∼1000℃의 온도범위에서 수소가스를 주입하여 이산화우라늄으로 환원.

(2) 이산화우라늄을 탄소와 혼합하여 반응기내에 넣고 400℃∼600℃의 온도범위에서 가열하면서 염소가스를 주입한 후 반응기 내부압력과 염소분압을 적절히 조절하여 생성된 사염화우라늄기체를 냉각시켜 고체상의 사염화우라늄분말 제조.

산화우라늄은 자연중에 이산화우라늄(UO₂), 삼산화우라늄(UO₃), 사산화우라늄(UO₄) 및 이산화우라늄과 삼산화우라늄의 화합물형태인(U₃O₈=2UO₃·UO₂)로 존재한다.

삼산화우라늄과 사산화우라늄의 경우에는 900℃∼1000℃의 온도범위로 가열하면서 수소로 환원시켜 이산화우라늄 형태로 환원시켜 주어야 한다.

우라늄산화물 가운데 이산화우라늄 형태를 사용하는 이유는 염소와의 반응을 통하여 생성되는 주된 생성물이 사염화우라늄이기 때문이며, 삼산화우라늄의 경우 이산화우라늄에 비해 휘발성이 큰 오염화우라늄 및 육염화우라늄의 생성량이 상대적으로 증가되어 이들을 사염화우라늄 형태로 전환시키는 추가공정이 요구되기 때문이다.

제2도에서와 같이 이산화우라늄을 탄소와 혼합한 반응물(6)을 반응기 뚜껑(2)을 가진 석영반응기(4) 내부의 흑연도가니(5)에 넣고 반응기 내부를 불활성가스로 채운 후 가열한다. 반응기 온도가 400℃∼600℃에 도달된 후 가스주입관(1)을 통해 염소가스를 주입하면 다음 반응식에 의해 사염화우라늄기체가 생성된다.

위 반응결과로 생성된 사염화우라늄기체는 흑연도가니 뚜껑(3)과 흑연도가니 받침(7) 및 가스배출관로를 따라 포집기(11)로 이동하는데, 이 과정에서 가스주입관(8)을 통하여 불활성가스를 염소주입유량의 50%∼300% 범위로 조절하여 주입시켜 생성기체내부의 염소분압을 1기압 이내로 유지하여 휘발성이 큰 염화물의 생성을 억제시키면서 가열밴드(9)를 이용하여 가스배출관로 내부온도가 사염화우라늄 융점이상으로 유지되도록 하였다. 포집기에 도달하는 가스는 급속한 냉각과 반응기 내부로부터 포집기로의 빠른 이동과 반응기 내부압력 감소를 유도하기 위한 방법으로 포집기 입구에 이중관으로 된 가스관(10)을 사용하여 질소가스를 주입하였다. 이같은 과정을 거치면서 포집기에서 분말형태의 사염화우라늄을 얻게된다. 이러한 공정을 통하여 생성된 부산가스인 이산화탄소와 불활성가스 및 미반응 된 염소가스는 가스배출관(13)을 통하여 빠져 나가게 된다. 이 가운데 염소가스는 별도의 공정에서 회수되어 재 사용하게 된다. 환원제로 사용되는 탄소는 반응 당량비를 5∼10% 초과하는 과량을 사용하는 것이 바람직하며, 형태는 분말, 코오크스 덩어리 및 알갱이를 사용할 수 있다. 반응가스로는 염소가스 이외에도 포스겐가스(COCl₂), 사염화가스(CCl₄)와 염소가스의 혼합물, 사염화탄소와 포스겐가스의 혼합물, 사염화탄소를 사용할 수 있다. 반응가스의 주입량은 고체반응물과의 접촉율을 고려하여 반응당량비의 2∼3배의 정도를 사용한다.

산화우라늄의 염소화반응을 이용한 사염화우라늄의 제조는 방법으로 수행한다. 즉, 산화우라늄과 탄소를 혼합하여 반응기에 넣고 400℃∼600℃이상의 온도로 가열하고 이에 염소가스를 통과시킨다. 또 가스배출관상의 가스주입관(8)을 이용하여 질소가스를 주입시켜 반응가스의 분압을 1기압 이하로 조절하고, 가스주입관(10)으로 질소가스를 주입시켜 사염화우라늄기체를 냉각시켜 줄 뿐만 아니라 반응기내부의 생성가스를 포집기로 빠른 이동과 반응기 내부압력 감소를 유도하여 사염화우라늄 분말을 제조하는 방법이다.

이 방법은 비교적 불순물이 적은 우라늄산화물로부터 금속우라늄 제조를 위한 중간물질인 사염화우라늄을 제조하는 방법이다. 염소화반응으로 생성된 사염화우라늄기체를 냉각하면 고체상의 사염화우라늄 분말이 다른 기체들과 분리된다.

이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

[실시예]

알칼리계염화물로 구성되는 용융염욕을 사용하지 않는 이산화우라늄의 염소화반응을 통한 사염화우라늄 제조

이산화우라늄 20.478g과 탄소분말 2.8686g을 잘 혼합한 후 550℃가 유지되는 석영반응기 내부의 흑연도가니에 넣고 염소가스를 분당 50cc로 주입하면서 반응기 내부압력을 1기압 이하로 유지시켰다. 이때 생성된 사염화우라늄가스가 가스유로를 따라 이동하는 과정에서 가스배출관로에 불활성가스인 질소가스를 분당 150cc로 주입하여 내부의 염소분압을 감소시켜 사염화우라늄기체가 오염화우라늄 또는 육염화우라늄기체로 산화되는 반응을 억제시키고, 이들이 사염화우라늄기체로 환원될 수 있도록 하여 포집기에 도달할 수 있는 분위기를 조성하였다. 포집기에 도달한 가스는 급속한 냉각과 반응기 내부로부터 포집기로의 빠른 이동과 반응기 내부압력 감소를 유도하기 위한 방법으로 포집기 입구에 설치된 가스주입관을 통하여 질소가스를 주입하였다. 이같은 과정을 통하여 사염화우라늄 분말을 얻었다.

상술한 바와 같은 본 발명은 사용후 핵연료중 우라늄만을 분리하여 γ선 차폐가 필요없는 정도로 제염이 가능할 것으로 판단되어 사용후핵연료의 중간 저장에 응용할 가치가 충분히 있다고 생각되는 것이다.

Claims

산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하기 위한 목적으로 산화우라늄을 이산화우라늄으로 전환하여 400℃∼600℃의 온도범위를 유지하고 있는 반응기에 이산화우라늄과 탄소분말의 혼합물을 넣고 염소가스를 통과시켜 사염화우라늄을 제조하는 것을 특징으로 하는 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 반응기 내부의 염소가스분압을 1기압 이하로 유지시키면서 사염화우라늄 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 반응기 내부의 가스압력을 1기압 이하로 유지시키면서 사염화우라늄 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 가스유출관 내부의 온도를 사염화우라늄 융점 이상으로 유지시키면서 염소가스의 분압을 1기압 이하로 조절하여 사염화우라늄의 오염화우라늄과 육염화우라늄으로의 산화를 억제하고, 이들을 사염화우라늄으로 분해시켜 제조되는 사염화우라늄의 순도를 높이는 것을 특징으로 하는 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 흑연도가니를 사용하여 우라늄산화물을 제조하는 염소화반응을 진행시키는 것을 특징으로 하는 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 포집기에 도달한 가스의 급속한 냉각과 반응기 내부로부터 포집기로의 빠른 이동과 반응기 내부압력 감소를 유도하기 위한 방법으로 이중관으로 된 가스주입관을 사용하여 질소가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 산화우라늄으로부터 사염화우라늄을 제조하는 방법.