KR100454984B1 - Process to remove rare earths from spent nuclear fuel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소모된 핵연료로부터 희토류 원소(RE)를 제거하는 방법에 관계한다. 소모된 핵연료는 200 내지 800℃ 온도에서 산화단계와 1000 내지 1600℃의 가열단계를 겪는다. 이 공정은 소모된 연료를 희토류 농후 형석상과 희토류 빈약 U3O8상으로 분리시킨다. RE농후 형석상은 채로 걸름, 공기 분류, 침전 등의 종래의 분리기술에 의해 RE빈약 U3O8상으로부터 분리된다.The present invention relates to a method for removing rare earth elements (RE) from spent nuclear fuel. The spent fuel undergoes an oxidation step at a temperature of 200 to 800 ° C. and a heating step of 1000 to 1600 ° C. This process separates the spent fuel into a rare earth rich fluorite phase and a rare earth poor U 3 O 8 phase. The RE rich fluorite phase is separated from the RE poor U 3 O 8 phase by conventional separation techniques such as sieving, air fractionation, and precipitation.

Description

소모된 핵연료로부터 희토류 원소 제거방법{Process to remove rare earths from spent nuclear fuel}Process to remove rare earths from spent nuclear fuel

본 발명은 소모된 핵연료로부터 희토류 원소(예컨대, 강력한 중성자 흡수제인 네오디뮴과 사마륨)를 제거하는 방법, 특히 이를 위한 건식 처리기술에 관계한다.The present invention relates to a method for removing rare earth elements (eg, strong neutron absorbers neodymium and samarium) from spent nuclear fuel, in particular dry processing techniques therefor.

희토류 원소(RE)(La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd등)는 핵연료에서 우라늄 분열 및 기타 분열 생성물의 붕괴에 의해 생성된다. 많은 희토류 원소는 큰 중성자 단면적을 가지므로 소모된 핵연료의 중성자 흡수에 큰 기여(대략 50%)를 한다. 중성자 흡수가 너무 높아질 때 핵연료는 처리를 위해 반응기에서 제거되어야 한다. 희토류 원소를 효과적으로 제거하는 방법은 소모 연료의 재사용을 가능하게 하므로 출발물질 1킬로그램당 더 많은 에너지를 생성할 수 있다.Rare earth elements (RE) (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, etc.) are produced by the breakdown of uranium fission and other fission products in nuclear fuel. Many rare earth elements have a large neutron cross-sectional area, making a significant contribution (approximately 50%) to neutron absorption of spent nuclear fuel. When neutron absorption becomes too high, the fuel must be removed from the reactor for processing. The effective removal of rare earth elements allows for the reuse of spent fuel, thus generating more energy per kilogram of starting material.

소모된 핵연료의 공기산화 및 열처리에 기초한 몇가지 건식 처리기술이 이용가능하지만 상당량의 희토류 원소 제거에 효과적이지는 않다.Several dry treatment techniques based on air oxidation and heat treatment of spent nuclear fuel are available but are not effective at removing significant amounts of rare earth elements.

두가지 공지의 건식처리 기술은 AIROX와 OREOX 공정이다. AIROX 공정에서 연료는 산화 또는 종래의 기계적 수단에 의해 디클래딩(decladding)될 수 있다. 산화에 의한 디클래딩에서 연료 핀은 구멍이 뚫린 후 공기중에 400 내지 600℃로 가열되어서 UO2를 U3O8로 산화시킴으로써 산화가 클래딩을 파괴시킨다. 결과의 U3O8 분말은 이후에 클래딩으로부터 쉽게 분리될 수 있다. 이후에 U3O8은 수소로 600 내지 100℃에서 환원되어 UO2를 재생한다. 이러한 산화/환원 단계는 휘발성 분열생성물의 방출을 야기시킬 정도로 충분히 높은 온도에서 수행된다. 산화/환원 싸이클을 사용함으로써 AIROX 공정은 Xe, Kr, Cs 및 I를 거의 완전히 제거할 수 있다.Two known dry treatment technologies are the AIROX and OREOX processes. In the AIROX process the fuel may be declad by oxidation or conventional mechanical means. In decladding by oxidation, the fuel pins are heated to 400-600 ° C. in air after being punched out so that oxidation destroys the cladding by oxidizing UO 2 to U 3 O 8 . The resulting U 3 O 8 powder can later be easily separated from the cladding. Thereafter, U 3 O 8 is reduced at 600 to 100 ° C. with hydrogen to regenerate UO 2 . This oxidation / reduction step is carried out at a temperature high enough to cause the release of volatile fission products. By using oxidation / reduction cycles, the AIROX process can almost completely remove Xe, Kr, Cs and I.

OREOX 공정은 AIROX 공정의 개선이다. AIROX 공정보다 더 높은 온도(1200℃)에서 산화가 수행되므로 휘발성 분열생성물을 더 효과적으로 제거할 수 있다.The OREOX process is an improvement of the AIROX process. Oxidation is performed at a higher temperature (1200 ° C.) than the AIROX process, which allows more efficient removal of volatile fission products.

습식재처리기술(연료 용해 및 후속의 화학적 분리에 기초한)이 소모된 연료로부터 희토류 원소를 제거하는데 사용될 수 있지만 많은 양의 액체 폐기물이 발생되고 엄격한 플루토늄 유용 보호조항을 유지할 필요성 때문에 상업적으로 존속할 수 없다. 예컨대, 캐나다 특허 589,122는 사용된 핵반응기 연료를 재처리하는 방법을 발표한다. 상기 특허는 일부 희토류 원소 99% 제거를 발표하는데 용융상태에서 우라늄을 비-산화 조건하에서 내화산화물과 접촉시키고 분열생성물 함유 산화물로부터 오염제거된 우라늄을 분리하는 단계를 포함한다.Wet reprocessing techniques (based on fuel dissolution and subsequent chemical separation) can be used to remove rare earth elements from spent fuel, but can be commercially viable due to the large amount of liquid waste generated and the need to maintain stringent plutonium useful protections. none. For example, Canadian Patent 589,122 discloses a method for reprocessing used nuclear reactor fuel. The patent discloses 99% removal of some rare earth elements, which includes contacting uranium with refractory oxides under non-oxidizing conditions in a molten state and separating decontaminated uranium from fission product containing oxides.

미국특허 2,822,260 은 중성자 충격을 받은 우라늄으로부터 희토류 원소와 기타 분열 생성물을 분리하는 공정을 발표한다. 이 특허는 대개의 분열 생성물과 고농축되는 이산화우라늄 스케일을 우라늄상에 생성하기 위해서 불활성 대기에서 약 1150 내지 1400℃의 온도에서 우라늄을 금속산화물과 함께 용융시키는 단계를 발표한다.U.S. Patent 2,822,260 discloses a process for separating rare earth elements and other cleavage products from neutron bombarded uranium. This patent discloses melting uranium with metal oxides at a temperature of about 1150 to 1400 ° C. in an inert atmosphere to produce uranium dioxide scales that are highly enriched in fission products and highly concentrated.

본 발명은 소모된 이산화우라늄 연료로부터 상당량의 희토류 원소를 제거할 수 있는 건식처리기술에 관계한다.The present invention relates to a dry treatment technique capable of removing significant amounts of rare earth elements from spent uranium dioxide fuel.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 소모된 핵연료에서 희토류 원소를 제거하는 방법에 관계한다. 본 방법은 약 200 내지 800℃의 온도에서 소모된 핵연료를 산화하여 UO2를 U3O3로 산화시키는 단계를 포함한다. 이후에 소모된 핵연료는 1000 내지 1600℃의 온도로 가열되어 상기 U3O8이 희토류(RE) 농후 형석(fluorite)상과 희토류(RE) 빈약 U3O8상으로 분리되게 한다. 희토류(RE) 농후 형석상은 이후에 희토류(RE) 빈약 U3O8상으로부터 분리된다.The present invention relates to a method for removing rare earth elements from spent nuclear fuel. The method includes oxidizing spent fuel at a temperature of about 200-800 ° C. to oxidize UO 2 to U 3 O 3 . The spent fuel is then heated to a temperature of 1000 to 1600 ° C to allow the U 3 O 8 to be separated into a rare earth (RE) rich fluorite phase and a rare earth (RE) poor U 3 O 8 phase. The rare earth (RE) rich fluorite phase is then separated from the rare earth (RE) poor U 3 O 8 phase.

[도면의간단한설명]BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

도 1 은 1000 내지 1500℃의 온도범위에서 전형적인 희토류 원소에 대한 삼원 U-RE-O상 다이아그램의 UO-(RE)O-O 부분을 보여준다.Figure 1 shows the UO- (RE) O-O portion of a three-way U-RE-O phase diagram for a typical rare earth element in the temperature range of 1000-1500C.

도 2 는 1.7몰%의 희토류 원소로 도핑된 UO2 샘플의 거동을 보여주는 삼원 U-RE-O상 다이아그램의 UO-(RE)O-O 부분을 보여준다.2 shows the UO- (RE) OO portion of a three-way U-RE-O phase diagram showing the behavior of a UO 2 sample doped with 1.7 mole percent of rare earth elements.

도 3 은 공기중에 UO2의 산화에 대한 DTA 결과이다.3 is a DTA result for the oxidation of UO 2 in air.

도 4는 공기중에 2%Nd 도핑된 UO2의 산화에 대한 DTA 결과이다.4 is a DTA result for the oxidation of 2% Nd doped UO 2 in air.

도 5 는 네오디뮴 도핑된 UO2 분말을 2단계 공기 산화(580℃, 2시간) 및 열처리(1400℃, 1시간)받게 함으로써 발생된 분말에 대한 X선 회절 패턴이다.FIG. 5 is an X-ray diffraction pattern for the powder generated by subjecting neodymium doped UO 2 powder to two stage air oxidation (580 ° C., 2 hours) and heat treatment (1400 ° C., 1 hour).

도 6은 U3O8로 산화되고 1400℃에서 공기중에 8시간 어닐링된 네오디뮴 도핑된 UO2의 Nd%에 대한 U3O8로부터 분리된 형석상물질의 비율(F)을 보여준다.FIG. 6 shows the ratio (F) of fluorite separated from U 3 O 8 to Nd% of neodymium doped UO 2 oxidized to U 3 O 8 and annealed in air at 1400 ° C. for 8 hours.

도 7 은 U3O8로 산화되고 1400℃에서 공기중에 8시간 어닐링된 세륨도핑된 UO2의 Ce%에 대한 U3O3로부터 분리된 형석상물질의 비율(F)을 보여준다.FIG. 7 shows the ratio (F) of fluorite separated from U 3 O 3 to Ce% of cerium doped UO 2 oxidized to U 3 O 8 and annealed in air at 1400 ° C. for 8 hours.

도 8은 U3O8로 산화되고 1400℃에서 공기중에 8시간 어닐링된 이테르븀 도핑된 UO2의 Yb%에 대한 U3O3로부터 분리된 형석상물질의 비율(F)을 보여준다.FIG. 8 shows the ratio (F) of fluorite separated from U 3 O 3 to Yb% of ytterbium doped UO 2 oxidized to U 3 O 8 and annealed in air at 1400 ° C. for 8 hours.

도 10 은 본 발명의 방법으로 네오디뮴 도핑된 소결 펠렛을 산화시켜 발생된 분말의 X선 회절 패턴이다.10 is an X-ray diffraction pattern of a powder generated by oxidizing neodymium doped sintered pellets by the method of the present invention.

도 11 은 본 발명의 방법으로 SIMFUEL 샘플(4원자% 연료소모된 모의샘플)을 처리하여 발생된 분말의 XRD 패턴이다.FIG. 11 is an XRD pattern of powder generated by treating a SIMFUEL sample (4 atomic% fuel consumed mock sample) by the method of the present invention.

도 12(a) 및 (b) 는 공기산화(440℃, 4.5시간) 및 열처리(1400℃, 4시간)에 의해 수득된 사용된 H.B. Robinson LWR 연료 샘플에 대한 XRD 및 SEM 패턴으로 화살표는 형석형 상과 관련된 XRD 피크의 위치를 나타낸다.12 (a) and (b) show the used H.B. obtained by air oxidation (440 ° C., 4.5 hours) and heat treatment (1400 ° C., 4 hours). Arrows in XRD and SEM patterns for Robinson LWR fuel samples indicate the location of XRD peaks relative to the fluorspar phase.

도 13 은 소모된 LWR 연료의 2단계 공기산화(440℃, 4.5시간) 및 열처리(1400℃에서 4시간)하여 얻어진 샘플에서 U3O8 그레인과 희토류 농후 노듈의 전형적인 파장 분산 X선 방출(WDX) 스펙트럼을 보여준다.FIG. 13 shows typical wavelength dispersion X-ray emission (WDX) of U 3 O 8 grains and rare earth-rich nodules in samples obtained by two-stage air oxidation (440 ° C., 4.5 hours) and heat treatment (4 hours at 1400 ° C.) of spent LWR fuel. ) Shows the spectrum.

도 14 는 Nd 도핑된 소결 UO2를 400℃에서 16시간 산화하고 공기중에 8시간 1400℃에서 가열함으로써 생성된 분말의 SEM 영상이다.FIG. 14 is an SEM image of powder produced by oxidizing Nd doped sintered UO 2 at 400 ° C. for 16 hours and heating in air at 1400 ° C. for 8 hours.

도 15 는 Nd 도핑된 소결 UO2를 400℃에서 16시간 산화함으로써 생성된 분말의 SEM 영상이다.FIG. 15 is an SEM image of a powder produced by oxidizing Nd doped sintered UO 2 at 400 ° C. for 16 hours.

도 16 은 본 발명의 방법으로 처리한 후 네오디뮴 도핑된 UO2에서 직경의 함수로서 입자의 수를 보여준다.16 shows the number of particles as a function of diameter in neodymium doped UO 2 after treatment with the method of the present invention.

사용된 연료에서 희토류(또는 RE) 원소는 분열생성물의 약 30%와 중성자적재의 절반을 차지한다. 따라서 상당량의 희토류 원소의 제거를 포함한 사용된 연료에 대한 건식 처리 기술의 변형은 이러한 공정의 상업적 존속성에 큰 영향을 준다.Rare earth (or RE) elements in the spent fuel make up about 30% of the fission product and half the neutron loading. Thus, modifications of dry treatment techniques for spent fuel, including the removal of significant amounts of rare earth elements, have a significant impact on the commercial viability of these processes.

본 발명은 비-환원 조건하에서 고온 처리를 사용하는 공정에 관계하며 U3O8상으로부터 RE 농후 형석상 (U,RE)O2+X (간략성을 위해 형석상은 본 출원 전반에서 형석 CaF2 과 동일한 결정구조에 속하는 (U,RE)O2+X 샘플을 의미하는 것으로 사용된다)으로 RE 원소를 효과적으로 분리한다. 본 출원인에 의해 수행된 실험 결과는 RE 분리가 일어날 뿐만 아니라 더 작은 입자가 희토류원소에서 농후하게 되는 방식으로 일어남을 보여준다. 따라서, U3O8과 (U,RE)O2+X의 밀도차이와 더불어 단순한 기계적 분리(즉, 침전, 공기분류, 채로 걸름)가 사용되어 U3O8로부터 상당량의 RE를 제거할 수 있다. 기존의 AIROX 및 OREOX 공정에 비해서 상당한 정도의 RE 분리가 일어나는 충분히 높은 온도까지 샘플이 가열되지 않는다. 게다가, AIROX 및 OREOX에서 환원은 분리될 수 있는 소량의 RE를 단일 형석상에 도입시키므로 실제적인 RE 의 분리가 이루어질 수 없다.The present invention relates to a process using a high temperature treatment under non-reducing conditions and the RE rich fluorite phase (U, RE) O 2 + X from the U 3 O 8 phase (for simplicity the fluorite phase is indicated throughout the present application. is used herein to mean the 2 and O 2 + X samples (U, RE) belongs to the same crystal structure) with separates the RE element effectively. Experimental results performed by the Applicant show that not only does RE separation occur, but also the way in which smaller particles become rich in rare earth elements. Therefore, with the difference in density between U 3 O 8 and (U, RE) O 2 + X , a simple mechanical separation (ie sedimentation, air classification, sieving) can be used to remove a significant amount of RE from U 3 O 8 . have. The sample does not heat up to a sufficiently high temperature where a significant degree of RE separation occurs compared to conventional AIROX and OREOX processes. In addition, reduction in AIROX and OREOX introduces a small amount of RE that can be separated onto a single fluorite so that no actual RE separation can be achieved.

삼원 U-RE-O상 다이아그램의 다양한 측면이 집중 연구되었다(Fujino, Miyake 1991, Handbook on the Physics and Chemistry of the Actinides, Elsevier Science Publishers, New York, Vol. 6, p.155). 다양한 RE 에 대한 상다이아그램에서 미묘한 차이가 있을지라도 일반적 특징은 대개의 희토류 원소에서 같다. 전형적인 U-RE-O 상 다이아그램의 UO-(RE)O-O 부분의 1000 내지 1500℃에서 도 1 에 도시된다.Various aspects of the three-way U-RE-O phase diagram were intensively studied (Fujino, Miyake 1991, Handbook on the Physics and Chemistry of the Actinides, Elsevier Science Publishers, New York, Vol. 6, p. 155). Although there are subtle differences in the phase diagrams for the various REs, the general characteristics are the same for most rare earth elements. It is shown in FIG. 1 at 1000-1500C of the UO- (RE) O-O portion of a typical U-RE-O phase diagram.

조사된 연료의 건식산화에서 가장 중요한 도 1 의 특징은 다음과 같다:The most important features of FIG. 1 in the dry oxidation of the fuel investigated are as follows:

1. UO2+X와 (RE)O1.5의 고체 용액으로 구성된 단일 형석상(F)1.Single fluorite phase (F) consisting of a solid solution of UO 2 + X and (RE) O 1.5

2. 형석상과 U3O8 고체 용액이 둘다 존재하는 2상 영역인 A와 U4O9, U3O8로 경계가 되는 삼각형 지대. U3O8에서 (RE)O1.5의 용해도는 X선 회절(XRD) 기술의 탐지한계 아래이다고 보고된다(즉, 0.2 내지 0.5몰% 미만이다)(Keller, 1975, Ternare und polynare oxide des urans. Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie, 8 Erganzungswerk, Band 55, Teil C3, Springer-Verlag, Berlin, p. 97).2. A triangular zone bounded by two phase regions, A and U 4 O 9 and U 3 O 8 , in which both the fluorite and U 3 O 8 solid solutions are present. The solubility of (RE) O 1.5 in U 3 O 8 is reported to be below the detection limit of the X-ray diffraction (XRD) technique (ie less than 0.2 to 0.5 mol%) (Keller, 1975, Ternare und polynare oxide des urans Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie, 8 Erganzungswerk, Band 55, Teil C3, Springer-Verlag, Berlin, p. 97).

3. (RE)O1.5가 다른 RE 농후 화합물(예컨대, UO6PrO1.5)와 공존하는 곳인 도 1 의 "M"지대. 이 지대는 본 발명에 무관하므로 상술되지 않는다.3. The “M” zone of FIG. 1 where (RE) O 1.5 coexists with other RE rich compounds (eg, UO 3 · 6PrO 1.5 ). This zone is not detailed because it is independent of the present invention.

UO2와 소모된 연료의 산화 양태Oxidation of UO 2 and Consumed Fuel

소모되지 않는 UO2의 산화Oxidation of UO 2 not consumed

U-O 이원 상다이아그램의 주요 특징은 잘 확립되어 있다. 순수한 UO2 샘플이 산화될 때 그 조성은 도 1 의 UO2 지점으로부터 상다이아그램의 산소 꼭지점 쪽으로 이동한다. UO2와 U4O9 사이에서 산소 음이온이 형석격자의 격자간 틈에 삽입되고; 동시에 평균 우라늄 이온 원자가의 변화가 일어나 형석형 격자가 유지된다. 1000 내지 1500℃의 온도범위에서 UO2에서 U4O9 지대에 있는 샘플에서 단지 하나의 상(형석상)만이 발견된다.The main features of the UO binary phase diagram are well established. When the pure UO 2 sample is oxidized its composition shifts from the UO 2 point in FIG. 1 towards the oxygen vertex of the phase diagram. Oxygen anions are inserted in the interstitial lattice gap between the fluorite grid and between UO 2 and U 4 O 9 ; At the same time, the change in the average uranium ion valence maintains the fluorite lattice. Only one phase (fluorspar) is found in the sample in the UO 2 to U 4 O 9 zone in the temperature range of 1000 to 1500 ° C.

만약 순수한 UO2 샘플이 U4O9 지점 너머로 산화되어 전체 O/U 비가 2.25와 2.67 사이에 존재한다면 2개의 상 U4O9(형석상)과 U3O8(사방정계)이 샘플에 존재한다. 중간 상은 단지 저온에서 (U3O7) 또는 고압에서 (U2O5) 안정(또는 준안정)하다. 이러한 2상 지대에서 사방정계와 형석상의 상대량은 지레규칙에 의해 계산될 수 있다.If a pure UO 2 sample is oxidized beyond the U 4 O 9 point and the total O / U ratio is between 2.25 and 2.67, two phases U 4 O 9 (fluorite) and U 3 O 8 (orthorhombic) are present in the sample. do. The intermediate phase is only stable (or metastable) at low temperatures (U 3 O 7 ) or at high pressures (U 2 O 5 ). In these two-phase zones, the relative amounts of orthorhombic and fluorite phases can be calculated by lever rules.

전체조성이 U3O8에서 0지대에 놓이도록 계에 산소가 더욱 첨가되면 가스상 산소와 함께 U3O8이 존재한다. 1100℃ 이상에서 U3O8은 소량의 산소를 잃고 1500℃ 이상에서 U3O8은 공기중에 분해하여 UO2+X 를 형성한다(x는 ∼0.25이다).If more oxygen is added to the system so that the overall composition is at 0 in U 3 O 8 , U 3 O 8 is present along with the gaseous oxygen. Above 1100 ° C U 3 O 8 loses a small amount of oxygen and above 1500 ° C. U 3 O 8 decomposes in air to form UO 2 + X (x is ˜0.25).

소모된 연료의 산화Oxidation of spent fuel

소모된 연료의 산화 양태는 소모된 연료에서 발견되는 수많은 분열 생성물과 연료 미세구조에서 차이점 때문에 소모안된 UO2보다 더 복잡하다. 소모된 연료에서 RE의 화학적 성질을 추정할 때 소모된 연료는 UO2 내 하나의 RE의 고체용액으로서 간주될 수 있다. 단일 RE의 농도는 ∼1.7원자%이고 이것은 전형적인 35MW·d/kg U 연료소모후 PWR 연료에서 총 희토류 원소의 양이다. 전형적인 소모된 PWR 연료의 RE 함량이 표 1 에 주어진다.The oxidation aspect of the spent fuel is more complicated than the unused UO 2 due to the differences in the fuel microstructure and the numerous cleavage products found in the spent fuel. When estimating the chemistry of RE in spent fuel, the spent fuel can be regarded as a solid solution of one RE in UO 2 . The concentration of a single RE is ˜1.7 atomic percent, which is the amount of total rare earth elements in a PWR fuel after typical 35 MW · d / kg U fuel consumption. The RE content of typical spent PWR fuel is given in Table 1.

본 출원에서 원자% 및 분자%라는 용어는 무산소를 기초로 총금속함량에 대한 비율을 말한다. 예컨대 1.7원자% RE는 몰비율 RE/[RE+U]이 0.017인 혼합물이다.In this application, the terms atomic% and molecular% refer to the ratio of the total metal content on the basis of oxygen free. For example 1.7 atomic% RE is a mixture with a molar ratio RE / [RE + U] of 0.017.

[표 1a]TABLE 1a

35MW·d/kg U의 연료소모후 전형적인 소모된 PWR 연료의 희토유 원소 함량Rare Earth Element Content of Typical PWR Fuel Consumed After 35MW · d / kg U Fuel Consumption

Figure pct00001
Figure pct00001

[표 1b]TABLE 1b

Figure pct00002
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1.7원자% RE로 도핑된 UO2 샘플의 평형산화양태가 도 2 에 도시된다. UO2와 (RE)O1.5의 화학양론적 고체 용액은 도 2 에서 이들 화합물을 나타내는 지점을 연결하는 선을 따라 놓인다. 1.7원자%에 대응하는 조성은 지점(B)이다. 이러한 샘플의 산화는 그 조성을 선 BC을 따라 상다이아그램의 산소 꼭지점쪽으로 이동시킨다. UO2와 함께 단일 형석상이 이 지역에서 지점(C)까지 존재한다. 그러나 샘플이 지점(C) 이상으로 더욱 산화된다면 UO2와 RE 도핑된 물질간에 큰 차이가 관찰된다. RE 도핑된 물질의 경우 선분 CD을 따른 샘플조성은 2개의 상 RE 고갈 U3O8 상과 RE 농후 형석상으로 구성된다. 따라서 지점(C) 이상으로 산화가 진행할 때 U3O8상이 분리됨에 따라 형석상의 조성은 선분 CA을 따라 이동한다. 총샘플 조성이 지점(D)에 있도록 산화가 진행되었을 때 총혼합물은 조성 A의 형석상과 U3O8로 구성된다. U3O8과 형석상의 상대량은 지레규칙에 따라 계산될 수 있다. 형석상의 조성은 UO-(RE)O 축까지 선 OA을 외삽하고 지점(E)으로부터 RE와 U의 상대 비율을 결정함으로써 계산될 수 있다.The equilibrium aspect of a UO 2 sample doped with 1.7 atomic% RE is shown in FIG. 2. The stoichiometric solid solution of UO 2 and (RE) O 1.5 lies along the line connecting the points representing these compounds in FIG. 2. The composition corresponding to 1.7 atomic% is point (B). Oxidation of this sample moves its composition along the line BC toward the oxygen vertex of the upper diagram. Along with UO 2 , a single fluorite phase exists from this region to point (C). However, if the sample is further oxidized above point C, a large difference between UO 2 and RE doped material is observed. For RE doped materials, the sample composition along line CD consists of two phases RE depleted U 3 O 8 phases and an RE rich fluorspar phase. Therefore, as the oxidation proceeds above the point C, as the U 3 O 8 phase separates, the composition of the fluorspar phase moves along the line segment CA. When oxidation proceeds so that the total sample composition is at point D, the total mixture consists of the fluorite phase of composition A and U 3 O 8 . The relative quantities of U 3 O 8 and fluorspar can be calculated according to the lever rules. The composition of the fluorspar phase can be calculated by extrapolating the line OA up to the UO- (RE) O axis and determining the relative ratio of RE and U from point E.

사실상 본 발명의 방법으로 처리된 RE 도핑된 UO2는 산화속도가 RE분리속도 보다 훨씬 빠르기 때문에 이러한 평형 경로를 정확히 따르지는 않는다. 그러므로 초기 산화 생성물은 준안정적 RE도핑된 U3O8상이다. 따라서 아래에 기술된 공정에서 산화와 분리는 두 단계로 발생한다. 그러나 최종상 집합은 앞선 구절에서 지점(D)에 대해 기술된 대로이다.In fact, RE doped UO 2 treated by the process of the present invention does not exactly follow this equilibrium path because the oxidation rate is much faster than the RE separation rate. The initial oxidation product is therefore a metastable RE doped U 3 O 8 phase. Therefore, oxidation and separation occur in two steps in the process described below. The final set of phases, however, is as described for point D in the preceding passage.

본 발명의 방법에 가능한 응용에 중요한 U-RE-O상에서 두 개의 매개변수가 인지되었다. 먼저 U4O9-A-U3O8 지역에서 분리되는 U3O8은 RE에 대해 무시할만한 용해도를 갖는다고 가정되었다. 실험을 통해 U3O8에서 RE 용해도는 전형적인 용해도 상한인 0.2 내지 0.5원자%로 낮다. 둘째 상다이아그램에서 지점(A)의 위치가 중요하다(도 1 및 도 2). 본 발명의 방법은 RE 농후 형석상 생성을 목적으로 한다. 이러한 시나리오는 A가 상다이아그램의 (RE)O 꼭지점에 가능한 가까이 위치되는 경우에 대응한다. 지점(A)의 정확한 위치는 온도와 RE의 원소종류에 따라 변한다.Two parameters have been recognized on U-RE-O that are important for possible applications in the method of the present invention. First, it was assumed that U 3 O 8 separated in the U 4 O 9 -AU 3 O 8 region had negligible solubility for RE. Through experiments, the solubility of RE in U 3 O 8 is as low as 0.2 to 0.5 atomic%, which is the upper limit of typical solubility. The position of point A in the second phase diagram is important (FIGS. 1 and 2). The method of the present invention aims at the production of RE rich fluorite phases. This scenario corresponds to the case where A is located as close as possible to the (RE) O vertex of the top diagram. The exact location of point A changes with temperature and with the element type of RE.

사용된 연료가 본질적으로 순수한 U3O8과 조성 ((RE)0.35,U0.65)O2을 갖는 형석상으로 분리되는 경우에 1.7원자% RE을 함유한 소모된 PWR 연료 1kg의 처리로 37g의 RE농후 형석 폐기물을 얻을 수 있다. 최초의 연료 1킬로그램에서 3%미만의 우라늄이 RE 농후 폐기물에서 손실된다. UO2와 소모된 연료의 중요한 차이는 소모된 연료에서 상당량의 플루토늄이 존재한다는 사실이다. UO2와 혼성 산화물 (U,Pu)O2 연료의 산화에 있어서 유사성은 플루토늄이 본 발명 방법의 RE 분리단계에 큰 영향을 미치지는 않음을 알 수 있게 한다. 그러나 어떤 건식 처리 기술이 소모된 연료로부터 플루토늄을 분리시켜서는 안되며 안전성을 이유로 플루토늄에 대한 실제적인 방법이 있어야 하므로 플루토늄의 존재는 중요하다. 처리된 연료에 대부분의 플루토늄의 유지가 역시 경제적으로 바람직하다.37 g of 1 kg of spent PWR fuel containing 1.7 atomic% RE when the spent fuel was separated into fluorspar with essentially U 3 O 8 and composition ((RE) 0.35 , U 0.65 ) O 2 . RE rich fluorspar waste can be obtained. Less than 3% uranium is lost in RE rich waste in one kilogram of the first fuel. An important difference between UO 2 and spent fuel is the fact that there is a significant amount of plutonium in the spent fuel. The similarity in oxidation of UO 2 and hybrid oxide (U, Pu) O 2 fuels indicates that plutonium does not significantly affect the RE separation step of the process of the present invention. However, the presence of plutonium is important because no dry treatment technique should be used to separate plutonium from spent fuel and there must be a practical way to do it for safety reasons. The maintenance of most plutonium in the treated fuel is also economically desirable.

우라늄산화물로부터 희토류를 분리할 가능성을 평가하기 위해서 두가지 상이한 형태의 네오디뮴 도핑된 UO2가 제조된다. 네오디뮴은 가장 풍부한 RE 분열 생성물이기 때문에 (표 1) 전형적인 희토류 원소로 선택되었다. 제 1 도핑된 UO2 샘플은 네오디뮴과 우라늄을 암모늄 디우라네이트로써 공침시키고 이후에 (U,Nd)O2로 환원시킴으로써 제조된 분말로 구성된다. 제 2 샘플은 소결된 UO2 펠렛으로 구성되는데 일부는 2% 네오디뮴으로 도핑되고 일부는 SIMFUEL, 즉 Lucuta에 의해 발표된 소모연료를 모방하기 위해 설계된 분열생성물의 혼합물로 도핑된 UO2이다(1991, SIMFUEL 의 미세구조 특징, Journal of Nuclear Materials 178, 48-60). 대개의 시험은 Nd-도핑 분말과 펠렛에 대해 수행된다. Nd 농후 형석상의 U3O8로부터 분리 정도는 X-선 회절(XRD)로 측정된다. 본 발명의 방법으로 산화된 분말에 대해 조잡한 입자크기 분류 시험(침전이나 여과에 의해)이 수행되고 다양한 단편의 Nd 함량이 분석되었다. 따라서 단순한 기계적 분리가 도핑된 UO2로부터 상당량의 희토류 원소를 제거할 수 있는지 여부를 결정할 수 있다.Two different forms of neodymium doped UO 2 are prepared to assess the possibility of separating rare earths from uranium oxide. Neodymium was chosen as a typical rare earth element because it is the most abundant RE cleavage product (Table 1). The first doped UO 2 sample consisted of a powder prepared by coprecipitation of neodymium and uranium with ammonium diuranate and then reduction to (U, Nd) O 2 . The second sample consists of a sintered UO 2 pellets portion is doped with 2% neodymium is a part is SIMFUEL, i.e. the UO 2 doped with a mixture of a cleavage product, designed to mimic the spent fuel released by Lucuta (1991, Microstructure Characteristics of SIMFUEL, Journal of Nuclear Materials 178, 48-60). Most tests are performed on Nd-doped powders and pellets. The degree of separation from U 3 O 8 on Nd rich fluorspar is measured by X-ray diffraction (XRD). A crude particle size classification test (by sedimentation or filtration) was performed on the powder oxidized by the method of the present invention and the Nd content of the various fragments was analyzed. Thus, it can be determined whether a simple mechanical separation can remove a significant amount of rare earth elements from the doped UO 2 .

RE 도핑된 UO2 분말에 대한 실험Experiment on RE doped UO 2 powder

샘플 제조Sample manufacturing

다양한 양(0, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 원자%)의 RE(Nd, La, Yb 또는 Ce)로 도핑된 UO2 샘플이 Clayton과 Aronson에 의해 발표된 공침 방법(1961, Some preparative methods and physical characteristics of Uranium Dioxide Powders, Journal of Chemical and Engineering Data 6, 43-51)에 의해 제조된다. RE도핑 분말에 대한 대개의 실험은 RE=Nd인 샘플에 대해 수행되었다. 수산화암모늄(25%)이 네오디뮴과 우라늄을 이들의 질산염 용액으로부터 공침되는데 사용되었다. 결과의 Nd 도핑된 암모늄 디우라네이트(ADU)를 원심분리로 수집하고 105℃ 공기로 건조하기 이전에 희석 수산화암모늄으로 수차례 세척한다. 이후에 ADU 분말은 공기중에 가열되어 U3O8로 전환된다. 결과의 샘플을 XRD로 분석하니 단지 U3O8 피크만을 보였다(XRD 피크의 세기로 결정된 대로 주로 α-U3O8과 ∼6%β-U3O8이다). 분리된 Nd 농후상의 표시는 없으며 네오디뮴과 α- 및 β-U3O8의 상대량간의 상관은 없다. 분말이 공기산화되기 바로 전에 도핑된 U3O8은 1150℃에서 3시간동안 Ar/3%H2에서 UO2로 환원된다. 환원된 분말의 XRD 분석은 단지 UO2만을 나타내며 어떤 경우에는 소량의 U3O7이 보이지만 U3O8이나 기타 불순물은 없다.UO 2 samples doped with various amounts (0, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0 atomic%) of RE (Nd, La, Yb or Ce) were reported by Clayton and Aronson (1961, Some preparative methods and physical characteristics of Uranium Dioxide Powders, Journal of Chemical and Engineering Data 6, 43-51). Most experiments on RE doped powders were performed on samples with RE = Nd. Ammonium hydroxide (25%) was used to co-deposit neodymium and uranium from their nitrate solutions. The resulting Nd-doped ammonium diuranate (ADU) is collected by centrifugation and washed several times with dilute ammonium hydroxide before drying with 105 ° C. air. The ADU powder is then heated in air and converted to U 3 O 8 . Analysis of the resulting sample by XRD showed only U 3 O 8 peaks (primarily α-U 3 O 8 and ˜6% β-U 3 O 8, as determined by the intensity of the XRD peak). There is no indication of the isolated Nd rich phase and there is no correlation between the relative amounts of neodymium and α- and β-U 3 O 8 . Just before the powder is air oxidized, the doped U 3 O 8 is reduced from Ar / 3% H 2 to UO 2 at 1150 ° C. for 3 hours. XRD analysis of the reduced powder shows only UO 2 and in some cases shows a small amount of U 3 O 7 but no U 3 O 8 or other impurities.

Nd 도핑 UO2 분말에 대한 공기산화실험Air Oxidation Experiments on Nd-doped UO 2 Powders

ADU 합성 루트를 통해 제조된 도핑 UO2 샘플이 동시 차등 열분석 장치(DTA)/열무게 분석장치(TGA)에서 흐르는 공기에서 산화된다. 샘플은 10℃/분의 속도로 실온에서 ∼400℃까지 가열되고 그 온도에서 16시간 유지된다. 400℃의 온도가 사용되었을지라도 온도는 200 내지 600℃의 범위일 수 있다. 이후에 샘플은 10℃/분의 속도로 1400℃까지 가열되고 이 온도에서 8시간 유지된다. 이 단계동안 1000 내지 1600℃의 온도가 사용될 수 있다. UO2의 잘 알려진 2단계 산화반응과 관련된 피크가 관찰되지만 RE 농후 형석상의 분리와 관련된 피크는 나타나지 않는다(도 3 및 도 4). 그러나 분리공정은 확산에 의해 조절되므로 이러한 결과는 놀라운 것이 아니며 상당히 낮은 확산속도는 분별하기 힘든 반응 발열을 제공한다.Doped UO 2 samples prepared via the ADU synthesis route are oxidized in air flowing in a simultaneous differential thermal analyzer (DTA) / thermal weight analyzer (TGA). The sample is heated from room temperature to 400 ° C. at a rate of 10 ° C./min and held at that temperature for 16 hours. Although a temperature of 400 ° C. may be used, the temperature may range from 200 to 600 ° C. The sample is then heated to 1400 ° C. at a rate of 10 ° C./min and held at this temperature for 8 hours. Temperatures between 1000 and 1600 ° C. can be used during this step. Peaks associated with the well-known two-stage oxidation of UO 2 are observed but no peaks associated with the separation of the RE rich fluorspar phase (FIGS. 3 and 4). However, since the separation process is controlled by diffusion, this result is not surprising, and a fairly low diffusion rate provides a difficult to discern reaction exotherm.

DTA에 의해 생성된 분말의 X선 회절 분석은 산화 및 열처리동안 네오디뮴 농후 형석상이 U3O8로부터 분리되었다는 확실한 증거를 준다. 도 5 는 Nd 농후 형석상과 관련된 XRD 피크를 보여준다. 아래에 기술된 정량 데이타는 최초의 네오디뮴 도핑 UO2의 네오디뮴 함량과 산화된 분말에서 형석상의 피크세기간의 상관을 보여준다. 1% 및 2% Nd 도핑 물질에서 형석상의 평균 셀 매개변수는 0.5434nm로 계산되는데 이것은 1200 내지 1400℃에서 소결된 Nd 도핑 UO2에 대한 보고값 ∼0.5435nm와 일치한다(Keller and Boroujerdi, 1972, Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 34, 1187-1193).X-ray diffraction analysis of the powder produced by DTA gives clear evidence that the neodymium rich fluorite phase has been separated from U 3 O 8 during oxidation and heat treatment. 5 shows the XRD peaks associated with the Nd rich fluorspar phase. The quantitative data described below show the correlation between the neodymium content of the original neodymium doped UO 2 and the peak intensity of the fluorspar in the oxidized powder. The average cell parameters of the fluorspar phase at 1% and 2% Nd-doped materials are calculated to be 0.543 4 nm, which is consistent with the reported value of 0.543 5 nm for Nd-doped UO 2 sintered at 1200 to 1400 ° C (Keller and Boroujerdi, 1972, Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 34, 1187-1193).

U3O8에 희토류의 용해도Solubility of rare earths in U 3 O 8

위에서 기술된 바와 같이 U3O8에 희토류의 낮은 용해도는 본 발명 방법의 핵심 인자중 하나이다. 따라서, 도핑된 UO2 분말의 산화 생성물이 XRD에 의해 정량분석되어서 1400℃에서 U3O8에 네오디뮴의 용해도를 결정한다. 이러한 정량분석에서 ∼26.0°에서 이중합의 적분면적이 U3O8 신호의 세기(I U308) 측정에 사용되며 ∼28.4°에서 피크의 면적은 형석상 신호의 세기(I 형석)이다. 샘플에 존재하는 형석상의 양은 F = I형석/(I형석 + IU308)에 비례한다고 간주된다. U3O8과 형석상에 대해 동일한 흡수계수를 가정하기 때문에 이러한 근사가 조잡할지라도 낮은 네오디뮴 농도에서 네오디뮴 함량의 함수로서 F 그래프의 기울기에 영향을 주지만(도 6) 측정된 네오디뮴 용해도, 즉 x-절편에 큰 영향을 주지 않는다. 비(F)가 각 샘플에 대해 계산되고 결과가 표 2 에 도시된다. 표 2 의 데이타가 도 6 에 그래프화 되는데 이 도면으로부터 1400℃에서 U3O8에 네오디뮴의 용해도가 0.3원자% 미만인 것으로 추정되었다.The low solubility of rare earths in U 3 O 8 as described above is one of the key factors of the process of the invention. Thus, the oxidation product of the doped UO 2 powder is quantitated by XRD to determine the solubility of neodymium in U 3 O 8 at 1400 ° C. This is in agreement quantitation double integral area at ~26.0 ° is used for the intensity (I U308) Measurement of U 3 O 8 signal area of the peak at ~28.4 ° is the intensity (I calcium fluoride) type of Gargoyle signal. The amount of fluorite present in the sample is considered to be proportional to F = I fluorite / (I fluorite + I U308 ). Although this approximation affects the slope of the F graph as a function of neodymium content at low neodymium concentrations, assuming the same absorption coefficients for U 3 O 8 and the fluorspar phase (FIG. 6), the measured neodymium solubility, ie x -Does not affect the intercept significantly. The ratio F is calculated for each sample and the results are shown in Table 2. The data in Table 2 is graphed in FIG. 6 from which it was estimated that the solubility of neodymium in U 3 O 8 at 1400 ° C. is less than 0.3 atomic percent.

RE=Ce, La 또는 Yb인 경우 U3O8에 희토류의 용해도 및 공기산화 실험Solubility and Air Oxidation of Rare Earths in U 3 O 8 when RE = Ce, La, or Yb

공기산화 실험과 네오디뮴 도핑 샘플에 대해 위에서 기술된 용해도 시험이 RE=Ce, La 또는 Yb인 경우에도 동일 방식으로 수행되었다. 결과는 표 3, 표 4 및 표 5 에 도시되며 표 3, 표 4 및 표 5 의 데이타가 각각 도 7, 도 8 및 도 9 에 그래프화 된다. 이들 도면으로부터 1300℃에서 세륨, 란타늄 및 이테르븀의 U3O8에 용해도는 0.3원자% 미만인 것으로 추정된다.The air oxidation experiment and the solubility test described above for neodymium doped samples were performed in the same manner even when RE = Ce, La or Yb. The results are shown in Tables 3, 4 and 5 and the data of Tables 3, 4 and 5 are graphed in FIGS. 7, 8 and 9 respectively. From these figures, the solubility in U 3 O 8 of cerium, lanthanum and ytterbium at 1300 ° C. is estimated to be less than 0.3 atomic%.

[표 2]TABLE 2

Nd 도핑 UO2 분말을 2단계 공기산화 및 열처리하여 수득된 생성물의 FF of product obtained by two-step air oxidation and heat treatment of Nd-doped UO 2 powder

Figure pct00003
Figure pct00003

[표 3]TABLE 3

Ce 도핑 UO2 분말을 2단계 공기산화 및 열처리하여 수득된 생성물의 FF of product obtained by two-step air oxidation and heat treatment of Ce-doped UO 2 powder

Figure pct00004
Figure pct00004

[표 4]TABLE 4

La 도핑 UO2 분말을 2단계 공기산화 및 열처리하여 수득된 생성물의 FF of product obtained by two-step air oxidation and heat treatment of La doped UO 2 powder

Figure pct00005
Figure pct00005

[표 5]TABLE 5

Yb 도핑 UO2 분말을 2단계 공기산화 및 열처리하여 수득된 생성물의 FF of product obtained by two-step air oxidation and heat treatment of Yb-doped UO 2 powder

Figure pct00006
Figure pct00006

소결된 펠렛에 대한 실험Experiment on Sintered Pellets

샘플 제조Sample manufacturing

J. Sullivan(Fuel Materials Branch, Chalk River Laboratories)로부터 획득한 2원자% 네오디뮴 도핑 UO2 소결펠렛에 대해 산화실험이 수행된다. 소결 펠렛은 미분된 산화물 분말을 적절한 양으로 혼합하고 이후에 수소대기에서 소결함으로써 수득된다. Nd 도핑 UO2 펠렛 슬라이스가 0.05㎛까지 광택처리되고 주사전자 현미경/에너지분산 X선 스펙트로미터에 의해 검사된다. 이러한 검사는 네오디뮴 분리의 증거를 나타내지 않으므로 소결공정이 네오디뮴과 우라늄간의 고체 용액을(U,Nd)O2+X에서 형성하는데 성공적이었다고 결론을 내릴 수 있다.Oxidation experiments are performed on two atomic percent neodymium doped UO 2 sintered pellets obtained from J. Sullivan (Fuel Materials Branch, Chalk River Laboratories). Sintered pellets are obtained by mixing the finely divided oxide powder in an appropriate amount and subsequently sintering in hydrogen atmosphere. Nd-doped UO 2 pellet slices were polished to 0.05 μm and inspected by scanning electron microscopy / energy dispersive X-ray spectrometer. Since these tests show no evidence of neodymium separation, it can be concluded that the sintering process was successful in forming a solid solution between neodymium and uranium at (U, Nd) O 2 + X.

모의 고에너지 소모 핵연료(즉, SIMFUEL) 샘플에 대해서도 시험이 수행되었다. 4원자% 모의 연료 소모재료는 Chalk River Laboratories에서 적절한 분말 물질을 혼합하고 소결함으로써 제조되었다(Lucuta, 1991, supra, Journal of Nuclear Materials 178, 48-60).Tests were also performed on simulated high energy consumption fuel (ie SIMFUEL) samples. A quaternary% simulated fuel consumption material was prepared by mixing and sintering the appropriate powder material in Chalk River Laboratories (Lucuta, 1991, supra, Journal of Nuclear Materials 178, 48-60).

Nd 도핑 UO2 펠렛의 산화실험Oxidation Test of Nd-doped UO 2 Pellets

소결 펠렛을 절단한 4개의 Nd 도핑 UO2 시편이 400℃에서 16시간 U3O8로 산화되고 750, 1000, 1250 및 1380℃에서 ∼16시간동안 공기중에 가열된다. 결과 분말의 XRD 분석은 750 및 1000℃ 열처리 받은 샘플에서 단지 U3O8만을 나타낸다. 그러나 1250 및 1380℃에서 열처리 과정에서 형석상이 U3O8로부터 분리되었다(도 10). U3O8 피크에 대한 Nd 농후 형석상과 관련된 XRD 피크의 세기는 2원자% Nd 도핑 UO2 펠렛을 산화하여 생성된 것의 세기와 대략 동일하다(도 5 및 도 10 비교). 형석상의 격자 매개변수는 1250℃에서 산화된 샘플의 경우 0.54370nm이고 1380℃에서 산화된 샘플의 경우 0.54332nm였다.Four Nd-doped UO 2 specimens cut from the sintered pellet were oxidized to U 3 O 8 at 400 ° C. for 16 hours and heated in air at 750, 1000, 1250 and 1380 ° C. for ˜ 16 hours. XRD analysis of the resulting powder shows only U 3 O 8 in the samples subjected to 750 and 1000 ° C. heat treatment. However, the fluorite phase was separated from U 3 O 8 during the heat treatment at 1250 and 1380 ° C. (FIG. 10). The intensity of the XRD peak associated with the Nd rich fluorescence phase for the U 3 O 8 peak is approximately equal to that produced by oxidizing the 2 atomic% Nd doped UO 2 pellets (compare FIGS. 5 and 10). The lattice parameters on the fluorspar were 0.5437 0 nm for samples oxidized at 1250 ° C. and 0.5433 2 nm for samples oxidized at 1380 ° C.

SIMFUEL의 산화실험Oxidation experiment of SIMFUEL

4% SIMFUEL 샘플에 대해 시험이 행해진다. 소결펠렛을 절단한 디스크 조각은 4시간동안 400℃에서 공기중에 산화함으로써 분말화되고 추가 16시간동안 공기에서 1200℃까지 가열된다. 도 11 에 제시된 XRD 패턴은 상당량의 형석상의 존재를 명백히 보여주는데 이것은 RE의 분리가 발생했음을 나타낸다. 이러한 결과는 소모된 연료 샘플에 존재하는 수많은 비휘발성 분열 생성물이 U-RE-O상 관계에 큰 영향을 주지 않음을 암시하기 때문에 중요하다. SIMFUEL 샘플로부터 분리된 형석상에 대해 계산된 격자 매개변수는 0.54283으로 이것은 도핑된 UO2에 대해 공지된 결과와 일치한다(Keller and Boroujerdi, 1972, Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 34, 1187-1193).The test is done on 4% SIMFUEL samples. The disk pieces from which the sintered pellets were cut are powdered by oxidizing in air at 400 ° C. for 4 hours and heated to 1200 ° C. in air for an additional 16 hours. The XRD pattern shown in FIG. 11 clearly shows the presence of a significant amount of fluorite phase, indicating that separation of RE has occurred. This result is important because it implies that many of the nonvolatile fission products present in spent fuel samples do not significantly affect the U-RE-O phase relationship. The lattice parameter calculated for the fluorspar phase separated from the SIMFUEL sample is 0.5428 3 , which is consistent with the known results for doped UO 2 (Keller and Boroujerdi, 1972, Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry 34, 1187-1193). .

소모된 PWR 연료에 대한 실험Experiment on spent PWR fuel

실험Experiment

본 발명의 방법이 Chalk River Laboratories에서 수행된 일련의 시험에서 소모된 PWR 연료 샘플에 적용되고 Whiteshell Laboratories에서 생성물 분석을 하였다. 소모된 PWR 연료 샘플은 H.B. Robinson Unit 2 에서 얻었다. 연료소모는 672MWh/kg U이다.The method of the invention was applied to spent PWR fuel samples in a series of tests performed at Chalk River Laboratories and subjected to product analysis in Whiteshell Laboratories. The spent PWR fuel sample was H.B. Obtained from Robinson Unit 2. Fuel consumption is 672 MWh / kg U.

SEM으로 조사해보니 소모된 연료가 본 발명에 따라 처리될 때 RE농후상 분리가 일어남이 드러났다. 440℃에서 4.5시간 산화되고 후속으로 1400℃에서 4시간 가열된 H.B. Robinson 연료 샘플에 대해 상세한 분석이 수행되었다. SEM에 의한 조사는 RE농후 노듈의 존재를 드러냈고 XRD 패턴은 형석구조의 상과 관련된 상당한 피크를 나타낸다(도 12). 파장 분산 X선 방출(WDX)에 의한 RE농후 노듈의 상세한 조사는 소모된 PWR 연료에서 주요 RE분열 생성물 (Nd, Ce, La, Pr 및 Sm)이 상당량 존재함을 보여준다. U3O8 그레인에 대해 유사한 조사를 해보면 희토류가 나타나지 않음을 알 수 있다(도 13).Examination by SEM revealed that RE rich phase separation occurs when the spent fuel is treated according to the present invention. Detailed analysis was performed on HB Robinson fuel samples that were oxidized at 440 ° C. for 4.5 hours and subsequently heated at 1400 ° C. for 4 hours. Examination by SEM revealed the presence of RE-rich nodules and the XRD pattern shows significant peaks associated with the phase of the fluorspar structure (FIG. 12). Detailed investigation of the RE-rich nodules by wavelength-dispersive X-ray emission (WDX) shows that significant amounts of major RE cleavage products (Nd, Ce, La, Pr and Sm) are present in spent PWR fuel. A similar investigation of U 3 O 8 grains shows that rare earths do not appear (FIG. 13).

생성물의 입자크기와 희토류 분리Particle Size and Rare Earth Separation of Products

입자크기 분포의 특성Characteristics of Particle Size Distribution

Nd 도핑 소결 펠렛을 400℃에서 산화하고 1250℃로 가열함으로써 생성된 분말은 전자주사 현미경(SEM) 조사하면 많은 큰 (∼10㎛) 면을 가진 U3O8 결정의 존재를 알 수 있다(도 14). 추가로, 더 큰 U3O8 그레인의 면에 부착되는 수많은 작은 (∼1㎛) 입자가 있다. 이러한 미세구조는 본 발명의 2단계 공정에서 750℃ 또는 1000℃로 가열된 물질과 비교된다. 이러한 더 낮은 온도에서 처리된 샘플은 UO2의 저온 산화에 의해 형성된 U3O8의 특징인 불규칙 "팝콘" 형상을 나타낸다. 이것은 U3O8의 고체상태 재결정화가 1250℃에서는 일어나나 1000℃이하에서는 일어나지 않으며 이러한 재결정화와 동시에 RE농후 형석상의 2차 결정화가 일어남을 보여준다. 에너지 분산 X선 방출(EDX)에 의한 U3O8 그레인과 더 작은 RE농후 형석상의 조사는 후자에는 상당량의 네오디뮴을 나타내나 전자는 그렇지 않음을 보여준다.The powder produced by oxidizing the Nd-doped sintered pellet at 400 ° C. and heating to 1250 ° C. showed the presence of U 3 O 8 crystals with many large (˜10 μm) planes by electron scanning microscopy (SEM). 14). In addition, there are a number of small (˜1 μm) particles that adhere to the faces of the larger U 3 O 8 grains. These microstructures are compared to materials heated to 750 ° C. or 1000 ° C. in a two step process of the present invention. Samples treated at these lower temperatures exhibit an irregular "popcorn" shape that is characteristic of U 3 O 8 formed by low temperature oxidation of UO 2 . This shows that solid-state recrystallization of U 3 O 8 occurs at 1250 ° C but not below 1000 ° C, and secondary crystallization of RE-rich fluorspar occurs simultaneously with this recrystallization. The investigation of U 3 O 8 grains and smaller RE-rich fluorescence phases by energy dispersive X-ray emission (EDX) shows that the latter show significant amounts of neodymium, but not the former.

본 발명의 방법으로 처리된 샘플을 100㎖ 물에 소량의 생성물을 슬러리화하고 Climet Particle Counter를 사용하여 입자크기 분포를 분석하였다. 측정된 입자크기분포(도 16)는 직경이 10 내지 20㎛인 그룹과 직경이 5㎛미만인 그룹이 이들 분말에서 관측됨을 보여준다. 그러므로 입자크기 기초 공정에 의해 일부 RE를 분리할 가능성을 검토하기 위해 단순한 시험이 사용된다.Samples treated with the method of the present invention were slurried a small amount of product in 100 ml water and analyzed for particle size distribution using a Climet Particle Counter. The measured particle size distribution (FIG. 16) shows that groups of 10-20 μm in diameter and less than 5 μm in diameter were observed in these powders. Therefore, simple tests are used to examine the possibility of separating some REs by particle size based processes.

희토류 분리 시험Rare earth separation test

본 발명의 방법에 의해 1250℃에서 처리된 소량의 (∼0.25g) 2원자% Nd 도핑 U3O8이 증류수 75㎤에 슬러리화 되고 2분간 초음파 분산되어 더 큰 U3O8 그레인에 약하게 부착된 작은 Nd 농후 입자를 제거한다. 극소량의 초미세 입자가 물표면상에 부유하는 것이 관찰된다; 이 물질을 가만히 따르고 0.8㎛ 나일론 필터를 통해 여과한다. 나머지 혼합물을 격렬하게 교반하고 조잡한 입자를 40초간 침전시킨다. 이때 여전히 현탁된 더 미세한 입자는 0.8㎛ 나일론 필터를 통해 여과된다. 마지막으로, 남아있는 "조잡한" 파편이 여과에 의해 물에서 제거된다. 모두 3가지 크기의 파편(조잡한, 미세한, 초미세한)을 이소프로판올로 세척하고 공기 건조한다. Nd/U 비율을 알기 위해 유도결합 플라즈마(ICP) 스펙트럼 분석에 의해 다양한 크기의 파편이 분석되며 그 결과(표 6)는 더 미세한 입자 파편에 상당 농도의 Nd가 존재함을 보여준다. 그러나 단지 소량의 출발물질이 미세한 파편과 초미세 파편에 존재함을 주목해야 한다.A small amount (˜0.25 g) 2 atomic% Nd doped U 3 O 8 treated at 1250 ° C. by the method of the present invention is slurried in 75 cm 3 of distilled water and ultrasonically dispersed for 2 minutes to weakly adhere to larger U 3 O 8 grains. Small Nd-rich particles. Very small amounts of ultrafine particles are observed to float on the water surface; Pour this material and filter through a 0.8 μm nylon filter. The remaining mixture is stirred vigorously and the crude particles are allowed to settle for 40 seconds. The finer particles still suspended are then filtered through a 0.8 μm nylon filter. Finally, the remaining "crude" debris is removed from the water by filtration. All three sizes of debris (crude, fine, ultrafine) are washed with isopropanol and air dried. To determine the Nd / U ratio, fragments of various sizes were analyzed by inductively coupled plasma (ICP) spectral analysis, and the results (Table 6) show that there are significant concentrations of Nd in finer particle fragments. However, it should be noted that only a small amount of starting material is present in the fine and ultrafine fragments.

[표 6]TABLE 6

분말의 침전에 의해 분리된 조립, 미립 및 초미립 파편에서 Nd/UNd / U in granulated, fine and ultrafine debris separated by sedimentation of powder

Figure pct00007
Figure pct00007

두 번째 시험에서, Nd 도핑 소결펠렛으로 만든 디스크가 본 발명의 방법에 의해 400℃에서 16시간 1250℃에서 16시간 가열함으로써 처리된다. 소량(0.26)의 물질을 100㎖ 물에 슬러리화하고 8㎛ 필터를 통해 혼합물을 여과한다. 여과된 입자를 증류수로 수회 세척하고 고체 샘플을 저장한다. 나머지 용액을 5㎛, 1.2㎛ 및 0.22㎛ 필터를 통해 순차적으로 여과시키는 여과과정이 반복된다. 결과의 분말을 ICP 스펙트럼에 의해 분석하여 네오디뮴과 우라늄 함량을 알아낸다. 그 결과는 표 7 에 주어진다. 더 미세한 파편에 물질의 총량이 매우 낮을지라도 상당량의 네오디뮴 농축이 1.2㎛ 파편에서 일어남을 알 수 있다.In the second test, discs made of Nd-doped sintered pellets were treated by heating the method at 400 ° C. for 16 hours at 1250 ° C. for 16 hours by the method of the present invention. A small amount (0.26) of material is slurried in 100 ml water and the mixture is filtered through an 8 μm filter. The filtered particles are washed several times with distilled water and the solid sample is stored. The filtration process is repeated to filter the remaining solution sequentially through 5 μm, 1.2 μm and 0.22 μm filters. The resulting powder is analyzed by ICP spectra to determine the neodymium and uranium content. The results are given in Table 7. Although the total amount of material in the finer fragments is very low, a significant amount of neodymium enrichment can be seen in the 1.2 μm fragments.

[표 7]TABLE 7

본 방법에 의한 처리후 각 파편의 우라늄과 네오디뮴 함량.Uranium and Neodymium content of each fragment after treatment by this method.

Figure pct00008
Figure pct00008

* 0.22㎛ 샘플의 네오디뮴 함량은 매우 작은 샘플량 때문에 탐지할 수 없었다. * The neodymium content of the 0.22 μm sample could not be detected due to the very small sample volume.

결론conclusion

삼원 U-RE-O 상다이아그램은 RE도핑 UO2 (또는 소모된 연료)의 공기산화와 1000 내지 1600℃에서의 열처리는 RE-농후 형석상과 U3O8을 형성함을 보여준다. 다양한 희토류 원소간에 상당한 차이가 있을지라도 형석상의 RE함량은 대략 25 내지 40몰%인 반면에 U3O8 상의 RE함량은 꽤 낮아야 한다(본 공정에 사용된 온도에서 대략 0.3원자% 이하).The ternary U-RE-O phase diagram shows that air oxidation of RE doped UO 2 (or spent fuel) and heat treatment at 1000 to 1600 ° C. form a RE-rich fluorite phase and U 3 O 8 . Although there is a significant difference between the various rare earth elements, the RE content in the fluorspar phase is approximately 25 to 40 mole percent, while the RE content in the U 3 O 8 phase should be quite low (about 0.3 atomic percent or less at the temperature used in this process).

네오디뮴(전형적인 RE) 도핑 UO2를 사용한 실험 결과는 이러한 분리가 사실상 일어남을 보여준다. 전형적인 실험은 두 단계로 수행된다:Experimental results with neodymium (typical RE) doped UO 2 show that this separation actually occurs. A typical experiment is carried out in two steps:

1. UO2를 U3O8 분말로 전환하기 위해서 저온산화(400 내지 600℃);1. low temperature oxidation (400-600 ° C.) to convert UO 2 to U 3 O 8 powder;

2. 희토류가 형석상으로 분리되게 하기 위해서 고온 열처리(1250 내지 1400℃).2. High temperature heat treatment (1250-1400 ° C.) to allow rare earths to separate into fluorspar.

본 발명 방법의 사용은 암모늄 디우라네이트에 의해 제조된 UO2 분말(공침) 방법과 소결된 펠렛에 대해 양호한 Nd 농후 형석상의 분리를 보여준다. SIMFUEL을 사용한 추가 시험 역시 RE분리를 보여준다. 소모된 PWR 연료에 본 발명 방법을 적용하면 이러한 처리가 형석구조의 상 형성을 가져오며 상당량의 주 RE 분열 생성물이 이 상에서 발견됨을 확인시켜준다.The use of the method of the present invention shows good separation of the Nd rich fluorspar phase for the UO 2 powder (coprecipitation) method prepared by ammonium diuranate and the sintered pellets. Further testing with SIMFUEL also shows RE isolation. Application of the present method to spent PWR fuel confirms that this treatment results in phase formation of the fluorspar structure and that a significant amount of main RE cleavage product is found in this phase.

침전 및 여과 실험은 RE농후 형석구조의 상이 U3O8보다 훨씬 작은 입자크기 분포를 가짐을 보여준다. 따라서, 상당량의 RE 농후 물질이 채로 걸름, 공기 분류 또는 침전과 같은 기계적 분리, 휘발, 또는 희토류를 흡수할 수 있는 Al2O3, ZrO2 또는 SiO2 와 같은 불활성상에 흡수시킴으로써 제거될 수 있다. RE의 제거는 샘플환원(U3O8을 UO2로 전환)이나 더 큰 U3O8 그레인에 부착하는 RE-농후 노듈을 환원시키는 기타 방법에 의한 분리후 샘플처리에 의해 증진될 수 있다.Precipitation and filtration experiments showed that the RE rich fluorspar phase had a much smaller particle size distribution than U 3 O 8 . Thus, significant amounts of RE rich material can be removed by adsorbing inert phases such as Al 2 O 3 , ZrO 2, or SiO 2 that can absorb mechanical separation, volatilization, or rare earths such as sieving, air fractionation or precipitation. . Removal of RE can be enhanced by post-separation sample processing by sample reduction (converting U 3 O 8 to UO 2 ) or other methods of reducing the RE-rich nodules that attach to larger U 3 O 8 grains.

본 발명의 사상에 위배됨이 없이 다양한 변형이 가능하며 특히 본 방법은 다양한 경수 반응기, 중수 반응기 및 신속한 반응기에서 사용될 수 있다.Various modifications are possible without departing from the spirit of the invention and in particular the method can be used in a variety of hard water reactors, heavy water reactors and rapid reactors.

Claims (10)

소모된 핵연료를 200 내지 800℃로 산화하여 UO2를 U3O8로 산화시키고;Oxidizing the spent fuel to 200-800 ° C. to oxidize UO 2 to U 3 O 8 ; 이후에 1000 내지 1600℃로 가열하여 U3O8을 RE(희토류)고함량 형석(fluorite)상(phase)과 RE(희토류)저함량 U3O8 상으로 분리하는 단계를 포함하는 소모된 핵연료로부터 희토류를 제거하는 방법.From the spent nuclear fuel, which is then heated to 1000 to 1600 ° C. to separate U 3 O 8 into a RE (rare earth) high fluorite phase and a RE (rare earth) low U 3 O 8 phase. How to get rid of rare earths. 제 1 항에 있어서, 희토류가 네오디뮴, 사마륨, 세륨, 란탄, 프라세오디뮴 및 이테르븀으로 구성된 그룹에서 선택됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the rare earth is selected from the group consisting of neodymium, samarium, cerium, lanthanum, praseodymium and ytterbium. 제 2 항에 있어서, 희토류가 네오디뮴, 세륨, 란탄 및 이테르븀으로 구성된 그룹에서 선택됨을 특징으로 하는 방법.3. The method of claim 2 wherein the rare earth is selected from the group consisting of neodymium, cerium, lanthanum and ytterbium. 제 1 항에 있어서, 소모된 핵연료의 산화가 공기, 산소, N2O, NO 및 NO2로 구성된 그룹에서 선택된 산화제의 존재하에서 수행됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the oxidation of spent nuclear fuel is carried out in the presence of an oxidant selected from the group consisting of air, oxygen, N 2 O, NO and NO 2 . 제 1 항에 있어서, 소모된 핵연료가 400 내지 600℃에서 산화됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the spent fuel is oxidized at 400 to 600 ° C. 제 1 항에 있어서, 가열단계의 온도가 1250 내지 1500℃임을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the temperature of the heating step is 1250 to 1500 ℃. 제 1 항에 있어서, RE(희토류)고함량 형석(fluorite)상(phase)이 채로 걸름, 공기 분류, 전기 또는 자기 분리, 침전, 희발 또는 불활성 매트릭스에 흡수시킴으로써 분리됨을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the RE (rare earth) high fluorite phase is separated by sieving, air fractionation, electrical or magnetic separation, precipitation, absorption or absorption into an inert matrix. 제 1 항에 있어서, 남아있는 RE(희토류)저함량 U3O8상을 RE(희토류)저함량 UO2상으로 환원시키고 RE(희토류)저함량 UO2상을 연료 펠렛으로 소결하는 단계를 포함하는 방법.The method of claim 1, wherein the remaining RE (rare earth) with low content U 3 O 8 phase method of RE (rare earth) was reduced to the low content UO 2 phase comprising the step of sintering the RE (Rare Earth) low content UO 2 phase to the fuel pellets. 제 8 항에 있어서, RE(희토류)저함량 U3O8상이 가스상 환원제에 의해 환원됨을 특징으로 하는 방법.9. The process according to claim 8, wherein the RE (rare earth) low content U 3 O 8 phase is reduced by a gas phase reducing agent. 제 9 항에 있어서, 가스상 환원제가 H2 및 CO로 구성된 그룹에서 선택됨을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 9, wherein the gaseous reducing agent is selected from the group consisting of H 2 and CO.
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