KR100514094B1 - 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치 - Google Patents

우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR100514094B1
KR100514094B1 KR10-2003-0017140A KR20030017140A KR100514094B1 KR 100514094 B1 KR100514094 B1 KR 100514094B1 KR 20030017140 A KR20030017140 A KR 20030017140A KR 100514094 B1 KR100514094 B1 KR 100514094B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reactor
uranium
metal
uranium oxide
molten salt
Prior art date
Application number
KR10-2003-0017140A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20040083462A (ko
Inventor
김익수
서중석
홍순석
이원경
강대승
박성원
Original Assignee
한국원자력연구소
한국수력원자력 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구소, 한국수력원자력 주식회사 filed Critical 한국원자력연구소
Priority to KR10-2003-0017140A priority Critical patent/KR100514094B1/ko
Priority to JP2003116139A priority patent/JP4064862B2/ja
Priority to US10/631,438 priority patent/US6972108B2/en
Publication of KR20040083462A publication Critical patent/KR20040083462A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100514094B1 publication Critical patent/KR100514094B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C19/00—Arrangements for treating, for handling, or for facilitating the handling of, fuel or other materials which are used within the reactor, e.g. within its pressure vessel
    • G21C19/42—Reprocessing of irradiated fuel
    • G21C19/44—Reprocessing of irradiated fuel of irradiated solid fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B60/00—Obtaining metals of atomic number 87 or higher, i.e. radioactive metals
    • C22B60/02—Obtaining thorium, uranium, or other actinides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B60/00—Obtaining metals of atomic number 87 or higher, i.e. radioactive metals
    • C22B60/02—Obtaining thorium, uranium, or other actinides
    • C22B60/0204—Obtaining thorium, uranium, or other actinides obtaining uranium
    • C22B60/0213—Obtaining thorium, uranium, or other actinides obtaining uranium by dry processes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S266/00—Metallurgical apparatus
    • Y10S266/905—Refractory metal-extracting means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

본 발명은 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치에 관한 것으로, 염화리튬 용융염 매질 내에서 우라늄 산화분말을 리튬 금속과 반응시켜 우라늄 금속분말로 전환하고, 전환된 우라늄 금속분말을 다공성 필터를 이용한 직접 여과에 의해 염화리튬 용융액과 분리회수하기 위하여, 우라늄 산화물을 우라늄금속으로 전환하는 장치에 있어서, 가열수단을 구비하는 가열로; 배출구가 형성되며 배출구를 향해 하강하는 경사를 갖는 원추형의 하부 형상을 갖는 반응용기와, 반응용기를 밀폐하는 밀폐뚜껑과, 아르곤가스를 주입 및 배출시키기 위한 주입관 및 배출관을 포함하는 반응기; 상기 배출구를 개폐하는 밸브어셈블리; 반응용기 내부의 혼합물을 혼합하기 위한 하나 이상의 교반기; 독자적인 가열수단을 포함하고, 상기 밀폐뚜껑에 탈착가능하게 설치된 리튬금속 공급기; 밀폐뚜껑에 내장되는 냉각자켓; 반응기 하부에 위치하는 다공성 필터; 및 다공성 필터의 하부에 위치하는 용융염 회수탱크;를 포함한 구성으로 이루어져, 고온의 용융염계에서 리튬과의 반응에 의해 우라늄 산화물을 우라늄 금속으로 전환하고, 전환된 금속을 용융염으로부터 분리 회수할 수 있는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치를 제공한다.

Description

우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치{DEVICE FOR METALLIZING URANIUM OXIDE AND FOR RECOVERING THE PRODUCT BY FILTRATION}
본 발명은 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염화리튬 용융염 매질 내에서 우라늄 산화물을 리튬 금속과 반응시켜 우라늄 금속분말로 전환하고, 전환된 우라늄 금속분말을 다공성 필터를 이용한 직접 여과에 의해 염화리튬 용융액과 분리함으로써 회수하는 장치에 관한 것이다.
발전용 및 연구용 원자로 등에서 사용된 후에 배출된 사용후핵연료에는 다량의 우라늄 산화물이 포함되어 있다. 실제적으로, 사용후핵연료는 대부분이 우라늄 산화물이며, 따라서 사용후핵연료를 취급하는 분야에서는 우라늄 산화물을 우라늄 금속으로 전환하는 것이 중요한 관심사 중 하나가 되고 있는 상황이며, 우라늄 금속으로의 전환과 관련된 다양한 기술들이 개발되어 왔다.
일 예로서, 우라늄 산화물과 불산을 반응시켜 얻은 사불화우라늄(UF4)을 마그네슘 또는 칼슘을 이용한 환원반응을 통하여 우라늄 금속을 얻는 방법이 사용되어 왔다.
그러나, 이 방법은 반응물로 사용되는 불소가 부식성이 강하고 취급이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 반응에 따른 부산물과 발생되는 불화마그네슘(MgF2) 또는 불화칼슘(CaF2)은 우라늄이 포함되어 있기 때문에 처리가 복잡하여 공정의 효율성이 저하되고, 처리비용이 많이 들어 경제적인 방법이 되지 못하였다.
상기한 바와 같은 방법의 단점을 보완하기 위해 등장한 것으로서, 중간물질로 우라늄 염화물을 제조한 다음 우라늄 금속으로 전환하는 방법이 소개된 바 있다.
그 일 예로서, 미합중국 특허 제5,164,050호에 나타난 바와 같이, 불산을 사용하는 대신 삼산화우라늄을 수소로 환원시켜 이산화우라늄으로 만든 뒤 탄소분말과 혼합하고 600℃ 이상의 온도로 유지되는 유동식반응기에서 염소등의 가스와 반응시켜 사염화우라늄(UCl4)을 제조한 후, 전기분해를 통해 음극에서 우라늄금속을 석출시키는 방법이 개발된 바 있다.
또한, 다른 일 예로서, 미합중국 특허 제5,421,855호에 나타난 바와 같이, 역시 600℃ 이상의 온도로 유지되는 반응기에서 이산화우라늄과 탄소의 혼합물을 넣고 염소가스를 주입하여 반응시킴으로써 사염화우라늄을 제조한 후 제3의 금속을 사용하여 금속우라늄을 회수하는 방법이 개발된 바 있다.
근래 들어, 우라늄 산화물의 금속전환 반응은 염화리튬 용융염을 매질로 한 우라늄 산화분말과 용융 리튬금속과의 고-액-액 반응을 통해 우라늄 금속을 회수하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 용융염을 반응매질로 이용하는 공정은 고온의 운전조건과 용융염 취급 상의 어려움으로 인하여 공정개발에 많은 제약을 받고 있다. 다시 말해, 용융염계 공정은 용융염의 공기 중 흡수 특성으로 인하여 필수적으로 불활성 분위기에서 운전되어야 하며, 용융점 이하의 온도에서 고화되는 특성이 있기 때문에 반드시 사용하고자 하는 용융염의 융점 온도 이상에서의 작업이 진행되어야 하는 등의 제약이 따른다는 것이다.
실제로, 공기 중의 산소 또는 수분과의 산화반응이 폭발적으로 일어나는 리튬 금속의 사용으로 인하여 불활성 분위기가 유지되는 밀폐된 조건에서 수행되어야 하며, 염화리튬의 융점 이상인 650 ℃정도의 온도에서 반응이 이루어져야 한다. 또한, 생성된 우라늄 금속분말을 회수하기 위해서는 반응매질인 염화리튬 용용염과의 분리작업 역시 융점 온도 이상의 고온에서 수행되어야 한다.
우라늄 산화물을 리튬과의 환원반응에 의해 금속으로 전환하기 위한 종래의 방법을 좀 더 상세히 살펴보면, 우라늄 산화물로서 UO2 펠릿(pellet)을 사용하여 리튬과 반응시켜 우라늄 금속으로 전환시키는 방법이 있었으나 반응표면적이 작은 UO2 펠릿의 사용으로 인하여 50 시간 이상의 오랜 반응시간이 소요되는 문제점이 있었으며, 그럼에도 불구하고 금속전환율이 상대적으로 낮은 단점이 있었다. 또한, 사용되는 UO2 펠릿에 미세한 기공이 존재하기 때문에 염화리튬 및 산화리튬의 반응 잔류물들이 생성된 우라늄 금속의 기공 내에 불순물로서 존재하게 되는 문제점이 있었다.
한편, 반응시간 단축과 미세한 기공의 영향으로부터 탈피하기 위하여 우라늄 산화물로서 반응표면적이 큰 우라늄 산화분말(UO2 분말 또는 U3O8 분말)을 사용하는 방법이 있었으나, 생성된 우라늄 금속이 미세한 분말형태이기 때문에 이를 고온의 용융염계로부터 분리하는 용이하지 못한 문제점이 있었다. 금속전환장치에 원심분리기를 장착하여 전환된 우라늄 금속분말을 원심분리기에 의해 분리 회수하는 방법이 제시된 바 있으나, 원심분리기를 고온의 고-액 용융염계에 적용하기에는 많은 제약이 따르며, 따라서 실용화에 한계가 있는 실정이다.
결론적으로, 반응시간을 단축시키기 위해서는 반응표면적이 큰 분말형태의 우라늄 산화물을 사용하는 것이 유리하지만, 금속으로 전환된 우라늄도 또한 분말형태로 생성되기 때문에 고온의 용융염에서 이들을 분리해내기가 어렵다는 문제점을 해결해야 실용화가 가능하다는 것이다.
상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해소하기 위해 발명한 것으로서,
본 발명의 목적은 불활성 분위기의 밀폐된 반응조건에서 염화리튬 용융염을 매질로 하여 우라늄 산화분말을 리튬과의 환원반응에 의해 우라늄 금속분말로 전환시키고, 우라늄 산화물-염화리튬 용융염-용융 리튬 반응계로부터 생성된 미세한 우라늄 금속분말을 직접여과방식으로 염화리튬 용융염과 분리하여 회수할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.
이를 실현하기 위한 본 발명은,
우라늄 산화물을 우라늄금속으로 전환하는 장치에 있어서,
고온의 반응조건을 유지시키기 위한 가열수단을 구비하는 가열로;
하부 중심에 배출구가 형성되며 배출구를 향해 하강하는 경사를 갖는 원추형의 하부 형상을 갖도록 형성된 반응용기와, 반응용기를 밀폐하는 밀폐뚜껑과, 아르곤가스를 주입 및 배출시키기 위한 주입관 및 배출관을 포함하는 반응기;
상기 배출구를 개폐하는 밸브어셈블리;
반응용기 내부의 혼합물을 고르게 혼합하기 위한 하나 이상의 교반기;
독자적인 가열수단을 포함하고, 상기 밀폐뚜껑에 탈착가능하게 설치되어, 리튬금속을 용융상태로 반응기에 공급하는 리튬금속 공급기;
압축공기의 순환으로 단열효과를 발생시키기 위해 밀폐뚜껑에 내장되는 냉각자켓;
가열로 내부의 반응기 하부에 위치하여 반응기로부터 배출되는 혼합물을 여과하는 다공성 필터; 및
가열로 내부의 다공성 필터의 하부에 위치하여 다공성 필터를 투과한 용융염을 회수하는 용융염 회수탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치를 제공한다.
상기 가열로는 독자적으로 온도 제어가 가능하며 각각 상하간격을 갖도록 순차적으로 내장되는 다수의 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 다공성 필터는 마그네시아 재질로 형성되어 반응기에서 생성된 미세한 우라늄 금속분말을 분리 회수할 수 있는 것을 특징으로 하며, 상기 밸브어셈블리는 밀폐뚜껑 상부의 공압실린더와, 공압실린더의 출력단에 연결되어 배출구를 개폐하는 봉 형태의 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 반응기의 중심을 기준으로 대칭의 위치에 설치되는 한 쌍의 상기 교반기를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 교반기는 기밀유지를 위해 마그네틱 드라이브를 사용하여 동력전달이 이루어지는 반응기 외부의 모터 및 반응기 내부의 구동축을 포함하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 가열로의 내벽과 가열로 내부의 반응기의 외벽 및 용융염회수탱크의 외벽 사이에 위치하는 반응기 보조탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부되는 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명 우라늄 산화물의 금속전환 및 여과회수 장치의 전체 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치는 크게 고온의 반응조건을 유지시키기 위한 가열로(10)와, 가열로 상부에 배치되는 반응기(20)와, 반응기(20) 하부에 위치하여 반응기로부터 배출되는 혼합물질을 여과하는 다공성 필터(40)와, 다공성 필터의 하부에 위치하여 다공성 필터를 투과한 용융염을 회수하는 용융염 회수탱크(50) 등을 포함한 구성으로 이루어진다.
가열로(10)는 내부에 원통형공간을 구비하여, 반응기(20)와, 다공성 필터(40) 및 용융염 회수탱크(50)를 내장한 상태에서 공정 상에 요구되는 온도조건을 유지시켜 주는 것으로서, 개별적인 온도 제어가 가능한 복수의 가열수단(도시 안됨)이 각각 위아래로 간격을 갖도록 순차적으로 내장된다. 예를 들어, 3단으로 구분되는 경우, 상단, 중단, 하단에 각각 가열수단을 장착하여 PID 방식에 의해 독립적으로 온도를 제어함으로써, 가열로(10)의 원통형공간 내부를 높이에 따른 상하간의 온도편차가 최소화되어 전체적으로 균일한 온도로 유지할 수 있도록 하며, 따라서 반응매질로 사용되는 염화리튬을 융점 이상의 온도로 유지시키기에 적합하게 된다. 다시 말해, 반응매질로 사용되는 염화리튬을 반응시 뿐만 아니라 여과공정을 포함한 최종적인 공정이 마무리 될 때까지 용융상태로 유지하기 위하여 내부에 위치하는 반응기(20), 융융염 회수탱크(50) 등을 650℃ 정도의 온도로 균일하게 유지할 수 있도록 한다는 것이다.
반응기(20)는, 가열로(10)에 의해 온도 조건이 유지되는 상태에서, 우라늄 산화물과 리튬간의 환원반응이 발생하도록 하는 것으로서, 크게, 우라늄 산화물과 반응매질로 사용되는 용융 염화리튬 및 용융리튬이 혼합된 상태로 수용되는 반응용기(25)와, 반응용기(25)의 상부를 덮어 내부공간을 밀폐하는 밀폐뚜껑(35)을 포함한다. 물론, 반응기(20)는 반응용기(25)와 밀폐뚜껑(35)이 일체화되어 압력탱크형으로 형성되는 것 또한 가능하다.
반응용기(25)는 금속전환 공정을 마친 혼합물을 하부에 위치하는 다공성 필터(40)측으로 배출할 수 있도록 하단부 중심에 형성되는 배출구(21)를 구비하며, 배출을 원활하게 하기 위하여 원추형의 하단부 형상을 갖도록 형성된다. 여기서, 원추형 하단부(23)의 경사는 35°이상인 것이 바람직하다.
반응기 내부에는 고-액의 용융염 반응계를 고르게 혼합하기 위한 하나 이상의 교반기(30)가 설치된다. 우라늄 산화물-염화리튬-리튬 용융염은 650℃에서 고체-액체-액체의 3상으로 존재하며, 이들 반응물 간의 큰 밀도차 때문에 혼합에 어려움이 따르게 되므로 반응물을 혼합하여 반응효율을 높이기 위해 교반기(30)를 설치하는 것이다.
이 교반기(30)는, 일반적인 교반기가 관통하는 형태의 구동축을 사용함에 따라 기밀성이 떨어지기 때문에 외부 공기가 반응기(20) 내부로 인입될 가능성이 있으므로, 반응기 외부의 모터(도시 안됨), 반응기 내부의 구동축(29), 기밀유지가 보장되는 가운데 모터와 구동축(29)간의 동력전달이 이루어지도록 밀폐뚜껑(35)에 장착되는 마그네틱 드라이브(27), 및 반응물에 잠기는 구동축(29)의 단부에 설치되는 교반용 프로펠러(33)를 포함하여 구성된다. 마그네틱 드라이브(27)와 반응기 외부의 모터(도시 안됨)사이를 직접 연결할 수도 있으나, 부가적으로 모터의 장착에 대한 편의성을 고려하여 연결용 플렉시블 조인트(도시 안됨)를 사용할 수 있다.
또한, 구동시 액면에 발생하는 보텍스(Vortex)를 방지하기 위하여, 한 쌍의 교반기(30)를 구비하며, 이들은 반응기(20)의 중심을 기준으로 했을 때 서로 대칭의 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
반응용기(25)의 배출구(21)는 공압실린더(37)와 봉 형태의 밸브(39)로 구성되는 밸브어셈블리에 의해 개폐된다. 공압실린더(37)는 반응기(20) 외부로 노출되도록 밀폐뚜껑(35) 상부에 설치되며, 공압실린더(37)의 출력단에 밸브(39)가 밀폐뚜껑(35)을 관통하는 형태로 장착되어, 상승 또는 하강시 밸브(39)의 하단부가 배출구(21)를 개방 또는 폐쇄시키게 된다.
밀폐뚜껑(35)에는 냉각자켓(도시 안됨)이 내장되어 있으며, 냉각자켓의 입구(43)와 출구(44)를 통해 지속적으로 압축공기를 주입하고 배출함으로써 단열효과를 발생시킨다. 따라서, 고온으로 유지되는 반응기(20) 내부의 열로부터 밀폐뚜껑(35) 상부에 설치되는 각종 기기들과 작업자를 보호할 수 있도록 한다.
또한, 반응기(20)에는 아르곤가스를 주입 및 배출시키기 위한 주입관(46)과 배출관(47)이 설치된다. 이를 통하여 반응기(20) 내부의 압력이 대기압보다 약간 높은 상태를 유지하도록 아르곤가스를 계속 흘려보냄으로써 반응기 내부를 불활성 분위기로 유지할 수 있도록 한다.
한편, 리튬금속 공급기(60)가 밀폐뚜껑(35)에 탈착가능하게 설치되어, 반응기(20) 내부가 불활성 분위기로 유지되는 밀폐된 조건에서 리튬(Li)금속을 취급할 수 있도록 한다. 리튬금속 공급기(60)는 독자적인 가열수단(도시 안됨)과 열전대(61)를 구비하고 있으며, 따라서 고체상태로 충전되는 리튬금속을 용융시켜 액체상태로 반응기에 공급될 수 있도록 한다. 즉, 리튬금속을 불활성 분위기의 글로브박스 내에서 계량하고 리튬금속 주입구(63)를 통해 리튬금속 공급기에 충전한 후, 리튬금속 공급기(60)를 글로브박스로부터 꺼내어 반응기(20) 상부의 밀폐뚜껑(35)에 결합하고, 이 상태에서 독자적으로 구비한 가열수단을 통해 리튬금속을 용융시켜 반응기(20)에 공급하게 되는 것이다.
상기 다공성 필터(40)는 반응기 하부에 필터 어뎁터(45)를 통해 장착되어, 밸브 상승에 의한 배출구(21) 개방시 반응기로부터 배출되는 혼합물을 여과하여 금속전환 반응으로 생성되는 우라늄금속 분말과 용융염을 분리하게 된다. 다공성 필터는 기공의 크기가 10㎛ 정도이고 고온의 용융염계에서 내부식 및 열적 안정성이 양호한 마그네시아 재질을 사용하여, 바닥면과 둘레면을 갖는 용기형태로 형성된다.
상기 용융염 회수탱크(50)는 다공성 필터(40) 하부에 위치하여 다공성 필터를 투과한 용융염을 저장하게 된다.
이상과 같은 구성에 더불어, 우라늄 산화물 및 염화리튬을 주입하기 위한 시료주입구(11)가 밀폐뚜껑(35)에 구비되어 있으며, 반응기(20) 내부의 온도와 압력을 측정하기 위한 열전대(15)와 압력계(17)가 구비된다.
더불어, 가열로(10)의 내벽과 가열로 내부의 반응기(20)의 외벽 및 용융염회수탱크(50)의 외벽 사이에 위치하는 반응기 보조탱크(70)를 더 포함할 수 있다. 반응기 보조탱크(70)는 반응이 종료된 후 반응기에서 용융염 회수탱크(50)로 배출되는 혼합물이 용융염 회수탱크(50) 외부로 누출되는 경우에도, 누출된 혼합물에 의해 가열로(10) 내부가 오염되는 것을 방지하게 된다.
이상과 같은 본 발명에 따른 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치를 이용하여 우라늄 금속분말을 제조하고 회수하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 시료 주입구(11)를 통하여 일정량의 염화리튬과 우라늄 산화분말을 반응기(20)에 주입하고 가열수단을 제어하여 반응기 내부온도를 650 ℃까지 가열하여 염화리튬을 용융시킨다. 가열하는 과정에서, 반응기(20) 내부의 온도가 600℃에 도달하면 주입관(46)과 배출관(47)을 이용하여 아르곤가스의 고압 충전과 배출을 반복함으로써 공기 및 염화리튬에 함유된 수분을 제거하여 반응기(20) 내부를 불활성 분위기로 만든다.
염화리튬이 용융되고 온도가 650 ℃로 일정하게 유지되면 리튬금속 공급기(60)에 미리 준비하여 둔 용융된 리튬금속을 반응기(20)로 주입한 다음, 한 쌍으로 구비되는 교반기(30)를 250 rpm의 속도로 작동시켜 우라늄 산화물과 리튬과의 환원반응이 일어나도록 한다.
리튬금속 공급기(60)에 의해 공급되는 리튬 금속은 초기에 총 주입량의 50 %를 주입하고 반응시간이 2 시간이 경과함에 따라 10% 씩 추가로 공급한다. 리튬금속은 염화리튬 용융염에 대한 용해도(650 ℃에서 0.5 mol%)와 밀도(0.511 g/㎤)가 매우 낮기 때문에, 금속전환 반응 중 과잉 공급된 대부분의 리튬금속은 액상의 염화리튬 용융염 상부에 부유되고, 이로 인해 상당량의 증발된 리튬금속이 반응기(20) 외부로 배출될 우려가 있다. 이와 같은 현상을 방지하기 위하여, 리튬금속을 초기에 전량 주입하지 않고 반응시간이 경과함에 따라 리튬금속을 일정량씩 주입하게 되는 것이다.
반응기(20)의 온도를 650 ℃, 교반속도를 250 rpm인 상태에서 반응을 계속 진행시키며, 이때 아르곤 가스가 반응기를 통해서 계속 흐르게 함으로써 불활성 분위기를 유지할 수 있도록 한다.
금속전환 반응에 필요한 시간은 10 시간 정도로서, 시간이 경과하여 반응이 종료되면 공압 실린더(37)를 통해 밸브(39)를 상승시켜 반응용기(25) 하부의 배출구(21)를 개방시킨다. 배출구 개방과 동시에, 생성된 우라늄 금속분말과 액상의 용융염이 배출구 하부에 위치한 마그네시아 재질의 다공성 필터(40)로 배출되며, 또한 다공성 필터(40)에서 여과를 통한 혼합물의 분리가 발생하게 된다.
최종적으로, 여과가 끝나면 가열로(10)의 전원을 차단하고 상온으로 냉각시킨 후, 반응기(20)와 다공성 필터(40)를 해체하여 다공성 필터에 여과된 우라늄 금속분말과 용융염 회수탱크(50)에 포집된 용융염을 회수함으로써, 우라늄 산화물의 금속전환 및 여과회수 작업을 마무리하게 된다.
이상과 같은 본 발명에 따른 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치를 제공함으로써, 고온의 용융염계에서 리튬과의 반응에 의해 우라늄 산화물을 우라늄 금속으로 전환하고, 전환된 금속을 용융염으로부터 분리 회수할 수 있게 된다. 반응물질로서 미세한 우라늄 산화분말을 사용할 수 있게 되어 반응시간을 단축시키고 반응효율을 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 더불어, 우라늄 산화분말에 적용된 본 발명은 궁극적으로는 우라늄 산화물이 대부분을 차지하는 사용후핵연료의 산화분말에도 적용하여 사용후핵연료를 금속으로 전환하기 위해 사용될 수 있는 등, 넓은 활용 폭을 갖는 것이다.
도 1은 본 발명 우라늄 산화물의 금속전환 및 여과회수 장치의 전체 구성도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 가열로 11: 시료주입구
15, 61: 열전대 17: 압력계
20: 반응기 21: 배출구
23: 원추형 하단부 25: 반응용기
27: 마그네틱 드라이브 29: 구동축
30: 교반기 33: 교반용 프로펠러
35: 밀폐뚜껑 37: 공압실린더
39: 밸브 40: 다공성 필터
43: 입구 44: 출구
45: 필터 어뎁터 46: 주입관
47: 배출관 50: 용융염 회수탱크
60: 리튬금속 공급기 63: 리튬금속 주입구
70: 반응기 보조탱크

Claims (7)

  1. 우라늄 산화물을 우라늄금속으로 전환하는 장치에 있어서,
    고온의 반응조건을 유지시키기 위한 가열수단을 구비하는 가열로(10);
    하부 중심에 배출구(21)가 형성되며 배출구를 향해 하강하는 경사를 갖는 원추형의 하부 형상을 갖도록 형성된 반응용기(25)와, 반응용기를 밀폐하는 밀폐뚜껑(35)과, 아르곤가스를 주입 및 배출시키기 위한 주입관(46) 및 배출관(47)을 포함하는 반응기(20);
    상기 배출구(21)를 개폐하는 밸브어셈블리;
    반응용기(20) 내부의 혼합물을 고르게 혼합하기 위한 하나 이상의 교반기(30);
    독자적인 가열수단을 포함하고, 상기 밀폐뚜껑(35)에 탈착가능하게 설치되어, 리튬금속을 용융상태로 반응기(20)에 공급하는 리튬금속 공급기(60);
    압축공기의 순환으로 단열효과를 발생시키기 위해 밀폐뚜껑에 내장되는 냉각자켓;
    가열로(10) 내부의 반응기(20) 하부에 위치하여 반응기로부터 배출되는 혼합물을 여과하는 다공성 필터(40); 및
    가열로 내부의 다공성 필터(40)의 하부에 위치하여 다공성 필터(40)를 투과한 용융염을 회수하는 용융염 회수탱크(50);를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치.
  2. 제 1항에 있어서;
    상기 가열로(10)는 독자적으로 온도 제어가 가능하며 각각 상하간격을 갖도록 순차적으로 내장되는 다수의 가열수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 필터(40)는 마그네시아 재질로 형성되어 반응기(20)에서 생성된 미세한 우라늄 금속분말을 분리 회수할 수 있는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 밸브어셈블리는 밀폐뚜껑 상부의 공압실린더(37)와, 공압실린더(37)의 출력단에 연결되어 배출구(21)를 개폐하는 봉 형태의 밸브(39)를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치.
  5. 제 1항에 있어서;
    반응기(20)의 중심을 기준으로 대칭의 위치에 설치되는 한 쌍의 상기 교반기(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 교반기(30)는 기밀유지를 위해 마그네틱 드라이브(27)을 사용하여 동력전달이 이루어지는 반응기 외부의 모터 및 반응기 내부의 구동축(29)을 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    가열로(10)의 내벽과 가열로 내부의 반응기(20)의 외벽 및 용융염회수탱크(50)의 외벽 사이에 위치하는 반응기 보조탱크(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치.
KR10-2003-0017140A 2003-03-19 2003-03-19 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치 KR100514094B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0017140A KR100514094B1 (ko) 2003-03-19 2003-03-19 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치
JP2003116139A JP4064862B2 (ja) 2003-03-19 2003-04-21 ウラン酸化物の金属転換及びろ過回収装置
US10/631,438 US6972108B2 (en) 2003-03-19 2003-07-30 Device for metallizing uranium oxide and recovering uranium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0017140A KR100514094B1 (ko) 2003-03-19 2003-03-19 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20040083462A KR20040083462A (ko) 2004-10-02
KR100514094B1 true KR100514094B1 (ko) 2005-09-13

Family

ID=33297296

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2003-0017140A KR100514094B1 (ko) 2003-03-19 2003-03-19 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US6972108B2 (ko)
JP (1) JP4064862B2 (ko)
KR (1) KR100514094B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100854737B1 (ko) * 2007-11-01 2008-08-27 김영준 옻칠 정제장치
KR101292912B1 (ko) * 2011-11-10 2013-08-02 한국수력원자력 주식회사 카드뮴 회수를 위한 고체 및 액체 분리장치 및 그 분리방법
KR101407105B1 (ko) 2013-01-18 2014-06-13 주식회사 효성 방사 공정 진행시 발생되는 용매의 회수장치
KR20210060761A (ko) * 2019-11-19 2021-05-27 한국생산기술연구원 탄탈륨 분말 제조를 위한 제련 장치

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1752991B1 (en) * 2004-04-21 2012-11-21 Nuclear Fuel Industries, Ltd. Apparatus for manufacturing coated fuel particle for high temperature gas-cooled reactor
KR100832233B1 (ko) * 2006-12-21 2008-05-23 한국원자력연구원 리튬금속을 이용한 금속분말 또는 금속 덴드라이트의금속잉곳 제조방법
KR101648973B1 (ko) 2016-04-28 2016-08-18 한전원자력연료 주식회사 6불화우라늄(uf6) 실린더 세척공정에서 발생한 세척폐액의 처리공정에 의한 우라늄(u) 회수방법
CN108257707B (zh) * 2016-12-29 2023-07-28 中核建中核燃料元件有限公司 一种用于含铀废渣的浸取装置
KR102028586B1 (ko) * 2017-07-19 2019-10-07 한국원자력연구원 혼합물 분리장치
CN108109710B (zh) * 2017-12-06 2019-10-01 中国科学院上海应用物理研究所 一种制备熔盐反应堆燃料盐的装置和方法
KR102122462B1 (ko) * 2018-07-17 2020-06-12 한국원자력연구원 사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 산화물 환원방법
CN109173377A (zh) * 2018-09-27 2019-01-11 潍坊昌盛硝盐有限公司 一种便于更换的高温熔盐加工用过滤网
RU2716793C1 (ru) * 2018-11-21 2020-03-16 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" Устройство и способ определения фильтрующих свойств металлических фильтров по расплавленной смеси галогенидов щелочных металлов
CN110887252A (zh) * 2019-11-29 2020-03-17 西安石油大学 一种防止储罐熔盐凝固的装置及其使用方法
KR102383740B1 (ko) * 2020-05-13 2022-04-06 한국원자력연구원 용융염 샘플링 장치 및 방법
CN113083160A (zh) * 2021-04-09 2021-07-09 河北大有镁业有限责任公司 一种多功能熔盐系统
CN113786780A (zh) * 2021-11-02 2021-12-14 湖南创大玉兔化工有限公司 一种氯化法生产钛白粉的装置
CN116493395B (zh) * 2023-03-30 2023-11-07 中核第四研究设计工程有限公司 铀尾渣微生物处理装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2756138A (en) * 1944-04-28 1956-07-24 Meister George Process of vacuum refining uranium
US2787536A (en) * 1946-12-03 1957-04-02 Frank H Spedding Process for melting and refining uranium
US2847297A (en) * 1952-08-23 1958-08-12 Nat Res Corp Method of producing titanium crystals
BE569633A (ko) * 1957-08-16
FR2649417B1 (fr) * 1989-07-06 1992-05-07 Cezus Co Europ Zirconium Procede d'obtention d'uranium a partir d'oxyde et utilisant une voie chlorure
US5104540A (en) * 1990-06-22 1992-04-14 Corning Incorporated Coated molten metal filters
GB9111666D0 (en) * 1991-05-31 1991-07-24 British Nuclear Fuels Plc A method of producing uranium metal
US5421855A (en) * 1993-05-27 1995-06-06 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Process for continuous production of metallic uranium and uranium alloys
JPH07209483A (ja) * 1994-01-20 1995-08-11 Toshiba Corp 使用済み燃料の再処理方法
JP3524234B2 (ja) * 1995-09-20 2004-05-10 株式会社東芝 使用済み酸化物燃料の再処理方法および再処理装置
FR2766497B1 (fr) * 1997-07-25 2001-05-11 Cogema Elaboration et tirage en continu, en creusets froids inductifs, de metaux ou d'alliages
JP2000056075A (ja) * 1998-07-31 2000-02-25 Toshiba Corp 使用済み酸化物燃料のリサイクル方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100854737B1 (ko) * 2007-11-01 2008-08-27 김영준 옻칠 정제장치
KR101292912B1 (ko) * 2011-11-10 2013-08-02 한국수력원자력 주식회사 카드뮴 회수를 위한 고체 및 액체 분리장치 및 그 분리방법
KR101407105B1 (ko) 2013-01-18 2014-06-13 주식회사 효성 방사 공정 진행시 발생되는 용매의 회수장치
KR20210060761A (ko) * 2019-11-19 2021-05-27 한국생산기술연구원 탄탈륨 분말 제조를 위한 제련 장치
KR102376778B1 (ko) * 2019-11-19 2022-03-21 한국생산기술연구원 탄탈륨 분말 제조를 위한 제련 장치

Also Published As

Publication number Publication date
JP2004286719A (ja) 2004-10-14
US6972108B2 (en) 2005-12-06
US20050072271A1 (en) 2005-04-07
KR20040083462A (ko) 2004-10-02
JP4064862B2 (ja) 2008-03-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100514094B1 (ko) 우라늄 산화물 금속전환 및 여과회수 장치
EP0162155B1 (en) Production of titanium metal sponge and apparatus therefor
US4590043A (en) Apparatus for obtaining silicon from fluosilicic acid
JP5789253B2 (ja) 固体原料の還元のための装置および方法
NO168728B (no) Termisk isolerende veggkonstruksjon for en tett beholder.
CN101956083B (zh) 菱镁矿石一步法炼镁工艺方法及设备
CN201842881U (zh) 菱镁矿石一步法直接炼镁的真空还原设备
KR102328768B1 (ko) 고순도 분말 제조장치
KR102382880B1 (ko) 전해액 제조용 리튬염 분말의 용해장치
CN113083160A (zh) 一种多功能熔盐系统
US4527778A (en) Apparatus for production of refractory metal from a chloride thereof
US3330742A (en) Electrolytic reduction of uranium hexafluoride to uranium metal in fused salt
AU2021107693A4 (en) Processing of mineral sand particulates
CA1318107C (en) Process for producing pure sodium polysulfides directly from higher sodium polysulphides and sodium
AU2021107678A4 (en) Processing of mineral sand particulates
AU2021107691A4 (en) Processing of mineral sand particulates
AU2021107677B4 (en) Mineral sand particulate processing
AU2021107692A4 (en) Mineral sand particulate processing
CN115627371A (zh) 一种用于二氧化锗还原提纯的旋风式纯化系统
JPS60238429A (ja) チタン金属スポンジ製造方法及び装置
JPS61157643A (ja) 金属又は合金の溶融装置
RU39326U1 (ru) Реактор
RU2349656C2 (ru) Способ производства порошка тантала и устройство для его осуществления
Messier Investigation of Fused-salt Processes for the Preparation of Uranium Sulfides
Haws et al. Engineering-scale demonstration of the sol-gel process: preparation of 100 kg of ThO 2--UO 2 microspheres at the rate of 10 kg/day

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20110711

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120711

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee