KR100700420B1 - 용융염 전기분해법에 의한 ｔｒｉｓｏ 입자 핵연료 피복층 제거 방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알칼리금속 또는 알칼리 토금속 용융염 내에서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 화합물을 전기화학적으로 분해하여 탄소 성분 및 SiC 피복층을 제거함과 아울러 반응생성물을 반응 원료로 재순환시키는 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거 방법 및 그 장치에 대한 것으로서, 종래 초고온 및 부식성이 강한 화학물질을 사용하는 것과는 달리 2차 폐기물 발생량을 획기적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 습식공정을 이용하지 않으므로 핵 확산저항성이 우수한 유용한 효과를 제공할 수 있다.

TRISO, 용융염전기분해, 핵연료 피복층

Description

용융염 전기분해법에 의한 ＴＲＩＳＯ 입자 핵연료 피복층 제거 방법 및 그 장치{Removal Method for Coating Layer of TRISO Nuclear Fuel by Electrolysis in a Molten Salt and an Apparatus Employing the Same}

도 1은 본 발명에 따른 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거 공정을 나타낸 흐름도;

도 2는 본 발명이 이루고자 하는 처리 대상 핵연료인 TRISO 입자 핵연료의 구조를 나타낸 도면;

도 3은 본 발명의 일 실시형태를 보인 용융염 전해환원 반응기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면;

도 4는 본 발명의 일 실시형태를 보인 용융염 전해환원 반응기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 전해환원시 음극 바스켓의 구성을 개략적으로 나타낸 도면;

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 전해환원시 양극 바스켓의 구성을 개략적으로 나타낸 도면;

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 TRISO 입자 내의 SiC 피복층과 마그네슘 과의 반응성을 열역학 프로그램 THERMO를 이용하여 이론적으로 계산한 결과를 보인 그래프; 및

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 TRISO 입자 내의 SiC 피복층이 칼슘과의 반응성을 열역학 프로그램 THERMO를 이용하여 이론적으로 계산한 결과를 보인 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

201 : 외부 열분해 탄소층-[35 ㎛]

202 : SiC 층-[40 ㎛]

203 : 내부 열분해 탄소층-[35 ㎛]

204 : 완충 탄소층-[100 ㎛]

205 : 연료 커넬-[500 ㎛ Φ]

300 : 용융염 전해환원 반응기

301 : 반응로 302 : 절연체

303 : 흑연 반응용기 및 양극 304 : 용융염

305 : 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기 306 : TRISO 입자

307 : 교반기 및 음극 308 : 진공펌프

309 : 전원공급장치 310 : 열전대

311 : SUS 메쉬

400 : 용융염 전해환원 반응기

401 : 반응로 402 : 절연체

403 : SUS 반응용기 404 : 용융염

405 : 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(양극)

406 : 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(음극)

407 : 교반기 408 : 진공펌프

409 : 전원공급장치 410 : 열전대

500 : 음극 바스켓

501 : 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기 502 : 내부 전극

503 : 외부 전극

504 : 전극체결용 볼트

505 : TRISO 입자 또는 콤팩트 506 : SUS 메쉬

600 : 양극 바스켓

601 : 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기 602 : 내부 전극

603 : 외부 전극

604 : 전극체결용 볼트

605 : 회수된 음극 생성물

본 발명은 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알칼리금속 또는 알칼리 토금속 용융염 내에서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 화합물을 전기화학적으로 분해하여 탄소 성분 및 SiC 피복층을 제거하고, 반응생성물을 반응 원료로 재순환 처리함으로써 처리공정 중에 발생하는 2차 폐기물 발생량을 획기적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라 종전의 처리공정에 수반된 습식공정을 이용하지 않으므로 핵확산 저항성이 큰 처리기술에 대한 것이다.

제4세대(Gen-IV) 원자력 기술의 일환으로 개발 중인 고온가스로용 세라믹 핵연료는 도 2와 같이 핵 분열성의 핵을 중심으로 열분해 탄소층과 탄화규소층이 겹쳐진 구조로, 승온 시 탄화규소층에 압축 응력이 가해져 내부 압력에 대한 저항성이 커 운전 중 발생하는 고압의 가스상 핵분열생성물을 내부에 안전하게 보존할 수 있다.

사용 후 TRISO(TRIstructural ISOtropic) 연료의 처리공정은 (1) 처리, (2) 중간저장 후 처리, (3) 직접처분으로 크게 세 가지로 구분된다. 가스로 개발 초기에는 중간저장 후 처리 및 직접 처리 개념이 고려되었으나, 파손된 코팅층을 통하여 핵분열 생성물이 유출될 가능성이 있고 상대적으로 작은 부분을 차지하고 있는 커넬(kernel) 성분의 처분을 위하여 오염도가 낮은 다량의 탄소를 동시에 처분한다는 비효율성으로 인하여 처리 방법이 전 세계적으로 받아들여지고 있다.

특히, 고온 가스로의 높은 연소도로 인하여 장수명 핵종의 소멸처리가 가능하여 ORNL(Oak Ridge National Laboratory)의 경우 고온 가스로를 도입한 이중 층(Double strata) 개념의 소멸처리 전략을 제안하고 있다. 이 개념은 LWR(Light Water Reactor) 사용 후 핵연료의 처리공정시 우라늄은 LWR 연료로 재활용되지만, Pu 및 Np은 고온 가스로의 구동연료(driver fuel)로 제조되며, 악티나이드(Actinides)는 변환연료(transmutation fuel)로 각각 제조되어 모듈형 헬륨냉각로 기반 변환기(modular helium cooled reactor based transmuter; MHR-bT)에서 연소시키며, 변환연료(transmutation fuel)는 모듈형 헬륨냉각 가속기 기반 변환기(modular helium cooled accelerator based transmuter; MHA-bT)에서 재연소시킨 후 처분하고, 구동연료(driver fuel)는 악티나이드(actinides)와 FPs를 분리하여 재순환(recycle) 및 처분시키는 개념이다.

이 공정의 대부분은 기존의 LWR 연료 분리 공정과 유사하지만, 구동 TRISO 연료 내의 연료 성분과 SiC, C 층을 분리하기 위해서는 기존의 처리공정과는 다른 새로운 개념의 분리공정이 요구된다.

따라서, TRISO 핵연료의 처리 공정에 있어서 핵심은 95 % 이상을 차지하고 있는 탄소성분을 CO₂와 같은 2차 오염물을 발생시키지 않으면서 효과적으로 연료 및 핵분열 생성물로부터 분리하고 최소한의 부피로 처분하는 데 있다.

현재까지 개발된 공정은 크게 열화학적 공정, 화학적 처리공정, 기계적 분쇄공정 및 전기적 분쇄공정으로 대별할 수 있는데, 각 공정이 추구하고 있는 기본 개념은 공정 변수 확립 및 규모 확장이 용이해야 하며, 2차 오염물 발생이 작아야 한다는 점이다.

열 화학적 처리공정의 경우는 약 2500 ~ 3000 ℃의 온도로 TRISO 입자를 가열하여 PyC층과 SiC에 열 충격을 유도하고, 커넬과 코팅층이 반응하여 수용성 탄화물을 형성시켜 화학적 처리가 가능하도록 하는 공정이다. 그러나, 이 공정은 TRISO 입자로부터 방출된 핵분열 생성물과 흑연 가열에 따른 구조재와의 반응으로 인하여 심각한 부식을 일으키는 단점이 있다.

황화물 또는 질화물 전해질을 이용하여 흑연 인터칼레이션(intercalation) 화합물을 형성시켜 흑연의 격자 팽창을 통한 파쇄방법의 경우는 저온공정으로 열충격법에 비하여 유리하지만, 용기부식 및 낮은 반응속도 등으로 인하여 실용화에는 어려움이 있다.

또한, K, Ce, Br 및 FeCl₃ 증기를 이용한 파쇄법도 흑연 인터칼레이션 화합 물을 형성시키는 공정으로서 PyC층을 효과적으로 제거할 수 있으나, 부식문제와 매우 정밀한 공정제어가 요구되어 역시 실용화되지 못하였다.

유사한 화학적 공정으로 Cl₂ 또는 F₂ 가스를 취입하여 CF_x, SiF₄, UF₆, PuF₆ 또는 COCl₂, SiCl₄, UCl₄, PuCl₄ 등을 직접 생성시키는 방법이 제안되었으나, 이 방법 역시 부식성이 강한 가스를 취급해야 하며, 가스상의 생성물을 분별증류법으로 처리해야하는 어려움 등으로 극복해야할 문제점들이 많이 있다.

최근에는, 용융염 내에 Cl₂ 가스를 취입하여 SiC층을 제거하려는 노력이 수행되었다. 이 공정에서는 SiC로부터 분리된 탄소가 산화물 커넬의 염소화 반응에 참여하므로 용융염 내에서 직접 악틴족 원소의 회수가 가능하여 기존의 고온용융공정(pyroprocess)과 연계 가능기술로 평가받고 있다.

한편, 기계적 분쇄공정의 경우는 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째는 제트 밀링을 이용하여 코팅층뿐만 아니라 커넬까지 분쇄시키고 배소를 거쳐 습식 처리가 가능한 형태로 커넬 분말을 회수하는 공정이고, 둘째는 커넬의 파손을 최소화하기 위하여 기계적 분쇄를 사용하는 공정이다. 두 공정 모두 습식공정에서 용매추출 반응을 저해하는 탄화물을 제거하기 위하여 배소 공정을 사용하며, 현재로서는 가장 합리적인 공법으로 평가받고 있으나, 배소 공정 중에 발생하는 ¹⁴C 와 혼합된 CO₂ 가스 정제와 Ca(OH)₂에 흡착시 늘어나는 폐기물량 처리를 위하여 지속적인 연구가 수행 중에 있다.

이에, 본 발명자들은 2차 폐기물 발생량을 극소화시킬 수 있고 핵확산저항성이 큰 처리공정을 개발하고자 예의 연구한 결과, 알칼리금속 또는 알칼리 토금속 용융염 내에서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 화합물을 전기화학적으로 분해하여 탄소 성분 및 SiC 피복층을 제거하고, 고온 가스로용 사용 후 TRISO 입자 핵연료 내의 연료성분을 재활용하면, 고준위 폐기물의 부피를 감용시킬 수 있을 뿐만 아니라 피복층과 연료 커넬을 효과적으로 분리할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 핵확산 저항성이 크고, 처분 대상 고준위 핵폐기물의 양을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 처리 공정 중 발생하는 2차 폐기물 발생량을 획기적으로 절감할 수 있는 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거 방법 및 그 장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 염으로부터 선택되는 단일염 또는 둘 이상의 공융염 용융액에 별도의 환원제를 첨가하지 않고 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 전해환원시켜 TRISO 입자 핵연료 피복층을 제거하여 순수한 커넬을 회수하되, 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속은 TRISO 연료의 탄소 성분과 인터칼레이션 반응에 의해 박리되며, 탄화규소층은 상기 알칼리 토금속에 의해 화학적으로 분해되어 박리되는 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법을 제공한다.

또한, 상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 상기의 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법을 수행하기 위한 용융염 전해환원반응기를 제공한다.

상기의 방법 및 장치에 따르면, 본 발명은 종래 초고온 및 부식성이 강한 화학물질을 사용하는 것과는 달리 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 용융염을 사용하여 TRISO 연료를 박리시켜 제거 처리함으로써 핵 확산저항성이 클 뿐만 아니라 경제적인 장점이 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법은 TRISO 입자의 탄소성분 및 SiC 성분이 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속과 인터칼레이션(intercalation) 반응 또는 화학적 반응에 의하여 파괴되는 원리를 이용한 것이다.

본 발명은 용융염 내에서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 용융염 내에서 TRISO 입자를 음극으로하여 알칼리 또는 알칼리 토금속 이온을 환원시키고, 환원된 금속과 흑연의 인터칼레이션 화합물 형성 과정에서 탄소의 층간 격자 내에 삽입된 알칼리 또는 알칼리 토금속에 의해 격자가 팽창되면서 TRISO 입자의 탄소 피복층을 박리시키는 공법이다.

본 발명에서 용융염 내 각 성분의 전기화학반응의 일례를 요약하면 다음과 같다.

- 탄소층의 박리(exfoliation of Carbon layers)

음극 반응(Cathode reaction) : Li⁺ + e^- → Li (1)

양극 반응(Anode reaction) : 2Cl^- → Cl₂ + 2e^- (2)

전체 : 2LiCl → 2Li + Cl₂ (ΔG_{f (1000K)}: -78.8 kcal/g-eq.Cl) (3)

리튬 인터칼레이션 → 흑연 반인터칼레이션(disintegration)

- SiC 층의 반인터칼레이션

Mg 환원반응 : MgCl₂ → Mg + Cl₂ (ΔG_{f (1000K)}: -57.7 kcal/g-eq.Cl) (4)

SiC 반인터칼레이션 : SiC + 2Mg → Mg₂Si + C (ΔG_{f (1000K)}: -5 kJ/mol) (5)

즉, 인터칼레이션 공정에 의하여 외부 열분해 탄소층(OPyC; Outer Pylitic Carbon) 층을 제거하고, SiC층 제거시에는 MgCl₂를 첨가하여 SiC층 표면에 Mg을 석출시킨다. 이때, SiC층은 Mg과 반응하여 용융염보다 밀도가 낮은 Mg₂Si상을 형성하면서 박리되어 용융염 표면으로 부상한다. 또한, Mg와 OPyC 및 내부 열분해 탄소(IPyC; Inner Pylitic Carbon) 층과의 인터칼레이션 공정에 의해 보다 낮은 전위에서 탄소 피복층을 제거할 수 있다.

본 발명은 상기한 일련의 전기화학 반응에 의한 사용 후 TRISO 입자 핵연료의 경제적인 처리 공정을 완성한 것이다.

상기한 원리를 이용한 본 발명의 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법의 바람직한 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법은,

(a) 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 염으로부터 선택되는 단일염 또 는 둘 이상의 공융염 용융액에 별도의 환원제 첨가 없이 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트를 장입하는 단계;

(b) 상기 용융염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 탄소층과 인터칼레이션 반응시켜 외부 열분해 탄소층을 박리시키는 단계;

(c) 상기 알칼리 토금속 할로겐 염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 탄화규소층과 전해 반응시켜 상기 탄화규소층을 박리시키는 단계;

(d) 상기 용융염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 내부 열분해탄소층 및 버퍼층과 인터칼레이션 반응시켜 상기 버퍼층을 박리시키는 단계; 및

(e) 상기에서 박리된 물질들을 제거하고 커넬을 회수하는 단계를 포함한다.

상기 탄소층 및 탄화규소층은 단독 또는 이종으로 혼합된 알칼리 토금속 할로겐 화합물의 알칼리 토금속만으로 제거될 수 있다. 이때, 상기 탄화규소층을 박리, 제거하기 위하여 상기 단계 (b) 이후에 알칼리 토금속 할로겐 염을 장입하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 단계 (b) 내지 단계 (d)를 수회 반복하여 원료의 추가 공급이 필요 없는 폐순환 처리 공정으로 구성할 수 있다.

먼저, 단계 (a)에서는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 염으로부터 선택되는 단일염 또는 둘 이상의 공융염 용융액에 별도의 환원제 첨가 없이 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트를 장입하는 공정을 수행한다.

상기 용융염은 바람직하게는 Li, Na, K, Mg 및 Ca과 같은 알칼리 또는 알칼리 토금속 할로겐 화합물이며, 공융염은 바람직하게는 Li-K, Li-Ca, Li-Mg, Li-K-Ca(Mg)과 같은 공융 할로겐 화합물로서 그 어느 조합 및 조성도 가능하다.

단계 (b)에서는, 상기 용융염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 탄소층과 인터칼레이션 반응시켜 외부 열분해 탄소층을 박리시키는 공정을 수행한다.

상기 외부 열분해 탄소층(OPyC; Outer Pyrolitic Carbon)의 경우 알칼리 금속과 알칼리 토금속에 의한 박리가 가능하다.

본 단계는 TRISO 표면에서의 알칼리 금속에 의한 하기와 같은 인터칼레이션 반응으로 구성된다.

6C + xM⁺ + xe^- ↔ C₆Mx (6)

또는,

2C + M_AE ^{2 +} ↔ M_AEC₂ (7)

여기서, M은 Li, Na, K 등 알칼리 금속이고, M_AE는 Mg, Ca 등 알칼리 토금속이다.

단계 (c)에서는, 상기 알칼리 토금속 할로겐 염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 탄화규소층과 전해 반응시켜 상기 탄화규소층을 박리시키는 공정을 수행한다.

음극에 위치한 SiC 층 표면에서 용융염 내의 알칼리 토금속 이온이 환원되는 단계는 하기와 같다.

SiC + 2M_AE ↔ M_AE2Si + C (8)

Ca의 경우를 예를 들면,

SiC+2Ca ↔ 0.5Ca₂Si + 0.5CaSi + 0.5CaC₂ (9)

의 반응이 가능하다.

단계 (d)에서는, 상기 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 용융염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 내부 열분해 탄소층 및 버퍼층과 인터칼레이션 반응시켜 상기 버퍼층을 박리시키는 공정을 수행한다.

음극에 위치한 내부 열분해 탄소(IPyC; Inner Pylitic Carbon), 버퍼층 탄소 표면에서 상기 단계 (b)에서와 같은 알칼리 또는 알칼리 토금속에 의한 인터칼레이션 반응이 진행된다.

마지막으로, 단계 (e)에서는 상기에서 박리된 물질들을 제거하고 커넬을 회수하는 공정을 수행한다. 이 경우, 회수된 커넬의 세정을 위해 새로운 용융염을 세척에 사용할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법에 있어서, 상기 제거 반응은 크게 두 가지 방향으로 나뉘어질 수 있다.

첫 번째는, 알칼리 금속 할로겐 염을 사용할 경우, 상기 단계 (c)에서는 알칼리 토금속 염을 첨가하고, 그 반응 종료 후에 상기 단계 (d)에서의 반응을 진행하는 방법이고, 두 번째는, 알칼리 토금속 할로겐 염을 사용하여 외부열탄소분해층, 탄화규소층, 내부열탄소분해층 및 버퍼 C층을 제거하는 방법이다.

탄소층의 경우, 알칼리 금속에 의한 인터칼레이션 속도가 알칼리 토금속의 경우보다 빠르고, 알칼리 토금속 염의 융점이 보다 더 높으므로 경우에 따라 공정 을 선택하여 진행할 수 있다.

상기와 같은 방법을 수행하기 위한 용융염 전해환원 반응기는 반응기 챔버 내에 불활성 가스 분위기를 조성하고, 반응용기가 외부와 절연될 수 있는 절연체로 구성되며, 독립적으로 작용하는 직류전원 공급장치와 400 ℃ ~ 1,000 ℃의 범위에서 반응온도를 제어할 수 있는 구조이면 어떠한 형태라도 무방하다.

이하, 본 발명에 있어서 바람직한 용융염 전해환원 반응기의 일 구성을 도면을 참조하여 설명한다.

도 3 및 도 4는 본 발명을 수행하는 데 사용되는 용융염 전해환원 반응기의 일 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 있어서 용융염 전해환원시 음극 바스켓의 일 구성을 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 있어서 용융염 전해환원시 양극 바스켓의 일 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명을 수행하는 데 사용되는 용융염 전해환원 반응기(300)의 바람직한 일 실시형태로서 사용 후 TRISO 입자 핵연료의 장입을 위해 다공성 산화마그네슘 또는 산화 이트륨 용기(305)를 사용한 경우이다. 칼슘을 반응물로 사용할 경우는 산화마그네슘 용기와 칼슘과의 반응성이 있기 때문에 다공성 산화 이트륨 용기를 사용한다.

도 3을 참조하면, 용융염 전해환원 반응기(300)는 크게 반응로(전기로)(301), 양극 반응용기(303), 다공성 산화마그네슘 또는 산화 이트륨 용기(305), TRISO 입자 또는 콤팩트(306), 교반기 겸용 음극(307) 및 기타 주변 장치로 구성된다.

상기 원통 형상의 반응로(301)에는 진공펌프(308)가 연결 설치되고, 열전대(310)가 삽입되기 위한 개구부가 그 적소에 수직방향으로 각각 관통형성되는 뚜껑이 설치된다.

상기 진공펌프(308)는 반응기(300) 챔버 상단에서 반응기 챔버 내에 진공을 조성하기 위해 설치된다. 진공펌프(308)는 반응기 챔버 내의 공기를 빼내어 진공을 조성하고, 연결된 별도의 밸브를 통하여 불활성 가스를 챔버 내로 공급한다. 반응기(300) 챔버는 진공, 대기압하 또는 10 기압 이하의 압력에서 유지될 수도 있다.

상기 열전대(310)는 양극 반응용기(303) 내부에서 반응물 근처에 위치하여 환원반응 중 원료의 온도변화를 측정한다.

상기 반응로(301) 내부에는 양극반응용기(303)가 상기 반응로(301)와는 소정 간격을 사이에 두고 구비되되, 상기 반응로(301) 및 양극반응용기(303)의 외주연 사이에는 절연체(302)가 삽입 설치되고, 상기 양극반응용기(303) 내부는 용융염(304)으로 채워진다.

상기 양극반응용기(303) 내측에는 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(305)가 구비되되, 그 외주연에는 용융염(304)이 구비되고, 그 내부에는 SUS 메쉬(311)가 설치되며, TRISO 입자(306)가 장입된다. 또한, 모터에 연결되는 교반기 겸용 음극(307)이 상기 반응용기(303) 중심축 내부로 연장설치된다.

이때, 상기 양극반응용기(303) 및 상기 교반기 겸용 음극(307)에는 전원을 인가하기 위하여 전기적으로 연결되는 전원 공급장치(309)가 구비된다.

TRISO 입자는 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(305) 내의 SUS 메쉬(311)에 장입되며, 원활한 박리반응을 위하여 교반을 병행할 수 있다. 기계적 분쇄공정을 거치지 않은 콤팩트의 경우도 SUS 메쉬(311)를 이용하여 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(305)에 장입을 하여 반응 종료 후 커넬과 박리된 C, Mg₂Si, Ca₂Si, MgC₂, CaC₂ 등과의 분리가 용이하도록 한다. 이때, SUS 메쉬(311)는 내부 전극과의 전기적 접촉을 방지하여야 한다.

도 4는 본 발명을 수행하는 데 사용되는 용융염 전해환원 반응기(400)의 바람직한 일 실시형태를 나타낸 도면으로서 연속조업 및 음극(cathode) 반응생성물의 재활용을 위하여 다공성 산화 마그네슘 양극 바스켓(anode basket)(405, 600) 및 음극 바스켓(cathode basket)(406, 500)을 사용한 경우이다.

도 4를 참조하면, 상기와 같은 음극 바스켓(406, 500) 및 양극 바스켓(405, 600)을 구비한 용융염 전해환원 반응기(400)는 도 3과 기본 구성은 동일하지만 반응 용기(403)로서 SUS 스테인레스 재질이 사용되며, 양극 바스켓(405)이 추가되고, 순수한 교반 목적의 교반봉(407)이 사용되는 점이 다르다.

상기 원통 형상의 반응로(401)에는 진공펌프(408)가 연결 설치되고, 열전대(410)가 삽입되기 위한 개구부가 그 적소에 수직방향으로 각각 관통형성되는 뚜껑이 설치된다.

상기 반응로(401) 내부에는 스테인레스 재질의 SUS 반응용기(403)가 상기 반응로(401)와는 소정 간격을 사이에 두고 구비되되, 상기 반응로(401) 및 SUS 반응용기(403)의 외주연 사이에는 절연체(402)가 삽입 설치되고, 상기 SUS 반응용기(403) 내부는 용융염(404)으로 채워진다.

상기 SUS 반응용기(403) 내측 적소에는 양극 바스켓(405) 및 음극 바스켓 (406)이 소정 거리 이격되어 구비되되, 상기 양극 바스켓(405) 및 음극 바스켓(406) 중간 지점과 상기 SUS 반응용기(403)의 중앙 지점에 순수한 교반 목적의 교반봉(407)이 모터에 연결되어 상기 반응용기(403) 내부로 연장설치된다.

이때, 상기 양극 바스켓(405) 및 음극 바스켓(406)은 전원을 인가하기 위하여 전기적으로 연결되는 전원공급장치(409)와 연결된다. 또한, 상기 양극 바스켓(405, 600) 및 음극 바스켓(406, 500)은 반응 종료 후 전체 용융염을 냉각시키지 않고 원료를 반연속적으로 재장입하기 위해 상기 반응기(400)로부터 탈착이 가능하게 구성한 것이다.

상기 전해환원 반응기(400)에 있어서, 음극 바스켓(406, 500)은, TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트(505)가 장입되는 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501); 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501)의 상부에 그 내부로 소정부분 인입되게 결합되는 덮개; 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501) 중심부에 길이방향으로 연장구비되는 내부전극(502); 상기 덮개의 상부면에 상방향으로 돌출형성되는 외부전극(503); 및 상기 내부전극(502)과 통전되지 않도록 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501) 내부에 삽입되는 SUS 메쉬(506)를 포함하여 구성되되, 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501)의 덮개가 전극체결용 볼트(504)에 의하여 체결되도록 구성한 것이다.

상기 음극 바스켓(406, 500)에 있어서, 상기 SUS 메쉬(506)는 커넬과 음극 생성물의 분리를 위한 것으로 그 기공의 크기는 45 ~ 100 메쉬인 것을 사용할 수 있다.

이때, 상기 SUS 메쉬(506)를 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501) 내에 내부전극(502)과 통전되지 않도록 삽입하고, 그 내부에 TRISO 입자 또는 콤팩트(505)를 장입한다.

SUS 전극(403)을 이용하여 TRISO 입자 또는 콤팩트(405)로 통전을 하여 박리반응을 종료한 후에는 SUS 메쉬(406)를 인상시켜 커넬보다 미세한 C₆Li_x, Mg₂Si, CaSi, Ca₂Si, CaC₂, MgC₂ 등의 음극 생성물은 바스켓에 잔류시키고, 커넬만을 회수한다. 이때, 커넬에 부착된 미량의 음극 생성물의 제거를 위하여 새로운 용융염 내에서 세척을 행할 수 있다. 또한, 마그네시아 반응용기(401)는 스틸 전극(403)만을 흑연, 유리 탄소 또는 전도성 세라믹으로 교체한 후 내부의 음극 생성물과 함께 양극 바스켓(405)으로 직접 사용하며, 양극 용해를 통하여 Li, Ca 및 Mg을 재사용할 수 있다.

상기 전해환원 반응기(400)에 있어서, 상기 양극 바스켓(405, 600)은, 음극 생성물을 장입하기 위한 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601); 상기 다 공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601)의 상부에 그 내부로 소정부분 인입되게 결합되는 덮개; 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601) 중심부에 길이방향으로 연장구비되는 내부전극(602); 및 상기 덮개의 상부면에 상방향으로 돌출형성되는 외부전극(603);을 포함하여 구성되되 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601)의 덮개가 전극체결용 볼트(604)에 의하여 체결되도록 구성한 것이다.

상기 양극 바스켓(600)은 회수된 음극 생성물(605)을 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601)에 장입한 것으로, 그 구조는 도 5와 동일하나, SUS 메쉬(506)가 필요치 않으며, 전극(603) 재질 역시 양극 전위 0.4 V 이내에서는 SUS를 사용할 수 있으나, 그 이상의 양극 전위가 필요할 경우 흑연, 유리탄소, 전도성 산화물 세라믹 등을 사용할 수 있다.

또한, 상기 양극 바스켓(405, 600)에 있어서, 양호한 전기전도도 확보 내지는 향상을 위하여 양극 바스켓(600) 내에 상기 음극 생성물을 장입할 때, 스틸 울(steel wool) 또는 메쉬(mesh) 등을 동시에 장입할 수 있다.

상기와 같이, 음극 바스켓(406)과 양극 바스켓(405)을 동시에 사용하는 경우, 박리반응 종료 후 용융염으로부터 생성물의 분리가 용이하고, 박리반응시 생성되는 음극 부산물을 재활용할 수 있을 뿐만 아니라, 준연속 조업이 가능하여 생산 성 및 경제성이 증대될 수 있다.

상기한 바와 같이 구성되는 용융염 전해환원 반응기(300, 400)에 있어서, 상기 양극 반응용기(303, 403) 재질로는 전해환원반응 중 염소가스 발생에 의한 부식 환경을 견딜 수 있는 것이면 특히 한정하지 않으나, 바람직하게는 흑연(graphite), 유리 탄소(glassy carbon), 열분해 탄소(pyrocarbon), 백금, 또는 Fe₃O₄, SnO 및 NiO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 고전도성 산화물 세라믹을 사용할 수 있다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 전해환원 반응기(300, 400)를 사용한 TRISO 연료의 처리 공정을 도 1 내지 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 조업을 위한 출발물질로서 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트, 그리고 알칼리 금속 할로겐 화합물과 알칼리 토금속 할로겐 화합물이 용해된 용융염 또는 단일 알칼리 토금속 할로겐 용융염을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속(Li, Na, K, Mg, Ca 중 택일 또는 혼합 가능)의 할로겐 용융염 내에 장입 후 전류를 인가하여 전기화학적으로 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 환원되면서 TRISO 입자 또는 콤팩트의 탄소와 인터칼레이션 반응을 일으켜 박리시키고, SiC 층은 알칼리 토금속과의 화학반응을 이용하여 박리시키며, IPyC 및 버퍼 C 층 역시 인터칼레이션 반응으로 제거하여 순수한 핵연료 커넬을 얻는 공정으로 진행된다.

상기 공정은 생성된 C₆Li_x, Mg₂Si, CaSi, Ca₂Si, CaC₂, MgC₂ 등 음극 생성물을 양극에 장입하여 양극 용해시켜 인터칼레이션 반응 및 SiC와의 화학반응에 필요한 알칼리 또는 알칼리 토금속의 추가 공급 없이 박리 반응을 진행시킴으로서 처리 과정 중 2차 폐기물 발생을 최소화시킬 수 있는 전기 화학적 처리공정이다.

본 발명에서 사용되는 TRISO 연료의 형태는 콤팩트 또는 콤팩트로부터 TRISO입자만 분리한 형태 등 중요한 고려 사항은 TRISO 입자 또는 콤팩트와 전극과의 전기적 접촉을 양호한 상태로 반응과정 중 유지하는 것이다.

용융염의 선정 시에는 각 알칼리 및 알칼리 토금속 화합물의 융점을 고려한다. 즉, LiCl은 그 융점이 613 ℃, NaCl은 804 ℃, KCl은 773 ℃, MgCl₂는 712 ℃, CaCl₂는 772 ℃이다. 특히, LiCl-KCl의 공융 조성에서의 융점은 353 ℃로, 그리고 MgCl₂-CaCl₂의 공융 조성에서의 융점은 617 ℃로 낮아지므로 조업온도 등 조업조건 을 적절하게 설정할 필요가 있다.

이와 같이 준비된 원료 및 염을 도 3의 반응용기(300)에 장입 후 진공을 유지하고 불활성 가스로 충진한 후 전기로(301)의 온도를 용융염의 종류에 따라 400 ℃～1000 ℃까지 가열 유지시킨다.

환원반응은 용융염 내에 장입된 양극과 음극에 전류를 인가하면서 개시된다. 전류인가를 위한 전원공급 장치의 용량은 양극 및 음극이 용융염과 접촉하는 면적에 따라 달라지는데 알칼리금속 및 알칼리 토금속 산화물의 환원전위 범위인 -2 V 이상, 100 mA/㎠의 전류밀도 이상으로 인가할 수 있으면 무방하다.

알칼리 금속의 환원반응은 식 (1) ~ (3)이 적용되며, LiCl의 경우 이론적인 분해전압은 500 ℃, 3.57 V이지만 분극을 고려하여 3.57 ~ 7 V 정도의 전압이 필요하다. 알칼리 토금속의 환원반응은 식 (4)가 적용되며, 이론적인 분해전압은 500 ℃에서 Ca의 경우 3.5 V, Mg의 경우 2.68 V이지만, 역시 2.68 ~ 6.8 V 정도의 전압이 필요하다.

TRISO 콤팩트의 성분별 중량비율은 충진탄소(filler carbon):37.6%, PyC:21.3%, 다공성(porous) C:5.3%, SiC:14.3%, 커넬:21.4%이며, TRISO 입자 기준의 성분별 중량비율은 PyC:34.2%, 다공성(porous) C:8.5%, SiC:23%, 커넬:34.4%로 구성된다.

따라서, C 성분 제거를 위하여 식 (6)에서 x 값을 1로 적용할 경우 표 1과 같이 LiCl:44g, KCl:56g의 공융염에 10.6g의 LiCl을 첨가하면 콤팩트 28.5g 내의 C 성분 18.3g, 또는 TRISO 입자 42.2g 내의 C 성분 14.4g을 제거할 수 있다. 반응기를 500 ~ 800 ℃로 가열하고 LiCl의 분해전위인 3.57 V, 바람직하게는 6.5 ~ 7 V의 전압이 유지되도록 콤팩트 기준으로는 5.4 A^.hr, TRISO 입자 기준으로는 3.43 A^.hr로 유지시키면 SiC 층 외부의 C 층의 제거 반응이 완료되며, SiC 층이 드러난다.

	콤팩트 장입 기준		TRISO 장입 기준
LiCl 추가 장입량	10.6 g		10.6 g
원료 장입량	콤팩트 28 g		TRISO 42.2 g
SiC층 외부 C 함량	충진 C	14.28 g	OPyC	9.073 g
	OPyC
SiC층 기준 내/외부 C 비율	20.6%/79.4%		49.6%/50.4%
SiC 함량	4 g		9.7 g
내부 C 함량	3.696 g		5.3594 g
소요 MgCl2 양	12 g(3.06 g Mg)		29 g(7.4 g Mg)
소요 CaCl2 양	15.1 g(5.45 g Ca)		36.6 g(13.22 g Ca)
외부 C 제거 전류량 (Li)	5.4 Ahr		3.43 Ahr
SiC 제거 잔류량	Mg	6.75 Ahr	Mg	16.34 Ahr
	Ca	7.29 Ahr	Ca	17.68 Ahr
내부 C 제거 잔류량 (Li)	1.4 Ahr		3.37 Ahr

이 반응 단계에서 MgCl₂ 또는 CaCl₂를 콤팩트 장입 기준으로 12g 및 15.1g을 각각 장입하며, TRISO 입자 기준으로는 29g 및 36.6g을 각각 장입한다. 500 ℃의 경우 MgCl₂ 또는 CaCl₂의 이론 분해전압인 2.7 V 및 3.5 V 이상으로 콤팩트의 경우 6.75 A^.hr(Mg) 또는 7.29 A^.hr(Ca)로 전류를 인가하며, TRISO 입자의 경우 16.34 A^.hr(Mg) 또는 17.68 A^.hr(Ca)로 전류를 인가시키면 SiC 층의 분해반응을 진행시킬 수 있으며, 분극 정도에 따라 6 ~ 6.9 V의 전압을 인가시킬 수 있다.

이후의 반응은 잔여 LiCl을 분해시키기 위하여 6.5 ~ 7 V에서 콤팩트 기준으로 1.4 A^.hr, TRISO 입자 기준으로 3.37 A^.hr의 전류를 인가시키면 IPyC 층 및 버퍼 C 층을 제거할 수 있다.

반응종료 후에 도 3의 (311) 또는 도 5의 (506) SUS 메쉬를 인상하여 C₆Li_x, Mg₂Si, CaSi, Ca₂Si, CaC₂, MgC₂ 등의 음극 생성물은 음극(cathode) 바스켓에 남기고 커넬만을 회수한다. 회수된 커넬의 세정을 위해 새로운(fresh) 용융염에 세척할 수 있다.

이때, 음극 생성물을 포함한 음극(cathode) 바스켓은 내부 전극을 교체한 후 양극 바스켓으로 사용될 수 있으며, 음극에 새로운 콤팩트 또는 TRISO 입자를 장입하여 준연속 조업을 실시할 수 있고, 장입 원료의 규모는 TRISO 연료와 용융염 비율을 유지하며 증감시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 최선의 실시예를 예시하기 위한 것으로 본 발명의 내용이 하기 실시예만으로 한정되거나 제한되지 않음은 물론이다.

< 실시예 1>

출발 물질로 콤팩트를 기준으로 LiCl-KCl의 공융 조성을 사용하였다.

도 4의 용융염 전해환원 반응기에 LiCl:44g, KCl:56g의 공융염에 10.6g의 LiCl을 장입하고, 도 4의 음극 바스켓(406)에 콤팩트를 28 g 투입하여 550 ℃로 가열하고 LiCl의 분해전위인 3.57 V로부터 6.5 ~ 7 V의 전압이 유지되도록 5.4 A^.hr의 전류를 인가하였다. 이때, ~ 50 % 정도의 추가 전류 인가를 허용하였다. 충진탄소(Filler carbon) 및 OPyC 층의 제거를 위한 반응 종료 후 MgCl₂를 12 g 장입한 후, MgCl₂의 이론 분해전압인 약 2.7 V 이상으로 6.75 A^.hr의 전류를 인가시켜 SiC 층의 분해반응을 진행시켰다. 이때, 분극 정도에 따라 2.7 ~ 6.9 V의 전압을 인가시킬 수 있다. 본 반응에서도 ~ 50 % 정도의 추가 전류 인가를 허용하였다. SiC 층 분해반응 후 IPyC 및 버퍼 C 층의 제거를 위하여 6.5 ~ 7 V에서 1.4 A^.hr의 전류를 인가시켰다. 본 반응에서도 약 50 % 정도의 추가 전류 인가를 허용하였다. 반응종료 후에 도 3의 (311) 또는 도 5의 (506) SUS 메쉬를 인상하여 C₆Li_x, Mg₂Si, MgC₂ 등의 음극 생성물은 음극(cathode) 바스켓에 남기고 커넬만을 회수하였다. 회수된 커넬의 세정을 위해 새로운(fresh) 용융염에 세척을 수행하였다. 이때, 음극 생성물을 포함한 음극 바스켓은 도 5의 내부 전극(502)을 교체한 후 양극 바스켓으로 사용하였다. 음극 생성물과 내부전극과의 양호한 전기 접촉을 위하여 스틸 울 또는 메쉬를 삽입하였다. 음극으로부터 커넬 회수 및 양극 바스켓 장입을 종료하고, 음극 바스켓에 새로운 콤팩트를 장입하여 준연속적으로 조업을 실시하였다.

< 실시예 2>

출발 물질로 충진탄소(filler carbon)가 제거된 TRISO 입자를 기준으로 LiCl-KCl의 공융 조성을 사용하였다.

도 4의 용융염 전해환원 반응기에 LiCl:44g, KCl:56g의 공융염에 10.6g의 LiCl을 장입하고, 도 4의 음극 바스켓(406)에 TRISO 연료 입자를 42.2 g 투입하여 550 ℃로 가열하고, LiCl의 분해전위인 3.57 V로부터 6.5 ~ 7 V의 전압이 유지되도록 3.43 A^.hr의 전류를 인가하였다. ~ 50%정도의 추가 전류 인가를 허용하였다. OPyC 층의 제거를 위한 반응 종료 후 MgCl₂ 를 12 g 장입한 후 MgCl₂의 이론 분해전압인 약 2.7 V이상으로 16.34 A^.hr의 전류를 인가시켜 SiC 층의 분해반응을 진행시켰다. 이때, 분극 정도에 따라 2.7 ~ 6.9 V의 전압을 인가시킬 수 있다. 본 반응에서도 ~ 50 % 정도의 추가 전류 인가를 허용하였다. SiC 층 분해반응 후 IPyC 및 버퍼 C 층의 제거를 위하여 6.5 ~ 7 V에서 3.37 A^.hr의 전류를 인가시켰다. 본 반응에서도 ~ 50 % 정도의 추가 전류 인가를 허용하였다. 반응종료 후에 도 3의 (311) 또는 도 5의 SUS 메쉬(506)를 인상하여 C₆Li_x, Mg₂Si, MgC₂ 등의 음극 생성물은 음극(cathode) 바스켓에 남기고 커넬만을 회수하였다. 회수된 커넬의 세정을 위해 새로운(fresh) 용융염에 세척을 수행하였다. 이때, 음극 생성물을 포함한 음극 바스켓은 도 6의 내부 전극(602)을 교체한 후 양극 바스켓으로 사용하였다. 음극 생성물과 내부전극과의 양호한 전기 접촉을 위하여 스틸 울 또는 메쉬를 삽입하였다. 음극으로부터 커넬 회수 및 양극 바스켓 장입을 종료하고, 음극 바스켓에 새로운 콤팩트를 장입하여 준연속적으로 조업을 실시하였다.

< 실시예 3>

출발 물질로 충진탄소(filler carbon)가 제거된 TRISO 입자를 기준으로 CaCl₂ 단일 알칼리 토금속 염을 사용하였다.

도 4의 용융염 전해환원 반응기에 CaCl₂ 100g을 장입하고 도 4의 음극 바스켓(406)에 TRISO 연료 입자를 42.2g 투입하여 800 ℃로 가열하고, 800 ℃에서 CaCl₂의 분해전위인 3.28 V로부터 6.5 ~ 7 V의 전압이 유지되도록 50 A^.hr의 전류를 인가하였다. 이때, ~ 50 % 정도의 추가 전류 인가를 허용하였다. CaCl₂를 사용하는 경우는 OPyC층, SiC층, IPyC 및 버퍼층의 분해가 연속적으로 이루어지므로 전압조건의 변화가 불필요하였다. 반응종료 후에 도 3의 (311) 또는 도 5의 SUS 메쉬(506)를 인상하여 CaSi, Ca₂Si, CaC₂ 등의 음극 생성물은 음극(cathode) 바스켓에 남기고 커넬만을 회수하였다. 회수된 커넬의 세정을 위해 새로운(fresh) 용융염에 세척을 수행하였다. 이때, 음극 생성물을 포함한 음극 바스켓은 도 5의 내부 전극(502)을 교체한 후 양극 바스켓으로 사용될 수 있다. 음극 생성물과 내부전극과의 양호한 전기 접촉을 위하여 스틸 울 또는 메쉬를 삽입하였다. 음극으로부터 커넬 회수 및 양극 바스켓 장입을 종료하고, 음극 바스켓에 새로운 콤팩트를 장입하여 준연속적으로 조업을 실시하였다.

<평가>

도 7은 TRISO 입자 내의 SiC 피복층과 마그네슘과의 반응성을 열역학 프로그램 THERMO를 이용하여 이론적으로 계산한 결과를 나타낸 그래프로서, LiCl+xMg+SiC 시스템에서 Mg의 몰비에 따른 열역학적 계산을 결과를 나타낸 것이다.

도 7을 참조하면, Mg의 함량이 증가함에 따라 Mg₂Si 및 C 양은 증가하며, SiC는 감소함을 알 수 있고, Mg 함량이 화학량론비보다 다소 높은 2.1 몰(mol)에서 SiC 층이 완전히 분해됨을 확인할 수 있었다.

도 8은 TRISO 입자 내의 SiC 피복층이 칼슘과의 반응성을 열역하 프로그램 THERMO를 이용하여 이론적으로 계산한 결과를 나타낸 그래프로서, Mg보다 반응성이 좋은 Ca에 대하여 몰비에 따른 열역학적 계산을 수행한 결과를 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, Ca의 경우, SiC와 반응하여, CaSi, Ca₂Si 및 CaC₂등을 형성하며 1.7 몰(mol)의 Ca첨가에 의해 SiC 상을 대부분 제거할 수 있는 것으로 나타났다. 본 반응은 LiCl-MgCl₂ 및 LiCl-CaCl₂ 융염계가 각각 ~750℃ 및 ~800℃이하에서 전체 조성에 걸쳐 액상이므로, 기술적으로 용이하게 실현시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 알칼리금속 또는 알칼리 토금속 용융염 내에서 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 화합물을 전기화학적으로 분해하여 탄소 성분 및 SiC 피복층을 제거하고, 반응생성물을 반응 원료로 재순환함으로써 처리공정 중에 발생하는 2차 폐기물 발생량을 획기적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라 종전의 처리공정에 수반된 습식공정을 이용하지 않으므로 핵확산 저항성이 큰 처리기술로서 고온가스로의 상용화 시 발생하는 처분 대상 고준위 핵폐기물의 양을 대폭 줄일 수 있는 유용한 효과를 제공한다.

상기에서의 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 당업자는 하기 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않은 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. (a)알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 할로겐 염으로부터 선택되는 단일염 또는 둘 이상의 공융염 용융액에 별도의 환원제 첨가 없이 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트를 장입하는 단계;

   (b) 상기 용융염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 탄소층과 인터칼레이션 반응시켜 외부 열분해 탄소층을 박리시키는 단계;

   (c) 상기 알칼리 토금속 할로겐 염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 탄화규소층과 전해 반응시켜 상기 탄화규소층을 박리시키는 단계;

   (d) 상기 용융염을 상기 TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트의 내부 열분해 탄소층 및 버퍼층과 인터칼레이션 반응시켜 상기 버퍼층을 박리시키는 단계; 및

   (e) 상기에서 박리된 물질들을 제거하고 커넬을 회수하는 단계를 포함하는 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소층 및 탄화규소층은 단독 또는 이종으로 혼합된 알칼리 토금속 할로겐 화합물의 알칼리 토금속만으로 제거되는 것을 특징으로 하는 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 단계 (b) 이후에 알칼리 토금속 할로겐 염을 장입하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법.
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 단계 (b) 내지 단계 (d)를 수회 반복하는 것을 특징으로 하는 용융염 전기분해법에 의한 TRISO 입자 핵연료 피복층 제거방법.
6. 진공펌프(308)가 연결 설치되고, 열전대(310)가 삽입되기 위한 개구부가 그 적소에 수직방향으로 각각 관통형성되는 뚜껑을 갖는 원통형상의 반응로(301);

   상기 반응로(301)의 내부에 구비되되 그 외주연에 절연체(302)가 구비되고, 내부에 용융염(304)이 채워지는 양극반응용기(303);

   상기 양극반응용기(303) 내측에 구비되되, 용융염(304)이 그 외주연에 구비되고, 그 내부에 SUS 메쉬(311)가 설치되며 TRISO 입자(306)가 장입되고 모터에 연결되는 교반기 겸용 음극(307)이 그 중심부에 수직방향으로 구비되는 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(305); 및

   상기 양극반응용기(303) 및 상기 교반기 겸용 음극(307)에 전원을 인가하기 위하여 전기적으로 연결되는 전원 공급장치(309);를 포함하여 구성되는 용융염 전해환원 반응기(300).
7. 진공펌프(408)가 연결 설치되고, 열전대(410)가 삽입되기 위한 개구부가 그 적소에 수직방향으로 각각 관통형성되는 뚜껑을 갖는 원통형상의 반응로(401);

   상기 반응로(401)의 내부에 구비되되, 그 외주연에 절연체(402)가 구비되고, 그 내부에 용융염(404)이 채워지는 SUS 반응용기(403);

   상기 SUS 반응용기(403) 내측 적소에 소정거리 이격되게 구비되는 음극 바스켓(405) 및 양극 바스켓(406);

   상기 음극 바스켓(405) 및 양극 바스켓(406) 사이에 개재되되, 모터에 연결되는 교반기(407); 및

   상기 음극 바스켓(405) 및 양극 바스켓(406)에 전원을 인가하기 위하여 전기적으로 연결되는 전원공급장치(409);를 포함하여 구성되는 용융염 전해환원 반응기(400).
8. 제 7항에 있어서, 상기 음극 바스켓(400) 및 양극 바스켓(500)은 탈착이 가능한 것임을 특징으로 하는 용융염 전해환원 반응기(400, 500).
9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 양극 재질은 흑연, 유리 탄소, 열분해 탄소, 백금, 또는 Fe₃O₄, SnO 및 NiO로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나의 고전도성 산화물 세라믹임을 특징으로 하는 용융염 전해환원 반응기(400, 500)
10. 제 7항에 있어서, 상기 음극 바스켓(405, 500)은, TRISO 입자 또는 TRISO 연료 콤팩트(505)가 장입되는 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501);

    상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501)의 상부에 그 내부로 인입되게 결합되는 덮개;

    상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501) 중심부에 길이방향으로 연장구비되는 내부전극(502);

    상기 덮개의 상부면에 상방향으로 돌출형성되는 외부전극(503); 및

    상기 내부전극(502)과 통전되지 않도록 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501) 내부에 삽입되는 SUS 메쉬(506)를 포함하여 구성되되, 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(501)의 덮개가 전극체결용 볼트(504)에 의하여 체결되는 것을 특징으로 하는 용융염 전해환원 반응기(400).
11. 제 10항에 있어서, 상기 SUS 메쉬(506)는 커넬과 음극 생성물의 분리를 위한 것으로서 그 기공의 크기가 45 내지 100 메쉬인 것임을 특징으로 하는 용융염 전해환원 반응기(400).
12. 제 7항에 있어서, 상기 양극 바스켓(406, 600)은, 음극 생성물을 장입하기 위한 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601);

    상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601)의 상부에 그 내부로 인입되게 결합되는 덮개;

    상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601) 중심부에 길이방향으로 연장구비되는 내부전극(602); 및

    상기 덮개의 상부면에 상방향으로 돌출형성되는 외부전극(603);을 포함하여 구성되되 상기 다공성 마그네시아 또는 산화 이트륨 용기(601)의 덮개가 전극체결용 볼트(604)에 의하여 체결되는 것을 특징으로 하는 용융염 전해환원 반응기(400).
13. 제 12항에 있어서, 상기 양극 바스켓(406, 600)은 그 전기전도도 향상을 위하여 상기 음극 생성물이 장입될 때 스틸 울 또는 메쉬가 동시에 장입되는 것임을 특징으로 하는 용융염 전해환원 반응기(400).

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