KR100767053B1 - 금속우라늄의 생산방법 및 동 방법에 사용되는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 삼염화우라늄을 함유하는 용융염내에서, 금속우라늄으로 이루어 진 연료조각을 수용하는 양극바스킷에 포함된 양극전극 및 탄소재의 음극전극에 소정의 전류를 인가하는 단계; 상기 인가된 전류에 의해 개시된 반응에 따라 상기 음극 전극에 우라늄을 전착시키는 단계; 및 상기 전착된 우라늄을 자중에 의해 회수하는 단계를 포함하는 전해정련에 의한 금속우라늄의 생산방법을 제공한다. 상기 방법에 사용되어지는 본 발명에 따른 금속우라늄 전해정련장치는 금속우라늄으로 이루어 진 연료조각을 수용하며 양극전극을 포함하는 양극바스킷(6), 탄소재의 음극전극(5) 및 우라늄 회수부(10)를 내부에 구비하는 반응로를 포함한다. 상기 구성에 따른 본 발명의 방법 및 장치에 의하면 사용 후 금속핵연료로부터 순수한 금속우라늄만을 간편하고도 경제적이면서 고성능으로 분리하는 것이 가능하다.

우라늄, 전해정련, 탄소재 음극

Description

금속우라늄의 생산방법 및 동 방법에 사용되는 장치{Preparation method of metal uranium and apparatus thereused}

도 1은 본 발명에 따른 탄소재 음극전극이 장착된 우라늄 전해정련 반응기의 모식도이다.

도 2는 탄소 격자에 우라늄 원자가 인터칼레이션 반응으로 침입한 형상을 개념적으로 나타낸 그림이다.

도 3은 탄소재 음극전극에서 전착된 금속우라늄이 탈락되는 과정을 개념적으로 도식화한 것이다.

도 4는 탄소봉을 음극으로 하여 전착 후 탈리된 우라늄을 하부 우라늄 회수부로부터 회수하여 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 반응로 2: 절연체

3: SUS 반응기 4: 용융염

5: 탄소재 음극전극 6: 양극바스킷

7: Ar 가스밸브 8: 전원공급부

9: 열전대 10: 우라늄 회수부

본 발명은 금속우라늄의 생산방법 및 동 방법에 사용되는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자력발전소에서 발생되는 사용 후 금속핵연료로부터 순수한 금속우라늄만을 간편하고도 경제적이면서 고성능으로 분리해 내는 금속우라늄의 생산방법 및 동 방법에 사용되는 장치를 제공함에 있다.

금속우라늄 전해정련은 삼염화우라늄이 녹아 있는 약 500℃의 용융염내에서 사용 후 금속연료의 절편을 양극바스킷에 넣고 철 등의 금속봉을 음극으로 하여 전류를 가하면 용융염중의 삼염화우라늄이 음극에서 환원되어 전착되고, 이 반응에서 분리된 염소이온은 전기적으로 양극에서 금속우라늄을 선택적으로 용해시킨다. 이러한 과정이 반복되어 순수한 금속우라늄을 분리해 낼 수 있는데, 이 반응은 반응속도가 느려 단시간에 많은 량의 제품을 얻을 수 없는 단점을 가지고 있다.

고성능으로 금속우라늄을 분리해 내고자 하는 방법은 미합중국특허 제5,650,053, 제6,365,019 및 출원번호 제2004/0134785A1에 나타난 바와 같이 약 500℃의 용융염 중에 사용 후 금속연료의 절편을 다공판의 양극바스킷에 담고 수개의 양극바스킷을 튜브형태로 이루어진 음극의 내ㆍ외부에 위치하게 하고 양극바스킷을 회전시키면서 전기를 가하면 양극중의 금속우라늄이 녹아나와 음극에 전착되며, 전착된 우라늄은 양극의 외부에 부착된 세라믹 판에 의해 긁어 내려져 하부의 수집장치에 모이게 되어 있다. 그러나 이 장치는 전착된 금속우라늄의 일부만 떨어져 나가기 때문에 잔여 전착물이 계속해서 음극표면에 붙어 있게 된다. 이에 따라 붙어 있는 전착물은 떨어지기 어려운 치밀한 조직으로 변하게 되어 양극의 세라믹 판이 이 치밀한 전착물을 떨어뜨리지 못하게 된다. 그러므로 일정한 시간이 경과하면 전해정련 조작을 중지하고, 전기를 역으로 가하여 치밀하게 붙어있는 금속우라늄 전착물을 양극으로 되돌려 역전착(stripping)시킴으로서 음극표면을 깨끗하게 한 후, 다시 처음과 같이 전착시키는 조작을 필요로 하게 된다. 이러한 조작은 전기가 많이 소모되고 전착성능도 매우 비효율적이며, 장치가 매우 복잡한 단점이 있다.

미국의 아르곤 연구소에서는 상기한 단점을 없애기 위하여 아르곤연구소의 홈페이지(http://www.cmt.anl.gov/)에 나타나 있는 바와 같이 평면전극전해조(Plannar Electrode Electrorefiner : PEER)라는 새로운 장치를 개발하여 이러한 문제점을 해결하고자 하였다. 이 장치는 가운데에 사용 후 금속연료가 들어있는 양극을, 주위에 다중 음극을 배치하여, 전해반응을 조작하고 일정시간이 경과하여 전착물이 음극에 부착되면 다공성 세라믹 판을 상하작용시켜 음극의 전착물을 긁어내리게 설계하여 실험 중에 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 이 방법은 세라믹 판의 구멍과 금속음극 사이에 전착물이 끼어들어 상하운동을 방해하고, 또한 장치의 복잡성도 크게 개선되지 않은 방법이다. 특히 제 2 음극을 사용하여 여전히 역전착 과정을 통해 음극에 고착된 전착물을 제거하는 공정이 수반되어 전류 효율이 크게 저하되는 결점을 지니고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 원자력발전소에서 발생되는 사용 후 금속연료로부터 순수한 금속우라늄만을 간편하고도 경제적이면서 고성능으로 분리해 내는 금속우라늄의 생산방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 원자력발전소에서 발생되는 사용 후 금속연료로부터 순수한 금속우라늄만을 간편하고도 경제적이면서 고성능으로 분리해 내는 금속우라늄의 전해정련장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 삼염화우라늄을 함유하는 용융염내에서, 금속우라늄 조각을 수용하는 양극바스킷에 포함된 양극전극 및 탄소재의 음극전극에 소정의 전류를 인가하는 단계; 상기 인가된 전류에 의해 개시된 반응에 따라 상기 음극 전극에 우라늄을 전착시키는 단계; 및 상기 전착된 우라늄을 자중에 의해 회수하는 단계를 포함하는 금속우라늄의 전해정련에 의한 금속우라늄 생산방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 탄소재는 흑연, 유리질 탄소, 유리질 흑연에서 선택되는 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 금속우라늄의 전해정련에 의한 금속우라늄 생산방법을 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 전극에 인가되는 전류밀도를 140mA/㎠ 이상으 로 공급하는 금속우라늄의 전해정련에 의한 금속우라늄 생산방법을 제공한다.

또한 본 발명은 금속우라늄 조각을 수용하며 양극전극을 포함하는 양극바스킷, 탄소재의 음극전극 및 우라늄 회수부를 내부에 구비하는 반응로를 포함하는 금속우라늄의 전해정련장치를 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 음극전극에 사용되는 탄소재는 흑연, 유리질 탄소, 유리질 흑연에서 선택되는 어느 하나의 물질인 금속우라늄의 전해정련장치를 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 음극전극은 상기 양극바스킷의 주위에 복수개 배치되는 금속우라늄의 전해정련장치를 제공한다.

본 발명은 바람직하게는 상기 음극전극은 상기 양극바스킷의 주위에 복수개가 동심원으로 배치되는 금속우라늄의 전해정련장치를 제공한다.

이하, 본 발명의 내용을 바람직한 실시예를 도시한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소재 음극을 이용한 금속 우라늄 전해정련장치의 개략도이다. 본 발명에 따른 금속 우라늄 전해정련장치는 반응로(1), 절연체(2), 스테인레스강(SUS)반응기(3), 용융염(4), 탄소재 음극(5), 양극바스킷(6), 아르곤가스밸브(7), 전원공급부(8), 열전대(9) 및 우라늄 회수부(10)를 포함하고 있다.

상기에서 양극바스킷(6)은 바람직하게는 다공판의 재질로서 우라늄 함유 폐연료의 절편을 함유하며, 양극전극(미도시)이 상기 다공 판의 내부 공간에 위치한다. 상기 양극전극에 전류를 가하면 전해공정에 의해 양극바스킷(6) 중의 금속우라 늄이 녹아나와 탄소재 음극(5)에 전착되며, 음극에 전착된 금속우라늄은 전착이 진행되어짐에 따라 자중에 의해 우라늄 회수부(10)로 회수되어진다. 이때 용융염(4)에는 삼염화우라늄이 8% 가량 녹아 있는 것이 좋다.

본 발명에 의하면, 상기 탄소재 음극(5)은 바람직하게는 흑연, 유리질 탄소, 유리질 흑연에서 선택되는 어느 하나의 물질로 구성되어질 수 있다. 음극전극을 이루는 상기 탄소재는 바람직하게는 탄소 격자구조를 이루며, 우라늄 원자가 격자내에 인터칼레이션이 가능하고, 격자의 면간거리가 우라늄의 원자직경인 2.77Å 보다 큰 것이 바람직하다. 탄소 격자면간 거리가 우라늄의 원자직경 보다 큰 경우 우라늄 원자와 탄소재가 인터칼레이션 화합물을 형성할수록, 격자의 면간 거리가 팽창하고 최외부 탄소 격자의 결합 강도가 낮아져 우라늄 석출물이 일정량 이상 성장하게 되면 자중에 의하여 도 3의 단계 5와 같이 탈리되어진다.

도 2 및 도 3은 탄소재로서 흑연격자를 이용한 예로서, 흑연 격자의 면간 거리는 3.354Å으로서 우라늄의 원자 직경인 2.77Å 보다 크며, 도 3의 단계1 내지 5를 통해 예시된 바와 같이 우라늄 석출물의 성장은 초기 인터칼레이션 반응 중에 생성된 결정핵 표면에서 우선적으로 성장하게 되므로 흑연의 지속적인 오염이 발생하지 않고 성장과정 중에는 순수한 금속 우라늄이 생성되며, 흑연의 오염은 무시할 만하다. 이때 우라늄 전착물의 증가는 흑연격자의 면간 거리를 팽창시켜 최 외부 흑연 격자의 결합 강도를 낮추고 우라늄 석출물이 일정량 이상 성장하게 되면 자중에 의하여 탈리되어진다.

본 발명에 따른 상기 금속 우라늄 전해정련장치의 스테인레스강반응로(3)의 내부 평면도가 도 1의 우측에 도시되어 있다. 이와 같이 탄소재 음극(5)은 복수개 사용되어질 수 있으며, 음극 표면적을 극대화하기 위하여 양극바스킷(6)을 중심으로 동심원상으로 배치되어지는 것이 바람직하다. 이때 음극(5) 사이의 거리는 우라늄 석출물이 성장하여 탈리하기 전에 상호 부착이 되지 않도록 충분한 거리를 유지해야 한다.

전해정련 공정을 수행할 때 상기 전극에 인가되는 전류밀도는 금속우라늄의 음극에서의 전착량(전착계수)과 관련된다. 전착계수는 음극에 전달된 금속 우라늄의 양에 대한 음극표면에 접착되어 있는 전착물의 양으로 정의되어지며, 이는 전류밀도의 증가와 함께 감소하는 경향을 나타낸다. 본 발명의 전해정련 장치에서 인가되어지는 전류밀도의 크기는 허용 가능한 전착물의 함량에 의존적이지만, 바람직하게는 전착계수를 0%로 하는 전류밀도가 바람직하다. 이들 전착계수를 0%로 하는 전류밀도는 실험에 의해 경험적으로 정해질 수 있으며, 예를 들어 본 발명의 바람직한 실시예에서 단일 탄소봉을 음극으로 하여 실시한 결과 140mA/㎠ 이상의 전류밀도를 인가하는 경우 전착계수가 0%로 나타났다.

상기 과정을 거쳐 탈리되는 우라늄 석출물을 회수하기 위하여 우라늄 회수부(10)를 두며, 상기 우라늄 회수부(10)는 특별히 한정되는 것은 아니며 스테인레스망 등이 사용되어질 수 있다.

상기 구성과 같은 본 발명에 따른 금속 우라늄 전해정련장치는 우라늄 전착물이 자중에 의해 음극에서 자동으로 탈리되어지므로 별도의 스크레이핑 장치가 필요하지 않다. 따라서, 스크레이핑 장치가 제거됨으로써 더욱 많은 수의 음극전극을 배치하는 것이 가능하다. 전해정련의 효율은 직접 음극 면적에 비례하므로 본 발명에 의하면 보다 많은 수의 음극전극의 배치가 가능하게 되어 제한된 공간에서 소규모의 장치로 고효율의 우라늄을 정련할 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> 인가 전류밀도의 변화에 따른 음극표면에 붙어 있는 금속우라늄의 양 측정

도 1과 같은 직경 15cm의 전해정련조에 삼염화우라늄이 8%가량 녹아있는 LiCl-KCl 공융조성 용융염(3kg)의 온도를 500℃로 조절한 후 감손 금속우라늄 조각이 들어 있는 양극바스킷과 음극으로 단일 탄소봉(직경 1.5cm)을 용융염에 담가 전류를 가해 전해정련조작을 1시간 ∼ 2시간 동안 수행하였다(4Ah 통전).

하기 표 1은 실험이 완료된 후 전류밀도 변화에 따라서 반응 조작 후 음극의 표면에 붙어 있는 금속우라늄의 양을 다음 식에 의해 계산한 결과이다.

접착 계수(sticking coefficient) =

<표 1> 접착계수

전류밀도	70 mA/cm2	100 mA/cm2	140mA/cm2	177 mA/cm2
접착계수	15.4 %	4.8%	0 %	0 %

상기 표 1에서 볼 수 있듯이 전류밀도가 100mA/cm²까지는 소량의 우라늄 전 착물이 완전히 탈리되지 않고 잔류하고 있으나 전류밀도 140mA/cm²이상이면 전착물이 완전히 제거되어 수집 바스킷에 모이게 되고 탄소 음극에는 금속우라늄의 전착물이 전혀 남아 있지 않았다.

상기의 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 삼염화 우라늄이 소정량 용해되어 있는 알칼리금속 용융염 내에서 양극에 위치한 금속 상태의 사용 후 폐연료를 전기화학적으로 용해하고 탄소재 음극을 사용하여 순수한 우라늄만 선택적으로 석출할 수 있다. 이로써 기존의 전해정련장치가 복잡한 기계적 작동부품 및 철재 음극을 사용함으로 인하여 공정 및 스트리핑에 의한 전류 효율이 낮아지는 단점이 있던 반면, 본 발명에 의하면 음극을 포함한 단순한 전해정련 셀을 구성함으로서 장치의 유지보수가 간단하고, 스트라이핑 공정이 필요 없어 전류 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

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 (7)

1. 삼염화우라늄을 함유하는 용융염내에서 금속우라늄 조각을 수용하는 양극바스킷에 포함된 양극전극 및 우라늄 원자 직경 보다 큰 면간거리를 가지는 흑연, 유리질 탄소, 유리질 흑연에서 선택되는 어느 하나의 탄소재의 음극전극에 전류를 인가하는 단계;

   상기 인가된 전류에 의해 개시된 반응에 따라 상기 음극전극에 우라늄을 전착시키는 단계; 및

   상기 전착된 우라늄이 성장함에 따라 음극전극 탄소재의 면간거리를 팽창시켜 최외부 격자의 결합강도를 낮춤으로써 우라늄의 자중에 의해 음극전극으로부터 우라늄이 탈리되고, 상기 탈리된 우라늄을 회수하는 단계를 포함하는 금속우라늄의 전해정련에 의한 금속우라늄 생산방법.
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