KR101024102B1 - A preparation method of RE-rich U,RE4O9 and UO3 powder mixture with the large difference of magnetic susceptibility and the seperation method of U,RE4O9 and UO3 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소 고용 구산화사우라늄((U,RE)4O9)과 삼산화우라늄(UO3)의 혼합분말 제조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중성자흡수체인 복합성분의 희토류 원소(Rare-earth : RE) 양이온이 x mol 고용된 (U1-xREx)O2 핵연료 고용체를 산화환원처리공정을 거쳐 고농도의 RE가 고용된 (U1-yREy)4O9 상 입자와 U3O8 상 입자가 분리된 혼합분말을 제조한 후, 오존산화처리를 하여 U3O8 상 입자만을 선택적으로 UO3 상 입자로 산화시킴으로써 자화율이 높고 고농도의 희토류가 고용된 (U1-yREy)4O9 상 입자와 자화율이 매우 낮은 UO3 상 입자의 혼합분말을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라 제조된 (U1-yREy)4O9 분말의 자화율은 UO3 분말 또는 기존의 U3O8 분말보다 자화율 차이가 매우 큰 분말을 제조할 수 있어 재활용되는 UO3 분말의 회수율을 높일 수 있다. 또한, 상기 UO3 분말을 환원하여 UO2 핵연료로 만든 후에 원자로에서 연소할 경우 핵분열 효율의 증대와 UO2기재의 열전도도를 높일 수 있어 원자력을 이용한 발전효율을 증대시키는데 유용하게 사용할 수 있다. The present invention relates to the preparation of a mixed powder of high concentration rare earth element solid solution uranium oxide ((U, RE) 4 O 9 ) and uranium trioxide (UO 3 ) having a large susceptibility difference, and more particularly, a rare earth of a complex component which is a neutron absorber Rare-earth: RE cation (U 1-x RE x ) O 2 Nuclear fuel solid solution x solid solution (U 1-y RE y ) 4 O 9 Phase Particles and U 3 O 8 Phase After preparing a mixed powder in which the particles are separated, ozone oxidation treatment is performed to selectively oxidize only U 3 O 8 phase particles to UO 3 phase particles, which has high magnetization rate and high concentration of rare earth solid solution (U 1-y RE y ) 4 A method for producing a mixed powder of O 9 phase particles and UO 3 phase particles with very low susceptibility. The susceptibility of the (U 1-y RE y ) 4 O 9 powder prepared according to the present invention can be produced UU 3 powder or a powder having a much larger susceptibility difference than the conventional U 3 O 8 powder to recycle the UO 3 powder Recovery rate can be improved. In addition, when the UO 3 powder is reduced to UO 2 nuclear fuel and burned in a nuclear reactor, the nuclear fission efficiency and the thermal conductivity of the UO 2 substrate can be increased, which can be usefully used to increase power generation efficiency using nuclear power.
Description
본 발명은 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소 고용 구산화삼우라늄과 삼산화우라늄 혼합 분말 제조 방법 및 구산화삼우라늄과 삼산화우라늄 분리 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for producing a high concentration of rare earth element solid solution of uranium trioxide and uranium trioxide mixed powder having a large susceptibility difference, and a method for separating triuranium citrate and uranium trioxide.
본 발명은 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소가 고용된 구산화사우라늄과 삼산화우라늄 혼합분말 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 x mol의 복합성분 희토류 원소 양이온이 고용된 (U1-xREx)O2 핵연료 고용체를 산화열처리공정 및 산화환원처리공정을 거쳐 고농도의 희토류 원소가 고용된 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 분리된 혼합분말을 얻은 뒤 오존산화처리를 하여 U3O8 상 입자만을 선택적으로 UO3 상 입자로 산화시킴으로써 자화율이 높고 고농도의 희토류원소가 고용된 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 자화율이 매우 낮은 UO3 상 입자의 혼합분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing a mixed powder of uranium oxide and uranium trioxide in which a high concentration of rare earth elements having a large susceptibility difference is dissolved. More specifically, (U 1-x RE x ) in which x mol of a composite component rare earth element cation is dissolved. The O 2 fuel solid solution was subjected to oxidation heat treatment and redox treatment to obtain a mixed powder in which (U 1-y RE y ) O 2 + z phase particles and U 3 O 8 phase particles in which high concentrations of rare earth elements were dissolved were separated. After the ozone oxidation treatment, only U 3 O 8 phase particles are selectively oxidized to UO 3 phase particles, which has high susceptibility and very high susceptibility to (U 1-y RE y ) O 2 + z phase particles with high concentration of rare earth elements. A method for producing a mixed powder of low UO 3 phase particles.
복합성분의 희토류 원소들은 UO2 핵연료가 원자로에서 연소시에 생성되는 핵분열생성물로 UO2 기재에 고용된 형태로 존재하며 연소가 끝난 후 핵연료를 직접가공에 의해 산화물핵연료로 재활용할 경우에 희토류 원소는 중성자흡수체로 핵분열의 물질의 핵분열 효율을 저하시키며 UO2 기재에 고용되어 있으므로 열전도도를 낮추는 요인이 된다. 따라서 연소 후 핵연료의 재활용에 있어서 핵분열효율 증가와 열전도도 향상시키기 위해 질산에 용해시키는 습식법이 아닌 반응성기체와 열을 이용한 건식방법에 의한 희토류 원소 분리 연구가 수행되었다. The rare earth elements of the composite component are the fission products that are produced when UO 2 fuel is burned in the reactor and exist in the form of solid solution on the UO 2 base. When the fuel is recycled to the oxide fuel by direct processing after the combustion, the rare earth element is As a neutron absorber, it reduces the fission efficiency of fissile material and is dissolved in the UO 2 substrate, thereby lowering the thermal conductivity. Therefore, in order to increase nuclear fission efficiency and thermal conductivity in the recycling of nuclear fuel after combustion, a rare earth element separation study was conducted by using a dry method using a reactive gas and heat rather than a wet method dissolved in nitric acid.
이와 같이 희토류 원소 분리연구는 단일성분의 희토류 원소가 x mol 고용되어 있는 (U1-xREx)O2 핵연료 고용체를 산화시켜 (U1-xREx)3O8 상으로 분말화한 후에 1150 ~ 1400℃에서 산화열처리에 의해서 상분리 생성된 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 결합된 형태로 물속에 결합입자 분말을 주입하여 초음파처리에 분리하거나 반응성기체와 열을 이용하는 환원산화반응에 의해 분리하였다. 일반적으로 우라늄산화물의 자화율의 크기는 U4O9>U3O8>UO3 순이며, (U1-yREy)O2+z {(U1-yREy)4O9}의 자화 율은 희토류 원소 중에 Pr2O3, Nd2O3, Eu2O3, Gd2O3의 경우에는 자화율이 U4O9보다 높기 때문에 이러한 희토류 원소가 고용되면 증가하나, U4O9보다 자화율이 낮은 Y2O3, CeO2, 비자성인 La2O3가 고용되면 감소하게 된다. 연소된 핵연료에는 자화율이 낮은 희토류 원소들이 전체 희토류 원소 대비 41.4 mol%로 많이 고용되어 있으며, 고온 산화열처리에 의해 (U1-yREy)O2+z 상 입자로 자화율이 높은 희토류 원소와 같이 분리되기 때문에 자기분리를 할 경우에 자화율 차이가 적어서 자기분리효율이 낮아지게 되는 문제점이 있다. As such, the rare earth element separation study is performed by oxidizing a (U 1-x RE x ) O 2 fuel solid solution containing x mol solid solution of a single component rare earth element into powder (U 1-x RE x ) 3 O 8 . (U 1-y RE y ) O 2 + z phase particles and U 3 O 8 phase particles produced by phase separation by oxidative heat treatment at 1150 to 1400 ° C. are combined with ultrasonic particles by injecting the particle powder into water. Or by redox reaction using reactive gas and heat. In general, the susceptibility of uranium oxide is U 4 O 9 > U 3 O 8 > UO 3 in order of (U 1-y RE y ) O 2 + z {(U 1-y RE y ) 4 O 9 } one increased when these rare earth elements are employed, because the magnetization rate of Pr 2 O 3, Nd 2 O 3, Eu 2
이에, 본 발명자들은 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소 고용 구산화삼우라늄과 삼산화우라늄 혼합 분말 제조 방법을 개발하고, 고구배자기분리방법으로 구산화삼우라늄과 삼산화우라늄을 분리시키고, 회수된 삼산화우라늄을 이산화우라늄(UO2)으로 환원시켜 고연소도를 갖는 UO2를 제조하여 본 발명을 완성하였다. Therefore, the present inventors have developed a method for producing a high concentration of rare earth element solid solution triuranium uranium trioxide and uranium trioxide mixed powder having a large susceptibility difference, and separates uranium trioxide and uranium trioxide by high gradient magnetic separation and recovers the recovered uranium dioxide. The present invention was completed by reducing (UO 2 ) to prepare UO 2 having high combustion degree.
본 발명의 목적은 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소 고용 구산화삼우라늄((U1-yREy)4O9)과 삼산화우라늄(UO3) 혼합 분말 제조 방법을 제공하는데 있다. An object of the present invention is to provide a method for preparing a powder mixture of high concentration rare earth element solid solution triuranium trioxide ((U 1-y RE y ) 4 O 9 ) and uranium trioxide (UO 3 ) having a large susceptibility difference.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 혼합 분말로부터 구산화삼우라늄을 선택적으로 분리하는 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for selectively separating triuranium citrate from the mixed powder prepared by the above method.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 구산화삼우라늄이 분리된 삼산화우라늄을 환원시켜 이산화우라늄(UO2) 핵연료를 제조하는 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for producing uranium dioxide (UO 2 ) nuclear fuel by reducing the uranium trioxide isolated from the uranium trioxide.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 x mol의 복합성분 희토류 원소 양이온이 고용된 (U1-xREx)O2 핵연료 고용체를 산화열처리공정 및 산화환원처리공정을 거쳐 고농도의 희토류 원소가 고용된 (U1-yREy)4O9 상 입자와 U3O8 상 입자가 분리된 혼합분말을 얻은 뒤 오존산화처리를 하여 U3O8 상 입자만을 선택적으로 UO3 상 입자로 산화시킴으로써 자화율이 높고 고농도의 희토류 원소가 고용된 (U1-yREy)4O9 상 입자와 자화율이 매우 낮은 UO3 상 입자의 혼합 분말을 제조하는 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention uses a (U 1-x RE x ) O 2 nuclear fuel solid solution in which x mol of a composite component rare earth element cation is dissolved to obtain a high concentration of rare earth element through an oxidation heat treatment process and an oxidation reduction process. After obtaining a mixed powder in which solid -solution (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles and U 3 O 8 phase particles are separated, ozone oxidation is performed to selectively oxidize only U 3 O 8 phase particles to UO 3 phase particles. The present invention provides a method for producing a mixed powder of (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles having high magnetization rate and high concentration of rare earth elements and UO 3 phase particles having very low magnetization rate.
또한, 본 발명은 선택적으로 (U1-yREy)4O9 상 입자를 분리하는 방법을 제공한 다.The present invention also provides a method for selectively separating (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles.
나아가, 본 발명은 상기 (U1-yREy)4O9 상 입자가 분리된 UO3 상 입자를 환원시켜 UO2 핵연료를 제조하는 방법을 제공한다.Furthermore, the present invention provides a method for producing UO 2 nuclear fuel by reducing the UO 3 phase particles in which the (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles are separated.
본 발명에 따라 제조된 혼합 분말에 있어서, (U1-yREy)4O9 분말 자화율은 열처리 온도에서 따라서 UO3 분말 보다 60 ~ 100배 높은 분말을 얻을 수 있으며, 기존의 U3O8 분말보다 자화율 차이가 매우 큰 분말을 얻으므로 재활용되는 UO3 분말의 자기분리에 의한 회수율을 높일 수 있다. In the mixed powder prepared according to the present invention, (U 1-y RE y ) 4 O 9 powder susceptibility can be obtained 60 ~ 100 times higher powder than UO 3 powder at the heat treatment temperature, the conventional U 3 O 8 Since a powder having a much higher magnetization rate difference than that of the powder is obtained, the recovery rate by magnetic separation of the recycled UO 3 powder can be increased.
또한, 상기 UO3 분말을 환원하여 UO2 분말로 만든 후에 일련의 핵연료가공절차에 따라 UO2 핵연료로 만든 후에 원자로에서 연소할 경우 핵분열 효율의 증대와 UO2기재의 열전도도를 높일 수 있어 원자력을 이용한 발전효율을 증대시키는데 유용하게 사용할 수 있다. In addition, when the UO 3 powder is reduced to UO 2 powder and then made into UO 2 fuel according to a series of nuclear fuel processing procedures, and then burned in a nuclear reactor, the nuclear fission efficiency can be increased and the thermal conductivity of the UO 2 substrate can be increased. It can be usefully used to increase power generation efficiency.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명은 중성자흡수체인 희토류 원소(RE)가 x mol이 고용된 (U1-xREx)O2 핵연료를 400 ~ 600 ℃의 공기분위기에서 산화시켜 (U1-xREx)3O8 분말을 제조하는 단계(단계 1);In the present invention, the rare earth element (RE), a neutron absorber, is oxidized (U 1-x RE x ) O 2 nuclear fuel in which x mol is dissolved in an air atmosphere at 400 to 600 ° C. (U 1-x RE x ) 3 O 8 Preparing a powder (step 1);
상기 단계 1의 (U1-xREx)3O8 분말을 공기분위기에서 1150 ~ 1400 ℃로 가열처리하여 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 화학적으로 결합된 분말을 제조하는 단계(단계 2); The (U 1-x RE x ) 3 O 8 powder of
상기 단계 2의 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 결합된 분말을 600 ~ 800 ℃의 환원분위기에서 환원시켜 (U1-yREy)O2 상 입자와 UO2 상 입자가 결합된 분말을 제조하는 단계(단계 3); The (U 1-y RE y ) O 2 + z phase particles and the U 3 O 8 phase particles of
상기 단계 3의 (U1-yREy)O2 상 입자와 UO2 상 입자가 결합된 혼합분말을 300 ~ 700 ℃의 공기분위기에서 산화시켜 U3O8 상 입자와 (U1-yREy)4O9 상 입자가 분리된 혼합분말을 제조하는 단계(단계 4);Of step 3 (U 1-y RE y )
상기 단계 4의 U3O8 상 입자와 (U1-yREy)4O9 상 입자가 분리된 혼합 분말을 175 ~ 225 ℃의 오존분위기에서 U3O8 상 입자만을 산화시켜 UO3 상 입자로 만들어서 (U1-yREy)4O9 상 입자와의 혼합분말을 제조하는 단계(단계 5)를 포함하는 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소가 고용된 구산화사우라늄과 삼산화우라늄 혼합 분말의 제조 방법을 제공한다. The mixed powder in which the U 3 O 8 phase particles and the (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles of step 4 are separated is oxidized to the UO 3 phase by oxidizing only the U 3 O 8 phase particles in an ozone atmosphere at 175 to 225 ° C. Of a mixture of uranium oxide and uranium trioxide mixed with a high concentration of rare earth elements having a large susceptibility difference, including a step (step 5) of preparing a mixed powder with (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles by making the particles. It provides a manufacturing method.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따라 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소가 고용된 구산화사우라늄과 삼산화우라늄 혼합 분말 제조 방법의 각 단계를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings it will be described in more detail each step of the method for producing a mixture of uranium citrate and uranium trioxide mixed with a high concentration of rare earth elements having a large susceptibility difference according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소가 고용된 구산화사우라늄과 삼산화우라늄 혼합분말 제조 방법의 각 단계를 보여주는 도면이다.1 is a view showing each step of the method for producing a mixture of uranium citrate and uranium trioxide mixed with a high concentration of rare earth elements having a large susceptibility difference according to the present invention.
본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 단계 1은 중성자흡수체인 희토류 원소(RE)가 x mol이 고용된 (U1-xREx)O2 핵연료를 400 ~ 600 ℃의 공기분위기에서 산화시켜 (U1-xREx)3O8 분말을 제조하는 단계이다(S110). In the manufacturing method according to the present invention,
상기 단계 1은 (U1-xREx)O2 고용체를 공기분위기에서 산화시켜 희토류 원소 양이온이 불안정하게 고용된 (U1-xREx)3O8 상 분말을 제조할 수 있다.
이때, 상기 희토류 원소는 프라세오디뮴(Pr, Praseodymium), 네오디뮴(Nd, Neodymuim), 유로피움(Eu, Europium), 가돌리움(Gd, Gadolinium), 이트륨(Y, Yttrium), 란탄늄(La, Lanthanum), 세륨(Ce, Cerium), 디스프로슘(Dy, Dysprosium), 에르븀(Er, Erbium), 세마륨(Sm, Semarium) 또는 이의 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. At this time, the rare earth element is Praseodymium (Pr), neodymium (Nd, Neodymuim), Europium (Eu, Europium), Gd, (Gd, Gadolinium), yttrium (Y, Yttrium), lanthanum (La, Lanthanum) Preference is given to using cerium (Ce, Cerium), dysprosium (Dy, Dysprosium), erbium (Er, Erbium), semarium (Sm, Semarium) or mixtures thereof.
나아가, 상기 (U1-xREx)O2 핵연료는 네오디윰산화물(Nd2O3)을 함유한 (U,Nd)O2 핵연료, 사마륨산화물(Sm2O3)을 함유한 (U,Sm)O2 핵연료, 유로퓸산화물(Eu2O3)을 함유한 (U,Eu)O2 핵연료, 디스프로슘산화물(Dy2O3)을 함유한 (U,Dy)O2 핵연료 또는 에르븀산화물(Er2O3) 함유한 (U,Er)O2 핵연료를 사용할 수 있다. Furthermore, the (U 1-x RE x ) O 2 nuclear fuel contains (U, Nd) O 2 fuel containing neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), and (U, Nd) containing samarium oxide (Sm 2 O 3 ). Sm) O 2 nuclear fuel, (U, Eu) O 2 nuclear fuel containing europium oxide (Eu 2 O 3 ), (U, Dy) O 2 nuclear fuel or dysium oxide (Er) containing dysprosium oxide (Dy 2 O 3 ) 2 O 3 ) (U, Er) O 2 nuclear fuel may be used.
이때, 상기 단계 1에서 상기 희토류 원소가 복합성분일 경우 x는 0.007 ~ 0.034이고, 단일성분일 경우 x는 0.06 ~ 0.18 인 것이 바람직하다. In this case, when the rare earth element is a composite component in
본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 (U1-xREx)3O8 분말을 공기분위기에서 1150 ~ 1400 ℃로 가열처리하여 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 화학적으로 결합된 분말을 제조하는 단계이다(S120). In the manufacturing method according to the present invention,
상기 단계 2는 (U1-xREx)3O8 상 분말을 공기분위기에서 가열시켜 희토류 원소 양이온과 U 양이온이 이동하면서 고농도 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 희토류 원소 양이온의 고용도가 없는 U3O8 상 입자로 분리시키는 단계이다. In
이때, 상기 y는 단계 2의 가열처리온도에 의해서 결정되며 상기 단계 2에서 희토류 원소 양이온과 U 양이온이 이동하여 상기 단계 1의 x에 비하여 수치가 증가하며, 바람직하게는 0.355 ~ 0.415의 값을 갖을 수 있다. At this time, the y is determined by the heat treatment temperature of
또한, 상기 z는 상기 단계 2에서 형성되는 (U1-yREy)O2+z 상에서의 금속 대 산소비인 O/M 비를 나타내는 값으로, 입방정상 중에서 가장 높은 O/M 비를 가지게 된다. UO2-U3O8 상태에서 입방정을 유지하면서 가장 높은 O/M비를 가지는 상은U4O9 상 이며 z는 y에 의존하여 결정되기 때문에 상기 z는 2.0 ~ 2.25의 값을 가질 수 있다.In addition, z is a value representing an O / M ratio, which is a metal-to-oxygen ratio on (U 1-y RE y ) O 2 + z formed in
다음으로, 단계 3은 상기 단계 2의 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 결합된 분말을 600 ~ 800 ℃의 환원분위기에서 환원시켜 (U1-yREy)O2 상 입자와 UO2 상 입자가 결합된 분말을 제조하는 단계이다(S130). Next, in step 3 (U 1-y RE y) of the phase 2 O 2 + z-shaped particles and U 3 O 8 phase to the particles are reduced to the combined powders in a reducing atmosphere at 600 ~ 800 ℃ (U 1- y RE y ) O 2 phase particles and the UO 2 phase particles to prepare a powder combined (S130).
상기 단계 3의 결합은 화학적인 결합으로 이루어질 수 있다.The bonding of
본 발명에 따른 제조 방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3의 (U1-yREy)O2 상 입자와 UO2 상 입자가 결합된 혼합분말을 300 ~ 700 ℃의 공기분위기에서 산화시켜 U3O8 상 입자와 (U1-yREy)4O9 상 입자가 분리된 혼합분말을 제조하는 단계이다(S140). In the manufacturing method according to the present invention, step 4 is U by oxidizing the mixed powder of the (U 1-y RE y ) O 2 phase particles and UO 2 phase particles of the
상기 단계 4는 상기 단계 3에서 상기 (U1-yREy)O2 상 입자와 UO2 상 입자가 화학적으로 결합된 분말을 공기분위기에서 산화시켜 입자가 분말화 되는 U3O8 상과 입자가 분말화 되지 않는 (U1-yREy)4O9 상 입자가 화학적으로 분리된 혼합분말을 얻는다. Step 4 is a U 3 O 8 phase and particles in which the (U 1-y RE y ) O 2 phase particles and the UO 2 phase particles chemically bonded powder in step 3 is oxidized in an air atmosphere To obtain a mixed powder in which (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles are not chemically separated.
다음으로, 단계 5는 상기 단계 4의 U3O8 상 입자와 (U1-yREy)4O9 상 입자가 분리된 혼합 분말을 175 ~ 225 ℃의 오존분위기에서 U3O8 상 입자만을 산화시켜 UO3 상 입자로 만들어서 (U1-yREy)4O9 상 입자와의 혼합분말을 제조하는 단계이다(S150). Next, in step 5, the mixed powder in which the U 3 O 8 phase particles and the (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles of the step 4 are separated is U 3 O 8 phase particles in an ozone atmosphere of 175 ~ 225 ℃. It is a step of preparing a mixed powder with (O 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles by oxidizing only UO 3 phase particles (S150).
상기 단계 5는 화학적으로 분리된 (U1-yREy)4O9 상 입자와 U3O8 상 입자의 혼합분말을 오존분위기에서 U3O8 상 입자만을 UO3 상 입자로 선택적으로 산화시켜 자화율이 큰 (U1-yREy)4O9 상 입자와 자화율이 낮은 UO3 상 입자가 혼합된 혼합분말을 얻는 단계이다. The step 5 is selectively oxidizing only the U 3 O 8 particles, a powder mixture of the (U 1-y RE y) 4 O 9 phase particles and U 3 O 8 phase grains separated by a chemical in an ozone atmosphere to UO 3 phase particles This step is to obtain a mixed powder in which (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles having a high susceptibility and UO 3 phase particles having a low susceptibility are mixed.
또한, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소가 고용된 구산화사우라늄과 삼산화우라늄 혼합 분말로부터 고구배자기분리법을 사용하여, (U1-yREy)4O9 상 입자만을 선택적으로 회수하는 것을 특징으로 하는 구산화사우라늄 분리 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles by using a high gradient magnetic separation method from a mixture of uranium oxide and uranium trioxide mixed with a high concentration of rare earth elements with a high susceptibility difference prepared by the above method It provides a method for separating the uranium citrate, characterized in that to selectively recover the bay.
상기 방법으로 제조된 구산화사우라늄 즉, (U1-yREy)4O9 상 입자는 혼합되어 있는 UO3 상 입자의 자화율에 비해 60배 ~ 100배 큰 자화율을 갖고 있어, 고구배자기분리법을 이용하여 선택적으로 분리할 수 있다. 나아가, 상기 (U1-yREy)4O9 상 입자는 상기 단계 4의 U3O8 상 입자 자화율에 비해 2배 ~ 8배 큰 자화율을 갖고 있어, U3O8 상 입자와 (U1-yREy)4O9 상 입자가 혼합되어 있는 혼합 분발에서도 선택적으로 분리할 수 있다. The uranium citrate prepared by the above method, that is, (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles have a susceptibility of 60 to 100 times larger than the susceptibility of the mixed UO 3 phase particles, high gradient magnetic separation method Can be selectively separated using. Furthermore, the (U 1-y RE y ) 4 O 9 phase particles have a susceptibility of 2 to 8 times larger than the susceptibility of the U 3 O 8 phase particles of step 4, and thus the U 3 O 8 phase particles and (U 1-y RE y ) 4 O 9 It can be selectively separated even in the mixed powder in which the phase particles are mixed.
이때, 상기 고구배자기분리법은 4,000 ~ 10,000 Gauss 의 자장에서 수행되는 것이 바람직하다. 상기 자장이 10,000 Gauss 를 초과하면 자화율이 작은 삼산화우라늄 또는 U3O8 입자도 자장에 영향을 받아 구산화사우라늄에 혼합되는 문제가 있고, 4,000 Gauss 미만이면, 구산화사우라늄에 자장이 미치지 않아 분리되지 않는 문제가 있다. At this time, the high gradient magnetic separation method is preferably carried out in a magnetic field of 4,000 ~ 10,000 Gauss. If the magnetic field exceeds 10,000 Gauss, uranium trioxide or U 3 O 8 particles having a small susceptibility are also affected by the magnetic field and mixed with uranium citrate. If the magnetic field is less than 4,000 Gauss, the uranium oxide does not have a magnetic field. There is no problem.
나아가, 본 발명은 상기 구산화우라늄 분리 방법에서, 상기 구산화사우라늄이 이 제거된 UO3 분말을 환원시키는 방법을 포함하는 UO2 핵연료 제조 방법을 제공한다. Furthermore, the present invention provides a method for producing a UO 2 fuel comprising the method for reducing the UO 3 powder from which the uranium oxide is removed.
상기 UO2 핵연료는 고연소도를 갖고 있어, 넓게 사용되는 핵연료 중에 하나이다. 이에, 상기 분리 방법을 통하여 구산화우라늄을 선택적으로 제거시킨 UO3 분말을 환원시키는 간단한 방법으로 고연소도를 갖는 UO2 핵연료를 재활용 할 수 있다. The UO 2 nuclear fuel has a high combustion degree and is one of widely used nuclear fuels. Accordingly, the UO 2 nuclear fuel having a high combustion degree can be recycled by a simple method of reducing the UO 3 powder from which uranium oxide has been selectively removed through the separation method.
이때, 상기 환원은 환원성기체분위기 하, 600 ~ 800 ℃에서 열처리하여 수행할 수 있으며, 상기 환원성기체는 수소(H2), 아르곤(Ar) 또는 이의 혼합가스를 사용하는 것이 바람직하다.In this case, the reduction may be carried out by heat treatment at 600 ~ 800 ℃ under a reducing gas atmosphere, the reducing gas is preferably hydrogen (H2), argon (Ar) or a mixed gas thereof.
본 발명에서는 고용된 (U,RE)O2 핵연료로부터 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소가 고용된 (U,RE)4O9 상 입자와 U3O8 상 입자의 혼합분말 제조 방법에 대해서만 설명하였으며, 본 발명에 따른 자화율 차이가 큰 혼합분말의 제조방법은 열처리에서 유사한 상분리 거동을 나타내는 단일성분의 가연성흡수체 핵연료에도 동일하 게 적용이 가능하다. In the present invention, only a method for preparing a mixed powder of (U, RE) 4 O 9 phase particles and U 3 O 8 phase particles in which a high concentration of rare earth elements having a large susceptibility difference from a solid solution of (U, RE) O 2 nuclear fuel is employed is described. In addition, the method for preparing a mixed powder having a large difference in susceptibility according to the present invention is equally applicable to a single component flammable absorber nuclear fuel having a similar phase separation behavior in heat treatment.
이하, 본 발명의 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, the embodiment of the present invention will be described in more detail. However, the following examples are merely to illustrate the invention, but the content of the present invention is not limited by the following examples.
<실시예 1> 구산화삼우라늄과 삼산화우라늄 혼합분말의 제조 Example 1 Preparation of Mixed Uranium Trioxide and Uranium Trioxide Powder
도 2는 상술한 본 발명의 자화율 차이가 큰 고농도 희토류 원소가 고용된 구산화사우라늄과 삼산화우라늄 혼합분말 제조 방법을 적용하여, 희토류 원소 양이온이 0.034 mol 고용되어 있는 (U0.966RE0.034)O2 고용체를 이용하여 자화율 차이가 큰 고농도 희토류가 고용된 구산화사우라늄과 삼산화우라늄 혼합 분말 제조하는 실시예를 보여주고 있는 도면이다.2 is a (U 0.966 RE 0.034 ) O 2 solid solution in which 0.034 mol of rare earth element cations are dissolved by applying a method of preparing a mixed powder of uranium oxide and uranium trioxide in which a high concentration of rare earth elements having high susceptibility differences are employed. Is a diagram showing an example of manufacturing a powder of uranium citrate and uranium trioxide mixed with a high concentration of rare earth having a high susceptibility difference using solid solution.
단계 1. (U1-xREx)3O8 분말의 제조
60,000 MWd/tU 연소도의 핵연료에는 상당하는 희토류 원소는 Y=0.0023, La=0.004, Ce=0.0077, Pr=0.0036, Nd=0.0129, Sm=0.0024, Eu=0.0005, Gd=0.0005 mol로 총 희토류 원소 양이온이 0.034 mol 고용되어 있는 (U0.966RE0.034)O2 고용체를 500 ℃의 공기분위기에서 5시간 동안 산화하여(S210) (U0.966RE0.034)3O8 상 분말을 제조하였다.The rare earth elements equivalent to 60,000 MWd / tU combustion fuel are Y = 0.0023, La = 0.004, Ce = 0.0077, Pr = 0.0036, Nd = 0.0129, Sm = 0.0024, Eu = 0.0005, Gd = 0.0005 mol. (U 0.966 RE 0.034 ) O 2 solid solution containing 0.034 mol of cation solid solution was oxidized in an air atmosphere at 500 ° C. for 5 hours (S210) to prepare a (O 0.966 RE 0.034 ) 3 O 8 phase powder.
단계 2. (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 화학적으로 결합된 분말의 제조
상기 단계 1의 (U0.966RE0.034)3O8 상 분말을 공기분위기에서 4시간 동안 1400 ℃로 가열처리하면(S220) (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자로 이루어진 분말 덩어리를 제조하였다. When (U 0.966 RE 0.034 ) 3 O 8 phase powder of
이때, 얻어진 분말들의 상(phase)은 X선 회절분석을 통하여 확인할 수 있으며, 산화열처리공정에 의해 생성된 희토류 원소 농축 (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 서로 결합된 모양을 나타낸 도면은 도 3과 같다.At this time, the phase of the powders obtained can be confirmed by X-ray diffraction analysis, and the rare earth element concentration (U 1-y RE y ) O 2 + z phase particles and U 3 O 8 phase generated by the oxidative
또한, (U1-yREy)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자에 고용되어 있는 복합성분 희토류 원소 양이온 농도를 측정하기 위하여 EPMA(Eelectron Probe Micro Analyzer, Camebax SXR) 분석을 수행하였다(표 1참조). In addition, electromagnet probe microanalyzer (EPMA) analysis was performed to determine the concentration of the multicomponent rare earth element cations dissolved in the (U 1-y RE y ) O 2 + z and U 3 O 8 phase particles. (See Table 1).
표 1에 나타낸 바와 같이, U3O8 상 입자에는 희토류 원소 양이온이 전혀 고용되어 있지 않았으며 (U1-yREy)O2+z 상 입자에는 희토류 원소 양이온이 0.355 mol 고용되어 있었다. 그러므로 (U1-yREy)O2+z 상 입자에 고용되어 있는 희토류 원소 양이온의 농도는 초기 고용체에 고용되어 있는 희토류 원소 양이온의 농도보다 약 11배 높음을 확인 할 수 있다.As shown in Table 1, no rare earth element cations were dissolved in the U 3 O 8 phase particles, and 0.355 mol of rare earth element cations were dissolved in the (U 1-y RE y ) O 2 + z phase particles. Therefore, it can be seen that the concentration of the rare earth element cations in the (U 1-y RE y ) O 2 + z phase particles is about 11 times higher than the concentration of the rare earth element cations in the solid solution.
(x, mole)Initial composition
(x, mole)
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
GdY
La
Ce
Pr
Nd
Sm
Eu
Gd
0.0040
0.0077
0.0036
0.0129
0.0024
0.0005
0.00050.0023
0.0040
0.0077
0.0036
0.0129
0.0024
0.0005
0.0005
0.062
0.061
0.056
0.113
0.037
0.028
0.0300.027
0.062
0.061
0.056
0.113
0.037
0.028
0.030
0.052
0.063
0.051
0.112
0.038
0.024
0.028 0.026
0.052
0.063
0.051
0.112
0.038
0.024
0.028
0.042
0.065
0.045
0.111
0.039
0.021
0.0270.026
0.042
0.065
0.045
0.111
0.039
0.021
0.027
0.042
0.058
0.038
0.096
0.034
0.026
0.0290.031
0.042
0.058
0.038
0.096
0.034
0.026
0.029
단계 3. (U1-yREy)O2 상 입자와 UO2 상 입자가 결합된 분말의 제조
상기 단계 2의 (U0.645RE0.355)O2+z 상 입자와 희토류 원소 양이온이 고용되어 있지 않은 U3O8 상 입자를 분리하기 위해서 700 ℃ 수소기체분위기에서 5시간동안 환원 처리하여(S230) (U0.645RE0.355)O2 상 입자와 UO2 상 입자로 구성된 혼합분말을 제조하였다. In order to separate the (U 0.645 RE 0.355 ) O 2 + z phase particles of the
단계 4. U3O8 상 입자와 (U1-yREy)4O9 상 입자가 분리된 혼합분말의 제조Step 4. Preparation of a Mixed Powder Separated from U 3 O 8 Phase Particles and (U 1-y RE y ) 4 O 9 Phase Particles
상기 단계 3의 덩어리 분말을 500 ℃의 공기분위기에서 5시간 동안 산화하여(S240) 입자가 분말화 된 U3O8 상과 분말화 되지 않은 (U0.645RE0.355)O2+z 상 입자의 혼합분말을 제조하였다. 상기 농축 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자와 U3O8 상 입자가 분리된 모양을 전자현미경으로 촬영하여 도 4에 나타내었다.The agglomerated powder of
단계 5. UO3 상 입자 및 (U1-yREy)4O9 상 입자 혼합분말의 제조 단계Step 5. Preparation of UO 3 Phase Particles and (U 1-y RE y ) 4 O 9 Phase Particle Mixed Powder
상기 단계 4의 결합입자가 분리된 희토류 원소 농축 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자와 U3O8 상 입자의 혼합분말을 200 ℃의 오존분위기에서 6시간동안 산화시켜 희토류 원소 농축 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자와 UO3 상 입자를 제조하였다.Rare earth element concentration from which the binding particles of step 4 were separated (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase The mixed powder of the particles and the U 3 O 8 phase particles were oxidized in an ozone atmosphere at 200 ° C. for 6 hours to prepare rare earth element concentrated particles (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase particles and UO 3 phase particles.
<실시예 2> (U0.645RE0.355)4O9 분말의 제조Example 2 Preparation of (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 Powder
상기 실시예 1의 8종의 희토류 원소 산화물(RE2O3와 REO2) 분말과 U3O8 분말을 혼합하여 1400 ℃에서 4시간 산화열처리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.8 rare earth element oxides (RE 2 O 3 and REO 2 ) and U 3 O 8 powder of Example 1 was mixed and prepared in the same manner as in Example 1 except that the oxidation heat treatment at 1400 ℃ for 4 hours. .
<실시예 3> (U0.645RE0.355)4O9 상의 분리Example 3 Separation of (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 Phase
UO3 상 입자와 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자의 혼합분말에 10,000 Gauss 자장으로 고구배자기분리방법을 수행하여, UO3 상 입자보다 자화율이 상대적으로 매우 높은 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자만을 선택적으로 분리하였다. In the mixed powder of UO 3- phase particles and (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase particles Highly gradient magnetic separation was performed using a 10,000 Gauss magnetic field to selectively separate only particles having a much higher magnetization rate (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase particles than UO 3 phase particles.
<실시예 4> UO3의 환원을 통한 UO2 상 입자의 제조Example 4 Preparation of UO 2 Phase Particles by Reduction of UO 3
상기 실시예 3에서 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자가 분리된 분말을 4 % 수소(H2)를 포함하는 아르곤(Ar) 혼합기체 분위기 하, 1150 ~ 1400 ℃에서 열처리하여 환원시킴으로써 UO2 상 입자를 제조하였다. In Example 3, the (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase particles are separated by UO by heat treatment at 1150 to 1400 ° C. under an argon (Ar) mixed gas atmosphere containing 4% hydrogen (H 2 ). 2-phase particles were prepared.
<비교예 1> Comparative Example 1
상기 실시예 1의 단계 2에서, 상기 단계 1의 (U0.966RE0.034)3O8 상 분말 대신 순수한 U3O8 분말만을 사용하여 단계 4의 열처리를 수행하여 U3O8 분말을 제조하였다. In
<비교예 2> Comparative Example 2
상기 비교예 2에 상기 실시예 1의 단계 5의 오존처리를 하여 UO3 분말을 제조하였다. Comparative Example 2 was subjected to ozone treatment of Step 5 of Example 1 to prepare a UO 3 powder.
<실험예 1> 자화율 측정 Experimental Example 1 Measurement of Susceptibility
상기 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2의 자화율을 진동시료자력계로 측정하여 도 7에 나타내었다.Magnetic susceptibility of Example 2, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 was shown in Figure 7 by measuring with a vibration sample magnetometer.
도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 실시예 2의 자화율은 비교예 1에 비하여 5배가 크고, 비교예 2에 비하여 80배로 오존 산화처리를 함으로써 자화율 차가 매우 큰 분말혼합을 얻을 수 있음을 확인하였다.As shown in FIG. 7, the magnetization rate of Example 2 was 5 times larger than that of Comparative Example 1, and it was confirmed that powder mixing with a very large difference in susceptibility was obtained by performing ozone oxidation at 80 times as compared with Comparative Example 2.
<실험예 2> 제조 단계에 따른 결정구조 측정Experimental Example 2 Crystal Structure Measurement According to Manufacturing Step
제조 단계에 따른 입자들의 상변화를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1의 단계 4에서 제조된 분말과 단계 5에서 제조된 분말 및 비교예 2의 X선 회절분석(MacScience MXP 3A-HF)을 한 결과를 도 6에 나타내었다. In order to confirm the phase change of the particles according to the preparation step, the powder prepared in step 4 of Example 1, the powder prepared in step 5 and X-ray diffraction analysis (MacScience MXP 3A-HF) of Comparative Example 2 Is shown in FIG. 6.
도 6에 나타낸 바와 같이, (U0.645RE0.355)4O9 상 입자는 오존과 반응하지 않고, U3O8 상 입자만 오존과 반응하여 UO3 상 입자로 전환된 분말이 제조되는 것을 확인하였다. As shown in FIG. 6, it was confirmed that (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase particles did not react with ozone, but only U 3 O 8 phase particles reacted with ozone to produce a powder converted to UO 3 phase particles. .
도 1은 본 발명에 따른 중성자흡수체인 희토류 원소가 x mol 고용된 (U,RE)O2 핵연료로부터 자화율이 높은 희토류 원소가 고농도로 고용된 구산화사우라늄 분말과 자화율인 낮은 삼사화우라늄 분말의 제조방법의 각 단계를 보여주는 도면이고;1 shows the preparation of a uranium citrate powder having a high concentration of rare earth elements with high magnetization and a uranium trioxide powder having a high susceptibility from a (U, RE) O 2 nuclear fuel containing rare earth elements as neutron absorbers according to the present invention. A diagram showing each step of the method;
도 2는 상술한 본 발명의 자화율 차이가 큰 분말 제조방법을 적용하여, 60,000 MWd/tU 연소도의 핵연료에 상당하는 희토류 원소 양이온이 0.034mol 고용되어 있는 (U0.966RE0.034)O2 핵연료 고용체를 이용하여 희토류 원소 양이온이 고농도로 고용된 구산화사우라늄 분말과 자화율인 낮은 삼산화우라늄 분말의 제조하는 실시 예를 보여주고 있는 도면이고(실시예 1);2 is a (U 0.966 RE 0.034 ) O 2 fuel solid solution in which 0.034 mol of a rare earth element cation corresponding to a nuclear fuel of 60,000 MWd / tU combustion is employed by applying a powder manufacturing method having a large difference in susceptibility according to the present invention. FIG. 1 shows an example of preparing a uranium trioxide powder having a high concentration of rare earth element cation and a low uranium trioxide powder having a high susceptibility (Example 1);
도 3은 산화열처리공정에 의해 상분리 생성된 희토류 원소 농축 (U0.945RE0.355)O2+z 상 입자와 U3O8 상 입자가 서로 결합된 모양을 나타낸 도면이고;FIG. 3 is a view showing the combination of rare earth element enriched (U 0.945 RE 0.355 ) O 2 + z phase particles and U 3 O 8 phase particles produced by phase separation by an oxidation heat treatment process;
도 4는 환원처리후 산화처리공정에 의해 희토류 원소 농축 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자와 U3O8 상 입자가 서로 분리된 모양을 나타낸 도면이고;4 is a rare earth element concentration (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase by reduction and oxidation treatment process The particle and U 3 O 8 phase particles are separated from each other;
도 5는 오존산화처리공정에 의해 희토류 원소 농축 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자 및 UO3 상 입자가 변형되지 않고 그대로 남아 있는 형태로 모양을 나타낸 도면이고;5 is a rare earth element concentration by ozone oxidation process (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase A shape in which the particles and the UO 3 phase particles remain unmodified and in shape;
도 6은 오존산화처리 전후의 분말의 X선 회절분석결과를 나타낸 도면이고; 및6 is a view showing the results of X-ray diffraction analysis of powder before and after ozone oxidation; And
도 7은 희토류 원소 농축 (U0.645RE0.355)4O9 상 입자의 분말과 UO3 상 입자의 분말간의 자화율차를 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a graph showing the difference in magnetization between powder of rare earth element concentration (U 0.645 RE 0.355 ) 4 O 9 phase particles and powder of UO 3 phase particles. FIG.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS6173803A (en) | 1984-09-17 | 1986-04-16 | Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd | Production of powder mixture composed of uranium dioxide and gadolinium oxide for producing nuclear fuel pellet |
JPH0587965A (en) * | 1991-09-30 | 1993-04-09 | Japan Nuclear Fuel Co Ltd<Jnf> | Manufacture of uranium compounds under powder state |
JPH0940426A (en) * | 1995-07-27 | 1997-02-10 | Mitsubishi Materials Corp | Production of uranium dioxide powder |
JPH0954187A (en) * | 1995-08-11 | 1997-02-25 | Nuclear Fuel Ind Ltd | Producing method for nuclear fuel pellet using uranium oxide particle as raw material |
-
2009
- 2009-01-15 KR KR1020090003394A patent/KR101024102B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6173803A (en) | 1984-09-17 | 1986-04-16 | Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd | Production of powder mixture composed of uranium dioxide and gadolinium oxide for producing nuclear fuel pellet |
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KR20100084009A (en) | 2010-07-23 |
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