KR101155179B1

KR101155179B1 - 사용후핵연료 재활용을 위한 전해제련기의 양극장치

Info

Publication number: KR101155179B1
Application number: KR20110029386A
Authority: KR
Inventors: 김택진; 안도희; 백승우; 김광락; 심준보; 김시형; 정재후; 이한수
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사; 한국원자력연구원
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2012-06-13

Abstract

개시된 본 발명에 의한 전해제련기의 양극장치는, 사용후핵연료를 재활용하기 위한 것으로서, 전해액이 수용된 전해조에 침지되며 다공성 부도체로 형성되어 복수의 양극체를 수용하는 제1지지유닛, 제1지지유닛의 외면을 감싸 지지하도록 전해액에 침지되되 다공형상을 가지는 제2지지유닛, 제1지지유닛의 내부로 일부가 삽입되어 복수의 양극체와 전기적으로 연결되는 연결유닛 및, 제1 및 제2지지유닛과 연통하여 양극체에서 발생된 가스를 포집하여 외부로 안내하는 포집유닛을 포함한다. 여기서, 양극체는 중공 형상을 가짐으로써 양극 반응면적이 확장됨이 좋다. 이러한 구성에 의해, 전해제련동작 중 파손된 제1지지유닛을 제2지지유닛이 지지하여 회수를 용이하게 가이드함에 따른 공정 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

사용후핵연료 재활용을 위한 전해제련기의 양극장치{ANODE APPARATUS OF ELECTROLYTIC REFINING DEVICE FOR RECYCLING OF SPENT NUCLEAR FUEL}

본 발명은 전해제련기의 양극장치 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 사용후핵연료의 재활용 공정 중 전해제련공정 중 발생된 파손된 양극 구성품의 용이한 회수가 가능함과 아울러 넓은 양극 면적으로 제공하며, 또한, 가스 포집을 용이하게 할 수 있다는 장점을 가짐에 따른 공정효율을 향상시킬 수 있는 사용후핵연료 재활용을 위한 전해제련기의 양극장치에 관한 것이다.

근래에 원자력발전량이 증가함에 따라 누적되고 있는 사용후핵연료의 재활용안으로써, 크게 건식공정이 대두되고 있다. 상기 건식공정은 우라늄뿐만 아니라 초우라늄과 같은 장수명핵종 원소도 회수하며, 이렇게 회수된 원소는 고속 중성자로에서 반감기가 짧은 원소로 핵종변환되거나 금속 핵연료로 사용될 수 있다는 점에서 습식재처리 공정에 비해 이점을 가진다.

상기 사용후핵연료 재활용을 위한 건식공정은 산화물 형태인 사용후핵연료를 금속형태의 전환하는 전해환원공정, 환원된 금속연료에서 고체 음극을 이용하여 순수한 우라늄만 회수하는 전해정련공정 및, 카드뮴(Cd) 등과 같은 액체음극으로 전해정련 후 용융염에 남아 있는 우라늄 및 초우라늄을 동시에 회수할 수 있는 전해제련공정을 포함한다.

한편, 상기 전해제련공정에서는 양극에서 염소(Cl₂)가스가 발생되며, 이러한 염소가스의 발생으로 인해 부식이 야기된다. 이에 따라, 상기 전해제련공정 중 발생된 염소가스를 포집하여 제거하기 위한 대책이 요구된다. 상기 전해제련공정 중 일반적인 염소가스 포집방법은 양극 주변에 세라믹 가이드 튜브를 마련하여, 염소가스를 제거하는 방법이 주로 이용된다. 그러나, 상기 양극이나 가이드 튜브로 사용되는 세라믹 등이 파손될 경우, 회수가 어려워 공정효율 저하가 야기되는 또 다른 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 전해제련공정 중 발생된 파손된 구성품을 용이하게 회수하여 교체가 가능하고 넓은 양극 면적을 제공함에 따른 공정 효율성을 향상시킬 수 있는 전해제련기의 양극장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전해제련공정 중 발생된 가스의 포집율을 향상시킬 수 있는 전해제련기의 양극장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 전해제련기의 양극장치는, 사용후핵연료를 재활용하기 위한 것으로서, 전해액이 수용된 전해조에 침지되며, 다공성 부도체로 형성되어 복수의 양극체를 수용하는 제1지지유닛, 상기 제1지지유닛의 외면을 감싸 지지하도록 상기 전해액에 침지되되, 다공형상을 가지는 제2지지유닛, 상기 제1지지유닛의 내부로 일부가 삽입되어, 상기 복수의 양극체와 전기적으로 연결되는 연결유닛 및, 상기 제1 및 제2지지유닛과 연통하여, 상기 양극체에서 발생된 가스를 포집하여 외부로 안내하는 포집유닛을 포함한다.

일측에 의하면, 상기 제1지지유닛은 세라믹재질로 형성되고, 상기 제2지지유닛은 금속재질로 형성되되, 상기 제1 및 제2지지유닛은 상부가 개방된 도가니 형상을 가진다.

일측에 의하면, 상기 양극체는 중공형상을 가진다.

일측에 의하면, 상기 포집유닛은, 상기 제2지지유닛의 상부와 연통하여 상기 제2지지유닛을 밀폐시켜 상기 가스를 포집하는 포집체 및, 상기 포집체와 연통 가능하게 상기 포집체로부터 연장되어 포집된 상기 가스를 외부로 안내하는 가이더를 포함한다.

일측에 의하면, 상기 연결유닛은 상기 가이더의 내부로 삽입되어 상기 제1지지유닛 내로 진입하는 막대형상을 가진다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 사용후핵연료를 재활용하기 위한 전해제련기의 양극장치는, 전해액이 수용된 전해조에 침지되며, 다공성 세라믹재질로 형성되어 중공 형상을 가지는 복수의 양극체를 지지하는 제1지지유닛, 상기 제1지지유닛의 외면을 감싸 지지하도록 상기 전해액에 침지되되, 다공형상을 가지는 제2지지유닛, 상기 제1지지유닛으로 진입하여 상기 복수의 양극체와 전기적으로 연결되는 연결유닛 및, 상기 제1 및 제2지지유닛과 연통하여, 가스를 포집하여 외부로 안내하는 포집유닛을 포함한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 제1지지유닛이 전해제련동작 중 파손되더라도 제2지지유닛이 파손된 제1지지유닛을 지지함으로써, 회수가 용이해진다.

둘째, 파손된 제1지지유닛의 용이한 회수와 교체가 가능해짐에 따라, 전해제련공정의 효율성을 향상시킬 수 있게 된다.

셋째, 제1 및 제2지지유닛의 상부와 연결되는 포집유닛이 전해제련동작 중 발생된 가스를 용이하게 포집하여 외부로 안내함에 따라, 가스 제거율 향상에 따른 전해제련성 향상에 기여할 수 있게 된다.

넷째, 양극체를 중공형상으로 형성시킴에 따라, 양극체의 전극면적을 확장시킬 수 있어 전착공정의 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 전해제련기의 양극장치를 개략적으로 도시한 사시도, 그리고,
도 2는 도 1에 도시된 전해제련기의 양극장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 전해제련기의 양극장치(1)는 제1지지유닛(10), 제2지지유닛(20), 연결유닛(30) 및 포집유닛(40)을 포함한다.

참고로, 본 발명에서 설명하는 전해제련기의 양극장치(1)는 원자력발전에 사용된 사용후핵연료를 재활용하기 위한 건식공정에 채용되는 전해제련기에 적용된다. 이러한 전해제련기는 카드뮴(Cd) 등과 같은 액체음극으로 전해정련 후 용융염 즉, 전해액(E)에 남아 있는 우라늄 및 불순물인 희토류 원소의 농도 규격을 만족하는 핵연료물질을 전착시켜 회수한다.

상기 제1지지유닛(10)은 전해액(E)이 수용된 전해조(B)에 침지되며, 중공형상의 도체로 형성된 양극체(M)를 수용한다. 상기 제1지지유닛(10)은 다공성 부도체재질로 형성된다. 이에 따라, 상기 제1지지유닛(10)의 외부로 전해액(E)에 남아 있는 염소(Cl₂) 이온의 이동이 가능하나, 전해제련동작 중 발생되는 염소가스는 제1지지유닛(10)을 통과되지 않는다. 참고로, 본 실시예에서는 상기 제1지지유닛(10)이 세라믹 재질 중 마그네시아(Magnesia)인 것으로 예시한다.

또한, 상기 제1지지유닛(10)은 상부가 개방된 도가니 형상을 가진다. 본 실시예서는 도 1의 도시와 같이, 상기 제1지지유닛(10)이 하부가 밀폐되고 상부가 개방된 단면이 원형인 원통형상을 가지는 것으로 예시하나, 다각통 형상과 같이 다양한 변형이 가능함은 당연하다.

한편, 상기 제1지지유닛(10)이 지지하는 양극체(M)는 중공형상의 카본 양극성 물질로 예시한다. 즉, 본 실시예에서는 상기 양극체(M)가 양극 반응면적을 확장시킬 수 있도록, 단면이 환형인 일종의 튜브형상을 가진다. 그러나, 상기 양극체(M)의 형상은 단면이 사각이거나 복수의 홈을 가짐으로써 반응면적을 확장시킬 수 있는 다양한 변형 실시예가 가능함은 당연하다.

상기 제2지지유닛(20)은 상기 제1지지유닛(10)의 외면을 감싸 지지하도록 전해액(E)에 침지된다. 상기 제2지지유닛(20)은 복수의 관통홀(21)을 구비하는 금속재질로 형성된다. 이러한 제2지지유닛(20)은 제1지지유닛(10)가 마찬가지로 하부가 밀폐되고 상부가 개방된 도가니 형상을 가지는 금속망으로 형성된다. 본 실시예에서는 제2지지유닛(20)이 제1지지유닛(10)의 형상에 대응되도록 원통형상을 가지는 것으로 예시하나, 이 또한 한정사항은 아니다.

상기 제2지지유닛(20)은 지지하는 제1지지유닛(10)이 재질 특성에 의해 전해제련동작 중 파손될 경우, 파손된 제1지지유닛(10)의 파편이 분산되지 않도록 지지하여 회수를 용이하게 가이드한다. 이때, 상기 제2지지유닛(20)이 복수의 관통홀(21)을 가지는 금속망 형상을 가짐에 따라, 염소 이온의 이동을 간섭하지 않는다. 또한, 상기 제2지지유닛(20)은 전해제련동작 중 발생되는 염소성분 가스의 포집을 가이드하기 위해, 개방된 상부가 상기 전해조(B)의 상부까지 연장되어 형성됨이 좋다.

상기 연결유닛(30)은 상기 제1지지유닛(10)의 내부로 일부가 삽입되어, 상기 양극체(M)와 전기적으로 연결된다. 이러한 연결유닛(30)은 카본 재질의 환형의 막대 형상을 가지고, 도가니 형상을 가지는 제1지지유닛(10)의 개방된 상부를 통해 제1지지유닛(10)의 내부로 삽입된다. 이때, 상기 연결유닛(30)은 중공으로 형성되어 전극 면적이 향상된 양극체(M)와 접촉하게 된다. 한편, 이러한 연결유닛(30)은 자세히 되시되지 않았으나, 미도시된 전기분해수단과 연결되어 양극체(M)를 양극화시킨다.

상기 포집유닛(40)은 상기 제1 및 제2지지유닛(10)(20)의 상부를 커버하도록 마련되어, 상기 양극체(M)에서 발생된 가스 즉, 염소가스를 포집하여 외부로 배출시킨다. 이를 위해, 상기 포집유닛(40)은 상기 제1 및 제2지지유닛(10)(20)의 개방된 상부와 연통하여 밀폐시킴으로써 염소가스를 포집하는 포집체(41)와, 상기 포집체(41)와 연통 가능하도록 포집체(41)로부터 연장되어 포집된 가스를 외부로 안내하는 가이더(42)를 포함한다. 여기서, 상기 포집체(41)는 발생된 염소가스의 포집을 위해, 상기 제2지지유닛(20)의 개방된 상부를 일부 영역 감싸도록 마련됨이 좋다. 또한, 상기 가이더(42)의 내부로 상기 연결유닛(30)이 삽입됨으로써, 상기 가이더(42)가 연결유닛(30)의 설치 또한, 가이드함이 좋다.

참고로, 포집유닛(40)은 상기 포집체(41)와 가이더(42)의 연결 형상이 대략 "⊥"자와 같은 형상을 가지고, 상기 제2지지유닛(20)과 연결되는 것으로 예시하나, 한정사항은 아니다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 전해제련기의 양극장치(1)의 동작을 도 2를 참고하여 설명한다.

도 2를 참고하면, 상기 제1지지유닛(10)의 내부로 포집유닛(40)의 가이더(42)를 통해 삽입된 연결유닛(30)이 진입한다. 그러면, 상기 연결유닛(30)와 양극체(M) 사이의 접촉에 의해 전기화학적반응이 야기됨으로써, 염소 이온이 도시된 D1 화살표와 같이 이동된다. 이때, 상기 제1지지유닛(10)이 다공성 세라믹재질로 형성됨에 따라, 이온의 이동이 원활히 가이드된다.

이때, 상기 양극체(M)의 전해제련동작 중 발생된 염소가스는 도시된 D2방향과 같이, 상기 제1 및 제2지지유닛(10)(20)의 상부에서 포집유닛(40)의 포집체(41)에 의해 포집된 후, 가이더(42)를 통해 외부로 배출된다. 참고로, 상기 포집되어 배출되는 가스는 다공성 세라믹 재질로 형성된 제1지지유닛(10)을 통과할 수 없음에 따라, 누출됨 없이 상기 제1 및 제2지지유닛(10)(20)의 상부에서 포집된다.

한편, 상기 다공성 세라믹 재질로 형성된 제1지지유닛(10)이 동작 중 파손될 경우, 일종의 금속망으로 형성된 제2지지유닛(20)이 파손된 제1지지유닛(10)의 파편을 지지함에 따라, 상기 제1지지유닛(10)이 전해조(B) 내에서 분산됨을 방지하게 된다. 이에 따라, 전해제련동작 중 파손된 제1지지유닛(10)의 회수가 용이해진다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 전해제련기의 양극장치 10: 제1지지유닛
20: 제2지지유닛 30: 연결유닛
40: 포집유닛 M: 양극체

Claims

사용후핵연료를 재활용하기 위한 전해제련기의 양극장치에 있어서,
전해액이 수용된 전해조에 침지되며, 다공성 부도체로 형성되어 복수의 양극체를 수용하는 제1지지유닛;
상기 제1지지유닛의 외면을 감싸 지지하도록 상기 전해액에 침지되되, 다공형상을 가지는 제2지지유닛;
상기 제1지지유닛의 내부로 일부가 삽입되어, 상기 복수의 양극체와 전기적으로 연결되는 연결유닛; 및
상기 제1 및 제2지지유닛과 연통하여, 상기 양극체에서 발생된 가스를 포집하여 외부로 안내하는 포집유닛;
을 포함하는 전해제련기의 양극장치.
제1항에 있어서,
상기 제1지지유닛은 세라믹재질로 형성되고, 상기 제2지지유닛은 금속재질로 형성되되,
상기 제1 및 제2지지유닛은 상부가 개방된 도가니 형상을 가지는 전해제련기의 양극장치.
제1항에 있어서,
상기 양극체는 중공형상을 가지는 전해제련기의 양극장치.
제1항에 있어서,
상기 포집유닛은, 상기 제2지지유닛의 상부와 연통하여 상기 제2지지유닛을 밀폐시켜 상기 가스를 포집하는 포집체 및, 상기 포집체와 연통 가능하게 상기 포집체로부터 연장되어 포집된 상기 가스를 외부로 안내하는 가이더를 포함하는 전해제련기의 양극장치.
제4항에 있어서,
상기 연결유닛은 상기 가이더의 내부로 삽입되어 상기 제1지지유닛 내로 진입하는 막대형상을 가지는 전해제련기의 양극장치.
사용후핵연료를 재활용하기 위한 전해제련기의 양극장치에 있어서,
전해액이 수용된 전해조에 침지되며, 다공성 세라믹재질로 형성되어 중공 형상을 가지는 복수의 양극체를 지지하는 제1지지유닛;
상기 제1지지유닛의 외면을 감싸 지지하도록 상기 전해액에 침지되되, 다공형상을 가지는 제2지지유닛;
상기 제1지지유닛으로 진입하여 상기 복수의 양극체와 전기적으로 연결되는 연결유닛; 및
상기 제1 및 제2지지유닛과 연통하여, 가스를 포집하여 외부로 안내하는 포집유닛;
을 포함하는 전해제련기의 양극장치.
제6항에 있어서,
상기 제1 및 제2지지유닛은 상부가 개방된 도가니 형상을 가지며,
상기 연결유닛은 상기 제1 및 제2지지유닛의 상부와 연통되는 전해제련기의 양극장치.