KR101240077B1 - 카드뮴 전극물질 증류장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카드뮴 전극물질 증류장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치는, 내부에 카드뮴이 증발할 수 있는 공간이 형성되는 증류기 본체; 상기 증류기 본체에 선택적으로 수용될 수 있고, 카드뮴이 증발되는 도가니를 구비하는 도가니 모듈; 및 상기 도가니 모듈을 상기 증류기 본체로 이송하는 이송유닛을 포함한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 카드뮴 전극물질의 증류장치의 컴팩트한 설계가 가능하고, 카드뮴 음극체의 용융을 위하여 상기 지지체를 원격으로 조작할 수 있으므로 핫 셀에서 조작이 가능하여 작업 중에 방사성 누출이나 피폭을 최소화할 수 있으며, 증류기 본체 내부가 밀폐 상태로 유지되어 카드뮴의 증발이 낮은 온도에서 일어날 수 있다.

Description

카드뮴 전극물질 증류장치{DISTILLATION APPARATUS OF CADIUM ELECTRODE}

본 발명은 카드뮴 전극물질의 증류장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 고온 용융염 전기화학 반응기에서 악티늄족 공회수를 위해 고체음극 대신 용융카드뮴을 음극체로 사용함에 있어서 용융카드뮴 음극의 후처리 공정에 사용되는 증류장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용후 핵연료 건식처리 공정에서 용융염 전해제련공정은 전해 조작후 전착물의 회수를 위해 카드뮴 음극체의 후처리 기술이 요구된다.

이러한 카드뮴 음극체의 후처리 기술은 용융카드뮴 음극체에 전착된 방사성 악티늄족 및 희토류 금속들을 음극체로부터 분리하는 기술에 관한 것이고, 통상적으로 고온으로 카드뮴을 증발시켜서 전착물을 회수하는 증류방법을 주로 사용한다.

즉, 카드뮴 음극을 용융점 이상의 온도에서 증발하여 이보다 용융점이 높은 전착물질을 잔류시킴으로써 분리할 수 있다. 전착된 방사성 악티늄족 및 희토류 금속들이 음극체에 합금 내지 금속 간 화합물로 혼재하므로 화학활성이 크며, 방사성 누출 및 피폭을 최소화하기 위하여 아르곤 분위기의 핫 셀에서 회분식 공정조업이 진행되도록 원격 조작 시스템에 의한 공정조작이 요구된다. 또한, 카드뮴의 증발이 낮은 온도에서 일어날 수 있도록 공정의 감압조건을 유지시키는 것이 필수적이다.
이와 관련된 선행문헌으로는, 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0008899호, "염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법"과, 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2009-0104460, "악티나이드계 원소 회수를 위한 용융염 전해조" 등이 있다.

종래의 카드뮴 음극체 후처리 기술은 최종 석출물 잉곳주조를 목적으로 유도 가열로를 채택하여 공정이 복잡한 문제점이 있었고, 원격운전을 위한 장치구성, 감압운전을 위한 기밀성 및 회분 조업마다 음극체의 원격조작에 의한 투입 및 탈거의 편의성을 동시에 만족하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 공정의 원격 조작성, 컴팩트화 및 감압유지를 위한 기밀성을 동시에 만족시킬 수 있는 카드뮴 증발장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치는, 내부에 카드뮴이 증발할 수 있는 공간이 형성되는 증류기 본체; 상기 증류기 본체에 선택적으로 수용될 수 있고, 카드뮴이 증발되는 도가니를 구비하는 도가니 모듈; 및 상기 도가니 모듈을 상기 증류기 본체로 원격으로 이송하여 증류기 내부에 장입시키는 이송유닛을 포함한다.

본 발명에 의하면, 카드뮴 음극의 용융을 위하여 도가니 지지체를 원격으로 조작할 수 있으므로, 작업 중에 방사성 누출이나 피폭을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 증류기 본체 내부가 밀폐 상태를 유지하여 카드뮴의 증발이 낮은 온도에서 일어날 수 있으므로, 증류기의 가열을 위하여 많은 열이 요구되지 않고, 카드뮴 증발이 효과적으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 컴팩트한 설계가 가능하고, 원격조작이 용이하며, 도가니 지지체와 일체형으로 연결된 기밀성 플랜지가 매 회분 조업시마다 수시 개폐가 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치의 구조를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치의 증류기 본체의 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치의 도가니 모듈을 도시하는 사시도.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상을 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상에 포함되는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치의 증류기 본체의 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치(1)는 증류기 본체(10)와, 도가니 모듈(20)과, 이송유닛(30)이 포함한다.

상기 증류기 본체(10)의 내측에는 카드뮴 음극체를 수용할 수 있는 공간을 제공하는 중공부(11)가 형성된다. 상기 중공부(11)에는 상기 도가니 모듈(20)이 수용될 수 있다. 상기 중공부(11)는 상기 도가니 모듈(20)이 효과적으로 삽입될 수 있도록 단턱지게 형성될 수 있다.

상기 증류기 본체(11)의 형상은 제한이 없지만, 상하방향으로 길게 연장되는 원통형상으로 형성될 수 있다.

상기 증류기 본체(10)의 외부에는 상하 온도구배의 형성을 위해 다수의 히팅블록(12)으로 구성될 수 있다. 상기 히팅블록(12)이 쌓여서 상기 증류기 본체(10)의 외형을 형성할 수 있다. 상기 히팅블록(12)에는 상기 증류기 본체(10)의 상면을 구성하는 상면 히팅블록(121)과, 상기 증류기 본체(10)의 측면을 구성하는 측면 히팅블록(122)이 포함된다.

상기 상면 히팅블록(121)는 상기 중공부(11)의 상부를 덮는 역할을 하므로, 넓은 원판 형상으로 형성되고, 상기 측면 히팅블록(122)은 중심부에 원형의 홀이 관통되는 원통 형상으로 형성된다.

상기 히팅블록(12)에는 저항체의 전열선 등과 같은 가열기가 포함되어, 상기 증류기 본체(10) 내부의 상부에 수용된 카드뮴 음극체에 열을 가하여, 상기 카드뮴 음극체를 용융 및 증발시킬 수 있다.

상기 히팅블록(12)가 상기 카드뮴에 열을 가하면, 상기 카드뮴은 증발되고, 이와 같이 증발된 카드뮴 기체는 상기 증발기 본체(10) 내부의 하부에서 온도가 낮게 형성된 부분에서 응축되어 하방으로 유동된다.

상기 중공부(11)에는 아르곤 기체와 같은 불활성 기체가 채워질 수 있고, 이에 따라 고온 화학활성이 큰 카드뮴 음극체가 가열되는 동안 불필요한 화학반응을 방지할 수 있다.

상기 측면 히팅블록(122)에는 상기 증발기 본체(10) 내부에 초기에 채워진 아르곤 기체와 같은 불활성 기체를 외부로 뽑아내어 카드뮴의 용융 및 증발을 용이하게 하는 진공배관(14)이 형성될 수 있다.

상기 진공배관(14)에는 음압을 제공하기 위한 진공펌프(미도시)가 연결될 수 있다.

상기 증류기 본체(10)의 내부에는 응축된 카드뮴 액체를 후술할 회수 도가니(24)로 가이드하는 회수 가이드부(15)가 구비된다. 상기 회수 가이드부(15)는 상기 증류기 본체(10)의 내주면에 구비될 수 있다. 상기 회수 가이드부(15)는 아래로 갈수록 직격이 작아지는 깔대기 형상으로 형성될 수 있고, 상기 중공부(11)의 상부에서 형성된 카드뮴 액체가 상기 회수 도가니(24)에 잘 모이도록 하는 역할을 한다.

상기 증류기 본체(10)의 저면에는 상부 플랜지(13)가 구비된다. 상기 상부 플랜지(13)는 상기 히팅블록(12) 보다 더 큰 직경을 갖는 플레이트 형상으로 형성될 수 있고, 상기 히팅블록(12)을 지지할 수 있다. 상기 상부 플랜지(13)는 후술할 하부 플랜지(25)와 밀착되어 상기 증류기 본체(10) 내부에서 감압을 위한 기밀을 유지할 수 있다.

상기 증류기 본체(10)는 프레임(16)에 설치될 수 있다. 상기 프레임(16)은 상기 증류기 본체(10)가 놓이는 지지판(161)과, 상기 지지판(161)를 지면에 대하여 지지하는 지지대(162)를 포함한다.

상기 지지판(161)에는 상기 상부 플랜지(13)가 결합될 수 있고, 상기 지지판(161)에는 상기 상부 플랜지(13)의 직경보다 약간 작은 홀이 형성될 수 있다. 상기 지지판(161)에 형성된 홀은 상기 중공부(11)와 연통되고, 상기 도가니 모듈(20)이 상기 지지판(161)에 형성된 홀을 통하여 상기 중공부(11)로 수용될 수 있다.

상기 지지대(162)는 상기 지지판(161)의 모서리에서 아래로 연장되어 형성될 수 있다.

상기 도가니 모듈(20)은 상기 증류기 본체(10)의 아래에서 상하 방향으로 상기 증류기 본체(10)에 수용되거나 분리되므로, 상기 지지판(161)과 지면 사이에는 충분한 공간이 필요하다. 따라서, 상기 지지대(162)는 아래로 충분히 연장되어 상기 지지판(161)을 지면으로부터 충분히 이격시키는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의한 카드뮴 전극물질 증류장치의 도가니 모듈을 도시하는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 상기 도가니 모듈(20)은 카드뮴 음극체를 수용하는 증발 도가니(21)와, 상기 증발 도가니(21)를 지지하는 도가니 지지체(22)와, 상기 히팅블록(12)에서 발생된 복사열을 차단하는 방열판(23)과, 카드뮴 액체를 회수하는 회수 도가니(24)와, 도가니 지지체(22)를 지지하는 하부 플랜지(25)와, 상기 하부 플랜지(25)에 구비되어 상기 증발기 본체(10) 내부의 밀폐 상태를 유지하는 오링(26)을 포함한다.

상기 증발 도가니(21)는 카드뮴 음극체를 안정적으로 수용할 수 있도록 그릇모양으로 형성될 수 있다. 상기 증발 도가니(21)는 내부에 수용공간이 형성된 원통형상으로 형성될 수 있다. 상기 증발 도가니(21)는 상기 히팅블록(12)에서 발생된 열을 상기 증발 도가니(21) 내부로 잘 전달될 수 있도록 열전도율이 큰 재질로 형성될 수 있으며, 통상적으로 카드뮴과 화학반응성이 없는 고융점의 세라믹 재질을 사용한다.

상기 증발 도가니(21)는 상기 도가니 모듈(20)의 상단에 구비될 수 있다.

상기 증발 도가니(21)는 처음부터 상기 도가니 모듈(20)에 구비될 수도 있지만, 상기 도가니 모듈(20)이 상기 증류기 본체(10)에 삽입되기 위해 후술할 로봇팔(31)에 의하여 들어 올려질 때, 상기 도가니 지지체(22)에 안착될 수 있다.

상기 도가니 지지체(22)는 상기 증발 도가니(21)와, 상기 방열판(23)을 지지할 수 있다. 상기 도가니 지지체(22)는 상기 증발 도가니(21) 및 상기 방열판(23)을 안정적으로 지지할 수 있도록 적어도 3개의 봉으로 구성될 수 있다. 상기 도가니 모듈(20)이 상기 이송유닛(30)에 의해 정면에서 밀어서 상기 도가니 지지체(22)에 안착될 수 있도록 상기 도가니 지지체(22)를 구성하는 봉은 상기 하부 플랜지(25)를 각각 반원형상의 전면부 및 후면부로 나누었을 때, 후면부에 모두 배치될 수 있다.

상기 도가니 지지체(22)는 구성하는 봉은 상하방향으로 연장될 수 있고, 상기 회수 도가니(24)의 크기에 맞도록 절곡되어 형성될 수 있다.

상기 방열판(23)은 상기 도가니 지지체(22)에 설치될 수 있다. 상기 방열판(23)은 상기 증발 도가니(21) 및 상기 회수 도가니(24) 사이에 구비될 수 있다. 상기 방열판(23)은 상기 증발 도가니(21)에 가해지는 열, 즉 상부에서 높게 형성되는 복사열이 하부의 회수 도가니(24) 쪽으로 전달되는 것을 방지할 수 있다.

상기 방열판(23)은 열전도도가 낮은 재질로 형성될 수 있고, 열전도도가 낮은 공지의 어떠한 재료라도 사용될 수 있다. 상기 방열판(23)은 원뿔형상으로 형성되어, 상기 증류기 본체(10) 내부에서 응축된 카드뮴 액체가 상기 방열판(23)의 외주면을 타고 흘러내릴 수 있으며, 상기 방열판(23)의 아래에 위치한 상기 회수 도가니(24)로 회수될 수 있다.

상기 회수 도가니(24)는 상기 도가니 모듈(20)의 하부에 설치되고, 상기 증류기 본체(10) 내부에서 응축된 카드뮴 액체를 회수한다. 상기 회수 도가니(24)는 상기 도가니 모듈(20)이 상기 증류기 본체(10)에 결합된 상태에서, 상기 회수부 가이드(15)의 바로 아래에 위치되는 것이 바람직하다.

상기 회수 도가니(24)는 상기 카드뮴 기체를 수용할 수 있도록 내부에 수용공간이 형성된 원통 형상으로 형성될 수 있다.

상기 회수 도가니(24)는 상기 증발 도가니(21)와 마찬가지로 상기 도가니 모듈(20)이 상기 증류기 본체(10)에 삽입되기 위해 후술할 로봇팔(31)에 의하여 들어 올려질 때, 상기 도가니 지지체(22)에 안착될 수 있다.

한편, 상기 하부 플랜지(25)는 상기 도가니 모듈(20)의 저면을 형성하고, 상기 도가니 지지체(22) 및 상기 회수부 도가니(24)를 지지한다. 상기 하부 플랜지(25)는 상기 도가니 모듈(20)이 상기 증류기 본체(10)에 결합할 때, 상기 상부 플랜지(13)와 밀착된다.

상기 하부 플랜지(25)는 상기 도가니 지지체(22)와 일체로 형성될 수 있고, 이에 따라 매 회분 조업마다 상기 증류기 본체(10) 내부를 수시로 개폐할 수 있다.

상기 하부 플랜지(25)에는 상기 증류기 본체(10) 내부의 기밀을 유지하기 위한 상기 오링(26)이 구비된다. 상기 오링(26)은 상기 회수 도가니(24)를 둘러싸도록 배치될 수 있으며, 상기 하부 플랜지(25)에는 상기 오링(26)이 삽입될 수 있는 삽입홈이 원형으로 형성될 수 있다. 상기 오링(26)은 250℃에서 열변형이나 물성변화가 없는 내열성 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 이송유닛(30)은 상기 도가니 모듈(20)을 들어올릴 수 있는 로봇팔(31)과, 상기 도가니 모듈(20)을 상기 증류기 본체(10)까지 옮길 수 있는 컨베이어 벨트(32)를 포함한다. 상기 로봇팔(31)은 상기 도가니 모듈(20)을 수직방향으로 이송할 수 있으므로 상기 로봇팔(31)을 수직 이송부라고 칭할 수 있고, 상기 컨베이어 벨트(32)는 상기 도가니 모듈(20)을 수평방향으로 이송할 수 있으므로 상기 컨베이어 벨트(32)를 수평 이송부라고 칭할 수 있다.

상기 이송유닛(30)은 상기 증류기 본체(10)에 인접하여 설치될 수 있다.

상기 로봇팔(31)은 상기 도가니 모듈(20)을 들어올려서 상기 컨베이어 벨트(32)에 올려놓거나, 상기 컨베이어 벨트(32)에 의해 상기 증류기 본체(10)로 옮겨진 상기 도가니 모듈(20)을 상기 증류기 본체(10)에 삽입할 수 있다.

상기 컨베이어 벨트(32)는 다수개의 롤러로 구성되어, 상기 도가니 모듈(20)을 상기 증류기 본체(10)까지 수평 방향으로 이송할 수 있다.

이하에서는, 본 실시예에 의한 카드뮴 증발장치의 작동방식을 설명한다.

먼저, 상기 증발 도가니(21)에 증류시킬 카드뮴 음극체를 담는다.

그 다음에, 상기 로봇팔(31)은 상기 도가니 모듈(20)을 들어올려서, 상기 컨베이어 벨트(32) 위에 올려놓는다. 이때, 상기 증발 도가니(21) 및 상기 회수 도가니(24)는 상기 도가니 모듈(20)에 결합되지 않은 상태이다.

상기 도가니 모듈(20)은 상기 컨베이어 벨트(32)에 의하여 상기 증류기 본체(10)까지 이송된다. 구체적으로는, 상기 도가니 모듈(20)은 상기 증류기 본체(10)의 프레임(16) 아래에 위치되도록 이송된다.

상기 도가니 모듈(20)이 상기 증류기 본체(10)까지 이송되면, 상기 로봇팔(31)은 상기 도가니 모듈(20)을 집어서, 상기 증류기 본체(10) 내부로 삽입한다.

상기 도가니 모듈(20)이 상방으로 올라갈 때, 또 다른 로봇팔 등으로 상기 증발 도가니(21)를 상기 도가니 지지체(22)에 안착시킬 수 있다.

상기 증발 도가니(21)가 안착된 이후에 상기 로봇팔(31)은 상기 도가니 모듈(20)을 상방으로 들어올리고, 상기 도가니 모듈(20)이 어느 정도 올라가면 또 다른 로봇팔에 의하여 상기 회수 도가니(24)가 상기 하부 플랜지(25)에 안착된다.

상기 증발 도가니(21)가 상기 도가니 지지체(22)에 안착되고, 상기 회수 도가니(24)가 상기 하부 플랜지(25)에 안착된 후에, 상기 로봇팔(31)은 상기 하부 플랜지(25)가 상기 상부 플랜지(13)에 완전히 밀착되도록 상기 도가니 모듈(20)을 들어올린다.

상기 하부 플랜지(25)가 상기 상부 플랜지(13)에 밀착되면, 상기 증발기 본체(10) 내부는 상기 오링(26)에 의하여 밀폐된 상태가 된다. 따라서, 상기 증발기 본체(10)의 내부는 여기에 연결된 진공계통에 의하여 감압조건이 유지되며, 카드뮴의 증발이 낮은 온도에서도 진행될 수 있게 된다.

상기 도가니 모듈(20)이 상기 증발부 본체(10) 내부에 삽입된 다음에는, 상기 히팅블록(12)에 구비된 가열기는 상기 증발 도가니(21)에 수용된 카드뮴 음극체에 열을 가하여 상기 카드뮴 음극체를 용융 및 증발시킨다.

상기 증발 도가니(21)에서 증발된 카드뮴 기체는 상기 증류기 본체(10) 내부의 온도가 낮은 부분에서 응축되어 하방으로 이동하며, 중력에 의해 상기 회수 도가니(24)에 회수된다.

본 발명에 의하면, 카드뮴 전극물질의 증류장치의 컴팩트한 설계가 가능하며, 카드뮴 음극체의 용융을 위하여 상기 지지체를 원격으로 조작할 수 있으므로 핫 셀에서 조작이 가능하여 작업 중에 방사성 누출이나 피폭을 최소화할 수 있다.

또한, 하부 플랜지가 도가니 지지체와 일체로 형성될 수 있어서, 매 회분 조업시마다 수시 개폐가 가능하고, 증류기 본체 내부가 밀폐 상태로 유지되어 카드뮴의 증발이 낮은 온도에서 일어날 수 있으므로, 증류기의 가열을 위하여 고온의 열이 필요하지 않고, 카드뮴 증발이 효과적으로 이루어질 수 있는 장점이 있다.

1 : 카드뮴 전극물질 증류장치 10 : 증류기 본체
12 : 히팅블록 13 : 상부 플랜지
14 : 진공배관 15 : 회수부 가이드
16 : 프레임 20 : 도가니 모듈 21 : 증발 도가니 22 : 도가니 지지체
23 : 방열판 24 : 회수 도가니
25 : 하부 플랜지 26 : 오링
30 : 이송유닛 31 : 로봇팔
32 : 컨베이어 벨트

Claims (7)

1. 내부에 카드뮴이 증발할 수 있는 공간이 형성되는 증류기 본체;
   상기 증류기 본체에 선택적으로 수용될 수 있고, 카드뮴이 증발되는 도가니를 구비하는 도가니 모듈; 및
   상기 도가니 모듈을 상기 증류기 본체로 이송하는 이송유닛;
   을 포함하고,
   상기 도가니 모듈은,
   카드뮴을 수용하는 증발 도가니;
   상기 증발 도가니를 지지하는 도가니 지지체;
   응축된 카드뮴 액체를 회수하는 회수 도가니;
   상기 도가니 지지체를 지지하는 하부 플랜지; 및
   상기 증류기 본체 내부의 밀폐를 위해 하부 플랜지에 구비되는 오링;
   을 포함하는 카드뮴 전극물질 증류장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이송유닛은,
   상기 도가니 모듈을 수평으로 이송하는 컨베이어 벨트; 및
   상기 도가니 모듈을 수직으로 이송하는 로봇팔;
   을 포함하는 카드뮴 전극물질 증류장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 도가니 지지체에는,
   상기 증류기 본체 내부의 복사열의 전달을 차단하는 방열판이 구비되는 카드뮴 전극물질 증류장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 도가니 지지체 및 상기 하부 플랜지는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 카드뮴 전극물질 증류장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 증발 도가니는 상기 도가니 지지체에 탈착 가능하게 결합되고, 상기 회수 도가니는 상기 하부 플랜지에 탈착 가능하게 결합되는 카드뮴 전극물질 증류장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 증류기 본체는,
   가열기를 구비하는 히팅블록; 및
   응축된 카드뮴 액체를 상기 회수 도가니로 가이드하는 회수 가이드부;
   를 포함하는 카드뮴 전극물질 증류장치.
   
   
   

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