KR101405619B1 - 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해제련 공정의 효율 향상을 위한 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체에 관한 것으로, 보다 구체적으로 전해제련 공정에 사용되는 고체양극과 액체음극을 통합하여 하나의 구조로 모듈화한 것으로, 상기 전극구조를 사용하면 전해제련 공정의 생산성 향상, 처리 용량 증대, 처리 효율 증진, 및 운전 시간의 단축이 가능하고 따라서 사용후핵연료의 재활용, 효율적 관리 및 안정성 확보가 가능하다.

Description

양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체 {Integrated anode-liquid cathode structure for electrowinning process}

본 발명은 전해제련공정에 사용되는 전극구조체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 사용후핵연료의 효율적인 관리를 가능하게 하는 전해제련공정에서 사용되는 전해제련기에 있어서, 전극 부분의 고체양극과 액체음극을 통합시켜 하나의 구조로 모듈화한 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체에 관한 것이다.

세계적인 녹색성장에 대한 관심에 따라, 원자력 발전은 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 현재 원자력 발전에 의해 생산되는 전력은 국내 전력 생산량의 약 38%를 차지할 정도로 국내의 원자력 에너지의 이용률은 높은 편이며, 이에 더하여 원자력 발전은 공정 중에 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는다는 점에서 앞으로도 원자력발전에 의해 생산되는 에너지에 대한 이용률은 더욱 증가할 것으로 예상된다. 이러한 흐름에 따라 원자력 발전의 결과 매년 850톤 정도 발생되는 사용후핵연료 재활용 방안에 대해서도 활발한 연구가 이루어지고 있다.

근래에 사용후핵연료 재활용 방안으로 크게 건식정련기술이 대두되고 있다. 파이로공정(Pyroprocessing)이란 이온성 화합물 성분의 용융염(LiCl-KCl) 내 녹아있는 악티나이드 및 란타나이드 원소들을 전기화학적으로 석출(전착)시키는 반응을 이용하여 회수하는 방법으로,

원자력 발전의 산화물인 사용후핵연료를 용융된 금속상태로 전환하는 전해환원 단계;

고체 음극에 순수한 우라늄을 전착시켜 분리하는 전해정련 단계:

사용후핵연료물질이 장입된 금속바스켓을 양극으로 사용하여 고체 음극에 전착시켜 용융염 내 녹아 있는 순수한 우라늄만을 분리하는 전해정련 단계:

(양극반응) U → U^{3 +} + 3e^-, TRU → TRU^{3 +} + 3e^-(사용후핵연료물질에서 U와 TRU 등이 녹아나옴)

(음극반응) U^{3 +} + 3e^- → U (우라늄만 회수함); 및

전해정련 처리 후 용융염에 남아있는 우라늄 및 초우라늄(TRU) 원소 등을 액체음극에 공전착시켜 동시에 회수해내는 전해제련 단계:

(양극반응) 2Cl^- → Cl₂ (g)+ 2e^- (용융염 내 염소이온이 산화되어 염소기체가 발생됨)

(음극반응) U^{3 +} + 3e^- → U, TRU^{3 +} + 3e^- → TRU (우라늄과 초우라늄 원소가 동시에 회수됨);

를 포함한다. 상기 공정은 장치가 간단하고, 폐기물이 거의 발생하지 않으며, 사용후핵연료의 부피를 감축할 뿐만 아니라, 우라늄 및 초우라늄 원소 등의 유효자원을 쉽게 회수해낼 수 있는 장점이 있다.

그러나, 종래의 전해제련공정에서는 금속양극과 액체음극을 개별적인 제련조에서 각각 1조씩만 사용할 수 있어, 회수 시간이 오래 걸리는 등의 효율성이 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 전해제련 공정의 처리용량은 액체음극의 양에 따라 한정되고, 공정 운전 도중 액체음극의 처리용량이 한계에 도달하게 되면 운전을 중단하고 액체음극을 새로 교체해야만 하는 작업상의 번거로움으로 인해, 공정의 생산성은 저하되었고 공정 운전의 연속성은 보장되지 못하는 한계점을 가지고 있었다.

한편, 일본 공개특허 제2005-054209호에서는 산화물 전해법용 전해장치를 제공하고 있다. 상기 장치는 음극, 2종류의 양극, 전해 제어부 등을 포함하고, 2종류의 양극을 사용하여 처리속도를 향상시킨 사용후핵연료의 재활용을 위한 전해제련공정을 개시하고 있으나, 사용후핵연료의 처리용량에 있어서 임계점이 존재하는 한계를 가지고 있어, 이러한 종래의 문제를 해결할 새로운 전해제련 장치의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명자들은 전해제련 공정 과정에서 전해제련 장치의 처리용량 증대, 처리효율 증진 및 공정운전의 연속성을 보장하기 위한 전극구조를 개발하기 위해 연구한 결과, 고체양극-액체음극이 통합되어 하나의 모듈로 이루어진 전극 구조체를 개발하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 목적은 양극-액체음극이 통합된 일체형 전해제련 전극구조체를 제공하고, 전해제련공정에 있어 전해제련조에 다수개의 전극을 설치하여 운전할 수 있게 함으로써 사용후핵연료의 처리용량을 증대시키고, 이에 따라, 사용후핵연료의 재활용 효율을 증가시킴에 있다.

그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 사용후핵연료를 재활용하기 위한, 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 제공하고,

상기 전극구조체는 액체음극물질로 이루어진 액체음극부(10); 및 상기 액체음극부의 측면에 위치하며 양극물질로 이루어지는 복수개의 고체양극부(30)가 하나의 전극구조체에 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 양극-액체음극이 통합된 일체형 전해제련 전극구조체를 이용하면 한 개의 전해제련조에 다수개의 통합형 전극을 설치하여 운전할 수 있으므로, 처리용량 및 처리효율이 증진될 수 있으며, 운전시간을 감축하고 공정의 연속성이 보장될 수 있다.

또한, 종래에 각각 개별적으로 진행되었던 전해정련 공정과 전해제련 공정을 동일한 전해제련조에서 수행할 수 있게 됨으로써, 상기 공정들 사이에서 수반되어야 했던 염 운반 과정을 생략할 수 있어, 공정의 연계성 측면에서 효율성이 증가하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 양극-액체음극이 통합된 일체형 전해제련 전극구조체를 이용한 사용후핵연료의 재활용방법을 이용하면, 용융염 전해에 의해 순수한 우라늄 및 초우라늄원소 등을 회수할 수 있으므로, 상기 회수된 금속은 원자력 발전의 원료로서 재사용이 가능하다.

궁극적으로, 본 발명에 따른 양극-액체음극이 통합된 일체형 전해제련 전극구조체를 사용하면 종래의 전해제련공정에서 소모되었던 시간을 단축시키고, 공정의 연속성을 보장함으로써 효율성을 얻어낼 수 있으며, 이를 통하여 사용후핵연료를 안전하게 재활용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체의 설계도이다.
도 3은 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체가 제련조에 다수개로 삽입될 수 있음을 보여주는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 이용한 전해제련 운전 과정을 나타낸 모식도이다.

본 발명은 전해제련에 사용되는 양극과 액체음극을 하나의 구조로 모듈화한 일체형 전해제련 전극구조체에 관한 것이다.

본 발명자들은 전해제련공정에 있어서, 액체음극과 고체양극이 각각 1조씩만 사용되고, 액체음극의 양에 따라 처리용량의 한계가 결정되는 종래 장치의 효율성 개선방안에 대하여 연구하던 중, 양극-액체음극이 통합된 일체형 전해제련 전극구조체를 이용할 경우, 한 개의 전해제련조에 다수개의 전극을 설치하여 운전할 수 있으므로, 사용후핵연료의 재활용 효율성을 증가시킬 수 있음에 착안하여, 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 하나의 전해제련조에 여러 개의 양극과 액체음극을 동시에 사용하여 사용후핵연료의 재활용 효율성을 상승시키기 위한 전극구조로서, 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 제공함에 그 특징이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체는 사용후핵연료를 재활용하기 위한 파이로공정에 채용되는 전해제련기에 사용된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 전극구조체는 액체음극물질로 이루어진 액체음극부(10); 및 상기 액체음극부의 측면에 위치하며 양극물질로 이루어지는 복수개의 고체양극부(30)가 하나의 전극구조체에 포함되는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 제공한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 액체음극물질은 환형구조물로 지지되는 도가니에 담긴 형태이다. 도가니는 상부가 개방되어 있는 형태로, 고체양극부(30)와 연결되어 반응이 가능하도록 한다. 따라서, 상기 고체양극부(30)는 상기 액체음극부(10)의 도가니 지지부와 연결된 형태인 것이 바람직하나, 도가니 및 도가니를 지지하는 구조물은 다양한 형태로 변형이 가능하다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 도가니의 재질은 세라믹 재질인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 세라믹은 공정 중의 액체음극부(10)와 고체양극부(30)의 반응이 각각 일어날 수 있도록 절연성을 가져야 하는 것으로, 재질은 이에 제한되지는 않으나, 바람직하게 절연성을 가지는 세라믹으로, 알루미나, 지르코니아, 코디에라이트, 탄화규소, 탄화지르코니움, 질화규소, 질화알루미늄 및 붕화티탄 일 수 있고, 더욱 바람직하게는 알루미나, 코디에라이트, 탄화규소, 및 질화알루미늄 일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 전극구조체에 액체음극부(10)의 상부 중앙에 위치하는 메시 교반기(mesh stirrer)부(20)를 더 포함하는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다. 전해제련 공정에서 액체음극에서 우라늄을 회수할 때, 고체상의 우라늄이 액체음극과 용융염 계면에서 석출되어 수지상으로 용융염 상으로 성장하게 되는 현상이 있는데, 이 현상에 의한 전착물은 그 자체가 전극으로 작용하여 용융염 중의 우라늄만을 우선적으로 전착시켜 액체금속의 표면적을 감소시켜 초우라늄 회수공정의 효율을 크게 감소시키는 문제가 있다.

따라서, 액체음극부(10)의 상부 중앙에 메시 교반기를 설치할 경우, 메시 교반기의 상하왕복운동 및 회전운동에 의해 액체음극에서 생성되는 전착물이 수지상 형태로 성장하는 것을 방지할 수 있다.

파이로공정의 전해제련공정 중에 용융염 내 염소이온이 산화되어 양극에서 발생하는 염소(Cl₂)기체로 인해 고체양극부(30), 메시 교반기 또는 액체음극부(10)를 지지하는 환형구조물 또는 전해제련조가 부식될 수 있다.

따라서, 본 발명의 또다른 구현예에 따르면, 본 발명의 고체양극부(30) 또는 메시 교반기의 재질은 스테인레스스틸계 금속 재질인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않고, 상기 스테인레스스틸계 금속 재질은 STS 304, STS 304L, STS 304LN, STS 309S, STS 310S, STS 316, STS 316L, STS 316LN, STS 317L, STS 321, STS 347, STS XM15J1, STS 401L, STS 329J3L, 및 STS 329LD일 수 있으며, 염소기체로 인해 부식되지 않는 재질은 어느 것이든 가능하다.

또한, 본 발명의 또다른 구현예에 따르면, 파이로공정 중 양극에서 발생하는 염소(Cl₂) 기체의 배출을 위해, 본 발명의 전극구조체의 액체음극부(10) 및 고체양극부(30)의 상부에 통풍관 부(40)를 설치하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다.

본 발명의 또다른 구현예에 따르면, 본 발명의 액체음극물질은 공정 중의 온도에서 액체상태로 존재하는 금속이어야 하고, 바람직하게는 카드뮴(cadmium) 또는 비스무스(bismuth)일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 더욱 바람직하게는 카드뮴 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 또다른 구현예에 따르면, 본 발명의 양극물질은 카본(carbon)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다. 상기 양극물질은 하단부가 막혀있는 절연성인 세라믹으로 둘러싸여 액체음극부(10)의 지지대와 단절될 수 있도록 하고, 금속망에 삽입됨으로써 전해제련조 운전 중 양극물질이 손상되더라도 양극물질 파편이 전해제련조를 오염시키지 않도록 한다. 또한 하단부가 막혀있는 절연성인 세라믹은 기공이 있어 용융염 내 이온의 출입은 가능하나 양극에서 발생된 염소기체가 절연성 세라믹을 통과하여 금속망 밖으로 빠져나가지 못하도록 한다.

또한, 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체는 한 개의 전해제련조 안에 복수 개로 설치하여 사용될 수 있다(도 3 참조).

구체적으로, 기존 전극구조를 사용하는 경우, 액체음극을 1개 조만 설치가능하여, 종래의 전극구조체를 사용하여 회수할 수 있는 우라늄의 양(생산성)이 액체카드뮴 무게의 2.35 wt%이나, 본 발명에 따라 전해제련조 안에 복수개(n)의 전극을 설치할 경우, 전해제련조의 생산성(우라늄 회수율)은 기존에 비해 n배수만큼 증가하게 된다. 따라서, 전해제련공정에 본 발명의 전극구조체를 적용할 경우 전해제련공정의 생산성 및 효율성이 현저히 증대된다.

아울러, 도 4는 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 사용하는 전해정련 및 전해제련 과정을 나타낸 모식도로, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 전해제련 공정을 설명하면 하기와 같다.

우선, 용융염 내 우라늄과 초우라늄의 농도비가 3이 되면 전해정련 운전을 종료하고, 전해조에서 사용한 양극(핵연료물질이 장입된 바스켓)과 음극을 분리하여 준다. 이후, 상기 전해조에 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 장입하고, 전해제련 과정을 수행하여, 잔류한 우라늄 및 초우라늄 원소를 동시에 회수한다. 따라서, 종래의 파이로공정에서는 전해정련 운전 완료 후 염을 별도로 이송하여 제련조로 옮겨야 했으나, 본 발명의 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체를 사용하게 되면 정해정련조를 전해제련조로 이용가능하며, 제련조를 변경함에 따른 번거로움을 줄일 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 내용은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

10: 액체 음극부
20: 메시 교반기(mesh stirrer) 부;
30: 고체양극부;
40: 통풍관(venting line)부;

Claims (10)

1. 사용후핵연료를 재활용하기 위한, 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체로서,
   상기 전극구조체는 액체음극물질로 이루어진 액체음극부(10); 및
   상기 액체음극부의 측면에 위치하며 양극물질로 이루어지는 복수개의 고체양극부(30)가 하나의 전극구조체에 포함되고,
   상기 액체음극물질은 환형구조물로 지지되는 도가니에 담긴 형태이며, 상기 고체양극부(30)는 상기 액체음극부(10)의 도가니 지지부와 연결된 형태이고,
   상기 양극물질은 하단부가 막혀있는 세라믹으로 둘러싸여 금속망에 삽입되는 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 도가니의 재질은 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 전극구조체가 액체음극부(10)의 상부 중앙에 위치하는 메시 교반기(mesh stirrer)부(20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 메시 교반기의 재질은 스테인레스스틸계 금속 재질인 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 전극구조체가 액체음극부(10) 및 고체양극부(30)의 상부에 위치하는 통풍관(venting line)부(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 액체음극물질은 카드뮴(cadmium) 또는 비스무스(bismuth)인 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 양극물질은 카본(carbon)인 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.
   
9. 삭제
10. 제 1항에 있어서,
    상기 전극구조체는 한 개의 전해제련조에 다수 개로 설치되는 것을 특징으로 하는 양극-액체음극 일체형 전해제련 전극구조체.

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