KR101553739B1 - 우라늄 회수용 전기화학적 장치 - Google Patents

우라늄 회수용 전기화학적 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기화학적 장치에 관한 것으로서, 상세하게는, 용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조; 상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인; 상기 전해질 용액의 흐름으로부터 입자를 걸러 내는 필터; 상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극; 및 상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극을 포함하는, 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치에 대한 것이다. 본 발명의 장치는 상기 필터를 포함하지 아니하는 대신에, 전해질 용액을 일류시킴으로써 입자를 제거할 수도 있다.

Description

우라늄 회수용 전기화학적 장치{Electrochemical Device for Recovering Uranium}
본 발명은 전기화학적 장치에 관한 것으로서, 상세하게는, 용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조; 상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인; 상기 전해질 용액의 흐름으로부터 입자를 걸러 내는 필터; 상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극; 및 상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극을 포함하는, 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치에 대한 것이다. 본 발명의 장치는 상기 필터를 포함하지 아니하는 대신에, 전해질 용액을 일류시킴으로써 입자를 제거할 수도 있다.
사용후 핵연료(spent nuclear fuel)로부터 우라늄을 회수하는 고온 전기화학적 공정의 경우 전형적으로 불순물의 축적이 발생한다. 일반적으로, 사용후 핵연료의 고온 전기화학적 처리(high temperature electrochemical processing)에는, LiCl, KCl, MgCl2, NaCl, CaCl, 또는 다른 알칼리금속/할로겐 화합물의 조합을 함유하는 용융염욕(bath of moten salt)이 사용된다. 이때, UCl3와 같은 일부 다른 염화물을 상기 염에 첨가하여 시스템 내에서 일어나는 화학반응을 원활하게 한다.
용융염욕에는 두 개의 전극이 사용되는데, 대부분의 우라늄 금속과 일부 소량의 구성성분으로 이루어지며 사용후 핵연료를 포함하는 양전하로 대전된 산화극(anode)과, 전형적으로 염 내부로 삽입된 스틸(steel), 그래파이트(graphite) 또는 텅스텐 조각이며 음으로 대전된 환원극(cathode)이다.
용융염욕에 전기적 회로가 구성되면, 상기 산화극으로부터 우라늄이, 플루토늄과 같은 활성 금속종과 함께, 상기 용융염으로 용해된다. 이후, 우라늄만이 상기 환원극 위에 증착되고, 종종 불규칙한 수지상 구조(dendrites)를 형성한다. 상기 환원극에 증착된 우라늄은, 추가적인 처리과정을 위해 스크레이퍼/수집 바스켓(scraper/collection basket)을 통해 전기화학 전지로부터 회수된다. 이러한 공정이 도 1에 나타나 있다.
전해정련조(electrorefiner)의 산화극에 걸린 양전위에 의해 금속 우라늄이 산화되어 UCl3가 된다. 이미 용융염 내에 존재하는 염소 원자와 금속 우라늄 간에 다음과 같은 반응이 일어난다.
U (solid) + 3Cl- (liquid) -> UCl3 (liquid) + 3e- (1)
용융염 내에서 보다 더 활성을 갖는 화학종들 또한 산화되어 용융 금속염화물을 생성한다. 플루토늄은 우라늄과 유사한 방식으로 다음과 같이 반응한다.
Pu (solid) + 3Cl- (liquid) -> PuCl3 (liquid) + 3e- (2)
지르코늄과 같이 활성이 덜한 화학종들은 산화하지 않지만, 다른 물질들의 손실에 의해 상기 산화극으로부터 침식될 수 있다. 이러한 것들이 환원극 생성물 흐름을 오염시킬 수 있는 입자 물질의 근원이 된다. 이러한 상기 산화극의 구성성분은 전해질에 용해되지 아니한다. 오히려, 이들은 금속 또는 산화물로서 남아서 산화극에 잔류하거나, 용융염욕의 바닥으로 침강하거나, 용융염에 포함되는 입자를 형성하게 된다. 이후 이러한 입자들은 환원극 또는, 어떤 경우에는, 우라늄 생성물 수집 바스켓으로 들어가 공정의 최종 생성물을 오염시킨다.
환원극에 걸린 음전위에 의해 UCl3가 다음 반응식 (3)과 같이 환원되어 우라늄 금속을 형성하게 된다.
UCl3 (liquid) + 3e- -> U (solid) + 3Cl- (liquid) (3)
용융염 내에서 UCl3보다 활성이 작은 화학종들은 환원되어 금속이 된다. 금속염화물과 같은 전해질내에 더 활성이 적은 화학종들이 존재한다면, 이들은 환원극과 반응하여, 우라늄 석출(uranium deposition)과 유사하게 금속 생성물을 형성한다.
환원극에는 수지상 구조(dentrite)가 흔히 형성되고, 입자 물질이 상기 수지상 구조에 포획되어 생성물을 오염시킬 수 있다. 따라서 어떤 분리 방법이 필요하지만, 전하는 계속 이동되어야 한다. 그러므로 본 발명에서는 멤브레인을 사용하여 이러한 현상을 방지하는 것이 고려된다.
미합중국 특허 제7,799,185호는, 전해조, 제1 다공성 용기, 제2 다공성 용기, 환원극 및 하나 이상의 산화극을 포함하고, 용융염 전해질로부터 미량의 악티늄 원소(minor actinides) 및 초우라늄 원소(transuranic element)를 회수하는 방법 및 장치를 개시하고 있다.
상기 미합중국 특허 제7,799,185호에서, 다공성 멤브레인이 일부 용해된 화학종에 대한 장벽으로서 기능하지만, 용융염욕 시스템 내의 불순물 입자를 처리하지 못하고, 또한 구조가 복잡하다는 단점을 지니고 있다.
본 발명자는, 용융염욕 시스템에 다공성 멤브레인 외에 필터를 적용하거나, 전해질 용액을 일류시킴으로써, 단순한 구조의 용융염욕 시스템으로서 불순물 입자의 흐름을 차단할 수 있다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치를 제공하는 것으로서, 용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조; 상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인; 상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극; 및 상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극을 포함하고, 상기 전해질 용액이 한 쪽 전해조에서 다른 한 쪽의 전해조로 일류하는 유로 내부에서 용융염과 용융금속이 접촉하면서 입자들이 제거되는 것인, 장치를 제공하는 것이다(도 2 참조).
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 장치의 변형된 형태인, 용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조; 상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인; 상기 전해질 용액의 흐름으로부터 입자를 걸러 내는 필터; 상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극; 및 상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극을 포함하는 장치를 제공하는 것이다(도 3 참조).
본 발명의 장치들을 통하여 불순물의 오염 없이 우라늄을 회수하는 것이 가능하다.
전술한 본 발명의 목적은 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치로서, 용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조; 상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인; 상기 전해질 용액의 흐름으로부터 입자를 걸러 내는 필터; 상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극; 및 상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극을 포함하는 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치는 상기 환원극을 포함하는 체임버의 용융염 전해질 용액을 상기 산화극을 포함하는 체임버로 이송하는 펌프를 추가로 포함할 수 있다. 상기 펌프를 사용함으로써, 상기 다공성 멤브레인 및 필터에 의한 용융염 전해질 용액의 흐름의 유지할 수 있다.
상기 다공성 멤브레인은 흐름 장벽로서 작용하고, 따라서, 신속한 입자 이동에 대한 장벽이다. 그러나 상기 다공성 멤브레인을 통해 전기 전도 및 용해성 화학종들의 물질 전달이 가능하다. 상기 필터와 펌프는 용해된 우라늄을 함유하는 전해질을 환원극에 공급하는 수단으로서 작동하고, 상기 다공성 멤브레인의 환원극 쪽에 양압을 가하여 상기 장벽의 환원극 쪽을 향한 흐름을 추가로 줄여 준다.
상기 다공성 멤브레인은 서로 연결되고 속이 빈 체임버들을 포함하며 용융염 전해질 내에서 내식성을 갖는 어떠한 재질로도 제작될 수 있다. 예를 들면, 상기 다공성 멤브레인은 알루미나, 마그네시아, 베릴리아(berylia), 실리카 또는 지르코니아와 같은 세라믹 물질로 제조될 수 있다. 상기 다공성 멤브레인이 중간 전극(intermediate electrode)이 되는 것을 막을 수 있다면, 다공성 상기 멤브레인은 스테인레스 스틸 또는 텅스텐과 같은 금속으로 제조될 수 있다. 고온 및 화학적 조건을 견딜 수 있는 물질이고, 중공(hollow)이며 서로 연결된 공간을 갖는다면 어떠한 것이라도 멤브레인 재료로서 사용될 수 있다.
예를 들면, 상기 다공성 멤브레인은 스크린 메쉬(screen mesh), 다공성 매질로 이루어진 경질 부재(rigid piece of porous media), 또는 세라믹 펠트(ceramic felt)와 같은 섬유기반 제품의 형태일 수 있다.
상기 다공성 멤브레인은 기본적으로 화학반응이 일어나지 아니하는 전기적 전도체로서 작용하면서, 확산에 의해 상기 장벽을 통과하여 이동하는 용해된 성분에는 영향을 미치지 아니한다. 따라서 상기 다공성 멤브레인은 균일한 전류 전도를 허용하면서 입자를 함유하는 유체의 빠른 이동을 막아주는 역할을 수행하게 된다. 예를 들어, 펠트 내의 기공이 서로 연결되어 있고 상기 펠트를 토하여 전기적 접촉이 존재하므로 전류가 흐를 수 있다. 이 때문에, 펠트로 제조된 멤브레인은 전하 이동을 가능하게 하지만, 여과 작용에 의해 고체 물질의 이동을 제한하게 되고 전체 흐름 속도를 매우 느리게 한다. 또한, 역방향 흐름에 의해 고체 입자의 이동을 막을 수 있다.
다시 말하자면, 확산에 의해 이러한 장벽(멤브레인)을 통과하는 것은 용해된 화학종의 유형과는 관계가 없다. 상기 멤브레인의 사용으로 유체의 전체적인 흐름을 상당히 늦추거나 심지어 멈추게 하면서 균일하게 전류가 흐르도록 하는 것이 가능해진다. 그러나 멤브레인의 부식(corrosion)은 문제가 될 수 있다. 다공성인 비활성 세라믹, 금속, 또는 그래파이트가 사용될 수 있고, 이들은 펠트 멤브레인과 동일한 방식으로 작동할 것이다.
또한, 금속, 카본 또는 비활성 세라믹 스크린(메쉬)도 이러한 멤브레인용으로서 사용될 수 있는데, 이는 흐름 저항을 증가시켜 유체의 흐름을 제한하기 때문이다. 더욱이, 배압(back pressure)이 도입되면 상기 스크린을 관통하는 정방향 흐름을 방해하게 된다(이는 펠트 멤브레인의 경우와 유사하다).
상기 필터는 어떠한 형태라도 될 수 있지만, 재사용가능한 것이 바람직하다. 또한, 상기 필터는 고온에서 안정성을 유지하고 용융염내에서 화학적으로 반응하지 않으면서 전기를 통하지 않아 부식의 염려가 없는 재료로 제작되는 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 필터의 재질은 세라믹 화이버, 다공성 세라믹, 화이버 글라스 또는 카본재질일 수 있다. 이러한 필터 제작용 재료들은 스크린 메쉬 또는 섬유 블랭킷(fiber blanket)의 형태로 제작될 수 있다.
상기 필터의 목적은 입자들을 걸러내면서(trapping), UCl3 및 다른 용해된 성분을 상기 환원극으로 이동시키는 것이다. UCl3 및 다른 용해된 성분의 흐름이 정지한다면, 상기 전기화학적 시스템은 부적절하게 기능하기 시작할 것이다. 따라서 다공성 멤브레인만을 본 시스템에 적용하기에는 불충분하다. 그러나 상기 멤브레인 재질과 상기 필터 재질이 유사하기 때문에, 상기 멤브레인 및 필터는 연합하여 하나의 부품처럼 작동할 수 있다(도 3참조).
상기 산화극은 대부분의 우라늄 금속과 일부 소량의 구성성분으로 이루어지며, 상기 환원극은 전형적으로 염 내부로 삽입된 스틸(steel), 그래파이트(graphite) 또는 텅스텐으로 이루어진다.
본 발명의 장치에 사용될 수 있는 필터를 예시하면 다음과 같다.
1. 용융 금속 필터(molten metal filter)
i) 용융 금속 옆의 굴곡진 경로를 통과하여 염을 안내함.
ii) 상기 1.i)의 변형으로서, 용융 금속을 통하여 용융염을 버블링(bubbling)하여 표면적 대 부피비를 증가시켜 여과능력을 향상시킴.
2. 일반적인 형태의 필터(예를 들면, 카트리지 필터)
i) 섬유기반(fiber based) 필터
a) 금속기반 섬유(바람직하지 아니함)
b) 비활성 세라믹기반 필터(바람직함)
ii) 다공성 물질
a) 다공성 금속(바람직하지 아니함)
b) 다공성 비활성 세라믹(바람직함)
iii) 충전된(packed) 과립/분말 물질
a) 충전된 과립/분말 금속
b) 충전된 과립/분말 비활성 세라믹(바람직함).
용융염을 용융금속 주위로 펌핑하면(두 액체는 서로 섞이지 아니함), 용융 금속의 증가된 표면장력에 의해 금속 입자들이 상기 용융 금속에 부착된다. 대부분의 금속은 용융 금속에 용해되지만, 용융염에는 용해되지 아니하는데, 이는 금속 원자와 귀금속 입자 간의 분자간 힘이 염 원자와 귀금속 입자 간의 분자간 힘보다 더 세다는 것을 의미한다. 이러한 점은 금속 입자와 용융 금속 간의 표면장력이 금속 입자와 용융염 간의 표면장력보다 더 세다는 것을 암시한다. 본 발명의 필터는 카트리지를 포함하지 아니하므로 방사성 폐기물로서 처리되어야 할 필요가 없다.
상기 흐름의 경로는 베릴리아와 같은 비활성 세라믹, 또는 반응하니 아니하는 다른 금속으로 제조될 수 있다. 용융염욕은 아연, 카드뮴, 주석 또는 납과 같은 저융점 금속으로 제조된다. 상기 용융염은 LiCl-KCl 공융염 또는 원하는 물성에 따라 다른 형태의 용융염(MgCl2-KCl 등)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치로서, 용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조; 상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인; 상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극; 및 상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극을 포함하고, 상기 전해질 용액이 한 쪽 전해조에서 다른 한 쪽의 전해조로 일류하는 유로 내부에서 용융염과 용융금속이 접촉하면서 입자들이 제거되는 것인, 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에서 전해질 용액이 한 쪽 전해조에서 다른 한 쪽의 전해조로 일류함으로써 입자들을 제거한다는 것은, 용융염 내의 입자 제거를 위해 용융염과 용융금속(molten metal)을 연결하는 방법을 사용한다는 것을 의미한다. 용융금속을 사용한 입자의 제거는, 용융염의 이동을 안내하는 유로(flow path), 상기 유로 내부를 흐르는 용융염과 용융금속 그리고 상기 용융염을 상기 유로로 주입하는 펌프로 구성될 수 있다(도 3A, 3B 참조). 상기 용융금속은 상기 용융염과 접촉하면서 용융염 내의 입자들을 제거해내는 역할을 한다.
대부분의 금속은 용융염 내에서는 불용성이나, 용융금속 내에서는 용해될 수 있다(soluble). 즉, 금속 원자들과 귀금속 입자들(noble metal particulates) 간의 분자간 힘(intermolecular force)은 염 원자들(salt atoms)과 귀금속 입자들 간의 분가간 힘보다 강하다. 따라서 상기 용융염을 상기 용융금속이 존재하는 유로로 주입할 경우 상기 용융염과 상기 용융금속은 서로 섞이지 않으나, 상기 용융염 내에 존재하는 귀금속 입자들은 상기 용융금속의 높은 표면장력으로 인해 상기 용융금속 내부로 들어가게 되고 그 안에서 용해된다. 상기 용융염이 필터 내에서 계속 이동하면서 상기 용융금속과 접촉하게 되면 상기 용융염 내의 귀금속 입자들이 제거된다(도 4 참조).
상기 용융금속 재료로서 비교적 용융점이 낮은 아연, 카드뮴, 주석, 또는 납을 사용할 수 있다. 또한, 상기 유로를 제공하기 위한 구조재로서 알루미나 또는 스테인레스 스틸이 사용될 수 있다. 상기 용융염은 LiCl-KCl 공융염(eutectic)일 수 있다.
본 발명의 필터를 포함하지 아니하는 전기화학적 장치는 상기 환원극을 포함하는 체임버의 용융염 전해질 용액을 상기 산화극을 포함하는 체임버로 이송하는 펌프를 추가로 포함할 수 있다. 상기 펌프를 사용함으로써, 상기 다공성 멤브레인 및 필터에 의한 용융염 전해질 용액의 흐름의 유지할 수 있다.
상기 다공성 멤브레인은 흐름 장벽으로서 작용하고, 따라서, 신속한 입자 이동에 대한 장벽이다. 상기 필터와 펌프는 용해된 우라늄을 함유하는 전해질을 환원극에 공급하는 수단으로서 작동하고, 상기 다공성 멤브레인의 환원극 쪽에 양압을 가하여 상기 장벽의 환원극 쪽을 향한 흐름을 추가로 줄여 준다.
상기 다공성 멤브레인은 서로 연결되고 속이 빈 체임버들을 포함하며 용융염 전해질 내에서 내식성을 갖는 어떠한 재질로도 제작될 수 있다. 예를 들면, 상기 다공성 멤브레인은 알루미나, 마그네시아, 베릴리아, 실리카 또는 지르코니아와 같은 세라믹 물질로 제조될 수 있다. 상기 다공성 멤브레인이 중간 전극(intermediate electrode)이 되는 것을 막을 수 있다면, 다공성 상기 멤브레인은 스테인레스 스틸 또는 텅스텐과 같은 금속으로 제조될 수 있다.
상기 다공성 멤브레인은 스크린 메쉬(screen mesh), 다공성 매질로 이루어진 경질 부재(rigid piece of porous media), 또는 세라믹 펠트(ceramic felt)와 같은 섬유기반 제품의 형태일 수 있다.
상기 다공성 멤브레인은 기본적으로 화학반응이 일어나지 아니하는 전기적 전도체로서 작용한다. 주로 확산에 의해 상기 장벽을 통과하여 이동하는 용해된 성분의 종류는 무관한데, 이는 상기 다공성 멤브레인의 목적이 균일한 전류 전도를 허용하면서 입자를 함유하는 유체의 이동을 현저히 늦추거나 막는 것이기 때문이다.
본 발명의 장치는 종래기술의 문제점인, 생성물에 불순물이 혼입되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 매우 단순한 구조에 의해 제작 비용이 절감되는 효과를 낳는다.
도 1은 종래 기술에 따른 사용후 핵연료의 재처리용 전기화학적 전지의 개념도이다. 산화극이 용해되기 시작하면, 입자들이 환원극에 달라 붙는다.
도 2는 본 발명에 장치에 대한 하나의 실시 태양으로서, 다공성 멤브레인과 필터가 함께 장착된 전기화학적 전지를 보여 준다.
도 3은 본 발명에 장치에 대한 하나의 실시 태양으로서, 다공성 멤브레인이 흐름 및 입자에 대한 장벽으로서 작동하는 전기화학적 전지를 보여 준다.
도 4는 본 발명의 장치에 포함되는 필터의 유로 구조를 예시한다.
도 5는 귀금속 입자가 용융염에 포획되는 과정을 보여준다.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 내용을 구체화하기 위한 설명일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래기술에 따른 용융염욕 시스템의 개념을 나타낸다. 도 1을 참조하면, 용융염욕 시스템은 용융염 전해질 용액(LiCl, KCl, NaCl, MgCl2 등을 포함), 우라늄 환원극, 우라늄 및 다른 금속 또는 금속산화물을 포함하는 산화극을 포함한다.
이러한 용융염욕 시스템에서, 산화극의 일부 미량 구성성분은 전해질에 용해되지 아니하고, 오히려, 상기 일부 미량 구성성분은 금속 또는 산화물로서 남아 있거나, 용융염욕의 바닥으로 침강하거나, 상기 용융염에 내포되는 입자를 형성한다. 이후 이러한 입자는 환원극에 증착되어, 생성물에 대한 불순물로서 작용하게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 장치에 대한 하나의 실시 태양이 나타나 있다. 전해조 내에 용융염 전해질 용액이 차 있고, 이를 다공성 멤브레인과 필터가 두 개의 체임버로 분획하고 있다. 각 체임버에 산화극과 환원극이 설치되어 있으며, 환원극 쪽의 전해질 용액을 산화극 쪽 체임버로 이송하기 위한 펌프 및 배관이 나타나 있다.
상기 다공성 멤브레인에 의하여 산화극 쪽으로부터 환원극 쪽으로의 전해질 용액의 흐름이 진행된다. 또한, 상기 다공성 멤브레인은 상기 전해질 용액의 흐름을 제한하는 기능도 갖는다.
또한, 필터(나타나 있지 않음)는 산화극 쪽 체임버 내의 입자들이 환원극 쪽의 체임버로 이동하는 것을 막아 준다. 이로써, 환원극에는 순수한 우라늄 만이 증착되게 된다.
또한, 펌프는 환원극 쪽 체임버의 용액을 산화극 쪽 체임버로 이송함으로써, 산화극 쪽으로부터 환원극 쪽으로의 전해질 용액의 흐름을 유지하는 역할을 한다.
도 2의 용융염욕 시스템의 전기적 회로를 구성하면, 상기 산화극으로부터 우라늄이, 플루토늄과 같은 활성 금속종과 함께, 상기 용융염으로 용해된다. 이후, 우라늄만이 상기 환원극 위에 증착되고, 이때 증착된 우라늄은 종종 불규칙한 수지상 구조를 형성한다. 상기 환원극에 증착된 우라늄은, 추가적인 처리과정을 위해 회수된다.
산화극에서는, 상기 산화극의 우라늄 및 일부 다른 금속이 전자를 잃고, 전해질 내의 할로겐 원자에 결합한다. 환원극의 증착 반응에서, UCl3의 우라늄 원자가 전자를 다시 얻고, 할로겐 원자는 전해질 내에 남게 된다.
이때, 산화극의 일부 미량 구성성분은 전해질에 용해되지 아니하고, 금속 또는 금속산화물로서 남아 있거나, 용융염욕의 바닥으로 침강하거나, 상기 용융염에 내포되는 입자를 형성한다. 이러한 입자는 공정의 최종 생성물을 오염시키기 때문에 필터를 사용하여 차단하여 환원극과의 접촉을 막음으로써, 오염을 방지하게 된다.
도 3은 본 발명의 장치에 대한 또 다른 실시태양이다. 도 3에 나타나 있듯이, 멤브레인을 관통하여 양 쪽 체임버를 연결하는 파이프에 필터와 펌프가 장착되어 있다.
상기 펌프를 가동하면 산화극 체임버에서 환원극 체임버 쪽으로 금속 입자를 포함하는 유체가 이동하게 되고, 이때 필터에 의해 상기 금속 입자가 여과된다. 환원극 쪽에 과량으로 존재하게 되는 유체는 다공성 멤브레인을 통하여 다시 산화극쪽으로 이동하게 된다. 이외의 다른 작동 원리는 도 2에 대한 설명과 동일하다.
또한, 본 발명의 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치는 필터를 포함하지 아니할 수 있다. 이 경우에는, 전해질 용액이 한 쪽 전해조에서 다른 한 쪽의 전해조로 일류하면서 입자들이 제거되도록 본 발명의 장치가 구현된다. 보다 상세하게는, 본 발명의 본 발명의 필터를 포함하지 아니하는 전기화학적 장치는 도 4에 나타난 유로를 사용함으로써 입자를 제거할 수 있다.
입자의 제거 원리가 도 5에 나타나 있다. 도 5를 참조하면, 상기 유로에서 용융염과 용융금속이 접촉하고, 이로 인하여 귀금속 입자가 제거됨을 알 수 있다.
상기 유로는 본 발명의 장치에 포함되는 멤브레인에 설치될 수 있으나, 이에 제한되지 아니한다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치로서,
    용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조;
    상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인;
    상기 전해질 용액의 흐름으로부터 입자를 걸러 내는 필터;
    상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극;
    상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극;
    상기 환원극을 포함하는 체임버의 용융염 전해질 용액을 상기 산화극을 포함하는 체임버로 이송하도록 상기 환원극 내부에 침잠 배치되는 펌프; 및
    입구단은 상기 환원극이 설치되는 전해조 체임버의 내부에 침잠되고, 출구단은 상기 산화극이 설치되는 전해조 체임버의 내부에 침잠되며, 상기 다공성 멤브레인과 필터를 우회하여 배치되는 파이프;를 포함하며,
    상기 입자와 용융 금속간의 표면장력에 의해 입자가 상기 산화극이 배치되는 전해조의 체임버에 포집되고, 상기 환원극 측으로의 이동이 차단되는 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 다공성 멤브레인은 알루미나, 마그네시아, 베릴리아, 실리카, 지르코니아, 스테인레스 스틸 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 다공성 멤브레인은 스크린 메쉬, 다공성 매질로 이루어진 경질 부재, 및 세라믹 펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태인 것임을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 필터는 스크린 메쉬 또는 섬유 블랭킷의 형태인 것임을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 필터는 세라믹 화이버, 다공성 세라믹, 화이버 글라스 및 카본으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재질인 것임을 특징으로 하는 장치.
  7. 사용후 핵연료로부터 우라늄을 회수하는 전기화학적 장치로서,
    용융염 전해질 용액을 함유하는 전해조;
    상기 전해조를 두 개의 체임버로 구분하고 전해질 용액의 흐름을 제한하는 다공성 멤브레인;
    상기 전해조의 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 산화극;
    상기 전해조의 다른 한 쪽에서 상기 용융염에 삽입되는 환원극;
    상기 다공성 멤브레인을 관통하여 양 쪽 체임버를 연결하는 파이프;
    상기 파이프의 출구단에 설치되며, 지그재그 형태의 유로; 및
    상기 유로 후단에 배치되어, 산화극 체임버에서 환원극 체임버 쪽으로 금속 입자를 포함하는 유체를 이동시켜, 필터에 의해 상기 금속 입자를 여과시키는 펌프;를 포함하며,
    환원극 쪽에 존재하게 되는 전해질용액은 상기 다공성 멤브레인을 통하여 다시 산화극으로 이동하고, 상기 파이프 내부에서 용융염과 용융금속이 접촉하면서 입자들이 제거되는 장치.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 다공성 멤브레인은 알루미나, 마그네시아, 베릴리아, 실리카, 지르코니아, 스테인레스 스틸 및 텅스텐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 장치.
  10. 제7항에 있어서, 상기 다공성 멤브레인은 스크린 메쉬, 다공성 매질로 이루어진 경질 부재, 및 세라믹 펠트로 이루어진 군으로부터 선택되는 형태인 것임을 특징으로 하는 장치.
  11. 제7항에 있어서, 상기 용융금속은 아연, 카드뮴, 주석 및 납으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것임을 특징으로 하는 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 용융염은 LiCl-KCl 공융염인 것임을 특징으로 하는 장치.
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