KR101576612B1 - Recovery method of the residual actinide element from the chloride molten salt - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 있어서, 상기 염화물 용융염에 희토류 금속을 첨가하여 악티늄족 금속을 회수하는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법을 제공한다.
본 발명은 특히, 회수하는 악티늄족 원소를 핵연료로 사용하기 위하여, 악티늄족 원소와 함께 회수되며 핵연료 피복관을 손상시킬 수 있는 희토류 원소의 함량이 최소화 되도록 회수하기 위하여, 환원제인 희토류 금속은 Gd 또는 Y를 선정하여 사용한다.
The present invention relates to a method for recovering residual actinide elements in a chloride molten salt. More specifically, the present invention relates to a method for recovering a residual actinide element in a chloride molten salt, characterized in that a rare earth metal is added to the chloride molten salt to recover the actinide group metal. In the chloride molten salt, A method for recovering a liquid.
In particular, in order to recover the amount of the rare earth element which can be recovered together with the actinide element and which can damage the nuclear fuel cladding, in order to use the recovering actinide element as a nuclear fuel, the rare earth metal as the reducing agent is Gd or Y Is selected and used.

Description

염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법 {Recovery method of the residual actinide element from the chloride molten salt}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for recovering a residual actinide element from a chloride molten salt,

본 발명은 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족(Actinide: An) 원소의 회수방법에 있어서, 상기 염화물 용융염에 희토류(Rare Earth: RE) 금속을 첨가하여 악티늄족 금속을 회수하는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법을 제공한다.The present invention relates to a method for recovering residual actinide elements in a chloride molten salt. More particularly, the present invention relates to a method for recovering residual Actinide (An) elements in a chloride molten salt, comprising the step of adding a rare earth (RE) metal to the chloride molten salt to recover an actinide group metal And recovering the residual actinide element in the molten chloride salt.

사용후 금속 핵연료의 부피 감축 및 재활용을 위해 고온에서 염화물 용융염을 사용하여 건식으로 핵연료를 처리하는 파이로공정(pyroprocess)에서 핵연료 중에 포함된 우라늄(uranium, U) 및 초우라늄(transuranics, TRU)원소 등의 악티늄족 원소(actinide element)는 고체음극에 순수한 우라늄을 분리해내는 전해정련(electrorefining) 및 액체음극을 이용하여 용융염 중에 잔존하는 우라늄과 초우라늄을 회수하는 전해제련(Electrowinning) 공정을 이용하여 회수한다. Uranium (U) and transuranics (TRU) contained in nuclear fuel in a pyroprocess, which processes dry nuclear fuel using molten chloride at high temperature for volume reduction and recycling of metallic fuel after use, The actinide element, such as elemental elements, is an electrowinning process in which uranium and uranium that remain in the molten salt are recovered by using electrorefining to separate pure uranium from solid anodes and liquid anodes. .

일예로 LiCl-KCl 공융염 내에서 사용후 금속 핵연료를 양극에 장입하고 전기를 인가하여 우라늄 및 초우라늄 원소를 용해시키고 철재 또는 액체 카드뮴 음극(Liquid Cadmium Cathode: LCC)에 우라늄 및 초우라늄 원소를 각각 전착시켜 회수한다. For example, in the LiCl-KCl eutectic salt, the spent metal fuel is charged into the anode, the uranium and the uranium element are dissolved by applying electricity, and the uranium and the uranium elements are added to the iron or liquid cadmium cathode (LCC) Electrodeposited and recovered.

많은 양의 핵연료를 전해정련 및 전해제련 공정에 의해 처리할 경우 용융염 중에는 핵분열생성물이 누적되기 때문에 폐용융염 처리공정을 이용하여 핵분열생성물을 제거하는 과정이 뒤따른다. 파이로 공정에서 발생하는 고준위폐기물 및 처분장에 보내는 악티늄족 원소의 양은 가능한 한 최소화시켜야 환경에 대한 부담이 경감되고 등록특허 10-1047838로 공정의 경제성이 증대될 수 있다. 그러나 용융염 속에는 우라늄 및 초우라늄 등의 악티늄족 원소 일부가 잔류되어 있기 때문에 폐용융염 처리공정 이전 단계에서 이들 악티늄족 원소를 충분히 제거해 주어야 한다.When a large amount of nuclear fuel is treated by electrolytic refining and electrolytic smelting processes, the fission product is accumulated in the molten salt, so the process of removing the fission product by using the waste molten salt treatment process follows. The amount of high-level waste generated in the pyrogen process and the amount of actinide elements sent to the repository should be minimized as much as possible to alleviate the burden on the environment, and the economical efficiency of the process can be increased by the patent 10-1047838. However, since some of the actinide elements such as uranium and ultra-uranium remain in the molten salt, these actinide elements must be sufficiently removed before the waste molten salt treatment step.

종래의 잔류 악티늄족 원소를 회수하는 방안으로 환원추출법[K. Kinoshita, et al., "Separation of Uranium and Transuranic Elements from Rare Earth Elements by Means of Multistage Extraction in LiCl-KCl/Bi System", J. Nucl. Sci. Tech., 36(2), 189 (1999).], 전해회수법[M. Iizuka, et al., "Actinides Recovery from Molten Salt/Liquid Metal System by Electrochemical Methods", J. Nucl. Mat., 247, 183 (1997) ; ANL's Chemical Technology Division Annual Technical Report 1994, ANL-95/24, p.91 (1995).] 및 산화물 형성 등을 이용한 여러 가지 방법이 고려되고 있다. As a method for recovering a conventional residual actinide element, a reduction extraction method [K. Kinoshita, et al., "Separation of Uranium and Transuranic Elements from Rare Earth Elements by Means of Multistage Extraction in LiCl-KCl / Bi System ", J. Nucl. Sci. Tech., 36 (2), 189 (1999)), electrolytic recovery method [M. Iizuka, et al., "Actinides Recovery from Molten Salt / Liquid Metal System by Electrochemical Methods ", J. Nucl. Mat., 247, 183 (1997); ANL ' s Chemical Technology Division Annual Technical Report 1994, ANL-95/24, p. 91 (1995)) and oxide formation.

일본에서는 전력중앙연구소(CRIEPI)를 주축으로 폐용융염으로부터 잔류 악티늄족 원소를 회수하기 위해 다단계의 향류식 환원추출 방법이 가능성이 큰 것으로 제시되어 개발 중에 있다[[K. Kinoshita, et al., "Separation of Uranium and Transuranic Elements from Rare Earth Elements by Means of Multistage Extraction in LiCl-KCl/Bi System", J. Nucl. Sci. Tech., 36(2), 189 (1999).]. In Japan, a multi-stage countercurrent reduction extraction method is proposed to recover residual actinide elements from pulverized molten salts by the Central Research Institute of Electric Power (CRIEPI). Kinoshita, et al., "Separation of Uranium and Transuranic Elements from Rare Earth Elements by Means of Multistage Extraction in LiCl-KCl / Bi System ", J. Nucl. Sci. Tech., 36 (2), 189 (1999)).

그러나, 비중 차이가 큰 용융염과 액체금속을 서로 마주보며 3∼5단계로 흐르게 향류 방식으로 공급해서 2상으로 접촉시키는 다단계 환원추출 장치를 구축하는 것이 쉽지 않고, 장치를 운전하는 조업 과정이 매우 복잡하다. 또한, 실제로 활용하게 될 경우 대규모의 파이로 공정에서 발생하는 많은 양의 폐용융염을 처리해야 할 때 다단계 환원추출 장치의 용량 증대 및 연속조업이 어려워 처리속도 및 효율이 저하되는 단점이 있다.However, it is not easy to construct a multi-stage reduction extracting apparatus in which a molten salt having a large difference in specific gravity is brought into contact with the liquid metal in a countercurrent manner so as to flow in three to five steps while facing each other and contacted in two phases. Complex. In addition, when it is practically used, it is difficult to increase the capacity and continuous operation of the multistage reduction extraction apparatus when a large amount of waste molten salt generated in a large-scale pyrogen process needs to be treated.

미국의 아르곤 국립연구소(ANL)에서는 Li-Cd 양극재료와 철재 고체음극을 사용하는 전해회수 방법[ANL's Chemical Technology Division Annual Technical Report 1994, ANL-95/24, p.91 (1995).]을 검토하였으나, 이 고체음극 전해회수 방법에서는 피할 수 없는 반응으로 전착된 금속과 +3가 이온이 반응하여 +2가를 생성하는 불균등화 반응이 일어나기 때문에 회수효율이 크게 감소될 수 있다.In the United States, the Argonne National Laboratory (ANL) reviewed an electrolytic recovery method using an Li-Cd anode material and a steel solid cathode [ANL's Chemical Technology Division Annual Technical Report 1994, ANL-95/24, p. However, in this solid-state cathodic electrolytic recovery method, a disproportionation reaction occurs in which an electrodeposited metal reacts with a +3 -valent ion to generate a +2 valency, which is an inevitable reaction, so that the recovery efficiency can be greatly reduced.

원자력발전소에서 나오는 사용후핵연료의 부피 감축을 위해 파이로공정(Pyroprocess) 기술의 활용시에 경제성이나 방사선 안전에 대한 신뢰성을 높이려면 처분하는 고준위 폐기물에 들어가는 악티늄족 원소의 양을 최소화시켜야 한다.In order to reduce the volume of spent nuclear fuel from nuclear power plants, it is necessary to minimize the amount of actinide elements in the high-level wastes to be disposed of in order to increase the reliability of economics and radiation safety when using Pyroprocess technology.

파이로공정의 전해제련 공정에서 나오는 용융염 폐기물로부터 우라늄 및 TRU와 같은 악티늄족 원소를 최대로 회수하기 위해 한국원자력연구원에서 "잔류악티늄족 원소 회수(RAR; Residual Actinides Recovery)"기술을 개발하여 이미 한국과 미국에 특허를 등록하였다.  The Korea Atomic Energy Research Institute has developed the "Residual Actinides Recovery (RAR)" technology to recover the maximum amount of actinide elements such as uranium and TRU from the molten salt waste from the electrolytic smelting process of the Pyro process. We have registered patents in Korea and the United States.

상기 RAR 기술은 용융염에서 악티늄족 원소를 회수하는 방법으로 LCC 전해 단계 및 CdCl2 산화제를 첨가하는 산화추출 단계의 2단계 절차로 순차 적용하여 악티늄족 원소의 잔류 농도를 0.01 wt% (100 ppm) 이하로 감축시키는 방법이며, LCC 전해시 유독성의 염소(Cl2) 가스가 발생하므로 이를 포집하여 처리하는 별도의 장치설비가 필요하고 고순도, 높은 가격의 CdCl2 산화제가 필요하며 2단계 공정이라 10~15 시간 정도의 운전시간이 요구된다. The RAR technique was applied in a two-step procedure of recovering the actinide element in the molten salt by the LCC electrolysis step and the oxidation extraction step in which the CdCl 2 oxidizing agent was added. The residual concentration of the actinide element was 0.01 wt% (100 ppm) (Cl 2 ) gas is generated when LCC is electrolyzed. Therefore, it is necessary to separate equipment for collecting and treating the chlorine (Cl 2 ) gas, and a high purity and high cost CdCl 2 oxidizing agent is required. A driving time of about 15 hours is required.

앞으로 RAR 기술이 실용화되기 위해서는 고준위 방사선 구역인 핫셀의 제약된 공간 내에서 사용하는 RAR 공정이 보다 간편하고 장치도 간단하여 효율성 및 경제성이 우수한 혁신적인 개념의 공정 및 장치를 개발하는 것이 필요하다. In order to put the RAR technology into practical use in the future, it is necessary to develop an innovative concept process and apparatus having a simpler and simpler RAR process, which is efficient and economical, in the restricted space of the hot cell of the high-level radiation zone.

또한, 회수되는 악티늄족 원소를 핵연료 제조에 활용하기 위하여 악티늄족 원소와 함께 회수되는 희토류 원소는 핵연료 피복관을 손상시킬 수 있기 때문에 희토류 원소의 양을 가급적 최소화 시키는 것이 필요하다.
In addition, it is necessary to minimize the amount of the rare earth elements as rare earth elements recovered together with the actinide elements may damage the nuclear fuel cladding to utilize the recovered actinide elements in nuclear fuel fabrication.

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 사용후 핵연료의 전해정련 후 또는 전해제련 후에 발생하고 악티늄족 원소와 희토류 원소를 포함하는 염화물 용융염에서 악티늄족 원소와 함께 회수되는 희토류 원소의 양이 최소화 되도록 잔류 악티늄족 원소를 회수하는 방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a process for recovering residual rare earth elements, which is generated after electrolytic refining or electrolytic refining of spent nuclear fuel and which is recovered together with an actinide group element in a chloride molten salt containing an actinide group element and a rare earth element, And to provide a method for recovering actinide elements.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 있어서, 상기 염화물 용융염에 희토류 금속을 환원제로 첨가하여 악티늄족 금속을 회수하는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for recovering residual actinide elements in a chloride molten salt, which comprises recovering an actinide group metal by adding a rare earth metal as a reducing agent to the chloride molten salt, Thereby providing a recovery method of the residual actinide group element in the salt.

본 발명의 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 의하면, 희토류 금속을 LiCl-KCl 공융염에 장입하고 환원제로 사용하여 악티늄족 금속 이온을 환원시켜 공융염에 들어있는 여러 가지 종류의 악티늄족 원소를 동시에 모두 회수하며, 악티늄족 원소에 함께 회수되는 희토류 원소의 양이 최소화 되도록 하며, 회수처리 시간을 크게 단축시키고 공정 및 장치를 간소화시켜 회수공정의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.According to the method for recovering the residual actinide group element in the chloride molten salt of the present invention, the rare earth metal is charged into the LiCl-KCl eutectic salt and used as a reducing agent to reduce the actinide group metal ion to produce various kinds of actinide The amount of the rare earth element to be recovered together with the actinide element can be minimized, the recovery time can be greatly shortened, and the process and apparatus can be simplified, thereby remarkably improving the efficiency of the recovery process.

도 1은 용융염 속에 희토류(RE) 금속을 도입하여 악티늄족 원소를 이온 상태에서 금속 상태로 전환시켜 회수하는 RAR 혁신 기술의 모식도이다.
도 2a는 2성분계 평형반응에 의한 HSC 전산코드 사용한 용융염 속 악티늄족 금속 염화물과 희토류 금속의 반응평형 분배곡선도이다.
도 2b는 다성분계 평형반응에 의한 HSC 전산코드 사용한 용융염 속 악티늄족 금속 염화물과 희토류 금속의 반응평형 분배곡선도이다.
도 3a는 ICP 정량분석 방법으로 농도를 측정한 LiCl-KCl 공융염 내 금속염화물의 변화량을 나타낸 도면으로서, U와 Nd의 농도변화를 나타낸다.
도 3b는 ICP 정량분석 방법으로 농도를 측정한 LiCl-KCl 공융염 내 금속염화물의 변화량을 나타낸 도면으로서, Ce와 La의 농도변화를 나타낸다.
도 4는 공융염이 큰 용기 속에 들어있고 희토류 금속과 교반기를 넣은 작은 용기를 공융염 속에 장입하여 이온에서 금속으로 환원된 악티늄족 원소를 작은 용기 안으로 모아 회수하는 RAR 혁신 기술의 모식도이다.
도 5는 악티늄족(An) 원소를 미세 입자 상태로 회수한 뒤 공융염에서 악티늄족 원소를 분리하기 위해 공융염에 카드뮴(Cd)을 첨가하여 Cd-An 합금 형태로 전환하는 RAR 혁신 기술의 모식도이다.
FIG. 1 is a schematic diagram of an RAR innovation technique in which a rare earth (RE) metal is introduced into a molten salt to convert an actinide element into a metal state from an ionic state and recover it.
FIG. 2A is a reaction equilibrium distribution diagram of an actinide group metal chloride in a molten salt and a rare earth metal using an HSC code according to a two-component equilibrium reaction.
FIG. 2B is a diagram showing a reaction equilibrium distribution curve of an actinide group metal chloride in a molten salt and a rare earth metal using an HSC code according to a multicomponent equilibrium reaction.
FIG. 3A is a graph showing the amount of change of metal chloride in the LiCl-KCl eutectic salt, the concentration of which is measured by the ICP quantitative analysis method, and shows the concentration change of U and Nd.
FIG. 3B is a graph showing the amount of change of metal chloride in the LiCl-KCl eutectic salt measured by ICP quantitative analysis, showing the change in the concentration of Ce and La.
FIG. 4 is a schematic diagram of an RAR innovation technique in which a eutectic salt is contained in a large vessel and a small vessel containing a rare-earth metal and a stirrer is charged into a eutectic salt and an actinide element reduced from an ion to a metal is collected into a small vessel and recovered.
FIG. 5 is a schematic view of a RAR innovation technique for converting an actinide (An) element into a fine particle state and then converting cadmium (Cd) into a cadmium alloy form in the eutectic salt to separate actinide elements from eutectic salts to be.

본 발명은 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법을 제공한다.The present invention provides a method for recovering residual actinide elements in a chloride molten salt.

본 발명은 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 있어서,The present invention relates to a method for recovering a residual actinide group element in a chloride molten salt,

상기 염화물 용융염에 희토류 금속을 환원제로 첨가하여 악티늄족 금속을 회수하는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법을 제공한다.And recovering the actinide group metal by adding a rare earth metal as a reducing agent to the chloride molten salt, and recovering the actinide group metal in the chloride molten salt.

상기 염화물 용융염은 LiCl-KCl 공융염인 것을 특징으로 할 수 있다.The chloride molten salt may be a LiCl-KCl eutectic salt.

상기 희토류 금속은 Gibbs 자유에너지(-△G)가 악티늄족 금속 보다 더 큰 것을 특징으로 할 수 있다.The rare earth metal may be characterized in that the Gibbs free energy (-ΔG) is greater than that of the actinide group metal.

상기 희토류 금속은 Gd, Y, Nd, Pr, Ce 및 La 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. The rare earth metal may be at least one selected from Gd, Y, Nd, Pr, Ce and La.

상기 악티늄족 원소를 회수한 뒤 공융염에서 분리하기 위해 환원제인 희토류 금속과 교반기를 넣은 작은 용기를 공융염이 들어있는 큰 용기 속으로 장입하여 금속 이온에서 금속 미세입자 상태로 환원된 악티늄족 원소를 작은 용기 안으로 모아 회수하는 것을 특징으로 할 수 있다.After collecting the actinide elements, a small vessel containing a rare earth metal, a reducing agent and a stirrer, was charged into a large vessel containing eutectic salts to separate the actinide elements from metal ions into fine metal particles. And collected in a small container and recovered.

상기 작은 용기 속으로 악티늄족(An) 원소를 미세 입자 상태로 회수한 뒤 작은 용기 속의 공융염에 들어있는 악티늄족 원소만을 일부 환원되어 부유된 희토류 금속 미세 입자와 분리하기 위해 공융염에 카드뮴(Cd)을 첨가하고 Cd-An 합금 형태로 전환하여 공융염과 Cd-An 합금을 분리하는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to separate only the actinide element contained in the eutectic salt in the small vessel from the rare earth metal fine particles which have been partially reduced, cadmium (Cd) is added to the eutectic salt after the actinide element (An) ) Is added and converted into a Cd-An alloy form to separate the eutectic salt and the Cd-An alloy.

상기 악티늄족 원소와 함께 회수되어 핵연료 피복관을 손상시킬 수 있는 희토류 원소의 함량이 최소화 되도록 악티늄족 원소를 회수하기 위해 특별히 상기 희토류 금속의 선정은 금속염화물 형성 Gibbs 자유에너지(-△G)가 악티늄족 금속의 Gibbs 자유에너지(-△G) 값에 가까운 Gd 또는 Y를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.In order to recover the actinide element so as to minimize the content of the rare earth element which may be recovered together with the actinide element to damage the nuclear fuel cladding, the selection of the rare earth metal is preferably performed in such a way that the metal chloride forming Gibbs free energy (-ΔG) And Gd or Y close to the Gibbs free energy (-? G) value of the metal is used.

상기 공융염에 환원제인 Gd 또는 Y 등의 희토류 금속을 넣고 악티늄족 원소의 환원반응이 종료되는 2시간 후에 환원제인 Gd 또는 Y 등의 희토류 금속을 공융염에서 빼내어 Gd 또는 Y 이외의 희토류 금속 이온이 환원되는 양을 최소화 시키는 것을 특징으로 할 수 있다.A rare earth metal such as Gd or Y, which is a reducing agent, is added to the eutectic salt, and a rare earth metal such as Gd or Y, which is a reducing agent, is taken out from the eutectic salt 2 hours after completion of the reduction reaction of the actinide group element, Thereby minimizing the amount of reduction.

이하 본 발명인 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
Hereinafter, the method for recovering the residual actinide element in the chloride salt of the present invention will be described in detail.

희토류(Rare earth ( RERE ) 금속이 환원제로 작용하여 ) The metal acts as a reducing agent 악티늄족Actinide 이온이 금속으로 환원되는 반응을 이용하여 용융염 내에서  By using the reaction that the ions are reduced to metal, 악티늄족Actinide 금속을 회수하는 방법 How to recover metal

기존의 RAR 공정장치 기술을 개량하기 위해 "혁신적인 잔류악티늄족 원소 회수(Innovative RAR; Inn-RAR)" 기술을 개발하였다. Innovative RAR (Innovative RAR) technology has been developed to improve existing RAR process equipment technology.

RAR 혁신(Inn-RAR) 기술은 LiCl-KCl 공융염에 들어있는 여러 가지 종류의 악티늄족 원소를 동시에 모두 회수하기 위해 열역학적으로 금속염화물의 형성 Gibbs 자유에너지(-△G)가 악티늄족 금속 보다 더 큰 희토류(RE) 금속을 도입하여 화학적 포텐셜에 기반하는 산화-환원 반응을 이용하며, 1단계로 회수하는 간단한 방법을 특징으로 한다. Inner-RAR (RAR) technology thermodynamically forms the metal chlorides Gibbs free energy (-ΔG) to recover all the various actinide elements contained in the LiCl-KCl eutectic salt more than the actinide metals It features a simple method of recovering in one step using a large rare-earth (RE) metal, using oxidation-reduction reactions based on chemical potentials.

RAR 혁신(Inn-RAR) 기술의 특징은 희토류(RE) 금속을 용융염에 장입하여 화학적인 악티늄족 금속 이온의 환원 반응을 유도하고 악티늄족 금속의 회수공정을 간소화시켜 공정 효율을 향상시킨다.Inner-RAR technology features Rare earth (RE) metals in molten salt to induce the reduction of chemical actinide metal ions and simplify the process of recovery of actinide metals to improve process efficiency.

도 1은 희토류(RE) 금속이 환원제로 작용하여 악티늄족 이온이 금속으로 환원되는 반응을 이용하여 용융염 내에서 악티늄족 금속을 회수하는 방법을 보여주는 모식도이다. FIG. 1 is a schematic diagram showing a method of recovering an actinide group metal in a molten salt by using a rare earth (RE) metal as a reducing agent and reducing an actinide ion to a metal.

LiCl-KCl 공융염에 들어있는 염화물 상태의 모든 악티늄족 이온은 공융염 속으로 장입된 희토류(RE) 금속에 의해 유발된 환원 반응이 진행되면서 여러 가지 종류의 악티늄족 금속이 미세 입자 상태로 전환되며 밀도가 매우 큰 악티늄족 금속은 용기의 바닥에 쌓이게 된다. 그러나 이 때 일부 환원된 희토류 금속은 공융염의 상부 표면으로 부유된다.All of the actinide ions in the chloride state in the LiCl-KCl eutectic salt are converted into the fine particles of various kinds of actinide metals as the reduction reaction induced by the rare earth (RE) metal charged into the eutectic salt proceeds Very dense actinide metals are deposited on the bottom of the container. At this time, however, some reduced rare earth metals float to the upper surface of the eutectic salt.

이와 같은 환원 반응이 진행되는 경향성은 표 1에 나타낸 금속염화물의 형성 Gibbs 자유에너지 값 크기의 순서를 따르게 된다. 하기 표 1에서 (a)는 문헌 값이고, (b)는 HSC 6.0 계산 값이다.The tendency of such reduction reactions to proceed follows the order of magnitude of the formation Gibbs free energy value of the metal chloride shown in Table 1. In Table 1, (a) is the document value and (b) is the calculated value of HSC 6.0.

[표 1][Table 1]

금속염화물의 형성 Gibbs 자유에너지(-△G) Formation of metal chlorides Gibbs free energy (-ΔG)

Figure 112013118902728-pat00001

Figure 112013118902728-pat00001

이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Experimental Examples. However, the following examples and experimental examples are intended to further illustrate the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto.

[[ 실시예Example ]]

화학반응의 평형을 계산하는 전산코드인 HSC 6.0 버전을 이용하여 2성분계 또는 다성분계에 대하여 LiCl-KCl 공융염에서 Gd, Y, Nd, Ce, La 등의 희토류(RE) 원소와 U, TRU 같은 악티늄족 이온의 산화-환원 반응의 평형을 계산하고 반응 생성물들의 평형 분배곡선을 작성하였다(도 2a 및 도2b). (RE) elements such as Gd, Y, Nd, Ce, and La in the LiCl-KCl eutectic salt for binary or multicomponent systems using the HSC version 6.0, The equilibrium of the oxidation-reduction reaction of the actinide ions was calculated and an equilibrium distribution curve of the reaction products was prepared (FIGS. 2A and 2B).

HSC 전산코드를 이용하여 계산한 2성분계 또는 다성분계의 반응평형 분배곡선을 검토 및 분석 한 결과 금속염화물의 형성 Gibbs 자유에너지 값의 순서(표 1)에 의거하여 희토류(RE) 금속이 환원제로 작용하여 여러 종류의 악티늄족 금속 염화물이 모두 금속 상태로 전환되는 것을 확인할 수 있었다.
The reaction equilibrium distribution curves of binary or multicomponent systems calculated using HSC codes were examined and analyzed. As a result, the rare-earth (RE) metal acts as a reducing agent based on the order of Gibbs free energy values (Table 1) It was confirmed that all of the actinide group metal chlorides were converted to the metal state.

[ [ 실험예Experimental Example ] ] NdNd 금속에 의한 우라늄의 회수 Uranium recovery by metal

Nd 금속을 이용하여 U회수를 수행하였다. UCl3, CeCl3 및 LaCl3를 각각 0.17, 0.4 및 0.18 wt% 농도로 형성시킨 LiCl-KCl 공융염 속에 Nd 금속봉(길이 25 mm)을 넣고 용융염을 70 rpm으로 교반하면서 U의 환원 반응을 진행시켰다. U recovery was performed using Nd metal. UCl 3 , CeCl 3 Nd metal rod (length 25 mm) was placed in the LiCl-KCl eutectic salt with LaCl 3 concentration of 0.17, 0.4 and 0.18 wt%, respectively. The molten salt was stirred at 70 rpm for U reduction reaction.

용융염 중 U 농도의 변화량을 Cyclic Voltammetry(CV) 기법으로 측정하였으며, 용융염 시료를 채취하여 ICP 분석에 의한 U, Nd, Ce 및 La의 잔류 농도를 정량 분석하였다. Nd 환원 반응의 U-La 2성분계 용융염에서 HSC 전산코드를 이용한 평형 분배곡선(도 2a 및 도2b)을 작성하고, U의 회수거동을 확인하였다. Residual concentrations of U, Nd, Ce and La were quantitatively analyzed by ICP analysis using a cyclic voltammetry (CV) technique. The equilibrium distribution curves (Figs. 2A and 2B) using the HSC codes in the U-La binary system molten salt of the Nd reduction reaction were prepared and the recovery behavior of U was confirmed.

공융염 혼합물(LiCl+KCl+UCl3+CeCl3+LaCl3) 속에 Nd 금속을 넣을 경우 Nd가 환원제 역할을 하면서 당량적으로 UCl3와 Nd가 치환되는 반응이 진행된다.When the Nd metal is added to the eutectic salt mixture (LiCl + KCl + UCl 3 + CeCl 3 + LaCl 3 ), the reaction of substituting UCl 3 with Nd is proceeded while Nd acts as a reducing agent.

이로 인해 용융염 속에는 점차 NdCl3가 생성되며, 이와 동시에 U 이온이 환원되어 U 금속이 생성됨을 확인할 수 있다.As a result, NdCl 3 is gradually formed in the molten salt, and at the same time, the U ion is reduced and U metal is produced.

U 회수시험 결과 UCl3 상태의 U 잔류 농도는 환원반응 시작 2시간 경과 후 약 10 ppm으로 측정되었으며, 회수 반응이 종료된 시간의 결정은 회수실험 중 CV 기법을 사용하여 실시간 on-line 측정하여 확인하였다. As a result of the U recovery test, the U concentration in the UCl 3 state was measured to be about 10 ppm after 2 hours from the start of the reduction reaction, and the determination of the end time of the recovery reaction was performed by real- Respectively.

회수반응 시작 후 용융염 시료를 처음 4개는 20분 간격으로 채취하고, 그 후 나머지 4개는 60분 간격으로 채취하여 U 농도가 감소되는 변화를 측정하였는데, 환원반응 시작 후 약 120 분 정도면 환원 반응이 종료됨을 확인할 수 있었다(도 3a). After the start of the recovery reaction, the first 4 samples were collected at intervals of 20 minutes, and the remaining 4 samples were collected at intervals of 60 minutes to measure the decrease in U concentration. About 120 minutes after the start of the reduction reaction It was confirmed that the reduction reaction was completed (FIG. 3A).

이 때 금속염화물 형성 Gibbs 자유에너지(-△G)가 Nd 보다 더 큰 Ce 및 La의 농도도 이들 금속 이온이 환원되어 금속 입자로 생성됨에 따라 약간씩 감소됨을 확인할 수 있다(도 3b).It can be seen that the concentration of Ce and La in which the metal chloride formation Gibbs free energy (-ΔG) is larger than Nd is slightly reduced as the metal ions are reduced and formed as metal particles (FIG. 3b).

악티늄족 금속의 LCC 전해회수 및 LCC에 공회수된 희토류(RE) 금속의 산화추출을 조합하는 종전의 RAR 공정과 비교할 때, 반응 시작 후 약 2시간 정도면 회수 반응이 종료되는 매우 빠른 속도로 희토류(RE) 금속의 환원 작용에 의한 U의 회수 반응이 진행되었다.Compared with the conventional RAR process that combines the LCC electrolytic recovery of an actinide metal and the oxidation of rare earth (RE) metal to the LCC, the recovery reaction is terminated about 2 hours after the start of the reaction, (U) recovery reaction by the reducing action of (RE) metal.

본 발명에 의한 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원의 회수방법에 의하면, 희토류 금속을 LiCl-KCl 공융염에 장입하고 환원제로 사용하여 악티늄족 금속 이온을 환원시켜 공융염에 들어있는 여러 가지 종류의 악티늄족 원소를 동시에 모두 회수하며, 회수처리 시간을 크게 단축시키고 공정 및 장치를 간소화시켜 회수공정의 효율을 획기적으로 향상시킨다.According to the method for recovering the residual actinide source in the chloride molten salt according to the present invention, the rare earth metal is charged into the LiCl-KCl eutectic salt and used as a reducing agent to reduce the actinide group metal ion to produce various kinds of actinides Group elements at the same time, greatly shortening the collection processing time and simplifying the process and the apparatus, thereby dramatically improving the efficiency of the collection process.

희토류 금속을 환원제로 사용하는 악티늄족 원소의 회수반응 후 공융염 내 악티늄족의 잔류 농도는 약 2시간 이내에 100 ppm 이하로 얻을 수 있고, 특히 환원제인 희토류 금속을 Gd 또는 Y를 선정하여 사용하면 회수된 악티늄족 원소와 함께 회수되는 희토류 금속의 함량을 종전의 RAR 공정에 비해 크게 낮출 수 있다. The residual concentration of actinide in the eutectic salt after recovery of the actinide group element using the rare earth metal as a reducing agent can be less than 100 ppm within about 2 hours. In particular, when Gd or Y is used as the rare earth metal as the reducing agent, The content of the rare earth metal recovered together with the actinide group element can be greatly lowered compared to the conventional RAR process.

HSC 6.0 전산코드를 이용하여 작성한 희토류 금속의 악티늄족 원소 환원반응에 대한 평형 분배곡선으로부터 이론적인 악티늄족 금속이 환원되는 회수율은 99.9% 이상까지 매우 크게 달성할 수 있다From the equilibrium distribution curve for the actinide element reduction of rare earth metals prepared using the HSC 6.0 computer code, the theoretical recovery of the actinide metals can be as high as 99.9% or more

Claims (8)

염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법에 있어서,
상기 염화물 용융염에 희토류 금속을 환원제로 첨가하여 악티늄족 원소를 회수하되, 상기 회수된 악티늄족 원소를 공융염에서 분리하기 위해 환원제인 희토류 금속과 교반기를 넣은 작은 용기를 공융염이 들어있는 용기 속으로 장입하여 금속 이온에서 금속 미세입자 상태로 환원된 악티늄족 원소를 작은 용기 안으로 모아 회수하는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법.
A method for recovering a residual actinide element in a chloride molten salt,
In order to separate the actinide group element from the eutectic salt by adding rare earth metal as a reducing agent to the chloride molten salt, a small vessel containing a rare earth metal as a reducing agent and a stirrer is placed in a vessel containing a eutectic salt And collecting the actinide group element reduced from the metal ion into the metal fine particle state into a small container and recovering the recovered actinide group element in the chloride molten salt.
제1항에 있어서, 상기 염화물 용융염은 LiCl-KCl 공융염인 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법.The method of claim 1, wherein the chloride molten salt is a LiCl-KCl eutectic salt. 제1항에 있어서, 상기 희토류 금속은 금속염화물 형성 Gibbs 자유에너지(-△G)가 악티늄족 금속 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법.The method of claim 1 wherein said rare earth metal is characterized in that the metal chloride forming Gibbs free energy (-? G) is greater than that of the actinide group metal. 제1항에 있어서, 상기 희토류 금속은 Gd, Y, Pr, Nd, Ce 및 La 중 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법.The method of claim 1, wherein the rare earth metal is at least one selected from the group consisting of Gd, Y, Pr, Nd, Ce and La. 삭제delete 제1항에 있어서, 작은 용기 속으로 악티늄족(An) 원소를 미세 입자 상태로 회수한 뒤 작은 용기 속의 공융염에 들어있는 악티늄족 원소만을 일부 환원되어 부유된 희토류 금속 미세 입자와 분리하기 위하여, 공융염에 카드뮴(Cd)을 첨가하고, Cd-An 합금 형태로 전환하여 공융염과 Cd-An 합금을 분리하는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법.The method according to claim 1, wherein, in order to separate the actinide (An) element into a small vessel and to separate only the actinide element contained in the eutectic salt in the small vessel from the partially reduced rare earth metal microparticles, Wherein the cadmium (Cd) is added to the eutectic salt and the cadmium salt is converted into a Cd-An alloy form to separate the eutectic salt and the Cd-An alloy. 제1항에 있어서, 악티늄족 원소와 함께 회수되며 핵연료 피복관을 손상시킬 수 있는 희토류 원소의 함량이 최소화 되도록 악티늄족 원소를 회수하기 위하여, 상기 희토류 금속은 금속염화물 형성 Gibbs 자유에너지(-△G)가 악티늄족 금속의 Gibbs 자유에너지(-△G) 값에 가까운 Gd 또는 Y를 사용하는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법.The method of claim 1, wherein the rare earth metal is selected from the group consisting of metal chloride forming Gibbs free energy (-? G) to recover the actinide element so as to minimize the content of rare earth element that is recovered together with the actinide element and which can damage the nuclear fuel cladding. Wherein Gd or Y close to the Gibbs free energy (-? G) value of the actinide group metal is used. 제7항에 있어서, 악티늄족 원소와 함께 회수되며, 핵연료 피복관을 손상시킬 수 있는 희토류 원소의 함량이 최소화 되도록 악티늄족 원소를 회수하기 위하여, 공융염에 환원제인 Gd 또는 Y 등의 희토류 금속을 넣고 악티늄족 원소의 환원반응이 종료되는 2시간 후에 환원제인 Gd 또는 Y의 희토류 금속을 공융염에서 빼내어 Gd 또는 Y 이외의 희토류 금속 이온이 환원되는 양을 최소화 시키는 것을 특징으로 하는 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법.8. The method according to claim 7, wherein a rare earth metal such as Gd or Y, which is a reducing agent, is added to the eutectic salt in order to recover the actinide element so as to minimize the content of the rare earth element which is recovered together with the actinide element and which can damage the nuclear fuel cladding Wherein a rare earth metal such as Gd or Y, which is a reducing agent, is withdrawn from the eutectic salt and the amount of rare earth metal ions other than Gd or Y is reduced after 2 hours after the completion of the reduction reaction of the actinide group element in the chloride molten salt, Method of recovery of group elements.
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