KR101743263B1

KR101743263B1 - 우라늄 폐기물 처리방법

Info

Publication number: KR101743263B1
Application number: KR1020160032836A
Authority: KR
Inventors: 이근영; 정동용; 김광욱; 이일희; 문제권; 최종원
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2016-03-18
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2017-06-07

Abstract

본 발명은 우라늄 폐기물을 산 용액에 용해시켜 제1 혼합물을 제조하고, 상기 제1 혼합물의 pH를 2 내지 4로 조절한 후, 과산화수소를 첨가하여 우라늄 및 철을 포함하는 제1 침전물을 형성하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 형성된 제1 침전물을 탄산염 및 과산화수소를 포함하는 용액에 용해시켜 제2 혼합물을 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 제조된 제2 혼합물의 상등액의 pH를 2 내지 4로 조절하여 우라늄을 포함하는 제2 침전물을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 우라늄 폐기물 처리방법을 제공한다.

Description

우라늄 폐기물 처리방법{Treatment method of radioactive uranium waste}

본 발명은 우라늄 폐기물 처리방법에 관한 것으로, 상세하게는 우라늄과 금속산화물이 복합체 형태로 존재하는 난처리성 우라늄폐기물을 감용 처리하여 처분대상 방사성 폐기물의 양을 저감시키고, 우라늄을 재이용 가능한 형태로 분리시키며, 잔류 2차폐액을 정화키는 우라늄-금속 복합산화물 처리방법에 관한 것이다.

우라늄 폐기물은 일반적으로 우라늄 그 자체보다는 우라늄 이외의 금속 산화물과 타 불순물이 다량 포함되어 있어, 별도의 처리 없이 상기 폐기물을 처분할 시 안정화 및 고화 처리의 증가와 처분 비용이 크게 증가하므로, 이러한 폐기물로부터 우라늄과 비방사성 물질의 분리를 통한 처분대상 방사성 폐기물의 부피 감용이 절대적으로 필요하다.

또한, 우라늄-금속 복합산화물은 우라늄 함량이 비교적 낮은 중저준위 우라늄 폐기물로 우라늄과 기타 금속 산화물이 복합 고형체 형태로 매우 안정적으로 결합되어 있어, 이러한 폐기물을 자체처분(clearance) 수준으로 우라늄을 제염하는 것은 쉽지 않은 실정이다. 따라서 다양한 성상을 가지며 복합 구조를 가지는 우라늄-금속 복합 산화물의 부피를 획기적으로 감소시킬 수 있는 기술이 필요하다.

현재 국내의 방사성 폐기물 처분장의 처분 비용은 200 L 드럼 당 1,500 만원 수준이므로 처분 비용이 매우 높다. 따라서 처분 비용의 감소 관점에서 우라늄-금속 복합산화물의 부피 감용 처리기술이 매우 중요하다. 또한 경주시에 위치한 방사성 폐기물 처분장(저준위 폐기물 처분장)의 인수 기준인 3,700 Bq/g을 초과하여 방사성 준위가 높은 우라늄 폐기물의 경우, 처분장에 반입이 불가능하므로 이러한 우라늄 폐기물의 경우는 우라늄을 최대한 분리하여 처분대상 방사성 폐기물의 방사능을 최소화하는 처리기술이 반드시 필요하다.

국내에서 발생하는 대부분의 우라늄-금속 복합산화물은 그 구조적 특성 때문에 단순한 제염 기술로 쉽게 처리되지 않아 대부분 발생 현장에 저장되어 있는 실정이다. 이러한 우라늄-금속 복합산화물을 처리하기 위해서는 먼저 지지금속체 내 외부에 존재하는 우라늄을 충분히 용해하는 기술 또는 우라늄과 결합된 지지금속체를 먼저 분해한 후 이들로부터 우라늄만을 회수 분리하고 이후 최종 발생된 폐액을 처리하는 기술이 필요하다. 우라늄-금속 복합산화물은 발생 원인에 따라 각각의 성상과 특성이 모두 달라 동일한 방법에 모두 적용될 수 없으므로 폐기물 특성에 적합한(target specific) 방법에 의해 처리 방안이 도출되어야 한다.

종래의 대표적인 우라늄 폐기물 처리 기술들에는 세척법(washing), 전기동력학적 기법(electrokinetic process), 전해 제염(electolytic decontamination), 건조·압축(compaction), 용해법(dissolution), 가열 분쇄(heating and grinding), 가열 분해(thermal decomposition) 및 산화법(oxidation) 등이 있다.

우라늄 폐기물로부터 우라늄을 제거하는 제염방법의 종래 기술로, 오염 토양을 대상으로 세척 제염 방식과 전기동력학적 제염 방식을 복합적으로 적용하여 방사성 핵종을 제거하는 방법(대한민국 등록특허 제10-1292962호)을 제시하였고, 우라늄으로 오염된 금속성 폐기물에 일정한 전류를 직접 흘려주는 전해제염 방법(중성염 용액 내에서 우라늄으로 오염된 금속성 해체폐기물의 전해제염, 방사성폐기물학회 proceeding, Vol. 2(1), 2004)을 개시하고 있다. 다만, 우라늄이 대상 매질에 2차적으로 오염된 경우 또는 혼합상으로 약한 결합을 갖고 있는 경우에는 종래의 제염방법이 매우 효과적이나, 우라늄-금속 복합산화물 형태로 우라늄이 구조적으로 안정한 상태로 존재할 때에는 이러한 폐기물을 자체처분 수준까지 제염 처리하는 것은 매우 어렵다.

방사성 폐기물의 부피감용을 목적으로 하는 종래 기술로, 우라늄 변환 공정에서 발생된 방사성 잡고체, 슬러지, 토양 등을 건조, 재포장 또는 압축 감용하는 방법(우라늄변환공정에서 발생된 방사성고체폐기물의 건조, 압축 등에 의한 부피감용처리, 한국원자력학회 춘계학술발표회 논문집, 2003)을 개시하였는데, 이는 방사성 폐기물의 부피감용을 위한 고전적인 방법으로 건조를 통해 수분 함량만큼의 감용과 기공 부피가 큰 폐기물의 경우 감용효과를 기대할 수 있으나, 우라늄-금속 복합산화물과 같이 미세한 분말 상으로 존재하는 폐기물의 경우 적용에 한계가 있다.

또한, 용해도가 매우 높은 화학염과 우라늄이 혼합되어 있는 슬러지 폐기물의 처리 방법으로 화학염을 물에 용해시켜 분리함으로써 저감하는 방법(대한민국 등록특허 제10-0579370호)를 개시하고 있는데, 우라늄-금속 복합산화물과 같이 지지체 화합물의 용해도가 매우 낮은 경우에는 적용이 불가능하다.

나아가, 탄산염 용액 계를 사용하여 사용후 핵연료의 우라늄을 선택적으로 용해시킴으로써 분리·회수하는 방법(대한민국 등록특허 제10-0961832호)을 제시한 바 있는데, 우라늄 함량이 매우 높은 고품위 우라늄폐기물을 대상으로 하였을 때에는 우라늄만을 용해함으로써 대상 폐기물의 감용효과를 기대할 수 있으나, 우라늄-금속 복합산화물과 같이 저품위 우라늄폐기물에 적용하였을 때에는 부피 감용효과가 작고 폐기물의 방사능을 자체처분 수준으로 완전히 저감시키는 것 역시 어렵기 때문에 적합하지 않다.

더욱 나아가, 방사성 콘크리트 폐기물을 대상으로 가열 및 분쇄 처리하여 상대적으로 방사능이 낮은 골재부분을 방사능이 높은 미분말과 분리시킴으로써 방사성 폐기물의 부피를 감용시키는 방법(대한민국 등록특허 제10-1061480호)을 개시하고 있는데, 방사성 오염부분과 비오염부분을 물리적으로 분리할 수 있는 폐기물에만 적용 가능하므로 우라늄-금속 복합산화물에는 적용이 불가능하다.

더욱이, 우라늄이 포함된 화학폐기물로부터 열분해가 가능한 화합물을 열분해함으로써 폐기물을 감용처리 하는 방법(대한민국 등록특허 제10-0959743호)이 개시되어 있는데, 열분해를 통한 부피 감용이 미미한 우라늄-금속 복합산화물에는 적용성이 낮다.

게다가, 우라늄 금속의 절단 중 발생되는 우라늄 금속 부스러기 폐기물을 안전한 우라늄 산화물 형태로 변환시키기 위해 가열처리 하는 방식(대한민국 등록특허 제10-0882504호)이 개시되어 있는데, 폐기물의 부피 감용을 목적으로 하기 보다는 존재상을 변화시키는 것을 목적으로 하므로, 이미 산화상태로 존재하는 우라늄-금속 복합산화물에 적합하지 않고 처분 대상 방사성 폐기물을 저감하고 우라늄을 분리하고자 하는 본 발명의 목적과 큰 차이가 있다.

이에, 본 발명자들은 종래의 우라늄 폐기물 처리방법의 한계를 극복하면서 처분대상 방사성 폐기물의 양을 최소화시키는 우라늄-금속 복합산화물의 효과적인 처리 방법을 고안하던 중, 복합 산화물의 분해, 우라늄의 순수 분리 및 잔류 2차 폐액 정화를 통한 우라늄 폐기물 처리방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.

대한민국 등록특허 제10-1292962호 대한민국 등록특허 제10-0579370호 대한민국 등록특허 제10-0961832호 대한민국 등록특허 제10-1061480호 대한민국 등록특허 제10-0959743호 대한민국 등록특허 제10-0882504호

중성염 용액 내에서 우라늄으로 오염된 금속성 해체폐기물의 전해제염, 방사성폐기물학회 proceeding, Vol. 2(1), 2004 우라늄변환공정에서 발생된 방사성고체폐기물의 건조, 압축 등에 의한 부피감용처리, 한국원자력학회 춘계학술발표회 논문집, 2003

본 발명이 해결하고자 하는 목적은 우라늄 및 금속산화물이 복합체(complex) 형태로 존재하는 난처리성 우라늄 폐기물을 감용 처리하여 처분대상 방사성 폐기물의 양을 저감시키고 우라늄을 재이용 가능한 형태로 분리시킴으로써, 우라늄-금속 복합산화물의 특성에 적합한 처리방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

우라늄 폐기물을 산 용액에 용해시켜 제1 혼합물을 제조하고, 상기 제1 혼합물의 pH를 2 내지 4로 조절한 후, 과산화수소를 첨가하여 우라늄 및 철을 포함하는 제1 침전물을 형성하는 단계(단계 1);

상기 단계 1에서 형성된 제1 침전물을 탄산염 및 과산화수소를 포함하는 용액에 용해시켜 제2 혼합물을 제조하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2에서 제조된 제2 혼합물의 상등액의 pH를 2 내지 4로 조절하여 우라늄을 포함하는 제2 침전물을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 우라늄 폐기물 처리방법을 제공한다.

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법은, 우라늄-금속 복합산화물을 산 용액에서 우라늄과 주요 금속원소들이 동시에 용해되어 높은 고체 용해율을 보이고, 용해액 내에 우라늄만을 선택적으로 침전시키고 재용해 및 재침전의 정제과정을 통해 불순물이 거의 없는 순수 우라늄 산화물 형태로 분리시킬 수 있어 재이용 가능한 형태로 우라늄을 분리할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법이 수행된 우라늄 폐기물은 방사능 준위가 처분장 인수기준에 적합한 수준으로 낮아져 안전한 방사성 폐기물 처분이 가능하고, 초기 우라늄-금속 복합산화물과 비교하여 최종 처분 대상 폐기물의 양이 현저히 줄어 처분 비용을 크게 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 우라늄-금속 복합산화물의 XRD(X-ray Diffraction) 분석을 통한 주요 광물상 분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 2 내지 도 5는 각각 pH에 따른 우라늄-금속 복합산화물의 주요 구성성분인 Ca, Fe, Al 및 Mg의 용해도를 나타낸 그래프이고,
도 6은 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법의 일례를 나타낸 모식도이고,
도 7은 우라늄 폐기물 용해시 각 단계별 (A) 미용해 고체 잔류율(%)과 (B) 우라늄 용해율(%)을 나타낸 그래프이고,
도 8은 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 1 및 단계 2에서 발생된 미용해 고체의 고온 열분해에 따른 무게 감량 측정 결과를 나타낸 그래프이고,
도 9는 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 1에서 형성된 제1 침전물의 (A) 주사전자현미경 사진과 (B) 에너지 분산형 분광분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 10은 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 3를 통해 형성된 제2 침전물(우라늄 침전물)의 건조 온도 및 시간에 따른 광물상 분석 결과를 나타낸 그래프이고,
도 11은 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 1 및 단계 3에서 제1 침전물 및 제2 침전물 제조 시 발생한 폐액(여액)의 우라늄 흡착제거 처리 전후의 우라늄 농도(ppm)를 나타낸 그래프이고,
도 12는 본 발명에 따른 실시예 1의 단계 4a에서 흡착제의 열처리 온도에 따른 감량율을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 덧붙여, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 있어서, 우라늄-금속 복합산화물의 감용 처리 및 우라늄 재이용을 위한 분리는 기본적으로 우라늄-금속 복합산화물의 물리화학적 특성을 파악하여 적합한 용해계를 선정하는 것이 중요하다. 이를 위해 국내에서 발생된 대표적인 우라늄-금속 복합산화물을 대상으로 발생 기원과 현황을 조사하고 폐기물의 조성 분석 및 물리화학적 평가가 필요하다. 2001년에 수행된 국내 우라늄 변환시설 환경복원사업에서 발생한 우라늄-금속 함유 슬러지는 전통적인 처리방법 중의 하나인 증발농축 가열처리 방법에 의해 약 900 ℃ 온도로 처리되었고 안정한 분말 형태의 고체폐기물로 임시 저장 중에 있는데, 대표적인 우라늄-금속 복합산화물이라고 할 수 있다. 이 폐기물은 Fe₂O₃, CaO, Ca(OH)₂ 등이 함께 공존하는 Na₂O-2UO₃ 등의 형태로, 우라늄이 다른 금속 산화물이나 무기성 물질 등과 서로 결합된 우라늄 복합 화합물 형태로 존재하고 있다고 보고되고 있다. 현재 200 L 드럼 기준으로 약 260 드럼 정도가 저장되어 있으며 이의 방사능은 4,700 Bq/g 내지 5,200 Bq/g 정도이고, 우라늄의 함량은 약 13 % 내지 18 % 정도이다. 대한민국 경주시에 위치한 처분장의 인수 기준인 3,700 Bq/g를 초과하고 있어 이를 직접 이관하여 처분할 수 없으므로 우라늄을 제거 및 회수하는 처리가 필요하다.

하기 표 1은 우라늄-금속 복합산화물을 고온, 고압, 강산 분위기의 습식분해(wet digestion) 방법으로 완전 용해 후 용액시료 내 원소를 ICP-OES(Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometer)로 정량분석한 결과를 보여주는 표이다. 우라늄 이외에 주요 원소들인 Ca, Fe, Al, Mg 등으로 구성되어 있음을 볼 수 있다.

원소	U	Ca	Fe	Al	Mg	Zn	Si	Cr	Ni	Mo	Na	기타*
중량%	14.4	16.2	3.06	1.5	0.17	0.11	0.05	0.04	0.04	0.01	2.3	62.1

(기타* : C, O, H, N, S, P, Cl 등)

또한, 도 1은 XRD(X-ray Diffraction) 분석을 통한 우라늄-금속 복합산화물의 주요 광물상 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, 우라늄 폐기물이 다양한 우라늄 복합산화물 형태로 구성되어 있음을 보여주고 있는데, 이러한 결과들을 통하여 우라늄 폐기물은 우라늄이 다양한 금속 원소들과 복잡하게 결합된 산화물 형태인 것으로 볼 수 있고, 이미 열처리에 의해 생성된 산화물이므로 더 이상 열분해가 불가능한 안정한 형태인 것으로 추정할 수 있다.

우라늄-금속 복합산화물은 우라늄과 기타 지지체성분들이 화학적 및 열적으로 매우 안정하게 복합체를 형성하고 있으므로, 우라늄 자체의 용해도는 물론 우라늄 화합물의 안정성을 좌우하는 지지체성분들의 용해도도 함께 고려해야 한다. 우라늄-금속 복합산화물을 구성하는 주요성분에 대한 용액에서의 용해 거동 평가를 위하여 지화학 모델링 프로그램인 MINEQL과 대상 원소의 열역학적 평형자료를 이용하여 안정적인 산화상태로 존재하는 대상 원소의 이온상 및 고체상의 pH에 따른 화학종 분포 및 용해도를 평가하였다.

도 2 내지 도 5는 각각 pH에 따른 우라늄-금속 복합산화물의 주요 구성성분인 Ca, Fe, Al 및 Mg의 용해도를 나타낸 그래프이다.

Ca과 Mg의 경우는 비교적 단순한 용해도 곡선 및 화학종 분포를 보여주고 있고 Al의 경우 pH에 따라 상대적으로 복잡해 보이지만, 공통적으로 이들 원소들이 중성 및 염기성 영역의 pH에서는 M(OH)₂(M은 금속) 형태의 고체상으로 존재하게 되고, 산성영역에서는 용해도가 매우 큰 이온 형태로 존재하는 것으로 나타난다.

3가 상태의 Fe은 pH 6 내지 9 에서는 주로 Fe(OH)₃ 형태로 존재하며 용해도가 10^-12 M 정도로 매우 낮아지지만, pH 6 이하부터는 Fe_x(OH)_y ^z ⁺의 다양한 형태의 양이온으로 존재하며 용해도는 급격히 증가하여 pH 0에서는 용해도가 1 M 이상으로 증가한 반면에 pH 8 이상에는 Fe(OH)⁴ ^- 음이온 형태로 존재하며 용해도가 다시 증가하여 pH 14에서는 용해도가 10^-7 M 수준이 된다.

우라늄의 용해 효율은 우라늄 폐기물 내 지지체화합물의 주요 구성성분의 용해도에 의해 크게 좌우됨을 고려할 때, 우라늄-금속 복합산화물과 같이 Ca, Fe, Al, Mg과 같은 성분들이 주요 지지체성분일 경우는 산 용액을 이용한 용해계가 적합할 것으로 예측할 수 있다.

이에, 복합 산화물의 분해, 우라늄의 순수 분리 및 잔류 2차 폐액 정화를 통한 우라늄 폐기물 처리방법을 제공하고자 한다.

<<우라늄 폐기물 처리방법>>

본 발명은

이하, 도 6에 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법의 일례를 나타내었으며, 도 6을 참고하여 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 대해 상세히 설명한다.

<우라늄 폐기물 처리방법 - 단계 1>

먼저, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 단계 1은

우라늄 폐기물을 산 용액에 용해시켜 제1 혼합물을 제조하고, 상기 제1 혼합물의 pH를 2 내지 4로 조절한 후, 과산화수소를 첨가하여 우라늄 및 철을 포함하는 제1 침전물을 형성하는 단계이다.

상기 단계 1에서는 우라늄 폐기물인 우라늄과 금속산화물 지지체를 분해하여 우라늄을 효과적으로 용해시키는 단계이고, 우라늄을 용해시킨 후 잔류 고체폐기물이 자체처분 수준까지 처리되는 것이 매우 어렵기 때문에 우라늄의 용해와 함께 지지체로 존재하는 금속산화물 역시 용해시켜 잔류 고체폐기물을 최소화시킨 후 이 폐기물은 방사성 폐기물로 분류하는 것이 합리적이다. 상술한 바와 같이 우라늄-금속 복합산화물은 Ca, Fe, Al, Mg과 같은 성분들이 주요 지지체성분이므로 산 용액을 이용한 용해계가 적합하고 산 용해 조건에서 금속산화물이 분해되면서 구조적으로 안정하게 존재하는 우라늄 역시 용해도가 증가하게 된다.

상기 단계 1의 산 용액은 질산, 염산 및 황산일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

또한, 상기 단계 1의 산 용액의 몰 농도는 0.5 M 내지 2 M 일 수 있다. 이때, 상기 산 용액의 몰 농도를 2 M 보다 높게 하여도 용해율의 큰 향상은 기대하기 어려울 수 있고, 상기 산 용액이 몰 농도를 0.5 M 보다 낮게 한다면 우라늄 용해가 충분히 이루어지지 않을 가능성이 있다.

상기 단계 1의 제1 혼합물 제조 시, 상기 우라늄 폐기물과 산 용액의 고액비(고체 중량(g):액체 체적(mL))는 1 : 5 내지 25 일 수 있고, 1 : 5 내지 22 일 수 있고, 1 : 5 내지 20 일 수 있다. 이때, 상기 고액비를 1 : 25 보다 크게 하더라도 용해율의 큰 향상은 기대하기 어려울 수 있고, 상기 고액비가 1 : 5 보다 낮으면 우라늄 용해가 충분히 이루어지지 않을 가능성이 있다.

상기 단계 1의 제1 혼합물의 제조는 상온에서 4 시간 내지 24 시간 동안 교반을 통해 제조될 수 있다. 이때, 상기 교반 시간을 24 시간보다 더 수행한다 하더라도 용해율의 큰 향상은 기대하기 어려울 수 있고, 상기 교반 시간이 4 시간 미만으로 수행된다면 우라늄 용해가 충분히 이루어지지 않을 가능성이 있다.

따라서, 상기 산의 적정 농도, 적정 고액비, 적정 용해시간을 적용하는 것이 처리 공정의 효율성에 바람직하다.

나아가, 상기 제1 혼합물 제조 시, 산에 의해 용해되지 않은 미용해 고체가 남아있을 수 있고, 상기 미용해 고체와 제1 혼합물은 고·액분리하여 미용해 고체는 방사성 폐기물로 분류하고 제1 혼합물은 하기 후술할 단계 2에서 처리된다. 여기서 발생한 미용해 고체는 고온에서 열처리 하여도 분해되는 성분이 미미하여 더 이상의 열처리 감용을 기대할 수 없으므로 건조만 수행하여 방사성 폐기물로 분류한다.

상기 단계 1에서 제1 혼합물의 pH 조절은 상기 제1 혼합물에 염기 용액을 첨가하여 pH를 2 내지 4로 조절하고, 상기 염기 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

또한, pH 조절 이후 과산화수소를 첨가하여 UO₂ ²⁺(uranyl) 용존상으로 존재하는 우라늄을 UO₄(uranium poeroxide) 형태의 우라늄 고체상으로 침전시킨다. 여기서 우라늄이 최대로 침전되는 pH 조건에서 용액상에 공존하는 금속 이온들 중, 철(Fe)이 함께 침전 될 수 있는데, 도 3을 참조하면, pH 2 이상의 조건에서 Fe 역시 FeO(OH) 형태로 침전이 가능한 것을 알 수 있다. 우라늄 침전물에 미량의 철이 불순물로 포함되어 있을 시 재이용 가능한 우라늄 형태로 간주하기 어렵기 때문에 이러한 우라늄-철 침전물로부터 철을 제거하여 우라늄을 순수분리 할 필요가 있다.

<우라늄 폐기물 처리방법 - 단계 2>

다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 형성된 제1 침전물을 탄산염 및 과산화수소를 포함하는 용액에 용해시켜 제2 혼합물을 제조하는 단계이다.

상기 단계 2에서는 우라늄 및 철을 포함하는 제1 침전물로부터 우라늄을 순수 분리하기 위한 목적으로, 탄산염 및 과산화수소가 혼합된 용액에 넣고 상기 제1 침전물 내 우라늄을 재용해시킨다.

상기 단계 2의 탄산염은 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 탄산암모늄 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

상기 제2 혼합물 제조는 1 시간 내지 2 시간 동안 상온에서 교반하여 제조될 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

탄산염과 과산화수소가 혼합된 용액은 pH 12 이상의 염기 용액이므로, 상기 단계 2에서 제1 침전물 내 존재하는 철은 용해되지 않고 고체상태로 존재하게 될 수 있다. 반면, 우라늄은 탄산염과 과산화수소가 혼합된 용액에서 매우 높은 용해도를 보이므로 거의 대부분 용해되어 우라늄 탄산염 착물 이온(UO₂(O₂)(CO₃)₃ ^4-) 형태로 용액상에 존재하게 된다. 이때, 제2 혼합물 제조 시 철과 같은 미용해 고체가 남아있을 수 있고, 이를 고·액분리하여 미용해 고체는 방사성 폐기물로 분류하고 나머지 제2 혼합물은 하기 후술할 단계 3에서 처리될 수 있다. 여기서 발생한 미용해 고체는 철 침전물이므로, 고온에서 열처리 하여도 감용을 기대할 수 없어 건조만 수행한다. 상기 미용해 고체는 대부분이 철 침전물이나 극미량의 우라늄을 함유할 가능성이 있으므로 방사성 폐기물로 분류한다.

<우라늄 폐기물 처리방법 - 단계 3>

다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 제2 혼합물의 상등액의 pH를 2 내지 4로 조절하여 우라늄을 포함하는 제2 침전물을 형성하는 단계이다.

상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 미용해 고체가 고·액분리된 제2 혼합물 내 우라늄 탄산염 착물 이온을 분리하기 위하여, 산 용액을 첨가하여 pH를 2 내지 4로 조절하여 UO₂(O₂)(CO₃)₃ ^4- 용존상으로 존재하는 우라늄을 UO₄ 형태의 우라늄 고체상으로 침전시키는 단계이다.

상기 단계 3에서 산 용액은 질산, 염산 및 황산 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

상기 우라늄 폐기물 처리방법은 상기 단계 3에서 형성된 제2 침전물을 20 ℃ 내지 90 ℃의 온도에서 20 시간 내지 60 시간 동안 건조하는 단계(단계 3a);를 더 포함할 수 있다.

상기 단계 3a가 수행된 제2 침전물은 UO₄·2H₂O(meta studtite) 또는 UO₄·4H₂O(studtite) 형태의 우라늄 광물상으로 나타날 수 있는데, 이는 순도 99 % 이상의 우라늄 산화물 형태로 분리될 수 있고, 바람직하게는 순도 99.9 % 이상의 우라늄 산화물 형태로 분리될 수 있다.

<우라늄 폐기물 처리방법 - 단계 4>

다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법은 상기 단계 1 내지 3에서 발생하는 폐액의 pH를 4 내지 5로 조절한 후, 흡착제를 사용하여 상기 폐액 내 우라늄을 흡착시켜 제거하는 단계(단계 4);를 포함할 수 있다.

상기 단계 1의 제1 침전물 형성과 상기 단계 3의 제2 침전물 형성 후 폐액(여액)은 낮은 농도의 우라늄을 함유하고 있으므로, 곧바로 방류할 수 없다. 상기 단계 4에서는 상기 단계 1 및 단계 3에서 발생한 제1 침전물 및 제2 침전물 이외의 폐액(여액)을 혼합시키고, 염기 용액을 사용하여 pH를 4 내지 5로 조절하고 우라늄 흡착제를 첨가하여 잔류 우라늄을 흡착 제거시킨다.

상기 단계 4에서 염기 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

상기 단계 4의 흡착제는 유기이온교환제, 활성탄 및 생물흡착제 등을 사용할 수 있고, 특히 우라늄의 흡착 성능이 뛰어난 생물흡착제를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 단계 4의 폐액 내 우라늄의 흡착은 pH 4 내지 5 조건에서 최대 효율을 보이므로 용액의 pH를 조절하는 것이 바람직하다.

상기 단계 4가 수행된 폐액의 우라늄 농도는 1 ppm 미만이고, 자체처분(clearance) 또는 방류될 수 있다.

방사성 폐액을 환경으로 방류하기 위한 기준은 아직 정확히 확립되어 있지 않지만, 대체적으로 국내에서는 우라늄의 경우 농도 기준으로, 1 ppm 미만의 수준이 방류가 가능한 것으로 알려져 있다. 초기 폐액 내 잔류 우라늄의 농도는 수십 ppm에 해당하므로 흡착제를 투입하여 이를 1 ppm 미만으로 저감시킨 후 흡착제와 용액을 분리하고 사용후 흡착제는 열처리하여 감용시키는 것이 바람직히다.

상기 우라늄 폐기물 처리방법은 상기 단계 4가 수행된 우라늄이 흡착된 흡착제를 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도로 열처리하여 감용시키는 단계(단계 4a);를 포함할 수 있다. 이때, 상기 열처리 온도를 500 ℃ 보다 높게 열처리한다 하더라도 감용의 큰 차이는 발생하지 않을 수 있고, 200 ℃ 보다 낮은 온도로 열처리한다면 감용이 효과적으로 이루어지지 못할 가능성이 있다.

상기 단계 1 및 단계 2의 제1 혼합물 및 제2 혼합물 제조 시 발생하는 미용해 고체 및 상기 단계 4a에서 감용시킨 흡착제를 혼합하여 최종 방사성 폐기물로 분류할 수 있다.

상기 처리방법으로 처리된 최종 방사성 폐기물은 상기 처리방법 수행 전 우라늄 폐기물 대비 20 중량% 내지 35 중량%일 수 있고, 23 중량% 내지 32 중량%일 수 있으며, 25 중량% 내지 30 중량%일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

따라서 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법은, 우라늄-금속 복합산화물을 산 용액에서 우라늄과 주요 금속원소들이 동시에 용해되어 높은 고체 용해율을 보이고, 용해액 내에 우라늄만을 선택적으로 침전시키고 재용해 및 재침전의 정제과정을 통해 불순물이 거의 없는 순수 우라늄 산화물 형태로 분리시킬 수 있어 재이용 가능한 형태로 우라늄을 분리할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법이 수행된 우라늄 폐기물은 방사능 준위가 처분장 인수기준에 적합한 수준으로 낮아져 안전한 방사성 폐기물 처분이 가능하고, 초기 우라늄-금속 복합산화물과 비교하여 최종 처분 대상 폐기물의 양이 현저히 줄어 처분 비용을 크게 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

<우라늄-금속 복합산화물 용해 특성 평가>

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 단계 1의 우라늄 폐기물인 우라늄-금속 복합산화물의 용해 특성을 평가하기 위해 하기 실험을 수행하였다.

우라늄-금속 복합산화물을 1 : 20의 고액비(고체 중량(g):액체 부피(mL))로 상온에서 1 M의 질산 용액에 24 시간 교반을 통해 용해시켰다.(단계 a)

다음으로, 상기 단계 a에서 용해 시 남은 미용해 고체를 1 : 20의 고액비로 2 M의 수산화나트륨 용액에 첨가하고, 100 ℃에서 4 시간 동안 교반하여 용해시켰다.(단계 b)

또한, 단계 a와 단계 b를 수행한 우라늄-금속 복합산화물을 순차적으로 1회씩 더 수행하여 각 단계에서의 미용해 고체 용해율 및 우라늄 용해율을 평가하였다.

도 7은 본 발명에서 우라늄-금속 복합산화물 용해시 각 단계별 (A) 미용해 고체 잔류율(%)과 (B) 우라늄의 용해율(%)을 나타낸 그래프이다.

우라늄-금속 복합산화물의 용해 단계인 단계 a에서는 산 용해 후 미용해 고체 잔류율은 20.5 %, 단계 a 및 단계 b인 산-염기 용해 후 미용해 고체 잔류율은 11.2%, 단계 a, 단계 b 및 단계 a인 산-염기-산 용해와 단계 a 및 단계 b가 순차적으로 1회 더 반복된 산-염기-산-염기 용해 후 미용해 고체 잔류율은 각각 9.5 %, 8.7 %로 나타났다. 산과 염기 반복용해를 통해 상기 우라늄-금속 복합산화물의 단계적인 감량을 확인하였으나, 처음 단계 a의 산 용해의 효율이 매우 높고 이후 단계 b의 염기 용해에서는 매우 강한 용해 조건에서도 불구하고 그 효율이 상대적으로 크지 않은 것으로 나타났다. 따라서 우라늄-금속 복합산화물의 경우, 산 용액만을 이용한 단독용해가 적합한 것으로 평가되었다.

또한, 우라늄 용해율의 경우 단계 a의 산 용해에서 92.0%, 단계 b의 염기 용해 후 93.3%, 단계 a, 단계 b 및 단계 a의 산-염기-산 용해 및 단계 a 및 단계 b가 1회 더 수행된 산-염기-산-염기 용해 후에는 각각 99.0%, 99.1%로 나타나 전반적으로 매우 높은 용해 효율을 보이고 있나, 최종 잔류한 고체의 우라늄 방사능을 측정한 결과 234.9 Bq/g으로 예상했던 바와 같이 우라늄 방사능이 자체처분 수준으로 저감되지는 않고 여전히 방사성 폐기물로 분류되는 수준이므로 용해를 통해 대부분의 우라늄을 제거시킨다 하더라도 잔류 고체를 완벽히 처리하는 것이 사실상 어려움을 확인하였다.

상기 용해특성 평가 결과, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법은 고체 방사성 폐기물의 양을 줄이는 것이 가능하고 우라늄은 대부분 용해가 가능한 것을 알 수 있었다.

<우라늄-금속 복합산화물 용해 후 미용해 고체 열분해 처리 평가>

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 단계 1의 우라늄 폐기물인 우라늄-금속 복합산화물을 용해시켜 제1 혼합물 제조 시 일부 발생되는 미용해 고체를 대상으로 열분해 처리 가능성 평가 실험을 수행하였다.

상기 우라늄-금속 복합산화물을 용해시킨 후 발생되는 미용해 고체를 열중량 분석이 가능한 TGA(Thermal Gravity Analyzer)를 이용하여 가열 온도를 단계적으로 상승시키면서 변화하는 중량을 측정하였다.

도 8은 상기 우라늄-금속 복합산화물 용해 후 미용해 고체의 고온 열분해에 따른 무게 감량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

상기 우라늄-금속 복합산화물을 용해시킨 후 발생되는 미용해 고체를 대상으로 열처리하여 무게감량을 기대하으나, TGA 측정결과와 같이 가열 온도를 약 1300℃까지 상승시켜도 무게변화는 거의 발생하지 않았고, 단지 약 400 ℃ 이후에 약 2% 가량의 무게감소를 보였다. 이는 원 시료(우라늄-금속 복합산화물) 자체가 이미 열처리 과정을 통해 생성된 슬러지이므로 미용해 고체 역시 열분해가 가능한 성분들은 거의 없어, 무게감량이 미미한 것으로 볼 수 있음을 확인하였다.

즉, 상기 미용해 고체 처리 결과, 상기 우라늄-금속 복합산화물을 용해시킨 후 발생되는 미용해 고체는 추가적인 열처리 감용의 효과가 없음을 확인하였다.

이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1> 우라늄 폐기물 처리

단계 1 : 우라늄 폐기물인 우라늄-금속 복합산화물을 1 M의 질산 용액에 1 : 20의 고액비(고체 중량(g):액체 부피(mL))로 24 시간 동안 교반을 통해 용해시켜 제1 혼합물을 제조하였고, 이때 일부 미용해 고체가 발생하였다.

상기 제1 혼합물에 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 3.5로 조절한 후, 과산화수소를 첨가하여 우라늄 및 철을 포함하는 제1 침전물을 형성하였다.

단계 2 : 상기 단계 1에서 형성된 제1 침전물을, 1 M의 탄산나트륨 용액 및 30 % 과산화수소를 포함하는 용액을 10 : 1 의 부피비로 혼합한 용액에 첨가하여 제2 혼합물을 제조하였고, 이때 일부 미용해 고체가 발생하였다.

단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 제2 혼합물에 질산 용액을 첨가하여 pH를 3.5로 조절하여 우라늄을 포함하는 제2 침전물을 형성하였다.

단계 3a : 상기 단계 3에서 형성된 제2 침전물을 25 ℃ 에서 48 시간 동안 건조하여 UO₄·4H₂O를 형성 또는 90 ℃ 에서 24 시간 동안 건조하여 UO₄·2H₂O를 형성하였다.

단계 4 : 상기 단계 1의 제1 침전물 및 상기 단계 3의 제2 침전물 형성 시 발생하는 폐액(여액)을 혼합하고 수산화나트륨을 첨가하여 pH를 4.5로 조절한 후, 흡착제로 생물흡착제(산처리 Undaria pinnatifida)를 상기 폐액 1 L 당 5 g의 비율로 첨가하여 2 시간 동안 상온에서 교반시켰으며, 상기 폐액으로부터 흡착제를 고·액 분리하였다.

단계 4a : 상기 단계 4가 수행된 우라늄이 흡착된 흡착제를 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도로 열처리하여 감용시켰다.

< 실험예 1> 우라늄 분리 평가

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법의 우라늄 분리를 평가하기 위하여, 상기 실시예 1의 단계 1 내지 단계 2를 통해 형성된 제1 침전물을 주사전자현미경 및 에너지 분산형 분광분석을 통해 불순물 함량을 측정하였으며, 그 결과를 도 9로 나타내었다.

도 9에 나타낸 바와 같이, 제1 침전물은 약 1 % 내외의 철을 불순물로 함유하고 있는 것을 확인하였다. 이는 우라늄 침전이 가능한 pH 2 내지 4 조건에서 용존상의 철이 함께 침전하였기 때문이다. 불순물을 포함한 상태에서 우라늄 친전물을 획득할 경우, 이는 우라늄을 고농도로 함유한 또 다른 형태의 우라늄 폐기물에 지나지 않으므로 별도의 정제 처리를 통해 불순물의 함량을 낮추어 순도가 높은 우라늄 침전물로 처리할 필요가 있다.

< 실험예 2> 우라늄 정제 평가

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법의 우라늄 정제를 평가하기 위하여, 상기 실시예 1의 단계 1 내지 단계 3a를 통해 형성된 제1 침전물 및 제2 침전물의 상등액의 각 구성원소별 ppm을 측정 및 제2 침전물의 구성성분 함량을 XRD 분석 및 ICP-OES을 통해 측정하였으며, 그 결과를 도 10 및 표 2 내지 표 3으로 나타내었다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 제1 침전물 침전 후 상등액에는 우라늄의 농도는 60 ppm으로 다른 Ca, Fe와 같은 주요 금속 원소들과 비교하여 현저히 낮은 농도로 존재하는데, 이는 대부분의 우라늄이 침전되었기 때문이다. 우라늄 및 철을 포함하는 제1 침전물을 탄산염과 과산화수소 용액에 재용해 시킨 후 상등액(제2 혼합물 상등액)에는 대부분의 우라늄이 용해되므로 매우 높은 우라늄 농도를 보이게 되고 다른 금속 원소들은 낮은 농도로 존재하는 것을 확인하였다. 상기 제2 혼합물 상등액의 pH를 3.5로 조절하여 우라늄을 재차 침전시킨 후 상등액에는 우라늄이 6.4 ppm으로 매우 낮은 농도로 존재하였다. 우라늄 침전 전후의 용액 내 금속 원소들의 농도를 비교해 보면, 철의 경우는 10 ppm으로 존재하던 것이 감소되었고 기타 다른 금속 이온의 농도는 크게 변화가 없는 것을 확인하였다.

	U	Ca	Fe	Al	Mg
U-Fe(제1 침전물) 침전 후 상등액	60	9225	556.5	760	73
U 재용해액(제2 혼합물)	n.a*	63.6	10.1	13.4	1.24
U 재침전(제2 침전물) 후 상등액	6.4	59.7	n.d*	13	1.2

(단위 : ppm, n.a*:not analyzed, n.d*:not detected)

또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 단계 3a에서 제2 침전물 건조 조건을 25 ℃에서 48 시간으로 처리한 경우는 UO₄·4H₂O가 형성되는 것으로 나타났고, 90 ℃에서 24 시간으로 처리한 경우는 UO₄·2H₂O가 형성되는 것으로 나타났는데, 이는 건조 조건에 따른 우라늄 산화물 내 결정수의 차이에 의한 것으로, 높은 온도에서 건조시킬 때 결정수의 함량을 줄일 수 있는 것을 확인하였다.

나아가, 표 3에 나타낸 바와 같이, 상기 단계 3a가 수행된 제2 침전물인 최종 우라늄 침전물을 완전 분해 후 ICP-OES로 정량 분석한 결과, 철의 함량은 0.03%인 것으로 나타났고 기타 다른 금속 원소는 검출 한계 미만으로 나타나 대부분의 불순물이 제거되었음을 알 수 있었고, 90 ℃에서 24 시간 동안 건조 처리된 우라늄 침전물인 UO₄·2H₂O의 순도는 99.9% 이상인 것으로 나타난 것을 확인하였다.

제2 침전물	UO₄·2H₂O	Ca	Fe	Al	Mg
중량 %	>99.9	n.d*	0.03	n.d*	n.d*

(n.d*:not detected)

< 실험예 3> 폐액 내 우라늄 흡착제거 및 흡착제 열처리 평가

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법의 폐액 내 우라늄 흡착제거 및 흡착제 열처리를 평가하기 위하여, 상기 실시예 1의 단계 1 내지 단계 4a를 통해 우라늄 흡착 제거가 수행된 폐액의 ppm 및 상기 실시예 1의 단계 4a의 열처리 온도에 따른 흡착제의 무게 감량율(%)을 측정하였으며, 이를 도 11 및 도 12에 나타내었다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 흡착 제거 처리 전 혼합된 폐액 내 우라늄 농도는 약 30 ppm 인 것으로 나타났고, 흡착 제거 처리 후 용액 내 우라늄 농도는 0.6 ppm으로 감소하여, 상기 폐액 내 잔류 우라늄 흡착제거가 효과적으로 수행되었음을 확인하였다.

또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 폐액 내 우라늄 흡착이 수행된 흡착제에 존재하는 열분해 가능 성분을 분해시키기 위해 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도에서 흡착제의 감량율을 평가 한 결과, 200 ℃에서는 46 %의 감량율을 보였고, 온도 증가에 따라 감량율이 증가하여 400 ℃ 내지 500 ℃에서는 75 %의 감량율을 나타내었다. 400 ℃와 500 ℃의 처리에서 감량율에 큰 차이가 없는 것으로 나타나 400 ℃의 온도보다 높은 온도로 열처리하는 것은 효과적이지 않은 것으로 확인하였다.

즉, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법에 있어서, 상기 단계 1의 제1 침전물 및 상기 단계 3의 제2 침전물 제조 시 발생하는 폐액(여액)은 흡착 제거 처리를 통하여 방류 가능한 수질 기준까지 처리가 가능함을 증명하였고, 또한 흡착제는 열처리를 통해 감용시킬 수 있음을 확인하였다.

< 실험예 4> 최종 우라늄 폐기물 저감율 평가

본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법의 우라늄 폐기물 저감율을 평가하기 위하여, 상기 실시예 1의 단계 1 및 단계 2에서 제1 혼합물 및 제2 혼합물 제조 시 발생하는 미용해 고체와, 단계 3a에서 형성된 우라늄 침전물 및 단계 4a에서 감용 처리된 흡착제의 원 시료(상기 처리방법 수행 전 우라늄 폐기물) 대비 중량%를 측정하였으며, 이를 표 4로 나타내었다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 각 단계에서 발생한 고체의 중량% 및 최종 우라늄 폐기물의 저감율(%)을 나타내었다. 상기 단계 1에서 제1 혼합물 제조 후 발생된 미용해 고체는 20.5 중량%인 것으로 나타났고, 상기 단계 2에서 제2 혼합물 제조 후 발생된 미용해 고체는 2.1 중량%인 것으로 나타났고, 상기 단계 4에서 폐액 내 우라늄 흡착 이후 단계 4a에서 감용 처리된 흡착제는 5 중량%인 것으로 나타났고, 상기 단계 3 및 단계 3a에서 제조된 제2 침전물인 UO₄·4H₂O는 19.2 중량%인 것으로 나타났으며, 최종 방사성 폐기물로 처분 대상이 되는 우라늄 폐기물의 저감율은 72.4%인 것으로 나타났다.

	단계 1 미용해 고체	단계 2 미용해 고체	단계 4a 흡착제	단계 3a UO₄·4H₂O	최종 방사성 폐기물*
처리 전 우라늄 폐기물 대비 중량%	20.5	2.1	5	19.2	27.6

(최종 방사성 폐기물*:단계 1 및 단계 2에서 발생된 미용해 고체 + 단계 4a가 수행된 흡착제)

본 실험예의 결과, 본 발명에 따른 우라늄 폐기물 처리방법은 매우 효과적인 감용 처리와 매우 높은 순도의 우라늄 분리가 가능함을 증명하였다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims

우라늄 폐기물을 산 용액에 용해시켜 제1 혼합물을 제조하고, 상기 제1 혼합물의 pH를 2 내지 4로 조절한 후, 과산화수소를 첨가하여 우라늄 및 철을 포함하는 제1 침전물을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 제1 침전물을 탄산염 및 과산화수소를 포함하는 pH 12 이상의 용액에 용해시켜 우라늄 탄산염 착물 이온(UO₂(O₂)(CO₃)₃ ^4-)을 포함하는 제2 혼합물을 제조하고, 철을 포함하는 미용해 고체는 제거하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 제2 혼합물의 pH를 2 내지 4로 조절하여 UO₄ 형태의 우라늄을 포함하는 제2 침전물을 형성하는 단계(단계 3);를 포함하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 처리방법은 상기 단계 1 내지 3에서 발생하는 폐액의 pH를 4 내지 5로 조절한 후, 흡착제를 사용하여 상기 폐액 내 우라늄을 흡착시켜 제거하는 단계(단계 4);를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제2항에 있어서,
상기 단계 4에서 폐액의 pH 조절은 상기 폐액에 염기 용액을 첨가하여 조절하고, 상기 염기 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제2항에 있어서,
상기 단계 4의 흡착제는 유기이온교환제, 활성탄 및 생물흡착제로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제2항에 있어서,
상기 우라늄 폐기물 처리방법은 상기 단계 4가 수행된 우라늄이 흡착된 흡착제를 200 ℃ 내지 500 ℃의 온도로 열처리하여 감용시키는 단계(단계 4a);를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제2항에 있어서,
상기 단계 4가 수행된 폐액의 우라늄 농도는 1 ppm 미만이고, 자체처분(clearance) 또는 방류되는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 우라늄 폐기물은 우라늄 및 금속을 포함하는 복합산화물(complex oxide)인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1의 제1 혼합물 제조 시, 상기 우라늄 폐기물과 산 용액의 고액비(고체 중량(g):액체 체적(mL))는 1 : 5 내지 25 인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1의 산 용액은 질산, 염산 및 황산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1의 산의 몰 농도는 0.5 내지 2.0 M인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1에서 pH 조절 전의 제1 혼합물에 형성된 미용해 고체는 고·액 분리되는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1의 제1 혼합물의 제조는 상온에서 4 시간 내지 24 시간 동안 교반을 수행하는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 1에서 제1 혼합물의 pH 조절은 상기 제1 혼합물에 염기 용액을 첨가하여 조절하고, 상기 염기 용액은 수산화나트륨, 수산화칼륨 및 수산화암모늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2의 탄산염은 탄산나트륨, 탄산칼륨 및 탄산암모늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 2에서 제2 혼합물에 형성된 미용해 고체는 고·액 분리되는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 3에서 제2 혼합물의 pH 조절은 상기 제2 혼합물에 산 용액을 첨가하여 조절하고, 상기 산 용액은 질산, 염산 및 황산으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 처리방법은 상기 단계 3에서 형성된 제2 침전물을 20 ℃ 내지 90 ℃의 온도에서 20 시간 내지 60 시간 동안 건조하는 단계(단계 3a);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제17항에 있어서,
상기 건조하는 단계가 수행된 제2 침전물은 순도 99 % 이상의 UO₄·2H₂O 또는 UO₄·4H₂O를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.
제1항에 있어서,
상기 처리방법으로 처리된 우라늄 폐기물은 상기 처리방법 수행 전 우라늄 폐기물 대비 20 중량% 내지 35 중량%인 것을 특징으로 하는 우라늄 폐기물 처리방법.