KR102084462B1 - 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법 - Google Patents

우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (a) 반응기에 용융염을 충진하는 단계; 및 (b) 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계를 포함하는 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법 에 관한 것이다.

Description

우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법{METHOD FOR REDUCING RARE EARTH ELEMENT CONTENT IN URANIUM, TRANSURANIUM AND RARE EARTH ELEMENT SOLID}
본 발명은 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법에 관한 것이다.
사용후핵연료 처리공정의 하나인 파이로프로세싱은 고온 용융염 전해조에서 전기화학반응을 이용하는 공정으로서, 전해정련공정에서는 고체음극을 사용하여 U를 회수하고, 전해제련공정에서는 액체카드뮴 음극을 사용하여 U를 포함한 TRU 원소를 회수한다. 전해제련공정은 U/TRU 회수공정이라 할 수 있으며, 액체카드뮴 음극에서의 금속 염화물의 전착을 위한 환원전위 차이가 작아서 U/TRU와 함께 불순물로서 RE(희토류 원소, Rare Earth Element)도 일부 전착되어 회수된다. 회수된 U/TRU/RE 잉곳은 고속로의 핵연료로 공급되어 연소됨으로써 사용후핵연료의 고준위폐기물 양을 크게 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나, 고속로의 핵연료로 공급되는 U/TRU/RE 잉곳 내 RE의 함량이 높으면 금속연료 핵연료봉의 건전성에 문제를 일으킬 가능성이 있으므로, 회수된 U/TRU/RE 잉곳 내 RE 함량을 일정 농도 이하로 유지하여야 한다. U/TRU 회수공정의 액체카드뮴 음극의 전극특성으로 인해 고온 용융염 중의 TRU의 농도가 RE 보다 상대적으로 적을 때 과량의 RE가 U/TRU와 함께 회수될 수 있는데, 이는 고속로의 핵연료로 사용할 수 없으며, 증류 공정을 거쳐 잉곳화한 후 계통(전해정련공정의 양극 물질로 또는 UCl3 제조공정의 반응물질로 사용) 내로 재순환된다. RE가 계통 내로 재순환 되면 전해조의 용융염 내 RE 농도가 증가하므로 고속로의 핵연료 공급을 위한 U/TRU 회수공정의 부하가 커지게 된다.
현재까지의 전 세계적인 파이로프로세싱 기술개발 과정에서는 U/TRU 회수공정에서 RE의 함량을 가능하면 낮게 유지하면서 U/TRU/RE 잉곳을 회수하기 위한 목적의 연구가 진행되어 왔다. 즉, 고체 Al 전극, 카드뮴 이외의 다른 액체금속 전극, 및 다단추출공정 등의 연구를 수행하였으나, 열역학적 평형 값의 차이, 전극의 과전위 특성 또는 고온의 다단공정 장치 운전 등의 장애로 인해 U/TRU/RE 잉곳 내 RE 함유는 피할 수 없는 현상으로 남아있다.
따라서, 회수된 U/TRU/RE 잉곳 내 RE 함량을 감소시켜 고속로의 핵연료로 직접 공급하거나, 계통으로 재순환되더라도 RE 함량을 감소시켜 U/TRU 회수공정의 부하를 감소시킬 수 있는 공정의 개발이 절실한 상황이다.
국내등록특허공보 제10-1345987호(2013.12.20)
본 발명은 (a) 반응기에 용융염을 충진하는 단계; 및 (b) 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계를 포함하는 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법 등을 제공하고자 한다.
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.
본 발명의 일 구현예로, (a) 반응기에 용융염을 충진하는 단계; 및 (b) 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계를 포함하는 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 반응기에 용융염을 충전시키는 단계; 및 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는바, 상기 염화물은 염화물 생성 자유 에너지(ΔGf°)를 고려하여 채택된 것으로, 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소를 선택적으로 산화시킴으로써, 희토류 원소 함량을 저감시킬 수 있다.
따라서, 상기 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체는 소듐 냉각 고속원자로(SFR) 핵연료 제조에 사용될 수도 있고, 계통으로 재순환되어 전해정련공정의 양극 물질로 또는 UCl3 제조공정의 반응물질로 사용되어, 전해제련공정의 부하를 감소시킬 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감시키는데 이용되는 장치를 개략적으로 나타낸 그림이다.
본 발명자들은 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 불순물로 작용하는 희토류 원소 함량을 저감시키기 위한 방법에 대해 연구하던 중, 상기 희토류 원소를 선택적으로 산화시키기 위한 염화물을 희토류 원소 산화제로 사용함으로써, 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법
본 발명은 (a) 반응기에 용융염을 충진하는 단계; 및 (b) 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계를 포함하는 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법을 제공한다.
선택적으로, 본 발명에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 (c) 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 회수하는 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 회수는 증류를 통해 용융염을 제거함으로써 수행될 수 있는데, 보다 구체적으로, 상기 회수는 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 반출 또는 미반출한 후, 이를 증류시켜 용융염을 제거함으로써 수행될 수 있다.
본 명세서 내 "초우라늄(TRU)"라 함은, 우라늄(U) 보다 원자 번호가 큰 원소를 말하는 것으로, 넵튜늄(Np), 플루토늄(Pu), 아메리슘(Am), 큐리움(Cm) 등을 포함한다.
본 명세서 내 "희토류 원소(RE)"라 함은, 원자 번호 57번부터 71번까지의 란탄계 원소 15개와, 원자 번호 21번인 스칸듐(Sc) 및 39번인 이트륨(Y) 2개, 즉, 총 17개 원소를 총칭한다.
본 명세서 내 "우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체"라 함은 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소를 포함하는 고체로, 그밖에 기타 불가피한 불순물을 추가로 포함할 수 있다. 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체는 전해제련 공정(파이로프로세싱의 U/TRU회수공정)으로부터 회수될 수 있고, 여기서 희토류 원소 함량을 저감시킴으로써 소듐 냉각 고속원자로(SFR) 핵연료의 제조에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법을 개략적으로 나타낸 그림이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 반응기에 용융염을 충진하는 단계(S1); 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하는 단계(S2); 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입하는 단계(S3); 및 이들을 반응시키는 단계(S4)를 포함한다.
선택적으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 반출 또는 미반출한 후, 이를 증류시켜 용융염을 제거하는 단계(S5)를 추가로 포함할 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 반응기에 용융염을 충진하는 단계[(a) 단계]를 포함한다.
구체적으로, 상기 반응기는 용융염을 충진하기 위한 용기로서, 상기 반응기로 파이로프로세싱에서 사용되는 용량이 큰 전해조[대용량(예컨대, 30kg 초과 용량)의 반응기]를 이용할 필요가 없고, 상기 반응기의 용량은 후술하는 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 처리할 수 있을 정도[소용량(예컨대, 30kg 이하 용량)의 반응기]이면 충분하다.
또한, 상기 용융염으로는 우라늄 및 초우라늄 회수 공정에 사용하는 염을 사용할 수 있고, 구체적으로, LiCl-KCl 공융염을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이로써, 타원소에 의한 공정염의 오염을 방지할 수 있는 이점을 가진다. 상기 용융염은 후술하는 반응을 위해, 400℃ 내지 700℃의 온도를 유지하는 것이 바람직하고, 500℃ 내지 700℃의 온도를 유지하는 것이 보다 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
다음으로, 본 발명에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계[(b) 단계]를 포함한다.
구체적으로, 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체는 상기 용융염에 장입되는데, 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 과도한 희토류 원소의 함량을 저감시키기 위한 산화 반응을 수행하는 것을 특징으로 한다. 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 메쉬 형태의 바스켓에 넣어 용융염에 장입함으로써, 반응물질의 물질전달 성능을 향상시킬 수 있다.
따라서, 파이로프로세싱의 U/TRU회수공정에서 회수되는 우라늄, 초우라늄, 및 희토류원소의 생성물은 증류공정의 성능에 따라 덩어리(잉곳) 형태일 수도 있으며, 분말 형태일 수도 있다. 이러한 형태의 차이에도 불구하고 용융염 내에서의 반응 및 회수에는 영향을 미치지 않는다.
또한, 상기 염화물은 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 것으로, 저감시키고자 하는 희토류 원소의 염화물에 비해, 염화물 생성 자유 에너지(ΔGf°)의 절대값이 작은 것일 수 있고, 상기 염화물은 우라늄 염화물; 또는 염화이트륨 또는 염화가돌리늄을 포함하는 희토류 원소 염화물인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 염화이트륨 또는 염화가돌리늄의 경우, 희토류 원소 염화물 중에서 염화물 생성 자유 에너지(ΔGf°)의 절대값이 작은 편에 속한다.
이때, 저감시키고자 하는 희토류 원소의 염화물은 염화네오디뮴, 염화세륨, 염화프라세오디뮴 및 염화란타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
표 1은 약 500 ℃에서 우라늄 염화물, 초우라늄 염화물 및 희토류 원소 염화물의 염화물 생성 자유 에너지(ΔGf°)를 나타낸 것이다.
염화물 종류 ΔGf°(kJ/mol)
우라늄 염화물 UCl3 -232.35
초우라늄 염화물 NpCl3 -242.91
PuCl3 -261.41
CmCl3 -264.99
AmCl3 -266.38
희토류 원소 염화물 YCl3 -272.50
GdCl3 -273.02
NdCl3 -281.45
CeCl3 -287.37
PrCl3 -288.89
LaCl3 -293.62
표 1에 나타난 바와 같이, 우라늄 염화물의 ΔGf°의 절대값이 가장 작고, 초우라늄 염화물, 희토류 원소 염화물 순인 것으로 확인된다. 이때, 염화이트륨 또는 염화가돌리늄의 경우, 희토류 원소 염화물 중에서 ΔGf°의 절대값이 작은 편에 속하는 것으로 확인된다. 따라서, 저감시키고자 하는 희토류 원소의 염화물에 비해, ΔGf°의 절대값이 작은 염화물을 희토류 원소 산화제로 사용할 수 있다. 예컨대, 우라늄 염화물을 희토류 원소 산화제로 사용하는 경우, 반응식은 하기와 같다:
RE + UCl3 → RECl3 + U.
한편, 표 2는 HSC Chemistry code에 근거하여 약 500 ℃에서 초우라늄과 우라늄 염화물의 반응시 또는 희토류 원소 고체와 우라늄 염화물의 반응시, 자유 에너지(G) 및 평형상수(K)를 나타낸 것이다.
반응식 ΔG(kcal) K
초우라늄과
우라늄 염화물의 반응		 Np + UCl3 → NpCl3 + U -7.502 1.32E+02
Pu + UCl3 → PuCl3 + U -22.439 2.21E+06
Cm + UCl3 → CmCl3 + U -17.502 8.87E+04
Am + UCl3 → AmCl3 + U -24.254 7.19E+06
희토류 원소와 우라늄 염화물의 반응 Y + UCl3 → YCl3 + U -29.483 2.16E+08
Gd + UCl3 → GdCl3 + U -29.010 1.59E+08
Nd + UCl3 → NdCl3 + U -37.977 5.45E+10
Ce + UCl3 → CeCl3 + U -40.555 2.92E+11
Pr + UCl3 → PrCl3 + U -41.162 4.33E+11
La + UCl3 → LaCl3 + U -44.708 4.36E+12
표 2에 나타난 바와 같이, 초우라늄 및 희토류 원소와 우라늄 염화물의 반응시, ΔG는 모두 음의 값을 가지는바, 초우라늄 및 희토류 원소의 산화 반응이 모두 잘 이루어지는 것으로 확인된다. 다만, 초우라늄과 우라늄 염화물의 반응시 평형상수(K)에 비해, 희토류 원소와 우라늄 염화물 반응시 평형상수(K)가 대략 102 ~1010 정도 높은 것으로 확인되는바, 희토류 원소의 산화 반응이 월등히 잘 이루어지는 것으로 확인된다. 따라서, 우라늄 염화물을 희토류 원소 산화제로 사용하는 경우, 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 우라늄 및 초우라늄 대비 희토류 원소를 높은 반응 속도로 선택적으로 산화시킴으로써, 희토류 원소 함량을 저감시킬 수 있는 이점을 가지는 것으로 볼 수 있다.
또한, 표 3은 HSC Chemistry code에 근거하여 약 500 ℃에서 우라늄과 희토류 원소 염화물(GdCl3)의 반응시, 초우라늄과 희토류 원소 염화물의 반응시 또는 희토류 원소와 회토류 원소 염화물(GdCl3)의 반응시, 자유 에너지(ΔG) 및 평형상수(K)를 나타낸 것이다.
반응식 ΔG(kcal) K
우라늄과
GdCl3의 반응		 U + GdCl3 → UCl3 + Gd 29.010 6.30E-09
초우라늄과
GdCl3의 반응		 Pu + GdCl3 → PuCl3 + Gd 6.571 1.39E-02
희토류 원소와
GdCl3의 반응		 Nd + GdCl3 → NdCl3 + Gd -8.967 3.43E+02
La + GdCl3 → LaCl3 + Gd -15.699 2.74E+04
표 3 나타난 바와 같이, 우라늄 및 초우라늄과 희토류 원소 염화물(GdCl3)의 반응시, ΔG는 모두 양의 값을 가지는바, 우라늄 및 초우라늄의 산화 반응이 모두 잘이루어지지 않는 것으로 확인되는 반면, 희토류 원소와 희토류 원소 염화물(GdCl3)의 반응시, ΔG는 음의 값을 가지는바, 희토류 원소의 산화 반응이 이루어지는 것으로 확인된다. 따라서, 염화물 생성 자유 에너지(ΔGf°)의 절대값이 작은 희토류 원소 염화물을 희토류 원소 산화제로 사용하는 경우, 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 우라늄 및 초우라늄은 산화시키지 않으면서, 희토류 원소를 선택적으로 산화시킴으로써, 희토류 원소 함량을 저감시킬 수 있는 이점을 가지는 것으로 볼 수 있다.
이때, 상기 염화물은 일시에 또는 분할하여 주입될 수 있다. 구체적으로, 상기 염화물을 분할하여 주입하는 경우에는, 상기 염화물을 일시에 주입하는 경우에 비해, 상대적으로 초우라늄과의 반응을 억제함으로써, 희토류 원소와의 선택적 반응을 향상시킬 수 있는 이점을 가질 수 있다.
또한, 상기 반응은 용융염을 매질로 하는 반응속도가 매우 빠른 반응이므로, 소용량(예컨대, 30kg 이하 용량)의 반응기에서는 교반이 특별히 필요하지 않지만, 대용량(예컨대, 30kg 초과 용량)의 반응기에서는 반응물질의 물질전달 성능을 향상시켜 반응속도를 증가시키기 위한 교반기를 추가로 가동하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 교반기는 반응기에 충진된 용융염이 이탈하여 손실이 발생하지 않는 범위의 속도로 가동되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
한편, 반응물질의 물질전달 성능을 향상시키기 위해서는, 상기 교반기의 추가 가동 대신, 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 메쉬 형태의 바스켓에 넣은 후, 이를 용융염에 장입도 고려할 수 있다.
선택적으로, 본 발명에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 회수하는 단계[(c) 단계]를 추가로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 회수는 증류를 통해 용융염을 제거함으로써 수행될 수 있는데, 보다 구체적으로, 상기 회수는 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 반출 또는 미반출한 후, 이를 증류시켜 용융염을 제거함으로써 수행될 수 있다.
먼저, 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 반출하는 경우, 상기 증류는 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체와 함께 반출된 잔류 용융염을 제거하기 위한 것이다. 한편, 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 미반출하는 경우[소용량(예컨대, 30kg 이하 용량)의 반응기를 사용한 경우로서, 상기 반응기 내 분말 형태로 침전되는 경우], 상기 증류는 상기 반응기 내 잔류 용융염 전체를 제거하기 위한 것일 수 있다.
상기 증류는 감압 상태로 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체의 녹는점 이상의 온도에서 수행될 수 있고, 1 Torr 이하의 압력 조건 하에 600℃ 내지 1200℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
최종적으로, 상기 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소의 함량은 10 중량% 이하일 수 있고, 5 중량% 이하인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법은 반응기에 용융염을 충전시키는 단계; 및 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는바, 상기 염화물은 염화물 생성 자유 에너지(ΔGf°)를 고려하여 채택된 것으로, 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소를 선택적으로 산화시킴으로써, 희토류 원소 함량을 저감시킬 수 있다.
따라서, 상기 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체는 소듐 냉각 고속원자로(SFR) 핵연료 제조에 사용될 수도 있고, 계통으로 재순환되어 전해정련공정의 양극 물질로 또는 UCl3 제조공정의 반응물질로 사용되어, 전해제련공정의 부하를 감소시킬 수도 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1
도 2에 도시된 장치를 이용하여, 잉곳 형태의 U(U 및 TRU의 대용에 해당함)/RE(구체적으로, Ce 및 Nd) 고체 내 RE 함량을 저감시켰다. 구체적으로, STS 재질의 반응기에 고체 상태의 LiCl-KCl 용융염을 충진한 후 외부 히터(도면 미도시)로 반응기를 500℃로 가열하였다. 잉곳 형태의 U/RE 고체를 메쉬 형태의 STS 재질의 바스켓에 넣은 후, 이를 용융염에 장입하였다. 이후, 용융염에 목표하는 저감 RE 당량에 맞춰 RE 산화제로서, UCl3를 일시에 주입한 다음, 이들을 반응시켰다. 이후, 반응기로부터 반응을 통해 RE 함량이 저감된 U/RE 고체를 반출한 후, 이를 감압 상태로 800℃ 이상에서 증류시켜 용융염을 제거함으로써, 다시 잉곳 형태로 제조하였다. 이때, 초기 U/RE 고체 내 RE 함량 중 약 90 중량% 이상의 RE가 제거된 것으로 확인되었다. 한편, 반응기 내 RECl3가 축적된 용융염은 염폐기물 처리공정을 통해, LiCl-KCl 공융염은 제거하고 RECl3를 회수하여 고화시켰다.
실시예 2
RE 산화제로서, UCl3 대신 GdCl3를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하였다. 그 결과, 초기 U/RE 고체 내 RE 함량 중 대부분의 Ce는 제거되었고, Nd는 약 10 중량% 이하로 잔류하는 것으로 확인되었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 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 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. (a) 반응기에 용융염을 충진하는 단계;
    (b) 상기 용융염에 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 장입하고, 상기 용융염에 상기 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소를 산화시키기 위한 염화물을 주입한 다음, 이들을 반응시키는 단계; 및
    (c) 증류를 통해 잔류 용융염을 제거하여, 상기 반응기로부터 상기 반응을 통해 희토류 원소 함량이 저감된 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체를 회수하는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서 염화물은 우라늄 염화물; 또는 염화이트륨 또는 염화가돌리늄을 포함하는 희토류 원소 염화물인 것을 특징으로 하는
    우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b)에서 용융염은 400℃ 내지 700℃의 온도를 유지하는
    우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b)에서 우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체는 잉곳 또는 분말 형태인
    우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b)에서 염화물은 저감시키고자 하는 희토류 원소의 염화물에 비해, 염화물 생성 자유 에너지(ΔGf°)의 절대값이 작은
    우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 저감시키고자 하는 희토류 원소의 염화물은 염화네오디뮴, 염화세륨, 염화프라세오디뮴 및 염화란타늄으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인
    우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (b)에서 반응은 반응속도를 증가시키기 위한 교반기를 추가로 가동하여 수행되는
    우라늄, 초우라늄 및 희토류 원소 고체 내 희토류 원소 함량의 저감 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10111389A (ja) * 1996-10-08 1998-04-28 Hitachi Ltd 使用済原子燃料の再処理方法およびその装置
KR101047838B1 (ko) * 2009-07-21 2011-07-08 한국수력원자력 주식회사 염화물 용융염에서 잔류 악티늄족 원소의 회수방법
KR101137436B1 (ko) * 2010-08-09 2012-04-20 한국수력원자력 주식회사 공융염내 희토류 제거장치 및 이를 이용한 희토류 제거방법
KR101345987B1 (ko) 2011-12-30 2014-01-03 한국수력원자력 주식회사 액체 카드뮴을 양극과 음극으로 각각 사용하여 우라늄과 초우라늄을 동시 회수하는 전해방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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