KR102092600B1 - Reduction apparatus and method of rarioactive metal oxide integrated with regeneration apparatus - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치는, 전해질의 전기분해를 통해 금속과 반응 기체를 생성하는 전해장치와, 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성하는 환원장치와, 전해질로부터 제1 생성물을 분리하고, 분리된 제1 생성물과 반응 기체를 반응시켜 전해질을 재생하는 재생장치를 포함할 수 있다.Reduction device-integrated radioactive metal oxide reduction device according to an embodiment of the present invention, an electrolytic device that generates a metal and a reaction gas through electrolysis of an electrolyte, and using a metal to reduce the radioactive metal oxide and the radioactive metal oxide A reduction device for generating an electrolyte in which the first product produced during reduction is mixed, and a regeneration device for separating the first product from the electrolyte and reacting the separated first product with a reaction gas to regenerate the electrolyte.

Description

재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치 및 방법{REDUCTION APPARATUS AND METHOD OF RARIOACTIVE METAL OXIDE INTEGRATED WITH REGENERATION APPARATUS}REDUCTION APPARATUS AND METHOD OF RARIOACTIVE METAL OXIDE INTEGRATED WITH REGENERATION APPARATUS

본 출원은, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치 및 방법에 관한 것이다.The present application relates to an apparatus and method for reducing radioactive metal oxide integrated with a regeneration device.

파이로프로세싱의 전해환원공정은 산화물 형태의 사용후핵연료를 금속 형태로 전환하여 후속 공정인 전해정련공정에 공급한다. 전해환원공정은 (1) 용융된 LiCl(전해질)에 전기를 가하여 Li 금속을 생산하는 공정(전해공정)과, (2) 생산된 Li 금속이 산화물 형태의 사용후핵연료를 금속 형태로 전환하는 공정(환원공정)으로 구성된다.The electrolytic reduction process of pyroprocessing converts the spent fuel in the form of oxide into a metal form and supplies it to the subsequent process, the electrorefining process. The electrolytic reduction process includes (1) a process of producing Li metal by applying electricity to molten LiCl (electrolyte) (2), and (2) a process in which the produced Li metal converts spent fuel in the form of oxide into metal form (Reduction process).

산화물이 금속으로 전환되는 과정(환원반응)에서 산소 이온이 발생하며, 발생한 산소 이온은 Li2O 형태로 용융염 내에 존재하거나, 양극에서 산소 기체로 전환된다. 이 산소 이온은 물질전달속도 및 화학반응속도 등의 한계로 인해, 환원반응이 진행됨에 따라, 용융된 LiCl 내에 Li2O가 누적된다. 이러한 Li2O의 지속적인 누적으로 인해, 환원반응은 더 이상 진행되기 어려우며, 경우에 따라 역반응 (재산화반응)이 우세해지기도 한다. 따라서 이러한 환원공정에서는 Li2O의 농도를 일정하게 유지하는 것이 요구된다.Oxygen ions are generated in the process of conversion of oxide to metal (reduction reaction), and the generated oxygen ions are present in the molten salt in the form of Li 2 O, or are converted to oxygen gas at the anode. Due to limitations of the material transfer rate and the chemical reaction rate, Li 2 O is accumulated in the molten LiCl as the oxygen ion is reduced. Due to the continuous accumulation of Li 2 O, the reduction reaction is difficult to proceed further, and in some cases, the reverse reaction (reoxidation reaction) is predominant. Therefore, in this reduction step, it is required to maintain the concentration of Li 2 O constant.

한편, 전기분해를 통해 음극에서 생산된 Li 금속이 효과적으로 반응에 참여하기 위해서는 산화물과의 지속적인 접촉이 필요하다. 하지만, (1) LiCl 용융염 내 Li 금속의 낮은 용해도 (650 ℃에서 0.29 wt% 용해)와, (2) LiCl 용융염 (액체 밀도: 1.55 g/cm3)과 Li 금속 (액체 밀도: 0.512 g/cm3, 고체 밀도: 0.534 g/cm3)의 밀도 차이로 인해, 음극에서 생산된 Li 금속은 LiCl 용융염 상층부로 부유하게 된다. LiCl 용융염 상층부에 부유하는 Li 금속은 산화물과의 접촉이 불가능하여, 반응에 참여하지 못하는 잉여 Li 금속으로 존재하게 된다. 특히, 고용량 전해환원공정 시스템의 경우, 산화물이 금속으로 전환되는 속도 (화학반응속도)가 Li 금속 생산 속도 (인가전류에 비례)를 따라가지 못하게 된다. 따라서 전해환원공정의 용량이 증대될수록 공정에서 생산되는 Li 금속 대비 반응에 참여하지 못하는 잉여 Li 금속이 차지하는 비율이 높아진다는 문제점이 있다.On the other hand, in order for lithium metal produced at the cathode through electrolysis to effectively participate in the reaction, continuous contact with the oxide is required. However, (1) low solubility of Li metal in LiCl molten salt (0.29 wt% dissolved at 650 ° C), (2) LiCl molten salt (liquid density: 1.55 g / cm 3 ) and Li metal (liquid density: 0.512 g) / cm 3 , solid density: 0.534 g / cm 3 ) due to the difference in density, the Li metal produced at the cathode floats to the upper portion of the LiCl molten salt. Li metal floating in the upper portion of the LiCl molten salt cannot be contacted with the oxide, and thus exists as a surplus Li metal that cannot participate in the reaction. In particular, in the case of a high-capacity electrolytic reduction process system, the rate at which oxides are converted to metals (chemical reaction rate) cannot keep up with the rate of Li metal production (proportional to the applied current). Therefore, as the capacity of the electrolytic reduction process increases, there is a problem that the proportion of the excess Li metal that does not participate in the reaction increases compared to the Li metal produced in the process.

또한, 기존의 전해환원공정에서는 전처리 공정이 완료된 산화물 형태의 사용후핵연료를 연료 바스켓에 담긴 채로 환원장치에 이송한다. 환원공정이 완료된, 금속으로 전환된 산화물이 담긴 바스켓은 금속 표면에 존재하는 전해질을 제거하기 위해 증류공정을 거친 다음, 후속공정인 전해정련공정으로 인계된다. 이 과정에서, 환원장치와 정련장치의 제원 차이 등으로 인해 연료 바스켓을 교체하는 경우가 발생하며, 이를 위해 별도의 공정장치가 요구된다. 또한, 전해환원공정과 전해정련공정에서 사용되는 전해질이 상이하므로, 환원이 완료된 산화물을 후속공정으로 연계시, 산화물 표면에 잔류하는 전해질을 제거하기 위한 별도의 공정장치가 요구된다.In addition, in the conventional electrolytic reduction process, the spent fuel in the form of oxide in which the pre-treatment process is completed is transferred to a reduction device while being contained in a fuel basket. After the reduction process is completed, the basket containing the oxide converted to metal is passed through a distillation process to remove the electrolyte present on the metal surface, and then taken over as a subsequent process, an electrorefining process. In this process, there is a case where the fuel basket is replaced due to a difference in specifications between the reduction device and the refining device, and a separate process device is required for this. In addition, since the electrolyte used in the electrolytic reduction process and the electrolytic refining process is different, a separate process device for removing the electrolyte remaining on the oxide surface is required when linking the reduced oxide to a subsequent process.

일본공개특허 특개2008-134096호(“폐산화물 원자 연료의 환원장치 및 리튬 재생 전해장치”, 공개일: 2008년06월12일)Japanese Patent Laid-Open No. 2008-134096 (“Reduction device for waste oxide atomic fuel and lithium regeneration electrolysis device”, published date: June 12, 2008)

본 발명은, 공정에서 생산되는 Li 금속을 효과적으로 방사성 금속 산화물의 환원반응에 사용할 수 있으며, 용량증대 시 발생하는 잉여 Li 금속 발생 문제를 해결할 수 있으며, 공정이 진행됨에 따라 전해질 내 Li2O가 누적되는 문제를 해결할 수 있는 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치 및 방법을 제공한다.The present invention can effectively use the Li metal produced in the process for the reduction reaction of the radioactive metal oxide, can solve the problem of the generation of excess Li metal generated when the capacity increases, Li 2 O in the electrolyte accumulates as the process progresses Provided is a device and method for reducing radioactive metal oxide integrated with a regeneration device capable of solving the problem.

또한, 기존의 전해환원공정과는 달리, 별도의 전해질 제거를 위한 증류장치가 요구되지 않으며, 반응물 주입 및 생성물 배출 과정에서 기존의 공정에서 필수적이었던 연료 바스켓이 사용되지 않으므로, 기존의 회분식 공정에서 탈피하여 연속식 공정의 구현이 가능한 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치 및 방법을 제공한다.In addition, unlike the conventional electrolytic reduction process, a separate distillation device for removing the electrolyte is not required, and the fuel basket, which was essential in the existing process in the process of reactant injection and product discharge, is not used, so it is removed from the existing batch process. To provide a device and method for reducing the radioactive metal oxide integrated with a regeneration device capable of implementing a continuous process.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전해질의 전기분해를 통해 금속과 반응 기체를 생성하는 전해장치; 상기 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며, 상기 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성하는 환원장치; 및 상기 전해질로부터 상기 제1 생성물을 분리하고, 분리된 상기 제1 생성물과 상기 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는 재생장치;를 포함하는, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, an electrolytic device that generates a metal and a reaction gas through electrolysis of an electrolyte; A reduction device for reducing the radioactive metal oxide using the metal, and generating an electrolyte in which the first product generated during the reduction of the radioactive metal oxide is mixed; And a regeneration device for separating the first product from the electrolyte and reacting the separated first product with the reaction gas to regenerate the electrolyte.

본 발명의 다른 실시 형태에 의하면, 전해장치에서, 전해질의 전기분해를 통해 금속과 반응 기체를 생성하는 제1 단계; 환원장치에서, 상기 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며, 상기 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성하는 제2 단계; 및 재생장치에서, 상기 전해질로부터 상기 제1 생성물을 분리하고, 분리된 상기 제1 생성물과 상기 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는 제3 단계;를 포함하며, 상기 제3 단계는, 내부에 충진된 충진재와 상기 전해질에 혼합된 제1 생성물을 반응시켜 제2 생성물을 생성하는 단계와, 생성된 상기 제2 생성물과 상기 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는 단계를 포함하며, 상기 전해질은 염화 리튬이며, 상기 금속은 리튬이며, 상기 반응 기체는 염소 가스이며, 상기 방사성 금속 산화물은 우라늄 및 초우라늄 원소의 금속 산화물이며, 상기 제1 생성물은 산화 리튬이며, 상기 제2 생성물은 리튬-지르코늄 산화물이며, 상기 충진재는 산화 지르코늄인, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원 방법이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, in an electrolytic device, a first step of generating a metal and a reaction gas through electrolysis of an electrolyte; In a reduction device, a second step of reducing a radioactive metal oxide using the metal, and generating an electrolyte in which a first product generated during reduction of the radioactive metal oxide is mixed; And a third step of separating the first product from the electrolyte and reacting the separated first product with the reaction gas to regenerate the electrolyte in the regeneration device. Reacting the filled filler and the first product mixed with the electrolyte to produce a second product, and reacting the generated second product with the reaction gas to regenerate the electrolyte, wherein the electrolyte Lithium chloride, the metal is lithium, the reaction gas is chlorine gas, the radioactive metal oxide is a metal oxide of uranium and superuranium elements, the first product is lithium oxide, and the second product is lithium-zirconium An oxide, and the filler is zirconium oxide. A method for reducing a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device is provided.

본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 전기분해를 통해 생산된 Li 금속의 효과적인 환원반응 참여로 환원 효율향상 및 반응에 참여하지 못하는 잉여 Li 금속 비율 감소될 수 있으며, 산화물이 금속으로 전환되는 속도 (화학반응속도)에 관계없이 Li 금속 생산 속도 (인가전류에 비례)를 증가시킬 수 있으며, 환원장치 내부에서의 효과적인 혼합으로 환원공정의 효율향상 및 용량증대가 가능한 이점이 있다.According to one embodiment of the present invention, the efficiency of reduction of lithium and the proportion of excess Li metal that cannot participate in the reaction can be reduced by participating in effective reduction reaction of Li metal produced through electrolysis, and the rate at which oxide is converted to metal (chemical It is possible to increase the production rate of Li metal (proportional to the applied current) irrespective of the reaction rate, and it is possible to increase the efficiency of the reduction process and increase the capacity through effective mixing inside the reduction device.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 운반기체에 의해 생성물 (금속 전환체)로부터 Li2O 및 LiCl 혼합물이 분리되므로, 기존의 전해환원공정과는 달리, 별도의 전해질 제거를 위한 증류장치가 요구되지 않으며, 기존 공정에서 필수적이었던 연료 바스켓이 사용되지 않으므로, 기존의 회분식 공정에서 탈피하여, 연속식 공정의 구현 가능한 이점이 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, since the Li 2 O and LiCl mixture is separated from the product (metal conversion body) by the carrier gas, unlike the conventional electrolytic reduction process, a distillation device for removing the electrolyte is provided. It is not required, and since the fuel basket, which was essential in the existing process, is not used, there is an advantage that can be realized in the continuous process by moving away from the existing batch process.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 탄소 양극을 카트리지 형태로 지속적으로 공급하여, 탄소 양극 사용의 단점인 양극 소모로 인한 양극 면적의 감소 문제를 해결할 수 있으며, 탄소 양극 사용으로 인한 고전류/고전압 인가가 가능하여 용량증대 가능 및 공정단가가 감소될 수 있는 이점이 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, by continuously supplying the carbon anode in the form of a cartridge, it is possible to solve the problem of reduction in the anode area due to the consumption of the anode, a disadvantage of the use of the carbon anode, high current / high voltage due to the use of the carbon anode There is an advantage that it is possible to increase the capacity and the process cost can be reduced.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분산판을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원 방법을 설명하는 흐름도이다.
1 is a conceptual diagram of a device for reducing a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a dispersion plate according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating a method of reducing a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited only to the embodiments described below. The shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for a more clear description, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치(100)의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a reduction device 100 for a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치(100)는, 전해질의 전기분해를 통해 금속과 반응 기체를 생성하는 전해장치(110)와, 전해장치(110)에서 생성된 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며, 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성하는 환원장치(120)와, 전해질로부터 제1 생성물을 분리하고, 분리된 제1 생성물과 반응 기체를 반응시켜 전해질을 재생하는 재생장치(130)를 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 1, the regeneration device-integrated radioactive metal oxide reduction device 100 according to an embodiment of the present invention includes an electrolytic device 110 that generates a metal and a reaction gas through electrolysis of an electrolyte, Reduction device 120 for reducing the radioactive metal oxide using the metal generated in the electrolytic device 110, and a reduction device 120 for generating an electrolyte in which the first product generated during the reduction of the radioactive metal oxide is mixed, and the first product from the electrolyte It may be configured to include a regeneration device 130 that separates and reacts the separated first product with a reaction gas to regenerate the electrolyte.

상술한 재생장치(130)는, 내부에 충진된 충진재와 전해질에 혼합된 제1 생성물을 반응시켜 제2 생성물을 생성하고, 생성된 제2 생성물과 반응 기체를 반응시켜 전해질을 재생할 수 있다.The above-described regeneration device 130 may react with the filler filled therein and the first product mixed with the electrolyte to generate a second product, and react the generated second product with the reaction gas to regenerate the electrolyte.

본 발명에서, 상기 전해질은 염화 리튬(LiCl)이며, 상기 금속은 리튬(Li)이며, 상기 반응 기체는 염소 가스(Cl2)이며, 상기 방사성 금속 산화물은 우라늄 및 초우라늄 원소(예를 들어, 플루토늄 등)의 금속 산화물이며, 상기 제1 생성물은 산화 리튬(Li2O)이며, 상기 제2 생성물은 리튬-지르코늄 산화물(Li2ZrO3)이며, 상기 충진재는 산화 지르코늄(ZrO2)일 수 있다. 우라늄 및 초우라늄 원소의 산화수는 다양할 수 있으므로, 이러한 원소로 구성된 금속 산화물의 산화수는 한정되지 않는다.In the present invention, the electrolyte is lithium chloride (LiCl), the metal is lithium (Li), the reaction gas is chlorine gas (Cl 2 ), and the radioactive metal oxide is uranium and ultrauranium elements (for example, Plutonium, etc.), the first product is lithium oxide (Li 2 O), the second product is lithium-zirconium oxide (Li 2 ZrO 3 ), and the filler may be zirconium oxide (ZrO 2 ). have. Since the oxidized number of uranium and superuranium elements may vary, the oxidized number of metal oxides composed of these elements is not limited.

도 1에 도시된 바와 같이, 전해장치(110)는, 전해질(LiCl)의 전기분해를 통해 금속(Li)과 반응 기체(Cl2)를 생성할 수 있다.As illustrated in FIG. 1, the electrolytic device 110 may generate a metal (Li) and a reaction gas (Cl 2 ) through electrolysis of an electrolyte (LiCl).

이를 위해, 전해장치(110)는 전원 공급부(111)와, 전원 공급부(111)의 음극에 연결된 음극 단자(112a)를 내부에 구비하며 전해질의 전기분해 과정에서 생성된 금속을 포집하는 음극 개구부(112)와, 전원 공급부(111)의 양극에 연결된 양극 단자(113a)를 내부에 구비하며 전해질의 전기분해 과정에서 생성된 반응 기체를 포집하는 양극 개구부(113)와, 재생장치(130)에서 재생된 전해질이 유입되는 전해 유입 유로(114)와, 양극 개구부(113)에서 포집된 반응 기체를 재생장치(130)로 공급하기 위한 제1 전해 유출 유로(115)와, 음극 개구부(112)에서 포집된 금속을 환원장치(120)로 공급하기 위한 제2 전해 유출 유로(116)와, 다수의 관통홀이 생성되며, 전해장치(110) 내부의 하부에 구비된 분산판(117)과, 분산판(117)에 생성된 다수의 관통홀을 통해 운반 기체를 전해장치(110) 내부로 유입시키는 밸브(V1)가 구비된 전해장치 운반 기체 유입 유로(118)를 포함하여 구성될 수 있다.To this end, the electrolytic device 110 has a power supply 111 and a negative electrode terminal 112a connected to the negative electrode of the power supply 111 therein, and a negative electrode opening for collecting metal generated in the electrolysis process of the electrolyte ( 112), the positive electrode terminal 113a connected to the positive electrode of the power supply unit 111 is provided therein and the positive electrode opening 113 collecting the reaction gas generated in the electrolysis process of the electrolyte, and regeneration in the regeneration device 130 The electrolytic inflow passage 114 through which the electrolyte is introduced, the first electrolytic outflow passage 115 for supplying the reaction gas collected in the anode opening 113 to the regeneration device 130, and the cathode opening 112 The second electrolytic outflow passage 116 for supplying the metal to the reduction device 120, a plurality of through holes are generated, the dispersion plate 117 provided in the lower portion inside the electrolytic device 110, and the dispersion plate The carrier gas is transferred into the electrolytic device 110 through a plurality of through holes created in the 117. Can comprise the input valve (V1) is provided with a delivery device carrying a gas inlet passage 118 which.

이하 도 1을 참조하여 상술한 전해장치(110)의 동작을 상세하게 설명한다. Hereinafter, the operation of the above-described electrolytic device 110 will be described in detail with reference to FIG. 1.

분산판(117)의 상부에 전해질(LiCl)을 충진시킨 후 용융시키며, 이후 전원 공급부(111)를 통해 음극 단자(112a)와 양극 단자(113a)에 전압을 인가함으로써 하기 [화학식 1]의 반응을 유도할 수 있다.The reaction of the following [Formula 1] by filling the electrolyte (LiCl) on the top of the dispersion plate 117 and then melting it, and then applying voltage to the cathode terminal 112a and the anode terminal 113a through the power supply 111 Can induce

[화학식 1][Formula 1]

2LiCl = 2Li + Cl2 2LiCl = 2Li + Cl 2

음극 반응Cathodic reaction

음극 단자(112a)에서 생산되는 리튬(Li)(액체 밀도: 0.512 g/cm3, 고체 밀도: 0.534 g/cm3)은 전해질인 염화 리튬(LiCl) 용융염 (액체 밀도: 1.55 g/cm3)에 비해 낮은 밀도로 인해 용융염 상층부에 부유할 수 있으며, 전해장치 운반 기체 유입 유로(118)에서 공급되는 고압의 운반기체(아르곤)에 의해 제2 전해 유출 유로(116)를 통해 전해장치(110)로부터 배출될 수 있다. Lithium (Li) (liquid density: 0.512 g / cm 3 , solid density: 0.534 g / cm 3 ) produced at the cathode terminal 112a is an electrolyte of lithium chloride (LiCl) molten salt (liquid density: 1.55 g / cm 3 It may float on the upper portion of the molten salt due to a lower density than), and the electrolytic device through the second electrolytic outflow passage 116 by the high pressure carrier gas (argon) supplied from the electrolytic device carrier gas inflow passage 118 110).

상술한 운반기체는 분산판(117), 음극 개구부(112) 및 제2 전해 유출 유로(116)를 통해 환원장치(120)의 내부로 유입될 수 있으며, 이 과정에서 음극 단자(112a)에서 생산된 리튬(Li) 및 전해장치(110) 내부에 용융되어 있는 염화 리튬(LiCl)을 환원장치(120)에 공급할 수 있다. The above-described carrier gas may be introduced into the reduction device 120 through the dispersion plate 117, the cathode opening 112, and the second electrolytic outflow passage 116, produced in the cathode terminal 112a in this process. Lithium (Li) and lithium chloride (LiCl) dissolved in the electrolytic device 110 may be supplied to the reduction device 120.

음극 개구부(112)는 분산판(117)에서 배출되는 운반기체를 음극 단자(112a)의 상부로 유도하는 역할을 하지만, 경우에 따라서는 음극 개구부(112)의 크기를 조절하여 운반기체를 양극 개구부(113)로 유도하거나, 음극 개구부(112) 및 양극 개구부(113)에 공급되는 운반 기체의 비율을 조절할 수도 있다. 전해반응이 진행됨에 따라 염화 리튬(LiCl)의 소모에 의해 염화 리튬(LiCl)의 추가적인 공급이 요구될 수 있다. 이러한 염화 리튬(LiCl)의 추가적인 공급을 위해 전해장치(110)에 전해질 유입 유로를 설치할 수 있다.The cathode opening 112 serves to guide the carrier gas discharged from the dispersion plate 117 to the upper portion of the cathode terminal 112a, but in some cases, adjust the size of the cathode opening 112 to transport the carrier gas into the anode opening. It is also possible to control the ratio of the carrier gas supplied to the anode opening 112 or the cathode opening 112 and 113. As the electrolysis reaction proceeds, additional supply of lithium chloride (LiCl) may be required by consumption of lithium chloride (LiCl). For the additional supply of lithium chloride (LiCl), an electrolyte inflow passage may be installed in the electrolytic device 110.

양극 반응Anode reaction

한편, 양극 단자(113a)에서 발생하는 염소 가스(Cl2)는 제1 전해 유출 유로(115)를 통해 전해장치(110)에서 배출될 수 있다. 제1 전해 유출 유로(115)는 재생장치(130)의 재생장치 운반 기체 유입 유로(134)와 연결됨으로써, 염소 가스(Cl2)를 재생장치(130)의 염화 리튬(LiCl) 재생공정에서 사용할 수 있다.Meanwhile, chlorine gas (Cl 2 ) generated at the anode terminal 113a may be discharged from the electrolytic device 110 through the first electrolytic outflow passage 115. The first electrolytic outflow passage 115 is connected to the regeneration device carrier gas inflow passage 134 of the regeneration device 130, so that chlorine gas (Cl 2 ) can be used in the lithium chloride (LiCl) regeneration process of the regeneration device 130. You can.

상술한 바와 같이 전해장치 운반기체 유입유로(118)를 통해 전해장치(110)의 내부로 유입된 운반기체의 대부분은 음극 개구부(112)와 연결된 제2 전해유출유로(116)를 통해 배출될 수 있지만, 음극 개구부(112) 및 양극 개구부(113)의 크기 조절을 통해, 양극 개구부(113)와 연결된 제1 전해 유출 유로(115)를 통해서도 배출될 수 있다. 운반기체를 양극 개구부(113)를 통해 배출하는 경우, 양극 단자(113a)의 표면에 축적될 가능성이 있는 염소 가스를 효과적으로 제거할 수 있다. As described above, most of the carrier gas introduced into the interior of the electrolytic device 110 through the electrolytic device carrier gas inlet passage 118 can be discharged through the second electrolytic outlet passage 116 connected to the cathode opening 112. However, through the adjustment of the size of the cathode opening 112 and the anode opening 113, it may also be discharged through the first electrolytic outlet passage 115 connected to the anode opening 113. When the carrier gas is discharged through the anode opening 113, it is possible to effectively remove chlorine gas that is likely to accumulate on the surface of the anode terminal 113a.

한편, 양극 개구부(113)의 상부 및 제1 전해 유출 유로(115)에는 냉각핀 등의 냉각장치를 별도로 설치하여, 고온의 부식성 기체인 염소 가스를 냉각시킴으로써 장치의 부식을 방지할 수 있다. On the other hand, a cooling device such as a cooling fin is separately installed in the upper portion of the anode opening 113 and the first electrolytic outlet passage 115 to prevent corrosion of the device by cooling chlorine gas, which is a high-temperature corrosive gas.

제1 전해 유출 유로(115)를 통해 배출되는 기체는 별도의 저장소에 보관할 수 있지만, 재생장치(130)의 재생장치 운반 기체 유입 유로(134)와 연결하여 재활용하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 제1 전해 유출 유로(115)의 말단에 별도의 운반기체입구를 설치할 수 있다. 양극 단자(113a)를 구성하는 물질로는 백금 및 탄소 등이 사용될 수 있다. 탄소 양극 사용 시에는 전해반응이 진행됨에 따라 양극의 소모가 일어나므로, 양극의 추가적인 공급이 요구될 수 있다. 이를 위해, 탄소 양극을 카트리지 형태로 제작하여 지속적으로 공급하는 것이 바람직하다. The gas discharged through the first electrolytic outlet passage 115 may be stored in a separate storage, but is preferably recycled in connection with the regeneration device carrier gas inlet passage 134 of the regeneration device 130. To this end, a separate carrier gas inlet may be installed at the end of the first electrolytic outlet passage 115. Platinum, carbon, or the like may be used as a material constituting the anode terminal 113a. When the carbon anode is used, the anode is consumed as the electrolysis reaction proceeds, so additional supply of the anode may be required. To this end, it is desirable to continuously supply carbon anodes in the form of cartridges.

한편, 환원장치(120)는, 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며, 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성할 수 있다.On the other hand, the reduction device 120 may reduce the radioactive metal oxide by using a metal, and may generate an electrolyte in which the first product generated during reduction of the radioactive metal oxide is mixed.

이를 위해, 환원장치(120)는 방사성 금속 산화물이 주입되는 반응물 유입 유로(121)와, 전해장치(110)에서 포집된 금속이 유입되는 환원 유입 유로(122)와, 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 재생장치(130)로 공급하기 위한 환원 유출 유로(123)와, 다수의 관통홀이 생성되며 전해장치(110) 내부의 하부에 구비된 분산판(117)과, 분산판(117)에 생성된 다수의 관통홀을 통해 운반 기체를 환원장치(120)의 내부로 유입시키는 밸브(V2)가 구비된 환원장치 운반 기체 유입 유로(125)를 포함하여 구성될 수 있다.To this end, the reduction device 120 is generated during the reduction of the reactant inflow passage 121 through which the radioactive metal oxide is injected, the reduction inflow passage 122 through which the metal collected in the electrolytic device 110 flows, and the radioactive metal oxide. A reduction outlet flow path 123 for supplying the electrolyte in which the first product is mixed to the regeneration device 130, a plurality of through holes are generated, and a dispersion plate 117 provided at the bottom inside the electrolysis device 110 and , It may be configured to include a reducing device carrier gas inlet passage 125 equipped with a valve (V2) for introducing the carrier gas through the plurality of through-holes generated in the dispersion plate 117 into the reduction device 120. have.

이하 도 1을 참조하여 상술한 환원장치(120)의 동작을 설명한다.Hereinafter, the operation of the reduction device 120 described above will be described with reference to FIG. 1.

반응물 유입 유로(121)를 통해 환원장치(120) 내부에 방사성 금속 산화물이 유입되며, 유입된 방사성 금속 산화물은 분산판(124)의 상부에 충진될 수 있다. 환원장치(120) 내부에 충진되는 산화물은 고정층으로 존재하지만, 장치의 운전을 위해 공급되는 운반기체에 의해 유동층으로 전이될 수 있다. 이러한 경우, 환원장치(120)의 내부에서 산화물이 이탈하는 것을 방지하기 위해, 환원장치(120)의 상부에 여과막을 설치할 수 있다. The radioactive metal oxide is introduced into the reduction device 120 through the reactant inflow passage 121, and the introduced radioactive metal oxide may be filled in the upper portion of the dispersion plate 124. The oxide filled in the reduction device 120 exists as a fixed bed, but may be transferred to the fluidized bed by a carrier gas supplied for the operation of the device. In this case, a filter membrane may be installed on the upper portion of the reduction apparatus 120 to prevent the oxide from escaping from inside the reduction apparatus 120.

또한, 충진되는 방사성 금속 산화물의 크기는 분산판(124)에 설치되는 노즐의 직경보다 커야 하며, 산화물이 임의로 낙하하여 유로 및 노즐을 막는 것을 방지하기 위해, 분산판(124)의 상부에 여과막을 설치할 수 있다. In addition, the size of the filled radioactive metal oxide should be larger than the diameter of the nozzle installed on the dispersion plate 124, and to prevent the oxide from randomly falling and clogging the flow path and the nozzle, a filter membrane is disposed on the top of the dispersion plate 124. Can be installed.

본 발명의 일 실시 형태에 의한 환원장치(120)에 충진되는 방사성 금속 산화물 및 방사성 금속 산화물이 변환된 금속 전환체의 이송에는 기존의 전해환원공정에서 필수적으로 요구되는 연료 바스켓이 사용되지 않는다. 또한, 환원장치(120)에서 반응물 및 생성물의 이송은 운반기체 및 중력에 의존하지만, 반드시 이에 한정된 것은 아니며, 필요에 따라 이송을 위한 장치를 추가할 수 있다. 이러한 경우, 전처리 공정 및 전해정련공정과의 연계성을 고려하여야 한다. 환원 유입 유로(122)를 통해 전해장치(110)에서 배출된 염화 리튬(LiCl) 및 금속(Li)이 공급된다. 염화 리튬(LiCl) 및 금속(Li)의 혼합물은 고상, 액상, 기상의 혼합물일 수 있으며, 이 혼합물은 환원장치 운반 기체 유입 유로(125)에서 공급되는 고압의 운반기체 (아르곤)에 의해 환원장치(120) 내부에 유입될 수 있다. A fuel basket that is essentially required in an existing electrolytic reduction process is not used for the transfer of the radioactive metal oxide and the radioactive metal oxide-converted metal conversion body filled in the reduction device 120 according to an embodiment of the present invention. In addition, the transport of the reactants and products in the reduction device 120 depends on the carrier gas and gravity, but is not necessarily limited thereto, and a device for transport may be added as necessary. In this case, the linkage between the pretreatment process and the electrorefining process should be considered. Lithium chloride (LiCl) and metal (Li) discharged from the electrolytic device 110 are supplied through the reduction inflow passage 122. The mixture of lithium chloride (LiCl) and metal (Li) may be a mixture of a solid phase, a liquid phase, and a gas phase, and the mixture is reduced by a high pressure carrier gas (argon) supplied from a reducing device carrier gas inlet passage 125 120 may be introduced into the interior.

유입된 혼합물 중 리튬(Li)은 방사성 금속 산화물과 환원반응을 일으켜 금속 전환체를 생산할 수 있다. 대표적인 방사성 금속 산화물인 UO2를 예로 들면, [UO2 + 4Li = U + 2Li2O] 반응을 통해, 방사성 금속 산화물은 환원되고, 리튬(Li)은 산화리튬(Li2O)으로 전환될 수 있다. 전환된 산화리튬(Li2O)과 염화 리튬(LiCl)의 혼합물은 환원장치 운반 기체 유입 유로(125)에서 공급되는 고압의 운반기체 (아르곤)에 의해 환원 유출 유로(123)를 통해 환원장치(120)에서 배출되어 재생장치(130)로 공급될 수 있다.Lithium (Li) in the introduced mixture can react with radioactive metal oxides to produce metal convertors. G. Typical radioactive metal oxide of UO 2 for example, through the [UO 2 + 4Li = U + 2Li 2 O] reaction, the radioactive metal oxides are reduced, lithium (Li) can be converted to lithium oxide (Li 2 O) have. The mixture of the converted lithium oxide (Li 2 O) and lithium chloride (LiCl) is reduced through the reduction outlet passage 123 by the high pressure carrier gas (argon) supplied from the reduction device carrier gas inlet passage 125 ( 120) and may be supplied to the regeneration device 130.

이러한 방식으로 운반기체에 의해 금속 전환체로부터 산화리튬(Li2O)과 염화 리튬(LiCl)의 혼합물이 분리되므로, 본 환원장치(120)에는 기존의 전해환원공정과는 달리, 별도의 전해질 제거를 위한 증류장치가 요구되지 않는다. 환원공정이 완료된 금속 전환체는 환원장치 운반 기체 유입 유로(125)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 환원장치 운반 기체 유입 유로(125)가 아닌, 별도의 반응물 회수부(미도시)를 환원장치(120)에 설치할 수 있다. 이러한 환원장치 운반 기체 유입 유로(125) 또는 반응물 회수부를 후속공정인 전해정련공정의 반응물 주입구와 연결하여, 연속식 일관공정을 구현할 수 있다. In this way, a mixture of lithium oxide (Li 2 O) and lithium chloride (LiCl) is separated from the metal conversion body by the carrier gas, and thus, unlike the conventional electrolytic reduction process, separate electrolyte is removed from the reduction device 120. No distillation device is required. The metal conversion body after the reduction process may be discharged to the outside through the reduction device carrier gas inlet passage 125. In order to achieve this purpose, a separate reactant recovery unit (not shown) may be installed in the reduction device 120 rather than the reduction device carrier gas inflow passage 125. Such a reduction device carrier gas inflow passage 125 or a reactant recovery part may be connected to a reactant inlet of an electrorefining process, which is a subsequent process, to implement a continuous consistent process.

마지막으로, 재생장치(130)는, 전해질로부터 제1 생성물을 분리하고, 분리된 제1 생성물과 반응 기체를 반응시켜 전해질을 재생할 수 있다.Finally, the regeneration device 130 may separate the first product from the electrolyte, and react the separated first product with a reaction gas to regenerate the electrolyte.

이를 위해, 재생장치(130)는, 환원장치(120)에서 생성된 제1 생성물이 혼합된 전해질이 유입되는 재생 유입 유로(131)와, 재생된 전해질을 전해장치(110)로 공급하기 위한 밸브(V4)가 구비된 재생 유출 유로(132)와, 다수의 관통홀이 생성되며 재생장치(130) 내부의 하부에 구비된 분산판(133)과, 분산판(133)에 생성된 다수의 관통홀을 통해 운반 기체를 재생장치(130)의 내부로 유입시키는 밸브(V3)가 구비된 재생장치 운반 기체 유입 유로(134)와, 전해질을 재생하는 과정에서 생성되는 산소 가스를 외부로 배출하기 위한 밸브(V5)가 구비된 기체 유출 유로(135)를 포함하여 구성될 수 있다To this end, the regeneration device 130 includes a regeneration inflow passage 131 through which the electrolyte in which the first product generated in the reduction device 120 is mixed flows, and a valve for supplying the regenerated electrolyte to the electrolysis device 110 The regeneration outlet flow path 132 provided with (V4), a plurality of through-holes are generated, and a dispersion plate 133 provided at a lower portion inside the regeneration device 130, and a plurality of penetrations generated in the dispersion plate 133 Regeneration device carrier gas inlet flow passage 134 equipped with a valve (V3) for introducing the carrier gas into the interior of the regeneration device 130 through the hole, for discharging the oxygen gas generated in the process of regenerating the electrolyte to the outside It may be configured to include a gas outlet flow path 135 is provided with a valve (V5).

이하 도 1을 참조하여 상술한 재생장치(130)의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of the playback device 130 described above will be described in detail with reference to FIG. 1.

재생장치(130) 내부의 분산판(133) 상부에는 산화 지르코늄(ZrO2)이 충진될 수 있으며, 재생 유입 유로(131)를 통해 환원장치(120)에서 배출된 염화 리튬(LiCl) 및 산화 리튬(Li2O)의 혼합물이 공급될 수 있다. 염화 리튬(LiCl) 및 산화 리튬(Li2O)의 혼합물은 고상, 액상, 기상의 혼합물일 수 있으며, 이 혼합물은 재생장치 운반 기체 유입 유로(134)에서 공급되는 고압의 운반기체 (아르곤)에 의해 재생장치(130) 내부로 유입될 수 있다.Zirconium oxide (ZrO 2 ) may be filled in the upper portion of the dispersion plate 133 inside the regeneration device 130, and lithium chloride (LiCl) and lithium oxide discharged from the reduction device 120 through the regeneration inflow passage 131 A mixture of (Li 2 O) can be supplied. The mixture of lithium chloride (LiCl) and lithium oxide (Li 2 O) may be a mixture of a solid phase, a liquid phase, and a gas phase. It can be introduced into the playback device 130 by.

재생장치(130)의 내부에 충진되는 산화 지르코늄(ZrO2)은 고정층으로 존재하지만, 장치의 운전을 위해 공급되는 운반기체에 의해 유동층으로 전이될 수 있다. 이러한 경우, 재생장치(130)의 내부에서 산화 지르코늄(ZrO2)이 이탈하는 것을 방지하기 위해, 재생장치(130)의 상부에 여과막을 설치할 수 있다.The zirconium oxide (ZrO 2 ) filled in the regeneration device 130 exists as a fixed bed, but can be transferred to the fluidized bed by a carrier gas supplied for the operation of the device. In this case, in order to prevent the zirconium oxide (ZrO 2 ) from separating from the inside of the regeneration device 130, a filtration membrane may be installed on the top of the regeneration device 130.

산화 리튬(LiLithium oxide (Li 22 O)의 분리 공정O) separation process

재생장치(130)의 내부로 유입된 산화 리튬(Li2O)은 [Li2O + ZrO2 = Li2ZrO3] 반응에 의해 재생장치(130)의 내부에 충진된 산화 지르코늄(ZrO2)과 반응하여 리튬-지르코늄 산화물(Li2ZrO3)을 생성할 수 있다. 한편, 염화 리튬(LiCl)은 재생 유출 유로(132)를 통해 재생장치(130)에서 배출되어 전해장치(110)로 공급될 수 있다. 이러한 염화 리튬(LiCl)의 전해장치(110)로의 공급을 위해, 전해장치(110)의 전해장치 운반 기체 유입 유로(118)에서 공급되는 고압의 운반기체(아르곤)가 요구되며, 이러한 목적을 달성하기 위한 전해장치 운반 기체 유입 유로(118)의 위치는 도 1에서 제시한 위치에 한정되는 것은 아니다. Lithium oxide (Li 2 O) introduced into the interior of the regeneration device 130 is zirconium oxide (ZrO 2 ) filled in the interior of the regeneration device 130 by the reaction of [Li 2 O + ZrO 2 = Li 2 ZrO 3 ] It can react with to produce lithium-zirconium oxide (Li 2 ZrO 3 ). Meanwhile, lithium chloride (LiCl) may be discharged from the regeneration device 130 through the regeneration outlet flow path 132 and supplied to the electrolytic device 110. For the supply of lithium chloride (LiCl) to the electrolytic device 110, a high-pressure carrier gas (argon) supplied from the electrolytic device carrier gas inflow passage 118 of the electrolytic device 110 is required, and achieves this purpose The position of the electrolytic device carrier gas inlet passage 118 for the purpose is not limited to the position shown in FIG. 1.

염화 리튬(LiCl)의 재생 공정Regeneration process of lithium chloride (LiCl)

위에서 제시한 산화 리튬(Li2O)의 분리공정이 완료되면, 염화 리튬(LiCl)의 재생공정을 실시한다. 재생장치 운반 기체 유입 유로(134)를 통해 염소 가스(Cl2)가 재생장치(130)의 내부로 유입될 수 있다. 상술한 바와 같이, 재생장치(130)의 재생장치 운반 기체 유입 유로(134)를 전해장치(110)의 제1 전해 유출 유로(115)와 연결하여 전해장치(110)에서 발생하는 염소 가스(Cl2)를 재생장치(130)에서 사용할 수 있다. When the separation process of lithium oxide (Li 2 O) suggested above is completed, a regeneration process of lithium chloride (LiCl) is performed. Chlorine gas (Cl 2 ) may be introduced into the interior of the regeneration device 130 through the regeneration device transport gas inflow channel 134. As described above, the chlorine gas (Cl) generated in the electrolysis device 110 is connected to the regeneration device transport gas inlet flow passage 134 of the regeneration device 130 and the first electrolysis outflow passage 115 of the electrolysis device 110. 2 ) can be used in the playback device 130.

유입된 염소 가스(Cl2)는 재생장치(130) 내부에 충진된 산화 지르코늄(ZrO2)에서 유래한 리튬-지르코늄 산화물(Li2ZrO3)과 반응하며, [Li2ZrO3 + Cl2 = ZrO2 + 2LiCl + 1/2O2]에 의해 산화 지르코늄(ZrO2), 염화 리튬(LiCl) 및 산소 기체(O2)를 생성할 수 있다. 여기서, 재생된 산화 지르코늄(ZrO2)은 재생장치(130)에 충진된 채로 잔류하고, 산소 기체(O2)는 기체 유출 유로(135)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 그리고, 재생된 염화 리튬(LiCl)은 재생장치 운반 기체 유입 유로(134)에서 공급되는 고압의 운반기체(아르곤)에 의해 재생 유출 유로(132)를 통해 재생장치(130)로부터 배출되어 전해장치(110)로 공급될 수 있다. The introduced chlorine gas (Cl 2 ) reacts with lithium-zirconium oxide (Li 2 ZrO 3 ) derived from zirconium oxide (ZrO 2 ) filled in the regeneration device 130, [Li 2 ZrO 3 + Cl 2 = ZrO 2 + 2LiCl + 1 / 2O 2 ] can produce zirconium oxide (ZrO 2 ), lithium chloride (LiCl), and oxygen gas (O 2 ). Here, the regenerated zirconium oxide (ZrO 2 ) remains filled in the regeneration device 130, and oxygen gas (O 2 ) may be discharged to the outside through the gas outlet flow path 135. Then, the regenerated lithium chloride (LiCl) is discharged from the regeneration device 130 through the regeneration outflow passage 132 by a high-pressure carrier gas (argon) supplied from the regeneration device carrier gas inflow passage 134 and the electrolytic device ( 110).

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 분산판을 도시한 도면이다.On the other hand, Figure 2 is a view showing a dispersion plate according to an embodiment of the present invention.

전해장치(110), 환원장치(120) 및 재생장치(130)에 적용되는 분산판(117, 124, 133)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 관통홀(H)이 생성된 판 형상일 수 있다. 상술한 분산판(117, 124, 133)의 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 상술한 형상에 한정되는 것은 아님에 유의하여야 한다.Dispersion plates 117, 124, and 133 applied to the electrolytic device 110, the reduction device 120, and the regeneration device 130, as shown in FIG. 2, a plate in which a plurality of through holes H are generated It may be shaped. It should be noted that the shapes of the above-described dispersion plates 117, 124, and 133 are for understanding the present invention, and are not limited to the above-described shapes.

한편, 상술한 설명에서 구체적인 설명은 생략하였으나, 전해장치(110), 환원장치(120), 재생장치(130), 유로 등의 적재 적소에 적절한 공정 온도를 유지하기 위해 가열기 등을 설치할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.On the other hand, although the detailed description is omitted in the above description, it is possible to install a heater or the like in order to maintain an appropriate process temperature at the proper place for loading, such as the electrolytic device 110, the reduction device 120, the regeneration device 130, and the flow path. It will be apparent to those skilled in the art.

 

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 공정에서 생산되는 Li 금속을 효과적으로 산화물의 환원반응에 사용할 수 있으며, 용량증대 시 발생하는 잉여 Li 금속 발생 문제를 해결할 수 있으며, 공정이 진행됨에 따라 전해질 내 Li2O가 누적되는 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다. 또한, 재생된 전해질에서는 Li2O가 제거되어 공정에 재사용되며, Li2O 역시 전해질로 재생하여 사용이 가능한 이점이 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the Li metal produced in the process can be effectively used for the reduction reaction of the oxide, and can solve the problem of generating excess Li metal generated when the capacity is increased, and the process proceeds. Therefore, there is an advantage that can solve the problem of the accumulation of Li 2 O in the electrolyte. In addition, Li 2 O is removed from the regenerated electrolyte and reused in the process, and Li 2 O also has the advantage of being regenerated and used as an electrolyte.

본 발명의 일 실시 형태에서 제시한 공정이 진행됨에 따라, 운반기체에 의해 생성물(금속 전환체)로부터 Li2O 및 LiCl 혼합물이 분리되므로, 본 발명에서는 기존의 전해환원공정과는 달리, 별도의 전해질 제거를 위한 증류장치가 요구되지 않으며, 반응물 주입 및 생성물 배출 과정에서 기존의 공정에서 필수적이었던 연료 바스켓이 사용되지 않으므로, 기존의 회분식 공정에서 탈피하여, 연속식 공정의 구현이 가능한 이점이 있다.As the process presented in one embodiment of the present invention progresses, the mixture of Li 2 O and LiCl is separated from the product (metal convertor) by the carrier gas, and thus, unlike the conventional electrolytic reduction process, in the present invention, There is no need for a distillation device for removing the electrolyte, and since the fuel basket, which was essential in the existing process in the course of reactant injection and product discharge, is not used, it is possible to escape from the existing batch process and realize a continuous process.

한편, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원 방법을 설명하는 흐름도이다.Meanwhile, FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of reducing a radioactive metal oxide integral with a regeneration device according to an embodiment of the present invention.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원 방법을 설명한다. 다만, 발명의 간명화를 위해 도 1 내지 도 2에서 설명된 사항과 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, a method of reducing a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3. However, for the sake of simplicity of the invention, a description overlapping with the items described in FIGS. 1 to 2 is omitted.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 전해장치(110)에서 전해질의 전기분해를 통해 금속과 반응 기체를 생성할 수 있다(S301).1 to 3, the electrolytic device 110 may generate a metal and a reaction gas through electrolysis of an electrolyte (S301).

다음, 환원장치(120)에서는 전해장치(110)에서 생성된 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며, 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성할 수 있다(S302).Next, the reduction device 120 reduces the radioactive metal oxide by using the metal generated in the electrolytic device 110, and may generate an electrolyte in which the first product generated during reduction of the radioactive metal oxide is mixed (S302). .

다음, 재생장치(130)에서는 전해질로부터 제1 생성물을 분리하고, 분리된 제1 생성물과 반응 기체를 반응시켜 전해질을 재생할 수 있다(S303).Next, in the regeneration device 130, the first product is separated from the electrolyte, and the separated first product and the reaction gas are reacted to regenerate the electrolyte (S303).

한편, 상술한 단계 S303은, 내부에 충진된 충진재와 전해질에 혼합된 제1 생성물을 반응시켜 제2 생성물을 생성하는 단계와, 생성된 제2 생성물과 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the above-described step S303, the step of generating a second product by reacting the first product mixed in the filler and the electrolyte filled therein, and reacting the generated second product and the reaction gas to regenerate the electrolyte It may include.

본 발명에서, 상기 전해질은 염화 리튬이며, 상기 금속은 리튬이며, 상기 반응 기체는 염소 가스이며, 상기 방사성 금속 산화물은 우라늄 및 총우라늄 원소(예를 들어, 플루토늄 등)의 금속 산화물이며, 상기 제1 생성물은 산화 리튬이며, 상기 제2 생성물은 리튬-지르코늄 산화물이며, 상기 충진재는 산화 지르코늄일 수 있음은 상술한 바와 같다.In the present invention, the electrolyte is lithium chloride, the metal is lithium, the reaction gas is chlorine gas, and the radioactive metal oxide is a metal oxide of uranium and total uranium elements (for example, plutonium, etc.), the agent 1 product is lithium oxide, the second product is lithium-zirconium oxide, and the filler may be zirconium oxide as described above.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 공정에서 생산되는 Li 금속을 효과적으로 산화물의 환원반응에 사용할 수 있으며, 용량증대 시 발생하는 잉여 Li 금속 발생 문제를 해결할 수 있으며, 공정이 진행됨에 따라 전해질 내 Li2O가 누적되는 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다. 또한, 재생된 전해질에서는 Li2O가 제거되어 공정에 재사용되며, Li2O 역시 전해질로 재생하여 사용이 가능한 이점이 있다.As described above, according to one embodiment of the present invention, the Li metal produced in the process can be effectively used for the reduction reaction of the oxide, and can solve the problem of generating excess Li metal generated when the capacity is increased, and the process proceeds. Therefore, there is an advantage that can solve the problem of the accumulation of Li 2 O in the electrolyte. In addition, Li 2 O is removed from the regenerated electrolyte and reused in the process, and Li 2 O also has the advantage of being regenerated and used as an electrolyte.

본 발명의 일 실시 형태에서 제시한 공정이 진행됨에 따라, 운반기체에 의해 생성물(금속 전환체)로부터 Li2O 및 LiCl 혼합물이 분리되므로, 본 발명에서는 기존의 전해환원공정과는 달리, 별도의 전해질 제거를 위한 증류장치가 요구되지 않으며, 반응물 주입 및 생성물 배출 과정에서 기존의 공정에서 필수적이었던 연료 바스켓이 사용되지 않으므로, 기존의 회분식 공정에서 탈피하여, 연속식 공정의 구현이 가능한 이점이 있다.As the process presented in one embodiment of the present invention progresses, the mixture of Li 2 O and LiCl is separated from the product (metal convertor) by the carrier gas, and thus, unlike the conventional electrolytic reduction process, in the present invention, There is no need for a distillation device for removing the electrolyte, and since the fuel basket, which was essential in the existing process in the course of reactant injection and product discharge, is not used, it is possible to escape from the existing batch process and realize a continuous process.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings. It is intended to limit the scope of rights by the appended claims, and that various forms of substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention as set forth in the claims to those skilled in the art. It will be self-evident.

100: 금속 산화물의 환원장치
110: 전해장치
111: 전원 공급부
112: 음극 개구부
112a: 음극 단자
113: 양극 개구부
113a: 양극 단자
114: 전해 유입 유로
115: 제1 전해 유출 유로
116: 제2 전해 유출 유로
117, 124, 133: 분산판
118: 전해장치 운반 기체 유입 유로
120: 환원장치
121: 반응물 유입 유로
122: 환원 유입 유로
123: 환원 유출 유로
125: 환원장치 운반 기체 유입 유로
130: 재생장치
131: 재생 유입 유로
132: 재생 유출 유로
134: 재생장치 운반 기체 유입 유로
135: 기체 유출 유로
V1 내지 V5: 밸브
H: 관통홀
100: metal oxide reduction device
110: electrolytic device
111: power supply
112: cathode opening
112a: negative terminal
113: anode opening
113a: positive terminal
114: electrolytic inflow passage
115: first electrolytic outflow passage
116: second electrolytic outflow passage
117, 124, 133: scatter plate
118: electrolytic device carrier gas inlet flow path
120: reduction device
121: reactant inlet flow path
122: reduction inflow channel
123: reduced outflow channel
125: reduction device carrier gas inlet flow path
130: playback device
131: regeneration inflow channel
132: Regeneration spill euro
134: regeneration device carrier gas inlet flow path
135: gas outflow passage
V1 to V5: valve
H: Through hole

Claims (10)

전해질의 전기분해를 통해 금속과 반응 기체를 생성하는 전해장치;
상기 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며, 상기 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성하는 환원장치; 및
상기 전해질로부터 상기 제1 생성물을 분리하고, 분리된 상기 제1 생성물과 상기 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는 재생장치;
를 포함하는, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
An electrolytic device that generates a metal and a reaction gas through electrolysis of the electrolyte;
A reduction device for reducing the radioactive metal oxide using the metal, and generating an electrolyte in which the first product generated during the reduction of the radioactive metal oxide is mixed; And
A regeneration device for separating the first product from the electrolyte and reacting the separated first product with the reaction gas to regenerate the electrolyte;
Reduction device of a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device comprising a.
제1항에 있어서,
상기 재생장치는,
내부에 충진된 충진재와 상기 전해질에 혼합된 제1 생성물을 반응시켜 제2 생성물을 생성하고, 생성된 상기 제2 생성물과 상기 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
According to claim 1,
The playback device,
Regeneration device-integrated radioactive metal oxide is produced by reacting a filler filled therein with a first product mixed with the electrolyte to produce a second product, and reacting the generated second product with the reaction gas to regenerate the electrolyte. Reduction device.
제2항에 있어서,
상기 전해질은 염화 리튬이며,
상기 금속은 리튬이며,
상기 반응 기체는 염소 가스이며,
상기 방사성 금속 산화물은 우라늄 및 초우라늄 원소의 금속 산화물이며,
상기 제1 생성물은 산화 리튬이며,
상기 제2 생성물은 리튬-지르코늄 산화물이며,
상기 충진재는 산화 지르코늄인, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
According to claim 2,
The electrolyte is lithium chloride,
The metal is lithium,
The reaction gas is chlorine gas,
The radioactive metal oxide is a metal oxide of uranium and ultrauranium elements,
The first product is lithium oxide,
The second product is lithium-zirconium oxide,
The filling material is zirconium oxide, a reduction device for a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device.
제2항에 있어서,
상기 재생장치에서 재생된 전해질은 상기 전해장치로 공급되며,
상기 전해장치에서 생성된 반응 기체는 상기 재생장치로 공급되고 상기 전해장치에서 생성된 상기 금속은 상기 환원장치로 공급되며,
상기 환원장치에서 생성된 제1 생성물이 혼합된 전해질은 상기 재생장치로 공급되는, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
According to claim 2,
The electrolyte regenerated in the regeneration device is supplied to the electrolysis device,
The reaction gas generated in the electrolysis device is supplied to the regeneration device, and the metal generated in the electrolysis device is supplied to the reduction device,
The electrolyte in which the first product produced in the reduction device is mixed is supplied to the regeneration device, wherein the regeneration device is a radioactive metal oxide reduction device.
제4항에 있어서,
상기 재생장치는,
상기 환원장치에서 생성된 제1 생성물이 혼합된 전해질이 유입되는 재생 유입 유로;
재생된 상기 전해질을 상기 전해장치로 공급하기 위한 재생 유출 유로;
다수의 관통홀이 생성되며, 상기 재생장치 내부의 하부에 구비된 분산판;
상기 분산판에 생성된 다수의 관통홀을 통해 운반 기체를 상기 재생장치의 내부로 유입시키는 재생장치 운반 기체 유입 유로; 및
상기 전해질을 재생하는 과정에서 생성되는 산소 가스를 외부로 배출하기 위한 기체 유출 유로;
를 포함하는, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
According to claim 4,
The playback device,
A regeneration inflow passage through which the electrolyte in which the first product generated in the reduction device is mixed is introduced;
A regeneration outlet flow path for supplying the regenerated electrolyte to the electrolytic device;
A plurality of through-holes are generated, the dispersion plate provided in the lower portion inside the playback device;
A regeneration device carrier gas inflow passage through which a carrier gas is introduced into the regeneration device through a plurality of through holes created in the dispersion plate; And
A gas outlet flow path for discharging oxygen gas generated in the process of regenerating the electrolyte to the outside;
Reduction device of a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device comprising a.
제5항에 있어서,
상기 재생장치의 내부의 상부에는,
상기 제1 생성물의 이탈을 방지하기 위한 여과막이 더 구비된, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
The method of claim 5,
On the inside of the playback device,
A filtering device for preventing the separation of the first product is further provided, and a reduction device for a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device.
제4항에 있어서,
상기 전해장치는,
전원 공급부;
상기 전원 공급부의 음극에 연결된 음극 단자를 내부에 구비하며 상기 전해질의 전기분해 과정에서 생성된 상기 금속을 포집하는 음극 개구부;
상기 전원 공급부의 양극에 연결된 양극 단자를 내부에 구비하며 상기 전해질의 전기분해 과정에서 생성된 상기 반응 기체를 포집하는 양극 개구부;
상기 재생장치에서 재생된 전해질이 유입되는 전해 유입 유로;
포집된 상기 반응 기체를 상기 재생장치로 공급하기 위한 제1 전해 유출 유로;
포집된 상기 금속을 상기 환원장치로 공급하기 위한 제2 전해 유출 유로;
다수의 관통홀이 생성되며, 상기 전해장치 내부의 하부에 구비된 분산판; 및
상기 분산판에 생성된 다수의 관통홀을 통해 운반 기체를 상기 전해장치 내부로 유입시키는 전해장치 운반 기체 유입 유로;
를 포함하는, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
According to claim 4,
The electrolytic device,
Power supply;
A negative electrode opening provided inside the negative electrode terminal connected to the negative electrode of the power supply and collecting the metal generated in the electrolysis process of the electrolyte;
An anode opening provided inside the anode terminal connected to the anode of the power supply and collecting the reaction gas generated in the electrolysis process of the electrolyte;
An electrolyte inflow channel through which the regenerated electrolyte is introduced in the regeneration device;
A first electrolytic outflow passage for supplying the collected reactant gas to the regeneration device;
A second electrolytic outflow passage for supplying the collected metal to the reduction device;
A plurality of through-holes are generated, the dispersion plate provided at the bottom inside the electrolytic device; And
An electrolytic device carrier gas inflow channel for introducing carrier gas into the electrolytic device through a plurality of through holes created in the dispersion plate;
Reduction device of a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device comprising a.
제4항에 있어서,
상기 환원장치는,
상기 방사성 금속 산화물이 주입되는 반응물 유입 유로;
상기 전해장치에서 포집된 상기 금속이 유입되는 환원 유입 유로;
상기 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 상기 재생장치로 공급하기 위한 환원 유출 유로; 및
다수의 관통홀이 생성되며, 상기 전해장치 내부의 하부에 구비된 분산판; 및
상기 분산판에 생성된 다수의 관통홀을 통해 운반 기체를 상기 환원장치의 내부로 유입시키는 환원장치 운반 기체 유입 유로;
를 포함하는, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
According to claim 4,
The reduction device,
A reactant inflow channel through which the radioactive metal oxide is injected;
A reduction inflow channel through which the metal collected in the electrolytic device flows;
A reduction outlet passage for supplying the electrolyte in which the first product produced during reduction of the radioactive metal oxide is mixed to the regeneration device; And
A plurality of through-holes are generated, the dispersion plate provided at the bottom inside the electrolytic device; And
A reducing device carrier gas inflow channel for introducing a carrier gas into the reduction device through a plurality of through holes created in the dispersion plate;
Reduction device of a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device comprising a.
제8항에 있어서,
상기 환원장치의 내부의 상부에는,
상기 방사성 금속 산화물의 이탈을 방지하기 위한 여과막이 더 구비된, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치.
The method of claim 8,
On the inside of the reduction device,
A filter for preventing the release of the radioactive metal oxide is further provided, a regeneration device integrated radioactive metal oxide reduction device.
전해장치에서, 전해질의 전기분해를 통해 금속과 반응 기체를 생성하는 제1 단계;
환원장치에서, 상기 금속을 이용하여 방사성 금속 산화물을 환원시키며, 상기 방사성 금속 산화물의 환원 중에 생성되는 제1 생성물이 혼합된 전해질을 생성하는 제2 단계; 및
재생장치에서, 상기 전해질로부터 상기 제1 생성물을 분리하고, 분리된 상기 제1 생성물과 상기 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는 제3 단계;
를 포함하며, 상기 제3 단계는,
내부에 충진된 충진재와 상기 전해질에 혼합된 제1 생성물을 반응시켜 제2 생성물을 생성하는 단계와, 생성된 상기 제2 생성물과 상기 반응 기체를 반응시켜 상기 전해질을 재생하는 단계를 포함하며,
상기 전해질은 염화 리튬이며, 상기 금속은 리튬이며, 상기 반응 기체는 염소 가스이며, 상기 방사성 금속 산화물은 우라늄 및 초우라늄 원소의 금속 산화물이며, 상기 제1 생성물은 산화 리튬이며, 상기 제2 생성물은 리튬-지르코늄 산화물이며, 상기 충진재는 산화 지르코늄인, 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원 방법.
In the electrolytic device, a first step of generating a metal and a reaction gas through electrolysis of the electrolyte;
In a reduction device, a second step of reducing the radioactive metal oxide using the metal, and generating an electrolyte in which the first product generated during reduction of the radioactive metal oxide is mixed; And
A third step of separating the first product from the electrolyte and reacting the separated first product with the reaction gas to regenerate the electrolyte;
Including, the third step,
Reacting the filler filled therein and a first product mixed with the electrolyte to produce a second product, and reacting the generated second product with the reaction gas to regenerate the electrolyte,
The electrolyte is lithium chloride, the metal is lithium, the reaction gas is chlorine gas, the radioactive metal oxide is a metal oxide of uranium and ultrauranium elements, the first product is lithium oxide, and the second product is It is a lithium-zirconium oxide, and the filler is zirconium oxide, a method for reducing a radioactive metal oxide integrated with a regeneration device.
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