KR102094481B1 - Method for reducing spent nuclear fuel and apparatus for reducing spent nuclear fuel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사용후핵연료 환원방법 및 환원장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 사용후핵연료를 효율적 처리할 수 있는 사용후핵연료 환원방법 및 환원장치에 관한 것이다.
본 발명은 집합체 1개 이상에 해당하는 대용량 산화물 사용후핵연료를 금속으로 환원시키는데 있어서 새로운 방식의 공정을 제시함으로써 각 장치의 구조가 단순화되어 핫셀 환경에서 대용량의 공정이 용이하게 수행될 수 있다. 특히 배치 용량 및 형태에 제약이 없기 때문에, 사용후핵연료 안전조치 및 전후 공정과의 연계성이 향상되는 장점이 있다.
The present invention relates to a spent fuel reduction method and a reducing apparatus, and more particularly, to a spent fuel reduction method and a reducing apparatus capable of efficiently processing large-capacity spent fuel.
The present invention proposes a new process for reducing a large-capacity oxide spent fuel corresponding to one or more aggregates to metal, thereby simplifying the structure of each device, so that a large-capacity process can be easily performed in a hot cell environment. In particular, since there are no restrictions on the batch capacity and shape, there is an advantage in improving the safety measures of spent fuel and linkage with post-war processes.

Description

사용후핵연료 환원방법 및 환원장치{METHOD FOR REDUCING SPENT NUCLEAR FUEL AND APPARATUS FOR REDUCING SPENT NUCLEAR FUEL}Method and reduction device for spent nuclear fuel {METHOD FOR REDUCING SPENT NUCLEAR FUEL AND APPARATUS FOR REDUCING SPENT NUCLEAR FUEL}

본 발명은 사용후핵연료 환원방법 및 환원장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 사용후핵연료를 효율적으로 처리할 수 있는 사용후핵연료 환원방법 및 환원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a spent fuel reduction method and a reduction device, and more particularly, to a spent fuel reduction method and a reduction device capable of efficiently processing large-capacity spent fuel.

산화물 사용후핵연료를 금속 핵연료로 전환하는 환원 공정은 파이로프로세싱의 핵심 기술 중 하나로, 많은 국가들이 관련 연구를 수행하고 있다. 한국원자력연구원에서는 Li 금속을 이용한 화학적 환원 공정을 시도한 적 있으나, 환원 공정 후 생성된 Li2O의 분리에 따르는 어려움으로 인해 이를 해결한 전해환원 공정을 도입한 바 있다. 전해환원 공정은 LiCl 염에 Li2O를 첨가한 뒤 전기를 인가하여 Li2O를 Li와 O2로 분해하여 생성된 Li를 이용하여 사용후핵연료를 금속으로 전환하는 공정이다. 이 때, 생성된 Li는 산화물 사용후핵연료의 전환에 사용됨과 동시에 Li2O와 평형 반응을 수행하기 때문에 Li이 생성되는 음극 전극과 산화물 사용후핵연료의 거리가 가까워야 생성된 Li가 환원 반응에 주로 소모되고 Li2O와의 평형 반응에 의해 소모되는 것을 막을 수 있다. 따라서, 산화물 사용후핵연료를 담는 바스켓의 크기가 커질수록 Li의 활용도가 떨어지게 되며 이를 해결하기 위해서는 사용후핵연료를 작은 바스켓에 나누어 담고 전극을 연결해야 한다. 즉, 기존에 발표된 특허(출원번호 10-2013-7016171)처럼 다수의 바스켓 음극 사이사이에 양극 전극이 배치되어야 하며, 생성되는 산소로부터 장치의 부식을 방지하기 위해 슈라우드 구조(출원번호 10-2013-7016169)가 필요하다. 또한, 양극 전극의 안전성 때문에 고가의 백금을 사용하게 되는데 이는 비용 증가의 주요 원인이 된다. 따라서, 현재의 기술로는 대규모 산화물 사용후핵연료의 처리를 위해서 고가이며 복잡한 구조의 전해환원 장치가 필요하며, 이는 사용후핵연료의 높은 방사능으로 인한 핫셀 원격 작업을 고려할 때 내구성 및 운전 편이성 측면에서 바람직하지 못하다.The reduction process of converting oxide spent fuel to metal fuel is one of the core technologies of pyroprocessing, and many countries are conducting related studies. The Korea Atomic Energy Research Institute has attempted a chemical reduction process using Li metal, but has introduced an electrolytic reduction process that solves this due to the difficulty of separation of Li 2 O generated after the reduction process. The electrolytic reduction process is a process of converting spent nuclear fuel to metal using Li generated by decomposing Li 2 O into Li and O 2 by adding electricity after adding Li 2 O to the LiCl salt. At this time, since the generated Li is used for the conversion of the spent fuel with oxide, and at the same time performs an equilibrium reaction with Li 2 O, the produced Li must not be close to the reduction reaction until the distance between the cathode electrode where Li is produced and the spent fuel with oxide is close Mainly consumed and can be prevented from being consumed by an equilibrium reaction with Li 2 O. Therefore, as the size of the basket containing oxide spent fuel increases, the utilization of Li decreases. To solve this, the spent fuel must be divided into small baskets and electrodes must be connected. That is, an anode electrode should be disposed between a plurality of basket cathodes as in the previously published patent (application number 10-2013-7016171), and a shroud structure (application number 10-2013) to prevent corrosion of the device from generated oxygen -7016169) is required. In addition, due to the safety of the anode electrode, expensive platinum is used, which is a major cause of cost increase. Therefore, the current technology requires an expensive and complex electrolytic reduction device for the treatment of large-scale oxide spent fuel, which is desirable in terms of durability and ease of operation when considering remote operation of a hot cell due to high radioactivity of spent fuel. Can't.

새로운 전해환원 공정으로 탄소양극을 사용한 방법이 제시된 바 있다(J. Radioanal. Nucl. Chem., 310, 463 (2016) & Nucl. Eng. Technol. 49, 1451 (2017)). 탄소양극을 사용하면 Li2O가 없는 상태에서 LiCl을 전기분해하여 Li와 Cl2를 생산하게 되며 Li는 Li2O와의 평형반응에 소모되지 않고 산화물 사용후핵연료의 환원에 사용되어 효율을 높일 수 있다. 하지만 기존의 문헌들은 여전히 백금 양극을 이용한 반응기 구조를 채용하고 있으며, 앞에서 설명한 대규모 산화물 사용후핵연료 처리를 위한 장치의 구조 복잡성은 해결되지 않은 상태이다.A method using a carbon anode as a new electrolytic reduction process has been proposed (J. Radioanal. Nucl. Chem., 310, 463 (2016) & Nucl. Eng. Technol. 49, 1451 (2017)). When a carbon anode is used, LiCl is electrolyzed in the absence of Li 2 O to produce Li and Cl 2 , and Li is not consumed in the equilibrium reaction with Li 2 O, but is used to reduce the fuel after the use of oxide to increase efficiency. have. However, the existing documents still employ a reactor structure using a platinum anode, and the structural complexity of the apparatus for processing large-scale oxide spent fuel described above has not been solved.

대한민국 공개특허 제10-2013-0143612호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2013-0143612

본 발명은 집합체 1개 이상에 해당하는 대용량 산화물 사용후핵연료를 금속으로 환원시키는데 사용되는 새로운 방식의 사용후핵연료 환원방법과 환원장치를 제공한다.The present invention provides a new method of reducing spent fuel and a reduction device of a new method used to reduce a large-capacity oxide spent fuel corresponding to one or more aggregates to metal.

본 발명은, 반응기에 사용후핵연료가 담지된 바스켓을 장입하는 단계(단계 a); 상기 반응기에 제1 덮개를 장착하고 사용후핵연료 환원 공정을 수행한 후 상기 바스켓을 제거하는 단계(단계 b); 및 상기 제1 덮개를 제2 덮개로 교체한 후 리튬 산화물 전해 공정을 수행하는 단계(단계 c)를 포함하고, 상기 제1 덮개는 염 증발 방지용 덮개이며, 제2 덮개는 전기분해를 위한 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법을 제공한다.The present invention, the step of charging the spent fuel loaded basket in the reactor (step a); Removing the basket after mounting a first cover to the reactor and performing a spent fuel reduction process (step b); And performing a lithium oxide electrolytic process (step c) after replacing the first cover with a second cover, wherein the first cover is a salt evaporation prevention cover, and the second cover is an electrode for electrolysis. It provides a method for reducing spent fuel, characterized in that it comprises.

또한 본 발명은, 복수의 반응기를 이용하여 다단 조업으로 수행되는 사용후핵연료 환원방법으로서, 제1 반응기에 사용후핵연료가 담지된 바스켓을 장입하는 단계; 상기 반응기에 제1 덮개를 장착하고 사용후핵연료 환원 공정을 수행한 후 상기 바스켓을 제2 반응기로 이동시키는 단계; 및 상기 제1 반응기에서 제1 덮개를 제2 덮개로 교체한 후 리튬 산화물 전해 공정을 수행하고, 제2 반응기에서 제1 덮개를 장착하여 사용후핵연료 환원 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 제1 덮개는 염 증발 방지용 덮개이며, 제2 덮개는 전기분해를 위한 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는사용후핵연료 환원방법을 제공한다.In addition, the present invention, using a plurality of reactors as a method for reducing spent fuel performed in a multi-stage operation, comprising the steps of charging the spent fuel loaded basket in the first reactor; Mounting the first cover on the reactor and performing a spent fuel reduction process, and then moving the basket to the second reactor; And performing a lithium oxide electrolytic process after replacing the first cover with the second cover in the first reactor, and performing a spent fuel reduction process by mounting the first cover in the second reactor. The first cover is a salt evaporation prevention cover, and the second cover provides a spent fuel reduction method comprising an electrode for electrolysis.

또한 본 발명은, 사용후핵연료 환원 공정과 리튬 산화물 전해 공정이 순차로 수행되는 반응기; 및 상기 반응기의 제1 덮개 및 제2 덮개를 포함하는 사용후핵연료 환원장치로서, 상기 덮개는 교체 가능한 형태로 구비되며, 상기 제1 덮개는 염 증발 방지용으로 사용후핵연료 환원 공정 시에 사용되며, 상기 제2 덮개는 전기분해를 위한 전극을 포함하여 구성되는 것으로 리튬 산화물 전해 공정 시에 사용되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원장치를 제공한다.In addition, the present invention, a reactor in which the spent fuel reduction process and the lithium oxide electrolytic process are sequentially performed; And a first cover and a second cover of the reactor, wherein the cover is provided in a replaceable form, and the first cover is used in the process of reducing the spent fuel to prevent salt evaporation, The second cover includes an electrode for electrolysis, and provides a spent fuel reduction device, which is used in a lithium oxide electrolysis process.

본 발명은 집합체 1개 이상에 해당하는 대용량 산화물 사용후핵연료를 금속으로 환원시키는데 있어서 새로운 방식의 공정을 제시함으로써 각 장치의 구조가 단순화되어 핫셀 환경에서 대용량의 공정이 용이하게 수행될 수 있다. 특히 배치 용량 및 형태에 제약이 없기 때문에, 사용후핵연료 안전조치 및 전후 공정과의 연계성이 향상되는 장점이 있다. The present invention proposes a new process for reducing a large-capacity oxide spent fuel corresponding to one or more aggregates to a metal, thereby simplifying the structure of each device, so that a large-capacity process can be easily performed in a hot cell environment. In particular, since there are no restrictions on the batch capacity and shape, there is an advantage in improving the safety measures of spent fuel and linkage with post-war processes.

더욱 구체적으로 본 발명은 사용후핵연료의 환원과 리튬 산화물 전해 공정을 순차로 수행함으로써 공정 효율을 개선할 수 있다. 또한 복수의 반응기를 구비하여 다단조업 환원공정을 수행함으로써 대용량 사용후핵연료를 더욱 효율적으로 환원 처리할 수 있다. 또한 복수의 반응기를 구비하여 그 중의 하나 이상의 반응기가 고장 및 오작동 등의 이유로 수리가 필요할 때 전체 공정에 미치는 영향이 최소화 된다. 아울러 반응기의 덮개를 교체하는 것을 통해 하나의 반응기 내에서 사용후핵연료의 환원과 리튬 산화물 전해 공정을 순차로 수행할 수 있는 바, 장치의 구조를 단순화할 수 있다. More specifically, the present invention can improve process efficiency by sequentially performing a reduction of spent nuclear fuel and a lithium oxide electrolytic process. In addition, by providing a plurality of reactors and performing a multi-stage operation reduction process, a large-capacity spent fuel can be reduced more efficiently. In addition, by providing a plurality of reactors, when one or more of the reactors need to be repaired due to failure or malfunction, the effect on the entire process is minimized. In addition, by replacing the cover of the reactor, it is possible to sequentially perform the reduction of used fuel and the lithium oxide electrolysis process in one reactor, thereby simplifying the structure of the apparatus.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단조업 환원 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사용후핵연료 환원공정시의 환원장치 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리튬산화물 전해 공정 시의 환원장치 구성도이다.
도 4는 리튬(Li) 농도에 따른 각 환원 배치별 환원율 변화를 나타내는 그래프이다.
1 is a multi-stage operation reduction process flow diagram according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a reducing device during a spent fuel reduction process according to an embodiment of the present invention.
3 is a configuration diagram of a reduction device in a lithium oxide electrolytic process according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing changes in the reduction rate for each reduction batch according to the lithium (Li) concentration.

이하, 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예를 통하여 쉽게 이해될 것이다. 본 발명은 여기서 설명하는 실시예에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 이하의 실시예에 의해 본 발명이 제한되어서는 안 된다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through drawings and examples. The objects, features, and advantages of the present invention will be readily understood through the following examples. The present invention is not limited to the embodiments described herein, and may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided to sufficiently convey the spirit of the present invention to those skilled in the art to which the present invention pertains. Therefore, the present invention should not be limited by the following examples.

본 발명은, 반응기에 사용후핵연료가 담지된 바스켓을 장입하는 단계(단계 a); 상기 반응기에 제1 덮개를 장착하고 사용후핵연료 환원 공정을 수행한 후 상기 바스켓을 제거하는 단계(단계 b); 및 상기 제1 덮개를 제2 덮개로 교체한 후 리튬 산화물 전해 공정을 수행하는 단계(단계 c)를 포함하는 사용후핵연료 환원방법을 제공한다.The present invention, the step of charging the spent fuel loaded basket in the reactor (step a); Removing the basket after mounting a first cover to the reactor and performing a spent fuel reduction process (step b); And performing a lithium oxide electrolytic process (step c) after replacing the first cover with a second cover.

상기 제1 덮개는 염 증발 방지용 덮개이며, 제2 덮개는 전기분해를 위한 전극을 포함할 수 있다. 상기 전극은 탄소계 양극을 포함하여, 상기 양극은 양극을 둘러싸는 슈라우드 구조물이 구비될 수 있다.The first cover is a cover for preventing salt evaporation, and the second cover may include an electrode for electrolysis. The electrode includes a carbon-based anode, and the anode may be provided with a shroud structure surrounding the anode.

상기 사용후핵연료 환원방법은, 복수의 반응기를 이용하여 다단 조업으로 수행될 수 있고, 각각의 반응기에서 상기 단계 a 내지 단계 c가 수행될 수 있다. 상기 복수의 반응기는 2 내지 4개의 반응기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 단계 a에서, 반응기에는 LiCl을 포함하는 용융염이 담지될 수 있으며, 상기 반응기에 담지되는 용융염 내 Li의 농도 및 반응기의 수를 조절하여 반응 사이클 횟수를 조절할 수 있다.The spent fuel reduction method may be performed in a multi-stage operation using a plurality of reactors, and steps a to c may be performed in each reactor. The plurality of reactors may be 2 to 4 reactors, but is not limited thereto. In addition, in step a, a molten salt containing LiCl may be supported in the reactor, and the number of reaction cycles may be controlled by controlling the concentration of Li and the number of reactors in the molten salt supported in the reactor.

상기 사용후핵연료 환원방법은, 사용후핵연료 환원 공정과 리튬 산화물 전해 공정이 동일 반응기 내에서 순차적으로 수행될 수 있다.In the spent fuel reduction method, the spent fuel reduction process and the lithium oxide electrolytic process may be sequentially performed in the same reactor.

상기 사용후핵연료의 환원방법은, 사용후핵연료 환원(ex. UO2+4Li->U+2Li2O), 리튬산화물 전해 공정(ex. 2Li2O->4Li+O2)의 다단 조업을 통해 대용량 사용후핵연료를 효율적으로 처리할 수 있다.The method of reducing the spent fuel is a multi-stage operation of the spent fuel reduction (ex. UO 2 + 4Li-> U + 2Li 2 O), lithium oxide electrolytic process (ex. 2Li 2 O-> 4Li + O 2 ). Through this, it is possible to efficiently process large-capacity spent fuel.

또한, 본 발명은 복수의 반응기를 이용하여 다단 조업으로 수행되는 사용후핵연료 환원방법으로서, 제1 반응기에 사용후핵연료가 담지된 바스켓을 장입하는 단계; 상기 반응기에 제1 덮개를 장착하고 사용후핵연료 환원 공정을 수행한 후 상기 바스켓을 제2 반응기로 이동시키는 단계; 및 상기 제1 반응기에서 제1 덮개를 제2 덮개로 교체한 후 리튬 산화물 전해 공정을 수행하고, 제2 반응기에서 제1 덮개를 장착하여 사용후핵연료 환원 공정을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 제1 덮개는 염 증발 방지용 덮개이며, 제2 덮개는 전기분해를 위한 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는사용후핵연료 환원방법을 제공한다. 상기 제2 반응기에서 사용후핵연료 환원 공정이 수행된 후 사용후핵연료가 담지된 바스켓을 제1 반응기로 재장입하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the present invention is a method for reducing spent fuel performed in a multi-stage operation using a plurality of reactors, comprising: charging a basket in which the spent fuel is supported in a first reactor; Mounting the first cover on the reactor and performing a spent fuel reduction process, and then moving the basket to the second reactor; And performing a lithium oxide electrolytic process after replacing the first cover with the second cover in the first reactor, and performing a spent fuel reduction process by mounting the first cover in the second reactor. The first cover is a salt evaporation prevention cover, and the second cover provides a spent fuel reduction method comprising an electrode for electrolysis. After the spent fuel reduction process is performed in the second reactor, it may include the step of reloading the basket on which the spent fuel is loaded into the first reactor.

또한 본 발명은, 사용후핵연료 환원 공정과 리튬 산화물 전해 공정이 순차로 수행되는 반응기; 및 상기 반응기의 제1 덮개 및 제 2 덮개를 포함하는 사용후핵연료 환원장치를 제공한다. 상기 덮개는 교체 가능한 형태로 구비될 수 있고, 상기 제1 덮개는 염 증발 방지용으로 사용후핵연료 환원 공정 시에 사용되며, 상기 제2 덮개는 전기분해를 위한 전극을 포함하여 구성되는 것으로 리튬 산화물 전해 공정 시에 사용될 수 있다. 상기 반응기는는 복수개로 구비될 수 있다. 더욱 구체적으로 2 내지 4개의 반응기가 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 환원장치는 반응기의 덮개를 교체하여 동일 반응기 내에서 사용후핵연료 환원 공정과 리튬 산화물 전해 공정을 모두 수행할 수 있으며, 배치 용량 및 형태에 제약이 없기 때문에, 사용후핵연료 안전조치 및 전후 공정과의 연계성이 향상될 수 있다.In addition, the present invention, a reactor in which the spent fuel reduction process and the lithium oxide electrolytic process are sequentially performed; And a first cover and a second cover of the reactor. The cover may be provided in a replaceable form, the first cover is used in the process of reducing the spent fuel to prevent salt evaporation, and the second cover is configured to include an electrode for electrolysis, lithium oxide electrolysis Can be used during processing. The reactor may be provided in plural. More specifically, 2 to 4 reactors may be provided, but are not limited thereto. The reduction device of the present invention can perform both the spent fuel reduction process and the lithium oxide electrolysis process in the same reactor by replacing the cover of the reactor, and since there is no restriction on the batch capacity and shape, safety measures and before and after the spent fuel Connectivity to the process can be improved.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 다수의 동일한 구조를 가진 환원 장치를 이용하며, 각 반응기는 2 종류의 덮개를 가지고 있다. 도 1에는 본 시스템의 구성 및 흐름도의 예시를 나타내었다. 사용후핵연료는 집합체 단위로 해체되기 때문에 이를 기준으로 운전하는 것이 공정의 관리에 있어서 유리하다. 따라서 약 500 kg에 달하는 1개 경수로 집합체 산화물 사용후핵연료를 1기의 바스켓에 전부 장입하게 된다. 사용후핵연료 바스켓은 환원 장치-1에서 일정 시간 동안 반응을 수행한 뒤 꺼내어 환원 장치-2에서 추가적인 반응을 진행한다. 이후 환원 장치-3으로 이동하면서 산화물의 금속 전환율을 단계적으로 높이게 된다. 산화물 사용후핵연료 바스켓이 반응하기 전에 전기화학 반응 덮개를 각 환원 장치에 얹어 과량의 Li을 생산해둔다. 이 후 사용후핵연료의 반응이 끝나고 바스켓이 다음 환원장치로 이동하게 되면 다시 전기화학 반응 덮개를 장착하여 Li2O 및 LiCl을 전기분해하여 과량의 Li을 생산해두어 새로운 산화물 사용후핵연료 바스켓이 장입될 준비를 마치게 된다. 환원 장치-3에서 충분한 환원율을 얻지 못하는 경우, 바스켓은 다시 환원 장치-1로 이동하여 앞에서 설명한 과정을 반복하여 점진적으로 환원율을 높이게 된다. 본 시스템의 구성은 환원 장치의 개수를 조업 환경에 맞게 다양하게 변경할 수 있다.The system according to an embodiment of the present invention uses a reduction device having a plurality of identical structures, and each reactor has two types of lids. 1 shows an example of the configuration and flow chart of the present system. Since spent nuclear fuel is disassembled in units of aggregate, it is advantageous to manage the process based on this. Therefore, the aggregated spent fuel for one light water reactor weighing about 500 kg is fully loaded into one basket. After the spent fuel basket is reacted for a certain period of time in the reduction device-1, it is taken out and further reacted in the reduction device-2. Thereafter, the metal conversion rate of the oxide is gradually increased while moving to the reduction device-3. Before the oxide spent fuel basket reacts, an electrochemical reaction cover is placed on each reduction device to produce excess Li. After this, when the reaction of the spent fuel is over and the basket moves to the next reduction device, an electrochemical reaction cover is mounted again to electrolyze Li 2 O and LiCl to produce excess Li, and a new oxide spent fuel basket will be loaded. The preparation is finished. If the reduction device-3 does not obtain a sufficient reduction rate, the basket moves to the reduction device-1 again and repeats the above-described process to gradually increase the reduction rate. The configuration of this system can be variously changed to the number of reduction devices to suit the operating environment.

이하, 환원 장치의 개략도를 나타내는 도 2 및 도 3을 참조하여, 환원 장치에 대해 상세히 설명한다. 각각의 환원 장치는 사용후핵연료 리튬 환원 공정(도 2 참고)과 리튬 산화물 전해 공정(도 3 참고)의 두 종류의 공정을 번갈아 수행한다. 각 공정에서는 서로 다른 덮개(140, 150)를 사용할 수 있도록 설계하며, 사용후핵연료 리튬 환원 공정 시에는 염의 증발을 방지하는 단순한 구조의 덮개(140)를 사용하며, 리튬 산화물 전해 공정에서는 전기화학 반응을 위한 전극이 설치된 덮개(150)를 사용한다. 사용후핵연료 리튬 환원 공정 시에는 Li-LiCl 상태의 용융염(120)에 집합체 1개에 해당하는 사용후핵연료를 포함한 바스켓(130)이 환원 장치 내부에 장입되어 염에 잠기게 된다. 이 후 일정한 시간동안 환원 반응(UO2 + 4Li → U + 2Li2O)이 진행되도록 유지한 뒤 사용후핵연료 바스켓을 인출하여 다음 환원 장치로 인도한다. 환원 반응이 종료되면 환원 장치 내에는 Li2O가 생성되어 Li2O-Li-LiCl 상태의 염으로 바뀌게 된다. 이 때 리튬 산화물 전해 공정용 덮개를 설치하여 Li-LiCl 염으로 전환하게 된다. Li 제조 공정용 덮개에는 금속 재질의 음극(철 등)과 탄소 양극을 사용하여 4 V 이상의 전압에서 Li2O 및 LiCl을 전기 분해하게 된다. 이 때, 음극에서는 Li 금속이, 양극에서는 O2, Cl2, CO2 등의 기체가 발생하게 된다. 발생한 기체는 기체 배출관(172)을 통해 제거된다. 환원 장치는 사용후핵연료 리튬 환원 공정 및 리튬 산화물 전해 공정이 진행될 때 염이 용융된 상태로 유지되어야 하기 때문에 LiCl의 융점인 610℃ 이상에서 유지되어 한다. 또한, 한 번의 환원 공정으로는 사용후핵연료의 금속 전환 비율에 한계가 있기 때문에 여러 대의 장치를 순차적으로 이동하면서 환원율을 높이게 된다. Li 제조 공정 시에 과량의 Li 생성으로 표면에 Li 막이 형성될 경우 음극과 양극 사이에 통전이 일어날 수 있기 때문에 이를 방지하기 위하여 세라믹 슈라우드를 적용하도록 한다(도 3 참조). 또한, 탄소 양극의 소모를 대비하여 양극은 교체가 가능하도록 설계된다.Hereinafter, the reduction device will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3 showing schematic views of the reduction device. Each reduction device alternately performs two types of processes: a spent fuel lithium reduction process (see FIG. 2) and a lithium oxide electrolysis process (see FIG. 3). In each process, different covers (140, 150) are designed to be used. In the spent fuel lithium reduction process, a simple structure cover (140) that prevents evaporation of salt is used. In the lithium oxide electrolytic process, an electrochemical reaction is performed. Use the cover 150 is provided with an electrode for. In the process of reducing lithium for spent fuel, a basket 130 containing spent fuel corresponding to one aggregate in molten salt 120 in the Li-LiCl state is loaded into the reducing device to be immersed in salt. After this, the reduction reaction (UO 2 + 4Li → U + 2Li 2 O) is maintained for a certain period of time, and then the spent fuel basket is taken out and delivered to the next reduction device. When the reduction reaction is completed, Li 2 O is generated in the reduction device to be changed into a salt of Li 2 O-Li-LiCl. At this time, a cover for a lithium oxide electrolytic process is installed to convert to a Li-LiCl salt. Li 2 O and LiCl are electrolyzed at a voltage of 4 V or more using a metal cathode (such as iron) and a carbon anode for the lid for the Li manufacturing process. At this time, Li metal is generated at the cathode, and gases such as O 2 , Cl 2 and CO 2 are generated at the anode. The generated gas is removed through the gas discharge pipe 172. The reduction device must be maintained at a melting point of LiCl of 610 ° C or higher because the salt must be kept in a molten state when the spent fuel lithium reduction process and lithium oxide electrolysis process are performed. In addition, since there is a limit to the metal conversion ratio of spent nuclear fuel in one reduction process, the reduction rate is increased while sequentially moving several devices. When a Li film is formed on the surface due to excessive generation of Li during the Li manufacturing process, a current may occur between the cathode and the anode, so a ceramic shroud is applied to prevent this (see FIG. 3). In addition, the anode is designed to be replaceable in preparation for the consumption of the carbon anode.

본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 동작은 다음과 같이 진행된다: The operation of the system according to an embodiment of the present invention proceeds as follows:

1) 환원 장치에서 리튬 산화물 전해 공정을 수행하여 Li-LiCl 상태 염 준비1) Preparation of Li-LiCl state salt by performing lithium oxide electrolytic process in a reduction device

2) 사용후핵연료 장입 바스켓이 환원 장치-1에 장입 후 일정 시간 동안 사용후핵연료 리튬 환원 공정 진행 2) After loading the spent fuel into the reduction device-1, the spent fuel lithium reduction process is performed for a certain period of time.

3) 사용후핵연료 장입 바스켓이 환원 장치-2로 이동하여 장입 후 일정 시간 동안 환원 공정 진행3) The spent fuel charging basket moves to the reduction device-2, and after charging, the reduction process is performed for a certain period of time.

4) 3)과 동시에 환원 장치-1은 1)의 리튬 산화물 전해 공정을 수행하여 Li2O-Li-LiCl 염을 다시 Li-LiCl 염으로 변환4) Simultaneously with 3), the reduction device-1 converts the Li 2 O-Li-LiCl salt back to a Li-LiCl salt by performing the lithium oxide electrolytic process of 1).

5) 사용후핵연료 장입 바스켓이 환원 장치-3으로 이동하여 환원 공정 진행5) The spent fuel transfer basket moves to the reduction device-3 to proceed with the reduction process.

6) 5)와 동시에 환원 장치-2는 리튬 산화물 전해 공정을 수행(과정 4)와 동일)6) Simultaneously with 5), the reduction device-2 performs a lithium oxide electrolytic process (same as process 4))

7) 사용후핵연료 장입 바스켓이 환원 장치-1에 재장입(2)부터의 과정 반복).7) After the spent fuel charging basket is reloaded into the reduction device-1, the process from (2) is repeated).

본 시스템에서는 환원 장치 내 용융염의 용량, Li의 비율, 반응 시간 등에 따라 각 환원 장치에서의 환원율을 조절할 수 있다. 각 환원 장치에서의 환원율은 공정 조건에서의 Li-Li2O 평형 상수와 각각의 활성도 계수를 이용하여 계산할 수 있다. 도 4에는 650℃ 조건에서 UO2 500 kg이 1000 kg LiCl염에서 Li의 농도가 각각 1 및 2 wt%일 때 각 환원 장치를 거칠 때 마다 변하는 환원율을 계산하였다. 염 내 Li 농도가 증가하면 환원이 더욱 빠르게 일어나는 것을 확인하였으며, 이론상 100%의 환원율을 얻기 위해 필요한 환원 장치의 배치 수는 1 wt%일 때 7 배치, 2 wt%일 때 4 배치로 확인되었다. 실제 조업 시에는 공학적 여유를 감안하여 1.5배를 곱하면 실제 완전 환원에 필요한 배치 수는 1 wt% 일 때 11 배치, 2 wt% 일 때 6 배치로 예상된다. 이러한 조건은 LiCl 염의 양, 즉 배치의 크기 및 Li의 농도에 따라 변하게 되며, Li 농도를 높여서 운전할 경우 배치 숫자는 더욱 줄어들게 된다. 앞에서 예로 설명한 3기의 환원 장치를 이용한 조업의 경우 환원 장치-1 ∼ -3의 환원 반응 사이클을 각각 4번(1 wt% Li) 혹은 2번 (2 wt% Li) 수행하면 100% 환원율을 얻을 수 있다.In this system, the reduction rate in each reduction device can be adjusted according to the capacity of the molten salt in the reduction device, the ratio of Li, and the reaction time. The reduction rate in each reduction device can be calculated using the Li-Li 2 O equilibrium constant at the process conditions and the respective activity coefficient. In FIG. 4, the reduction rate that varies with each reduction device when the concentration of Li is 1 and 2 wt% in 500 kg of UO 2 at 1000 kg LiCl salt at 650 ° C. was calculated. When the concentration of Li in the salt increased, it was confirmed that the reduction occurred more rapidly, and theoretically, the number of batches of the reduction device required to obtain a reduction rate of 100% was confirmed to be 7 batches at 1 wt% and 4 batches at 2 wt%. In actual operation, considering the engineering margin, multiplying by 1.5 times is expected to result in 11 batches at 1 wt% and 6 batches at 2 wt%. These conditions vary depending on the amount of LiCl salt, that is, the size of the batch and the concentration of Li, and the number of batches is further reduced when the Li concentration is increased. In the case of the operation using the three reduction devices described above as an example, the reduction reaction cycles of the reduction devices -1 to -3 are performed 4 times (1 wt% Li) or 2 times (2 wt% Li), respectively, to obtain a 100% reduction rate. You can.

100: 사용후핵연료 환원 공정 시의 환원 장치 구성도
100′: 리튬 산화물 전해 공정 시의 환원 장치 구성도
110: 환원 장치 전해조
120: 용융염
130: 사용후핵연료 장입 바스켓
140: 사용후핵연료 환원 공정용 덮개
150: 리튬 산화물 전해 공정용 덮개
160: 음극 전극
170: 양극전극
171: 슈라우드
172: 기체 배출관
180: 전원장치
100: configuration diagram of the reduction device during the spent fuel reduction process
100 ′: configuration diagram of a reduction device during a lithium oxide electrolytic process
110: reduction device electrolytic cell
120: molten salt
130: spent fuel charging basket
140: used fuel reduction process cover
150: Lithium oxide electrolytic process cover
160: cathode electrode
170: anode electrode
171: Shroud
172: gas discharge pipe
180: power supply

Claims (10)

복수의 반응기를 이용하여 다단 조업으로 수행되는 사용후핵연료 환원방법으로서,
제1 반응기에 사용후핵연료가 담지된 바스켓을 장입하는 단계;
상기 반응기에 제1 덮개를 장착하고 사용후핵연료 환원 공정을 수행한 후 상기 바스켓을 제2 반응기로 이동시키는 단계; 및
상기 제1 반응기에서 제1 덮개를 제2 덮개로 교체한 후 리튬 산화물 전해 공정을 수행하고, 제2 반응기에서 제1 덮개를 장착하여 사용후핵연료 환원 공정을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 제1 덮개는 염 증발 방지용 덮개이며, 제2 덮개는 전기분해를 위한 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
As a spent fuel reduction method performed in a multi-stage operation using a plurality of reactors,
Charging a basket in which the spent fuel is loaded into the first reactor;
Mounting the first cover on the reactor and performing a spent fuel reduction process, and then moving the basket to the second reactor; And
And replacing the first cover with the second cover in the first reactor to perform a lithium oxide electrolysis process, and mounting the first cover in the second reactor to perform a spent fuel reduction process,
The first cover is a salt evaporation prevention cover, the second cover is a spent fuel reduction method comprising an electrode for electrolysis.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 반응기에서 사용후핵연료 환원 공정이 수행된 후 사용후핵연료가 담지된 바스켓을 제1 반응기로 재장입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
The method according to claim 1,
A method for reducing spent fuel, comprising the step of reloading a basket in which the spent fuel is loaded into the first reactor after the spent fuel reduction process is performed in the second reactor.
청구항 1에 있어서,
상기 복수의 반응기는 2 내지 4개의 반응기인 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
The method according to claim 1,
The plurality of reactors is a spent fuel reduction method, characterized in that 2 to 4 reactors.
청구항 1에 있어서,
상기 사용후핵연료 환원방법은, 사용후핵연료 환원 공정과 리튬 산화물 전해 공정이 동일 반응기 내에서 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
The method according to claim 1,
The spent fuel reduction method is a spent fuel reduction method characterized in that the spent fuel reduction process and the lithium oxide electrolytic process are sequentially performed in the same reactor.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 반응기에는 LiCl을 포함하는 용융염이 담지된 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
The method according to claim 1,
Method for reducing spent nuclear fuel, characterized in that the first reactor is loaded with molten salt containing LiCl.
청구항 1에 있어서,
상기 전극은 탄소계 양극을 포함하여, 상기 양극은 양극을 둘러싸는 슈라우드 구조물이 구비되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
The method according to claim 1,
The electrode comprises a carbon-based anode, the anode is a spent fuel reduction method, characterized in that provided with a shroud structure surrounding the anode.
청구항 6에 있어서,
상기 양극은 교체가 가능하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
The method according to claim 6,
The anode is a spent fuel reduction method, characterized in that provided to be replaceable.
청구항 1에 있어서,
상기 반응기에서 환원공정 및 리튬 산화물 전해 공정이 수행될 때, 염은 용융된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 환원방법.
The method according to claim 1,
When the reduction process and the lithium oxide electrolytic process is performed in the reactor, the spent fuel reduction method characterized in that the salt is maintained in a molten state.
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