KR102098579B1 - 코륨 및 사용된 핵연료의 안정화 처리 방법 - Google Patents

코륨 및 사용된 핵연료의 안정화 처리 방법 Download PDF

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Abstract

핵물질을 안정시키기 위한 방법은, 전해환원기의 제 1 용융 염 전해질에서 핵물질을 전해 환원하여 환원된 물질을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 전해환원의 부산물로서 환원기 폐기물은 제 1 용융 염 전해질에 축적될 수 있다. 전해 환원 후, 환원된 물질은 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질에서 전해 용해되어 전해정제기의 정제기 캐쏘드 어셈블리 상에 정제된 금속 생성물을 생성할 수 있다. 전해정제의 결과로서, 제 1 정제기 폐기물은 제 2 용융 염 전해질에 축적되고 제 2 정제기 폐기물은 전해정제기의 정제기 애노드 어셈블리에 축적될 수 있다. 전해정제기의 제 2 정제기 폐기물은 금속 폐기물 형태로 전환될 수 있고, 전해환원기의 환원기 폐기물 및 전해정제기의 제 1 정제기 폐기물은 세라믹 폐기물 형태로 전환될 수 있다.

Description

코륨 및 사용된 핵연료의 안정화 처리 방법{METHOD FOR CORIUM AND USED NUCLEAR FUEL STABILIZATION PROCESSING}
본 발명은 핵연료 처리를 위한 화학적 분리 방법에 관한 것이다.
반응기 사고 후, 전형적으로 반응기 코어가 재처리되고/되거나 임시 저장(interim storage) 상태에 있도록 하는 데에 노력을 기울인다. 그러나, 반응기 사고의 완화(mitigation)는 외부 물질의 유입에 의해 복잡해질 수 있다. 예컨대, 2011년 후쿠시마 다이이치(Fukushima Daiichi) 사고에서, 반응기를 냉각시키기 위한 시도에서 해수가 사용되었다. 해수 사용의 결과로, 해염(sea salt)이 반응기에 침착되었다. 따라서, 해염의 존재에 의해, 용융된 연료의 후속 처리를 위한 통상의 시설이 손상을 입거나 저하될 수 있다. 또한, 반응기 코어로부터 회수된 연료를 후속 저장하도록 의도된 금속 컨테이너의 일체성이 해염의 부식 작용에 의해 손상될 수 있다.
본 발명에 따라 핵물질을 안정시키는 방법은, 핵물질을 전해환원기로 부하하는 것을 포함할 수 있다. 전해환원기는 제 1 용융 염 전해질 및, 핵물질을 보유하도록 구성된 환원기 캐쏘드 어셈블리를 포함할 수 있다. 전해환원기의 제 1 용융 염 전해질에서 핵물질이 환원되어 환원기 캐쏘드 어셈블리에서 환원된 물질을 생성할 수 있다. 전해환원 공정의 부산물로서의 환원기 폐기물이 제 1 용융 염 전해질에 축적될 수 있다. 전해환원 공정 후, 환원된 물질은 전해정제기로 부하될 수 있다. 전해정제기는 제 2 용융 염 전해질, 정제기 캐쏘드 어셈블리, 및 환원된 물질을 보유하도록 구성된 정제기 애노드 어셈블리를 포함할 수 있다. 환원된 물질은 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질에서 전해 용해되어(electrolytically dissolved) 상기 정제기 캐쏘드 어셈블리 상에 정제된 금속 생성물을 생성할 수 있다. 전해정제의 결과로서, 제 1 정제기 폐기물이 제 2 용융 염 전해질에 축적되고 제 2 정제기 폐기물이 정제기 애노드 어셈블리에 축적될 수 있다.
본원의 비제한적 실시양태의 다양한 특징 및 이점은 첨부된 도면과 함께 상세한 설명의 검토 시에 더욱 분명해질 수 있다. 첨부된 도면은 단지 설명을 위한 목적으로 제공되고, 특허청구범위의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 첨부된 도면은 명시적으로 언급되지 않는다면 축척대로 그려진 것으로 고려되지 않는다. 명료성을 위해, 도면의 다양한 치수는 과장되었을 수 있다.
도 1은 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 핵물질 안정화 방법의 플로우 다이어그램(flow diagram)이다.
도 2는 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 또 다른 핵물질 안정화 방법의 플로우 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 도 2에서 단계 210의 플로우 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 도 2에서 단계 220의 플로우 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 도 2에서 단계 230의 플로우 다이어그램이다.
요소(element) 또는 층이 또 다른 요소 또는 층 "~의 상에", "~과 연결된", "~과 결합된" 또는 "덮는" 것으로 지칭된 경우, 이는 직접 다른 요소 또는 층의 상에, 층과 연결되고, 층과 결합된, 또는 층을 덮는 것일 수 있거나, 또는 개재되는(intervening) 요소 또는 층이 존재할 수 있음을 이해해야 한다. 반대로, 요소가 또 다른 요소 또는 층의 "직접 상에", 층과 "직접 연결된" 또는 "직접 결합된" 것으로 나타난 경우, 개재요소 또는 층이 존재하지 않는다. 유사 번호는 명세서 전체에 걸쳐 유사 요소를 지칭한다. 본원에서 사용된 용어 "및/또는"은 관련된 나열된 아이템 중 하나 이상 중의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
용어 제 1, 제 2, 제 3 등은 다양한 요소, 성분, 영역, 층 및/또는 구역을 기재하기 위해 본원에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소, 성분, 영역, 층, 및/또는 구역은 이러한 용어에 의해 제한되지 않아야 함을 이해해야 한다. 이러한 용어는 단지 하나의 요소, 성분, 영역, 층, 또는 구역을 또 다른 영역, 층 또는 구역과 구별하는 것에만 사용된다. 따라서, 하기에 논의된 제 1 요소, 성분, 영역, 층, 또는 구역은 예시적 실시양태의 교시로부터 벗어남이 없이 제 2 요소, 성분, 영역, 층, 또는 구역으로 일컬어질 수 있다.
공간적으로 상대적인 용어(예컨대, "밑에(beneath)", "아래에(below)", "하부(lower)", "위에(above)", "상부(upper)" 등)는 도면에 도시된 또 다른 요소(들) 또는 특징부(들)에 대한 하나의 요소 또는 특징부의 관계의 기재 용이성을 위해 본원에서 사용될 수 있다. 상기 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 방향 이외에도 사용 또는 가동 중인 장치의 다른 방향을 포함하도록 의도됨을 이해해야 한다. 예컨대, 도면의 장치가 뒤집혔다면, 다른 요소 또는 특징부의 "아래에" 또는 "밑에"로 기재된 요소는, 그 후 다른 요소 또는 특징부의 "위에"로 바뀔 것이다. 이와 같이, 용어 "밑에"는 위 및 아래의 방향 모두를 포함할 수 있다. 장치가 다르게 배향될 수 있으며(90도 또는 다른 방향으로 회전), 본원에서 사용된 공간적으로 상대적인 기재는 그에 따라 해석된다.
본원에서 사용된 전문 용어는 단지 다양한 실시양태를 기재하기 위한 목적일 뿐 예시적 실시양태를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에서 사용된 단수 형태 용어는 본문에서 명확하게 지시하지 않는 한 복수 형태도 또한 포함하도록 의도된다. 또한, 용어 "포함한다", 및 "포함하는"은, 본 명세서에서 사용될 경우, 언급된 특징부, 정수, 단계, 작동, 요소, 및/또는 성분의 존재를 한정하지만, 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단계, 작동, 요소, 성분, 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본원에서 예시적 실시양태는, 예시적 실시양태의 이상적인 실시양태(및 중간 구조)의 개략도인 횡단면도를 참고로 하여 기재된다. 따라서, 예컨대, 제조 기술 및/또는 공차의 결과로서 개략도의 형태로부터의 변형이 예상된다. 따라서, 예시적 실시양태는 본원에 도시된 영역의 형태에 한정된다고 해석되어서는 안되지만, 예컨대, 제조로부터 발생되는 형태의 편차를 포함한다. 예컨대, 사각형으로 도시된 이식(implanted) 영역은 전형적으로, 이식 영역에서 비이식 영역으로의 이원적 변화 대신 원형 또는 곡선형 특징부 및/또는 그의 모서리에서의 이식 농도의 구배를 가진다. 마찬가지로, 이식에 의해 형성된 매립 영역(buried region)은 매립 영역과 이식이 발생한 표면 사이의 영역에서 약간의 이식을 야기할 수 있다. 따라서, 도면에 도시된 영역은 사실상 개략적인 것이고, 이들의 형태는 장치의 영역의 실제 형태를 도시하는 것으로 의도되지 않고, 예시적 실시양태의 범위를 한정하도록 의도되지 않는다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용된 모든 용어(기술적 및 과학적 용어를 포함함)는 예시적 실시양태가 속하는 기술 분야에서 보통의 기술 중 하나에 의해 흔히 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 용어(일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것을 포함)는, 관련 기술분야의 맥락에서의 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본원에서 명시적으로 정의되지 않는 한 이상화된 또는 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 것임을 이해해야 한다.
도 1은 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 핵물질 안정화 방법의 플로우 다이어그램(flow diagram)이다. 도 1의 단계 110을 참고로 하면, 반응기로부터의 핵물질은 전해환원기 내에서 처리되어 환원된 물질 및 환원기 부산물을 생성할 수 있다. 도 1의 단계 120을 참고로 하면, 상기 전해환원기의 환원된 물질은 전해정제기 내에서 처리되어 정제된 물질 및 정제기 부산물을 생성할 수 있다. 도 1의 단계 130을 참고로 하면 전해환원기의 환원기 부산물 및 전해정제기의 정제기 부산물이 처리되어 안정한 폐기물 형태를 생성할 수 있다.
본원에서 지칭된 핵물질은 코륨일 것이나, 예시적 실시양태는 이것에 한정되지 않는다. 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 이해될 때, 코륨은 핵 용융 중 형성되는 연료 함유 물질(fuel containing material)(FCM)이다. 특히 코륨은 핵 반응기 코어의 일부의 용암 같은 용융 혼합물이고, 핵연료, 핵분열 생성물, 제어로드, 반응기의 영향 받은 부분의 구조재, 및 공기, 물, 및 스팀과 이들의 화학 반응의 생성물, 및/또는 반응기 용기가 붕괴된 경우의 반응실의 바닥부의 용융 콘크리트를 포함할 수 있다. 코륨의 조성은 반응기의 유형에 의존하고, 특히 제어로드 및 냉각재에 사용된 물질에 의존한다. 예컨대, 가압수 원자로(pressurized water reactor)(PWR) 코륨과 비등수 원자로(boiling water reactor)(BWR) 코륨 간에는 차이가 있다. 본원에서 지칭된 핵물질은, 코륨뿐만 아니라, 사용된 핵연료 또는 유사한 처리에 필요한 다른 유사한 물질을 포함할 수 있음을 이해해야 한다.
도 2는 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 핵물질 안정화의 또 다른 방법의 플로우 다이어그램이다. 도 2의 단계 210을 참고로 하면, 핵물질은 반응기로부터 제거될 수 있다. 도 2의 단계 220을 참고로 하면, 반응기로부터의 상기 핵물질은 전해환원기 내에서 처리되어 환원된 물질 및 환원기 폐기물을 생성할 수 있다. 도 2의 단계 230을 참고로 하면, 전해환원기로부터의 환원된 물질은 전해정제기 내에서 처리되어 정제된 금속 생성물, 제 1 정제기 폐기물, 및 제 2 정제기 폐기물을 생성할 수 있다. 도 2의 단계 240을 참고로 하면, 정제된 금속 생성물은 전해정제기로부터 회수될 수 있다. 또한, 정제된 금속 생성물은 추가로 처리되어 정제된 금속 생성물로부터 목적하는 금속을 회수할 수 있다. 도 2의 단계 250을 참고로 하면, 전해환원기 내의 환원기 폐기물은 세라믹 폐기물 형태로 전환될 수 있다. 도 2의 단계 260을 참고로 하면, 전해정제기 내의 제 1 정제기 폐기물은 세라믹 폐기물 형태로 전환될 수 있다. 도 2의 단계 270을 참고로 하면, 전해정제기 내의 제 2 정제기 폐기물은 금속 폐기물 형태로 전환될 수 있다.
도 3은 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 도 2의 단계 210의 플로우 다이어그램이다. 도 3의 단계 210a를 참고로 하면, 핵물질은 반응기 용기로부터 제거될 수 있다. 도 3의 단계 210b를 참고로 하면, 반응기 용기로부터의 핵물질은 물에 침수될 수 있다. 예컨대, 핵물질은 반응기의 기존의 풀(pool)(예컨대, 연료 풀, 감압수조)에 침수될 수 있다. 도 3의 단계 210c를 참고로 하면, 핵물질은 수중에서 복수의 더 작은 조각들로 분할될 수 있다.
도 4는 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 도 2의 단계 220의 플로우 다이어그램이다. 도 4의 단계 220a를 참고로 하면, 핵물질은 수중에서 환원기 캐쏘드 어셈블리 내에 부하될 수 있다. 도 4의 단계 220b를 참고로 하면, 핵물질 및 환원기 캐쏘드 어셈블리는 탈수될 수 있다. 도 4의 단계 220c를 참고로 하면, 핵물질을 갖는 환원기 캐쏘드 어셈블리는 전해환원기의 제 1 용융 염 전해질 내로 침지될 수 있다. 도 4의 단계 220d를 참고로 하면, 핵물질은 제 1 용융 염 전해질에 의해 전해 환원되어 환원기 캐쏘드 어셈블리에 환원된 물질을 생성할 수 있다. 도 4의 단계 220e를 참고로 하면, 환원기 폐기물은 전해환원기의 환원기 캐쏘드 어셈블리내에서의 핵물질의 전해 환원의 부산물로서 생성될 수 있다. 환원기 폐기물은 전해환원기의 제 1 용융 염 전해질에 축적될 수 있다.
도 5는 본 발명의 비제한적 실시양태에 따른 도 2의 단계 230의 플로우 다이어그램이다. 도 5의 단계 230a를 참고로 하면, 환원된 물질을 갖는 정제기 애노드 어셈블리는 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질 내로 침지될 수 있다. 도 5의 단계 230b를 참고로 하면, 정제기 애노드 어셈블리 내의 환원된 물질은 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질에 전해 용해될 수 있다. 도 5의 단계 230c를 참고로 하면, 전해 용해된 물질은 전해정제기의 정제기 캐쏘드 어셈블리 상에 정제된 금속 물질로서 침착될 수 있다. 도 5의 단계 230d를 참고로 하면, 제 1 및 제 2 정제기 폐기물은 전해정제의 부산물로서 생성될 수 있다. 제 1 정제기 폐기물은 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질 내에 축적될 것이고, 반면에 제 2 정제기 폐기물은 전해정제기의 정제기 애노드 어셈블리에 축적될 수 있다.
핵물질의 처리를 위한 다양한 예시는 하기에 더 상세히 논의될 것이다. 비제한적 실시양태에서, 핵물질을 안정화시키기 위한 방법은 핵물질을 전해환원기 내로 부하하는 것을 포함한다. 전해환원기는 제 1 용융 염 전해질 및 핵물질을 보유하도록 구성된 환원기 캐쏘드 어셈블리를 포함할 수 있다. 핵물질은 전해환원기의 제 1 용융 염 전해질에서 환원되어 환원기 캐쏘드 어셈블리 내에 환원된 물질을 생성할 수 있다. 환원기 폐기물은 전해환원기의 제 1 용융 염 전해질에 축적될 수 있다. 전해환원기에서의 환원 반응 후, 환원된 물질은 전해정제기 내로 부하될 수 있다. 전해정제기는 제 2 용융 염 전해질, 정제기 캐쏘드 어셈블리, 및 환원된 물질을 보유하도록 구성된 정제기 애노드 어셈블리를 포함할 수 있다. 환원된 물질은 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질에 전해 용해되어 정제기 캐쏘드 어셈블리 상에 침착하는 정제된 금속 생성물을 생성할 수 있다. 제 1 정제기 폐기물은 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질에 축적될 것이고, 제 2 정제기 폐기물은 전해정제기의 정제기 애노드 어셈블리에 축적될 수 있다.
전해환원기 내로 부하된 핵물질은 코륨을 포함할 수 있다. 그러나, 핵물질은 사용된 핵연료(예컨대, 손상없이 지르코늄 피복재를 갖는 사용된 핵연료) 또는 유사한 처리에 필요한 다른 유사한 물질 또한 포함할 것임을 이해해야 한다. 비제한적 실시양태에서, 핵물질은 우라늄 옥사이드를 포함하는 공급 물질을 포함할 수 있다. 또한, 핵물질은 핵 사고의 결과로서 외부 물질을 포함할 수 있다. 예컨대. 핵 사고 동안 반응기를 냉각시키기 위해 해수가 주입된 경우, 공급 물질은 해염을 포함할 수 있다. 특히, 공급물질은 염화나트륨(NaCl), 황(S), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 칼륨(K), 및/또는 붕소(B)를 포함할 수 있다. 그러나, 본원의 전기화학적 방법은 (염 조(bath)를 사용하여 수행되는) 건조 공정이기 때문에, 해수 주입으로부터의 실질적으로 모든 잔류 염이 효과적으로 제거 및/또는 안정화될 수 있다.
오염 확산을 경감시키기 위해, 핵물질 및 환원기 캐쏘드 어셈블리가 수중에 존재하는 동안, 핵물질은 환원기 캐쏘드 어셈블리 내로 위치될 수 있다. 예컨대, 핵물질 및 환원기 캐쏘드 어셈블리가 핵 반응기의 기존 풀(예컨대, 연료 풀, 감압수조)에 침수되어 있는 동안, 핵물질은 환원기 캐쏘드 어셈블리 내로 위치될 수 있다.
또한, 핵물질의 전해환원기로의 부하 전에, 핵물질은 복수의 조각으로 분할될 수 있다. 분할은 통상의 전단장치(shear) 또는 통상의 그라인더를 사용하여 목적하는 크기로 수행될 수 있다. 핵물질의 분할은 수중에서 수행될 수 있다. 예컨대, 핵물질의 분할은 핵물질이 핵 반응기의 기존 풀(예컨대, 연료 풀, 감압수조)에 침수되어 있는 동안 수행될 수 있다. 비제한적 실시양태에서, 핵물질은 복수의 조각으로 분할되고, 그 후, 동일한 기존 풀에 침수되어 있는 동안, 환원기 캐쏘드 어셈블리 내로 위치될 수 있다.
전해환원기의 제 1 용융 염 전해질 내의 핵물질을 환원시키기 전에, 핵물질이 부하된 환원기 캐쏘드 어셈블리를 탈수시킬 수 있다. 비제한적 실시양태에서, 핵물질이 부하된 환원기 캐쏘드 어셈블리를 물로부터 제거하고, 이것이 자연 붕괴열로부터 가열되도록 함으로써 탈수가 수행될 수 있다. 또한, 탈수는 가열기 및/또는 진공의 도움을 받을 수 있다. 또한, 진공이 사용되는 경우, 유해한 입자의 탈리(escape)를 최소화 또는 방지하기 위해서 고효율 미립자 공기(high-efficiency particulate air)(HEPA) 필터가 활용될 수도 있다.
전해환원기의 제 1 용융 염 전해질은 염화 리튬(LiCl)의 용융 염 조를 포함할 수 있다. 제 1 용융 염 전해질에 침지된 경우, 핵물질은 이것의 금속 형태로 환원될 수 있다. 예컨대, 전해환원이 진행중인 우라늄 옥사이드는 우라늄 금속이 된다. 핵물질의 환원된 물질로의 전해환원 동안, 환원기 폐기물이 제 1 용융 염 전해질에 축적될 수 있다. 환원기 폐기물은 1족 원소 및 2족 원소 중 하나 이상을 포함하는 할로겐화물을 포함할 수 있다. 비제한적 실시양태에서, 할로겐화물은 염화물일 수 있고, 1족 원소는 세슘(Cs)일 수 있고, 2족 원소는 스트론튬(Sr)일 수 있다. 특히, 전해환원 공정 동안, 세슘, 스트론튬, 및/또는 다른 1족 및 2족 핵분열 생성물은 산화되어 염화물을 형성할 수 있다.
전해환원 공정 후, 환원된 물질은 전해정제기 내로 부하된다. 특히 전해환원기로부터의 환원된 물질은 정제기 애노드 어셈블리 내에 함유되고 전해정제기의 제 2 용융 염 전해질 내로 침지된다. 제 2 용융 염 전해질은 염화 리튬, LiCl-KCl 공융 혼합물, 또는 이의 등가물(equivalent)의 용융 염 조일 수 있다. 제 2 용융 염 전해질에서, 환원된 물질은, 환원된 물질의 금속이 정제된 금속 생성물로서 정제기 캐쏘드 어셈블리 상에 침착되도록 전해 용해될 수 있다.
전해정제의 결과, 제 1 정제기 폐기물 및 제 2 정제기 폐기물이 전해정제기에서 생성될 수 있다. 특히, 제 1 정제기 폐기물은 제 2 용융 염 전해질에 축적되고, 제 2 정제기 폐기물은 애노드 정제기 어셈블리에 축적될 수 있다. 예컨대, 제 1 정제기 폐기물은 초우라늄 원소를 포함하는 할로겐화물을 포함할 수 있다. 본 기술 분야의 통상의 기술자들은, 초우라늄 원소가 우라늄 원자번호보다 더 큰 원자번호를 갖는 것임을 이해한다. 제 2 정제기 폐기물은 지르코늄 및/또는 귀금속을 포함할 수 있다.
전해환원기로부터의 환원기 폐기물 및/또는 전해정제기로부터의 제 1 정제기 폐기물은 세라믹 폐기물 형태로 전환될 수 있다. 세라믹 폐기물 형태로의 전환은 유리-결합된(glass-bonded) 소달라이트(Ca-Al-Si) 및/또는 SYNROC의 제조를 포함할 수 있다. 유리 결합된 소달라이트는 제올라이트 또는 다른 유리 시스템의 열적 전환으로부터 생성되어 전해환원 및/또는 전해정제에 의해 발생되는 염을 안정화시킬 수 있다. 예컨대, 상기 폐기물 염은 가열된 V-혼합기(유리 프릿(frit)과 혼합됨)에서 제올라이트 구조물 내로 함침되고, 로(furnace)에서 모놀리쓰 형태로 교화될 수 있다. SYNROC은 티탄산염 미네랄(예컨대, 지르코놀라이트, 페로브스카이트)과, 금홍석(루틸), 소량의 금속 합금, 및 핵 폐기물의 일부로 구성될 수 있다. 상기 혼합물은 소결되어 단단하고 조밀한 합성 암석을 형성할 수 있다. 상기 세라믹 폐기물 형태는 핵분열 생성물 및 초우라늄원소의 대부분을 함유할 것이다.
전해정제기로부터의 제 2 정제기 폐기물은 금속 폐기물 형태로 전환될 수 있다. 금속 폐기물 형태로의 전환은 금속 잉곳(ingot)의 생성을 포함할 수 있다. 금속 잉곳은 스테인레스 스틸을 포함할 수 있다. 금속 잉곳은 귀금속 핵분열 생성물, 비악티늄족(non-actinide) 연료 함유 성분, 및/또는 손상된 지르코늄(Zr) 피복 물질을 안정시킬 수 있다. 본 발명의 세라믹 폐기물 형태 및 금속 폐기물 형태는 향후의 물 방출(water emission)에 대해, 우라늄 옥사이드 연료보다 백만 배 이상 더 내-침출(leach-resistant)성이다.
본원의 전기화학적 방법은 소극적인 공정 안전 측면을 갖는다. 특히, 전해환원기 및 전해정제기의 전기화학적 반응은 비자발적이고 전기 공급에 의해 구동된다. 그 결과, 전력 손실 시, 상기 전기화학적 반응은 중단되고 전해환원기 및 전해정제기의 용융 염 전해질은 동결되어, 내부의 방사성 원소를 응고시킬 것이다.
본원에 기재된 전해정제기는 2011년 12월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/335,082호(HDP 참고번호 8564-000252/US, GE 참고번호 24NS250931, 발명의 명칭 "불순한 핵 공급 물질로부터 정제된 금속을 회수하기 위한 전해정제기 시스템")에 기재된 바와 같고, 이의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다. 전해정제기 시스템은, 상대적으로 불순한 핵 공급 물질(예컨대, 불순한 우라늄 공급 물질)로부터 정제된 물질(예컨대, 우라늄)을 회수하기 위해 사용될 수 있다. 불순한 핵 공급 물질은 전해 산화물 환원(electrolytic oxide reduction) 시스템의 금속 생성물일 수 있다. 전해 산화물 환원 시스템은, 산화물을 이의 금속 형태로 환원시키는 것이 가능하도록 구성되어 후속하는 상기 금속의 회수를 허용한다. 전해 산화물 환원 시스템(본원에서 전해환원기로 또한 지칭됨)은 2010년 12월 23일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/978,027호(HDP 참고번호 8564-000228/US, GE 참고번호 24AR246140, 발명의 명칭 "전해 산화물 환원 시스템")에 기재된 바와 같고, 이의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다.
일반적으로, 상기 전해정제기 시스템은 용기, 복수의 캐쏘드 어셈블리, 복수의 애노드 어셈블리, 전력 시스템, 스크래퍼(scraper), 및/또는 컨베이어 시스템을 포함할 수 있다. 전력 시스템은 2011년 12월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/335,121호(HDP 참고번호 8564-000254/US, GE 참고번호 24AR252783, 발명의 명칭 "캐쏘드 전력 분배 시스템 및 이의 전력 분배를 위한 사용 방법")에 기재된 바와 같고, 이의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다. 스크래퍼는 2011년 12월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/335,209호(HDP 참고번호 8564-000255/US, GE 참고번호 24AR252787, 발명의 명칭 "캐쏘드 스크래퍼 시스템 및 이의 우라늄 제거를 위한 사용 방법")에 기재된 바와 같고, 이의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다. 컨베이어 시스템은 2011년 12월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/335,140호(HDP 참고번호 8564-000260/US, GE 참고번호 24AR256355, 발명의 명칭 "전해정제기 시스템용 연속 회수 시스템")에 기재된 바와 같고, 이의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다. 그러나, 전해정제기 시스템은 이것들에 국한되지 않고, 본원에서 구체적으로 명시하지 않을 수도 있는 다른 구성 요소를 포함할 수 있음을 이해해야 한다. 참고로 인용된 관련 출원의 표가 하기에 제공된다.
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상기에 언급된 바와 같이, 전해정제기 시스템용의 불순한 핵 공급 물질은 전해 산화물 환원 시스템의 금속 생성물일 수 있다. 전해 산화물 환원 시스템의 작동 중, 복수의 애노드 및 캐쏘드 어셈블리는 용융 염 전해질 내에 침지된다. 전해 산화물 환원 시스템의 비제한적 실시양태에서, 용융 염 전해질은 염화 리튬(LiCl)일 수 있다. 용융 염 전해질은 약 650℃(+50℃, -30℃)의 온도에서 유지될 수 있다. 산화물 공급 물질(예컨대, 금속 산화물)을 함유하는 캐쏘드 어셈블리에서 환원 포텐셜이 발생되도록 전기화학적 공정이 수행된다. 환원 포텐셜의 영향 하에, 금속 산화물의 금속 이온이 환원되고, 금속 산화물(MO) 공급 물질로부터의 산소(O)는 산화물 이온으로서 용융 염 전해질 내로 용해되고, 따라서 금속(M)은 캐쏘드 어셈블리 내에 두고 나오게 된다. 캐쏘드 반응은 하기와 같다:
MO + 2e - → M + O 2 -
애노드 어셈블리에서는, 상기 산화물 이온이 산소 가스로 전환된다. 각각의 애노드 어셈블리의 애노드 슈라우드(shroud)가 공정 중 전해 산화물 환원 시스템으로부터 산소 가스를 희석, 냉각, 및 제거하는데 사용될 것이다. 애노드 반응은 하기와 같다:
O 2 - → 1/2 O 2 + 2e -
금속 산화물은 우라늄 다이옥사이드(UO2)일 수 있고, 환원 생성물은 우라늄 금속일 수 있다. 그러나, 다른 유형의 옥사이드 또한 전해 산화물 환원 시스템에서 그들의 상응하는 금속으로 환원될 수 있음을 이해해야 한다. 마찬가지로, 전해 산화물 환원 시스템에 사용된 용융 염 전해질은 이에 특별히 제한되지 않고, 환원될 산화물 공급 물질에 따라 달라질 수 있다.
전해 산화물 환원 후, 금속 생성물로부터 정제된 금속을 수득하기 위한 추가 처리를 위해, 본 발명에 따라, 전해 산화물 환원 시스템 내의 금속 생성물 함유 바스킷(basket)은 전해정제기 시스템으로 이송된다. 더 명확히 언급하자면, 본 발명에 따라, 전해 산화물 환원 시스템으로부터의 금속 생성물은 전해정제기 시스템용의 불순한 핵 공급 물질로서 제공될 것이다. 특히, 전해 산화물 환원 시스템에서 금속 생성물을 함유하는 바스킷이 캐쏘드 어셈블리인 반면, 전해정제기 시스템에서는 금속 생성물을 함유하는 바스킷이 애노드 어셈블리이다. 선행 기술분야 장치와 비교할 때, 본 발명의 전해정제기 시스템은 정제 금속의 상당히 큰 수율을 가능하게 한다.
전해정제기 시스템은 용기, 복수의 캐쏘드 어셈블리, 복수의 애노드 어셈블리, 전력 시스템, 스크래퍼, 및/또는 컨베이어 시스템을 포함한다. 각각의 복수의 캐쏘드 어셈블리는 복수의 캐쏘드 로드(rod)를 포함할 수 있다. 전력 시스템은 바닥 구조물(floor structure)을 통해 연장되는 전기 피드쓰루(feedthrough)를 포함할 수 있다. 바닥 구조물은 글로브박스의 글로브박스 바닥일 수 있다. 대안적으로, 바닥 구조물은 핫-셀(hot-cell) 설비의 받침판(support plate)일 수 있다. 컨베이어 시스템은 유입 배관, 트로프(trough), 턴 아이들러(turn idler), 체인, 복수의 플라이트(flight), 출구 배관, 및/또는 배출 슈트(chute)를 포함할 수 있다.
용기는 용융 염 전해질을 유지하도록 구성된다. 비제한적 실시양태에서, 용융 염 전해질은 LiCl, LiCl-KCl 공융 혼합물, 또는 다른 적합한 매질일 수 있다. 용기는 대부분의 용기가 바닥 구조물 아래에 있도록 위치될 수 있다. 예컨대, 용기의 상부는 구조물 내의 개구부를 통해 바닥 구조물 위로 연장될 수 있다. 바닥 구조물 내의 개구부는 용기의 치수에 상응할 수 있다. 용기는 복수의 캐쏘드 어셈블리 및 복수의 애노드 어셈블리를 수용하도록 구성된다.
복수의 캐쏘드 어셈블리는 용기 내로 연장되도록 구성되어 적어도 부분적으로 용융 염 전해질 내에 침수된다. 예컨대, 복수의 캐쏘드 어셈블리 및/또는 용기의 치수는, 복수의 캐쏘드 어셈블리의 길이의 대부분이 용기의 용융 염 전해질 내에 침수되도록 조절될 수 있다. 각각의 캐쏘드 어셈블리는, 동일한 배향을 갖는 복수의 캐쏘드 로드를 포함할 것이고 동일한 평면 내에 위치하도록 배열될 것이다.
복수의 애노드 어셈블리는, 각각의 애노드 어셈블리가 두 개의 캐쏘드 어셈블리 측면에 위치하도록 복수의 캐쏘드 어셈블리와 교대로 배열될 수 있다. 복수의 캐쏘드 어셈블리 및 애노드 어셈블리는 병렬로 배열될 수도 있다. 각 애노드 어셈블리는 용기에 의해 유지된 용융 염 전해질내에 불순한 우라늄 공급 물질을 보유 및 침지하도록 구성될 수 있다. 복수의 애노드 어셈블리 및/또는 용기의 치수는, 복수의 애노드 어셈블리의 길이의 대부분이 용기의 용융 염 전해질 내에 침수되도록 조절될 수 있다. 전해정제기 시스템은 11개의 캐쏘드 어셈블리와 10개의 애노드 어셈블리를 가질 수 있지만, 본 발명의 실시양태의 예가 이로 제한되지는 않는다.
전해정제기 시스템에서, 전력 시스템은 복수의 캐쏘드 어셈블리 및 애노드 어셈블리와 연결된다. 전해정제기 시스템의 작동 중, 전력 시스템은, 복수의 애노드 어셈블리 내의 불순한 우라늄 공급 물질을 산화하여, 용융염 전해질을 통해 이동하고 정제된 우라늄으로서 복수의 캐쏘드 어셈블리의 복수의 캐쏘드 로드 상에 침착하는 우라늄 이온을 생성하기에 적합한 전압을 공급하도록, 구성된다.
정제된 우라늄의 제거를 개시하기 위해, 스크래퍼는, 복수의 캐쏘드 로드의 길이를 따라 상하로 이동하여 복수의 캐쏘드 어셈블리의 복수의 캐쏘드 로드 상에 침착된 정제된 우라늄을 제거하도록 구성된다. 스크래핑의 결과, 제거된 정제된 우라늄은 용융 염 전해질을 통해 용기의 바닥까지 가라앉는다.
컨베이어 시스템은, 컨베이어 시스템의 적어도 일부가 용기의 바닥에 배치되도록 구성된다. 예컨대, 컨베이어 시스템의 트로프는, 복수의 캐쏘드 로드로부터 제거된 정제된 우라늄이 트로프 내에 축적되도록 배치될 수 있다. 컨베이어 시스템은, 트로프 내에 축적된 정제된 우라늄을 출구 배관을 통해 이동시켜 정제된 우라늄을 용기로부터 제거하도록 구성될 수 있다.
컨베이어 시스템은 유입 배관, 트로프, 턴 아이들러, 턴 아이들러와 맞물린 체인, 복수의 플라이트(flight), 출구 배관, 및/또는 배출 슈트를 포함할 수 있다. 트로프는 복수의 캐쏘드 어셈블리 및 애노드 어셈블리 아래에 위치하도록 용기 내에 배치된다. 트로프가 용기의 모든 또는 실질적으로 모든 바닥면을 감싸도록 트로프의 크기가 조절될 수 있다.
트로프는 V자형 단면을 갖지만 예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않는다. 대안적으로 트로프는 U자형 단면을 가질 수 있다. 비제한적 실시양태에서는, 트로프의 상부는 V자형 단면을 갖고, 트로프의 바닥부(bottom portion)는 U자형 또는 반원형 단면을 가질 수 있다. 또한, 트로프는 용기의 바닥을 따라 U자형 트랙(track)을 가질 수 있다. 예컨대, 트랙은 유입 배관의 배출구로부터 선형으로 연장되고, 용기의 반대쪽 말단에 상응하는 부분에서 휘어지고, 출구 배관의 유입구까지 선형으로 연장되어, 평면도 기준으로 U자형을 가질 수 있다.
컨베이어 시스템은, 복수의 애노드 어셈블리에 의해 보유된 불순한 우라늄 공급 물질을 산화하는 동안, 복수의 캐쏘드 어셈블리 상에 정제된 우라늄을 침착시키는 동안, 및/또는 스크래퍼에 의해 정제된 우라늄을 제거하는 동안, 연속적으로 작동되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 컨베이어 시스템은 전해정제기 시스템의 작동 동안 간헐적으로 작동되도록 구성될 수 있다. 컨베이어 시스템은 체인 및 체인에 고정된 복수의 플라이트를 포함한다. 체인은 용기의 바닥을 따라서, 그리고 출구 배관을 통하여 주행하도록 구성된다. 체인 및 복수의 플라이트는 용기로 들어가고, 용기로부터 나오고, 용기로 다시 들어가는 무한 운동을 하도록 구성된다. 예컨대, 체인 및 복수의 플라이트는 유입 배관을 통해 용기로 들어가고, 용기의 바닥에서 트로프에 의해 한정된 U자형 트랙을 따라 이동하고, 출구 배관을 통해 용기로부터 나오고, 유입 배관을 통해 용기로 다시 들어간다.
체인에 고정된 복수의 플라이트는 동일 방향으로 배향될 수 있다. 예컨대, 복수의 플라이트는 체인에 수직으로 배향될 수 있다. 전해정제기 시스템의 작동 동안, 복수의 플라이트는 스크래퍼에 의해 제거된 정제된 우라늄을 출구 배관을 통해 배출 슈트까지 밀도록 구성되어, 정제된 우라늄을 용기로부터 제거한다.
애노드 어셈블리는 용기에 의해 유지된 용융 염 전해질 내에 불순한 핵 공급 물질을 보유 및 침지시키도록 구성된다. 애노드 어셈블리는 상부 바스킷, 하부 바스킷, 및 상부 및 하부 바스킷에 내장된 애노드 플레이트를 포함할 수 있다. 조립될 시, 애노드 플레이트는 상부 바스킷의 정상 끝에서부터 하부 바스킷의 바닥 끝까지 연장될 것이다. 애노트 플레이트의 측면 테두리는 강성(rigidity)을 제공하도록 헤밍될(hemmed) 수 있다. 추가의 강성을 위해 애노드 플레이트의 중앙 아래에 역 벤드(reverse bend)가 제공될 수 있다. 하부 바스킷은 4개의 고강도 리벳(rivet)으로 상부 바스킷에 결합될 수 있다. 하부 바스킷 또는 상부 바스킷 중 하나가 손상을 입은 경우, 리벳을 드릴로 제거(drilled out)할 수 있고, 손상된 바스킷은 교체되고, 지속적인 작동을 위해 다시 리벳으로 고정된다.
애노드 바스킷(상부 바스킷 및 하부 바스킷을 포함)은 애노드 플레이트에 전기적으로 연결될 수 있다. 각각의 애노드 어셈블리는 하나 이상의 쌍(예컨대, 2쌍)의 나이프 에지 콘택트(knife edge contact)(예컨대, 4개의 나이프 에지 콘택트)를 갖도록 구성되어 적합한 전원으로부터 전력을 수용하도록 구성된다. 예컨대, 각각의 애노드 어셈블리가 전용 전원으로부터 전력을 수용할 수 있다. 대안적으로 모든 애노드 어셈블리가 단일 전용 전원으로부터 전력을 수용할 수도 있다. 애노드 바스킷은, 공정 동안 용융 염 전해질이 유입 및 유출되기에 충분히 개방되나 불순한 핵 공급 물질은 보유할 정도로 여전히 미세한 다공성 금속 플레이트로 형성될 수 있다.
보강 립(stiffening rib)이 애노드 바스킷 내에 제공되어 변형을 감소 또는 방지할 수 있다. 하부 바스킷에 수직 보강 립이 제공된 경우, 애노드 플레이트가 애노드 바스킷에 삽입될 경우 애노드 플레이트는 보강 립 주변의 간격이 생기도록 상응하는 슬롯을 가질 것이다. 예컨대, 두 개의 수직 보강 립을 갖는 하부 바스킷이 제공된 경우, 애노드 플레이트는 두 개의 보강 립 주변에 간격이 생기도록 하는 두 개의 상응하는 슬롯을 가질 것이다. 또한 애노드 플레이트의 양면의 중간부 주변에 위치 스페이서가 제공되어, 불순한 핵 공급 물질이 부하될 시 애노드 플레이트가 애노드 바스킷의 중앙에 유지되도록 할 수 있다. 위치 스페이서는 세라믹이고 수직 배향일 수 있다. 또한, 스태거(staggered) 스페이서가 애노드 플레이트의 양면의 상단부 상에 제공되어, 애노드 어셈블리 정상으로의 복사열 및 전도열 전달에 대한 열 브레이크를 제공할 수 있다. 스태거 스페이서는 세라믹이고 수평 배향일 수 있다. 또한, 애노드 어셈블리는, 말단에 배치된 리프트 탭(lift tab)을 갖는 리프트 브라켓을 포함할 수 있다. 리프트 탭은 전해정제기 시스템의 리프트 시스템과 접속되도록 설계된다.
각각의 복수의 캐쏘드 어셈블리는 캐쏘드 버스 바에 연결된 복수의 캐쏘드 로드를 포함한다. 복수의 캐쏘드 어셈블리는 공통의 버스 바에 연결된다. 전해정제기 시스템의 용기 내에 위치된 경우, 복수의 캐쏘드 어셈블리의 캐쏘드 버스 바는 서로에 대해 병렬로 배치되고 공통의 버스 바에 대해 수직으로 배치될 수 있다. 공통의 버스 바는 전기 피드쓰루에 연결된다.
각각의 캐쏘드 로드의 상부 및 하부는 다른 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 캐쏘드 로드의 상부는 니켈 합금으로, 캐쏘드 로드의 하부는 철로 형성될 수 있지만, 예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않는다. 캐쏘드 로드의 하부는 전해정제기 시스템 작동 중 용융 염 전해질 수준 아래에 위치될 수 있고, 하부를 또 다른 물질로 교체 또는 변경할 수 있도록 제거가능할 수 있다.
캐쏘드 버스 바는 구획화되어 열 팽창을 감소시킬 수 있고, 이때 캐쏘드 버스 바의 각각의 구획은 구리로 형성될 수 있다. 캐쏘드 버스 바의 구획은 슬립 커넥터(slip connector)와 연결될 수 있다. 또한 슬립 커넥터는 캐쏘드 로드의 정상에 결합되어 캐쏘드 로드가 용융 염 전해질로 추락하지 않도록 할 수 있다. 캐쏘드 어셈블리는 상기의 예시 중 어느 것에 의해서도 제한되지 않는다. 오히려, 다른 적합한 구조 및 물질 또한 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
캐쏘드 어셈블리가 전해정제기 시스템으로 내려질 경우, 캐쏘드 로드는 용기의 용융 염 전해질 내로 연장될 것이다. 복수의 캐쏘드 어셈블리는 각각 7개의 캐쏘드 로드를 가질 수 있으나, 예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않는다. 따라서, 충분한 전류가 전해정제기 시스템에 제공되고 있다면, 각각의 캐쏘드 어셈블리는 7개 미만의 캐쏘드 로드 또는 7개 초과의 캐쏘드 로드를 포함할 수 있다.
전해정제기 시스템의 작동 동안, 캐쏘드 어셈블리는 적합한 온도로 유지될 수 있다. 적절한 작동 온도를 유지하기 위해, 캐쏘드 어셈블리는 냉각 가스를 공급하는 냉각 라인을 포함할 수 있다. 냉각 가스는 캐쏘드 어셈블리 헤더의 양측면으로 공급되어 글로브박스, 핫-셀(hot-cell) 설비 또는 이것이 냉각 및 재순환되는 다른 적합한 환경으로 배출될 수 있다. 냉각 가스는 불활성 가스(예컨대, 아르곤)일 수 있다. 그 결과로서, 배출-가스(off-gas)의 온도가 저하될 수 있다.
냉각 가스는 글로브박스 대기에 의해 제공될 수 있다. 비제한적 실시양태에서, 글로브박스 외부의 비 가압된 가스가 사용된다. 이런 경우, 공급 가스는 글로브박스 내부의 송풍기를 사용하여 가압될 수 있다. 가스 공급을 조작하는 모든 모터 및 제어기는 용이한 접근 및 관리를 위해 글로브박스 외부에 위치될 수 있다.
전해정제기용 전력 시스템은 복수의 캐쏘드 어셈블리용 공통 버스 바(common bus bar)를 포함할 수 있다. 전력은 전기 피드쓰루에 의해 바닥 구조물을 통해 공통 버스 바에 공급될 수 있다. 전술된 바와 같이, 본원 이외에, 전기 피드쓰루는 2011년 12월 22일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/335,139호(HDP 참고번호 8564-000253/US, GE 참고번호 24AR252782, 발명의 명칭 "전해정제기 시스템용 버스 바 전기 피드쓰루")에 기재된 바와 같고, 이의 전체 내용을 본원에 참고로 인용한다.
스크래퍼는, 전해정제기 시스템에 설치된 경우, 복수의 캐쏘드 어셈블리와 짝을 이루도록 구성된다. 설치 시에, 복수의 캐쏘드 어셈블리의 복수의 캐쏘드 로드가 스크래퍼를 통해 연장된다. 스크래퍼는 복수의 캐쏘드 로드의 길이를 따라 이동하여 전해정제기 시스템의 작동 동안 침착된 정제된 우라늄을 제거한다.
스크래퍼는 복수의 스크래핑 유닛을 포함한다. 복수의 스크래핑 유닛 각각은 복수의 캐쏘드 어셈블리의 복수의 캐쏘드 로드 각각과 짝을 이루도록 구성된다. 예컨대, 복수의 스크래핑 유닛 각각은, 상응하는 캐쏘드 로드를 수용하도록 구성된 홀(hole)을 갖는다. 각 캐쏘드 어셈블리에 상응하는 복수의 스크래핑 유닛은 공통 프레임으로 연결된다. 스크래퍼는 11개의 공통 프레임을 가질 수 있고, 각 공통 프레임은 7개의 스크래핑 유닛을 연결할 수 있으나, 예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않는다. 공통 프레임의 수는, 필요한 경우 캐쏘드 어셈블리의 수에 상응하도록 조정될 수 있고, 스크래핑 유닛의 수는, 필요한 경우 캐쏘드 로드의 수에 상응하도록 조정될 수 있다.
전해정제기 시스템은 복수의 캐쏘드 로드의 길이를 따라 스크래퍼를 이동시키도록 구성된 스크류 메커니즘을 추가로 포함할 수 있으나, 예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않는다. 또 다른 적합한 메커니즘이 복수의 캐쏘드 로드의 길이를 따라 스크래퍼를 상향 및 하향으로 이동시키기 위해 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
전해정제기 시스템은, 복수의 애노드 어셈블리 중 하나 이상이 제거되지 않아서 그 위치에 남아 있게 하면서, 제거되는 복수의 애노드 어셈블리의 임의의 조합의 동시적 리프팅을 용이하게 하도록 복수의 애노드 어셈블리의 임의의 조합이 선택적으로 맞물리도록 구성된 리프트 시스템(lift system)을 추가로 포함할 수 있다.
리프트 시스템은 전해정제기 시스템의 길이 방향을 따라 배열된 한 쌍의 리프트 빔을 포함할 수 있다. 리프트 빔은 병렬로 배열될 수 있다. 샤프트 및 기계적 작동기(actuator)가 리프트 빔의 각 말단부와 연계된다. 리프트 시스템은 모든 복수의 애노드 어셈블리의 맞물림 및 리프팅에 참여할 수 있다. 다르게는, 복수의 애노드 어셈블리 중 단지 일부만이 리프팅될 수 있고, 복수의 애노드 어셈블리의 임의의 조합은 전해정제기 시스템의 용기에 남아 있도록 할 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 모든 애노드 어셈블리가 리프트 시스템에 의해 동시에 제거될 수도 있거나, 단지 하나의 애노드 어셈블리가 제거될 수도 있다. 또한, 전해정제기 시스템은 10개의 애노드 어셈블리 및 11개의 캐쏘드 어셈블리를 가질 수 있으나, 예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않으며, 이는 전해정제기 시스템의 모듈 설계는 많거나 적은 애노드 및 캐쏘드 어셈블리가 사용되는 것을 허용하기 때문이다.
리프트 시스템의 2개의 병렬 리프트 빔은 복수의 애노드 및 캐쏘드 어셈블리가 교대되는 배열 방향을 따라 연장된다. 복수의 애노드 및 캐쏘드 어셈블리는 상기 2개의 병렬 리프트 빔 사이에 배열된다. 2개의 병렬 리프트 빔은 수평 방향으로 연장될 수 있다. 리프트 시스템의 샤프트는 각 리프트 빔의 양 말단부 아래에 고정된다. 예컨대, 샤프트는 각 리프트 빔의 양 말단부에 수직으로 고정될 수 있다. 리프트 시스템의 기계적 작동기는 샤프트를 통해 수직 방향으로 2개의 병렬 리프트를 구동하도록 구성된다. 기계적 작동기는 두 개의 병렬 리프트 빔의 각 말단부 아래에 제공된다.
샤프트는 기밀성 슬라이드 베어링에 의해 바닥 구조물을 관통해 연장된다. 기밀성 슬라이드 베어링은 2개의 베어링 슬리브(sleeve) 및 2개의 글랜드 씰(gland seal)을 포함할 수 있다. 베어링 슬리브는 고 분자량 폴리에틸렌으로 형성될 수 있다. 2개의 글랜드 씰 사이의 공간은, 포트를 사용하여 불활성 가스(예컨대, 아르곤)로 1.5 내지 3" 수 컬럼 양압(최대 글로브박스 대기는 1.5" 수 컬럼 음(negative)으로 가정함)으로 가압될 수 있다. 글랜드 씰은 글로브박스 대기를 손상시킴 없이 대체되도록 설계된다. 외부 수냉각식 플렌지(flange)가, 바닥 구조물의 온도를 허용가능한 온도로 제한하면서 기밀성 씰을 유지하도록 바닥 구조물에 용기를 연결할 수 있다.
리프트 시스템은 각 리프트 빔의 길이 방향을 따라 분산된 복수의 리프트 컵을 포함할 수 있다. 전해정제기 시스템이 10개의 애노드 어셈블리를 갖는다고 가정하면(예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않음), 각 애노드 어셈블리에 대해 2개의 리프트 컵을 제공하도록 10개의 리프트 컵이 각 리프트 빔 상에 배치될 수 있다. 리프트 컵은 병렬 리프트 빔의 내측 표면상에 배치된다. 리프트 컵은 외측으로 벌려진 말단부를 갖는 U자형일 수 있다. 그러나, 리프트 컵은 이로 제한되지 않으며, 대신 애노드 어셈블리의 리프트 핀을 맞물리게 하는데 적합한 다른 형상 및 형태(예컨대, 훅(hook))를 포함하는 것으로 의도됨을 이해해야 한다.
각 리프트 컵은 솔레노이드를 구비할 수 있으며, 예시적 실시양태가 이로 제한되지는 않는다. 각 솔레노이드는 리프트 빔의 반대쪽(opposing) 외측 표면 상에 위치될 수 있고, 상응하는 리프트 컵을 구동(예컨대, 회전)시키도록 구성된다. 각 리프트 컵에 솔레노이드를 구비시킴에 의해, 각 리프트 컵은 독립적으로 구동될 수 있다. 그러나, 애노드 어셈블리의 리프트 핀을 맞물리게 하기 위해 상이한 방식으로 작동될 수도 있음을 이해해야 한다. 예컨대, 회전되는 대신, 리프트 컵은 애노드 어셈블리의 리프트 핀을 맞물리게/풀리게(engage/disengage) 하기 위해 연장/수축하도록 구성될 수 있다.
리프트 컵은, 한 쌍의 리프트 컵이 복수의 애노드 어셈블리 각각과 연계되도록 각 리프트 빔을 따라 배열될 수 있다. "쌍"은 하나의 리프트 빔으로부터의 리프트 컵과 상응하는 다른 리프트 컵으로부터의 리프트 컵을 지칭한다. 리프트 컵은, 리프트 컵의 쌍이 전해정제기 시스템의 각 애노드 어셈블리의 측부 말단으로부터 돌출된 리프트 탭에 의해 정렬되도록 각 리프트 빔을 따라 이격된다. 리프트 컵은 상응하는 리프트 탭에 의해 수직 정렬될 수 있다. 각 리프트 컵의 쌍은, 회전되고, 상응하는 애노드 어셈블리의 측부 말단으로부터 돌출된 리프트 탭 아래에 위치될 수 있도록 구성된다. 그렇지 않으면, 리프트 컵은 회전되어 리프트 탭 상에 위치될 수 있다. 리프트 컵의 쌍이 상응하는 애노드 어셈블리의 리프트 탭 상에 위치되는 경우, 리프트 빔이 상승될 때에 그 애노드 어셈블리에서는 리프팅이 일어나지 않을 것이다.
리프트 시스템은 전해정제기 시스템의 작동 또는 관리 동안 사용될 수 있다. 예컨대, 전해정제 처리 후에, 애노드 어셈블리의 기존하는 배취는 리프트 시스템에 의해 전해정제기 시스템으로부터 제거되어 새로운 애노드 어셈블리 배취가 처리되도록 할 수 있다. 상승된 위치에서, 애노드 어셈블리의 일부는 제거될 준비가 될 때까지 열 블록(heat block)으로서 작용하도록 용기의 커버 아래에 남아있을 수 있다.
전해정제 처리 동안, 리프트 컵은 애노드 어셈블리의 리프트 탭 위에서 뒤집어질 수 있다. 하나 이상의 애노드 어셈블리가 제거되는 경우, 리프트 빔은 하강되고, 리프트 빔 상의 리프트 컵은, 제거되는 애노드 어셈블리의 리프트 탭 아래에 위치되도록 솔레노이드에 의해 회전된다. 다음, 기계적 작동기는 샤프트를 수직 방향으로 위로 구동시켜, 적절한 애노드 어셈블리에 따라 병렬 리프트 빔을 상승시킨다. 상승된 위치에 있는 동안, 리프트 빔이 완전히 하강될 때까지 전기적 락-아웃(lock-out)으로 리프트 컵을 작동되지 않게 할 수 있다. 이런 특징부는, 상승된 위치에 있는 동안 애노드 어셈블리가 풀려지지 않도록 보증할 것이다. 애노드 어셈블리의 기존 배취가 회수되고, 불순한 핵 공급 물질을 함유하는 애노드 어셈블리의 새로운 배취로 교체되는 경우, 불순한 핵 공급 물질을 갖는 애노드 어셈블리는 리프트 시스템에 의해 전해정제기 시스템의 용기 내의 용융 염 전해질로 하강될 수 있다.
다르게는, 애노드 어셈블리는 전해정제기 시스템으로부터 제거되어, 검사, 수리, 부품 교체를 가능케 하거나, 다르게는 보통 애노드 어셈블리가 위치되는 용기 부분으로 접근하게 할 수 있다. 리프트 공정은 전술된 바와 같을 수 있다. 적절한 관리 또는 다른 활동이 수행되는 경우, 애노드 어셈블리는 리프트 시스템에 의해 전해정제기 시스템의 용기 내의 용융 염 전해질로 하강될 수 있다. 리프트 시스템이 상승된 위치에 있을 때 모든 애노드 어셈블리가 동시에 제거될 수도 있다. 다르게는, 리프트 시스템은 1개 내지 모든 애노드 어셈블리로부터 제거 가능하도록 구성됨을 이해해야 하며, 이때 상기 애노드 어셈블리는 인접하거나 비인접할 수 있다. 목적하는 애노드 어셈블리가 상승된 위치에 있는 경우, 리프트 시스템으로부터의 이의 제거는 글로브박스 또는 핫-셀 설비 내의 또 다른 매커니즘(예컨대, 크레인)에 의해 성취될 수 있다.
많은 예시적 실시양태가 본원에 기재되었지만, 다른 변형이 가능할 수 있음을 이해해야 한다. 이런 변형은 본 발명의 진의 및 범주로부터 벗어나는 것으로 인식되지 않으며, 당업자에게 자명한 모든 변형은 하기 특허청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 제 1 용융 염 전해질 및 핵물질을 보유하도록 구성된 환원기 캐쏘드 어셈블리를 포함하는 전해환원기 내로 상기 핵물질을 부하하는 단계;
    상기 전해환원기의 제 1 용융 염 전해질 내의 상기 핵물질을 환원시켜 상기 환원기 캐쏘드 어셈블리에서 환원된 물질을 생성하는 단계;
    상기 제 1 용융 염 전해질에 환원기 폐기물을 축적하는 단계;
    제 2 용융 염 전해질, 정제기 캐쏘드 어셈블리, 및 상기 환원된 물질을 보유하도록 구성된 정제기 애노드 어셈블리를 포함하는 전해정제기 내로 상기 환원된 물질을 부하하는 단계;
    상기 전해정제기의 상기 제 2 용융 염 전해질 내의 상기 환원된 물질을 전해 용해시켜 상기 정제기 캐쏘드 어셈블리상에서 정제된 금속 생성물을 생성하는 단계;
    상기 제 2 용융 염 전해질에 제 1 정제기 폐기물을 축적하고, 상기 정제기 애노드 어셈블리에 제 2 정제기 폐기물을 축적하는 단계; 및
    상기 전해환원기의 상기 환원기 폐기물 및 상기 전해정제기의 상기 제 1 정제기 폐기물을 세라믹 폐기물 형태로 전환하는 단계
    를 포함하는, 핵물질의 안정화 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 핵물질의 부하는 코륨(corium)을 상기 전해환원기 내로 부하하는 것을 포함하는, 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 핵물질의 부하는 사용된 핵연료를 상기 전해환원기 내로 부하하는 것을 포함하는, 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 핵물질의 부하는 우라늄 옥사이드를 포함하는 공급 물질을 상기 전해환원기 내로 부하하는 것을 포함하는, 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 핵물질의 부하는 염화나트륨을 포함하는 공급 물질을 상기 전해환원기내로 부하하는 것을 포함하는, 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 핵물질의 상기 전해환원기 내로의 부하는, 상기 핵물질 및 상기 환원기 캐쏘드 어셈블리가 수중(underwater)에 존재하는 동안, 상기 핵물질을 상기 환원기 캐쏘드 어셈블리 내에 위치시키는 것을 포함하는, 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전해환원기의 상기 제 1 용융 염 전해질 내의 상기 핵물질을 환원시키기 전에, 상기 환원기 캐쏘드 어셈블리를 탈수하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 핵물질의 상기 전해환원기 내로의 부하는, 상기 핵물질 및 상기 환원기 캐쏘드 어셈블리가 핵 반응기의 기존 풀(pool)에 침수(submerge)되어 있는 동안, 상기 핵물질을 상기 환원기 캐쏘드 어셈블리 내에 위치시키는 것을 포함하는, 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 용융 염 전해질 내의 상기 핵물질의 환원은 상기 핵물질을 염화 리튬의 용융 염 조(bath)에 침지하는 것을 포함하는, 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 환원기 폐기물의 축적은 1족 원소 및 2족 원소 중 하나 이상을 포함하는 할로겐화물을 축적하는 것을 포함하는, 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 용융 염 전해질 내의 상기 환원된 물질의 전해 용해는, 상기 환원된 물질을 염화 리튬 또는 LiCl-KCl 공융(eutectic) 혼합물의 용융 염 조(bath)에 침지하는 것을 포함하는, 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 정제기 폐기물의 축적은 상기 제 2 용융 염 전해질에 초우라늄(transuranic) 원소를 포함하는 할로겐화물을 축적하는 것을 포함하는, 방법.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 정제기 폐기물의 축적은 상기 정제기 애노드 어셈블리에 지르코늄 및 귀금속을 축적하는 것을 포함하는, 방법.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 핵물질을 상기 전해환원기 내로 부하하기 전에, 상기 핵물질을 복수의 조각으로 분할하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 핵물질의 분할은 수중에서 수행되는, 방법.
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