KR102122462B1 - 사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 산화물 환원방법 - Google Patents

사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 산화물 환원방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 바람직한 실시예는 파이로프로세싱에서 리튬 금속의 생성공정과 리튬 금속에 의한 산화물 형태의 사용후핵연료의 환원공정이 별도의 공간에서 이루어지고 리튬 금속이 산화물 형태의 사용후핵연료가 위치하는 공간을 통과하면서 사용후핵연료을 환원시킴으로써 환원 효율성이 높고 잉여 리튬 금속 발생을 최소화할 수 있는 사용후핵연료 산화물 환원장치 및 환원방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 함유하는 혼합기체가 내부를 통과하고, 내부를 통과하는 혼합기체 중 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환하는 반응이 일어나는 환원반응기; 및 상기 환원반응기에 상기 혼합기체를 공급하기 위한 혼합기체 공급수단을 포함하는 사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 산화물 환원방법이 제공된다.

Description

사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 산화물 환원방법{APPARATUS FOR REDUCING SPENT NUCLEAR FUEL OXIDE AND METHOD FOR REDUCING SPENT NUCLEAR FUEL OXIDE USING THE APPARATUS}
본 발명은 리튬 금속을 이용하여 사용후핵연료 산화물을 환원하는 사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 환원방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 운반 기체를 이용하여 리튬 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 사용후핵연료 산화물을 통과되도록 하여 사용후핵연료 산화물을 환원하는 사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 환원방법에 관한 것이다.
파이로프로세싱 전해환원공정은 산화물 형태의 사용후핵연료를 금속 형태로 전환하는 공정이며, 금속형태로 전환된 사용후핵연료는 후속 공정인 전해정련공정에 공급되어 전해정련된다.
전해환원공정은 용융된 LiCl에 전기를 가하여 리튬 금속을 생산하는 공정과 생산된 리튬 금속이 산화물 형태의 사용후핵연료를 금속 형태로 전환하는 공정을 포함한다. 산화물이 금속으로 전환되는 과정에서 산소 이온이 발생하며, 발생한 산소 이온은 Li2O 형태로 용융염 내에 존재하거나, 양극에서 산소 기체로 전환된다.
상기 전해환원공정에서, 전기분해를 통해 음극에서 생산된 리튬 금속이 효과적으로 반응에 참여하기 위해서는 산화물과의 지속적인 접촉이 필요하다.
그러나, (1) LiCl 용융염 내 리튬 금속의 낮은 용해도와 (2) LiCl 용융염 과 리튬 금속의 밀도 차이로 인해, 음극에서 생산된 리튬 금속은 LiCl 용융염 상층부로 부유하게 된다. 이렇게 LiCl 용융염 상층부에 부유하는 리튬 금속은 산화물과의 접촉이 거의 불가능하여, 반응에 참여하지 못하는 잉여 리튬 금속으로 존재하게 된다. 특히, 고 용량 전해환원공정 시스템의 경우, 산화물이 금속으로 전환되는 속도 (화학반응속도)가 리튬 금속 생산 속도 (인가전류에 비례)를 따라가지 못하게 된다. 따라서, 전해환원공정의 용량이 증대될수록 공정에서 생산되는 리튬 금속 대비 반응에 참여하지 못하는 잉여 리튬 금속이 차지하는 비율이 높아진다는 문제점이 있다.
한편, 전해환원공정에 사용되는 고가의 백금 양극을 대체하기 위해 탄소 양극이 사용되는 경우가 있다. 그러나, 탄소 양극을 사용하여 획득한 금속 전환체는 양극을 구성하는 탄소 성분의 산화 및 환원 반응으로 인해 금속 전환체 표면에 탄소 입자가 잔류한다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0065277호
본 발명의 바람직한 일시예는 파이로프로세싱에서 리튬 금속의 생성공정과 리튬 금속에 의한 산화물 형태의 사용후핵연료의 환원공정이 별도의 공간에서 이루어지고 리튬 금속이 산화물 형태의 사용후핵연료가 위치하는 공간을 통과하면서 사용후핵연료을 환원시킴으로써 환원 효율성이 높고 잉여 리튬 금속 발생을 최소화할 수 있는 사용후핵연료 산화물 환원장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 바람직한 다른 일시예는 파이로프로세싱에서 리튬 금속의 생성공정과 리튬 금속에 의한 산화물 형태의 사용후핵연료의 환원공정이 별도의 공간에서 이루어지고 리튬 금속이 산화물 형태의 사용후핵연료가 위치하는 공간을 통과하면서 사용후핵연료을 환원시킴으로써 환원 효율성이 높고 잉여 리튬 금속 발생을 최소화할 수 있는 사용후핵연료 산화물 환원방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는
리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 함유하는 혼합기체가 내부를 통과하고, 내부를 통과하는 혼합기체 중 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환하는 반응이 일어나는 환원반응기; 및
상기 환원반응기에 상기 혼합기체를 공급하기 위한 혼합기체 공급수단을 포함하고,
상기 환원반응기는 사용후핵연료를 내부로 투입하기 위한 사용후핵연료 투입구, 사용후핵연료를 외부로 배출하기 위한 사용후핵연료 배출구, 상기 혼합기체 공급수단으로부터 내부로 혼합기체를 공급받기 위한 혼합기체 유입구, 내부를 통과한 혼합기체를 외부로 배출하기 위한 혼합기체 배출구, 및 상기 환원반응기 내부로 유입되는 혼합기체를 분산시키기 위한 가스분산판을 포함하는 사용후핵연료산화물 환원장치를 제공한다.
본 발명의 바람직한 다른 일시예는
산화물 형태의 사용후핵연료를 준비하는 단계;
리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 준비하는 단계;
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 운반하기 위한 운반기체를 준비하는 단계;
상기 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원반응기 내부에 투입하는 단계;
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 운반기체에 혼합하여 상기 환원반응기 내부에 공급하는 혼합기체 공급단계;
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 운반기체에 혼합된 혼합기체는 환원반응기 내부를 통과하고 혼합기체 중 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환시키는 전환단계; 및
상기 환원반응기 내부를 통과한 혼합기체를 환원반응기 외부로 배출하는 단계를 포함하는 사용후핵연료 산화물 환원방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 높은 환원 효율성 및 반응에 참여하지 못하는 잉여 리튬 금속 비율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 산화물이 금속으로 전환되는 속도 (화학반응속도)에 관계없이 리튬 금속 생산 속도 (인가전류에 비례)를 증가시킬 수 있으며, 반응기 내부의 효과적인 혼합(2 성분계 및 3 성분계)으로 환원공정의 효율향상 및 용량증대를 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 탄소 양극이 설치된 전해조를 반응기와 분리하여, 탄소 양극 사용의 단점인 탄소 분말에 의한 금속 전환체 오염 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 탄소 양극 사용으로 인한 고전류/고전압 인가가 가능하고, 이를 통한 용량증대 가능 및 공정단가 감소를 가져올 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 탄소 양극을 카트리지 형태로 지속적으로 공급할 수 있어 탄소 양극 사용의 단점인 양극 소모로 인한 양극 면적 감소 문제 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례에 적용될 수 있는 가스분산판의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례에 적용될 수 있는 가스분산관의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례에 적용될 수 있는 리튬 공급원의 일례를 나타내는 개략도이다.
파이로프로세싱에서 전해환원공정은 용융된 LiCl에 전기를 가하여 리튬 금속을 생산하는 공정과 생산된 리튬 금속이 산화물 형태의 사용후핵연료를 금속 형태로 전환하는 공정을 포함한다.
상기 전해환원공정에서, 전기분해를 통해 음극에서 생산된 리튬 금속이 효과적으로 반응에 참여하기 위해서는 산화물과의 지속적인 접촉이 필요하다.
그러나, (1) LiCl 용융염 내 리튬 금속의 낮은 용해도와 (2) LiCl 용융염과 리튬 금속의 밀도 차이로 인해, 음극에서 생산된 리튬 금속은 LiCl 용융염 상층부로 부유하게 된다. 이렇게 LiCl 용융염 상층부에 부유하는 리튬 금속은 산화물과의 접촉이 거의 불가능하여, 반응에 참여하지 못하는 잉여 리튬 금속으로 존재하게 된다. 특히, 고 용량 전해환원공정 시스템의 경우, 산화물이 금속으로 전환되는 속도 (화학반응속도)가 리튬 금속 생산 속도 (인가전류에 비례)를 따라가지 못하게 된다.
한편, 전해환원공정에 사용되는 고가의 백금 양극을 대체하기 위해 탄소 양극을 사용하려는 시도들이 있어 왔지만, 탄소 양극을 사용하여 획득한 금속 전환체는 양극을 구성하는 탄소 성분의 산화 및 환원 반응으로 인해 금속 전환체 표면에 탄소 입자가 잔류하게 되는 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 반응에 참여하지 못하는 잉여 리튬 금속을 최소화 하면서 백금 양극에 비하여 상대적으로 저가인 탄소 양극의 사용을 가능하게 하는 리튬을 사용한 산화물 환원기술에 대하여 연구를 깊이 행하고, 그 결과에 기초하여 본 발명을 제안하게 이른 것이다.
본 발명의 주요 개념 중의 하나는 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속의 생성공정과 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속에 의한 산화물 형태의 사용후핵연료의 환원공정이 별도의 공간에서 이루어지도록 한 것이다.
본 발명의 주요 개념 중의 다른 하나는 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속이 산화물 형태의 사용후핵연료가 위치하는 공간을 통과하면서 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속에 의한 환원공정이 이루어지도록 한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치를 도 1 내지 도 4를 통해 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치(100)는 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 함유하는 혼합기체가 내부를 통과하고, 내부를 통과하는 혼합기체 중 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환하는 반응이 일어나는 환원반응기(10); 및 상기 환원반응기(10)에 상기 혼합기체를 공급하기 위한 혼합기체 공급수단(20)을 포함한다.
상기 환원반응기(10)는 상기 혼합기체 공급수단(20)으로부터 내부로 혼합기체를 공급받기 위한 혼합기체 유입구(11) 및 내부를 통과한 혼합기체를 외부로 배출하기 위한 혼합기체 배출구(12)를 포함한다.
상기 혼합기체 유입구(11)는 상기 환원반응기(10)의 하부에 구비되고, 혼합기체 배출구(12)는 상기 환원반응기(10)의 상부에 구비될 수 있다.
상기 혼합기체 유입구(11)의 상부에는 상기 환원반응기(10) 내부로 유입되는 혼합기체를 분산시키기 위한 가스분산판(13)이 구비된다.
상기 가스분산판(13)에는 다수의 분산공이 형성되어 있다.
상기 가스분산판(13)을 구비함으로써 상기 환원반응기(10) 내부로 유입되는 혼합기체가 환원반응기(10) 내부에 균일하게 분산되어 환원반응기(10) 내부에서, 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속에 의한 환원반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례에 적용될 수 있는 가스분산판의 일례가 나타나 있다.
도 2에 나타난 가스분산판은 환원반응기 내부에 기체 상의 리튬 금속과 고체 상의 사용후핵연료가 공급되는 경우에 보다 바람직하게 적용될 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 가스분산판(13a)은 혼합기체 유입구(11)를 통해 유입된 혼합기체를 환원반응기(10) 내부로 분사시키는 다수 개의 분사노즐(131a)을 포함한다.
상기 분사노즐(131a)에는 덮개(1311a)가 구비될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례에 적용될 수 있는 가스분산관의 일례가 나타나 있다.
도 3에 나타난 가스분산관(13b)은 환원반응기(10) 내부에 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속, 고체 상의 사용후핵연료 및 액체 상의 Li2O 제거제, 예를 들면, LiCl 용융염이 공급되는 경우에 보다 바람직하게 적용될 수 있다.
도 3에 나타난 바와 같이, 가스분산관(13b)은 환원반응기(10)의 하부 측면에서 내부로 도입되어 있다. 이 경우에는 환원반응기(10)의 혼합기체 유입구(11)는 구비되지 않을 수 있다. 도 3에는 혼합기체 유입구(11)가 구비되어 있지 않은 환원반응기(10)를 나타낸다.
상기 가스분산관(13b)은 혼합기체를 환원반응기(10) 내부로 분사시키는 다수 개의 분사노즐(131b)을 포함한다.
상기 분사노즐(131b)에는 덮개(1311b)가 구비될 수 있다.
상기 가스분산관(13b)에는 분사노즐(131b)이 구비되지 않고 다수의 분사공이 형성될 수 있다.
상기 가스분산관(13b)은 상기 혼합기체 공급수단(20)과 가스소통관계로 연결된다.
도 3과 같이 환원반응기(10) 및 가스분산관(13b)을 구성함으로써 액체 상태 성분의 누출을 방지할 수 있다.
상기 환원반응기(10)의 상부 측면에는 산화물 형태의 사용후핵연료를 내부로 투입하기 위한 사용후핵연료 투입구(14)가 구비되고, 하부 측면에는 금속 상태로 전환된 사용후핵연료를 외부로 배출하기 위한 사용후핵연료 배출구(15)가 구비된다.
상기 사용후핵연료 배출구(15)는 가스분산판(13)의 위나 아래에 구비될 수 있다.
상기 환원반응기(10)에는 내부 온도를 상승시키기 위한 반응기 가열기(도시되어 있지 않음)가 설치될 수 있다. 상기 반응기 가열기의 종류, 설치 위치 및 설치방식 등은 특별히 한정되는 것은 아니며, 환원반응기(10)의 내부 온도를 상승시킬 수 있는 것이면, 어느 것이나 가능하다.
상기 혼합기체 공급수단(20)은 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 공급하는 리튬 공급원(21), 운반기체를 공급하는 운반기체 공급부(22) 및 상기 리튬 공급원(21)에서 공급된 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬과 상기 운반기체 공급부(22)에서 공급된 운반기체를 혼합하는 가스 혼합부(23)를 포함한다.
상기 리튬 공급원(21)에서 공급된 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬과 운반기체 공급부(22)에서 공급된 운반기체는 상기 가스 혼합부(23)에서 혼합되어 환원반응기(10)에 공급된다.
상기 가스 혼합부(23)는 제1 혼합부(231) 및 제2 혼합부(232)를 포함할 수 있다.
상기 제1 혼합부(231)는 가스소통관계로 상기 환원반응기(10)의 혼합가스 유입구(11)와 연결되고, 상기 제2 혼합부(232)는 가스소통관계로 상기 제1 혼합부(231)와 연결되어 있다.
도 4에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원장치의 일례에 적용될 수 있는 리튬 공급원의 일례가 나타나 있다.
상기 리튬 공급원(21)은 예를 들면, 용융된 LiCl을 전기분해하여 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 생산하는 리튬생산장치일 수 있으며, 상기 리튬생산장치는 도 4에 나타난 바와 같이, 예를 들면, 용융된 LiCl을 수용하는 전해조(211), 염소 기체를 발생시키는 양극 전극(212), 리튬 금속을 생성하는 음극 전극(213), LiCl 용융염에 전류를 공급하는 전원공급장치(214) 및 내부에 양극 전극(212)이 수용되는 슈라우드(215)를 포함할 수 있다.
상기 양극 전극(212) 및 음극 전극(213)은 도선(216)을 통해 전원공급장치(214)에 전기적으로 연결된다.
상기 슈라우드(215)에는 발생기체 배출부(2151)가 구비되어 있다.
상기 리튬생산장치는 상기 전해조(211)내의 LiCl을 용융시키기 위한 전해조 가열기(도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다.
상기 양극 전극(212)은 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 백금 양극 또는 탄소 양극일 수 있다.
상기 백금 양극은 예를 들면, 단시간 운전과 저용량 전하전달에 있어서는 우수한 내구성을 갖지만, 단가가 비싸고 장시간 운전 및 고용량 전하전달에 있어서 내구성이 취약하고, 용량증대를 위해 고전류를 인가할 경우, 고전압에 의해 전극이 전해질 내로 용해되는 단점이 있다.
상기 탄소 양극은 예를 들면, 단가가 저렴하고 고전류/고전압 운전이 가능하지만, 반응이 진행됨에 따라 양극이 소모되고, 탄소 입자가 분말 형태로 전해질 내에 부유하여, 산화물로부터 생성되는 금속 전환체를 오염시키는 단점이 있다.
본 발명에서는 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속의 생성공정과 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속에 의한 산화물 형태의 사용후핵연료의 환원공정이 별도의 공간에서 이루어지므로 탄소 입자의 발생 여부와 상관없이 순수한 리튬을 지속적으로 반응기 내부에 공급하여, 탄소 입자에 오염되지 않은 금속 전환체를 생산할 수 있으므로, 저 비용의 탄소 양극사용이 가능하다. 특히, 기체 상의 리튬 금속 만을 반응기 내부에 공급할 경우, 이러한 특성은 더욱 증대될 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 양극을 카트리지 형태로 지속적으로 공급하여 양극의 면적을 일정하게 유지할 수 있으며, 이렇게 하는 경우에는 양극이 소모되는 단점도 해결할 수 있어 저 비용의 탄소 양극 사용이 가능하다.
상기 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 생산하는 리튬생산장치는 전기분해 방식에 한정되는 것이 아니라 단순히 고체 리튬을 가열하는 방식일 수 있다. 이러한 경우에는, 장치 내부에 장전된 고체 리튬을 가열하여 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 생산한다.
상기 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 생산하는 리튬생산장치는 리튬 금속 액화 및 기화를 위한 가열기(도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다.
상기 운반기체 공급부(22)는 운반기체 공급원(도시되어 있지 않음)과 상기 가스 혼합부(23)를 가스 소통관계로 연결하는 운반기체 공급관(221)을 포함할 수 있다.
상기 운반기체 공급관(221)에는 펌프(222)가 구비될 수 있다.
상기 펌프(222)는 운반기체의 유속을 조절할 수 있다.
상기 펌프(222)는 예를 들면, 운반기체를, 펌프(222) -> (서지탱크(224)) -> 가스 혼합부(23)-> 환원 반응기(10)(분산판(13)) -> 사이클론(31) -> 펌프(222)의 순서로 순환시킬 수 있다.
상기 운반기체는 서지탱크(224)를 거치지 않을 수 있다.
물론, 상기 펌프(222)의 작동 없이도 운반기체가 상기와 같이 순환될 수 있다.
상기 서지탱크(224)는 기체를 압축하여 보관하는 역할을 하며, 서지탱크(224) 내에 고압의 기체를 저장할 수 있다. 서지탱크(224) 내에 저장된 기체는 환원반응기(10) 내부를 순환하는 기체보다 압력이 높으므로, 이를 방출하면 순간적으로 순환기체보다 높은 압력의 기체를 환원 반응기(10) 내부에 공급할 수 있다.
상기 환원반응기(10) 내부로 유입되는 혼합기체의 유속 및 압력의 제어에 의해 환원반응기(10) 내부에 존재하는 원료물질의 유동화가 달성될 수 있다.
기체의 이동방향을 기준으로 상기 펌프(222)의 전방에는 제3밸브(2211)가 구비될 수 있고, 후방에는 운반기체 배출구(223)가 구비될 수 있고, 상기 운반기체 배출구(223)에는 제4밸브(2231)가 구비될 수 있다.
상기 운반기체 배출구(223)의 후방에는 제1 연결관(2241)을 통해 상기 운반기체 공급관(221)에 가스 소통관계로 연결되어 있는 서지탱크(224)가 구비될 수 있다.
상기 운반기체 공급원(도시되어 있지 않음)으로부터 유입된 운반기체는 서지탱크(224) 내에 보관할 수 있다. 이때, 펌프 및 밸브를 이용하여 서지탱크(224) 내에 저장된 운반기체를 기체 순환 압력 이상으로 증가시킬 수 있다. 높은 압력의 운반기체를 순간적으로 반응기 내부에 방출하여, 가스분산판(13)에 설치된 분사노즐의 세척, 산화물 유동화 및 잔류염/불순물 분리 등에 이용할 수 있다.
상기 운반기체 배출구(223)와 상기 제1 연결관(2241)사이의 상기 운반기체 공급관(221)에는 제5밸브(2212)가 구비될 수 있고, 상기 제1 연결관(2241)에는 제6밸브(2242)가 구비될 수 있다.
상기 운반기체 공급관(221)은 제2 연결관(2321)을 통해 제2 혼합부(232)와 가스 소통관계로 연결되어 있다.
상기 제1 연결관(2241)과 제2 연결관(2321) 사이의 상기 운반기체 공급관(221)에는 제7밸브(2213)가 구비될 수 있고, 상기 제2 연결관(2321)에는 제8밸브(2322)가 구비될 수 있다.
상기 제2 연결관(2321)과 상기 제1 혼합부(231)사이의 상기 운반기체 공급관(221)에는 제9밸브(2214)가 구비될 수 있고, 상기 제1 혼합부(231)에는 제10밸브(2311)가 구비될 수 있다.
상기 사용후핵연료 산화물 환원장치(100)는 사이클론(31)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 사이클론(31)은 상기 환원반응기(10) 내부를 통과한 혼합기체를 공급받아 혼합기체 중에 포함되어 있는 고체상 물질을 기체로부터 분리한다.
상기 사이클론(31)에서 고체상 물질이 분리된 기체는 상기 운반기체 공급부(22)를 거쳐 상기 환원반응기(10)로 순환될 수 있다.
상기 사이클론(31)은 상기 환원반응기(10)의 혼합기체 배출구(12) 및 제 1순환관(51)를 통해 상기 환원반응기(10)와 연통되어 있다.
상기 사이클론(31)의 하부에는 고체와 기체 혼합물로부터 분리된 고체상 물질을 회수하기 위한 고상회수수단(32)이 구비될 수 있다.
상기 고상회수수단(32)은 사이클론(31)에서 분리 가능하게 구비될 수 있다.
상기 사이클론(31)과 상기 고상회수수단(32)의 사이에는 고체상 물질의 이동량을 제어하기 위한 제1밸브(311)가 구비될 수 있다.
상기 사이클론(31)은 고체와 기체 혼합물을 고체와 기체로 분리할 수 있는 것이라면, 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 원심력에 의해 고체와 기체 혼합물을 고체와 기체로 분리하는 사이클론일 수 있다.
상기 사이클론(31)은 제2 순환관(52)를 통해 가스소통관계로 상기 운반기체 공급관(221)에 연결될 수 있다. 상기 사이클론(31)과 상기 운반기체 공급관(221) 사이의 제2 순환관(52)에는 제2밸브(521)가 구비될 수 있다.
상기와 같이 사이클론(31) 및 고상회수수단(32)을 포함함으로써 고체상 물질 및 혼합기체를 재활용할 수 있다.
필요에 따라, 효율성을 높이기 위해 환원반응기, 리튬생산장치, 기타 유로 등의 적재적소에 가열로가 추가로 설치될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원방법은
산화물 형태의 사용후핵연료를 준비하는 단계;
리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 준비하는 단계;
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 운반하기 위한 운반기체를 준비하는 단계;
상기 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원반응기 내부에 투입하는 단계;
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 운반기체에 혼합하여 상기 환원반응기 내부에 공급하는 혼합기체 공급단계;
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 운반기체에 혼합된 혼합기체는 환원반응기 내부를 통과하고 혼합기체 중 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환시키는 전환단계; 및
상기 환원반응기 내부를 통과한 혼합기체를 환원반응기 외부로 배출하는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명의 바람직한 다른 일 실시예에 따르는 사용후핵연료 산화물 환원방법을 도 1 내지 도 4를 통해 설명한다.
산화물 형태의 사용후핵연료 준비단계
산화물 형태의 사용후핵연료는 적절한 크기의 입자로 분쇄되어 환원반응기(10)내로 투입될 수 있다.
상기 환원반응기(10)내로 투입되는 산화물 형태의 사용후핵연료 입자의 크기는 예를 들면, 유입되는 혼합기체의 유속 및 유량 등에 따라 특정될 수 있다.
상기 환원반응기(10)내로 투입되는 산화물 형태의 사용후핵연료 입자의 크기는 예를 들면, 혼합기체에 의해 환원반응기(10)내에서 유동화가 가능하도록 특정될 수 있다.
리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 준비단계
상기 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속은 특별히 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 상기 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속은 용융된 LiCl을 전기분해하여 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 생산하는 리튬생산장치에 의해 제조된 것일 수 있다.
상기 리튬생산장치는 도 4에 나타난 바와 같이, 예를 들면, 용융된 LiCl을 수용하는 전해조(211), 염소 기체를 발생시키는 양극 전극(212), 리튬 금속을 생성하는 음극 전극(213), LiCl 용융염에 전류를 공급하는 전원공급장치(214) 및 내부에 양극 전극(212)이 수용되는 슈라우드(215)를 포함할 수 있다.
상기 양극 전극(212) 및 음극 전극(213)은 도선(216)을 통해 전원공급장치(214)에 전기적으로 연결된다.
상기 슈라우드(215)에는 발생기체 배출부(2151)가 구비되어 있다.
상기 리튬생산장치는 상기 전해조(211)내의 LiCl을 용융시키기 위한 전해조 가열기(도시되어 있지 않음)를 포함한다.
전해조(211) 내부에 LiCl을 장입한 후, LiCl 용융점 (약 614℃)이상으로 가열하여 LiCl 용융염을 형성한 다음, LiCl 용융염에 전류를 가하여 리튬 금속과 염소 기체로 전기분해 한다. 양극 전극(212)에서는 염소 기체가 발생되고, 발생된 염소 기체는 발생기체 배출부(2151)를 통해 포집된다. 포집된 염소기체는 Li2O 재생 등에 재사용할 수 있다. 한편, 음극 전극(213)에서는 리튬 금속이 생성되고, 생성된 리튬 금속은 LiCl 용융염 내에서의 낮은 용해도(650℃에서 0.29 wt% 용해)와 LiCl 용융염 (액체 밀도: 1.55 g/cm3)과의 밀도 차이(리튬 금속의 액체 밀도: 0.512 g/cm3)로 인해, LiCl 용융염 상층부로 부유하게 되며, 이때, 리튬 금속은 기화 또는 액화되어 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속이 된다. 이렇게 제조된 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬 금속은 운반기체에 의해 환원반응기(10) 내부로 공급된다. 부유한 액체 리튬 금속의 기화를 촉진하기 위해, LiCl의 용융을 위한 가열로 이외에, 리튬 금속 기화를 위한 가열기(도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다.
운반기체 준비단계
상기 운반기체는 특별히 한정하는 것은 아니며, 예를 들면, 아르곤 기체가 운반기체로 사용될 수 있다. 예를 들면, 공정의 경제성을 높이기 위하여, 아르곤 기체 이외에, 화학적 반응을 수반하지 않는 기체를 사용할 수 있다.
산화물 형태의 사용후핵연료 투입단계
산화물 형태의 사용후핵연료를 사용후핵연료 투입구(14)를 통해 환원반응기(10)내로 투입한다.
예를 들면, 상기 사용후핵연료 입자와 입자 사이를 혼합기체가 원활이 통과하도록 상기 환원반응기(10)내에 장입되어 있는 산화물 형태의 사용후핵연료 입자 영역의 통기성을 특정할 수 있다.
상기 산화물 형태의 사용후핵연료 투입 시 Li2O 제거제를 함께 투입할 수 있다. 상기 Li2O 제거제는 고체 상(phase)일 수 있다. 상기 Li2O 제거제는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 고체 상태의 LiCl일 수 있다
상기 환원반응기(10) 내부의 온도는 충분한 환원반응을 얻기 위하여 리튬 금속의 용융점(약 180.50℃)이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
상기 환원반응기(10) 내부에, 고체 상(phase)의 Li2O 제거제가 투입되는 경우에는 Li2O 제거제가 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태가 되도록 가열하는 것이 바람직하다.
예를 들면, Li2O 제거제로서 고체 상태의 LiCl이 투입되는 반응인 경우, 환원반응기(10) 내부의 온도는 LiCl 용융점 (약 614℃)이상으로 유지하여 상기 LiCl이 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태로 존재하도록 하는 것이 바람직하다.
리튬 금속은 액체 상태에서 기화가 가능하고, 기체 및 액체 상태 모두에서 산화물과 반응하므로, 반응기 내부에서 반드시 기체 상태로만 존재할 필요는 없다.
따라서, 반응기 내부의 온도를 리튬 금속의 기화점(약 1330℃) 이상의 온도로 유지하지 않아도 좋다.
혼합기체 공급단계
상기와 같이 산화물 형태의 사용후핵연료가 내부에 장입되어 있는 환원반응기(10) 내부에 혼합기체 유입구(11) 및 가스분산판(13)을 통해 상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물을 운반기체에 혼합한 혼합기체를 상기 환원반응기(10) 내부에 공급한다.
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물은 상기 운반기체에 의해 상기 환원반응기(10) 내부에 공급된다.
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 운반기체에 혼합된 혼합기체의 유속 및 유량은 환원반응기(10)내로 투입되는 산화물 형태의 사용후핵연료 입자의 크기 등을 고려하여 특정될 수 있다.
예를 들면, 산화물 형태의 사용후핵연료 입자를 유동화시키면, 반응성이 보다 향상된다. 상기 혼합기체의 유속 및 유량은 상기 산화물 형태의 사용후핵연료 입자가 환원반응기(10)내에서 유동화되도록 환원반응기(10)내로 투입되는 산화물 형태의 사용후핵연료 입자의 크기 등을 고려하여 특정될 수 있다.
상기 혼합기체는 예를 들면, 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 공급하는 리튬 공급원(21)에서 공급된 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물상의 리튬과 운반기체 공급부에서 공급된 운반기체가 가스 혼합부(23)에서 혼합된 것일 수 있다.
상기 리튬 공급원(21)은 용융된 LiCl을 전기분해하여 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 생산하는 리튬생산장치일 수 있다.
상기 혼합기체에는 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 Li2O 제거제가 포함될 수 있다. 상기 Li2O 제거제는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 LiCl일 수 있다.
상기 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 LiCl은 용융된 LiCl을 전기분해하여 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 생산하는 리튬생산장치에 의해 제조된 것일 수 있다. 리튬생산장치의 전해조내에서 기체, 액체 또는 기체와 액체 혼합물 상태로 존재하는 LiCl이 환원반응기(10)로 유입되는 운반기체에 포함되어 환원반응기(10)내로 유입될 수 있다.
상기 운반기체 공급부(22)에서 공급된 운반기체는 운반기체 공급관(221)을 통해 운반기체 공급원으로부터 공급된 것일 수 있다.
상기 혼합기체의 유량, 유속 및 압력은 운반기체 공급관(221)에 구비된 펌프(222) 및 제2밸브 내지 제10밸브 중의 1개 또는 2개 이상에 의해 제어될 수 있다.
필요에 따라, 도 1에 도시되지 않은 밸브 및 펌프, 혹은 송풍기를 추가할 수 있으며, 추가된 요소는 상기 환원반응기의 운전을 위해 제어될 수 있다.
예를 들면, 기체 순환 압력보다 높은 압력이 요구되는 경우, 펌프 및 밸브를 이용하여 서지탱크 내부에 유입되는 운반기체의 압력을 증가시켜 운반기체를 순간적으로 환원반응기 내부에 방출할 수 있다.
서지탱크(224)는 기체를 압축하여 보관하는 역할을 하며, 서지탱크(224) 내에 고압의 기체를 저장할 수 있다. 서지탱크(224) 내에 저장된 기체는 환원반응기 (10) 내부를 순환하는 기체보다 압력이 높으므로, 이를 방출하면 순간적으로 순환기체보다 높은 압력의 기체를 환원반응기(10) 내부에 공급할 수 있다.
상기 환원반응기(10) 내부로 유입되는 혼합기체의 유량, 유속 및 압력의 제어에 의해 가스분산판(13) 위에 위치하는 산화물의 유동화가 가능하다. 상기 환원반응기(10) 내부로 유입되는 혼합기체의 유속 및 압력의 제어에 의해 환원반응기(10) 내부에 존재하는 원료물질의 유동화가 달성될 수 있다.
공정 상의 필요에 따라, 펌프를 이용하여 환원반응기 내부에 진공을 가할 수 있다.
금속 형태의 사용후핵연료로 전환시키는 전환단계
상기 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 운반기체에 혼합된 혼합기체는 환원반응기(10) 내부를 통과하고 혼합기체 중 리튬 금속 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물이 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환시킨다.
Li2O 제거제가 사용후핵연료 산화물과 함께 환원반응기(10)에 투입되거나 또는 혼합기체 포함되어 환원반응기(10)에 유입되는 경우에는 Li2O 제거 반응이 일어날 수 있다. 반응 시에는 환원반응기(10)에 투입되거나 또는 혼합기체 포함되어 환원반응기(10)에 유입된 Li2O 제거제는 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태인 것이 바람직하다.
상기 환원반응기(10) 내부에서의 전환공정은 예를 들면, 고체 상태의 사용후핵연료 산화물과 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 리튬 금속의 2 성분계 반응(산화물-리튬금속 반응)이거나 또는 고체 상태의 사용후핵연료 산화물; 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 Li2O 제거제;와 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 리튬 금속의 3 성분계 반응(산화물-Li2O 제거제-리튬금속 반응)일 수 있다.
[2 성분계 반응(산화물-리튬금속 반응)]
환원반응기(10)에서 사용후핵연료 산화물과 리튬 금속이 반응하면 산화물 표면에 Li2O가 생성된다.
생성된 Li2O는 운반기체 또는 혼합기체를 통해 사이클론(31)으로 운반되어 고상회수수단(32)에서 포집될 수 있다. 운전이 진행됨에 따라, (1) 산화물 내부로 혼합기체가 침투하고, (2) 산화물 표면에 Li2O가 생성되며, (3) 표면의 Li2O가 제거되는 과정이 반복되어 산화물은 금속으로 전환될 수 있다.
이 때, 반응 효율을 극대화하기 위해, 혼합 기체의 유량을 조절하여 산화물을 유동화할 수 있다.
2 성분계 반응의 경우, 산화물의 낙하를 방지하기 위해, 도 2에 도시된 형태의 가스분산판(13a) 및 노즐(131a)을 사용할 수 있다.
[3 성분계 반응(산화물- Li 2 O 제거제-리튬금속 반응)]
환원반응기(10)에서 사용후핵연료 산화물과 리튬 금속이 반응하면 산화물 표면에 Li2O가 생성된다.
생성된 Li2O는 환원반응기(10) 내부에 위치하는 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 Li2O 제거제에 의해 산화물 표면에서 제거된다.
상기 Li2O 제거제는 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면, 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 LiCl일 수 있다.
통상의 전해환원공정에서는 LiCl 용융염이 전해질로 사용된 것과는 달리, 본 발명에서는 LiCl이 Li2O 제거제(세척용)로 사용될 수 있다. 따라서, 반응 효율 향상을 위해 LiCl은 다른 물질로 대체될 수 있다. Li2O 세척을 위해 LiCl을 사용하는 경우, 환원반응기(10)는 LiCl의 용융점 (약 614℃)이상으로 유지되어야 한다.
혼합기체에 의한 (1) 지속적인 리튬 금속 공급과 (2) Li2O 제거제, 예를 들면, LiCl에 의한 산화물 표면의 Li2O 제거 또는 (3) LiCl과 혼합기체로 인해 발생하는 버블링에 의한 산화물 표면의 Li2O 제거를 통해 산화물을 금속으로 전환할 수 있다. 상기에 서술한 항목 (2)와 항목 (3)은 반응기 내에서 동시에 발생할 수 있다.
3 성분계 반응의 경우, 산화물의 낙하 및 액체 상태의 Li2O 제거제의 유출을 방지하기 위해, 도 3에 도시된 형태의 가스분산판(13b) 및 노즐(131b)을 사용할 수 있다.
상기와 같이, 2 성분계 반응(산화물-리튬금속 반응) 및 3 성분계 반응(산화물-Li2O 제거제-리튬금속 반응)에 의해 전환된 금속 형태의 사용후핵연료는 사용후핵연료 배출구(15)를 통해 환원반응기(10) 외부로 배출된다.
혼합기체를 배출하는 단계
상기 환원반응기(10) 내부를 통과한 혼합기체를 환원반응기(10) 외부로 배출한다.
상기 환원반응기(10) 외부로 배출되는 혼합기체는 반응하지 않은 리튬 금속 및 운반기체를 함유하는 것이지만, 이에 한정되지 않고, 리튬 금속이 모두 반응에 사용된 경우에는 리튬 기체를 함유하지 않은 운반기체일 수 있음은 물론이다.
상기 환원반응기(10) 외부로 배출되는 혼합기체에는 예를 들면, Li2O 또는 LiCl 및 Li2O가 포함될 수 있다.
고체회수 및 기체순환단계
상기 환원반응기(10) 외부로 배출되는 혼합기체에 함유되어 있는 고체상 물질을 혼합기체로부터 분리하여 회수하고 고체상 물질이 분리된 기체를, 혼합기체 공급 단계로 순환시키는 고체회수 및 기체순환단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 혼합기체는 예를 들면, 제1 순환관(51)을 통해 사이클론(31)으로 이동하고 여기서 혼합기체와 혼합기체에 함유되어 있는 고체상 물질을 분리하고, 분리된 고체상 물질을 고상회수수단(32)에서 회수할 수 있다.
상기 고체상 물질은 Li2O 또는 LiCl 및 Li2O일 수 있다. 물론, 상기 고체상 물질은 Li2O 또는 LiCl 및 Li2O에 한정되지 않고, 리튬 금속 분말, 사용후핵연료 금속 분말, 및 기타 불순물 중의 1 종 이상을 포함할 수 있다.
상기 고상회수수단(32)은 사이클론(31)에서 분리 가능하게 구비될 수 있다.
상기 사이클론(31)과 상기 고상회수수단(32)의 사이에는 고체상 물질의 이동량을 제어하기 위한 제1밸브(311)가 구비될 수 있다.
상기 사이클론(31)은 고체와 기체 혼합물을 고체와 기체로 분리할 수 있는 것이라면, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 원심력에 의해 고체와 기체 혼합물을 고체와 기체로 분리하는 사이클론일 수 있다.
고체상 물질이 제거된 혼합기체를, 혼합기체 공급 단계로 순환시킬 수 있다.
상기 사이클론(31)에 의해 고체상 물질이 제거된 혼합기체는 제2 순환관(52) 및 운반기체 공급관(221)을 통해 환원반응기(10) 내부로 순환될 수 있다.
상기와 같이 고체회수 및 기체순환단계를 포함함으로써 고체상 물질 및 혼합기체를 재활용할 수 있다.
100: 사용후핵연료 산화물 환원장치 10: 환원반응기 11: 혼합기체 유입구
12: 혼합기체 배출구 13, 13a: 가스분산판 13b: 가스분산관
131a, 131b: 분사노즐 1311a, 1311b: 덮개 14: 사용후핵연료 투입구
15: 사용후핵연료 배출구 20: 혼합기체 공급수단 21: 리튬 공급원
211: 전해조 212: 양극 전극 213: 음극전극 214: 전원공급장치
215: 슈라우드 2151: 발생기체 배출부 216: 도선 22: 운반기체 공급부
221: 운반기체 공급관 223: 운반기체 배출구 2241: 제1 연결관
23: 가스 혼합부 231: 제1 혼합부 232: 제2 혼합부 2321: 제2 연결관
31: 사이클론 51: 제1 순환관 52: 제2 순환관 32: 고상회수수단
222: 펌프 224: 서지탱크
311, 521, 2211, 2231, 2212, 2242, 2213, 2322, 2214, 2311: 제1 내지 제10밸브

Claims (10)

  1. 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물을 함유하는 혼합기체가 내부를 통과하고, 내부를 통과하는 상기 혼합기체 중 상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물이 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환하는 반응이 일어나는 환원반응기; 및
    상기 환원반응기에 상기 혼합기체를 공급하기 위한 혼합기체 공급수단을 포함하고,
    상기 환원반응기는 사용후핵연료를 내부로 투입하기 위한 사용후핵연료 투입구, 사용후핵연료를 외부로 배출하기 위한 사용후핵연료 배출구, 상기 혼합기체 공급수단으로부터 내부로 혼합기체를 공급받기 위한 혼합기체 유입구, 내부를 통과한 혼합기체를 외부로 배출하기 위한 혼합기체 배출구, 및 상기 환원반응기 내부로 유입되는 혼합기체를 분산시키기 위한 가스분산판을 포함하되,
    상기 혼합기체 공급수단은 상기 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상의 리튬을 공급하는 리튬 공급원; 운반기체를 공급하는 운반기체 공급부; 및 상기 리튬 공급원에서 공급된 상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물과 상기 운반기체 공급부에서 공급된 상기 운반기체를 혼합하는 가스 혼합부;를 포함하고,
    상기 리튬 공급원은 용융된 LiCl을 전기분해하여 상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물을 생산하며, 상기 용융된 LiCl을 수용하는 전해조; 염소 기체를 발생시키는 양극 전극; 리튬 금속을 생성하는 음극 전극; LiCl 용융염에 전류를 공급하는 전원공급장치; 및 내부에 양극 전극이 수용되는 슈라우드;를 포함하는 리튬생산장치이고,
    상기 양극 전극 및 음극 전극은 도선을 통해 상기 전원공급장치에 전기적으로 연결되어 있고, 상기 슈라우드에는 발생기체 배출부가 구비되며, 상기 양극 전극이 탄소 전극인 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 산화물 환원장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 환원반응기 내부를 통과한 혼합기체를 공급받아 혼합기체 중에 포함되어 있는 고체상 물질을 기체로부터 분리하는 사이클론을 추가로 포함하고, 상기 사이클론에서 고체상 물질이 분리된 기체가 상기 환원반응기로 순환되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 산화물 환원장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 운반기체 공급부는 운반기체 공급원과 상기 가스 혼합부를 가스 소통관계로 연결하는 운반기체 공급관을 포함하고,
    상기 운반기체 공급관에는 펌프가 구비되고, 가스 소통관계로 서지탱크가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 산화물 환원장치.
  7. 제1항의 사용후핵연료 산화물 환원장치를 이용하는 사용후핵연료 산화물 환원방법에 있어서,
    산화물 형태의 사용후핵연료를 준비하는 단계;
    상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물을 준비하는 단계;
    상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물을 운반하기 위한 운반기체를 준비하는 단계;
    상기 산화물 형태의 사용후핵연료를 상기 환원반응기 내부에 투입하는 단계;
    상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물을 상기 운반기체에 혼합하여 상기 환원반응기 내부에 공급하는 혼합기체 공급단계;
    상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물이 상기 운반기체에 혼합된 혼합기체는 상기 환원반응기 내부를 통과하고 혼합기체 중 상기 리튬 금속 기체, 리튬 금속 액체, 또는 리튬 금속 기체와 리튬 금속 액체의 혼합물이 상기 산화물 형태의 사용후핵연료를 환원하여 금속 형태의 사용후핵연료로 전환시키는 전환단계; 및
    상기 환원반응기 내부를 통과한 상기 혼합기체를 상기 환원반응기 외부로 배출하는 단계를 포함하는 사용후핵연료 산화물 환원방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 환원반응기 외부로 배출되는 혼합기체에 함유되어 있는 고체상 물질을 혼합기체로부터 분리하여 회수하고 고체상 물질이 분리된 기체를 혼합기체 공급 단계로 순환시키는 고체회수 및 기체순환단계를 추가로 포함하는 사용후핵연료 산화물 환원방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 전환단계의 반응이 고체 상태의 사용후핵연료 산화물;과 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 리튬 금속;의 2 성분계 반응(산화물-리튬금속 반응) 또는 고체 상태의 사용후핵연료 산화물; 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 Li2O 제거제;와 기체, 액체, 또는 기체와 액체 혼합물 상태의 리튬 금속의 3 성분계 반응(산화물-Li2O 제거제-리튬금속 반응)인 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 산화물 환원방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전환단계는 상기 사용후핵연료가 유동화된 상태에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 산화물 환원방법.
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