KR102152828B1 - 염 교환식 파이로프로세싱 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염 교환식 파이로프로세싱 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염 교환 방식의 공정을 통해 일련의 파이로프로세싱 공정을 단순화하여 대용량의 사용후핵연료 처리 효율을 높일 수 있는 파이로프로세싱 시스템과 이를 이용한 파이로프로세싱 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 파이로프로세싱 방법 또는 시스템은 사용후핵연료가 각 공정 장치를 옮겨 다니는 기존의 파이로프로세싱 개념과 달리 고정식 장치들을 사용하고 사용후핵연료 대신 액체 상태의 용융염이 반응기로 순차적으로 장입되는 방식을 적용함에 따라 기계적인 작동이 최소화되고 공정 간 연계 작업이 원활하게 이루어진다. 따라서, 파이로프로세싱의 대형화 구현 시 공정의 효율이 높아지고 장비의 구축, 유지, 보수에 소요되는 비용이 절감되기 때문에 경제성 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 네트워크 방식의 프로세스 구축을 통해 전체 공정의 효율을 극대화시킬 수 있고 유지 및 보수에 따른 공정 효율 감소를 최소화시킬 수 있다.

Description

염 교환식 파이로프로세싱 방법 및 시스템{SALT EXCHANGE TYPE PYROPROCESSING METHOD AND SYSTEM}
본 발명은 염 교환식 파이로프로세싱 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염 교환 방식의 공정을 통해 일련의 파이로프로세싱 공정을 단순화하여 대용량의 사용후핵연료 처리 효율을 높일 수 있는 파이로프로세싱 시스템과 이를 이용한 파이로프로세싱 방법에 관한 것이다.
경수로 사용후핵연료는 높은 방사능 준위와 붕괴열로 인해 취급이 어렵고 영구적인 처분 기술이 아직 완성되지 않은 상태이다. 현재 상용화된 사용후핵연료 처리 방법은 습식 재처리 기술로 이는 사용후핵연료를 질산에 녹인 뒤 유용한 물질들을 분리하여 새로운 핵연료로 만들어 경수로에서 사용하게 된다. 하지만 습식 재처리 기술은 플루토늄을 추출할 수 있기 때문에 한국과 같은 원자력 기술 후발주자들은 접근이 제한되어 있다. 따라서, 쌓여가는 사용후핵연료 문제를 해결하기 위해 제시된 기술이 파이로프로세싱 공정이다. 파이로프로세싱 공정은 플루토늄을 우라늄 및 다른 초우라늄 핵종들과 군분리 하기 때문에 핵비확산성이 상대적으로 높은 것으로 평가받고 있다.
파이로프로세싱 기술은 크게 집합체의 해체 및 후속공정의 원료를 제조하는 전처리 공정, 산화물 사용후핵연료를 금속 형태로 전환하는 전해환원 공정, 사용후핵연료에서 우라늄을 분리하는 전해정련 공정, 우라늄 및 초우라늄(TRU) 핵종들을 회수하는 전해제련 공정으로 구성되어 있으며, 각 공정에서 발생하는 폐기물을 회수하는 공정들이 포함된다. 하지만, 이는 극히 단순화된 설명으로, 실제로 파이로프로세싱을 운영하기 위해서는 각 공정 중간에 증류, 시료의 재장입 등 기타 다양한 공정들이 수반된다. 특히 전해환원 공정 후 전해정련 공정을 수행하기 위해서는 전해환원이 종료된 후 금속 형태의 사용후핵연료를 증류하여 잔류염을 제거한 뒤 바스켓에서 모두 인출하고 다시 전해정련 용 바스켓에 담아서 공정을 수행해야 한다. 또한, 전해환원 공정 중 염 용해성 핵종인 Sr, Ba, Eu 등이 염으로 용해되는데, Sr과 Eu는 고방열 핵종으로 다량 축적될 경우 공정 장치의 과열을 일으킬 우려가 있다. 따라서, 염의 주기적인 정제 공정이 수반되어야 한다. 이러한 일련의 공정들은 많은 수의 공정 장치 및 기계적 이동 시스템이 요구되기 때문에 대용량화 및 핫셀 운전에 있어서 불리한 조건이다.
사용후핵연료 관리를 위한 파이로프로세싱 기술개발, NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 34, No. 3, 2016
본 발명은 염 교환 방식의 공정을 통해 일련의 파이로프로세싱 공정을 단순화하여 대용량의 사용후핵연료 처리 효율을 높일 수 있는 파이로프로세싱 시스템과 이를 이용한 파이로프로세싱 방법을 제공한다.
본 발명은, 유니버셜 반응기; 제1 저장소가 구비된, 환원 반응을 위한 제1 시스템; 제2 저장소가 구비된, 세척을 위한 퍼지용 제2 시스템; 및 제3 저장소가 구비된, 정련 반응을 위한 제3 시스템을 포함하여 구성되는 염 교환식 파이로프로세싱 시스템을 이용한 파이로프로세싱 방법으로서, 상기 유니버셜 반응기에 사용후핵연료를 장입한 후, 상기 제1 저장소 내에 구비된 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염을 유니버셜 반응기로 주입하여 사용후핵연료의 환원 반응을 수행하는 단계(단계 a); 상기 환원 반응 후, 상기 유니버셜 반응기로, 제2 저장소 내에 구비된 퍼지용 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염을 공급하여 퍼징하는 단계(단계 b); 및 이후, 상기 유니버셜 반응기로, 상기 제3 저장소 내에 구비된 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염 및, UCl3과, 전해정련 반응용 전극을 장입하여 전해정련 공정을 수행되는 단계(단계 c)를 포함하는 파이로프로세싱 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 환원 및 정련 반응이 수행되는 유니버셜 반응기; 상기 유니버셜 반응기로 공급되는 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염이 저장되는 제1 저장소가 구비된, 환원 반응을 위한 제1 시스템; 상기 유니버셜 반응기로 공급되는 퍼지용 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염이 저장되는 제2 저장소가 구비된, 세척을 위한 퍼지용 제2 시스템; 및 상기 유니버셜 반응기로 공급되는 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염 및, UCl3가 저장되는 제3 저장소가 구비된, 정련 반응을 위한 제3 시스템을 포함하는 염 교환식 파이로프로세싱 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 파이로프로세싱 방법 또는 시스템은 사용후핵연료가 각 공정 장치를 옮겨 다니는 기존의 파이로프로세싱 개념과 달리 고정식 장치들을 사용하고 사용후핵연료 대신 액체 상태의 용융염이 반응기로 순차적으로 장입되는 방식을 적용함에 따라 기계적인 작동이 최소화되고 공정 간 연계 작업이 원활하게 이루어진다. 따라서, 파이로프로세싱의 대형화 구현 시 공정의 효율이 높아지고 장비의 구축, 유지, 보수에 소요되는 비용이 절감되기 때문에 경제성 향상에 크게 기여할 수 있다. 또한, 네트워크 방식의 프로세스 구축을 통해 전체 공정의 효율을 극대화시킬 수 있고 유지 및 보수에 따른 공정 효율 감소는 최소화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염 교환식 파이로프로세싱 공정을 개략적으로 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유니버셜(universal) 반응기의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 전해정련 반응을 위한 유니버셜 반응기 뚜껑의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염 교환 방식 파이로프로세싱 공정의 네트워킹화를 개략적으로 나타내는 것이다.
이하, 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.
본 발명은 유니버셜 반응기; 제1 저장소가 구비된, 환원 반응을 위한 제1 시스템; 제2 저장소가 구비된, 세척을 위한 퍼지용 제2 시스템; 및 제3 저장소가 구비된, 정련 반응을 위한 제3 시스템을 포함하여 구성되는 염 교환식 파이로프로세싱 시스템을 이용한 파이로프로세싱 방법으로서, 상기 유니버셜 반응기에 사용후핵연료를 장입한 후, 상기 제1 저장소 내에 구비된 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염을 유니버셜 반응기로 주입하여 사용후핵연료의 환원 반응을 수행하는 단계(단계 a); 상기 환원 반응 후, 상기 유니버셜 반응기로 제2 저장소 내에 구비된 퍼지용 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염을 공급하여 퍼징하는 단계(단계 b); 및 이후, 상기 유니버셜 반응기로, 상기 제3 저장소 내에 구비된 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염 및, UCl3과, 전해정련 반응용 전극을 장입하여 전해정련 공정을 수행되는 단계(단계 c)를 포함하는 파이로프로세싱 방법을 제공한다. 상기 방법은, 사용후핵연료는 유니버셜 반응기에 머무르면서 세 시스템의 염이 교대로 공급되는 형태로 수행될 수 있다.
상기 알칼리금속-알칼리금속염은 Li-LiCl을 포함할 수 있고, 상기 알칼리토금속-알칼리토금속염은 Ca-CaCl2을 포함할 수 있다. 또한 상기 알칼리금속염은 LiCl을 포함할 수 있고, 상기 알칼리토금속염은 CaCl2을 포함할 수 있으며, 상기 공융염은 LiCl-KCl 또는 LiCl-CaCl2를 포함할 수 있다. 상기 단계 a에서, 혼합 염의 경우는 Li-Ca-LiCl-CaCl2 형태로 운전될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 시스템은 환원, 정련 반응이 수행되는 유니버셜(universal) 반응기를 중심으로 환원 반응을 위한 제1 시스템, 세척을 위한 퍼지용 제2 시스템, 정련 반응을 위한 제3 시스템의 세 시스템이 주변에서 그 역할을 수행한다. 사용후핵연료가 각 장치를 옮겨다니는 기존의 개념과는 반대로 본 시스템에서는 사용후핵연료는 유니버셜 반응기에 머무르면서 세 시스템의 염이 교대로 공급되면서 작업을 수행하게 되어 기계적인 움직임이 최소화 되며 전체 공정의 흐름이 간략해진다.
본 발명은 기존의 배치형 공정 기반 파이로프로세싱의 단점인 사용후핵연료의 장입 및 이송 과정을 제거하여 대용량화 및 공정 효율 향상을 목적으로 하고 있다. 본 발명에서는 사용후핵연료가 유니버셜 반응기에 장입되면 반응에 필요한 용융염이 순차적으로 장입/제거를 반복하면서 일련의 공정을 수행하게 되기 때문에 각 공정에 맞추어 사용후핵연료를 이송하거나 재장입 하는 과정이 없게 된다. 본 발명에서는 유니버셜 반응기에 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염(Li-LiCl, Ca-CaCl2 또는 이들의 혼합 염 등)을 장입하는 환원 공정; 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염(LiCl, CaCl2 또는 이들의 혼합 염 등)을 이용한 세척 공정; 및, 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염(LiCl, LiCl-KCl 공융염 또는 LiCl-CaCl2 공융염 등) 및, UCl3을 이용한 전해정련 공정이 순차적으로 진행되며 각 염은 별도의 정제 및 순환 사이클을 가지고 있다. 본 발명의 또 다른 장점은 네트워크화를 통해 공정 효율을 최적화하고 유지/보수에 의한 손실을 최소화 할 수 있다는 점이다.
구체적으로, 상기 유니버셜 반응기로 사용후핵연연료가 장입된 후 상기 제1 저장소로부터 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염(Li-LiCl, Ca-CaCl2 또는 이들의 혼합 염 등)이 유니버셜 반응기로 유입되면 사용후핵연료가 금속 형태로 전환된다. 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염(Li-LiCl, Ca-CaCl2 또는 이들의 혼합 염 등)은 일정량 주입 후 반응을 위해 정지해 있거나 환원 반응을 높이기 위해 일정한 양의 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염(Li-LiCl, Ca-CaCl2 또는 이들의 혼합 염 등)을 꾸준히 공급하는 방식으로도 수행할 수 있다. 또한 환원 공정 중에는 전기화학적 반응이 없기 때문에 유니버셜 반응기는 단순히 염의 휘발을 억제하기 위한 뚜껑을 사용한 채로 반응을 수행할 수 있다. 상기 단계 a에서 환원 반응이 수행된 염은 제1 저장소로 회수될 수 있다.
상기 제1 시스템은 제1 저장소, 정제 장치 및 전기분해장치를 포함하여 구성될 수 있다. 제1 저장소는 염의 일시적인 저장 공간의 역할을 수행한다. 정제 장치는 환원 반응 후 염에 녹아있는 용해성 핵종을 분리하는 기능을 수행하며, 이를 통해 Sr, Ba, Eu 등의 핵종들이 LiCl 염 등으로부터 분리된다. 이후 전기분해 장치에서는 Li2O, Li, LiCl 등이 포함된 염의 전기분해를 수행하게 된다. 이를 통해 수득된 Li-LiCl 염 등은 다음 사용까지 제1 저장소로 이동하여 대기하게 된다.
제1 저장소로 Li-LiCl 등의 염이 회수된 후, 유니버셜 반응기에는 순수한 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염(LiCl, CaCl2 또는 이들의 혼합 염 등)이 저장소 2로부터 주입된다. 이는 반응기 및 사용후핵연료에 남아 있는 잔류 Li, Li2O, 염 용해성 핵종 등을 제거하기 위한 공정으로 세척(퍼징) 개념으로 이해할 수 있다. 상기 단계 b에서 퍼징이 수행된 후, 염(LiCl, CaCl2 또는 이들의 혼합 염 등)은 제2 저장소로 회수될 수 있다.
상기 제2 시스템은 제2 저장소 및 정제 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 제2 저장소는 염의 저장고 역할 수행하며, 염은 증류 정제 장치로 이동하게 된다. 증류 공정은 널리 알려진 공정으로, 본 시스템에서는 각 금속과 염의 휘발 온도 차이를 이용하여 분리된 LiCl, CaCl2 등의 염을 회수하게 된다. 이렇게 얻어진 LiCl 등과 같은 염은 제2 저장소로 이동하여 다음 공정까지 대기하게 된다.
상기 제3 시스템은 제3 저장소, 전해제련 장치 및 정제 장치를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 단계 c에서 전해정련 공정이 수행된 염은 제3 저장소로 회수될 수 있다.
구체적으로 상기 제3 저장소에는 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염(LiCl, LiCl-KCl 공융염 또는 LiCl-CaCl2 공융염 등)이 저장될 수 있으며, 전해정련 공정을 위한 UCl3가 일정량 용해되어 있을 수 있다. 퍼지용 염(LiCl 등)의 순환 공정이 종료되면, LiCl, LiCl-KCl 공융염 또는 LiCl-CaCl2 공융염 등의 염이 유니버셜 반응기로 유입되며, 일정량이 유입된 후에는 추가 유입을 멈추게 된다. LiCl, LiCl-KCl 공융염 또는 LiCl-CaCl2 공융염 등의 염과 함께 전해정련 반응용 전극이 장입될 수 있으며, 이때 전극은 반응기 뚜껑에 연결된 상태로 투입될 수 있다. 사용후핵연료 바스켓과 전극에 전기를 인가하여 전해정련 공정을 수행할 수 있으며, 사용후핵연료 내의 U가 선택적으로 전극에 전착되어 분리될 수 있다. 전해정련용 애노드 전극은 흑연, 스테인리스 스틸 또는 텅스텐 등으로 구성될 수 있다. 전해정련 공정 수행 후, LiCl, LiCl-KCl 공융염 또는 LiCl-CaCl2 공융염 등의 염은 제3 저장소로 회수될 수 있다. 이후 LiCl, LiCl-KCl 공융염 또는 LiCl-CaCl2 공융염 등의 염은 전해제련 장치로 이동하여 전해제련 공정을 수행할 수 있으며, 이를 통해 수득한 염은 제3 저장소로 다시 이동하여 다음 공정까지 대기하게 된다.
또한 본 발명은, 환원 및 정련 반응이 수행되는 유니버셜 반응기; 상기 유니버셜 반응기로 공급되는 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염이 저장되는 제1 저장소가 구비된, 환원 반응을 위한 제1 시스템; 상기 유니버셜 반응기로 공급되는 퍼지용 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염이 저장되는 제2 저장소가 구비된, 세척을 위한 퍼지용 제2 시스템; 및 상기 유니버셜 반응기로 공급되는 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염 및, UCl3가 저장되는 제3 저장소가 구비된, 정련 반응을 위한 제3 시스템을 포함하는 염 교환식 파이로프로세싱 시스템을 제공한다. 상기 제1 시스템은 제1 저장소, 정제 장치 및 전기분해장치를 포함하는 구성되며, 상기 제2 시스템은 제2 저장소 및 정제 장치를 포함하여 구성되고, 상기 제3 시스템은 제3 저장소 및 정제 장치를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 알칼리금속-알칼리금속염은 Li-LiCl을 포함할 수 있고, 상기 알칼리토금속-알칼리토금속염은 Ca-CaCl2을 포함할 수 있다. 또한 상기 알칼리금속염은 LiCl을 포함할 수 있고, 상기 알칼리토금속염은 CaCl2을 포함할 수 있으며, 상기 공융염은 LiCl-KCl 또는 LiCl-CaCl2를 포함할 수 있다. 상기 제1 저장소에 저장된 혼합 염의 경우 Li-Ca-LiCl-CaCl2 형태로 운전될 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명에서 제안하는 시스템은 환원, 정련 반응이 수행되는 유니버셜(universal) 반응기를 중심으로 환원 반응을 위한 LiCl 시스템(제1 시스템), 세척을 위한 퍼지용 LiCl 시스템(제2 시스템), 정련 및 제련 반응을 위한 LiCl-KCl 시스템(제3 시스템)의 세 시스템이 주변에서 그 역할을 수행한다. 전체 구성의 개략도를 도 1에 나타내었다. 사용후핵연료가 각 장치를 옮겨다니는 기존의 개념과는 반대로 본 시스템에서는 사용후핵연료는 유니버셜 반응기에 머무르면서 세 시스템의 염이 교대로 공급되면서 작업을 수행하게 되어 기계적인 움직임이 최소화 되며 전체 공정의 흐름이 간략해진다. 유니버셜 반응기에 사용후핵연료가 장입되면 제1 저장소(Reservoir #1)에 있는 Li-LiCl 용융염이 유니버셜 반응기로 주입되어 사용후핵연료 산화물을 금속으로 전환하게 된다. 이 때, 염 용해성 핵종인 Sr, Ba, Eu 등이 염에 녹아나오게 되며, 환원 반응을 거친 염은 다시 제1 저장소(Reservoir #1)로 이동하게 된다. 환원 반응을 거친 염은 Li2O, Sr, Ba, Eu 등의 핵종을 포함하고 있기 때문에 이를 분리하는 정제 공정을 거치게 되며 이후 전기분해 공정을 통해 Li2O 및 LiCl을 분해하여 Li-LiCl 염으로 변환한다. 환원 반응이 끝난 유니버셜 반응기에는 제2 저장소(Reservoir #2)에 저장되어 있던 퍼지용 LiCl이 공급되는데, 이는 반응기 및 사용후핵연료에 남아있는 Li2O 및 염 용해성 핵종들을 추가적으로 제거하기 위함이다. 퍼지용 LiCl은 다시 제2 저장소(Reservoir #2)로 돌아와서 정제 공정을 통해 용해성 핵종, Li2O, Li 등을 제거하여 순수한 LiCl 염으로 저장된다. 퍼징이 종료된 유니버셜 반응기에는 제3 저장소(Reservoir #3)의 LiCl-KCl 공융염이 투입되며, 이때는 전기화학 반응을 위해 유니버셜 반응기의 뚜껑에 전해정련을 위한 전극이 장입된다. 전해정련 공정이 수행되면 사용후핵연료 내의 우라늄이 분리되어 캐소드(cathode) 전극 표면에 증착되며, 이는 분리 회수하게 된다. 전해정련 공정이 완료되면 U 및 TRU 핵종들이 염에 녹아있게 되는데, 이 염은 제3 저장소(Reservoir #3)로 이동한 뒤 전해 제련 공정을 통해 U 및 TRU 공회수를 수행하게 된다. 전해 제련 공정 후 염 내에는 희토류 및 귀금속 핵종들이 남아 있기 때문에 이는 LiCl-KCl 정제공정을 통해 제거한 뒤 제3 저장소(Reservoir #3)에는 LiCl-KCl 공융염이 저장된다. 일련의 공정이 종료되면 유니버셜 반응기에 장입되어 있던 사용후핵연료는 일부 미환원 물질 및 귀금속 등이 바스켓에 남게 되며, 이는 일정량이 축적된 후 제거하게 된다. 각 장치에 대한 상세한 내용은 다음과 같다.
- 유니버셜 반응기: 도 2에는 유니버셜 반응기의 개략도를 나타내었다. 반응기 중앙의 사용후핵연료 바스켓에는 산화물 상태의 사용후핵연료가 장입된다. 이후 제1 저장소(Reservoir #1)로부터 Li-LiCl 용융염이 유니버셜 반응기로 유입되면 산화물 사용후핵연료가 아래의 화학 반응을 통해 금속 형태로 전환된다.
UO2 + 4Li → U + 2Li2O
이 때 생성된 Li2O는 LiCl 염에 용해도가 높기 때문에 LiCl에 대부분 녹아 있게 되며, 사용후핵연료 내의 염 용해성 핵종인 Sr, Ba, Eu 등도 LiCl 염에 녹아 나오게 된다. LiCl 염은 일정량 주입 후 반응을 위해 정지해 있거나 환원 반응률을 높이기 위해 일정한 양의 Li-LiCl 염을 꾸준히 공급하는 방식으로도 운전이 가능하다. 환원 공정 중에는 전기화학적 반응이 없기 때문에 유니버셜 반응기는 단순히 염의 휘발을 억제하기 위한 뚜껑을 사용한 채로 운전하게 된다. 환원 반응이 종료되면 Li2O, Sr, Ba, Eu 등이 녹아있는 염은 반응기 외부로 배출되어 다시 제1 저장소(Reservoir #1)로 이동하게 된다.
Li-LiCl 염이 빠져나간 유니버셜 반응기에는 순수한 LiCl 염이 제2 저장소(Reservoir #2)로부터 주입된다. 이는 반응기 및 사용후핵연료에 남아 있는 잔류 Li, Li2O, 염 용해성 핵종을 제거하기 위한 공정으로 세척(퍼징) 개념으로 이해할 수 있다. 퍼징이 종료되면 LiCl 염은 다시 제2 저장소(Reservoir #2)로 회수된다.
마지막으로 제3 저장소(Reservoir #3)로부터 UCl3가 포함된 LiCl-KCl 염이 유니버셜 반응기로 장입되고 반응기 뚜껑을 통해 전해정련용 캐소드 전극(흑연, 스테인리스 스틸, 텅스텐 등)이 장입된다. 장입된 전극의 모습을 도 3에 나타내었으며, 전극들이 유니버셜 반응기 내의 바스켓 주위를 둘러싸게 된다. 애노드(anode) 역할을 하는 사용후핵연료 바스켓과 캐소드 역할을 하는 뚜껑의 전극에 전기를 인가하여 전해정련 공정을 수행하게 되며, 사용후핵연료 내의 U가 선택적으로 뚜껑의 전극에 전착되어 분리된다. 전해정련 반응이 종료되면 LiCl-KCl에는 U, TRU, 희토류 핵종들이 녹아있게 되는데, 이는 전부 제3 저장소(Reservoir #3)로 이동하여 다음 공정을 거치게 된다.
- LiCl 순환 시스템(제1 시스템): 환원 반응에 사용되는 LiCl 순환 시스템은 제1 저장소(Reservoir #1), 정제 시스템, 전기분해 장치로 구성되어 있다. 저장소(Reservoir)는 특별한 기능이 아닌 염의 일시적인 저장 공간의 역할만 수행한다. LiCl 정제시스템에서는 환원 반응 후 염에 녹아있는 용해성 핵종을 분리하는 기능을 수행하며, 이를 통해 Sr, Ba, Eu 등의 핵종들이 LiCl로부터 분리된다. 이후 LiCl 전기분해 장치에서는 Li2O, Li, LiCl이 포함된 염의 전기분해를 수행하게 된다. 이 때 철을 음극으로, 백금 혹은 탄소를 양극으로 사용하여 공정을 수행할 수 있다. 백금을 사용할 경우 Li2O의 전기화학적 분해만 일어나는 반면, 탄소 양극을 사용할 경우 LiCl의 전기분해 및 Li2O와 Cl2의 화학적 반응이 동반된다. 백금을 양극으로 사용할 경우 발생 기체가 산소만 존재하기 때문에 장치 및 공정의 구성이 유리한 반면 인가 전압의 한계로 인해 공정 시간이 길어지고 전극 자체의 높은 가격이 단점이다. 반면, 탄소 양극을 사용할 경우 가격이 저렴하고 고전압 인가를 통한 빠른 공정이 장점이나 부식성이 높은 염소 기체의 발생이 단점이다. 이렇게 생성된 Li-LiCl 염은 다음 사용까지 저장소(Reservoir #1)로 이동하여 대기하게 된다.
- 음극: Li+ + e- → Li
- 양극: (전기화학) 2Cl- → Cl2(g) + 2e- / 2O2- → O2(g) + 4e- / C + 2O2- → CO2(g) + 4e-
(화학반응) 2Li2O + 2Cl2(g) → 4LiCl + O2(g)
- 퍼지용 LiCl 순환 시스템(제2 시스템): 유니버셜 반응기의 잔류물을 제거하기 위해 퍼지용 LiCl을 순환시키면 Li2O, Li, 용해성 핵종이 녹아있는 LiCl이 제2 저장소(Reservoir #2)로 유입된다. 저장소(Reservoir)는 단순히 염의 저장고 역할만 수행하며, 염은 증류 정제 장치로 이동하게 된다. 증류 공정은 널리 알려진 공정으로, 본 시스템에서는 저온에서 Li을 먼저 제거한 뒤 고온, 진공 조건에서 LiCl을 휘발시켜 회수하게 된다. 그러면 장치 내에는 용해성 핵종과 Li2O만 남게되어 순수한 LiCl을 얻을 수 있으며, 이렇게 얻어진 LiCl은 제2 저장소(Reservoir #2)로 이동하여 다음 공정까지 대기하게 된다.
- LiCl-KCl 순환 시스템(제3 시스템): 제3 저장소(Reservoir #3)에는 LiCl-KCl 공융염이 저장되어 있으며, 전해정련 공정을 위한 UCl3가 일정량 용해되어 있다. 퍼지용 LiCl 순환 공정이 종료되면 LiCl-KCl 공융염이 유니버셜 반응기로 유입되며, 일정량이 유입된 후에는 추가 유입을 멈추게 된다. LiCl-KCl 공융염이 유입되면 유니버셜 반응기의 뚜껑을 통해 전해정련 반응용 전극이 장입된다(도 3 참고). 공융염과 전극이 장입되고 나면 유니버셜 반응기의 바스켓과 뚜껑에 연결된 전극 간에 전위를 인가하여 전극에 U가 전착되도록 운전을 하게 된다. 운전이 완료되면 전극을 제거하여 별도의 공간에서 전착된 U를 회수하게 되며, U, TRU, 희토류 핵종이 용해된 LiCl-KCl 공융염은 제3 저장소(Reservoir #3)로 이동한다. 이후 LiCl-KCl 공융염은 전해제련 장치로 이동하여 U 및 TRU를 공회수하게 된다. 희토류 핵종은 여전히 LiCl-KCl 공융염에 남아있게 되는데, 공융염이 LiCl-KCl 정제 장치로 이동하여 구역 냉각 방식의 정제 공정을 거치면 희토류 핵종이 분리되고 순수한 LiCl-KCl 공융염을 얻게 된다. 이렇게 얻어진 공융염은 제3 저장소(Reservoir #3)로 다시 이동하여 다음 공정까지 대기하게 된다.
본 시스템의 또 다른 장점은 여러 개의 시스템을 네트워크화 할 수 있다는 점이다. 도 4에는 대규모 사용후핵연료 처리를 위한 공정 네트워크를 나타내었다. 제1 저장소(Reservoir #1)로부터 제3 저장소(Reservoir #3)까지 각각의 공정이 이루어지는 속도에 차이가 있기 때문에, 이렇게 공정의 네트워크화를 구축하게 되면 전체 공정의 효율이 향상될 뿐 아니라, 장치의 유지 및 보수에도 유리하다. 그 이유는 기존의 직렬형 공정은 중간에 하나의 장치가 고장나면 전체 공정이 멈추지만, 네트워크화 된 공정에서는 하나의 장치 혹은 공정에 문제가 있을 경우 동일한 기능을 하는 다른 장치로부터 도움을 받을 수 있기 때문이다. 따라서, 전체 공정의 가동 효율이 극대화되는 장점이 있으며, 이는 운영 비용의 절감을 가져다 줄 수 있다.

Claims (11)

  1. 유니버셜 반응기; 제1 저장소가 구비된, 환원 반응을 위한 제1 시스템; 제2 저장소가 구비된, 세척을 위한 퍼지용 제2 시스템; 및 제3 저장소가 구비된, 정련 반응을 위한 제3 시스템을 포함하여 구성되는 염 교환식 파이로프로세싱 시스템을 이용한 파이로프로세싱 방법으로서,
    상기 유니버셜 반응기에 사용후핵연료를 장입한 후, 상기 제1 저장소 내에 구비된 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염을 유니버셜 반응기로 주입하여 사용후핵연료의 환원 반응을 수행하는 단계(단계 a);
    상기 환원 반응 후, 상기 유니버셜 반응기로, 상기 제2 저장소 내에 구비된 퍼지용 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염을 공급하여 퍼징하는 단계(단계 b); 및
    이후, 상기 유니버셜 반응기로, 상기 제3 저장소 내에 구비된 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염 및, UCl3과, 전해정련 반응용 전극을 장입하여 전해정련 공정을 수행되는 단계(단계 c)를 포함하는 파이로프로세싱 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방법은, 사용후핵연료는 유니버셜 반응기에 머무르면서 세 시스템의 염이 교대로 공급되는 형태로 수행되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 a에서 환원 반응이 수행된 염은 제1 저장소로 회수되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 시스템은 제1 저장소, 정제 장치 및 전기분해장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 b에서 퍼징이 수행된 후, 염은 제2 저장소로 회수되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 시스템은 제2 저장소 및 정제 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계 c에서 전해정련 공정이 수행된 염은 제3 저장소로 회수되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 시스템은 제3 저장소, 전해제련 장치 및 정제 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 알칼리금속-알칼리금속염은 Li-LiCl을 포함하고,
    상기 알칼리토금속-알칼리토금속염은 Ca-CaCl2을 포함하고,
    상기 알칼리금속염은 LiCl을 포함하고,
    상기 알칼리토금속염은 CaCl2을 포함하며,
    상기 공융염은 LiCl-KCl 또는 LiCl-CaCl2를 포함하는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 방법.
  10. 환원 및 정련 반응이 수행되는 유니버셜 반응기;
    상기 유니버셜 반응기로 공급되는 알칼리금속-알칼리금속염, 알칼리토금속-알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염이 저장되는 제1 저장소가 구비된, 환원 반응을 위한 제1 시스템;
    상기 유니버셜 반응기로 공급되는 퍼지용 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 혼합 염이 저장되는 제2 저장소가 구비된, 세척을 위한 퍼지용 제2 시스템; 및
    상기 유니버셜 반응기로 공급되는 알칼리금속염, 알칼리토금속염 또는 이들의 공융염 및, UCl3가 저장되는 제3 저장소가 구비된, 정련 반응을 위한 제3 시스템을 포함하는 염 교환식 파이로프로세싱 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 시스템은 제1 저장소, 정제 장치 및 전기분해장치를 포함하는 구성되고,
    상기 제2 시스템은 제2 저장소 및 정제 장치를 포함하여 구성되며,
    상기 제3 시스템은 제3 저장소, 전해제련 장치 및 정제 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파이로프로세싱 시스템.
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