KR102436254B1 - Method for treating spent nuclear fuel comprising strontium, barium or cesium - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 대상으로, 600 ℃ 이하의 용융염 내에서 염소화 반응을 수행하여 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 단계; 및 (b) 상기 전환된 사용후 핵연료 염화물을 전기화학적인 방법으로 회수 및 증류하는 단계를 포함하는 사용후 핵연료의 처리방법에 관한 것이다. The present invention provides a method comprising the steps of: (a) converting a spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium, and cesium into spent nuclear fuel chloride by performing a chlorination reaction in molten salt at 600° C. or less; and (b) recovering and distilling the converted spent nuclear fuel chloride by an electrochemical method.

Description

스트론튬, 바륨 또는 세슘을 포함하는 사용후 핵연료의 처리방법{METHOD FOR TREATING SPENT NUCLEAR FUEL COMPRISING STRONTIUM, BARIUM OR CESIUM}A method for treating spent nuclear fuel containing strontium, barium or cesium

본 발명은 스트론튬, 바륨 또는 세슘을 포함하는 사용후 핵연료의 처리방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for the treatment of spent nuclear fuel comprising strontium, barium or cesium.

2019년 12월을 기준으로 하면 원전에서 발생한 사용후 핵연료는 총 482,592 다발이며, 2021년부터는 월성 중수로 사용후 핵연료 소내 임시저장 시설의 포화가 예상된다. 정부에서는 국가 현안인 사용후 핵연료 누적 문제 해결과 처분장 확보를 위한 노력을 기울이고 있으나, 국토가 좁고 인구밀도는 높아 광역의 양호한 심부암반을 확보하는데 어려움이 있는 실정이다.As of December 2019, a total of 482,592 bundles of spent nuclear fuel generated at the nuclear power plant are expected, and from 2021, the temporary storage facility in the Wolseong heavy water reactor is expected to be saturated. Although the government is making efforts to solve the national issue of spent nuclear fuel accumulation and secure a repository, it is difficult to secure good deep bedrock in a wide area due to the narrow land and high population density.

종래 기술에 따르면, 사용후 핵연료 내 대표적인 핵분열 생성물을 제거하기 위해 고온 전처리를 통해 휘발, 흡착시키는 공정을 수행할 수 있으나, 특히, Sr, Ba 등의 경우 끓는점이 높아 기존 공정을 통해 처리가 어려운 한계가 있었다. 따라서, 대표적인 핵분열 생성물로서, 스트론튬, 바륨 또는 세슘을 포함하는 사용후 핵연료를 효과적으로 처리하기 위한 연구가 필요하다. According to the prior art, in order to remove representative fission products in spent nuclear fuel, a process of volatilization and adsorption can be performed through high-temperature pretreatment. there was Therefore, as a representative fission product, there is a need for research to effectively treat spent nuclear fuel containing strontium, barium or cesium.

국내등록특허공보 제10-0766516호 (2007. 10. 05.)Domestic Patent Publication No. 10-0766516 (2007. 10. 05.)

본 발명은 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물에 고-액 반응으로서, 염소화 반응을 적용하여 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 높은 제거율로 처리하기 위한 것으로, (a) 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 대상으로, 600 ℃ 이하의 용융염 내에서 염소화 반응을 수행하여 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 단계; 및 (b) 상기 전환된 사용후 핵연료 염화물을 전기화학적인 방법으로 회수 및 증류하는 단계를 포함하는 사용후 핵연료의 처리방법 등을 제공하고자 한다. The present invention provides a solid-liquid reaction to a spent nuclear fuel oxide comprising at least one of strontium, barium and cesium for treating at least one of strontium, barium and cesium with a high removal rate by subjecting a chlorination reaction to a high removal rate, (a) converting the spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium and cesium into spent nuclear fuel chloride by performing a chlorination reaction in molten salt at a temperature of 600° C. or less; and (b) recovering and distilling the converted spent nuclear fuel chloride by an electrochemical method.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 (a) 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 대상으로, 600 ℃ 이하의 용융염 내에서 염소화 반응을 수행하여 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 단계; 및 (b) 상기 전환된 사용후 핵연료 염화물을 전기화학적인 방법으로 회수 및 증류하는 단계를 포함하는 사용후 핵연료의 처리방법을 제공한다. The present invention provides a method comprising the steps of: (a) converting a spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium, and cesium into spent nuclear fuel chloride by performing a chlorination reaction in molten salt at 600° C. or less; and (b) recovering and distilling the converted spent nuclear fuel chloride by an electrochemical method.

본 발명에 따르면, 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물에 고-액 반응으로서, 염소화 반응을 적용하여 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 높은 제거율로 처리할 수 있다. 따라서, 사용후 핵연료의 처분 면적을 저감하고 안전성을 강화할 수 있을 것으로 기대된다. According to the present invention, a chlorination reaction may be applied to a spent nuclear fuel oxide comprising at least one of strontium, barium and cesium as a solid-liquid reaction to treat at least one of strontium, barium and cesium with a high removal rate. Therefore, it is expected that the disposal area of spent nuclear fuel can be reduced and safety can be enhanced.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 사용후 핵연료의 처리방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2(a) 및 (b)는 실시예 1 및 2에 따른 염소화 반응을 수행한 결과, ICP를 이용하여, Sr 농도 또는 Ba 농도를 시간별로 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic diagram schematically illustrating a method for treating spent nuclear fuel according to an embodiment of the present invention.
2 (a) and (b) are graphs showing the Sr concentration or the Ba concentration by time using ICP as a result of performing the chlorination reaction according to Examples 1 and 2;

특히 경수로에서 발생하는 사용후 핵연료 산화물에는 SrO, BaO, Cs2O 등이 주로 포함되어 있는데, Sr, Ba 또는 Cs, 특히, Sr 및 Ba은 끓는점이 높아 기존 공정을 통해 처리하기 어려운 한계가 있었다. 따라서, Sr, Ba, Cs를 효과적으로 처리하기 위해, 최적화된 염소화 반응을 적용함으로써, 본 발명을 완성하였다. In particular, the spent nuclear fuel oxides generated in light water reactors mainly contain SrO, BaO, Cs 2 O, and the like. Sr, Ba, or Cs, in particular, Sr and Ba, have a high boiling point, making it difficult to treat them through existing processes. Therefore, the present invention was completed by applying an optimized chlorination reaction to effectively treat Sr, Ba, and Cs.

본 명세서 내 “사용후 핵연료 산화물”이라 함은 세슘, 스트론튬 및 바륨 중 하나 이상을 포함하는 산화물인 것을 특징으로 하는데, 경우에 따라, 상기 사용후 핵연료 산화물은 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 둘 이상을 포함하는 산화물이거나, 스트론튬, 바륨 및 세슘을 모두 포함하는 산화물일 수 있다. 이때, 스트론튬 또는 세슘은 고방열성 핵분열 생성물에 해당한다. 그밖에, 상기 사용후 핵연료 산화물은 UO2, U3O8, Ta2O5, TiO2 등 다양한 금속 산화물을 포함할 수 있다. 이때, 상기 사용후 핵연료 산화물은 경수로 또는 중수로에서 모두 발생할 수 있다. As used herein, the term “spent nuclear fuel oxide” is characterized as an oxide containing at least one of cesium, strontium, and barium. In some cases, the spent fuel oxide includes at least two of strontium, barium, and cesium. It may be an oxide or an oxide containing all of strontium, barium and cesium. In this case, strontium or cesium corresponds to a highly exothermic fission product. In addition, the spent nuclear fuel oxide may include various metal oxides such as UO 2 , U 3 O 8 , Ta 2 O 5 , and TiO 2 . In this case, the spent nuclear fuel oxide may be generated in both light and heavy water reactors.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 (a) 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 대상으로, 600 ℃ 이하의 용융염 내에서 염소화 반응을 수행하여 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 단계; 및 (b) 상기 전환된 사용후 핵연료 염화물을 전기화학적인 방법으로 회수 및 증류하는 단계를 포함하는 사용후 핵연료의 처리방법을 제공한다.The present invention provides a method comprising the steps of: (a) converting a spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium, and cesium into spent nuclear fuel chloride by performing a chlorination reaction in molten salt at 600° C. or less; and (b) recovering and distilling the converted spent nuclear fuel chloride by an electrochemical method.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 사용후 핵연료의 처리방법을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 1 is a schematic diagram schematically illustrating a method for treating spent nuclear fuel according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 구현예에 따른 사용후 핵연료의 처리방법은 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 전처리하는 단계(S10); 이를 600 ℃ 이하의 용융염 내에서 염소화 반응을 수행하여 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 단계(S20); 및 이를 전기화학적인 방법으로 회수한 후 증류시키는 단계(S30)를 포함하여 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 1 , the method for treating spent nuclear fuel according to an embodiment of the present invention includes the steps of pretreating the spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium, and cesium (S10); converting it into spent nuclear fuel chloride by performing a chlorination reaction in molten salt at a temperature of 600° C. or less (S20); and distilling it after recovering it by an electrochemical method (S30).

먼저, 본 발명에 따른 사용후 핵연료의 처리방법은 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 전처리하는 단계[(a) 단계]를 포함할 수 있다. First, the method for treating spent nuclear fuel according to the present invention may include a step [step (a)] of pretreating the spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium, and cesium.

상기 전처리는 상기 사용후 핵연료 산화물을 분말 형태로 제조하기 위한 것으로, 구체적으로, 상기 전처리는 산소 농도가 10% 내지 60%인 공기 분위기 하에서, 1 ℃/분 내지 10 ℃/분의 속도로 승온한 다음, 300 ℃ 내지 700 ℃의 온도에서 10 분 내지 90 분 동안 열처리하는 단계를 통해 수행될 수 있다. 상기와 같은 최적화된 전처리 조건을 통해, 세슘, 스트론튬 또는 바륨을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 평균 입자 크기가 10 nm 내지 100 ㎛, 바람직하게, 0.5 ㎛ 내지 50 ㎛인 분말 형태로 제어할 수 있으므로, 후술하는 염소화 반응 효율을 최대화시킬 수 있는 이점이 있다. The pretreatment is to prepare the spent nuclear fuel oxide in powder form, and specifically, the pretreatment is performed in an air atmosphere having an oxygen concentration of 10% to 60%, and the temperature is increased at a rate of 1°C/min to 10°C/min. Next, it may be carried out through the step of heat treatment at a temperature of 300 ℃ to 700 ℃ for 10 minutes to 90 minutes. Through the optimized pretreatment conditions as described above, the spent nuclear fuel oxide containing cesium, strontium or barium can be controlled in a powder form having an average particle size of 10 nm to 100 μm, preferably 0.5 μm to 50 μm, There is an advantage that can maximize the chlorination reaction efficiency to be described later.

다음으로, 본 발명에 따른 사용후 핵연료의 처리방법은 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 대상으로, 600 ℃ 이하의 용융염 내에서 염소화 반응을 수행하여 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 단계를 포함한다. Next, the spent nuclear fuel treatment method according to the present invention performs a chlorination reaction in a molten salt of 600° C. or less on a spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium, and cesium to give spent nuclear fuel chloride converting to .

상기 사용후 핵연료 산화물은 평균 입자 크기가 10 nm 내지 100 ㎛인 분말 형태일 수 있고, 이로써, 상기 염소화 반응 효율을 최대화시킬 수 있다.The spent nuclear fuel oxide may be in the form of a powder having an average particle size of 10 nm to 100 μm, thereby maximizing the efficiency of the chlorination reaction.

상기 염소화 반응은 600 ℃ 이하의 용융염 내에서 수행되는 고-액 반응에 해당한다. 상기 염소화 반응을 통하여 사용후 핵연료 산화물을 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 것을 특징으로 하는데, 특히, 산화스트론튬, 산화바륨 및 산화세슘 중 하나 이상을 염화스트론튬, 염화바륨 및 염화세슘 중 하나 이상으로 전환시키는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 사용후 핵연료 염화물은 액체 상태일 수 있다. The chlorination reaction corresponds to a solid-liquid reaction carried out in molten salt at 600° C. or less. It is characterized in that the spent nuclear fuel oxide is converted into the spent nuclear fuel chloride through the chlorination reaction. In particular, it is characterized in that at least one of strontium oxide, barium oxide and cesium oxide is converted into at least one of strontium chloride, barium chloride and cesium chloride. characterized in that In this case, the spent nuclear fuel chloride may be in a liquid state.

구체적으로, 상기 염소화 반응을 통해, 하기 식 (1)과 같이 산화스트론튬을 염화스트론튬으로 전환시킬 수 있다: Specifically, through the chlorination reaction, strontium oxide can be converted into strontium chloride as shown in the following formula (1):

2 LiCl + SrO → Li2O + SrCl2 (1)2 LiCl + SrO → Li 2 O + SrCl 2 (1)

하기 표 1에 나타난 바에 따르면, 상기 산화스트론튬의 경우, G가 음의 값인(즉, 자발적인 반응이 일어나는) 최고 온도가 600 ℃인 것으로 확인되고, 그 이상의 온도에서는 자발적인 반응이 일어나지 않는 것으로 확인된다. As shown in Table 1 below, in the case of the strontium oxide, it is confirmed that the highest temperature at which G is a negative value (that is, a spontaneous reaction occurs) is 600° C., and at a temperature higher than that, it is confirmed that the spontaneous reaction does not occur.

온도 (℃)Temperature (℃) ΔH (kJ)ΔH (kJ) ΔS (J/K)ΔS (J/K) ΔG (kJ)ΔG (kJ) KK 00 -22.897-22.897 -20.707-20.707 -17.241-17.241 1.983E+0031.983E+003 100100 -23.906-23.906 -23.898-23.898 -14.989-14.989 1.254E+0021.254E+002 200200 -24.568-24.568 -25.479-25.479 -12.513-12.513 2.407E+0012.407E+001 300300 -25.121-25.121 -26.541-26.541 -9.909-9.909 8.001E+0008.001E+000 400400 -25.621-25.621 -27.346-27.346 -7.213-7.213 3.628E+0003.628E+000 500500 -25.942-25.942 -27.795-27.795 -4.452-4.452 1.999E+0001.999E+000 600600 -25.879-25.879 -27.725-27.725 -1.671-1.671 1.259E+0001.259E+000 700700 -65.194-65.194 -72.276-72.276 5.1415.141 5.297E-0015.297E-001

또한, 상기 염소화 반응을 통해, 하기 식 (2)와 같이 산화바륨을 염화바륨으로 전환시킬 수 있다: In addition, through the chlorination reaction, barium oxide can be converted into barium chloride as shown in the following formula (2):

LiCl + BaO → Li2O + BaCl2 (2)LiCl + BaO → Li 2 O + BaCl 2 (2)

하기 표 2에 나타난 바에 따르면, 상기 산화바륨의 경우, 염소화 반응의 온도가 600 ℃ 이하인 경우에, 자발적인 반응이 충분히 잘 일어나는 것으로 확인된다. 한편, 그 이상의 온도에서도 자발적인 반응이 일어나지만, 그 반응성이 저하되는 문제점이 있다. As shown in Table 2 below, in the case of the barium oxide, when the temperature of the chlorination reaction is 600° C. or less, it is confirmed that the spontaneous reaction occurs sufficiently well. On the other hand, although a spontaneous reaction occurs even at a temperature higher than that, there is a problem in that the reactivity is lowered.

온도 (℃)Temperature (℃) ΔH (kJ)ΔH (kJ) ΔS (J/K)ΔS (J/K) ΔG (kJ)ΔG (kJ) KK 00 -88.184-88.184 -28.048-28.048 -80.522-80.522 2.510E+0152.510E+015 100100 -89.435-89.435 -31.994-31.994 -77.497-77.497 7.065E+0107.065E+010 200200 -90.392-90.392 -34.271-34.271 -74.176-74.176 1.547E+0081.547E+008 300300 -91.280-91.280 -35.976-35.976 -70.661-70.661 2.756E+0062.756E+006 400400 -92.135-92.135 -37.351-37.351 -66.992-66.992 1.581E+0051.581E+005 500500 -92.917-92.917 -38.436-38.436 -63.200-63.200 1.863E+0041.863E+004 600600 -93.558-93.558 -39.218-39.218 -59.315-59.315 3.537E+0033.537E+003 700700 -133.974-133.974 -84.958-84.958 -51.297-51.297 5.671E+0025.671E+002

또한, 상기 염소화 반응을 통해, 하기 식 (3)과 같이 산화세슘을 염화세슘으로 전환시킬 수 있다:In addition, through the chlorination reaction, cesium oxide can be converted into cesium chloride as shown in the following formula (3):

Cs2O + 2LiCl → 2CsCl + Li2O (3)Cs 2 O + 2LiCl → 2CsCl + Li 2 O (3)

하기 표 3에 나타난 바에 따르면, 상기 산화 세슘의 경우, 염소화 반응의 온도가 600 ℃ 이하인 경우에, 자발적인 반응이 충분히 잘 일어나는 것으로 확인된다. 한편, 그 이상의 온도에서도 자발적인 반응이 일어나지만, 그 반응성이 상대적으로 저하되는 문제점이 있다. As shown in Table 3 below, in the case of the cesium oxide, it is confirmed that the spontaneous reaction occurs sufficiently well when the temperature of the chlorination reaction is 600° C. or less. On the other hand, although a spontaneous reaction occurs at a temperature higher than that, there is a problem in that the reactivity is relatively lowered.

온도 (℃)Temperature (℃) ΔH (kJ)ΔH (kJ) ΔS (J/K)ΔS (J/K) ΔG (kJ)ΔG (kJ) KK 00 -319.235-319.235 -24.385-24.385 -312.574-312.574 6.009E+0596.009E+059 100100 -320.353-320.353 -27.917-27.917 -309.936-309.936 2.451E+0432.451E+043 200200 -321.198-321.198 -29.925-29.925 -307.039-307.039 7.929E+0337.929E+033 300300 -322.157-322.157 -31.757-31.757 -303.955-303.955 5.054E+0275.054E+027 400400 -323.368-323.368 -33.698-33.698 -300.684-300.684 2.159E+0232.159E+023 500500 -338.574-338.574 -53.355-53.355 -297.323-297.323 1.228E+0201.228E+020 600600 -339.484-339.484 -54.460-54.460 -291.932-291.932 2.923E+0172.923E+017 700700 -338.770-338.770 -55.468-55.468 -284.791-284.791 1.939E+0151.939E+015 800800 -337.827-337.827 -54.551-54.551 -279.286-279.286 3.937E+0133.937E+013 900900 -336.209-336.209 -53.114-53.114 -273.898-273.898 1.572E+0121.572E+012 10001000 -333.867-333.867 -51.203-51.203 -268.679-268.679 1.057E+0111.057E+011

다시 말해, 상기 염소화 반응의 온도는 상기 용융염이 용융된 상태를 유지하면서도(즉, 상기 용융염의 융점 이상이면서도), 600 ℃ 이하인 것, 바람직하게, 500 ℃ 이하인 것, 더욱 바람직하게, 400 ℃ 이하인 것을 특징으로 한다. In other words, the temperature of the chlorination reaction is 600 ° C or lower, preferably 500 ° C or lower, more preferably 400 ° C or lower while maintaining the molten salt in a molten state (that is, above the melting point of the molten salt). characterized in that

상기 염소화 반응을 수행하기 위한 용융염은 LiCl을 포함하는 공융염일 수 있고, 상기 사용후 핵연료 산화물에 존재하는 산화스트론튬, 산화바륨 및 산화세슘 중 하나 이상과 반응할 수 있다. 구체적으로, 상기 공융염은 LiCl-KCl 공융염일 수 있다. 구체적으로, LiCl-KCl(공융염)의 융점이 353 ℃인 점을 고려하면, 상기 염소화 반응의 온도는 353 ℃ 내지 600 ℃ 이하일 수 있다. 한편, LiCl을 포함하지 않은 공융염의 경우에는, 예컨대, KCl-NaCl 공융염의 경우에는, 산화스트론튬, 산화바륨 및 산화세슘 중 하나 이상과 열역학적으로 반응하지 않으므로, 상기 염소화 반응을 수행하기 위한 용융염으로 사용할 수 없다. 또한, LiCl(단독 용융염)의 융점은 605 ℃이기 때문에, 상기 염소화 반응을 수행하기 위한 용융염으로 사용할 수 없다. The molten salt for performing the chlorination reaction may be a eutectic salt including LiCl, and may react with at least one of strontium oxide, barium oxide, and cesium oxide present in the spent nuclear fuel oxide. Specifically, the eutectic salt may be a LiCl-KCl eutectic salt. Specifically, considering that the melting point of LiCl-KCl (eutectic salt) is 353 °C, the temperature of the chlorination reaction may be 353 °C to 600 °C or less. On the other hand, in the case of a eutectic salt that does not contain LiCl, for example, in the case of a KCl-NaCl eutectic salt, it does not thermodynamically react with at least one of strontium oxide, barium oxide, and cesium oxide, so it is a molten salt for performing the chlorination reaction. Can not use it. In addition, since the melting point of LiCl (solar molten salt) is 605°C, it cannot be used as a molten salt for performing the chlorination reaction.

다음으로, 본 발명에 따른 사용후 핵연료의 처리방법은 상기 전환된 사용후 핵연료 염화물을 전기화학적인 방법으로 회수 및 증류하는 단계[(b) 단계]를 포함한다. Next, the method for treating spent nuclear fuel according to the present invention includes the step of recovering and distilling the converted spent nuclear fuel chloride by an electrochemical method [step (b)].

상기 전환된 사용후 핵연료 염화물을 전기화학적인 방법으로 환원시켜 회수할 수 있고, 상기 전기화학적인 방법으로 회수는 전기화학적인 방법으로 회수는 액체전극을 이용하되, Li+ 양이온의 환원 전위에 해당하는 약 -2.5 V (vs. Ag/AgCl) 보다 양의 전압인, -0.5 V 내지 -2.5 V 조건에서 수행될 수 있다. 한편, Li+ 양이온의 환원 전위에 해당하는 약 -2.5 V (vs. Ag/AgCl) 보다 음의 전압에서 수행된다면, 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상 외에 리튬이 공전착되고, 추후 리튬을 별도로 분리해야만 각 원소를 단독으로 재활용할 수 있고, 처분 안정성을 높일 수 있다. 따라서, 리튬이 공전착되지 않도록 인가하는 전압을 조절할 필요가 있다. The converted spent nuclear fuel chloride can be recovered by reducing it by an electrochemical method, and the recovery by the electrochemical method is an electrochemical method, and the recovery is performed using a liquid electrode, but corresponding to the reduction potential of Li + cation About -2.5 V (vs. Ag/AgCl), which is a positive voltage, it may be carried out at -0.5 V to -2.5 V conditions. On the other hand, if it is performed at a voltage more negative than about -2.5 V (vs. Ag/AgCl) corresponding to the reduction potential of Li + cations, lithium is co-electrodeposited in addition to one or more of strontium, barium, and cesium, and then lithium is separated separately Only then can each element be recycled independently and disposal stability can be improved. Therefore, it is necessary to adjust the applied voltage so that lithium is not electrodeposited.

구체적으로, 상기 염소화 반응이 완료되어, 상기 전환된 사용후 핵연료 염화물이 용해된 용융염(이하, "추출용융염")을 500 ℃ 내지 600 ℃로 유지시킨 다음, 여기에, Bi, Zn, Sn 등의 재질 액체음극, glassy carbon, Pt 등의 재질 양극 및 기준 전극을 각각 침지시킨다. 그 다음, 액체 음극에는 추출용융염 Li+ 양이온의 환원 전위보다 양의 전압을 인가하여 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상만 액체전극의 재질(Bi 등)과 함께 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성시킬 수 있다. 한편, 액체 음극에 추출용융염 Li+ 양이온의 환원 전위보다 음의 전압을 인가하면 리튬-액체전극의 재질(Bi 등)과 함께 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 회수하게 된다. 한편, 양극에서는 염소가스가 발생할 수 있다.Specifically, after the chlorination reaction is completed, the converted spent nuclear fuel chloride dissolved molten salt (hereinafter, "extraction molten salt") is maintained at 500° C. to 600° C., and then, Bi, Zn, Sn Materials such as liquid anode, glassy carbon, Pt, etc. Anode and reference electrode are immersed, respectively. Then, a voltage more positive than the reduction potential of the extraction molten salt Li + cation is applied to the liquid negative electrode to form an intermetallic compound with only one or more of strontium, barium, and cesium with the material of the liquid electrode (Bi, etc.) can do it On the other hand, if a voltage negative than the reduction potential of the extracted molten salt Li + cation is applied to the liquid negative electrode, at least one of strontium, barium, and cesium is recovered together with the lithium-liquid electrode material (Bi, etc.). Meanwhile, chlorine gas may be generated at the anode.

이후, 상기 회수된 물질을 증류시킬 수 있는데, 상기 회수된 물질이 핵분열 생성물 및 액체전극의 재질(Bi 등)로부터 형성된 금속간 화합물(intermetallic compound)인 점을 고려하면, 상기 증류는 상기 액체 전극의 재질의 녹는점 이상의 온도에서 수행될 수 있고, 구체적으로, 250 ℃ 내지 1200 ℃의 온도, 바람직하게, 300 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 따라서, 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상 만을 최종 회수할 수 있다. Thereafter, the recovered material may be distilled. Considering that the recovered material is an intermetallic compound formed from a nuclear fission product and a material (such as Bi) of a liquid electrode, the distillation is It may be carried out at a temperature higher than the melting point of the material, and specifically, it may be carried out at a temperature of 250 °C to 1200 °C, preferably at a temperature of 300 °C to 1200 °C. Therefore, only one or more of strontium, barium and cesium can be finally recovered.

본 발명에 따르면, 스트론튬 또는 바륨을 포함하는 사용후 핵연료 산화물에 고-액 반응으로서, 염소화 반응을 적용하여 스트론튬, 바륨, 또는 세슘을 높은 제거율로 처리할 수 있다. 따라서, 사용후 핵연료의 처분 면적을 저감하고 안전성을 강화할 수 있을 것으로 기대된다. According to the present invention, a chlorination reaction can be applied to a spent nuclear fuel oxide containing strontium or barium as a solid-liquid reaction to treat strontium, barium, or cesium with a high removal rate. Therefore, it is expected that the disposal area of spent nuclear fuel can be reduced and safety can be enhanced.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are presented to help the understanding of the present invention. However, the following examples are only provided for easier understanding of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1Example 1

전처리를 통한, SrO를 포함하는 분말 형태의 시료[평균 입자 크기 = 0.5~50 ㎛]를 대상으로, 약 500 ℃ 의 LiCl-KCl 공융염 내에서 1~3 시간 동안 염소화 반응을 수행하였고(LiCl-KCl 공융염 내 SrO의 농도 = 0.064~0.557 wt%), ICP를 이용하여 분석을 수행하였으며, 그 결과는 도 2(a)에 나타내었다. The pre-treatment was carried out on a powder-type sample containing SrO [average particle size = 0.5-50 μm], and a chlorination reaction was performed for 1 to 3 hours in LiCl-KCl eutectic salt at about 500 ° C (LiCl- Concentration of SrO in KCl eutectic salt = 0.064 to 0.557 wt%), analysis was performed using ICP, and the results are shown in FIG. 2(a).

도 2(a)에 나타난 바에 따르면, LiCl-KCl 공융염 내 초기(즉, 염소화 반응 전) Sr의 농도는 0.054~0.471 wt%(이때, Sr은 출발물질인 SrO에 존재하는 원소)인 것으로 확인된다. 출발물질인 SrO는 과량 LiCl의 존재로 인해 SrCl2로 100% 전환된다는 전제 하에, 측정 오차를 고려하더라도 LiCl-KCl 공융염 내 1시간 후 Sr의 농도와 LiCl-KCl 공융염 내 3시간 후 Sr의 농도는 서로 유사한 것(이때, Sr은 생성물질인 SrCl2에 존재하는 원소)으로 보아, 염소화 반응은 1시간 이내에 모두 완료된 것으로 볼 수 있다. As shown in FIG. 2(a), the initial (ie, before chlorination) concentration of Sr in the LiCl-KCl eutectic salt is 0.054 to 0.471 wt% (in this case, Sr is an element present in the starting material SrO). do. Under the premise that the starting material SrO is 100% converted to SrCl 2 due to the presence of excess LiCl, the concentration of Sr after 1 hour in LiCl-KCl eutectic salt and the concentration of Sr after 3 hours in LiCl-KCl eutectic salt even if measurement error is taken into account Considering that the concentrations are similar to each other (in this case, Sr is an element present in the product SrCl 2 ), it can be seen that the chlorination reaction was completed within 1 hour.

이후, 추출용융염을 약 500 ℃로 유지시킨 다음, 여기에, Bi 재질 액체음극, glassy carbon 재질 양극 및 기준 전극을 각각 침지시킨다. 그 다음, Bi 재질 액체음극에 -0.5 ~ -2.5 V 의 전압을 인가한 후, 약 300 ℃의 온도에서 감압증류하여 Sr만을 최종 회수하였다. After that, the extraction molten salt is maintained at about 500° C., and then, a Bi material liquid cathode, a glassy carbon material anode, and a reference electrode are immersed therein, respectively. Then, after applying a voltage of -0.5 to -2.5 V to the Bi-material liquid anode, it was distilled under reduced pressure at a temperature of about 300° C. to finally recover only Sr.

실시예 2Example 2

전처리를 통한, BaO를 포함하는 분말 형태의 시료[평균 입자 크기 = 0.5~50 ㎛]를 대상으로, 약 500 ℃ 의 LiCl-KCl 공융염 내에서 1~3 시간 동안 염소화 반응을 수행하였고(LiCl-KCl 공융염 내 BaO의 농도 = 0.153~1.363 wt%), ICP를 이용하여 분석을 수행하였으며, 그 결과는 도 2(b)에 나타내었다. The pre-treatment was carried out on a sample in the form of a powder containing BaO [average particle size = 0.5-50 μm], and a chlorination reaction was performed for 1 to 3 hours in LiCl-KCl eutectic salt at about 500 ° C (LiCl- Concentration of BaO in KCl eutectic salt = 0.153 to 1.363 wt%), analysis was performed using ICP, and the results are shown in FIG. 2(b).

도 2(b)에 나타난 바에 따르면, LiCl-KCl 공융염 내 초기(즉, 염소화 반응 전) Ba의 농도는 0.137~1.220 wt%(이때, Ba는 출발물질인 BaO에 존재하는 원소)인 것으로 확인된다. 출발물질인 BaO는 과량 LiCl의 존재로 인해 BaCl2로 100% 전환된다는 전제 하에, 측정 오차를 고려하더라도 LiCl-KCl 공융염 내 1시간 후 Ba의 농도와 LiCl-KCl 공융염 내 3시간 후 Ba의 농도는 서로 유사한 것(이때, Sr은 생성물질인 BaCl2에 존재하는 원소)으로 보아, 염소화 반응은 1시간 이내에 모두 완료된 것으로 볼 수 있다.As shown in FIG. 2(b), the initial concentration of Ba in the LiCl-KCl eutectic salt (that is, before the chlorination reaction) is 0.137 to 1.220 wt% (in this case, Ba is an element present in BaO, the starting material). do. Under the premise that the starting material BaO is 100% converted to BaCl 2 due to the presence of excess LiCl, the concentration of Ba in the LiCl-KCl eutectic salt after 1 hour and the Ba concentration after 3 hours in the LiCl-KCl eutectic salt even if the measurement error is considered. Considering that the concentrations are similar to each other (in this case, Sr is an element present in the product BaCl 2 ), it can be seen that the chlorination reaction was completed within 1 hour.

이후, 추출용융염을 약 500 ℃로 유지시킨 다음, 여기에, Bi 재질 액체음극, glassy carbon 재질 양극 및 기준 전극을 각각 침지시킨다. 그 다음, Bi 재질 액체음극에 -0.5 ~ -2.5 V 의 전압을 인가한 후, 약 300 ℃의 온도에서 감압증류하여 Ba 만을 최종 회수하였다. After that, the extraction molten salt is maintained at about 500° C., and then, a Bi material liquid cathode, a glassy carbon material anode, and a reference electrode are immersed therein, respectively. Then, after applying a voltage of -0.5 to -2.5 V to the Bi-material liquid anode, it was distilled under reduced pressure at a temperature of about 300° C. to finally recover only Ba.

실시예 3Example 3

전처리를 통한, Cs2O를 포함하는 분말 형태의 시료[평균 입자 크기 = 0.5~50 ㎛]를 대상으로, 약 500 ℃ 의 LiCl-KCl 공융염 내에서 1~3 시간 동안 염소화 반응을 수행하였고(LiCl-KCl 공융염 내 Cs2O의 농도 = 0.124~1.113 wt%), ICP를 이용하여 분석을 수행하였다. 도면으로 도시하지 않았으나, 염소화 반응은 1시간 이내에 모두 완료된 것으로 확인된다.Through pretreatment, a chlorination reaction was performed for 1 to 3 hours in a LiCl - KCl eutectic salt at about 500 ° C. Concentration of Cs 2 O in LiCl-KCl eutectic salt = 0.124 to 1.113 wt%), analysis was performed using ICP. Although not shown in the drawings, it is confirmed that the chlorination reaction was all completed within 1 hour.

이후, 추출용융염을 약 500 ℃로 유지시킨 다음, 여기에, Bi 재질 액체음극, glassy carbon 재질 양극 및 기준 전극을 각각 침지시킨다. 그 다음, Bi 재질 액체음극에 -0.5 ~ -2.5 V 의 전압을 인가한 후, 약 300 ℃의 온도에서 감압증류하여 Cs 만을 최종 회수하였다. After that, the extraction molten salt is maintained at about 500° C., and then, a Bi material liquid cathode, a glassy carbon material anode, and a reference electrode are immersed therein, respectively. Then, after applying a voltage of -0.5 to -2.5 V to the Bi-material liquid anode, it was distilled under reduced pressure at a temperature of about 300° C. to finally recover only Cs.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. The foregoing description of the present invention is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (9)

(a) 스트론튬, 바륨 및 세슘 중 하나 이상을 포함하는 사용후 핵연료 산화물을 대상으로, 600 ℃이하의 용융염 내에서 염소화 반응을 수행하여 사용후 핵연료 염화물로 전환시키는 단계; 및
(b) 상기 전환된 사용후 핵연료 염화물을 전기화학적인 방법으로 회수 및 증 류하는 단계를 포함하고,
상기 (a) 단계에서 사용후 핵연료 산화물은 산소 농도가 10% 내지 60%인 공기 분위기 하에서, 1 ℃/분 내지 10 ℃/분의 속도로 승온한 다음, 300 ℃내지 700 ℃의 온도에서 10 분 내지 90 분 동안 열처리하는 단계를 통해 전처리된 것인 사용후 핵연료의 처리방법.
(a) converting a spent nuclear fuel oxide containing at least one of strontium, barium, and cesium into spent nuclear fuel chloride by performing a chlorination reaction in molten salt at a temperature of 600° C. or less; and
(b) recovering and distilling the converted spent nuclear fuel chloride by an electrochemical method;
In step (a), the spent nuclear fuel oxide is heated at a rate of 1°C/min to 10°C/min in an air atmosphere having an oxygen concentration of 10% to 60%, and then at a temperature of 300°C to 700°C for 10 minutes. A method of treating spent nuclear fuel that has been pre-treated through the step of heat-treating for 90 minutes.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 사용후 핵연료 산화물은 평균 입자 크기가 10 nm 내지 100 ㎛인 분말 형태인 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료의 처리방법.
According to claim 1,
The spent nuclear fuel oxide in step (a) is a method for treating spent nuclear fuel, characterized in that it is in the form of a powder having an average particle size of 10 nm to 100 μm.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 용융염은 LiCl을 포함하는 공융염이고, 상기 사용후 핵연료 산화물에 존재하는 산화스트론튬, 산화바륨 및 산화세슘 중 하나 이상과 반응하는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료의 처리방법.
According to claim 1,
In step (a), the molten salt is a eutectic salt containing LiCl, and it is characterized in that it reacts with at least one of strontium oxide, barium oxide and cesium oxide present in the spent nuclear fuel oxide. .
제4항에 있어서,
상기 공융염은 LiCl-KCl 공융염인 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료의 처리방법.
5. The method of claim 4,
The eutectic salt is a LiCl-KCl eutectic salt, characterized in that, spent nuclear fuel treatment method.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 사용후 핵연료 염화물은 액체 상태인 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료의 처리방법.
According to claim 1,
In the step (a), the spent nuclear fuel chloride is in a liquid state, characterized in that the spent nuclear fuel treatment method.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 사용후 핵연료 염화물은 염화스트론튬, 염화바륨 및 염화세슘 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료의 처리방법.
According to claim 1,
In the step (a), the spent nuclear fuel chloride comprises at least one of strontium chloride, barium chloride and cesium chloride.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 전기화학적인 방법으로 회수는 액체전극을 이용하되, -0.5 V 내지 -2.5 V 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료의 처리방법.
According to claim 1,
The method of treating spent nuclear fuel, characterized in that the recovery by the electrochemical method in step (b) is performed using a liquid electrode, but under -0.5 V to -2.5 V conditions.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 증류는 250 ℃ 내지 1200 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 사용후 핵연료의 처리방법.
According to claim 1,
The method of treating spent nuclear fuel, characterized in that the distillation in step (b) is performed at a temperature of 250 °C to 1200 °C.
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