KR102579206B1 - 육불화우라늄을 이산화우라늄으로 변환하기 위한 설비 및 방법 - Google Patents
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Abstract
육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비는, UF6를 우라늄옥시플루오라이드 분말(UO2F2)로 변환하기 위한 가수 분해 반응기(4); 반응기(4)에 의해 공급된 UO2F2 분말을 UO2 분말로 변환하는 열 가수 분해로(6); UF6, 수증기 또는 H2의 주입을 위한 시약 주입 도관(10)을 포함하는 공급 장치(8); 및 변환 설비의 셧다운 또는 시동 단계 동안, 시약 주입 도관(10) 중 적어도 하나에 중성 가스를 공급하기 위해 공급 장치(8)를 제어하도록 설계된 제어 시스템(16)을 포함한다.
Description
본 발명은 특히, 핵연료봉용 UO2 펠릿의 제작을 위해 의도된 이산화우라늄(UO2) 분말의 제조 분야에 관한 것이다.
육불화우라늄(UF6) 형태로 우라늄을 농축시키는 것이 가능하다. 그러나, UO2 펠릿을 제조하기 위해서는 UF6를 UO2로 변환시켜야 한다.
이를 위해, UF6 가스와 건조 수증기를 반응기에 주입하여 UO2F2 분말을 얻은 다음, UO2F2 분말을 노(furnace)에서 열 가수 분해에 의해 UO2 분말로 변환하고, 노에서 UO2F2 분말을 순환시키고 노에 건조 수증기와 수소(H2) 가스를 주입함으로써, 반응기에서 가수 분해에 의해 기체 UF6를 옥시불화우라늄(UO2F2)으로 변환할 수 있다.
가수 분해 반응은 중성 가스(또는 불활성 가스) 분위기하에서, 바람직하게는 질소 분위기하에서 실행된다. 이를 위해, 중성 가스가 반응기에 주입되어 반응기를 스위핑하는 가스 흐름을 형성한다.
US 6136285 및 US 7824640은 이러한 변환 방법을 실행하기 위한 가수 분해 반응기 및 열 가수 분해로를 포함하는, UF6를 UO2로 변환하기 위한 설비를 개시한다.
UO2를 제조할 때, 안전 및 보안(임계성) 이유로 변환 설비 내에서의 우라늄(U)의 임의의 축적을 회피하는 것이 바람직하다. 게다가, 연속적인 UF6 → UO2F2 → UO2 변환으로 인한 부산물 중 하나는, 매우 독성이 있고 부식성이 강한 불화수소(HF) 가스이다. 이는, 따라서, 변환 설비 외부측에서 HF를 지속적으로 진공배기하고 보관하는 것을 보장하는 것이 중요하다.
변환 설비의 시기 적절하지 않거나 예정된 셧다운 동안, 설비에 반응 생성물 또는 시약이 축적될 우려가 있다. 그 다음, 설비 내부측의 임계 U 형 질량(critical U-shaped mass)에 도달하지 않도록 주의하고, 한편으로는 수소와 산소간의 임의의 반응(폭발 위험), 그리고 다른 한편으로는 HF와 H2O간의 임의의 반응(불산 형성)을 회피하고 분말의 응집으로 인해 설비가 막히는 것을 유발하지 않으면서, 최대한의 안전 및 보안 구성으로 설비를 유지할 필요가 있다.
게다가, 가스 형태로 설비에 주입된 UF6는 그의 승화 온도(1atm에서 56.4℃) 미만에서 결정화된다. UF6의 결정화는, 설비의 가동 부분을 강하게 차단하고 반응기에 반응성 가스를 주입하는 장치를 차단시키게 된다.
더욱이, 설비에 반응성 또는 반응 생성물이 존재하면 설비의 셧다운시에 개입해야 하는 작업자의 안전에 위험을 초래할 수 있다. 설비 개방시의 주요 위험은, 설비 내의 공기의 결여(작업자 무산소증), HF의 독성, 우라늄에 의한 내부 및 외부 오염 위험과 관련이 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 설비의 셧다운 단계 동안 설비의 안전 및 보안이 개선되는, UF6를 UO2로 변환하기 위한 설비를 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비를 제공하며, 변환 설비는,
가수 분해 반응기(4) ― 이는 반응기(4)에 주입된 기체 UF6과 건조 수증기 사이의 반응에 의해 UF6를 우라늄옥시플루오라이드 분말(UO2F2)로 변환시킴 ―;
열 가수 분해로 ― 이는 반응기에 의해 공급된 UO2F2 분말을 노에 주입된 건조 수증기 및 기체 수소(H2)와 반응시킴으로써 UO2F2 분말을 UO2 분말로 변환시킴 ―;
UF6, 수증기 또는 H2의 주입을 위한 시약 주입 도관을 포함하는 공급 장치 ― 각각의 시약 주입 도관은 반응기 또는 노에 공급하도록 설계됨 ―, 및
변환 설비의 셧다운 또는 시동 단계 동안, 시약 주입 도관 중 적어도 하나에 중성 가스를 공급하기 위해 공급 장치를 제어하도록 설계된 제어 시스템을 포함한다.
특정 실시예에 따르면, 변환 설비는 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합으로 취해진 다음의 선택적 특성 중 하나 이상을 포함한다:
제어 시스템은 변환 설비의 셧다운 또는 시동 동안 각각의 시약 주입 도관에 중성 가스를 공급하도록 공급 장치를 제어하도록 설계되며;
공급 장치는, 시약 주입 도관에 추가하여, 중성 가스 분위기에서 UF6를 UO2로 변환하기 위한 제조 단계 동안 반응기에 중성 가스를 주입하기 위한 적어도 하나의 중성 가스 주입 도관을 포함하고;
공급 장치는, UF6의 제트와 반응기로 개방된 시약 주입 도관으로부터 나오는 수증기의 제트를 분리하는 중성 가스 제트를 형성함으로써, 반응기에 중성 가스를 공급하기 위한 중성 가스 주입 도관을 포함하며;
제어 시스템은, 변환 설비에서 우라늄의 이동 방향을 고려하여, 변환 설비의 상류에서 하류로 또는 하류에서 상류로 순차적으로 시약 주입 도관을 공급함으로써; 시약 주입 도관 각각에 중성 가스를 공급하도록 설계되고;
변환 설비의 셧다운 단계에서, 제어 시스템은 연속적으로, 반응기로의 UF6 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 반응기로의 건조 수증기 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 선택적으로, 반응기로부터 모든 UO2F2 분말을 제거한 후, 반응기로부터 노로 UO2F2 분말을 전달하도록 설계된 전달 장치를 정지한 다음, 노로의 H2 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 노로의 건조 수증기 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 선택적으로, 노로부터 모든 UO2 분말을 진공배기하고 그리고 노의 드럼을 냉각한 후, 드럼의 회전을 정지하도록 설계되며;
변환 설비의 시동 단계 동안, 제어 시스템은 연속적으로, 변환 설비의 가열 단계의 기간 동안 시약 주입 도관과 중성 가스 주입 도관을 통해 반응기와 노에 중성 가스를 주입하고; 그 다음, 변환 설비에서 우라늄의 이동 방향을 고려하여, 시약 주입 도관에 반응 가스를 변환 설비의 하류에서 상류로 순차적으로 공급함으로써, 노와 반응기의 시약 주입 도관을 통한 중성 가스 공급을 반응성 가스 공급 장치로 교체하도록 설계된다.
또한, 본 발명은 변환 설비에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 변환 설비는 가수 분해 반응기 ― 이는 반응기에 주입된 기체 UF6과 건조 수증기 사이의 반응에 의해 UF6를 우라늄옥시플루오라이드 분말(UO2F2)로 변환시킴 ― ; 및 열 가수 분해로 ― 이는 반응기에 의해 공급된 UO2F2 분말을 건조 수증기와 노에 주입된 수소(H2) 가스와 반응시킴으로써 UO2F2 를 UO2 분말로 변환시킴 ― 를 포함하고, 상기 방법은,
변환 단계 동안, 시약 주입 도관을 통해 반응기와 노에 반응성 가스를 공급함으로써 UF6를 UO2로 변환하는 단계 ― 각각의 시약 주입 도관은 반응기로 또는 노로 개방됨 ―; 및
변환 설비의 셧다운 또는 시동 단계 동안 하나 이상의 시약 주입 도관에 중성 가스를 공급하는 단계를 포함한다.
특정 구현 모드에 따르면, 변환 방법은 개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합으로 취해지는 다음과 같은 선택적 특성 중 하나 이상을 포함한다:
변환 설비의 셧다운 또는 시동 단계 동안, 각각의 시약 주입 도관에는 중성 가스가 공급되며;
제조 단계 동안, 중성 가스 분위기하에서 변환을 실행하기 위해 적어도 하나의 중성 가스 주입 도관을 통해 중성 가스가 반응기에 주입되고;
변환 설비의 셧다운은, 우라늄의 이동 방향을 고려하여, 변환 설비의 상류에서 하류로 순차적으로 중성 가스를 시약 주입 도관에 공급하는 퍼징 단계를 포함하고;
이는, 변환 설비의 셧다운 단계에서, 반응기로의 UF6 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 반응기로의 건조 수증기 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 선택적으로, 반응기로부터 모든 UO2F2 분말을 제거한 후, 반응기로부터 노로 UO2F2 분말을 전달하도록 설계된 전달 장치를 정지한 다음, 노로의 H2 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 노로의 건조 수증기 공급을 정지하고 그리고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 선택적으로, 노로부터 모든 UO2 분말을 진공배기하고 그리고 노의 드럼을 냉각한 후, 드럼의 회전을 정지하는 연속 단계들을 포함하며;
이는, 변환 설비의 시동 단계 동안, 변환 설비의 가열 단계 동안 시약 주입 도관과 중성 가스 주입 도관을 통해 반응기와 노에 중성 가스를 주입하고; 그 다음, 변환 설비에서 우라늄의 이동 방향을 고려하여, 시약 주입 도관에 반응 가스를 변환 설비의 하류에서 상류로 순차적으로 공급함으로써, 노와 반응기의 시약 주입 도관을 통한 중성 가스 공급을 반응성 가스 공급 장치로 교체하는 연속 단계들을 포함한다.
본 발명 및 그의 장점은 단지 예로서 제공되고 UF6를 UO2로 변환하기 위한 설비의 개략도인 단일 도면을 참조하여 이루어진 다음 설명을 판독하여 보다 양호하게 이해될 것이다.
도 1에 예시된 변환 설비(2)는, 반응기(4)에 주입된 기체 UF6와 건조 수증기 사이의 반응에 의해 UF6를 UO2F2 분말로 변환하기 위한 가수 분해 반응기(4)를 포함한다.
도 1에 예시된 변환 설비(2)는 가수 분해 반응기(4)를 포함하며, 가수 분해 반응기는 반응기(4)에 주입된 기체 UF6와 건조 수증기 사이의 반응에 의해 UF6를 UO2F2 분말로 변환시킨다.
변환 설비(2)는 열 가수 분해로(6)를 포함하며, 열 가수 분해로는 반응기(4)에 의해 공급된 UO2F2 분말을 건조 수증기와 노(6)에 주입된 H2 가스와 반응시킴으로써, UO2F2 분말을 UO2 분말로 변환시킨다.
변환 설비(2)는 반응 가스들(UF6 가스, 건조 수증기 및 H2 가스)을 반응기(4) 및 노(6)에 주입하도록 설계된 공급 장치(8)를 포함한다.
공급 장치(8)는, 적어도 하나의 기체 UF6 공급원, 적어도 하나의 건조 수증기 공급원, 및 적어도 하나의 기체 H2 공급원을 포함하는 반응성 가스의 공급원으로부터 공급된다.
공급 장치(8)는, 반응 가스를 반응기(4) 및 노(6)에 주입하기 위한 시약 주입 도관(10)을 포함한다.
시약 주입 도관(10)은 반응기(4)에 공급되는 UF6 주입 도관, 반응기(4)에 공급되는 제 1 증기 주입 도관, 노(6)에 공급되는 제 2 증기 주입 도관, 및 가열로(6)에 공급되는 H2 주입 도관을 포함한다.
공급 장치(8)는 특히 변환 설비(2)의 제조 단계에서 반응기(4)에 중성 가스를 주입하도록 추가로 설계되어, UF6의 UO2F2로의 변환이 중성 가스 분위기하에서 발생한다. 공급 장치(8)는 반응기(4)로 중성 가스를 주입하기 위한 하나 이상의 중성 가스 주입 도관(12)을 포함한다.
바람직하게는, 공급 장치(8)는 셧다운 및 시동 단계에서, 반응기(4) 및 노(6)로 중성 가스를 주입하도록 추가로 설계되어, 변환 설비(2)가 제조 단계에 없을 때, 반응기(4) 및 노(6)에서 중성 가스의 분위기를 유지한다. 공급 장치(8)는 노(6)로 중성 가스를 주입하기 위한 하나 이상의 중성 가스 주입 도관(12)을 포함한다.
공급 장치(8)는 중성 가스를 노(6)에 주입하지 않고 중성 가스를 반응기(4)에 주입할 수 있도록 설계된다.
제조 단계에서, 공급 장치(8)는 중성 가스를 노(6)에 주입하지 않고, 중성 가스 분위기하에서 UF6를 UO2F2 분말로 변환하기 위해 반응기(4)에 중성 가스를 주입한다. 이후, 제조 단계에서 반응기(4)에 주입된 중성 가스를 "중성 소거 가스(neutral scavenging gas)"라 한다. 셧다운 및/또는 시동 단계에서, 공급 장치(8)는 중성 가스의 분위기를 유지하기 위해 중성 가스를 반응기(4) 및 노(6)에 주입한다.
공급 장치(8)는 적어도 하나의 중성 가스 공급원에 의해 공급된다. 중성 가스는 바람직하게는 질소(N2)이다.
셧다운 또는 시동 단계 동안에 중성 가스를 노(6)에 공급하는 것은, 예를 들어, 노(6)로 개방되는 전용 중성 가스 주입 도관(12)에 의해 또는 하기 설명되는 바와 같은 시약 주입 도관(10)을 통해 실행될 수 있다.
공급 장치(8)는 적어도 하나의 시약 주입 도관(10)에 중성 가스를 공급하고, 바람직하게는 각각의 시약 주입 도관(10)에 불활성 가스를 공급하도록 설계된다.
도 1에 예시된 바와 같이, 공급 장치(8)는 각각의 시약 주입 도관(10)의 입구에 배치된 공급 제어 액추에이터(14)를 포함하고, 액추에이터(14)는 시약 주입 도관(10)을 대응하는 반응물 가스 공급원 또는 중성 가스 공급원에 선택적으로 연결하는 것을 가능하게 한다.
각각의 액추에이터(14)는 관련된 시약 주입 도관(10)으로의 유체 공급을 제어한다. 각각의 액추에이터(14)는 예를 들어, 밸브, 특히 시약 주입 도관(10)을 관련된 시약 공급원 또는 중성 가스 공급원에 선택적으로 연결하는 것을 가능하게 하는 3 방향 밸브이다.
도 1에 예시된 바와 같이, 공급 장치(8)는 반응기(4)로의 반응성 가스 주입을 위해, 2 개의 시약 주입 도관(10), 즉 UF6 주입 도관 및 제 1 증기 주입 도관, 및 반응기(4)로 개방되는 중성 가스 주입 도관(12)을 포함하여, UF6 제트와 건조 수증기 제트 사이에 중성 가스 제트를 주입한다.
이 구성에서, UF6과 건조 수증기 사이의 반응은, 일단 스트림이 혼합되면 시약 주입 도관(10)의 출구 근처가 아니라 시약 주입 도관(10)의 출구로부터 떨어진 거리에서 발생하며, 이는 시약 주입 도관(10)에서의 분말 형성 및 이의 막힘으로 이어질 수 있다. 유리한 실시예에서, UF6의 제트, 중성 가스의 제트 및 건조 수증기의 제트는 동심원이다.
변환 설비(2)는, 변환 설비(2) 및 특히 공급 장치(8)를 제어하도록 설계된 변환 설비(2)의 제어 시스템(16)을 포함한다. 제어 시스템(16)은 특히, 공급 장치(8)의 액추에이터(14)를 제어한다.
제어 시스템(16)은 변환 설비(2)의 상이한 작동 모드에 따라 공급 장치(8)를 제어한다.
변환 설비(2)의 제조 모드에서, 제어 시스템(16)은 시약 주입 도관(10)을 통해 반응기(4) 및 노(6)로의 반응성 가스 주입을 위한 공급 장치(8)를 제어하도록 설계된다.
변환 설비(2)의 셧다운 모드에서, 제어 시스템(16)은 적어도 하나의 시약 주입 도관(10)에 중성 가스를 공급하고 그리고 바람직하게는 각각의 시약 주입 도관(10)에 중성 가스를 공급하기 위한 공급 장치(8)를 제어하도록 설계된다.
변환 설비(2)가 셧다운될 때 시약 주입 도관(10)에 중성 가스를 공급하는 것은, 변환 설비(2)로 하여금 이들 시약 주입 도관(10)에 여전히 존재하는 임의의 시약 가스의 시약 주입 도관(10)을 퍼징할 수 있게 한다.
이는 변환 설비(2)의 셧다운 단계에서 잔류 반응 가스 사이에서 발생하는 반응을 방지할 수 있게 하며, 이는 UO2F2 분말, UO2 분말 또는 HF의 제어되지 않은 제조로 이어질 수 있으며, 변환 설비(2)의 셧다운 단계 동안 변환 설비(2) 작업을 요청받은 조작자에게 잠재적으로 위험하다.
시동 동안 중성 가스를 시약 주입 도관(10)에 공급하는 것은, 반응 매개변수가 반응기(4), 개개의 노(6)에서 달성될 때 변환 설비(2)의 온도 상승 및 시약을 변환 설비(2)에 공급하는 것을 허용한다.
제조 단계 동안, 제어 시스템(16)은 시약 주입 도관(10)을 통한 반응성 가스의 주입 외에도, 적절한 중성 가스 주입 도관(12)을 통해 반응기(4)로 중성 가스를 주입하기 위한 공급 장치(8)를 제어하며, 이에 따라 가수 분해는 중성 가스 분위기하에서 실행된다. 중성 가스는 노(6)에 주입되지 않는다.
셧다운 단계 동안, 바람직하게는, 제어 시스템(16)은 반응기(4) 및 노(6)에서 중성 가스의 분위기를 유지하기 위해 반응기(4) 및 노(6) 내로 중성 가스를 주입하기 위한 공급 장치(8)를 제어한다.
셧다운 단계 동안 중성 가스의 주입은, 또한, 시약 주입 도관(10)을 통해, 그리고 가능하게는, 반응기(4) 및/또는 노(6)에 공급하는 중성 가스 주입 도관(12)을 통해 실행된다.
그 다음, 변환 설비(2)의 셧다운 동안 중성 가스를 시약 주입 도관(10)에 공급하는 것은, 중성 가스 주입 도관(12)에 의해 실행되는 것에 추가하여, 중성 가스의 추가 주입을 허용한다.
도 1에 예시된 바와 같이, 반응기(4)는 반응 챔버(18)의 범위를 정하며, 반응 챔버(18) 내로, 시약 주입 도관(10)이 개방되어 반응기(4)에 기체 UF6 및 건조 수증기를 공급하고, 반응 챔버(18)에서 반응이 가수 분해에 의해 UF6에서 UO2F2로 변환된다. 이렇게 얻어진 UO2F2는, 반응 챔버(18)의 저부로 떨어지는 분말의 형태이다.
반응기(4)는 반응 챔버(18)로부터 연장되고 노(6)에 연결되어 반응 챔버(18)의 저부로부터 노(6)로 UO2F2 분말을 전달하는 출구 도관(20)을 갖는다.
변환 설비(2)는, 반응기(4)를 둘러싸는 열 챔버(22) 및 열 챔버(22) 그리고 이에 따라 반응기(4)의 내부 체적을 가열하기 위한 히터(24)를 포함한다.
노(6)는 UO2F2 분말을 수용하기 위해 반응기(4)의 출구 도관(20)에 연결된 입구(26) 및 UO2 분말을 공급하기 위한 출구(28)를 갖는다.
변환 설비(2)는 반응 챔버(18)로부터 노(6)로 UO2F2 분말을 전달하기 위한 전달 장치(30)를 포함한다. 여기서, 전달 장치(30)는 UO2F2 분말을 반응 챔버(18)로부터 노(6)의 입구(26)로 밀어내기 위해 모터에 의해 구동되는 전동식 무한 스크류(motorized endless screw)를 포함한다.
노(6)는 중심 축(C)을 갖는 드럼(32)을 포함하고, 그의 축 방향 단부는 입구(26)를 형성하는 한편, 대향측 축 방향 단부는 노(6)의 출구(28)를 형성한다.
드럼(32)은, UO2F2 분말의 흐름에 대항하여 노(6) 내의 건조 수증기와 H2의 순환과 함께 입구(26)로부터 출구(28)로 UO2F2 분말의 순환을 위해 제공된다.
드럼(32)은 입구(26)가 출구(28)보다 높고, 드럼(32)의 회전으로 인해 분말이 출구(28)를 향해 입구(26)로부터 전진하게 되도록 수평에 대해 경사진 그의 중심 축(C) 주위에 회전 가능하게 장착된다.
노(6)는 드럼(32)을 그의 중심 축(C)을 중심으로 회전 구동하도록 설계된 전동식 회전 구동 장치(33)를 포함한다. 회전 구동 장치(33)는 예를 들어, 모터 및 모터를 드럼(32)에 연결하는 동력전달 장치(transmission device), 예를 들어 체인 또는 벨트를 포함한다.
선택적으로, 노(6)에는 유리하게는, 회전 구동 장치(33)가 고장 난 경우에 드럼(32)을 수동으로 회전시킬 수 있는 크랭크 핸들이 제공된다.
드럼(32)에는 바람직하게는, 노(6)에서 반응성 가스의 흐름 및 분말의 통과 시간을 제어하기 위해 드럼(32) 내부측에 배열된 배플(35)이 제공된다.
선택적으로, 드럼(32)에는 드럼(32)의 내부면으로부터 돌출된 리프팅 부재(37)가 제공될 수 있으며, 드럼 중심 축(C)을 중심으로 드럼(32)의 회전으로 인해 드럼(32)에 존재하는 분말을 들어올리고 떨어뜨리며, 분말의 혼합을 개선하고 그리고 드럼(32)에서 순환하는 반응성 가스와 분말 입자의 균일한 접촉을 촉진하도록 설계된다. 리프팅 부재(37)는 예를 들어, 드럼(32)의 내부 표면에 분포된 리프팅 베인(lifting vanes) 또는 리프팅 앵글(lifting angles)의 형태이다.
유리한 실시예에서, 노(6)의 드럼(32)과 반응 챔버(18)의 전달 장치(30)는 서로 독립적으로 작동하도록 설계되며, 특히 서로의 기능을 유지하면서 둘 모두의 셧다운을 허용하도록 설계된다.
예시된 예에서, 노(6)의 드럼(32) 및 반응 챔버(18)의 전달 장치(30)는, 한편으로는 전달 장치(30)의 웜(worm) 및 다른 한편으로는 드럼(32)의 독립적인 회전을 위해, 그리고 특히 다른 쪽의 회전을 유지하면서 웜 및 드럼(32)의 회전을 중지하기 위해 설계된다.
이러한 배치는 변환 설비(2)의 셧다운 단계에서, 반응기(4), 특히 전달 장치(30)가 이미 정지된 동안 노(6)로부터 UO2 분말 제거를 완료할 수 있게 한다.
제 2 수증기 주입 도관 및 H2 주입 도관은, 열 가수 분해의 건조 수증기와 H2를 출구(28)로부터 노(6)의 입구(26)로 순환시키기 위해 출구(28)를 통해 드럼(32)을 공급한다.
노(6)는 드럼(32)을 가열하기 위한 히터(34)를 포함한다. 히터(34)는 드럼(32)을 둘러싸고 드럼(32)을 따라 분포된 가열 요소(36)를 포함한다. 노(6)는 드럼(32) 및 가열 요소(36)를 둘러싸는 열 챔버(38)를 포함한다.
변환 설비(2)는 노(6)의 출구(28)에서 분말을 수집하기 위한 수집 장치(40)를 포함한다. 수집 장치(40)는 노(6)의 출구(28)에 연결되고 수집 용기(44)로 개방되는 입구 도관(42)을 포함한다. 수집 장치(40)는 수집 용기(44)를 둘러싸는 열 인클로저(46)를 포함한다. 제 2 증기 주입 도관 및 H2 주입 도관은 바람직하게는, 수집 용기(44)로 개방된다.
변환 설비(2)는 과잉 반응성 가스, 변환으로 인한 불화수소(HF) 및 중성 가스를 포함하는, 반응기(4)로 되돌아가는 가스를 포집 및 제거하기 위한 포집 장치(50)를 포함한다.
포집 장치(50)는 반응기(4), 바람직하게는 반응 챔버(18)의 상부 영역에 배치된다.
포집 장치(50)는 반응기(4)로 되돌아가는 가스에 의해 비말 동반될 수 있는 고체; 특히 UO2F2 또는 UO2 입자를 보유하기 위한 복수의 필터(52)를 포함한다.
필터(52)는 예를 들어, UO2F2 또는 UO2 입자의 보유 용량을 유지하면서 UF6의 UO2F2 그리고 UO2로의 변환 반응으로부터 발생하는 과잉 반응성 가스, 중성 가스 및 HF의 통과를 허용하는 다공성 재료로 제조된다. 바람직한 실시예에서, 필터(52)는 세라믹 또는 니켈계 초합금으로 제조된다.
변환 설비(2)는, 전달 장치(30)와 반응 챔버(18) 사이, 반응기(4)와 노(6) 사이, 및 노(6)와 수집 장치(40) 사이의 밀봉을 보장하기 위한 밀봉 장치(54)를 포함한다. 밀봉 장치(54)는 전달 장치(30)와 반응 챔버(18) 사이의 접합부에, 반응기(4)의 출구 도관(20)과 노(6)의 입구(26) 사이, 그리고 노(6)의 출구(28)와 수집 장치(40)의 입구 도관(42) 사이의 접합부에 배열된다. 밀봉 장치(54)는 반응기(4)에 대한 전달 장치(30)의 회전, 및 반응기(4) 그리고 수집 장치(40)에 대한 노(6)의 드럼(32)의 회전을 허용함으로써 밀봉을 보장한다.
이를 위해, 도 1에 예시된 바와 같이, 변환 설비(2)는 예를 들어, 밀봉 장치(54)에 불활성 가압 가스를 공급하도록 배열된 가압 공급기(57)를 포함한다.
밀봉 장치(54)는 불활성 가스, 그리고 바람직하게는 질소로 가압된다. 밀봉 장치(54)에 공급하는 중성 가스의 압력은, 변환 설비(2) 외부측으로의 분말의 임의의 분산을 방지하기 위해 변환 설비(2)에 존재하는 압력 이상이다.
작동시, 제조 모드 동안, 제어 시스템(16)은 각각의 시약 주입 도관(10)을 대응하는 시약 공급원에 연결하기 위해 액추에이터(14)를 제어한다. 각각의 시약 주입 도관(10)에는 시약이 공급된다. 그 결과, 반응기(4) 및 노(6)에는 반응성 가스가 공급된다.
반응기(4)에 주입된 UF6 및 건조 수증기는 함께 반응하여 UO2F2 분말을 형성한다. UO2F2 분말은 노(6)에 도입되며, 노(6)에서 열 가수 분해 및 H2에서 발생하는 건조 수증기의 흐름과 반응하여 UO2 분말로 변환된다.
제어 시스템(16)이 설비의 셧다운이 필요하다는 것을 감지하거나 설비를 셧다운하라는 지시를 수신하면, 제어 시스템(16)은 변환 설비(2)를 중화시키고 퍼징하는 단계를 구현한다.
이를 위해, 제어 시스템(16)은 각각의 시약 주입 도관(10)을 중성 가스 공급원에 연결하기 위해 액추에이터(14)를 제어한다. 이에 따라, 각각의 시약 주입 도관(10)에는 중성 가스가 공급된다.
바람직하게는, 제어 시스템(16)은 반응기(4)로부터 수집 용기(44)로의 분말 이동 방향을 고려하여, 시약 주입 도관(10)을 변환 설비(2)의 상류에서 하류로 순차적으로 중성 가스 공급원에 연결하도록 액추에이터(14)를 제어하도록 설계된다. 이는 변환 설비(2)의 상류에서 하류로, 더 정확하게는, 이 경우에는, 반응기(4)로부터, 노(6)로부터 그리고 수집 장치(40)로부터 수집 용기(44)로 반응 가스의 점진적이고 완전한 퍼징을 수행할 수 있게 한다.
유리하게는, 설치의 정상적인 셧다운 단계 동안, 제어 시스템(16)은 연속적으로,
- 반응기(4)로의 UF6 공급을 중지하고, 그리고 바람직하게는 반응기(4)에 UF6을 공급하는 시약 주입 도관(10)을 통해 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
- 반응기(4)로의 건조 수증기 공급을 중지하고, 그리고 바람직하게는 반응기(4)에 건조 수증기를 공급하는 시약 주입 도관(10)을 통해 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음, 반응기(4)로부터 모든 UO2F2 분말을 제거한 후 전달 장치(30)를 정지한 다음,
- 노(6)로의 H2 공급을 중단하고, 그리고 바람직하게는 노(6)에 H2를 공급하는 시약 주입 도관(10)을 통해 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
- 노(6)로의 건조 수증기 공급을 중단하고, 그리고 바람직하게는 노(6)에 건조 수증기를 공급하는 시약 주입 도관(10)을 통해 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
- 모든 UO2 분말이 노(6)에서 제거되고 그리고 드럼(32)이 냉각된 후, 드럼(32)의 회전을 정지시키도록 설계된다.
바람직하게는, 제어 시스템(16)은 그의 중성 가스 주입 도관(12)에 의해 변환 설비(2)를 퍼징하는 단계 동안, 반응기(4)로의 중성 가스 주입을 유지하도록 중성 가스 주입 도관(12)의 액추에이터(14)를 제어한다.
그 다음, 시약 주입 도관(10)에서 반응성 가스가 제거되면, 공급 차단 단계에서, 제어 시스템(16)은 시약 주입 도관(10) 및 중성 가스 주입 도관(12)으로의 중성 가스의 공급을 중지하도록 액추에이터(14)를 제어한다. 바람직하게는, 제어 시스템(16)은 반응기(4)로부터 노(6)의 출구(28)를 향한 분말의 이동 방향을 고려하여, 시약 주입 도관(10)으로의 중성 가스의 공급 그리고 순차적으로 변환 설비(2)의 하류에서 상류로의 중성 가스 주입을 차단하도록 액추에이터(14)를 제어한다. 이는, 퍼징 단계 및 공급 차단 단계가 완료될 때까지, 중성 가스를 사용하여 노(6) 및 반응기(4)의 플러싱(flushing)을 보장하는 것을 가능하게 한다. 대안으로, 하류에서 상류로의 중성 가스 공급의 셧다운은 수동으로 수행할 수 있다.
이 단계는 바람직하게는, 유지 보수 작업, 특히 무산소 위험을 피하기 위해 한 명 이상의 작업자의 개입이 있어야 하는 유지 보수 작업을 수행하기 위해 변환 설비(2)가 종료될 때 실행된다.
변형예로서, 변환 설비(2)가 다시 시작될 때까지 중성 가스의 공급이 유지될 수 있다. 이 단계는, 예를 들어, 변환 설비(2)의 정지가 예를 들어, 변환 설비(2)를 다시 시작하기 전에 운영자 개입이 필요하지 않은 안전 조치의 활성화로 인한 경우에 구현된다.
변환 설비(2)를 시작하거나 다시 시작하는 단계에서, 공급 장치(8)는 변환 설비(2)의 가열 동안 시약 주입 도관(10) 및 중성 가스 주입 도관(12)을 통해 반응기(4) 및 노(6)에 중성 가스를 주입하도록 설계된다. 변환 설비의 온도가 충분할 때, 예를 들어 노(6)에서 500℃일 때, 공급 장치(8)는 중성 가스 대신에, 순차적으로 바람직하게는 변환 설비(2)의 하류에서 상류로, 예를 들어 다음 순서에 따라 시약 주입 도관(10)을 통해 반응성 가스의 공급을 시작하도록 설계되었으며: 노(6)에서 열분해를 위해 수증기를 건조시킨 다음, 중성 가스 주입 도관(12)을 통해 노(6)로의 중성 가스 공급을 셧다운한 다음, 반응기(4)에서 가수 분해를 위해 수증기를 건조시킨 다음에, 반응기(4)에서 UF6을 건조시킨다.
퍼징 단계, 전력 차단 단계 및 시작 또는 재시작 단계 동안, 포집 장치(50)는 반응기(4) 및 노(6)에 존재하는 가스를 포집하도록 활성화된다.
변환 설비(2) 및 변환 방법은 전술한 실시예 및 구현에 제한되지 않는다.
설명된 실시예에서, 각각의 시약 주입 도관(10)에는 퍼징 단계에서 중성 가스가 공급된다. 대안으로, 시약 주입 도관(10)의 일부에만 퍼징 또는 시작 단계에서 중성 가스가 공급되는 것이 가능하다.
일반적으로, 공급 장치(8)는 변환 설비(2)의 퍼징 단계 동안 UF6 주입 도관, 제 1 수증기 주입 도관, 제 2 수증기 주입 도관 및/또는 중성 가스에 H2를 주입하기 위한 도관을 공급하기 위해 설계된다.
특정 실시예에서, 시약 주입 도관(10) 중, UF6 주입 도관, 제 1 수증기 주입 도관, 제 2 수증기 주입 도관, 및 H2 주입 도관 중 하나에만, 퍼징 단계 동안, 중성 가스가 공급된다. 이 구현 모드는 예를 들어, 변환 설비(2)가 부분적으로 셧다운될 때 사용된다.
특정 실시예에서, 퍼징 단계 동안 UF6 주입 도관에만 중성 가스가 공급된다.
도면에서, 명확성을 위해, 시약 주입 도관(10) 및 중성 가스 주입 도관(12)을 공급하기 위한 수개의 중성 가스 소스가 도시되어 있다. 변형예로서, 중성 가스의 단일 공급원이 다양한 시약(10) 또는 중성 가스(12) 주입 도관을 공급한다.
선택적으로, 공급 장치(8)는 예를 들어, 변환 설비(2)에 의해 제조된 UO2 분말을 수송 탱크용 충전 장치에 공급하는 역할을 하는 수집 장치(40)의 출구 근처에서, 중성 가스를 수집 장치(40)에 주입하도록 설계될 수 있다. 이는, H2가 공기 중에 존재하는 이산소(dioxygen)(O2)와 접촉하게 될 위험을 모방할 수 있으며, 이는 잠재적으로 폭발 가능하다.
바람직하게는, 변환 설비(2)에는 인간에게 치명적인 가스인 HF의 임의의 누출을 검출하기 위해 적어도 하나의 HF 검출기가 제공된다.
바람직하게는, 공급 장치(8)의 액추에이터(14)는 지진 발생시 이들 액추에이터(14) 레벨에서 임의의 누출 위험을 방지하고 변환 설비(2)의 안전한 셧다운을 보장하기 위해 지진 응력(seismic stresses)에 저항한다.
선택적으로, 공급 장치(8)의 제어 시스템(16)은 특히 변환 설비(2)의 시동 및 셧다운 또는 퍼징 작업 동안, 특히 상이한 단계의 지속시간을 수동으로 조정하기 위해 우회될 수 있으며, 시동 단계 동안 최적의 조건을 보장하고, 셧다운 단계에서, 반응 생성물 및 반응 생성물의 충분한 진공배기를 보장하여 임계 위험을 방지한다.
Claims (13)
- 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비로서,
상기 변환 설비는,
가수 분해 반응기(4) ― 상기 가수 분해 반응기는 반응기(4)에 주입된 기체 UF6과 건조 수증기 사이의 반응에 의해 UF6를 우라늄옥시플루오라이드 분말(UO2F2)로 변환시킴 ―;
열 가수 분해로(6) ― 상기 열 가수 분해로는 반응기(4)에 의해 공급된 UO2F2 분말을 건조 수증기와 노(6)에 주입된 이수소(dihydrogen)(H2) 가스와 반응시킴으로써 UO2F2 를 UO2 분말로 변환시킴 ―;
UF6, 수증기 또는 H2의 주입을 위한 시약 주입 도관(10)을 포함하는 공급 장치(8) ― 각각의 시약 주입 도관(10)은 상기 반응기(4) 또는 상기 노(6)에 공급하도록 설계됨 ―, 및
상기 변환 설비의 정지 또는 시작 단계 동안, 상기 시약 주입 도관(10) 중 적어도 하나에 중성 가스를 공급하기 위해 상기 공급 장치(8)를 제어하도록 설계된 제어 시스템(16)을 포함하는, 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 시스템(16)은 상기 변환 설비를 셧다운하거나 시작할 때 각각의 시약 주입 도관(10)에 불활성 가스를 공급하기 위해 상기 공급 장치(8)를 제어하도록 설계되는, 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 공급 장치(8)는 상기 시약 주입 도관(10)에 더하여, 중성 가스 분위기하에서 UF6를 UO2로 변환하기 위한 제조 단계 동안 중성 가스를 상기 반응기(4)에 주입하기 위해 적어도 하나의 중성 가스 주입 도관(12)을 포함하는, 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 공급 장치(8)는 상기 반응기(4)에 중성 가스를 공급하고, 상기 반응기(4)로 개방되는 상기 시약 주입 도관(10)으로부터 UF6 제트와 수증기 제트를 분리하는 중성 가스 제트를 형성하기 위한 중성 가스 주입 도관(12)을 포함하는, 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 시스템(16)은, 상기 변환 설비에서 우라늄의 이동 방향을 고려하여, 상기 변환 설비의 상류에서 하류로 또는 하류에서 상류로 순차적으로 상기 시약 주입 도관(10)을 공급함으로써 상기 시약 주입 도관(10) 각각에 중성 가스를 공급하도록 설계되는, 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 시스템(16)은 상기 변환 설비의 셧다운 단계에서 연속적으로,
상기 반응기(4)로의 UF6 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
상기 반응기(4)로의 건조 수증기 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
선택적으로, 상기 반응기(4)로부터 모든 UO2F2 분말을 제거한 후, 상기 반응기(4)로부터 상기 노(6)로 UO2F2 분말을 전달하도록 설계된 전달 장치(30)를 정지한 다음,
상기 노(6)로의 H2 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
상기 노(6)로의 건조 수증기 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
선택적으로, 상기 노(6)로부터 모든 UO2 분말을 제거하고 상기 노(6)의 드럼(32)을 냉각한 후, 상기 드럼(32)의 회전을 정지하도록 설계되는, 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어 시스템(16)은 변환 설비의 시동 단계 동안 연속적으로,
상기 변환 설비의 가열 단계 동안 상기 시약 주입 도관(10)과 상기 중성 가스 주입 도관(12)을 통해 상기 반응기(4)와 상기 노(6)에 중성 가스를 주입한 다음,
상기 변환 설비에서 우라늄의 이동 방향을 고려하여, 상기 시약 주입 도관(10)에 반응 가스를 상기 변환 설비의 하류에서 상류로 순차적으로 공급함으로써, 상기 노(6)와 상기 반응기(4)의 시약 주입 도관(10)을 통한 중성 가스 공급을 반응성 가스 공급 장치로 교체하도록 설계되는, 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 설비. - 변환 설비(2)에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법으로서,
상기 변환 설비는, 가수 분해 반응기(4) ― 상기 가수 분해 반응기는 반응기(4)에 주입된 기체 UF6과 건조 수증기 사이의 반응에 의해 UF6를 우라늄옥시플루오라이드 분말(UO2F2)로 변환시킴 ―; 및 열 가수 분해로(6) ― 상기 열 가수 분해로는 반응기(4)에 의해 공급된 UO2F2 분말을 건조 수증기와 노(6)에 주입된 수소(H2) 가스와 반응시킴으로써 UO2F2 를 UO2 분말로 변환시킴 ― 를 포함하고, 상기 방법은,
변환 단계 동안, 시약 주입 도관(10)을 통해 상기 반응기(4)와 상기 노(6)에 반응성 가스를 공급함으로써 UF6를 UO2로 변환하는 단계 ― 각각의 시약 주입 도관(10)은 상기 반응기(4) 또는 상기 노(6)로 개방됨 ―, 및
변환 설비(2)의 셧다운 또는 시동 단계 동안 하나 이상의 시약 주입 도관(10)에 중성 가스를 공급하는 단계를 포함하는, 변환 설비(2)에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 변환 설비(2)의 셧다운 또는 시동 단계 동안, 각각의 시약 주입 도관(10)에는 중성 가스가 공급되는, 변환 설비(2)에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 변환 설비(2)의 제조 단계 동안, 상기 중성 가스는 중성 가스 분위기하에서 변환을 달성하기 위해 적어도 하나의 중성 가스 주입 도관(12)을 통해 상기 반응기(4)에 주입되는, 변환 설비(2)에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 변환 설비(2)의 셧다운은, 우라늄의 이동 방향을 고려하여, 상기 변환 설비(2)의 상류에서 하류로 순차적으로 중성 가스를 상기 시약 주입 도관(10)에 공급하는 퍼징 단계를 포함하는, 변환 설비(2)에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 변환 설비(2)를 셧다운하는 단계에서,
상기 반응기(4)로의 UF6 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
상기 반응기(4)로의 건조 수증기 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
선택적으로, 상기 반응기(4)로부터 모든 UO2F2 분말을 제거한 후, 상기 반응기(4)로부터 상기 노(6)로 UO2F2 분말을 전달하도록 설계된 전달 장치(30)를 정지한 다음,
상기 노(6)로의 H2 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
상기 노(6)로의 건조 수증기 공급을 정지하고 이를 중성 가스 공급으로 교체한 다음,
선택적으로, 상기 노(6)로부터 모든 UO2 분말을 제거하고 상기 노(6)의 드럼(32)을 냉각한 후, 상기 드럼(32)의 회전을 정지하는 연속 단계를 포함하는, 변환 설비(2)에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
상기 변환 설비(2)의 시동 단계에서,
상기 변환 설비(2)의 가열 단계 동안 상기 시약 주입 도관(10)과 상기 중성 가스 주입 도관(12)을 통해 상기 반응기(4)와 상기 노(6)에 중성 가스를 주입한 다음,
우라늄의 이동 방향을 고려하여, 상기 시약 주입 도관(10)에 반응 가스를 상기 변환 설비(2)의 하류에서 상류로 순차적으로 공급함으로써, 상기 노(6)와 상기 반응기(4)의 시약 주입 도관(10)을 통한 중성 가스 공급을 반응성 가스 공급으로 교체하는 연속 단계를 포함하는, 변환 설비(2)에서 육불화우라늄(UF6)을 이산화우라늄(UO2)으로 변환하기 위한 방법.
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