KR20070120110A - 원자로 노심물질의 재처리를 위한 헤드-엔드 공정 - Google Patents

원자로 노심물질의 재처리를 위한 헤드-엔드 공정 Download PDF

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KR20070120110A
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Abstract

원자로 노심물질에 삽입된 핵연료입자와 함께 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정에서, 원자로 노심물질은 유체를 포함하는 원자로 내에 배치된다. 상기 원자로는 유체 내에 전압 방전 장치를 포함하여 구성된다. 전압 방전은 핵연료입자를 분쇄하여 분쇄결과물을 얻기 위해 유체에 인가되며, 상기 분쇄결과물은 분리된다.

Description

원자로 노심물질의 재처리를 위한 헤드-엔드 공정{Head-end process for the reprocess of reactor core material}
본 발명은 원자로 노심물질(reactor core material)의 재처리를 위한 헤드-엔드(head-end) 공정에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 피복입자 핵연료와 매트릭스 물질(matrix material)에 삽입된 피복입자 핵연료(coated fuel particles)를 포함하는 핵연료성분(nuclear fuel elements)을 분쇄하는 것에 관한 것이다.
예를 들면, 고온 가스냉각 원자로(HTGR)에서 사용되는 피복입자 핵연료의 재처리는 많은 경우 상기 핵연료의 사용을 최대화함에 있어 유용하다. 더불어 이러한 원자로에서 미량의 악티늄족 원소들의 연소를 위해서 뿐만 아니라, U-Pu(고속반응로)나 Th-U 핵연료 사이클에 대하여는 필수적인 사항이다.
피복입자 핵연료는 기계적 충격 및 화학적 공격에 저항성이 큰 특징을 가지며, 이는 이들 핵연료를 안전하게 하고 확산 저항적이며 적절한 직접 폐기 처리를 가능하게 하나 재처리가 곤란하다.
원자로에서 사용하기 위하여, 일반적으로 상기 핵연료입자는 핵연료성분의 매트릭스 물질(예를 들면, 흑연, 카바이드 또는 세라믹)에 삽입된다. 예를 들면, 독일 고온 원자로(HTR)용으로 누켐(NUKEM)사에 의해 제작된 AVR GLE-4유형의 구형 연료성분(pebble)은 약 10,000 핵연료입자를 포함한다. 하기 표는 AVR GLE-4 연료성분과 삽입된 입자들의 공칭 특징들(nominal characteristics)을 요약하고 있다.
피복입자 핵연료
입자 배치(Particle batch) HT 354-383
연료핵 조성(Kernel composition) UO2
연료핵 직경(Kernel diameter) [㎛] 501
농축도(Enrichment) [U-235 wt.%] 16.75
피복의 두께 [㎛]: 버퍼 내부 PyC SiC 외부 PyC 92383341
입자직경 [㎛] 909
연료성분( Pebble )
중금속 하중(loading) [g/pebble] 6.0
U-235 함유량 [g/pebble] 1.00 ±1 %
핵연료성분당 피복입자 수 9560
부피 충전분율 [%] 6.2
결함있는 SiC 층 [U/Utot] 7.8×0-6
매트릭스 흑연 등급 A3-3
매트릭스 밀도[kg/m3] 1750
최종 열처리시 온도[℃] 1900
피복입자 핵연료, 즉 다중 세라믹 피복된 연료핵 또는 이러한 핵연료입자를 포함하는 핵연료성분의 재처리와 관련하여 하나의 선택은 상기 핵연료성분의 매트릭스 물질(예를 들면, 흑연)로부터 이러한 입자를 분리하는 것이며, 이러한 매트릭스 물질은 구형(spheres), 막대형(rods) 또는 판형의 형상을 가질 수 있다. 그 후 상기 핵연료입자의 피복은 상기 연료핵을 화학적 재처리가 가능하도록 분해되어야 한다. 또 다른 선택은 상기 핵연료성분과 피복입자를 함께 분쇄하는 것이다. 현재까지 핵연료성분이나 피복입자의 직접적인 용해는 상당히 어렵다고 인식되고 있다. 왜냐하면 특히 주로 사용되는 SiC 피복은 일반적 질산 용액에 대하여 용해 저항성이 크기 때문이다. 마찬가지로 상기 피복의 기계적 분해는 상기 피복의 높은 기계적 저항성과 핫셀(hot cell) 환경에서 그러한 방법의 사용에 대한 적절성 관련 의문들로 인한 문제점이 있다.
"An Overview of HTGR Fuel Cycle" 에서 해머에 의한 분쇄(콜밀 유형: coal mill type) 또는 디스크 사이에서의 분쇄(윗밀 유형: wheat mill type)와 같은 세라믹 핵연료의 기계적 분쇄에 대한 예를 제시하고 있다[Report ORNL-TM-4747, 1976, K. J. Notz]. 미국등록특허 제4,323,198호는 핵 입자연료의 재처리를 위하여 고형면(hard surface)에 모래를 분사함에 의한 분쇄방법에 대하여 개시하고 있다.
그러나, 기존의 기계적 방법들은
낮은 효율과 높은 에너지 소모;
모래분사의 경우와 같은 압축 가스의 잠정적 사용;
안정성 문제를 야기하는 독성과 폭발성이 있는 분진(dust)의 생산;
높은 소음도와 진동;
연마 생산물의 무시할 수 없는 양에 의한 분쇄에 따른 대상물의 오염;
연마에 의한 대상 물질의 심각한 소모 및 마모와, 제한된 수명, 높은 투자비용 및 작동 비용과 같은 몇가지 단점들이 있다.
따라서 기계적 방법은 예를 들면, 후자의 안전기준에 적합하지 않기 때문에 핫셀 환경에서 사용하기에 오히려 부적절하다는 결론을 내릴 수 있다. 전반적으로 높은 비용때문에 상기 기계적 방법은 산업적으로 적용하기에 어렵다.
"The Reprocessing Issue for HTR Spent Fuels" 에서 피복입자를 흑연 매트릭스로부터 분리하기 위한 고전압 펄스 방전기술에 대하여 서술하고 있다[Proc ICAPP'04, Greneche et al.]. 실험 결과에 의하면 흑연이 분쇄될 수 있으며, 입자 크기 분포는 적용된 펄스의 수에 대한 함수로 나타난다. 고전압 기술은 예를 들면, "Application of HV Discharges to Material Fragmentation and Recycling" Bluhm et al., IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 7 No. 5, 2000에서 알려진 기술이다.
그러나, 재처리를 위한 피복입자 핵연료의 분쇄는 현재까지 미해결된 문제로 인식되고 있다.
더욱이, 특정 유형(예를 들면, 블럭타입(block-type) 원자로)의 원자로가 채워질 경우, 상기 핵연료입자를 포함하는 핵연료성분이 원자로 노심의 지지물질 내부로 삽입된다. 상기 지지물질은 원자로 유형에 따라 달라지며, 예를 들면 흑연, 카바이드 또는 질화물을 포함할 수 있다. 작동 후, 핵연료성분과 방사능 물질을 추출해 내는 것은 어렵다. 왜냐하면 원자로 작동 중, 상기 지지물질과 핵연료성분는 변형이 될 수 있기 때문이다. 상기 핵연료성분은 사실상 주변 지지물질에 고착될 수 있다.
사용 후 핵연료의 회수를 위한 전통적인 방법은 물질의 분리가 완벽하지 못하며, 상기 지지물질이 상기 핵연료와 함께 오염된 상태로 남아있게 되는 단점이 있다. 따라서 상기 지지물질의 재활용이 어려운 것이다.
도 1은 피복 핵연료입자를 표현하는 개략도이다.
도 2는 매트릭스 물질에 삽입된 피복 핵연료입자를 갖는 원자로 노심물질의 단면을 설명하는 도면이다.
도 3은 고전압 방전을 통해 핵연료성분을 분쇄하는 단계를 설명하는 도면이다.
도 4는 핵연료입자의 분쇄된 피복벽을 설명하는 도면이다.
도 5는 피복으로부터 분리된 연료핵을 설명하는 도면이다.
본 발명의 목적은 핫셀 환경에 적합하고 산업적으로 관련된 물질 유동에 적합한 원자로 노심물질의 재처리를 위한 헤드-엔드(head-end) 공정을 제공하는 것이다.
핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질의 재처리를 위한 헤드-엔드 공정에 있어서, 원자로 노심물질은 유체(예를 들면 물)가 담겨있는 원자로 내부에 배치된다. 원자로는 상기 유체 내에 전압 방전 장치(voltage discharge installation)를 구비한다. 전압 방전은 핵연료입자를 분쇄결과물(fragmentation product)로 분쇄하기 위해 유체를 통해 인가되며 상기 분쇄결과물은 분리된다.
본 발명에 따르면, 원자로에 담긴 상기 유체를 통해 전압 방전이 인가됨에 의해 핵연료입자가 분쇄된다. 상기 공정은 에너지 측면에서 효율적이고, 전력 소비가 상대적으로 낮다. 상기 공정은 상술한 기계적 방법의 단점을 극복할 수 있고, 따라서 산업적으로 적절한 양과 함께 핫셀 환경에 적합하다. 상기 핵연료입자가 분쇄된 후, 분쇄된 결과물은 바로 기존의 액상 재처리 과정으로 공급될 수 있다. 상기 핵연료입자를 원자로에 도입하는 순간, 상기 핵연료입자는 상기 원자로 노심물질에 포함될 수 있다.
제안된 헤드-엔드 공정은 특히 각각의 연료핵과 상기 연료핵을 둘러싸는 몇몇 피복으로 구성되는 핵연료입자에 용이하게 적용된다. 전압 방전을 적용함으로써, 상기 핵연료입자의 피복은 분쇄된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 원자로 노심물질은 상기 매트릭스 물질에 삽입되는 매트릭스 물질을 더 포함한다. 상기 매트릭스 물질과 상기 피복은 모두 전압 방전에 의해 분쇄될 수 있다. 필요한 경우, 상기 원자로 노심물질은 절단 또는 미리 분쇄되어 상기 원자로에 공급된 조각이 주로 수 센티미터 정도의 적절한 크기를 갖도록 한다. 상기 매트릭스 물질과 피복의 분쇄는 분리된 공정단계들에 의해 이루어질 수 있다. 대안적으로, 상기 매트릭스 물질과 피복의 분쇄는 단일 단계에 의해 이루어질 수 있다. 상기 매트릭스 물질은 원자로 노심의 지지물질과 상기 핵연료입자가 삽입되어 있는 핵연료성분 물질로 구성될 수 있다.
인지하는 바와 같이, 상기 핵연료입자를 운반하는 상기 핵연료성분을 갖는 원자로 노심물질은 본 발명의 헤드-엔드 공정에 공급될 수 있다. 따라서, 분쇄하기전에 지지물질로부터 핵연료성분을 제거할 필요가 없다. 상기 연료핵 물질과 상기 지지물질의 매트릭스 물질과 상기 핵연료성분의 분리는 전압방전에 의한 분쇄 후 이루어질 수 있다. 상기 매트릭스 물질에 잔존하는 연료핵 물질의 양이 작아 이 후 재활용이 용이하고, 따라서 잠재적으로 자원을 절약할 수 있다.
매트릭스 물질(예를 들면 흑연, 질화물, 카바이드 또는 다른 세라믹 물질)은 오염물 제거를 용이하게 하고, 핵연료, 감속제(moderator) 또는 반사체(reflector)의 가능한 재가공을 위한 출발물질로서의 분말을 얻기 위해 더 분쇄될 수 있다. 사용 후 오염된 매트릭스 물질은 직접 처리하는 경우 과도한 저장공간을 차지하게 된다. 또한 양질의 흑연은 특히 전세계적으로 상대적으로 많은 수의 고온 가스냉각로(HTGR)의 가능한 배치를 고려하면 부족한 자원이다.
피복벽, 매트릭스 물질 및/또는 연료핵과 같은 분쇄결과물의 분리는 상기 연료핵을 용해시키거나 체질(sieving) 등의 적절한 공정을 통해 이루어질 수 있다. 체질하는 공정은 서로 다른 구멍 크기를 갖는 체로 수 단계의 체질 과정으로 구성될 수 있다. 만약 상기 연료핵이 예를 들면, 질산에 용해되는 것이면 상기 피복은 상기 연료핵으로부터 완전히 제거될 필요는 없다. 피복상의 균열을 통해 산이 상기 연료핵 내부로 유입될 수 있으면 충분하다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 원자로 노심물질이 제1 유체를 포함하는 원자로 내에 배치되며, 상기 원자로는 유체 내에 전압 방전 장치가 구비되는 원자로 노심물질의 재처리를 위한 헤드-엔드 공정을 제공한다. 우선 상기 매트릭스 물질의 분쇄를 위해 상기 제1 유체에 대하여 제1 전압방전이 인가된다. 상기 방법으로 얻어진 분쇄결과물은 분리되어 상기 연료핵과 혹시 있을 수 있는 약간의 잔여 매트릭스 물질을 포함하는 잔여물이 회수된다. 상기 잔여물은 제2 유체를 포함하는 같거나 또는 또 다른 원자로에 배치되고, 제2 전압방전이 상기 제2 유체에 인가되어 상기 잔여물에 포함된 잔여 매트릭스 물질과 피복을 분쇄하게 된다. 분쇄 후, 상기 연료핵은 상기 피복 및/또는 상기 잔여 매트릭스 물질로부터 분리된다.
제1 및 제2 전압방전에 적용되는 전기적 파라미터는 제1 분쇄단계에서는 주로 매트릭스 물질이 분쇄되고, 제2 분쇄단계에서는 핵연료입자의 피복이 분쇄되도록 조절된다. 유체 내에서 전력밀도를 향상시키기 위해 제2 분쇄단계에서는 현저히 높은 전력이 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 제2 유체 부피를 제1 유체의 부피보다 실질적으로 줄일 수 있으며, 이를 통해 전력 밀도를 증가시킬 수 있다. 바람직하게는 적용되는 전압범위는 40 내지 400 kV로 한다.
분리단계들 중 적어도 한 단계는 바람직하게 체질하는 단계 및/또는 연료핵을 용해시키는 단계로 구성된다. 제1 분리 단계는 예를 들면, 핵연료입자 직경의 0.7과 0.95배 사이의 구멍 크기의 체(sieve)를 갖는 체질 과정을 포함한다. 대안적으로, 구멍 크기는 연료핵 직경의 0.7과 0.95배 사이로 이루어질 수 있다. 만약 체가 제2 분리 단계에서 사용될 경우, 상기 구멍의 폭은 바람직하게는 연료핵 직경의 0.7과 0.95배 사이의 값으로 이루어진다.
실제로, 상기 원자로 노심물질은 체 위에 배열되거나 원자로 내의 밀폐용기(closed cup)에 배열되는 것이 유용하고, 전압방전은 상기 원자로 내에 배치된 두 전극 사이에 전위차를 적용시킴으로써 유발된다. 전극들 중 하나는 체 또는 밀폐용기일 수 있다. 전극들 중 하나는 접지될 수 있다. 만약 체가 제1 분쇄단계에서 사용될 경우, 핵연료입자 크기의 2 내지 4배의 구멍크기를 갖는 체를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 핵연료입자 직경의 약 3배에 상응하는 구멍 크기를 갖는 체를 사용할 수 있다.
전극이 원자로 노심물질, 핵연료성분 조각, 핵연료입자 또는 잔여물 내부로 삽입될 경우 더욱 유용함을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 도면을 참조하여 실시형태의 제한없이 이하의 설명으로부터 더욱 명백해 질 것이다.
도 1은 핵연료입자(10)의 구조를 나타낸다. 본 발명의 일반적 개념에 대한 편견 없이, 이하에서 핵연료(우라늄, 플루토늄, 토륨, 미량의 악티늄 또는 이들 혼합물)는 직경이 약 0.5 mm인 구형 세라믹 연료핵(12)으로서 존재하는 것으로 가정한다. 상기 연료핵(12)은 수개의 연속적인 층으로 덮여진다: 연속된 층은 내부 탄소 버퍼층(16), 열분해 탄소층(15), 실리콘 카바이드층(14) 및 외부 열분해 탄소층(13)으로 구성된다. 연료핵은 피복과 함께 약 1 mm의 전형적인 직경을 갖는 핵연료입자(10)를 형성한다. 수천개의 이러한 입자들이 예를 들면 흑연, 카바이드 또는 다른 세라믹으로 만들어진 핵연료성분의 매트릭스에 포함되고, 상기 매트릭스는 예를 들면 구형, 원통형 또는 그외 다른 적절한 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 공정은 피복의 연속적 분쇄과정 또는 완벽한 제거과정으로 매트릭스 물질로부터 핵연료입자를 분리하는 것을 가능하도록 하여 그 이후의 재처리 공정을 위하여 연료핵이 화학적 용해과정을 거칠 수 있도록 한다. 상기 공정은 연료핵으로부터 피복과 매트릭스 물질을 완벽히 분리하기 위하여 사용될 수 있다. 하지만, 연료핵 내의 핵 핵연료가 화학적으로 용해되고 피복의 균열이 이러한 목적을 위해 충분히 크다고 여겨지는 경우라면 연료핵과 피복의 분리가 반드시 필요한 것은 아니다.
도 2는 핵연료성분의 작은 단편(20)을 도시하고 있다. 핵연료입자(10)는 매트릭스 물질(22)내에 삽입되어 있다.
필요한 경우, 핵연료성분은 기계적으로 절단되거나 분쇄되어, 이러한 분쇄물의 치수가 후반 공정에서 다루기 용이하고 이어지는 공정단계에 공급될 수 있는 크기를 갖도록 한다. 본 발명의 목적을 위하여, 수 센티미터 정도의 치수가 편리할 수 있다. 상기 삽입된 핵연료입자 자체는 높은 기계적 저항성 때문에 손상받지 않는다.
상기 핵연료성분들은 V1의 부피로 물이 채워진 원자로(30)에 공급된다. 도 3에 나타난 원자로는 강철 저장고(32)와, (예를 들면, 플라스틱과 같은) 전기 절연체(34)가 도포된 내벽으로 구성된다. 큰 강철 고전압 전극(36)은 전기 절연체인 커버블록(cover block, 37)내에 배치되고 물 속으로 삽입된다. 체(38)는 부피 V1 속의 중간지점에 위치한다. 제2 전극(40)은 원자로 바닥에 배치되고 강철 저장고(32)로부터 전기적으로 절연된다. 체(38)의 구멍은 핵연료입자 직경의 약 3배의 직경을 가지며, 이 경우 3 mm이다. 펄스발생기(42)는 주기적으로 상부 전극(36)에 바닥의 전극(40)에 대하여 40 내지 400 kV의 전압을 발생시킨다. 고전압 전극(36)과 체(38)간 거리는 상부 전극(36)이 분쇄물(44)로부터 적절한 거리를 갖고(예를 들어 1 또는 수 센티미터), 물을 통해 방전이 이루어질 수 있도록 선택된다. 상기 방전은 물 속에서 전자-유압 충격파(electro-hydraulic shock waves)를 발생시키고, 매트릭스 흑연을 분쇄한다. 최대 방전 전류는 약 10 kA이다. 부피 V1을 정확하게 선택함으로써, 이러한 전기 방전 파라미터에 의해 핵연료입자(10)의 손상이 방지될 수 있다. 에너지 최적화 분쇄를 위하여, 체(38)의 구멍 직경은 핵연료입자 크기에 따라 달라진다. 만약 구멍이 너무 클 경우, 핵연료입자가 매트릭스 물질 내에 남아있게 되고, 너무 작을 경우, 매트릭스 물질이 체(38)의 구멍을 통해 침강하기 전에 불필요할 정도로 미세하게 분쇄된다. 통계적인 분쇄물 크기 분포의 최대치는 약 1.5 mm이다. 만약 3 mm의 구멍크기가 선택되는 경우, 핵연료입자는 이에 따라 완전히 체를 통과한 분쇄물(46) 내의 매트릭스로부터 분리될 수 있다. 체를 통해 침강한 핵연료입자는 최소 1 mm의 크기를 갖는 분쇄물을 포함하는 체의 일부에 포함된다.
이후 단계에서 처리되는 물질의 양은 상기 매트릭스 물질부분을 분리해 냄으로써 감소될 수 있다. 이러한 분리는 이전 단계를 통해 얻어진 분쇄물을 체질함으로써 이루어질 수 있다. 제거된 매트릭스 물질의 양은 체의 구멍 크기에 따라 다르다: 구멍 직경이 핵연료입자보다 다소 작을 경우, 추가적 처리가 필요한 잔여 물질은 주로 핵연료입자로 구성된다; 구멍 직경이 핵연료입자보다 충분히 작을 경우, 잔여 매트릭스 물질 비율이 높게 된다. 만약 연료핵보다 다소 작은 구멍 직경을 선택하는 경우, 균열된 핵연료입자가 추가적 처리의 대상이 될 것임이 분명하다.
연속되는 처리 단계에서 이전 단계의 잔여 분쇄물은 유체를 함유한 원자로 내에서 고전압 방전 처리되어 핵연료입자의 피복이 분쇄된다. 이에는 밀폐용기 상의 고전압 방전 또는 연료핵보다 약간 작은 구멍 직경을 갖는 체(여기서 0.4 mm) 상의 고전압 방전의 두가지 선택사항이 있다.
상기 전기적 파라미터는 상술한 바와 동일할 수 있으나, 반응 부피 V2는 제1 부피 V1보다 현저히 작다. 상기 전극은 공정 처리를 위하여 분쇄물 내부로 삽입될 수 있다. 부피의 감소를 통해 발생되는 충격파의 전력밀도가 증가되고, 결과적으로 피복이 쪼개져서 연료핵으로부터 분리된다. 산화 연료핵과는 달리, 피복벽과 혹시 있을 수 있는 잔여 매트릭스 물질은 더 분쇄된다. 피복물질과 매트릭스 물질이 충분히 분쇄된 경우, 그 분쇄물은 체를 통해 침강된다. 또는 밀폐용기를 사용하는 경우, 상기 분쇄결과물은 연속된 단계에서 걸러질 수 있다.
도 4는 분리된 피복벽의 사진을 나타내며, 도 5는 분쇄된 피복벽과 함께 있는 연료핵을 나타낸다.
또 다른 방법은 밀폐용기에 수집된 분쇄결과물을 바로 질산에 용해시켜 피복벽내로 스며든 부분을 포함하는 핵 물질의 회수를 최대화할 수 있도록 하는 것이다.
전압 방전에 의한 분쇄는 매트릭스 물질내에 포함되지 않은 피복 핵연료입자에 대하여도 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 이 경우, 핵연료입자는 물과 같은 유체를 포함하는 원자로 내의 체나 밀폐용기 내에 배치된다.
체가 사용되는 경우, 바람직하게는 연료핵의 직경보다 약간 작은 직경의 구멍을 갖는다. 전압 방전은 체와 원자로 내에 배치된 전극 사이에 고전압 펄스를 인가함으로써 발생된다. 전극은 핵연료입자 내부로 삽입된다. 방전에 의해 발생하는 충격파는 피복을 깨뜨린다. 피복물질의 작은 파편은 체의 구멍을 통해 침강하고, 손상되지 않은 연료핵은 체 위에 남아있게 된다.
분쇄를 위하여 밀폐용기를 사용할 경우, 고전압 펄스가 상기 용기와 상기 원자로 내에 적절한 거리에 떨어져 있는 전극 사이에 인가된다. 상기 전극은 이 경우에도 핵연료입자 내로 삽입된다. 상기 피복이 충분히 분쇄된 경우, 상기 분쇄물은 연료핵 회수를 위하여 체질될 수 있거나 및/또는 상기 연료핵은 예를 들면, 질산에서 용해될 수 있다.
[시험예]
수차례의 원리증명 시험이 더미(dummy)입자를 가지고 수행되었다. 실험에는 이하의 물질이 이용되었다.
a) 피복입자: 이트륨 안정화 지르코니아 핵과 삼중 피복을 포함하여 약 90 g의 프랑스 그레노블의 프랑스 원자력 위원회(CEA)로부터 얻은 더미입자.
b) SGL R9950 유형의 수개의 원통 형태인 전형적인 상업용 원자로 흑연.
시험은 2003년 11월과 2004년 4월 사이에 예를 들면 Bluhm 등에 의해 알려진 적절히 수정된 고전압 방전 장치에 의해 수행되었다. 다음과 같은 성공적인 결과를 얻을 수 있었다.
사용된 실험실 장비 상으로는, 제1 분쇄 단계에서 흑연 매트릭스를 분쇄하기 위해 필요한 전기 에너지는 흑연 매트릭스의 종류와 형태에 따라 약 2000~5000 kWh/t이었다.
피복의 분쇄를 위해 필요한 전기 에너지는 약 8000 kWh/t이었다.
실험실의 장비로 적은 양의 물질에 대해 분쇄 테스트가 이루어졌으므로 본 테스트에서 측정된 에너지 소비량은 보존적이라고 여겨진다.
더미입자의 분쇄
사용된 물질: 직경 1 mm의 더미입자 10 g
반응용기: 실제보다 작은 부피에, 직경 120 mm와 길이 15 mm인 폴리에틸렌 삽입물을 포함하며, 용기 바닥이 강화되었으며 밀폐용기는 물로 채워진다.
막스 고전압발생기(Marx Generator): 추가 유도력없이 7개의 층으로 이루어지며 7x140 nF의 용량을 갖는다. 전극간 거리는 11, 12, 12, 12, 12, 12, 12 mm이다; 60 kV에서 충전 전류는 120 mA이다.
전극간 거리: 30 mm
펄스의 수: 200
반응 결과물의 체 분석:
입자지름 회수된 질량 [g]
> 900 ㎛ 0
500 5.65
250 1.42
< 250 1.75
합계 8.82(즉 공정중 상실량 1.18 g)
분석에 따르면 모든 공급된 핵연료입자가 분쇄되었고, 모든 연료핵은 손상되지 않은 채로 남아 있었다.
흑연조각들의 분쇄
사용물질: 3개의 흑연 원통체, 직경 44 mm × 길이 35 mm(Ø44×35 mm), 합계 282 g의 무게.
반응용기: 체 바닥 3 mm, 전극 주변에 대칭적으로 배치된 흑연 원통체.
막스 고전압발생기(Marx Generator): 추가 유도력없이 7개의 층으로 이루어지며 7x140 nF의 용량을 갖는다. 전극간 거리는 11, 12, 12, 12, 12, 12, 12 mm이다; 60 kV에서 충전 전류는 150 mA이다.
전극간 거리: 50 mm
펄스의 수: 2000
2000 펄스 후, 거의 모든 흑연 입자들이 체를 통해 침강하였다.
흑연 조각과 피복 입자를 함께 분쇄
이 시험은 흑연과 피복 입자의 대표적 혼합물이 함께 분쇄될 수 있음을 보여준다.
사용 물질: 젖은 상태에서 187 g인 3 mm보다 작은 흑연 분쇄물, 1 g의 피복입자.
반응용기: 밀폐용기
막스 고전압발생기(Marx Generator): 추가 유도력없이 7개의 층으로 이루어지며 7x140 nF의 용량을 갖는다. 전극간 거리는 11, 12, 12, 12, 12, 12, 12 mm이다; 60 kV에서 충전 전류는 150 mA이다.
전극간 거리: 20 mm
펄스의 수: 총 1600
반응 결과물의 체 분석:
입자 지름 회수된 질량 [g]
> 4 mm 0
2 - 4 mm 8.9
1.12 - 2 mm 29.9
0.9 - 1.12 mm 8.8
0.5 - 0.9 mm 14.5
0.25 - 0.5 mm 8.1
0.125 - 0.25 mm 5.7
< 0.125 mm 4.7
최적화되지 않은 상황에서의 본 시험에 의하면 흑연 분쇄와 동시에 피복입자의 많은 부분이 분쇄됨을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. 유체 내에 전압 방전 장치를 구비하는 유체를 포함하는 원자로 내에 원자로 노심물질을 배치시키는 단계; 상기 연료입자를 분쇄결과물로 분쇄하기 위해 상기 유체를 통해 전압방전을 인가하는 단계; 및 상기 분쇄결과물을 분리하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  2. 제1항에 있어서, 상기 핵연료입자는 각각 연료핵과 상기 연료핵을 감싸는 피복을 포함하고; 상기 전압 방전은 상기 피복을 분쇄하기 위하여 인가되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  3. 제2항에 있어서, 상기 원자로 노심물질은 매트릭스 물질을 더 포함하고, 상기 핵연료입자는 상기 매트릭스 물질에 삽입되며; 상기 전압 방전은 상기 매트릭스 물질과 상기 피복을 분쇄하기 위하여 인가되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분쇄결과물을 분리하는 단계는 체질하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분쇄결과물을 분리하는 단계는 상기 연료핵을 용해시킴으로써 상기 피복 및/또는 상기 매트릭스 물질로부터 상기 연료핵을 분리하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 구성하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원자로 노심물질은 매트릭스 물질과 핵연료입자를 포함하고, 상기 핵연료입자는 상기 매트릭스 물질내에 삽입되고, 각각의 핵연료입자는 연료핵과 상기 연료핵을 감싸는 피복을 포함하며;
    유체내에 전압 방전 장치를 구비하는 제1 부피의 유체를 포함하는 원자로 내에 원자로 노심물질을 배치하는 단계;
    상기 제1 유체에 제1 전압 방전을 인가하여 1차적으로 상기 매트릭스 물질을 분쇄하고 그에 의해 분쇄결과물을 얻는 단계;
    상기 연료핵과 존재 가능한 잔여 매트릭스 물질을 포함하는 잔여 분쇄물을 얻기 위해 상기 분쇄결과물을 분리하는 단계;
    제2 부피의 유체를 포함하는 원자로에 상기 잔여 분쇄물을 배치하는 단계;
    피복을 분쇄하기 위해 상기 제2 부피의 유체에 제2 전압 방전을 인가하는 단계;
    상기 피복 및/또는 잔여 매트릭스 물질로부터 상기 연료핵을 분리하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2 부피는 상기 제1 부피보다 충분히 작은 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 분리 단계 중 적어도 한 단계는 체질하는 단계 및/또는 상기 연료핵을 용해시키는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원자로 노심물질은 상기 원자로 내의 체 위에 배치되고, 상기 전압 방전은 상기 원자로에 설치된 두 전극간에 전위차를 적용함에 의해 유발되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 구성하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원자로 노심물질은 상기 원자로 내의 밀폐용기에 배치되고, 상기 전압 방전은 상기 원자로내에 설치된 두 전극간에 전위차를 적용함에 의해 유발되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 전극은 상기 원자로 노심물질 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원자로 노심물질은 핵연료성분을 포함하고, 상기 핵연료입자는 상기 핵연료성분 내에 삽입되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 방전을 인가하는 단계는 40 kV내지 400 kV의 범위에서 선택되는 전위차를 적용하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 핵연료입자를 포함하는 원자로 노심물질을 재처리하기 위한 헤드-엔드 공정.
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