KR20090104460A - Molten salt electrorefiner for recovering actinide elements - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 사용된 핵연료의 건식처리공정에 관한 것으로서, 특히 용융염의 전해제련공정에서 액체금속을 음극으로 사용하여 용융염과 액체음극 계면에서 발생하는 우라늄 덴트라이트를 제거하여 악티나이드계 원소를 빠른 시간 내에 많은 양을 회수하기 위한 도가니의 액체음극구조에 관한 것이다.The present invention relates to a dry treatment process of used nuclear fuel, and in particular, in the electrolytic smelting process of molten salt, the liquid metal is used as a cathode to remove uranium dentite generated at the interface between the molten salt and the liquid cathode, thereby quickly removing actinide-based elements. It relates to a liquid cathode structure of a crucible for recovering a large amount in the container.
사용후 핵연료의 처리와 처분을 위해 핵확산 저항성이 크고, 장치가 간단하며, 폐기물의 발생량이 적다는 등의 장점을 가진 건식정련기술(Pyroprocessing; 파이로프로세싱)이 최근 활발히 연구되고 있다. 이러한 파이로프로세싱 공정은 주로 용융염전해에 의해 악티나이드계 원소들을 회수하는 방법인데, 이 방법은 산화물인 사용후 핵연료를 금속상태로 전환하고(전해환원), 고체음극에 순수한 우라늄을 전착시켜 분리하며(전해정련), 액체금속을 이용하여 용융염 중에 잔존하는 우라늄과 초우라늄(TRU; TRansUranic) 원소들을 함께 회수(전해제련)하는 공정으로 이루어져 있다.Pyroprocessing (Pyroprocessing), which has the advantages of high proliferation resistance, simple equipment, and low generation of waste, has been actively studied for the disposal and disposal of spent nuclear fuel. This pyroprocessing process is mainly a method of recovering actinide-based elements by molten salt electrolysis, which converts spent nuclear fuel, which is an oxide, into a metal state (electrolytic reduction), and deposits pure uranium on a solid cathode for separation. It is a process of recovering (electrorefining) elements of uranium and super uranium (TRU) remaining in molten salt by using liquid metal.
전해정련 공정에서는 고체음극을 이용하여 순수한 우라늄을 분리하는데, 이 때 전착되는 우라늄의 순도를 고려하여 용융염 중의 Pu/U의 비가 2.5~3 정도에 이를 때 까지만 회수하고, 나머지 우라늄과 초우라늄 원소들(악티나이드)은 전해제련 공정에서 회수하게 된다. 그러나 전해제련 공정에서 액체음극을 이용하여 우라늄을 포함한 악티나이드계 원소들을 회수할 때 전해정련 공정 후의 용융염 중에 잔류한 우라늄은 우라늄 덴트라이트를 형성하여 전해제련 조업에 큰 장애가 된다.In the electrolytic refining process, pure uranium is separated by using a solid cathode.In this case, the pure uranium is recovered in consideration of the purity of electrodeposited uranium, and is recovered until the ratio of Pu / U in the molten salt reaches about 2.5 to 3, and the remaining uranium and ultrauranium elements Fields (actinides) are recovered in the smelting process. However, when recovering actinide-based elements including uranium by using the liquid cathode in the electrolytic smelting process, uranium remaining in the molten salt after the electrolytic refining process forms a uranium dentite, which is a major obstacle to the electrolytic smelting operation.
액체금속은 사용온도에서 액체상태로 되어 있는 금속으로서, 액체금속으로는 주로 카드뮴(Cd)이 많이 이용되며, 카드뮴 액체금속에서는 우라늄(U)과 악티나이드(TRU; TRansUranic) 원소가 유사한 전위에서 회수되므로 순수한 플루토늄(Pu)의 분리회수가 불가능하다. 따라서 이러한 액체음극 기술은 핵확산저항성이 크다는 장점이 있다. 그러나 액체 음극에 우라늄(U)을 전착시킬 때 고체상의 우라늄이 액체음극과 용융염 계면에서 석출되어 수지상으로 용융염상으로 성장하는 현상이 나타난다. 이러한 용융염과 액체음극 계면에서 성장하는 수지상 우라늄을 우라늄 덴트라이트라 한다. 액체금속 표면에 생성된 우라늄 덴트라이트는 그 자체가 전극으로 작용하여 용융염 중의 우라늄만을 우선적으로 전착시킴으로써, 액체금속의 표면적을 감소시킨다. 따라서, 우라늄 덴트라이트는 다른 악티나이드계 원소들의 전착을 방해하여 공정의 효율을 크게 감소시키며, 액체음극 도가니 밖으로도 성장하여 전해조를 단락시키는 등의 문제를 일으킨다. 따라서, 액체음극 전해제련 공정은 액체금속 표면에 생성되는 우라늄 덴트라이트의 생성과 성장을 억제하는 것이 공정 전체의 핵심기술이 되고 있다.Liquid metal is a metal that is in a liquid state at the operating temperature. Cadmium (Cd) is mainly used as a liquid metal, and in a cadmium liquid metal, uranium (U) and actinide (TRU; TRansUranic) elements are recovered at similar potentials. Therefore, the separation recovery of pure plutonium (Pu) is impossible. Therefore, this liquid cathode technology has the advantage of high nuclear proliferation resistance. However, when uranium (U) is electrodeposited on the liquid cathode, a solid uranium precipitates at the interface between the liquid cathode and the molten salt and grows into the molten salt in the resin phase. The dendritic uranium growing at the molten salt and the liquid cathode interface is called uranium dentite. The uranium dentite produced on the surface of the liquid metal itself acts as an electrode to preferentially electrodeposit only uranium in the molten salt, thereby reducing the surface area of the liquid metal. Therefore, uranium dentite greatly hinders electrodeposition of other actinide-based elements, greatly reducing the efficiency of the process, and also grows out of the liquid cathode crucible, causing problems such as shorting of the electrolyzer. Therefore, in the liquid cathode electrolytic smelting process, suppressing the production and growth of uranium dentite generated on the surface of the liquid metal has become a core technology of the entire process.
액체금속 표면에 생성되는 우라늄 덴트라이트의 생성을 억제하고, 성장을 막 는 장치를 개발하기 위하여 미국 및 일본 등의 국가에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 미국 아르곤 연구소에서는 개발된 파운더(Pounder)는 액체음극 도가니 내부의 액체금속 표면에서 상하로 움직이면서 회전하는 파운더(Pounder)장치를 개발하였다. 이 장치는 액체음극 표면에서 생성된 우라늄 덴트라이트를 파쇄하여 액체음극 내부로 침전시키기 위한 장치로 수차례의 실험결과가 보고되고 있기는 하지만 용융염 중의 Pu/U 비율이 작을 경우에는 그 효과가 크게 떨어지는 것으로 알려져 있다.In order to suppress the production of uranium dentite generated on the surface of the liquid metal and to develop a device for preventing growth, many studies have been conducted in the United States and Japan. Pounder, developed at the US Argonne Research Institute, developed a Pounder device that rotates while moving up and down on the liquid metal surface inside the liquid cathode crucible. This device is a device for crushing uranium dentite produced on the surface of liquid cathode and depositing it inside the liquid cathode. However, although the results of several experiments have been reported, the effect is great when the Pu / U ratio in the molten salt is small. It is known to fall.
일본의 전력중앙연구소(CRIEPI; Central Research Institute of Electric Power Industry)에서는 액체음극 내부에서 회전하는 교반기를 사용하여 덴트라이트 생성없이 우라늄 전착량을 어느 정도 향상시킬 수 있는 방법을 개발하였으나 용량이 작은 규모의 실험이었다. 그 외에도 일본에서는 액체 카드뮴 음극 표면에 성장하는 우라늄 덴트라이트를 상하 한 쌍의 회전 날개에 의하여 파쇄, 전단하거나 혹은 상하 한 쌍의 이동판에 의하여 압축, 분쇄 후 카드뮴 음극 내부로 침강시키는 것을 특징으로 하는 융해염 전기분해 정제장치가 개발된 바 있으나, 실제 성능은 보고된 바 없다.Japan's Central Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI) has developed a method to improve the amount of uranium deposition without generating dentite by using an agitator that rotates inside the liquid cathode. It was an experiment. In addition, in Japan, uranium dentite growing on the surface of a liquid cadmium cathode is crushed, sheared by a pair of upper and lower rotary blades, or compressed and crushed by a pair of upper and lower moving plates, and then sedimented into the cadmium cathode. Molten salt electrolysis purification apparatus has been developed, but actual performance has not been reported.
그러나, 액체음극에 의한 악티나이드 금속의 전해회수에 있어서 우라늄 덴트라이트가 생성되는 현상은 용융염과 액체금속 계면에서 환원되는 우라늄의 환원속도가 액체음극으로 용해되거나 파쇄되어 액체음극 아래로 침전되는 속도에 비해 클 때 발생하게 된다. 따라서 기존의 방법들은 용융염 중의 초기 우라늄 농도가 높아서 액체음극에서 회수해야할 우라늄의 양이 많아지면 우라늄 덴트라이트의 생성을 억제할 수 없으며 그 생성 및 성장 속도를 기계적인 파쇄에 의한 침전만으로는 감 당할 수 없다는 근본적인 문제점이 있다. 특히, 우라늄 덴트라이트의 양이 증가하였을 때에는 더욱 어렵게 된다.However, the phenomenon that uranium dentite is generated in the electrolytic recovery of actinide metal by the liquid cathode is a rate at which the reduction rate of uranium reduced at the molten salt and liquid metal interface is dissolved or crushed into the liquid cathode and settles below the liquid cathode. It occurs when it is larger than. Therefore, the existing methods have a high initial uranium concentration in the molten salt, so if the amount of uranium to be recovered from the liquid cathode is high, the production of uranium dentite cannot be suppressed, and the production and growth rate can only be managed by precipitation by mechanical crushing. There is no fundamental problem. In particular, it becomes more difficult when the amount of uranium dentite is increased.
다시 말하면, 사용후 핵연료로부터 악티나이드계 원소를 회수하기 위한 액체음극 전해제련 공정은 액체금속(카드뮴)과 용융염 계면에서 발생하는 우라늄 덴트라이트 액체금속 계면을 덮어 그 자체가 음극으로 작용하게 되므로 액체음극의 기능을 저하시켜 다른 악티나이드계 금속의 회수효율을 감소시키는 문제가 발생한다.In other words, the liquid cathode electrolytic smelting process for recovering actinide-based elements from spent nuclear fuel covers the uranium dentite liquid metal interface generated at the interface between the liquid metal (cadmium) and the molten salt, and thus acts as a cathode. Deterioration of the function of the negative electrode causes a problem of reducing the recovery efficiency of other actinide metals.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 액체음극 도가니의 구조를 고안하고 교반기 운전만을 채택함으로써 단순한 구조와 운전방법만을 적용하여 전해제련 공정의 액체음극 공정 효율을 크게 향상시키는데에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, by devising the structure of the liquid cathode crucible and adopting only the stirrer operation to apply only a simple structure and operation method to greatly improve the efficiency of the liquid cathode process of the electrosmelting process Has its purpose.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 악티나이드계 원소 회수를 위한 용융염 전해조의 제 1 특징은 용융염이 채워진 전해조에 있어서, 상기 전해조 내부에 형성되어 용융염으로 충진된 외부도가니, 상기 외부도가니의 내측 일부분에 형성되며, 내부에 액체금속이 충진된 내부 도가니 및 상기 액체금속의 상부면에 접하여 회전함으로써 상기 액체금속의 상부면에 생성된 우라늄 덴트라이트를 상기 외부도가니로 이동시키는 교반기 임펠러를 포함한다.A first characteristic of the molten salt electrolyzer for recovering actinide-based elements according to the present invention for solving the above problems is an external crucible formed in the electrolytic cell and filled with molten salt in the molten salt-filled electrolytic cell, the outer A stirrer impeller formed on an inner portion of the crucible, the inner crucible having a liquid metal filled therein and rotating in contact with the upper surface of the liquid metal to move the uranium dentite generated on the upper surface of the liquid metal to the outer crucible; Include.
상기 용융염 전해조는 상기 액체금속과 전원공급장치의 음극을 연결시키는 음극 리드선을 포함하고, 상기 용융염과 전원공급장치의 양극을 연결시키는 양극 리드선을 포함한다. 상기 액체금속은 카드뮴을 포함한다.The molten salt electrolyzer includes a cathode lead wire connecting the liquid metal and the cathode of the power supply device, and includes a cathode lead wire connecting the molten salt and the anode of the power supply device. The liquid metal comprises cadmium.
상기 음극 리드선은 세라믹 재질의 음극선 샤프트 내부를 관통하고, 상기 양극 리드선은 세라믹 재질의 양극선 샤프트 내부를 관통한다.The cathode lead wires penetrate the inside of the cathode shaft made of ceramic material, and the anode lead wires penetrate the interior of the anode wire shaft made of ceramic material.
상기 교반기 임펠러는 구동 모터에 의해 회전하는 것을 특징으로 한다.The stirrer impeller is characterized by rotating by a drive motor.
상기 외부도가니의 용기 및 상기 액체금속 도가니의 용기는 절연 재질로 형 성되는 것을 특징으로 한다.The container of the external crucible and the container of the liquid metal crucible are formed of an insulating material.
본 발명에 따른 용융염이 채워진 전해조에 있어서, 상기 전해조 내부에 형성되며 용융염으로 충진된 도가니, 상기 도가니 내부를 제 1 공간 및 제 2 공간으로 구획하는 격벽, 상기 제 1 공간에 충진된 액체금속 및 상기 액체금속의 상부면에 접하여 회전함으로써 상기 액체금속의 상부면에 생성된 우라늄 덴트라이트를 상기 제 2 공간으로 이동시키는 교반기 임펠러를 포함한다. In the molten salt-filled electrolytic cell according to the present invention, a crucible formed inside the electrolytic cell and filled with molten salt, a partition wall partitioning the inside of the crucible into a first space and a second space, and a liquid metal filled in the first space And an agitator impeller for moving the uranium dentite generated on the upper surface of the liquid metal to the second space by rotating in contact with the upper surface of the liquid metal.
상기 용융염 전해조는 상기 액체금속과 전원공급장치의 음극을 연결시키는 음극 리드선을 포함하고, 상기 용융염과 전원공급장치의 양극을 연결시키는 양극 리드선을 포함한다.The molten salt electrolyzer includes a cathode lead wire connecting the liquid metal and the cathode of the power supply device, and includes a cathode lead wire connecting the molten salt and the anode of the power supply device.
상기 음극 리드선은 세라믹 재질의 음극선 샤프트 내부를 관통하고, 상기 양극 리드선은 세라믹 재질의 양극선 샤프트 내부를 관통한다.The cathode lead wires penetrate the inside of the cathode shaft made of ceramic material, and the anode lead wires penetrate the interior of the anode wire shaft made of ceramic material.
상기 용융염 전해조는 절연 재질로 형성되며, 상기 양극 리드선은 몰리브데늄 또는 스테인리스강 재질로 형성되고, 상기 교반기 임펠러는 절연 재질로 형성된다. 상기 액체금속은 카드뮴을 포함한다.The molten salt electrolyzer is formed of an insulating material, the anode lead wire is formed of molybdenum or stainless steel, the stirrer impeller is formed of an insulating material. The liquid metal comprises cadmium.
상기 교반기 임펠러는 구동 모터에 의해 회전한다.The stirrer impeller is rotated by a drive motor.
상기 격벽은 절연 재질로 형성된다.The partition wall is formed of an insulating material.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 악티나이드계 원소 회수를 위한 용융염 전해조는 액체음극 표면에 생성된 우라늄 덴트라이트를 도가니의 바닥으로 침전시키는 단순하지만 개선된 도가니 구조를 제공함으로써 우라늄 덴트라이트의 제거 효과를 극대화하여 액체음극에 의한 악티나이드계 원소 회수 효율과 처리 용량을 크게 향상시키는 효과가 있다.The molten salt electrolyzer for recovering the actinide element according to the present invention configured as described above removes uranium dentite by providing a simple but improved crucible structure in which uranium dentite generated on the surface of the liquid cathode is precipitated to the bottom of the crucible. By maximizing the effect, there is an effect of greatly improving the actinide-based element recovery efficiency and treatment capacity by the liquid cathode.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용 및 실시예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described specific details and embodiments of the present invention.
본 발명은 액체음극 용융염 계면에서 발생하는 우라늄 덴트라이트를 제거하기 위해 액체음극의 구조를 변경하였다. 본 발명의 용융염 전해제련장치는 기본적인 전해제련 전해조의 구성요소를 모두 포함하면서 액체음극의 구조를 이중 도가니 구조(도 2 참조)와 내부 분할형 구조(도 4 참조)를 사용하였다. 이러한 방법은 액체음극의 구조변경이 단순하고 교반기만을 사용하기 때문에 구조가 간단하며 운전방법이 단순하다는 이점을 가진다. The present invention changes the structure of the liquid cathode to remove uranium dentite generated at the liquid cathode molten salt interface. The molten salt electrolytic smelting apparatus of the present invention uses a double crucible structure (see FIG. 2) and an internal split structure (see FIG. 4) as the structure of the liquid cathode while including all the components of the basic electrolytic smelting electrolyzer. This method has the advantage that the structure of the liquid cathode is simple and the structure is simple and the operation method is simple because only the agitator is used.
본 발명의 일 실시형태에 따른 이중 도가니형 액체음극(카드뮴)구조를 사용한 액체음극 전해제련 장치의 구성도는 도 1에서 도시된다. 전해 제련조(101)에는 악티나이드계 원소가 염화물 형태로 존재하는 용융염(102)을 넣고, 용융염 내에 설치한 액체음극 외부도가니(103)의 가운데 부분에 액체음극으로 작용하는 카드뮴 금속(105)을 넣은 음극 내부도가니(104)를 설치한다. 이러한 외부도가니 및 내부도가니는 모두 절연을 위해 세라믹 재질로 제작되었다.A schematic diagram of a liquid cathode electrolytic smelting apparatus using a double crucible liquid cathode (cadmium) structure according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 1. In the
도 1을 참조하면, 전해조(101)는 용융염(102)으로 충진되어 있으며, 전해조(101) 내부에 외부도가니(103)가 설치되어 있다. 외부도가니(103)의 중심부에는 내부도가니(104)가 형성되어 있는데, 이 내부도가니(104)는 액체금속(105)으로 충 진되며, 도가니 외부는 절연 재질로 둘러싸여 있다. Referring to FIG. 1, an
세라믹 재질로 제작된 음극선 샤프트(107) 내부를 몰리브데늄 또는 스테인리스강 재질의 액체음극 리드선(106)을 관통시켜 액체금속(105)에 접촉시킴으로써 액체금속을 음극으로 작용하게 한다. 음극선 샤프트가 관통하는 교반기 샤프트(109) 하부에 세라믹 재질의 교반기 임펠러(108)를 부착시키고 이를 액체음극(105)과 용융염(102) 계면에서 작동하도록 위치를 조절하여 설치한다. 교반기 상부의 톱니(111)에 벨트(110)를 걸고 교반기 구동 모터(113)의 샤프트(112)와 연결하여 모터의 작동에 따라 교반기를 회전하도록 한다. 액체음극 리드선 상부의 음극연결부(114)를 전압공급 장치(115)의 음극에 연결하고 양극연결부(116)는 전압공급장치의(115)의 양극에 연결하여 전류가 흐르도록 한다. 양극은 양극 샤프트(117)와 양극 리드선(118)으로 구성되어 있다. The inside of the
도 1을 다시 참조하면, 액체금속(105)의 상부에는 교반기 임펠러(108)가 제공되는데, 이 교반기 임펠러(108)는 여러 개의 회전 날개의 회전에 의해 액체금속 표면상의 우라늄 덴트라이트 성분을 파쇄하여 외부도가니(103)의 바닥으로 침전시킨다. 교반기 임펠러(108)는 교반기 샤프트(109) 하부에 연결되어 있다. 전해제련공정에서, 전원을 공급하는 직류 전압공급장치(115)가 제공되는데, 이 전압공급장치(115)의 양극은 용융염(102)과 연결되고, 전압공급장치(115)의 음극은 액체금속(105)과 연결된다. 용융염(102)은 양극선 리드(118)를 통해 전압공급장치의 양극과 연결되며, 양극 리드선(118)은 양극 샤프트(117) 내부를 관통한다. 액체금속(105)은 음극 리드선(106)을 통해 전압공급장치의 음극과 연결되며, 음극 리드 선(106)은 음극 샤프트(109) 내부를 관통한다.Referring again to FIG. 1, an
도 2는 액체음극 구조의 정면도와 상부 단면도이다. 도 2의 각 도면부호는 도 1의 용융염 전해조의 각 구성요소의 도면부호와 대응하도록 표시되었다.2 is a front view and a cross-sectional view of the liquid cathode structure. Each reference numeral in FIG. 2 is indicated to correspond to a reference numeral of each component of the molten salt electrolyzer of FIG. 1.
본 발명의 일 실시형태에 따른 이중 도가니형 액체음극구조의 특징은 내부도가니(204)에는 액체금속이 내부도가니의 높이까지 충전되어 있고 교반기 임펠러(208)는 액체금속의 표면에 설치되어 있으며, 내부도가니와 외부도가니의 사이에는 용융염이 채워져 있다는 것이다. 교반기 임펠러(208)는 내부도가니의 액체음극표면에 붙어서 용융염 상에서 회전함으로써 액체음극 표면에서 발생하는 우라늄 덴트라이트를 파쇄하거나 내부도가니의 외곽으로 밀어내는 작용을 한다. 이때에 내부도가니(204)의 외곽으로 밀려나온 우라늄 덴트라이트는 내부도가니의 벽을 넘게 되고 비중 차이에 의해 용융염이 채워진 외부도가니(203)의 바닥으로 침전하게 된다. 따라서, 액체금속표면에는 새로운 액체금속이 계속 존재하게 되어 우라늄 이외의 악티나이드계 금속의 회수 효율은 증가할 수 있다.A double crucible liquid cathode structure according to an embodiment of the present invention is characterized in that the
한편, 악티나이드족 원소들이 액체음극에 전착될 때 전착된 원소들이 액체금속에 용해되기도 하지만 용해하지 않은 우라늄은 덴트라이트를 형성하고, 다른 원소들은 금속과 화합물을 형성하게 된다. 이와 같이 악티나이드계 원소는 여러 가지 형태로 액체금속에 전착되는데, 이에 따라 내부도가니의 액체금속의 부피는 증가하게 되며 증가된 액체금속의 부피는 내부도가니의 액체금속 표면으로 팽창하게 된다. 액체금속 표면에는 우라늄 덴트라이트와 함께 여러 가지 형태의 악티나이드계 원소를 함유한 액체금속이 부피가 팽창되어 존재하게 된다. 이때에 내부도가니의 액체금속 표면 위로 팽창된 액체금속은 교반기 임펠러의 회전운동에 의해 내부도가니 외곽으로 밀려나게 되어 우라늄 덴트라이트와 함께 내부도가니의 벽을 넘어 외부도가니의 바닥에 침전하게 된다. 따라서, 각 원소의 농도차이는 있지만 내부도가니와 외부도가니에는 전착된 악티나이드족 원소뿐만 아니라 액체금속에 용해된 우라늄과 교반기에 의해 분쇄되어 침전된 우라늄이 액체금속과 함께 존재하게 된다.On the other hand, when the actinide elements are electrodeposited on the liquid cathode, the electrodeposited elements are dissolved in the liquid metal, but the undissolved uranium forms the dendrite, and the other elements form the metal and the compound. As described above, the actinide-based element is electrodeposited onto the liquid metal in various forms. Accordingly, the volume of the liquid metal of the inner crucible increases and the volume of the increased liquid metal expands to the liquid metal surface of the inner crucible. On the surface of the liquid metal, liquid metal containing various types of actinide-based elements together with uranium dentite is expanded in volume. At this time, the liquid metal expanded on the surface of the liquid metal of the inner crucible is pushed out of the inner crucible by the rotational movement of the stirrer impeller and settles on the bottom of the outer crucible with the uranium dentite beyond the wall of the inner crucible. Therefore, although there is a difference in concentration of each element, in the inner crucible and the outer crucible, uranium dissolved in the liquid metal and uranium dissolved and pulverized by the stirrer are present together with the liquid metal.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 내부 분할 도가니형 액체금속(카드뮴)구조를 사용한 액체음극 전해제련 장치가 도 3에서 도시된다. 전해제련조(301)에는 악티나이드계 원소가 염화물 형태로 존재하는 용융염(302)을 넣고, 용융염 내에 설치한 액체음극 도가니(319)는 액체음극 도가니 내부 분할면(320)을 설치하여 부피가 큰 부분과 작은 부분의 두 부분으로 액체음극 내부를 분할한다. 부피가 큰 부분에 액체음극으로 작용하는 카드뮴 금속(305)을 넣고 작은 부분은 도가니 외부와 같이 용융염(302)으로 채우도록 한다. 이러한 도가니는 절연을 위해 세라믹 재질로 제작되었다. A liquid cathode electrolytic smelting apparatus using an internal split crucible liquid metal (cadmium) structure according to another embodiment of the present invention is shown in FIG. In the
도 3에서 도시된 본 발명의 다른 실시형태에 따른 액체음극 전해제련 장치는 도가니가 내부 분할 형태인 점을 제외하고 도 1의 전해제련 장치와 동일한 구성요소를 갖는다. 도 3에서, 도가니(319)는 제 1 공간과 제 2 공간으로 나뉘며, 제 1 공간에는 액체금속(305)으로 충진되며, 제 2 공간에는 용융염이 존재한다. 이러한 제 1 공간과 제 2 공간은 절연 재질의 격벽(307)으로 구획된다.The liquid cathode electrolytic smelting apparatus according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 3 has the same components as the electrolytic smelting apparatus of FIG. 1 except that the crucible is in the form of internal division. In FIG. 3, the
세라믹 재질로 제작된 음극선 샤프트(307) 내부를 몰리브데늄 또는 스테인리스강 재질의 액체음극 리드선(306)을 관통시켜 액체금속(305)에 접촉시킴으로써 액 체금속을 음극으로 작용하게 한다. 음극선 샤프트가 관통하는 교반기 샤프트(309) 하부에 세라믹 재질의 임펠러(308)를 부착시키고 이를 액체음극(305)과 용융염(302) 계면에서 작동하도록 위치를 조절하여 설치한다. 교반기 상부의 톱니(311)에 벨트(310)를 걸고 교반기 구동 모터(313)의 샤프트(312)와 연결하여 모터의 작동에 따라 교반기를 회전하도록 한다. 액체음극 리드선 상부의 음극연결부(314)를 전압공급 장치(315)의 음극에 연결하고 양극연결부(316)는 전압공급장치(315)의 양극에 연결하여 전류가 흐르도록 한다. 양극은 양극 샤프트(317)와 양극 리드선(318)으로 구성되어 있다.The liquid metal acts as a cathode by penetrating the liquid
도 4는 액체음극 구조의 정면도와 상부 단면도이다. 도 2의 각 도면부호는 도 1의 용융염 전해조의 각 구성요소의 도면부호와 대응하도록 표시되었다.4 is a front view and a cross-sectional view of the liquid cathode structure. Each reference numeral in FIG. 2 is indicated to correspond to a reference numeral of each component of the molten salt electrolyzer of FIG. 1.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 내부 분할 도가니형 액체음극구조의 특징은 내부도가니에는 도가니 내부 분할면(420)의 높이가 액체음극 도가니의 외벽의 높이보다 낮게 제작되었으며, 액체금속은 내부 분할면의 높이까지 충전되어 있고 교반기의 임펠러(408)는 액체금속의 표면에 설치되어 있으며, 도가니 내부에 액체금속이 채워지지 않고 용융염이 채워진 부분이 존재한다는 것이다. 교반기의 임펠러(408)는 도가니 내부의 액체금속표면에 붙어서 용융염 상에서 회전함으로써 액체음극 표면에서 발생하는 우라늄 덴트라이트를 파쇄하거나 밀어서 도가니 내부의 용융염이 충전된 부분으로 밀어내는 작용을 한다. 이때에 도가니 내부 분할면으로 밀려나온 우라늄 덴트라이트는 그 분할면을 넘게 되고 비중 차이에 의해 용융염이 채워진 부분의 바닥으로 침전하게 된다. 따라서, 액체금속표면에는 새로운 액체금속 이 계속 존재하게 되어 우라늄 이외의 악티나이드계 금속의 회수 효율은 증가할 수 있다.The internally divided crucible-type liquid cathode structure according to another embodiment of the present invention is characterized in that the inner crucible has a height of the
한편, 악티나이드족 원소들이 액체음극에 전착될 때 전착된 원소들이 액체금속에 용해되기도 하지만 용해하지 않은 우라늄은 덴트라이트를 형성하고, 다른 원소들은 금속과의 화합물을 형성하게 된다. 이와 같이 악티나이드족 원소는 여러 가지 형태로 액체금속에 전착되는데, 이에 따라 음극도가니의 액체금속의 부피는 증가하게 되며 증가된 액체금속의 부피는 음극도가니의 액체금속 표면으로 팽창하게 된다. 액체금속 표면에는 우라늄 덴트라이트와 함께 여러 가지 형태의 악티나이드 원소를 함유한 액체금속이 부피가 팽창되어 존재하게 된다. 이때에 음극도가니의 액체금속 표면 위로 팽창된 액체금속은 교반기 임펠러의 회전운동에 의해 도가니 내부 분할면으로 밀려나게 되며 우라늄 덴트라이트와 함께 도가니 내부 분할면의 벽을 넘어 용융염 부분의 도가니 바닥에 침전하게 된다. 따라서, 각 원소의 농도차이는 있지만 내부도가니와 외부도가니에는 전착된 악티나이드족 원소뿐만 아니라 용해된 우라늄과 교반기에 의해 분쇄되어 침전된 우라늄이 액체금속과 함께 존재하게 된다.On the other hand, when the actinide elements are electrodeposited on the liquid cathode, the electrodeposited elements are dissolved in the liquid metal, but the undissolved uranium forms the dendrite, and the other elements form a compound with the metal. As described above, the actinide group element is electrodeposited onto the liquid metal in various forms. Accordingly, the volume of the liquid metal of the cathode crucible increases and the volume of the increased liquid metal expands to the surface of the liquid metal of the cathode crucible. On the surface of the liquid metal, liquid metal containing various types of actinide elements together with uranium dentite is expanded in volume. At this time, the liquid metal expanded on the surface of the liquid metal of the cathode crucible is pushed to the inner part of the crucible by the rotational movement of the stirrer impeller and settles at the bottom of the crucible of the molten salt portion over the wall of the inner part of the crucible with uranium dentite. Done. Therefore, although there is a difference in concentration of each element, in the inner crucible and the outer crucible, as well as the electrodeposited actinide elements, the dissolved uranium and uranium precipitated by the stirrer are present together with the liquid metal.
이상과 같이 본 발명에 의한 악티나이드계 원소 회수를 위한 용융염 전해조가 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.As described above with reference to the drawings illustrating a molten salt electrolytic cell for the actinide-based element recovery according to the present invention, the present invention is not limited by the embodiments and drawings disclosed herein, the scope of the technical idea is protected It can be applied within.
도 1은 본 발명의 악티나이드계 원소 회수를 위한 이중 도가니형 액체음극 구조의 실시형태가 도시된 용융염 전해제련장치의 단면도,1 is a cross-sectional view of a molten salt electrolytic smelting apparatus showing an embodiment of a double crucible liquid cathode structure for recovering actinide-based elements of the present invention;
도 2는 도 1의 장치에서 적용되는 우라늄 덴트라이트 제거를 위해 고안된 이중 도가니형 액체음극구조가 도시된 도면,FIG. 2 shows a double crucible liquid cathode structure designed for uranium dentite removal in the apparatus of FIG.
도 3은 본 발명의 악티나이드계 원소 회수를 위한 분할 도가니형 액체음극 구조의 실시형태가 도시된 용융염 전해제련장치의 단면도, 3 is a cross-sectional view of a molten salt electrolytic smelting apparatus showing an embodiment of a split crucible liquid cathode structure for recovering actinide-based elements of the present invention;
도 4는 도 3의 장치에서 적용되는 우라늄 덴트라이트 제거를 위해 고안된 내부 분할 도가니형 액체음극구조가 도시된 도면이다.4 is a diagram illustrating an internal split crucible liquid cathode structure designed for uranium dentite removal applied in the apparatus of FIG. 3.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명> <Explanation of symbols on main parts of the drawings>
101: 용융염 전해제련조 102; 용융염 101: molten salt
103; 액체음극 외부도가니 104: 액체음극 내부도가니103; Liquid cathode outer crucible 104: Liquid cathode inner crucible
105: 액체금속 108: 교반기 임펠러 105: liquid metal 108: stirrer impeller
115: 전압공급장치 306: 액체음극 리드선115: voltage supply device 306: liquid cathode lead wire
318: 양극 리드선 320: 액체음극 도가니 내부 분할면318: anode lead wire 320: liquid cathode crucible internal split surface
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