KR20110034347A

KR20110034347A - 사용후 핵연료를 이용한 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법

Info

Publication number: KR20110034347A
Application number: KR1020090091849A
Authority: KR
Inventors: 박창제; 나상호; 강권호; 이정원
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-04-05
Also published as: KR101104042B1

Abstract

중수로 사용 후 핵원료 및 경수로 사용 후 핵원료를 혼합하여 사용 후 혼합 핵연료를 준비하는 혼합 공정, 상기 사용 후 혼합 핵연료를 이용한 파이로 공정 중, 전해 정련 공정에서 회수되는 금속 우라늄을 공기분위기 하에서 산화시켜 U₃O₈분말을 제조하는 산화 공정, 상기 산화 공정을 통해 제조된 U₃O₈분말을 수소 분위기에서 환원시켜 이산화우라늄 분말을 제조하는 환원 공정, 상기 환원 공정을 통해 얻어지는 이산화우라늄 분말을 성형체로 제조하는 성형 공정, 및 상기 성형 공정을 통해 제조된 이산화우라늄 성형체를 환원성 기체 분위기에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하는 소결 공정을 포함하는 중수로용 핵연료 소결체 제조방법을 개시한다.

Description

사용후 핵연료를 이용한 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법{A FABRICATION METHOD OF NUCLEAR FUEL PALLET FOR HEAVY WATER REACTOR USING SPENT NUCLEAR FUEL}

중수로용 핵연료 소결체 제조 방법에 관한 것으로서, 사용 후의 핵원료를 이용하여 중수로용 핵원료로 재사용하는 방법에 관한 것이다.

원자력발전은 핵분열에 의해서 발생되는 열을 이용하는 것으로, 산업적으로 이용 가능한 핵원료 물질로 우라늄(U), 플루토늄(Pu) 또는 토륨(Th) 등의 산화물을 단독 또는 혼합한 물질을 성형 및 소결하여 제조된 소결체를 사용하고 있다.

현재 가장 널리 사용되는 핵원료는 우라늄 산화물 소결체이다. 통상적인 우라늄 산화물 소결체 제조공정에서는, 출발물질인 우라늄 산화물 분말에 윤활제를 첨가, 혼합한 후 소정의 압력으로 예비성형하여 슬러그를 제조한다. 이 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조하고, 얻어진 과립에 윤활제를 첨가, 혼합하고 압축 성형하여 성형체를 형성한다. 상기 성형체를 수소 함유 기체 분위기에서 소결하여 제조한다.

원자로는 사용되는 감속재의 종류에 따라 크게 중수(D₂0)를 사용하는 중수로 와 일반 물, 즉 경수(H₂O)를 사용하는 경수로로 구분된다. 일반적으로 경수로형 원자로에서는 핵연료가 연소되는 동안 핵연료에 포함된 핵분열성 물질이 중성자와 반응하면서 그 양이 점점 감소되나, 원자로에서 일정주기 동안 연소된 후 방출되는 핵연료, 즉 사용 후 핵연료에는 여전히 U-235의 함량이 충분히 높으며, 따라서 이들 사용 후 핵연료는 재사용할 가치가 충분한 재활용 자원이 된다.

우리나라는 경수로형 원자로와 중수로형 원자로를 동시에 보유하고 있어, 경수로형 원자로에서 방출된 사용 후 핵연료를 중수로형 원자로에서 재사용하여 사용 후 핵연료의 처분량 감소는 물론, 자원 재활용이라는 두 가지 목적을 달성하고자 하는 사용 후 핵연료 재사용 기술에 대한 연구?개발이 활발히 수행되고 있다.

사용 후 핵연료 재사용 기술로는 사용 후 경수로 핵연료를 건식 공정으로 재가공하여 새로운 핵연료 소결체를 제조함으로써, 이를 중수로형 원자로에서 재사용할 수 있도록 하는 경, 중수로 연계핵연료 주기(Direct Use of spent PWR Fuel in CANDU Reactors; DUPIC) 기술이 있는데, DUPIC 공정을 거쳐 재사용되는 핵연료는 희토류 금속(RE)과 같은 불순물을 많이 함유하고 있어 핵연료의 성능이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 핵분열 생성물(Fission Product; FP)이나 초우라늄원소(Trans Uranics; TRU) 물질과 같은 다량의 방사성 물질을 포함하고 있어 방사선 준위가 매우 높기 때문에, 밀폐된 핫셀 내에서 원격으로 모든 제조 작업을 수행해야 하므로 작업 시간 및 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있다.

한편, 경수로의 사용 후 핵연료를 고속로(fast reactor)에 재사용하는 기술 로 파이로 공정(pyro process) 기술이 있으며, 현재 우리나라는 고준위 방사성 폐기물 처리 문제에 대한 방안으로서 파이로 공정 기술을 적용할 계획을 수립 중에 있다.

고준위 방사성 물질들이 효율적으로 제거되어 작업성과 성능이 향상된 중수로용 핵연료 소결체의 제조방법으로, 상기 제조방법에 의하면 사용 후 핵연료의 저장 및 폐기에 소요되는 비용과 중수로용 핵연료의 제조 원가를 절감할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 제조방법은 중수로 사용 후 핵원료 및 경수로 사용 후 핵원료의 혼합 공정, 파이로 공정 중 전해 정련 공정에서 회수되는 금속 우라늄을 공기분위기 하에서 산화시켜 U₃O₈ 분말을 제조하는 산화 공정, 상기 산화 공정을 통해 제조된 U₃O₈ 분말을 수소 분위기에서 환원시켜 이산화우라늄 분말을 제조하는 환원 공정, 상기 환원 공정을 통해 얻어지는 이산화우라늄 분말을 성형체로 제조하는 성형 공정, 및 상기 성형 공정을 통해 제조된 이산화우라늄 성형체를 환원 분위기에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하는 소결 공정을 포함한다.

본 발명의 제조방법에 따르면 사용 후 핵원료에 포함된 우라늄을 재활용하여 중수로에 사용되는 핵연료 소결체를 제조함으로써, 파이로 공정 기술에서 요구되는 핵연료 저장과 처분 비용을 절감하는 동시에 중수로의 핵연료 제조에 소요되는 우라늄 도입 비용을 절감할 수 있다.

또한, 고준위 방사성 물질들을 효율적으로 제거하여 작업성과 성능이 향상된 중수로용 핵연료 소결체를 제공함으로써 핵연료 제조에 소요되는 작업 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 파이로 공정 기술의 세부 공정을 나타내는 도면이고, 도 2는 파이로-고속로 연계 핵연료주기를 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 파이로 공정 기술은 사용 후 핵연료를 전해 환원, 전해 정련 및 전해 제련의 공정을 거쳐 금속 형태의 핵연료로 재가공하여 이를 고속로에 재활용할 수 있게 한다.

전해 환원 공정에서는 핵분열 생성물이 다량 함유된 산화물 핵연료인 UO₂를 약 650 ℃ 온도에서 LiCl-Li₂O 용액에 넣어 전기를 통해줌으로써 금속전환체로 환원시켜준다. 전해 환원 공정을 통해 석출되는 금속 형태의 금속전환체에는 우라늄(U)과 함께 초우라늄 원소(TRU) 및 핵분열 생성물(FP) 등이 포함되는데, TRU의 종류로는 플루토늄(Pu), 아메리슘(Am), 퀴륨(Cm), 넵티늄(Np) 등이 있으며, FP의 종류로는 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 루테늄(Ru) 등이 있다. 또한, 염화물 용액(LiCl-Li₂O)에 잔류하는 물질로는 요오드(I), 세슘(Cs), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등이 있으며, 이들 잔류 물질은 폐기물 처분장에서 처분된다.

전해 정련 공정에서는 전해 환원 공정을 통해 석출된 금속전환체(U+TRU+FP)에서 우라늄을 분리하는 공정으로서, 전해 환원 공정의 결과물인 금속전환체를 용 융염인 LiCl-KCl 용액에 담그고 금속 전환체의 양측에 양전극과 음전극을 연결해준 상태에서 양극에 전기를 통해주면, 음전극에서 금속 우라늄이 회수되고 용융염 내에는 일부 잔여 우라늄과 TRU 및 FP가 남게 된다. 여기서, 음전극을 통해 회수되는 금속 우라늄은 대부분 순수한 우라늄 성분으로 이루어지게 되며, 비록 순수한 우라늄 성분 이외에 극미량의 TRU, FP, RE 등의 불순물이 포함될 수 있기는 하나 그 함량은 전체 중량의 0.01 % 이내이다.

전해 제련 공정에서는 우라늄 전해 정련 후 용융염에 남은 잔여 우라늄 및 TRU를 액체 음극에서 카드뮴(Cd)과 같이 석출시켜 회수하고, 여기서 Cd를 증류시킨후 U-TRU-RE으로 이루어진 핵물질 군을 회수한다. 이와 같이 회수된 U-TRU-RE는 다시 고속로의 핵연료 제조 공정에 도입하여 고속로 핵연료의 원료로 사용함으로써, 상당량의 핵물질을 폐기물로 처분할 필요 없이 파이로 공정 시스템을 통해 재순환하여 사용할 수 있다.

상술한 공정 중에서 전해 정련 공정에서 회수되는 금속 우라늄은 순수한 우라늄 함량이 충분히 높은데도 불구하고, 이를 재활용할 방법이 없어 대부분 금속 괴 형태로 저장하거나 폐기물 처분장에서 처분할 계획이다. 따라서, 파이로 공정의 전해 정련 공정에서 회수되는 금속 우라늄을 재활용할 수 있다면 핵연료 폐기물을 감축시키는 동시에 경제적인 이익을 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 중수로용 핵연료 소결체 제조 과정을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중수로용 핵원료 소결체의 제 조방법은, 중수로 사용 후 핵원료 및 경수로 사용 후 핵원료를 혼합하여 사용 후 혼합 핵연료를 준비하는 혼합공정, 파이로 공정 중 전해 정련 공정에서 회수되는 금속 우라늄을 산화/환원시켜 미세한 이산화우라늄(UO₂) 분말을 제조하는 산화 및 환원 공정, 이산화우라늄 분말을 성형체로 제조하는 성형 공정, 이산화우라늄 성형체를 환원 분위기에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하는 소결 공정을 포함한다. 파이로 공정 회수 금속 우라늄에는 전해 정련 공정에서 사용된 용융염이 묻어있어 이어지는 산화/환원 반응에 영향을 줄 수 있으므로, 파이로 공정 회수 금속 우라늄에 묻어있는 용융염을 증발시키는 전처리 공정을 더 포함할 수 있다.

상기 혼합공정에서, 상기 사용 후 중수로 핵연료는 사용 후 경수로 핵연료 100중량부 대비 25 내지 75중량부로 혼합될 수 있다. 상기 사용 후 중수로 핵연료의 함량이 25중량부 미만이면 경수로 핵연료가 대부분이 되어 연소도 측면에서 우수하지만 장기간 연소로 피복재 및 구조내의 건전성에 대한 재 평가가 필요하며, 75 중량부를 초과하면 연소도가 너무 낮아 비경제적이다.

산화 공정에서는 파이로 공정에서 회수되는 금속 우라늄을 반응접시에 담고 이를 전기로에 넣은 후 공기분위기 하에서 450 내지 550 ℃의 온도로 1 시간 이상 유지시켜 산화시키는 과정을 통해 이산화우라늄(UO₂)을 거쳐 U₃O₈ 분말을 제조한다.

산화 공정 후, 전기로 내부를 3 내지 5%의 수소 분위기, 예를 들면 Ar-4%H₂ 분위기 하에서 650 내지 750 ℃의 온도로 2시간 이상 유지시킴으로써, 산화 공정을 통해 얻어지는 U₃O₈ 분말을 환원시켜 UO₂분말을 제조하는 환원 공정을 수행한다.

이와 같은 산화 공정 및 환원 공정을 통해 파이로 회수 금속 우라늄은 형석(Fluorite)형의 입방정(Cubic) 결정구조를 가지는 UO₂로 산화된 후 사방정(Orthorhombic) 결정구조의 U₃O₈으로 되면서 상변화에 따라 약 30%의 부피 팽창이 일어나면서 분말화되고, 다시 환원되는 과정에서 UO₂가 되면서 소결 가능한 특성을 가지는 미세한 분말이 된다. 이 때, 금속 우라늄이 산화 및 환원 공정을 통해 소결 가능한 UO₂ 분말로 형성되는 과정에서 반응가스와 직접 접촉하는 외부 표면층은 반응이 쉽게 일어나지만 금속 내부는 반응가스와 충분한 접촉이 이루어지지 않아 전체 금속 우라늄이 균일하게 분말화되지 못할 가능성이 있으므로, 반응이 충분히 이루어진 분말을 얻기 위해서는 산화 및 환원 과정을 2회 또는 3회 반복하여 수행하는 것이 바람직하다.

상기 산화 공정 및 환원 공정을 반복하여 산화물 형태의 UO₂ 분말이 제조되면, UO₂ 분말을 압축 성형하여 성형체를 형성하는 성형 공정을 거친 후에, 형성된 성형체를 환원성 기체 분위기 하에서 소결하여 핵연료 소결체를 제조하는 소결 공정을 수행한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화 및 환원 공정을 통해 얻어진 혼합된 분말을 성형 몰드(mold)에 주입하고, 1 내지 5 ton/cm²의 압력으로 성형하여 실린더 형상과 같은 성형체를 제조할 수 있다. 이어, 환원성 기체 분위기로 1600 내지 1800 ℃의 온도 범위에서 1 내지 20 시간 유지하여 소결함으로써 중수로에서 사 용될 수 있는 핵연료 소결체를 완성하게 된다. 환원성 기체는 수소 기체, 또는 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기, 질소 및 불활성 기체 중의 하나 이상을 수소와 혼합한 기체를 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 파이로 공정 기술의 전해 제련 및 전해 정련 공정을 통해 TRU, FP 및 RE와 같은 고준위 방사성 물질이 대부분 제거된 금속 우라늄으로부터 일련의 공정을 거쳐 중수로에서 사용 가능한 핵연료 소결체로 만들기 때문에, 분순물의 함량이 적어 이로부터 제조되는 핵연료의 성능이 우수하며, 또한 DUPIC과 같은 건식 공정을 거친 핵연료에 비하여 방사선 준위가 매우 낮아 작업성이 뛰어나므로 밀폐된 핫셀이 아닌 글로브박스(glove box)에서도 용이하게 핵연료 제조 작업을 수행할 수 있다. 시뮬레이션 결과, 사용 후 핵연료 1톤을 기준으로 하였을 때, 본 발명에 따른 재사용 방법을 통해 얻어지는 핵연료 소결체의 방사선 준위는 파이로 공정 회수 금속 우라늄의 순수 우라늄 함량이 100 w%인 경우에는 3.27E+00 Ci였고, 파이로 공정 회수 금속 우라늄 내에 순수 우라늄 외에 TRU, FP 및 RE의 불순물이 0.01 w% 함유되어 있다고 가정한 경우에도 8.67E+02 Ci로 나타나, 기존의 핵연료 재처리 공정인 DUPIC 공정을 거친 경우의 2.07 E+05 Ci에 비하여 현저히 낮은 방사선 준위를 갖는 핵연료를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.

중수로 및 경수로 사용 후의 혼합 핵연료로부터 회수된 우라늄을 이용한 경우와 천연 우라늄을 이용한 경우의 연소도(burnup)를 비교하여 표 1에 나타내었다.

연소유형	사용 후의 혼합 핵연료로부터 회수된 우라늄				천연우라늄 (NU)
혼합비 (PWR:CANDU)	1:0	1:1	2:1	3:1	천연우라늄 (NU)
연소도 (MWD/tHM)	18,100	6,100	9,400	12,000	7,100

상기 연소도는 WIMS_AECL을 사용하여 계산하였고, 천연 우라늄을 이용하는 CANDU원자로와 비교하였을 때 PWR(사용 후 경수로 핵연료):CANDU(사용 후 중수로 핵연료) 비율이 2:1 ~ 3:1이면 경쟁력이 있다고 볼 수 있다.

또한, 중수로 및 경수로 사용 후의 혼합 핵연료로부터 회수된 우라늄을 이용한 경우와 천연 우라늄을 이용한 경우의 안전변수를 비교하여 표 2에 나타내었다.

연소유형	사용 후의 혼합 핵연료로부터 회수된 우라늄			천연우라늄 (NU)
혼합비 (PWR:CANDU)	1:0	2:1	3:1	천연우라늄 (NU)
FTC (μk/K)	-8.6/0.4/11.4	-10.2/0.0/5.3	-9.7/0.1/6.9	-10.9/0.3/4.5
MTC (μk/K)	-46.1/44.0/162.9	-57.6/35.2/96.6	-54.7/38.2/116.1	-56.1/35.0/82.6
CTC (μk/K)	29.8/61.1/94.9	34.5/60.0/77.2	33.7/60.7/83.2	33.5/57.5/70.9
기공계수 Void coefficient (mk)	14.4/15.6/15.0	17.4/15.8/16.0	16.6/16.0/16.2	17.8/15.0/14.9

상기 식에서 FTC(Fuel Temperature Coefficient)는 핵연료 온도계수이고, MTC(Moderator Temperature Coefficient)는 감속재 온도계수이며, CTC(Coolant Temperature Coefficient)는 냉각재 온도계수이다.

핵연료 온도계수(FTC, Fuel Temperature Coefficient)는 핵연료의 온도 변화에 따른 원자로 반응도의 변화를 나타내며, 사고가 발생하여 핵연료의 온도가 증가하는 경우 반응도가 변하는 정도에 따라 원자로의 안전 상태가 결정되므로 중요한 설계 변수이다. 감속재 온도계수(MTC, Moderator Temperature Coefficient)는 감속재의 온도변화에 따른 반응도의 변화 정도이고, 냉각재 온도계수(CTC, Coolant Temperature Coefficient)는 냉각재의 온도변화에 따른 반응도의 변화 정도이다. 이러한 온도계수는 음의 값을 유지하여야 원자로의 고유한 안전성이 확보되며, 양의 값을 가지면 사고 발생시 추가적인 대책이 필요하게 된다. 전체적으로 단위를 고려하면 0에 가까운 값을 유지하며 원자로에 큰 영향을 주지 않을 것이다. 기공계수(Void coefficient)는 감속재가 손실된 경우 반응도의 변화를 나타내는데, 양의 값을 가지는 것은 중수로 원자로의 고유 특성으로 혼합비에 따라 비슷한 기공계수를 가진다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

도 1은 파이로 공정 기술의 세부 공정을 나타내는 도면이다.

도 2는 파이로-고속로 연계 핵연료주기를 나타내는 도면이다.

Claims

중수로 사용 후 핵원료 및 경수로 사용 후 핵원료를 혼합하여 사용 후 혼합 핵연료를 준비하는 혼합 공정;

상기 사용 후 혼합 핵연료를 이용한 파이로 공정 중, 전해 정련 공정에서 회수되는 금속 우라늄을 공기분위기 하에서 산화시켜 U₃O₈ 분말을 제조하는 산화 공정;

상기 산화 공정을 통해 제조된 U₃O₈ 분말을 수소 분위기에서 환원시켜 이산화우라늄 분말을 제조하는 환원 공정;

상기 환원 공정을 통해 얻어지는 이산화우라늄 분말을 성형체로 제조하는 성형 공정; 및

상기 성형 공정을 통해 제조된 이산화우라늄 성형체를 환원성 기체 분위기에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하는 소결 공정을 포함하는 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 혼합공정에서, 상기 사용 후 중수로 핵연료는 상기 사용 후 경수로 핵연료 100 중량부 대비 25 내지 75중량부로 혼합되는 것을 특징으로 하는 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 금속 우라늄에 묻어있는 용융염을 증발시켜 제거하는 전처리 공정을 더 포함하는 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 산화 공정 및 환원 공정을 2회 또는 3회 반복하는 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 산화 공정이 450 내지 550 ℃의 온도에서 수행되는 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 환원 공정은 3 내지 5 %의 수소 분위기에서 650 내지 750 ℃의 온도로 수행되는 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법.
제 1항에 있어서,

상기 소결 공정은 1600 내지 1800 ℃의 온도에서 수행되는 중수로용 핵연료 소결체 제조 방법.