KR20110134135A - 우라늄전착물로부터의 염 제거장치 및 이를 이용한 염 제거방법 - Google Patents

우라늄전착물로부터의 염 제거장치 및 이를 이용한 염 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 우라늄전착물로부터의 염 제거장치 및 이를 이용한 염 제거방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동식 거름망과 가열부를 이용하여 우라늄전착물로부터 공융염을 제거하기 위한 증류탑을 포함하는 제 1장치; 및 상기 공융염을 제거한 우라늄전착물로부터 잔여 공융염을 진공증류를 통하여 제거하기 위한 증류탑을 포함하는 제 2장치를 포함하되, 상기 제 2장치는 제 1장치에서 사용한 증류탑을 사용하는 것을 특징으로 하는 우라늄전착물로부터의 염 제거장치로 구성된다. 상기 우라늄전착물로부터의 염 제거장치를 이용하여 염을 제거하는 방법은 우라늄 전착물을 가열 및 진동시켜 공융염을 분리하는 단계(단계 1); 분리된 공융염을 냉각시키고 제거하는 단계(단계 2); 상기 공융염이 제거된 우라늄 전착물을 진공상태에서 증류하여 공융염을 추가로 제거하는 단계(단계 3)를 거치게 된다.
본 발명에 따른 우라늄전착물로부터의 염 제거장치 및 이를 이용한 염 제거방법은 낮은 온도에서 고체-액체 분리에 의하여 짧은 시간에 많은 양의 공융염이 제거됨으로써 조업시간이 단축되고, 진공증류 용량 축소가 가능하여 에너지 사용량이 감축되고, 증발속도를 증대시키기 위해 진공증류 온도를 높여야 하는 부담을 줄여주어 장치 구성에 대하여 고온재료를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다.

Description

우라늄전착물로부터의 염 제거장치 및 이를 이용한 염 제거방법 {The equipment for the removal of adhered salt from uranium deposits and the method thereof}
본 발명은 우라늄전착물로부터의 염 제거장치 및 이를 이용한 염 제거방법에 관한 것이다.
원자력 르네상스를 맞아 각국이 원자력발전소 건설에 박차를 가하고 있다. 그러나 원자력발전소가 많아지면서 사용 후 핵연료가 누적되어 이의 장기 관리 문제가 큰 부담이 되고 있다.
사용 후 핵연료의 장수명 핵종을 회수하여 고속로 등의 원자로 핵연료로 재순환하면 폐기물 양을 줄임으로써 고준위 폐기물 처분장의 공간을 절약하고, 관리기간을 수십 년 이상에서 수백 년으로 단축시킬 수 있다. 사용 후 핵연료에서 장수명 핵종을 회수하는 방법은 크게 습식법과 건식법으로 대별된다. 파이로 프로세스라 불리는 건식법은 플루토늄과 우라늄과 다른 초우란 원소들(Np, Am, Cm)이 함께 회수되어 핵확산 저항성이 크고, 공정이 비교적 간단하다는 장점이 있어서 우리나라를 비롯한 미국, 일본 유럽의 여러 나라에서 활발하게 연구, 개발 중에 있다.
한국원자력연구원이 개발하고 있는 파이로 프로세스는 LiCl-KCl 공융염을 전해질로 하여 고온에서 전기화학적으로 악티나이드를 회수하는 공정이다. 파이로 프로세스의 주요공정들은 사용 후 핵연료를 탈피복한 후 전해환원공정에 의해 환원시킨 후 얻어진 금속 잉곳 혹은 그래뉼을 전해정련공정의 양극 바스켓에 넣고 고체음극을 이용하여 사용 후 핵연료의 90% 이상을 차지하고 있는 우라늄을 분리해낸다. 우라늄 제거 작업이 끝나면 공융염 중에 녹아 있는 원소들 중에서 잔류 우라늄과 TRU 원소들을 전해제련공정을 이용하여 액체음극에 회수한다.
전해정련공정에서는 고체음극에 수지상의 우라늄이 전착되며 이를 용융염 중에서 분리해내면 우라늄 전착물에 다량의 염이 함유되어 있다. 이 우라늄 전착물은 추후 고속로 등의 핵연료의 조성을 조정할 때 사용될 수도 있고, 사용 후 핵연료와는 달리 방사능이 약하여 천층 처분하기도 한다. 우라늄 전착물은 수지상의 작은 입자이기 때문에 잉곳상태로 만들어 보관하며, 이를 위해 함유된 염을 분리해 내어야 한다. 일반적으로는 진공증류에 의해 염을 분리하지만, 이를 위해 고온에서 장시간 진공증류 조업을 해야 한다.
미국 INL 연구소에서는 전해정련과정에서 발생한 우라늄 전착물로부터 공융염을 제거하기 위해 Cathode Processor라 불리는 진공증류탑을 공학규모 장치로 개발하여 사용하고 있으며, 탑 상부에 우라늄 전착물을 넣고 외부에 설치된 히터를 이용하여 가열하며, 공랭식으로 냉각되는 하부 응축부위에 공융염 회수도가니를 두어 증발된 공융염을 응축 회수하게 된다. 이 장치는 회분식으로 운전되며, 함유된 공융염 전량을 진공증류하게 되어 많은 열량이 소모되고, 단위 시간당 처리 속도를 올리기 위해서는 증발 단면적이 커져야 하거나 공융염의 증기압이 높은 고온에서 조업되어야 한다. 그러나 이 방법은 고온에서 운전하게 되어 고온에 견디는 구조재의 재질이 필요로 하여 제작비도 비싸진다. 또한 연속식 전해정련장치에서 얻어진 우라늄 전착물에는 공융염의 함유량이 높아 염을 제거하기 위해 증류장치가 커지거나 운전시간이 길어지는 문제점이 있다.
본 발명자들은 파이로 프로세스를 이용하여 사용 후 핵연료로부터 악티늄족원소를 회수하는 공정에서 고체음극의 우라늄 전착물로부터 공융염을 제거하는 방법을 연구하던 중, 공융염이 함유된 우라늄전착물을 진공증류 하기 전에 미리 공융염의 녹는 온도 이상에서 거름망을 이용하여 액체상태의 공융염을 분리하고(고-액 분리) 미분리된 잔류 공융염은 진공증류를 통해 추가 제거하는 방법을 개발하였다.
본 발명에 따른 진동식 거름망을 이용한 우라늄전착물로부터 염 분리와 진공증류를 결합한 우라늄 전착물로부터 염 제거 방법은 낮은 온도에서 고체-액체 분리에 의해 대부분의 공융염을 제거함으로써 조업시간이 단축되고, 진공증류 용량 축소 가능하여 에너지 사용량이 감축되고, 증발속도를 증대시키기 위해 진공증류 온도를 높여야 하는 부담을 줄여주어 장치에 대하여 고온재료를 사용하지 않아도 된다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 우라늄전착물로부터의 염 제거장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 우라늄전착물로부터의 염 제거장치를 이용한 염 제거방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 진동식 거름망을 이용한 액체상태의 염 분리와 진공증류를 결합한 우라늄전착물로부터의 염 제거장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 우라늄전착물로부터의 염 제거장치를 이용한 염 제거방법을 제공한다.
상기 우라늄 전착물로부터 염 제거 장치 및 그 운전 방법은 낮은 온도에서 고체-액체 분리에 의해 대부분의 공융염을 제거함으로써 염 제거를 위한 조업시간이 단축되고, 진공증류 용량의 축소가 가능하여 에너지 사용량이 감축시킬 수 있으며, 증발속도를 증대시키기 위하여 진공증류 온도를 높여야 하는 부담을 줄여주어 장치에 대하여 초고온재료를 사용하지 않아도 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 진동식 거름망과 가열부를 이용하여 우라늄 전착물의 공융염의 분리를 위한 장치를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 공융염을 제거한 우라늄전착물로부터 잔여 공융염을 제거하기 위한 진공증류 장치를 나타낸 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 진동식 거름망과 가열부를 이용하여 우라늄전착물로부터 공융염을 제거하기 위한 제 1장치; 및
상기 공융염을 제거한 우라늄전착물로부터 잔여 공융염을 진공증류를 통하여 제거하기 위한 제 2장치를 포함하는 우라늄전착물로부터의 염 제거 장치를 제공한다.
상기 우라늄전착물로부터의 염 제거장치는 낮은 온도에서 고체-액체 분리에 의해 대부분의 공융염을 제거함으로써 염제거를 위한 조업시간이 단축될 수 있으며, 증발속도 증대를 위하여 진공증류 온도를 높여야 하는 부담을 줄일 수 있어 우라늄전착물로부터 공융염을 제거하는 장치에 대하여 초고온재료를 사용하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다.
이때, 상기 제 2장치는 제 1장치의 증류탑을 사용하며, 진공증류를 수행하기 위하여 일부 구성만을 교체하여 사용된다. 하나의 증류탑만을 사용함으로써 설비 구축에 대한 비용감축효과를 가질 수 있다.
먼저, 제 1장치는 진동발생장치와, 이에 결합되어 진동을 전달하는 상하이동막대를 포함하는 탈착이 가능한 상부플랜지; 상기 상하이동막대의 말단에 탈착이 가능하도록 연결되는 거름망; 상기 상부플랜지에 탈착이 가능하도록 연결된 공융염 수집용기; 상기 상부플랜지를 덮개로 하고, 상기 거름망 및 공융염 수집용기를 내부에 포함하며, 그 측면부에 가열부가 구비되고, 그 하단부에 응축조를 포함하는 증류탑; 및 상기 증류탑의 응축조 측면부에 연결되는 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 제 1장치를 도 1에 도시하였고, 구체적으로는 다음과 같다. 제 1장치의 상부플랜지(3)는 진동발생장치(1)와 상하이동막대(2)를 포함하고 있다. 한편 상기 진동발생장치의 진동방향은 상하로 하는 것이 바람직하며, 이에 제한하지 않는다. 그리고 상하이동막대의 말단부에는 탈착이 가능하도록 연결된 거름망(6)이 연결되어 있으며, 상기 거름망의 아래쪽에 공융염 수집용기(8)가 상부 플랜지에 연결되어 장착된다. 거름망 위에 우라늄전착물(5)을 놓고 증류탑(4) 내 온도를 공융염의 녹는점 이상으로 올림과 동시에 상부플랜지의 진동발생장치에 의하여 상하로 진동을 가함으로써 액체 상태가 된 공융염과 고체의 우라늄의 분리를 돕게 된다. 대부분의 염들은 액체가 되어 거름망을 빠져나와 공융염수집용기에 모이게 되고, 고체의 우라늄 및 일부 제거되지 못한 공융염이 거름망에 남게 되어 분리가 이루어지게 된다.
제 2장치는 가열부를 포함하며 탈착이 가능한 상부플랜지; 상기 상부플랜지에 탈착이 가능하도록 연결되는 진공증류용 도가니; 상기 상부플랜지를 덮개로 하고, 상기 진공증류용 도가니를 포함하며, 그 측면부에 가열부가 구비되고, 그 하단부에 응축조를 포함하는 증류탑; 및 상기 증류탑의 응축조 측면부에 연결되는 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 제 2장치를 도 2에 도시하였고, 구체적으로는 다음과 같다. 증류탑의 상부는 탈착이 가능하고 가열부를 포함하는 상부플랜지(15)와 이에 연결되는 탈착 가능한 진공증류 도가니(16)로 구성된다. 상부 플랜지는 기밀이 가능하여 증류탑의 진공상태를 유지하게 된다. 상기 진공증류 도가니에 제 1장치에서 걸러지고 남은 우라늄전착물을 넣고 증류탑에 연결된 진공장치(14)를 이용하여 진공을 걸어 가열하게 되면, 우라늄 전착물 중 공윰염들은 증기상태가 된다. 한편, 증류탑 하부는 증기가 된 공융염들을 수집할 수 있는 공융염 회수용기(11)가 있으며, 이 공융염 회수용기를 둘러싸고 있어 증류된 공융염을 냉각할 수 있는 응축조(12)가 구비되어 있다.
상기 제 1장치에 있어서, 거름망의 재질은 스테인레스 스틸인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 거름망이 스테인레스 스틸인 경우 부식성이 적으며, 상대적으로 저렴하다는 장점이 있다.
상기 제 1장치에 있어서, 거름망은 반구형인 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 거름망이 반구형인 경우 용융된 공융염이 넓은 표면적에 걸쳐 있어 거름망에서 제거되기에 유리한 장점이 있다.
나아가, 본 발명은
우라늄 전착물을 가열 및 진동시켜 공융염을 분리하는 단계(단계 1);
분리된 공융염을 냉각시키고 제거하는 단계(단계 2);
상기 공융염이 제거된 우라늄 전착물을 진공상태에서 가열하여 공융염을 추가로 증류하는 단계(단계 3)를 포함하는 우라늄 전착물로터의 염 제거방법을 제공한다.
이하 본 발명을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 단계 1은 우라늄 전착물을 가열 및 진동시켜 공융염을 분리하는 단계이다. 상기 제 1장치에서 상부플랜지의 진동발생장치에 연결된 고체-액체 분리를 위한 거름망에 염이 함유된 우라늄전착물을 놓고 진동을 가하면서 증류탑 내의 온도를 공융염의 녹는점 이상으로 올리면 우라늄전착물에 함유된 염이 녹아 거름망을 통과하여 하부에 설치된 공융염 장치에 모이게 된다.
단계 2는 상기 단계 1에서 분리된 공융염을 냉각시키고 제거하는 단계이다. 증류탑의 가열장치를 끄고 냉각한 후 제거된 공융염이 모인 공융염 수집용기 및 제거되지 않고 남은 공융염을 포함하는 우라늄전착물이 남은 거름망 및 상부플랜지를 증류탑으로부터 분리한다.
단계 3은 상기 단계 2에서 공융염이 제거된 우라늄 전착물을 진공상태에서 가열하여 공융염을 추가로 증류하는 단계이다. 본 단계는 제 2장치를 이용하는 것으로, 상기 단계 2에서 분리되지 않고 남은 공융염을 포함하는 우라늄전착물을 진공도가니에 넣고, 진공도가니와 연결된 상부플랜지로 제 2장치를 밀폐시킨 후, 진공장치 및 히터를 가동하여, 증발을 통하여 공융염을 제거한다. 제거된 공융염은 증발되어 응축조 회수용기에 모이게 된다. 상기 증류탑을 상온으로 냉각한 후 공융염이 제거된 우라늄전착물을 회수한다.
상기 단계 1의 가열은 400 ~ 600 ℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 가열온도가 400 ℃ 미만인 경우에는 용융염이 녹지 않아 분리되지 않는 문제가 있고, 600 ℃를 초과하는 경우에는 공융염의 증발손실이 일어나는 문제가 있다.
상기 단계 3의 가열은 700 ~ 900 ℃의 온도범위에서 수행되는 것이 바람직하다. 증발온도가 700 ℃ 미만인 경우에는 증발 속도가 느리다는 문제가 있고, 900 ℃를 초과하는 경우에는 높은 온도로 인하여 증류탑의 내구성에 문제가 발생할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 우라늄전착물로부터 염 제거장치 및 이를 이용한 염 제거방법을 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.
1 : 진동발생장치 2 : 상하이동막대
3 : 상부플랜지 4 : 증류탑
5 : 우라늄전착물 6 : 거름망
7 : 공융염 수집용기 8 : 공융염
9 : 공융염 10 : 히터(열선)
11 : 공융염 회수용기 12 : 응축조
13 : 필터 14 : 진공장치
15 : 상부플랜지 16 : 도가니
17 : 공융염

Claims (8)

  1. 진동식 거름망과 가열부를 이용하여 우라늄전착물로부터 공융염을 제거하기 위한 증류탑을 포함하는 제 1장치; 및 상기 공융염을 제거한 우라늄전착물로부터 잔여 공융염을 진공증류를 통하여 제거하기 위한 증류탑을 포함하는 제 2장치를 포함하되, 상기 제 2장치는 제 1장치에서 사용한 증류탑을 사용하는 것을 특징으로 하는 우라늄전착물로부터의 염 제거장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1장치는
    진동발생장치와 이에 결합되어 진동을 전달하는 상하이동막대를 포함하되 탈착이 가능한 상부플랜지; 상기 상하이동막대의 말단에 탈착이 가능하도록 연결되는 거름망; 상기 상부플랜지에 탈착이 가능하도록 연결된 공융염 수집용기; 상기 상부플랜지를 덮개로 하고, 상기 거름망 및 공융염 수집용기를 내부에 포함하며, 그 측면부에 가열부가 구비되고, 그 하단부에 응축조를 포함하는 증류탑; 및 상기 증류탑의 응축조 측면부에 연결되는 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄전착물로부터의 염 제거 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2장치는
    가열부를 포함하며 탈착이 가능한 상부플랜지; 상기 상부플랜지에 탈착이 가능하도록 연결되는 진공증류용 도가니; 상기 상부플랜지를 덮개로 하고, 상기 진공증류용 도가니를 포함하며, 그 측면부에 가열부가 구비되고, 그 하단부에 응축조를 포함하는 증류탑; 및 상기 증류탑의 응축조 측면부에 연결되는 진공펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 염 제거장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 거름망의 재질은 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 우라늄전착물로부터의 염 제거장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 거름망은 반구형인 것을 특징으로 하는 우라늄 전착물로부터의 염 제거장치.
  6. 우라늄 전착물을 가열 및 진동시켜 공융염을 분리하는 단계(단계 1);
    분리된 공융염을 냉각시키고 제거하는 단계(단계 2);
    상기 공융염이 제거된 우라늄 전착물을 진공상태에서 증류하여 공융염을 추가로 증류하는 단계(단계 3)를 포함하는 우라늄 전착물로터의 염 제거방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 단계 1의 가열은 400 ~ 600 ℃의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 우라늄전착물로부터의 염 제거방법.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 단계 3의 가열은 700 ~ 1,000 ℃의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 우라늄전착물로부터의 염 제거방법.












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