KR20150004788A - 두 개의 비혼화성 액체를 혼합하지 않고 고온에서 유도 가열 및 브레이징을 통해 접촉시키는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두 개의 비혼화성 액체를 혼합하지 않고 고온에서 유도 가열 및 니딩(kneading)을 통해 접촉시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 용융 금속과 염을 예를 들어 약 1,100　K 정도의 고온에서 접촉시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

두 개의 비혼화성 액체를 혼합하지 않고 고온에서 유도 가열 및 브레이징을 통해 접촉시키는 방법 및 장치{PROCESS AND DEVICE FOR BRINGING TWO IMMISCIBLE LIQUIDS INTO CONTACT, WITHOUT MIXING AND AT HIGH TEMPERATURE, WITH HEATING AND BRAZING BY INDUCTION}

본 발명은 두 개의 비혼화성 액체를 혼합하지 않고 고온에서 유도 가열 및 니딩(kneading)을 통해 접촉시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 용융 금속과 염을 예를 들어 약 1,100　K 정도의 고온에서 접촉시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명의 기술 분야는 물질 전달의 분야로서 일반적으로 정의될 수 있고, 더욱 구체적으로는 고온 화학적 접촉 및 분리 기술의 분야, 더욱 특히 비혼화성 액체들을 동반하는 추출 기술의 분야로서 정의될 수 있다.

더욱 엄밀하게는, 본 발명의 기술 분야는 액체 염의 상과 용융 금속의 염을 접촉시키는 고온 액/액 추출 장치(고온 접촉장치(pyrocontactor)라고도 함)의 기술 분야이지만 오직 이에만 제한되는 것은 아니다. 특히, 본 발명의 기술 분야는 악티늄족 원소(actinide)들을 일반적으로 약 800　K 및 1,200　K 정도의 고온에서 추출 또는 역추출하는 야금 공정의 기술분야이다.

이러한 공정은 용융 상태의 알루미늄과 같은 추출용 금속(extractant metal)을 두 개의 용융 염 상들과 접촉시키는 것을 기반으로 한다(참조문헌[1] 및 [2]).

높은 연소 속도를 갖는 핵 연료의 통상적인 습식 야금 수단을 통한 재가공에서는 방사선 분해 현상의 원인이 되는 방사성 원소의 함량을 감소시키기 위하여 수년의 냉각 시간이 요구된다. 건식 야금 공정을 통한 고온 재가공은 방사선 분해 현상의 발생 가능성이 낮고 연료 냉각 시간이 단지 몇 개월이라는 장점이 있다.

건식 야금 공정의 화학적 원리는 악티늄족 원소의 추출 추출 매체로서 사용되는 알루미늄 상의 용융에 기초한다(참조문헌[16]).

액/액 추출을 통한 건식 야금학적 재가공을 가능하게 하는 고온 접촉 장치가 참조문헌[3], [4], [5], [6] 및 [7]에 기재되어 있다. 이러한 장치에서, 액상 및 용융 금속상은 일반적으로 서로 연속적으로 접촉한다.

참조문헌[3 및 4]은 벌크형 패킹 칼럼(bulk packing column) 또는 용융 염소/비스무스 계를 이용하는 단형 칼럼(plate column)을 기재하고 있다.

이러한 참조문헌에 기재된 추출 칼럼을 이용하는 것은 교환 속도(exchange kinetics)로 인해 제한된다. 이러한 칼럼의 HEPT(이론 단(theoretical plate)에 해당하는 높이)는 일반적으로 1 내지 2 m이다.

참조문헌[5]는 특히 플루토늄 함유 용융 염화칼륨-염화알루미늄 염을 우라늄-알루미늄 합금과 접촉시키기 위해 사용되는 로터리 패킹 칼럼을 기재하고 있다.

참조문헌[6]은 습식 야금에서 파생되고 건식 야금의 분야에 맞게 특수하게 개조되어진 기술인 혼합기-침전기(mixer-settler)를 기재하고 있다.

이러한 믹서-침전기를 사용하는 것은 두 개의 비중이 유사한 두 상들의 침전 효율로 인해 제한된다. 또한, 이러한 유형의 장치의 실질적인 무효 용적(dead volume)으로 인해, 다량의 시약의 사용이 요구된다.

참조문헌[7]은 비혼화성 액체 염과 액체 금속을 혼합 및 분리시키는 것을 가능하게 하는 원심 고온 접촉 장치를 기재하고 있다. 액체들이 환형 혼합 영역에 도입되고, 편향기와 결합된 로터에 부착된 수직 날개들을 이용하여 강하게 혼합된다. 그 액체들은 1,000　K 내지 1,100　K의 온도에서 장치에 도입되고 로터에서 조밀한 상 및 가벼운 상으로 분리되어 장치로부터 배출된다.

이러한 장치는 전해정련 공정에서 유래한 용융 염화물의 욕을 처리하기 위해 사용된다.

이러한 참조문헌에서 기재된 원심 추출기는 효율적인 장치이지만, 용융 염화물 매체에서 수백 시간을 초과하지 않는 단기간 동안 시험된 것이다. 따라서, 이의 신뢰성이 충분한 기간 동안 입증되지 않았다. 또한, 이러한 장치의 사용은 그 작동을 급속하게 저해하는 부식 문제의 발생으로 인해 제한된다.

또한, 고온 접촉 장치 및 핵 산업의 분야 외에서, 참조문헌[8] 및 [9]는 특히 물에 함유된 오일의 추출과 관련하여 비혼화성 액체들의 분리를 기재하고 있다.

이러한 기술들은 용해된 화합물을 선택적으로 추출하는 목적이 없이 두 유체들의 단순한 물리적 분리를 달성하는 목적으로 금속 체(metal sieve) 및 펌프 시스템을 구비한 복잡한 장치를 이용한다.

참조문헌[10]의 장치 및 방법은 상기 참조문헌[1] 내지 [7]에서 기재된 방법 및 장치의 단점을 개선하기 위하여 개발되었다.

참조문헌[10]은 용융 알칼리성 불소화물의 상과 액상 알루미늄의 상과 같은 두 개의 비혼화성 액상들을 혼합하지 않고 서로 접촉시킬 수 있는 투각벽(openwork wall )을 구비한 접촉 장치에 관한 것이다.

따라서, 이러한 장치에서는, 용융 알루미늄의 계면 장력 특성으로 인해 이러한 금속이 투각 벽을 통해 함유될 수 있다.

특히, 이러한 장치는 용융 알루미늄과 같은 추출 금속을 두 개의 용융 금속 상들과 접촉시키기 위해 사용되고, 이를 통해 악티늄족 원소들을 추출 및 역추출할 수 있다.

그러나, 두 개의 매체들을 분리하는 투각 벽의 존재로 인해 무릴 전달 속도가 제한되고 크게 느려진다.

이러한 제한은 투각 벽을 통한 화학 종들의 확산과 주로 관련이 있다. 따라서, 일반적으로 두 상들이 12 시간 접촉한 후 열역학적 평형이 도달된다.

즉, 참조문헌[10]에 기재된 장치는 투각 벽을 통한 확산 현상으로 인해 일반적으로 제한되는 물질 전달 속도, 특히 추출 속도를 갖는다.

참조문헌[10]에서 기재된 투각 접촉장치는 제어된 산소 함량 및 제어된 습도를 갖는 분위기에서 1,200　K 에 근접한 온도에서 작업을 달성할 수 있는 통상적인 저항 가열 장치와 결합된다. 이러한 디자인은 액체가 용융 염 측에서 1 mm/min 정도의 속도로 대류에 의해 이동될 수 있도록 한다.

알루미늄 측에서는, 액상 알루미늄의 매우 높은 열전도율로 인해 이러한 용융 금속 내의 온도 구배가 방지된다. 따라서, 용융 알루미늄 상은 도가니(crucible)내의 모든 지점에서 일정한 비중을 가져서, 이러한 상에서 자유 대류에 의한 임의의 니딩이 방지된다.

따라서, 알루미늄 내의 물질 전달의 제한은 주로, 느린 현상이라고 알려진 액상 금속 내의 종들의 확산 때문이다.

따라서, 저항 가열 장치의 경우, 알루미늄의 대류에 의한 니딩 속도가 제로에 근접한다.

속도 및 상들의 니딩(kneading)을 개선하기 위한 방안들 중 한 가지는 알루미늄과 융융 염들의 기계적 유형의 니딩을 실시하는 것으로 구성된다.

참조문헌[10]의 고온 접촉장치의 디자인은 이러한 유형의 설치를 용이하게 하지 않는다.

또한, 기계적 니딩은 고온에 관한 응력을 염두에 두고 밀폐 통로의 영역에서 특히 면밀하게 모니터링되어야 한다.

끝으로, 기계적 니딩의 선택은 접촉장치의 창과 같은 기하학적으로 억제된 영역에서 액체의 흐름을 크게 느리게 하는 벽 효과로 인해 급속히 제한된다. 이러한 여러 가지 사항을 고려하면, 이러한 방안은 불충분한 것으로 판단된다.

또한, 유도 가열 및 니딩이 잘 알려진 기술이다.

산업적인 관점에서, 유도로의 사용이 금속을 가열을 위해 특히 사용되고 있다.

핵 분야에서, 유도 가열은 금속 우라늄을 정제하는 측면에서 IFR (International Fast Reactor) 프로젝트(참조문헌[17])에서 사용되었다. 이러한 기술은 금속 우라늄에 함유된 용융 염소 잔류물을 증발시키기 위한 목적을 갖는 "캐소드 프로세서"라고 불려지는 공정 부분에서 EBRII "Experimental Breeder Reactor II" (참조문헌[18])의 연료를 재가공하기 위해 INL에서 사용되었다.

JAEA (Japan Atomic Energy Agency)도 INL에 근접한 조작 조건하에서 공정의 종료 시 인덕션(induction)을 이용한다.

건식 야금 공정의 일부로서, Hayashi 등(참조문헌 [19])은 용융 염을 함유하는 도가니의 내부식성을 개선하기 위한 목적의 유도 가열 장치를 개발했다. 이러한 경우의 해결방안은 저온 도가니의 것과 유사한 기술을 이용하는 것으로 구성된다.

또한, 인덕션은 융융 금속을 부유시키고 도가니 벽과 모두 접촉하는 것을 방지한다. 따라서, 고순도의 금속이 얻어질 수 있다. 이러한 특성은 고순도 플루토늄을 얻기 위하여 연료의 재가공과 관련하여 Los Alamos(참조문헌[20])에서 사용되었다.

또한, 참조문헌[21]은 저온 도가니에서 직접 유도를 통해 유리와 같은 절연 물질을 용융시키기 위한 노를 기재하고 있다.

이러한 용융로는 연속적인 금속 측벽을 갖는 저온 도가니, 부채꼴의 저온 노변(hearth), 및 도가니를 가열하기 위한 단독 수단을 구성하는 것으로 노변 아래에 위치한 적어도 하나의 인덕터를 구비하고 있다. 이러한 참조문헌은 단순히 유리의 용융에 관한 것으로서, 두 개의 비혼화성 유체들을 접촉시키는 것과 관련이 없다. 인덕션의 영향하에서 유리의 니딩의 언급이 없다.

참조문헌[22]은 비혼화성인 제1 상 또는 하부 상과 제2 상 또는 상부 상을 포함하는 이상 계의 용융 및 계면 니딩(interfacial kneading)을 위한 전자기 장치에 관한 것이다. 특히 이러한 장치는 야금 또는 고온 화학 공정을 촉진시킬 수 있다.

더욱 구체적으로, 이러한 장치는 이상 계를 함유하기 위한 도가니와, 제 1 및 제 2 상을 니딩하고 이들 상등 사이의 계면을 니딩하기 위한 용융 및 니딩 수단을 포함한다.

이러한 용융 및 니딩 수단은 도가니 둘레의 인덕터와, 제1 상과 제 2 상의 계면을 니딩할 수 있는 적어도 하나의 성분을 갖는 가변 전류에 의해 이러한 인덕터에 전력을 공급하기 위한 수단을 포함한다.

상기 제1 상은 용융 금속일 수 있고, 제2 상은 슬래그 또는 염일 수 있다.

아연계 금속상 및 불소화 염 상을 이용하여 테스트가 수행되거나, Al-Cu 합금으로 구성된 금속상 및 LiF 및 CaF₂의 혼합물로 구성된 염 상을 이용하여 테스트가 수행된다. 이러한 테스트를 통해, 계면 니딩으로 인해 환원성 원소가 금속상에 완전히 전달될 수 있는 지를 관찰할 수 있다.

이러한 장치에서는, 접촉 상태의 상들은 이들의 비혼화성 및 상이한 밀도로 인해 분리되는데, 그 상이한 밀도로 인해, 중력의 영향하에서 그 상들은 염 상과 같은 상부 상과 금속 상과 같은 하부 상으로 분리된다.

확인된 바와 같이, 금속 상은 특히, 순수 Al 보다 더욱 치밀한 Al/Cu 합금으로 구성된다.

이러한 Al/Cu 합금은 궁극적으로 에멀션 형태의 이상 계의 형성을 방지하지만, Al/Cu 합금의 사용은 공장 규모에서 물질 흐름을 관리하는 측면에서 바람직하지 않다.

전술한 인덕션을 이용하는 장치는 추출 공정을 실시하기 위해 직접 사용될 수 있는 고온 액/액 접촉 장치의 출현을 가능하게 하지 않았다.

따라서, 상기의 측면에서, 간단하고, 신뢰할 수 있고 사용하기 용이한 것으로, 두 개의 비혼화성 유체를 접촉시키기 위한 고온 접촉장치와 같은 장치 및 방법이 요구된다.

또한, 용융 금속 및 염에 대하여 사용될 수 있고, 효율이 높고 최적 속도를 갖는 장치 및 방법이 요구된다.

또한, 비혼화성 유체들을 접촉 및 이동시키면서, 유체의 가속도를 조절하고 매우 제한된 수의 이동 부품만을 필요로 하는 방법 및 장치가 요구된다.

더욱 구체적으로, 참조문헌[10]의 투각 벽 접촉장치의 물질 전달 속도를 개선하면서도 이러한 투각 벽 접촉장치 기술에 의해 제공되는 이점을 보유하는 것으로, 비혼화성 유체들을 접촉시키기 위한 고온 접촉장치와 같은 장치 및 방법이 요구된다.

특히, 접촉 상태의 상들의 특성 및 조작 온도 범위에 상관없이 실시하기가 간단하고, 투각 벽에(openwork wall)에 위치한 계면까지 액체 상들의 재생을 크게 개선할 수 있는 니딩 장치를 포함하는 참조문헌[10]의 기술을 이용하여 비혼화성 유체들을 접촉시키기 위한 장치 및 방법이 요구된다.

또한, 이러한 장치는 강화 용기(차단 케이스) 형태의 핵 가둠 챔버(nuclear containment chamber)에서 사용될 수 있도록 원격조작될 수 있는 것이 바람직하다.

참조문헌[1]: 코노카, 오. 등(Conocar, O., et al.), "알루미늄을 이용한 유망한 고온화학 악티니드/란타나이드 분리 공정(Promising pyrochemical actinide/lanthanide separation processes using aluminum)", 뉴클리어 사이언스 앤 엔지니어링(Nuclear Science and Engineering), 2006. 153(3): p. 253-261.

참조문헌[2]: 코노카, 오., 엔. 두예레, 및 제이. 락쿠에먼트(Conocar, O., N. Douyere, and J. Lacquement), "용융된 불소/액체 알루미늄 시스템에서의 악티니드 및 란타나이드의 추출 행위(Extraction behavior of actinides and lanthanides in a molten fluoride/liquid aluminum system)", 저널 오브 뉴클리어 머티리얼즈(Journal of Nuclear Materials), 2005, 344 (1-3): p. 136-141

참조문헌[3]: 에프. 비. 힐, 엘. 이. 쿠카카(F. B. Hill, L. E. Kukaka), "결합된 염-액체 금속 추출 컬럼에서의 축 혼합 및 질량 변환(Axial mixing and mass transfer in fused salt - liquid metal extraction column)", 유에스에이이씨 리포트 비엔엘(USAEC Report BNL)-791, 1963.

참조문헌[4]: 디.디. 수드(D.D. SOOD), "용융된 염 반응기 연료의 재처리를 위한 실험적 연구(Experimental studies for reporcessing of molten salt reactor fuels)", 비수계 매체 및 용융된 염에서의 화학 반응 심포지엄(Proc. Symp. Chemical reactions in non-aqueous media and molten salts), 오스마니아 대학(Osmania Univ.), 하이더라바드(Huderabad), 인도, 1978년 3월 6일 ~ 8일

참조문헌[5]: 피.알. 조셉슨, 엘. 불카트(P.R. Josephson, L. Burkhart), "용융된 물질의 처리를 위한 장치", 1964년 11월 10일의 US-A-3156534

참조문헌[6]: 더블유.이. 밀러, 제이.비. 나이톤, 쥐.제이. 번스테인(W.E. Miller, J.B. Knighton, G.J. Bernstein) "믹서 세틀러 장치(Mixer settler apparatus)" US-A-3663178 (1972)

참조문헌[7]: 엘.에스. 초, 알.에이. 레오나드(L.S. Chow, R.A. Leonard) "원심 고온접촉기(Centrifugal pyrocontactor)" US-A-5254076 (1993)

참조문헌[8]: 프라빈 쥐.(Praavin G.) "비혼합 액체를 분리하기 위한 표면장력 방법 및 장치(Surface tension method of and apparatus for separating immiscible liquids)" US-A-3703463, 1972년 11월

참조문헌[9]: 메이저 데니스 존(Majer Denis John) "2개의 비혼합 액체를 분리하기 위한 장치와 관련된 개량" GB-A-2127318, 1984년 4월 11일

참조문헌[10]: WO-A1-2008/080853

참조문헌[11]: 엔. 유스타토폴로스(N. Eustathopoulos) "표면 장력", 공학 기술(Engineering Technologies) M67, 1999년 3월

참조문헌[12]: 비. 르 네인드레(B. Le Neindre) "무기 화합물 및 혼합물의 표면 장력", 공학 기술 K476-1

참조문헌[13]: 이.더블유. 드윙 및 폴 데스클로(E.W. Dewing & Paul Desclaux), "알루미늄과 알루미늄으로 포화된 빙정석 용융물 사이의 계면 장력" 야금 처리 비(Metallurgical transactions B), 8B 권, 1977년 12월, pp. 555-561

참조문헌[14]: 피엥 쉔, 히데토시 후지, 키요시 노기(Pieng Shen, Hidetoshi Fujii, Kiyoshi Nogi) "용융된 알루미늄에 의한 질화 붕소의 젖음성에서의 온도 및 표면 거칠기의 효과" 저널 오브 머티리얼 사이언스(J. Mater. Sci.) (2007), 42, pp 3564-3568

참조문헌[15]: 엑스. 엠. 수, 제이.티. 왕, 엠.엑스. 쿠안(X.M. Xue, J.T. Wang, M.X. Quan) "질화 붕소에 대한 액체 알루미늄의 젖음성 및 퍼짐의 운동역학" 저널 오브 머티리얼 사이언스 (1991) 262 pp 6391-6395

참조문헌[16]: 락쿠에먼트, 제이. 등(Lacquement, J., et al) "특정 핵 재처리를 위한 불소 기반 염의 잠재력: CEA에서의 연구개발 프로그램의 검토" 저널 오브 플루오린 케미스트리(Journal of Fluorine Chemistry), 2009, 130(1): p.18-21

참조문헌[17]: 맥파렌, 에이치.에프. 및 엠.제이. 라인베리(McFarlane, H.F. and M.J. Lineberry), "IFR 연료 사이클 검증" 프로그레스 인 뉴클리어 에너지(Progress in Nuclear Energy), 1997, 31(1-2): p.155-173

참조문헌[18]: 브룬스볼드, 비.알.더블유.피.디.알.에이.알.(Brunsvold, B.R.W.P.D.R.A.R.) "사용된 핵 연료의 전기화학 처리를 위한 캐소드 프로세서의 디자인 및 개발" 제8차 핵 공학 국제 회의 회의록(Proceeding, 8th international conference on nuclear engineering), 2000 (ICONE-8702)

참조문헌[19]: 하야시, 에이치. 등(Hayashi, H., et al.), "사용된 핵 연료를 위한 고온화학 재처리 방법, 및 고온화학 재처리 방법에서 사용될 유도 가열 시스템", 일본 핵 사이클 개발 기관(Japan Nuclear Cycle Development Institute)

참조문헌[20]: 라슐리, 제이.씨. 등(Lashley, J.C., et al.), "정제에서의, 금속 플루토늄을 위한 합금 및 캐스팅 방법(In situ purification, alloying and casting methodology for metallic plutonium)" 저널 오브 뉴클리어 머티리얼즈, 1999, 274(3): p. 315-319

참조문헌[21]: WO-A1-98/05185

참조문헌[22]: WO-A1-03/106009

본 발명의 목적은 이러한 요건 및 다른 요건들을 만족시키는 것으로, 두 개의 비혼화성 액체를 서로 접촉시키기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 밀도가 동일하거나 근접 또는 유사한 두 개의 유체의 사용을 가능하게 하는 것으로, 두 개의 비혼화성 액체를 서로 접촉시키기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 용기 내의 가열 현상을 제한하는 치밀한 가열 장치를 통해 가열되는 두 개의 액체를 서로 접촉시키기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 종래 기술의 방법 및 장치의 불편함, 결점, 한계 및 단점을 갖지 않고, 참조문헌[10] (WO-A1-2008/080853)에 기재된 방법 및 장치의 투각 벽을 이용하여 종래 기술의 방법 및 장치의 문제점, 특히 불충분한 전달 속도의 문제점을 해결하면서 그의 이점들을 모두 유지하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

이러한 목적 및 다른 목적들은, 액체 상태의 금속 또는 몇 가지 금속들의 합금으로 구성되고 고체 상태 및 액체 상태에서 도전성이 있는 제1 물질과, 액체 상태의 염 또는 몇 가지 염들의 혼합물로 구성되고 액체 상태의 제 1 물질과 비혼화성인 제2 물질을 혼합하지 않고 서로 접촉시키기 위한 방법으로서 하기의 연속적인 단계들이 수행되는 방법을 통해 본 발명에 따라 달성된다:

a) 전기 전도성이 없고, 적어도 하나의 인덕터에 의해 발생된 자기장을 투과하고, 제1 물질 및 제2 물질과 반응성이 없는 내화성 고체 물질로 구성되는 벽으로서, 하나 이상의 관통 구멍(들)을 갖는 벽을 포함하는 적어도 하나의 제1 용기내에, 액체 상태에서 상기 벽의 고체 물질을 적시지 않는 고체 상태의 제1 물질이 위치하는 단계;

b) 적어도 하나의 인덕터에 의해 발생된 자기장을 투과하고, 전기 전도성이 없고, 제2 물질과 반응성이 없는 내화성 고체 물질로 구성되는 적어도 하나의 용기에 위치한 고체 상태의 제2 물질과 상기 제1 용기가 접촉하는 단계;

c) 고체 상태의 제1 물질에서 유도 전류를 발생시키고 제1 물질을 용융시키는 적어도 하나의 인덕터에 의해 발생된 전자기장이 제1 및 제2 용기에 작용하는 단계;

d) 액체 상태의 제1 물질이 라플라스 힘(Laplace　force)의 작용하에서 이동하기 시작하는 단계;

e) 고체 상태의 제2 물질이 전도 및 방사에 의해 제1 용기로부터 나오는 열류의 영향하에서 용융하기 시작하는 단계;

f) 제2 물질에서 이온 전도성이 나타나서, 제2 물질의 용융을 촉진하는 유도 전류를 발생시키는 단계;

g) 액체 상태의 제2 물질이 라플라스 힘의 작용하에서 이동하기 시작하는 단계;

h) 액체 상태의 제1 물질이 상기 구멍에서 액체 상태의 제2 물질과 접촉하되, 액체 상태의 제1 물질과 액체 상태의 제2 물질 사이의 물질 교환 전달이 일어나기에 충분한 시간 동안 액체 상태의 제1 물질이 액체 상태의 제2 물질과 접촉상태로 유지되는 단계;

i) 제1 용기가 액체 상태의 제2 물질로부터 제거되는 단계;

j) 제1 물질이 고체 상태로 되돌아 갈 때까지 제1 용기가 냉각되는 단계.

본 발명에서 용어 "도전성 물질"은 이러한 물질이 100 S.m^{- 1}초과, 바람직하게는 1,000 S.m^-1 초과의 전도율을 갖는 것을 의미하는 것으로 일반적으로 이해된다.

용어 "자기장을 투과시키는 물질"은 이러한 물질과 인덕터에 의해 발생된 전자기파 사이에 상호작용이 없는 것, 더욱 구체적으로는 이러한 물질이 10^-3 H.m^-1의 최대 투자율을 갖는 것을 의미하는 것으로 일반적으로 이해된다.

인덕터를 통과하는 전류는 100 내지 3,000 ampere-turns, 바람직하게는 100 내지 1,000 ampere-turns의 세기 및 20 내지 400 kHz, 예를 들어 200 kHz의 주파수를 갖는 것이 유리하다.

인덕터를 통과하는 전류는 제1 및 제2 용기의 형태 및 제1 물질 및 제2 물질 각각의 도전율 특성에 따라, 제1 및 제2 물질에 대한 표피 두께를 조절하도록 선택되는 주파수를 갖는 것이 유리하다.

실제로, 제1 물질 및 제2 물질만이 알루미늄과 같은 제1 물질의 경우에는 고체 상태 및 액체 상태, 제2 물질의 경우에는 적어도 액체 상태에서 도전성이어야 한다.

용어 "표피 두께"는 유도된 2차 전류의 2/3가 생성되는 물질의 두께를 의미하는 것으로 일반적으로 이해된다. 예를 들어, 그 전류의 주파수는 용기가 원형 단면을 갖는 실린더인 경우 표피 두께가, 일반적으로 염 또는 염들인 덜 도전성의 물질을 함유하는 도가니인 용기의 반경의 절반이 되도록 선택된다.

제2 물질(물질 2, 염(들), 일반적으로는 낮은 도전성의 물질)이 위치하는 제2 용기는 제1 물질(물질 1, 금속 또는 합금, 일반적으로는 높은 도전성의 물질)이 위치하는 제1 용기(들)를 둘러싸는 것이 유리하고, 제2용기는 제1 용기보다 인덕터(들)에 더욱 근접한다(예를 들어 도 1a 참조).

유도 주파수는 도 1a에서 도시한 구성의 경우 200 kHz인 것이 유리할 수 있고, 이러한 경우 물질 1(용융 금속)의 표피 두께는 예를 들어 1 mm 이고, 용융 염의 표피 두께는 예를 들어 3 cm 이다.

이러한 경우(즉, 200 Hz의 주파수 및 도 1a에서 도시한 구성), 주입된 전력은 두 물질들 사이에서 약 50%의 비율로 분포되는 것이 유리한데, 예를 들어 물질 2(용융 염) 내의 주입된 전력은 51% 이고, 물질 2(용융 금속)내의 주입된 전력은 49%이다.

인덕터에 의해 발생된 전자기장은 10^-6 내지 10^-3 Wb의 자기 유도 다발(magnetic induction flux)을 발생하는 것이 유리하다.

인덕터에 의해 발생된 전자기장은 슬라이딩 장(sliding field)인 것이 유리할 수 있다.

이러한 슬라이딩 장은 가열 및 니딩(kneading)의 효율을 개선할 수 있다.

이러한 슬라이딩 장을 발생하기 위하여, 각각의 인덕터가 전류가 통과하는 단일 턴(turn)의 루프(loop)로 구성되는 경우, 몇 개의 독립적인 인덕터들이 존재할 수 있다.

각각의 인덕터 사이에서 전류의 실제 부분은 90°또는 π/2 만큼 상 이동(phase-shift)된다.

본 발명에서 용어 "내화성 고체 물질"은 이러한 물질이 분해되지 않고 1,300　K의 고온을 견딜 수 있는 것을 의미하는 것으로 일반적으로 이해된다.

제1 용기의 벽을 구성하는 내화성 고체 물질은 질화 붕소 및 알루미나중에서 선택되는 것이 유리하다.

액체 상태의 제1 물질의 밀도 및 액체 상태의 제2 물질의 밀도는 동일 또는 유사한 것이 유리하다.

본 발명에 따른 방법의 이점들 중 하나는 동일 또는 유사한 밀도를 갖는 이러한 상들이 조작될 수 있다는 것이다.

용어 "유사한 밀도"는 액체 상태의 제1 물질의 밀도 및 액체 상태의 제2 물질의 밀도가 10% 초과, 바람직하게는 5% 이하, 다욱 바람직하게는 1%이하 만큼 차이가 나지 않는다는 것을 의미하는 것으로 일반적으로 이해된다.

액체 상태의 제1 물질은 제1 용기의 벽의 물질을 적시지 않는데, 이는 이 물질과 상기 벽과의 접촉 각 θ가 120 내지 180도인 것이 바람직하다는 것을 일반적으로 의미한다.

액체 상태의 제2 물질은 적심성 또는 비적심성일 수 있지만, 이는 주로 분리벽, 즉 제1 용기의 벽의 물질에 대하여 적심성을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 다른 방법은 상기 인용한 참조문헌에 의해 특히 나타낸 바와 같이 종래 기술에서 설명되지도 제안되지도 않은 특정 순서의 특정 단계들을 포함한다.

본 발명에 따른 방법은 간단하고, 신뢰가능하고 실시하기 용이하다. 이는 전술한 바와 같은 필요성 및 요건을 충족시키고, 상기 언급한 종래 기술의 문제점, 특히 참조문헌[10] (WO-A1-2008/080853)에서 기재한 방법 및 장치의 문제점에 대한 해결방안을 제공한다.

단순화된 측면에서, 본 발명에 따른 방법에 있어서는, 하기의 것들이 예상치 않게 결합된다고 말할 수 있다: 첫째, 하나 이상의 관통 구멍(들)을 포함하는 벽을 통해 서로 분리된 것으로, 액체 상태의 제1 물질과 액체 상태의 제2 물질의 접촉, 둘째, 서스셉터(susceptor)로서 제1 물질을 이용하는 유도가열 시스템.

즉, 본 발명에 따른 방법은 참조문헌[10]의 투각 벽 액/액 접촉장치를 이용하고 이를 서스셉터로서 제1 물질을 이용하는 유도 가열 시스템과 결합한다는 점에서 상기 참조 문헌과 차이가 있다. 이때, 유도 가열은 인덕터에 의해 발생된 전자기파를 투과시키는 내화성 물질을 이용하여 제1 용기 또는 투각 바스켓 및 제2 용기 또는 도가니를 구성하는 것을 통해 가능하게 된다.

참조문헌[10]과 비교하여, 저항 가열 시스템을 유도 시스템으로 교체하면 액/액 접촉장치의 성능이 크게 개선될 수 있다. 실제로, 제1 물질의 니딩 속도에 대하여 본 발명에 따른 방법을 통해 얻어진 개선은 통상적인 저항 가열을 실시하는 제2 용융 물질에서 자유 대류에 의해 발생된 니딩 속도와 비교하여 일반적으로 10배 정도 크다.

본 발명에 따른 방법의 경우, 예를 들어 3 cm/s의 제2 물질(용융 염)의 니딩 속도가 얻어지는 반면에, 통상적인 저항 가열의 경우에는 겨우 2 mm/s의 제2 물질 니딩 속도가 얻어진다.

제1 물질(용융 금속)의 경우, 예상된 값은 수십 cm/s에 근접하기 때문에 그 니딩 속도는 수 십배 정도 증가하지만, 참조문헌[10]에서 나타낸 바와 같은 종래 기술에서 실시된 저항 가열 방식은 제1 물질의 대류 니딩을 실시할 수 없다.

따라서, 유도를 통한 니딩을 실시하면 접촉 시간이 10 내지 100 배 감소될수 있다.

이러한 시간 감소를 통해, 평형 상태가 24 시간(참조문헌[10])이 아니라 1 시간 이내, 예를 들어 단지 10분 이내의 시간 내에 도달될 수 있다.

인덕터에 의해 발생되는 전자기장을 투과시키는 물질을 이용하여 제1 용기 및 제2 용기를 구성하면, 제1 물질, 즉 금속 또는 금속 합금이 서스셉터 물질로서 사용될 수 있다.

두 용기는 전자기장을 투과시키는 동일 물질로 이루어질 수 있거나, 인덕터에 의해 발생되는 전자기파에 대하여 투명한 상이한 물질들로 구성될 수 있다.

따라서, 전자기장 라인을 만족스럽게 투과시키는 용기를 구성하기 위해 사용되는 이러한 물질 또는 물질들은 유도 가열 시스템과 단지 약간만 상호작용하므로, 인덕터에 의해 전달된 전력은 고체 또는 액체 상태의 제1 물질 및 액체 상태의 제2 물질을 가열하는데 주로 사용된다.

본 발명에 따른 방법은 예상치 않게, 통상적인 저항 가열 대신에 자기 유체 역학(magnetohydrodynamics)과, 참조문헌[10] (WO-A1-2008/080853)을 구성하는 액/액 접촉장치 기술을 결합하는 것으로 구성된다고 말할 수 있다.

이러한 결합을 통해, 참조문헌[10]에 기재된 시스템의 효율이 크게 개선될 수 있고 이러한 시스템의 생산성이 증가될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 자기 유체 역학의 법칙을 이용하여 용융 물질의 니딩 및 전자기 가열을 동시에 달성한다.

본 발명에 따른 방법은 제1 및 제2 물질의 가열뿐만 아니라 니딩을 가능하게 하고, 전자기학의 특성의 이중 이용에 근거한다. 실제로, 에너지 보존 법칙을 통해, 열적 효과(가열)가 유체 역학적 양상(니딩)과 결합될 수 있다.

본 발명에 다른 방법은 액체 상태의 제1 물질(예를 들어 용융 알루미늄)과 액체 상태의 제2 물질(용융 염) 사이의 계면에서 액상 매체를 재생시킴으로써 참조문헌[10]에 기재된 액/액 접촉장치의 투각 벽을 통한 물질 전달 속도를 유의하게 개선한다.

제1 용기의 관통 구멍 또는 창 내의 이러한 재생은 용융 금속 및 염과 같은 액체 상태의 제1 및 제2 물질 내에서 전자기적 니딩의 실시를 통해 가능하게 된다.

임의의 이론에 구속되는 것을 바라지 않고, 놀랍게도 본 발명에 따른 방법은 제1 물질의 전자기 특성을 이용하여 제1 물질을 서스텝터로서도 이용한다.

실제로, 본 발명에 따른 방법의 한 가지 근본적인 특성에 따르면, 이는 유도 가열을 이용하는 공정의 경우와 마찬가지로, 서스셉터로서 작용하는 제1 용기 또는 도가니의 벽이 아니다. 용어 "서스셉터"는 유도 전류에 의해 가열된 부분 또는 부재를 의미하는 것으로 이해된다.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 특히 이는 유도 전류가 발생되고 서스셉터로서 작용하는 알루미늄과 같은 금속인 제1 물질이다. 또한, 염으로 구성되는 제2 물질이 충분히 용융했고 유도 전류가 발생되기에 충분히 도전성이 있는 경우, 이러한 제2 물질도 서스셉터로 작용한다.

본 발명에 따른 방법에서, 특정 물질, 특히 내화성이고 인덕터에 의해 발생된 전자기파를 투과시키는 물질로 구성되는 참조문헌[10] (WO-A1-2008/080853)의 투각 벽 시스템과, 제1 물질을 서스텝터로서 이용하는 유도 가열을 결합하는 것은 일련의 예상치 못한 효과 및 이점을 갖는 상승효과적인 결합으로서 간주될 수 있고, 이러한 결합을 통해 특히 하기의 것들이 가능하게 된다:

제1 물질 및 제2 물질이 알칼리성 불소화물의 경우처럼 높은 용융 온도, 예를 들어 1,100　K에 근접한 용융 온도를 갖는 경우에도 접촉 없이 가열 및 용융될 수 있고,

유도 가열을 통해, 제1 물질 및 제2 물질, 즉 알루미늄과 같은 금속 및 염이 아주 상이한 도전율, 예를 들어 3 차수(order)의 정도로 상이한 도전율을 갖음에도 용용될 수 있고;

상이한 상들, 즉 액체 상태의 제1 물질로 구성되는 상 및 액체 상태의 제2 물질로 구성되는 상의 니딩이 달성될 수 있고,

물질 전달 속도, 예를 들어 추출이 촉진될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 상기 언급된 결합을 통해,

액체 계면, 즉 액체 상태의 제1 물질(용융 알루미늄과 같은 금속)과 액체 상태의 제2 물질(용융 염(들)) 사이의 계면의 이동 및 재생이 벽의 영향에도 불구하고 접촉장치의 창(window)까지 발생되고,

특히 유리하게도, 알루미늄과 같은 제1 물질이 이중 기능, 첫째 추출제의 기능, 둘째 서스셉터의 역할로 인한 열원의 기능을 가지게 되고,

알루미늄과 같은 높은 열전도율을 갖는 금속에서 전자기적 니딩이 달성된다. 저항 가열의 경우, 알루미늄의 매우 만족스러운 열전도율은 임의의 온도 구배의 발생을 방지한다. 따라서, 용융 금속 내의 밀도의 변화가 전혀 없을 수 있다. 따라서, 대류에 의한 알루미늄의 이동이 불가능하다. 따라서, 놀랍게도, 본 발명에 따른 방법은 저항 가열을 이용하는 방법에 의해서는 아직까지 불가능했던 고전도성 금속의 니딩을 확보하고,

일단 용해되면 염의 전자기적 니딩이 달성되어, 자유 대류와 비교한 이동 속도가 매우 실질적으로 예를 들어 10배 만큼 개선되고,

매우 큰 온도 상승 속도가 얻어지는데, 예를 들어 저항 가열이 이용되는 경우와 비교하여 온도 상승이 10배 더 빠르고,

유도 시스템의 사용을 통해, 통상적인 저항 시스템의 가열 저항기의 특성에 구속되지 않고 1,300　K 초과일 수 있는 온도 범위에서 조작하는 것이 가능하고;

발생기에 의해 전달된 전력을 변화시킴으로써 쉽게 조절될 수 있는 원격 유도 가열이 사용되고,

열원이 제1 또는 제2 용기의 벽으로 구성되는 것이 아니라, 서스셉터로서 작용하고 장치의 중심부에 일반적으로 위치하는 알루미늄과 같은 금속으로 구성되기 때문에 열원이 최적의 방식으로 사용되고,

주파수 및 작동 전류의 선택을 통해 가열 영역 및 니딩 속도가 쉽게 조절되고,

두 상을 투각 벽의 어느 측면에서 이동시키는 가능성을 통해, 알루미늄과 같은 금속을 적절한 특성을 갖는 두 유형의 상과 접촉시킴으로써 연속적인 추출/역추출 시스템을 상상하는 것이 가능하다.

고체 상태의 제1 물질에서 발생된 유도 전류는 제1 물질을 용융시키고, 알루미늄과 같은 제1 물질의 용융을 통해 생성된 열은 제2 단계에서, 제1 용융 물질과의 접촉 상태로 염으로 구성되는 제2 물질의 용융이 개시되도록 할 수 있다.

다음에, 제2 물질은 부분적으로 용융되는 경우, 자기장의 결합을 통해 직접 가열되고 액체 상태로 완전히 변화되기에 충분한 이온 전도율, 예를 들어 100 S.m^-1의 이온 전도율을 갖는다.

제1 및 제2 물질의 가열 외에도, 자기장은 액체 상태의 두 물질 내에서 강제 대류를 발생하는 라플라스 힘(Laplace force)을 유도한다.

본 발명에 따른 방법은 금속 또는 합금 및 염으로 각각 구성되는 제1 및 제2 물질의 특성 및 온도에 상관없이 용이하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법은, 니딩의 실시를 통해 열역학적 평형이 단시간내에 도달될 수 있기 때문에, 비교적 짧은 시간, 일반적으로는 1 시간 이내, 예를 들어 단지 10 분 이내에 달성될 수 있다.

특히, 단계 h)의 충분한 접촉 시간은 당 업자에 의해 쉽게 결정될 수 있는데, 이는 일반적으로 2 내지 10분이고 예를 들어 1 시간 정도로 길 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 불연속적인 조작 방식 및 연속적인 조작 방식 모두로 수행될 수 있다. 실제로, 전자기적 니딩(electromagnetic kneading)을 통해 유체들을 이동시키는 것과 결합된 것으로, 액체 상들의 분리의 원리를 통해, 팩토리(factory) 타입의 조작이 연속 방식으로 수행될 수 있다. 본 발명에 따라, 삼중점, 즉 액체 상태의 제1 물질/액체 상태의 제2 물질/제1 용기의 벽의 고체 물질의 계면 장력은 높은 것이 바람직하다.

예를 들어, 삼중점, 즉 즉 액체 상태의 제1 물질/액체 상태의 제2 물질/제1 용기의 벽의 고체 물질의 계면 장력은 0.3 N.m^-1 초과, 바람직하게는 0.6　N.m^-1 초과이다.

또한, 액체 상태의 제1 물질은 0.3 N.m^{- 1}초과, 바람직하게는 0.8　N.m^-1 초과의 표면 장력을 갖는 것이 바람직하다.

이러한 높은 표면 장력으로 인해, 제1 물질이 제2 물질의 외부로 이동하는 때 용기내에서 액체 상태로 유지될 수 있고, 용기의 외부의 모세관 흐름을 통한 임의의 액체 손실이 방지된다.

따라서, 1 밀리미터 정도의 치수를 갖는 오프닝, 즉 관통 구멍을 이용하여 조작하는 것이 가능하다.

상기 금속 또는 상기 몇몇 금속들의 합금은 알루미늄 및 이의 합금과 같은 환원성 금속 및 합금 중에서 선택되는 것이 바람직하다.

상기 염(들)은 알칼리 금속의 염화물, 알칼리 토금속의 염화물, 및 알루미늄의 염화물, 예를 들어, LiCl 또는AlCl₃, 알칼리 금속의 불소화물, 알칼리 토금속의 불소화물, 및 알루미늄의 불소화물, 예를 들어 LiF 및 AlF₃ 중에서 선택되는 것이 유리할 수 있다.

예를 들어, LiCl/AlCl₃ 혼합물 또는 LiF/AlF₃ 혼합물이 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 최종 단계 j) 이후, 단계 b) 내지 j)를 반복하는 것이 가능하다. 즉, 제1 용기를, 제2 물질과 상이한 염 또는 몇몇 염들의 혼합물로 구성되는 제3 물질과 접촉시킬 수 있다.

단계 h) 동안에 달성되는 물질의 전달(교환)은 액체 상태의 두 물질들 사이에서 일어나는 임의의 물질 전달 조작일 수 있는데, 상기 액체 상태의 제1 물질과 제2 물질 사이의 물질 전달은 액/액 추출인 것이 바람직하며, 이 추출 동안에 액체 상태의 제2 물질의 성분들 중 하나는 액체 상태의 제1 물질에 유입되고/되거나 액체 상태의 제1 물질의 성분들 중 하나가 액체 상태의 제2 물질에 유입된다.

특히, 액/액 추출이 수행되는 경우, 상기 제1 물질은 알루미늄 또는 알루미늄의 혼합물일 수 있고, 제2 물질은 불화알루미늄을 함유하는 알칼리 또는 알칼리토금속의 불소화물의 염을 포함할 수 있고, 이때, 한 종 이상의 악티늄족 원소 불소화물(들) 및 한 종 이상의 란타넘족 원소 불소화물(들)이 용해되고, 단계 h) 동안, 상기 악티늄족 원소 불소화물은 용융 알루미늄 또는 알루미늄 합금과의 접촉을 통해 악티늄족 원소(금속의 형태)로 화학적으로 환원되고, 이러한 원소는 액체 생태의 제1 물질의 용액내로 유입되는 반면, 란타넘족 불소화물(비반응성)은 액체 상태의 제2 물질 내에 잔류한다.

단계 j) 이후, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 함유하는 제1 용기(들) 및 란타넘족 금속을, 염화 알루미늄을 함유하는 알칼리 또는 알칼리 토금속의 한 종 이상의 염화물로 구성되는 제3 물질과 접촉시킴으로써 단계 b) 내지 j)가 반복될 수 있는데, 이를 통해 란타넘족 원소는 용융 염화물과의 접촉을 통해 란타넘족 원소 염화물로 산화되고, 상기 염화물은 액체 상태의 제3 물질(염화물의 산화된 형태)에 유입되고, 염화 알루미늄의 환원을 통해, 추출/역추출의 새로운 사이클에 재사용될 수 있는 알루미늄 금속이 재생 및 회수될 수 있다.

본 발명의 방법의 단계 b) 내지 g)는 두 액체가 서로 접촉하는 경우 10^-2 내지 10^-1 절대 mbar의 일차 진공하에서 수행되어, 특히 액체 상태에서 두 물질들 사이의 긴밀한 접촉이 확보되도록, 즉, 두 상들 사이에 발생할 수 있는 기체 포켓이 제거되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법의 단계 h)는 아르곤과 같은 불활성 가스의 분위기에서 수행되어 수분 또는 산소의 존재를 방지하고, 대기압에 근접한 압력에서 수행되어 용융 염의 증발을 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것으로, 이 장치는,

고체 또는 액체 상태의 제1 물질을 수용하도록 구성되고, 내화성 고체 물질로 구성되는 벽을 포함하는 하나 이상의 제1 용기(들)로서, 상기 내화성 고체 물질이 전기 전도성이 없고, 적어도 하나의 인덕터에 의해 발생된 자기장을 투과하고, 제1 및 제2 물질과 반응성이 없는 것이고, 상기 벽이 하나 이상의 관통 구멍(들)을 포함하고, 상기 액체 상태의 제1 물질이 상기 벽의 고체 물질을 적시지 않는 것인, 제1 용기와;

고체 또는 액체 상태의 제2 물질을 수용하도록 구성되고, 내화성 고체 물질로 이루어진 벽을 포함하는 제2 용기로서, 상기 고체 내화성 물질이 적어도 하나의 인덕터에 의해 발생된 자기장을 투과하고, 전기전도성이 없고, 제1 및 제2 물질과 반응성이 없는 것인, 제2 용기와;

제1 용기(들)를 제2 물질과 접촉시킨 다음 이를 제2 물질로부터 제거하기 위하여 제1 물질을 함유하는 제1 용기(들)를 지지하기 위한 수단과;

제 2 용기의 벽의 외측에 위치한 적어도 하나의 인덕터로 구성되는 것으로, 제1 용기(들) 및 제2 용기가 전자기장의 작용을 받도록 하기 위한 수단을 포함한다.

용어 "전기 전도성이 없는"는 < 10^-3 S.m^-1의 도전율을 갖는 물질을 의미하는 것으로 일반적으로 이해된다.

본 발명에 따른 장치는 위에서 언급한 본 발명에 따른 방법의 실시와 관련된 모든 이점 및 효과를 갖는다.

이는 특히 간단하고, 신뢰할 수 있고, 매우 적은 수의 이동 부품을 가지면서도 효율이 높다. 이의 에너지 소비량은 최소이다.

이는 예를 들어 강화 용기 타입의 핵 가둠 챔버의 내측에서 사용되도록 하기 위하여 용이하게 원격 조작될 수 있도록 디자인될 수 있다.

본 발명에 따른 장치는 소량의 물질, 예를 들어 100 내지 200 g의 용융 금속 및 용융 염에 특히 적합하게 되는 불연속적 조작 방식, 및 다량의 물질을 처리하기 위한 연속적인 조작 방식을 위해 디자인될 수 있다.

상기 장치의 연속적인 방식의 조작을 위하여는, 당업자가 이해하고 있는 바와 같이 특정의 개조가 이루어져야 한다.

상기 제1 용기(들) 및 제2 용기는 알루미나 및 질화 붕소중에서 선택되는 것이 유리하다.

바람직한 물질은 질화 붕소이다.

실제로, 이러한 물질은 용융 염 및 알루미늄과 같은 용융 금속에 대하여 화학적으로 불활성이고, 질화 붕소는 알루미늄에 대하여 단지 약간의 적심성이 있다.

또한, 이러한 물질은 자기장 라인을 만족스럽게 투과시키는 4.π.10^-7 H.m^-1의 투자율을 갖는다.

상기 구멍은 참조문헌[10]에서 상세히 기재된 바와 같고, 원형, 정사각형, 직사각형, 특히 높은 길이/폭 비를 갖는 직사각형과 같은 다각형 중에서 선택된 단면 형상을 갖는다.

제1 용기가 원통형 용기인 경우, 상기 구멍에 대한 바람직한 형상은 상기 용기의 기부에서 만들어지고 상기 용기의 측벽의 길이를 따라 연장되는 슬리트의 형상이다.

상기 제1 용기(들)는 기부 또는 바닥 벽을 갖는 원형 단면의 원통체(들)인 것이 바람직하고, 상기 제1 용기(들)의 기부의 형상은 무효 용적의 존재를 방지하여 제2 액체가 제1 액체 아래에서 확산될 수 있도록 하기 위하여, 즉 제2 유체의 가능한 축적을 방지하기 위하여 둥글게 되는 것이 바람직하다.

그렇지 않으면, 제2 용기(들)은 환형 형상을 갖고, 바람직하게는 상기 제1 용기(들)의 기부의 형상은 둥근 것이 바람직하다.

유리하게는, 제2 용기는 제1 용기(들)를 둘러싸고, 제2 용기는 제1 용기(들)보다 인덕터(들)에 더욱 근접하다.

제2 용기는 측벽 및 기부 또는 바닥벽을 갖는 원형 단면의 원통체인 것이 바람직할 수 있다.

상기 장치는 하나의 제1 용기, 하나의 제2 용기, 및 동일 수직 중심축에 대하여 대칭인 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 것이 유리하다.

즉, 상기 장치는 축대칭형 구조를 갖는다.

따라서, 본 발명에 따른 장치는 제1 원통형 또는 환형 용기 및 제2 원통형 용기를 포함할 수 있는데, 이때, 제1 용기 및 제2 용기(또는 더욱 정확히는 두 용기의 측벽)는 중심이 같고, 이들의 주축들이 서로 일치한다.

인덕터는 제2 용기의 측벽을 둘러싸고 이와 중심이 같은 하나 이상의 원형 턴(들) 또는 루프(들)로 구성되는 것이 바람직한데, 이러한 턴(들)의 주축은 제1 및 제2 원통형 용기의 주축과 일치한다.

이러한 두 개의 중심이 같은 용기 또는 도가니 형태의 본 발명에 따른 장치 또는 고온 접촉장치의 구성은 금속 또는 합금이 염 또는 염들에 침적될 수 있도록 한다.

이러한 디자인은 두 개의 매체내로 자기장 라인들의 침투가 양호하게 반전되어 주입된 전력의 개선된 분포를 달성할 수 있으므로 자기적인 관점에서 유리하다.

상기 제1 용기(들)를 지지하고, 이들 용기를 제2 액체에 침지(immersion)시키고 이를 제2 액체로부터 제거하기 위한 수단은 제1 용기(들)를 지지하는 부재가 하단부에 부착되어 있는 수직 봉을 포함하는 것이 유리할 수 있다.

상기 수직 봉의 상단부는 전자기장의 약한 작용만을 받아서 이것이 취급될 수 있도록 하기 위하여 원위 영역에 위치하는 것이 바람직하다.

상기 제1 용기(들)를 지지하는 부재는, 상기 수직 봉을 연장시키는 중심축을 갖는 캐러셀 또는 원형 배럴의 형상을 갖는 것이 유리하고, 몇 개의 제1 용기들은 상기 캐러셀 또는 원형 배럴의 형상의 중심축과 중심이 같은 원에 위치한다.

상기 제1 용기(들)는 하나 이상의 키(들)를 통해 용기 지지 부재에 부착되는 것이 유리하다.

상기 제1 용기의 지지 부재는 그의 중심부에서, 상기 제1 용기의 기부 또는 바닥부를 지나 아래도 돌출하고, 침지 깊이가 조절될 수 있고 제2 액체를 함유하는 용기내의 무효 공간이 제한되도록 할 수 있는 원통형의 부분을 포함하는 것이 유리할 수 있다.

상기 인덕터는 유도 코일로 구성되는 것이 유리하고, 상기 유도 코일의 턴 또는 루프는 제2 용기의 벽에 근접하여, 특히 상기 제2 용기가 원통형인 경우 그 측벽에 근접하여 위치한다.

상기 인덕터는 예를 들어 물로 냉각되는 것이 유리하다.

따라서, 예를 들어 물에 의한 인덕터의 냉각은 제2 용기의 벽의 둘레에 설치되는 절연체의 두께를 제한하는 것을 가능하게 하기 때문에 매우 콤팩트한 장치가 얻어질 수 있다.

또한, 인덕터의 냉각은 강화 용기 내에서의 조작에 따른 압박 사항들이 제한되도록 할 수 있다.

이하, 특정 실시예에 대한 하기의 상세한 설명에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명에 따른 장치의 모델화에 사용된 본 발명에 따른 장치의 모델의 개략적 단면 측면도이고;
도 1b는 본 발명에 따른 장치의 축대칭적 모델화에 사용된 본 발명에 따른 장치의 모델의 개략적 단면 측면도이고;
도 2는 본 발명에 따른 장치의 투각 바스켓(openwork basket )의 실시예의 단면 측면도이고;
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 장치의 투각 바스켓의 또 다른 실시예의 단면 측면도이고;
도 4는 제1 액체(매체 1), 아르곤과 같은 노내에 존재하는 기체 분위기, 및 투각 바스켓들 중 하나의 고체 측벽의 슬리트 사이에 한정되는 삼중점의 접촉각 q을 나타내는 개략적 단면 측면도이고;
도 5는 제1 액체(매체 1), 제2 액체(매체 2), 및 투각 바스켓들 중 하나의 고체 벽의 슬리트 사이에 한정되는 삼중점의 접촉각 q'을 나타내는 개략적 단면 측면도이고;
도 6은 고온 접촉장치와 같은 본 발명에 따른 장치의 실시예의 단면 측면도이고;
도 7은 고온 접촉장치와 같은 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예의 단면 측면도이고;
도 8은 도 7의 장치의 용기 및 투각 바스켓을 보여주고;
도 9는 도 8의 장치의 용기 및 투각 바스켓의 축 AA를 따른 수직 단면도이고;
도 10은 도 8 및 도 9의 용기 및 바스켓의 삼차원적 사시도이고,
도 11은 배럴 또는 캐러셀(carousel)에 의해 지지되고 용융 염에 침지되는 투각 바스켓을 포함하는 것으로 고온 접촉장치와 같은 본 발명에 따른 투각 장치의 또 다른 실시예의 단면 측면도이고,
도 12는 6개의 투각 바스켓을 구비한 도 11의 장치의 배럴 또는 캐러셀의 평면도이고,
도 13은 서로 다른 형상의 구멍을 구비한 6개의 투각 바스켓을 구비한 도 11의 장치의 배럴 또는 캐러셀의 사시도이고,
도 14는 인덕터에 의해 발생된 자기장 라인의 형상을 나타내는 본 발명에 따른 고온 접촉장치와 같은 장치의 단면 측면도이고,
도 15는 도 1b의 모델을 이용하여 달성한 본 발명에 따른 장치의 축대칭적 모델화 동안 실시예 1에서 얻은 결과를 도시하는 것으로, 자기장 라인의 모델화를 도시하고,
도 16은 실시예 2에서 수행한 테스트 동안 본 발명에 따른 장치에서 용융 염의 니딩을 보여주는 사진이고,
도 17은 도 16에서 사진으로 나타낸 용융 염의 표면의 이동(초 단위)을 나타내는 것으로, 이동한 거리가 1 cm 정도임을 보여주는 도면이다.

도면에서, 특정 도면 부호는 일반적으로 동일 구성요소를 나타낸다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 방법 및 이의 실시를 위한 장치의 원리를 개략적으로 예시한다.

도 1a 및 도 1b에서 나타낸 장치는 인덕터(1)를 포함한다.

도 1a 및 도 1b에서 이러한 인덕터(1)는 특정 수의 턴(2)을 갖는 유도 코일을 포함하고, 이러한 인덕터는 발생기(도시하지 않음)에 연결된다.

상기 인덕터는 1개 내지 12개의 턴(2)을 가질 수 있다.

따라서, 예를 들어, 도 1a 및 도 1b에서 나타낸 인덕터는 6개의 턴을 갖는데, 상기 턴들의 수, 크기 및 형상, 및 이러한 턴을 통과하는 전류의 세기 및 주파수는 사용되는 도가니의 용적 및 금속 및 염의 용적과 함께 자기장 라인의 형상 및 자기장의 원하는 세기(10^-6 to 10^-3 Wb의 범위일 수 있음)에 따라 당업자에 의해 용이하게 결정될 수 있다.

예를 들어, 턴을 통과하는 전류는 100 내지 3,000 ampere-turns일 수 있고, 이의 주파수는 20 내지 400 kHz일 수 있다.

또한, 도 1a 및 도 1b에서 나타낸 장치는 상기 인덕터(1)의 내측에 위치하는 용기 또는 도가니(3)를 포함한다.

이러한 용기 또는 도가니(3)는 염 또는 몇몇 염들의 혼합물로 구성되는 제2 물질(4)을 를 수용하기 위한 것이다. 특히, 이러한 염은 용융 염화물 또는 불화물, 예를 들어 불소화리튬(LiF)일 수 있다.

이러한 도가니(3)는 일반적으로 인덕터(1)에 의해 방출된 전자기파를 투과시키는 비도전성 물질로 구성되고, 제2 물질, 특히 액체 상태의 제2 물질과 반응성이 없고 내화성이다.

용어 "내화성"은 이러한 물질이 분해를 받지 않고 고온에서 용융 상태의 염 또는 염들의 혼합물과 접촉할 수 있는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

예를 들어, 이러한 도가니(3)는 800　K 초과, 어쩌면 1,200　K 초과의 온도를 견딜 수 있는 물질로 구성될 수 있다.

이러한 도가니는 예를 들어, 질화 붕소, 예를 들어 "HP 또는 HIP 등급" 붕소로 알려져 있는 질화붕소, 또는 알루미나로 구성될 수 있다.

일반적으로, 액체 상태, 즉 용융 염(들)의 제2 물질(4)은 도가니 내에서 도 1a 및 도 1b에서 나타낸 수준(5)과 같이 높이 상승한다. 도 1a 및 도 1b에서, 도가니(3)는 직선 원통 형상을 갖고, 이의 측벽은 인덕터에 의해 둘러싸여지고 이의 턴과 중심이 같다.

본 발명에 따른 장치는 도 1a 및 도 1b의 개략도에 따라, 금속 또는 몇몇의 금속으로 구성되는 제1 물질(7)을 함유하는 것으로, 하나 이상의 투각되고 천공된 바스켓(들), 용기(들), 도가니(들)(6)를 포함하고(도 1a 및 도 1b에서 천공부는 도시하지 않음), 액체 상태의 이러한 제1 물질은 도가니에 함유된 액체 상태의 제2 물질(4)과 접촉한다.

도 2에서 도시한 바와 같이, 이러한 투각 바스켓 또는 도가니(6)는 개방 상부(8) 및 원형 단면을 갖는 일반적으로 원통 형상을 가질 수 있고, 이의 저벽 또는 기부(9)는 무효 용적을 방지하여 제2 액체의 축적을 방지하는 라운드(10)가 형성되도록 내측으로 기계가공되는 것이 바람직하다.

즉, 바스켓(6)의 측벽(11)과 바스켓의 기부(9) 사이의 연결은 라운드진 벽(10)의 부분을 통해 이루어진다.

그러나, 투각 바스켓의 상부는 높이(12)까지 채워진 용융 금속과 같은 액체가, "하부" 도가니에 함유된 용융 염의 제2 액체상에서 나오는 증기 및 응축물로 오염되는 것을 방지하기 위하여 밀폐될 수도 있다.

또한, 바스켓(들)은 그 상부가 바스켓에 함유된 액체 상태의 제1 물질의 응고를 통해서도 밀폐될 수 있다.

본 발명에 따라, 상기 바스켓의 벽 및 기부는 두 물질, 특히 액체 상태의 두 물질과 반응성이 없는 불활성 물질로 구성된다.

또한, 본 발명에 따라, 상기 바스켓을 구성하는 이러한 물질은 내화성이고ㅡ 비도전성이고, 인덕터(1)에 의해 방출된 전자기파를 투과한다.

용어 "내화성"은 이러한 물질이 고온에서 분해되지 않고 금속 또는 금속들의 혼합물 및 용융 상태의 염 또는 염들의 혼합물과 접촉할 수 있는 것을 의미하는 것으로 이해된다.

예를 들어, 바스켓(들)은 1,000　K 초과, 어쩌면 1,500　K의 고온을 견딜 수 있는 물질로 구성될 수 있다.

예를 들어, 바스켓(6)은 질화 붕소, 예를 들어 HP (고압) 등급 또는 HIP (High Isostatic Pressed) 등급의 질화 붕소 또는 알루미나로 구성될 수 있다.

물론, 액체 상태 1(함유됨)의 제1 물질에 의한 바스켓 구성 물질의 낮은 적심성의 조건(90도 초과의 각도 θ로 나타냄)이 충족되어야 한다.

본 발명에 따라(도 2), 바스켓의 벽(기부 및 바닥부 포함)은 구멍(13)을 가지는데, 이 구멍에서, 천공된 투각 바스켓의 내측에 함유된 제1 액체상과 도가니 내에서 이러한 바스켓의 외측에 위치하는 제2 액체상이 혼합되지 않고 접촉한다.

특히, 바스켓(들)의 구멍(13)의 수, 위치, 형상 및 크기는 두 개의 액상 매체 사이의 접촉면의 조절이 가능하도록 변경될 수 있다. 예를 들어, 이러한 변경은 액/액 추출 공정의 교환 속도를 개선할 수 있다. 추출 또는 역추출 단계 동안 매체를 변화시키기 위한 조작 동안 액체의 체류를 투각 바스켓의 구멍으로 제한하도록 다른 형태의 변경이 이루어질 수 있다.

특히, 원통형 바스켓의 경우, 구멍의 단면은 원형, 정사각형 또는 다각형, 예를 들어 직사각형, 바람직하게는 기다란 직사각형(즉, 슬리트)을 가질 수 있는데, 상기 구멍은 원통체와 같은 용기의 측벽 또는 기부에서 형성될 수 있다.

이러한 구멍(13)을 취할 수 있는 여러 가지 형상이 도 11, 도 12 및 도 13에서 볼 수 있는데, 여기서는 캐러셀에 의해 지지되는 6개의 바스켓이 각각 서로 다른 형상 및 수의 구멍을 갖는다.

도 11, 도 12 및 도 13의 캐러셀 장치는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예가 아니고, 이들 도면은 특히 바스켓의 구멍이 취할 수 있는 여러 가지 형상을 단순히 도시하기 위한 것이다. 이들 도면에서 나타낸 바스켓들 중 하나 이상은 본 발명의 임의의 실시예에 따른 장치의 일부를 형성하고 그의 제2 용기(들)를 구성할 수 있다.

실제로, 몇몇의 바스켓이 사용되는 경우, 이들 바스켓은 모두 상이한 크기 및/또는 형상 및/또는 상이한 수의 구멍들을 가질 수 있거나, 그 바스켓들 중 둘 이상이 동일한 크기 및/또는 형상 및/또는 수의 구멍들을 가질 수 있다.

모든 바스켓들은 취급 및 이동을 촉진하는 목적으로 동일 형상, 동일 크기 및 동일 수의 구멍들을 가질 수 있는 것이 명백하다.

하나의 바스켓이 사용되는 경우, 도 12, 도 13 및 도 14에서 도시한 바와 같이 상이한 크기 및/또는 형상의 구멍들을 가질 수 있거나, 그 바스켓들 중 둘 이상은 상이한 크기 및/또는 형상의 구멍들을 가질 수 있거나, 그 바스켓들 중 둘 이상, 바람직하게는 그 바스켓들 모두는 동일 크기 및/또는 형상의 구멍들을 가질 수 있다.

예를 들어, 100　mm 높이 및 21.5　mm 직경의 원통형 바스켓의 경우의 구멍들의 크기에 관하여, 그 원형 구멍은 직경이 1 mm 이고, 그 슬리트는 길이가 19　mm 이고 폭이 1　mm 이다.

많은 가능한 형상 중에서, 가장자리로부터 예를 들어 0.8　cm의 간격으로 바스켓의 기부벽에서 출발하여 측벽(11) 상의 15 mm 높이 까지 도달하는 투각 슬리트 또는 윈도우(13)로 구성되는 도 2에서 도시한 바스켓(예를 들어, 100　mm 높이 및 21.5　mm 직경을 갖는 원통형 바스켓)의 구멍의 형상은 두 개의 용융 매체가 제어된 분위기에서 서로 접촉하는 때 기포(gas bubble)를 제거하는 것을 가능하게 한다.

이러한 특별한 구멍 구조는 원형과 같은 단순한 형상을 갖는 투각 바스켓과 비교하여 개선된 것이다.

바스켓의 구멍에 대한 또 다른 가능한 형상이 도 3(A 및 B)에서 도시되어 있다. 도 3의 바스켓은 도 2의 슬리트 또는 윈도우(13)의 형상에 일치하고, 이들 측벽에 위치한 슬리트(13)의 부분들 사이의 측벽 상에서 슬리트 또는 윈도우(14)를 포함한다.

또한, 도 3에서 도시한 바스켓의 구멍의 형상은 도 2에서 도시한 구멍의 형상과 비교하여 접촉 면적이 3배 만큼 증가되도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 방법을 사용하는 것은 액체 상태의 두 물질들 중 하나, 바람직하게는 투각 바스켓 내의 하나의 물질이 높은 표면 장력값, 즉, 0.3　N.m^-1 초과의 표면 장력값, 933　K의 용융 알루미늄(참조문헌[11])의 경우 0.87　N.m^-1의 표면 장력값을 갖는 경우에 용이하게 된다.

그 표면 장력은 노에 존재하는 기체 분위기와 액체 사이의 계면 보다는 그 액체의 표면에서 확인되는 장력임을 알아야 한다.

이는 평형 상태의 액체의 표면에 수직한 라인을 따른 길이에 적용되어 그 표면이 연장되도록 하는 힘, 또는 단위 면적에 대하여 이러한 힘에 의해 발휘된 일로서 정의된다. 그 표면 장력 단위(N.m^-1)는 표면 에너지의 하나의 단위에 해당하는 (J.m^-2)에 상응한다.

이러한 특성은, 예를 들어 불소화물 용액에 존재하는 악티늄족 원소의 추출 후 용융 염화물의 매체에서 역추출하는 단계를 수행하기 위해 사용되는 용융 염과 같은 상이한 액체 매체에의 침지(immersion) 과정들 사이에서 노의 분위기(예를 들어 아르곤)에서 바스켓을 이동시킬 때(후술하는 바와 같이 봉을 이용하여 상승시킴으로써) 제1 액체가 손실되거나 유동하지 않고 바스켓에 유지될 수 있도록 하기 때문에 중요한 것이다.

최대 정수 높이(maximum hydrostatic height)는 본 발명에 따라 투각 바스켓에 수용될 수 있는 제1 액체의 칼럼의 최대 높이로서, 이러한 정수 높이는 특히 이러한 바스켓의 개구부 또는 구멍의 형상에 의존한다.

참조문헌[10]에서 기재한 바와 같이, 최대 정수 높이는 하기와 같이 두 경우로 계산될 수 있다: 첫 번째 경우는 바스켓이 침지되는 것이 아니라 상승되고, 이러한 바스켓에 함유된 용융 알루미늄과 같은 제1 액체 또는 액체"1"가 노의 분위기를 구성하는 아르곤과 같은 기체와 접촉하는 경우이다.

두 번째 경우는 투각 바스켓이 용융 염과 같은 액체 상태의 제2(제3) 물질과 접촉하는 경우이다.

이러한 최대 정수 높이는 첫 번째 경우에는, "단순화된" 영-라플라스 식(Young-Laplace equation)으로 간주될 수 있는 영-라플라스 식을 이용하여 계산될 수 있는데, 이때에는 바스켓을 상승 및 이동시키는 단계 동안, 노내에 존재하는 기체 분위기와 용융 알루미늄과 같은 바스켓에 함유된 액체 "1" 사이의 계면 보다는 액체의 표면에서의 표면 장력이 이용된다. 이러한 분위기는 예를 들어 아르곤의 일차 진공으로 구성된다(도 4).

상기 단순화된 영-라플라스 식은 하기 수학식 1로 주어진다(참조문헌[12]):

상기 수학식 1에서,

ρ는 제1 액체의 밀도(Kg.m^-3)이고,

g은 9.81 m.s^-2이고,

h는 액체의 높이(m)이고,

γ는 액체의 표면 장력(N.m^-1 (또는 J.m^-2)이고,

r은 모세관의 반경, 또는 두 개의 평행한 판 사이의 거리이고,

θ는 고체 벽(구멍의 형상에 따라 평행한 판들 또는 모세관)과 액체 계면의 접촉각이다.

수학식 1은 용융 염과 같은 액체 상태의 제2 물질의 배압이 없이 예를 들어 용융 알루미늄의 액체 상태의 제1 물을 서로 다른 높이로 함유할 수 있는 투각 바스켓들의 구멍들의 치수를 측정하는 것을 가능하게 한다.

알루미늄에 대한 여러 가지 구멍 형상에 대한 평형 높이 "h"의 계산의 예들이 하기 표 2에서 주어진다. 이때,

ρAl: 2,700　Kg.m^-3,

g: 9.81 m.s^-2,

h: 평형 상태의 액체의 최대 높이(계산됨),

γ: 0.87 of N.m^-1 (or J.m^-2) (참조문헌[12]),

r: 구멍의 반경, 또는 평행한 판들 사이의 거리,

θ: 160°(질화 붕소의 경우 1,100　K 의 온도에서 Al/질화 붕소 접촉각(참조문헌[14], J. Mater Sci 2007)):

	원형 형상		원도우 형상
용융 금속	Al	Al	Al	Al
도가니	1	2	3	4
r	0.2 cm	0.1 cm	0.05 cm	0.1 cm
계산 값	3.1 cm	6.2 cm	12.3 cm	6.2 cm

표 1에서 나타낸 높이 값은 수학식 1을 이용하여 계산했다.

이러한 경우에 있어서, 3 내지 12 cm의 액체(용융 Al)의 칼럼의 이용한 조작을 상상하는 것을 가능하게 하는 "h"의 절대 값 만이 중요하다.

알루미늄은 질화붕소를 적시지 않기 때문에 분석 값은 실제로 음의 "h" 값을 나타낸다.

알루미늄/질화 붕소계의 경우, 이러한 결과는 안내값인 것으로 간주되어야 한다. 실제로, 조작 온도가 1,100　K를 초과하는 경우 알루미늄과 세라믹 BN 사이의 접촉 각은 더욱 작을 수 있다(참조문헌[14], J. Mater Sci 2007).

이러한 조건 하에서, BN은 Al과 반응하여, 비적심성(non-wettability)을 저하시키지 않는 AlB₂ 및 AlN을 형성한다. 따라서, < 1,100　K의 온도 범위에서 조작하는 것이 적당하다.

두 번째 경우가 고려되는 경우, 용융 알루미늄과 같은 제1 액체를 함유하는 바스켓이 용융 염의 욕과 같은 액체 상태의 제2 (또는 제3) 물질과 접촉 시, 금속/염/고체 계면 장력의 특성은 금속/기체/고체 표면 장력을 대체한다.

또한, 계산에 고려되어야 하는 접촉각 θ'의 새로운 값은 도 5에서 도시한 바와 같이 이러한 새로운 삼중점과 관련이 있다.

끝으로, 삼중점에서의 정수압(hydrostatic pressures)의 평가는 하기 수학식 2에 따라 이루어져야 한다.

상기 수학식 2에서,

ρ: 밀도(Kg.m^-3)(ρ₁ = 예를 들어 Al의 경우 2,700, ρ₂ = 예를 들어 용융 염의 경우 2,700),

g: 9.81 m.s^-2,

h: 액체의 높이(m) (h₁ = 예를 들어 Al, h₂ = 예를 들어 용융 염),

γ₁₂: 계면 장력, 예를 들어 염/금속/고체 지지체, N.m^-1 (or J.m^-2),

e: 모세관의 반경, 또는 두 개의 평행한 판들 사이의 거리(m),

θ': 고체 벽(평행한 판 또는 모세관)과 액체 계면의 접촉각.

알루미늄/용융 불소화물 계를 사용하는 경우, ρ₁ # ρ₂ # ρ를 취하고 h₂ = h₁+

h를 가정하면, 수학식 2는 하기 수학식 3이 된다:

상기에 나타낸 경우, 각각의 구멍 형상에 대하여 투각 바스켓에 함유된 알루미늄의 제한 정수 높이를 계산하는 것이 가능하다. 몇몇의 예가 하기 표 2에서 주어지는데, 이때는 0.72 N.m^-1의 γ₁₂ 값(1,000 K에서) 및 알루미늄/(LiF/AlF₃)/고체 알루미나 삼중점에서 180°의 접촉각"θ"(참조문헌[13])이 가정된다.

제한 정수 높이에 대한 구멍 형상의 영향

구멍의 반경/또는 판들 사이의 간격	0.05cm	0.10cm
Δh 평형 (수학식 3)	6.95cm	3.47cm

소정의 물질에 대한 사용에 대하여는, 정수 높이, 즉 처리될 물질의 양과, 투각 바스켓의 교환 표면, 즉 전달 효율 사이의 최상의 절충이 이루어져야 한다.

마찬가지로, 추출이 진행됨에 따라, 접촉시키는 것이 추출로 구성되는 경우, 바스켓에 함유된 액체의 밀도의 변경(물질 전달로 인해)이 관찰된다. 이러한 현상은 투각 바스켓의 구멍들의 치수를 정할 때 고려되어야 한다.

본 발명에 따른 장치 및 방법을 모델화하기 위해 사용된 도 1a 및 도 1b의 개략도에서, 지지 부재 및 부분, 즉 알루미늄과 같은 제1 물질을 함유하는 바스켓(들)을 유지하고 상승시키기 위한 시스템은 전자기적 특성에 영향을 미치지 않기 때문에 도시하지 않았다.

실제로, 구멍이 있는 투각 바스켓(들)은, 이것을 제2 물질 또는 제3 물질과 접촉시킨 다음 액체 상태의 제2 물질 또는 제3 물질에서 꺼낼 수 있도록 하는 지지 부재 또는 부분에 일반적으로 부착된다. 지지 부재는 자기장 라인에 영향을 미치지 않는다.

따라서, 도 6에서는 제2 물질(4), 즉 염(들)을 함유하는 도가니(3)가 기부(15) 및 측벽(16)을 갖는 원형 단면의 직선 원통 형상을 갖는 본 발명에 다른 장치의 실시예가 도시되어 있고, 이러한 도가니는 커버(17)를 갖는다.

알루미늄과 같은 제1 물질(7)을 함유하는 투각 바스켓 또는 도가니(6)는 상기 도가니의 내측에 위치한다.

이러한 바스켓(6)은 위에서 기재한 바람직한 형상, 즉, 라운드(10)가 형성되도록 그의 하부가 기계가공되는 하부벽 또는 기부(9)를 갖는 대략 원형 단면을 갖는 대략 원통형을 갖는다. 도 6에서 바스켓은 커버(18)를 갖는다.

또한, 도 6에서 도시한 장치는 지지 부재 또는 부분, 즉 투각 바스켓을 유지 또는 상승시키기 위한 시스템을 포함한다.

이러한 시스템은 그의 일단(20)이 바스켓의 측벽에 부착된 수평 부분(21)과 일체적이고, 그의 타단이 바스켓(6)을 하강 또는 상승시킬 수 있는 작동 장치(미도시)에 연결되어 있는 수직 봉(19)을 포함한다.

인덕터(미도시)는 도가니(3)의 외측에 위치하고, 인덕터의 대략 원형의 턴(turn)들은 일반적으로, 도 7의 장치에서와 같이 도가니(3)의 측벽을 둘러싼다.

즉, 인덕터의 턴, 도가니(3)의 측벽 및 바스켓(6)의 측벽은 중심이 같다.

도 7에서는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예가 도시되어 있는데, 여기서는 예를 들어 알루미늄(7)을 함유하는 투각 바스켓(6)은 가열의 위험이 없는 자기장 영역에 위치하는 금속 봉 또는 핀을 통해 봉(24)에 부착된 환형 용기(23)의 형상을 갖는다.

따라서, 액체 상태의 제2 물질(4)은 환형 바스켓의 외벽(25) 및 내벽(26)에서 제1 물질(7)과 접촉한다.

따라서, 도 7에서 도시한 본 발명에 따른 장치의 실시예는 교환 면적이 더 큰 이점이 있다.

도 7에서는 인덕터(1)가 도시되어 있는데, 이는 도가니(3)의 외측에 위치하고, 도가니를 둘러싸고 발생기(미도시)에 연결된 케이블(29)을 통해 전력을 공급받는 원형 턴(2)의 형태를 취한다.

도 7의 장치의 투각 환형 바스켓 또는 용기(22)는 도 8, 도 9 및 도 10에서 더욱 구체적으로 도시되어 있다.

투각 바스켓 또는 용기(23)는 매스 가공돤(mass-machined) 질화 붕소의 단일 블록으로 구성될 수 있고, 이는 외벽변(25)에서 50개의 접촉 윈도우(27) 및 내벽면(26)에서 19개의 투각 원도우(28)를 갖는다.

이러한 모노리드식(monolithic) 장치는 고온 자기장을 받는 부분들을 조립할 필요성을 제거한다.

본 발명에 따른 장치의 이러한 실시예는 본 출원의 도 1 내지 도 3에서 기재한 출원, 참조문헌[10] WO-A1-2008/080853의 장치의 실시예와 실질적으로 유사하지만, 본 발명에 따른 장치는 인덕터(미도시)를 구비하고 도가니 및 바스켓의 재료가 인덕터에 의해 발생된 자기장을 투과하도록 선택된다는 점에서 근본적인 차이가 있다. 도 11, 도 12 및 도 13에서 도시한 본 발명에 따른 장치의 실시예는 바람직하게는 축대칭형이어야 하는 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예가 아니라는 것을 유념하여야 한다.

그러나, 도 11, 도 12 및 도 13에서 도시한 바스켓들 중 하나 이상은 실시예에 상관없이 본 발명에 따른 장치의 일부를 형성하고 이의 제2 용기(들)을 구성하도록 별개로 구성될 수 있다.

도 11의 실시예에서 본 발명에 따른 장치는 우선, 염 또는 몇몇의 염들의 혼합물로 구성되는 제2 물질(4)을 수용하기 위한 용기 또는 도가니(3)를 포함한다. 액체인 경우, 제2 물질은 높이(5)까지 상승한다.

일반적으로, 도가니(3)는 측벽 및 기부 또는 바닥부를 갖는 원형 단면의 직선 원통체의 형태를 취한다. 도 8의 장치는, 도가니(3)의 측벽을 둘러싸는 원형 단면을 갖고 상기 측벽과 중심이 같은 인덕터를 포함한다.

또한, 도 11의 실시예에서 도시한 본 발명에 따른 장치는 전술한 바와 같은 몇 개의 투각 또는 천공된 바스켓(6)을 포함하는데, 이러한 바스켓은, 고체 상태이고, 나중에 도가니(3)에 함유된 액체 상태의 제2 물질(4)과 접촉하게 되는 액체 상태가 되는 "제1" 물질을 함유한다.

이러한 투각 또는 천공된 바스켓(6)은 캐러셀 또는 배럴로 명명될 수 있는 지지 부재(30)에 부착된다.

도 12 및 도 13에서, 캐러셀 또는 배럴(30)은 6개의 투각 또는 천공된 바스켓(6)을 지지하지만, 많거나 적은 상이한 수의 바스켓이 사용될 수 있음은 물론이다.

이러한 캐러셀은 예를 들어 1 내지 6개의 바스켓을 지지할 수 있고, 다른 바스켓(들)은 액체 및 교환 표면의 적당히 조절된 높이를 유지하기 위하여 고체 물질(질화 붕소, 알루미나 등)로 구성된 동일 수의 바스켓으로 교체되어야 한다.

또한, 바스켓 지지 캐러셀 또는 배럴(30)은 도 11에서 도가니 내측에서 용융 염과 같은 제2 액체에 침지된 것으로 도시되어 있는 중심부(31)를 포함한다. 일반적으로 원통 형상인 이러한 중심부(31)는 용기 또는 바스켓(6)의 기부를 지나 돌출한다.

도시된 배럴 또는 캐러셀 시스템은 간단한 키(key)에 의해 각각 지지되는 투각 바스켓의 형태 및 특성을 신속하게 변화시키는 것을 가능하게 한다.

캐러셀(30)의 중심부(31)는 움푹한 부분(32)을 가질 수 있고 어쩌면 열전대 및/또는 열적 브릿지를 구비할 수 있다.

따라서, 이러한 목적을 위해 캐러셀 또는 배럴(30)의 중앙의 움푹한 부분(32)에 금속 봉(33)이 설치될 수 있다.

따라서, 투각 바스켓의 지지체 또는 배럴 또는 캐러셀(30)의 중심 부분은 용융 염과 같은 "제2" 액체를 몇도 정도 국소적으로 냉각하기 위하여 그 액체에 침지된다.

침지된 중심 부분(31)의 또 다른 이점은 용융 염과 같은 제2 액체를 함유하는 도가니의 무효 용적을 감소시킨다는 것이다. 이러한 디자인은 도가니 체적에 대한 투각 바스켓 체적의 비가 1에 근접할 수 있도록 한다.

또한, 중심 부분(31)은 안전한 정지부(safety stop)가 제작될 수 있도록 하고, 시스템 내의 온도가 조작 온도, 특히 각각의 액체의 금속 및 염 상이 녹는 온도에 상승시 시스템 내의 캐러셀의 높이가 조절될 수 있도록 한다.

침지된 중심 부분(31)의 형상을 변경함으로써, 접촉 상태의 상들의 체적 또는 질량 비가 변화될 수 있고 공정의 조작 조건이 최적화될 수 있다.

예를 들어, 배럴 또는 캐러셀의 침지된 부분(31)은 별 모양 또는 다각형 형상을 가질 수 있다.

배럴 또는 캐러셀 및 투각 바스켓으로 구성되는 조립체는 핀을 이용하여 봉(31)에서 유지된다.

캐러셀의 하부 부분은 (비금속성) 봉(33) 및 (34)의 환형 공간을 침투함으로써 정지 상태로 유지된다.

"상승시키는 봉"으로 간주될 수 있고, 본 발명에 따른 장치가 위치하는 피트 노(pit furnace)와 같은 노에 설치되는 그 봉은 이에 부착되는 캐러셀 및 바스켓이 상승 및 이동될 수 있도록 하여, 나중에 용융되는 상이한 염들 또는 고체 염들의 혼합물과 같은 매체와 접촉될 수 있도록 한다.

배럴 및 바스켓으로 구성되는 어셈블리의 유지 봉(33)(34)은 도가니에 함유된 액상 매체의 동적 니딩을 가능하게 하는, 원격(장치와 독립적인) 회전 시스템에 연결될 수 있다. 이러한 니딩을 사용하면 장치의 효율이 더욱 증가한다.

용융 염과 같은 제2 액체가 위치하는 도가니의 상부 부분은 절연 커버(17)로 밀폐될 수 있다. 이러한 커버는 도면 부호(33) 및 (34)로서 단면으로 도시한 이중 외피 봉에 의해 교차된다. 커버의 교차부에 있는 봉(34)의 외측 슬리브에는 고정용 구멍(35)이 제공되어 고온 접촉 장치의 캐러셀 조립체가 핀을 이용하여 특정 높이에서 위치할 수 있도록 한다.

예를 들어 도 1a, 1b, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 및 13에서 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 장치는 소량의 물질(예를 들어 100 내지 1000 g의 용웅 염 및 용융 금속)을 갖는 강화 용기에서 사용하기에 특히 적당한 불연속 방식으로 조작된다. 그러나, 연속적인 조작을 가능하게 하는 개조가 이루어지는 경우 더욱 많은 양을 사용하는 것이 가능하다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 방법 및 장치, 예를 들어, 도 1a, 1b, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 및 13에서 도시한 바와 같은 장치는 두 액체 사이의 전달을 위한 임의의 물질 전달 조작을 수행하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 조작은 특히 액/액 추출 조작, 더욱 구체적으로는 고압 액/액 추출 조작일 수 있다. 따라서, 이러한 용어는 "건식 야금"일 수 있고, 본 발명에 따른 장치는 "고온 접촉 장치"(pyrocontactor)로 명명된다.

이러한 건식 야금 방법 및 고온 접촉 장치는 특히 사용된 핵 연료의 분야에서 사용된다.

따라서, 상기 고온 접촉 장치는 LiF/AlF₃와 같은 용융 불소화물의 용액에 함유된 악티늄족 원소의 추출을 가능하게 한다.

용융 염, 예를 들어 LiF/AlF₃, 및 용융 알루미늄과 같은 용융 염을 함유하는 투각 바스켓을 서로 접촉시킴으로써, 불소화물 형태의 악티늄족 원소가 이의 금속 형태로 화학적으로 환원될 수 있고 알루미늄 상으로 회수될 수 있다.

두 상들 사이의 접촉 시간은 일반적으로 예를 들어 1 분 내지 1 시간, 바람직하게는 2 분 내지 45분이다.

상기 고온 접촉 장치는 염 및 금속 상이 혼합되는 것을 방지한다. 두 상들이 열역학적 평형에 도달하는 때, 물질 1(용융 금속)을 함유하는 접촉장치를 상승시킨 다음 이를 제2 염 매체(제2 액체)에 위치시켜서, 악티늄족 원소, 예를 들어 LiCl/AlCl₃ 매체를 역추출하는 단계를 수행하는 것이 가능하게 된다.

이러한 제2 접촉 후, 고온 접촉 장치는 재가공하고자 하는 새로운 연료를 함유하는 최초 염의 욕에 다시 위치할 수 있다.

투각 바스켓에 위치한 알루미늄과 같은 액체는 역추출 단계 후 재순환될 수 있다. 따라서, 상기 바스켓 시스템은 추출제 화합물이 공정 동안에 전혀 소모되지 않기 때문에 "화학적" 펌프로 작용한다. 이러한 "화학적" 펌프는, 서로 접촉하는 상들을 분리하기 위해 침전 또는 원심분리 장치가 설치되는 경우와 같이, 중력 또는 가속장(acceleration field)을 이용하지 않고 용액 상태의 한 종 이상의 화합물(들)이 추출 및 회수될 수 있도록 한다. 이러한 특징은 추출의 실시를 용이하게 하고 고온 공정에 실제로 중요하다.

이하, 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위하여 도 1a 또는 1b의 장치의 조작 원리를 성명하기로 한다. 비교가능한 설명이 도 6, 7 및 8 내지 13의 장치에 대하여 이루어진다.

우선, 고체 상태의 제1 물질(7)이 적어도 하나의 제1 용기(6), 즉 전술한 바와 같은 적어도 하나의 투각 바스켓에 넣어진다.

그 제1 물질은 알루미늄과 같은 금속 또는 몇몇 금속들의 혼합물일 수 있다. 상기 고체 상태의 제 1 물질은 단일 모노리드 블록의 형태 또는 몇몇 블록 또는 조각들의 형태 또는 분말과 같은 입자의 형태를 취할 수 있다.

상기 제1 용기(6)는 적어도 하나의 제2 용기(3), 즉 전술한 바와 같은 도가니에 위치한 고체 상태의 제2 물질(4)과 접촉한다.

그 제2 물질은 염 또는 염(들)의 혼합물일 수 있다.

제1 물질의 경우와 같이, 고체 상태의 제2 물질(4)은 단일 모노리드 블록의 형태 또는 몇몇 블록 또는 조각들의 형태 또는 분말과 같은 입자의 형태를 취할 수 있다.

제1 용기(6)를 제2 물질(4)과 접촉시키는 것은 일반적으로 고체 상태의 제2 물질(4) 위에 제1 용기(6)를 위치시키는 것으로 간단히 구성된다.

인덕터(2)에 동력을 공급하는 발생기의 스위치가 켜지고, 인덕터에서 흐르는 교류 전류가 자기장을 발생한다.

자기장 라인(36)의 형상이 도 14에서 도시되어 있다.

인덕터에 의해 발생된 전자기파를 투과시키는 물질을 도가니(3) 및 투각 바스켓(들)에 대하여 사용하면 자기장 라인이 투각 바스켓(들)에 함유된 알루미늄과 같은 금속까지 침투한다.

그 자기장은, 투각 마스크(들)에 함유된 금속 또는 합금이므로 시스템의 서스셉터로서 작용하는 더욱 도전성의 물질에서 유도 전류를 일으킨다.

주울(Joule) 효과에 의한 에너지의 소산으로 인해 금속 또는 합금이 녹는다.

알루미늄 또는 용융 합금과 같은 용융 금속은 라플라스 힘의 작용하에서 녹기 시작한다.

알루미늄과 같은 용융 금속 또는 용융 합금으로부터 대류 및 방사에 의해 공급되는 열에 의해 발생된 온도 상승으로 인해 염(들)이 녹기 시작한다.

염 매체가 녹기 시작하고 그 매체에서 이온 전도성이 나타나면, 염 또는 염들의 혼합물에서 유도 전류가 발생될 수 있다.

이러한 용융으로 인해, 투각 바스켓(들)은 중력하에서만 또는 전술한 바와 같은 시스템을 이용하여 자동으로 또는 수동으로 염 매체내로 하강한다. 라플라스 힘의 작용하에서 염 매체가 녹음에 따라 염 매체(4)의 전자기적 니딩이 일어난다.

위에서 확인된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치 및 고온 접촉 장치는 전자기적 특성들의 놀라운 이중 사용에 특징이 있고, 이러한 특성들의 에너지 보존 법칙을 통해 열적 효과(가열)가 유체 역학적 양상(니딩)과 결합될 수 있다.

인덕터(2)로부터의 교류에 의한 자기장의 발생은 하기 수학식 4로 나타낸 패러데이(Faraday)의 법칙에 의해 설명된다:

상기 수학식 4에서, "H"는 자기장을 나타내고 J_source는 전류 밀도를 나타낸다.

이러한 교류 전류에 의해 발생된 자기장이 알루미늄과 같은 금속 또는 용융 염과 같은 도전성 매체의 존재와 접촉하면, 하기 수학식 5에 나타낸 유도 법칙에 따라 상기 도전성 매체에서 유도 전류를 발생시킨다:

상기 수학식 5에서, B는 자기 유도를 나타내고, E_induced는 유도된 전기장을 나타낸다.

또한, 가열하고자 하는 도전성 매체에 적용되는 오움(Ohm) 법칙은 하기 수학식 6으로 표시된다:

상기 수학식 6에서, J_induced은 유도 전류 밀도를 나타내고, σ는 도전율을 나타낸다.

알루미늄과 같은 매체 및 용융 염 매체에서 유도된 전류는 주울 효과에 의한 손실로 인해 열원을 발생한다.

본 발명에 따라 수행되는 가열 방식은 이러한 열원을 이용한다.

알루미늄 또는 용융 염에서 인덕터에 의해 발생된 자기장의 존재 및 유도 전류의 존재하에서, 하기 수학식 7로 나타낸 라플라스 힘 F_l이 발생한다:

상기 수학식 7에서,

H: 자기장(A.m^-1),

J_source:소스 전류 밀도(A.m^-2),

E_induced: 유도된 전기장(V.m^-1),

B: 자기 유도(T),

t: 시간(초);

J_induced: 유도 전류 밀도(A.m^-2),

σ: 도전율(S.m^-1),

F_ℓ: 라프라스 힘(N),

I_induced: 유도 전류(A),

ℓ: 전류 I_induced의 순환 루프를 따른 길이의 단위(m).

가열하고자 하는 물질들은 액체이므로, 이들은 이동하기 시작하는데, 이러한 현상은 전자기적 니딩(electromagnetic kneading)이라고 명명한다.

조작 조건은 용융 알루미늄과 같은 금속인 액체 상태의 제1 물질의 경우 및/또는 LiF와 같은 염인 액체 상태의 제2 물질의 경우 최적 표피 두께가 처리될 수 있도록 정해질 수 있다.

이러한 표피 두께는 유도 전류의 유도 전류의 2/3를 수용하는 물질 두께를 나타낸다. 예를 들어, 100 kHz에서, 알루미늄의 표피 두께는 겨우 0.87 mm인 반면에, 아주 낮은 도전성인 용융 염 LiF의 경우에는 53 mm에 달한다.

상기 유도 시스템에서, 전류는 유도 전류의 진폭을 직접 조절한다. 따라서, 소스 전류의 세기는 용융 알루미늄과 같은 금속 매체 및 염 매체에서 니딩 속도 및 온도 장(field)을 조절한다. 6개의 턴을 갖는 시스템이 사용되는 경우, 두 매체의 온도는 소스 전류를 530 A 에서 760 A(100 kHz 주파수의 경우)으로 증가시킴으로써 300 K 만큼 증가될 수 있다.

덜 도전성이어서 니딩하기가 더욱 어려운 용융 염 매체의 경우, 계산 및 측정된 니딩 속도는 50 kHz에서 130 ampere-turn 및 0.7 mm/s이고 150 kHz에서 2 cm/s이다, 따라서, 150 kHz에서 속도 장(velocity field)은 참조문헌[10]에서 상세히 기재한 바와 같이 50 ℃의 온도 구배에서 간단한 자유 대류에 의해 얻은 장보다 10배 더 높다.

알루미늄과 같은 금속의 경우, 예상된 니딩 속도는 130 ampere-turn 및 50 kHz에서 7 cm/s 이고 150 kHz에서 6 cm/s 이다.

6개의 턴이 있는 경우, 전체 세기는 780 A 이다.

저항 가열의 경우, 대류에 의한 니딩 속도는, 열전도율이 높은 금속인 알루미늄에는 온도 구배가 없기 때문에 0에 근접하게 된다.

염 매체가 악티늄족 원소를 함유하는 경우, 용융 염 매체로부터 용융 금속으로의 악티늄족 원소의 전달은 두 매체가 액체이므로 투각 벽을 통해 시작된다.

화학적 평형이 도달되면, 투각 용기(들)가 액체 상태의 제2 물질로부터 제거, 예를 들어 상승하고, 유도 시스템이 정지된다.

다음에, 동일한 단계 순서가 반복되어, 예를 들어, 금속 또는 고체 금속 합금을 함유하는 투각 바스켓(들)을 특정 염 매체와 접촉시킴으로써 악티늄족 원소의 역추출을 달성할 수 있다.

이하, 예시적이고 비제한적인 하기의 실시예를 참조로 본 발명을 설명하기로 한다.

실시예

실시예 1

본 실시예에서는, 알루미늄을 함유하는 투각 바스켓 및 LiF를 함유하는 도가니를 포함하는 이중 질화붕소 도가니를 구비한 장치에 결합된 유도 시스템을 포함하는 도 1b의 모델을 통해 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 장치의 축대칭형 모델화를 실시한다.

그 모델화는 Flux Expert^® 및 Fluent/Ansys^®을 이용한 계산을 통해 실시했다.

이러한 모델화를 통해, 가열과 자기 유체역학적 니딩(magnetohydrodynamic kneading) 사이의 만족스러운 절충을 가능하게 하는 조작 조건들이 정해질 수 있다.

이러한 비대칭형 모델화 조작 동안에 얻어진 결과는 자기장 라인 (Wb, 도 15), 온도 구배(°K) 및 속도장(m.s^-1)에 관한 것이다.

도가니의 디자인에 질화 붕소 물질(도전율과 같은 이의 특성이 모델화에 포함됨)을 사용하면, 자기장 라인을 그 시스템의 내부까지 침투시킬 수 있다(도 15). 도전성이 높은 알루미늄에 결합시키면, 그 자기장에 반대되는 2차 자기장이 발생된다. 이러한 현상은 내측 도가니의 가장자리에서 발발하는 것으로 보이는 자기장 라인의 특정 형상을 설명한다.

온도 구배를 통해, 매체가 약 1,300 K의 온도에서 가열되고 녹는다. 이러한 결과는 약 10분의 가열 후에 얻어진다.

그러나, 실제적인 관점에서, 알루미늄에 대한 질화붕소 물질의 안정성을 유지하기 위하여 더욱 낮은 온도(약 1,100 K)에서 조작하는 것이 바람직하다(참조문헌[14] J. Mater. Sci. (2007)), (참조문헌[15] J. Mater. Sci (1991)).

끝으로, 그 유체들의 기계적인 모델화는 알루미늄에서 수십 cm/s의 속도장 및 용융 염 상의 도가니에서 1 cm/s 정도의 속도장이 존재하는 것을 나타낸다.

실시예 2

본 실시예에서는, 용융 염의 전자기적 니딩의 존재와 관련된 염 및 금속의 용융이 실제로 얻어질 수 있는 지를 확인하기 위하여, 실시예 1 및 도 15에서 실시한 모델화 테스트의 결과를 비활성 방식으로 실험적으로 확인하기 위한 테스트를 수행했다.

실제로, "이온 전도성" 매체의 낮은 전도율 값은 강제 대류 이동의 개시를 방해할 수 있으므로, 그 계산의 확실성이 실제 경우를 이용하여 검사되어야 한다.

염을 함유하는 도가니는 실시예 1에서 사용한 모델화된 시스템(도 1a 및 도 1b)과 동일한 치수(직경, 높이)를 갖는다.

염의 니딩의 관찰을 용이하게 하기 위하여, 실험 장치는 Al 서스셉터를 대체하는 직경이 수 mm인 흑연 봉을 구비하도록 변경시킨다. 이러한 서스셉터는 염의 용융이 개시되도록 할 수 있다.

외부 용기 또는 도가니는 "HP" (고압) 질화붕소 또는 "HIP" (Hot Isostatic Pressed) 질화붕소로 구성될 수 있다.

용융 물질이 도가니가 파괴되는 경우에도 확실히 함유되도록 하기 위하여 실험은 시멘트에 삽입된 6개의 수냉식 턴으로 구성되는 유도 시스템을 이용하여 수행했다.

사용된 발생기는 100 kW 공칭 전력 및 800 V 유효 공칭 전압을 갖는 비주기적 3극 진공관(aperiodic triode)이다. 그 발생기는 임피던스 적응 시스템에 연결된다. 다음에, 이러한 조립체는 구리 셀레노이드 인덕터에 연결된다. 이러한 인덕터는 120 mm의 직경 및 100 mm의 높이를 가지며, 10 mm 내경 및 8 mm 내경을 갖는 6개의 턴으로 구성되고, 이에는 냉각수가 통과한다.

두 개의 테스트를 통해 조작 원리를 확인했다. 첫 번째 테스트는 알루미늄 및 LiF 염을 이용하여 수행했다.

두 매체(금속 및 염)가 녹았는지를 하기의 시나리오에 근거하여 두 단계로 수행했다: 유도의 개시, Al 상에서 결합, Al의 용융, Al 도가니의 열의 전도 및 방사에 의한 LiF의 부분적 용융, 부분적으로 용융된 LiF에서 유도의 결합, LiF의 직접 용융, 전체 어셈블리를 용융 상태에서 유지.

실험 조건은 127 g의 Al을 700 g의 LiF와 접촉시켰다. 디자인과 관련된 이유 때문에, 테스트에서 사용된 유도 주파수는 10 kHz 였다. 참고로, 이러한 주파수는 LiF 염에서의 결합에 가장 적당한 것은 아닌데, 이는 표피 두께가 도가니의 반경(60 mm) 보다 큰 15 cm 이기 때문이다. 그러나, 이러한 조건하에서, 염 및 Al은 2 시간 3분 이내에 완전히 녹았고 염 및 알루미늄은 유도를 통해 용융 상태로 유지된 것이 실험에서 관찰될 수 있었다. Al 도가니를 염 도가니에 넣으면 전자기적 니딩의 측정이 방해를 받는다.

또 다른 테스트는 염의 니딩 속도를 측정하기 위한 것이므로 100 kHz의 주파수에서 수행되었다. 그 실험은 Al 바스켓을 흑연 서스셉터로 교체하여 염을 용융을 개시하는 것으로 구성되었다. 이러한 조건하에서, 700 g의 LiF의 블록을 17 분 동안 다시 용융시켰다. 용융되면, 흑연 서스셉터를 다시 상승시키고, 유도 가열 스위치를 신중하게 꺼서 염의 상부 상을 응고시켰다. 4 분 후, 유도 시스템의 스위치를 다시 켜고, 염의 전도성을 통해 그 응고 부분을 매우 급속하게 다시 용융시켰다. 다음에, 그 액체 매체에 흑연 입자를 첨가하였는데, 그 흑연 입자의 비중은 2.26으로서 LiF의 비중(1.8)과 유사하다.

이러한 입자를 16/100 초의 간격으로 사진을 찍는 사진촬영기를 이용하여 모니터링한다.

따라서, 도 16은 유도 시스템의 직접 결합을 통해 용융 염의 니딩 속도를 측정하면서 촬영한 사진이고, 도 17은 도 16에서 관찰한 입자의 이동을 보여주는 그래프이다.

도 16 및 도 17에서 각각의 화살표는 관찰된 입자의 이동의 대표적인 분절을 보여주는 점들의 세트를 나타낸다.

용융 염의 표면에서 입자들의 이동(도 16 및 도 17에서 화살표)을 모니터링함으로써, 이동의 평균 속도(몇 cm/s)를 측정할 수 있었다.

따라서, 이러한 실험을 통해, 실시예 1의 모델화 연구 동안에 얻은 속도장 값을 확인한다.

도 16 및 도 17은 본 발명에 따른 유도 시스템이 상이한 액체 매체의 동적 니딩과 조합되는 급속 가열을 가능하게 한다는 것을 입증한다.

냉각 시, 도가니는 이의 표면 특성을 여전히 유지하였는데, 특히 염의 블록이 만족스럽게 이형되었다. 이러한 관찰은 3회의 용융 후 전체 4 시간 동안 수행했다.

Claims (34)

1. 액체 상태의 금속 또는 몇 가지 금속들의 합금으로 구성되는 제1 물질(7)과, 액체 상태의 염 또는 몇 가지 염들의 혼합물로 구성되는 제2 물질(4)을 혼합하지 않고 서로 접촉시키기 위한 방법으로서,
   상기 액체 상태의 제1 물질(7)과 제2 물질(4)은 서로 비혼화성이고, 상기 제1 물질(7)은 고체 상태 및 액체 상태에서 전기 전도성이 있고, 상기 제2 물질(4)은 액체 상태 및 어쩌면 고체 상태에서 전기 전도성이 있고,
   상기 방법은 다음과 같은 연속적인 단계들:
   a) 전기 전도성이 아니고, 적어도 하나의 인덕터(1)에 의해 발생된 자기장을 투과하고, 제1 물질(7) 및 제2 물질(4)과 반응성이 없는 내화성 고체 물질로 구성되는 벽으로서, 하나 이상의 관통 구멍(들)(13, 14)을 갖는 벽을 포함하는 적어도 하나의 제1 용기(6)내에, 액체 상태에서 상기 벽의 고체 물질을 적시지 않는 고체 상태의 제1 물질(7)이 위치하는 단계;
   b) 적어도 하나의 인덕터(1)에 의해 발생된 자기장을 투과하고, 전기전도성이 없고, 제2 물질(4)과 반응성이 없는 내화성 고체 물질로 구성되는 적어도 하나의 용기(3)에 위치한 고체 상태의 제2 물질(4)과 상기 제1 용기(6)가 접촉하는 단계;
   c) 제1 용기(6) 및 제2 용기(3)가, 고체 상태의 제1 물질(7)에서 유도 전류를 발생시키고 제1 물질을 용융시키는 적어도 하나의 인덕터(1)에 의해 발생된 전자기장의 작용을 받는 단계;
   d) 액체 상태의 제1 물질(7)이 라플라스 힘의 작용하에서 이동하기 시작하는 단계;
   e) 고체 상태의 제2 물질(4)이 전도 및 방사에 의해 제1 용기(6)로부터 나오는 열류의 영향하에서 용융하기 시작하는 단계;
   f) 제2 물질(4)에서 이온 전도성이 나타나서, 제2 물질(4)의 용융을 촉진하는 유도 전류를 발생시키는 단계;
   g) 액체 상태의 제2 물질(4)이 라플라스 힘의 작용하에서 이동하기 시작하는 단계;
   h) 액체 상태의 제1 물질(7)이 상기 구멍(13)에서 액체 상태의 제2 물질(4)과 접촉하되, 액체 상태의 제1 물질(7)과 액체 상태의 제2 물질(4) 사이의 물질 교환 전달이 일어나기에 충분한 시간 동안 액체 상태의 제1 물질(7)이 액체 상태의 제2 물질(4)과 접촉상태로 유지되는 단계;
   i) 제1 용기(6)가 액체 상태의 제2 물질(4)로부터 제거되는 단계;
   j) 제1 물질(7)이 고체 상태로 되돌아 갈 때까지 제1 용기(6)가 냉각되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 인덕터(1)를 통과하는 전류가 100 내지 3,000 ampere-turns, 바람직하게는 100 내지 1,000 ampere-turns의 세기 및 20 내지 400 kHz, 예를 들어 200 kHz의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서, 인덕터(1)를 통과하는 전류는 제1 용기(6) 및 제2 용기(3)의 형상 및 제1 물질(7) 및 제2 물질(4)의 전기 전도성 특성에 따라 제1 물질(7) 및 제2 물질(4)에 대한 표피 두께를 조절하도록 선택되는 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 인덕터(1)에 의해 발생된 자기장이 10^-6 내지 10^-3Wb의 자기 유도 다발을 발생하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 인덕터(1)에 의해 발생된 자기장이 슬라이딩 장인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 전류가 흐르는 단일 턴으로 각각 구성되는 몇 개의 독립적인 인덕터들이 있고, 각 인덕터 사이에서 전류의 실제 부분은 90° 또는 π/2 만큼 상 이동하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 상태의 제1 물질(7)의 밀도와 액체 상태의 제2 물질(4)의 밀도가 동일 또는 유사한 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 액체 상태의 제1 물질(7)의 밀도와 액체 상태의 제2 물질(4)의 밀도가 유사하고 10% 초과, 바람직하게는 5% 이하, 아주 더 바람직하게는 1% 이하만큼 차이가 나는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 상태의 제1 물질(7)/액체 상태의 제2 물질(4)/제1 용기(6)의 벽의 고체 물질로 구성되는 삼중점의 계면 장력이 높은 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 액체 상태의 제1 물질(7)/액체 상태의 제2 물질(4)/제1 용기(6)의 벽의 고체 물질로 구성되는 삼중점의 계면 장력이 0.3 N.m^{- 1}초과, 바람직하게는 0.6　N.m^-1 초과인 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 상태의 제1 물질(7)이 0.3 N.m^{- 1}초과, 바람직하게는 0.8　N.m^-1 초과의 계면 장력을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 또는 몇몇 금속들의 합금이 알루미늄 및 이의 합금과 같은 환원성 금속 및 합금 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 염 또는 염들은 알칼리 금속의 염화물, 및 알칼리 토금속의 염화물, 및 알루미늄의 염화물, 예를 들어 LiCl 또는 AlCl₃; 및 알칼리 금속의 불소화물, 알칼리 토금속의 불소화물, 및 알루미늄의 불소화물, 예를 들어 LiF 및 AlF₃중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 j)후, 단계 b) 내지 j)가 반복되어, 제1 용기(6)를, 제2 물질과 상이한 것으로, 염 또는 몇몇 염들의 혼합물로 구성되는 제3 물질과 접촉시키는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 상태의 제1 물질(7)과 제2 물질(4) 사이의 물질 전달은, 액체 상태의 제2 물질(4)의 구성성분들 중 하나가 액체 상태의 제1 물질(7)에 유입되고/되거나 액체 상태의 제1 물질(7)의 구성성분들 중 하나가 액체 상태의 제2 물질(4)에 유입되는 액/액 추출인 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 물질(7)은 알루미늄 또는 알루미늄의 합금이고, 상기 제2 물질(4)은 불소화 알루미늄을 함유하는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속의 염을 포함하고, 한 종 이상의 악티늄족 원소 불소화물(들) 및 한 종 이상의 란타넘족 원소 불소화물(들)이 용해되어 있고, 단계 h) 동안, 상기 악티늄족 원소 불소화물은 용융 알루미늄 또는 알루미늄 합금과의 접촉을 통해 악티늄족 원소로 화학적으로 환원되고, 상기 환원된 악티늄족 원소는 액체 상태의 제1 금속의 용액에 유입되고, 상기 란타넘족 원소 불소화물은 액체 상태의 제2 물질(4)에 잔류하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 단계 j)후, 단계 b) 내지 j) 반복되어, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 및 악티늄족 원소를 함유하는 제1 용기(들)(6)를, 염화알루미늄을 함유하는 알칼리 또는 알칼리 토금속의 한 종 이상의 염화물로 구성되는 제3 물질과 접촉시킴으로써, 악티늄족 원소가 용융 염화물과의 접촉을 통해 악티늄족 원소 염화물로 화학적으로 산화되고, 상기 산화된 악티늄족 원소 염화물은 액체 상태의 제3 물질에 유입되고, 상기 염화 알루미늄 환원되어, 재사용가능한 알루미늄 금속이 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 b) 내지 단계 g)가 10^-2 내지 10^-1 절대 mbar의 일차 진공에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 h)가 아르곤과 같은 불활성 기체의 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치로서,
    고체 또는 액체 상태의 제1 물질(7)을 수용하도록 구성되고, 내화성 고체 물질로 구성되는 벽을 포함하는 하나 이상의 제1 용기(들)(6)로서, 상기 내화성 고체 물질이 전기 전도성이 없고, 제1 물질(7) 및 제2 물질(4)과 반응성이 없고, 적어도 하나의 인덕터(1)에 의해 발생된 자기장을 투과시키는 것이고, 상기 벽이 하나 이상의 관통 구멍(들)(13, 14)을 포함하고, 상기 액체 상태의 제1 물질(7)이 상기 벽의 고체 물질을 적시지 않는 것인, 제1 용기(6)와;
    고체 또는 액체 상태의 제2 물질(4)을 수용하도록 구성되고, 내화성 고체 물질로 이루어진 벽을 포함하는 제2 용기(3)로서, 상기 고체 내화성 물질이 전기 전도성이 없고, 제2 물질(4)과 반응성이 없고, 적어도 하나의 인덕터(1)에 의해 발생된 자기장을 투과시키는 것인, 제2 용기(4)와;
    제1 용기(들)(6)를 제2 물질(4)과 접촉시킨 다음 이를 제2 물질(4)로부터 제거하기 위하여 제1 물질(7)을 함유하는 제1 용기(들)(6)를 지지하기 위한 수단(19, 20, 21, 2, 24)과;
    제 2 용기(3)의 벽의 외측에 위치한 적어도 하나의 인덕터로 구성되는 것으로, 제1 용기(들)(6) 및 제2 용기(3)가 전자기장의 작용을 받도록 하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 제1 용기(들)(6) 및 제2 용기(3)가 알루미나 및 질화붕소 중에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서, 상기 구멍(13, 14)이 정사각형 또는 직사각형과 같은 다각형, 특히 높은 길이/폭 비를 갖는 직사각형 중에서 선택된 단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 용기(들)가 측벽(11) 및 기부 또는 바닥벽(9)을 포함하는 원형 단면의 원통체인 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 용기(들)가 환형 형상(23)을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서, 상기 제1 용기(들)(6)의 바닥부의 형상이 라운드(10)를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제 20 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 용기(3)가 측벽(16) 및 기부 또는 바닥벽(15)을 포함하는 원형 단면의 원통체인 것을 특징으로 하는 장치.
27. 제 20 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 용기(3)가 제1 용기(들)(6)를 둘러싸고, 제2 용기(3)가 제1 용기(들)(6)보다 인덕터(들)에 더욱 근접한 것을 특징으로 하는 장치.
28. 제 20 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인덕터(1)는 유도 코일로 구성되고, 상기 유도 코일의 턴(2)은 제2 용기(3)의 벽, 특히 상기 제2 용기가 원통형인 경우 그의 측벽에 근접하여 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 제 20 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 수직 중심축에 대하여 대칭인, 하나의 제1 용기(6), 하나의 제2 용기(3) 및 적어도 하나의 인덕터(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제 29 항에 있어서, 제1 원통형 또는 환형 용기(1) 및 제2 원통형 용기(3)를 포함하고, 상기 제1 용기(6) 및 제2 용기(3)는 중심이 같으면서, 제2 용기(3)가 제1 용기(6)를 둘러싸고, 이들의 주축들이 서로 일치하는 것을 특징으로 하는 장치.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 인덕터(1)는 제2 용기(3)의 측벽을 둘러싸고 상기 측벽과 중심이 같은 하나 이상의 원형 턴(들)으로 구성되고, 상기 턴(들)(2)의 주축은 제1 원통형 용기(6) 및 제2 원통형 용기(3)의 주축과 일치하는 것을 특징으로 하는 장치.
32. 제 20 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 용기(들)(6)를 지지하고, 이들 용기를 제2 액체(4)에 침지시키고, 이들 용기를 제2 액체(4)로부터 제거하기 위한 수단은 그 하단에 제1 용기(들)를 지지하는 부재(30)가 부착되어 있는 수직 봉(24, 33, 34)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
33. 제 32 항에 있어서, 상기 제1 용기(들)를 지지하는 부재는 상기 수직 봉(33, 34)을 연장시키는 중심 축을 포함하는 캐러셀 또는 원형 배럴(30)의 형상을 갖고, 몇개의 제1 용기(6)가 상기 캐러셀 또는 배럴(30)의 중심축과 중심이 같은 원에 위치하여 있는 것을 특징으로 하는 장치.
34. 제 20 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 인덕터(1)가 냉각되는 것을 특징으로 하는 장치.

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