KR20160060589A - 파이로 공정의 용융염 조성 측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사용후 핵연료 파이로 공정의 용융염 조성 측정방법에 관한 것으로, 상세하게, a) 용융염이 담긴 전해조에 사용후 핵연료를 투입하는 단계; b) 탐침봉을 상기 용융염에 장입시켜, 탐침봉 표면에 용융염을 응고시키는 단계; 및 c) 상기 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 레이저 광을 조사하여, 용융염의 조성을 분광분석하는 단계;를 포함한다.

Description

파이로 공정의 용융염 조성 측정방법{Monitoring Method of Molten Salts of Pyro-Processing}
본 발명은 사용후 핵연료 파이로 공정의 용융염 조성 측정방법에 관한 것으로, 상세하게, 용융염의 조성을 위치별, 깊이별로 실시간에 준하는 빠른 시간 내에 지속적으로 검출할 수 있는 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.
원자로는 사용되는 감속재의 종류에 따라 크게 중수를 사용하는 중수로와 일반 물, 즉 경수를 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 사용후 핵연료에는 여전히 U-235의 함량이 충분히 높으며, 따라서 이들 사용 후 핵연료는 재사용할 가치가 충분한 재활용 자원이 된다.
파이로 공정은 전해환원, 전해정련, 전해제련 공정으로 구성되는데 이 과정들은 사용후 핵연료를 용융염 내에 녹여 우라늄, 초우라늄 등의 각 원소들을 전기화학적으로 환원시켜 음극에 전착, 회수하는 과정을 핵심으로 구성하고 있다.
파이로 공정은 용융염 내 우라늄과 초우라늄(TRU) 원소를 회수하기 때문에 용융염 내에 존재하는 우라늄 및 초우라늄 원소의 성분 및 농도를 정확히 측정하는 것은 전해정련 및 전해제련 등 각 공정의 운전에 있어서 중요한 요인이다.
기존에는 용융염을 채취하여 ICP-AES 또는 ICP-MS와 같은 분석기술 또는 용융염의 전기적 특성 변화(대한민국 공개특허 제2013-0104633호)를 이용하여 측정하고 있으나, 공정의 안전하고 원활한 진행을 위해서는 공정현장에서 용융염의 조성 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있을 뿐만 아니라, 염의 조성변화를 위치별, 깊이별로 실시간에 준하는 빠른 시간 내에 연속적으로 검출할 수 있는 방법이 절실히 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제2013-0104633호
본 발명은 사용후 핵연료의 파이로 공정 현장에서 용융염의 조성 변화를 지속적으로 모니터링할 수 있으며, 용융염의 조성변화를 위치별, 깊이별로 실시간에 준하는 빠른 시간 내에 지속적으로 검출할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 용융염 조성 측정방법은 사용후 핵연료 파이로 공정의 용융염 조성 측정방법이며, 용융염이 담긴 전해조에 사용후 핵연료를 투입하는 단계; b) 탐침봉을 상기 용융염에 장입시켜, 탐침봉 표면에 용융염을 응고시키는 단계; 및 c) 상기 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 레이저 광을 조사하여, 용융염의 조성을 분광분석하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 탐침봉에는 냉매가 흐르는 유로, 유로에 냉매를 공급하는 냉매 유입구 및 유로로부터 탐침봉 외부로 냉매가 배출되는 냉매 배출구가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 유로에는 탐침봉의 길이 방향을 따라 이격 배열된 격벽이 더 구비되며, 상기 격벽에는 관통형 기공이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, c) 단계시, 탐침봉 표면에 응고된 용융염에, 탐침봉의 길이 방향에 따라 레이저 광을 조사하고 분광분석을 수행함으로써, 용융염의 깊이에 따른 조성변화를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, b) 단계에서, 둘 이상의 상기 탐침봉이 서로 상이한 용융염 영역에 장입될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 탐침봉에 유입되는 냉매는 불활성 가스일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 냉매의 유량 및 온도에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 인자를 조절하여, 탐침봉의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 c) 단계는 LIBS(laser induced breakdown spectroscopy) 분석기에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법은, 상기 c) 단계 후, d) 냉매의 유입 및 배출을 중지하여, 탐침봉 표면에 응고된 용융염을 재용융시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 b) 내지 d) 단계를 일 단위 공정으로 하여, 상기 단위 공정이 반복 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 b) 및 c) 단계는 상기 전해조가 위치한 차폐 설비 내부에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 상기 c) 단계의 분광분석에 의해 얻어지는 방출 파장 별 강도의 스펙트럼에서, 핵종의 방출 파장의 강도(I1)를 용융염을 이루는 알칼리 금속의 방출 파장의 강도(I0)로 나눈 강도비와 용융염 내 핵종의 농도(wt%)가 선형적 관계를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 용융염 조성 측정방법은 미량의 용융염 응고와 광분석에 소요되는 극히 짧은 시간으로, 변화하는 용융염의 조성을 분석할 수 있음에 따라, 파이로 공정 중, 준 실시간으로 용융염의 조성을 측정할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 용융염 조성 측정방법은 탐침봉이 용융염에 장입되는 위치, 깊이, 탐침봉의 수등을 달리함으로써, 용융염의 조성을 위치별, 깊이별로 실시간에 준하는 빠른 시간 내에 연속적으로 검출할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 용융염 조성 측정방법은 전해조가 위치한 차폐설비 내부에서 조성 측정이 수행 및 완료될 수 있음에 따라, 용융염의 조성을 파이로 공정 현장에서 바로 측정 가능한 장점이 있으며, 비접촉, 비화학적 처리방법임에 따라, 그 안전성이 높고, 자동화 가능한 장점이 있으며, 파이로 공정의 안정성과 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 탐침봉의 일 구조를 도시한 사시도이며,
도 2는 금속 탐침봉에 응고된 용융염을 관찰한 광학현미경 사진이며,
도 3은 금속 탐침봉을 이용하여 용융염을 응고시킨 후 LIBS 분석하여 수득되는 Zr 픽의 강도/Li 픽의 강도의 강도비와 용융염의 ZrF4의 농도(wt%)를 도시한 도면이며,
도 4는 금속 탐침봉이 용융염에 장입된 깊이에 따른 ZrF4의 농도(wt%)를 분석한 결과로, 도 4(a)는 용융염이 응고된 금속 탐침봉에서, 용융염의 표면을 기준(0cm)으로 하여, 0cm, 2cm, 4cm, 6cm, 8cm 및 최하부인 10cm 깊이에 해당하는 각각의 영역에서 LIBS 분석이 수행되는 지점을 도시한 광학현미경 사진이며, 도 4(b)는 깊이에 따른 ZrF4의 농도(wt%)를 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 용융염 조성 측정방법을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명을 상술함에 있어, 사용후 핵연료 파이로 공정은 전해환원 및/또는 전해정련을 포함할 수 있다. 사용후 핵연료는 특별히 한정되지 않으나, 사용후 산화물핵연료일 수 있다. 용융염은 사용후 핵연료 파이로 공정에서 전해질로 사용되는 용융염일 수 있으며, 특별히 한정되지 않으나, LiCl 또는 LiCl-KCl 공융염을 의미할 수 있다. 차폐 설비는 방사선을 차폐하는 설비로, 통상의 파이로 공정이 수행되는 시스템에서, 방사선의 외부 누출을 방지하기 위해 사용되는 차폐 설비를 들 수 있다.
본 발명에 따른 용융염 조성 측정방법은 사용후 핵연료 파이로 공정의 용융염 조성 측정방법이며, a) 용융염이 담긴 전해조에 사용후 핵연료를 투입하는 단계; b) 탐침봉을 상기 용융염에 장입시켜, 탐침봉 표면에 용융염을 응고시키는 단계; 및 c) 상기 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 레이저 광을 조사하여, 용융염의 조성을 분광분석하는 단계;를 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 용융염 조성 측정방법은 탐침봉을 용융염에 장입시킨 후, 용융염을 탐침봉 표면에 응고시켜, 응고된 용융염을 분광분석하여 용융염의 조성을 측정할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, b) 및 c) 단계는 전해조가 위치한 차폐 설비 내부에서 수행될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 용융염 조성 측정방법은 탐침봉, 탐침봉 이동부재, 레이저 광원 및 검출기를 포함한 분광분석장치등 측정에 필요한 장비들이 차폐 설비 내부에 구비 가능함에 따라, 차폐 설비 내부에서 용융염 조성의 측정이 수행될 수 있다. 또한, 탐침봉을 이용하여 탐침봉 표면에 용융염을 응고시킨 후 이를 분광분석함에 따라, 탐침봉 표면에서의 응고 및 분광분석에 소요되는 매우 짧은 시간차 내에서, 용융염의 조성을 분석할 수 있음에 따라, 실시간에 준하는 준 실시간으로 용융염의 조성을 분석할 수 있으며, 용융염의 조성 변화를 측정할 수 있다. 또한 탐침봉이 용융염에 장입하는 깊이를 제어하고, 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 탐침봉 길이 방향을 따라 레이저를 조사하여 분광분석을 수행함으로써, 용융염의 깊이에 따른 조성변화를 측정할 수 있다. 또한, 용융염에 장입되는 탐침봉의 수와 배열, 탐침봉이 장입되는 위치 및/또는 탐침봉이 장입되는 깊이를 조절함으로써, 용융염이 담긴 전해조의 위치별 및/또는 깊이별 용융염의 조성 측정이 가능한 장점이 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 용융염 조성 측정방법은 실시간에 준하는 준 실시간으로, 전해조에 담긴 용융염의 2차원 내지 3차원 조성 분포 또한 측정 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법에 있어, 탐침봉 표면에서의 용융염 응고는, 탐침봉의 온도를 조절함으로써 이루어질 수 있다. 상세하게, 상기 탐침봉에는 냉매가 흐르는 유로, 유로에 냉매를 공급하는 냉매 유입구 및 유로로부터 탐침봉 외부로 냉매가 배출되는 냉매 배출구가 형성될 수 있다.
유로를 따라 탐침봉 내부를 흐르는 냉매에 의해, 탐침봉 표면이 냉각되며, 탐침봉의 표면에 접촉하는 용융염이 고화될 수 있다.
이때, 탐침봉에 공급되는 냉매 물질의 종류, 냉매의 공급 속도(유량) 및 공급되는 냉매의 온도에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 인자를 조절하여, 탐침봉 표면의 온도를 조절할 수 있다.
보다 효과적인 탐침봉의 냉각 및 온도 제어 측면에서, 냉매는 열용량이 큰, 불활성 가스일 수 있다. 불활성 가스의 일 예로, 헬륨, 네온 및/또는 아르곤등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 냉매로 아르곤을 사용하는 경우, 통상의 파이로 공정이 아르곤 보호 분위기에서 수행되는 것을 고려할 때, 별도의 냉매를 제공하지 않고도, 통상의 파이로 공정에서 이미 사용하고 있는 물질을 이용하여 조성 분석이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
탐침봉은 열전달이 빠르고, 파이로 공정이 수행되는 온도의 용융염 내에서 안정한 재질이면 사용 가능하다. 구체적이며 비한정적인 일 예로, 탐침봉은 금속 재질일 수 있다.
상술한 바와 같이, 탐침봉은 그 내부에 냉매가 흐르는 유로가 구비될 수 있다. 구체적으로 탐침봉은 양 단이 밀폐된 속 빈 봉 형상의 외벽 내부에 봉의 길이 방향 중심 축과 동심 구조로 금속 관이 위치하며 유로를 형성할 수 있다. 상세하게, 금속 관의 일 단이 속 빈 봉 형상의 외벽의 일 단과 결합 부착되고, 금속 관의 다른 일 단이 속 빈 봉 형상의 외벽의 다른 일 단에 이격 위치할 수 있다. 냉매 유입구는 금속 관 내부의 제1 내부 공간과 연통되고, 냉매 배출구는 금속 관과 외벽 사이의 공간인 제2 내부 공간과 연통될 수 있다. 이를 통해, 냉매 유입구를 통해 유입된 냉매는 금속 관 내부의 제1 내부 공간을 이동하여, 금속관의 다른 일 단으로 배출되고, 금속관의 다른 일 단으로부터 배출된 냉매는 외벽과 금속 관 사이의 공간인 제2 내부 공간을 이동하여 냉매 배출구를 통해 배출될 수 있다. 이러한 유로 구조에 의해, 유입되는 냉매에 의해 탐침봉 표면이 균일하게 냉각될 수 있다. 보다 균일한 냉각을 위해, 냉매 유입구는 외벽과 결합 부착된 금속관의 일 단을 통해 금속관 내부와 연통되도록 형성된 것이 좋고, 냉매 배출구는 냉매 유입구와 인접한 속빈 봉 형상의 외벽 측부에 형성된 것이 좋다.
또한, 탐침봉의 보다 균일하고 빠른 냉각을 위해, 유로에는 탐침봉의 길이 방향을 따라 이격 배열된 격벽이 더 구비될 수 있으며, 격벽은 관통형 기공이 형성된 것일 수 있다. 유로에 형성된 격벽은 냉매의 흐름에 있어, 난류 발생을 유도하여 탐침봉의 표면을 보다 균일하고 빠르게 냉각시킬 수 있다.
상세하게, 탐침봉은 금속 관과 외벽 사이의 공간인 제2 내부 공간에는 금속 관(또는 봉형상의 외벽)의 길이 방향으로, 서로 이격 배열된 격벽을 더 포함할 수 있다. 각 격벽에는 하나 이상의 관통형 공극이 형성될 수 있다. 격벽에 형성된 관통형 공극은 격벽에 의해 구획되는 공간들간 냉매가 이동할 수 있는 이동 경로를 제공하는 역할을 수행한다. 이때, 격벽들은, 각 격벽에 형성된 관통형 공극의 중심점을 서로 연결한 가상의 선이 지그재그 또는 나선형을 이루도록, 금속 관의 길이 방향을 따라 이격 배열될 수 있다.
도 1은 탐침봉의 일 예를 도시한 일 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 양 단이 밀폐된 봉형태의 금속 외벽(100) 내부에는 금속 관(200)이 동심 구조로 위치하며, 금속 관(200)의 일 단은 주입구(110)와 연통되고 다른 일 단은 외벽(100)의 밀폐된 일 단과 일정거리 이격되어 위치할 수 있다. 금속관(200)의 길이 방향으로 이격 배열되는 격벽(300)은 금속 관(200)과 외벽(100)사이의 공간을 구획하며 관통형 공극(310)을 통해 금속 관(200)의 길이 방향으로의 냉매의 유동을 가능하게 한다. 주입구(110)와 인접한 측면에는 배출구(120)가 위치할 수 있으며, 배출구(120)는 외벽(100)과 금속 관(200) 사이의 공간과 연통될 수 있다. 탐침봉의 일 구조를 도시한 도 1의 도면은 금속 관(200)의 길이 방향(A)을 따라 관통형 공극(310)이 나선형으로 배치되도록 격벽이 배치된 일 예이나, 냉매에 의한 효과적인 냉각이 수행될 수 있도록 다양하게 관통형 공극이 형성된 격벽이 배열될 수 있음은 물론이다.
파이로 공정에서, 용융염의 물질 및 처리 대상인 사용후 핵연료의 물질등에 따라, 용융염의 온도가 적절히 변화될 수 있으나, 통상적으로, 용융염은 500 내지 650℃의 온도를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 탐침봉의 온도는 탐침봉에 공급되는 냉매 물질의 종류, 냉매의 공급 속도(유량) 및 공급되는 냉매의 온도에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 인자에 의해 조절될 수 있다. 열용량의 큰 불활성 기체를 냉매로 사용하는 경우, 불활성 기체의 공급 속도(유량) 및/또는 불활성 기체의 온도를 조절하여 탐침봉의 온도를 조절할 수 있다.
냉매에 의해, 탐침봉은 용융염의 고상 변태가 발생할 수 있는 온도로 냉각될 수 있다. 이때, 용융염의 정확한 조성을 검출하기 위해서는, 탐침봉 표면에서, 탐침봉 표면과 접하는 용융염을 순간적으로 응고시키는 것이 좋다. 또한, 탐침봉의 온도가, 핵종을 함유하는 용융염의 상태도 상, 액상과 고상이 공존하는 영역의 온도 미만의 온도인 것이 좋다. 즉, 탐침봉의 온도는 핵종을 함유하는 용융염의 상태도 상 고상만이 열역학적으로 안정하게 존재하는 온도인 것이 좋다. 구체적이며 비한적정인 일 예로, 탐침봉은 250℃이하, 구체적으로 200℃ 이하로 냉각될 수 있으며, 이러한 온도로 냉각되도록 냉매의 유속을 제어할 수 있다.
탐침봉이 용융염에 장입되고, 탐침봉 표면에 용융염이 응고된 후, 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 레이저 광을 조사하여, 용융염의 조성을 분광분석하는 단계가 수행될 수 있다. 이때, 용융염이 응고된 탐침봉이 용융염으로부터 분리된 후, 레이저 광의 조사가 이루어질 수 있음은 물론이다.
레이저 광을 이용한 분광분석은 레이저 유도 붕괴 분광법(레이저 유도 플라즈마 분광법으로도 불림)일 수 있으며, 통상의 LIBS(laser induced breakdown spectroscopy) 분석기를 이용하여 수행될 수 있다. 레이저 유도 붕괴 분광법은 고에너지의 레이저 펄스를 분석대상물에 조사하여, 플라즈마를 생성시킨 후 원자 또는 이온에서 방출되는 빛을 검출하여 원소의 조성이나 농도를 측정하는 방법이다. 이러한 레이저 유도 붕괴 분광법은 분석대상물의 전처리 과정이 불필요하며, 분석에 소요되는 시간이 극히 짧아 실시간 조성 변화 측정에 매우 적합하며, 통상의 파이로 공정이 아르곤 분위기로 보호되는데, 아르곤 분위기에서 레이저 유도 붕괴 분광을 수행하는 경우, 그 정확도가 현저하게 향상됨에 따라, 매우 적합하다.
레이저 광을 이용한 분광분석시, 탐침봉의 표면에 응고된 용융염에 조사되는 레이저는 Nd:YAG 펄스형 레이저일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 응고된 용융염에 조사되어 방전 현상인 붕괴(breakdown)가 발생하여 플라즈마를 생성시킬 수 있는 레이저라면 사용 가능하다.
레이저의 펄스 폭, 펄스간 간격, 펄스당 에너지, 조사되는 레이저의 스팟 크기, 조사되는 레이저 펄스의 수등은, 보다 정확하고 신뢰성있는 분석이 이루어지도록 적절히 조절 가능하나, 용융염을 분석 대상으로 하는 구체적인 일 예로, 레이저 펄스의 폭은 5 내지 15nsec일 수 있고, 레이저의 펄스간 간격을 결정하는 펄스형 레이저의 주파수는 10 내지 30Hz일 수 있다. 레이저의 펄스당 에너지는 30 내지 80mJ일 수 있고, 레이저 스팟의 크기는 3mm 내지 100μm일 수 있으며, 레이저 펄스의 조사 횟수는 1 내지 50회, 구체적으로는 5 내지 30회일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, b) 단계에서, 둘 이상의 상기 탐침봉이 서로 상이한 용융염 영역에 장입될 수 있다. 즉, 용융염에 둘 이상의 탐침봉을 장입하고, 각각의 탐침봉이 장입되는 위치 및/또는 깊이를 제어함으로써, 동일 시점에서 용융염의 위치별 및/또는 깊이별 조성 분포를 측정할 수 있다. 이때, 둘 이상의 탐침봉 각각에 대해 레이저 광 조사에 의한 분광분석이 이루어짐은 물론이다.
구체적이며 비 한정적인 일 예로, m개의 탐침봉이 종으로 이격 배열되고, n개의 탐침봉이 횡으로 서로 이격 배열된, mxn(m≥1인 자연수, n≥1인 자연수이며, m과 n은 동시에 1이 아님)개의 탐침봉을 용융염에 장입함으로써, 동일 시점에서 용융염의 위치별 또는 위치와 깊이별 조성 분포를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법은, 상기 레이저 광을 이용한 분광분석 후, d) 냉매의 유입 및 배출을 중지하여, 탐침봉 표면에 응고된 용융염을 재용융시키는 단계;를 더 포함할 수 있다. 즉, 냉매의 유입 및 배출이 중지된 탐침봉을 용융염에 다시 장입시켜, 탐침봉 표면에 응고된 용융염을 재 용융시킬 수 있다. 즉, 전해조는 전해조 둘레에 위치하는 히터에 의해 파이로 공정에 요구되는 온도로 가열되는 상태임에 따라, 냉매에 의한 냉각을 중지한 탐침봉을 단지 용융염에 다시 장입하는 것만으로도, 탐침봉 표면에서 응고된 용융염을 제거할 수 있다.
응고된 용융염이 제거된 후, 탐침봉에 다시 냉매가 유입 및 배출되며, 탐침봉이 냉각되어 a) 단계가 재 수행될 수 있다. 필요시, 용융염의 설정된 영역에 탐침봉이 장입되도록, 응고된 용융염이 제거된 탐침봉의 이동 및 장입이 수행될 수 있음은 물론이다. 기 설정된 위치에 응고된 용융염이 제거된 탐침봉을 장입한 후 탐침봉 표면에 용융염을 응고시키는 단계 및 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 레이저 광을 조사하여, 용융염의 조성을 분광분석하는 단계가 재 수행될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 용융염 조성 측정방법은, 상기 탐침봉을 용융염에 장입시켜 탐침봉 표면에 용융염을 응고시키는 단계, 레이저 광을 이용하여 탐침봉 표면에 응고된 용융염을 분광분석하는 단계 및 탐침봉 표면에 응고된 용융염을 제거하는 단계를 일 단위공정으로 하여, 이러한 단위 공정이 반복 수행될 수 있다. 이를 통해, 실시간에 버금가는 준 실시간으로, 용융염의 조성 및 조성 변화를 지속적으로 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 측정방법에 있어, 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 레이저 광을 조사하여 용융염의 조성을 분광분석할 때, 분광분석에 의해 얻어지는 방출 파장 별 강도의 스펙트럼에서, 핵종의 방출 파장의 강도(I1)를 용융염을 이루는 알칼리 금속의 방출 파장의 강도(I0)로 나눈 강도비(I1/I0, 이하, 핵종 강도비)와 용융염 내 핵종의 농도(wt%)가 선형적 관계를 가질 수 있다. 즉, 핵종 강도비(I1/I0)는 용융염 내의 핵종 농도(중량%)와 선형적인 관계를 가져, 임의의 핵종 농도를 함유하는 용융염의 핵종 농도가 매우 정확하게 측정될 수 있다.
이때, 분석하고자하는 용융염과 동일 물질 및 조성의 용융염에 기 설정된 핵종을 기 설정된 양(농도)으로 용융시켜 표준 용융염을 제조하고, 서로 상이한 핵종 농도를 갖는 2 내지 5개의 표준 용융염 각각에 대해, 상술한 분석 방법과 동일하게 분광분석을 수행하여, 핵종 농도와 핵종 강도비(I1/I0)의 기준 선형식(y=ax+b, y=핵종 강도비, x=핵종 농도(wt%), a 및 b는 상수)을 마련하는 단계가 더 수행될 수 있다. 이러한 기준 선형식을 마련한 후, 레이저 조사후 검출기에 의해 검출되는 파장 별 강도의 스펙트럼상 단지 핵종 강도비를 산출하는 것만으로, 극히 넓은 범위의 핵종 농도가 정확하게 측정될 수 있다.
이때, 핵종은 전해조에 투입된 사용후 핵연료로부터 기인한 것임은 물론이며, 우라늄 및 넵튜늄, 플루토늄, 아메리슘, 큐리움등을 포함하는 초우라늄(TRU)으로부터 하나 이상 선택되는 원소일 수 있으며, 구체적인 일 예로는 우라늄일 수 있다.
본 발명의 우수함을 실험적으로 보이고자, 안전한 샘플인, LiF-KF 공융염에 ZrF4를 0.1, 0.5, 1, 3, 5, 7 또는 10중량%로 혼합하여 용융(600℃) 시킨 후, 조성을 측정하였다. 도 1과 같은 금속 탐침봉 및 Ar을 냉매로 이용하였으며, 금속 탐침봉에 5L/min의 유속으로 Ar이 흐르도록 하였다. LIBS 분석을 위해 사용된 레이저는 ND:YAG 레이저(20Hz, 펄스폭=8ns, 스팟 크기 300㎛)이었으며, 분석 대상 영역에 50mJ의 펄스당 에너지로 20회의 펄스를 조사하였다. 금속 탐침봉이 용융염에 장입된 시간은 1초였으며, 용융염으로부터 회수된 금속 탐침봉의 표면에 응고된 용융염을 LIBS 분석하는데 소요되는 시간은 실질적으로 1분 이내였다.
도 2는 금속 탐침봉에 응고된 용융염을 관찰한 광학현미경 사진으로, 금속 탐침봉을 10cm 깊이로 용융염(10중량%의 ZrF4 샘플)에 잠근 후 Ar을 흘려 금속 탐침봉을 냉각한 결과이다. 도 2에서 알 수 있듯이 금속 탐침봉 표면에 용융상태의 용융염이 순간적으로 응고됨을 알 수 있으며, 용융염에 잠긴 금속 탐침봉의 표면 모든 영역에서 균일한 두께로 용융염이 응고된 것을 알 수 있다.
도 3은 금속 탐침봉을 용융염에 장입한 후 Ar을 흘려 금속 탐침봉 표면에 용융염을 응고시킨 후, 응고된 용융염을 LIBS 분석하여 얻은 Zr 픽의 강도/Li 픽의 강도의 강도비와 측정된 용융염의 ZrF4의 농도(wt%)를 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 도면과 같이, 검출 대상 원소의 픽의 강도를 용융염을 이루는 알칼리금속의 픽의 강도로 나눈 강도비와 용융염내 검출 대상 원소의 농도(중량%)가 선형적인 관계식을 가지며, 표준 샘플을 이용하여 도출 가능한 선형 관계식을 이용하여, 분석 대상의 용융염 내 함유된 검출 대상 원소(또는 화합물)의 농도를 매우 정확하게 측정할 수 있으며, 농도의 변화 또한 실시간으로 측정 가능함을 알 수 있다.
도 4는 금속 탐침봉을 10cm 깊이로 용융염(10중량%의 ZrF4 샘플)에 담근 후 Ar을 흘려 금속 탐침봉 표면에 용융염을 응고시킨 후, 용융염에 잠긴 깊이별 조성 변화를 측정한 결과이다. 이때, 도 4(a)는 용융염의 표면을 기준(0cm)으로 하여, 0cm, 2cm, 4cm, 6cm, 8cm 및 최하부인 10cm 깊이에 해당하는 각각의 영역에서 LIBS 분석이 수행되는 지점을 도시한 광학사진이며, 도 4(b)는 깊이에 따른 LIBS 분석한 결과를 도시한 도면이다. 도 4을 통해 알 수 있듯이, 금속 탐침봉을 이용함으로써, 표면 뿐 아니라, 깊이에 따른 조성변화 또한 검출 가능함을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. a) 용융염이 담긴 전해조에 사용후 핵연료를 투입하는 단계;
    b) 탐침봉을 상기 용융염에 장입시켜, 탐침봉 표면에 용융염을 응고시키는 단계; 및
    c) 상기 탐침봉 표면에 응고된 용융염에 레이저 광을 조사하여, 용융염의 조성을 분광분석하는 단계;
    를 포함하는 사용후 핵연료 파이로 공정의 용융염 조성 측정방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침봉에는 냉매가 흐르는 유로, 유로에 냉매를 공급하는 냉매 유입구 및 유로로부터 탐침봉 외부로 냉매가 배출되는 냉매 배출구가 형성된 용융염 조성 측정방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유로에는 탐침봉의 길이 방향을 따라 이격 배열된 격벽이 더 구비되며, 상기 격벽에는 관통형 기공이 형성된 용융염 조성 측정방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    c) 단계시, 탐침봉 표면에 응고된 용융염에, 탐침봉의 길이 방향에 따라 레이저 광을 조사하고 분광분석을 수행함으로써, 용융염의 깊이에 따른 조성변화 측정하는, 용융염 조성 측정방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    b) 단계에서, 둘 이상의 상기 탐침봉이 서로 상이한 용융염 영역에 장입되는 용융염 조성 측정방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 탐침봉에 유입되는 냉매는 불활성 가스인 용융염 조성 측정방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 냉매의 유량 및 온도에서 하나 또는 둘 이상 선택되는 인자를 조절하여, 탐침봉의 온도를 제어하는 용융염 조성 측정방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 c) 단계는 LIBS(laser induced breakdown spectroscopy) 분석기에 의해 수행되는 용융염 조성 측정방법.
  9. 제 2항에 있어서,
    상기 c) 단계 후,
    d) 냉매의 유입 및 배출을 중지하여, 탐침봉 표면에 응고된 용융염을 재용융시키는 단계;를 더 포함하는 용융염 조성 측정방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 b) 내지 d) 단계를 일 단위 공정으로 하여, 상기 단위 공정이 반복 수행되는 용융염 조성 측정방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 및 c) 단계는 전해조가 위치한 차폐 설비 내부에서 수행되는 용융염 조성 측정방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 c) 단계의 분광분석에 의해 얻어지는 방출 파장 별 강도의 스펙트럼에서, 핵종의 방출 파장의 강도(I1)를 용융염을 이루는 알칼리 금속의 방출 파장의 강도(I0)로 나눈 강도비와 용융염 내 핵종의 농도(wt%)가 선형적 관계를 갖는 용융염 조성 측정방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004132919A (ja) * 2002-10-15 2004-04-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ光による成分分析方法
JP2006300819A (ja) * 2005-04-22 2006-11-02 Jfe Steel Kk 溶融金属のレーザ発光分光分析方法および装置
KR20110093515A (ko) * 2010-02-12 2011-08-18 한국원자력연구원 용융염 분광특성 측정장치 및 측정방법
KR101168826B1 (ko) * 2011-11-10 2012-07-25 송경진 분광측정기를 구비한 분석장치용 냉각장치
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Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004132919A (ja) * 2002-10-15 2004-04-30 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザ光による成分分析方法
JP2006300819A (ja) * 2005-04-22 2006-11-02 Jfe Steel Kk 溶融金属のレーザ発光分光分析方法および装置
KR20110093515A (ko) * 2010-02-12 2011-08-18 한국원자력연구원 용융염 분광특성 측정장치 및 측정방법
KR101168826B1 (ko) * 2011-11-10 2012-07-25 송경진 분광측정기를 구비한 분석장치용 냉각장치
KR20130104633A (ko) 2012-03-14 2013-09-25 한국원자력연구원 고농도 비수용액 전해질에 적용가능한 금속이온 또는 산소이온의 모니터링 방법

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