KR20210105743A - 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법 및 그 장치 - Google Patents

사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 사용후 핵연료의 처리 과정인 파이로 공정에서 배출되는 폐용융염에 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하는 금속이온을 첨가하여, 이종금속합금을 동시-환원시키는 전기화학적 분해과정을 통해 사용후 핵연료 처리과정에서 방사성 폐기물로 처리되는 폐용윰염에 포함된 희토류 금속을 효과적으로 분리 및 회수하는 방법을 제공함으로써, 핵연료의 연소과정에서 생성되어 사용후 핵연료에 포함된 고부가가치를 갖는 희토류 금속 자원을 유용하게 재활용할 수 있는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속의 회수 방법을 제시한다.

Description

사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법 및 그 장치{Method of recovering rare earth metals from spent nuclear fuel and the apparatus thereof}
본 발명은 핵연료의 연소 과정에서 생성되어 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속을 회수하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용후 핵연료의 처리 과정인 파이로 공정에서 배출되는 희토류 금속 및 미량의 악티나이드들이 포함된 폐용융염에 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하는 금속이온을 첨가하여, 이종금속합금을 동시-환원시키는 전기화학적 분해과정을 통해 사용후 핵연료 처리과정에서 방사성 폐기물로 처리되는 폐용윰염에 포함된 희토류 금속을 효과적으로 분리 및 회수하여, 핵연료의 연소과정에서 생성되어 사용후 핵연료에 포함된 고부가가치를 갖는 희토류 금속 자원을 유용하게 재활용할 수 있는 희토류 금속 회수 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
희토류 금속은 광물자원으로 여러 첨단산업에서 필수적으로 사용되는 전략자원이지만 국지적으로 편중되어 있고 채굴 및 분리과정에서 환경적 문제로 인해 공급안정성이 위협받고 있다.
희토류 금속은 주로 광물자원으로부터 채굴하여 얻을 수 있으나, 이외에도 원자력 발전 과정에서 우라늄의 핵분열에 의해 인공적으로 생성될 수 있다. 다만, 이렇게 핵연료의 연소과정에서 생성되는 희토류 금속들은 고방사성의 사용후 핵연료에 다른 여러 종류의 방사성 핵종들과 혼재된 상태로 존재하게 되어, 그 분리 및 회수에 많은 어려움이 따르게 되어 아직까지 자원으로의 활용도는 매우 낮은 형편이다.
그런데, 사용후 핵연료에서 우라늄과 초우라늄을 분리하여 회수하는 파이로 공정에 대한 연구결과에 따르면, 인공적으로 생성된 희토류 금속은 우라늄과 초우라늄 금속을 회수하고 남겨진 폐용융염에 용해되어 이온상태로 존재하는 것으로 알려져 있으며, 이때, 이와 같이 남겨진 폐용융염에는 파이로 공정으로 미처 회수되지 못한 일부 악티나이드가 여전히 잔존하며, 그에 따라 남겨진 폐용융염 자체가 고준위 방사성 폐기물로 분류되어, 그 안에 용해되어 이온상태로 존재하는 희토류 금속 또한 별도의 회수과정을 거치지 못한 채 일괄적으로 방사성 폐기물로 처리되고 있는 실정이다.
이와 같은 파이로 공정 후의 폐용융염에 대한 처리와 관련하여, 한국등록특허 제10-1693775호에서는, 고준위 방사성 폐용융염에 잔류하는 악티늄족 원소와 희토류 금속들을 비스무스 또는 비스무스-납 액체금속으로 전해 환원하여 이종금속화합물을 형성한 후, 악티늄족 원소의 이종금속화합물과 희토류 금속의 이종금속화합물 간의 밀도 차이를 이용하여 폐용융염에서 고준위의 방사능을 갖는 악티늄족 잔존 원소들을 분리회수함으로써 고준위 방사성의 폐용융염을 중저준위의 방사성 폐기물로 정화하는 방법을 제안하고 있다.
그러나, 상술한 제1693775호 특허에서 제안된 방법에서 적용되고 있는 이종금속화합물 간의 밀도 차이를 이용한 분리 방법은, 폐용융염에서 악티늄족 원소들을 분리하여 재사용 또는 재처리 하는 데는 비교적 유용하게 적용할 수 있으나 처리 후 남겨진 폐용융염에 여전히 미량(微量)의 악티늄족 원소가 잔존하게 되고 이에 따라 단순히 고준위 방사성 폐기물을 중저준위의 방사성 폐기물로 정화하는 수준에 그치고 있을 뿐, 이렇게 처리된 폐용융염은 여전히 방사성 폐기물로 분류되어 처리되고 있으며, 이에 따라 폐용융염에 포함된 희토류 금속 또한 전혀 회수되지 못한 채 그대로 폐기 처분되고 있다.
1. 한국등록특허공보 제10-1693775호(등록일 : 2017.01.02.) "비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위 방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법 및 이를 이용한 분리장치"
본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파이로 공정 이후 방사성 폐기물로 처리되는 폐용융염에 희토류 금속과 이종금속합금을 형성할 수 있는 금속이온을 첨가하여, 이종금속합금을 동시-환원시키는 전기화학적 분해과정을 통해 사용후 핵연료 처리과정에서 방사성 폐기물로 처리되는 폐용융염에 포함된 희토류 금속을 효과적으로 분리 및 회수함으로써, 이제까지 높은 경제적 가치에도 불구하고 방사성 폐기물로 폐기 처분되던 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속자원을 회수 및 재활용하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 파이로 공정을 거친 사용후 핵연료의 폐용융염이 수용되는 반응 챔버에, 폐용융염에 포함된 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하는 금속물질을 투입한 후 전해 환원 공정을 수행하여, 희토류 금속과 상기 폐용융염에 투입된 금속 물질의 동시-환원 반응을 통해 석출되는 이종금속합금을 폐용융염으로부터 분리, 추출하고, 추출된 이종금속합금으로부터 희토류 금속을 분리회수하는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법 및 그 장치를 제공한다.
본 발명에서는, 파이로 공정에서 배출되는 폐용융염에 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하는 금속이온을 첨가하여, 동시-환원 반응을 통해 폐용융염에 포함된 희토류 금속을 효과적으로 분리 및 회수하는 방법을 제시함으로서 상대적으로 높은 경제적 부가가치를 갖는 희토류 금속자원을 재활용하는 동시에 희토류 금속의 수급안정에 기여할 수 있다.
도 1은 희토류 금속이 용해된 폐용융염에 비스무스 이온이 포함된 경우의 이종금속합금 동시-환원전위와 비스무스 이온이 포함되지 않은 경우의 희토류 단일금속 환원전위를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 희토류 금속 회수장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 희토류 금속 회수장치의 구성을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.
이미 앞에서 설명한 바와 같이, 파이로 공정에서 배출되는 폐용융염에는 악티늄족 금속과 희토류 금속들이 혼합되어 용해되어 있으며, 이에 따라 악티늄족 금속과 희토류 금속들이 혼합된 폐용융염에서 희토류 금속만을 선별적으로 분리하여 회수하는 방법이 필요하다.
여기서, 상술한 한국등록특허 제1693775호는 폐용융염에 액체 금속을 이용한 전해 환원을 통해 이종금속화합물을 형성하고, 악티늄족 원소의 이종금속화합물과 희토류 금속의 이종금속화합물 간의 밀도 차이를 이용하여 폐용융염에서 고준위의 방사능을 갖는 악티늄족 잔존 원소들을 분리회수하는 방식을 제안하고 있으나, 이와 같은 방식은 악티늄족 핵종의 분리회수 및 재활용에는 어느 정도 효과를 보일 수 있으나, 이종금속화합물의 밀도 차이를 이용한 물리적 분리 방법의 한계로 인해 최종 처리된 폐용융염에는 여전히 미량의 악티늄족 금속이 잔존하게 되므로, 이와 같이 방사성 핵종에 오염된 상태로는 희토류 금속의 재활용이 불가능하다.
본 발명에서는, 상기의 문제점을 해결하기 위해 악티늄족 금속과 희토류 금속이 혼재되어 용해된 폐용융염을 대상으로, 전기화학적 분리 프로세스를 통해 폐용융염에 녹아있는 희토류 금속만을 선별적으로 석출하여 분리회수하는 방법을 도입하고 있으며, 이하에서는 이를 보다 상세히 설명한다.
앞에서 설명한 바와 같이, 사용후 핵연료에서 악티늄족 핵종을 분리하여 회수하는 파이로 공정을 거친 폐용융염에는 여전히 미량의 악티늄족 핵종과 희토류 금속이온이 공존하게 된다. 이때, 이와 같이 여러 종류의 이온들이 공존하는 용융염에서 전기 환원법을 통해 어떤 특종 핵종 이온들만을 선별적으로 추출하기 위해서는 용융염에 녹아있는 핵종 간의 환원전위가 서로 차이를 보여야 하는데 여기서 악티늄족 핵종과 희토류 금속은 서로 간 그 환원전위에 별다른 차이를 보이지 않아 전기 환원법을 적용한 분리회수에 어려움이 따르고 있다.
이를 보다 구체적으로 살펴보면, 통상의 사용후 핵연료에 대한 파이로 공정에서는 염화리튬(LiCl) 및 염화칼륨(KCl)으로 이루어진 용융염이 주로 사용되는데, 이와 같은 용융염 내에서의 악티늄 핵종 및 희토류 금속의 환원 전위는 대략 -2V(vs Ag/AgCl) 정도로 서로 매우 유사한 특성을 보이며, 이에 따라 단순한 전기환원 방식으로는 이들 중 희토류 금속만을 선별적으로 추출하는 것이 실질적으로 불가능하다.
그런데, 이와 같은 희토류 금속이온이 용해되어 있는 폐용융염에, 환원 과정에서 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하는 특정 금속 이온을 첨가하여 동시-환원 반응을 진행하면, 이때의 이종금속합금의 동시-환원 전위는 단일금속합금의 환원 전위와는 큰 차이를 보이며, 동시에 악티늄족 핵종과 희토류 금속의 이종금속합금 동시-환원 전위 역시 서로 차이를 보임을 확인할 수 있었다.
여기서, 폐용융염에 첨가되어, 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하여 동시-환원 반응을 통해 석출되는 금속 물질로는 폐용융염 구성물질과의 특정 화학적 반응성이 없는 다양한 금속 물질이 적용될 수 있으며, 바람직하게는 비스무스(Bi) 또는 알루미늄(Al) 등이 적용될 수 있다.
도 1은 희토류 금속이 용해된 폐용융염에 비스무스 이온이 포함된 경우의 이종금속합금 동시-환원전위와 비스무스 이온이 포함되지 않은 경우의 희토류 단일금속 환원전위를 비교하여 보여주는 그래프로서, 염화리튬(LiCl)과 염화칼륨(KCl)으로 이루어진 용융염에 희토류 금속의 하나인 세륨(Ce)이 녹아있는 경우, 전기 환원법을 적용하여 측정되는 세륨의 단일금속 환원전위와, 해당 용융염에 비스무스 이온을 첨가한 후, 전기 환원법을 적용하여 측정되는 세륨-비스무스(Ce-Bi) 이종금속합금의 동시-환원 전위를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 1에서 확인되는 바와 같이, 염화리튬(LiCl)과 염화칼륨(KCl)으로 이루어진 용융염에 세륨(Ce)이 녹아있는 경우, 전기 환원법을 적용하여 측정되는 세륨의 단일금속 환원전위(점선 표시된 그래프)는 대략 -2.05V(vs Ag/AgCl)로 나타나고 있는데 비하여, 해당 용융염에 비스무스 이온을 첨가한 후, 전기 환원법을 적용하여 측정되는 세륨-비스무스(Ce-Bi) 이종금속합금의 동시-환원 전위(실선 표시된 그래프)는 이보다 훨씬 낮은 -1.21V(vs Ag/AgCl)에서 피크치(R5)를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
즉, 파이로 공정을 거친 폐용융염에 용해되어 있는 세륨을 전해환원법을 통해 단일금속합금으로 석출하는데 요구되는 환원전위는 대략 -2V(vs Ag/AgCl) 정도로서, 이 경우, 같은 용융염 내에 포함되어 있는 악티늄 핵종들의 환원 전위와 유사한 범위에 포함되어, 폐용융염에서 세륨 이온만을 선별적으로 분리하여 추출할 수 없게 되나, 폐용융염에 비스무스 이온을 첨가한 후, 전해환원법을 통해 세륨-비스무스(Ce-Bi)의 이종금속합금을 동시-환원 반응을 통해 석출하는 경우, 그 동시-환원 전위 대략 -1.2V(vs Ag/AgCl) 정도로서, 같은 용융염 내에 포함되어 있는 악티늄 핵종들의 환원 전위와는 큰 차이를 보이고 있어, 전해환원장치의 양 전극에 인가되는 전위차를 조절하여 폐용융염에 용해되어 있는 세륨 이온만을 효과적으로 분리하여 추출할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 도 1의 그래프에서는 용융염에 세륨이 포함된 경우의 예를 보여주고 있으나, 란타니움(La), 네오디뮴(Nd), 가돌리늄(Gd) 등 다양한 종류의 희토류 금속 물질들을 대상으로 측정해 본 결과, 용융염에 포함된 희토류 금속과 비스무스와의 이종금속합금 동시-환원 전위는 모두 -1.0V(vs Ag/AgCl) 내지 -1.5V(vs Ag/AgCl) 범위에서 피크치를 보이고 있음을 확인할 수 있었으며, 이는 폐용융염에 녹아 있는 악티늄족 핵종의 환원 전위 또는 악티늄족 핵종 이종금속합금의 동시-환원 전위와는 뚜렷한 차이를 보임을 확인할 수 있었다.
즉, 본원 발명에서는 폐용융염에 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하면서 동시-환원되는 특성을 갖는 비스무스 또는 알루미늄 이온을 첨가하고, 전해환원 과정에서 나타나는 희토류 금속의 이종금속합금이 보여주는 차별화된 동시-환원 전위 특성을 바탕으로, 전해 환원 과정에서 전해환원장치의 양 전극에 인가되는 전위차를 조절하여 악티늄족 핵종과 희토류 금속이 혼재되어 용해된 폐용융염으로부터 희토류 금속만을 효과적으로 분리하여 추출할 수 있게 된다.
도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 희토류 금속 회수장치의 구성을 보여주고 있는 도면으로서, 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법이 수행되는 과정을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 희토류 금속 회수 장치의 구성을 보여주고 있는 도면으로, 도면에 나타나는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 희토류 금속 회수 장치는 폐용융염이 수용되는 반응 챔버(1)와, 전원공급장치(2)에 연결되어 반응 챔버(1) 내에 수용되는 폐용융염에 침지되는 한 쌍의 금속전극(3, 4)으로 이루어진다.
이때, 상기 한 쌍의 금속전극(3, 4)은 텅스텐(W) 등과 같은 불활성 금속으로 이루어지며, 상기 한 쌍의 금속전극(3, 4) 중, 양극(3)에는 반응 챔버(1)에 침지된 금속전극(3)을 감싸는 형태로, 전기절연을 제공하는 절연부(6)가 형성되어 양극(3)을 형성하는 금속전극(3)의 말단부만이 반응 챔버(1) 내에 노출되도록 구성된다.
또한, 양극(3)과 함께 한 쌍의 금속전극(3, 4)을 구성하는 음극(4)에는 회전구동부(5)가 연결되어, 전해환원 공정이 진행되는 동안, 음극(4)을 형성하는 금속전극(4)이 지속적으로 회전되도록 구성한다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 이와 같은 구성으로 이루어지는 반응 챔버(1)에 파이로 공정을 거친 폐용융염(7)과 함께, 폐용융염(7)에 포함된 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하면서 동시-환원되는 특성을 갖는 비스무스 액체금속(8)을 투입한다.
이때, 반응 챔버(1) 내의 온도는 400℃ 내지 500℃ 범위를 유지하여, 전해환원 공정이 진행되는 동안 반응 챔버(1)에 투입된 폐용융염(7)과 비스무스 액체금속(8)의 용융 상태가 유지되도록 조절한다.
이렇게 반응 챔버(1) 내에 파이로 공정을 거친 폐용융염(7)과 비스무스 액체금속(8)을 함께 투입하면, 두 물질의 비중 차이로 인해, 도 2에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(1) 내에서 폐용융염(7)이 상부로 부상하고, 비스무스 액체금속(8)은 하부로 가라앉게 되며, 절연부로부터 노출된, 양극(3)을 형성하는 금속전극(3)의 말단부가 자연스럽게 비스무스 액체금속(8)과 접촉하게 된다.
이어서, 전원공급장치(2)를 통해 상기 한 쌍의 금속전극(3, 4) 사이에 전원을 인가하면, 양극(3)과 연결된 비스무스 액체금속(8)에서는 비스무스가 산화되어 비스무스 이온을 생성하는 이온화 반응이 진행되고, 음극(4)에서는 이렇게 생성된 비스무스 이온과 폐용융염에 용해되어 있는 희토류 금속 이온이 이종금속합금(9)을 형성하면서 동시-환원되어 금속합금으로 석출되게 된다.
이때, 음극(4)에 연결되어 구비되는 회전구동부(5)는, 전해환원 공정이 진행되는 동안 음극(4)을 형성하는 금속전극(4)이 지속적으로 회전되도록 구동하여, 음극(4) 표면에서 동시-환원되어 석출되는 이종금속합금이 원심력에 의해 음극(4) 표면에서 이탈되어, 전극 표면에 점착되지 않고 전극으로부터 효과적으로 분리될 수 있도록 지원한다.
또한, 이렇게 금속전극(4)으로부터 분리된 이종금속합금(9)은 폐용융염에 비해 상대적으로 큰 비중을 가지게 되므로, 자연스럽게 반응 챔버(1) 하부로 침강하여 비스무스 액체금속(8)으로 수거된다.
여기서, 전원공급장치(2)를 통해 공급되는, 상기 전해환원장치의 양 전극에 인가되는 전위차는, 이미 앞에서 설명한 바와 같이, 희토류 금속과 비스무스와의 이종금속합금 동시-환원 전위에 해당하는, -1.0V(vs Ag/AgCl) 내지 -1.5V(vs Ag/AgCl)의 범위에서 조절되며, 이와 같은 동시-환원 전위의 조절을 통해, 악티늄족 핵종과 희토류 금속이 혼재되어 용해된 폐용융염(7)으로부터 희토류 금속만을 효과적으로 분리하여 이종금속합금(9)으로 추출, 회수할 수 있게 된다.
즉, 상술한 바와 같은 반응 챔버(1) 내에서의 이종금속합금(9)의 동시-환원 반응이 종료되면, 반응 챔버(1)로부터 비스무스 액체금속(8)을 회수하여, 비스무스 액체금속(8) 내에 수거된 이종금속합금(9)으로부터 희토류 금속을 분리회수하는 처리 과정을 거치게 되는데, 이 경우, 회수된 비스무스 액체금속(8) 내에 수거된 이종금속합금(9)은 희토류 금속의 용해도에 따라 고형물로 존재하거나 또는 액체금속(8)에 용해된 상태로 존재하며, 이와 같이 이종금속합금(9)을 포함하는 액체금속(8)에 산소를 주입하여 산화 공정을 진행시키면, 희토류 금속과 비스무스의 이종금속합금(9)이 분해되어 희토류 금속 산화물을 형성하게 되고, 이렇게 형성되는 희토류 금속 산화물을 분리, 회수함으로써 폐용융염에 포함된 희토류 금속을 선별적으로 분리회수할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 희토류 금속 회수 장치의 구성을 보여주고 있는 도면으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 희토류 금속 회수 장치 역시, 폐용융염이 수용되는 반응 챔버(1)와 전원공급장치(2)에 연결되어 반응 챔버(1) 내에 수용되는 폐용융염에 침지되는 한 쌍의 금속전극(3, 4)으로 이루어지는 기본 구성은 상술한 제1 실시예와 동일하다.
다만, 제2 실시예에서는 반응 챔버(1) 내에 상기 음극(4)을 둘러싸는 형태로 구비되는 별도의 이종금속합금 수거용기(10)가 구비되는 점에서 차이를 보이고 있으며, 이때 상기 수거용기 상부 측벽에는 다수개의 유동공(11)이 관통 형성되어 이를 통해 반응 챔버(1) 내에 수용되는 폐용융염이 상기 수거용기(10) 내외로 자유롭게 유동될 수 있도록 구성된다.
본 발명의 제2 실시예에서는, 상술한 구성의 반응 챔버(1)에 파이로 공정을 거친 폐용융염(7)을 투입한 이후, 희토류 금속의 이종금속합금(9) 형성을 위한 비스무스 염화물(BiCl3)을 추가적으로 투입한다.
이때, 반응 챔버(1)에 추가적으로 투입되는 비스무스 염화물(BiCl3)은, 전해 환원 공정에서 폐용융염(7)에 용해되어 있는 희토류 금속 이온과 동시-환원 반응을 통해 이종금속합금(9)을 형성하기 위한 비스무스 이온을 공급하기 위한 것으로서, 투입량은 폐용융염(7)에 용해되어 있는 희토류 금속 이온의 농도에 따라 적절하게 조절될 수 있으며, 통상 희토류 금속 이온 농도의 1~2배 정도의 농도면 충분하다.
이후, 제1 실시예에서와 마찬가지로 전원공급장치(2)를 통해 상기 한 쌍의 금속전극(3, 4) 사이에 전원을 인가하면, 양극(3)에서는 산화 반응을 통한 염소 기체(Cl2)가 발생되고, 음극(4)에서는 추가 투입된 비스무스 이온과 폐용융염에 용해되어 있는 희토류 금속 이온이 이종금속합금(9)을 형성하면서 동시-환원되어 금속합금으로 석출되게 되며, 이렇게 석출되는 이종금속합금(9)은 폐용융염과의 비중 차이로 인해 상기 수거용기(10) 하부로 침전되게 된다.
이때에도, 상술한 제1 실시예의 경우와 마찬가지로, 반응 챔버(1) 내의 온도는 400℃ 내지 500℃ 범위를 유지하며, 회전구동부(5)를 통해 음극(4)을 형성하는 금속전극(4)이 전해 환원 과정에서 지속적으로 회전되도록 구성함으로써 음극(4) 표면에서 동시-환원되어 석출되는 이종금속합금이 음극(4) 표면에 점착되지 않고 전극으로부터 효과적으로 분리되어 수거용기(10) 하부로 침지될 수 있도록 구동함은 물론이다.
다만, 제2 실시예의 경우에는, 양극(3)에 구비되는 절연부(6)가 반드시 요구되는 것은 아니며, 그 외의 구조는 제1 실시예와 동일하다. 또한, 전해 환원 공정에서 양 전극에 인가되는 전위차 역시, 앞에서 설명한 바와 같이, 희토류 금속과 비스무스와의 이종금속합금 동시-환원 전위에 해당하는, -1.0V(vs Ag/AgCl) 내지 -1.5V(vs Ag/AgCl)의 범위로 조절될 수 있음은 물론이다.
이와 같은 구성을 통해, 본 발명의 제2 실시예에서는, 동시-환원 반응을 통해 석출되는 이종금속합금(9)을, 음극(4)을 둘러싸는 형태로 구비되는 수거용기(10)를 통해 분리, 수거함으로써, 별도의 액체금속 처리 공정을 거치지 않고 보다 용이하게 석출되는 이종금속합금(9)을 분리, 수거할 수 있다.
이후, 상기 수거용기(10)를 통해 수거된 이종금속합금(9)에 대한 산화 공정 등을 통해 이종금속합금(9)으로부터 희토류 금속 산화물만을 선별적으로 분리, 회수함으로써 폐용융염에 포함된 희토류 금속을 효과적으로 분리회수할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 파이로 공정에서 배출되는 폐용융염에 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하는 금속이온을 첨가하여 전해 환원 반응시키는 간단한 공정만으로, 사용후 핵연료의 파이로 공정 이후 폐기물로 처리되는 폐용융염에 포함된 희토류 금속을 효과적으로 분리 및 회수하는 방법을 제시함으로서 상대적으로 높은 경제적 가치를 갖는 희토류 금속자원을 효과적으로 재활용하는 동시에 희토류 금속의 수급안정에 기여할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 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 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
1: 반응 챔버 2: 전원공급장치
3: 양극 4: 음극
5: 회전구동부 6: 절연부
7: 폐용융염 8: 비스무스 액체금속
9: 이종금속합금 10: 수거용기
11: 유동공

Claims (11)

  1. 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속을 회수하는 방법에 있어서,
    파이로 공정을 거친 사용후 핵연료의 폐용융염이 수용되는 반응 챔버에, 상기 폐용융염에 포함된 희토류 금속과 이종금속합금을 형성하는 금속물질을 투입한 후 전해 환원 공정을 수행하여, 희토류 금속과 상기 폐용융염에 투입된 금속 물질의 동시-환원 반응을 통해 석출되는 이종금속합금을 상기 폐용융염으로부터 분리, 추출하고, 상기 추출된 이종금속합금으로부터 희토류 금속을 분리회수하는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 폐용융염이 수용된 반응 챔버에 투입되는 금속물질은,
    비스무스(Bi) 또는 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 금속물질은,
    액체금속 또는 염화물의 형태로 투입되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 챔버의 내부 온도는,
    400℃ 내지 500℃의 범위로 유지되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 전해 환원 공정에서 양 전극에 인가되는 전위차는,
    -1.0V(vs Ag/AgCl) 내지 -1.5V(vs Ag/AgCl)의 범위에서 인가되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 추출된 이종금속합금으로부터 희토류 금속을 분리회수함에 있어서는,
    산화 공정을 통해, 상기 이종금속합금으로부터 희토류 금속과 투입된 금속물질을 분해하여, 희토류 금속 산화물을 선별적으로 분리회수하는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 방법.
  7. 전해 환원 공정을 통해 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속을 회수하는 장치에 있어서,
    폐용융염이 수용되는 반응 챔버;와,
    전원공급장치에 연결되어 상기 반응 챔버 내에 수용되는 폐용융염에 침지되는 한 쌍의 금속전극;을 포함하여 구성되되,
    상기 한 쌍의 금속전극 중, 음극을 구성하는 금속전극에는 회전구동부가 연결되어, 전해 환원 공정이 진행되는 동안 음극을 구성하는 금속전극이 지속적으로 회전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 금속전극은,
    텅스텐(W)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 한 쌍의 금속전극 중, 양극을 구성하는 금속전극에는,
    반응 챔버에 침지된 금속 전극을 감싸는 형태로 전기절연을 제공하는 절연부가 형성되어, 금속전극의 말단부만이 반응 챔버 내에 노출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내부에는,
    상기 한 쌍의 금속전극 중, 음극을 구성하는 금속전극을 둘러싸는 형태로 배치되는 이종금속합금 수거용기가 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 이종금속합금 수거용기의 상부 측벽에는,
    다수개의 유동공이 관통 형성되는 것을 특징으로 하는 사용후 핵연료에 포함된 희토류 금속 회수 장치.
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