KR930003751B1 - 용액으로부터 우라늄을 회수하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

용액으로부터 우라늄을 회수하는 방법

본원은 용액으로부터 우라늄을 회수하는 방버에 관한다.

핵 반응기 연료로 사용할 목적의 우라늄은 육불화 우라늄 상태에서 동위원소인 U-235로 거의 농축된 것이며 그 형태로서 연료 제작 공장으로 운송되는 것이다. 공장에서, 우라늄은 이산화우라늄(UO₂)으로 전환된다. 이 전환에 이용된 방법중 하나는 "암모늄 디우라네이트 방법(ammonium diuranate ; ADU)이다. 이 방법에 따르면, UF₆를 먼저 물로 가수분해시켜서 우라닐 불화물(UO₂F₂)로 만들고, 이것을 수신화 암모늄과 반응시켜 암모늄 디우라네이트(NH₄)₂U₂O₇)를 침전시킨 다음, 이 침전물을 하소시키면 가장 통상적인 반응기 연료인 UO₂가 만들어지는 것이다.

상기한 것은 본 발명의 일반적인 개요이지만, 물론 다양한 분리 및 정제단계를 포함하고 있다. 많은 양의 우라늄이 함유된 폐용액(waste solution)이 생성된다. 이 용액은 때에 따라 큰 호수 또는 석호내에 저장된다. 우fk늄 농도는 하수구에 직접 방류하기엔 너무 높고, 더우기 농축형 우라늄은 상당한 경제적 가치가 있다. 따라서, 하수구에 방류할 수 있을 만큼 낮은 농도까지 우라늄을 감소시키고, 회수하여 UO₂로 전환가능한 형태의 우라늄을 얻어 충분한 우라늄을 회수하는 간단하고 경제적인 방법을 제공하는 것이 바람직하다.

암모늄 디우라네이트 방법을 이용하는 한 공장에서, 폐용액에는 수백만 갤론정도 모아지고, 그 용액에는 수백 ppm의 우라늄과 수만 ppm의 불화이온, 질산염이온, 황산염이온 및 암모늄이온 그리고 대량의 나트륨 및 실리콘이 함유되어 있다. 또한 상기 용액에는 매우 소량이긴하나 알루미늄이 함유되어 있는데 용액의 pH가 약 8이상이 되면 문제가 되는 젤라틴성 침전을 형성한다. 불화우라늄(4가)은 불용성이므로, +4원자가 상태로 환원됨으로써 우라늄이 침전된다고 사료된다(용액에서 우라늄은 +6원자가 상태이다). 하이드라진, 하이드록실아민, 이산화황, 알루미늄 금속 및 소듐 하이드로설파이드(Na₂S₂O₄)와 같은 여러가지 환원제가 개발되어 있다, 금속 알루미늄에 의한 환원은 매우 느리기 때문에 이 방법은 사용되지 않는다. 이산화황을 사용할 수도 있으나 우라늄이 완전환원되지 않는다. 하이드라진 및 하이드록실 아민은 효과적이지 않으며 환원시간이 지체된다. 게다가, 하이드라진 및 하이드록실 아민 둘다 부가시 pH를 상승시키는 염기이다. pH 8이상에서 폐수내의 알루미늄이 수산화물로서 침전되기 시작하므로, 과량의 하이드록실아민 또는 하이드라진을 부가하면 이 현상이 발생하여 우라늄 침전물은 알루미늄으로 오염된다. 소듐하이드로설파이드는 침전을 잘 생기게 하고 이를 부가해도 pH변화가 거의 없다. pH 4내지 8일때 좋은 결과를 얻지만, 대략 6일때 최적으로 회수된다. 침전은 처음에는 UF₄로 생각되었지만 더 조사해보니 NaNH₄UF₆의 착염임을 알게되었다. 예를들어 질산 또는 수성 알루미늄 니트레이트 노나하이드레이트(Al(NO₃)₃·9H₂O : ANN) 또는 이 둘의 혼합물내에 상기 화합물을 용해시켜 정제한 후에 암모늄 디우라네이트 순환과정으로 되돌려 보낼 수 있다.

그러나, 이 방법은 광범위하게 적용될 수 있고 최소한 대부분이 우라늄(6가) 상태인 우라늄의 기타 용액에 유익하게 적용가능하다. 침전시키는데는 암모늄 및 불화이온이 필요하며, 만약 용액이 이를 함유하지 않았다면 부가할 수 있다. 암모늄이온 및 불화이온을 함유하는 용액에 소듐하이드로설파이트(Na₂S₂O₄)를 부가하여 침전시킴으로써 우라늄(6가)을 함유하는 용액으로부터 우라늄을 회수하는데 일반적으로 이 방법이 사용된다.

[실시예 1]

일련의 대규모 실험이 워싱턴, 리치랜드에 위치한 엑손 뉴클리어 컴퍼니 공장의 석호 용액으로 수행되었다. 수백만 갤론의 폐수가 들어있는 석호는 약 350-540ppm의 우라늄, 약 20000ppm의 불화물(F^-), 약 35000-50000ppm의 질신염(NO₃ ^-), 150000ppm을 약간 넘는 황산염(SO₄ ^-2) 및 약 80000-90000ppm의 암모늄(NH₄ ⁺)을 함유한다. 또한 약 600ppm의 실리콘, 소량이지만 중요량의 지르코늄 및 27-440ppm의 소듐을 함유한다. 탱크의 상부 및 하부에 위치한 축이 동일한 두 교반기를 갖는 7000갤론의 플라스틱 탱크인 침전기에 용액을 펌프한다. 공정은 회분식(batch)으로 행하여진다. 석호용액 60% 및 물 40% 혼합물을 50파운드의 진한 하이드로설파이트 용액과 함께 침전기에 방출시켰다. 정규의 수소 전극에 대해 약 -300mV인 공정제어용 플래티늄 산화환원 전극으로 측정하였을때, 이것은 약 -500mV의 강한 환원 용액전위를 나타내었다. 그 혼합물은 약 2시간 동안 교반한 다음 약 16시간 동안 정치시켰다. 침전기내의 폐 상충액(waste supernatant)은 1-3마이크론 필터를 통해 다른 석호로 펌프해냈다. 만족할만한 양만큼의 침전물이 모일때까지 충전하고 침전시키고, 침전기를 따라버리는 처리공정을 반복하였다. 최대질량은 임계 안정 규격치(criticality safety specifications)에 의하여 제한되었다.

여러 침전공정은 실패하였다. 이는 탱크를 완전히 채우기전에 교반기를 작동시킴으로써 야기된 것이라 사료되었고, 이것은 분명히 환원제의 부적절한 폭기(aeration) 및 산화를 야기시켰다. 따라서, (1) 침전기가 거의 채워질때 소듐하이드로설파이드를 부가하고 (2) 용기가 완전히 채워진 뒤에 침전기의 교반기를 작동시키는 것으로 공정을 변경하여 이 공정으로 작동시킨 후에는 침전을 얻는 과정이 실패하지 않았다.

물 50% 및 용액 50%로까지 희석시켰을때 폐기손실(waste losses)이 개선되었다. 우라늄의 농도가 6-18ppm인 폐수를 얻었다. 기울여 따르는 공정 동안 약 5450갤론이 제거되고 탱크바닥에 약 65갤론이 남았다.

침전기에 약 150갤론의 침전물 슬러리가 함유될때까지 침전 및 기울여 따르기 단계를 반복하였다. 슬러리를 350갤론 용량의 교반 탱크인 세척기에 펌프하였다. 상충액이 펌프되어 나오는 필터를 세척한 다음, 그 세척물을 정치시켜 세척용액은 따라내고, 남아있는 슬러리는 세척기에 부가하였다. 침전기로부터 슬러리의 펌프를 돕기 위하여 부가적으로 물을 가하였다. 최종적으로 세척기에 모여진 슬러리의 양은 200-300갤론이었다. 밤새 정치시킨 후, 상층액을 1-3마이크론 필터를 통해 침전기 탱크로 펌프하였다. 세척수를 세척기에 부가하고, 약10-15부 동안 교반하였다. 세척 및 정치를 반복하였다. 각 뱃취를 120-160갤론의 물로 여러번 세척하였다. 최종 세척후에 생성물은 중력에 의해서 세척기로부터 드럼통으로 배수되었다. 생성된 슬러리는 드럼통에 부가되는 동안 스크린(screen)하여 큰 벌레, 플라스틱 조각 및 종이조각과 교반기 부식으로 인한 철조각을 제거하였다(침전기내의 거은색 철 교반기 및 세척기는 심하게 부식되었다. 많은 철 조각은 교반기에 손상을 주고 생성물을 오염시켰다. 다음의 일련의 테스트에서 스테인레스 스틸 교반기를 설치하였고 부식없이 작동하였다).

실험결과, 약 100kg의 우라늄을 포함하는 용액이 처리되어 약 93kg이 회수되었다. 화학양론적 양의 약 8배인 약 570kg의 Na₂S₂O₄가 사용되었다.

침전물 1부피에 대해 3부피의 ANN용액을 사용하여, 50%의 알류미늄니트레이트 노나하이드레이트(Al(NO₃)₃9H₂O : ANN)수성용액내에 침전물을 용해시켰다. 1ℓ 당 100-125g의 우라늄을 함유하는 우라닐 니트레이트 헥사하이드레이트(UO₂(NO₃)6H₂O : UNH)가 형성되었다. UNH는 탄화수소 희석제내의 트리부틸 포스페이트 30% 용액을 사용하여 용매추출함으로써 정제시키고 ADU방법의 침전단계로 재순환시켰다. 실험실내 실험에서, 또한 침전물을 4M의 HNO₃및 2M의 ANN과 1M의 HNO₃의 용액내에 용해시켰다. ANN을 함유하는 용액이 더 빨리 용해되었다.

상기 실험에서 Na₂S₂O₄는 약 1.1g/ℓ 사용되었다. 전기한 바와 같이, 플래티늄 산화환원 전극에 대해 약 -500mV의 환원전위를 나타내었다(정규의 수소전극(NHE)에 대해서는 약-300mV) Na₂SO₄의 농도를 배로 늘리거나 반으로 줄이는 것에 의한 변화는 거의 일어나지 않았다. 그러나, 0.5g/ℓ 이하에서, 환원전위는 급강하하였다. 여과물에 대한 우라늄의 손실은 공급되는 불화물 및 황산염의 농도에 따라 증가함을 실험실 실험으로 알 수 있었다. 따라서 실시예 1에서 행한대로 석호용액을 희석하는 것이 바람직하다.

특히 석호 용액내에서와 같이, 황산염 및 불화물의 농도가 상대적으로 약 1~1.5M이상 높을때 용액에 소듐이온을 부가하면 여과물에 대한 우라늄의 손실이 감소됨을 발견하였다.

[실시예 2]

전기한 바와 같이 219ppm의 우라늄을 함유하는 석호용액 실험에서, 희석되지 않은 용액에 Na₂S₂O₄를 부가하였을때의 효과를 조사하였다. 다음과 같은 평균결과를 얻었다.

따라서, 0.05몰의 농도가 되도록 충분한 양의 질산나트륨 또는 염화나트륨을 부가함으로써 우라늄손실이 크게 감소될 수 있다. 초산나트륨 같은 비간섭 음이온(non-interferring anions)을 가지는 다른 나트륨염이 대체될 수 있지만 염화나트륨의 가격이 싸고 처리면에서 더할 나위없기 때문에 다른 염을 사용할 기술적 으로 또는 경제적 이유는 없다.

본 방법은 암모늄 디우라네이트 방법에서 유도된 폐용액으로부터의 회수에 대해 기재하였지만 더 넓게 적용된다. 상기 방법은 소량의 우라늄성분(즉, 거의 100ppm의 우라늄)을 함유한 용액으로부터 우라늄을 회수하는데 특히 적용가능하지만 동일 환원제에 의해 고농도의 용액으로부터 우라늄이 침전가능하므로 상기 용액에만 제한되지는 않는다. 침전화에 있어 불화이온 및 암모눔 이온이 화학양론적 양보다 많은 비율로 존재할 것이 필요하지만, 용액내에 처음부터 존재할 필요는 없다. 존재하지 않는다면 부가가능하다. 소듐하이드로설파이트를 부가하면 침전이 생성될 것이고 이것이 본원의 기본양상이다.

Claims (8)

1. 우라늄(6가 상태), 불화이온 및 암모늄 이온을 함유하는 용액을 사용하거나 또는 만든 다음, 상기 용액에 소듐하이드로설파이트를 가하여, 나트륨, 암모늄 및 우라늄(6가 상태)을 함유하는 침전물을 회수함으로써 우라늄을 분리하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 용액 수백 ppm의 우라늄, 수만 ppm의 불화물 및 약 50-수십만 ppm의 황산염을 함유하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 강한 환원조건을 만들기에 충분한 소듐하이드로설파이트를 가하는 방법.
4. 제 2 항에 있어서, 정규의 수소전극에 대해 -300mV의 용액 전위를 갖도록 충분한 소듐하이드로설파이트를 가하는 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 용액내의 염의 양이 최소한 약 0.05몰이 되도록 충분한 나트륨염을 가하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 염이 질산나트륨 또는 염화나트륨인 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 나트륨염이 염화나트륨인 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 침전물을 알루미늄니트레이트 노나하이드레이트 수성용액 질산 또는 이들의 혼합물내에 용해시키는 방법.