WO2017052314A1 - 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군(群)과 희토류원소군을 분리하는 방법 및 이를 이용한 분리 장치 - Google Patents

비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군(群)과 희토류원소군을 분리하는 방법 및 이를 이용한 분리 장치 Download PDF

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liquid metal
lead alloy
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rare earth
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황일순
손성준
박재영
박병기
한병찬
최성열
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서울대학교산학협력단
연세대학교 산학협력단
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    • G21C19/42—Reprocessing of irradiated fuel
    • G21C19/44—Reprocessing of irradiated fuel of irradiated solid fuel
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies

Definitions

  • the present invention utilizes bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal of high purity plutonium for low concentrations of actinium group and rare earth element group remaining in molten salt generated in pyroprocessing, which is a key part of dry separation process. Acts on recovering actinium element group while preventing the purification of sensitive nuclear materials. Actinium group in radioactive waste containing rare earth element group and minimizing rare earth element group in recovered actinium element group It relates to a method for minimizing the content of the element group.
  • Bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal refers collectively to pure liquid bismuth or pure liquid lead, or all mixtures thereof.
  • nuclear power generation methods are actively applied at home and abroad.
  • Nuclear power produces by-products of highly radioactive spent fuel in the production of electricity or energy.
  • nuclear power generation is greatly damaged by the high level of waste.
  • the pyroprocessing method which is a key part of the dry separation process for spent nuclear fuel developed in Korea, uses hot molten salt instead of water as a solvent and charges oxide fuel to make chloride after electrolytic reduction, and based on its electrolytic technology.
  • the potential difference between the actinium element group and the rare earth element group is separated.
  • This method has excellent process safety against nuclear critical accidents and radioactivity and has strengths over current commercial wet reprocessing technologies in terms of secondary waste generation, nuclear proliferation resistance, and future nuclear conversion technology.
  • Spent fuels contain large amounts of long-lived, high-level wastes, such as actinium group elements with half-lives exceeding tens of thousands of years, and at the same time include many high-heated long-lived nuclides, including short-lived rare earth elements.
  • Waste generated in the pyroprocessing-based dry separation process currently being developed at home and abroad is reduced in volume, but its disposal as a high-level waste has no proven disposal experience in terms of safety and security in any country in the world.
  • the medium level wastes with the world's safe disposal experience by minimizing the radioactive level and thermal density of the wastes disposed by the maximum recovery of the actinium element group in the high level wastes emitted by the dry separation process.
  • the pyroprocessing process currently being developed at home and abroad uses electrolytic refining to recover uranium using a solid cathode, and electrolytic refining to recover ultra uranium elements using a liquid negative electrode such as cadmium. Molten salt purification process to recover some of the ultra uranium element. Nevertheless, the contents of long-lived and high-heating nuclides contained in the final radioactive waste should be high and should be treated as high-level waste.
  • the advanced pyroprocessing process using the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal of the present invention undergoes electrorefining and electrorefining processes currently being developed at home and abroad, and actinium group group ions such as uranium and ultrauranium elements and rare earth element group ions. Equipped with a function to purify the high-level radioactive molten salt, including.
  • the molten salt purification technique of the present invention consists of electrolytic electrodeposition using bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal anode and oxidation extraction through oxidant injection, and is used based on the patented technology.
  • Characteristic of the present invention is that after the formation of the dissimilar metal compound, a difference in density occurs between the two element groups so that the actinium group is denser than the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal, while the rare earth element group is bismuth or bismuth-lead alloy. By using the fact that the density is less than the liquid metal to improve the purification efficiency.
  • Metals such as gallium and cadmium which are liquid at high temperatures, are less dense than actinium and rare earth elements, while the density of bismuth or bismuth-lead alloy liquid metals is lower than actinium and is higher than rare earth elements, making them easier to separate. .
  • Cadmium is a liquid metal used in the pyroprocessing process currently being developed at home and abroad. Compared with the liquid metal, cadmium is advantageous in terms of dissolution of electrodeposits, but is disadvantageous in terms of separation performance of actinium group and rare earth element group. It is causing pollution problems of facilities.
  • Patent Document KR 10-2011-0087907 discloses a method for separating actinium element groups and rare earth element groups through electrolytic electrodeposition and oxidation extraction using liquid bismuth and bismuth chloride, and the present invention provides electrolytic electrodeposition.
  • the present invention separates the actinium element group from the molten salt purification technique using the liquid cadmium metal and further separates the actinium element group and the rare earth element group from the remaining molten salt using bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal.
  • the purpose is to provide a way to do this.
  • the present invention provides bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal anodes of actinium group group ions and rare earth element group ions present in the molten salt through electrolytic smelting technology using bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal as a cathode.
  • Electrolytic electrodeposition is characterized in that.
  • the dissimilar metal compound of the liquid metal-actinium group element and the liquid metal-electrode are electrodeposited so as to exceed the solubility in the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal during electrolytic electrodeposition of the actinium group and the rare earth element group. It is characterized by producing a dissimilar metal compound of the rare earth element group.
  • the present invention relates to the sedimentation principle and centrifugation principle of the heterometal compound of the liquid metal-actinium group and the heterometal compound of the liquid metal-rare earth element group generated in the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal.
  • Magnetic separation using a magnetic, or a combination thereof is characterized by separating.
  • the present invention is a method of separating the actinium element group and the rare earth element group included in the high-level radioactive molten salt generated in pyroprocessing using bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal, the two element groups and the liquid metal. Forming a dissimilar metal compound, and separating the two element groups using the density difference of the dissimilar metal compound formed, and the high level radioactive melting generated in the pyro processing using the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal. And a method of separating the actinium group and the rare earth element group included in the salt.
  • the present invention includes the steps of contacting a bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal with a molten salt comprising actinium group element ions and rare earth element group ions; Mounting a highly stable metal rod to the molten salt and connecting a current supply mechanism to the metal rod and a bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal; Applying a current to the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal metal, and reacting the actinium group element ions and the rare earth element group ions in the molten salt to electrodeposit the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal metal; And separating the liquid metal-rare earth element group heterometal compound and the liquid metal-actinium group element heterometal compound produced in the electrodeposition step by density difference.
  • Separation method of the actinium group and the rare earth element group in the molten salt using the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal of the present invention is a radioactive waste which is mainly the rare earth element group which is finally generated in the pyroprocessing process of spent nuclear fuel. Reducing the radioactive level of the waste by reducing the proportion of actinium element group present in the wastes can ultimately improve the environment of the radioactive waste disposal site.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electrolytic smelting cell for electrodepositing actinium group elements and rare earth element groups on a bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal in the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a process in which the actinium element group and the rare earth element group are electrodeposited on the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal as an electrolytic smelting process.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing a device for separating the liquid metal-actinium group element heterometal compound and the liquid metal-rare earth element group heterometal compound from the liquid bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal by a gravity action principle.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing a device for separating the heterometal compound of the liquid metal-actinium group element and the heterometal compound of the liquid metal-rare earth element group generated in the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal by centrifugation principle.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating the entire process of separating the liquid metal-actinium group element heterometal compound and the liquid metal-rare earth element group heterometal compound from a liquid bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal.
  • a bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal is brought into contact with a hot molten salt in which actinium group element ions and rare earth element group ions are present.
  • Electrolytic smelting equipment is equipped with a cathode metal rod having higher standard electrode potential than tungsten group such as tungsten, rare earth element group and molten salt, and bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal as a cathode. It is composed.
  • Metal rods with high standard electrode potentials operate as inert anodes, and chlorine gas is generated by oxidation of chloride ions at the anode when current is applied.
  • Bismuth or bismuth-lead alloy liquid metals act as cathodes and, upon application of current, metals are electrodeposited by reduction of actinium and rare earth element ions present in the molten salt at the cathode.
  • Another method for improving the production of dissimilar metal compounds in the electrolytic electrodeposition without using a sacrificial anode using the same bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal as the cathode as a cathode material without contaminating molten salts is also an improvement technique.
  • the actinium group In the molten salt of LiCl-KCl at 500 ° C, the actinium group has a standard electrode potential of about 0.5 to 1 V higher than that of the rare earth element group, and thus is reduced before the rare earth element group as shown in FIG. 2, thereby reducing the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal. Electrodeposited on the cathode. After sufficient reduction of the actinium group, the rare earth element group is also reduced and electrodeposited on the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal cathode.
  • the actinium group and the rare earth element group show very low solubility with respect to the liquid metal.
  • the element When the element is electrodeposited to the liquid metal in excess of solubility, it forms a heterometal compound with the liquid metal.
  • Heterometal compounds formed by bismuth or bismuth-lead alloy liquid metals with actinium group and rare earth element group are all solid in bar bismuth or bismuth-lead alloy liquid metals with melting point lower than 830 degrees and higher than process temperature 500 degrees. Exists as.
  • the density of actinium group metals is 12-20 g / cm 3
  • the rare earth metals are 4.5-7.9 g / cm 3
  • the density of the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal at 500 degrees is about 9.7-11.3 g / cm 3 .
  • Bismuth or bismuth-lead alloy liquid metals obtained through electrolytic smelting, heterometal compounds of the liquid metal-actinium group element, and heterometal compounds of the liquid metal-rare earth element group are shown in FIG. Is distributed as in the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal phase.
  • the floating liquid metal-rare earth group heterometal compound which has a lower density in the bismuth-lead alloy liquid metal, is removed from the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal metal using a filter device capable of filtering solid particles. Then, the valve of the pipe connected to the lower part of the device is opened, and the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal flows downward by gravity, and the liquid metal-actinium group element heterometal compound is collected by a filter installed inside the pipe.
  • a device using a centrifugal separation principle may be used as shown in FIG. 4. have.
  • a bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal containing a solid dissimilar metal compound at a high temperature is rotated so that a dissimilar metal compound of the liquid metal-rare earth element group, a pure bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal, and the liquid metal- in a radial direction.
  • the heterometal compound of the liquid metal-actinium group element is collected at the edge of the rotating bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal by arranging the heterometal compound of the actinium element group, and the heterogeneous of the liquid metal-rare earth element group at the center. Metal compounds are collected to achieve group separation between actinium group and rare earth group.
  • the bismuth or bismuth-lead alloy liquid metal from which the dissimilar metal compound is removed is reused as a cathode in the electrolytic smelting cell of FIG.
  • the dissimilar metal compound of the liquid metal-rare earth element group collected is stabilized by vitrification of radioactive waste and then disposed of as radioactive waste having a low radioactive level.
  • the dissimilar metal compound of the liquid metal-actinium group element group collected by the above process is dissolved in molten salt to generate actinium group element ions and recycled to the dry separation electrosmelting process of pyroprocessing.

Abstract

본 발명은 사용후핵연료 파이로프로세싱공정에서 발생하는 용융염 내에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 고온에서 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 사용하여 분리함으로써 건식분리공정에서 발생하는 최종폐기물의 방사성준위 및 열밀도를 낮추어 고준위페기물을 모두 중준위폐기물 또는 저준위폐기물로 정화하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 용융염 내에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군은 전해제련으로부터 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내부로 환원 및 용해되어 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내에서 액체 또는 고체상태의 이종금속화합물을 형성하면서 동일 원소군 내의 원소들간의 평형전위가 근접하게 되어 원소별 분리를 어렵게 만들되, 그 이종금속화합물의 밀도가 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속보다 크거나 또는 작아서, 두 가지 원소족의 이종금속화합물을 밀도 차를 이용하여 분리하며 이를 위하여 여과기, 교반기, 원심분리기, 자기장발생기, 배관, 밸브가 포함된 장치를 구성할 수 있으며 이종금속화합물을 수거하고 남은 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속은 분리 후 자체 정화되어 전해전착에서 재사용될 수 있는 특징을 갖는다.

Description

비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군(群)과 희토류원소군을 분리하는 방법 및 이를 이용한 분리 장치
본 발명은 건식분리공정의 핵심부분인 파이로프로세싱(Pyroprocessing)에서 발생하는 용융염에 잔류하는 낮은 농도의 악티늄족원소군과 희토류원소군을 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 고순도의 플루토늄 등 민감 핵물질의 정제를 막으면서 악티늄족원소군을 회수하는 방법에 대한 것으로 회수된 악티늄족원소군에 희토류원소군의 함량을 최소화하며 최종적으로 발생하는 희토류원소군이 포함된 방사성폐기물 내 악티늄족원소군의 함량을 최소화하는 방법에 관한 것이다. 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속이라 함은 순수한 액체 비스무스 또는 순수한 액체 납, 또는 이의 모든 혼합물을 총체적으로 지칭한다.
이산화탄소 발생 문제에 대한 근본적인 해결책으로 국내외에서 원자력 발전 방식은 활발하게 적용되고 있다. 원자력발전은 전력 또는 에너지 생산과정에서 고방사능의 사용후 핵연료를 부산물로 생산한다. 그러나 원자력발전은 고준위페기물의 발생으로 인하여 환경보호 효과가 크게 훼손되고 있다. 원자력 발전의 지속가능성 확보를 위해 효과적인 사용후 핵연료의 처리방법이 필요하다.
국내에서 개발되고 있는 사용후 핵연료 처리를 위한 건식분리공정의 핵심 부분인 파이로프로세싱 방법은 용매로써 물 대신 고온의 용융염을 사용하고 산화물핵연료를 장입하여 전해환원 후 염화물을 만들고 이의 전해기술 기반으로 악티늄족원소군과 희토류원소군 사이의 전위차이를 이용하여 분리한다. 이 방법은 핵임계사고 및 고방사능에 대한 공정 안전성이 우수하고 2차 폐기물 발생량, 핵확산저항성, 미래핵변환기술과의 연계성 측면에서 현재 상용화된 습식재처리 기술에 대비하여 강점을 가진 기술이다.
사용후 핵연료는 반감기가 수 만년을 초과하는 악티늄족원소군 등의 장수명 고준위폐기물을 다량 함유하며 동시에 단수명의 희토류원소군 등 고발열 장수명 핵종을 다수 포함한다. 현재 국내외에서 개발중인 파이로프로세싱 기반의 건식분리공정에서 발생하는 폐기물은 부피가 감소하였으나 고준위폐기물로서 이의 처분은 세계 어느 국가도 안전성 및 안보성 측면에서 입증된 처분 경험을 갖추지 못하고 있다. 원자력발전을 이용하는 인구 고밀국들을 고려할 때 건식분리공정에서 방출되는 고준위폐기물 내의 악티늄족원소군을 최대로 회수하여 처분되는 폐기물의 방사성준위 및 열밀도를 최소화하여 세계적으로 안전한 처분경험을 갖춘 중준위폐기물 또는 저준위폐기물로 정화하는 것이 바람직하다.
현재 국내외에서 개발중인 파이로프로세싱 공정은 고체 음극을 사용하여 우라늄을 회수하는 전해정련, 카드뮴 등의 액체 음극을 사용하여 초우라늄원소를 회수하는 전해제련, 전해정련과 전해제련에서 발생한 폐용융염 내 초우라늄원소를 일부 회수하는 용융염 정화공정을 포함한다. 그럼에도 불구하고 최종 방사성폐기물에 포함된 장수명 핵종 및 고발열 핵종의 함량이 높아 고준위페기물로 처리되어야 한다.
반면, 본 발명의 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용한 선진 파이로프로세싱 공정은 현재 국내외에서 개발중인 전해정련과 전해제련공정을 거쳐서 우라늄, 초우라늄원소 등 악티늄족원소군 이온과 희토류원소군 이온을 포함하는 고준위방사성 용융염을 정화하는 기능을 갖추었다. 본 발명의 용융염 정화기술은 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 음극을 사용한 전해전착 및 산화제 주입을 통한 산화추출로 구성되며 이에 대해 특허가 등록된 기술을 기반으로 사용한다. 추가적으로 잘 알려진 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속과 악티늄족원소군 간의 이종금속화합물 형성과 또한 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속과 희토류원소군 간의 이종금속화합물 형성 현상을 이용한다. 본 발명의 특징은 이종금속화합물 형성 후에 두 원소군 사이에 밀도의 차이가 발생하여 악티늄족원소군은 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속보다 밀도가 크고, 반면 희토류원소군은 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속보다 밀도가 작다는 사실을 이용함으로써 정화효율을 개선하는 것이다. 고온에서 액체인 갈륨과 카드뮴 등의 금속은 악티늄족원소군 및 희토류원소군보다 밀도가 낮은 반면 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속의 밀도는 악티늄족원소군보다 낮고 희토류원소군보다 높아서 분리가 용이하다.
현재 국내외에서 개발중인 파이로프로세싱공정에서 사용하는 액체금속으로 카드뮴은 상기 액체금속과 비교하여 전착물의 용해 측면에서는 유리하지만 악티늄족원소군과 희토류원소군의 분리성능 측면에서는 불리하며 또한 증기압이 높아서 공정설비의 오염문제를 발생시키고 있다.
본 발명에서는 사용후 핵연료 및 국내 방사성 폐기물 분류기준법에 근거한 고준위폐기물의 처분이 쉽지 않은 국내 상황을 고려하였을 때 카드뮴을 이용한 용융염 정화기술의 악티늄족원소군에 대한 군분리의 단점을 개선한 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용한 용융염 내 악티늄족원소군을 군분리하는 방법을 제시하였다.
한편, 특허문헌 KR 제10-2011-0087907호에는 액체 비스무스 및 비스무스 염화물을 이용하여 전해전착 및 산화추출을 통해 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법이 기재되어 있고, 본 발명은 전해전착을 통한 이종금속화합물의 물리적 분리 방법에 관한 것으로 차별점을 갖는다.
본 발명은 상기한 액체 카드뮴 금속을 이용한 용융염 정화기술에서 악티늄족원소군을 분리하고 남은 용융염에 존재하는 악티늄족원소군과 희토류원소군을 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 사용하여 추가 분리하는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속를 음극으로 하는 전해제련 기술을 통해 용융염 내 존재하는 악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온을 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 음극에 전해전착시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 악티늄족원소군 및 희토류원소군의 전해전착 시 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내에서의 용해도를 초과하도록 전착시키면서 상기 액체금속-악티늄족원소군의 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군의 이종금속화합물을 생성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내에 생성된 상기 액체금속-악티늄족원소군의 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군의 이종금속화합물을 중력작용에 의한 침강원리, 원심분리 원리, 자성을 이용한 자성분리, 또는 이들의 조합기술을 적용하여 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법으로서, 상기 두 가지 원소군과 상기 액체금속의 이종금속화합물을 형성하고, 형성된 이종금속화합물의 밀도차이를 이용하여 두 가지 원소군을 분리하는 단계를 포함하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법을 포함한다.
본 발명은 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온을 포함하는 용융염에 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속를 접촉시키는 단계; 상기 용융염에 안정성이 높은 금속 막대를 장착하고, 상기 금속 막대와 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속에 전류공급기구를 연결하는 단계; 상기 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속에 전류를 인가하고, 상기 용융염 내 악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온이 환원 반응하여 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속에 전착되는 단계; 및 상기 전착하는 단계에서 생성된 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물 및 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물이 밀도차이에 의해 분리되는 단계를 포함한다.
본 발명의 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용한 용융염 내 악티늄족원소군과 희토류원소군의 분리 방법은 사용후 핵연료의 파이로프로세싱 공정에서 최종적으로 발생하는 희토류원소군이 주가 되는 방사성폐기물에 존재하는 악티늄족원소군 성분비율을 감소시켜 폐기물의 방사성준위를 낮춰 최종적으로 방사성폐기물 처분장의 환경을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에서 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속에 악티늄족원소군과 희토류원소군을 전착시키기 위한 전해제련 셀을 나타낸 단면도.
도 2는 전해제련 과정으로 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속에 악티늄족원소군과 희토류원소군이 전착되는 과정을 나타낸 단면도.
도 3은 액체 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속으로부터 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물을 중력작용 원리로 분리하는 장치를 나타낸 단면도.
도 4는 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내에 생성된 상기 액체금속-악티늄족원소군의 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군의 이종금속화합물을 원심분리 원리로 분리하는 장치를 나타낸 단면도.
도 5는 액체 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속으로부터 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물을 분리하는 과정 전체를 나타낸 흐름도.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 용융염에 존재하는 악티늄족원소군과 희토류원소군을 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 사용하여 추가 분리하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 1과 같이 악티늄족원소군 이온과 희토류원소군 이온이 존재하는 고온의 용융염에 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 접촉시킨다. 용융염에 텅스텐 등 악티늄족원소군, 희토류원소군 및 용융염보다 표준전극 전위가 높은 양극 금속 막대를 장착하고 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 음극으로 구성하여 전류공급기구에 연결하면 전해제련 장치가 구성된다.
표준전극전위가 높은 금속 막대는 비활성양극으로 작동하고 전류 인가 시 양극에서 염화 이온의 산화반응으로써 염소기체가 발생한다. 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속은 음극으로 작동하고 전류 인가 시 음극에서 용융염 내 존재하는 악티늄원소군 및 희토류원소군 이온의 환원반응으로써 금속이 전착된다. 양극재료로 음극과 동일한 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 사용하는 희생양극을 사용하여 용융염을 오염시키지 않으면서 전해전착에서 이종금속화합물의 생성을 촉진시키는 방법도 개선기술의 하나가 된다.
500도의 LiCl-KCl 용융염에서 악티늄족원소군은 희토류원소군과 비교하여 약 0.5~1 V 높은 표준전극전위를 가지므로 도 2와 같이 희토류원소군보다 먼저 환원되어 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 음극에 전착된다. 충분한 악티늄족원소군의 환원 이후 희토류원소군도 환원되어 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 음극에 전착된다.
상기 액체금속과 악티늄족원소군 간의 이성분계 상평형도와 상기 액체금속과 희토류원소군 간의 이성분계 상평형도에 따르면 악티늄족원소군과 희토류원소군은 상기 액체금속에 대해 매우 낮은 용해도를 보이고 있기 때문에 해당 원소가 용해도를 초과하여 상기 액체금속에 전착될 시 상기 액체금속과 이종금속화합물을 형성한다.
비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속이 악티늄족원소군 및 희토류원소군과 형성하는 이종금속화합물은 용융점이 최하 830도 이상으로 공정온도 500도보다 높은 바 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내에서 모두 고상으로 존재한다.
악티늄족금속의 밀도는 12~20 g/cm3, 희토류금속의 밀도는 4.5~7.9 g/cm3이고 500도의 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속의 밀도는 약 9.7~11.3 g/cm3임을 고려하면 전해제련을 통해 획득한 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속과 상기 액체금속-악티늄족원소군의 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군의 이종금속화합물은 각 성분의 밀도차이에 의해 도 2의 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 상에서와 같이 분포하게 된다. 밀도 차이에 의해 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 상에서 서로 다른 위치에 분포하는 이종금속화합물을 분리하기 위하여 중력작용에 의한 침강원리, 원심분리 원리, 자성을 이용한 자성분리, 또는 이들의 조합기술을 적용한다. 각각의 적용방법은 다음과 같다.
비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내에 존재하는 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물을 분리하기 위해 중력작용원리를 이용하는 도 3에 나타난 장치에서 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 에서 이보다 낮은 밀도를 가지기 때문에 떠있는 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물은 고형 입자를 여과할 수 있는 여과기 장치를 이용하여 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속상에서 제거하고 나서 장치 하부에 연결된 배관의 밸브를 열고 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 중력에 의해 아래로 흘려 보내면 배관 내부에 설치된 여과기에서 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물을 수거한다.
비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 내에 존재하는 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물과 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물을 분리하기 위해 도 4와 같이 원심분리원리를 이용하는 장치를 활용할 수 있다. 고온에서 고형의 이종금속화합물을 포함하는 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 회전시켜 반경 방향으로 상기 액체금속-희토류원소군의 이종금속화합물, 순수한 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속, 상기 액체금속-악티늄족원소군의 이종금속화합물로 배열되도록 함으로서 회전하는 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 가장자리에서 상기 액체금속-악티늄족원소군의 이종금속화합물을 수거하고 중심에서 상기 액체금속-희토류원소군의 이종금속화합물을 수거하여 악티늄족원소군과 희토류원소군 사이의 군분리를 달성한다.
도 5와 같이 상기 과정이 종료된 후에 이종금속화합물이 제거된 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속은 도 1의 전해제련 셀에서 음극으로 재사용한다. 수거된 상기 액체금속-희토류원소군의 이종금속화합물은 방사성폐기물의 유리화공정을 이용하여 안정화시킨 후에 방사성 준위가 낮은 방사성폐기물로 처분한다. 상기 과정으로 수거된 상기 액체금속-악티늄족원소군의 이종금속화합물은 용융염에 용해시켜 악티늄족원소군 이온을 생성하여 파이로프로세싱의 건식분리 전해제련공정으로 재순환시킨다.

Claims (11)

  1. 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법으로서, 상기 두 가지 원소군과 상기 액체금속의 이종금속화합물을 형성하고, 형성된 이종금속화합물의 밀도차이를 이용하여 두 가지 원소군을 분리하는 단계를 포함하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  2. 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법으로서,
    비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온을 포함하는 용융염에 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속를 접촉시키는 단계;
    상기 용융염에 안정성이 높은 금속 막대를 장착하고, 상기 금속 막대와 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속에 전류공급기구를 연결하는 단계;
    상기 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속에 전류를 인가하고, 상기 용융염 내 악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온이 환원 반응하여 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속에 전착되는 단계; 및
    상기 전착하는 단계에서 생성된 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물 및 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물이 밀도차이에 의해 분리되는 단계;
    를 포함하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 두 가지 원소군 간의 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속에 전류를 인가한 전해전착을 이용하여 이종금속화합물을 형성하는 것을 특징으로 하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속이 갖는 증기압을 이용하여 분리공정설비에 액체금속 오염을 낮추고 생산성을 개선한, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 두 가지 원소군 간의 군분리를 다단계의 연속공정으로 결합하여 두 가지 원소군 간의 군분리 능력을 개선한 것을 특징으로 하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 전착되는 단계는 악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온의 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속에 대한 용해도를 초과하는 범위에서 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물 및 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물을 생성하는 것을 특징으로 하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  7. 제2항에 있어서, 분리되는 단계는,
    상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물이 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 상부에서 여과장치에 의해 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속으로부터 분리되는 단계; 및
    상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물이 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 하부에서 중력, 원심력, 자기력 또는 이들의 조합에 의해 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속으로부터 분리되는 단계;
    를 포함하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 밀도차이를 가지는 두 원소 군의 이종금속화합물을 고온 원심분리 원리를 이용하여 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 단계를 더 포함하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  9. 제2항에 있어서, 금속 막대는 표준전극전위가 용융염보다 높은 것을 특징으로 하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전해전착을 구동하기 위한 양극재료로 음극과 동일한 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 사용하는 희생양극을 특징으로 하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 방법.
  11. 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 장치로서,
    악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온을 포함하는 용융염에 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 접촉시킨 전해제련 셀;
    상기 용융염 안에서 비활성양극으로 이용되는 금속 막대;
    상기 금속 막대와 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속에 전류를 공급하는 전원 장치;
    비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 금속에 전류를 인가하고, 상기 용융염 내 악티늄족원소군 이온 및 희토류원소군 이온이 환원반응하여 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속 에 전착 후 생성된 상기 액체금속-희토류원소군 이종금속화합물 및 상기 액체금속-악티늄족원소군 이종금속화합물을 밀도차에 의해 분리시키는 여과기;
    를 포함하는, 비스무스 또는 비스무스-납 합금 액체금속을 이용하여 파이로 프로세싱에서 발생하는 고준위방사성 용융염에 포함된 악티늄족원소군과 희토류원소군을 분리하는 장치.
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