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기술거래는 양방향 경매방식으로 이루어집니다.
기술을 매수한 당사자는 거래금액의 전부 혹은 10퍼센트(%)를 당일 본원에 입금하여야 하며, 10% 나머지 잔금은 거래일로부터 2일 이내(거래일 익일)에 납부하여야 합니다. 만약 위 지정 기간내에 매수자가 입금하지 않으면 거래는 무효가 되며, 잔금도 기한내에 입금되지 않으면 매도자로 귀속됩니다. 이는 매도자의 기한의 이익상실을 보장함 입니다.
기술거래의 수수료는 기술의 이전 및 사업화 촉진에 관한 법률 시행규칙 산업통상자원부령 제48호 의거 기술이전 금액의 13퍼센트∼기술이전 금액의 17.5퍼센트로 되어있지만, 본 거래사이트에서는 매도‧매수인 각각 10%로 합니다.
이때 매수인의 매수금액(당사로 입금되는 금액)에서 수수료 각각10% 인 20%를 공제한 후 매도인에게 계좌이체를 하여야 합니다.
또한 권리이전(특허)비용은 기술양수인(매수자)부담이며 그 비용은 별도입니다.
특허청구의 범위
청구항 1
방사성 핵종을 함유하는 염폐기물의 재활용방법에 있어서,액상의 상기 염폐기물을 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상변태(liquidto solid phase transition)시켜 상기 방사성 핵종이 상기 고화된 염폐기물 내에 불균질하게 편석(segregation)되도록 고화시키는 단계 및상기 방사성 핵종이 고 농도로 편석된 염폐기물의 일 부분을 제거하고 상기 방사성 핵종이 저 농도로 편석된 염폐기물을 핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에 재사용하는 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의재활용방법
청구항 2
제 1항에 있어서,상기 방사성 핵종은 Cs 및 Sr에서 하나 이상 선택된 핵종인 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 3
제 1항에 있어서,상기 염폐기물은 LiCl염 또는 LiCl-KCl 혼합염인 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 4
제 1항 내지 제 3항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 방사성 염폐기물의 재활용방법은
(a) 제 1 히터 및 제 1 냉각기를 사용하여 상기 염폐기물이 담긴 용기 상부를 고상과 액상이 공존하는 2상(twophase) 영역의 온도로 제어하며, 제 2 히터를 사용하여 상기 용기 하부를 염폐기물의 액상 영역의 온도로 제어하는 단계;
(b) 상기 염폐기물이 담긴 용기를 수직으로 이송시켜 상기 액상 염폐기물을 탑-다운 방향으로 고화시키는 단계;
(c) 상기 용기 하부 영역에서 고화되어 방사성 핵종이 고 농도로 편석된 염폐기물을 분리 제거하는 단계; 및d) 상기 분리 제거된 후 남아 있는 염폐기물을 재사용하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 5
제 4항에 있어서,(a)단계는 상기 염폐기물이 담긴 용기과 함께 이송되며 상기 용기의 최상부로부터 일정거리 이격된 제 2 냉각기를 사용하여 용기 내부 수평 방향의 온도 편차를 감소시키는 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의재활용방법.
청구항 6
제 4항에 있어서,상기 염폐기물은 LiCl염이며, (a) 단계의 상기 고상과 액상이 공존하는 2상 영역의 온도는 490 내지 530℃인 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 7
제 4항에 있어서,상기 염폐기물은 LiCl-KCl 혼합염이며, (a) 단계의 상기 고상과 액상이 공존하는 2상 영역의 온도는 290 내지330℃인 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 8
제 4항에 있어서,(a) 단계의 고상과 액상이 공존하는 2상(two phase) 영역의 고/액 계면에서 액상방향으로 5℃/cm 내지 15℃/cm의 온도구배를 갖는 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 9
제 4항에 있어서,(b) 단계의 상기 용기의 상승 속도는 1mm/h 내지 10mm/h인 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 10
제 4항에 있어서,(c) 단계에서 분리 제거되는 염폐기물은 전체 염폐기물의 5 중량% 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 방사성염폐기물의 재활용방법.
청구항 11
제 4항에 있어서,상기 (c) 단계 이후, (a) 내지 (c) 단계가 다시 반복되어 수행되는 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용방법.
청구항 12
Cs 및 Sr군에서 하나 이상 선택된 방사성 핵종을 함유하는 염폐기물의 재활용장치에 있어서,상기 염폐기물이 담긴 내화용기;상기 내화용기 상부 측면에 구성되어 열역학적으로 안정한 염폐기물의 고/액 계면이 형성되도록 온도를 제어하는 제 1 히터 및 제 1 냉각기;상기 내화용기 하부 측면에 구성되어 상기 고/액 계면의 하부 영역을 액상으로 유지시키는 제 2 히터;상기 내화용기 최상부로부터 일정거리 이격되어 구성되어 용기 내부 수평 방향의 온도 편차를 감소시키는 제 2냉각기;기 제 1히터 및 상기 제 2 히터와 상기 내화용기 사이에 구비된 단열재;상기 단열재에 일정 깊이로 삽입되어 상기 내화용기의 수직 방향에 따른 온도 분포를 검출하는 다수의온도센서;상기 내화용기 및 상기 제 2 냉각기를 수직 이송시키는 이송장치; 및상기 수직 이송된 내화용기가 보관되는 불활성 기체 분위기의 저장부; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용장치.
청구항 13
제 12항에 있어서,상기 제 1히터 및 제 1 냉각기에 의해 상기 고/액 계면에서 액상방향으로 5℃/cm 내지 15℃/cm의 온도구배가 형성되는 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용장치.
청구항 14
제 12항에 있어서,상기 이송장치에 의해 상기 내화용기는 1mm/h 내지 10mm/h의 속도로 수직 이송되는 것을 특징으로 하는 방사성염폐기물의 재활용장치.
청구항 15
제 12항에 있어서,상기 내화용기는 알루미나인 것을 특징으로 하는 방사성 염폐기물의 재활용장치.
명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 사용후 핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing)공정에서 발생하는 [0001] 방사성 염폐기물을 재활용하기위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 방사성 염폐기물의 고액상변태(liquid to solid phase transition)에 의해 방사성 핵종의 불균일 편석을 유도하여, 저 농도의 방사성 핵종을 함유하는 염폐기물만을분리하여 재활용하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
배 경 기 술
[0002] 사용후 산화물핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에서는 Cs 및 Sr을 함유하는 LiCl 염폐기물이 발생하며, 사용후 금속핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에서는 Cs, Sr 및 희토류 핵종을 함유하는LiCl-KCl 공융염 폐기물이 발생한다. 이러한 염폐기물내 존재하는 핵종들을 염과 분리한 후 염을 재사용하는 기술은 고준위 폐기물 감용 측면에서 매우 중요한 기술이다.
[0003] 현재 염폐기물내 존재하는 희토류핵종들은 산소와의 반응을 이용하여 산화/침전시켜 공융염폐기물과 분리가 가능하지만(대한민국 출원특허 제2007-0065134호) Cs 및 Sr의 경우에는 현재의 기술로는 분리가 어려운 실정이다.
[0004] 최근 제올라이트를 이용한 이온교환 및 인산염(phosphate)을 이용한 침전방법을 이용하여 염폐기물로부터 Cs 및r을 분리하는 연구가 진행되고 있다.
[0005] 제올라이트를 이용하여 이온교환을 통해 용융염내 존재하는 Cs 및 Sr을 제거하는 방법은 현재 연구가 진행 중으로 가능성을 타진하는 단계로써 확실한 실험적인 결론이 도출된 바 없으며 더욱이 이 공정은 LiCl-KCl 공융염에만 적용이 가능할 뿐 제올라이트 구조의 파괴로 인해 LiCl 용융염에는 적용이 불가능하다(Simpsom et al.,Global 2007, Boise, Idaha, September 9-13, 2007).
[0006] Li2PO4등과 같은 인산염(phosphate) 침전제를 이용하는 방법은 용융염내 존재하는 희토류 원소들에 대해서는 높은 침전효율을 보이나 LiCl-KCl 공융염계에서 Cs의 경우에는 Cs-phosphate가 용융염에 용해되어 분리가 불가능하고 Sr의 경우는 전환율이 0.25로 매우 낮아 실제 공정에 적용이 불가능하다. 더욱이 침전제를 사용하는 경우에는 부반응으로 인한 불순물이 형성될 수 있고 반응 중에 LiCl이 형성되어 공융조성이 변하므로 설사 핵종이제거되더라도 염의 재사용이 불가능하다(V.A. Volkovich et al., J. of Nuclear Materials, 323(49-56),2003).
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
[0007] 상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 사용후 핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에서발생하는 방사성 염폐기물 내에 존재하는 Cs 및 Sr을 효과적으로 제거하여 염폐기물을 재활용할 수 있는 방법및 장치를 제공하는 것이다.
[0008] 본 발명의 다른 목적은 사용후 핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에서 발생하는 방사성 염폐기물의종류에 관계없이 효과적으로 Cs 및 Sr을 포함하는 방사성 핵종을 제거하여 염폐기물을 재활용할 수 있는 방법및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단하고 실제 공정에 적용 가능한 방사성 핵종( Cs [0009] 및 Sr을 포함함)을 함유하는 염폐기물의 재활용 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
[0010] 본 발명의 또 다른 목적은 방사성 염폐기물을 재활용하여 최종 처리되어야 하는 고준위 방사성 폐기물의 양을기적으로 감소시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
과제 해결수단
[0011] 본 발명에 따른 방사성 핵종을 함유하는 염폐기물의 재활용방법은 액상의 상기 염폐기물을 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상변태(liquid to solid phase transition)시켜 상기 방사성 핵종이 상기 고화된 염폐기물 내에 불균질하게 편석(segregation)되도록 고화시키는 단계 및 상기 방사성 핵종이 고 농도로 편석된 염폐기물의 일 부분을 제거하고 상기 방사성 핵종이 저 농도로 편석된 염폐기물을 핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에 재사용하는 특징이 있다.
[0012] 상기 방사성 핵종은 Cs 및 Sr에서 하나 이상 선택된 핵종인 특징이 있으며, 상기 염폐기물은 LiCl염 또는 LiCl-KCl 혼합염인 특징이 있다.
[0013] 상세하게 본 발명에 따른 방사성 염폐기물의 재활용방법은 (a) 제 1 히터 및 제 1 냉각기를 사용하여 상기 염폐기물이 담긴 용기 상부를 고상과 액상이 공존하는 2상(two phase) 영역의 온도로 제어하며, 제 2 히터를 사용하 상기 용기 하부를 염폐기물의 액상 영역의 온도로 제어하는 단계; (b) 상기 염폐기물이 담긴 용기를 수직으로 이송시켜 상기 액상 염폐기물을 탑-다운 방향으로 고화시키는 단계; (c) 상기 용기 하부 영역에서 고화되어방사성 핵종이 고 농도로 편석된 염폐기물을 분리 제거하는 단계; 및 (d) 상기 분리 제거된 후 남아 있는 염폐기물을 재사용하는 단계를 포함하여 수행되는 특징이 있다.
[0014] (a) 단계는 상기 용기의 이송에 따라 균일하게 고화시키기 위해, 상기 염폐기물이 담긴 용기과 함께 이송되며상기 용기의 최상부로부터 일정거리 이격된 제 2 냉각기를 사용하여 용기 내부 수평 방향의 온도 편차를 감소시키는 것이 바람직하다.
[0015] 상기 염폐기물은 LiCl염이며, (a) 단계의 상기 고상과 액상이 공존하는 2상 영역의 온도는 490 내지 530℃인 것
이 바람직하다. 상기의 온도 범위는 통상의 LiCl 폐용융염에 함유된 방사성 핵종의 농도가 2 내지 10 중량%에따라, 핵종의 핵생성에 의한 핵종 석출을 방지하며 상기 탑-다운 방식의 순차적 고화 시 핵종의 불균질한 편석 극대화 시킬 수 있도록 최적화된 온도범위이다.
[0016] 상기 염폐기물은 LiCl-KCl 혼합염이며, (a) 단계의 상기 고상과 액상이 공존하는 2상 영역의 온도는 290 내지330℃인 것이 바람직하다. 상기의 온도 범위는 통상의 LiCl-KCl 폐용융염에 함유된 방사성 핵종의 농도가 2 내지 10 중량%임에 따라, 핵종의 핵생성에 의한 핵종 석출을 방지하며 상기 탑-다운 방식의 순차적 고화 시 핵종의 불균질한 편석을 극대화 시킬 수 있도록 최적화된 온도범위이다.
[0017] (a) 단계에서 고상과 액상이 공존하는 2상(two phase) 영역의 고/액 계면에서 액상방향으로 5℃/cm 내지 15℃/cm의 온도구배를 갖는 것이 바람직하다. 상기 범위의 온도구배에 의해 탑-다운 방식의 순차적 고화시 열역학적으로 평형량에 근접한 핵종을 함유하는 폐용융염의 고상이 순차적으로 형성되게 되며, 이에 의해 고상의 핵생성 성장의 동적 효과(kinetic effect)에 의해 핵종이 과도하게 함유되어 수직 방향(탑-다운 방향)의 불균질한석이 저해되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기의 온도구배에 의해 완전 고화된 폐용융염 고화체의 상부 및 중부 영역(고화시작 시간을 기준으로 초기 및 중기에 고화되는 영역)은 미량의 핵종을 함유하게 되고 최종적으로고화되는 하부 영역(고화시작 시간을 기준으로 후기에 고화되는 영역)은 고 농도의 핵종을 함유하게 되는 것이다.
[0018] (b) 단계의 상기 용기의 상승 속도는 1mm/h 내지 10mm/h인 것이 바람직하며, 이는 고화된 염폐기물의 고상과 액상과의 경계면(LiCl염 또는 LiCl-KCl혼합염의 다결정체로 이루어진 고상과 액상의 계면)을 편평하게 유지함과동시에 고상변태가 진행됨에 따라 액상으로 배출되는 핵종이 액상 유체의 흐름에 의해 액상 내에 균일하게 재분포되고, 고상변태의 동적 효과(kinetic effect)에 의해 불균질한 편석이 저해되는 것을 방지하는 속도이다. 또한, 상기의 상승 속도 범위는 상기의 온도구배 범위에서 탑-다운 방식의 순차적 고화 시 핵종의 불균질한 편석을 극대화 시킬 수 있도록 최적화된 고화속도를 제공하는 속도이다.
(c) 단계에서 분리 제거되는 염폐기물은 전체 염폐기물의 5 중량% 내지 20 중량%[0019] 인 것이 바람직하다. 상술한 탑-다운 방식의 순차적인 고화에 의해 완전 고화된 폐용융염 고화체의 상부 및 중부 영역은 미량의 핵종을 함유하게 되고 하부 영역에서 급격하게 핵종의 농도가 높아지게 되므로, 최 하부 영역을 기점으로 하여 전체 염폐기물의 5 중량% 내지 20 중량%에 해당하는 하부영역이 분리 제거되게 된다. 상기 중량에 해당하는 하부 영역의 염폐기물은 핵종의 급격한 편석이 발생하는 영역에 해당한다.
[0020] 염폐기물에 함유된 방사성 핵종의 농도가 낮을 경우, 상기 (a) 내지 (c)단계를 통해 고농도의 핵종 편석 영역이분리 제거된 후 남아 있는 염폐기물을 바로 재사용할 수 있으나, 염폐기물에 함유된 방사성 핵종의 농도가 높아(a) 내지 (c) 단계를 통해 충분한 핵종이 제거가 이루어지지 않는 경우, 상기 (c) 단계 이후, (a) 내지 (c) 단계가 다시 반복되어 수행될 수 있다.
[0021] 본 발명에 따른 Cs 및 Sr군에서 하나 이상 선택된 방사성 핵종을 함유하는 염폐기물의 재활용장치는 상기 염폐기물이 담긴 내화용기; 상기 내화용기 상부 측면에 구성되어 열역학적으로 안정한 염폐기물의 고/액 계면이 형성되도록 온도를 제어하는 제 1 히터 및 제 1 냉각기; 상기 내화용기 하부 측면에 구성되어 상기 고/액 계면의하부 영역을 액상으로 유지시키는 제 2 히터; 상기 내화용기 최상부로부터 일정거리 이격되어 구성되어 용기 내부 수평 방향의 온도 편차를 감소시키는 제 2 냉각기; 상기 제 1히터 및 상기 제 2 히터와 상기 내화용기 사이 구비된 단열재; 상기 단열재에 일정 깊이로 삽입되어 상기 내화용기의 수직 방향에 따른 온도 분포를 검출하는 다수의 온도센서; 및 상기 내화용기 및 상기 제 2 냉각기를 수직 이송시키는 이송장치; 및 상기 수직 이송된내화용기가 보관되는 불활성 기체 분위기의 저장부;를 포함하여 구성되는 특징이 있다.
[0022] 상기 이송장치에 의해 용기가 이송됨과 동시에 상기 저장부로 용기가 유입되며 상기 저장부는 수분을 함유하지않고 불활성 기체 분위기로 유지되는 것이 바람직하다.
[0023] 상기 제 1히터 및 제 1 냉각기에 의해 상기 고/액 계면에서 액상방향으로 5℃/cm 내지 15℃/cm의 온도구배가 형성되는 것이 바람직하며, 상기 이송장치에 의해 상기 내화용기는 1mm/h 내지 10mm/h의 속도로 수직 이송되는 것이 바람직하다.
[0024] 상기 내화용기는 알루미나인 것이 바람직하며, 상기 제 1히터 및 상기 제 2히터는 각각 발열체 및 온도제어부를포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 상기 제 1 냉각기는 냉각수를 이용한 냉각기이며 상기 냉각수의 온도를 제어하는 제어부가 더 구비될 수 있으며, 상기 냉각수 이송관이 용기 상부 외부면에 접하도록 구비되어 있는 것이바람직하다. 상기 제 2 냉각기는 냉각수를 이용한 냉각기이며 상기 냉각수의 온도를 제어하는 제어부가 더 구비될 수 있다. 상기 단열재는 내화물이며, 알루미나 블록 또는 지르코니아 블록인 것이 바람직하다.
효 과
[0025] 본 발명은 종래의 기술로는 불가능한 염폐기물에 함유된 I족(Cs) 및 2족(Sr)의 핵종을 간단한 방법 또는 장치를이용하여 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있으며, 사용후 금속핵연료 또는 산화물핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing)공정에서 발생하는 염폐기물의 80% 이상을 재활용 할 수 있으며, 염폐기물의 재활용에 의해 공정의 경제성 증가시키고, 특정의 처분장에서 장기간 외부환경으로부터 고립, 관리되어져야 하는 최종 방사성 폐기물의 양을 크게 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
[0026] 이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 방사성 염폐기물의 재활용 방법 및 장치를 상세히 설명한다. 다음에소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다.
따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
[0027] 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 방사성 염폐기물의 재활용 방법의 공정도의 일 예를 도시한 [0028] 것이다. 도 1에 도시된 바와같이 사용후 핵연료 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에서 배출된 방사성 염폐기물이 담긴 용기 상부를 고상과 액상이 공존하는 2상(two phase) 영역의 온도로 제어하고, 상기 용기 하부를 염폐기물의 액상 영역의 온도로 제어한다(s10). 이때, 2상 영역의 온도제어는 제 1 냉각기를 사용하여 고상으로의 상변태시 발생하는 잠열을효과적으로 제거함과 동시에 제 1 히터를 이용하여 일정한 온도 및 온도 구배를 유지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 상기 액상 영역은 상기 제 1 히터와 독립적으로 작동하는 제 2 히터를 사용하여 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 단계(s10)에 의해 용기의 상부측 및 용기의 하부측이 각각 개별적으로 특정 온도로 유지되는 상태에서 상기 염폐기물이 담긴 용기를 수직으로 이송시켜 상기 액상 염폐기물을 탑-다운 방향으로 고화시킨다(s20). 이때, 상기 제 1 냉각기, 제 1 히터 및 제 2 냉각기는 고정된 위치에 구비되므로 상기 단계(s20)에서 염폐기물이 담긴 용기가 수직 이송됨에 따라 용기 내부에서는 탑-다운방향으로 고상 상변태가 진행되게 된다. 용기의 최하부까지 모두 수직 이송되면 용기내 모든 염폐기물이 고화되게 되는데 상기 용기 하부 영역에서 고화되어 방사성 핵종이 고 농도로 편석된 염폐기물을 분리 제거하고(s30) 상기 분리 제거된 후 남아 있는 염폐기물을파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에 재사용한다(s40).
[0029] 상술한 바와 같이 본 발명은 종래의 화학물질의 첨가 또는 이온교환등과 같은 종래의 기술로 제거가 불가능한Cs 및 Sr 핵종을 함유하는 염폐기물을 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상변태(liquid to solid phase transition)시켜 상기 방사성 핵종이 상기 고화된 염폐기물 내에 불균질하게 편석(segregation)되도록 고화시킨 후, 상기 방사성 핵종이 고 농도로 편석된 염폐기물의 일 부분을 제거하고 상 방사성 핵종이 저 농도로 편석된 염폐기물을 사용후 핵연료의 파이로프로세싱(pyroprocessing) 공정에 재사용하는 것이다.
[0030] 상기 고화 방향성은 바람직하게 상기 방사성 염폐기물이 담긴 용기를 기준으로 상부에서 하부쪽으로 고화되는탑-다운 방향성이며, 특정한 온도 구배를 갖는 고정된 가열존(heating zone)에 상기 용기가 이송되며 고화가 진행되는 것이 바람직하다.
[0031] 방사성 염폐기물을 일정한 고화 방향성을 갖도록 순차적으로 고상변태시키기 위해 상기 특정한 온도 구배를 갖는 가열존은 염폐기물의 고상과 염폐기물의 액상이 공존하는 2상(two phase) 영역의 온도존과 상기 염폐기물의액상 영역의 온도존의 두 영역으로 구성되게 되며, 상기 용기가 이송됨에 따라 탑-다운 방향으로 고화시키기 위해 상기 2상(two phase) 영역의 온도존 하부에 상기 액상 영역의 온도존이 형성된다. 상기 가열존 내부에 존재하던 상기 용기가 상부로 이송됨에 따라 용기의 상부에서 하부로 고상변태가 진행되게 되며, 이때 고상은 고상/액상 계면의 온도 및 고상과 접하는 액상 내에 존재하는 핵종의 농도에 의해 결정되는 열역학적으로 평형값에근접한 핵종을 함유하며 고화되게 된다. 따라서 고화가 진행됨에 따라 상기 계면에서 액상쪽으로 핵종의 배출이발생하며 액상내 핵종의 농도가 점차적으로 증가하여 최종적으로 고화가 진행되는 용기의 하부영역(최하부 및최하부에 인접한 영역)에서는 고농도의 핵종을 함유하는 고상의 방사성 염폐기물이 존재하게 된다.
[0032] 상기 용기가 상기 온도존 내에 위치하며 이송되기 전 상기 방사성 염폐기물이 최초 고화가 상기 2상 영역의 온도존에서 시작되게 된다. 2상 영역의 온도존에서 염폐기물을 구성하는 염(LiCl염 또는 LiCl-KCl혼합염)의 핵생성 및 성장이 발생하며 염(LiCl염 또는 LiCl-KCl혼합염)의 다결정체로 이루어진 고상과 액상의 경계면에 형성되게 된다. 이때, 상기 고상의 염은 상기 고상과 접하는 액상에 존재하는 핵종의 농도, 상기 2상 영역의 온도존의온도, 상기 경계면에서 액상 쪽으로의 온도 구배 및 상기 용기가 이송되는 이송속도에 의해 특정한 농도의 핵종을 불순물로 함유하는 고상이 형성 성장하게 된다. 이때, 고상의 핵생성 및 성장의 동적 효과(kinetic effect)에 의해 열역학적 평형 값을 크게 벗어나는 불순물(핵종)을 함유하는 고상의 생성을 방지하며, 상기 경계면이편평하게 유지되며, 고화처리에 소요되는 시간을 단축시키기 위해 상기 2상 영역의 온도존의 온도, 상기 경계면에서 액상 쪽으로의 온도 구배 및 상기 용기가 이송되는 이송속도가 최적화 되어야 한다.
[0033] 산화물 핵연료인 경우, 상기 염폐기물은 핵종을 함유하는 LiCl염이며, 상기 고상과 액상이 공존하는 2상 영역의온도는 490 내지 530℃인 것이 바람직하다. 금속 핵연료인 경우, 상기 염폐기물은 핵종을 함유하는 LiCl-KCl혼합염이며, 상기 고상과 액상이 공존하는 2상 영역의 온도는 290 내지 330℃인 것이 바람직하다.
[0034] 상기의 온도 범위는 염폐기물의 종류 및 통상의 폐용융염에 함유된 방사성 핵종의 농도가 2 내지 10중량%임에따라, 핵종의 핵생성에 의한 핵종 석출을 방지하며 상기 탑-다운 방식의 순차적 고화 시 핵종의 불균질한 편석을 극대화 시킬 수 있도록 최적화된 온도범위이다.
[0035] 상기 고상과 액상이 공존하는 2상(two phase) 영역의 고/액 계면에서 액상방향으로 5℃/cm 내지 15℃/cm의 온도구배를 갖는 것이 바람직하다. 상기 범위의 온도구배에 의해 탑-다운 방식의 순차적 고화시 열역학적으로 평형량에 근접한 핵종을 함유하는 폐용융염의 고상이 순차적으로 형성되게 되며, 이에 의해 고상의 핵생성 및 성장의 동적 효과(kinetic effect)에 의해 핵종이 과도하게 함유되어 수직 방향(탑-다운 방향)의 불균질한 편석이저해되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기의 온도구배에 의해 완전 고화된 폐용융염 고화체의 상부 및 중부 영역(고화시작 시간을 기준으로 초기 및 중기에 고화되는 영역)은 미량의 핵종을 함유하게 되고 최종적으로 고화되는 하부 영역(고화시작 시간을 기준으로 후기에 고화되는 영역)은 고 농도의 핵종을 함유하게 되는 것이다.
상기 용기의 상승 속도는 1mm/h 내지 10mm/h인 것이 바람직하며, 이는 고화된 [0036] 염폐기물의 고상과 액상과의 경계면(LiCl염 또는 LiCl-KCl혼합염의 다결정체로 이루어진 고상과 액상의 계면)을 편평하게 유지함과 동시에 고상변태가 진행됨에 따라 액상으로 배출되는 핵종이 액상 유체의 흐름에 의해 액상 내에 균일하게 재분포되고, 고상변태의 동적 효과(kinetic effect)에 의해 불균질한 편석이 저해되는 것을 방지하는 속도이다. 또한, 상기의상승 속도 범위는 상기의 온도구배 범위에서 탑-다운 방식의 순차적 고화 시 핵종의 불균질한 편석을 극대화 시킬 수 있도록 최적화된 고화속도를 제공하는 속도이다.
[0037] 이때, 상기 용기가 상기 가열존에서 수직 이송됨에 따라 용기 내부의 수평 방향에서 균일한 고화가 발생하도록상기 염폐기물이 담긴 용기과 함께 이송되며 상기 용기의 최상부로부터 일정거리 이격된 제 2 냉각기를 사용하여 용기 내부 수평 방향의 온도 편차를 감소시키는 것이 바람직하다.
[0038] 상술한 탑-다운 방식의 순차적인 고화에 의해 완전 고화된 고화체의 상부 및 중부 영역은 미량의 핵종을 함유하게 되고 하부 영역에서 급격하게 핵종의 농도가 높아지게 되므로, 최 하부 영역을 기점으로 하여 전체 염폐기물의 5 중량% 내지 20 중량%에 해당하는 하부영역이 분리 제거되는 것이 바람직하며, 이때 고농도의 핵종을 함유한 일정 영역이 제거된 고화체의 핵종 함유량은 20중량% 내지 5중량%로 사용후 핵연료의 파이로프로세싱 공정에재활용될 수 있다.
[0039] 또한, 염폐기물에 함유된 방사성 핵종의 농도가 높아 (a) 내지 (c) 단계를 통해 충분한 핵종이 제거가 이루어지지 않는 경우, 상기 (c) 단계 이후, (a) 내지 (c) 단계가 다시 반복되어 수행될 수 있다.
[0040] 도 2는 본 발명에 따른 Cs 및 Sr군에서 하나 이상 선택된 방사성 핵종을 함유하는 염폐기물의 재활용장치의 일구성도이며, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 방사성 염폐기물 재활용장치는 상기 염폐기물이 담긴 내화용기(110); 상기 내화용기(110) 상부 측면에 구성되어 열역학적으로 안정한 염폐기물의 고/액 계면이 형성되도록 온도를 제어하는 제 1 히터(120) 및 제 1 냉각기(150); 상기 내화용기(110) 하부 측면에 구성되어 상기 고/액 계면의 하부 영역을 액상으로 유지시키는 제 2 히터(130); 상기 내화용기 최상부로부터 일정거리 이격되어 구성되어 용기 내부 수평 방향의 온도 편차를 감소시키는 제 2 냉각기(190); 상기 제 1히터(120) 및 상기 제 2 히터(130)와 상기 내화용기(110) 사이에 구비된 단열재(111); 상기 단열재(111)에 일정 깊이로 삽입되어 상기 내화용기(110)의 수직 방향에 따른 온도 분포를 검출하는 다수의 온도센서(140); 상기 내화용기(110) 및 상기 제 2냉각기(190)를 수직 이송시키는 이송장치(161,162,163,171,172,173); 및 상기 수직 이송된 내화용기(110)가 보관되는 불활성 기체 분위기의 저장부(180);를 포함하여 구성되는 특징이 있다.
[0041] 상기 제 1히터(120) 및 제 1 냉각기(150)에 의해 상기 고/액 계면에서 액상방향으로 5℃/cm 내지 15℃/cm의 온도구배가 형성되는 것이 바람직하며, 상기 이송장치(161, 162,163)에 의해 상기 내화용기(110)는 1mm/h 내지10mm/h의 속도로 수직 이송되는 것이 바람직하다.
[0042] 상기 내화용기(110)는 알루미나인 것이 바람직하며, 상기 제 1히터(120) 및 상기 제 2히터(130)는 각각 발열체 및 발열체에 흐르는 전류량을 제어하는 온도제어부(미도시)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 상기 제 1 냉각기(150)는 냉각수를 이용한 냉각기이며 상기 냉각수의 온도를 제어하는 제어부(미도시)가 더 구비될 수 있으며, 냉각수 이송관이 용기 상부 외부면에 접하도록 구비되어 있는 것이 바람직하다. 상기 제 2 냉각기(190)는 냉각수를 이용한 냉각기이며 상기 냉각수의 온도를 제어하는 제어부(미도시)가 더 구비될 수 있다.
[0043] 상기 이송장치는 상기 내화용기(110)를 이송시키는 상승관(161), 기어(162) 및 RPM이 조절되는 모터(163)를 포함하여 구성되어 상기 내화용기(110)를 수직 상승이동시키는 역할을 하며, 상기 제 2 냉각기(190)가 상기 내화용기(110)의 최상부와 항상 일정 거리로 이격되어 구성될 수 있도록 상기 제 2 냉각기(190)를 이송시카는 상승관(171), 기어(172) 및 RPM이 조절되는 모터(173)가 구비되게 된다.
[0044] 상기 도 2에서 점선으로 표시된 화살표(A1 및 A2)는 상기 저장부(180)의 불활성 기체 유입부(A1) 및 배출부(A2)를 도시한 것이며, 상기 도 2의 점선으로 표시된 화살표(B1 및 B2)는 상기 제 2 냉각기(190)의 냉각수 유입부(B1) 및 배출부(B2)를 도시한 것이며, 상기 도2의 점선으로 표시된 화살표(C1 및 C2)는 상기 제 1 냉각기(150)의 냉각수 유입부(C1) 및 배출부(C2)를 도시한 것이다.
상기 도 2(b)는 상기 이송장치에 의해 일정 정도 이송된 내화용기(110) 및 제 2 [0045] 냉각기(190)를 도시한 일 예이다.
[0046] (실시예 1)
[0047] 상기 도 2와 유사한 장치를 이용하여 LiCl 용융염계에서 수행된 Cs 및 Sr의 농축예
[0048] CsCl과 SrCl2을 각각 1중량% 함유하는 200g의 LiCl염을 내경이 44mm이고 높이가 120mm인 원통형알루미나 용기에입한 후, 용기 상부의 온도를 490℃로 유지하고 초기 용기내 온도를 660℃로 유지한 상태로, 1.67mm/hr 또는2.8mm/hr의 이송속도로 용기를 상승시켰다.
[0049] 일반적으로 결정화에 의한 불순물의 농축정도는 다음의 식으로 표현되는 K값(segregation coefficient)로 나타낸다.
K=ΣCh/Co(1-h/H)
K-1 [0050]
[0051] 여기서, C0는 불순물의 초기 농도, ΣCh는 초기 결정이 형성되기 시작하는 상부(h=0)에서부터 높이 h까지의 불순물의 농도, H는 전체 생성된 결정의 높이, h는 초기 결정이 형성되기 시작하는 상부(h=0)에서부터 h까지의 높이(길이)를 의미한다.
[0052] 도 3은 실시예 1의 1.67mm/hr 또는 2.8mm/hr의 이송속도로 탑-다운 고화처리시 Cs 및 Sr 핵종의 h에 따른 편석정도를 도시한 것으로, 도 3에서 알 수 있듯이 고화처리가 끝난 전체 염폐기물의 10wt%의 염내에 Cs 및 Sr염화물들이 90%∼80% 정도 농축됨을 알 수 있으며, 이때의 K가 0.01∼0.02정도의 값임을 알 수 있다.
[0053] (실시예 2)
[0054] 상기 도 2와 유사한 장치를 이용하여 LiCl-KCl 공융염계에서 수행된 Cs 및 Sr의 농축예
[0055] CsCl과 SrCl2을 각각 2중량% 함유하는 200g의 LiCl-KCl염(LiCl-58.2mol%)을 내경이 44mm이고 높이가 120mm인 원통형알루미나 용기에 투입한 후, 용기 상부의 온도를 290℃로 유지하고 초기 용기내 온도를 400~550℃로 유지한상태로 1.67mm/hr 또는 2.8mm/hr의 이송속도로 용기를 상승시켰다.
[0056] 하기의 표 1은 용기 상부의 온도 변화 및 이송속도의 변화에 따른 LiCl-KCl염의 Cs 및 Sr의 농축 결과를 정리한표이다.
[0057] (표 1)
[0058]
[0059] 실시예1의 LiCl의 경우보다 좀 더 높은 K값을 가짐을 알 수 있으며, 이를 통해 본 발명에 따른 염 정제 시 LiCl염일 경우가 LiCl-KCl 공융염의 경우보다 더 높은 Cs 및 Sr 농축율 즉 더 높은 정제율을 가짐을 알 수 있다.
[0060] 이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 핵종의 농도와 같이 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 및변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, [0061] 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도면의 간단한 설명
[0062] 도 1은 본 발명에 따른 방사성 염폐기물의 재활용 방법의 공정을 도시한 일 공정도이며,
[0063] 도 2는 본 발명에 따른 방사성 염폐기물의 재활용 장치의 구성을 도시한 일 장치도이며,
[0064] 도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 LiCl염에서 고화 방향에 따른 Cs 및 Sr의 불균일한 편석 정도를 도시한 도면이다.
