사용후핵연료의 효율적 관리를 위하여 한국원자력연구원에서 수행 중인 파이로 공정으로부터 발생되는 폐기물 처리기술에 대한 최근 연구동향을 종합적으로 고찰하였다. 파이로 폐기물 처리기술은 처분 대상 폐기물의 감용 및 포장, 저장과 최종 처분에 적합한 고화체 제조를 목표로 하고 있다. 한국원자력연구원에서 수행 중인 파이로 폐기물 처리 기술개발 접근 방향은 공정 흐름으로부터 발생한 폐기물내 주요 핵종들을 분리하고 회수한 물질 등을 재사용함으로서 폐기물 발생량을 최소로 하며 동시에 분리한 핵종을 별도로 고화처리하는 것이다. 폐기물 처리 주요 기술 특성은 먼저 전해환원용 원료물질 제조를 위하여 전처리 고온 열처리 공정을 사용하며, LiCl 과 LiCl-KCl 염으로부터 핵종을 분리하고 회수염의 재사용 및 핵종 함유량을 증대시킨 최종 고화체 제조 기술을 개발하는 것이다. 따라서 실험실 규모 실험 결과를 토대로 최근에는 공정 용량 증대를 위한 자료 확보를 목적으로 공학규모 시험을 수행 중에 있다.

본 연구에서는 파이로프로세싱에서 발생하는 배기체 내 요오드 포집을 위한 매질로서 고가의 은 기반 흡착제를 대체하기 위 한 상용 구리메쉬의 가능성에 대해 연구하였다. 열역학적 계산을 통해 구리 금속과 요오드 기체의 반응은 100 ~ 500℃ 온도 범위에서 자발적으로 일어나며 요오드화구리(CuI)를 형성할 것으로 예상되었다. 실험을 통해 반응 온도에 따른 요오드 포 집 효율의 영향을 분석한 결과, 1개의 구리메쉬(질량 0.26 g)를 이용하여 반응 온도를 300, 400℃로 변화하였을 때 각각 5 및 6 wt%의 요오드(초기질량 2.0 g)가 포집됨을 확인하였다. 또한, 반복 실험 결과를 토대로 구리메쉬 표면에 형성된 반응 생성 물(CuI)의 자발적인 탈리 현상으로 구리의 활용률이 증가할 수 있음을 확인하였다. 반응 생성물의 CuI 상 형성은 X-선 회절 실험을 통해 확인하였으며, 표면 분석은 주사전자현미경을 이용하여 수행하여 그 결과를 보고하였다.

본 연구에서는 산화된 피복관으로부터 염소화 공정을 통해 Zr을 선택적으로 회수하기 위한 연구의 일환으로, 단면이 개방 된 ZIRLO 피복관의 염소화 반응 속도식을 열중량분석기를 이용하여 분석하였다. 실험을 통해 산화된 ZIRLO 피복관은 400 도 염소화 조건에서 염소 기체와 반응하지 않는 것으로 확인되었다. 하지만 피복관 한쪽 혹은 양쪽 끝의 새로운 단면이 개방 될 경우 ZIRLO의 염소화 반응이 가능함을 확인하였고 반응을 완료하기까지 8 시간이 소요되었다. 이는 반응 완료까지 7 시 간이 소요된 산화되지 않은 피복관에 비하여 반응시간이 14% 증가한 것이다. Sharp-Hancock 식을 이용하여 단면이 개방된 ZIRLO 피복관과 염소 기체의 반응을 모사하기 위한 구조함수를 도출하였으며, 부피축소 모델이 본 연구 조건에서 가장 적 합한 구조 함수로 확인되었다. 또한, 본 연구를 통해 ZIRLO 피복관의 표면이 산화되어 있는 조건에서도 단면노출을 통해 염 소화 공정에 적용이 가능함을 확인하였다.

본 논문에서는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)을 이용하여 ZIRLO (ZIRconium Low Oxidation) 피복관의 표면 산화 거동을 연구하였다. 산화 시간 (10-336 시간, 500°C) 및 산화 온도 (400-700°C, 10 시간)에 따른 산화 특성 변화를 관찰하였다. XPS peak 분석 결과, 500°C에서 산화된 피복관의 산화 시간이 24 시간이 될 때 ZrO2 peak가 11.86% 관 찰되었으며, 이후 산화 시간이 길어질수록 ZrO2의 비율이 17.93%까지 (336 시간) 증가하는 것이 확인되었다. 반면, 10 시간 산화된 피복관에서 5.68% 존재하던 ZrO 상은 산화 시간이 24 시간으로 늘어남에 따라 사라지는 것이 관찰되었다. 산화 온 도 증가에 의한 영향 분석 결과에서는 산화 온도가 400°C에서 500, 600, 700°C로 증가할 때 ZrO 상의 비율이 0% 부터 5.68, 8.31, 9.16%로 증가하는 것이 확인되었다. 이 때, ZrO2 상은 700°C에서 산화된 시료에서만 관찰되었다. ZrO 상의 형성 메커 니즘은 불명확하지만, 고온에서 공기 중의 수분과 Zr의 반응으로 인해 Zr(OH)4 상의 형성이 가속되는 것으로 예상된다. 본 논문에는 500°C에서 산화된 ZIRLO 피복관과 이들의 염소화 반응 특성에 대한 논의도 포함되었으며, 염소화 반응 진행 가능 성에 있어서 산화막의 두께가 중요한 역할을 하는 것으로 보여진다.