희토류(Rare Earth) 함량이 높은 TRU 생성물 중의 RE 원소를 감소시키기 위하여 RE 원소와 UCl3의 산화반응을 이용한 RE 제거 공정의 타당성을 HSC Chemistry 코드를 이용하여 검토하였다. 사용후핵연료에 포함된 TRU 원소 및 RE 원소의 조성 및 열역학적 자료를 검토하였으며, UCl3와의 산화 반응에 따른 평형 자료를 계산하여 공정 가능성을 검토하였다. 실제 파이로 프로세싱 처리를 가정한 물질수지로부터 TRU 생성물의 RE 함량이 다른 두 가지 경우에 대하여 RE 원소 제거율과 TRU 회수율을 평가하였다. TRU 생성물을 산화제인 UCl3와 반응시켰을 때 각 원소의 Gibbs free energy의 차이에 의한 선택적 산화 반응이 일어났다. 투입된 UCl3 양을 조절하여 TRU 회수율을 최대로 유지하면서도 RE 원소를 제거하여 최종생성물의 TRU/ RE 비를 증가시킬 수 있는 가능성을 계산 결과로 확인하였다. 본 연구의 결과들은 열역학적 평형 자료에 기반한 결과이므로 실제 공정에 적용하기에는 많은 차이점이 존재한다. 그러나 TRU 물질을 취급하기 어려운 환경에서 파이로프로세싱의 TRU 생성물을 고속로의 핵연료로 공급하기 위한 공정 설계에 중요한 자료로 활용될 것으로 기대된다.

삼불화알루미늄(AlF3)이 포함된 염화물-불화물 혼합 용융염에서 ZIRLO 튜브를 이용한 지르코늄 전해정련공정을 실증하였다. 순환 전압전류실험 결과, AlF3의 농도가 증가함에 따라 금속환원의 개시 전위가 일정하게 증가하고 지르코늄-알루미늄 합금형성과 관련된 추가적인 peak의 크기가 점차 증가하는 것으로 나타났다. 전류조절 전착법과 달리, −1.2 V의 일정전위 에서 수행한 지르코늄 전해정련에서 방사형 판 구조의 지르코늄 성장이 염의 상단 표면에서 확연하게 나타났으며, 전착물 지름의 크기는 AlF3의 농도에 따라 점차 증가하는 것으로 나타났다. 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산 X선 분광기(EDX) 와 X선 광전자 분광기(XPS)를 이용하여 판 구조의 지르코늄 전착물을 분석한 결과, 극미량의 알루미늄이 지르코늄-알루미늄 합금 형태로 존재하며, 전착물의 상단과 하단 간에 서로 다른 화학성분구조를 갖는 것으로 나타났다. AlF3의 첨가는 전착물 내 잔류염 양을 줄이고, 지르코늄 회수를 위한 전류효율을 향상시키는 데 효과적인 것으로 나타났다.

Li-Cd 합금을 이용한 환원추출방식을 LiCl-KCl 기반의 drawdown 공정에 적용하게 되면, LiCl-KCl 공융염의 조성이 파괴되므로 공정온도를 높여야 하며, 전해정련 및 전해제련과 같은 공정에 LiCl-KCl 용융염을 재사용할 수 없게 된다. 따라서, 본 연구에서는 공융염 조성에 적합한 Li-K-Cd 합금을 제조하였으며, 이를 이용하여 U와 Nd가 포함된 LiCl-KCl 염에 투입하여 용 융염 내 UCl3의 제거가 가능한지 평가하였다.

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.

본 연구에서는 산화 공정이 Zircaloy-4 (Zry-4) 피복관의 염소화 반응 속도에 미치는 영향을 연구하기 위하여 Zry-4 피복관의 염소화 반응 실험을 수행하였다. 2시간 마다 반응 생성물을 회수하며 총 6 시간 동안 염소화 반응 실험을 수행하였고, 이를 통해 500도에서 10 시간 동안 산화된 Zry-4의 경우 초기 0-2 시간 구간에서 반응 속도가 현저히 저하되는 것을 확인하였다. 반응 잔류물은 fresh Zry-4와 산화된 Zry-4에서 각각 초기무게의 0.95, 1.65wt%로 확인되었다. 회수된 Zr의 순도는 두 경우 모두 99.61wt%로 동일하였다. 반응 속도의 정량적 분석을 위해 피복관의 반응 시간을 0.5, 1, 2, 4 시간인 경우에 대해 실험을 수행하였다. 실험 결과 분석을 통해 fresh Zry-4의 경우 전 영역에 걸쳐 23.35wt%/h의 단위 시간당 무게감소를 확인할 수 있었고, 산화된 Zry-4의 경우 반응 속도가 두 영역으로 나뉘는 것을 확인하였다. 산화된 Zry-4의 무게 감소 속도는 0-20wt% 영역에서는 17.12wt%/h, 20-100wt% 영역에서는 27.16wt%/h으로 나타났다.

본 논문에서는 염소화 반응을 통해 Zircaloy-4 (Zry-4) 피복관으로부터 Zr의 회수 연구를 수행하였다. 피복관의 Zr을 전부 ZrCl4로 전환시키기 위해, Zry-4 피복관을 380도에서 70 cc/min Cl2 + 70 cc/min Ar 기체를 이용하여 8시간 동안 반응시켰다. 피복관의 초기 무게는 51.7 g이었으나, 8 시간 반응 후에는 0.49 g만이 잔류물로 남아있는 것을 확인하였는데 이는 초기 무게의 0.95wt%에 해당하는 값이다. 반응 생성물의 무게는 121.7 g 이었으며, Zr의 순도는 99.80wt%였다. 주요 불순물로는 Fe (0.18wt%)와 Sn (0.02wt%)를 확인할 수 있었다. 실험 결과를 통해 확인한 Zr의 회수율은 96.95wt%였으며, 실험상손실은 2.34wt%로 확인되었다. 반응 잔류물의 관찰을 통해 염소화 반응이 길이 방향으로 주로 일어나며, 표면의 산화층이 반응 잔류물로 남는다는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 확인된 Zr의 높은 순도와 회수율은 염소화 공정이 폐 피복관 처리 방법으로 매우 유망한 기술임을 의미한다고 볼 수 있다.

전해정련을 이용한 폐 피복관 처리의 타당성을 살펴보기 위하여, 500℃의 LiCl-KCl 용융염 내에서 표면이 산화된 10 g 규모의Zircaloy-4 피복관 및 순수한 Zircaloy-4 피복관의 전기화학적 거동을 살펴보았다. 산화된 Zircaloy-4 피복관이 담긴 basket을 작업전극으로하여 전압-전류 관계를 측정한 결과, 산화되지 않은 Zircaloy-4 피복관과 비교해 Zr의 산화 peak는 Ag/AgCl 기준전극 대비, 약 -0.7 V ~ -0.8 V로 유사한 반면, 산화 전류의 크기는 확연하게 감소하는 것으로 나타난다. 이러한 결과는 -0.78V의 일정전위를 가한 전기화학적 용해 실험에서 살펴본 전류-시간 곡선에서도 유사하게 나타나며, 피복관 조각들의 평균 두께 및 무게 변화로부터 확인할 수 있다. Zircaloy-4 피복관이 산화되었을 경우, 표면의 산화막이 피복관의 전도성에 영향을 주어 basket 내 위치에 따라 전기화학적 용해의 균일성 및 속도를 떨어뜨리는 것으로 나타나지만, 표면의 미세한 결함과 Zr 산화물의 상 특성으로 인해 전기화학적 용해가 진행되는 것으로 판단된다.