Strontium is known as a salt-soluble element during the electrolytic oxide reduction (EOR) process. The chemical behavior of SrO during EOR was investigated via thermodynamic calculations to provide quantitative data on the chemical status of Sr. To achieve this, thermodynamic calculations were conducted using HSC chemistry software for various EOR conditions. It was revealed that SrO reacts with LiCl salt to produce SrCl2, even in the presence of Li2O, and that the ratio of SrCl2 depends on the initial concentration of Li2O dissolved in LiCl. It was found that SrO reacts with Li to produce Sr during EOR and that the reduced Sr reacts with LiCl salt to produce SrCl2. As a result, the proportions of metallic forms were lower in Sr than in La and Nd under various EOR conditions. The thermodynamic calculations indicated that the three chemical forms of SrO, SrCl2, and Sr co-exist in the EOR system under an equilibrium with Li, Li2O, and LiCl.

The corrosion behavior of Hastelloy C-276 was investigated to identify its applicability for carbon-anode-based oxide reduction (OR), in which Cl2 and O2 are simultaneously evolved at the anode. Under a 30 mL·min-1 Cl2 + 170 mL·min-1 Ar flow, the corrosion rate was less than 1 g·m-2·h-1 up to 500℃, whereas the rate increased exponentially from 500 to 700℃. The effects of the Cl2-O2 composition on the corrosion rate at flow rates of 30 mL·min-1 Cl2, 20 mL·min-1 Cl2 + 10 mL·min-1 O2, and 10 mL·min-1 Cl2 + 20 mL·min-1 O2 with a constant 170 mL·min-1 Ar flow rate at 600℃ was analyzed. Based on the data from an 8 h reaction, the fastest corrosion rate was observed for the 20 mL·min-1 Cl2 + 10 mL·min-1 O2 case, followed by 30 mL·min-1 Cl2 and 10 mL·min-1 Cl2 + 20 mL·min-1 O2. The effects of the chlorine flow rate on the corrosion rate were negligible within the 5–30 mL·min-1 range. A surface morphology analysis revealed the formation of vertical scratches in specimens that reacted under the Cl2-O2 mixed gas condition.

The corrosion behavior of the Inconel X-750 alloy was investigated for its potential application under a Cl2-O2 mixed gas flow in an Ar atmosphere. The corrosion rate was found to be negligible at temperatures up to 400℃ under a flow rate of 30 mL·min-1 Cl2 + 170 mL·min-1 Ar, whereas an exponential increase was observed in the corrosion rate at temperatures greater than 500℃. The suppression of the corrosion reaction due to the presence of O2 was verified experimentally at flow rates of 30 mL·min-1 Cl2 (4.96 g·m-2·h-1), 20 mL·min-1 Cl2 + 10 mL·min-1 O2 (2.02 g·m-2·h-1), and 10 mL·min-1 Cl2 + 20 mL·min-1 O2 (1.34 g·m-2·h-1) under a constant Ar flow rate of 170 mL·min-1 at 600℃ for 8 h. The surface morphology analysis results revealed that porous surfaces with tunnel-type holes were produced under the Cl2-O2 mixed-gas condition. Furthermore, the effects of the Cl2 flow rate on the corrosion rate were investigated, indicating that its impact was negligible within the range of 5–30 mL·min-1 Cl2 at 600℃.

Here, the stability of stainless steel 316 (SS-316) was investigated to identify its applicability in the oxide reduction process, as a component in related equipment, to produce a complicated gas mixture composed of O2 and Cl2 under an argon (Ar) atmosphere. The effects of the mixed gas composition were investigated at flow rates of 30 mL/min O2, 20 mL/min O2 + 10 mL/min Cl2, 10 mL/min O2 + 20 mL/ min Cl2, and 30 mL/min Cl2, each at 600℃, during a constant argon flow rate of 170 mL/min. It was found that the corrosion of SS-316 by the chlorine gas was suppressed by the presence of oxygen, while the reaction proceeded linearly with the reaction time regardless of gas composition. Surface observation results revealed an uneven surface with circular pits in the samples that were fed mixed gases. Thermodynamic calculations proposed the combination of Fe and Ni chlorination reactions as an explanation for this pit formation phenomenon. An exponential increase in the corrosion rate was observed with an increase in the reaction temperature in a range of 300 ~ 600℃ under a flow of 30 mL/min Cl2 + 170 mL/min Ar.

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.

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.