본 연구에서는 고온의 LiCl-LlO 용융염계에서 우라늄 산화물의 금속전환과 LiO의 전해반응이 동시에 진행되는 통합 반응 메카니즘을 기초로 한 전기화학적 금속전환기술을 제안하였다. 본 실험에서는 전기화학적 환원반응에 의해 생성된 Li 금속이온이 음극에 전착과 동시에 우라늄 산화물과 반응하여 금속전환율 99 % 이상의 우라늄 감속을 생성하는 통합 반응 메카니즘을 확인할 수 있었다. 또한 전기화학적 금속전환기술의 공정 적용성 평가 일환으로 우라늄 산화물의 금속전환성, 반응 메카니즘 규명, LiO의 closed recycle rate 및 물질전달 특성 등의 기초 데이터를 확보하였다 향후 전기화학적 금속전환기술은 LiCl-Li 용융염계의 금속전환공정의 반응조건 제한성 해소, 금속전환율 향상 및 공정의 단순화 등의 기술성과 경제성 향상 측면에서 획기적인 방안으로 고려될 수 있을 것으로 판단된다.

알루미나 매트릭스 복합재료를 AIZnMg(7075)-합금의 직접적인 용융산화를 통하여 제조하였다. 충전재료는 17μm 크기의 모서리가 둥근 연마재용 SiC 입자를 사용하였다. 산화촉진재 SiO2를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우를 비교하였다. 매트릭스 형성 매카니즘과 반응거동을 온도와 SiO2사용량을 중심으로 연구하였으며, 얻어진 AI2O3/SiC/금속 복합재료의 미세구조를 관찰하였다.

원자력시설의 해체 시 발생되는 금속폐기물의 양은 전 세계적으로 향후 50년 동안 스테인레스강 약 95 만톤, 탄소강 870 만 톤, 구리 220 만 톤으로 총 1,200 만 톤 정도 발생할 것으로 예측되고 있다. 해체 시 발생하는 금속 조각은 대부분 방사능에 아주 미미하게 오염되어 있기 때문에 이중에서 대부분은 무구속 방출이나 약간의 제염 처리 후 일정한 공정을 거쳐 핵 시설내의 폐기물 저장 용기나 처분 상자, 폐기물 드럼, ISO 컨테이너 등으로 재활용되고 있거나, 앞으로 재활용할 수 있다고 보고되고 있다. 국내 원자력시설 해체 시 다량으로 발생될 것으로 예상되는 금속 조각을 수용하기에는 폐기물 처리장이 매우 부족할 뿐만 아니라, 지속적으로 처분 단가의 증가가 예상되므로 이러한 문제를 해결하기 위해서 방사성 금속폐기물의 효과적인 감용 및 재활용 기술이 요구되고 있다. 금속 폐기물의 감용 및 재활용 기술 중 현재까지 가장 적절한 기술로서 용융 기술이 있다. 유럽을 주축으로 미국과 일본에서 활발히 연구되어져 온 용융 기술은 다른 처분 방법에 비해 부피 감용비가 가장 높아 최종처분시설 공간을 절약할 수 있으며 탄소강, 스테인레스강 및 인코넬 등 많은 양의 금속을 회수하는 것이 가능하다. 또한, 이 기술은 휘발성 핵종(Cs 등)이나 금속과 반응성이 적은 핵종(U, Pu 등)을 슬래그 속에 포집하여 제염하거나, 방사성 핵종들이 주괴에 균일하게 분포하고 금속의 결정 격자속에 고정화시킬 수 있기 때문에 보다 안정화시킬 수 있다는 장점들을 가지고 있다.

가열한 기름 속에서 비등에 의해 수분이 기화하는 유중증발 건조기술은 에너지 소비량이 약 680 kcal/kg-물로 다른 직･간접 접촉에 의한 건조기술과 비교하여 낮고 건조시간도 10분 정도이다. 그러나 건조물질의 높은 발열량이 건조한 물질에 기름 함유율이 25 % 정도인 것이 단점으로 지적되어 보급에 어려움을 겪고 있다. 한편 중금속이 포함된 산업폐수 슬러지는 건조 후 고형연료로 사용시 중금속 배출로 인한 공해문제를 유발하므로 현재는 친환경적인 처리가 어려운 실정이다. 현재까지 알려진 가장 친환경적인 중금속 함유 폐수슬러지 처리는 용융기술이나 다량의 에너지를 소비해야 한다. 따라서 유중건조 기술과 용융기술을 융합하면 각 기술의 단점이 상호 보완되어 시너지 효과를 극대화 할 수 있다. 하수슬러지, 축분 등은 협기성 소화와 더불어 건조 후 고형연료로 활용할 수 있는 다양한 처리방안이 마련되었으나, 산업폐수슬러지는 발생량이 하수슬러지 보다 많고, 특히 일부 폐수슬러지에는 다량의 중금속이 포함되어 있으나, 육상처리 기술은 하수슬러지와 유사하게 함수율을 줄인 후 매립이 허용되어 장기적으로 토양 및 지하수 오염이 우려된다. 본 연구는 용융로에서 유중증발 건조기술로 건조한 중금속을 함유한 고발열량의 폐수슬러지를 일부 보조연료를 활용하여 1,500 ℃ 정도 고온 열분해 용융로에서 용융 슬래그로 배출하여 유리화함으로써 중금속 성분 용출을 방지하고 폐열은 후단의 보일러에서 회수하여 폐수슬러지 건조용 열원으로 이용할 수 있는 기술이다. 실험결과 용융슬래그의 중금속 용출은 골재기준에 모두 만족하였고 폐열 회수도 효과적으로 할 수 있었다.

범정부적으로 2016년부터 유기성 폐수슬러지 해양배출이 전면 금지되고 육상처리를 권장하고 있어 주로 산업체에서 배출하는 폐수슬러지 육상처리 비용이 지속적으로 증가할 것으로 예상되며 따라서 슬러지 처리의 어려움으로 산업체의 경쟁력을 저하할 것으로 예상된다. 산업폐수 및 일부 하수슬러지에는 다양한 중금속과 미생물 분해가 어려운 유기물이 다량 포함되어 있어 기존 기술로 처리가 곤란한 실정이다. 육상처리 기술 중에서 비용이 저렴한 방법은 주로 매립에 준하는 것이므로 슬러지에 포함된 유기물에 의해 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소보다 21배 높은 메탄을 다량 배출하고 있으며, 중금속에 의한 지하수와 토양 오염이 우려된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 중금속 함유 산업슬러지를 건조 후 용융로에서 보조연료와 열분해 가스로 1,500℃이상의 고온 화염을 형성하여 폐수슬러지에 포함된 회분과 중금속을 용융 슬래그로 배출․유리화함으로써 분진 발생 감소와 회분에 포함된 중금속성분의 용출을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 건조 폐수슬러지를 용융하기 위하여 용융로 및 2차버너를 제작하여 용융실험을 수행하였으며, 열 회수 장치를 설치하여 열 회수 실험 또한 수행하였다.

원자력시설의 해체 시 발생하는 폐기물은 금속 조각, 콘크리트, 토양 등 종류도 다양할 뿐만 아니라 발생량 또한 방대하다. EC(European commission)의 자료에 의하면 앞으로 60년 동안 유럽 국가들에 있는 원자력시설의 해체 시 발생되는 금속폐기물의 양이 스테인레스강은 약 30만 톤, 연강이나 탄소강은 약 100만 톤, 알루미늄과 구리는 약 2~3만 톤 정도가 될 것이며, 전 세계적으로는 향후 50년 동안 약 1,200만 톤의 스테인레스강은 약 95만 톤, 탄소강은 870만 톤, 구리 220만 톤이 발생할 것으로 예측하고 있다. 국내적으로도 최초의 원자로인 연구로 2호기 및 우라늄 변환시설의 퇴역으로 제염･해체 사업이 완료되었으며, 현재 연구로 1호기가 해체 중에 있다. 연구로 2호기 및 원자력연구원 내 우라늄변환시설의 해체로 인해 구조재, 배관재 등을 포함하여 수십 톤이상의 금속폐기물이 발생하여 임시 저장 중에 있다. 원전시설에서 규모가 큰 구성품(열교환기, 습분 분리기, 증기발생기) 교체나 해체 시 발생하는 다량의 금속폐기물을 그대로 수용하기에는 부족한 폐기물 처분장 문제뿐만 아니라, 지속적으로 처분 단가의 증가가 예상되므로 방사성 금속 폐기물의 효과적인 감용 및 재활용 기술이 요구된다. 방사성 금속폐기물 감용 및 자체처분기술은 근본적으로 금속 방사성폐기물을 저감하는 기술로 다양한 단위기술의 조합이다. 금속용융제염 기술은 유럽을 추축으로 미국과 일본에서 활발히 연구되었으며 원자력 선진국에서는 대부분 상용규모의 처리시설을 갖추어 원자력시설에서 발생하는 금속폐기물을 처리하고 있다. 국내에서도 2004년부터 금속용융제염 요소기발을 시작으로 파이롯 규모의 금속용융제염 기술개발 및 Scale-up 데이타 회득을 통해 현재는 금속성 해체폐기물 감용 및 실용화 시설 구축 사업을 통해 350 kg/1회 규모의 고주파유도용융로를 원자력연구원내 구축하여 해체폐기물을 용융제염하고 있다. 시설은 금속폐기물 인수 및 절단실, 용융실, 주괴 인출 및 오염검사실, 주괴 임시저장 및 반출실로 구성되어 있다. 용융되는 금속폐기물은 전량 자체처분 대상 폐기물이며 2차폐기물로는 슬래그와 더스트를 포함하여 투입되는 금속폐기물 대비 약 3%이하로 발생되었다. 금속폐기물의 회수율은 약 99% 이다.

현재 우리나라에서는 2010년을 기준으로 약 1,700만대의 자동차가 등록되어 있으며, 매년 약 67만대의 사용 종료 자동차(End of Life Vehicles)가 발생하고 있다. 자원순환법에 따라 국내 자동차업계에서는 폐 자동차에 대하여 2014년까지 중량 대비 85%, 2015년부터 95%의 재활용율 목표를 달성하여야 하는데 이러한 재활용율 목표 달성을 위해서는 자동차 파쇄 잔재물(ASR)의 적정재활용이 관건이라고 할 수 있다. 폐 자동차 처리과정에서 최종 배출 되는 ASR은 연간 약 15만톤으로 승용차 1대당 약 15% 정도가 발생하고 있으며, 총 발생량의 극히 일부분만이 소각･매립 처리되고 있지만 물질 자체의 발열량이 높고 난연성이기 때문에 효율적으로 소각되지 못하고 특히 그중에 함유된 염소화합물이나 중금속류 등의 영향으로 유해 가스상 오염물질들을 다량으로 배출하기 때문에 처리에 어려움이 많은 실정이다. 금속 제련 용융 시설에서 열원으로 사용되는 Lump coal 대체 연료로써 처리 상용화가 실현 될 경우, ASR의 안정적인 처리와 열에너지 및 유가금속 회수를 통한 물질 재활용 등이 가능할 것으로 사료되며, 이에 따라 폐 자동차의 재활용율 또한 향상 될 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 국내의 폐 자동차 파쇄 재활용 업체 1곳을 선정하여, 폐 자동차 파쇄 재활용 과정에서의 물질 수지 및 ASR 배출 공정에 따른 각각의 발생량, 구성 물질, 입도, 발열량 분석, 원소 분석, 공업 분석, 열 중량 분석, 중금속 분석 등의 물리･화학적 특성 및 환경유해성 평가를 실시하여 ASR의 기초적인 특성을 파악하였으며, ASR의 용융 출탕조건 및 유가금속 회수 가능성을 도출하기 위하여 ASR의 염기도 및 용융온도에 따른 용류도를 측정하였다. 또한, 용류도 측정 결과를 바탕으로 원 시료와 ASR의 배합비율, 용융온도 등의 조건 설정 후 각 조건에서의 슬래그 내 구리 함량을 측정하여 유가 금속 회수 가능성을 평가하였다. 연구결과, 기존 공정 시료에 포함되는 lump coal의 양이 미량이기 때문에 기존 공정 시료의 용류도 측정값과 거의 유사하였으며, 이러한 실험 결과로 보아 기존 동 제련 설비에서 lump coal을 ASR로 대체할 경우, 염기도 및 용융온도 조건을 적절히 조절한다면 용융물의 흐름성에는 거의 영향을 미치지 않을 것으로 사료된다.

This paper describes the domestic and international status for melt decontamination, which has been known as the most effective technology for the volume reduction and recycling of the metal wastes generated from nuclear facilities. The recycle or self disposal of metallic wastes can be considered as one of the waste management options under the circumstances of the capacity limitation of a waste disposal in Korea. The limited recycle or self disposal of the metal wastes through an melt decontamination have the merit from the positive view point of the increase in resource recyclability as well as the decrease in the amount of wastes to be disposed resulting the reduction of disposal cost and the enhancement of disposal safety. Among the scenarios for recycle and reuse of the radioactive metallic wastes, the most feasible and reasonable one is limited reuse option, in which the ingot can be recycled as the products such as the waste drums and ISO containers. Prior to recycle and reuse in the nuclear sector, however, the regulatory criteria for the recycle and reuse of metallic wastes should be established in parallel with the development of the recycling technology.