처분장에서 지하수로 쉽게 유출될 수 있는 방사성 핵종들의 양을 예측하기 위하여 국내 PWR 사용후핵연료 팰렛들의 갭(gap) 및 입계에 있는 용해성 원소들의 재고량을 측정하였다. 연소도가 GWD/MTU를 갖는 연료봉에서 얻은 펠렛들에서 세슘의 갭 재고량이 로 나타났으며, 이는 핵분열 생성기체 유출률의 에 해당하였다. 그러나 핵분열 생성기체 유출 률이 1%이하인 연료봉에서 취한 40 GWD/MTU이하의 연소도를 갖는 펠렛들의 경우, 세슘의 갭 재고량들을 핵분열 생성기체 유출률과 연관시키기는 곤란하였다. 갭 및 입계내 스트론튬의 재고량은 동일 연료봉내 펠렛에서는 크게 다르지 않았으며, 요오드의 갭 재고량은 핵분열 생성기체 유출률보다 작거나 유사한 값을 갖는 것으로 평가되었다.

고연소도 경수로사용후핵연료를 이용하여 voloxidation 및 소결 열처리 공정으로부터 세슘의 시간에 따른 방출 거동을 실험적으로 평가하였다. 사용후핵연료 voloxidation 공정에서는 fragment 형태의 시편을 사용하여 최대 의 산화 및 환원 분위기에 따른 세슘 방출 거동을 상호 비교하였으며, 소결 공정에서는 압분체를 이용하여 4% H2/Ar 환원분위기 에서 열처리 온도 변화에 따른 세슘방출 특성 변화를 분석하였다. 산화 분위기에서 fragment 형태의 사용후핵연료로부터 세슘 방출 온도 구간은 였으며, 환원 분위기에서 압분체로부터 방출 온도 구간은 로서, 산화에 의한 사용후핵 연료의 분말화가 세슘 방출 거동에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 아울러 사용후핵 연료로부터 세슘 방출 거동에 영향을 미치는 주요 인자는 사용후핵 연료내 세슘 화합물의 화학적 형태뿐만 아니라 결정립 및 핵연료 표면으로의 확산 속도에 지배를 받음을 알 수 있었다.

모의지하수중에서 가압경수로형 사용후핵연료로부터 세슘의 침출률에 미치는 공학적 방벽 영향을 규명하기 위하여 지난 약 6년간 벤토나이트 또는 금속시편등의 존재여부에 따라 침출시험을 수행하였다. 침출률은 시간이 경과함에 따라 지수함수적으로 감소하는 경향을 나타내었으며, 적정시간이 경과한 다음부터는 일정한 값에 수렴하는 경향을 나타내었다. 벤토나이트 또는 금속시편이 있을 경우 세슘의 누적누출분률은 선형적으로 증가하였으나, 이들이 없는 경우의 누적분률은 급격히 증가한 다음 서서히 증가하는 경향을 보였다. 이 누적분률에서 갭에 존재하는 세슘의 재고량을 제한 값은 공학적 방벽이 존재하는 경우의 누적분률에 거의 근접하였다. 이러한 결과들은 사용후핵연료 중 세슘의 초기누출분률은 갭 중 세슘의 재고량에 의존하지만, 세슘의 장기침출률은 공학적 방벽에 거의 영향을 받지 않음을 암시해 주고 있다. 그러나 세슘의 초기침출률은 공학적 방벽의 지연효과로 감소될 수 있을 것이다. 그리고 처분장에서 사용후핵연료 중 세슘의 장기침출률은 를 넘지않는 범위 내에서 일정한 값을 가질 것이다.

Isotopes of alkali and alkaline earth metals (AM and AEM) are the main contributors to the heat load and the radiotoxicity of spent fuel (SF) . These components are separated from the SF and dissolved in a molten LiCl in an electrolytic reduction process. A mass transfer model is developed to describe the diffusion behavior of Cs, Sr, and Ba in the SF into the molten salt. The model is an analytical solution of Fick's second law of diffusion for a cylinder which is the shape of a cathode in the electrolytic reduction process. And the model is also applied to depict the concentration profile of the oxygen ion which is produced by the electrolysis of LiO. The regressed diffusion coefficients of the model correlating the experimentally measured data are evaluated to be greater in the order of Ba, Cs, and Sr for the metal ions and the diffusion of the oxygen ion is slower than the metal ions which implies that different mechanisms govern the diffusion of the metal ions and the oxygen ions in a molten LiCl.

고준위방사성폐기물 내에 핵분열 생성물로 존재하는 방사성 세슘의 이동은 화강암을 기반으로 하는 고준위방사성폐기물 처분장의 안전성 평가를 위한 중요한 고려 항목이다. 지하수의 수리화학적 특성과 모암 을 이루는 광물과의 반응 특성은 처분장에서 방출된 세슘의 이동 속도를 결정하는데 있어서 중요한 요소이 다. 알칼리 금속인 세슘은 지하수 내의 주요 양이온들과 수착 자리를 놓고 경쟁하는 것으로 알려져 왔고, 흑 운모는 화강암의 핵종 수착 특성에 중요한 기여를 하는 구성광물로 알려져 왔다. 이 논문은 심부 처분장의 무산소 환경을 모사하기 위해 혐기성 챔버에서 전형적인 중생대 원주화강암에 대한 세슘 수착특성을 연구한 결과를 보고한다. 분쇄한 화강암에 대하여 전해질(NaCl, KCl, CaCl2) 용액과 합성지하수를 사용하여 세슘 초 기농도(10-5, 5×10-6, 10-6, 5.0×10-7 M)를 달리하여 세슘 수착속도와 수착량을 측정하였다. 세슘 수착 실험 결 과는 유사 2차 속도 모델(r2 = 0.99)과 프로인들리히(Freundlich) 등온선 모델(r2 = 0.99)로 잘 모사되었다. 특히 염화포타슘(KCl)은 모든 이온강도 및 세슘 초기농도에서 다른 전해질에 비해 가장 강력하게 세슘 수착을 제 한하였다. 이는 포타슘 이온(K+)이 세슘의 가장 효과적인 경쟁 이온임을 지시하는 것으로 판단된다. 흑운모 함량에 따른 세슘 수착 실험 결과 흑운모의 세슘 수착 분배계수는 화강암 자체의 값보다 약 2배 이상 높았 으며 선형관계를 나타냈다. 포타슘 이온은 주로 흑운모에 의해 공급되기 때문에, 이러한 결과는 처분심도 ~500 m 깊이에서 화강암체 내에 존재하는 흑운모가 세슘의 효율적인 수착재로 작용하지만 또한 지하수의 수리화학 조건에 따라 세슘의 수착을 저해하는 역할을 할 수 있음을 지시하며, 향후 이에 대한 상세한 후속 연구가 필 요함을 보여준다.

In the current study, MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] as metal-organic frameworks (MOFs) was fabricated via a hydrothermal method. The physicochemical properties of the synthesized material were characterized using XRD, FT-IR, FE-SEM, TEM, and BET surface area analysis. The XRD diffraction pattern of the prepared MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] was similar to previously reported patterns of MIL-101(Cr) type materials, indicating successful synthesis of MIL-101(Cr)-SO3H[HCl]. The FT-IR spectrum revealed the molecular structure and functional groups of the synthesized MIL-101(Cr)-SO3H[HCl]. FE-SEM and TEM images indicated the formation of rectangular parallelopiped structures in the prepared MIL-101(Cr)-SO3H[HCl]. Furthermore, the EDS spectrum showed that the synthesized material consisted of the elements of Cr, O, S, and C. The fabricated MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] was then employed as an adsorbent for the removal of Sr2+ and Cs+ from aqueous solutions. The adsorption kinetics and adsorption isotherm models were studied in detail. The maximum adsorption capacities of MIL-101(Cr)-SO3H[HCl] for Sr2+ and Cs+ according to pH (3, 5.3∼5.8, 10) were 35.05, 43.35, and 79.72 mg/g and 78.58, 74.58, and 169.74 mg/g, respectively. These results demonstrate the potential of the synthesized MOFs, which can be effectively applied as an adsorbent for the removal of Sr2+ and Cs+ ions from aqueous solutions and other diverse applications.

본 연구는 제올라이트 Y (Si/Al = 1.56)에서 Cs+ 이온 교환에 Ca2+ 이온의 경쟁 양이온 효과를 연구하기 위해 수행되었다. 완전히 탈수되고 부분적으로 Cs+ 이온으로 교환된 3개의 제올라이트 Y(Si/Al = 1.56)의 단결정은 혼합이온교환 용액을 사용하여 흐름법으로 제조되었으며, 전체 농도가 0.05 M인 이온교환용액의 CsNO3 : Ca(NO3)2 몰비는 1 : 1 (Crystal 1), 1 : 100 (Crystal 2) 및 1 : 250 (Crystal 3)이다. 이온교환된 단결정을 723 K에서 2일 동안 1 × 10-4 Pa로 진공 탈수시켰으며, 결정구조는 100(1) K에서 입방공간군 Fd3̅m을 사용하여 단결정 싱크트론 X선 회절법으로 해석하고 구조를 정밀화하였다. Crystal 1, 2 및 3의 단위세포당 화학식은 |Cs21Ca27|[Si117Al75O384]-FAU, |Cs2Ca36.5|[Si117Al75O384]-FAU 및 |Cs1Ca37|[Si117Al75O384]-FAU이다. 3개의 결정 모두에서, Ca2+ 이온은 D6Rs 내의 site I을 우선적으로 점유하고 있으며 나머지는 site I’, II’ 및 II를 점유하고 있다. 한편 주어진 이온교환용액의 초기 Cs+ 이온의 농도에 따라 Cs+ 이온의 분포에 중요한 차이가 관찰되었다. Crystal 1에서는 Cs+ 이온이 site II’, II, III와 III’에 위치하고 있으며, Crystal 2에서는 site II, IIIa, IIIb에 위치하고 있다. Crystal 3에서는 Cs+ 이온은 site IIIa 및 IIIb에만 위치하고 있다. 초기 Ca2+ 이온의 농도가 증가하고 Cs+ 이온의 농도가 감소에 따라 Cs+ 이온의 교환정도는 28.0에서 2.7과 1.3 %로 급격히 감소하였다.

본 연구는 원자력 중대 사고 시, 환경에 유출된 방사성 세슘의 확산을 억제하기 위해 충북 영동 지역 일라이트의 활용 가능성을 평가하였다. 영동 일라이트는 운모질 편암의 열수변질 작용에 의해 형성되었으며, 주요 구성 광물은 석영, 장석, 일라이트이다. 저농도 세슘 용액을 사용한 회분식 흡착 실험 결과, 영동 일라이트의 흡착 분배 계수(Kd)는 약 4,200 L kg-1으로 다른 점토 광물에 비해 비교적 높은 값을 가지며, 이는 일라이트에 존재하는 풍화된 모서리면(FES)의 영향으로 판단된다. 영동 일라 이트와 세슘의 흡착등온선은 비선형 흡착 특성을 나타내며 단일 표면 한계 흡착 능력이 250,000 μg kg-1으로 우수한 흡착능을 보여주어 방사성 세슘 흡착제로서의 사용 가능성을 입증하였다. 이러한 결 과는 추후 방사능 누출 사고 등의 긴급 상황 발생 시, 영동 지역 일라이트를 오염 확산 방지 및 정화 작업에 사용하기 위한 평가 자료로 활용될 것으로 기대된다.

본 연구는 원자력 중대 사고 시, 환경에 유출된 방사성 세슘의 확산을 억제하기 위해 충북 영동 지역 일라이트의 활용 가능성을 평가하였다. 영동 일라이트는 운모질 편암의 열수변질 작용에 의해 형성되었으며, 주요 구성 광물은 석영, 장석, 일라이트이다. 저농도 세슘 용액을 사용한 회분식 흡착 실험 결과, 영동 일라이트의 흡착 분배 계수(Kd)는 약 4,200 L kg-1으로 다른 점토 광물에 비해 비교적 높은 값을 가지며, 이는 일라이트에 존재하는 풍화된 모서리면(FES)의 영향으로 판단된다. 영동 일라 이트와 세슘의 흡착등온선은 비선형 흡착 특성을 나타내며 단일 표면 한계 흡착 능력이 250,000 μg kg-1으로 우수한 흡착능을 보여주어 방사성 세슘 흡착제로서의 사용 가능성을 입증하였다. 이러한 결 과는 추후 방사능 누출 사고 등의 긴급 상황 발생 시, 영동 지역 일라이트를 오염 확산 방지 및 정화 작업에 사용하기 위한 평가 자료로 활용될 것으로 기대된다.

사용후핵연료의 고온 열처리공정 중에 발생되는 핵분열 가스는 세슘, 테크네튬, 요오드, 삼중수소, 크립톤, 제논 등이다. 이들 다양한 핵분열 가스를 단/장반감기/열발생 핵종별로 선택적으로 포집하여 고준위폐기물 발생량 최소화 및 최적화기술 개발은 시급한 문제로 다가오고 있다. 이들 핵종 중 방사성 기체상 세슘은 선택적 배기체 처리공정에서 석탄회 필터를 이용한 고온 흡착법으로 포집한다. 배기체 처리장치에서 기체상 세슘을 포집 후 발생되는 세슘 폐필터 고화방법은 밀도가 높고, 열적 안정성이 우수하며, 내침출성이 우수한 고화방법이 개발되어야 한다. 세슘 폐필터 고화방법 중 기체상 세슘을 포집한 세슘 폐필터 자체를 소결하여 안정한 고화체로 제조하는 방법이 시도되고 있다. 본 연구는 기체상 세슘이 포집된 세슘 폐필터(Cs 함량 : 6 ~ 24 wt%)를 분쇄, 혼합 후 소결시켜 세슘 폐필터 세라믹 고화체를 제조하여 이의 침출특성을 PCT-A 정적침출시험법 (ASTM Standard C1285-02)을 이용하여 평가하였다. 세슘 폐필터 자체만으로 대기 분위기하에서 각각 1,000℃부터 1,500℃까지 3시간 동안 열처리하여 얻어진 세라믹 고화체는 세슘함량이 감소할수록 고화체의 제조온도는 낮아졌다. 세슘함량이 6 ~ 24 wt%인 세슘폐필터를 단순 열처리만 하여도 밀도가 ~2.7 g/cm³ 으로서 일반적인 붕규산유리 고화체의 밀도인 ~2.5 g/cm³와 비슷하였다. 한편 세슘함량 12 ~ 24 wt.%인 세슘잉곳의 세슘 휘발율은 8wt.% 이하로 매우 우수한 열적 안정성을 나타내었다. 세슘잉곳의 Cs, Si, Al, Na의 mass loss [g/㎡] 값은 EA glass 이하의 값으로 나타났고, 특히 세슘의 mass loss 값은 10-2 ~ 10-1 g/m² 로서 PCT-A 침출률로 환산시 10-3 ~ 10-2 g/(m²·day) 로서 내침출성이 우수하였다.

사용후핵연료를 다루는 각종 공정에서는 열처리 온도, 분위기 가스 등에 따라 Cs 뿐만 아니라 I, Tc, Ru, Te 등의 다양한 준휘발성 핵분열 가스들이 발생된다. 이들 발생되는 핵분열가스들 중 고방사능, 고방열 핵종인 세슘을 환경으로 방출되지 않도록 선택적으로 안전하게 포집하는 기술 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 최근 석탄회필터를 이용하여 이를 기체상 세슘과 반응시켜 세슘알루미노실리케이트를 형성시켜 세슘을 포집하는 방법이 개발되었다. 하지만, 석탄 화력발전소에서 이용되는 탄종의 변화에 따라 석탄회의 조성이 달라져 품질관리가 어려우며 석탄회에 포함된 CaO, MgO, TiO2, SO3, Na2O, K2O, BaO, PbO, MnO2 등 다양한 화학적 조성 때문에 선택적으로 세슘만 제거하기 어려운 문제가 제기되었다. 이를 해결하기 위하여 SiO2, Al2O3, Fe2O3를 기반으로 한 세라믹 다공성필터를 제조한 후 이를 이용하여 기체상 세슘을 포집하는 방법이 모색되고 있다. 본 연구는 OTS(Off-gas Trapping System) 장치를 이용하여 고온 하에서 알루미노실리케이트 필터의 세슘 포집특성을 분석하였다. 이를 위해 SEM-EDX, ICP를 이용하여 포집 전·후 필터의 미세구조의 변화 및 세슘의 농도를 분석하였다. 무게분석을 통해 알루미노실리케이트 필터의 세슘포집효율은 99% 이상이었다. 알루미노실리케이트 필터의 표면을 SEM으로 형상을 확인한 후 EDX로 화학적 성분을 분석한 결과 1단의 경우 세슘은 40.53 wt.%로 나타났고 후단은 세슘이 검출되지 않았다. 또한 ICP로 필터의 후단을 원소 분석한 결과 세슘은 검출되지 않았다. 또한 세슘 포집 후의 필터를 상분석 한 결과 세슘은 화학반응이 결합된 cesium aluminum silicate(Cs4Al4Si20O48) 및 pollucite(CsAlSi2O6) 로 나타났다.

흑운모의 풍화과정이 Cs의 흡착에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 pH 2, 4, 그리고 1 M의 Na, K, Ca, Mg, Rb, Cs의 용액에서 각각 다른 기간 동안 반응을 시킨 흑운모에 대하여 10-3 M의 Cs 농도에서 흡착 실험을 실시하였다. XRD 분석 결과 일부의 시료에서 XRD 피크 변화가 발견되어 광물의 풍화 반응이 일어났음을 보여주었다. 여러 요소들 중 수용액 내 양이온 종이 가장 크게 광물학적 변화에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 실험에 사용한 양이온 중 Na 이온이 가장 큰 영향을 주었는데 Na의 경우 풍화 반응 후 XRD 피크의 너비 증가와 더불어 12 Å 피크와 14 Å 피크를 형성하였고 이는 hydrobiotite와 버미큘라이트의 형성에 기인한 것으로 판단된다. 이러한 새로운 피크는 pH 2에서 반응한 시료보다 pH 4의 시료에서 강하게 나타났다. 이는 낮은 pH에서는 작은 입자나 모서리 등이 더 빨리 용해되어 추가적인 팽윤층의 형성을 감소시킨 것으로 해석된다. Mg의 용액에서 풍화된 흑운모의 경우 약간의 14 Å 피크가 형성됨을 확인할 수 있었고 XRD 결과를 종합하여 볼 때 Na, Mg, Ca 용액의 순서로 흑운모의 풍화가 증가되었으며 K, Rb, Cs의 경우 용액 내에서의 풍화가 크게 일어나지 않고 있음을 알 수 있었다. 풍화된 흑운모에 흡착된 Cs의 양은 XRD 상에서 보여지는 광물의 풍화 정도와 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났으며 Na에서 pH 2와 4에서 모두 Na 용액에서 반응시킨 흑운모가 가장 큰 흡착양을 보이고 다음으로 Mg, Ca 등으로 높은 흡착양 순서를 보였다. K, Rb, Cs의 용액에서는 Cs의 흡착이 상대적으로 매우 적게 일어났으며 이는 본 연구가 수행된 Cs의 농도(10-3 M)는 Cs이 강하게 흡착되는 것으로 알려진 닳은 모서리(frayed edge) 흡착자리가 포화되는 농도 이상으로 풍화로 생성되는 팽윤층이 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. K, Rb, Cs 용액의 경우 층간이온과 동종이온이거나 닳은 모서리 등의 흡착 등으로 추가적인 팽윤층의 생성을 방해하고 닳은 모서리 흡착을 막아서 Cs의 흡착양이 적은 것으로 사료된다.

The adsorption characteristics of Sr ions and Cs ions in single and binary solution by zeolite A were investigated in batch experiment. The adsorption rate of Sr ions and Cs ions by zeolite A obeyed pseudo-second-order kinetic model in single and binary solution. The initial adsorption rates (h) and adsorption capacities of both ions obtained from pseudo-second-order kinetic model, and the values were decreased with increasing concentration of the competitive ions (0~1.5 mM). Also, adsorption isotherm data in binary solution were well fitted to the extended Langmuir model, the maximum adsorption capacities of Sr and Cs calculated from the model were 1.78 mmol/g and 1.64 mmol/g, respectively. The adsorption of Sr and Cs ions by zeolite A was carried out in the presence of other cations such as Na+, K+, Mg2+, and Ca2+. The results showed that the zeolite A can maintain a relatively high adsorption capacity for Sr and Cs ions and exhibits a high selectivity in the presence of competitive cations. The effect of competition had an order of Ca2+>K+>Mg2+>Na+ for Sr ions and K+>Ca2+>Na+>Mg2+ for Cs ions at the same cation concentration.