The nuclide management process for reducing the environmental burden being developed by the Korea Atomic Energy Research Institute is performed in molten salts, resulting in contaminated salt wastes containing fission products such as Cs, Sr, Ba, and rare-earth nuclides. In addition, the spent fuel of a molten salt reactor (MSR) contains a variety of fission products, and a purification process may be required for the reuse of the salt and the separation and disposal of the fission products in the spent nuclear fuel. The melt-crystallization method is a technique used for the purification and separation of chemicals or metals based on the different melting points of the different substances. In a recent study, our group developed a reactive-crystallization method using Li2CO3 precipitation agent to precipitate metal corrosion from the reactor through a chlorination reaction by HCl and Cl2, which may occur in chloride molten salt, and successfully precipitated the metal precipitate and purified and recovered LiCl salt. In this study, reactive-crystallization method has been established for removing fission products and corrosive materials. Using the reactive crystallization method, white LiCl-KCl salt that was not discolored by metal corrosion was recovered through the crystallization plates, and fission products and metal elements were shown to be suppressed to several ppm in the purified salt. Consequently, high-purity salts were recovered with high nuclide and corrosive separation efficiencies. The reactive crystallization procedure can also be applied to other salt waste systems, such as MSR nuclear fuel treatment and molten salt chemistry for the elimination of corrosive substances.

Molten salt reactor (MSR) is one of the non-pressurized-water fourth-generation reactors that uses liquid nuclear fuel that integrates coolant and nuclear fuel, so it is a safe reactor that can fundamentally prevent severe accidents caused by coolant loss. MSR uses NaCl-MgCl2 as a coolant salt, which is considered a promising diluent that can dissolve the fuel salt by forming an eutectic mixture. In this study, a zone-melting system was used to remove impurities from the NaCl-MgCl2 used in MSR. The system was designed in detail to control eutectic salt impurities by traversing long charges into a small molten zone.

Molten salt consisting primarily of eutectic LiCl-KCl is currently being used in electrorefiners in the Fuel Conditioning Facility at Idaho National Laboratory. Options are currently being evaluated for storing this salt outside of the argon atmosphere hot cell. The hygroscopic nature of eutectic LiCl-KCl makes is susceptible to deliquescence in air followed by extreme corrosion of metallic cannisters. In this study, the effect of occluding the salt into a zeolite on water sorption/desorption was tested. Two zeolites were investigated: Na-Y and zeolite 4A. Na-Y was ineffective at occluding a high percentage of the salt at either 10 or 20wt% loading. Zeolite-4A was effective at occluding the salt with high efficiency at both loading levels. Weight gain in salt occluded zeolite-4A (SOZ) from water sorption at 20% relative humidity and 40℃ was 17wt% for 10% SOZ and 10wt% for 20% SOZ. In both cases, neither deliquescence nor corrosion occurred over a period of 31 days. After hydration, most of the water could be driven off by heating the hydrated salt occluded zeolite to 530℃. However, some HCl forms during dehydration due to salt hydrolysis. Over a wide range of temperatures (320–700℃) and ramp rates (5, 10, and 20℃ min−1), HCl formation was no more than 0.6% of the Cl− in the original salt.

This study provides an assessment on a proposed method for separation of cesium, strontium, and barium using electrochemical reduction at a liquid bismuth cathode in LiCl-KCl eutectic salt, investigated via cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectrometry (SEM-EDS). CV studies were performed at temperatures of 723-823 K and concentrations of the target species up to 4.0wt%. Redox reactions occurring during potential sweeps were observed. Concentration of BaCl2 in the salt did not seem to influence the diffusivity in the studied concentration range up to 4.0wt%. The presence of strontium in the system affected the redox reaction of lithium; however, there were no distinguishable redox peaks that could be measured. Impedance spectra obtained from EIS methods were used to calculate the exchange current densities of the electroactive active redox couple at the bismuth cathode. Results show the rate-controlling step in deposition to be the mass transport of Cs+ ions from the bulk salt to the cathode surface layer. Results from SEM-EDS suggest that Cs-Bi and Sr-Bi intermetallics from LiCl-KCl salt are not thermodynamically favorable.

This study proposes a method of separating uranium (U) and minor actinides from rare earth (RE) elements in the LiCl-KCl salt system. Several RE metals were used to reduce UCl3 and MgCl2 from the eutectic LiCl-KCl salt systems. Five experiments were performed on drawdown U and plutonium (Pu) surrogate elements from RECl3-enriched LiCl-KCl salt systems at 773 K. Via the introduction of RE metals into the salt system, it was observed that the UCl3 concentration can be lowered below 100 ppm. In addition, UCl3 was reduced into a powdery form that easily settled at the bottom and was successfully collected by a salt distillation operation. When the RE metals come into contact with a metallic structure, a galvanic interaction occurs dominantly, seemingly accelerating the U recovery reaction. These results elucidate the development of an effective and simple process that selectively removes actinides from electrorefining salt, thus contributing to the minimization of the influx of actinides into the nuclear fuel waste stream.

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.

Densities of molten salt mixtures of eutectic LiCl-KCl with UCl3, CeCl3, or LaCl3 at various concentrations (up to 13 wt%) were measured using a liquid surface displacement probe. Linear relationships between the mixture density and the concentration of the added salt were observed. For LaCl3 and CeCl3, the measured densities were significantly higher than those previously reported from Archimedes’ method. In the case of LiCl-KCl-UCl3, the data fit the ideal mixture density model very well. For the other salts, the measured densities exceeded the ideal model prediction by about 2%.

사용후핵연료 파이로프로세싱에서는 방사성 희토류 염화물(RECl3)을 함유한 LiCl-KCl 공융염폐기물이 발생되며, 핫셀시설에서 운영을 목적으로 단순한 형태의 공융염폐기물 처리공정을 개발하는 것이 필요하다. 본 연구에서는, LiCl-KCl 공융염폐기물 내 희토류 핵종 분리/고화공정의 단순화를 목적으로 Li2O-Al2O3-SiO2-B2O3계의 무기합성매질을 이용하여 LiCl-KCl 공융 염 내 희토류 핵종(Nd)을 분리한 후 분리생성물을 바로 고화하는 시험을 실시하였다. 공융염 내 희토류 염화물(NdCl3) 대비 0.67의 무게비에 해당하는 무기합성매질의 양으로도 Nd 핵종을 98wt% 이상 분리할 수 있었고, 이 때 얻은 희토류 핵종 포집생성물은 약 50wt% 수준의 희토류 산화물 함량을 보유하고 있었으며, 이 포집생성물을 화학적 내구성이 우수한 단일상의 균질한 유리고화체로 제조할 수 있었다. 이 결과들은 LiCl-KCl 공융염폐기물 내 희토류 핵종의 분리/고화공정을 단순화하기 위한 방안수립에 활용될 수 있을 것이다.

산화물 사용후핵연료에 대한 전해환원의 금속전환체를 양극으로 한 전해정련공정에는 LiCl-KCl 공융염에 우라늄 원소뿐 아 니라 초우란 원소 및 희토류 원소들이 용해되므로 우라늄을 선택적으로 회수하기 위해서는 우라늄과 다른 원소들이 음극에 전착되는 거동에 대한 연구가 필요하다. LiCl-KCl 공융염 내 희토류 원소의 농도에 따른 음극에서의 전착거동을 고찰하기 위 해 U 및 Ce를 기준으로 한 U, Ce, Y 그리고 Nd 원소들의 분리계수에 대한 연구를 수행하였다. Ce 금속을 희생 양극으로 이용 하여 정전류 정련반응을 통해 용융염 상과 전착물 상의 U, Ce, Y 그리고 Nd 원소의 농도를 분석하여 이로부터 분리계수를 얻 었으며 UCl3 농도와 CeCl3/UCl3 농도비에 따른 분리계수로부터 우라늄을 선택적으로 회수할 수 있는 조건들을 고찰하였다.

사용후핵연료 파이로프로세싱에서 발생하는 방사성폐기물의 양을 최소화하기 위해서는 방사성 핵종 함유 염폐기물을 효과 적으로 처리할 수 있는 기술개발이 필요하다. 이를 위해 탄산화물(Li2CO3, K2CO3)을 이용한 반응증류공정에서 LiCl-KCl 공융 염 내 NdCl3의 분리특성을 관찰하였다. HSC-Chemistry 프로그램을 이용한 탄산화물과 NdCl3의 반응모델결과에서 NdCl3는 탄산화물의 주입조건 및 온도변화에 따라 산염화물(NdOCl) 또는 산화물(Nd2O3) 형태로 전환됨이 확인되었으며, 탄산화물 의 주입조건에 따른 LiCl-KCl-NdCl3계의 반응증류시험에서 반응모델결과와 유사한 경향을 확인하였다. 이 결과들을 이용하 여 LiCl-KCl 공융염 내 NdCl3를 고화가 용이한 산화물 형태로 분리하기 위한 공정조건을 도출하였다.

비등온 및 등온조건에서의 열중량분석을 이용하여 다양한 압력조건(0.5 - 50 mmHg)에서 LiCl-KCl 공융염 증류속도를 우선 측정하였다. 비등온조건에서의 열중량분석결과로부터 온도의 함수로 표현될 수 있는 증류 속도식을 도출하였다. 이 속도식에 의해 계산된 휘발플럭스(flux)는 등온조건에서의 열중량분석을 통해 얻어 진 증류속도와 일치하였다. 1300 K 이하의 온도조건과 0.5 mmHg와 50 mmHg 사이의 감압조건에서 10-4- 10-5 mole cm-2 sec-1의 증류속도를 얻을 수 있다. 실험실규모 실험장치에서 50 mmHg의 압력과 1150 K 이상 의 온도 조건에서 한 시간 증류로 약 99%의 염이 분리되었다. 희토류 침전물내에 잔류하는 염을 증류에 의해 제거할 때 휘발시간이나, 온도를 증가시키는 것보다 휘발 계면적을 증가시키는 것이 효과가 더 큰 것으로 나타났으며, 휘발면적을 4.52 cm2에서 12.56 cm2로 증가시켜 한 시간 동안 증류하였을 때 99.95% 이상의 염이 분리되었다.

전해정련공정을 통해 생산된 우라늄 전착물은 약 30%의 용융염을 포함하고 있으므로, 순수한 우라늄을 회 수하여 금속 잉곳으로 용이하게 제조하기 위해서는 용융염을 먼저 제거하는 공정이 필요하다. 우라늄 전착물의 염증류 거동을 고찰하기 위해서는 염증류의 주요 공정변수인 유지온도와 진공압의 염제거율에 대한 영 향를 고찰해야 한다. 이전 연구에서 우라늄전착물에 대한 염증류 거동에 대해 Hertz-Langmuir 관계식을 적 용하여 각 용융염의 휘발 조건에 대해 염휘발계수를 얻을 수 있었으며 이로부터 우라늄 전착물에 대해 99% 이상의 염제거율을 나타내는 염증류공정의 조업조건을 도출하였다[1]. 한편, 염증류 장치에서 사용되는 재질 인 스테인리스강에 대해 우라늄 전착물에서 염휘발된 우라늄 금속이 스테인리스강의 주성분인 철, 니켈, 크 롬 등과 공정(eutectic melt)을 형성하지 않는 온도에서 염증류공정을 수행해야 하는 제한 조건이 따른다. 이 번 연구에서는 우라늄 금속과 스테인리스강과의 반응성을 검토함으로써 우라늄 전착물의 염을 99% 이상 제 거할 수 있는 조건을 확인하였다. 그리고 염증류 속도를 증진시키며 휘발된 염을 더 효율적으로 회수하기 위 해 공급되는 알곤 흐름에 의한 염증류 장치의 열해석을 수행함으로써 알곤 흐름에 의한 우라늄 전착물에 대 한 염증류 거동을 고찰하였다.