The effect of Li2O addition on precipitation behavior of uranium in LiCl-KCl-UCl3 has been investigated in this study. 99.99% LiCl-KCl eutectic salt is mixed with 10wt% UCl3 chips at 550°C in the Pyrex tube in argon atmosphere glove box, with 10 ppm O2 and 1 ppm H2O. Then, Li2O chunks are added in mixed LiCl-KCl-UCl3 and the system has been cooled down to room temperature for 10 hours to form enough UO2 particles in the salt. The solid salt has been taken out from the glove box, and cut into three sections (top, middle and bottom) by low-speed saw for further microscopic analysis. Three pieces of solid salt are dissolved in deionized water at room temperature and the solution is filtered by a filter paper to collect non-dissolved particles. The filter paper with particles is baked in vacuum oven at 120°C for 6 hours to evaporate remaining moisture from the filter paper. Further analysis was performed for the powder remaining on the filter paper, and periphery of the powder (cake) on the filter paper. Scanning electron microscopy (SEM), electron diffraction spectroscopy (EDS), and X-ray powder diffraction (XRD) are adopted to analysis the characteristic of the particles. From SEM analysis, the powders are consisted of small particles which have 5 to 10 m diameter, and EDS analysis shows they are likely UO2 with 23 at. % of uranium and 77 at. % oxygen. Cake is also analyzed by SEM and EDS, and needle like structures are widely observed on the particle. The length of needle is distributed from 5 to 20 m, and it has 6 to 10 at. % of chlorine, which are not fully dissolved into deionized water at room temperature. From XRD analysis, the particles show the peak position of UO2, and the result is well matched with the SEM-EDS results. We are planning to add more Li2O in the system for fully reacting uranium in UCl3, and compare the results to find the effect of Li2O concentration on UO2 precipitation.

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.

A study on the corrosion behavior of Inconel alloys and Incoloy 800H in molten salt of LiCl-Li2O was investigated at 650˚C for 24-312 hours in an oxidation atmosphere. The order of the corrosion rate was Inconel 600< Inconel 601< Incoloy 800H< Inconel 690. Inconel 600 showed the best performance suggesting that the content of Fe, Cr and Ni are the important factor for corrosion resistance in hot molten salt oxidation conditions. The corrosion products of Inconel 600 and Inconel 601 were Cr2O3 and NiFe2O4, In case of Inconel 690, a single layer of Cr2O3 was formed in the early stage of corrosion and an outer layer of NiFe2O4 and inner layer of Cr2O3 were formed with an increase of corrosion time. In the case of Incoloy 800H, Cr2O3 and FeCr2O4 were observed. Most of the outer scale of the alloys was observed to be spalled from the results of the SEM analysis and the unspalled scale which adhered to the substrate was composed of three layers. The outer layer, the middle one, and the inner one were Fe, Cr, and Ni-rich, respectively. Inconel 600 showed localized corrosion behavior and Inconel 601, 690 and Incoloy 800H showed uniform corrosion behavior. Ni improves the corrosion resistance and too much Cr and/or Fe content deteriorates the corrosion resistance.

Li2O-LiCl 용융염을 이용한 전해환원기술은 사용후핵연료로부터 우라늄 금속을 회수하기 위해 연구되고 있다. 이 전해환원기술에서는 Li2O가 촉매로 이용되기 때문에 그 농도를 유지하는 것은 매우 중요한 운전인자이다. ZrO2는 피복관의 주성분이 Zr이기 때문에 사용후핵연료에 불가피하게 함유되며, 본 연구에서는 Li2O를 촉매로 이용하는 전해환원공정에서 ZrO2의 거동을 살펴보았다. Li2O와 ZrO2의 화학반응과 전해환원공정 중에서의 생성물을 분석한 결과, Li2ZrO3와 Li4ZrO4가 주요하게 관찰되었고, 이는 Li2O의 손실을 가져오는 원인이 된다. 즉, ZrO2는 Li2O를 소모하는 역할을 하며, 반응생성물은 전기화학적으로 안정하기 때문에 Li2O의 손실이 불가피하게 된다.

650의 LiCl-LiO 용융염계에서 10 g UO/batch 규모의 장치를 이용해서 우라늄산화물의 전해환원 특성에 대한 평가를 수행하였다. 일체형 음극은 고체전극, 우라늄산화물과 우라늄산화물을 담아주는 다공성 용기(멤브레인)로 구성된다. 멤브레인 재료로는 325-mesh 스테인레스강막과 다공성 마그네시아 도가니를 사용하였다. 일체형 음극의 재질에 따른 LiCl-3 wt LiO계와 UO-LiCl-3 wt LiO계의 순환 전압측정법 결과로부터 전해환원 반웅 메커니즘을 규명하였다. 일체형 음극의 재질에 따른 우라늄산화물의 직접 및 간접 전해환원에 대한 실험을 수행하였다. 그 결과, 325-mesh스테인레스강막을 사용하여 직접 및 간접 전해환원으로 금속전환을 수행하였을 때 낮은 전류효율로 인해 우라늄산화물을 금속우라늄으로 환원시키지 못했으며, 마그네시아 다공성 도가니를 사용하여 간접 전해환원으로 금속전환을 수행하였을 때는 높은 전류효율로 인해 우라늄산화물을 금속우라늄으로 환원시킬 수 있었다

한국원자력 연구소에서 추진하고 있는 사용후핵연료 관리 이용 기술개발의 경제성과 환경친화성을 증진시키기 위해서 리튬회수 기술을 개발하고 관련 검증실험을 수행하였다. 본 기술은 1) 환원전극과 결합된 비전도성 다공성 마그네시아 용기를 이용한 용융염상에서의 산화리튬 전해, 2) 마그네시아 용기를 용융염 액위 이상으로 상승시켜, 용기 내에 회수된 리튬의 용융염으로부터의 분리, 3) 회수된 리튬의 진공 사이펀을 사용한 별도 저장조로의 이송이라는 3단계의 결합으로 특징지어 진다. 개발된 기술에 의하여 염화리튬-산화리튬 용융염으로부터 95% 이상의 수율로 리튬을 반연속적으로 회수할 수 있었다.

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.

Fe-Ni-Cr 합금의 용융염 부식거동을 650~850˚C 온도범위에서 조사하였다. 용융염 LiCl에서 Cr을 포함하지 않는 KSA(Kaeri Superalloy)-1 합금은 Fe의 내부산화가 발생하고, Cr을 포함한 KSA-4, Incoloy 800H와 KSA-5는 LiCrO2의 치밀한 보호막이 형성되었다. 혼합용융염 LiCl-LiO2O에서 KSA-1은 Fe의 내부산화, KSA-4는 Cr의 내부산화가 발생하였고, Cr 농도가 높은 Incoloy 800H와 KSA-5는 LiCrO2의 다공성 피 이 형성되었다. 혼합용융염 LiCl-Li2O 에서는 Cr 농도의 증가에 따라 부식속도가 증가하였으며, 부식속도는 시간의존선을 8%Cr 이하의 합금에서는 포물선법칙, 8%Cr 이상의 합금에서는 직선법칙을 나타내었다. 이러한 현상은 Li2O에 의한 보호성 산화물 Cr2O3의 염기성 용해기구로 설명할 수 있다.