KR101061481B1 - The method for preparation of uranium powder for nuclear power from uranium oxide scrap - Google Patents
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Abstract
본 발명은 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본 발명은 우라늄 산화물 스크랩에 탄산염 용액을 첨가하여 우라늄을 용해시키는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 우라늄이 용해된 용액에 산을 첨가하여 우라늄을 침전시킨 후, 발생하는 이산화탄소를 알칼리 용액과 반응시켜 탄산염 용액으로 회수하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수하는 단계(단계 3); 상기 단계 2에서 침전된 우라늄 분말 응집체를 아르곤 분위기하에서 탈수시키고, 수소분위기 하에서 환원 열처리한 후 산화보호막 처리하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 제조된 우라늄 분말 응집체를 밀링하는 단계(단계 5)를 포함하는 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing uranium powder for nuclear fuel from uranium oxide scrap, and more particularly, the present invention comprises the steps of dissolving uranium by adding a carbonate solution to the uranium oxide scrap (step 1); Adding an acid to the solution in which uranium is dissolved in step 1 to precipitate uranium, and then reacting the generated carbon dioxide with an alkaline solution to recover the carbonate solution (step 2); Recovering the acid and alkali solution used in step 2 (step 3); Dehydrating the uranium powder aggregate precipitated in step 2 in an argon atmosphere, and subjecting it to a reduction protective heat treatment in a hydrogen atmosphere and then to an oxide protective film treatment (step 4); It relates to a method for producing uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap comprising the step (step 5) of milling the uranium powder aggregate prepared in step 4.
Description
본 발명은 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing uranium powder for nuclear fuel from uranium oxide scrap.
중수로 및 경수로 원자력발전소용 핵연료는 핵분열을 위한 U-235가 0.7%인 UO2 소결체 또는 U-235가 4 - 5%로 농축된 UO2 성형 소결체를 사용한다. 이러한 소결체에는 UO2 분말에 여러가지 첨가제를 혼합하는 일련의 제조 과정, 즉 예비 성형, 과립화(Granulation), 윤활제 첨가, 압축 성형, 수소 분위기에서 1650 ℃로 소결, 및 최종 연삭 과정을 통해 핵연료로 제조된다. 이러한 핵연료 제조과정에서는 불량 UO2 소결체 또는 연삭 찌꺼기의 불순물이 섞인 UO2 소결체 또는 불순물이 섞인 UO2 분말 등의 우라늄 산화물 스크랩 (scrap)이 발생한다. 이때 우라늄 스크랩과 섞이는 불순물로는 Cr, Fe, Ni, Mo, Al, Si 등의 금속 또는 이들 산화물이다.
Nuclear and light reactor nuclear fuels use UO 2 sintered with 0.7% U-235 for nuclear fission or UO 2 shaped sintered with 4-5% U-235. These sintered bodies are manufactured as a nuclear fuel through a series of manufacturing processes in which various additives are mixed with UO 2 powder, ie preforming, granulation, lubricant addition, compression molding, sintering at 1650 ° C. in a hydrogen atmosphere, and final grinding. do. The nuclear fuel manufacturing process the uranium oxide scraps (scrap) such as defective sintered UO 2 or UO 2 powder or UO 2 sintered product impurities are impurities, grinding debris mixed with a mixture is produced. At this time, the impurities mixed with uranium scrap are metals such as Cr, Fe, Ni, Mo, Al, Si, or these oxides.
UO2 분말이 핵연료로서 만들어지기 위해서는 제조되는 소결체가 밀도가 이론밀도의 95% 이상을 갖도록 하는 것이 매우 중요하며, 핵연료 스크랩은 많은 경우 재활용되지 않고 저장되나, 전 세계적인 원자력 발전의 증대에 따른 우라늄 수요 증가에 의해 우라늄 핵연료 제조 공정에서 발생하는 우라늄 스크랩을 정제하여 재활용하는 요구가 증대될 전망이다. 종래의 우라늄산화물 스크랩으로부터 우라늄을 회수하기 위해서는 고온 질산(약 100 ℃, 10 M HNO3)에서 우라늄 산화물 스크랩을 용해 후 용매추출에 의해 우라늄만을 분리한 후 암모니아 수를 이용하여 우라늄을 암모니아-우라늄 혼합 침전물((NH4)2U2O7 또는 UO42NH4NO3)로 회수하고 이를 분해하여 UO3분말을 만든 후에 환원 열처리를 통하여 UO2 분말을 제조한다. 그러나 종래의 우라늄 스크랩으로부터 우라늄을 회수하는 방법은 고온 질산을 사용하여 우라늄 산화물을 용해하는 과정에서 장치 부식 문제 및 NOx 가스 발생, 용매추출에 의한 유기폐액 발생 및 환경 규제 물질인 암모니아성 질소화합물 등의 2차 폐기물이 다량으로 발생하여 경제성과 환경 친화성이 크게 떨어지는 문제가 있다.
In order for UO 2 powder to be made as a fuel, it is very important that the sintered body has a density of 95% or more of the theoretical density. Nuclear fuel scrap is stored without being recycled in many cases, but the demand for uranium is due to the increase in global nuclear power generation. Increasing demand will increase the need to purify and recycle uranium scrap from the uranium fuel manufacturing process. To recover uranium from conventional uranium oxide scrap, dissolve the uranium oxide scrap in high temperature nitric acid (about 100 ℃, 10 M HNO 3 ), separate only uranium by solvent extraction, and then mix the uranium with ammonia-auranium using ammonia water. The precipitate is recovered as a precipitate ((NH 4 ) 2U 2 O 7 or UO 4 2NH 4 NO 3 ) and decomposed to form a UO 3 powder, followed by reduction heat treatment to prepare a UO 2 powder. However, conventional methods for recovering uranium from scraps of uranium scrap include problems of device corrosion and NO x gas in the process of dissolving uranium oxide using high temperature nitric acid, generation of organic waste liquid by solvent extraction, and ammonia nitrogen compounds as environmental regulatory substances. Due to the large amount of secondary wastes, economic and environmental friendliness is greatly reduced.
이에, 본 발명자들은 경수로용 핵연료 가공시설에서 발생하는 연삭찌꺼기 불순물이 섞여 있는 우라늄 산화물 스크랩에서 종래 방법으로 우라늄만을 회수시 발생하는 장치부식, NOx 가스처리, 고온 산을 이용함에 따른 조업 안정성 저하, 유기 폐액의 발생, 처리시설로 인한 경제성 저하 등의 문제점들을 해결하는 방법을 연구하던 중 상온 탄산염계에서 우라늄 용해, 우라늄 이온을 함유한 탄산염의 pH 조절에 의한 용해 우라늄의 UO4 침전 분리 및 사용된 탄산염의 전해 순환을 사용하여 종래의 방법보다 우라늄 스크랩 처리 시 조업 안정성이 높으며 2차 폐기물의 발생을 최소화하여 환경 친화성을 증대시키는 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 산화물 분말을 제조하는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the inventors of the present invention, in the uranium oxide scrap containing the grinding residue impurities generated in the nuclear fuel processing facilities for light reactors, corrosion of the device generated when recovering only uranium by the conventional method, NOx gas treatment, deterioration of operation stability by using high temperature acid, organic While studying how to solve the problems such as the generation of waste liquid and the economical deterioration due to treatment facilities, UO 4 precipitation separation of dissolved uranium and the carbonate used by pH control of carbonate containing uranium ion in room temperature carbonate system Development of nuclear fuel uranium oxide powder from uranium oxide scrap, which has higher operational stability when processing uranium scrap than conventional methods and minimizes the occurrence of secondary waste, thereby increasing environmental friendliness. The invention was completed.
본 발명의 목적은 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a method for producing uranium powder for nuclear fuel from uranium oxide scrap.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 우라늄 산화물 스크랩에 탄산염 용액을 첨가하여 우라늄을 용해시키는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 우라늄이 용해된 용액에 산을 첨가하여 우라늄을 침전시킨 후, 발생하는 이산화탄소를 알칼리 용액과 반응시켜 탄산염 용액으로 회수하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수하는 단계(단계 3); 상기 단계 2에서 침전된 우라늄 분말 응집체를 아르곤 분위기하에서 탈수시키고, 수소분위기 하에서 환원 열처리한 후 산화보호막 처리하는 단계(단계 4); 상기 단계 4에서 제조된 우라늄 분말 응집체를 밀링하는 단계(단계 5)를 포함하는 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법을 제공한다.
In order to achieve the above object, the present invention comprises the steps of dissolving uranium by adding a carbonate solution to the uranium oxide scrap (step 1); Adding an acid to the solution in which uranium is dissolved in
본 발명에 따른 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법은 단순한 침전방법을 이용하여 우라늄을 고효율로 회수하고 있을 뿐만 아니라, 탄산염, 산, 알카리 등의 무기염 용액의 순환에 의한 2차 폐기물 발생이 없어 환경 친화성을 크게 증대시키며, 단순한 공정으로 경수로 및 중수로형 원자력발전소의 핵연료 소결밀도 사양을 만족시키는 핵연료용 우라늄 분말의 제조방법을 제공하므로 경수로용 핵연료 가공시설에서 발생하는 연삭찌꺼기 불순물이 섞여 있는 우라늄 산화물 스크랩을 폐기물이 아닌 자원으로 효과적으로 재활용할 수 있다.
The method for producing uranium powder for nuclear fuel from uranium oxide scrap according to the present invention is not only recovering uranium with high efficiency using a simple precipitation method, but also secondary waste by circulation of inorganic salt solutions such as carbonate, acid, and alkali. It greatly improves environmental friendliness without any occurrence, and provides a manufacturing method of uranium powder for nuclear fuel that satisfies the nuclear fuel sintering density specification of light water reactor and heavy water reactor type nuclear power plant. Mixed uranium oxide scrap can be effectively recycled as a resource rather than as a waste.
도 1은 본 발명에 따른 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법을 나타낸 공정 흐름도이고;
도 2는 도 1에서 우라늄 침전과 탄산염 회수단계를 상세하게 나타낸 공정 흐름도이고;
도 3은 도 1의 산, 알칼리 회수 단계의 전해반응 공정을 나타낸 그림이고;
도 4는 불순물을 함유하는 우라늄 산화물 스크랩의 과산화수소-탄산염 용액에서의 용해도를 나타낸 그래프이고;
도 5는 우라늄 옥소 탄산염 착물 용액의 pH 변화에 따른 우라늄 농도를 나타낸 그래프이고;
도 6은 우라늄 응집체 침전물의 X-선 회절분석(XRD) 결과를 나타낸 그래프이고;
도 7은 우라늄 용액의 탄산농도 변화와 NaOH 용액의 탄산농도 변화를 나타낸 그래프이고;
도 8은 전해 투석조를 이용한 산과 알카리 용액의 시간에 따른 농도변화를 나타낸 그래프이고;
도 9는 본 발명에 따른 단계 4를 수행한 후의 분말을 나타낸 사진이고;
도 10은 본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 우라늄 분말의 핵연료 밀도사양을 알아보기 위한 실험과정을 나타낸 흐름도이고;
도 11은 본 발명에 따른 단계 5를 수행한 후의 분말을 나타낸 사진이고; 및
도 12는 본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 혼합한 상기 실시예 2 - 7의 혼합분말의 핵연료 밀도사양을 알아보기 위한 실험과정을 나타낸 흐름도이다.1 is a process flow diagram illustrating a method for producing uranium powder for nuclear fuel from uranium oxide scrap according to the present invention;
FIG. 2 is a process flow diagram illustrating in detail the uranium precipitation and carbonate recovery steps in FIG. 1;
3 is a view showing the electrolytic reaction process of the acid, alkali recovery step of FIG.
4 is a graph showing the solubility of uranium oxide scrap containing impurities in hydrogen peroxide-carbonate solution;
5 is a graph showing the uranium concentration according to the pH change of the uranium oxo carbonate complex solution;
6 is a graph showing the results of X-ray diffraction analysis (XRD) of uranium aggregate precipitate;
7 is a graph showing the change in the carbonic acid concentration of the uranium solution and the change in the carbonic acid concentration of the NaOH solution;
8 is a graph showing the concentration change with time of the acid and alkali solution using the electrolysis dialysis tank;
9 is a photograph showing the powder after performing
10 is a flow chart showing an experimental procedure for determining the nuclear fuel density specification of the uranium powder prepared in Example 1 according to the present invention;
11 is a photograph showing a powder after performing
12 shows an experimental procedure for determining the fuel density specification of the mixed powder of Examples 2 to 7 in which the UO 2 + x powder prepared in Example 1 and the pure UO 2 + x powder were mixed according to the present invention. It is a flow chart.
본 발명은The present invention
우라늄 산화물 스크랩에 탄산염 용액을 첨가하여 우라늄을 용해시키는 단계(단계 1);Dissolving uranium by adding a carbonate solution to the uranium oxide scrap (step 1);
상기 단계 1에서 우라늄이 용해된 용액에 산을 첨가하여 우라늄을 침전시킨 후, 발생하는 이산화탄소를 알칼리 용액과 반응시켜 탄산염 용액으로 회수하는 단계(단계 2);Adding an acid to the solution in which uranium is dissolved in
상기 단계 2에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수하는 단계(단계 3);Recovering the acid and alkali solution used in step 2 (step 3);
상기 단계 2에서 침전된 우라늄 분말 응집체를 아르곤 분위기하에서 탈수시키고, 수소 분위기하에서 환원 열처리한 후 산화보호막 처리하는 단계(단계 4); 및Dehydrating the uranium powder aggregate precipitated in
상기 단계 4에서 제조된 우라늄 분말 응집체를 밀링하는 단계(단계 5)를 포함하는 우라늄 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법을 제공한다.
It provides a method for producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium scrap comprising the step (step 5) of milling the uranium powder aggregate prepared in
이하, 본 발명에 따른 우라늄 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for producing uranium powder for nuclear fuel from uranium scrap according to the present invention will be described in detail step by step.
본 발명에 따른 우라늄 분말의 제조방법에 있어서, 단계 1은 우라늄 산화물 스크랩에 탄산염 용액을 첨가하여 우라늄을 용해시키는 단계이다.In the method for producing uranium powder according to the present invention,
상기 단계 1은 핵연료 제조과정에서 발생하는 연삭 찌꺼기 등의 불순물이 혼합된 우라늄 스크랩으로부터 우라늄을 분리하기 위한 단계로, 산 용액을 사용하지 않고 과산화수소를 포함하는 알카리 탄산용액을 사용하여 대부분의 연삭 찌꺼기 등의 불순물은 용해시키지 않으면서 우라늄만을 용해시킬 수 있다. pH 11~13의 탄산염 용액에서는 연삭 찌꺼기 불순물 금속(Fe, Ni, Mo, Al, Si)산화물은 거의 용해되지 않지만, 용해되더라도 가수분해 반응에 의해 금속 수산화물로 침전되며 매우 낮은 용해도를 가져 극히 일부만 탄산염 용액으로 용해되고 대부분은 용액에 고형물 형태로 잔류하게 된다. 반면에 이산화 우라늄(UO2)은 과산화수소의 산화작용에 의해 용해되어 탄산염 이온과 결합하여 우라늄 착물 이온을 형성하여 용해된다. UO2의 용해는 U5 +의 표면에 중간생성물(surface intermediate)이 형성되면서 용해되며, UO2가 UO3로 되기 위한 산소는 물로부터 공급된다. 통상적으로 알려져 있는 UO2의 용해는 하기 반응식 1로 나타난다.
<반응식 1><
UO2 → UO2 +x → UO2 .33 → UO3 → (UO2 2 +)surface → (UO2(CO3)x y+)bulk UO 2 → UO 2 + x →
(여기서, x와 y는 양의 정수이다.)
(Where x and y are positive integers)
이를 좀더 구체적으로 살펴보면, 산화 조건에서 핵연료 UO2의 가공소결시 결정입계(grain boundary)에 잔존하는 비양론적 산화물(non-stoichiometric oxide)이 먼저 산화되고, UO2 결정(grain)이 UO2.33(U3O7)으로 산화된다. UO2.33은 U6+와 U4+의 혼합 또는 U5+와 U4+의 혼합 상태로, UO2.33의 생성에 의해 UO2 내의 U4+는 감소된다. UO2 내의 +5가 산화물이 최종적으로 UO3로 산화될 때 표면에 접촉하는 용액이 산성이면 우라닐(Uranyl) 이온인 UO2 2+가 되고, 알카리이면 UO2(OH)3-이온으로 변화되며, 용액이 탄산염 용액인 경우에는 CO3 2-와 결합하여 복잡한 형태의 우라늄 탄산염 착물 이온(Uranium carbonato complex, (UO2(CO3)2 2-, UO2(CO3)3 4-)을 형성하며 용해된다. 또한, 탄산염 용액에 H2O2가 존재하는 경우에는 우라늄이 하기 반응식 2와 같은 옥소 탄산염 착물(UO2(O2)x(CO3)y 2-2x-2y) 형태로 용해되고, H2O2가 없는 경우에는 우라늄 탄산염 착물(UO2(CO3)3 4-)로 형성되며, 옥소 탄산염 착물은 우라늄 탄산염 착물에 비하여 매우 큰 용해도를 가진다. 따라서, 상기 탄산염 용액은 0.1~5.0 M의 H2O2를 포함하는 0.1~3.0 M의 탄산염(Na2CO3) 용액 등을 사용할 수 있다.More specifically, the non-stoichiometric oxide remaining at the grain boundary during the sintering of the nuclear fuel UO 2 under oxidizing conditions is first oxidized, and the UO 2 grain is UO 2.33 (U). 3 O 7 ). UO 2.33 is a mixture of U 6+ and U 4+ or a mixture of U 5+ and U 4+ , whereby U 4+ in UO 2 is reduced by the production of UO 2.33 . When +5 in UO 2 is finally oxidized to UO 3 , the solution that contacts the surface becomes UO 2 2+, which is an uranil ion if the acid is acidic, and changes to UO 2 (OH) 3- ion if alkaline. If the solution is a carbonate solution, it combines with CO 3 2- to form a complex form of uranium carbonate complex ion (Uranium carbonato complex, (UO 2 (CO 3 ) 2 2- , UO 2 (CO 3 ) 3 4- ) In addition, when H 2 O 2 is present in the carbonate solution, uranium is in the form of an oxo carbonate complex (UO 2 (O 2 ) x (CO 3 ) y 2-2x-2y ) as shown in
<반응식 2><
UO2 + xCO3 2 - + yH2O2 + 2yOH- = [UO2(O2)y(CO3)x]2-2x-2y + 2yH2O + 2e- UO 2 + xCO 3 2 - + yH 2 O 2 + 2yOH - = [UO 2 (O 2) y (CO 3) x] 2-2x-2y + 2yH 2 O + 2e -
(여기서, y가 0, 1 또는 2이며, x는 각각 1, 2 또는 3이다.)
(Where y is 0, 1 or 2, and x is 1, 2 or 3, respectively).
다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 분말의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 우라늄이 용해된 용액에 산을 첨가하여 우라늄을 침전시킨 후, 발생하는 이산화탄소를 알칼리 용액과 반응시켜 탄산염 용액으로 회수하는 단계이다.Next, in the method for producing uranium powder according to the present invention,
이때, 우라늄이 용해된 탄산염 용액의 pH를 0~4로 조절하면 용액 중의 우라닐 옥소 탄산이온 착물은 분해된다. 하기 반응식 3에 나타난 바와 같이, 우라닐 옥소 탄산이온 착물은 우라닐 과산화물(UO4) 형태로 침전되고, 동시에 우라닐 옥소 탄산이온 착물에서 분리된 탄산염 이온(CO3 2-)와 용액 중의 자유(free) 탄산염 이온은 이산화탄소로 변환되어 가스 상태로 용액 밖으로 배출된다. 침전된 우라닐 과산화물은 용액으로부터 분리한 후 건조시키면 UO4xH2O(UO42H2O 또는 UO44H2O) 응집체 형태가 된다. 이때 배출된 이산화탄소 가스가 가성소다(NaOH)와 같은 알카리 용액이 순환되는 가스 흡수탑에서 탄산염 용액으로 변환되어 회수할 수 있다.At this time, when the pH of the carbonate solution in which uranium is dissolved is adjusted to 0-4, the uranil oxo carbonate complex in the solution is decomposed. As shown in
<반응식 3><
UO2(O2)x(CO3)y 2 -2x-2y + mH+ + 2H2O → UO2(O2)4H2O + yH2CO3 UO 2 (O 2 ) x (CO 3 ) y 2 -2x-2y + mH + + 2H 2 O → UO 2 (O 2 ) 4 H 2 O + yH 2 CO 3
(여기서, y는 0, 1 또는 2이며, x/y가 1/2, 2/1 또는 3/0인 경우의 m은 각각 4, 6 또는 8이다.)
(Where y is 0, 1 or 2, and m when x / y is 1/2, 2/1 or 3/0 is 4, 6 or 8, respectively.)
다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 분말의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수하는 단계이다.Next, in the method for producing uranium powder according to the present invention,
상기 단계 3의 회수는 양이온 교환막과 음이온 교환막을 사용하는 전해 투석 방법에 의해 수행될 수 있다. 더욱 구체적으로는, 상기 단계 2에서 우라늄과 탄산염이 빠진 산성화된 용액에 잔류하는 미량의 우라닐 이온을 제거하면서 동시에 상기 단계 2에서 사용된 산의 음이온과 알카리 용액의 양이온을 전해 투석조에 투입하여 음이온은 음이온 교환막을 거쳐 양극에서 산을 회수할 수 있고, 양이온은 양이온 교환막을 거쳐 음극에서 알카리로 회수하여 상기 단계 2로 순환하도록 할 수 있다. The recovery of
또한, 상기 산과 알카리 용액을 회수한 후 우라늄 침전물을 세척하고 고액분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 우라늄 침전물의 세척은 우라늄 침전물을 2~3 회 물과 접촉시켜 수행할 수 있고, 고액분리는 우라늄 침전물을 교반한 후 원심분리하여 상등액을 분리하거나 우라늄 침전물을 거를 수 있는 기공을 가지는 필터 용기를 이용하여 수행할 수 있다. In addition, after recovering the acid and alkali solution may further comprise the step of washing the uranium precipitate and solid-liquid separation. The uranium precipitate may be washed by contacting the uranium precipitate with water two or three times, and the solid-liquid separation may be carried out by stirring the uranium precipitate, followed by centrifugation to separate the supernatant or filtering the uranium precipitate. Can be used.
이때, 세척되어 용액으로부터 분리된 우라늄 침전물은 건조 온도에 따라 UO42H2O 또는 UO44H2O 형태의 UO4xH2O 분말 응집체가 형성된다.
In this case, the washed precipitate was separated from the uranium solution is provided by UO 4 2H 2 O or UO 4 4H 2 O in the form of UO xH 2 O 4 powder agglomerates according to the drying temperature.
다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 분말의 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 2에서 침전된 우라늄 분말 응집체를 불활성 분위기하에서 탈수시키고, 수소 분위기하에서 환원 열처리한 후 산화보호막을 형성시키는 단계이다.Next, in the method for producing uranium powder according to the present invention,
상기 단계 4의 탈수는 상기 단계 2에서 침전된 분말 응집체(UO42H2O 또는 UO44H2O)를 불활성 분위기, 바람직하게는 아르곤 분위기하에서 120~200 ℃로 수행하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 탈수온도가 120 ℃ 미만인 경우에는 우라늄 수화물인 UO44H2O 분말체에 포함된 물이 충분히 제거되지 못하는 문제가 있고, 200 ℃를 초과하는 경우에는 UO4가 산화물 형태인 UOx로 산화되는 문제가 있다. In the dehydration of
또한, 상기 단계 4의 열처리는 수소 환원 분위기에서 600~800 ℃로 수행하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 열처리가 600 ℃ 미만인 경우에는 반응속도가 저하되는 문제가 있고, 800 ℃를 초과하는 경우에는 분말입자 간의 결합으로 인해 소결성이 낮은 분말이 생성되는 문제가 있다.In addition, the heat treatment of
나아가, 상기 단계 4의 산화보호막의 형성은 1~3%의 산소분압에서 75~85 ℃로 수행하여 UO2 +x(0<x≤0.17)인 우라늄 분말 응집체를 제조할 수 있다.
Furthermore, the oxide protective film of
다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 분말의 제조방법에 있어서, 단계 5는 상기 단계 4에서 제조된 우라늄 분말 응집체를 밀링하는 단계이다. Next, in the method for producing uranium powder according to the present invention,
상기 단계 5는 제조된 분말 응집체에 소결성을 갖도록 어트리션 밀 또는 볼밀을 이용하여 UO2 +x(0<x≤0.14)인 우라늄 분말을 제조할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 우라늄 분말의 제조방법에 있어서, 상기 단계 5에서 제조된 분말을 순수한 우라늄 분말과 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다. Next, in the method for producing uranium powder according to the present invention, the method may further include mixing the powder prepared in
본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 우라늄 분말은 핵연료 물질로 사용되기 위한 필요한 사양을 만족하나, 통상적으로 우라늄 스크랩 발생량이 많지 않고, 우라늄 스크랩으로부터 최종 얻어진 우라늄 분말을 직접 핵연료 물질로 재활용하는 것보다 순수한 우라늄 분말과 혼합하여 사용함으로써 우라늄 분말의 안정성을 높이면서 소결온도 및 시간을 단축시킬 수 있다. 이때, 순수한 우라늄 분말은 10~50 중량%로 혼합하는 것이 바람직하다.
The uranium powder produced by the production method according to the present invention satisfies the necessary specifications for use as a nuclear fuel material, but typically does not generate much uranium scrap and is purer than directly recycling the uranium powder obtained from the uranium scrap directly into the fuel material. By mixing with uranium powder, the sintering temperature and time can be shortened while increasing the stability of the uranium powder. At this time, the pure uranium powder is preferably mixed at 10 to 50% by weight.
또한, 본 발명은In addition,
우라늄 산화물 스크랩에 탄산염 용액을 첨가하여 우라늄을 용해시키는 단계(단계 A);Dissolving uranium by adding a carbonate solution to the uranium oxide scrap (step A);
상기 단계 A에서 우라늄이 용해된 용액에 산을 첨가하여 우라늄을 침전시킨 후, 발생하는 이산화탄소에 알칼리 용액을 첨가하여 탄산염 용액으로 회수하고, 이를 상기 단계 A의 탄산염으로 재사용하는 단계(단계 B);Adding acid to the solution in which the uranium is dissolved in step A to precipitate uranium, and then adding an alkali solution to the generated carbon dioxide to recover the carbonate solution, and reusing it as the carbonate of step A (step B);
상기 단계 B에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수하여 전해 투석조에서 재생시키고, 이들을 상기 단계 B의 산과 알칼리로 재사용하는 단계(단계 C); Recovering the acid and alkali solutions used in step B and regenerating them in an electrolysis dialysis tank, reusing them with the acid and alkali of step B (step C);
상기 단계 B에서 침전된 우라늄 응집체를 세척하고 고액분리하는 단계(단계 D);Washing and solid-liquid separation of the uranium aggregates precipitated in step B (step D);
상기 단계 D에서 제조된 우라늄 응집체를 아르곤 분위기하에서 탈수시키고, 수소 분위기하에서 환원 열처리한 후 산화보호막 처리하는 단계(단계 E); Dehydrating the uranium agglomerates prepared in step D under an argon atmosphere, subjecting to a reduction protective heat treatment under a hydrogen atmosphere, followed by an oxide protective film treatment (step E);
상기 단계 E에서 제조된 우라늄 분말 응집체를 밀링한 후 순수한 우라늄 분말과 혼합하는 단계(단계 F)를 포함하는 우라늄 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법을 제공한다.
It provides a method for producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium scrap comprising the step of milling the uranium powder aggregate prepared in step E and mixing with pure uranium powder (step F).
본 발명에 따른 우라늄 분말의 제조방법의 공정 흐름도를 나타낸 도 1을 참조하면, 불순물을 함유한 우라늄 산화물 스크랩에 과산화수소-탄산염 용액을 첨가하여 우라늄만을 용해시키면서 불순물은 침전(1)시키고, 용해된 우라늄 옥소 탄산염 착물 용액의 pH를 조정하여 우라늄을 UO4로 침전(2)시키며, NaOH를 사용하는 가스 흡수탑에서 우라늄을 침전시키면서 발생하는 이산화탄소를 탄산염으로 회수(3)한다. 또한, 전해 투석조를 사용하여 UO4 침전과 탄산염 회수에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수(4)하고, UO4 침전물을 세척하고 고액분리(5)한다. 이때 분리된 분말 응집체는 건조온도에 따라 UO42H2O 또는 UO44H2O 형태의 UO4xH2O 분말응집체(6)로 형성된다. 도 1에 나타낸 우라늄 침전(2)과 가스 흡수탑에 의한 탄산염 용액 회수(3)를 도 2에 더욱 상세하게 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, UO4 침전조에서 우라늄 옥소 탄산염 착물(UO2(O2)x(CO3)y 2-2x-2y)이 산(HNO3) 용액과 접촉하면 우라늄은 UO4로 침전하며 이 과정에서 탄산염 이온(CO3 2 -)은 이산화탄소(CO2)로 전환되어 용액 밖으로 방출되며 방출된 이산화탄소는 기체-액체 접촉을 위한 비드(bead) 충진물이 채워진 가스 흡수탑의 하부로 들어가고, 가스 흡수탑 상부에서는 알카리(NaOH) 용액이 흘러내려 이산화탄소는 탄산염 용액(Na2CO3)으로 회수되고 가스 흡수탑 하단부로 방출되며, 우라늄 용해불순물 침전(1)이 이루어지는 곳으로 순환된다. 도 3은 전해 투석조의 원리를 나타내며, 우라늄 침전에서 사용되는 산으로부터 발생하는 NO3 - 음이온과 탄산염 용액으로부터 발생하는 Na+ 양이온이 포함된 용액은 전해 투석조의 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이로 주입되면서 Na+ 양이온은 양이온 교환막을 통과하여 음극에서 물의 전기분해에 의해 생성되는 OH-와 결합하여 NaOH가 되며, NO3 - 음이온은 음이온 교환막을 통과하여 양극에서 물의 분해에 의해 생성되는 H+와 결합하여 HNO3로 재생되고, 재생된 용액은 각각 가스 흡수탑의 알카리 NaOH 용액과 우라늄 침전에 사용되는 산 용액으로 순환된다. 상기에서 침전된 분말 응집체(UO42H2O 또는 UO44H2O)를 아르곤 분위기하에서 120~200 ℃로 탈수시키고 수소 분위기에서 600~800 ℃로 환원 열처리하며 1~3%의 산소분압에서 75~85 ℃로 산화보호막 처리(7)하여 UO2 +x(0<x≤0.17)인 우라늄 분말 응집체를 제조한다. 또한, 상기 분말 응집체에 소결성을 갖도록 어트리션 밀 또는 볼밀을 이용하여 밀링(8)하고, 순수한 우라늄 분말과 혼합(9)하여 핵연료용 우라늄 분말을 제조한다.
Referring to Figure 1 showing a process flow diagram of a method for producing a uranium powder according to the present invention, by adding a hydrogen peroxide-carbonate solution to the uranium oxide scrap containing impurities, the impurities are precipitated (1) while dissolving only uranium, dissolved uranium The pH of the oxo carbonate complex solution is adjusted to precipitate uranium with UO 4 (2), and carbon dioxide generated by precipitation of uranium in a gas absorption tower using NaOH is recovered (3). In addition, an acid and alkaline solution used in UO 4 precipitation and carbonate recovery is recovered (4) using an electrolysis dialysis tank, and the UO 4 precipitate is washed and solid-liquid separated (5). The separated powder agglomerate is formed from a UO 4 2H 2 O or UO 4 4H 2 O UO 4 in the form of powder aggregates xH 2 O (6) according to the drying temperature. The uranium precipitate (2) shown in FIG. 1 and the carbonate solution recovery (3) by the gas absorption tower are shown in more detail in FIG. As shown in FIG. 2, when the uranium oxo carbonate complex (UO 2 (O 2 ) x (CO 3 ) y 2-2x-2y ) contacts the acid (HNO 3 ) solution in the UO 4 precipitation tank, uranium precipitates as UO 4 . carbonate ion (CO 3 2 -) in the process and the carbon dioxide is converted to (CO 2) is emitted out of the solution, the released carbon dioxide gas - enters the bottom of the gas absorber is a bead (bead) filling for the liquid in contact filled, Alkaline (NaOH) solution flows down from the gas absorption tower, and carbon dioxide is recovered as a carbonate solution (Na 2 CO 3 ) and discharged to the bottom of the gas absorption tower, and circulated to the uranium dissolved impurity precipitation (1). Figure 3 shows the principle of the electrolysis dialysis tank, the solution containing the
분석analysis
1. 과산화수소-탄산염 용액에서의 우라늄 산화물 스크랩의 용해성 분석1. Solubility Analysis of Uranium Oxide Scrap in Hydrogen Peroxide-carbonate Solution
과산화수소-탄산염 용액에서의 불순물을 함유하는 우라늄 산화물 스크랩의 용해성을 알아보기 위해 0.5 M Na2CO3과 1.0 M H2O2이 혼합된 용액에서 용해되는 UO2 형태의 우라늄 스크랩 분말(입자 평균 크기: 10 ㎛)의 양을 변화시키면서 시간에 따른 U 농도를 분석하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.UO 2 type uranium scrap powder dissolved in 0.5 M Na 2 CO 3 and 1.0 MH 2 O 2 mixed solution to determine the solubility of uranium oxide scrap containing impurities in hydrogen peroxide-carbonate solution (average particle size: U concentration over time was analyzed while varying the amount of 10 μm), and the results are shown in FIG. 4.
도 4에 나타난 바와 같이, UO2는 탄산 용액에서 수분 내에 빠른 속도로 완전히 용해되는 것을 알 수 있고, 이때 U 이온은 탄산용액에서 우라늄 옥소 탄산염 착물(UO2(O2)x(CO3)y 2-2x-2y)로 존재하며 용액 색은 붉게 나타났다. UO2의 탄산용액에서 용해시 용해 속도와 용해되는 최종 U 농도는 용액 중의 과산화수소 농도에 크게 영향을 받는다. 이때 우라늄 산화물 스크랩 분말에 혼입된 기타 원소 Fe, Ni, Cr, Al 산화물은 탄산용액에서는 용해되지 않아 용액에서 검출되지 않고 우라늄 스크랩 용해시 우라늄은 탄산용액으로 용해되나 기타 불순물은 용해되지 않으므로 우라늄과 불순물을 분리할 수 있었다.
As shown in FIG. 4, it can be seen that UO 2 completely dissolves rapidly in water in a carbonic acid solution, where U ions are uranium oxo carbonate complexes (UO 2 (O 2 ) x (CO 3 ) y in a carbonated solution. 2-2x-2y ) and the solution color appeared red. The rate of dissolution and the final concentration of U dissolved in the carbonate solution of UO 2 are greatly influenced by the concentration of hydrogen peroxide in the solution. At this time, the other elements Fe, Ni, Cr, and Al oxides mixed in the uranium oxide scrap powder are not dissolved in the carbonic acid solution and are not detected in the solution.Uranium is dissolved in the carbonic acid solution when dissolving the uranium scrap, but other impurities are not dissolved. Could be separated.
2. 우라늄 옥소 탄산염 2. Uranium Oxo Carbonate 착물Complex 용액의 Solution pHpH 변화에 따른 우라늄 농도 측정 Uranium Concentration as Changes
우라늄 옥소 탄산염 착물(UO2(O2)x(CO3)y 2-2x-2y) 용액(1.0 M H2O2를 포함하는 0.5 M Na2CO3 탄산염 용액에서 UO2(U 기준: 50 g/ℓ)를 완전히 용해시킨 용액)을 질산(HNO3)으로 pH를 낮추는 동안 우라늄의 농도를 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.Uranium oxo carbonate complexes (UO 2 (O 2) x (CO 3) y 2-2x-2y) solution (UO 2 (U standards in 0.5 M Na 2 CO 3 the carbonate solution containing 1.0 MH 2 O 2: 50 g / l) was dissolved completely) the concentration of uranium while reducing the pH with nitric acid (HNO 3 ) was measured, the results are shown in FIG.
도 5에 나타난 바와 같이, U을 함유한 탄산염 용액의 pH가 낮아져 6 이하가 되면 용액의 탄산염 이온은 이산화탄소로 변화되는 탈탄산과정이 진행되고, 동시에 우라늄 침전이 관찰되기 시작하여 pH가 2~4일 때 최고로 많은 침전물이 발생하였으며 용액 중의 U 농도는 1 ppm 미만이었다. 이때 용액 중의 우라늄 농도는 수 ppm 정도였다.
As shown in FIG. 5, when the pH of the carbonate solution containing U is lowered to 6 or less, the carbonate ions of the solution undergo a decarbonation process in which carbon dioxide ions are changed to carbon dioxide, and at the same time, uranium precipitation begins to be observed and the pH is 2-4. The most precipitates occurred at and the U concentration in the solution was less than 1 ppm. At this time, the concentration of uranium in the solution was about several ppm.
3. 우라늄 침전물의 상 분석3. Phase analysis of uranium precipitate
상기 분석 2의 우라늄 침전물을 건조시킨 후 상을 분석하기 위해 X-선 회절분석(XRD, MAC Science, TX J-827)하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. After drying the uranium precipitate of
도 6에 나타난 바와 같이, 우라늄 침전물은 UO44H2O인 것을 알 수 있고 우라늄 과산화물(UO4)임을 확인하였다. 용액 중에서 UO4의 용해도곱상수(solubility product, Ksp)는 10-3 정도로 매우 낮으므로 pH 2~4에서 우라늄 농도는 1 ppm 미만이었다. 따라서, 탄산염용액에서 우라늄 옥소 탄산염 착물(MO2(O2)x(CO3)y 2-2x-2y 형태로 용해된 U은 pH를 2~4로 조절함으로써 99.9% 이상의 고효율로 회수할 수 있음을 알 수 있다.
As shown in FIG. 6, the uranium precipitate was found to be UO 4 4H 2 O and was confirmed to be uranium peroxide (UO 4 ). The solubility product (K sp ) of UO 4 in the solution was so low as 10 −3 that the uranium concentration was less than 1 ppm at pH 2-4. Therefore, U dissolved in the form of uranium oxo carbonate complex (MO 2 (O 2 ) x (CO 3 ) y 2-2x-2y in carbonate solution can be recovered with high efficiency of 99.9% or more by adjusting the pH to 2-4 It can be seen.
4. 우라늄 용액의 탄산농도 변화와 4. Changes in Carbonic Acid Concentration in Uranium Solution NaOHNaOH 용액의 탄산농도 변화 Change in Carbonic Acid Concentration of a Solution
우라늄 옥소 탄산염 착물(MO2(O2)x(CO3)y 2-2x-2y)을 함유한 탄산염 용액의 pH를 조절하기 위하여 1.0 M 질산을 주입하여 우라늄 용액의 탄산농도 변화와 이때 방출되는 이산화탄소를 흡수하기 위하여 가스 흡수탑으로 순환되는 1.0 M의 NaOH 용액 내의 탄산농도 변화를 분석하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.In order to adjust the pH of the carbonate solution containing the uranium oxo carbonate complex (MO 2 (O 2 ) x (CO 3 ) y 2-2x-2y ), 1.0 M nitric acid is injected to change the carbonic acid concentration of the uranium solution and In order to absorb carbon dioxide, the change in carbonic acid concentration in a 1.0 M NaOH solution circulated to a gas absorption tower was analyzed, and the results are shown in FIG. 7.
도 7에 나타난 바와 같이, 우라늄을 함유한 탄산용액에서 pH 조절에 의한 UO4 침전시 발생하는 이산화탄소는 NaOH가 흐르는 가스 흡수탑에서 99% 탄산염 용액으로 회수될 수 있음을 알 수 있다. 회수된 탄산염 용액은 우라늄 스크랩 용해조로 순환시킴으로서 본 발명에서는 탄산염 폐용액 발생 없이 우라늄 스크랩을 용해시킬 수 있음을 알 수 있다.
As shown in FIG. 7, it can be seen that carbon dioxide generated during precipitation of UO 4 by adjusting pH in a carbonate solution containing uranium may be recovered as a 99% carbonate solution in a gas absorption tower in which NaOH flows. By recovering the recovered carbonate solution in the uranium scrap dissolving tank, it can be seen that the present invention can dissolve the uranium scrap without generating carbonate waste solution.
5. 전해 5. Electrolytic 투석조를Dialysis tank 이용한 산과 Used obstetrics 알카리Alkali 용액의 회수 분석 Recovery analysis of the solution
음극 쪽에 양이온 교환막을 장착하고, 양극 쪽에 음이온 교환막을 장착한 전해 투석조를 이용하여 산과 알카리 용액을 회수하는 본 발명의 단계 3을 분석하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
pH 2~4에서 우라늄이 UO4로 침전되고 남은 용액에는 우라늄 용액에는 우라늄 용해 단계인 본 발명의 단계 1에서 사용된 탄산염 용액의 양이온과 우라늄 용액의 pH를 조절하기 위하여 사용된 산의 음이온이 다량으로 남게 되어 산과 알카리 용액을 회수하는 것이 바람직하다.At pH 2-4, uranium precipitated as UO 4 and the remaining solution contained a large amount of cations of the carbonate solution used in
0.5 M의 Na+, NO3 - 용액 100 ㎖를 전해 투석조의 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이로 순환시키고 초기 0.1 M NaOH 용액과 0.1 M HNO3 용액을 각각 음극과 양극으로 순환시키면서 셀 전압 15 볼트(Volt)를 인가할 때 양극, 음극 및 공급 용액에서 측정된 HNO3, NaOH 및 NaNO3 농도를 도 8에 나타내었다. 두 이온 교환막 사이로 공급되는 용액의 Na+와 NO3 - 이온은 각각 음극과 양극으로 이동되면서 물 분해반응에 의해 거의 0.5 M HNO3 용액과 0.5 M NaOH 용액으로 각각 재생됨을 알 수 있다. 재생된 NaOH는 우라늄 침전 단계에서 발생하는 이산화탄소를 회수하기 위한 가스 흡수탑에 공급되는 알카리 용액으로 재활용되고, 재생된 HNO3 용액은 우라늄 침전 단계의 우라늄 옥소 탄산염 착물(UO2(O2)x(CO3)y 2-2x-2y)을 함유한 탄산염용액의 pH를 조절하기 위하여 재활용될 수 있다.
100 ml of 0.5 M Na + , NO 3 - solution was circulated between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane of the electrolysis dialysis tank, and the initial 0.1 M NaOH solution and 0.1 M HNO 3 solution were circulated to the cathode and the anode, respectively, at a voltage of 15 Volts. The HNO 3 , NaOH and NaNO 3 concentrations measured in the positive electrode, negative electrode and feed solution when is applied are shown in FIG. 8. It can be seen that Na + and NO 3 − ions in the solution supplied between the two ion exchange membranes are moved to the cathode and the anode, respectively, and are regenerated into almost 0.5 M HNO 3 solution and 0.5 M NaOH solution by water decomposition reaction, respectively. The regenerated NaOH is recycled to an alkali solution which is fed to the gas absorption tower to recover the carbon dioxide from the uranium precipitation step, and the regenerated HNO 3 solution is recovered from the uranium oxo carbonate complex (UO 2 (O 2 ) x ( CO 3 ) y 2-2x-2y ) can be recycled to adjust the pH of the carbonate solution.
상기 분석으로부터 우라늄 스크랩을 용해 및 UO4 회수방법은 불순물이 오염된 우라늄 스크랩으로부터 폐기물 발생이 거의 없이 우라늄만을 회수할 수 있음을 알 수 있다.
From the analysis, it can be seen that the method of dissolving uranium scrap and recovering UO 4 can recover only uranium with little waste from uranium scrap contaminated with impurities.
<실시예 1> 핵연료용 우라늄 분말의 제조 1Example 1 Preparation of Uranium Powder for
단계 1: 우라늄 산화물 스크랩의 우라늄을 용해시키는 단계Step 1: dissolving the uranium of the uranium oxide scrap
불순물이 혼합된 우라늄 스크랩으로부터 우라늄을 용해시키기 위해 pH가 12이고, 과산화수소 0.2 M을 포함하는 0.2 M의 알카리 탄산염(Na2CO3)을 사용하여 대부분의 연삭 찌꺼기 등의 불순물은 용해시키지 않으면서 우라늄만을 용해시켰다. To dissolve uranium from a mixture of impurities, uranium has a pH of 12 and 0.2 M alkali carbonate (Na 2 CO 3 ) containing 0.2 M hydrogen peroxide, which does not dissolve most of the impurities such as grinding residues. Only the bay was dissolved.
단계 2: 우라늄을 침전시키고, 탄산염 용액을 회수하는 단계Step 2: Precipitating Uranium and Recovering Carbonate Solution
상기 단계 1의 우라늄이 용해된 탄산염 용액에 HNO3를 첨가하여 pH를 0~4 범위로 조절하였다. 용액 중의 우라닐 옥소 탄산이온 착물은 분해되었으며, 우라닐 옥소 탄산이온 착물은 우라닐 과산화물(UO4) 형태로 침전되고, 동시에 우라닐 옥소 탄산이온 착물에서 분리된 탄산염 이온(CO3 2-)와 용액 중의 자유(free) 탄산염 이온은 이산화탄소로 변환되어 가스 상태로 용액 밖으로 배출되었다. 침전된 우라닐 과산화물은 용액으로부터 분리한 후 건조시켜 UO4xH2O(UO42H2O 또는 UO44H2O) 응집체 형태로 만든 후 배출된 이산화탄소는 NaOH 알카리 용액이 순환되는 가스 흡수탑에서 탄산염 용액으로 변환되어 회수되었다.HNO 3 was added to the uranium solution in which the uranium was dissolved in
단계 3: 산과 알칼리 용액을 회수하는 단계Step 3: recovering acid and alkaline solution
우라늄 침전에서 사용되는 산으로부터 발생하는 NO3 - 음이온과 탄산염 용액으로부터 발생하는 Na+ 양이온이 포함된 용액은 전해 투석조의 양이온 교환막과 음이온 교환막 사이로 주입되면서 Na+ 양이온은 양이온 교환막을 통과하여 음극에서 물의 전기분해에 의해 생성되는 OH-와 결합하여 NaOH가 되며, NO3- 음이온은 음이온 교환막을 통과하여 양극에서 물의 분해에 의해 생성되는 H+와 결합하여 HNO3로 회수되었다. A solution containing NO 3 − anion from the acid used in the uranium precipitation and a Na + cation from the carbonate solution is injected between the cation exchange membrane and the anion exchange membrane in the electrolysis dialysis tank, while the Na + cation is passed through the cation exchange membrane to remove water from the cathode. It was combined with OH − generated by electrolysis to form NaOH, and the NO 3 − anion was recovered through the anion exchange membrane and combined with H + produced by decomposition of water at the anode to recover HNO 3 .
상기 산과 알카리 용액을 회수한 후 우라늄 침전물을 세척하고 고액분리하는 단계를 더 수행하여 UO42H2O 또는 UO44H2O 형태의 UO4xH2O 분말 응집체를 형성하였다.After recovery of the acid and alkali solution to further perform the step of washing the uranium precipitate to solid-liquid separation to form a UO 4 2H 2 O or UO 4 4H 2 O in the form of UO xH 2 O 4 powder agglomerates.
단계 4: 분말 응집체를 제조하는 단계Step 4: preparing a powder aggregate
상기 단계 3에서 회수된 분말 응집체를 불활성 분위기인 아르곤 분위기 하에서 150 ℃, 약 1 시간 동안 건조시켜 결정수를 휘발 제거시켜 UO4 분말 응집체를 만든 후 4%의 수소와 아르곤 분위기 하에서 700 ℃, 5 시간 동안 환원하여 UO2 +x 분말 응집체를 만들고, 2%의 O2와 아르곤 분위기 하에서 80 ℃, 2 시간 동안 산화막 처리하여 핵연료 소결체 원료물질의 조성을 갖는 UO2 +x(x=0.08) 분말 응집체를 제조하였다(도 9 참조). The powder aggregate recovered in
단계 5: 밀링하는 단계Step 5: milling step
상기 단계 4에서 제조된 UO2 +x 분말 응집체를 6 시간 동안 볼밀링하여 평균입도가 0.54 ㎛이고, 비표면적은 3.1 ㎡/g인 UO2 +x 분말을 제조하였다(도 11 참조).
And the milling step to a mean particle size of 0.54 ㎛ ball for a UO 2 + x powder agglomerates for 6 hours production at 4, having a specific surface area is to prepare a powder of UO 2 + x 3.1 ㎡ / g (see Fig. 11).
<실시예 2> 핵연료용 우라늄 분말의 제조 2Example 2 Preparation of Uranium Powder for
상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 90:10의 중량비로 혼합하여 UO2 +x 혼합분말을 제조하였다.
The UO 2 + x powder prepared in Example 1 and the pure UO 2 + x powder were mixed in a weight ratio of 90:10 to prepare a UO 2 + x mixed powder.
<실시예 3> 핵연료용 우라늄 분말의 제조 3Example 3 Preparation of Uranium Powder for
상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 80:20의 중량비로 혼합하여 UO2 +x 혼합분말을 제조하였다.
The UO 2 + x powder prepared in Example 1 and the pure UO 2 + x powder were mixed in a weight ratio of 80:20 to prepare a UO 2 + x mixed powder.
<실시예 4> 핵연료용 우라늄 분말의 제조 4Example 4 Preparation of Uranium Powder for
상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 75:25의 중량비로 혼합하여 UO2 +x 혼합분말을 제조하였다.
The UO 2 + x powder prepared in Example 1 and the pure UO 2 + x powder were mixed in a weight ratio of 75:25 to prepare a UO 2 + x mixed powder.
<실시예 5> 핵연료용 우라늄 분말의 제조 5Example 5 Preparation of Uranium Powder for
상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 70:30의 중량비로 혼합하여 UO2 +x 혼합분말을 제조하였다.
The UO 2 + x powder prepared in Example 1 and the pure UO 2 + x powder were mixed in a weight ratio of 70:30 to prepare a UO 2 + x mixed powder.
<실시예 6> 핵연료용 우라늄 분말의 제조 6Example 6 Preparation of Uranium Powder for
상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 60:40의 중량비로 혼합하여 UO2 +x 혼합분말을 제조하였다.
The UO 2 + x powder prepared in Example 1 and the pure UO 2 + x powder were mixed at a weight ratio of 60:40 to prepare a UO 2 + x mixed powder.
<실시예 7> 핵연료용 우라늄 분말의 제조 7Example 7 Preparation of Uranium Powder for
상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 50:50의 중량비로 혼합하여 UO2 +x 혼합분말을 제조하였다.
The UO 2 + x powder prepared in Example 1 and the pure UO 2 + x powder were mixed in a weight ratio of 50:50 to prepare a UO 2 + x mixed powder.
상기 실시예 1 - 7의 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말의 혼합비를 하기 표 1에 나타내었다.
The mixing ratios of the UO 2 + x powders and the pure UO 2 + x powders of Examples 1 to 7 are shown in Table 1 below.
<실험예 1> UO2 +x 분말의 핵연료 밀도사양Experimental Example 1 Nuclear Fuel Density Specification of UO 2 + x Powder
본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x(x=0.14) 분말의 핵연료 밀도사양을 알아보기 위해 도 10에 나타낸 실험을 수행하고 분석하였다.In order to determine the nuclear fuel density specification of the UO 2 + x (x = 0.14) powder prepared in Example 1 according to the present invention, the experiment shown in FIG. 10 was performed and analyzed.
상기에서 제조된 UO2+x 분말이 최종 핵연료 밀도사양을 만족하는지 확인하기 위해 300 MPa에서 성형한 후 1750 ℃, 수소 분위기에서 10 시간 동안 소결한 결과 최종 소결밀도가 10.61 g/㎤(이론밀도 96.8%)로 나타나, 경수로 및 중수로형 원자력발저소의 핵연료 밀도사양(이론밀도의 95% 이상)을 만족하는 것을 알 수 있다.
In order to confirm that the prepared UO 2 + x powder satisfies the final fuel density specification, the final sintered density was 10.61 g / cm 3 (theoretical density 96.8) after molding at 300 MPa and sintering at 1750 ° C. for 10 hours in a hydrogen atmosphere. %), It can be seen that it satisfies the nuclear fuel density specification (95% or more of the theoretical density) of the light and heavy water reactor.
<실험예 2> UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말의 핵연료 밀도사양Experimental Example 2 Nuclear Fuel Density Specification of UO 2 + x Powder and Pure UO 2 + x Powder
본 발명에 따른 상기 실시예 1에서 제조된 UO2 +x 분말과 순수한 UO2 +x 분말을 혼합한 상기 실시예 2 - 7의 혼합분말의 핵연료 밀도사양을 알아보기 위해 도 12에 나타낸 실험을 수행하고 분석하였다.In order to determine the nuclear fuel density specification of the mixed powder of Examples 2-7, which is a mixture of UO 2 + x powder and pure UO 2 + x powder prepared in Example 1 according to the present invention, the experiment shown in FIG. And analyzed.
상기 실시예 2 - 7 혼합분말을 300 MPa에서 성형한 후 1700 ℃, 수소분위기에서 4 시간 동안 소결한 결과 순수한 UO2 +x 분말 비율이 증가할수록 소결밀도가 10.47 g/㎤에서 10.62 g/㎤로 증가하였으며, 이론밀도는 95.5~96.9% 범위이므로 이론밀도 95% 이상을 요구하는 경수로 및 중수로형 원자력발전소의 핵연료 밀도사양을 만족하는 것을 확인하였다.
Examples 2-7 mixed powder was molded at 300 MPa and sintered at 1700 ° C. for 4 hours in a hydrogen atmosphere. As the ratio of pure UO 2 + x powder was increased, the sintered density was increased from 10.47 g /
1: 우라늄 용해-불순물 침전
2: UO4 침전
3: 탄산염 회수
4: 산과 알칼리 용액 회수
5: 세척 및 고액분리
6: UO4xH2O
7: 탈수환원 열처리산화보호막 형성
8: 밀링
9: 혼합
10: 핵연료용 분말1: uranium dissolution-impurity precipitation
2: UO 4 precipitation
3: carbonate recovery
4: acid and alkaline solution recovery
5: washing and solid-liquid separation
6: UO 4 x H 2 O
7: Dehydration reduction heat treatment oxidation protective film formation
8: milling
9: mixed
10: powder for nuclear fuel
Claims (17)
상기 단계 1에서 우라늄이 용해된 용액에 산을 첨가하여 우라늄을 침전시킨 후, 발생하는 이산화탄소를 알칼리 용액과 반응시켜 탄산염 용액으로 회수하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수하는 단계(단계 3);
상기 단계 2에서 침전된 우라늄 분말 응집체를 아르곤 분위기하에서 탈수시키고, 수소분위기 하에서 환원 열처리한 후 산화보호막 처리하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4에서 제조된 우라늄 분말 응집체를 밀링하는 단계(단계 5)를 포함하는 우라늄 산화물 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법.
Dissolving uranium by adding a carbonate solution to the uranium oxide scrap (step 1);
Adding an acid to the solution in which uranium is dissolved in step 1 to precipitate uranium, and then reacting the generated carbon dioxide with an alkaline solution to recover the carbonate solution (step 2);
Recovering the acid and alkali solution used in step 2 (step 3);
Dehydrating the uranium powder aggregate precipitated in step 2 in an argon atmosphere, and subjecting it to a reduction protective heat treatment in a hydrogen atmosphere and then to an oxide protective film treatment (step 4); And
Method for producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap comprising the step (step 5) of milling the uranium powder aggregate prepared in step 4.
According to claim 1, wherein the carbonate solution of step 1 is characterized in that the pH range of 11 ~ 13, 0.1 ~ 3.0 M carbonate (Na 2 CO 3 ) solution containing 0.1 ~ 5.0 M H 2 O 2 Method for producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap.
The method of claim 1, wherein in step 2, the pH is adjusted to a range of 0 to 4 by adding an acid to the solution in which the uranium is dissolved.
The method of claim 1, wherein the recovery of step 3 is carried out by an electrolysis dialysis method using a cation exchange membrane and an anion exchange membrane, the method for producing uranium powder for nuclear fuel uranium oxide scrap.
The method of claim 1, further comprising the step of washing and solid-liquid separation of the remaining uranium precipitate aggregate after performing step 3. The method for producing uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap.
The method of claim 1, wherein the dehydration of step 4 is carried out at 120 ~ 200 ℃ a method for producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap.
According to claim 1, wherein the heat treatment of step 4 is a method for producing uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap, characterized in that carried out at 600 ~ 800 ℃.
The method of claim 1, wherein the oxide protective film of step 4 is formed by performing a uranium oxide scrap for nuclear fuel from uranium oxide scrap, characterized in that formed by performing at 75 ~ 85 ℃ at an oxygen partial pressure of 1-3%.
The method of claim 1, further comprising mixing 10 to 50% by weight of pure uranium powder after the step 5, the method for producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap.
상기 단계 A에서 우라늄이 용해된 용액에 산을 첨가하여 우라늄을 침전시킨 후, 발생하는 이산화탄소를 알칼리 용액과 반응시켜 탄산염 용액으로 회수하고, 이를 상기 단계 A의 탄산염으로 재사용하는 단계(단계 B);
상기 단계 B에서 사용된 산과 알카리 용액을 회수하여, 이들을 상기 단계 B의 산과 알칼리로 재사용하는 단계(단계 C);
상기 단계 B에서 침전된 우라늄 응집체를 세척하고 고액분리하는 단계(단계 D);
상기 단계 D에서 제조된 우라늄 응집체를 아르곤 분위기하에서 탈수시키고, 수소 분위기하에서 환원 열처리한 후 산화보호막 처리하는 단계(단계 E);
상기 단계 E에서 제조된 우라늄 분말 응집체를 밀링한 후 순수한 우라늄 분말과 혼합하는 단계(단계 F)를 포함하는 우라늄 스크랩으로부터 핵연료용 우라늄 분말을 제조하는 방법.
Dissolving uranium by adding a carbonate solution to the uranium oxide scrap (step A);
Adding an acid to the solution in which the uranium is dissolved in step A to precipitate uranium, and then reacting the generated carbon dioxide with an alkaline solution to recover the carbonate solution, and reusing it as the carbonate of step A (step B);
Recovering the acid and alkali solutions used in step B and reusing them with the acid and alkali of step B (step C);
Washing and solid-liquid separation of the uranium aggregates precipitated in step B (step D);
Dehydrating the uranium agglomerates prepared in step D under an argon atmosphere, subjecting to a reduction protective heat treatment under a hydrogen atmosphere, followed by an oxide protective film treatment (step E);
Method of producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium scrap comprising the step of milling the uranium powder aggregate prepared in step E and mixing with pure uranium powder (step F).
The carbonate solution of step A is characterized in that the pH range of 11-13, 0.1 ~ 3.0 M carbonate (Na 2 CO 3 ) solution containing 0.1 to 5.0 M H 2 O 2 , characterized in that A method for recovering uranium powder from uranium oxide scrap.
The method for recovering uranium powder from uranium oxide scrap according to claim 10, wherein the pH is adjusted to a range of 0 to 4 by adding an acid to the solution in which uranium is dissolved in step B.
The method of claim 10, wherein the recovery of step C is carried out by an electrolysis dialysis method using a cation exchange membrane and an anion exchange membrane to prepare a uranium powder for nuclear fuel uranium oxide scrap.
The method of claim 10, wherein the dehydration of the step E is carried out at 120 ~ 200 ℃ method for producing a uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap.
The method of claim 10, wherein the heat treatment of step E is carried out at 600 ~ 800 ℃ method for producing uranium powder for nuclear fuel from the uranium oxide scrap.
12. The method of claim 10, wherein the oxide protective film of step E is formed at 75 to 85 ° C. at an oxygen partial pressure of 1 to 3%.
The method of claim 10, wherein the pure uranium powder of step F is mixed with 10 to 50% by weight of the method for producing uranium powder for nuclear fuel from uranium scrap.
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