KR20200015032A - 금속산화물의 전해환원 장치 - Google Patents

금속산화물의 전해환원 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20200015032A
KR20200015032A KR1020180090291A KR20180090291A KR20200015032A KR 20200015032 A KR20200015032 A KR 20200015032A KR 1020180090291 A KR1020180090291 A KR 1020180090291A KR 20180090291 A KR20180090291 A KR 20180090291A KR 20200015032 A KR20200015032 A KR 20200015032A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carrier gas
reactor
metal oxide
cathode
molten salt
Prior art date
Application number
KR1020180090291A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102123841B1 (ko
Inventor
강현우
전민구
김성욱
이상권
이종광
홍순석
최은영
Original Assignee
한국원자력연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to KR1020180090291A priority Critical patent/KR102123841B1/ko
Publication of KR20200015032A publication Critical patent/KR20200015032A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102123841B1 publication Critical patent/KR102123841B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/005—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells of cells for the electrolysis of melts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C9/00—Combinations with other devices, e.g. fans, expansion chambers, diffusors, water locks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/02—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of alkali or alkaline earth metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • C25C7/025—Electrodes; Connections thereof used in cells for the electrolysis of melts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/06—Operating or servicing
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C19/00—Arrangements for treating, for handling, or for facilitating the handling of, fuel or other materials which are used within the reactor, e.g. within its pressure vessel
    • G21C19/42—Reprocessing of irradiated fuel
    • G21C19/44—Reprocessing of irradiated fuel of irradiated solid fuel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/882—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Abstract

본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치는, LiCl 용융염을 포함하는 반응기; 상기 반응기 내부로 운반기체를 공급하는 운반기체 공급관; 상기 용융염에 침지되는 양극; 및 상기 양극의 하부에 배치되어 상기 운반기체 공급관과 연결되며, 상기 운반기체 공급관을 통해서 공급되는 상기 운반기체를 상부로 분사하는 음극;을 포함할 수 있다. 상기 음극과 양극 사이에서 상기 용융염과 혼합된 금속산화물은 상기 음극에서 분사되는 상기 운반기체에 의해 상기 용융염과 함께 유동할 수 있다.

Description

금속산화물의 전해환원 장치{ELECTROLYTIC REDUCTION APPARATUS}
본 발명은 금속산화물의 전해환원 장치에 관한 것이다.
전해환원공정은 사용후 핵연료의 재활용 공정인 파이로프로세싱에 필수적인 기술로서 산화물 형태의 사용후 핵연료를 금속 형태로 전환하여 후속 공정인 전해정련공정에 공급한다. 전해환원공정은 전해질인 소량(통상 1.0wt% 내외)의 Li2O가 첨가된 LiCl 용융염, 산화물(사용후 핵연료)가 담겨져 있는 금속 음극 바스켓, 양극을 이용하여 진행된다. 양 전극 사이에 전압을 인가하게 되면 음극에서 Li 금속이 생성되고, 이 Li 금속이 바스켓에 담겨진 사용후 핵연료를 금속 형태로 전환시킴과 동시에 Li2O를 생성시켜 양극에서의 산소 등의 기체 발생 반응에 의해 소모된 Li2O를 다시 보충해준다. 따라서 Li2O 농도는 반응 진행 중에 일정하게 유지되며 전기분해가 안정적으로 진행될 수 있다.
전기분해를 통해 음극 바스켓에서 생성된 Li 금속이 효과적으로 반응에 참여하기 위해서는 음극 바스켓에 고정된 산화물과의 지속적인 혼합 및 접촉이 필요하다. 기존에는 생성된 Li 금속이 LiCl 용융염과의 밀도차이로 인해 LiCl 용융염 상층부로 부유하게 되어 음극 바스켓 내에 담겨져 고정된 산화물과의 접촉이 불가능하여, 반응에 참여하지 못하는 잉여 Li 금속으로 존재하게 된다. 특히, 전해환원공정의 용량이 증대될수록 공정에서 생산되는 Li 금속 대비 반응에 참여하지 못하는 잉여 Li 금속이 차지하는 비율이 높아진다는 문제점이 있다. 이는 전해환원공정의 효율을 저하시키고 생산성을 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다.
또한, 용량증대를 위해서는 음극으로 사용되는 바스켓(또는 음극 자체)의 크기를 증대시키는 방식을 사용할 수 있겠으나, 바스켓의 크기 증대에 대응하여 바스켓을 내부에 수용하는 반응 용기를 포함한 공정 장치의 크기도 증대될 필요가 있어서 용량증대에 한계가 있다.
또한, 전해환원공정 운전 시 양극에서 발생하는 산소 등의 기체를 반응 용기 내에서 제거하기 위해 양극 발생 기체 배기 시스템이 구비되는데, 이에 따라서 전해질로 사용되는 LiCl 용융염의 휘발이 매우 활발하게 일어나게 된다. 이러한 전해질의 휘발은 전해질의 손실로 인한 보충을 요구할 뿐만 아니라 공정 장치가 설치된 핫 셀 내 LiCl 및 기타 휘발성 물질들의 확산을 야기하는 문제가 있다.
일본공개특허 특개2000-131489
본 발명은 고온 용융염을 이용한 금속산화물 전해환원공정에 있어 기존의 문제점들을 해결할 수 있는 금속산화물의 전해환원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치는, LiCl 용융염을 포함하는 반응기; 상기 반응기 내부로 운반기체를 공급하는 운반기체 공급관; 상기 용융염에 침지되는 양극; 및 상기 양극의 하부에 배치되어 상기 운반기체 공급관과 연결되며, 상기 운반기체 공급관을 통해서 공급되는 상기 운반기체를 상부로 분사하는 음극;을 포함하며, 상기 음극과 양극 사이에서 상기 용융염과 혼합된 금속산화물은 상기 음극에서 분사되는 상기 운반기체에 의해 상기 용융염과 함께 유동할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, Li 금속을 효과적으로 환원반응에 사용하여 잉여 Li 금속 비율을 감소시키고, 공정 장치의 용량증대에 대한 한계와 전해질 휘발에 따른 문제를 해결할 수 있는 금속산화물의 전해환원 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 금속산화물의 전해환원 장치에서 음극을 개략적으로 나타내는 사시도.
도 3은 도 2의 음극을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 4a 및 도 4b는 음극의 회전구동을 개략적으로 나타내는 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 금속산화물의 전해환원 장치에서 음극을 개략적으로 나타내는 사시도이며, 도 3은 도 2의 음극을 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 음극의 회전구동을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 반응기(10)를 포함할 수 있다.
반응기(10)는 액체 상태의 용융염(L)을 내부에 수용할 수 있다. 반응기(10)는, 예컨대 단면이 원형인 원통형의 구조를 가질 수 있다. 다만 반응기(10)의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다. 용융염(L)은 LiCl 용융염을 포함할 수 있으며, 여기에 부가적으로, 반응의 촉진을 위해 Li2O가 첨가될 수 있다.
반응기(10)는 고온의 용융염(L)에서 부식 저항성이 있으면서도 기계적 안정성이 있는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반응기(10)는 인코넬(inconel) 등 니켈계 초합금, 스테인리스 스틸, 탄탈륨 금속 재질 또는 세라믹을 사용하여 이루어질 수 있으나 반응기(10)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
반응기(10)의 상부에는 응축부(11)가 제공될 수 있다. 응축부(11)는 반응기(10) 내부에서 용융염(L) 상층부의 상부에 위치하는 공간에 해당할 수 있다. 기화한 용융염은 응축부(11)에서 응축하여 고체 분말 형태로 전환될 수 있다.
반응기(10)의 하부에는 생성물 회수부(12)가 제공될 수 있다. 생성물 회수부(12)는 반응기(10) 내부에서 음극(40)의 하부에 위치하는 공간에 해당할 수 있다. 전해환원공정이 완료된 생성물(RO)은 생성물 회수부(12)로 이동하여 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 생성물 회수부(12)를 후속 공정, 예컨대 잔류염 제거공정 장치 또는 전해정련공정 장치에 직접 연결하여 연속공정 시스템을 구축할 수 있다.
반응기(10)의 외측에는 반응기(10) 내부의 용융염(L)을 일정 온도로 유지할 수 있도록 가열부(미도시)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 용융염(L)을 대략 650℃의 온도로 가열 및 유지시킬 수 있다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 운반기체 공급관(20)을 포함할 수 있다.
운반기체 공급관(20)은 반응기(10) 내부로 운반기체(G)를 공급할 수 있다. 여기서 운반기체(G)로는 아르곤 기체가 사용될 수 있다. 운반기체 공급관(20)은 반응기(10) 내부에 제공되는 음극(40)과 연결될 수 있다. 이에 대해서는 추후 설명한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 양극(30)과 음극(40)을 포함할 수 있다. 양극(30)과 음극(40)은 반응기(10) 내에서 용융염(L)에 침지되며, 반응기(10) 외부에 제공되는 전원공급장치(2)와 연결될 수 있다.
양극(30)은 양의 전압이 인가되어 산소이온을 산화시켜 산소기체를 형성할 수 있다. 양극(30)으로는 금속 전극인 백금, 세라믹 전극인 SrRuO3와 같은 비소모성 전극 또는 탄소 등의 소모성 전극이 사용될 수 있다. 양극(30)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 기존의 전극 재료로 사용되는 물질이 사용될 수 있다. 비소모성 전극을 사용하는 경우에는 산소이온은 산소기체로 형성되어 외부로 배출되며, 소모성 전극을 사용하는 경우에는 산소이온은 산소, 이산화탄소 또는 일산화탄소의 형태로 외부로 배출될 수 있다.
음극(40)은 양극(30)과 이격되어 양극(30)의 하부에 배치되며, 음의 전압이 인가될 수 있다. 이와 같이, 음극(40)이 양극(30)의 하부에 배치됨으로써 용융염(L) 상층부를 부유하는 양극(30)에서 발생하는 탄소 입자들이(양극이 소모성 전극인 경우) 음극(40)으로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
음극(40)은 전체적으로 반응기(10)의 단면 형상과 대응되는 구조를 가질 수 있다. 예컨대 원형의 플레이트 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 음극(40)은 반응기(10)의 단면 직경에 대응하는 크기의 직경을 가질 수 있다. 다만, 반응기(10)와의 전기적 절연 및 반응기(10) 내측면과의 접촉을 방지하기 위해서 음극(40)의 테두리에는 절연재(41)가 구비될 수 있다.
음극(40) 위에는 전해환원의 대상이 되는 금속산화물(MO)이 놓일 수 있다. 금속산화물(MO)은 음극(40)의 상면에 놓여서 반응기(10)의 단면 크기에 대응하는 영역만큼 넓게 확산되어 제공될 수 있다. 따라서, 기존의 금속산화물(MO)이 제한된 크기의 바스켓 내에 수용되어 반응기 내에 제공되는 것에 비해 더 많은 용량으로 전해환원공정을 수행할 수 있다. 예컨대, 용량증대를 위해서는 바스켓의 크기를 증대해야 하는데 반응기의 크기를 고려해야 하므로 한계가 있다. 즉, 바스켓의 크기는 반응기보다 작아야 하므로 바스켓의 크기를 증대하는데는 한계가 있고, 바스켓의 증대된 크기만큼 반응기의 크기도 증대되어야 하는 문제가 있다.
본 발명에서는 종래의 바스켓을 사용하지 않고, 반응기(10)의 단면 크기에 해당하는 음극(40)이 금속산화물(MO)을 지지하는 바스켓 기능을 수행함으로써 반응기(10)의 크기만큼 금속산화물(MO)을 수용할 수 있어서 용량증대가 용이하다는 장점이 있다.
금속산화물(MO)은 파이로프로세싱에서 이용하는 UO2를 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않고 Ta2O5, TiO2, U3O8 등 다양한 형태의 산화물 또는 사용후핵연료를 포함할 수 있다. 금속산화물(MO)은 분말, 알갱이, 분쇄된 펠렛, 다공성 펠렛, 고밀도 펠렛 등 다양한 형태로 제공될 수 있으며, 전해환원공정에 의해 금속산화물(MO)이 금속(U 등)으로 환원되면서 생기는 미세기공에 용융염이 침투하여 금속산화물(MO) 내부에도 용융염(L)과의 계면이 형성되어 전해환원반응이 일어나게 된다. 따라서, 고밀도 펠렛과 같은 치밀한 내부구조를 가지는 금속산화물(MO) 덩어리의 경우에는 단면의 길이가 1cm 이하인 것을 사용할 경우 전해환원반응 효율이 향상되며, 금속산화물 원료의 크기는 취급의 용이성을 고려하여 단면의 길이가 0.5cm일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 음극(40)은 운반기체 공급관(20)과 연결되어 공급되는 운반기체(G)를 상부로 분사할 수 있다. 따라서, 음극(40) 위에 놓이는 금속산화물(MO)은 용융염(L)과 혼합된 상태로 음극(40)에서 분사되는 운반기체(G)에 의해 용융염(L)과 함께 음극(40)과 양극(30) 사이에서 유동할 수 있다.
음극(40)은 금속산화물(MO)이 놓이는 상면을 갖는 몸체(42)와, 몸체(42) 내에 제공되어 운반기체 공급관(20)에서 공급되는 운반기체(G)가 유동하는 유로(43)와, 유로(43)와 상면을 연결하여 운반기체(G)를 상면 위로 분사하는 복수의 노즐(44)을 포함할 수 있다.
몸체(42)는 반응기(10)의 단면 형상에 대응하여 대략 원형의 플레이트 구조를 가지며, 고온의 용융염(L)에서 부식 저항성이 있으면서도 기계적 안정성이 있는 재질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 니켈계 초합금, 스테인리스 스틸 또는 탄탈륨 금속 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정하는 것은 아니다.
일 실시예에서, 복수의 노즐(44)은 몸체(42) 상면의 중앙 영역에 배열되는 제1 노즐군(44a)과, 중앙 영역 둘레의 가장자리 영역에 배열되는 제2 노즐군(44b)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 노즐군(44a)과 제2 노즐군(44b)은 서로 다른 분사 압력으로 운반기체(G)를 분사할 수 있다.
일 실시예에서, 유로(43)는 제1 노즐군(44a)과 연결되는 제1 유로(43a)와, 제2 노즐군(44b)과 연결되는 제2 유로(43b)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 유로(43a)와 제2 유로(43b)는 서로 상이한 압력으로 운반기체(G)를 유동시킬 수 있다.
이와 같이 금속산화물(MO)은 음극(40) 상에 놓여 고정상태를 유지하지 않으며, 몸체(42)의 상면으로 분사되는 운반기체(G)에 의해 용융염(L)과 함께 유동상태를 가지게 된다. 그리고, 영역에 따라서 상이한 압력으로 분사되는 운반기체(G)에 의해 금속산화물(MO)은 상승 및 하강을 반복하며 용융염(L) 내에서 분산 및 교반될 수 있다.
용융염(L)과 함께 금속산화물(MO)이 유동상태에 놓이게 되면 전원공급장치(2)를 통해서 양극(30)과 음극(40)에 전압을 인가하여 전해환원공정을 수행한다. 따라서, 전기분해를 통해서 생산된 Li 금속과 금속산화물(MO)의 효과적인 혼합으로 전해환원공정의 효율이 향상될 수 있으며, 종래와 같이 바스켓 내에 수용된 금속산화물이 고정상태에서 전해환원공정을 수행하는 경우 효과적으로 환원반응에 참여하지 못하여 잉여 Li 금속으로 존재하여 잉여 Li 금속이 차지하는 비율이 높아지는 문제가 해소될 수 있다.
일 실시예에서, 음극(40)은 반응기(10) 내에 회전가능하게 제공될 수 있다. 음극(40)의 몸체(42)에 구비되는 회전축(45)은 반응기(10) 외부에 배치되는 구동부(46)와 연결될 수 있다. 구동부(46)는 수평 상태로 배치된 음극(40)을 회전축(45)을 따라서 회전구동시켜 소정 기울기로 경사진 상태로 배치시킬 수 있다.
음극(40)이 경사진 상태로 배치됨에 따라서 음극(40) 위에 놓인 전해환원공정이 완료된 생성물(RO), 예컨대 환원된 금속은 음극(40)에서 반응기(10) 하부의 생성물 회수부(12)로 이동될 수 있다. 생성물(RO)의 이동이 완료되면 구동부(46)는 다시 음극(40)을 회전구동시켜 원래의 수평 상태로 배치시킬 수 있다.
생성물 회수부(12)로 이동된 생성물(RO)은 후속 공정을 위한 장치로 이송될 수 있다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 여과막(50)을 포함할 수 있다.
여과막(50)은 양극(30)과 음극(40) 사이에 배치되어 양극(30) 측으로 용융염(L)을 포함한 액체는 통과시키고 금속산화물(MO) 및 금속산화물(MO)의 환원된 금속(U 등)을 포함한 고체는 통과를 차단할 수 있다. 따라서, 유동화 상태의 금속산화물(MO)과 환원된 금속이 양극(30)과 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
여과막(50)은 액체 물질과 기체 물질은 통과시키고 고체 물질은 차단할 수 있는 메쉬 또는 다공성막으로 이루어질 수 있으며, 반응기(10)의 단면을 가로지르는 구조로 반응기(10) 내부에 탈착이 가능하게 장착될 수 있다.
여과막(50)을 통과한 용융염(L)은 휘발되어 운반기체(G)와 함께 반응기(10) 상부에 제공되는 응축부(11)에 도달할 수 있다. 그리고, 기화한 용융염은 응축부(11)에서 응축하여 고체 분말 형태로 전환될 수 있다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 금속산화물의 전해환원 장치(1)는 사이클론(60)을 포함할 수 있다. 사이클론(60)은 반응기(10)의 일측에 제공되어 반응기(10)와 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 사이클론(60)은 반응기(10)의 응축부(11)와 연결되어 고체 분말(L')과 운반기체(G)를 사이클론(60) 내부로 유입시키는 제1 연결관(61)과, 반응기(10)와 연결되어 운반기체(G)와 분리된 고체 분말(L')을 반응기(10) 내의 용융염(L)으로 유입시키는 제2 연결관(62)과, 고체 분말(L')이 분리된 운반기체(G)를 사이클론(60)으로부터 배출시키는 기체 배출구(63)를 포함할 수 있다.
제1 연결관(61)을 통해서 사이클론(60) 내부로 유입된 고체 분말(L')과 운반기체(G)는 사이클론(60) 내부에서 분리될 수 있다.
기체 배출구(63)는 고체 분말(L')과 분리된 운반기체(G)를 사이클론(60) 외부로 배출시킬 수 있다. 일 실시예에서, 기체 배출구(63)에는 혼합기체 분리장치(미도시)가 설치될 수 있으며, 운반기체(G)로 사용된 아르곤 기체를 재사용할 수 있다. 이 경우, 아르곤 기체는 운반기체 공급관(20)을 통해서 반응기(10) 내부로 공급될 수 있으며, 운반기체(G)로 재사용될 수 있다.
제2 연결관(62)은 사이클론(60)의 하부에서 반응기(10)와 연결될 수 있으며, 운반기체(G)와 분리된 고체 분말(L')을 반응기(10) 내의 용융염(L)으로 유입시킬 수 있다. 따라서, 휘발되는 용융염을 순환하여 재사용함으로써 용융염의 휘발에 따른 손실로 인해 보충을 필요로 하는 종래의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 용융염의 휘발 및 핫 셀 내의 휘발성 물질들의 확산 문제를 해결할 수 있다.
제2 연결관(62)은 금속산화물(MO)을 반응기(10) 내부로 유입시키는 반응물 주입구(64)와 연결될 수 있다. 반응물 주입구(64)를 통해서 주입되는 금속산화물(MO)이 반응기(10) 내에서 음극(40) 위에 놓이도록 반응기(10)와 연결되는 제2 연결관(62)의 연결구(62a)는 음극(40)의 상부에 위치할 수 있다. 반응기(10) 초기 운전 또는 소모된 용융염 보충 시 반응물 주입구(64)를 통해서 반응기(10) 내부에 금속산화물(MO) 또는 염을 주입할 수 있다. 이때, 주입되는 염은 용융염 상태가 아닌 고체 상태일 수 있다.
일 실시예에서, 제2 연결관(62)은 기체 배출구(63)와 연결되는 기체 주입구(65)를 더 구비할 수 있으며, 기체 배출구(63)에서 공급되는 아르곤 기체를 운반기체(G)로 하여 고체 분말(L')과 금속산화물(MO)이 반응기(10)로 유입되도록 할 수 있다.
이와 같이, 반응기(10)에서 배출되는 기화한 용융염과 운반기체가 사이클론(60)을 거쳐서 다시 반응기(10)로 공급되도록 순환구조를 구현함으로써 손실에 따른 보충 문제와 휘발성 물질의 확산에 따른 문제를 해결할 수 있다. 아울러, 재사용을 통해 비용이 절감되는 효과를 기대할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1... 금속산화물의 전해환원 장치
10... 반응기
11... 응축부
12... 생성물 회수부
20... 운반기체 공급관
30... 양극
40... 음극
41... 절연재
42... 몸체
43... 유로
43a... 제1 유로, 43b... 제2 유로
44... 노즐
44a... 제1 노즐군, 44b... 제2 노즐군
45... 회전축
46... 구동부
50... 여과막
60... 사이클론
61... 제1 연결관
62... 제2 연결관
63... 기체 배출구
64... 반응물 주입구
65... 기체 주입구
L... 용융염, L'... 고체 분말
G... 운반기체
MO... 금속산화물, RO... 생성물

Claims (9)

  1. LiCl 용융염을 포함하는 반응기;
    상기 반응기 내부로 운반기체를 공급하는 운반기체 공급관;
    상기 용융염에 침지되는 양극; 및
    상기 양극의 하부에 배치되어 상기 운반기체 공급관과 연결되며, 상기 운반기체 공급관을 통해서 공급되는 상기 운반기체를 상부로 분사하는 음극;
    을 포함하며,
    상기 음극과 양극 사이에서 상기 용융염과 혼합된 금속산화물은 상기 음극에서 분사되는 상기 운반기체에 의해 상기 용융염과 함께 유동하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 몸체, 상기 몸체 내에 제공되어 상기 운반기체 공급관에서 공급되는 상기 운반기체가 유동하는 유로, 상기 유로와 연결되어 상기 운반기체를 상기 몸체의 상면 위로 분사하는 복수의 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 노즐은 상기 몸체의 중앙 영역에 배열되는 제1 노즐군과 상기 중앙 영역 둘레의 가장자리 영역에 배열되는 제2 노즐군을 포함하고, 상기 제1 노즐군과 제2 노즐군은 서로 다른 분사 압력으로 상기 운반기체를 분사하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유로는 상기 제1 노즐군과 연결되는 제1 유로, 상기 제2 노즐군과 연결되는 제2 유로를 포함하고, 상기 제1 유로와 제2 유로는 상이한 압력으로 상기 운반기체를 유동시키는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극과 음극 사이에 배치되어 상기 양극 측으로 상기 용융염을 포함한 액체는 통과시키고 상기 금속산화물 및 상기 금속산화물의 환원된 금속을 포함한 고체는 통과를 차단하는 여과막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 상부에서 기화한 상기 용융염이 응축하여 고체 분말 형태로 전환되는 응축부와, 상기 고체 분말과 상기 운반기체를 분리하는 사이클론을 더 포함하고,
    상기 사이클론은 상기 응축부와 연결되어 상기 고체 분말과 상기 운반기체를 상기 사이클론 내부로 유입시키는 제1 연결관, 상기 반응기와 연결되어 상기 운반기체가 분리된 상기 고체 분말을 상기 반응기 내의 상기 용융염으로 유입시키는 제2 연결관, 상기 고체 분말이 분리된 상기 운반기체를 상기 사이클론으로부터 배출시키는 기체 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 연결관은 상기 금속산화물을 상기 반응기 내부로 유입시키는 반응물 주입구와 연결되며,
    상기 반응물 주입구를 통해서 주입되는 상기 금속산화물이 상기 반응기 내에서 상기 음극 위에 놓이도록 상기 반응기와 연결되는 상기 제2 연결관의 연결구는 상기 음극의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 기체 배출구는 상기 운반기체 공급관 또는 상기 제2 연결관과 연결되어 상기 운반기체를 상기 반응기 내부로 유입시키는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 음극은 상기 반응기 내에 회전가능하게 제공되며, 상기 음극의 회전축과 연결되어 상기 음극을 회전구동시키는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속산화물의 전해환원 장치.
KR1020180090291A 2018-08-02 2018-08-02 금속산화물의 전해환원 장치 KR102123841B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180090291A KR102123841B1 (ko) 2018-08-02 2018-08-02 금속산화물의 전해환원 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180090291A KR102123841B1 (ko) 2018-08-02 2018-08-02 금속산화물의 전해환원 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200015032A true KR20200015032A (ko) 2020-02-12
KR102123841B1 KR102123841B1 (ko) 2020-06-19

Family

ID=69569533

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180090291A KR102123841B1 (ko) 2018-08-02 2018-08-02 금속산화물의 전해환원 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102123841B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000131489A (ja) 1998-10-29 2000-05-12 Toshiba Corp 使用済み酸化物燃料の還元装置およびその還元方法
JP2006009054A (ja) * 2004-06-22 2006-01-12 Sumitomo Titanium Corp チタンおよびチタン合金の製造方法
KR20060041028A (ko) * 2004-11-08 2006-05-11 한국지질자원연구원 전기화학적 환원에 의한 은분말 제조방법 및 제조장치
KR20110131605A (ko) * 2010-05-31 2011-12-07 한국원자력연구원 금속재질의 양극덮개를 포함하는 전해환원장치 및 이를 이용한 전해환원 방법
KR20140092626A (ko) * 2013-01-16 2014-07-24 삼성전자주식회사 구리 전해 도금액, 구리 도금 장치 및 이를 이용한 구리 범프 형성 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000131489A (ja) 1998-10-29 2000-05-12 Toshiba Corp 使用済み酸化物燃料の還元装置およびその還元方法
JP2006009054A (ja) * 2004-06-22 2006-01-12 Sumitomo Titanium Corp チタンおよびチタン合金の製造方法
KR20060041028A (ko) * 2004-11-08 2006-05-11 한국지질자원연구원 전기화학적 환원에 의한 은분말 제조방법 및 제조장치
KR20110131605A (ko) * 2010-05-31 2011-12-07 한국원자력연구원 금속재질의 양극덮개를 포함하는 전해환원장치 및 이를 이용한 전해환원 방법
KR20140092626A (ko) * 2013-01-16 2014-07-24 삼성전자주식회사 구리 전해 도금액, 구리 도금 장치 및 이를 이용한 구리 범프 형성 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102123841B1 (ko) 2020-06-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4753220B2 (ja) 化学電池
KR100593790B1 (ko) ＬｉＣｌ－Ｌｉ₂Ｏ 용융염계를 이용하여 산화물핵연료로부터 핵연료 금속을 제조하는 방법, 상기 방법을구현하기 위한 환원전극, 및 상기 환원전극을 포함하는환원장치
US20070131560A1 (en) Electrochemical reduction of metal oxides
CN1502141A (zh) 用不对称钒电解槽制备钒电解液和用不对称钒电解槽使工作态钒氧化还原电池电解液的充电状态重新平衡
RU2005121903A (ru) Электрохимическое восстановление оксидов металлов
EP1445353A1 (en) Method and device for surface treatment of treated object
KR102123841B1 (ko) 금속산화물의 전해환원 장치
JP3514742B2 (ja) 使用済核燃料の再処理装置
US6939458B1 (en) Apparatus and method for hydrothermal electrolysis
GB2591181A (en) Apparatus and method for waste treatment
KR102182475B1 (ko) 전해환원 장치 및 전해환원 방법
KR102122462B1 (ko) 사용후핵연료 산화물 환원장치 및 이를 이용한 사용후핵연료 산화물 환원방법
KR102094034B1 (ko) 염 유동식 사용후핵연료 환원 방법 및 환원 시스템
US3901786A (en) Electrolytic dissolver
JP3872873B2 (ja) 使用済み燃料の溶融塩電解再処理方法
KR102092600B1 (ko) 재생장치 일체형 방사성 금속 산화물의 환원장치 및 방법
EP0160589B1 (fr) Procédé et dispositif de dissolution des oxydes de plutonium et/ou de neptunium
GB2548378A (en) Electrochemical reduction of spent nuclear fuel at high temperatures
JP4002358B2 (ja) 水熱電気分解方法及び装置
JP2005054209A (ja) 酸化物電解法用の電解装置
RU196460U1 (ru) Электролизёр для извлечения металлов платиновой группы из отработанных катализаторов и металлических концентратов платиноидов на основе железа и меди
KR102117410B1 (ko) 전해환원 및 전해정련 일체형 산화물 처리 시스템
KR20070017960A (ko) 중금속류에 의한 피오염물의 정화방법 및 장치
US8062712B2 (en) Amalgam decomposer for mercury cathode cells for alkali chloride electrolysis
GB2041975A (en) Te and plutonium and/or uranium ions solidifying a solution containing ammonium nitrate carbona

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right