KR-20260061812-A - METHOD FOR PRODUCING A SPENT NUCLEAR FUEL WASTE SINTERED BODY COMPRISING URANIUM OXIDE USING SLIP CASTING AND SPENT NUCLEAR FUEL WASTE SINTERED BODY COMPRISING URANIUM OXIDE

Abstract

본 발명은 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법 및 사용후 핵연료 폐기물 소결체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 그 공정이 단순해 핫셀 내에서 수행되는 것이 요구되는 작업이 줄어들어 공정 효율적 측면에서 매우 유리하며, 대용량으로 사용후 핵연료 폐기물 소결체를 제조할 수 있어 방사성 폐기물을 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 동시에 제조된 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 밀도가 높고 압축강도가 높아 그 보관안정성 측면에 있어서도 매우 우수한 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법 및 사용후 핵연료 폐기물 소결체에 관한 것이다.

Inventors

• 강권호
• 홍순석
• 이재원
• 이주호
• 이창화
• 조용준
• 류재수

Assignees

• 한국원자력연구원

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20241028

Claims (10)

1. (1) 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 및 바인더를 혼합하여 슬립캐스팅용 슬러리를 제조하는 단계; (2) 상기 슬립캐스팅용 슬러리를 몰드에 장입한 뒤 일정시간 경과 후 형성된 제 1성형체를 몰드에서 탈형하는 단계; (3) 상기 제 1성형체를 건조시켜 제 2성형체를 제조하는 단계; (4) 상기 제 2성형체를 소결하여 사용후 핵연료 폐기물 소결체를 형성하는 단계;를 포함하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 (1)단계의 상기 사용후 핵연료 폐기물은 Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Th, U, Np, Pu(Ce), Am로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법
3. 제 1항에 있어서, 상기 (1)단계의 슬립캐스팅용 슬러리는 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법
4. 제 1항에 있어서, 상기 (3)단계는, 상기 제 1성형체를 10 ~ 50˚C의 온도 및 60 ~ 90(%)의 상대습도에서 습식건조시켜 제 2성형체를 제조하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법
5. 제 1항에 있어서, 상기 (4)단계는, 특정한 소결 온도에 도달하기 위해 상기 제 2성형체의 온도를 0.5 ~ 2˚C/min의 속도로 승온시키는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법
6. 제 1항에 있어서, 상기 (4)단계는, (4-1) 상기 제 2성형체를 열처리하여 바인더를 제거하는 단계; (4-2) 상기 바인더가 제거된 제 2성형체를 소결하여 사용후 핵연료 폐기물 소결체를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법
7. 제 1항에 있어서, 상기 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 부피는 15 ~ 200cm 3 인 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체
9. 우라늄 산화물을 포함하는 세라믹 핵연료 폐기물 소결체로서, 세라믹 핵연료 폐기물을 포함하고, 상기 세라믹 핵연료 폐기물 소결체의 부피는 15 ~ 200cm 3 이며, 상기 세라믹 핵연료 폐기물 소결체의 밀도는 이론 밀도의 80% 이상인, 우라늄 산화물을 포함하는 세라믹 핵연료 폐기물 소결체
10. 제 9항에 있어서, 상기 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 압축강도는 400MPa 이상인 것을 특징으로 하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체

Description

슬립캐스팅을 이용한 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조방법 및 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체{METHOD FOR PRODUCING A SPENT NUCLEAR FUEL WASTE SINTERED BODY COMPRISING URANIUM OXIDE USING SLIP CASTING AND SPENT NUCLEAR FUEL WASTE SINTERED BODY COMPRISING URANIUM OXIDE} 본 발명은 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법 및 사용후 핵연료 폐기물 소결체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 그 공정이 단순해 핫셀 내에서 수행되는 것이 요구되는 작업이 줄어들어 공정 효율적 측면에서 매우 유리하며, 대용량으로 사용후 핵연료 폐기물 소결체를 제조할 수 있어 방사성 폐기물을 효율적으로 처리할 수 있으면서도, 동시에 제조된 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 밀도가 높고 압축강도가 높아 그 보관안정성 측면에 있어서도 매우 우수한 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법 및 사용후 핵연료 폐기물 소결체에 관한 것이다. 원자력이 오랜 시간 동안 안전한 전원을 제공하고 있음에도 불구하고, 핵 폐기물 저장 및 처리 등과 관한 염려는 여전히 존재한다. 실제로 원전의 가동에 있어서 핵폐기물의 발생은 불가피하며, 특히나 우라늄과 같은 핵종들은 그 긴 반감기로 인하여 장기간 안정적인 보관이 요구된다. 근래에는 우라늄 산화물 등의 산화물 핵연료가 상용 발전로용 핵연료로 널리 사용되고 있는데, 이는 열전도도와 밀도가 다른 핵연료 재료보다 낮아 운전 여유도 및 경제성이 낮으나 냉각제로 사용하는 물에서의 화학적 물리적 안정성이 우수하기 때문이다. 우라늄 산화물은 사용후 핵연료의 한 종류로서, 종래에는 산화물 핵연료을 이용한 소결체를 제조함에 있어서 압축성형의 방식을 이용하였다. 압축성형은 산화물 핵연료을 압축성형한 뒤, 소결하여 소결체를 제조하는 방식으로서 그 공정이 복잡하고 거대한 장비가 동원되어, 특히나 그 방사성 때문에 핫셀 내에서 로봇팔을 이용해 작업이 이루어져야 하는 이산화 우라늄 소결체 제조 공정의 특성상 공정 효율적 측면에서 불리하다는 문제점이 있었다. 또한, 종래에는 이와 같이 압축 성형으로 제조됨에 따라 매우 작은 사이즈로 밖에 제조될 수 없었으며, 사용후 핵연료 폐기물 처리하기 위하여 소결체를 제조하는 것이 아니라 연료로 재활용하기 위하여 소결체를 제조하였다. 하지만, 이와 같이 작은 사이즈로 소결체를 제조하는 것을 사용후 핵연료 분말의 안정화 처리에 그대로 적용하는 것은 처리 효율적 측면에서 매우 불리하였다. 이에, 사용후 핵연료 폐기물의 처리에 있어서, 그 공정이 단순하여 핫셀 내에서 처리가 용이하고, 대용량으로 소결체를 제조할 수 있으면서도, 동시에 밀도가 높고 압축강도가 우수하여 그 보관 안정성 측면에 있어서도 우수한 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법의 개발이 요구되는 실정이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 소결체의 사진이다. 도 2는 바인더로 혼합한 CMC의 휘발온도를 확인하기위해 CeO2에 바인더(CMC)를 혼합시켜 성형체를 제조한 이후 열중량분석법을 이용하여 온도에 따른 질량 손실 곡선을 도시한 것이다. 이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 상술한 바와 같이, 종래의 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법은 공정이 복잡하여 비효율적이었거나, 혹은 핫셀 내에서 작업이 용이하지 않아 공정 효율적 측면에서 불리하였으며, 또한, 그에 따라 방사성 폐기물 소결체를 큰 부피로 제조할 수 없게 되어 방사성 폐기물을 처리하는 측면에 있어서도 매우 불리하다는 문제점이 있었다. 이에 본 발명은, (1) 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 및 바인더를 혼합하여 슬립캐스팅용 슬러리를 제조하는 단계; (2) 상기 슬립캐스팅용 슬러리를 몰드에 장입한 뒤 형성된 제 1성형체를 몰드에서 탈형하는 단계; (3) 상기 제 1성형체를 건조시켜 제 2성형체를 제조하는 단계; (4) 상기 제 2성형체를 소결하여 사용후 핵연료 폐기물 소결체를 형성하는 단계;를 포함하는 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 소결체의 제조 방법을 제공하여 상술한 문제점을 해결하였다. 이로 인하여, 제조 공정이 단순하여 효율적으로 소결체를 제조할 수 있으면서도, 핫셀 내에서의 작업이 최소화되어 공정 효율적 측면에 있어서 매우 우수하고, 또한, 대용량으로 소결체를 제조할 수 있어 효율적으로 방사성 폐기물을 처리할 수 있으면서, 동시에 소결체의 밀도 및 압축강도가 우수하여 그 보관 안정성 측면에 있어서도 매우 우수하다. 먼저, (1) 단계로서, 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물 및 바인더를 혼합하여 슬립캐스팅용 슬러리를 제조한다. 보다 구체적으로, 상기 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료 폐기물이 바인더와 혼합되는 경우 슬립캐스팅용 슬러리가 제조될 수 있으며, 제조된 슬립캐스팅용 슬러리는 후술하는 (2)단계, (3)단계 및 (4)단계를 거쳐 사용후 핵연료 폐기물 소결체로 제조될 수 있다. 상술한 바와 같이, 종래에는 주로 압축 성형에 의하여 사용후 핵연료에 대한 소결체를 제조하였다. 또한, 소결체의 제조 시 사용 후 핵연료를 재사용할 목적으로 소결체를 주로 제조하였으며, 본 발명과 같이 사용 후 핵연료를 폐기하기 위하여 소결체를 제조하지 않았다. 압축성형에 의하여 사용 후 핵연료 소결체를 제조하는 경우 그 공정이 복잡하였으며, 또한 거대한 장비가 필요해 핫셀 내에서의 작업이 용이하지 않았다. 또한, 재사용할 목적으로 소결체를 제조하므로 소결체를 주로 작은 크기로 제조하였다. 소결체를 작은 크기로 제조하는 것은 소결체를 재사용 하기 위한 목적으로 제조하기 때문이기도 하였지만, 압축 성형 방식의 한계 때문이기도 하였는데, 소결체를 큰 크기로 제조하기 위하여는 그만큼 거대한 압축 성형 장비를 핫셀 내에서 가동하여야 하며, 이는 매우 용이하지 않으며 공정 효율적 측면에서도 매우 불리하기 때문이다. 이러한 문제점은, 방사능이 방출된다는 이유로 폐기물의 제조가 핫셀 내부에서 이루어져야 하는 사용후 핵연료의 특수성에서 기인하는 문제점이다. 또한, 핵연료를 폐기하기 위하여 큰 크기로 소결체를 제조하는 것은 중요한데, 이는 사용 후 핵연료 폐기물의 경우 매우 장기간의 보관 기간이 요구되어 보관 효율성이 매우 우수하여야 하기 때문이다. 이에 본 발명은 우라늄 산화물을 포함하는 사용후 핵연료를 바인더와 혼합시켜 슬립캐스팅용 슬러리를 제조하고 최종적으로 후술하는 (2)단계, (3)단계 및 (4)단계를 거쳐 슬립캐스팅 공정을 이용하여 소결체를 제조함으로써 이러한 사용후 핵연료 폐기물 특유의 문제점을 해결하였다. 이를 통해, 소결체의 제조 공정이 단순해지고 핫셀 내의 작업이 최소화되어 공정 효율적 측면에서 우수하며, 높은 압축강도 및 밀도를 유지하면서도 큰 부피로 제조할 수 있어 효율적으로 폐기물을 처리할 수 있다는 점에서 종래에 비해 매우 우수하다. 보다 구체적으로, 상기 사용후 핵연료 폐기물은 경수로용 핵연료 폐기물 및 중수로용 핵연료 폐기물로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 슬러리는 용매를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 슬러리는 용매 및 바인더를 포함하며 바인더가 용매 내부에 분산된 바인더 용액 내에 사용 후 핵연료 폐기물이 분산된 형태일 수 있다. 이때, 용매는 통상적으로 슬립캐스팅에서 슬러리의 용매로 사용될 수 있는 것이라면 제한되지 아니하나, 바람직하게는 물일 수 있다. 이때, 슬립캐스팅용 슬러리가 제조되는 과정에서 용매가 첨가되는 순서는 특별히 제한이 있는 것은 아니나, 예를 들어, 슬립캐스팅용 슬러리가 제조되는 과정은 용매를 투입한 용기를 25 ~ 150˚C의 핫플레이트 위에 올린 뒤, 100 ~ 500rpm으로 교반하면서 바인더를 투입하여 바인더 용액을 제조하고, 물에 약 5 ~ 15%의 바인더 용액을 추가적으로 혼합한 후 교반하며 핵연료 폐기물 분말을 투입하는 방식으로 수행될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 우라늄 산화물은 사용 후 핵연료인 우라늄 산화물로서 통상적인 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 UO2, U3O8, U3O7, U4O9로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 UO2일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 사용후 핵연료 폐기물은 Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Th, U, Np, Pu(Ce), Am로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들면 산화물의 형태일 수 있다. 상기 Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Th, U, Np, Pu(Ce), Am로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상은 원자로 등에서 발생하는 핵반응에 의하여 발생할 수 있으며, 사용후 핵연료 폐기물 내부에 우라늄 산화물과 혼합되어 수득될 수 있다. 상기 Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Th, U, Np, Pu(Ce), Am이 우라늄 산화물과 혼합된 형태로 사용후 핵연료 폐기물로서 수득되는 경우, 바인더와 혼합되어 슬립캐스팅용 슬러리에 포함될 수 있으며, 이후 (2)단계, (3)단계 및 (4)단계를 수행하여 최종적으로 형성된 소결체에 포함될 수 있다. Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Th, U, Np, Pu(Ce), Am는 방사성 폐기물로서 우라늄과 마찬가지로 폐기 대상 물질이다. 본 발명은 Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Te, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Th, U, Np, Pu(Ce), Am