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Electrochemical and thermodynamic behavior of La, Ce, Nd, Dy in High temperature molten LiCl-KCl eutectic = 고온 LiCl-KCl 용융염 내에서의 La, Ce, Nd, Dy 원소의 전기화학 및 열역학 특성 분석
서명 / 저자 Electrochemical and thermodynamic behavior of La, Ce, Nd, Dy in High temperature molten LiCl-KCl eutectic = 고온 LiCl-KCl 용융염 내에서의 La, Ce, Nd, Dy 원소의 전기화학 및 열역학 특성 분석 / Seung Park.
저자명 Park, Seung ; 박승
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2013].
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There is a growing demand for development of an advanced nuclear power system from several points of view: less amount and toxicity of nuclear waste; higher non-proliferative characteristic; more advanced safety features; lower cost for generation; and more sustainable energy source not limited by resources. Pyroprocessing is considered as the appropriate spent nuclear fuel reprocessing technology which guarantees non-proliferation in the Korean back-end fuel cycle planning. The spent fuel is separated electrochemically into uranium and other elements group in electrorefining and electrowinning process after it undergoes preconditioning. Molten LiCl-KCl eutectic is used as the solvent medium and the temperature is set as 773K. The reduction/oxidation of uranium, transuranic elements, rare earth elements, and other fission products and the current determined by electron transfer Butler-Volmer equation depend on their standard equilibrium potential and electrode potential. Diffusion coefficient can be used to resolve the mass transfer equation composed of diffusion, migration, and convection. Furthermore, the solubility of elements in LiCl-KCl is basic thermodynamic information to investigate the material balance in the whole process. In this work, cyclic voltammetry (CV) and chronopotentiometry (CP), which are electrochemical analysis techniques, were used to investigate the redox reaction mechanism and to calculate the standard potential and diffusion coefficient of lanthanum, cerium, neodymium, and dysprosium in 773 K LiCl-KCl eutectic system. The selected elements were the three most abundant lanthanide elements in spent fuel and one of heavy lanthanide elements. La, Ce, and Dy revealed one step electron transfer, while Nd exhibited two step electron transfer of Nd(III)/Nd(II) and Nd(II)/Nd(0). The solubility of chloride form of those elements in 773 K LiCl-KCl was investigated using ICP-AES in sample depth from the top to bottom. Solubility limits of Ce and Dy trichloride were revealed as 23.65 wt% and 21.23 wt%, and maximally soluble concentrations of La and Nd were obtained as well. In-situ characteristic Raman spectra of Ce and Nd were measured and the Raman shape change was consistent with the concentration change.

원자력 발전 과정에서 생성되는 사용후핵연료를 파이로프로세싱을 이용하여 재처리하면 잔여 우라늄을 대부분 회수하여 재활용할 수 있다. 공정의 특성상 한꺼번에 회수되는 플루토늄과 초우라늄 원소들의 핵무기로의 전용 가능성이 낮아 핵비확산성이 보장되고 회수된 우라늄을 금속연료로 성형 가공하여 고속로와 연계할 수 있어 한국의 차세대 후행핵주기 계획에서는 이 파이로프로세싱을 후행핵주기에 포함시키고 있다. 파이로프로세싱의 전반부에서 전처리 과정을 거친 사용후핵연료는 전해정련과 전해제련과정에서 고온 용융염을 용매로 하여 우라늄과 그 외 원소들로 전기화학적으로 분리되며 용융염으로는 LiCl-KCl 공융염을, 공정온도로는 773 K이 사용될 예정이다. 이 때 사용후핵연료의 우라늄, 초우라늄 원소군, 희토류, 각종 핵분열생성물들이 고온 용융염 내에서 갖는 표준전위와 전극전위에 따라 원소의 산화/환원이 결정되고 전자 전달에 따른 전류가 어떻게 흐르는 지를 버틀러-볼머 공식을 이용하여 알 수 있다. 또, 확산계수를 앎으로써 전해질의 벌크 부분에서 전극 표면까지의 물질전달식을 풀고 물질전달에 따른 반응속도가 어떻게 될 지를 구할 수 있다. 이와 함께 전해 용융염으로 사용되는 LiCl-KCl에 각 핵종의 용해도도 이를 위해 필요한 기본적 물성자료이다. 본 연구에서는 전기화학적 분석방법인 순환전압전류법과 시간대전위차법을 이용하여 란탄족 원소들 중 사용후핵연료에 상대적으로 다량 함유되어 있는 란타늄 (La), 세륨 (Ce), 네오디뮴 (Nd), 디스프로지움 (Dy)의 염화물들이 773 K LiCl-KCl에서 갖는 산화환원 반응기작과 표준전위 및 확산계수를 구하였다. La, Ce, Dy는 3가 양이온이 금속으로 바로 환원되었고, Nd는 3가에서 2가, 2가에서 금속으로 환원되는 두 단계 반응을 거쳤다. Nd의 순환전압전류법에서 첫 번째 환원반응이 일어나는 전위를 일정하게 유지시켜 첫 번째 환원반응의 전류를 감쇠시킴으로써 두 번째 환원반응의 전류를 보다 정확하게 측정할 수 있었다. 또한 동일 원소들에 대하여 773 K LiCl-KCl에서 그 염화물들이 갖는 용해도를 깊이 별 ICP-AES를 이용한 농도 측정을 통해 분석하고 라만 스펙트럼을 측정하여 농도의 변화에 따른 구조적 변화를 관찰하였다. Ce와 Dy의 신뢰성 있는 용해도를 구하였으며, La와 Nd가 용해되는 최소 농도를 얻을 수 있었다. Ce와 Nd의 특성 라만 스펙트럼을 측정했고 라만의 특성변화가 농도의 경향성과 일치함을 확인할 수 있었다.

서지기타정보

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청구기호 {MNE 13004
형태사항 vi, 60 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박승
지도교수의 영문표기 : Jong-Il Yun
지도교수의 한글표기 : 윤종일
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 원자력및양자공학과,
서지주기 References : p. 54-56
주제 Pyroprocessing
Molten salt
Electrochemical analysis
Thermodynamic data
Solubility
파이로프로세싱
용융염
전기화학
열역학데이터
용해도
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