Pyroprocessing, with inherently proliferation resistant characteristics of its impure product materials, has been proposed as an advanced spent fuel treatment technology. Although there are continuing debates on the pros and cons of the pyroprocessing, research and development efforts are underway in a number of countries. Electro-refining is a key processing step in pyroprocessing. To support and optimize the design of the electrorefining system, computer models have been developed. However, compared to the past and on-going efforts to develop computer models, less attention has been given to the validation of the developed models.
This study is an effort to validate an electrorefining computer model, in particular in the mass transfer aspect. The ERAD code, a computer model that simulates the behavior of metal ions in a molten salt system through a one-dimensional description, was chosen in this study. Major tasks performed in the study include: 1) Experimental investigations of mass transfer in electrorefining by using surrogate materials; 2) Computational analysis of mass transfer in electrorefining by using ERAD,and; 3) Comparison of the experimental results with the computer simulation results. Magnesium and lanthanum were selected as surrogate materials since each element has similar electrochemical or mass transport properties with plutonium. An experimental set up inside a glove box was established to mimic electrorefining operation to support the study.
As part of the study, input parameters of importance in ERAD - apparent standard potential, exchange current density, diffusion coefficient, and charge transfer coefficient - were also investigated through experimental electrochemical analysis.
To confirm the accuracy of simulation in ERAD, a mass transfer study was conducted by designing test cases in which the supplied current and duration were controlled. The input values including the electrochemical properties obtained from experiments were utilized for the computer simulation. The simulated results were compared against experimental data of metal deposition on the cathode. The mass deposited on the cathode was determined by using Inductively Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry. The characteristics of deposition on the electrode surfaces were also analyzed by employing X-Ray Diffraction.
Comparison of results in the mass transfer study showed discrepancy: the discrepancy was evaluated by dividing an error, which is calculated by subtracting a ERAD result from an experiment result, to an experiment result. In the case of magnesium, the difference in the deposited mass between experiment and simulation ranged between -34.4% and 21.7%; the difference with La was much larger ranging between -2.5% and 68.1%. According to the results, as the amount of deposited metal increased, the discrepancy also decreased. This result seems to indicate the interrelation between the increase of the reaction area and the decrease of the current density as the surface area grows.
The result indicates that the current version of ERAD needs improvement to represent mass transfer in electrorefining. The main area for improvement is the description of dendrite growth in cathodic deposition. New modeling capabilities, incorporating dynamic growth characteristic of the electrode surface area should be considered in the future.
원자력 에너지 사용이 국제적으로 증가함에 따라 사용후핵연료 관리에 대한 사안이 더욱 중요해지고 있다. 한국에서는 건식재처리를 통해 회수한 우라늄을 소듐고속로의 핵연료로 재사용하여, 고준위 방사성 폐기물 양을 줄임과 동시에 지속가능하고 경제적인 후행핵주기를 계획하고 있다. 건식재처리는 공정 특성상 플루토늄을 포함한 공정물질이 핵무기로 전용될 가능성이 낮다는 점에서 내재적 핵확산 저항성이 있는 선진형의 사용후핵연료 재처리 기술로 평가되고 있다.
건식재처리공정을 상업적 규모로 운전하기 위해서는 핵 주기 시설이 공통으로 준수해야하는 국제원자력기구의 안전조치기준이 있다. 그러나, 공정 내 물질의 농도가 불확실한 건식재처리의 특성으로 인해 기존의 핵 주기 시설에 사용되던 기술로는 이를 만족할 수 없기에 이를 해결하기 위해 여러 나라에게 연구개발이 수행되고 있다.
건식재처리의 핵심 공정인 전해정련공정에서는 사용후핵연료로부터 우라늄이 선택적으로 회수된다. 전해정련로 내의 용융염에는 우라늄과 함께 사용후핵연료로부터 녹아나온 플루토늄을 포함한 악티나이드와 란타나이드가 잔여물로 남게 되므로 공정물질 모니터링이 반드시 필요하다. 안전조치기준에 준하는 기술을 개발하기 위한 연구의 일환으로 전산모델을 통한 공정 최적화가 수행되어 왔으나 이를 검증하는 연구는 상대적으로 경시되어왔다.
본 연구의 목적은 전해정련 전산모델의 물질전달 측면을 검증하는데 있다. 본 연구를 위해 용융염 내 금속 이온의 거동을 일차원으로 모사한 전산모델인 ERAD가 선택되었다. 연구는 대체금속을 사용한 전해정련로 내 물질전달 실험, ERAD를 사용한 전해정련로 내 물진전달 모사, 그리고 실험결과와 전산결과의 비교 순으로 수행되었다.
대체금속으로는 마그네슘과 란타넘을 선정하였다. 이 금속들은 각각 플루토늄과 유사한 전기화학적 특성과 물질전달특성을 지니고 있다. 연구의 일부로, 전산모델 ERAD에서 중요한 입력변수인 형식전위, 교환전류밀도, 확산계수, 전하전달계수를 전기화학적 분석실험- 순환전압전류법, 대시간전위차법, 선형분극법-을 통해 구하였다. 전기화학적 분석 결과는 선행연구조사를 통해 구한 값들의 범위에 있었으며, 이로부터 본 연구에서 사용한 실험 시스템의 신뢰성을 확인하였다.
전산모델의 정확성을 확인하기 위해 전류의 크기와 지속시간을 통제변인으로 설계한 테스트 케이스를 기반하여 물질전달 실험을 수행하였다. 전기화학적 특성을 포함하여 실험으로부터 구한 조건들을 전산모델의 입력값으로 사용하였다. 음극에 전착된 금속의 양은 유도결합플라즈마 발광분광분석법 (ICP-OES)을 사용하여 측정하였으며 전착금속의 특성은 X선 회절 분석기(XRD)를 사용하여 분석하였다.
오차 백분율을 통해 평가한 실험결과와 계산결과의 일치 정도는 다소 차이를 보였다. 마그네슘의 경우 실험값과 계산값으로부터 얻은 전착량 차의 범위는 -34.4 % 에서 21.7 % 였으나, 란타넘에서는 이보더 더 큰 범위인 -2.5% 에서 68.1% 였다. 비교결과에 따르면, 전착량이 증가함에 따라 실험값과 계산값의 차이가 감소함을 보였다. 이러한 결과는 전착에 의한 표면적 증가에 따른 반응면적의 증가와 전류밀도 감소의 상호작용에 기인하는 것으로 보인다.
연구 결과로부터 전해정련 내에서의 물질전달을 정확히 모사하기 위해서는 현재 개발된 ERAD에 음극 표면적의 동적 성장 특성과 관련된 성능이 개선되어야 함을 알 수 있다. 그러나 비정상 상태에서의 거동은 예측이 어려우므로 정형화된 식을 통한 묘사에는 한계가 있다. 이러한 관점에서, 실험적 접근법을 통해 전산모델 개선이 가능하다. 반복된 실험을 통해 도출된 실험식은 일반적인 실험 뿐만 아니라 전산모델에도 적용 가능한 데이터를 제공할 것으로 기대된다.
