산소 플라즈마를 이용한 이산화우라늄의

Abstract

경수로와 중수로를 모두 보유하고 있는 우리나라는 경수로와 중수로를 연계시키는 새로운 핵연료주기 시스템 개발의 연구가 요구되고 있다. 경수로에서 배출된 사용후핵연료에는 천연우라늄보다 많은 핵분열성 물질을 포함하고 있으므로 중수로 연료로서의 재활용성이 충분할 것이라고 판단되고 있다. 이러한 경·중수로연계 핵주기 기술이 실현될 경우 중수로에 사용되는 천연우라늄 연료를 상당히 절약할 수 있을 뿐 아니라 사용후핵연료 발생량까지 줄일 수 있으므로 폐기물의양을 획기적으로 감소시킬 수 있으며 경제적으로도 많은 이점이 있을 것으로 판단된다. 경·중수로 연계 핵주기 기술의 핵심인 산화우라늄의 제조과정을 포함한 핵주기 기술에는 반복적인 환원과 산화과정 필요하다. 그러나 대상 재료가 산화물이므로 제조과정에 있어서 매우 높은 온도가 요구되고 반응률이 낮기 때문에 플라즈마기체를 이용한 건식공정을 이용할 경우 낮은 온도에서도 매우 높은 반응률을 유지할 수 있다. 이번 연구에서는 종래에 기체 상태에서 수행하였던 이산화우라늄의 산화반응을 가속화시키기 위해 산소플라즈마를 이용하였다. 연구결과 기체반응에 비해서 플라즈마기체 반응일 때 이산화우라늄의 산화가 400oC에서156 –244% 가속화 되고 500oC에서는 308 – 777% 가속화 된다는 것이 밝혀졌고, 표면분석을 통하여 이산화우라늄의 최종 산화단계가 U3O8라는 것이 밝혀졌다. 산화가속화의 이유는 플라즈마 출력에 의해 산소라디칼의 발생이 활발하게 일어나면서 이 라디칼이 반응을 주도하기 때문이다. 연구에서는 플라즈마 진단방법중의 하나인 OES Actinometry 기법을 이용하여 산소 라디칼이 가장 활발하게 발생하는 압력조건이 0.5 Torr라는 결과를 도출하였다. 이번 연구를 통하여 경·중수로 연계 핵주기기술 개발시 기체 반응 공정을 응용 할 경우 높은 산화반응률과 함께 공정기체 사용량도 획기적으로 감소시킬 수 있다는 것을 확인 할 수 있었다.