발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 탄화우라늄은 중이온가속기를 이용한 희귀동위원소 발생에 사용되는 핵심 표적물질이지만, 제조 또는 취급 과정에서 산화되거나 파손되어 불량품(스크랩)이 발생합니다.

• 탄화우라늄 스크랩에 포함된 우라늄은 회수 및 재고 관리가 필요한 핵연료물질입니다.

• 기존의 폐기물 처리 기술은 순수 우라늄 금속 부스러기에 국한되어 있어, 탄소 및 산화물이 혼합된 탄화우라늄 스크랩에는 적용하기 어렵다는 문제점이 있었습니다.

기술의 필요성

• 소결 공정 전후에 발생하는 모든 종류의 탄화우라늄 스크랩에서 안정적으로 산화우라늄을 회수할 수 있는 새로운 공정 개발이 시급합니다.

• 산화우라늄과 MWCNT(다중벽 탄소나노튜브)가 섞인 복합 스크랩에서도 탄소 성분만을 효과적으로 제거하고 고순도의 산화우라늄을 얻는 기술이 필요합니다.

• 이를 통해 폐기물을 줄이고 고가의 핵물질을 재활용하여 경제성과 환경성을 동시에 확보해야 할 필요성이 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 기술은 탄화우라늄 스크랩을 CO2 또는 Air 기체 분위기에서 특정 온도로 가열하여 스크랩 내 탄소(C) 성분만을 선택적으로 산화시키는 원리를 이용합니다.

• 산화된 탄소는 일산화탄소(CO) 또는 이산화탄소(CO2) 가스 형태로 승화되어 제거됩니다.

• 최종적으로 탄소가 제거된 스크랩은 재사용이 가능한 순도 높은 산화우라늄(U3O8) 분말로 변환됩니다.

구체적인 구현 방법

1. 스크랩 투입: 탄화우라늄 제조 공정에서 발생한 스크랩을 전용 도가니에 넓게 펼쳐 담아 열처리로에 투입합니다.

2. 승온 열처리: 열처리로 내부를 CO2 또는 Air 분위기로 조성하고, 10°C/min 이하의 속도로 서서히 온도를 600°C ~ 1,200°C 범위까지 상승시켜 탄소를 승화시킵니다.

3. 산화우라늄 회수: 열처리가 완료된 후, 탄소가 95% 이상 제거된 고순도의 산화우라늄 분말을 회수합니다.

기술의 장점

• 적용 범위가 넓어 소결 전 분말, 소결 후 불량 디스크 등 다양한 형태의 스크랩에 모두 적용이 가능합니다.

• 최적화된 열처리 조건을 통해 95% 이상의 높은 탄소 제거율을 달성하여 고순도 산화우라늄을 회수할 수 있습니다.

• 회수된 산화우라늄은 다시 탄화우라늄 제조 공정에 재사용할 수 있어 경제적이며 친환경적입니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명은 탄화우라늄 스크랩에서 탄소 성분을 가장 효율적으로 제거할 수 있는 최적의 조건을 찾기 위해 다양한 실험을 수행했습니다. 탄소의 종류, 입자 크기, 열처리 분위기(Air, CO2), 승온 속도 등이 탄소 승화율에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여 공정의 효율성과 신뢰성을 입증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 탄소 종류 선정: 탄화우라늄 제조에 사용되는 MWCNT를 포함하여 Graphite(natural, artificial), Black carbon, Fly-ash 등 총 5종의 탄소를 실험 대상으로 선정했습니다.

2. 물성 분석: 각 탄소 시료의 평균 입자 크기(레이저 회절법)와 미세 구조(SEM)를 분석하여 물리적 특성을 비교했습니다.

3. 열중량 분석(TGA): Air 및 CO2 분위기 하에서 승온 속도를 4°C/min과 10°C/min으로 다르게 설정하며 1,000°C까지 가열했을 때의 무게 감소율(승화율)을 측정했습니다.

4. 산화로 승화 테스트: 실제 공정과 유사한 환경을 구현하기 위해 샘플 양을 500mg으로 늘려, Air 분위기에서 600, 900, 1,200°C로 1시간 동안 가열하며 무게 변화를 비교했습니다.

실험 결과

탄소 종류별 입자 크기 분석 결과, Black carbon이 가장 작았고 MWCNT는 와이어 형태의 독특한 구조를 가졌습니다.

열중량 분석(TGA) 결과, 다른 탄소 소재와 비교하여 MWCNT가 Air 및 CO2 분위기 모두에서 월등히 높은 승화율을 보였습니다. 특히 승온 속도가 낮을수록(4°C/min) 에너지 흡수 시간이 충분하여 더 효과적으로 승화되는 경향을 확인했습니다.

대용량 샘플을 이용한 실제 공정 모사 테스트에서는 온도가 승화율에 결정적인 영향을 미치는 것을 확인했습니다. Air 분위기에서 1,200°C로 1시간 유지했을 때, MWCNT의 약 99.9%가 제거되어 가장 효과적인 처리 조건임을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 원자력 발전소 및 관련 연구소에서 발생하는 탄화우라늄 스크랩의 안전 처리 및 현장 재활용 공정에 직접 활용될 수 있습니다.

• 희귀동위원소 생산용 표적물질 제조 공정의 수율을 높여 경제성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다.

• 국가 핵물질의 재고 관리 및 회수 절차의 표준 기술로 적용될 수 있습니다.

기대효과

• 경제적 효과: 고가의 핵물질인 우라늄을 폐기물로부터 회수하여 재사용함으로써 자원 낭비를 줄이고 원료 수급 비용을 크게 절감할 수 있습니다.

• 환경적/안전성 효과: 방사성 폐기물 발생량을 줄이고, 스크랩을 화학적으로 안정한 산화물 형태로 변환하여 관리 및 저장의 용이성과 안전성을 높입니다.

• 기술적 효과: 독자적인 스크랩 처리 기술 확보를 통해 국내 원자력 기술의 자립도를 높이고, 관련 기술 분야에서 글로벌 경쟁력을 강화할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

전 세계 방사성폐기물 관리 시장은 2021년 200억 4,826만 달러에서 연평균 3.4% 성장하여 2028년에는 253억 3,964만 달러에 이를 것으로 전망됩니다.(출처)

• 국내 시장: 대한민국의 방사성폐기물 관리 시장은 2006년 564억 원에서 2015년 1,572억 원으로 연평균 12.1%의 높은 성장률을 기록했습니다.(출처)

• 성장 동력: 청정에너지 수요 증가, 국제적인 환경 규제 강화, 노후 원전 해체 시장의 본격적인 확대 등이 시장 성장의 주요 동력으로 작용하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 지속 가능한 폐기물 관리: 환경 보호와 순환 경제 원칙에 대한 요구가 증가하면서, 핵폐기물을 단순 처분하는 대신 재활용하려는 움직임이 커지고 있습니다.

2. 유용 부산물 회수: 사용후핵연료에서 악티나이드, 백금족 금속 등 경제적 가치가 있는 유용 물질을 회수하여 상업적으로 활용하려는 기술 개발이 활발합니다.(출처)

3. 원전 해체 시장 확대: 전 세계적으로 노후 원자로가 증가함에 따라 약 549조 원 규모로 추산되는 원전 해체 시장이 새로운 기회 요인으로 부상하고 있습니다. 국내 시장 또한 약 24.4조 원 규모로 추정됩니다.(출처)