변환 개요

변환(Conversion) 개요

시장에서 거래되는 우라늄 정광의 우라늄 순도는 평균 75% 정도이므로 원자로에 핵연료로 사용하기 위하여 우라늄 순도를 99.9% 이상 높이는 정제 과정을 거친다. 또한 우라늄 순도를 높이기 위하여 정제를 하면서 핵연료 다음 제작 과정인 농축 공급물질로 적당한 화합물로 만든다.

경수로의 경우는 우라늄 정광을 농축 매체인 육불화우라늄(UF₆)으로, 중수로 경우는 성형가공 매체인 이산화우라늄(UO₂)으로 전환하며 이런 과정을 변환과정이라 한다.

육불화 우라늄 변환 공정

우라늄을 육불화 우라늄으로 변환하는 방법은 보통 습식과 건식 방법이 있다. 습식 변환방식은 건식보다 변환 과정에서 방사성폐기물이 많이 발생한다. 다음은 일반적인 건식 공정이다.

• 시료채취 : 우라늄 생산자로부터 우라늄 정광을 인수한 변환 공급자는 우라늄 정광의 불순물 함량 등이 사양에 맞는지 확인하기 위하여 로트(Lot) 별로 시료를 채취한다.
• 사전 준비 : 시료 채취를 마친 우라늄 정광은 육불화 우라늄을 제조하기 위하여 공정에 들어가기 전에 사전 준비단계를 거친다. 우라늄 정광은 탄산염, 수분, 기타 휘발성물질을 제거한 후 건조기에서 습분을 제거하고 분쇄기를 통과시켜 다음 화학 공정에 적합한 크기의 입자를 만든다.
• 환원 : 습분이 제거되고 적당한 크기로 준비된 공급물질은 고온의 환원로(Fluidized bed reduction reactor)에서 UO₂로 환원되며 불순물은 폐기물 가스와 함께 방출된다. 환원로에는 예열된 암모니아 가스가 주입되며 암모니아 가스는 질소와 수소로 분리되며 수소는 U₃O₈을 이산화우라늄으로 환원한다.

UO₂ + 2H₂ → 3UO₂ + 2H₂O

• 수소불산화(Hydrofluorination) : UO₂는 반응로에서 기체화된 HF와 반응하는 수소불산화 과정을 거쳐 UF₄로 바뀌며 그 과정에서 잔존 불순물이 제거된다.

UO₂ + 4HF → UF₄ + 2H₂O

• 불화(Fluorination) : UF₄는 불화로에서 불소와 반응하는 불화과정을 거쳐 UF₆증기로 바뀐다.

UF₄ + F₂ → UF₆

• 증류 : 액상의 UF₆는 증발기에서 증기로 바뀌어 여러 단의 과정을 거치면서 휘발성 불순물 등이 제거되며, 정제를 마친 최종제품은 액화하여 실린더에 주입하여 상품으로 출하한다. 실린더에 주입된 육불화 우라늄은 5일쯤 지나면 고화된다.

불소는 화학적으로 활성이 강한 특성에도 불구하고 농축 공급물질로 우라늄 불소화합물을 만드는 이유는 불소가 원자량 19의 F-19 이외에 다른 동위원소가 없는 단일 핵종이기 때문이다.

경수로 변환 공정은 화학공정으로 국산화가 가능하나, 우리나라는 우라늄 정광을 전량 해외에서 수입하고 있으며, 농축공정도 전량 해외에 의존하므로 해외에서 우라늄 정광을 국내에 수입하여 변환 후 농축을 위하여 해외에 다시 수송해야 하므로 경제성이 없다.

이산화우라늄 변환 공정

가압중수로 핵연료는 천연우라늄을 사용하므로 우라늄 정광을 성형가공시 소결체 원료인 이산화 우라늄으로 바로 변환한다.

U₃O₈에 질산을 넣어 용해하여 질화 우라늄 용액을 만든 후 용매 추출단계를 거쳐 침전을 시켜 UO₂분말을 만든다. 최종적으로 불순물을 제거하기 위하여 1차 생산된 이산화우라늄 분말은 여과, 열분해 환원 단계를 거쳐 순수한 이산화 우라늄 분말이 되며, 소결체를 만드는데 적합한 격자 크기의 분말을 만들기 위하여 채로 거르는 장치를 거친 후 잘 혼합하여 제품으로 출하한다.