파이로프로세스와 용융염 원자로는 사용후핵연료 재활용 기술 및 차세대 원자로로 주목받고 있으며, 이를 구현하기 위해서는 고온 용융염 매질에서 사용후핵연료와 핵분열 생성물의 구성 성분인 란타나이드와 악티나이드 원소의 화학적, 전기화학적 거동 이해가 꼭 필요합니다.

고온 용융염에서, 기존에 사용한 선형 전극은 절연체 선정의 어려움으로 인해 면적 제어와 구조적 한계가 있으며, 이로 인해 정밀한 측정에 어려움이 있었습니다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위해 고온 용융염용 2차원 평면형 전극을 사용하는 회전 디스크 전극(RDE) 시스템을 설계하고 제작 및 구축하여, 정밀하고 재현성 높은 데이터를 얻기 위한 환경을 마련하였습니다.

구축한 RDE 시스템을 시험하기 위해 고온 용융염 매질에 녹아 있는 사마리움(Sm) 3가 양이온의 전기화학적 특성을 측정하였습니다. Sm³⁺는 핵분열 생성물 중 다량 존재하는 란타나이드 원소로, 중성자 흡수제(neutron poison) 중 하나이기 때문에 중요한 원소로 여겨져 본 연구의 대상 원소로 선정하였습니다. 구축한 RDE 시스템을 고온 용융염 매질의 Sm³⁺ 이온에 적용하여 Sm³⁺의 전기화학적 거동과 다양한 전기화학적 변수를 측정하였습니다.

본 연구에서 제작한 RDE 시스템은 6.3 mm 지름의 텅스텐 봉을 작업전극으로 사용하였으며, 이 텅스텐 봉 끝 단면만을 고온 용융염에 닿게 한 후 살짝 들어 올려 메니스커스를 형성함으로써 전극면적을 끝 단면으로 한정할 수 있었습니다.

구축한 시스템을 이용하여 전극을 회전함으로써 고온 용융염 측정 시스템의 고질적인 문제인 대류 현상을 제거하고, 평면전극에 도달하는 금속이온의 농도를 임의로 조절함으로써 고온 용융염 매질에서의 금속이온의 전기화학적 거동을 조사할 수 있었습니다.

아래 그림은 고온 용융염에 RDE 전극을 담그고 전극 회전속도에 따른 전기화학 측정 전류를 보여주고 있습니다. -0.7 V 보다 음의 전위에서 회전속도가 증가함에 따라 Sm³⁺의 환원전류가 증가함을 보여주고 있으며, –1.0 V 이하에서는 각 회전속도에서 반응 전류가 한계 전류(limiting current)를 나타내고 있습니다. 이 한계전류를 회전속도의 제곱근으로 표현하면 그림 2b의 빨간원과 같이 선형적으로 나타납니다. 이를 Levich 그래프라 부르며, 이 선형관계를 이용하여 용질의 확산계수를 측정할 수 있었습니다.

또한, Levich 식에서 확산층의 두께를 구할 수 있으며, 이를 계산한 결과 6~14 μm로 측정되었으며, 이는 고온 용융염에서 전극 표면에 형성한 확산층 두께를 처음 측정하여 보고한 결과 값입니다.

그림 1. RDE 회전 속도에 따른 LSV 데이터와 Levich plot으로 계산한 확산 층 두께

높은 속도로 전극을 회전하면 전극 표면에 반응물을 충분히 공급함으로써 전기화학반응이 반응속도에 의존하는 환경을 만들 수 있습니다. 이 고회전 속도로 측정한 RDE 결과 값을 그림 3과 같이 과전위와 Log 전류로 표현하여 Tafel 그래프를 그릴 수 있었습니다. 이 Tafel 그래프를 그린 결과, 3가지 영역인 전자전이영역, Tafel 영역, 확산 영역으로 구분할 수 있었으며, 이 그래프를 이용하여 Sm 환원반응의 전자전이계수와 교환전류밀도 등을 구할 수 있었습니다.

그림 2. LSV 데이터를 기반으로 도출된 Tafel plot

본 연구에서는 고온 용융염 매질에서 측정 가능한 회전디스크 전극(RDE) 측정 시스템을 설계하고 구축하였습니다.

구축한 RDE 시스템을 시험하기 위하여 고온 용융염 매질에서 Sm³⁺ 이온의 환원반응 특성을 측정하였습니다. 그 결과 확산계수, 전자전이계수, 교환전류밀도 등의 전기화학 계수를 정밀하게 측정할 수 있었습니다.

향후 본 RDE 측정 시스템을 이용하여 다양한 핵분열 생성물 및 우라늄 이온의 고온 용융염 내 전기화학적 특성 측정에 활용할 예정이며, 이를 통해 파이로공정과 용융염 원자로 연구의 기초 자료를 생산할 것으로 기대합니다.