(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2017년08월07일
(11) 등록번호 10-1765984
(24) 등록일자 2017년08월01일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
C25C 3/34 (2006.01) C22B 60/02 (2006.01)
C25C 7/02 (2006.01) G21F 9/30 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2013-7016256
(22) 출원일자(국제) 2011년09월29일
심사청구일자 2016년08월12일
(85) 번역문제출일자 2013년06월21일
(65) 공개번호 10-2013-0143615
(43) 공개일자 2013년12월31일
(86) 국제출원번호 PCT/US2011/053877
(87) 국제공개번호 WO 2012/087400
국제공개일자 2012년06월28일
(30) 우선권주장
12/978,005 2010년12월23일 미국(US)
(56) 선행기술조사문헌
JP소화36013901 A
JP2002356792 A
JP2008531854 A
US05015342 A
(73) 특허권자
지이-히타치 뉴클리어 에너지 어메리카스 엘엘씨
미국 노쓰 캐롤라이나주 28401 윌밍턴 캐슬 헤인
로드 3901
(72) 발명자
윌릿 제임스 엘
미국 노쓰 캐롤라이나주 28402 윌밍턴 엠씨
에이11 피오 박스 780
반즈 로렐 에이
미국 노쓰 캐롤라이나주 28402 윌밍턴 엠씨
에이11 피오 박스 780
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
제일특허법인
전체 청구항 수 : 총 15 항 심사관 : 김대영
(54) 발명의 명칭 전기화학적 환원을 위한 모듈형 캐소드 조립체 및 그 사용 방법
(57) 요 약
모듈형 캐소드 조립체(300)는 전해 환원 시스템에 사용될 수 있고 바스켓(310)을 구비하며, 상기 바스켓을 통해
서 유체 전해질이 통과할 수 있고 바스켓 내의 환원될 재료와 전하를 교환할 수 있다. 바스켓은 재료에 대한 진
입을 제공하기 위해 상부 섹션(311)과 하부 섹션(312)으로 분할될 수 있다. 예시적 실시예의 캐소드 조립체는
(뒷면에 계속)
대 표 도 - 도3
등록특허 10-1765984
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환원 시스템 내의 임의의 위치에 모듈식으로 배치될 수 있게 하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 모듈형 캐소드
조립체는 바스켓 내에 캐소드 판(350)을 구비하며, 이 캐소드 판에는 고유하고 상반되는 전력이 공급될 수 있다.
예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체는 표준화된 전기 커넥터를 가질 수 있다. 모듈형 캐소드 조립체는 전해
환원 시스템의 상판에 의해 지지될 수 있다. 전해 산화물 환원 시스템은 모듈형 캐소드 및 애노드 조립체를 소
정 위치에 위치시키고, 바스켓 내에 재료를 배치하며, 모듈형 조립체를 대전시켜 금속 산화물을 환원시킴으로써
작동된다.
(72) 발명자
위드마이어 스탠리 지
미국 노쓰 캐롤라이나주 28402 윌밍턴 엠씨 에이11
피오 박스 780
윌리엄슨 마크 에이
미국 노쓰 캐롤라이나주 28402 윌밍턴 엠씨 에이11
피오 박스 780
등록특허 10-1765984
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명 세 서
청구범위
청구항 1
모듈형 캐소드 조립체(300)에 있어서,
유체 전해질이 바스켓을 통과할 수 있게 하는 투과성 표면(330)을 갖고 도전성인 바스켓(310); 및
상기 바스켓 내로 연장되고 상기 바스켓으로부터 전기적으로 절연되며 도전성인 캐소드 판(350)을 포함하고,
상기 바스켓(310)은 상측 부분(311)과 하측 부분(312)을 포함하고, 상기 상측 부분과 상기 하측 부분은 전기적
으로 연결되며 상기 바스켓에 적어도 하나의 갭을 형성하고, 상기 갭을 통해서 재료가 상기 바스켓 내에 배치될
수 있는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 2
삭제
청구항 3
제 1 항에 있어서,
상기 바스켓(310)은 평면 형상을 가지며,
상기 하측 부분(312)은 하측 부분(312)의 최대 영역을 갖는 적어도 두 개의 측부에 상기 투과성 표면(330)을 포
함하는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 4
제 1 항에 있어서,
상기 하측 부분(312)은 복수의 섹션으로 분할되며, 각각의 섹션은 고체 재료를 보유하고 이들 섹션 사이에서의
고체 재료의 이동을 방지하도록 구성되는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 5
제 1 항에 있어서,
상기 캐소드 판(350)은 상기 바스켓(310)의 전체 길이와 상기 바스켓의 전체 폭을 연장하는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 6
제 1 항에 있어서,
상기 바스켓(310)에 연결되고 상기 캐소드 판(350)을 지지하는 조립체 지지체(340)를 추가로 포함하는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 7
제 6 항에 있어서,
상기 조립체 지지체(340)로부터 연장되고, 상기 캐소드 판(350)에 전력을 제공하도록 구성되며, 상기 조립체 지
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지체로부터 절연되는 적어도 하나의 판 전기 커넥터(385a); 및
상기 조립체 지지체(340)로부터 연장되고, 상기 조립체 지지체를 통해서 상기 바스켓에 전력을 제공하도록 구성
된 적어도 하나의 바스켓 전기 커넥터(385b)를 추가로 포함하는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 8
제 7 항에 있어서,
상기 바스켓 전기 커넥터(385b)와 상기 판 전기 커넥터(385a)는 동일한 칼날 형상을 가지며 일렬로 배열되는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 9
제 6 항에 있어서,
상기 조립체 지지체(340)는 상기 조립체를 프레임 내에 지지하기 위한 길이를 갖고,
상기 바스켓(310)은 상기 모듈형 캐소드 조립체를 통해서 균일한 환원 전위를 제공하도록 상기 조립체 지지체의
중심부에 정렬되는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 10
제 1 항에 있어서,
상기 캐소드 판(350)은 스테인레스 스틸, 텅스텐, 탄탈 및 몰리브덴의 그룹에서 선택되는 재료로 제조되는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 11
제 1 항에 있어서,
상기 캐소드 판(350)의 일면에 적어도 하나의 절연 밴드(355)를 추가로 포함하며, 상기 절연 밴드는 상기 캐소
드 판과 상기 바스켓 사이에 착좌하기 위한 두께 및 길이를 갖는
모듈형 캐소드 조립체.
청구항 12
전해 산화물 환원 시스템(1000)에 있어서,
전해질을 수용하는 전해질 용기;
상기 전해질 용기 위에 지지되고 전해질 내로 연장되는 적어도 하나의 모듈형 애노드 조립체(1200); 및
상기 전해질 용기 위에 지지되고 전해질 내로 연장되는 적어도 하나의 모듈형 캐소드 조립체(1300, 300)를 포함
하며,
상기 모듈형 캐소드 조립체는 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 것인
전해 산화물 환원 시스템.
청구항 13
전해 산화물 환원 시스템을 작동하는 방법에 있어서,
상기 환원 시스템 내에 적어도 하나의 모듈형 캐소드 조립체(1300, 300)를 배치하는 단계로서, 상기 모듈형 캐
소드 조립체는,
유체 전해질이 바스켓을 통과할 수 있게 하는 투과성 표면(330)을 갖고 도전성인 바스켓(310), 및
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상기 바스켓 내로 연장되고 상기 바스켓으로부터 전기적으로 절연되며 도전성인 캐소드 판(350)을 포함
하는, 적어도 하나의 모듈형 캐소드 조립체 배치 단계;
상기 캐소드 판과 접촉하도록 상기 바스켓 내에 금속 산화물을 배치하는 단계; 및
상기 캐소드 판과의 전기 접촉을 통해서 상기 금속 산화물을 환원시키도록 상기 모듈형 캐소드 조립체에 전력을
인가하는 단계를 포함하는
전해 산화물 환원 시스템 작동 방법.
청구항 14
제 13 항에 있어서,
상기 모듈형 캐소드 조립체(1300, 300)에 전력을 인가하는 단계는 캐소드 판(350)과 애노드 조립체(1200) 사이
에 제 1 전력을 인가하고 캐소드 판과 바스켓 사이에 제 2 전력을 인가하는 단계를 포함하는
전해 산화물 환원 시스템 작동 방법.
청구항 15
제 14 항에 있어서,
상기 제 1 전력과 상기 제 2 전력은 동일한 극성을 갖는
전해 산화물 환원 시스템 작동 방법.
청구항 16
제 14 항에 있어서,
상기 제 1 전력과 상기 제 2 전력은 4 배수만큼 상이한
전해 산화물 환원 시스템 작동 방법.
청구항 17
삭제
청구항 18
삭제
청구항 19
삭제
청구항 20
삭제
발명의 설명
기 술 분 야
(정부 지원)[0001]
본 발명은 미국 에너지부에 의해 수여된 계약 번호 DE-AC02-06CH11357 하의 정부 지원에 의해 이루어졌다. 정[0002]
부는 본 발명에 있어서 특정한 권한을 갖는다.
본 발명은 전기화학적 환원을 위한 모듈형 캐소드 조립체 및 그 사용 방법에 관한 것이다.[0003]
배 경 기 술
금속 산화물을 그 대응 금속(비산화) 상태로 환원시키기 위해 단일 단계 및 다단계의 전기화학적 프로세스가 사[0004]
등록특허 10-1765984
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용될 수 있다. 이러한 프로세스는 종래에, 불순한 원료로부터 고순도 금속, 금속들을 회수하거나 및/또는 그
금속 산화물 광석으로부터 금속을 추출하기 위해 사용되었다.
발명의 내용
해결하려는 과제
다단계 프로세스는 종래에, 금속 또는 광석을 전해질 내에서 용해시키고 이후 전기 분해 또는 선택적 전계확산[0005]
처리하여 비산화 금속을 회수한다. 예를 들어, 소모된 핵산화물 연료로부터 우라늄을 추출할 때는, 용융 LiCl
에 용해되어 있는 Li와 같은 환원제를 사용하여 우라늄 산화물의 화학적 환원이 650℃에서 수행되어 우라늄과
Li20가 생성된다. 용액은 이후 전해채취(electrowinning)를 겪게 되며, 여기에서는 용융 LiCl 중의 용해된
Li2O가 전기분해식으로 분해되어 Li를 재생시킨다. 우라늄 금속은 상용 원자로 내의 핵연료와 같은 추후 사용을
위해 준비된다.
단일-단계 프로세스는 일반적으로, 금속 산화물을 이 금속 산화물과 친화적이도록 선택되는 용융 전해질 내에[0006]
캐소드(cathode) 및 애노드(anode)와 함께 침지시킨다. 캐소드는 금속 산화물과 전기적으로 접촉하며, 애노드
와 캐소드를(또한 금속 산화물을 캐소드를 거쳐서) 대전시킴으로써, 금속 산화물은 용융 전해질을 통한 이온 교
환과 전해 변환을 통해서 환원된다.
단일-단계 프로세스는 일반적으로, 다단계 프로세스에 비해서, 용융 염 및 금속의 취급과 이동 시에 보다 적은[0007]
수의 부품 및/또는 단계를 사용하고, 부유성(free-floating) 또는 과잉 환원성 금속의 양을 제한하며, 프로세스
제어가 개선되고, 다양한 출발 상태에서의 각종 금속 산화물/보다 고순도의 결과물을 갖는 혼합물과
친화적이다.
과제의 해결 수단
예시적 실시예는 전해 환원 시스템에 사용될 수 있는 모듈형 캐소드 조립체를 구비한다. 예시적 실시예의 캐소[0008]
드 조립체는 유체 전해질이 출입할 수 있는 바스켓을 구비하고, 상기 바스켓은 도전성이며, 바스켓에 전자를 전
달하거나 바스켓으로부터 전해질을 이동시킬 수 있다. 바스켓은, 바스켓에 전력을 제공하기 위해 바스켓 전기
커넥터를 갖는 조립체 지지체로부터 전해질 내로 하향 연장된다. 바스켓은 환원될 재료가 하부 섹션에 삽입될
수 있는 공간을 제공하고 바스켓 위로의 전해질 또는 다른 재료 또는 열 이동을 방지하기 위해 상부 섹션과 하
부 섹션으로 분할될 수 있다. 환원을 위한 전해질 표면적을 최대화하고 환원 시스템 내의 다양한 위치에서의
조립체의 용이한 모듈식 배치를 가능하게 하는 장방형 형상을 갖는 예시적 실시예의 캐소드 조립체가 개시되어
있다. 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체는 또한, 바스켓의 중간 아래에서 연장되는 캐소드 판을
구비한다. 캐소드 판은 바스켓으로부터 전기적으로 절연되지만, 또한 도전성이며, 바스켓 내의 환원될 재료에
일차 또는 환원 전류를 제공한다. 바스켓 상측 부분을 캐소드 판과 정렬하여 밀봉시키기 위해 캐소드 판의 길
이를 따라서 열적 및 전기적 절연 밴드 또는 패드도 배치될 수 있다. 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체는
하나 이상의 표준화된 전기 커넥터를 가질 수 있으며 이를 통해서 바스켓과 판에 고유 전력이 제공될 수 있다.
예를 들어, 전기 커넥터는 모듈형 캐소드 조립체를 대응 형상을 갖는 전기 접점의 여러 위치에서 전기적으로 및
기계적으로 연결할 수 있는 동일한 칼날 형상을 가질 수 있다.
예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체는, 그 다양한 소정 위치에 상기 조립체가 배치될 수 있는 전해 산화물[0009]
환원 시스템에 사용될 수 있다. 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체는 전해질 용기 내로의 개구 위의 상판
에 의해 지지될 수 있다. 전해 산화물 환원 시스템은, 시스템 내의 여러 군데의 소정 위치에서 바스켓과 캐소
드 판 양자에 전력을 제공할 수 있는 일련의 표준화된 전기 접점을 제공할 수 있다. 예시적 방법은 모듈형 캐
소드 및 애노드 조립체를 소정 위치에 위치시키고, 환원될 재료를 바스켓에 배치하고, 상기 모듈형 캐소드 및
애노드 조립체를 전기 커넥터를 통해서 대전시켜 금속 산화물을 환원시키고 산소 가스를 자유롭게 함으로써 전
해 산화물 환원 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 전해질은 예시적 방법에서 애노드, 바스켓, 및 바스켓
내에서 환원될 재료가 전해질 내로 연장되도록 유동화될 수 있다. 또한, 환원 속도, 재료 체적, 오프-가스 속
도, 산화 또는 환원 전위 등과 같은 소정의 작동 특성을 달성하기 위해 고유한 레벨 및 극성의 전력이 모듈형
캐소드 조립체 바스켓 및 캐소드 판과 모듈형 애노드 조립체의 각각에 공급될 수 있다.
도면의 간단한 설명
등록특허 10-1765984
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도 1은 예시적 실시예의 전해 산화물 환원 시스템의 도시도이다.[0010]
도 2는 대체 구조를 갖는 도 1의 예시적 실시예의 전해 산화물 환원 시스템의 다른 도시도이다.
도 3은 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체의 도시도이다.
도 4는 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체에 사용될 수 있는 캐소드 판의 도시도이다.
도 5는 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체에 사용될 수 있는 예시적 전기 커넥터 구조의 도시도이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하, 예시적 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명할 것이다. 그러나, 본 명세서에 개시되는 특정한 구[0011]
조적 및 기능적 세부사항은 단지 예시적 실시예를 설명할 목적으로 제시되는 것이다. 예시적 실시예는 여러가
지 대체 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 개시되는 예시적 실시예로만 한정되는 것으로 간주되지 않아
야 한다.
본 명세서에서는 다양한 요소를 기술하기 위해 제 1, 제 2 등의 용어가 사용될 수 있지만, 이들 요소는 이들 용[0012]
어에 의해 제한되지 않아야 함을 알 것이다. 이들 용어는 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용될 뿐
이다. 예를 들어, 예시적 실시예의 교시 내용으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 제 1 요소가 제 2 요소로 명
명될 수 있으며 마찬가지로 제 2 요소가 제 1 요소로 명명될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 용어 "및/또는"은
관련 열거된 항목들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다.
하나의 요소가 다른 요소에 "연결", "결합", "교합", "부착" 또는 "고정"되는 것으로 언급될 때, 이는 다른 요[0013]
소에 직접 연결 또는 결합될 수 있거나 그 사이에 중개 요소가 존재할 수도 있음을 알 것이다. 대조적으로, 하
나의 요소가 다른 요소에 "직접 연결"되거나 "직접 결합"되는 것으로 언급될 때는, 중개 요소가 전혀 존재하지
않는다. 요소들 사이의 관계를 설명하기 위해 사용되는 다른 단어도 마찬가지로 해석되어야 한다(예를 들면,
"사이" 대(versus) "바로 그 사이에", "인접하는" 대 "바로 인접하는", 등).
본 명세서에 사용되는 단수 형태의 관사 및 정관사는 달리 명시되지 않는 한 복수 형태도 포함하도록 의도된다.[0014]
또한, 본 명세서에 사용되는 용어 "포함한다", "포함하는", "구비한다" 및/또는 "구비하는"은 언급되는 특징부,
정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 부품의 존재를 특정하지만 하나 이상의 다른 특징부, 정수, 단계, 작동, 요소,
부품 및/또는 그 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않음을 알 것이다.
일부 대체 실시예에서는 언급된 기능/작용이 도면에 도시되거나 명세서에 기술된 순서를 벗어나서 이루어질 수[0015]
있다는 것도 알아야 한다. 예를 들어, 연속적으로 도시되는 두 개의 도면 또는 단계가 실제로는 나란히 동시에
실행될 수도 있거나, 때로는 관련 기능/작용에 따라서 역순으로 또는 반복적으로 실행될 수도 있다.
본 발명의 발명자들은 기존의 단일-단계 전해 환원 프로세스에서의 문제점을 알아냈으며, 즉 기존의 프로세스는[0016]
적어도 부분적으로 제한된 정전 캐소드 크기 및 구조로 인해 다량의 환원된 금속 생성물을 상업적 규모로 또는
유연한 규모로 발생시킬 수 없다는 문제점을 알아냈다. 단일 단계 전해 환원 프로세스는 또한, 부분 규칙성 및
교체성과 같은 구성에 있어서, 및 전력 레벨, 작동 온도, 작업 전해질 등과 같은 작동 파라미터에 있어서 융통
성이 부족할 수 있다. 후술하는 예시적 시스템 및 방법은 이들 문제점과, 이하에서 논의되거나 논의되지 않는
다른 문제점들을 고유하게 해결한다.
예시적 실시예의 전해 산화물 환원 시스템[0017]
도 1은 예시적 실시예의 전해 산화물 환원 시스템(EORS: electrolytic oxide reduction system)(1000)의 도시[0018]
도이다. 예시적 실시예의 EORS(1000)의 양태가 후술되고 관련 예시적 실시예 부품과 함께 사용될 수 있지만,
EORS(1000)는 추가로 하기 동시-계속 출원들에 기재되어 있다.
출원번호 출원일 Attorney Docket No.[0019]
12/977791 12/23/2010 24AR246135 (8564-000224)[0020]
12/977839 12/23/2010 24AR246136 (8564-000225)[0021]
12/977916 12/23/2010 24AR246138 (8564-000226)[0022]
12/978027 12/23/2010 24AR246140 (8564-000228)[0023]
등록특허 10-1765984
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상기 동시-계속 출원들의 개시 내용은 그 전체가 본 명세서에 원용된다.[0024]
도 1에 도시하듯이, 예시적 실시예의 EORS(1000)는 유연한 규모 또는 상업적 규모에 기초하여 여러가지 상이한[0025]
형태의 금속-산화물의 전해 환원을 가능하게 하는 여러 개의 모듈형 부품을 구비한다. 예시적 실시예의
EORS(1000)는 전해질 용기(1050)를 구비하며, 이는 용기(1050) 내의 전해질을 용융 및/또는 용해시키기 위해 히
터(1051)와 접촉하거나 필요할 경우 히터(1051)에 의해 가열된다. 전해질 용기(1050)는, 환원될 재료의 형태에
기초하여 선택되는, 이동 가능한 산화물 이온을 제공하는 용해성 산화물을 함유하는 염 또는 할로겐화물 염과
같은 적절한 전해질로 충전된다. 예를 들어, CaCl2와 CaO, 또는 CaF2와 CaO, 또는 일부 다른 Ca계 전해질, 또
는 LiCl 및 Li2O와 같은 리튬계 전해질 혼합물이 희토류 산화물, 또는 우라늄 또는 백금 산화물과 같은 악티나
이드 산화물, 또는 소모된 핵연료와 같은 복합 산화물을 환원시키는데 사용될 수 있다. 전해질은 또한 그 융점
에 기초하여 선택될 수 있다. 예를 들어, LiCl 및 Li2O의 전해질 염 혼합물이 표준 압력에서 610℃에서 용융될
수 있는 반면에, CaCl2와 CaO 혼합물은 대략 850℃의 작동 온도를 요구할 수 있다. 용해된 산화물 종의 농도는
전기화학적 수단 또는 기타 수단에 의한 용해성 산화물 또는 염화물의 첨가에 의해 환원 중에 제어될 수 있다.
EORS(1000)는 다른 부품을 수용, 프레임형성하거나, 지지 및 구성하기 위한 여러 개의 지지 및 구성 부재를 구[0026]
비할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 측방 지지체(1104)는 상판(1108)까지 연장되어 상판을 지지할 수 있으
며, 상판은 접근이 가능하도록 전해질 용기(1050) 위에 개구(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 상판(1108)은
또한, 상판(1108) 주위에 연결되는 글러브박스(도시되지 않음)에 의해 지지 및/또는 격리될 수 있다. 애노드
및 캐소드 부품이 복수의 모듈 위치에서 EORS(1000)에 의해 지지되고 이를 통해서 작동될 수 있게 하기 위해 상
판(1108) 상에 또는 상판 근처에는 여러 개의 표준화된 전기 접점(1480)(도 2) 및 냉각 소스/가스 배출구가 제
공될 수 있다. 리프트 바(1105) 및/또는 가이드 봉(1106)을 구비하는 리프트 바스켓 시스템이, 전해질 용기
(1050) 내의 용융 전해질 속으로 하향 연장되는 캐소드 조립체(1300)에 연결되거나 및/또는 현수될 수 있다.
이러한 리프트 바스켓 시스템은 EORS(1000)의 잔여부 및 관련 부품의 이동 없이 캐소드 조립체(1300)의 선택적
리프팅 또는 다른 조작을 가능하게 할 수 있다.
도 1에는, 다양한 지지 요소에 의해 지지되고 전해질 용기(1050) 내로 연장되는 여러 개의 애노드 조립체(120[0027]
0)와 교호적인 여러 개의 캐소드 조립체(1300)를 갖는 EORS(1000)가 도시되어 있다. 이들 조립체는 추가로,
EORS(1000) 내의 대응 소스에 대한 표준 연결을 통해서 급전 또는 냉각될 수 있다. 도 1에는 10개의 캐소드 조
립체(1300)와 11개의 애노드 조립체(1200)가 도시되어 있지만, 에너지 리소스, 환원될 재료의 양, 생산될 금속
의 소정 양 등에 따라서, 임의의 개수의 애노드 조립체(1200) 및 캐소드 조립체(1300)가 EORS(1000)에 사용될
수 있다. 즉, 유연하고 잠재적으로 크며 상업적 규모인 전해 환원 시스템을 제공하기 위해 개별 캐소드 조립체
(1300) 및/또는 애노드 조립체(1200)가 추가 또는 제거될 수 있다. 이런 식으로, 예시적 실시예의 EORS(1000),
애노드 조립체(1200) 및 캐소드 조립체(1300)의 모듈 설계를 통해서, 예시적 실시예는 신속하고 간단한 단일-단
계 환원 작업으로 물질 생산 요건 및 에너지 소비 한도를 보다 양호하게 충족할 수 있다. 모듈 설계는 또한,
예시적 실시예의 신속한 수리와 표준 제작, 보다 낮은 제조 및 개장 비용과 시간 소비를 가능하게 할 수 있다.
도 2는 캐소드 조립체(1300)로부터 반응성 금속 산화물 또는 생산된 환원 금속의 로딩 또는 언로딩을 허용하는[0028]
액세스를 위해 모듈형 캐소드 조립체(1300)만 전해질 용기(1050)로부터 선택적으로 들어올리기 위해 상승되는
리프트 바(1105) 및 가이드 봉(1106)을 구비하는 바스켓 리프팅 시스템을 갖는, 대체 구조의 EORS(1000)의 도시
도이다. 도 2의 구조에서는, 여러 개의 모듈형 전기 접점(1480)이 상판(1108)내 개구 주위의 모듈 위치에 정렬
되어 있는 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 전기 접점(1480)은 EORS(1000) 내에서 모듈형 캐소드 조립체
(1300) 및/또는 애노드 조립체(1200)의 여러가지 상이한 정렬 및 위치를 가능하게 하는 칼날 접점일 수 있다.
도 1에 도시하듯이, 버스 바(1400), 애노드 전력 케이블(1410) 및/또는 캐소드 전력 케이블(1420)을 구비하는[0029]
급전 시스템은 전기 접점(도시되지 않음)을 통해서 애노드 조립체(1200) 및/또는 캐소드 조립체(1300)에 독립적
인 전하를 제공할 수 있다. 작동 중에, 전해질 용기(1050) 내의 전해질은 가열 및/또는 용해에 의해서 또는 환
원될 산화물과 친화적인 액체 전해질 재료를 제공함으로써 액화될 수 있다. 액화된 전해질 재료의 작동 온도는
사용되는 재료에 기초하여 대략 400 내지 1200℃일 수 있다. 예를 들어 Nd2O3, PuO2, UO2, 소모된 산화물 핵연
료 또는 희토류 광물 등과 같은 복합 산화물을 포함하는 산화물 재료가, 전해질 및 캐소드 조립체(1300)와 접촉
하도록, 액체 전해질 내로 연장되는 캐소드 조립체(1300) 내에 로딩된다.
캐소드 조립체(1300) 및 애노드 조립체(1200)는 상반되는 전하 또는 극성을 제공하기 위해 전원에 연결되며, 캐[0030]
소드에서 금속 산화물에 유입되는 환원성 전자에 의해 캐소드에서 소정의 전기화학적으로 발생되는 환원 전위가
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확립되도록 전류-제어식 전기화학 프로세스가 발생한다. 발생되는 환원 전위로 인해, 캐소드 조립체(1300) 내
의 산화물 재료 중의 산소가 방출되고 액체 전해질 내에 산화물 이온으로서 용해된다. 산화물 재료 중의 환원
된 금속은 캐소드 조립체(1300)에 잔류한다. 캐소드 조립체에서의 전해 반응은 하기 식(1)로 표시될 수 있다.
(금속 산화물) 2e
-
→ (환원된 금속) O
2-
(1)[0031]
여기에서 2e
-
는 캐소드 조립체(1300)에 의해 공급되는 전류이다.[0032]
애노드 조립체(1200)에서, 전해질 내에 용해되어 있는 산소 음이온은 그 음전하를 애노드 조립체(1200)에 전달[0033]
하고 산소 가스로 변환시킬 수 있다. 애노드 조립체에서의 전기분해 반응은 하기 식(2)로 표시될 수 있다.
2O
2-
→ O2 4e
-
(2)[0034]
여기에서 4e
-
는 애노드 조립체(1200) 내로 통과하는 전류이다.[0035]
예를 들어, 용융 Li계 염이 전해질로 사용되는 경우, 상기 캐소드 반응은 하기 식(3)으로 다시 표시될 수 있다.[0036]
(금속 산화물) 2e
-
2Li
→ (금속 산화물) 2Li→ (환원된 금속) 2Li 0
2-
(3)[0037]
그러나, 예를 들어 캐소드 조립체(1300)가 리튬 석출이 발생될 전위보다 낮은 음전위로 유지되는 경우에는 이[0038]
특정 반응 시퀀스가 발생하지 않을 수도 있으며 중간 전극 반응이 일어날 수 있다. 잠재적 중간 전극 반응은
하기 식(4), (5)로 표시되는 반응을 포함한다.
(금속 산화물) xe
-
2Li
→ LiX(금속 산화물) (4)[0039]
LiX(금속 산화물) (2-x)e
-
(2-x)Li
→ (환원된 금속) 2Li
0
2-
(5)[0040]
식(4) 및 (5)에 도시된 중간 반응에서 금속 산화물 결정 구조에 리튬이 통합되면 금속 산화물의 도전성이 향상[0041]
될 수 있으며, 이는 환원에 바람직하다.
전극 전위와 환원 속도를 제어하여 애노드 또는 캐소드 손상/부식/과열/등의 위험을 제어하기 위해 기준 전극과[0042]
기타 화학적 및 전기적 모니터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 전극 전위를 모니터링하고 애노드 조립체(1200)
및 캐소드 조립체(1300)로의 전압을 조절하기 위해 기준 전극이 캐소드 표면 근처에 배치될 수 있다. 환원을
위해서만 충분한 정상(steady) 전위를 제공함으로써 염소 발생과 같은 애노드 반응 및 리튬이나 칼슘과 같은 전
해질 금속의 부유성 액적과 같은 캐소드 반응을 방지할 수 있다.
예를 들어 전해질로 사용되는 용융 LiCl 중의 Li2O와 같은, 액체 전해질 내의 용해된 산화물-이온 종의 효과적[0043]
인 수송은 예시적 실시예의 EORS(1000)에서 환원 속도 및 비산화 금속 생산을 향상시킬 수 있다. 교호적인 애
노드 조립체(1200) 및 캐소드 조립체(1300)는 전해질 전체에 걸쳐서 용해된 산화물-이온 포화도 및 균일성을 향
상시킬 수 있으며, 대규모 생산을 위한 애노드 및 캐소드 표면적을 증가시킬 수 있다. 예시적 실시예의
EORS(1000)는 용해된 산화물-이온 종의 확산 수송을 향상시키기 위해 교반기, 혼합기, 진동기 등을 추가로 구비
할 수 있다.
화학적 및/또는 전기적 모니터링은, 예를 들어 애노드 조립체(1200)와 캐소드 조립체(1300) 사이의 전위가 증가[0044]
하거나 용해된 산화물 이온의 양이 감소할 때 상기 환원 공정이 완료되었음을 나타낼 수 있다. 소정의 정도로
완료되면, 상기 환원 공정에서 발생된 환원 금속은, 보유된 환원 금속을 함유하는 캐소드 조립체(1300)를 용기
(1050) 내의 전해질로부터 들어올림으로써 캐소드 조립체(1300)로부터 수확될 수 있다. 공정 중에 애노드 조립
체(1200)에서 수집되는 산소 가스는 조립체들에 의해 주기적으로 또는 지속적으로 소제되어 배출되거나 차후 사
용을 위해 수집될 수 있다.
이상 예시적 실시예의 EORS(1000)의 구조 및 작동에 대해 설명했지만, 원용된 문헌 및 그 밖의 다른 문헌에 기[0045]
재되어 있는 여러 개의 상이한 구성요소가 예시적 실시예와 함께 사용될 수 있으며 이것이 EORS(1000)의 특정
작동 및 특징을 더 자세히 설명할 수도 있음을 알 것이다. 마찬가지로, 예시적 실시예의 EORS(1000)의 구성요
소 및 기능은 앞서 설명되거나 원용된 문헌에 제시된 특정 상세에 한정되지 않으며, 당업자의 필요와 제한에 따
라 변경될 수 있다.
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예시적 실시예의 캐소드 조립체[0046]
도 3은 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체의 도시도이다. 모듈형 캐소드 조립체(300)는 도 1과 관련하여[0047]
전술한 캐소드 조립체(1300)로서 사용될 수 있다. 예시적 실시예의 조립체(300)는 EORS(1000)(도 1 및 도 2)에
사용될 수 있는 그 부품으로서 도시되어 있지만, 예시적 실시예는 다른 전해 환원 시스템에 사용될 수 있음을
알아야 한다. 마찬가지로, 도 3 및 도 4에는 하나의 예시적 조립체(300)가 도시되어 있지만, 복수의 예시적 조
립체(300)가 전해 환원 장치에 사용될 수 있음을 알아야 한다. EORS(1000)(도 1 및 도 2)에서는, 균형잡힌 모
듈형 애노드 및/또는 캐소드 조립체를 제공하기 위해 예를 들어 복수의 캐소드 조립체가 단일의 EORS(1000)에
사용될 수 있다.
도 3에 도시하듯이, 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체(300)는 환원을 위한 산화물 또는 기타 재료가 배치[0048]
될 수 있는 바스켓(310)을 구비한다. 바스켓(310)은 상측 부분(311) 및 하측 부분(312)을 구비할 수 있으며,
이들 부분은 환원 시스템에서의 사용을 수용하기 위해 상이한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 하측 부분
(312)은 상기 용융 염 전해질과 같은 액체 전해질과 상호작용하거나/그 안에 진입하도록 구성될 수 있다. 하측
부분(312)은 임의의 전해질 중에의 침지/전해질 내로의 연장을 보장하기 위해 상측 부분(311)으로부터 수직으로
변위될 수 있는 반면에, 상측 부분(311)은 전해질 레벨 위에 머무를 수 있다.
하측 부분(312)은 환원될 재료를 보유하거나 유지하는 바스켓 또는 기타 인클로저를 형성할 수 있다. 도 3에[0049]
도시하듯이, 하측 부분(312)은, 환원될 재료를 하측 부분(312)에서 분리하거나 및/또는 균등하게 분배하기 위해
셋 이상의 섹션으로 분할될 수 있다. 하측 부분(312)에서의 분리는 또한, 환원 작업 중에 타겟 재료와 바스켓
(310) 사이의 직접 접촉 및 전기 유동을 위한 추가 표면적을 제공할 수 있다. 하측 부분(312)과 상측 부분
(311)은 재료가 이를 통해서 하측 부분(312)에 배치될 수 있는 갭 또는 다른 개구를 형성하기 위해 충분히 분할
될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시하듯이, 상측 부분(311)과 하측 부분(312)은, 예시적 실시예의 모듈형 캐
소드 조립체(300)의 평면을 따라서 산화물 진입을 위한 갭을 형성하기 위해 공유 판금 측면(315)을 따라서 리벳
포인트(316)에서 결합될 수 있다. 상측 부분(311)과 하측 부분(312)은 일부 불연속성을 가질 수 있지만, 전류
가 두 부분을 따라서 여전히 흐를 수 있으며 두 부분은 리벳 포인트(316) 또는 임의의 다른 적합한 전기기계적
연결을 통해서 유연하게 기계적으로 연결되는 것을 알아야 한다.
도 3의 예시적 실시예에서는 하측 부분(312)의 평면을 따라서 투과성 재료(330)가 배치된다. 투과성 재료(33[0050]
0)는 액체 전해질이 하측 부분(312)을 통과하게 할 수 있지만 우라늄 산화물과 같은 환원될 재료는 보유하며,
따라서 투과성 재료는 전해질 또는 외부 바스켓(310) 내로 물리적으로 분산되지 않는다. 투과성 재료(330)는
예를 들어 비활성 멤브레인 및 미세 다공성 금속판을 포함하는, 이온화된 전해질에 대해 탄력적이고 이온화된
전해질의 통과를 허용하는 임의의 개수의 재료를 포함할 수 있다. 투과성 재료(330)는 하측 부분(312)으로부터
의 산화물 또는 환원 금속 이탈을 허용하지 않는 인클로저를 형성하기 위해 판금 에지(315) 및 바닥에 접합될
수 있다. 이런 식으로, 하측 부분(312)은 환원용 재료를 수 킬로그램 보유하기 위한 공간을 제공할 수 있으며,
유연한 상업적 규모의 환원을 허용하는 한편, 용융 전해질이 고화 또는 응고될 수 있는 영역을 감소시킬 수 있
다.
상측 부분(311)은 중공일 수 있고, 포위된 형상 또는 임의의 다른 소정 형상일 수 있으며, 환원 시스템에서의[0051]
사용이 가능한 길이일 수 있다. 상측 부분(311)은 조립체 지지체(340)에 결합되며, 따라서 바스켓(310)의 상측
부분(311)과 하측 부분(312)은 조립체 지지체(340)로부터 연장되고 조립체 지지체에 의해 지지된다. 조립체 지
지체(340)는 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체(300)를 전해질 위에 지지할 수 있다. 예를 들어, 조립체
지지체(340)는 위로부터 전해질 용기(1050) 내로 연장되는 모듈형 캐소드 조립체를 지지하기 위해 EORS(1000)의
상판(1108)과 중첩되도록 연장될 수 있다. 하측 부분(312)은 이온화된 고온 전해질 내로 연장될 수 있지만, 상
측 부분(311)으로부터의 분리는 모듈형 캐소드 조립체(300)의 상측 부분(311) 및 잔여부로의 열전달 및/또는 부
식성 물질 이동을 감소시킬 수 있고, 손상 및 마모를 감소시킬 수 있다. 바스켓(310)은 투과성 재료(330)를 위
한 큰 표면적 및 이를 통한 전해질 상호작용을 제공하기 위해 조립체 지지체(340)를 따라서 연장되는 평면 형상
으로 도시되어 있지만, 바스켓(310)은 소정의 기능과 내용물에 기초하여 임의의 방식으로 형상화, 배치, 및 크
기산정될 수도 있다. 일 실시예에서, 조립체 지지체(340)는 조립체를 프레임 내에 지지하기 위한 길이를 갖고,
바스켓(310)은 모듈형 캐소드 조립체를 통해서 실질적으로 균일한 환원 전위를 제공하도록 조립체 지지체의 중
심부에 정렬된다.
도 3 및 도 4에 도시하듯이, 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체(300)는 캐소드 판(350)을 추가로 구비한다.[0052]
캐소드 판(350)은 조립체 지지체(340)를 통해서 연장되거나 및/또는 조립체 지지체에 의해 지지될 수 있으며 바
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스켓(310) 내로 연장될 수 있다. 캐소드 판(350)은 하부 섹션(312)과 함께 전해질 내에 침지되도록 바스켓
(310) 내로, 하부 섹션(312)으로 상당한 거리를 연장될 수 있으며, 하부 섹션(312)에 보유되는 환원될 산화물
재료와 직접 접촉할 수 있다. 도 4에 도시하듯이, 캐소드 판은 바스켓(310)과 적합하게 맞춤 또는 매치되기 위
한 형상 또는 구조를 가질 수 있으며, 일 예로서, 하부 섹션(312)의 세 개의 개별 하부 바스켓과 매치되도록 하
측 부분에서 세 개의 섹션으로 분할될 수 있다.
캐소드 판(350)으로부터 판(350)이 접촉할 수 있는 바스켓(310) 내의 전해질 또는 산화물 재료로/상기 전해질[0053]
또는 산화물 재료로부터 캐소드 판(350)으로의 간접적인 전류 흐름을 제외하고 캐소드 판(350)은 바스켓(310)으
로부터 전기적으로 절연된다. 이러한 절연은 캐소드 판(350)을 바스켓(310)으로부터 물리적으로 분리시키는 것
을 포함하는 여러가지 방식으로 이루어질 수 있다. 도 3에 도시하듯이, 캐소드 판(350)은 바스켓(310)을 직접
터치하지 않고서 바스켓(310)의 중심부로 연장될 수 있다. 도 4에 도시하듯이, 하나 이상의 절연 패드 또는 밴
드(355)는 바스켓(310) 내에 적절하게 정렬되도록 캐소드 판(350) 상에 배치될 수 있지만, 캐소드 판(350) 및
바스켓(310)을 여전히 전기적으로 절연시킬 수 있다. 절연 밴드(355)가 상측 부분(311)의 내표면에 대해 착좌
되거나 및/또는 세라믹 재료와 같은 단열재이기도 한 재료로 제조되면, 밴드(355)는 추가로 캐소드 판(350) 위
로 또는 바스켓(310)의 상측 부분(311)으로의 열전달을 방해할 수도 있다. 또한, 캐소드 판(350)의 지지체
(380)가 조립체 지지체(340) 상에 놓이는 경우, 캐소드 판(350)의 지지체(380)와 조립체 지지체(340) 사이에 절
연 패드 또는 버퍼(370)가 개재되어 이들 두 구조물을 전기적으로 상호 절연시킬 수 있다.
상측 부분(311), 판금 에지(315), 및 하측 부분(312)을 구비하는 바스켓(310), 디바이더와 저부, 및 캐소드 판[0054]
(350)은, 작동 전해질에 의해 초래될 수도 있는 부식 손상 또는 열 손상에 대해 탄력적이며 환원될 재료와 거의
반응하지 않을 도전성 재료로 제조된다. 예를 들어, 스테인레스 스틸 또는 다른 비반응성 금속 합금 또는 텅스
텐, 몰리브덴, 탄탈 등을 포함하는 재료가 바스켓(310)과 캐소드 판(350)에 대해 사용될 수 있다. 예시적 실시
예의 모듈형 캐소드 조립체(300)의 다른 구성요소들은 절연체(370), 밴드(355), 및 취급 구조물(후술됨)을 제외
하고 동일하게 전도성일 수 있다. 캐소드 판(350) 및 바스켓(310) 내의 재료는 또한 강도와 강성을 증가시키도
록 제조 및 형상화될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 판(350)과 바스켓(310) 사이의 오정렬 및/또는 굴복이나 기
타 뒤틀림 위험을 감소시키기 위해 캐소드 판(350) 또는 판금 에지(315)에는 강화 테두리 또는 리브(351)가 형
성될 수 있다.
도 3에 도시하듯이, 캐소드 판(350)의 제거, 이동 또는 기타 취급을 개별적으로 허용하기 위해 지지체(380)에는[0055]
리프트 핸들(381)이 연결될 수 있다. 예를 들어, 캐소드 판(350)이 사용자에 의해 핸들(381)을 통해서 캐소드
조립체(300)로부터 제거되어 바스켓(310)만 남을 수 있다. 이는 캐소드 판(350)을 선택적으로 세척, 수리 또는
교체하는데 있어서 및/또는 바스켓(310)에 재료를 삽입하거나 바스켓으로부터 재료를 수확하는데 있어서 유리할
수 있다. 사용자 감전사 및 기타 원치않는 예시적 전해 환원 시스템을 통한 전류 흐름을 방지하기 위해 리프트
핸들(381)은 캐소드 판(350) 및 지지체(380)로부터 전기적으로 절연된다.
캐소드 조립체 지지체(340)는 바스켓(310) 및 잠재적으로 캐소드 판(350)을 구비하는 캐소드 조립체(300)를 제[0056]
거/삽입하거나 취급 또는 이동시키기 위한 리프트 바스켓 포스트(390)를 추가로 구비할 수 있다. 리프트 바스
켓 포스트(390)는 캐소드 조립체 지지체(340)의 양 단부에 배치되거나 및/또는 예시적 실시예의 모듈형 캐소드
조립체(300)의 잔여부로부터 격리될 수 있다. EORS(1000)와 같은 대형 환원 시스템에 사용될 때, 개별적인 모
듈형 캐소드 조립체(300), 및 바스켓(310)과 캐소드 판(350)을 구비하는 그 모든 서브구성요소는 리프트 바스켓
포스트(390)를 통해서 다양한 위치에서 자동적으로 또는 수동적으로 이동 및 취급될 수 있다.
도 3에 도시하듯이, 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체(300)는 모듈형 캐소드 조립체(300)가 전력을 받기[0057]
위해 기계적으로 및 전기적으로 연결될 수 있는 하나 이상의 캐소드 조립체 커넥터(385)를 구비한다. 캐소드
조립체 커넥터(385)는 다양한 형상 및 크기일 수 있으며, 표준 플러그 및/또는 케이블을 구비하거나, 예시적 모
듈형 캐소드 조립체(300)에서는 예시적 배전 시스템으로부터 수용되는 포크-타입 커넥터(도 5)에 착좌되도록 형
상화되는 칼날 접점을 구비한다. 캐소드 조립체 커넥터(385)의 동등한 쌍이 모듈형 캐소드 조립체(300)의 한쪽
또는 양쪽에 배치되어 조립체에 균등한 전력을 제공할 수 있다.
캐소드 조립체 커넥터(385)는 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체(300) 내의 각종 부품에 전기 접속되어 적[0058]
절한 환원 전위를 제공할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 개별 쌍의 캐소드 조립체 커넥터(385a, 385b)가 상이한
전원에 연결되어 조립체(300)의 여러 부분에 상이한 전력, 전류, 전압, 극성 등을 제공할 수 있다. 도 4에 도
시하듯이, 내부 커넥터(385a)는 지지체(380)를 통해서 캐소드 판(350)에 연결될 수 있다. 내부 커넥터(385a)는
캐소드 판(350)을 각각의 다른 부품으로부터 절연시키기 위해 전기 접촉 없이 절연체(370) 및 조립체 지지체
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(340)를 통해서 연장될 수 있다. 외부 커넥터(385b)는 조립체 지지체(340) 및 바스켓(310)에 직접 연결될 수
있다. 이런 식으로, 캐소드 판(350) 및 바스켓(310)에는 그 사이의 전기 단락 없이 다양한 전류, 전압, 극성
등이 제공될 수 있다.
도 5는 모듈형 캐소드 조립체 커넥터(385a, 385b)를 수용하여 전력을 제공할 수 있는, 절연체로 둘러싸인 포크-[0059]
타입 전도성 접점을 구비할 수 있는 예시적 캐소드 조립체 접점(485a, 485b)의 도시도이다. 물론, 접점(485a,
485b)은 임의의 구성 또는 구조일 수 있으며, 모듈형 캐소드 커넥터(385a, 385b)는 교합을 위한 동등한 대향 구
조를 제공할 수 있다. 캐소드 조립체 접점(485a, 485b) 근처에는 애노드 조립체 접점(480)도 도시되어 있다.
각각의 캐소드 조립체 접점(485a, 485b)은 모듈형 캐소드 조립체에 이용될 수 있도록 요구되는 임의의 위치
(들)에서 상판(1108)에 착좌될 수 있다. 각각의 캐소드 조립체 접점(485a, 485b)은, 커넥터(385a, 385b)를 통
해서 연결되는 모듈형 캐소드 조립체(300)에 평면적이고 얇은 프로파일의 전기 접촉 영역을 제공하기 위해 환원
시스템의 반대쪽에 있는 다른 접점들과 평행하게 정렬될 수 있다.
캐소드 조립체 접점(485b, 485a)은 커넥터(385b, 385a)에 그리고 따라서 바스켓(310)과 캐소드 판(350)에 각각[0060]
상이한 레벨의 전력, 전압 및/또는 전류를 제공할 수 있다. 예를 들어, 접점(485a)은 애노드 접점(480)을 통해
서 제공되는 대향 극성의 레벨에 가까운 높은 전력을 커넥터(385a)와 캐소드 판(350)에 제공할 수 있다. 이는
상기 환원 계획에 따라서, 전자가 캐소드 판(350)으로부터 전해질 또는 환원될 재료로 흐르고 궁극적으로 애노
드 조립체로 흐르게 할 수 있으며 바스켓(310)에 보유된 산화물 또는 기타 재료를 환원시킬 수 있다.
접점(485b)은 접점(485a)에 비해서 낮거나 및/또는 대향인 극성의 이차 전력을 접점(385b) 및 바스켓(310)에 제[0061]
공할 수 있다. 예로서, 낮은 이차 전력이 2.3 V 및 225 A일 수 있는 반면에 일차 레벨 전력이 2.4 V 및 950 A
일 수 있거나, 또는 일차 및 이차 전력 레벨이 예를 들어 캐소드 판(350)과 바스켓(310) 사이에서 대향 극성일
수 있다. 이런 식으로, 반대되는 가변 전력이 커넥터(385a, 385b)를 통해서 캐소드 조립체 접점(485a, 485b)과
접촉하는 예시적 실시예의 모듈형 캐소드 조립체(300)에 제공될 수 있다. 또한, 일차 및 이차 레벨의 전력이
접점(485a)을 통해서 커넥터(385a)에 제공될 수 있거나, 임의의 다른 소정의 또는 가변적 레벨의 전력이 예시적
환원 시스템에 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 캐소드 판과 애노드 조립체 사이에 제 1 전력이 인가되고, 캐
소드 판과 바스켓 사이에 제 2 전력이 인가될 수 있으며, 제 1 전력과 제 2 전력은 4 배수만큼 상이할 수 있다.
하기 표 1은 각각의 접점 및 그에 대한 전력선에 대한 전원의 예를 도시한다.
표 1
표 1[0062]
전력 레벨(극성) 커넥터 접점 전극용
일차( ) 애노드 480 애노드 조립체
일차(-) 또는 이차(-) 385a 485a 캐소드 판(-)
이차( ) 385b 485b 바스켓( )
캐소드 판(350)과 반대되는 극성으로 대전될 때 바스켓(310)이 이차 애노드로서 작용할 수 있기 때문에, 전류는[0063]
캐소드 판(350)과 바스켓(310) 사이에서 전해질 또는 환원될 재료를 통해 흐를 수 있다. 예시적 실시예의 캐소
드 조립체(300) 내의 이 이차 내부 전류는 금속 리튬 또는 용해된 금속 알칼리 또는 알칼리토 원자가 금속 산화
물 원료와 같은 환원될 재료와 접촉하지 않을 수 있는 바스켓 하부 섹션(312)으로부터 빠져나가는 것을 방지할
수 있다. 예를 들어 조작자가 바스켓 내의 전해질이 용해된 금속 알칼리 또는 알칼리토 원자를 함유하는 것으
로 결정할 때, 조작자는 환원 시스템의 측정된 전기적 특징에 기초하여 바스켓(310)을 선택적으로 대전시킬 수
있다.
도 1에 도시하듯이, 예시적 실시예의 모듈형 캐소드(300)는 캐소드 조립체(1300)로서 사용될 수 있으며, 환원[0064]
요구에 기초한 개수로, 교환가능한 조합으로 표준화되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 각각의 모듈형 캐소드 조
립체(300)가 유사한 구성의 접점(385)을 구비하는 경우, 임의의 모듈형 캐소드 조립체(300)는 다른 것으로 교체
될 수 있거나 또는 EORS(1000)와 같은 환원 시스템 내의 다른 대응적으로 구성된 위치로 이동될 수 있다. 각각
의 애노드 조립체는 캐소드 조립체 내의 금속 산화물에 소정의 효과적인 환원 작용을 제공하기 위해 캐소드 조
립체와 근접하여 예를 들면 교호적으로 배치되어 급전될 수 있다. 이러한 유연성은 예시적 실시예의 모듈형 캐
소드 조립체(300)를 사용하는 예시적 실시예의 시스템에서 다량의 환원된 금속이 리소스 소비가 통제되고 시스
템 복잡성 및/또는 손상 위험이 감소된 상태에서 예측가능한 균등한 양으로 형성되게 할 수 있다.
상기 예시적 실시예는 예시적 시스템 및 애노드 조립체 실시예와 관련하여 고유한 환원 프로세스 및 방법에 사[0065]
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용될 수 있다. 예시적 방법은 환원 시스템 내에서의 하나 이상의 모듈형 캐소드 조립체의 위치 또는 구성을 결
정하는 단계를 포함한다. 이러한 결정은 환원될 재료의 양, 소정의 작동 전력 레벨 또는 온도, 애노드 조립체
위치, 및/또는 시스템의 임의의 다른 세트 또는 소정의 작동 파라미터에 기초할 수 있다. 예시적 방법은 추가
로 캐소드 조립체를 전원에 연결할 수 있다. 예시적 조립체가 모듈형이기 때문에, 외부 연결부 역시 균일하게
만들어질 수 있으며, 싱글 타입의 연결부는 모든 예시적 실시예의 캐소드 조립체와 협력할 수 있다. 환원 시스
템에 사용되는 전해질은 애노드 및/또는 캐소드 조립체를 전해질과 접촉하는 소정의 위치에 위치시키기 위해 용
융 상태 또는 유체 상태로 만들어질 수 있다.
전류 또는 전압 또는 극성으로 측정되는 소정의 전력 레벨 또는 레벨들이 전기 시스템을 통해서 캐소드 조립체[0066]
에 인가되어 그 안의 바스켓 및/또는 판을 예시적 방법으로 대전시킨다. 이 대전은, 바스켓과 판이 인근 애노
드와 접촉하는 금속 산화물 및 전해질과 접촉되는 동안, 바스켓 내의 또는 전해질 중에서 이와 접촉하는 금속
산화물을 환원시키는 반면에, 캐소드 조립체 내의 전해질 속에 용해된 일부 산소를 탈이온화시킨다. 예시적 방
법은 추가로, 수리 또는 시스템 구성 필요에 기초하여 환원 시스템 내의 조립체의 모듈 부분 또는 전체 조립체
를 교환할 수 있으며, 가변적인 양의 환원 금속을 생성할 수 있거나 및/또는 모듈 구조에 기초하여 소정의 전력
레벨, 전해질 온도, 및/또는 임의의 다른 시스템 파라미터로 작동될 수 있는 유연 시스템을 제공할 수 있다.
환원 이후에, 환원 금속은 제거될 수 있으며 환원 금속의 정체성에 기초하여 다양한 화학적 프로세스에 사용될
수 있다. 예를 들어, 환원된 우라늄 금속은 핵연료로 재처리될 수 있다.
예시적 실시예를 설명했지만, 당업자라면 예시적 실시예가 추가적인 발명적 활동 없이 일상적인 실험을 통해서[0067]
변경될 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 세 개의 장방형 구획을 포함하는 캐소드 조립체 내의 바스켓이 도시
되어 있지만, 예상되는 캐소드 조립체 배치, 전력 레벨, 필요한 산화 전위 등에 기초하여 다른 개수 및 형상의
구획 및 바스켓의 전체 구조가 사용될 수 있다는 것도 물론 알아야 한다. 변형예는 예시적 실시예의 취지 및
범위를 벗어나지 않는 것으로 간주되어야 하며, 당업자에게 자명한 이러한 모든 수정예는 하기 청구범위의 범위
에 포함되도록 의도된다.
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