레이저유도파열검출 기술을 이용한 우라늄(VI) 가수분해물의 용해도 측정

조혜륜,박경균,정의창,지광용,Cho, Hye-Ryun,Park, Kyoung-Kyun,Jung, Euo-Chang,Jee, Kwang-Yong 한국방사성폐기물학회 2007 방사성폐기물학회지 Vol.5 No.3

레이저유도파열검출 기술을 이용하여 우라늄(VI) 가수분해물의 용해도를 측정하였다. 측정 용액의 우라늄 농도 범위는 $2{\times}10^{-4}{\sim}4{\times}10^{-6}\;M$, pH 범위는 $3.8{\times}7.0$, 그리고 이온 강도는 0.1 M $NaClO_4$이며, 온도는 $25.0{\pm}0.1^{\circ}C$로 유지하였다. 문헌에 제시된 가수분해 상수와 specific ion interaction theory(SIT)를 이용하여 이온 강도 I=0 일 때의 용해도 곱 (solubility product) 상수 ${\log}K^{\circ}_{sp}=-22.85{\pm}0.23$를 구하였다. 동일한 시료에 대해 흡수 및 형광 스펙트럼을 측정하여 가수분해 화학종의 존재를 확인하였다. $2{\times}10^{-4}\;M$ 우라늄 농도에서 용액 중에 존재하는 주요 가수분해 화학종은 $(UO_2)_2(OH)_2^{2+}$와 $(UO_2)_3(OH)_5^+$임을 보였다.

모세관 셀을 이용한 수용액 내 악티나이드 화학종의 고감도 검출

조혜륜,박경균,정의창,송규석,Cho, Hye-Ryun,Park, Kyuong-Kyun,Jung, Euo-Chang,Song, Kyu-Seok 한국방사성폐기물학회 2009 방사성폐기물학회지 Vol.7 No.2

Absorption spectra for a quantitative analysis of actinide elements such as U(VI) and Pu(V) were measured by using a liquid waveguide capillary cell (LWCC) which has an optical path length of 1.0 meter. In order to investigate radioactive elements, a LWCC is installed in a glove box and is coupled to a spectrophotometer with optical fibers. Limits of detection (LOD) for the system were determined as 0.74 and 0.35 M with molar absorption coefficients of 8.14${\pm}$0.07 (414 nm) and 17.00${\pm}$0.16 (569 nm) $M^{-1}cm^{-1}$ for U(VI) and Pu(V) ions, respectively. The measured LOD values are about 30 times more sensitive when compared to those achievable by using a conventional quartz cell with an optical path length of 1.0 cm. As an application with an enhanced sensitivity, a quantitative analysis for micromolar concentrations of Pu(V) has been performed to decrease the uncertainty in the formation constant of the Pu(VI)-OH complex.

처분환경 지하수 내 방사성물질 용해도 측정

조혜륜(Hye-Ryun Cho),김희경(Hee-Kyung Kim),차완식(Wansik Cha),김태형(Tae-Hyeong Kim),김주은(Jueun Kim),엄우용(Wooyong Um) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10

고준위 방사성폐기물 심층처분 종합성능평가를 위하여 심층처분환경에서 방사성 핵종의 지화학반응 특성자료가 필요하다. 이중 처분환경 지하수 내 방사성 핵종의 용해도 자료는 방사성 핵종의 이동 및 지연 특성을 예측하고, 모델링을 통한 처분안전성을 평가하는 데 필요한 기본 자료이다. 처분환경에서의 방사성 핵종 용해 특성은 기 보고된 화학반응 열역학 자료를 이용한 모델링을 통해 예측이 가능하다. 다만, 일부 반응에 대한 열역학 자료의 부족으로 특정 환경에서 예측된 용해도의 불확도가 다소 큰 편이라 할 수 있다. 또한, 처분안전성평가에 대한 신뢰도 제고를 위하여 처분장 환경이 반영된 실측자료가 요구되고 있는 실정이다. 이 연구는 사용후핵연료에 포함된 다양한 방사성 핵종 중에서 반감기가 길거나 용해도가 높다고 알려진 핵종을 중심으로 처분환경 지하수 내에서 용해도를 직접 측정하여 그 결과를 축적하고 체계적인 용해도 측정 절차를 확보하는 것을 목표로 한다. 처분환경 진화에 따른 다양한 지화학적 환경을 모사하기 위하여 산화/환원/염수/강염기/고온환경 등을 고려한 조건에서 주요 방사성 핵종에 대한 용해도 측정 및 절차서 확립을 계획하였다. 이 논문에서는 향후 진행되는 다년간의 연구과정에서 체계적이고 일관성 있는 용해도 측정 자료를 확보하기 위하여 필요한 기본 절차를 확보하는 과정과 산화환경 지하수 내 PuO₂ 용해도 측정 결과를 소개하고자 한다.

이동식 레이저 유도 파열 검출 장치를 이용한 KURT 지하수 내 콜로이드 나노 입자 검출

정의창,조혜륜,박미리,백민훈,Jung, Euo-Chang,Cho, Hye-Ryun,Park, Mi-Ri,Baik, Min-Hoon 한국방사성폐기물학회 2011 방사성폐기물학회지 Vol.9 No.1

한국원자력연구원 내 지하 처분 연구시설(KURT)에서 채취한 지하수에 존재하는 나노 콜로이드 입자의 크기 및 농도를 현상에서 조사하기 위해 이동식 레이저 유도 파열 검출 장치를 개발하였다. 제작한 장치는 CCD 카메라를 이용하여 레이저 유도 플라즈마가 발생한 위치를 2-차원 영상으로 기록함으로써 광학적으로 입자의 크기를 결정할 수 있다. 크기가 정확히 알려진 폴리스틸렌 표준 입자를 이용하여 입자 크기 측정용 검정 곡선 (calibration curve)을 구했고, 이를 이용하여 지하 처분 연구시설에서 채취한 지하수 내 콜로이드 입자의 크기를 측정하였다. 지하수 내 존재하는 콜로이드 입자의 평균 크기는 $108{\pm}26$ nm 임을 보였고, 농도는 50 ppb 이하인 것으로 추정하였다. A mobile laser-induced breakdown detection (LIBD) system was developed for the field measurement of the size and concentration of aquatic colloidal nanoparticles sampled from Korea Atomic Energy Research Institute Underground Research Tunnel (KURT). The established LIBD apparatus is based on the optical detection of a laser-induced plasma by means of a two-dimensional optical imaging method for determining the size of nanoparticle. Calibration curve for determining the size of nanoparticle was obtained from the polystyrene reference particles of a well-defined size. The first direct application was made at KURT for investigating the particle sizes in groundwater. By comparing the size of particles in groundwater with the sizes of reference particles, the mean particle size of approximately $108{\pm}26$ nm with the concentration lower than 50 ppb was determined.

시간분해 레이저 유도 형광 분광학을 이용한 우라늄(VI) 가수분해 화학종 규명 연구

정의창,조혜륜,박경균,Jung, Euo-Chang,Cho, Hye-Ryun,Park, Kyoung-Kyun 한국방사성폐기물학회 2009 방사성폐기물학회지 Vol.7 No.3

Study on the chemical speciation of uranium(VI) species, ${UO_2}^{2+}$, $UO_2(OH)^+$, ${(UO_2)}_2{(OH)_2}^{2+}$, ${(UO_2)}_3{(OH)_5}^+$, has been peformed by using time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy. Speciation sensitivity which depends on the excitation wavelength was investigated. We obtained the speciation sensitivity in the order of $10^{-9}$ M concentration of U(VI) compounds at the excitation wavelength of 266 nm. The fluorescence spectrum and lifetime of ${UO_2}^{2+}$ were carefully measured at pH 1 and ion strength of 0.1 M. The spectrum showed the four characteristic peaks located around 488, 509, 533, 559nm and the fluorescence lifetime of $1.92{\pm}0.17{\mu}s$. The wavelength shifts of fluorescence peaks and the change of lifetimes for uranium hydrolysis compounds were compared with those of ${UO_2}^{2+}$. We report on the characteristic features, the shifts of peaks to the longer wavelength direction and the prolonged lifetimes, in the fluorescence of the U(VI) hydrolysis compounds.

방사분석과 분광학을 이용한 Am(III) 가수분해와 옥살레이트 착물 화학종 연구

김희경,조혜륜,정의창,차완식,Kim, Hee-Kyung,Cho, Hye-Ryun,Jung, Euo Chang,Cha, Wansik 한국방사성폐기물학회 2018 방사성폐기물학회지 Vol.16 No.4

When considering the long-term safety assessment of spent-nuclear fuel management, americium is one of the most radio-toxic actinides. Although spectroscopic methods are widely used for the study of actinide chemistry, application of those methods to americium chemistry has been limited. Herein, we purified $^{241}Am$ to obtain a highly pure stock solution required for spectroscopic studies. Quantitative and qualitative analyses of purified $^{241}Am$ were carried out using liquid scintillation counting, and gamma and alpha radiation spectrometry. Highly sensitive absorption spectrometry coupled with a liquid waveguide capillary cell and time-resolved laser fluorescence spectroscopy were employed for the study of Am(III) hydrolysis and oxalate (Ox) complexation. $Am^{3+}$ ions under acidic conditions exhibit maximum absorbance at 503 nm, with a molar absorption coefficient of $424{\pm}8cm^{-1}{\cdot}M^{-1}$. $Am(OH)_3(s)$ colloidal particles formed under near neutral pH conditions were identified by monitoring the absorbance at around 506-507 nm. The formation of ${Am(Ox)_3}^{3-}$ was detected by red-shifts of the absorption and luminescence spectra of 4 and 5 nm, respectively. In addition, considerable enhancements of the luminescence intensities were observed. The luminescence lifetime of ${Am(Ox)_3}^{3-}$ increased from 23 to 56 ns, which indicates that approximately six water molecules are replaced by carboxylate ligands in the inner-sphere of the Am(III). These results suggest that ${Am(Ox)_3}^{3-}$ is formed through the bidentate coordination of the oxalate ligands.

분광학을 이용한 흄산의 모델 리간드인 2,6-Dihydroxybenzoic acid와 우라늄(VI)의 착물형성 반응에 관한 연구

차완식,조혜륜,정의창,Cha, Wan-Sik,Cho, Hye-Ryun,Jung, Euo-Chang 한국방사성폐기물학회 2011 방사성폐기물학회지 Vol.9 No.4

UV-Vis 분광광도법과 시간분해 레이저 유도 형광분광법(TRLFS)을 이용하여 흄산의 모사 리간드로 사용한 2,6-Dihydroxybenzoate(DHB)와 U(VI)의 착물형성반응을 조사하였다. U(VI)-DHB 착물 고유의 전하이동 흡수 스펙트럼을 분석한 결과, 착물형성반응은 우라늄-리간드 비가 1:1 또는 1:2 착물을 형성하는 이중 평형반응이며, 산도에 따라 착물종의 분포가 변한다는 것을 밝혔다. 계산된 착물형성상수 (log $K_1$ and log $K_2$)는 $12.4{\pm}0.1$과 $11.4{\pm}0.1$이다. 이에 더하여, TRLFS 방법으로 조사한 결과, DHB는 U(VI) 화학종들의 형광 소광제(quencher)로서 역할을 한다는 것을 확인하였다. 특히, 확인된 U(VI) 화학종 모두(${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$과 $(UO_2)_3(OH)_5{^+})$에서 정적 (static) 및 동적 (dynamic) 소광작용이 공존하는 것으로 관찰되었다. 시간분해 형광 스펙트럼으로부터 리간드 농도에 따른 U(VI) 화학종의 형광세기와 형광수명을 측정하였으며, Stern-Volmer 식을 이용하여 분석하였다. 결정된 정적소광계수(KS)는 ${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$ 과 $(UO_2)_3(OH)_5+$에 대하여 각각 $4.2{\pm}0.1$, $4.3{\pm}0.1$ 과 $4.34{\pm}0.08$이다. Stern-Volmer 식을 이용한 분석 결과, 단일 또는 이중 배위자 구조(mono- and bi-dentate)의 U(VI)-DHB 착물이 모두 정적소광효과에 관여하는 바닥상태 착물임을 확인하였다. In this study the complex formation reactions between uranium(VI) and 2,6-dihydroxybenzoate (DHB) as a model ligand of humic acid were investigated by using UV-Vis spectrophotometry and time-resolved laser-induced fluorescence spectroscopy (TRLFS). The analysis of the spectrophotometric data, i.e., absorbance changes at the characteristic charge-transfer bands of the U(VI)-DHB complex, indicates that both 1:1 and 1:2 (U(VI):DHB) complexes occur as a result of dual equilibria and their distribution varies in a pH-dependent manner. The stepwise stability constants determined (log $K_1$ and log $K_2$) are $12.4{\pm}0.1$ and $11.4{\pm}0.1$. Further, the TRLFS study shows that DHB plays a role as a fluorescence quencher of U(VI) species. The presence of both a dynamic and static quenching process was identified for all U(VI) species examined, i.e., ${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$, and $(UO_2)_3{(OH)_5}^+$. The fluorescence intensity and lifetimes of each species were measured from the time-resolved spectra at various ligand concentrations, and then analyzed based on Stern-Volmer equations. The static quenching constants (log $K_s$) obtained are $4.2{\pm}0.1$, $4.3{\pm}0.1$, and $4.34{\pm}0.08$ for ${UO_2}^{2+}$, $(UO_2)_2{(OH)_2}^{2+}$, and $(UO_2)_3{(OH)_5}^+$, respectively. The results of Stern-Volmer analysis suggest that both mono- and bi-dentate U(VI)-DHB complexes serve as groundstate complexes inducing static quenching.

용존 6가 우라늄 및 실리카 표면 흡착 6가 우라늄 화학종 분포 연구

정의창,김태형,조용흠,김희경,조혜륜,차완식,백민훈,윤종일,Jung, Euo Chang,Kim, Tae-Hyeong,Jo, Yongheum,Kim, Hee-Kyung,Cho, Hye-Ryun,Cha, Wansik,Baik, Min Hoon,Yun, Jong-Il 한국방사성폐기물학회 2020 방사성폐기물학회지 Vol.18 No.1

Dissolved hexavalent uranium can exist in the form of several different chemical species. Furthermore, species distributions depend on the pH value of the aqueous solution. Representatively, UO₂²⁺, UO₂OH⁺, (UO₂)₂(OH)₂²⁺, and (UO₂)₃(OH)₅⁺ species coexist in solutions at acidic and circumneutral pH values. When amorphous silica particles are suspended in an aqueous solution, the dissolved chemical species are easily adsorbed onto silica surfaces. In this study, it was examined whether the species distribution of the adsorbed U(VI) on a silica surface followed that of the dissolved U(VI) in an aqueous solution. Time-resolved luminescence spectra of three different dissolved species (UO₂²⁺, UO₂OH⁺, and (UO₂)₃(OH)₅⁺) and two different adsorbed species (≡SiO₂UO₂, ≡SiO₂(UO₂)OH^-, or ≡SiO₂(UO₂)₃(OH)^5-) were measured in the pH range 3.5-7.5. The spectral shapes of these chemical species were compared by changing the pH value; consequently, it was confirmed that the species distribution of the adsorbed U(VI) species was different from that of the dissolved U(VI) species.

생지화학적 환원조건에서 우라늄의 침철석 및 몬모릴로나이트에 대한 수착 특성

이승엽 ( Seung Yeop Lee ),조혜륜 ( Hye Ryun Cho ),백민훈 ( Min Hoon Baik ),정의창 ( Euo Chang Jung ),정종태 ( Jongtae Jeong ) 한국광물학회 2012 광물과 암석 (J.Miner.Soc.Korea) Vol.25 No.4

산화/환원 반응에 매우 민감한 우라늄의 침철석 및 몬모릴로나이트에 대한 수착 특성을 알아보기 위해 산화우라늄(VI)과 환원우라늄(IV)를 준비하였다. 환원우라늄은 황산염환원박테리아에 의해황산염이 환원되는 과정에서 같이 환원된 우라늄(IV)를 희석하여 사용하였다. 광물에 대한 우라늄의 수착량은 우라늄(IV)가 우라늄(VI)에 비해 상대적으로 낮았으며, 이러한 원인 중의 하나는 용액상의 우라늄(IV)가 미세한 콜로이드 형태로 존재하여 광물 표면에 대한 수착력이 약했기 때문이다. 투과전 자현미경을 사용하여 우라늄(IV)가 나노 콜로이드의 특징을 가지고 있음을 확인하였고, 이러한 결과는 심부 자연계의 지하수를 따라 이동 가능한 우라늄종이 이온성 우라늄(VI)뿐만 아니라 콜로이드성 우라늄(IV)도 포함될 수 있음을 의미한다. Two kinds of uranium species, oxidized uranium(VI) and reduced uranium(IV), were prepared to be interacted with goethite and montmorillonite to identify sorption characteristic of uranium species, which are very sensitive to the redox-reaction. The reduced uranium was prepared by diluting a substantial uranium(IV) that was concomitantly produced during a sulfate reduction via a sulfate-reducing bacterium. The sorption amount of uranium(IV) by the minerals was relatively lower than that of uranium(VI) because the aqueous uranium(IV) had fine colloidal forms to cause its weak adsorption onto the mineral surfaces. We found that the uranium(IV) phase has a nano-colloid character by the transmission electron microscope, suggesting that the uranium species possibly migrating with the flow of groundwater in underground environments can be the colloidal uranium(IV) as well as the ionic uranium(VI).

환원성 지하수 환경에서 우라늄 나노입자와 유기물의 상호작용 연구

차완식(Wansik Cha),윤인학(In Hak Yoon),조혜진(Hyejin Cho),조혜륜(Hye-Ryun Cho) 대한지질학회 2021 대한지질학회 학술대회 Vol.2021 No.10

심지층 사용후핵연료 처분장의 지화학 환경은 산소유입이 거의 차단되는 환원분위기로 우라늄은 대부분 +4가의 산화 상태로 존재할 것으로 본다. 일반적으로 +4가 우라늄(U(IV))은 넓은 pH 영역에서 낮은 용해도를 갖는 고체상을 형성하는 것으로 알려져 있는데, 지하수계에서 생물적 혹은 비생물적 U(IV) 광물상 변환과 U(IV) 콜로이드 형성 과정은 광범위하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 환원성 지하수 환경의 유기물이 U(IV)-나노입자의 콜로이드 안정성과 반응성에 미치는 영향을 조사하였다. 자연계 유기물에 존재하는 기능기를 갖는 모델 화합물로 유기인산염 유도체와 카테콜 유도체를 선택하였다. 연구결과 U(IV)-나노입자는 다양한 반응성을 갖는 것으로 나타났는데, 표면 수산화기에 기인한 산염기 반응특성, 유기인산에스터를 분해하는 촉매반응 특성, 그리고, 유/무기 이온 또는 분자와 표면착물을 형성하는 흡착 특성을 관찰하였다. 따라서, U(IV)-나노입자를 포함한 수용액의 콜로이드 안정성은 매질의 pH뿐만 아니라 유기물의 농도에 높은 의존성을 보인다. 특히, 높은 pH에서 U(IV)-나노입자 콜로이드의 안정성이 카테콜과 같은 유기분자의 나노입자 표면착물 형성으로 증가한다는 것을 보고하였는데, 이는 본 연구의 중요한 결과 중 하나이다. 연구에 적용된 다양한 실험방법과 분광학적 관찰결과를 살펴보고, 심지층 처분환경에서 콜로이드 기반 핵종이동과 관련하여 본 연구 결과의 의미를 논의하고자 한다.