JPH11183677A - Method for manufacturing nuclear fuel - Google Patents

Method for manufacturing nuclear fuel

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JPH11183677A
JPH11183677A JP10230063A JP23006398A JPH11183677A JP H11183677 A JPH11183677 A JP H11183677A JP 10230063 A JP10230063 A JP 10230063A JP 23006398 A JP23006398 A JP 23006398A JP H11183677 A JPH11183677 A JP H11183677A
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リー ヨウンウー
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リー ユンウォン
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ナ サンホ
Son Donsun
ソン ドンスン
Choi Yon
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a nuclear fuel by laminating at least one type of a thermally decomposed carbon, boron, and nitrogen and an element which forms a compound with it, and the compound by either method of the chemical vapor deposition, sputtering, or gas penetration into a plurality of layers and then performing baking. SOLUTION: In a first stage, an element or a compound that reacts with at least one type of a thermally decomposed carbon, boron and nitrogen and becomes carbide, boride, nitride, or the like and at least one type of the thermally decomposed carbon, boron, and the nitrogen are selected, which is successively or in reverse order laminated or penetrated into a plurality of layers by at least one type of the chemical vapor deposition method, the sputtering method, and the gas penetration method. At a second stage, laser beams, arc, microwave, and the like are applied to the nuclear fuel surface where a compound is applied for a short time, thus causing a high-temperature combustion synthesis reaction. The time, temperature, and atmospheric pressure are set to approximately 1-2 seconds, 1, 700-4,000 deg.C, and 10<-3> -10<-2> atmospheric pressure, respectively, thus obtaining a nuclear fuel sintered body that can be used not only in a high- temperature gas oven but also in a pressurized light-water reactor and a heavy-water reactor.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化物、硼化物及
び窒化物の中から選ばれる1種以上で塗布された核燃料
を製造する方法に関するものであり、より詳しくは核燃
料の表面に、i)熱により炭素で分解される化合物(py
rolitic carbon;以下、“熱分解炭素”と略す)、硼素
及び窒素の中から選ばれる1種以上と反応して炭化物、
硼化物及び窒化物の中から選ばれる1種以上を形成する
ことのできる元素又は化合物と、ii)熱分解炭素、硼素
又は窒素を、化学蒸着法、スパッタリング法及びガス浸
透法の中から選ばれる1種以上により、順次的に又は逆
順に2層以上に積層するか、浸透させたあと、前記層を
高温及び高圧で燃焼合成させた、炭化物、硼化物及び窒
化物の中から選ばれる1種以上とこれらの複合物が積層
で塗布された核燃料の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for producing a nuclear fuel coated with at least one selected from carbides, borides and nitrides. Compounds decomposed by carbon by heat (py
rolitic carbon (hereinafter abbreviated as "pyrolytic carbon"), boron and nitrogen to react with at least one selected from the group consisting of carbides,
An element or compound capable of forming at least one selected from borides and nitrides; and ii) pyrolytic carbon, boron or nitrogen selected from chemical vapor deposition, sputtering and gas infiltration. One or more of one or more selected from carbides, borides and nitrides obtained by laminating or impregnating two or more layers sequentially or in reverse order, and then burning and synthesizing the layers at high temperature and pressure. The present invention relates to a method for producing a nuclear fuel in which these composites are applied in a stacked manner.

【0002】[0002]

【従来の技術】原子力発電は、使われる炉の形態に従い
高温ガス炉型、加圧軽水炉型及び重水炉型と分け、それ
ぞれの方式に従い使われる核燃料の形態も異なる。即
ち、高温ガス炉型では粒子型の核燃料を用いるし、現在
韓国内の原子力発電に採択している加圧軽水炉型及び重
水炉型では核燃料焼結体が使用される。
2. Description of the Related Art Nuclear power generation is divided into a high temperature gas reactor type, a pressurized light water reactor type and a heavy water reactor type according to the type of reactor used, and the type of nuclear fuel used differs according to each type. That is, the high temperature gas reactor type uses a particle type nuclear fuel, and the pressurized light water reactor type and the heavy water reactor type, which are currently adopted for nuclear power generation in Korea, use a nuclear fuel sintered body.

【0003】既存の高温ガス炉型核燃料は、その安定性
を増加させるために核燃料の表面に黒鉛層と炭化物層を
塗布し、炉内で燃焼させるときに核燃料粒子又は焼結体
から核分裂生成物が放出されるのを抑制する。この既存
の方法では、化学蒸着法により炭化珪素とその他の炭化
物を直径が数百ミクロン(μm )である球型の核燃料粒
子に直接塗布した被覆核燃料を使用した。即ち、直径が
約400μm である球型の核燃料(UCO 、ThO2)にメチ
ルクロロシランガスとエチレンガスを流動型化学蒸着法
で塗布して製造したが、このとき、熱分解炭素層を塗布
するために約1200℃以上の高温で、そして炭化珪素
層を塗布するために約1600℃の高温で作業を遂行し
なければならないため、塗布層の微細組織内の欠陥が増
加し、さらにシラン化合物で塩素元素を含むメチルクロ
ロシラン、ジメチルクロロシラン、トリエチルクロロシ
ラン等の中から選ばれる1種以上の化合物を使用するの
で工程中で前記シラン化合物が分解され有毒性塩化水素
と塩素ガスが発生する短所がある。
[0003] Existing high-temperature gas-cooled reactor nuclear fuel is obtained by coating a graphite layer and a carbide layer on the surface of the nuclear fuel in order to increase its stability, and burning fission products from nuclear fuel particles or a sintered body when burning in a furnace. Is suppressed from being released. In this existing method, a coated nuclear fuel was used in which silicon carbide and other carbides were directly applied to spherical nuclear fuel particles having a diameter of several hundred microns (μm) by a chemical vapor deposition method. That is, a spherical nuclear fuel (UCO, ThO 2 ) having a diameter of about 400 μm was produced by applying a methylchlorosilane gas and an ethylene gas by a fluidized chemical vapor deposition method. Work must be performed at a high temperature of about 1200 ° C. or higher, and at a high temperature of about 1600 ° C. to apply the silicon carbide layer, so that defects in the microstructure of the coating layer increase, and chlorine is added to the silane compound. Since at least one compound selected from the group consisting of methylchlorosilane, dimethylchlorosilane, triethylchlorosilane and the like containing an element is used, the silane compound is decomposed in the process and toxic hydrogen chloride and chlorine gas are generated.

【0004】一方、加圧軽水炉及び重水炉では、円筒形
の上段と下段に皿型の溝があり、直径と高さが約9. 9
×10mmの、比較的に大きな焼結体型の核燃料(UO2
を使用しているが、既存の方法である流動性化学蒸着法
は、非対称であり核燃料粒子に比して相対的に重く大き
な核燃料焼結体には直接に適用することができないし、
このような核燃料焼結体に炭化物を塗布する技術は未だ
使用されたことがない。
On the other hand, in pressurized light water reactors and heavy water reactors, there are dish-shaped grooves at the upper and lower stages of the cylindrical shape, and the diameter and height are about 9.9.
Nuclear fuel (UO 2 ) of a relatively large sintered body of × 10 mm
However, the existing method of fluidized chemical vapor deposition, which is an asymmetric method, cannot be directly applied to a large nuclear fuel sintered body that is asymmetric and relatively heavy compared to nuclear fuel particles,
The technique of applying a carbide to such a nuclear fuel sintered body has not yet been used.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来の方法の短所を持たず、しかも、核燃料焼結体にも
適用できる、炭化物、硼化物及び窒化物の中から選ばれ
る1種以上が塗布された核燃料を製造する方法を提供す
ることにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide one kind of carbide, boride and nitride which does not have the disadvantages of the above-mentioned conventional method and which can be applied to a nuclear fuel sintered body. The object of the present invention is to provide a method for producing a coated nuclear fuel.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】ここで、本発明者らは、
前記のような問題点を解決するために引き続き研究して
いる中、核燃料の表面に、i)熱分解炭素、硼素及び窒
素の中から選ばれる1種以上と反応して炭化物、硼化物
及び窒化物の中から選ばれる1種以上を形成することの
できる元素又は化合物と、ii)熱分解炭素、硼素及び窒
素から選ばれる1種以上とを、化学蒸着法、スパッタリ
ング法及びガス浸透法から選ばれる1種以上により、順
次的に又は逆順に2層以上に積層するか浸透させたあ
と、前記層を高温及び高圧で燃焼合成させ、炭化物、硼
化物及び窒化物の中から選ばれる1種以上とこれらの複
合物が積層で塗布された核燃料を製造する方法を開発し
て、本発明を完成した。
Means for Solving the Problems Here, the present inventors,
In the course of continuing research to solve the above problems, on the surface of the nuclear fuel, i) reacting with one or more selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen to form carbides, borides and nitrides. Ii) one or more elements selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen selected from a chemical vapor deposition method, a sputtering method, and a gas infiltration method. After laminating or infiltrating two or more layers sequentially or in reverse order by one or more kinds, the layers are burned and synthesized at high temperature and high pressure, and one or more kinds selected from carbide, boride and nitride are formed. The present invention has been completed by developing a method for producing a nuclear fuel in which these and their composites are applied in a stack.

【0007】即ち、本発明にかかる核燃料の製造方法
は、核燃料の表面に、i)熱分解炭素、硼素及び窒素の
中から選ばれる1種以上と反応して炭化物、硼化物及び
窒化物の中から選ばれる1種以上を形成することのでき
る元素又は化合物と、ii)熱分解炭素、硼素及び窒素か
ら選ばれる1種以上とを、化学蒸着法、スパッタリング
法及びガス浸透法から選ばれる1種以上により、順次的
に又は逆順に2層以上に積層するか浸透させたあと、前
記層を高温及び高圧で燃焼合成させる方法である。
That is, the method for producing a nuclear fuel according to the present invention is characterized in that the surface of the nuclear fuel reacts with at least one selected from the group consisting of pyrolytic carbon, boron, and nitrogen to form carbide, boride, and nitride. Ii) one or more elements selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen, and one or more elements selected from a chemical vapor deposition method, a sputtering method, and a gas infiltration method. As described above, after laminating or infiltrating two or more layers sequentially or in reverse order, the layers are subjected to combustion synthesis at high temperature and high pressure.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】以下、本発明を、核燃料に化合物
層を塗布又は浸透させる段階(第1段階)及び第1段階
で核燃料の表面に塗布又は浸透された化合物層を高温燃
焼合成させる段階(第2段階)とに区別して詳細に説明
する。先ず、第1段階では、核燃料表面に、i)熱分解
炭素、硼素及び窒素の中から選ばれる1種以上と反応し
て炭化物、硼化物及び窒化物の中から選ばれる1種以上
を形成する元素又は化合物と、ii)熱分解炭素、硼素又
は窒素から選ばれる1種以上とを、化学蒸着法、スパッ
タリング法及びガス浸透法から選ばれる1種以上によ
り、順次的に又は逆順に二層以上に積層するか、浸透さ
せる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention relates to a step of applying or penetrating a compound layer to nuclear fuel (first step) and a step of performing high-temperature combustion synthesis of the compound layer applied or penetrated on the surface of nuclear fuel in the first step. (Second stage) will be described in detail. First, in the first step, i) reacting with one or more selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen to form one or more selected from carbides, borides and nitrides on the surface of the nuclear fuel. Two or more layers of the element or compound and ii) one or more selected from pyrolytic carbon, boron or nitrogen by one or more selected from a chemical vapor deposition method, a sputtering method, and a gas permeation method in order or in reverse order Laminate or infiltrate.

【0009】このとき、熱分解炭素の炭素源としては、
メタン(CH4 )、アセチレン(C2H2)、エチレン(C
2H4)、プロパン(C3H8)などの炭化水素を使用するこ
とができ、硼素の硼素源としては硼素(B )、酸化硼素
(B2O3)及び金属−硼素化合物(MoB 、MoB2、ZrB2等)
から選ばれる1種以上を使用することができ、窒素の窒
素源としては窒素気体を使用することができる。
At this time, as a carbon source of the pyrolytic carbon,
Methane (CH 4 ), acetylene (C 2 H 2 ), ethylene (C
2 H 4), propane (C 3 H 8) can be used hydrocarbons such as boron as boron source for boron (B), boron oxide (B 2 O 3) and metal - boron compound (MoB, MoB 2 , ZrB 2 etc.)
And at least one selected from the group consisting of nitrogen and nitrogen can be used as a nitrogen source.

【0010】前記の熱分解炭素、硼素及び窒素の中から
選ばれる1種以上と反応して炭化物、硼化物及び窒化物
の中から選ばれる1種以上を形成することができる元素
又は化合物には、珪素、珪素化合物、ジルコニウム(Z
r)、ジルコニウム化合物及び硼素化合物がある。この
とき、使われる珪素化合物としては、シラン(SiH4)、
テトラメチルシラン((CH3 4Si )、ヘキサメチルジ
シラン(C6H18Si2)などの低温(200 〜300 ℃)で分解
可能な化合物があり、ジルコニウム化合物としてはジル
コニウム酸化物(ZrO2)又は塩化ジルコニウム(ZrC
l4 )があり、硼素化合物としては炭化硼素(B4C )又
は窒化硼素(BN)などがある。
Elements or compounds which can react with one or more selected from the above pyrolytic carbon, boron and nitrogen to form one or more selected from carbides, borides and nitrides include: , Silicon, silicon compounds, zirconium (Z
r), zirconium compounds and boron compounds. At this time, silane (SiH 4 ),
There are compounds that can be decomposed at low temperatures (200 to 300 ° C) such as tetramethylsilane ((CH 3 ) 4 Si) and hexamethyldisilane (C 6 H 18 Si 2 ), and zirconium oxide (ZrO 2 ) Or zirconium chloride (ZrC
l 4 ), and examples of the boron compound include boron carbide (B 4 C) and boron nitride (BN).

【0011】前記化合物は、既存の方法の温度と比較し
て比較的低温で核燃料表面に塗布又は浸透されるのが特
徴であるが、500〜1200℃の温度で雰囲気圧力を
10-5〜1気圧に調整して化合物を核燃料表面に塗布又
は浸透させる。前記の化合物を化学蒸着装置を用いて核
燃料表面に塗布又は浸透させる場合、化合物を核燃料の
表面に塗布する蒸着装置としては、流動型化学蒸着又は
プラズマ向上化学蒸着装置を利用するのが好ましく、珪
素の蒸着についてはプラズマ向上化学蒸着装置を利用す
るのが特に好ましい。
The compound is characterized in that it is applied or penetrated on the surface of the nuclear fuel at a relatively low temperature as compared with the temperature of the existing method, but at a temperature of 500 to 1200 ° C. and an atmospheric pressure of 10 -5 to 1. The pressure is adjusted to apply or permeate the compound on the surface of the nuclear fuel. When applying or penetrating the compound on the surface of the nuclear fuel using a chemical vapor deposition apparatus, as the vapor deposition apparatus for applying the compound to the surface of the nuclear fuel, it is preferable to use a fluidized chemical vapor deposition or a plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus, It is particularly preferred to utilize a plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus for the deposition of.

【0012】i)熱分解炭素、硼素及び窒素の中から選
ばれる1種以上と反応して、炭化物、硼化物及び窒化物
の中から選ばれる1種以上を形成することができる元素
又は化合物と、ii)熱分解炭素、硼素及び窒素の中から
選ばれる1種以上の塗布又は浸透順序は、i)を塗布し
たあとii)を塗布又は浸透(順次的)することもある
し、ii)から熱分解炭素又は硼素を塗布したあと i)を
塗布(逆順)することもある。
I) an element or compound capable of reacting with one or more selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen to form one or more selected from carbides, borides and nitrides; , Ii) one or more kinds of application or infiltration sequence selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen may be applied i) and then applied or infiltrated (sequentially) ii) or from ii) After applying pyrolytic carbon or boron, i) may be applied (in reverse order).

【0013】次の第2段階では、前記の化合物が塗布さ
れた核燃料の表面に、熱源としてレーザービーム、アー
ク及びマイクロ波から選ばれる1種を数秒以内の短時間
で瞬間的に加え、i)珪素、珪素化合物、ジルコニウ
ム、ジルコニウム化合物及び硼素化合物の中から選ばれ
る1種以上と、ii)熱分解炭素、硼素、窒素の間に高温
燃焼合成反応が起こるようにする。このとき、熱源であ
るレーザービーム、アーク及びマイクロ波の中から選ば
れる1種を1〜2秒の間照射して1700〜4000℃
の高温加熱を行うが、このとき雰囲気圧力を10-3〜1
-2気圧に調整する。
In the second step, one of a heat source selected from a laser beam, an arc and a microwave is instantaneously applied within a few seconds to the surface of the nuclear fuel coated with the compound, i). A high-temperature combustion synthesis reaction is caused between one or more selected from silicon, a silicon compound, zirconium, a zirconium compound and a boron compound and ii) pyrolytic carbon, boron and nitrogen. At this time, one kind selected from a laser beam, an arc, and a microwave as a heat source is irradiated for 1 to 2 seconds to 1700 to 4000 ° C.
At a high temperature. At this time, the atmospheric pressure is 10 -3 to 1
Adjust to 0 -2 atm.

【0014】高温燃焼合成反応の結果、核燃料の表面に
熱分解炭素層又は硼素層と、炭化物、硼化物及び窒化物
の中から選ばれる1種以上の層が形成される。即ち、燃
焼反応を通して表面の珪素、珪素化合物、ジルコニウ
ム、ジルコニウム化合物及び硼素化合物の中から選ばれ
る1種以上が拡散浸透して、外部には炭化物、硼化物及
び窒化物の中から選ばれる1種以上が生成されるし、内
部には残留熱分解炭素層、又は硼素層が存在する。例え
ば、熱分解炭素と、珪素化合物、ジルコニウム化合物及
び硼素化合物の中から選ばれる1種以上と反応すると、
核燃料の表面の外部にはそれぞれ珪素炭化物、ジルコニ
ウム炭化物及び硼素炭化物の中から選ばれる1種以上が
生成され、核燃料の表面の内部には熱分解炭素が残留す
る。
As a result of the high-temperature combustion synthesis reaction, a pyrolytic carbon layer or a boron layer and one or more layers selected from carbides, borides and nitrides are formed on the surface of the nuclear fuel. That is, one or more selected from silicon, silicon compound, zirconium, zirconium compound and boron compound on the surface diffuses and penetrates through the combustion reaction, and to the outside, one selected from carbide, boride and nitride. The above is generated, and a residual pyrolytic carbon layer or a boron layer exists inside. For example, when pyrolytic carbon is reacted with at least one selected from a silicon compound, a zirconium compound and a boron compound,
At least one selected from silicon carbide, zirconium carbide and boron carbide is generated outside the surface of the nuclear fuel, and pyrolytic carbon remains inside the surface of the nuclear fuel.

【0015】核燃料の表面の炭化物層、硼化物層、窒化
物層の厚さは高温燃焼反応の程度に従い数ミクロン(μ
m )から数百ミクロン以上で調節され得る。前記した核
燃料表面に、レーザービーム、アーク又はマイクロ波等
を加え高温燃焼合成反応が起こるようにする過程に加え
て、化学蒸着装置を通して熱分解炭素又は硼素と、珪
素、珪素化合物、ジルコニウム、ジルコニウム化合物及
び硼素化合物から選ばれる1種以上が蒸着された核燃料
とを、高温還元炉又は窒素雰囲気の高温で熱処理するこ
とで、熱分解炭素層又は硼素層と、炭化物層、硼化物層
及び窒化物層の中から選ばれる1種以上を形成させるこ
とができる。
The thickness of the carbide layer, boride layer and nitride layer on the surface of the nuclear fuel is several microns (μm) according to the degree of the high-temperature combustion reaction.
m) can be adjusted from a few hundred microns or more. On the surface of the nuclear fuel, in addition to the process of applying a laser beam, arc or microwave to cause a high-temperature combustion synthesis reaction, pyrolytic carbon or boron and silicon, silicon compound, zirconium, zirconium compound through a chemical vapor deposition apparatus And a nuclear fuel on which at least one selected from the group consisting of boron compounds is deposited, by heat treatment at a high temperature in a high-temperature reduction furnace or a nitrogen atmosphere to form a pyrolytic carbon layer or a boron layer, a carbide layer, a boride layer and a nitride layer. And at least one selected from the following.

【0016】[0016]

【実施例】以下、下記の実施例により本発明を詳細に説
明する。下記実施例は、本発明を例示するものであり、
本発明の内容が実施例により限定されるのではない。 [実施例1]炭素供給源としての試薬級のプロパンを使
用し、流動型化学蒸着装置を用いて、温度1200℃、
圧力1気圧で粒子型核燃料の表面に先ず熱分解炭素を塗
布した。図1は熱分解炭素が塗布された粒子型核燃料の
断面を示したものであるが、粒子周囲に明るい層が見え
る。図2はこの熱分解炭素層の表面から見える状態を拡
大して示したものであり、図3はこの熱分解炭素層の断
面を示したものである。このように、第1段階の前半
で、核燃料粒子の表面に明らかに熱分解炭素層が形成さ
れる。
The present invention will now be described in detail with reference to the following examples. The following examples illustrate the invention,
The content of the present invention is not limited by the examples. [Example 1] Using reagent-grade propane as a carbon source, using a fluidized chemical vapor deposition apparatus, at a temperature of 1200 ° C,
First, pyrolytic carbon was applied to the surface of the particulate nuclear fuel at a pressure of 1 atm. FIG. 1 shows a cross section of the particulate nuclear fuel coated with pyrolytic carbon, and a bright layer can be seen around the particles. FIG. 2 is an enlarged view showing a state seen from the surface of the pyrolytic carbon layer, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the pyrolytic carbon layer. Thus, in the first half of the first stage, a pyrolytic carbon layer is clearly formed on the surface of the nuclear fuel particles.

【0017】次に、熱分解炭素と反応して炭化物を形成
することができる化合物としてシラン(SiH4)を使用
し、プラズマ向上化学蒸着装置で、温度500℃、圧力
10-5気圧で分解された珪素を前記核燃料表面に塗布し
た。このように第1段階を終了した後の核燃料の表面に
は、図4及び図5のX線回折図から分かるように、下部
は熱分解炭素層、上部は珪素層である積層が形成され
る。
Next, silane (SiH 4 ) is used as a compound capable of forming a carbide by reacting with pyrolytic carbon, and is decomposed at a temperature of 500 ° C. and a pressure of 10 −5 atm in a plasma enhanced chemical vapor deposition apparatus. The applied silicon was applied to the surface of the nuclear fuel. As can be seen from the X-ray diffraction diagrams of FIGS. 4 and 5, on the surface of the nuclear fuel after the completion of the first stage, a stack of a pyrolytic carbon layer at the lower part and a silicon layer at the upper part is formed. .

【0018】次に、10-3気圧の圧力で、1700℃温
度アークで1〜2秒の間加熱したあと冷却した。その結
果、核燃料の表面は、図6及び図7に示したように、高
温処理前は粗い状態の珪素塗布層の表面が、高温処理に
より緻密である表面の炭化珪素合成層になる。この緻密
な表面層は、図8のX線回折図から分かるように、炭化
珪素を主成分とし、珪素をごくわずか包含する層であ
る。
Next, it was heated for 1 to 2 seconds at a temperature of 1700 ° C. at a pressure of 10 −3 atm and then cooled. As a result, on the surface of the nuclear fuel, as shown in FIGS. 6 and 7, the surface of the silicon coating layer in a rough state before the high-temperature treatment becomes a dense silicon carbide composite layer by the high-temperature treatment. As can be seen from the X-ray diffraction diagram of FIG. 8, this dense surface layer is a layer containing silicon carbide as a main component and containing very little silicon.

【0019】一方、図9の左側の白色の粒子は、炭化物
が塗布される前の模擬核燃料粒子を示したものであり、
右側の黒い粒子は炭化物が塗布された後の最終の模擬核
燃料粒子を示す。以上に述べた走査電子顕微鏡写真とX
線回折図から、本発明による処理後の粒子型模擬核燃料
の表面には、内層が熱分解炭素層であり、外層が炭化珪
素層になった積層構造ができていることが分かる。
On the other hand, the white particles on the left side of FIG. 9 show the simulated nuclear fuel particles before the carbide is applied.
The black particles on the right show the final simulated nuclear fuel particles after the carbide has been applied. The scanning electron micrograph described above and X
From the line diffraction diagram, it can be seen that a laminated structure in which the inner layer is a pyrolytic carbon layer and the outer layer is a silicon carbide layer is formed on the surface of the particle-type simulated nuclear fuel after the treatment according to the present invention.

【0020】生成した炭化珪素層は、β−炭化珪素(β
−SiC )が99%以上の組成を有し、不純物としてα−
炭化珪素(α−SiC )が0. 5%以下、酸化珪素(Si
O2)が0. 3%以下、珪素(Si)が0. 2%以下を包含
した。また、生成した炭化珪素層をビッカス(Vickers
)硬度試験とウォーターイマージョン(water immersi
on )の方法を利用して硬度と密度をそれぞれ測定し、
測定結果の硬度が30GPa以上であり、密度が2. 6g/c
m3 以上であり、緻密であった。 [実施例2]試薬級のプロパンの代わりに工業用プロパ
ンを使用したほかには、実施例1と同一な原料と装置を
使用して、熱分解炭素と珪素を包含する層を順次的に粒
子型模擬核燃料の表面に塗布し、次に10-3気圧以下の
圧力で温度1500℃の高温還元炉で1時間加熱したあ
と、常温に冷却した。
The generated silicon carbide layer is made of β-silicon carbide (β
-SiC) has a composition of 99% or more, and α-
0.5% or less of silicon carbide (α-SiC) and silicon oxide (Si
O 2 ) contained 0.3% or less and silicon (Si) contained 0.2% or less. In addition, the generated silicon carbide layer is used for Vickers (Vickers).
) Hardness test and water immersi
on) and measure the hardness and density respectively.
The hardness of the measurement result is 30 GPa or more and the density is 2.6 g / c.
m 3 or more and dense. [Example 2] A layer containing pyrolytic carbon and silicon was sequentially formed using the same raw materials and equipment as in Example 1 except that industrial propane was used instead of reagent grade propane. It was applied to the surface of a model simulated nuclear fuel, then heated for 1 hour in a high-temperature reducing furnace at a temperature of 1500 ° C. at a pressure of 10 −3 atm or less, and then cooled to room temperature.

【0021】この場合も、粒子型の模擬核燃料の表面塗
布層は、その内部の構造が熱分解炭素であり、外部の構
造が炭化珪素層であった。この炭化珪素層は、β炭化珪
素(β−SiC )が99%以上の組成を有し、不純物とし
てα−炭化珪素(α−SiC )が0. 5%以下、酸化珪素
(SiO2)が0. 3%以下、珪素(Si)が0. 2%以下を
包含した。また、実施例1と同一な方法で硬度と密度を
測定した結果生成した炭化珪素層は、硬度が30GPa 以
上であり、密度が2. 6g/cm3 以上と緻密であった。 [実施例3]粒子型の核燃料の代わりに焼結体型模擬核
燃料を使用したほかには、実施例1と同一な原料と装置
を使用して、熱分解炭素と珪素を包含する層を順次的に
焼結体型模擬核燃料の表面に塗布し、次に10-3気圧以
下の圧力で温度1500℃の高温還元炉で1時間加熱し
たあと、常温に冷却して、表面に熱分解炭素と炭化珪素
が順次的に塗布された核燃料を製造した。
Also in this case, the surface coating layer of the particle type simulated nuclear fuel had a pyrocarbon structure in the inner structure and a silicon carbide layer in the outer structure. This silicon carbide layer has a composition of 99% or more of β silicon carbide (β-SiC), 0.5% or less of α-silicon carbide (α-SiC) and 0% of silicon oxide (SiO 2 ) as impurities. 3% or less, and silicon (Si) contained 0.2% or less. The hardness and density of the silicon carbide layer measured by the same method as in Example 1 were 30 GPa or more, and the density was 2.6 g / cm 3 or more. [Example 3] A layer containing pyrolytic carbon and silicon was sequentially formed using the same raw materials and equipment as in Example 1, except that a simulated nuclear fuel was used instead of the particulate nuclear fuel. Is applied to the surface of a sintered-type simulated nuclear fuel, and then heated for 1 hour in a high-temperature reducing furnace at a temperature of 1500 ° C. at a pressure of 10 −3 atm or less, and then cooled to room temperature. Produced a sequentially coated nuclear fuel.

【0022】図10の左側の白い円周体は、炭化物が塗
布される前の模擬核燃料焼結体を示したものであり、中
央と右側の黒い円周体は、炭化物が塗布された後の模擬
核燃料焼結体を示したものである。また、図11は実際
UO2 焼結体に熱分解炭素、珪素を塗布して10-3気圧
で1700℃以上の温度アークで1〜2秒の間燃焼合成
させて冷却したあと、更に熱分解炭素を実施例1と同じ
条件と方法で塗布した層の断面を示したものである。
The white circle on the left side of FIG. 10 shows the simulated nuclear fuel sintered body before the carbide is applied, and the black circles on the center and the right side show the circle after the carbide is applied. 1 shows a simulated nuclear fuel sintered body. FIG. 11 shows that the actual UO 2 sintered body was coated with pyrolytic carbon and silicon, and then burned and synthesized by a temperature arc of 1700 ° C. or more at 10 −3 atm and cooled for 1 to 2 seconds. 2 shows a cross section of a layer in which carbon was applied under the same conditions and method as in Example 1.

【0023】この場合も、それぞれの試料の表面の塗布
層は、その内部の構造が熱分解炭素であり、外部構造が
炭化珪素層であった。この炭化珪素層は、β−炭化珪素
(β−SiC )が99%以上の組成を有し、不純物として
α−炭化珪素(α−SiC )が0. 5%以下、酸化珪素
(SiO2)が0. 3%以下、珪素(Si)が0. 2%以下を
包含した。また、実施例1と同一な方法で硬度と密度を
測定した結果生成した炭化珪素層は硬度が30GPa 以上
であり、密度が2. 6g/cm3 以上と緻密であった。
Also in this case, the coating layer on the surface of each sample had a pyrocarbon structure in the inner structure and a silicon carbide layer in the outer structure. In this silicon carbide layer, β-silicon carbide (β-SiC) has a composition of 99% or more, α-silicon carbide (α-SiC) is 0.5% or less as impurities, and silicon oxide (SiO 2 ) is 0.3% or less, and silicon (Si) contained 0.2% or less. The hardness and density were measured by the same method as in Example 1. The silicon carbide layer formed as a result had a hardness of 30 GPa or more and a dense density of 2.6 g / cm 3 or more.

【0024】前記実施例1〜3で使用する原料、処理及
び塗布層の物性を下記の表1に要約した。
The raw materials, treatments and physical properties of the coating layers used in Examples 1 to 3 are summarized in Table 1 below.

【0025】[0025]

【表1】 [Table 1]

【0026】[0026]

【発明の効果】以上に述べたように、本発明の製造方法
は、従来の方法、即ち、値段が高く、1570℃以上の
比較的高温で熱分解され、反応後有害な塩酸及び塩素ガ
スを発生させるメチレンクロロシラン(CH3SiCl3)、ジ
メチルクロロシラン((CH3 2SiCl2)及びトリメチル
クロロシラン((CH3 3SiCl3)化合物を使用する製造
方法に比して、値段が安く、プラズマにより低温(20
0〜300℃)で熱分解されるし、反応の後にも有害な
塩素及び塩酸ガスが発生されないシラン(SiH4)、 テト
ラメチルシラン((CH3 4Si )及びヘキサメチルジシ
ラン(C6H18Si2)を利用するので、塗布の工程中に核燃
料の特性に影響を及ぼさず、さらに短時間で経済的に炭
化珪素層を塗布することができる。また、本発明の製造
方法は、塗布された熱分解炭素と珪素を高温燃焼合成す
る工程において、レーザービーム、アーク及びマイクロ
波の中から選ばれる1種を瞬間的に短時間で加えるた
め、高温で核燃料を長時間放置する従来の製造方法に比
して核燃料の相変化を随伴せず、微細な結晶組織を維持
・調節することができる。しかも、高温ガス炉型で使用
される核燃料粒子のみでなく、加圧軽水炉及び重水炉で
使用される核燃料焼結体にも適用することができる優秀
な製造方法である。
As described above, the production method of the present invention is a conventional method, that is, it is expensive, is thermally decomposed at a relatively high temperature of 1570 ° C. or more, and removes harmful hydrochloric acid and chlorine gas after the reaction. Compared to the production method using methylenechlorosilane (CH 3 SiCl 3 ), dimethylchlorosilane ((CH 3 ) 2 SiCl 2 ) and trimethylchlorosilane ((CH 3 ) 3 SiCl 3 ) compounds, the price is lower and the plasma Lower temperature (20
Silane (SiH 4 ), tetramethylsilane ((CH 3 ) 4 Si) and hexamethyldisilane (C 6 H), which are thermally decomposed at 0 to 300 ° C. and do not generate harmful chlorine and hydrochloric acid gas even after the reaction. Since 18 Si 2 ) is used, the characteristics of the nuclear fuel are not affected during the coating process, and the silicon carbide layer can be coated more economically in a shorter time. Further, in the production method of the present invention, in the step of burning and synthesizing the applied pyrolytic carbon and silicon at a high temperature, one kind selected from a laser beam, an arc and a microwave is added instantaneously in a short time. As compared with the conventional manufacturing method in which the nuclear fuel is left for a long time, a fine crystal structure can be maintained and adjusted without accompanying a phase change of the nuclear fuel. Moreover, it is an excellent production method applicable not only to nuclear fuel particles used in a high-temperature gas reactor type but also to a nuclear fuel sintered body used in a pressurized light water reactor and a heavy water reactor.

【0027】また、本発明は珪素又は珪素化合物の代わ
りに、ジルコニウム、ジルコニウム化合物及び硼素化合
物の中から選ばれる1種を熱分解炭素と反応させ硼素炭
化物又はジルコニウム炭化物を生成させることができる
し、珪素、珪素化合物、ジルコニウム、ジルコニウム化
合物及び硼素化合物を熱分解炭素の代わりに硼素又は窒
素と高温燃焼合成反応させ、これらの硼化物又は窒化物
などを形成させるのに適用する有用な方法でもある。
In the present invention, instead of silicon or a silicon compound, one selected from zirconium, a zirconium compound and a boron compound can be reacted with pyrolytic carbon to produce boron carbide or zirconium carbide; It is also a useful method that is applied to a high-temperature combustion synthesis reaction of silicon, a silicon compound, zirconium, a zirconium compound, and a boron compound with boron or nitrogen instead of pyrolytic carbon to form a boride or a nitride thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】熱分解炭素が塗布された核燃料粒子断面の走査
電子顕微鏡写真である。
FIG. 1 is a scanning electron micrograph of a cross section of nuclear fuel particles coated with pyrolytic carbon.

【図2】核燃料粒子の外部表面層である熱分解炭素層の
走査電子顕微鏡写真である。
FIG. 2 is a scanning electron micrograph of a pyrolytic carbon layer which is an outer surface layer of nuclear fuel particles.

【図3】核燃料粒子の外部表面層である熱分解炭素層断
面の高倍率の走査電子顕微鏡写真である。
FIG. 3 is a high magnification scanning electron micrograph of a cross section of a pyrolytic carbon layer which is an outer surface layer of nuclear fuel particles.

【図4】燃焼合成の前の下部熱分解炭素層のX線回折図
である。
FIG. 4 is an X-ray diffraction diagram of a lower pyrolytic carbon layer before combustion synthesis.

【図5】燃焼合成の前の上部珪素層のX線回折図であ
る。
FIG. 5 is an X-ray diffraction diagram of the upper silicon layer before combustion synthesis.

【図6】熱分解炭素と珪素が塗布され、燃焼合成される
前の核燃料表面の走査顕微鏡写真である。
FIG. 6 is a scanning micrograph of a nuclear fuel surface before pyrolytic carbon and silicon are applied and are subjected to combustion synthesis.

【図7】熱分解炭素と珪素が塗布され、燃焼合成された
あとの核燃料表面の走査電子顕微鏡写真である。
FIG. 7 is a scanning electron micrograph of a nuclear fuel surface after pyrolytic carbon and silicon are applied and synthesized by combustion.

【図8】燃焼合成の後の炭化珪素層のX線回折図であ
る。
FIG. 8 is an X-ray diffraction diagram of a silicon carbide layer after combustion synthesis.

【図9】核燃料粒子における炭化物の塗布される前と後
の写真である。
FIG. 9 is a photograph of a nuclear fuel particle before and after application of carbide.

【図10】核燃料焼結体における炭化物の塗布される前
と後の写真である。
FIGS. 10A and 10B are photographs before and after application of carbide in a nuclear fuel sintered body.

【図11】熱分解炭素、炭化珪素、熱分解炭素の塗布さ
れたUO2 焼結体の断面写真である。
FIG. 11 is a cross-sectional photograph of a UO 2 sintered body coated with pyrolytic carbon, silicon carbide, and pyrolytic carbon.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨウンウー リー 大韓民国,テジョン−シ 305−350,ユソ ン−ク,カヨン−ドン ケーアイティー キュスー エーピーティー.#12−105 (72)発明者 バングー キム 大韓民国,テジョン−シ 302−150,セオ −ク,マニュン−ドン カンビュン エー ピーティー.#108−1503 (72)発明者 ユンウォン リー 大韓民国,テジョン−シ 305−340,ユソ ン−ク,ドリョン−ドン 393−5 (72)発明者 サンホ ナ 大韓民国,テジョン−シ 305−333,ユソ ン−ク,オエン−ドン ハンビット エー ピーティー.#110−103 (72)発明者 ドンスン ソン 大韓民国,テジョン−シ 305−340,ユソ ン−ク,ドリョン−ドン リサーチ−セン ター ヒュンダイ エーピーティー. #102−701 (72)発明者 ヨン チョイ 大韓民国,テジョン−シ 305−390,ユソ ン−ク,チュンミン−ドン エキスポ エ ーピーティー.#301−501 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Youw-woo Lee, Korea, Taejong-Shi 305-350, U-Sung-Ku, Kayong-Dong K. # 12-105 (72) Inventor Bang-gu Kim, Republic of Korea, Taejong-si 302-150, Theok, Manun-Dong Cambyn AP. # 108-1503 (72) Inventor Yun-Won Lee Republic of Korea, Taejong-Shi 305-340, Yusong-ku, Doryeong-dong 393-5 (72) Inventor Sanhona South Korea, Taejong-Shi 305-333, Yusong- H, Owen-Don Hanbit AP. # 110-103 (72) Inventor Donsun Seung-South Korea, Taejong-Shi 305-340, Yusong-ku, Doryeong-Dong Research-Center Hyundai Apt. # 102-701 (72) Inventor Yong Choi Taejong, South Korea -Shi 305-390, Yusong-k, Chungmin-Don Expo E.P. # 301-501

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】核燃料表面に、i)熱分解炭素、硼素及び
窒素の中から選ばれる1種以上と反応して炭化物、硼化
物及び窒化物の中から選ばれる1種以上を形成する元素
又は化合物と、ii)熱分解炭素、硼素及び窒素の中から
選ばれる1種以上とを、化学蒸着法、スパッタリング法
及びガス浸透法の中から選ばれる1種以上により、順次
的に又は逆順に2層以上に積層するか浸透させる段階
(第1段階)と、第1段階で形成された化合物層を高温
及び高圧で短時間で燃焼合成させる段階(第2段階)と
を含む、炭化物、硼化物及び窒化物の中から選ばれる1
種以上とこれらの複合物が積層で塗布された核燃料の製
造方法。
1. An element which reacts with one or more selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen to form one or more selected from carbides, borides and nitrides on the surface of a nuclear fuel or The compound and ii) one or more selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen are sequentially or reversely subjected to one or more selected from a chemical vapor deposition method, a sputtering method and a gas permeation method. A carbide or boride comprising a step of laminating or penetrating more than one layer (first step) and a step of burning and synthesizing the compound layer formed in the first step at high temperature and high pressure in a short time (second step) 1 selected from and nitride
A method for producing a nuclear fuel in which at least one or more of these compounds and their composites are applied in a laminated manner.
【請求項2】第1段階は、500〜1200℃の温度で
雰囲気圧力を10-5〜1気圧に調整して遂行する、炭化
物、硼化物及び窒化物の中から選ばれる1種以上とこれ
らの複合物が積層で塗布された請求項1に記載の核燃料
の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the first step is performed at a temperature of 500 to 1200 ° C. while adjusting the atmospheric pressure to 10 -5 to 1 atm, and at least one selected from carbides, borides and nitrides. The method for producing a nuclear fuel according to claim 1, wherein the composite of (1) is applied by lamination.
【請求項3】第2段階は、雰囲気圧力を10-3〜10-2
気圧に調整して1700〜4000℃の温度で1〜2秒
の間高温加熱を行う、炭化物、硼化物及び窒化物の中か
ら選ばれる1種以上とこれらの複合物が積層で塗布され
た請求項1または2に記載の核燃料の製造方法。
3. The second step is to reduce the atmospheric pressure to 10 -3 to 10 -2.
At least one selected from carbides, borides and nitrides and a composite thereof are applied in a layered manner by heating to a temperature of 1700 to 4000 ° C. for 1 to 2 seconds by adjusting to an atmospheric pressure. Item 3. The method for producing a nuclear fuel according to Item 1 or 2.
【請求項4】熱分解炭素の炭素源はメタン、アセチレ
ン、エチレン及びプロパンの中から選ばれる1種以上で
あり、硼素源は硼素、酸化硼素及び金属−硼素化合物か
ら選ばれる1種以上であり、窒素源は窒素気体である、
炭化物、硼化物及び窒化物の中から選ばれる1種以上と
これらの複合物が積層で塗布された請求項1から3まで
のいずれかに記載の核燃料の製造方法。
4. The carbon source of pyrolytic carbon is at least one selected from methane, acetylene, ethylene and propane, and the boron source is at least one selected from boron, boron oxide and a metal-boron compound. , The nitrogen source is nitrogen gas,
The method for producing a nuclear fuel according to any one of claims 1 to 3, wherein at least one selected from carbides, borides, and nitrides and a composite thereof are applied in a stack.
【請求項5】熱分解炭素、硼素及び窒素の中から選ばれ
る1種以上と反応して炭化物、窒化物及び硼化物の中か
ら選ばれる1種以上を形成する元素又は化合物は、珪
素、珪素化合物、ジルコニウム、ジルコニウム化合物及
び硼素化合物の中から選ばれる1種以上である、炭化
物、硼化物及び窒化物の中から選ばれる1種以上とこれ
らの複合物が積層で塗布された請求項1から4までのい
ずれかに記載の核燃料の製造方法。
5. An element or compound which reacts with one or more selected from pyrolytic carbon, boron and nitrogen to form one or more selected from carbide, nitride and boride is silicon, silicon or silicon. A compound, zirconium, at least one selected from a zirconium compound and a boron compound, at least one selected from carbides, borides and nitrides, and a composite thereof, which is applied in a laminated manner. 4. The method for producing a nuclear fuel according to any one of 4 to 4.
【請求項6】珪素化合物は、シラン、テトラメチルシラ
ン及びヘキサメチルジシランの中から選ばれる1種以上
であり、ジルコニウム化合物はジルコニウム酸化物又は
塩化ジルコニウムであり、硼素化合物は炭化硼素又は窒
化硼素である、炭化物、硼化物及び窒化物の中から選ば
れる1種以上とこれらの複合物が積層で塗布された請求
項5に記載の核燃料の製造方法。
6. The silicon compound is at least one selected from silane, tetramethylsilane and hexamethyldisilane, the zirconium compound is zirconium oxide or zirconium chloride, and the boron compound is boron carbide or boron nitride. 6. The method for producing a nuclear fuel according to claim 5, wherein at least one selected from carbides, borides and nitrides and a composite thereof are applied in a laminated manner.
【請求項7】第1段階の核燃料の表面に熱分解炭素、窒
素及び硼素の中から選ばれる1種以上と、これらと反応
して炭化物、窒化物及び硼化物の中から選ばれる1種以
上を形成する元素又は化合物とを塗布する過程におい
て、化学蒸着法、スパッタリング法及びガス浸透法の中
から選ばれる1種以上を用いて塗布する、炭化物、硼化
物及び窒化物の中から選ばれる1種以上とこれらの複合
物が積層で塗布された請求項1から6までのいずれかに
記載の核燃料の製造方法。
7. At least one selected from pyrolytic carbon, nitrogen and boron on the surface of the first stage nuclear fuel and at least one selected from carbides, nitrides and borides by reacting with them. In the process of applying an element or compound that forms, one selected from carbides, borides and nitrides is applied using at least one selected from chemical vapor deposition, sputtering and gas infiltration. The method for producing a nuclear fuel according to any one of claims 1 to 6, wherein at least one species and a composite thereof are applied by lamination.
【請求項8】第2段階の高温燃焼合成時の熱源はレーザ
ービーム、アーク及びマイクロ波の中から選ばれる1種
以上である、炭化物、硼化物及び窒化物の中から選ばれ
る1種以上とこれらの複合物が積層で塗布された請求項
1から7までのいずれかに記載の核燃料の製造方法。
8. The heat source during the high-temperature combustion synthesis in the second stage is at least one selected from a laser beam, an arc and a microwave, and at least one selected from a carbide, a boride and a nitride. The method for producing a nuclear fuel according to any one of claims 1 to 7, wherein these composites are applied in a stack.
【請求項9】核燃料は粒子型又は焼結体が用いられる、
炭化物、硼化物及び窒化物の中から選ばれる1種以上と
これらの複合物が積層で塗布された請求項1から7まで
のいずれかに記載の核燃料の製造方法。
9. A nuclear fuel is a particle type or a sintered body.
The method for producing a nuclear fuel according to any one of claims 1 to 7, wherein at least one selected from carbides, borides, and nitrides and a composite thereof are applied in a stack.
【請求項10】核燃料表面に炭化物として炭化珪素層が
形成された場合において、炭化珪素層の組成はβ−炭化
珪素(β−SiC )を99%以上とする、炭化物、硼化物
及び窒化物の中から選ばれる1種以上とこれらの複合物
が積層で塗布された請求項1から7までのいずれかに記
載の核燃料の製造方法。
10. When a silicon carbide layer is formed as a carbide on the surface of a nuclear fuel, the composition of the silicon carbide layer contains 99% or more of β-silicon carbide (β-SiC) and contains carbide, boride and nitride. The method for producing a nuclear fuel according to any one of claims 1 to 7, wherein at least one compound selected from the above and a composite thereof are applied in a laminated manner.
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