KR100195539B1

KR100195539B1 - Uo2 연료펠릿을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR100195539B1
Application number: KR1019900005339A
Authority: KR
Inventors: 리챠드 젠첸 윌리암; 알란 디드웨이 조니
Original assignee: 디어터 크리스트, 베르너 뵈켈; 지멘스 악티엔게젤샤프트
Priority date: 1989-05-05
Filing date: 1990-04-17
Publication date: 1999-06-15
Also published as: ES2055826T3; KR900019058A; EP0395979A1; DE69010269T2; EP0395979B1; JPH02307094A; DE69010269D1

Abstract

핵 연료 펠릿은 혼합물을 얻기 위하여 증량제 및 다른 첨가제를 함유할 수 있는 이산화 우라늄 소결 분말을 우라늄 이산화물 소결 분말의 0.1 내지 0.4주량% 양으로 이루어진 알루미늄 디스테아레이트와 건성 혼합함으로써 형성된다. 다음에 상기 혼합물은 알루미늄 디스테아레이트의 나머지 구성물로서 산화 알루미늄을 함유하는 소결 펠릿으로 가열되는 그린 펠릿으로 압착된다. 상기 알루미늄 디스테아레이트는 압착 프로세서의 윤활제로 소용되는 반면, 상기 나머지 산화 알루미늄은 소결동안 입자 크기 제어 작용제로서 소용된다.

Description

UO₂연료 펠릿을 제조하는 방법

제1도는 본 발명에 따라 제조된 소결 펠릿의 정면도.

제2도는 새로운 공정 단계를 설명하는 순서도.

본 발명은 펠릿이 압착(pressing) 및 소결(sintering)에 의해 형성되는 원자로 연료를 사용하기 위한 이산화 우라늄 펠릿의 제조에 관한 것이다.

전력을 얻기 위해 상업적으로 운영되는 원자로는 일반적으로 금속 피복관내에 밀봉된 농축 이산화 우라늄 펠릿에 의해 연료를 공급받는다. 상기 펠릿은 가열되지 않은(unfried) 또는 그린(Green)펠릿을 형성하기 위해 고소 결정 세라믹 등급 이산화 우라늄 분말로부터 압착되는데, 다음에 이들은 요구된 소결 특성을 가질 때까지 제어된 주위 가스 분위기로 퍼니스(furnance)에서 가열된다. 상기 세라믹 분말의 특성 뿐만 아니라 압착 프로세스 및 이러한 프로세스에 사용되는 여러 첨가제에 대한 설명은 미국 특허 제4,430,276호(1984. 2. 7, Radford등)에 기술되어 있다. 상기 특허에는 소결 분말에 어떤 산화금속을 부가하면, 예컨데 완성된 펠릿의 미세 구조에서의 입자 크기가 증가됨으로써 바람직한 변화가 일어날 수 있다고 기재되어 있다.

그린 펠릿을 형성하기 위해 분말을 압착시키는 단계는 압착하는 동안의 마찰을 감소시키고 공구로부터 그린 펠릿을 손상없이 분리시키기 위해 압착 공구 또는 세라믹 분말 자체,또는 둘다에 대한 다이 윤활제의 첨가를 요구한다. 압착 이전에 세라믹 분말에 윤활제를 첨가하는 것은 세라믹 기술분야, 특히 이산화 우라늄 펠릿화 기술분야에 일반적으로 공지되어 있는 기술이다. 상기 목적에는 금속 비누가 특히 유용한 것으로 여겨지고 있다. 여러 금속 비누 화합물이 상기 목적에 유용한 것으로 이전에 발표되어 왔다. 그 중에서, 아연 스테아레이트가 세라믹 분말과 혼합되는 첨가제롤 분말 형태로 널리 사용되고 있다.

아연 스테아레이트 윤활제와 함께 압착되는 그린 펠릿이 가열될 때, 스테아레이트 유기 성분이 휘발되어 퍼니스로부터 제거된다.또한 금속 성분인 아연이 증발되어 펠릿으로부터 제거된다. 그러나, 퍼니스 가스내의 아연은 퍼니스의 벽면 위와 연도(flue)내에 증착되어 산화물을 형성한다. 얻어지는 증착물은 다루기 힘든 오염 물질이다.

본 발명의 새로운 방법에 따르면, 알루미늄 스테아레이트로 이루어진 건성 윤활제가 이산화 우라늄 소결 분말에 첨가되고 그린 펠릿의 압착에 앞서 이산화 우라늄 소결 분말과 건성 혼합된다. 수산화 알루미늄 디스테아레스트가 다이 윤활제로서 매우 효과적이다. 더욱이, 디스테아레스트는 소결과정에서 휘발되어 제거되는 반면, 수산화 알루미늄 성분은 산화 알루미늄 또는 알루미나 입자로 전환되어 연소 주기동안 펠릿내에 핵분열 생성물을 효과적으로 함유하기에 적합하도록 입자 크기를 더 크게 하는 입자 크기 조절제로서 작용한다.

본 발명의 방법에서, 수산화 알루미늄 디스테아레이트, 즉 Al(OH)(C₁₈H₃₅O₂)₂은 건성 산화 우라늄 세라믹 분발과 건성 분말의 형태로 함께 혼합된다. 세라믹 분말은 이산화 우라늄 그 자체 외에 소량의 다른 첨가제, 예컨대 가연성 유독 물질, 플루토늄 등을 함유할 수 있지만 편의상 본원에서 간단히 세라믹 분말로 언급할 것이다. 첨가되는 수산화 알루미늄 디스테아레이트의 양은 세라믹 분말 염기의 0.1 내지 0.4중량%이다.

수산화 알루미늄 디스테아레이트의 기능은 두가지이다. 첫째, 이는 펠릿 압착에 사용되는 다이 윤활제로서 아연 스테아레이트를직접 대체하게 된다. 수산화 알루미늄 디스테아레이트는 아연 스테아레이트와 동일한 과정 및 혼합 방법으로 첨가된다. 수산화 알루미늄 디스테아레이트 및 아연 스테아레이트의 윤활량은 본질적으로 동일하다. 둘째, 상기 화합물 중의 알루미늄 금속은 휘발성이 아니지만, 첨가되는 알루미나 분말에 의해 이전에 실행되던 작용인, 연료 안정화 작용제로서 연료 산화물 매트릭스를 통해 결합되기 시작한다. 또한, 상기 농도의 알루미나는 알루미나 부재하에서 수득된 입자 크기보다 2-5 마이크로미터만큼 소결 펠릿내 입자 크기를 증가시킨다. 제어된 입자 크기는 연료가 공급되고 있는 동안 핵분열 가스 방출을 조절하는데 필요하다. 알루미늄 스테아레이트 및 알루미나 첨가제는 알루미늄 원자의 물농도로 환산하여 직접 비교할 때 동등한 입자 크기 결과를 제공한다.

아연 스테아레이트와 알루미나를 대신하여 수산화 알루미늄 디스아레이트를 사용할 때의 중요한 부가 장점은 펠릿 말단 캐핑 한계점(ECT : end capping threshold)을 증가시킨다는 것이다. 상기 한계점이란 만족스런 펠릿 수율을 얻기 위해 알맞은 최대 압착 압력으로 참조된다. 직접적인 비교시험은 그린 펠릿이 다이로부터 제거될 때 수산화 알루미늄 디스테아레이트가 말단면에 미세 열극 형태의 소위 말단 캡 결함(end cap flaws)을 가짜로 형성하지 않으면서 더 높은 압분체 밀도 매개변수로 펠릿 압착을 허용할 것이라는 것을 보여준다. 대신에, 보다 강한 그린 펠릿이 제조되므로 제조 수율을 증가시킨다.

[실시예 1]

본 발명에 따른 제조 방법의 한 예로, 제1도에 제시된 핵연료 펠릿(10)은 제2도의 순서도에 의해 설명되는 방법에 의해 제조된다. 상기 방법에서, 강철 드럼은 1.6mm 이하의 입자로 미리 압축되고 과립화된 200kg의 고소결성 이산화 우라늄 세라믹 분말(그중의 약 12%는 재사용을 위한 스크랩 펠릿의 처리로부터 얻어지는 이산화 우라늄의 산화된 형태)을 함유하고 , 2000ppm H_2O/_ou2이하의 수분 함량을 가지며, 수산화 알루미늄 디스테아레이트 400그램(예를 들면, 세라믹 분말에 대해 0.2중량%)이 첨가되어진다.

수산화 알루미늄 디스테아레이트는 약 19% 전체 회분, 약 4.5% 유리 지방산 및 약 0.5% 수분을 통상적으로 함유하는 공업용 건성 분말 물질이다.

74마이크로미터 체를 통해 98%, 44 마이크로미터 체를 통해 95% 및 210마이크로미터 체를 통해 모든 입자가 통과할 수 있는 입자 크기를 가진다. 분말은 균일하게 혼합될 때까지 5-15분간 드럼 덤블링 기계에서 혼합된다.

상기 혼합된 분말 혼합물이 분말 혼합물의 특성에 따라 40,000psi(pounds per square inch) 내지 75,000psi의 힘으로 그린 펠릿으로 압착시키는 기계식 펠릿화 기기에 로딩된다.

상기 그린 펠릿이 쟁반 모양의 접시위에 로딩되고, 섭씨 21-35의 이슬점 온도로 제어된 수증기를 사용한 환원성 분위기의 퍼니스내로 공급되어 섭씨 1700-1780도에서 2-3시간 가열된 후, 실온에서 냉각된다. 이런 시점에서 소결 과정이 완결되며 펠릿은 다른 면에서 추가로 처라될 수 있다.

[실시예 2]

본 발명의 따른 제조방법의 다른 실시예에서, 부가되는 다이 윤활제만 제외하고 모든 단계 및 사용량은 상기 실시예 l 에서와 동일하다. 이 경우에, 윤활제는 수산화 알루미늄 트리스테아레이트이다. 상기 윤활제는 0.28중량%의 양으로 부가된다. 화합물내 알루미늄 원소의 양은 소결된 생성물의 입자크기를 안정화시키는데 중요하므로, 수산화알루미늄 트리스테아레이트는 알루미늄 디스테아레이트보다 비교적 많은 양이 필요하다. 그러므로, 스테아레이트기의 특성에 상관없이, 부가된 알루미늄의 스테아레이트의 양은 0.025 내지 0.335몰%(30-250 마이크로그램 Al/그램)의 분말 혼합물내에 존재하는 아루미늄 원소를 기준으로 해야 한다.

알루미늄 트리스테아레이트는 사용할 때 우수한 윤활 특성을 나타낸다. 그러나, 알루미늄 트리스테아레이트를 위한 제조 방법의 특성은 상기 생성물이 상당한 비율의 지나치게 큰 입자가 없으면 현재 정상적으로 이용할 수 없다는데 있다. 큰 입자는 소결된 펠릿내에 지나치게 큰 공극 크기를 초래하며, 이 사실은 단점이 된다. 적합한 분말 형태로 얻을 수 있다면, 수산화 알루미늄 트리스테아레이트는 상기 목적을 위해 유용하다고 생각된다. 수산화 알루미늄 트리스테아레이트의 윤활 특성은 허용가능한 반면 수산화 알루미늄 모노스테아레이트의 윤활 특성은 충분하지 않다. 높은 비율의 수산화 알루미늄 모노스테아레이트는 윤활작용을 위한 스테아르산염기에 비례하여 초과량의 알루미늄 도펀트를 제공한다.

본 발명의 방법은 금속 및/또는 윤활제가 슬러리와 같은 유체 상태로 부가되는 방법과 구별된다. 습식 공정이 핵분열 물질에 대해 사용될 경우, 혼합을 위해 요구된 조건에 중요한 잔류 용제, 응집성 및 유동성 등을 신중히 고려해야 한다. 부가적으로, 습식 공정은 현탄액의 균일성을 저하시키는 침전 및 다른 현상 때문에 구성 성분의 농도조절을 어렵게 만든다. 반면, 화합물의 건성 혼합은 상대적으로 신중히 고려할 피요가 없고 구성비율의 정밀한 제어를 용이하게 한다.

Claims

알루미늄 스테아레이트를 건성 분말 형태로 핵연료 세라믹 분말에 부가하는 단계; 상기 알루미늄 스테아레이트와 상기 세라믹 연료 분말을 혼합하여 균일 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물 그린 연료 펠릿으로 압착하는 단계; 및 스테아레이트를 증발시키기 위해 상기 그린 펠릿을 소결하는 단계를 포함하며, 상기 펠릿내에 산화물로서 알루미늄이 잔류하는 것을 특징으로 하는 핵연료 펠릿을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 부가되는 알루미늄 스테아레이트는 수산화 알루미늄 디스테아레이트인 것을 특징으로 하는 핵연료 펠릿을 제조하는 방법.
제2항에 있어서, 상기 수산화 알루미늄 스테아레이트의 양은 이것이 부가되는 상기 소결 분말의 0.1 내지 0.4중량%인 것을 특징으로하는 핵연료 펠릿을 제조하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 수산화 알루미늄 스테아레이트의 양은 이것이 부가되는 상기 소결 분말의 약 0.2중량%인 것을 특징으로 하는 핵연료 펠릿을 제조하는 방법.