KR100283728B1 - 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄(ｕｏ₂) 핵연료 소결체의 제조 방법 - Google Patents

불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄(ｕｏ₂) 핵연료 소결체의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법에 관한 것으로, 그 목적은 이산화 우라늄 소결체의 불량품을 재활용함과 동시에 큰 결정립을 구비하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 불량 UO2소결체 또는 불량 UO2소결체의 조각을 산화성 기체 분위기에서 가열하여 250-700℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 산화함으로써 U3O8분말을 제조하는 제 1 단계와, 상기 U3O8 분말을 산화성 기체 또는 불활성 기체 분위기에서 다시 가열하여 1100-1500℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 열처리함으로써 다결정 U3O8분말을 제조하는 제 2 단계와, 상기 다결정 U3O8분말 입자를 구성하는 결정들을 분리하여 단결정 U3O8분말을 제조하는 제 3 단계와, 상기 단결정 U3O8분말이 15 중량 % 이내가 되도록 UO2분말과 혼합하고, 예비 성형하여 슬러그를 만든 다음, 상기 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조하는 제 4 단계와, 상기 과립에 윤활제를 첨가·혼합하고, 이를 상기 과립을 압축·성형하여 성형체를 제조하는 제 5 단계와, 상기 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 유지함으로써 소결하는 제 6 단계로 이루어진 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법을 제공함에 있다.

Description

불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄(ＵＯ₂) 핵연료 소결체의 제조 방법{Method for manufacturing a large-grained UO2 fuel pellet}
본 발명은 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법에 관한 것으로, 이산화 우라늄(이하 'UO2' 라 칭함) 핵연료 소결체 제조공정시 발생되는 불량 소결체를 재활용하여 핵연료 제조비용을 절감하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.
원자로에서 핵연료로서 사용되고 있는 UO2소결체는 통상적으로 도 1 에 나타낸 제조공정을 거쳐서 생산된다. 즉, UO2분말을 출발물질로 하여 여기에 윤활제를 첨가·혼합하고 약 1 ton/㎠ 압력으로 예비 성형하여 슬러그(slug)를 형성하며, 상기 슬러그를 파쇄하여 과립(granule)을 제조한 후, 상기 과립에 윤활제를 첨가·혼합한 다음, 이를 압축·성형하여 약 50% TD (TD:이론밀도)를 갖는 성형체 (green pellet)를 제조한다. 상기와 같이 제조된 성형체를 수소 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도로 2-4 시간 동안 유지함으로써 소결한다. 이때, 상기 UO2분말의 유동성이 좋을 경우에는, 과립을 제조하지 않고 UO2 분말을 직접 압축성형하여 성형체를 만들어서 소결한다. 상기와 같은 공정에 의해 제조된 UO2소결체는 밀도가 95 %TD 이고 결정립 크기는 6-8㎛ 범위에 있다.
상기와 같이 제조된 UO2소결체는 지르코늄 합금 피복관에 장입되어 밀봉한 형태로 원자로에서 사용되며, 핵연료를 보다 오랫동안 사용하기 위해서, 즉 핵연료의 고연소도를 위해서는 핵분열에 의해서 발생하는 제논(Xe) 및 크립톤(Kr) 같은 핵분열 기체가 소결체 밖으로 가능한 적게 방출되는 것이 좋다. 왜냐하면 방출된 기체는 피복관의 압력을 높여서 피복관의 파손을 초래할 수 있기 때문이다. 따라서 핵연료의 경제성을 높이기 위한 고연소도 핵연료에서는 소결체의 결정립 크기를 성장시키는 것이 바람직하다.
UO2소결체 제조공정에서는 기술시방서에 따라서 소결밀도, 미세조직, 칫수, 외관에 대한 품질검사를 실시하여 합격한 제품만이 핵연료봉 제조에 사용되고, 기술시방서를 충족하지 못한 소결체는 불량품(scrap)으로 분류된다.
그러나, 상기 불량 소결체는 매우 비싼 농축 우라늄을 함유하고 있기 때문에, 핵연료 제조비용을 절감하기 위하여 핵연료 제조에 불량 소결체를 재활용하고 있다.
종래에 사용되고 있는 불량 소결체의 재활용 방법은 불량 UO2소결체를 열처리로에서 공기를 불어주면서 400-600℃ 로 가열하면, UO2소결체가 산화되면서 U3O8분말로 변한다. 이렇게 제조한 U3O8분말을 UO2분말과 혼합하여 혼합분말을 얻고, 상기 혼합 분말을 도 1 에 예시한 제조공정을 따라서 압축 성형하여 성형체를 제조한 다음, 이를 환원성 기체 분위기에서 1600 - 1800℃ 온도에서 소결하여 UO2소결체를 제조한다. 상기 불량품은 낮은 비율일지라도 항상 발생하기 때문에 불량품을 이용한 재활용공정은 핵연료 소결체 생산공정의 일부분으로서 항상 이용되고 있다.
그러나, 상기 U3O8분말은 UO2분말에 비해서 소결성이 매우 나쁘기 때문에 혼합분말 중 U3O8분말의 배합비율이 높아질수록 소결체의 밀도는 감소하게 되므로, UO2소결체를 원자로에서 안전하게 사용하기 위하여 소결체 밀도가 이론밀도(theoretical density)의 약 95% 정도 되도록, 약 15 중량% 이내가 되도록 U3O8분말량을 조절하였다.
미국 특허 공고 3,140,151 은 U3O8분말을 재사용하기 전에 추가로 열처리함으로써 분말의 입자 크기를 감소시켜, 더욱 많은 양의 U3O8분말을 재활용하는 방법으로, 상기 방법은 불량 소결체를 300℃- 500℃ 온도로 산화해서 얻은 U3O8분말을 다시 500℃-800℃ 온도에서 환원해서 UO2분말을 제조하고, 이를 다시 100℃-250℃ 온도에서 산화한 다음, 250℃-500℃ 온도에서 환원하는 공정을 3번 이상 반복하는 것이다. 이와 같이 산화 및 환원을 반복하면 입자의 크기가 감소하게 되므로 분말의 소결성이 높아진다.
또한, 미국특허 공고 3,578,419는 불량 UO2소결체를 적당한 크기로 파쇄한 후 유동로에서 200℃-320℃ 온도 범위에서 산화하여 U3O8분말을 만들고, 이를 다시 430℃-700℃ 온도 범위에서 환원하여 UO2분말을 제조하는 것이다.
그러나, 상기 종래기술에 따라서 불량 소결체를 재활용하여 UO2소결체를 제조하면, UO2소결체의 결정립 크기는 6-8 ㎛ 범위에 있으며, 결정립의 크기는 U3O8분말의 양에 거의 영향을 받지 않는다. 즉, 상기 종래 기술은 불량품을 재활용할 수 있는 장점이 있지만, 제조되는 UO2소결체의 결정립 크기를 성장시키지 못하는 단점이 있었다.
일본 특허공개 平2-95298 은 불량 UO2소결체로부터 얻는 U3O8분말을 이용하여 제조하는 UO2소결체의 결정립 크기를 성장시키는 방법에 관한 것으로, 불량 UO2소결체로부터 U3O8분말을 얻고, 이 U3O8분말이 25-45 중량%가 되도록 U3O8과 UO2의 혼합분말을 준비하며, 이를 압축 성형하여 성형체를 제조한 후, 성형체를 산화성 기체 분위기에서 가열하여 1100-1400℃ 온도범위에서 유지함으로써 소결한 다음, 다시 동일 온도 범위에서 환원성 기체 분위기로 환원하여 UO2소결체를 제조하도록 되어 있었다. 상기 방법은 산화성 기체를 소결 분위기로 사용하여 산소 대 우라늄 비 ( O/U 비)를 2.25-3.00 범위로 조절함으로써 약 20 ㎛ 크기의 결정립을 갖는 UO2소결체를 저온에서 제조하는 것으로, 큰 결정립을 갖는 UO2소결체의 제조가 가능하지만, 이 방법은 환원성 기체와 산화성 기체를 동일한 소결로에서 분리해서 취급할 수 있는 특수한 소결로를 필요로 하므로, 기존의 소결로를 사용할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 이산화 우라늄 소결체의 불량품을 재활용함과 동시에 큰 결정립을 구비하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 불량 UO2소결체 또는 불량 UO2소결체의 조각을 산화성 기체 분위기에서 가열하여 250-700℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 산화함으로써 U3O8분말을 제조하는 제 1 단계와, 상기 U3O8분말을 산화성 기체 또는 불활성 기체 분위기에서 다시 가열하여 1100-1500℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 열처리함으로써 다결정 U3O8분말을 제조하는 제 2 단계와, 상기 다결정 U3O8분말 입자를 구성하는 결정들을 분리하여 단결정 U3O8분말을 제조하는 제 3 단계와, 상기 단결정 U3O8분말이 15 중량 % 이내가 되도록 UO2분말과 혼합하고, 예비 성형하여 슬러그를 만든 다음, 상기 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조하는 제 4 단계와, 상기 과립에 윤활제를 첨가·혼합하고, 이를 상기 과립을 압축·성형하여 성형체를 제조하는 제 5 단계와, 상기 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 유지함으로써 소결하는 제 6 단계로 이루어진 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법을 제공함에 있다.
도 1 은 종래 기술에서 제공하는 불량품의 재활용이 가능한 UO2소결체 제조공정의 흐름도
도 2 는 본 발명에서 제공하는 불량품의 재활용이 가능한 UO2소결체 제조공정의 흐름도
도 3 은 종래 기술에서 사용하는 U3O8분말의 입자 형상을 보여주는 예시도
도 4 는 본 발명에서 열처리 후 얻는 다결정 U3O8분말의 입자 형상을 보여주는 예시도
도 5 는 본 발명에서 사용하는 단결정 U3O8분말의 입자 형상을 보여주는 예시도
도 2 는 본 발명에서 제공하는 불량품의 재활용이 가능한 UO2소결체 제조공정의 흐름도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 제조공정을 종래기술(도 1 참조)과 비교하면, 불량 UO2소결체로부터 U3O8분말을 제조하는 공정에서 차이가 있다. 즉, 본 발명에 의해 제조되는 U3O8분말은 대부분 하나의 입자가 하나의 결정 (crystal)으로 구성되므로 단결정 (single crystal) U3O8이라고 할 수 있으며, 그 제조 방법은 다음과 같다.
불량 UO2소결체를 산화성 기체 분위기에서 가열하여 350-700℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 산화함으로써 U3O8분말을 얻은 후, 다시 산화성 기체 분위기 또는 불활성 기체 분위기에서 가열하여 1100-1500℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 열처리 하여 다결정 (polycrystal) U3O8분말을 제조한 다음, 상기 다결정 U3O8분말에 기계적인 힘이나 충격을 가하여 결정과 결정을 분리함으로써 단결정 U3O8분말을 제조한다. 이때, 상기 산화성 기체로는 공기 또는 산소를 사용하거나, 상기 기체에 불활성 기체를 혼합한 기체를 사용한다.
UO2소결체가 산화중에 U3O8분말로 변하는 이유는, U3O8이 UO2보다 단위무게 당 부피가 약 30% 커서 산화할 때 팽창이 발생하고 이에 따른 응력으로 인해서 소결체에 균열이 발생하면서 깨지기 때문이다. 또한, 산화온도가 높을수록 응력을 잘 수용하게 되므로 U3O8분말 입자 크기가 커지게 된다. 그러나, 산화온도가 약 800℃ 이상이 되면 분말로 변하지 않고 덩어리 상태로 산화가 진행되므로 산화속도가 매우 느려진다. 따라서 U3O8분말을 제조하기 위한 불량 UO2소결체의 산화는 공기 중에서 400℃-600℃ 온도 범위에서 실시하는 것이 효율적이다.
도 3 은 종래 기술에서 사용하는 U3O8분말의 입자 형상을 보여주는 예시도를 도시한 것으로, 종래의 방법에 의해 불량 UO2소결체를 350-700℃ 온도로 산화해서 얻는 U3O8분말에는 미반응 UO2덩어리 또는 U3O8분말의 응집체 같은 물질이 큰 크기로 들어있는 경우가 있으므로 체거름(sieving)을 통해서 상기 물질을 제거한다. 이때, 상기 U3O8분말의 입자 평균크기는 5 - 15 ㎛ 로, 하나의 입자는 수많은 균열을 지니고 있기 때문에 표면이 매우 거칠고 또한 입자를 구성하는 결정(crystal)이 매우 작아서 식별하기 매우 어렵다.
도 4 는 본 발명에서 열처리 후 얻는 다결정 U3O8분말의 입자 형상을 보여주는 예시도를 도시한 것으로, 상기 입자 평균크기가 5 - 15 ㎛ 인 U3O8분말을 1100 - 1500℃ 온도로 1 시간 이상 열처리하면, U3O8입자와 입자가 서로 결합하면서 입자크기가 성장하고 동시에 균열들이 소멸하면서 입자의 밀도가 높아지고, 또한 하나의 입자 안에서는 결정이 성장하면서 수 개 내지 수 십 개의 결정이 형성된다. 상기 결정의 크기는 열처리 온도가 높을수록 그리고 열처리 시간이 길수록 증가하는데, 그 조건에 따라서 2 - 20 ㎛ 크기를 갖는다. 상기 입자를 구성하는 결정의 형상은 식별이 가능하며, 결정의 모양은 다면체이다. 또한, 상기 다면체 결정들은 2-3 면 정도만이 결합되어 있기 때문에 기계적인 힘 또는 충격에 의해서 쉽게 분리된다.
도 5 는 본 발명에서 사용하는 단결정 U3O8분말의 입자 형상을 보여주는 예시도를 도시한 것으로, 상기 다결정 U3O8분말에 기계적인 힘을 가하면, 하나의 입자 안에서 결정과 결정이 서로 분리되어 U3O8분말의 입자는 단결정이 된다. 만약 결정의 분리가 충분하지 못해서 하나의 입자가 많은 수의 결정으로 구성되어 있으면, 결정립 성장 효과가 거의 없다. 따라서 하나의 U3O8입자는 약 10 개 이하의 결정으로 구성되는 것이 좋고, 가능하면 단결정인 것이 가장 좋다. 열처리 후 U3O8분말을 빨리 냉각하면, 열충격 때문에 입자의 분리가 더욱 용이해지므로 단결정 U3O8분말을 제조하기가 쉽다.
또한, 불량 UO2소결체를 파쇄하여 얻는 UO2소결체 조각(fragment)의 경우에도 본 발명에서 제공하는 U3O8분말의 제조공정에 따라서 재활용할 수 있다. 다만, UO2의 산화 반응은 반응물의 비표면적이 클수록 빨라지기 때문에 UO2소결체 조각을 산화시킬 경우에는 산화온도를 약간 낮추어서 250 - 600℃로 조절하는 것이 좋다.
본 발명은 상기 단결정 U3O8분말이 15 중량 % 이내가 되도록 UO2분말과 혼합하여 혼합분말을 제조하고, 이를 약 1 ton/㎠ 압력으로 예비 성형하여 슬러그(slug)를 만든 다음, 슬러그를 파쇄하여 과립(granule)을 제조하고, 이 과립에 윤활제를 첨가·혼합한 다음 압축 성형하여 원주형의 성형체 (green pellet)를 만들며, 이 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 유지함으로써 소결한다. 이때 상기 환원성 기체로는 수소기체가 사용되거나 수소기체와 불활성기체 또는 이산화탄소 또는 수증기의 혼합기체가 사용된다. 이와 같은 방법으로 제조된 UO2소결체의 밀도는 약 95 %TD 이고, 결정립 크기는 10 ㎛ 보다 크다.
종래 기술에서는 UO2소결체의 결정립을 10 ㎛ 이상으로 성장시키기 위해서는 1700℃에서 약 20 시간의 소결을 필요로 하지만 본 발명에서는 약 4 시간 정도면 가능하므로, 본 발명에서 제공하는 제조 방법은 생산성을 향상하는 효과가 있다.
본 발명에 따른 제조공정에서 과립의 제조는 압축성형 공정을 원활하게 하기 위한 것으로서, 만약 UO2분말의 유동성이 좋으면, 예를 들어 AUC (Ammonium Uranyl Carbonate) 공정으로 제조한 UO2분말의 경우에는 과립을 만들지 않고서도 압축성형이 가능하다.
또한, 본 발명에 따라서 얻는 성형체는 작은 UO2입자가 기지조직을 이루고 그 안에 큰 단결정 U3O8입자가 균일하게 분포된 상태이다. 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하면 소결성이 높은 UO2입자들 사이의 물질이동에 의해서 약 700℃부터 치밀화가 시작되지만, 단결정 U3O8입자는 이미 열처리를 받은 상태이므로 열처리 온도까지는 물질이동이 거의 없고 다만 단결정 U3O8입자는 단결정 UO2입자로 환원된다. 치밀화가 진행되면서 작은 UO2입자들이 결합되면서 결정립(grain)으로 변하는 동안 단결정 U3O8입자로부터 환원된 단결정 UO2입자는 큰 결정립으로 남게된다. 이렇게 되면 큰 UO2결정립이 존재하고 그 주위에 작은 UO2결정립들이 형성된 상태가 된다. 상기한 바와 같이 결정립 크기가 서로 크게 차이가 나는 경우에는 큰 결정립이 주위의 작은 결정립들을 포획하면서 더욱 크게 성장하게 된다. 종래 기술에 따라서 제조하는 성형체에서는 결정립 크기에 차이가 거의 없기 때문에 상기한 결정립 성장이 일어나지 않는다.
성형체 내에 균일하게 분산된 단결정 U3O8입자들이 소결 중에 결정립 성장의 종자로서 작용하기 때문에 소결체는 전체적으로 큰 결정립을 갖게 된다. 성형체 안에 단결정 U3O8입자가 너무 많아지면 결정립 성장 효과가 감소하는데, 이것은 단결정 U3O8입자에서 시작된 결정립 성장이 이웃 단결정 U3O8입자에 의해서 제한을 받기 때문이고, 따라서 UO2분말과 단결정 U3O8분말을 혼합할 때 단결정 U3O8의 양을 4 - 8 중량 %로 조절하는 것이 좋다. 또한 하나의 U3O8입자가 단결정 일 때 결정립 성장 효과가 크고, U3O8입자가 많은 결정으로 구성되어 있으면 결정립 성장 효과는 감소한다. 따라서 열처리 후 다결정 U3O8분말의 입자를 잘게 분리할 때 입자크기를 단결정의 크기와 유사하도록 조절하는 것이 좋다.
또한, 본 발명은 단결정 U3O8분말의 제조방법을 변경함으로써 단결정 UO2분말을 제조할 수 있다. 예를 들어 설명하면, 단결정 U3O8분말을 환원성 기체 분위기에서 500-1000℃ 온도로 가열하여 단결정 UO2분말을 제조하거나, 다결정 U3O8분말을 제조한 후 환원성 기체 분위기에서 500-1500℃ 온도 범위에서 가열하여 다결정 UO2분말을 제조하고, 상기 UO2다결정 분말에 기계적인 힘이나 충격을 가하여 결정과 결정을 분리함으로써 단결정 UO2분말을 제조한다. 상기 환원성 기체로는 수소 기체 또는 수소와 불활성 기체의 혼합 기체를 사용한다. 상기 방법으로 제조한 단결정 UO2분말은 단결정 U3O8분말과 동일한 방법으로 UO2소결체 제조에 재활용 한다.
상기 단결정 UO2분말이 15 중량 % 이내가 되도록 UO2분말과 혼합하여 혼합분말을 준비하고, 약 1 ton/㎠ 압력으로 예비 성형하여 슬러그를 만들고, 이 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조한다. 이 과립에 윤활제를 첨가·혼합하고, 압축 성형하여 원주형의 성형체를 만들며, 이 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 유지함으로써 소결한다. 환원성 기체로는 수소기체가 사용되거나 수소기체와 불활성기체 또는 이산화탄소 또는 수증기의 혼합기체가 사용된다. 상기 UO2단결정은 U3O8단결정과 마찬가지 원리로 소결 중 성형체 안에서 결정립 성장의 종자로서 작용하게 된다.
본 발명은 UO2핵연료 소결체 제조공정에 적용할 수 있고 또한 UO2와 동일한 격자구조를 갖고 있는 (U,Gd)O2 또는 (U,Pu)O2 핵연료 소결체 제조에도 적용 가능하다.
이하 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
(실시예)
불량 UO2소결체를 열처리로에 장입하고 공기를 불어주면서 400℃에서 3 시간 동안 가열하여 U3O8분말을 준비하고, 이 분말을 100 mesh 체를 통과시켜서 150 ㎛ 이상의 입자들을 제거한다. 여기서 얻는 U3O8분말의 입자 평균크기는 7.5 ㎛ 이고, 입자 형상은 도 3 에 예시한 것과 유사하다. 상기 U3O8분말을 (가)형 U3O8분말로 칭한다.
상기 (가)형 U3O8분말을 열처리로에 장입하고 공기를 불어주면서 1300℃에서 4 시간 동안 가열하고 냉각하여 U3O8분말을 준비한다. 열처리된 U3O8분말에 기계적인 힘을 가하여 입자를 잘게 분리하여, 입자의 평균크기가 8 ㎛ 인 (나)형 U3O8분말 및 입자의 평균크기가 5.5 ㎛ 인 (다)형 U3O8분말을 제조한다. 상기 (나)형 U3O8분말의 입자는 3 - 4 개의 결정으로 구성되고, (다)형 U3O8분말의 입자는 1 - 2 개의 결정으로 구성된다. (나)형 U3O8및 (다)형 U3O8분말 입자의 형상은 도 5 에 예시한 것과 유사하다.
또한, (가)형 U3O8분말을 열처리로에 장입하고 공기를 불어주면서 1200℃에서 4 시간 동안 가열하고 냉각하여 U3O8분말을 준비한다. 열처리된 U3O8분말에 기계적인 힘을 가하여 입자를 잘게 분리하여, 입자의 평균크기가 8 ㎛ 인 (라)형 U3O8분말을 제조한다. (라)형 U3O8분말의 입자는 6 - 10 개의 결정으로 구성된다.
상기 (가)형, (나)형, (다)형, (라)형 U3O8분말이 각각 2, 4, 6, 8 중량 % 가 되도록 UO2분말과 혼합하고, 1 ton/㎠ 압력으로 예비 성형하여 슬러그를 만들고, 다시 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조한 후, 상기 과립에 윤활제를 첨가·혼합하고 3 ton/㎠ 압력으로 압축 성형하여 원주형 성형체를 제조한다. 상기 성형체를 수소 기체 분위기에서 가열하여 700℃에서 1 시간 유지함으로써 윤활제를 제거하고\, 다시 가열하여 1700℃에서 4시간 유지함으로써 소결한다.
상기 방법으로 제조된 UO2소결체의 밀도를 아르키메데스 원리를 이용한 부력법으로 측정하고, 결정립 크기는 직선 교차법으로 측정한다.
실시 예에서 얻은 UO2소결체의 밀도 및 결정립 크기를 표 1 및 표 2 에 각각 나타내었다. 표 1 및 표2 에서 (가)형 U3O8분말을 사용한 소결체는 종래 기술과 동일하게 제조한 것으로서, 본 발명의 특징을 분명히 보여주기 위한 비교 예이다.
표1. 실시 예에 따른 UO2소결체의 밀도
U3O8종류 U3O8혼합비 (중량 ％) 비고
0 2 4 6 8
(가) 97.44％TD 97.03％TD 96.91％TD 96.52％TD 96.33％TD 비교예
(나) 97.44％TD 96.99％TD 96.80％TD 96.47％TD 96.21％TD 1300℃/4시간입자크기8㎛
(다) 97.44％TD 97.03％TD 96.98％TD 96.42％TD 96.11％TD 1300℃/4시간입자크기5.5㎛
(라) 97.44％TD 96.91％TD 96.57％TD 96.30％TD 96.19％TD 1200℃/4시간입자크기8㎛
표 2.실시 예에 따른 UO2소결체의 결정립 크기
U3O8종류 U3O8혼합비 (중량 ％) 비고
0 2 4 6 8
(가) 7.6 ㎛ 7.3 ㎛ 6.9 ㎛ 6.9 ㎛ 6.8 ㎛ 비교예
(나) 7.6 ㎛ 7.9 ㎛ 9.3 ㎛ 12 ㎛ 10 ㎛ 1300℃/4시간입자크기8㎛
(다) 7.6 ㎛ 8.6 ㎛ 10.3 ㎛ 11.9 ㎛ 10.5 ㎛ 1300℃/4시간입자크기5.5㎛
(라) 7.6 ㎛ 7.8 ㎛ 8.1㎛ 9.6 ㎛ 9.4 ㎛ 1200℃/4시간입자크기8㎛
이와 같이 본 발명은 불량품을 재활용하므로, 핵연료 제조비용을 절감할 수 있으며, 결정립이 큰 UO2소결체가 제조되므로, 원자로에서 연소하는 동안 핵분열기체의 방출을 억제하여 고연소도에서 핵연료의 안전성을 높일 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 불량 UO2소결체 또는 불량 UO2소결체의 조각을 산화성 기체 분위기에서 가열하여 250-700℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 산화함으로써 U3O8분말을 제조하는 제 1 단계와,
    상기 U3O8분말을 산화성 기체 또는 불활성 기체 분위기에서 다시 가열하여 1100-1500℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 열처리함으로써 다결정 U3O8분말을 제조하는 제 2 단계와,
    상기 다결정 U3O8분말 입자를 구성하는 결정들을 분리하여 단결정 U3O8분말을 제조하는 제 3 단계와,
    상기 단결정 U3O8분말이 15 중량 % 이내가 되도록 UO2분말과 혼합하고, 예비 성형하여 슬러그를 만든 다음, 상기 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조하는 제 4 단계와,
    상기 과립에 윤활제를 첨가·혼합하고, 이를 상기 과립을 압축·성형하여 성형체를 제조하는 제 5 단계와,
    상기 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 유지함으로써 소결하는 제 6 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서;
    상기 산화성 기체는 공기, 산소, 공기와 불활성 기체의 혼합기체, 산소와 불활성기체의 혼합기체중 하나의 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서;
    상기 단결정 U3O8분말은 입자 당 결정의 수가 10 개 이하인 다결정 U3O8분말로 대체 가능한 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 소결체의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서;
    상기 환원성 기체는 수소기체 또는 수소기체에 불활성기체, 질소, 이산화탄소, 수증기중 하나 이상의 기체를 혼합한 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  5. 불량 UO2소결체 또는 불량 UO2소결체의 조각을 산화성 기체 분위기에서 가열하여 250-700℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 산화함으로써 U3O8분말을 제조하는 제 1 단계와,
    상기 U3O8분말을 산화성 기체 또는 불활성 기체 분위기에서 다시 가열하여 1100-1500℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 열처리함으로써 다결정 U3O8분말을 제조하는 제 2 단계와,
    상기 다결정 U3O8분말을 환원성 기체 분위기에서 500-1500℃ 온도로 환원하여 다결정 UO2분말을 제조한 후, 상기 다결정 UO2분말 입자를 구성하는 결정들을 분리하여 단결정 UO2분말을 제조하는 제 3 단계와,
    상기 단결정 UO2분말이 15 중량 % 이내가 되도록 UO2분말과 혼합하고, 예비 성형하여 슬러그를 만든 다음, 상기 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조하는 제 4 단계와,
    상기 과립에 윤활제를 첨가·혼합하고, 이를 상기 과립을 압축·성형하여 성형체를 제조하는 제 5 단계와,
    상기 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 유지하여 소결하는 제 6 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서;
    상기 산화성 기체는 공기, 산소, 공기와 불활성 기체의 혼합기체, 산소와 불활성 기체의 혼합기체중 하나의 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서;
    상기 단결정 UO2분말은 입자 당 결정의 수가 10 개 이하인 다결정 UO2분말로 대체 가능한 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서;
    상기 환원성 기체는 수소 기체 또는 수소기체에 불활성기체, 질소, 이산화탄소, 수증기 중의 하나 이상의 기체를 혼합한 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  9. 불량 UO2소결체 또는 불량 UO2소결체의 조각을 산화성 기체 분위기에서 가열하여 250-700℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 산화함으로써 U3O8분말을 제조하는 제 1 단계와,
    상기 U3O8분말을 산화성 기체 또는 불활성 기체 분위기에서 다시 가열하여 1100-1500℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 열처리함으로써 다결정 U3O8분말을 제조하는 제 2 단계와,
    상기 다결정 U3O8분말 입자를 구성하는 결정들을 분리하여 단결정 U3O8분말을 제조한 후, 단결정 U3O8분말을 환원성 기체 분위기에서 가열하여 500 - 1000℃ 온도 범위에서 환원하여 단결정 UO2분말을 제조하는 제 3 단계와,
    상기 단결정 UO2분말이 15 중량 % 이내가 되도록 UO2분말과 혼합하고, 예비 성형하여 슬러그를 만든 다음, 상기 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조하는 제 4 단계와,
    상기 과립에 윤활제를 첨가·혼합하고, 이를 상기 과립을 압축·성형하여 성형체를 제조하는 제 5 단계와,
    상기 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1600℃ - 1800℃ 온도 범위에서 1 시간 이상 유지하여 소결하는 제 6 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서;
    상기 산화성 기체는 공기, 산소, 공기와 불활성 기체의 혼합기체, 산소와 불활성 기체의 혼합기체중 하나의 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서;
    상기 단결정 UO2분말은 입자 당 결정의 수가 10 개 이하인 다결정 UO2분말로 대체 가능한 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서;
    상기 환원성 기체는 수소 기체 또는 수소기체에 불활성기체, 질소, 이산화탄소, 수증기 중의 하나 이상의 기체를 혼합한 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 불량품의 재활용이 가능한 이산화 우라늄 핵연료 소결체의 제조 방법.
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