KR100441563B1 - Method for recycling uo2 powder scrap into manufacture of nuclear fuel pellet - Google Patents

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Abstract

본 발명은 불량 UO2분말을 재활용한 UO2소결체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 불량 및/또는 비불량 UO2분말을 열처리하여 UO2다결정 분말을 제조하고, 상기 다결정 분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조한 후 상기 U3O8분말을 비불량 UO2분말에 혼합하고, 성형 및 소결하는 UO2소결체의 제조방법에 관한 것으로, 상기 제조방법은 UO2소결체의 앤드-캡핑(end-capping) 및 비정상 내부조직의 형성을 방지하며, 분말제조공정에서 발생되는 불량 UO2분말을 재활용할 수 있어 UO2소결체의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.The present invention relates to a method for producing a UO 2 sintered body recycled defective UO 2 powder, and more particularly to heat-treat the defective and / or poor defect UO 2 powder to produce a UO 2 polycrystalline powder, and to oxidize the polycrystalline powder After preparing the 3 O 8 powder, the U 3 O 8 powder is mixed with a non-defective UO 2 powder, and a method for manufacturing a UO 2 sintered body to form and sinter, the manufacturing method is end-capping of the UO 2 sintered body ( It prevents the end-capping and the formation of abnormal internal structure, and can recycle the defective UO 2 powder generated in the powder manufacturing process, which can be usefully used for the production of UO 2 sintered body.

Description

불량 UO₂분말을 재활용한 UO₂소결체의 제조방법{METHOD FOR RECYCLING UO2 POWDER SCRAP INTO MANUFACTURE OF NUCLEAR FUEL PELLET}METHOD FOR RECYCLING UO2 POWDER SCRAP INTO MANUFACTURE OF NUCLEAR FUEL PELLET}

본 발명은 불량 UO2분말을 재활용한 UO2소결체의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 불량 및/또는 비불량 UO2분말을 열처리하여 UO2다결정 분말을 제조하고, 상기 다결정 분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조한 후 상기 U3O8분말을 비불량 UO2분말에 혼합하고, 성형 및 소결하는 UO2소결체의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a UO 2 sintered body recycled defective UO 2 powder, and more particularly to heat-treat the defective and / or poor defect UO 2 powder to produce a UO 2 polycrystalline powder, and to oxidize the polycrystalline powder after preparing the 3 O 8 powder, a method for producing UO 2 sintered body mixture, and molding and sintering of the U 3 O 8 powder, the non-defective UO 2 powder.

핵연료 소결체 원료로 사용되는 UO2분말은 건식 공정 또는 습식 공정으로 제조되는데, 그 중 건식 공정(Dry Conversion, 이하 "DC 공정"라 칭한다.)은 기화공정 및 변환공정을 수행하여 UO2분말을 제조한다. 기화공정에서는 액체상태인 UF6를 전기 히터로 약 80∼120℃ 가열하여 기체상태의 UF6가스로 변환시키며, 변환공정에서는 상기 기화공정에서 기화된 UF6를 반응로에서 가수분해 수증기와 반응시켜 UO2F2를 생성시킨 후 회전 튜브에서 열가수분해 스팀 및 수소와 반응시켜 UO2F2를 UO2분말로 변환시킨다. 이러한 공정으로 제조된 UO2분말을 체질기(sifter)를 통과시키며, 체질기를 통과한 UO2분말은 혼합기에서 분말을 균질 혼합하여 약 500 ㎏을 단위로 균일한 특성을 갖도록 한다.UO 2 powder used as a raw material for nuclear fuel sintered body is manufactured by dry process or wet process, among which dry conversion (hereinafter referred to as "DC process") is performed by vaporization process and conversion process to produce UO 2 powder. do. In the vaporization process, the liquid UF 6 is heated to 80-120 ° C. with an electric heater to convert it into a gaseous UF 6 gas. In the conversion process, UF 6 vaporized in the vaporization process is reacted with hydrolyzed steam in a reactor. UO 2 F 2 is produced and then reacted with pyrohydrolysis steam and hydrogen in a rotating tube to convert UO 2 F 2 to UO 2 powder. The UO 2 powder prepared in this process is passed through a sieve, and the UO 2 powder passed through the sieve is homogeneously mixed with the powder in a mixer to have a uniform characteristic of about 500 kg.

또한, 상기 DC 공정으로 제조된 UO2분말은 성형과정을 거쳐 성형체로 제조한다. 구체적으로 UO2분말을 약 1 ton/㎠ 압력으로 예비성형하여 슬러그(slug)를만들고, 이것을 파쇄하여 UO2과립을 제조한다. 상기 과립을 약 3 ton/㎠ 압력으로 성형하여 성형체를 제조하고, 성형체를 수소기체 분위기에서 약 1700℃ 이상에서 소결한다. 상기 소결체의 밀도는 95%이고, 형상은 원주형이고, 직경은 7∼12 ㎜이고, 높이는 약 10 ㎜ 이다.In addition, the UO 2 powder produced by the DC process is manufactured into a molded body through a molding process. Specifically, the UO 2 powder is preformed at a pressure of about 1 ton / cm 2 to make slugs, which are crushed to prepare UO 2 granules. The granules are molded at a pressure of about 3 ton / cm 2 to prepare a molded body, and the molded body is sintered at about 1700 ° C. or higher in a hydrogen gas atmosphere. The density of the sintered compact is 95%, the shape is columnar, the diameter is 7 to 12 mm, and the height is about 10 mm.

분말 제조공정 및 소결체 제조공정에서는 통상적으로 일정량의 불량이 발생하게 된다. 구체적으로 분말 제조공정에서는 체질기를 통과하지 못하는 덩어리 분말(oversized powder)이 통상적으로 2∼6 중량% 발생된다. 상기 덩어리 분말은 불량 분말로서 소결체 제조에 직접 사용되지 않고, 다시 분말 제조공정에 투입되어 변환로에서 열가수분해 공정을 거쳐서 재활용된다. 또한, 소결체 제조공정에서는 도면 및 기술시방서를 만족하지 못하는 불량품이 발생하는데, 불량 UO2소결체는 공기 중에서 400∼600℃로 산화시켜서 U3O8분말을 제조하고 이것을 UO2분말과 혼합하여 재활용한다.In the powder manufacturing process and the sintered body manufacturing process, a certain amount of defects usually occur. Specifically, in the powder manufacturing process, an oversized powder that does not pass through the sieving machine is typically generated in an amount of 2 to 6 wt%. The agglomerate powder is not used directly in the manufacture of sintered compact as a defective powder, but is again put into a powder manufacturing process and recycled through a thermal hydrolysis process in a conversion furnace. In addition, in the manufacturing process of the sintered body, defective products that do not satisfy the drawings and technical specifications are generated. The poor UO 2 sintered body is oxidized to 400-600 ° C. in air to produce U 3 O 8 powder, which is mixed with UO 2 powder and recycled. .

한편, DC 공정으로 제조한 UO2분말은 성형성이 나쁘기 때문에 성형체의 끝단이 분리되는 앤드-캡핑(end-capping)이 자주 발생한다. 성형중에 발생한 앤드-캡핑(end-capping)은 소결 후 소결체에 균열을 발생시켜 소결체 불량율을 높인다.On the other hand, because the UO 2 powder produced by the DC process is poor in formability, end-capping of the end of the molded body is frequently generated. End-capping generated during molding causes cracks in the sintered body after sintering, thereby increasing the sintered body failure rate.

이에, 건식 UO2분말의 성형성을 개선하기 위해서 사용하는 방법 중의 하나는 UO2분말에 U3O8분말을 첨가하는 방법이 알려져 있다. UO2분말에 U3O8분말을 6∼25 중량% 첨가하고 혼합한 후 상술한 바와 같은 소결체 제조공정으로 UO2소결체를 제조한다. 상기 첨가되는 U3O8분말은 소결체 제조공정에서 통상적으로 발생하는 UO2소결체의 불량품을 공기중에서 산화시켜서 제조한다. 불량 소결체 발생량이 필요량보다 작을 경우, 건전한 UO2소결체로부터 U3O8분말을 제조하여 사용할 수 있지만 이 방법은 경제적이지 못하다. UO2소결체보다는 UO2분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조하여 UO2분말에 혼합해서 사용하는 방법이 더욱 경제적이다.Thus, one of the methods used to improve the formability of the dry UO 2 powder is known to add a U 3 O 8 powder to the UO 2 powder. 6 to 25% by weight of U 3 O 8 powder is added to the UO 2 powder, followed by mixing, to prepare a UO 2 sintered body by the sintered body manufacturing process as described above. The added U 3 O 8 powder is produced by oxidizing the defective product of the UO 2 sintered body, which usually occurs in the sintered body manufacturing process, in air. If the amount of defective sintered body is smaller than the required amount, U 3 O 8 powder can be produced and used from the healthy UO 2 sintered body, but this method is not economical. A method of oxidizing the UO 2 powder than UO 2 sintered body prepared by using a mixture in the UO 2 powder of U 3 O 8 powder is more economical.

UO2분말로부터 U3O8분말을 제조하여 이것을 소결체 제조에 활용하는 방법은 미국합중국특허 제4,889,663호에 개시되었다. 상기 특허에 따르면, UO2분말을 250∼350℃에서 산화시켜 U3O8분말을 만들어 UO2분말에 첨가하여 성형 및 소결한다. UO2분말을 산화시킨 U3O8분말을 첨가하면 성형체의 강도가 증가하여 앤드-캡핑(end-capping)이 감소하지만,도 1에서 보는 바와 같이 소결체 내부에 반지 형상의 매우 큰 기공이 형성되는 경향이 있다. 이러한 반지형상의 기공이 존재하면 소결체의 표면이 거칠어지고 또한 소결체의 개기공(기공 중에서 소결체 표면과 연결된 기공)의 부피를 증가시키는 문제점이 있다. 소결체에 개기공의 부피가 많아지면 소결체를 취급 또는 저장하는 동안 대기로부터 개기공을 통한 수분흡착이 증가한다. 또한 개기공은 핵분열 기체가 소결체 밖으로 방출되는 통로가 되기 때문에 개기공의 부피가 클수록 핵연료 소결체의 성능이 나빠지게 된다.A method of preparing U 3 O 8 powder from UO 2 powder and using it for the production of sintered body is disclosed in US Pat. No. 4,889,663. According to the patent, the UO 2 powder is oxidized at 250 to 350 ° C. to make a U 3 O 8 powder, which is added to the UO 2 powder to be molded and sintered. The addition of U 3 O 8 powder, which oxidizes UO 2 powder, increases the strength of the molded body and reduces end-capping, but as shown in FIG. 1 , very large pores in a ring shape are formed in the sintered body. There is a tendency. If such ring-shaped pores exist, the surface of the sintered body becomes rough and there is a problem of increasing the volume of open pores (pores connected to the surface of the sintered body in the pores). As the volume of open pores in the sinter increases, moisture adsorption through the open pores from the atmosphere increases during handling or storage of the sinter. In addition, since the open pores become a passage through which the fission gas is discharged out of the sintered body, the larger the volume of the open pores, the worse the performance of the nuclear fuel sintered body.

이에, 본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위해서, 불량 및/또는 비불량UO2분말을 열처리하여 UO2다결정 분말을 제조하고, 상기 다결정 분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조한 후 상기 U3O8분말을 비불량 UO2분말에 첨가하는 UO2소결체의 제조방법은 성형체의 압분강도를 향상시키고 동시에 소결체에서 비정상적인 반지형상의 기공의 형성을 방지할 수 있음을 알아내어 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors, in order to solve the above problems, to prepare a UO 2 polycrystalline powder by heat-treating poor and / or non-defective UO 2 powder, and to oxidize the polycrystalline powder to produce a U 3 O 8 powder and then to the U 3 The method for producing a UO 2 sintered body in which O 8 powder is added to a non-defective UO 2 powder has been found to improve the rolling strength of the molded body and to prevent the formation of abnormal ring pores in the sintered body.

본 발명의 목적은 UO2분말의 불량품을 재활용한 UO2소결체의 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a method for producing a UO 2 sintered body in which defective products of UO 2 powder are recycled.

도 1은 종래기술에 의한 UO2소결체(비교예 2, B 분말 포함)에서 발생하는 반지형상의 기공을 예시하는 내부조직을 나타낸 현미경 사진이며, 1 is a micrograph showing the internal structure illustrating ring-shaped pores generated in the UO 2 sintered compact (Comparative Example 2, B powder) according to the prior art,

도 2는 본 발명에 의한 UO2소결체 제조방법을 나타낸 순서도이며, 2 is a flow chart showing a method for producing a UO 2 sintered body according to the present invention,

도 3은 본 발명에 의한 열처리 후 얻는 UO2다결정의 형상을 예시하는 현미경 사진이며, 3 is a micrograph illustrating the shape of the UO 2 polycrystal obtained after the heat treatment according to the present invention.

도 4는 본 발명에 의한 실시예 1의 UO2소결체(A 분말 포함)의 내부조직을 나타낸 현미경 사진이며, Figure 4 is a micrograph showing the internal structure of the UO 2 sintered body (including A powder) of Example 1 according to the present invention,

도 5는 본 발명에 의한 실시예 2의 UO2소결체(C 분말 포함)의 내부조직을 나타낸 현미경 사진이며, Figure 5 is a micrograph showing the internal structure of the UO 2 sintered body (including C powder) of Example 2 according to the present invention,

도 6는 종래기술에 의한 비교예 3의 UO2소결체(D 분말 포함)의 내부조직을 나타낸 현미경 사진이다. 6 is a micrograph showing the internal structure of a UO 2 sintered body (including D powder) of Comparative Example 3 according to the prior art.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 UO2분말의 불량품을 재활용한 UO2소결체의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a UO 2 sintered body recycled defective products of UO 2 powder.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 UO2분말의 불량품을 재활용한 UO2소결체의 제조방법을 포함한다. 구체적으로, 상기 제조방법이도 2에서 보는 바와 같이,The invention includes a method for producing UO 2 sintered product, recycling of defective products UO 2 powder. Specifically, as shown in Figure 2 , the manufacturing method,

불량 및/또는 비불량 UO2분말을 U3O8평형 산소분압 미만의 산소분압 분위기하에서 열처리하여 UO2다결정 분말을 제조하는 단계(단계 1),Heat-treating the defective and / or non-defective UO 2 powder in an oxygen partial pressure atmosphere below the U 3 O 8 equilibrium oxygen partial pressure to prepare a UO 2 polycrystalline powder (step 1),

상기 다결정 분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조하는 단계(단계 2),Preparing a U 3 O 8 powder by oxidizing the polycrystalline powder (step 2),

상기 U3O8분말을 비불량 UO2분말과 혼합하여 혼합분말을 구성하는 단계(단계 3),Mixing the U 3 O 8 powder with a non-defective UO 2 powder to form a mixed powder (step 3),

상기 혼합분말을 몰드에서 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 4) 및Preparing a molded body by molding the mixed powder in a mold (step 4);

상기 성형체를 환원성 기체 분위기하에서 소결하는 단계(단계 5)로 이루어진 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법을 포함한다.And a method for producing a UO 2 nuclear fuel sintered body comprising the step of sintering the molded body under a reducing gas atmosphere (step 5).

본 발명에서 "불량 UO2분말"이란 분말제조공정에서 통상적으로 2∼6 중량% 발생하는 체질기를 통과하지 못하는 덩어리 분말(oversized powder)을 의미한다.In the present invention, "bad UO 2 powder" means an oversized powder that does not pass through a sieving machine, which typically occurs 2 to 6% by weight in the powder manufacturing process.

본 발명에서 "비불량 UO2분말"이란 분말제조공정에서 체질기를 통과한 분말을 의미한다.In the present invention, "non-defective UO 2 powder" means a powder that has passed through a sieving machine in the powder manufacturing process.

또한, 본 발명에서 "다결정 분말"이란 분말입자가 균열이 없는 매끈한 표면을 가진 다면체 형상의 결정(crystal)을 의미한다.In addition, in the present invention, "polycrystalline powder" means a polyhedral crystal in which the powder particles have a smooth surface without cracking.

단계 1은 불량 및/또는 비불량 UO2분말을 열처리하여 UO2다결정 형상으로 성장시키는 것으로, UO2분말을 U3O8의 평형 산소분압 미만의 산소분압에서 열처리하면, 분말입자는 균열이 없는 매끈한 표면을 가진 다면체 형상의 결정(crystal)으로 성장하고 결정들은 사슬 모양으로 서로 결합되며, 또한 입자의 자체밀도가 높아진다.도 3은 UO2분말을 열처리하여 얻는 UO2다결정 형상의 분말을 예시하는 것이다. UO2분말 열처리 분위기를 U3O8평형 산소분압 미만의 산소분압으로 한정한 이유는, UO2분말을 부피가 큰 오르토롬빅(orthorhombic) 격자구조로 변환되지 않으면서 결정을 성장시키기 위한 것으로, U3O8평형 산소분압은 하기와 수학식 1과 같이 나타낸다.Step 1 is to heat the defective and / or non-defective UO 2 powder to grow into a UO 2 polycrystalline shape. When the UO 2 powder is heat treated at an oxygen partial pressure less than the equilibrium oxygen partial pressure of U 3 O 8 , the powder particles are free of cracks. It grows into a polyhedral crystal with a smooth surface, and the crystals are joined together in a chain shape, and the particles themselves increase in density. 3 illustrates a UO 2 polycrystalline powder obtained by heat treatment of UO 2 powder. The reason for limiting the UO 2 powder heat treatment atmosphere to an oxygen partial pressure below the U 3 O 8 equilibrium oxygen partial pressure is to grow crystals without converting the UO 2 powder into a bulky orthorhombic lattice structure. 3 O 8 shows equilibrium oxygen partial pressure, such as to the equation (1).

(상기식에서 P는 O2의 기압이며, T는 열처리시 절대온도이다.)(P is the atmospheric pressure of O 2 , T is the absolute temperature during heat treatment.)

상기 단계에서는 900℃이상 온도에서 UO2분말은 결정으로 성장하고, 열처리 온도가 높을수록 분말의 결정 성장 속도가 빨라진다. 그러므로 UO2분말의 열처리 온도는 900∼1600℃ 온도영역이 바람직하다. 본 발명에서 사용하는 UO2분말은 비불량 UO2분말이 사용되거나 또는 UO2분말 제조 중에 발생하는 불량 분말인 덩어리 분말(oversized powder)이 사용가능하며, 경제적인 관점에서는 불량 분말을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. UO2분말은 열처리에 의해서 수백 ㎛ 크기의 다결정으로 성장하므로, 열처리 공정에서 불량분말과 정상분말의 두 종류 분말 중 어느 분말을 사용하여도 다결정 분말은 비슷하다.In this step, the UO 2 powder grows to crystal at a temperature of 900 ° C. or higher, and the higher the heat treatment temperature, the faster the crystal growth rate of the powder. Therefore, the heat treatment temperature of the UO 2 powder is preferably in the 900 to 1600 ° C temperature range. As the UO 2 powder used in the present invention, non-defective UO 2 powder may be used or an oversized powder, which is a bad powder generated during UO 2 powder production, may be used. desirable. Since UO 2 powder is grown into polycrystals of several hundred micrometers in size by heat treatment, the polycrystalline powder is similar in any of two powders, a bad powder and a normal powder, in the heat treatment process.

열처리에 사용되는 기체는 이산화탄소, 일산화탄소, 수소, 불활성기체 및 산소기체로 구성된 군 중 선택되는 하나 이상의 기체를 혼합하여 사용한다.Gas used in the heat treatment is used by mixing one or more gases selected from the group consisting of carbon dioxide, carbon monoxide, hydrogen, inert gas and oxygen gas.

단계 2는 얻어진 UO2다결정 분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조하는 것으로, 본 발명에서 산화온도는 200∼700℃가 바람직하다. 이는 UO2는 산소 또는 공기 분위기에서 200℃ 이상의 온도로 가열 유지하면 U3O8로 산화되며, 약 700℃ 까지는 온도가 증가할수록 산화 속도가 빠르고, 그 이상 온도에서는 다시 느려지기 때문이다. 얻어진 U3O8은 UO2보다 격자부피가 약 30 % 정도 크기 때문에 산화 중에 큰 응력이 발생하고, 이로인해 UO2다결정은 미세하게 깨지면서 U3O8분말로 변환된다. 이 때 U3O8분말은 응집되지 않으나, 반면에 UO2분말은 입자크기가 UO2다결정보다 매우 작고 자체 내에 미세 기공을 다량 함유하고 있다. UO2분말을 산화시키면 매우 미세한 U3O8분말이 만들어지고 동시에 응력이 미세기공에 의해서 수용되면서 U3O8분말이 별개의 입자로 분리되지 않고 서로 모여서 덩어리로 응집(agglomerate)된다. 본 발명에서 제공하는 방법에 따라서 UO2다결정을 산화해서 U3O8분말을 제조하면, UO2분말을 산화할 때 발생하는 U3O8분말의 응집 덩어리를 방지할 수 있는 장점이 있다.Step 2 is to prepare a U 3 O 8 powder by oxidizing the obtained UO 2 polycrystalline powder, the oxidation temperature is preferably 200 ~ 700 ℃ in the present invention. This is because UO 2 is oxidized to U 3 O 8 when heated and maintained at a temperature of 200 ° C. or higher in an oxygen or air atmosphere, and the oxidation rate is faster as temperature increases up to about 700 ° C., and slows again at higher temperatures. Since the obtained U 3 O 8 is about 30% larger than the UO 2 lattice volume, a large stress is generated during oxidation, and thus UO 2 polycrystals are finely broken and converted into U 3 O 8 powder. At this time, the U 3 O 8 powder is not aggregated, whereas the UO 2 powder has a much smaller particle size than the UO 2 polycrystal and contains a large amount of fine pores in itself. Oxidation of UO 2 powders produces very fine U 3 O 8 powders and at the same time the stress is received by the micropores, causing the U 3 O 8 powders to gather together and aggregate into agglomerates rather than into separate particles. When preparing the U 3 O 8 powder, by oxidizing the polycrystalline UO 2 according to the method provided by the present invention, there is an advantage to avoid the aggregated mass of U 3 O 8 powder which occurs when the oxidation of the UO 2 powder.

단계 3은 상기 U3O8분말을 비불량 UO2분말과 혼합하여 혼합분말을 제조하는 것으로, U3O8분말:비불량 UO2분말의 혼합비는 1∼25 중량%:75∼99 중량%가 바람직하다. 더욱 바람직하게는 U3O8분말:비불량 UO2분말의 혼합비가 1∼20 중량%:80∼99 중량%이다. 상기 혼합비가 범위 미만인 경우는 U3O8분말의 첨가에 따른 효과를 얻을 수 없으며, 상기 혼합비를 초과한 경우 U3O8분말의 첨가에 따른소결체 특성이 나빠지게 된다. 추가로, 혼합 분말은 통상적으로 불량 UO2소결체를 산화시켜 얻어진 U3O8분말(이하 "통상적인 U3O8분말"이라 칭한다.)을 추가로 혼합하여 제조할 수 있다. 일예로 UO2펠렛(pellet)을 400℃에서 산화시켜 얻어진 U3O8분말을 상기 혼합 분말에 추가로 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 혼합 분말의 혼합비는 본 발명의 U3O8분말:통상적인 U3O8분말:비불량 UO2분말=1∼25 중량%:1∼15 중량%:60∼98 중량%가 바람직하다. 상기 얻어진 혼합분말을 0.5∼2 ton/cm2압력으로 예비 성형하여 슬러그(slug)를 만들고 상기 슬러그를 파쇄하여 과립을 만들고 윤할제를 혼합한다.Step 3 is to prepare a mixture powder to the U 3 O 8 powder mixed with a non-defective UO 2 powder, U 3 O 8 powder: mixing ratio of non-defective UO 2 powder is 1 to 25% by weight: 75-99% by weight Is preferred. More preferably, the mixing ratio of U 3 O 8 powder: non-defective UO 2 powder is 1-20 wt%: 80-99 wt%. When the mixing ratio is less than the range it is not possible to obtain the effect of the addition of the U 3 O 8 powder, when the mixing ratio is exceeded, the sintered body properties due to the addition of the U 3 O 8 powder is worsened. In addition, the mixed powder can be prepared by further mixing U 3 O 8 powder (hereinafter referred to as "normal U 3 O 8 powder") which is usually obtained by oxidizing a poor UO 2 sintered body. For example, the U 3 O 8 powder obtained by oxidizing UO 2 pellets at 400 ° C. may be further mixed with the mixed powder. The mixing ratio of the mixed powder is preferably U 3 O 8 powder: normal U 3 O 8 powder: non-defective UO 2 powder = 1-25 wt%: 1-15 wt%: 60-98 wt% of the present invention. The obtained mixed powder is preformed at a pressure of 0.5 to 2 ton / cm 2 to form a slug, and the slug is crushed to form granules and a lubricant is mixed.

단계 4는 얻어진 혼합분말을 몰드에서 성형하여 성형체를 제조하는 것으로, 상기 혼합분말을 성형 몰드(mold)에 넣고 3∼5 ton/cm2압력으로 성형하여 성형체를 제조한다. 성형체는 U3O8분말을 첨가하지 않은 경우보다 압분강도가 증가하여 앤드-캡핑(end-capping)이 발생하지 않는다.Step 4 is to prepare a molded body by molding the obtained mixed powder in a mold, and the mixed powder is put in a molding mold (mold) and molded at a pressure of 3 to 5 ton / cm 2 to produce a molded body. The molded article has an increased green strength than the case where the U 3 O 8 powder is not added, so that end-capping does not occur.

단계 5는 상기 성형체를 환원성 기체분위기하에서 소결하는 것으로, 상기 성형체를 환원성 기체 분위기하에서 1600∼1800℃ 온도범위로 1∼10시간 동안 소결한다. 상기 환원성 기체 분위기는 UO2소결체의 산소/우라늄 비를 2.00으로 맞추기 위해서 사용하며, 수소기체 또는 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기, 질소 및 불활성 기체로 구성된 군에서 선택된 한 종 이상의 기체와 수소기체의 혼합기체를 사용한다.Step 5 is to sinter the molded body under a reducing gas atmosphere, and the molded body is sintered for 1 to 10 hours in a temperature range of 1600 to 1800 ° C. under a reducing gas atmosphere. The reducing gas atmosphere is used to adjust the oxygen / uranium ratio of the sintered UO 2 to 2.00, and a mixture of hydrogen gas or at least one gas selected from the group consisting of carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, nitrogen and an inert gas. use.

UO2분말을 산화시켜 제조한 U3O8분말의 응집체는 원래의 UO2분말보다 비표면적이 높다. 따라서 이러한 U3O8분말의 응집체를 포함하고 있는 성형체를 소결하면, UO2분말보다 U3O8응집체가 먼저 치밀화되면서 수축된다. 따라서 UO2분말과 상기 응집체 사이에 간격이 발생하여 수십∼수백㎛ 크기의 반지 모양의 기공이 둘 사이의 계면에 형성된다(도 1도 6참조). 이러한 소결체는 개기공이 많아지고 또한 비정상적인 내부조직 때문에 핵연료로서 사용하기 어렵다. 그러나, 본 발명에서는 열처리한 UO2다결정을 산화시킨 U3O8분말은 응집되지 않고 미세한 분말이 되기 때문에 소결 중 반지 모양의 기공이 형성되지 않으며, 따라서 정상적인 내부조직을 갖는 소결체를 제조한다(도 4도 5참조). 이에 본 발명에 의한 제조방법은 성형체의 압분강도를 향상시키고 동시에 정상적인 내부조직을 갖는 소결체의 제조가 가능하게 한다. 또한 불량 UO2분말를 열처리하여 UO2다결정을 제조하면 불량 분말을 재활용하게 되므로 경제적으로 UO2소결체를 제조할 수 있다.Aggregates of the U 3 O 8 powder prepared by oxidation of UO 2 powder has a specific surface area higher than that of the original UO 2 powder. Therefore, when the molded body including the aggregate of such U 3 O 8 powder is sintered, the U 3 O 8 aggregate is shrunk while being densified before the UO 2 powder. Therefore, a gap is generated between the UO 2 powder and the aggregate, and ring-shaped pores having a size of several tens to hundreds of micrometers are formed at the interface between the two (see FIGS . 1 and 6 ). Such a sintered body is difficult to use as a nuclear fuel due to the large number of open pores and abnormal internal structure. However, in the present invention, the U 3 O 8 powder obtained by oxidizing the heat-treated UO 2 polycrystal is not agglomerated but becomes a fine powder, so that no ring-shaped pores are formed during sintering, thus producing a sintered body having a normal internal structure ( FIG. 4 and FIG. 5 ). Accordingly, the manufacturing method according to the present invention improves the compaction strength of the molded body and at the same time enables the production of a sintered body having a normal internal structure. In addition, when UO 2 polycrystals are manufactured by heat treating a poor UO 2 powder, the UO 2 sintered compact may be economically manufactured since the bad powder is recycled.

UO2분말을 열처리하여 제조하는 UO2다결정은 초기 UO2분말에 관계없이 제조가 가능하다. 따라서 본 발명에서 제공하는 UO2소결체 제조 방법은 건식공정으로 제조한 UO2분말을 이용한 소결체 제조뿐만 아니라 습식공정으로 제조한 UO2분말을 이용한 소결체 제조에도 적용된다.UO 2 polycrystalline prepared by heat treatment of the UO 2 powder is possible to produce, regardless of the initial UO 2 powder. Therefore, the UO 2 sintered body manufacturing method provided by the present invention is applied not only to the sintered body manufactured using the UO 2 powder manufactured by the dry process but also to the sintered body manufactured using the UO 2 powder prepared by the wet process.

이하 본 발명의 실시예를 다음에 의하여 설명한다.An embodiment of the present invention will be described below.

그러나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the present invention is not limited by the examples.

<실시예 1> UOExample 1 UO 22 소결체의 제조 1Production of sintered bodies 1

200 ㎛ 이상 크기를 갖는 덩어리 UO2분말을 CO/CO2기체(혼합비 2 ×10-3) 분위기로 시간당 600℃ 가열하여 1300℃에서 3시간 열처리 한 후 상기 열처리한 UO2다결정을 350℃ 공기 분위기로 3 시간 산화시켜 U3O8분말을 만들었다(이하 A 분말이라 칭함).Agglomerated UO 2 powder having a size of 200 μm or more was heated at 600 ° C. per hour in a CO / CO 2 gas (mixing ratio 2 × 10 −3 ) atmosphere, and then heat-treated at 1300 ° C. for 3 hours, and then heat-treated the UO 2 polycrystals in 350 ° C. air atmosphere. Oxidation for 3 hours to give U 3 O 8 powder (hereinafter referred to as A powder).

200㎛ 미만 크기로 균질화한 DC-UO2분말에 상기 A 분말을 8 중량% 첨가하여 회전 혼합기(tumbling mixer)에서 2시간 혼합하였다. 상기 혼합 분말을 1 ton/㎠ 압력으로 예비 성형하여 슬러그(slug)를 만들고 상기 슬러그를 파쇄하여 과립을 제조하였다. 상기 과립에 윤할제를 혼합한 후 성형 모울드(mold)에 분말을 넣고 3.5∼4 ton/㎠ 압력으로 성형하여 성형밀도가 5.8∼5.9 g/㎠ 범위인 성형체를 제조하였다. 상기 성형체를 수소 기체 분위기하에서 시간당 300℃ 가열 속도로 1700℃ 까지 가열하고 4시간 동안 유지하며 소결하여 UO2소결체를 제조하였다.To the DC-UO 2 powder homogenized to less than 200㎛ size 8% by weight of the A powder was added and mixed for 2 hours in a tumbling mixer (tumbling mixer). The mixed powder was preformed at a pressure of 1 ton / cm 2 to make slugs and the slugs were crushed to prepare granules. After mixing the lubricating agent to the granules, the powder was placed in a molding mold and molded at a pressure of 3.5 to 4 ton / cm 2 to prepare a molded body having a molding density in the range of 5.8 to 5.9 g / cm 2. The molded body was heated to 1700 ° C. at a heating rate of 300 ° C. per hour in a hydrogen gas atmosphere, and sintered for 4 hours to prepare a sintered UO 2 .

<비교예 1>Comparative Example 1

상기 실시예 1에서 200 ㎛ 이상 크기를 갖는 덩어리 UO2분말을 열처리 과정 없이 350℃ 공기 분위기로 3시간 산화시켜 U3O8분말(이하 B 분말이라 칭함)을 만든것을 제외하고 동일한 방법으로 UO2소결체를 제조하였다. 상기 소결체의 물리적 성질은 상기표 1에 나타내었다.In Example 1, the UO 2 powder having a size of 200 μm or more was oxidized for 3 hours in an air atmosphere at 350 ° C. without heat treatment to form U 3 O 8 powder (hereinafter referred to as B powder) in the same manner as UO 2. The sintered compact was manufactured. Physical properties of the sintered compact are shown in Table 1 above.

<비교예 2>Comparative Example 2

상기 실시예 1의 소결체와 비교하기 위하여 U3O8분말을 첨가하지 않은 DC-UO2분말을 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 UO2소결체를 제조하였다. 상기 소결체의 물리적 성질은 상기표 1에 나타내었다.In order to compare the sintered compact of Example 1, a UO 2 sintered compact was prepared under the same conditions as in Example 1, except for the DC-UO 2 powder to which the U 3 O 8 powder was not added. Physical properties of the sintered compact are shown in Table 1 above.

<실시예 2> UOExample 2 UO 22 소결체의 제조 2Preparation of Sintered Body 2

200 ㎛ 미만 크기로 균질화한 DC-UO2분말을 상기 실시예 1에 기재된 A 분말 제조 방법과 동일하게 U3O8분말을 제조하였다(이하 C 분말이라 칭함).The DC-UO 2 powder homogenized to a size of less than 200 μm was prepared in the same manner as in the method for preparing A powder described in Example 1, U 3 O 8 powder (hereinafter referred to as C powder).

균질화된 DC-UO2분말에 상기 C 분말을 8 중량% 첨가하여 상기 실시예 1에 기재한 방법과 동일하게 혼합, 성형 및 소결을 수행하여 UO2소결체를 제조하였다.8 wt% of the C powder was added to the homogenized DC-UO 2 powder, followed by mixing, molding, and sintering in the same manner as described in Example 1, to prepare a UO 2 sintered body.

<비교예 3>Comparative Example 3

200 ㎛ 미만 크기로 균질화한 DC-UO2분말을 상기 비교예 1에 기재된 B 분말 제조 방법과 동일하게 U3O8분말(이하 D 분말이라 칭함)을 제조하였다. 균질화된 DC-UO2분말에 상기 D 분말을 8 중량% 첨가하여 상기 실시예 1에 기재한 방법과 동일하게 혼합, 성형 및 소결을 수행하여 UO2소결체를 제조하였다.The DC-UO 2 powder homogenized to a size less than 200 μm was prepared in the same manner as the powder preparation method described in Comparative Example 1, U 3 O 8 powder (hereinafter referred to as D powder). 8 wt% of the D powder was added to the homogenized DC-UO 2 powder, followed by mixing, molding, and sintering in the same manner as described in Example 1, to prepare a UO 2 sintered body.

<실험예 1> 물리적 특성 및 미세조직 관찰Experimental Example 1 Observation of Physical Properties and Microstructure

소결체의 공기중 무게와 물속 무게, 그리고 개기공에 물을 침투시킨 무게를 이용하여 소결밀도와 개기공의 부피를 구했으며 그 결과를표 1표 2에 나타내었다. 또한, 상기 방법으로 제조한 각 성형체의 압분강도를 측정하여 그 결과를표 1표 2에 나타내었다.The sintered density and the volume of the open pores were obtained by using the air weight of the sintered body, the weight of the water, and the weight of water infiltrated into the pores. The results are shown in Table 1 and Table 2 . In addition, the compacted strength of each molded article produced by the above method was measured and the results are shown in Table 1 and Table 2 .

표 1은 실시예 1의 8 중량%의 A 분말을 포함한 UO2, 비교예 1의 8 중량%의 B 분말을 포함한 UO2및 비교예 2의 U3O8분말을 첨가하지 않은 UO2에 대해 비교한 결과이며,표 2는 실시예 2의 8 중량%의 C 분말을 포함한 UO2및 비교예 3의 8 중량%의 D 분말을 포함한 UO2을 비교한 결과이다. Table 1 is for a UO 2 and Comparative Example 2 of the UO 2 without addition of U 3 O 8 powder, including the B powder in 8% by weight of UO 2, Comparative Example 1 containing A powder of 8 wt% of Example 1 comparing the result of Table 2 shows the results of comparing the UO 2 powder including D of 8% by weight of UO 2 and Comparative example 3, including C powder having an 8% by weight of the second embodiment.

성형밀도(g/㎤)Molding density (g / cm 3) 압분강도(kgf)Rolling strength (kg f ) 소결밀도(g/㎤)Sintered Density (g / cm3) 개기공율(개기공/전체기공)(%)Open porosity (open pore / total porosity) (%) UO2-8% A 분말 혼합(실시예 1)UO 2 -8% A Powder Mix (Example 1) 5.825.82 16.316.3 10.5110.51 1.261.26 UO2-8% B 분말 혼합(비교예 1)UO 2 -8% B Powder Mix (Comparative Example 1) 5.835.83 15.415.4 10.5010.50 11.0511.05 UO2(비교예 2)UO 2 (Comparative Example 2) 5.865.86 10.110.1 10.6010.60 0.840.84

상기표 1에서 보는 바와 같이, A(실시예 1) 및 B 분말(비교예 1)을 혼합한 성형체는 U3O8분말을 혼합하지 않은 성형체 보다 높은 압분강도를 갖는다. 또한 A 분말을 혼합하여 제조한 소결체는 B 분말을 혼합하여 제조한 소결체보다 매우 작은 개기공 부피를 갖는다. A 분말을 혼합하여 제조한 소결체가 B 분말을 혼합하여 제조한 소결체 보다 개기공 부피가 적은 이유는 소결체에 반지 모양의 큰 기공이 존재하지 않기 때문이다.As shown in Table 1 , the molded article mixed with A (Example 1) and B powder (Comparative Example 1) has a higher compressive strength than the molded article without mixing U 3 O 8 powder. In addition, the sintered body made by mixing A powder has a much smaller open pore volume than the sintered body made by mixing B powder. The reason why the sintered compact prepared by mixing A powder is smaller than the sintered compact prepared by mixing B powder is that large ring-shaped pores do not exist in the sintered compact.

또한, A 분말을 혼합하여 제조한 소결체와 B 분말을 혼합하여 제조한 소결체의 미세조직 사진을 각각도 4도 1에 나타내었다.In addition, microstructure photographs of the sintered body prepared by mixing A powder and the sintered body prepared by mixing B powder are shown in FIGS . 4 and 1 , respectively.

도 1에서 보는 바와 같이, B 분말을 혼합하여 제조한 소결체(비교예 1)에는 반지 모양의 큰 기공이 형성되는 반면,도 4에서 보는 바와 같이, A 분말을 혼합하여 제조한 소결체(실시예 1)는 균열이 없는 건전한 소결체 조직을 보여준다.As shown in FIG. 1 , a ring-shaped large pores are formed in the sintered body (Comparative Example 1) prepared by mixing B powder, while as shown in FIG. 4 , the sintered body manufactured by mixing A powder (Example 1 ) Shows a healthy sintered structure without cracks.

하기표 2에는 실시예 2의 C 분말과 비교예 3의 D 분말을 혼합하여 제조한 시편의 성형밀도, 압분강도, 소결밀도 및 개기공율을 나타내었다. Table 2 shows the molding density, the rolling strength, the sintered density and the open porosity of the specimen prepared by mixing the C powder of Example 2 and the D powder of Comparative Example 3.

성형밀도(g/㎤)Molding density (g / cm 3) 압분강도(kgf)Rolling strength (kg f ) 소결밀도(g/㎤)Sintered Density (g / cm3) 개기공율(개기공/전체기공)(%)Open porosity (open pore / total porosity) (%) UO2-8% C 분말 혼합UO 2 -8% C Powder Blend 5.835.83 16.516.5 10.5210.52 1.061.06 UO2-8% D 분말 혼합UO 2 -8% D Powder Blend 5.845.84 16.616.6 10.5410.54 8.688.68

상기표 2에서 보는 바와 같이, C 분말을 혼합하여 제조한 성형체와 D 분말을 혼합하여 제조한 성형체는 비슷한 압분강도를 갖는데, 그 값은 U3O8분말을 혼합하지 않고 제조한 UO2성형체 보다 높다. 또한 C 분말을 혼합하여 제조한 소결체는 D 분말을 혼합하여 제조한 소결체보다 매우 작은 개기공 부피를 갖는다.As shown in Table 2 , the molded article prepared by mixing the C powder and the molded article prepared by mixing the D powder have a similar compressive strength, and the value is higher than that of the UO 2 molded article prepared without mixing the U 3 O 8 powder. high. In addition, the sintered body made by mixing C powder has a much smaller open pore volume than the sintered body made by mixing D powder.

또한, C 분말을 혼합하여 제조한 소결체와 D 분말을 혼합하여 제조한 소결체의 미세조직 사진을 각각도 5도 6에 나타내었다.In addition, microstructure photographs of the sintered body prepared by mixing C powder and the sintered body prepared by mixing D powder are shown in FIGS . 5 and 6 , respectively.

D 분말을 혼합하여 제조한 소결체에는 반지 모양의 큰 균열이 발생하는 반면, C 분말을 혼합하여 제조한 소결체는 균열이 없는 건전한 소결체 조직을 보여준다.Ring-shaped large cracks occur in the sintered body prepared by mixing D powder, while the sintered body prepared by mixing C powder shows a healthy sintered structure without cracking.

상술한 바와 같이, 본 발명은 UO2분말을 열처리하여 UO2다결정 분말을 제조하고, 상기 다결정 분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조한 후 상기 U3O8분말을 UO2분말과 혼합하여 소결체를 제조시 앤드-캡핑(end-capping)을 방지하고 동시에 소결체 내부조직의 비정상 기공을 방지하여 핵연료 소결체의 품질을 향상할 수 있으며, 또한 분말제조공정에서 발생하는 불량 UO2분말을 재활용할 수 있어 UO2소결체를 경제적으로 생산할 수 있다.As described above, the present invention is a mixture of the U 3 O 8 powder, the UO 2 powder and then preparing the UO 2 polycrystalline powders by heat treatment of the UO 2 powder, by oxidizing the polycrystalline powder produced a U 3 O 8 powder When manufacturing the sintered body, it is possible to prevent end-capping and at the same time to prevent abnormal pores of the internal structure of the sintered body to improve the quality of the nuclear fuel sintered body and to recycle the defective UO 2 powder generated in the powder manufacturing process. UO 2 sintered body can be economically produced.

Claims (10)

불량 및/또는 비불량 UO2분말을 U3O8평형 산소분압 미만의 산소분압 분위기하에서 열처리하여 UO2다결정 분말을 제조하는 단계(단계 1),Heat-treating the defective and / or non-defective UO 2 powder in an oxygen partial pressure atmosphere below the U 3 O 8 equilibrium oxygen partial pressure to prepare a UO 2 polycrystalline powder (step 1), 상기 다결정 분말을 산화시켜 U3O8분말을 제조하는 단계(단계 2),Preparing a U 3 O 8 powder by oxidizing the polycrystalline powder (step 2), 상기 U3O8분말을 비불량 UO2분말과 혼합하여 혼합분말을 구성하는 단계(단계 3),Mixing the U 3 O 8 powder with a non-defective UO 2 powder to form a mixed powder (step 3), 상기 혼합분말을 몰드에서 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 4) 및Preparing a molded body by molding the mixed powder in a mold (step 4); 상기 성형체를 환원성 기체 분위기하에서 소결하는 단계(단계 5)로 이루어진 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The step of sintering the shaped body in a reducing gas atmosphere of the process for producing UO 2 nuclear fuel sintered compact, characterized in that consisting of (step 5). 제 1항에 있어서, 상기 단계 1의 불량 UO2분말이 분말제조공정을 통하여 얻어진 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of producing UO 2 nuclear fuel sintered compact, characterized in that the defective UO 2 powder of step 1 a powder obtained through the manufacturing process according to claim 1. 제 1항에 있어서, 상기 단계 1의 U3O8평형 산소분압이 하기 수학식 1로 표시되는 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of claim 1 wherein the production of UO 2 nuclear fuel sintered compact, characterized in that represented by Equation 1 U 3 O 8 to the equilibrium oxygen partial pressure in the first step. 수학식 1Equation 1 (상기식에서 PO2는 O2의 기압이며, T는 열처리시 절대온도이다.)(In the above formula, P O2 is the atmospheric pressure of O 2 and T is the absolute temperature during heat treatment.) 제 1항에 있어서, 상기 단계 1의 열처리 온도가 900∼1600℃인 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of manufacturing a sintered UO 2 fuel according to claim 1, wherein the heat treatment temperature of step 1 is 900 to 1600 ° C. 제 1항에 있어서, 상기 단계 2의 산화 온도가 200∼700℃인 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of manufacturing a sintered UO 2 fuel according to claim 1, wherein the oxidation temperature of step 2 is 200 to 700 ° C. 제 1항에 있어서, 상기 단계 3의 혼합분말의 U3O8분말:비불량 UO2분말의 비가 1∼25 중량%:75∼99 중량%인 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of manufacturing a sintered UO 2 fuel according to claim 1, wherein the ratio of the U 3 O 8 powder: non-defective UO 2 powder in the mixed powder of step 3 is 1-25 wt%: 75-99 wt%. 제 1항에 있어서, 상기 단계 3의 혼합분말이 통상적으로 불량 UO2소결체를 산화시켜 얻어진 U3O8분말을 추가로 포함하며, 상기 혼합분말의 혼합비가 본 발명의 U3O8분말:통상적으로 불량 UO2소결체를 산화시켜 얻어진 U3O8분말:비불량 UO2분말=1∼25 중량%:1∼15 중량%:60∼98 중량%인 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the mixed powder of step 3 typically further comprises a U 3 O 8 powder obtained by oxidizing the poor UO 2 sintered body, the mixing ratio of the mixed powder is U 3 O 8 powder of the present invention: abuse sintered UO 2 obtained by a U 3 O 8 oxide powder: non-defective UO 2 powder = 1-25% by weight: 1-15% by weight: 60-98 of a method for producing UO 2 nuclear fuel sintered compact, characterized in that% by weight . 제 1항에 있어서, 상기 단계 5의 환원성기체가 수소 기체인 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of claim 1 wherein the production of UO 2 nuclear fuel sintered reducing gas in said step 5, characterized in that the hydrogen gas. 제 1항에 있어서, 상기 단계 5의 환원성기체가 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기, 질소 및 불활성 기체로 구성되는 군에서 선택되는 한 종 이상의 기체와 수소기체의 혼합기체인 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of claim 1, wherein the reducing gas of step 5 is a mixture of at least one gas selected from the group consisting of carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, nitrogen, and an inert gas and hydrogen gas, the production of UO 2 nuclear fuel sintered body Way. 제 1항에 있어서, 상기 단계 5의 소결 온도가 1600∼1800℃인 것을 특징으로 하는 UO2핵연료 소결체의 제조방법.The method of claim 1 wherein the production of UO 2 nuclear fuel sintered compact, characterized in that the sintering temperature of the above step 5 is in 1600~1800 ℃.
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