KR100458422B1 - 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법 및 사용 후 연료 저장부재용의 혼합 분말 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 각형 파이프의 효율적인 생산에 관한 것이다. 알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하여, 냉간 정수압 성형법(CIP)으로 예비 성형체를 성형한다. 계속해서, 예비 성형체를 캐닝(canning)한 후에 열간 정수압 성형법(HIP)으로 예비 성형체를 소결한다. 소결후에 관의 외측 밀링, 단부면 밀링을 실행하여 빌릿(billet)을 출력한다. 그리고, 이 빌릿을 압출하여 각형 파이프를 성형한다.

Description

사용 후 연료 저장부재의 제조 방법 및 사용 후 연료 저장부재용의 혼합 분말{METHOD OF MAKING A SPENT FUEL STORING COMPONENT AND MIXED POWDER}
본 발명은 연소를 종료한 사용 후 핵연료 집합체를 수용 및 저장하는 것으로서 캐스크나 래크를 구성하는 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법에 관한 것이다. 또한, 이러한 사용 후 연료 저장부재를 제조하는데 적합한 혼합 분말에 관한 것이다.
핵연료 사이클의 종기(終期)에 있어서 연소를 종료하여 사용할 수 없게 된 핵연료 집합체를 사용 후 핵연료라고 한다. 현재, 이 사용 후 핵연료는 재처리할 때까지 저장시설에 저장 관리되고 있다. 예를 들면, 연료 풀에 의한 저장방식에 있어서는 풀내에 각형 파이프를 묶은 SUS 래크를 가라앉히고, 이 각형 파이프내에 사용 후 연료 집합체를 수용함으로써, 냉각 효과, 차폐 효과, 미 임계성 등의 요구를 만족시키도록 하고 있다.
최근에는 래크를 구성하는 각형 파이프로서, 스테인레스재에 붕소를 첨가한 것이 이용되기 시작하고 있다. 이러한 각형 파이프를 사용하면, 각형 파이프 사이에 배치하고 있었던 중성자 흡수재를 생략할 수 있으므로, 각형 파이프 사이의 간극을 메울 수 있다. 이 때문에, 풀의 피트내에 삽입할 수 있는 각형 파이프의 개수가 증가하므로, 그 만큼 사용 후 연료 집합체의 수용수를 증가시킬 수 있다.
이러한 각형 파이프는 캐스크, 수평형 사일로, 풀, 볼드 등의 각종 저장방식에 적용할 수 있지만, 래크를 구성한다고 하더라도 그 생산해야 할 개수가 많으므로, 각형 파이프를 효율적으로 생산할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 또한, 사용 후 연료 집합체로부터 발생하는 중성자를 흡수해야 하므로, 각형 파이프의 구조에 건전성이 요구된다.
또한, 각형 파이프는 사용 후 연료 집합체를 저장할 때에 사용하는 것이지만, 해당 각형 파이프식 래크 외에 평판식 래크가 알려져 있고, 이러한 평판식 래크에서도 효율적인 생산성 및 구조의 건전성이 요구되고 있다. 본 발명은 이러한 각형 파이프 등의 제조 방법에 관한 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 청구항 1에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은 사용 후 연료의 저장에 이용하는 부재를 제조하는 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법에 있어서, 알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하는 공정과, 냉간 정수압 성형법으로 예비 성형체를 성형하는 공정과, 예비 성형체를 캐닝하는 공정과, 캐닝한 예비 성형체를 소결하는 공정을 포함한다.
알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하여 해당 혼합 분말을 냉간 정수압 성형법(CIP : Cold Isostatic Press)으로 예비성형한다. 계속해서, 이 예비 성형체를 캐닝하여 소결 처리를 실시한다. 이것에 의해서, 사용 후 연료 저장부재를 성형하기 전의 빌릿이 완성된다. 예비성형을 실행함으로써, 성형밀도의 격차를 적게 할 수 있다. 또한, 관내의 빌릿을 출력하기 위해서는 관을 외측 밀링 및 단부면 밀링을 실행한다. 소결은 고온 프레스나 열간 정수압 성형법(HIP : Hot Isostatic Press)으로 실행하는 것이 바람직하고(청구항 2), 이밖에 유사 HIP나 정상압 소결법 등을 이용할 수도 있다. 또한, 사용 후 연료 저장부재로서는, 예를 들면 바스켓을 구성하는 각형 파이프 또는 평판식 래크를 구성하는 판형상 부재를 들 수 있다. 또한, 상기 소결을 고온 프레스 또는 HIP로 실행함으로써 더욱 고품질의 사용 후 연료 저장부재를 제조할 수 있다(청구항 2).
또한, 청구항 3에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은, 사용 후 연료의 저장에 이용하는 부재를 제조하는 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법에 있어서, 알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하는 공정과, 냉간 정수압 성형법으로 예비 성형체를 성형하는 공정과, 예비 성형체를 진공 소결하는 공정을 포함한다.
또한, 상기 캐닝을 생략하여 진공 소결하도록 해도 무방하다(청구항 3). 캐닝을 생략하면, 진공 소결한 후에 외측 밀링 등의 기계 가공을 하지 않아도 된다. 이 때문에, 빌릿의 제조가 용이하게 된다. 진공 소결에는 진공 고온 프레스가 적절하고(청구항 4), 이밖에 진공 유사 HIP 등을 이용할 수 있다. 또한, 상기 소결을 진공 고온 프레스로 실행함으로써, 저렴하고 고품질의 사용 후 연료 저장부재를 제조할 수 있다.
또한, 청구항 5에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은, 사용 후 연료의 저장에 이용하는 부재를 제조하는 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법에 있어서, 알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하는 공정과, 냉간 정수압 성형법으로 예비 성형체를 성형하는 공정과, 예비 성형체를 방전 소결하는 공정을 포함한다.
예비 성형체를 방전 소결함으로써, 통상의 소결에 비교하여 단 시간에 소결할 수 있다. 이 때문에, 사용 후 연료 저장부재의 제조를 효율적으로 실행할 수 있다. 또한, 캐닝을 생략하고 있기 때문에, 외측 밀링 등의 기계 가공이 불필요해지는 만큼 사용 후 연료 저장부재를 저렴하게 제조할 수 있게 된다. 방전 소결에는 방전 플라즈마 소결을 이용하는 것이 바람직하다(청구항 6). 방전 플라즈마 소결에 의한 에너지에 의해서 알루미늄의 부동체 피막이 제거되는 것 등으로부터, 양호한 소결을 할 수 있기 때문이다. 또한, 방전 플라즈마 소결 외에 열 플라즈마 소결 등을 이용할 수도 있다.
또한, 청구항 7에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은 상기 제조 방법에 있어서, 또한 압출 성형으로 각형 파이프를 성형하는 공정을 포함하도록 한 것이다. 또한, 청구항 8에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은, 또한 압출 성형으로 사용 후 연료의 안내관에 삽입하는 막대체를 성형하는 공정을 포함하도록 한 것이다. 이와 같이, 상기 방법으로 제조한 빌릿을 압출함으로써 사용 후 연료 저장부재인 각형 파이프나 막대체를 용이하게 제조할 수 있게 된다(청구항 7 및 청구항 8).
또한, 청구항 9에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은 상기 제조 방법에 있어서의 혼합에 기계적 합금화(mechanical alloying)를 이용하도록 했다. 중성자 흡수재, 예를 들면 붕소 또는 붕소 화합물은 그 평균 입자직경이 수㎛ 정도로 작으면, 소결시에 응집하여 편석(segregation)하는 것을 알고 있다. 이 때문에, 통상의 소결에 있어서는 평균 입자직경이 10수㎛ 이상인 붕소를 사용하도록 하고 있다. 그러나, 평균 입자직경이 크면 사용 후 연료 저장부재의 강도가 저하해 버린다.
그래서, 이 청구항 9에 관한 제조 방법으로서는 기계적 합금화를 이용하여 알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하도록 했다. 해당 기계적 합금화에는, 예를 들면 각종 볼 밀링을 이용할 수 있다. 볼 밀링으로 알루미늄 분말이 점차로 작아져 편평한 형상으로 변화된다. 또한, 중성자 흡수재는 볼 밀링에 의해 분쇄되어 초기의 평균 입자직경에 비교하여 상당한 정도로 작아져서 알루미늄 매트릭스(Aluminum matrix)중에 갈리면서 분산된다. 이것에 의해서, 중성자 흡수재를 미세하고 또한 균일하게 분산시킬 수 있어, 사용 후 연료 저장부재의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 청구항 10에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은 상기 제조 방법에 있어서의 기계적 합금화에 볼 밀링을 이용함과 동시에 사전에 볼에 첨가하는 원소를 포함하도록 해 두고, 볼 밀링중인 볼의 마모에 의해서 상기 원소를 첨가하도록 했다.
볼 밀링을 실행하면 볼끼리의 충돌에 의해서 해당 볼이 마모하여 그 성분이 분체에 섞여 버린다. 그래서, 원래 첨가할 예정의 원소를 주성분으로 하는 볼을 이용하여, 볼의 마모를 이용하여 원소를 첨가하도록 했다. 이와 같이 하면, 제조공정의 시간을 생략할 수 있게 된다.
또한, 청구항 11에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법은 상기 제조 방법에 있어서의 혼합에 고속기류를 발생시키는 분말 혼합 장치를 이용하도록 한 것이다. 고속기류를 발생시키는 분말 혼합 장치에 의해서 혼합함으로써, 고속기류를 타는 중성자 흡수재 분말이 충돌로 미세화하여, 마찬가지로 고속기류중의 알루미늄 분말의 표면에 박혀 부착된다. 이것에 의해서, 알루미늄에 대하여 중성자 흡수재를 미세하고 또한 균일하게 분산할 수 있으므로, 사용 후 연료 저장부재의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이 고속기류를 발생시키는 분말 혼동 장치에 이용하는 회전용기의 회전속도는 70 내지 80m/sec의 범위로 하는 것이 바람직하다(청구항 12). 회전수가 낮으면 중성자 흡수재가 부착되지 않고 남으므로 혼합비가 변해버리기 때문이다. 한편, 회전수가 높으면 알루미늄이 충돌시의 발열로 장치내에 용착해 버리기 때문이다.
또한, 청구항 13에 관한 혼합 분말은 기계적 합금화에 의해서 알루미늄 분말을 편평화함과 동시에 해당 알루미늄 분말에 대하여 분쇄한 붕소 또는 붕소 화합물을 갈아 넣듯이 분산시키도록 한 것이다.
이러한 중성자 흡수재 분말을 소결함으로써, 소결시에 있어서의 중성자 흡수재 분말의 응집을 방지할 수 있다. 또한, 기계적 합금화에 의해서 붕소를 미세하게 분쇄하고, 이것을 알루미늄 분말에 갈아 넣듯이 분산시키고 있기 때문에, 이러한 분말을 이용하여 제조한 사용 후 연료 저장부재는 그 기계적 강도가 우수해진다.
또한, 청구항 14에 관한 혼합 분말은 고속기류를 발생시키는 분말 혼합 장치에 의해서 알루미늄 분말의 표면에 붕소 또는 붕소 화합물을 박아 부착시키도록 한 것이다. 이러한 중성자 흡수재 분말을 소결함으로써, 소결시에 있어서의 중성자 흡수재 분말의 응집을 방지할 수 있다. 또한, 고속기류를 발생시키는 분말 혼합 장치로 붕소를 분쇄하고, 이것을 알루미늄 분말의 표면에 박듯이 부착시켰으므로, 이러한 분말을 이용하여 제조한 사용 후 연료 저장부재는 그 기계적 강도가 우수해진다.
도 1은 각형 파이프를 도시하는 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 관한 각형 파이프의 제조 방법을 도시하는 플로우차트,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 관한 각형 파이프의 제조 방법을 도시하는 플로우차트,
도 4는 상기 각형 파이프의 제조 방법에 이용하는 진공 고온 프레스 장치를 도시하는 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예 3에 관한 각형 파이프의 제조 방법을 도시하는 플로우차트,
도 6은 상기 각형 파이프의 제조 방법에 이용하는 방전 플라즈마 소결 장치의 구성을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시예 4에 관한 각형 파이프의 제조 방법에 이용하는 아토라이터 밀의 구성을 도시하는 도면,
도 8은 MA로 제조한 고에너지 분말을 도시하는 확대도,
도 9는 본 발명의 실시예 5에 관한 제조 방법을 실시하기 위한 분말 제조 장치의 개략구성을 도시하는 도면,
도 10은 도 9에 도시한 분말 제조 장치로 제조한 분말을 도시하는 설명도,
도 11은 평판식 래크를 도시하는 사시도,
도 12는 사용 후 연료 집합체를 도시하는 설명도,
도 13은 캐스크를 도시하는 사시도,
도 14는 도 13에 도시한 캐스크의 축방향을 도시하는 단면도,
도 15는 도 13에 도시한 캐스크의 직경방향을 도시하는 단면도,
도 16은 각형 파이프의 삽입 방법을 도시하는 사시도,
도 17은 PWR용 사용 후 연료 풀을 도시하는 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 각형 파이프 100 : 캐스크
102 : 캐비티 104 : 바닥판
106 : 수지 107 : 내부 핀
108 : 열팽창 영역 109 : 캡부
110 : 1차 캡 111 : 2차 캡
115 : 보조 차폐체 116 : 캐스크 본체
130 : 바스켓 131 : 셀
이하, 본 발명에 관한 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법 및 혼합 분말의 실시예에 관하여 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
[각형 파이프의 구조]
도 1은 각형 파이프를 도시하는 단면도이다. 이 각형 파이프(1)는 단면이 정방형을 이루고 있고, Al 또는 Al 합금분말에 중성자 흡수성능을 갖는 B 또는 B 화합물의 분말을 첨가한 알루미늄 복합재 또는 알루미늄 합금으로 구성되어 있다. 또한, 중성자 흡수재에는 붕소 외에 카드뮴, 하프늄, 희토류 원소 등의 중성자 흡수 단면적이 큰 것을 이용할 수 있다. 비등수형 원자로(BWR)의 경우에는 주로 B 또는 B 화합물이 이용되지만, 가압 수형 원자로(PWR)의 경우에는 Ag-In-Cd 합금이 이용된다. B를 분산형 재료로서 이용하는 경우에는 가공하기 쉽게 하기 위해서 3중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Ag-In-Cd 합금의 조성은 In을 15중량%, Cd를 5중량%로 하는 것이 일반적이다. 희토류 원소에는 유로품, 디스프로슘, 사마륨, 가돌리늄 등의 산화물을 이용할 수 있다.
[각형 파이프의 제조 방법]
다음에, 각형 파이프(1)의 구체적인 제조 방법의 일례에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예 1에 관한 각형 파이프의 제조 방법을 도시하는 플로우차트이다. 우선, 분무법 등의 급냉 응고법으로 Al 또는 Al 합금분말을 제작함과 동시에(단계 S201), B 또는 B 화합물의 분말을 준비하고(단계 S202), 이들 양 입자를 크로스 로터리 믹서, V믹서, 리본형 혼합기, 퍼그(pug) 믹서 등으로 10 내지 20분간 혼합한다(단계 S203). 또한, 혼합은 아르곤 분위기속에서 실행하도록 해도 무방하다. 또한, 이용하는 알루미늄 분말의 평균 입자직경은 35㎛, B4C의 평균 입자직경은 10㎛ 정도이다.
상기 Al 또는 Al 합금에는 순알루미늄 지금(bullion), Al-Cu계 알루미늄 합금, Al-Mg계 알루미늄 합금, Al-Mg-Si계 알루미늄 합금, Al-Zn-Mg계 알루미늄 합금, Al-Fe계 알루미늄 합금 등을 이용할 수 있다. 또한, 상기 B 또는 B 화합물에는 B4C, B2O3 등을 이용할 수 있다. 여기서, 알루미늄에 대한 붕소의 첨가량은 1.5중량% 이상, 9중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 1.5중량% 이하에서는 충분한 중성자 흡수능력을 얻을 수 없고, 9중량%보다 많아지면 인장에 대한 연신이 저하하기 때문이다.
이어서, 혼합 분말을 고무 케이스내에 넣고 10-2Torr 정도까지 진공상태로 한 후에 기밀 테이프로 진공 밀봉하고, CIP(Cold Isostatic Press)로 상온에서 전 방향에서 균일하게 고압을 가하여 분말성형을 실행한다(단계 S204). CIP의 성형 조건은 성형압력을 100MPa 내지 200MPa로 한다. CIP 처리에 의해서, 분말 형상체의 부피는 약 2할정도 감소하여, 그 예비 성형체의 직경이 600㎜, 길이가 1500㎜가 되도록 한다. CIP에 의해서 전 방향에서 균일하게 압력을 가함으로써, 성형밀도의 격차가 적은 고밀도 성형품을 얻을 수 있다.
계속해서, 상기 예비 성형체를 알루미늄 관(알루미늄 합금 이음매 없는 관 : JIS6063)에 진공 밀봉한다. 관내에는 10-4Torr 정도까지 진공처리하고, 300℃까지 승온한다(단계 S205). 이러한 탈가스 공정으로써 관내의 가스 성분 및 수분을 제거한다. 다음 공정에서는 진공 탈가스한 성형품을 HIP(Hot Isostatic Press)로 재성형한다(단계 S206). HIP의 성형 조건은 온도 400℃ 내지 450℃, 시간 30sec, 압력 6000ton으로 하고, 성형품의 직경이 400㎜가 되도록 한다.
계속해서, 관을 제거하기 위해서 기계 가공으로 외측 밀링, 단부면 밀링을 실시하고(단계 S207), 포트 홀 압출기를 이용하여 해당 빌릿을 열간 압출한다(단계 S208). 이 경우의 압출 조건으로서, 가열 온도를 500℃ 내지 520℃, 압출 속도를 5m/min으로 한다. 또한, 이 조건은 B의 함유량에 따라 적절히 변경한다.
다음에, 압출 성형후, 인장 교정을 실시함과 동시에(단계 S209), 비정상부 및 평가부를 절단하여 제품으로 한다(단계 S210). 완성된 각형 파이프(1)는 도 1에 도시하는 바와 같이 단면의 1변이 162㎜, 내측이 151㎜인 사각 형상이 된다.
또한, 상기 예에서는 압출기로 압축율이 높고, 알루미늄 등의 연질재의 복잡한 형상 압출에 적합한 포트 홀 압출을 이용했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 고정 또는 이동 맨드릴 방식을 채용해도 무방하다. 또한, 직접 압출 외에 정수압 압출을 실행하도록 해도 무방하고, 당사자가 가능한 범위에서 적절하게 선택할 수 있다. 또한, 상기 HIP를 이용함으로써 니야 넷 형상 성형이 가능하게 되지만, 후에 압출 공정이 있는 것에 비추어, 이것에 대신하여 유사 HIP를 이용하도록 해도 충분한 정밀도를 확보할 수 있다. 구체적으로는 일축 방향으로 압축하는 금형내에 압력 전달 매체인 세라믹 입상체를 넣어 소결하는 것이다. 이 방법으로도 양호한 각형 파이프(1)를 제조할 수 있다.
또한, 상기 HIP에 대신해서 고온 프레스를 이용하는 것도 가능하다. 고온 프레스는 내열 형을 가열하여 일축 가압하에서 소결하는 방법이다. 상기의 경우, 고온 프레스는 예비 성형체를 관에 밀봉하여 진공 탈가스한 후에, 400℃ 내지 450℃의 온도로 10sec 내지 30sec 가열하고, 6000ton의 압력 조건하에서 실행한다. 후에 압출 공정이 있으므로, 고온 프레스에 의해서도 충분한 품질의 빌릿을 제작할 수 있지만, 빌릿의 사이즈 외의 조건에 의해서 소결 상태가 좋지 않은 경우에는 HIP를 이용하도록 하면 좋다. 고온 프레스의 이점은 생산성이 좋고 저렴한 점에 있다. 또한, 고온 프레스외에 정상압 소결법을 이용하는 경우도 있다.
(실시예 2)
도 3은 본 발명의 실시예 2에 관한 각형 파이프(1)의 제조 방법을 도시하는 플로우차트이다. 이 각형 파이프(1)의 제조 방법은 상기 도면에 도시하는 바와 같이, 상기 관 밀봉 및 진공 가열 탈가스(단계 S205), HIP(단계 S206), 외측 밀링 및 단부면 밀링(단계 S207)에 대신해, 진공 고온 프레스를 이용한 점에 특징이 있다(진공 고온 프레스 공정 : S305). 그 밖의 공정은 상기 실시예 1과 대략 동일하므로 그 설명을 생략한다(단계 S301 내지 S304, S306 내지 S308).
도 4는 이 각형 파이프의 제조 방법에 이용하는 진공 고온 프레스 장치를 도시하는 구성도이다. 이 진공 고온 프레스 장치(10)는 다이(11)와, 다이(11)의 내면에 설치한 다이 링(12)과, 베이스(13)와, 펀치(14)로 구성되어 있다. 이들은 모두 그라파이트제이다. 다이 링(12), 베이스(13) 및 펀치(14)로 구성되는 성형실 내에는 CIP 공정에서 제작한 예비 성형체(P)를 삽입한다. 다이(11)의 주위에는 가열용 흑연 히터(15)가 배치되어 있다.
또한, 다이 링(12), 베이스(13) 및 펀치(14) 등은 진공 용기(16)내에 수용되어 있다. 진공 용기(16)에는 진공처리용 펌프(17)가 장착되어 있다. 상기 펀치(14)는 진공 용기(16)의 상부에 설치한 유압 실린더(18)에 의해서 구동된다. 상기 다이(11)의 내측에 다이 링(12)을 설치한 것은 가압 후에 빌릿이 빠지기 쉽게 하기 위해서이다. 또한, 다이(11)의 내경은 직경 350㎜ 정도이다. 또한, 실제로 고온 프레스를 실행할 때에는 미끄럼운동 부위에 윤활재를 도포 또는 분무하도록 한다. 윤활재로는 BN 등을 이용할 수 있다. 또한, 상기에서는 한쪽 가압법을 예시하고 있지만, 양쪽 가압법 또는 플로팅법을 이용할 수도 있다.
진공 고온 프레스를 실행하기 위해서는, 우선 다이(11)내에 윤활재를 도포한 후에 예비 성형체(P)를 삽입하고, 그 위에서 펀치(14)를 세트한다. 다음에, 진공 용기(16)내를 소정 압력까지 진공 처리함과 동시에 흑연 히터(15)로 실내를 400℃ 내지 500℃까지 승온한다. 또한, 해당 온도 대역은 30분 내지 60분 유지하도록 하고, 가압은 200℃ 정도에서 개시하도록 한다. 그리고, 예비 성형체(P)를 가압 소결 후, 진공 용기(16)내에서 다이(11)째 출력하여 해당 다이(11)로부터 빌릿(B)을 출력한다. 이 때, 빌릿(B)을 외측으로부터 압출하게 되는데, 다이 링(12)도 빌릿(B)과 함께 다소 압출되어, 해당 빌릿(B)을 용이하게 출력할 수 있도록 작용한다. 출력한 빌릿(B)은 다음 압출 공정(단계 S306)에서 압출되고, 인장하여 교정되고(단계 S307), 절단 공정(단계 S308)을 지나서 최종품인 각형 파이프(1)가 된다.
이상, 이 각형 파이프(1)의 제조 방법에 의하면, 캐닝을 생략함과 동시에 진공 고온 프레스를 이용하여 빌릿(B)을 성형하도록 했기 때문에, ① 관 비용을 절약할 수 있고, ② 관 제거를 위한 절삭 공정(단계 S207)이 불필요해짐과 동시에, ③그것에 부수되는 제조 공정(단계 S205)을 생략할 수 있다. 이 때문에, 각형 파이프(1)를 효율적이고 또한 저비용으로 제조할 수 있게 된다.
또한, 이 각형 파이프(1)의 제조 방법으로는 관 밀봉 및 진공 가열 탈가스(단계 S205), HIP(단계 S206), 외측 밀링 및 단부면 밀링(단계 S207)에 대신해서 진공 소결을 이용하는 것도 가능하다. 진공 소결에서는 10-3Torr 정도까지 진공 처리하고, 소결 온도를 600℃로 하여 30sec 가열한다. 진공 소결로 빌릿(B)을 성형함으로써, 상기와 같은 효과를 얻을 수 있음과 동시에, HIP 처리 등을 실행하는 경우에 비교하여 공정을 대폭 간략화할 수 있다. 또한, 이 제조 방법에서는 CIP 공정(단계 S204)에 의해서 밀도가 80% 정도로 되도록 예비성형한 후에, 진공 소결함으로써 알루미늄 입자를 융합시킨다. 이것에 의해서 빌릿 전체에서 전기 전도도가 향상하여, 다음의 압출 공정(단계 S208)에서 유도 가열되기 쉬워진다. 이 때문에, 빌릿(B)의 압출 속도를 향상시킬 수 있다.
(실시예 3)
도 5는 본 발명의 실시예 3에 관한 각형 파이프의 제조 방법을 도시하는 플로우차트이다. 이 각형 파이프(1)의 제조 방법은 동 도면에 도시하는 바와 같이, 상기 관 밀봉 및 진공 가열 탈가스(단계 S205), HIP(단계 S206), 외측 밀링 및 단부면 밀링(단계 S207)에 대신하여, 방전 플라즈마 소결을 이용한 점에 특징이 있다(방전 플라즈마 소결공정 : 단계 S505). 방전 플라즈마 소결은 과도 아크 방전 현상의 불꽃 방전 에너지를 이용하여 가압하에서 소결을 하는 것이다. 그 외의 공정은 상기 실시예 1과 대략 동일하므로 그 설명을 생략한다(단계 S501 내지 S504, S506 내지 S508).
도 6은 이 각형 파이프의 제조 방법에 이용하는 방전 플라즈마 소결 장치를 도시하는 구성도이다. 이 방전 플라즈마 소결 장치(20)는 그라파이트제의 다이(21)와, 상부 전극 및 하부 전극을 겸한 상하의 펀치(22, 23)와, 상하의 펀치(22, 23)에 펄스 전류를 공급하는 전원(24)과, 전원(24)을 제어하는 제어부(25)와, 다이(21) 및 펀치(22, 23)를 수용하는 진공 용기(26)와, 진공 용기(26)내를 진공 상태로 만드는 펌프(27)와, 펀치(22, 23)를 구동하는 유압 실린더(28, 29)로 구성된다. CIP에 의한 예비 성형체(P)는 다이(21) 및 펀치(22, 23)에 의해서 형성한 성형실에 삽입한다.
방전 플라즈마 소결은 소결 에너지를 제어하기 쉬운 점, 취급이 용이한 점 등의 여러가지의 이점이 있지만, 빠른 속도로 소결할 수 있는 점이 이 제조 방법에서 중요하다. 즉, 상기 고온 프레스에서는 예를 들면 소결 시간이 약 5 시간 걸리는데 대하여, 방전 플라즈마 소결에서는 약 1 시간으로 끝난다. 이 때문에, 고속 소결이 가능한 만큼 제조 시간을 단축할 수 있다.
상기 방전 플라즈마 소결의 조건은 진공 용기(26)내의 진공도를 10-2Torr로 하여 약 10분에 500℃까지 올린다. 그리고, 이 온도 영역을 10분 내지 30분 유지하여, 5 내지 10ton으로 가압한다. 상하의 펀치(22, 23) 사이에 펄스 전류를 인가하면, 예비 성형체(P)내에서 방전점이 이동하여 전체에 분산된다. 불꽃 방전의 부분에서는 국소적으로 고온 상태(1000℃ 내지 10000℃)로 되어 입자간 접촉부가 점에서 면으로 성장하고, 넥(neck)을 형성하여 용착 상태로 된다. 이것에 의해서, 딱딱한 산화피막을 형성하는 알루미늄계 재료이더라도, 방전플라즈마의 스퍼터작용에 의해서 알루미늄 표면의 산화피막을 파괴하므로, 빌릿을 용이하게 소결할 수 있다.
이상, 이 각형 파이프(1)의 제조 방법에 의하면, 고온 프레스를 이용하는 경우에 비교하여 소결 시간을 단축할 수 있다. 또한, 방전작용에 의해서 알루미늄의 부동태 피막을 파괴하므로, 소결을 용이하게 실행할 수 있다. 캐닝을 생략한 것에 의한 이점에 대해서는 상기 실시예 2의 경우와 동일하다. 또한, 방전 플라즈마 소결 외에 열 플라즈마 소결법을 이용하는 것도 가능하다. 열 플라즈마 소결법은 초고온의 플라즈마열을 이용하여 무가압소결을 실행하는 것이다. 또한, 통상의 방전 소결에 의해서 제조할 수도 있다.
(실시예 4)
상기에서는 각형 파이프(1)를 구성하는 재료로서 붕소를 첨가한 알루미늄 합금을 이용하고 있다. 여기서, 첨가원소인 B4C의 평균 입자직경이 크면 각형 파이프(1)의 강도가 낮아지고, 한편 B4C의 평균 입자직경을 작게 하면 B4C끼리 응집하여 편석하기 때문에, 중성자 흡수능력의 저하나 가공성의 악화가 발생해 버린다. 상기와 같이, Al 분말의 평균 입자직경은 80㎛이며 B4C 분말의 평균 입자직경은 9㎛이고, 해당 B4C의 입자직경을 9㎛으로 한 것은 더 이상 입자직경을 작게 하면 B4C 분말의 응집이 진행하여 편석이 발생하기 쉬워지기 때문이다. 그래서, 이 실시예 4에서는 상기 실시예 1 내지 실시예 3에 있어서의 혼합기에 대신하여, 고에너지 볼 밀링(기계적 합금화)을 이용함으로써 B4C 분말의 미세화 및 균일분산화를 도모하도록 했다.
해당 고에너지 볼 밀링에는 일반적인 전동 밀, 요동 밀 및 아토라이터 밀을 이용할 수 있지만, 이하에서는 아토라이터 밀을 예시한다. 도 7은 본 발명의 실시예 4에 관한 각형 파이프(1)의 제조 방법에 이용하는 아토라이터 밀의 구성도이다. 아토라이터 밀(30)의 용기(31)에는 150리터의 용량의 것을 이용한다. 해당 용기(31)의 벽내에는 워터 자켓(32)이 형성되어 있다. 워터 자켓(32)내에는 펌프 등의 급수기(33)로부터 적당량의 냉각수를 공급한다. 아토라이터(34)는 위쪽에 배치한 구동모터(35)와 감속기(36)를 거쳐서 결합하고 있다. 용기(31)의 상면에는 용기(31)속을 불활성 가스인 아르곤(Ar)분위기로 하기 위해서, 유입구(37) 및 유출구(38)가 형성되어 있다. 유입구(37)에는 아르곤 가스의 가스 봄베(39)가 접속되고, 유출구(38)에는 호스(40)를 접속하고 수중에 넣어 대기의 역류를 방지한다. 또한, 이 볼 밀링에 사용하는 볼(41)에는 탄소강 베이스의 베어링강(SUJ-2)을 이용한다.
다음에, 실제로 고에너지 분말을 제조하는 경우의 조건으로서, 상기 용기(31)내에 넣은 볼(41)의 양을 450㎏, 해당 볼(41)의 직경을 3/8인치로 했다. 또한, 아토라이터(34)의 회전수는 300rpm으로 하고, 또한 0.5리터/min의 아르곤을 연속적으로 흘려 용기(31)내를 불활성 가스분위기로 했다. 또한, 볼 밀링 앞에 그 조제로서 분말 1㎏에 대하여 30㏄의 에탄올 또는 메탄올을 투입했다. 상기 용기(31)내에 투입하는 분말의 양은 15㎏으로 했다. 이 중, B4C의 투입량은 0.75㎏(5중량%)으로 했다. 또한, 사용하는 Al분말로는 평균 입자직경이 35㎛인 것을 이용하고, B4C 분말로는 평균 입자직경이 9㎛인 것을 이용했다. 볼 밀링의 시간은 1h에서 10h의 범위에서 적절히 선택하도록 했다.
볼 밀링의 과정에서, 투입한 알루미늄은 볼(41)의 충격을 받음으로써 으깨지고 또한 접혀 편평한 형상이 된다. 이 때문에, 알루미늄의 외경은 한쪽면 방향으로 넓어져 80㎛ 정도가 된다. 한편, B4C 분말은 볼 밀링에 의해서 파쇄되고, 그 입자직경이 0.5㎛ 내지 1.0㎛ 정도까지 작아짐과 동시에 알루미늄 매트릭스중에 균일하게 스며들어 간다. 도 8에, MA에 의해서 제조한 고에너지 분말의 확대도를 도시한다. 상기 도면을 참조함으로써, 볼 밀링에 의해서 Al 분말이 평편하게 으깨지고, 또한 해당 Al 분말의 매트릭스중에 B4C 분말이 미세화한 상태로 분산되어 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 볼 밀링의 과정에서 볼(41)끼리의 충돌에 의해서 해당 볼(41)이 마모하여 그 성분이 불순물로서 섞이는 일이 있다. 그래서, 볼(41)의 성분에 사전에 불순물로서 첨가하는 원소를 포함해 두고, 볼 밀링의 과정에서 해당 원소를 첨가하도록 해도 무방하다. 이 원소로서는, 예를 들면 지르콘 등을 들 수 있다. 볼 밀링의 종료후에는 용기(31)내에서 고에너지 분말을 취출하고, 고온 프레스공정, 압출 공정으로 진행하여 도 1에 도시하는 바와 같은 각형 파이프(1)를 성형한다.
이상, 이 각형 파이프(1)의 제조 방법에 의하면, B4C 분말을 미세화, 균일화하여 Al 분말의 매트릭스중에 분산시킬 수 있기 때문에, 각형 파이프(1)의 강도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로는 상기 실시예 1 내지 실시예 3의 방법으로 얻은 각형 파이프(1)와 비교하여 그 강도를 약 1.2 내지 1.5배까지 향상시킬 수 있다. 또한, 높은 경도를 갖는 B4C 분말을 미세하고 또한 균일하게 매트릭스중에 분산하여, 그것에 의해서 B4C 분말의 응집을 방지하도록 하고 있기 때문에, 압출성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 압출용 다이의 마모 저감에도 효과가 있다.
또한, 상기 조제로서 에틸 알코올 또는 메틸 알코올을 이용할 수도 있다. 에틸 알코올을 이용함으로써 산화알루미늄이 생성되어, 해당 산화물이 각형 파이프(1)의 기계적 강도의 향상에 기여한다. 마찬가지로, 메틸 알코올을 이용함으로써 탄화알루미늄이 생성되어, 해당 탄화물이 각형 파이프(1)의 기계적 강도의 향상에 기여한다. 또한, 아토라이터 밀을 냉각함에 있어서, 상기 워터 자켓(32) 외에 아토라이터(34)내에 냉매통로를 형성하여 냉각하도록 해도 무방하다. 또한, 냉각수 외에 헬륨 가스 등의 공지의 냉매를 이용할 수 있다. 특히, 대량 또한 연속적으로 기계적 합금화 처리를 하는 경우에는 아토라이터 밀을 충분히 냉각해야 하므로, 그 경우는 예컨대 흘리는 냉매의 양을 증가시키거나, 워터 자켓(32) 및 아토라이터(34)의 양쪽에 냉매통로를 흘리거나, 또는 열전도성이 높은 볼(41)을 이용하거나 함으로써 대처할 수 있다.
(실시예 5)
또한, 고속기류를 발생시키는 분말 제조 장치에 의해서, Al 분말의 주위에 B4C 분말을 부착시키도록 해도 무방하다. 이와 같이, 고속기류속에서 교반하여, 모재의 분말의 주위에 첨가재를 부착시키는 분말 제조 방법을 하이브리다이제이션(hybridization)이라고 한다. 도 9는 본 발명의 실시예 5에 관한 제조 방법을 실시하기 위한 분말 제조 장치를 도시하는 개략 구성도이다. 이 분말 제조 장치(50)는 고속회전하는 통형상의 회전용기(51)와, 회전용기(51)내에 설치한 복수의 임펠러(52)와, 질소 가스 등의 불활성 가스를 공급하는 가스 봄베(53)로 구성되어 있다.
다음에, 분말의 제조 방법에 대하여 설명한다. 우선, 소정량의 Al을 회전용기(51)내에 넣고, 해당 회전용기(51)를 회전시킨다. 이것에 의해서, 회전용기(51)내에서 고속기류가 발생하여, Al 분말이 해당 고속기류에 의해서 소용돌이 상태로 회전한다. 다음에, 이 회전하고 있는 회전용기(51)내에 소정량(5중량%)의 B4C 분말을 투입한다. 이 상태에서 회전을 소정 시간 계속하면, 도 10에 도시하는 바와 같이 Al 분말의 외측에 미세한 B4C 분말이 파고들도록 하여 부착된다. 여기서, 상기 Al 분말에는 평균 입자직경이 80㎛인 것을 이용하고, B4C 분말에는 평균 입자직경이 2㎛인 것을 이용하고 있다. 해당 평균 입자직경이 2㎛인 B4C 분말은 시판되고 있지만, 통상의 성긴 혼합 방법(V형 혼합 등)에서는 다른 금속분말과 혼합하면 소결시에 B4C 분말이 응집해 버리게 된다(이 때문에, 통상의 혼합 방법에서는 응집하기 어려운 10㎛ 이상의 것을 이용하고 있다). 또한, B4C 분말은 회전용기(51)내에서 다소 분쇄되므로, 실제로 부착되는 B4C 분말의 평균 입자직경은 2㎛보다 약간 작아진다.
또한, 상기 회전용기(51)의 회전속도는 70 내지 80m/sec으로 한다. 예를 들면, 그 회전속도가 60m/sec 이하인 경우에서는 B4C 분말이 Al 분말에 부착하지 않기 때문에, 알루미늄합금의 조성이 변해 버리거나, 나머지 B4C 분말이 응집을 일으키게 된다. 한편, 회전속도가 100m/sec 이상인 경우에서는 Al 분말의 운동에너지가 커져, 임펠러에 충돌할 때의 발열에 의해서 용착을 일으켜 버린다. 이 때문에, 상기 회전속도는 70 내지 80m/sec 정도로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 하여 제작한 알루미늄 합금분말은 고온 프레스 공정, 압출 공정을 지나서, 도 1에 도시하는 바와 같은 각형 파이프(1)로 성형된다.
이상, 이 각형 파이프(1)의 제조 방법에 의하면, B4C 분말이 Al 분말의 표면에 파고들어 부착되어 있으므로, 해당 B4C 분말이 바람직하게 분산되어 소결시에 응집하기 어워진다. 이 때문에, 빌릿의 편석을 방지할 수 있다. 또한, B4C 분말의 충돌에 의해서, Al 분말의 표면에 형성되어 있던 산화피막이 어느정도 제거되므로 소결성이 향상된다. 이 결과, 기계적 강도가 우수한 각형 파이프(1)를 성형할 수 있게 된다.
특히, 이 제조 방법에 의해서 제조한 각형 파이프는 사용 후 연료 집합체의 중량이 크기 때문에 고강도 재료로 구성해야 하는 PWR용 바스켓에 바람직하다.
(실시예 6)
다음에, 사용 후 연료 집합체를 수용하는 래크는 상기 각형 파이프식에 대신하여 평판식으로 하는 것도 가능하다. 도 11은 평판식 래크를 도시하는 사시도이다. 이 평판식 래크(60)에서는 우선 상기 실시예 l 내지 실시예 5의 제조 방법에 의해서 제작한 빌릿을 압출함으로써 폭이 300㎜ 내지 350㎜ 정도인 판형상 부재(61)를 성형한다. 계속해서, 각각의 판형상 부재(61)에 복수의 슬릿(62)을 설치한다. 그리고, 이 판형상 부재(61)를 슬릿(62) 부분에서 종횡으로 교대로 결합시켜 격자형상 단면을 형성한다. 또한, 이 평판식 래크(60)의 경우, 상기 각형 파이프식에 비교하여 판 두께가 작아지므로, 알루미늄에 분산시키는 붕소의 양을 조금 많게 해 둔다. 이 평판식 래크는 캐스크나 사용 후 연료 풀의 래크 등에 이용할 수 있다.
(실시예 7)
상기 실시예 1 내지 실시예 5에서는 각형 파이프(1)에 붕소를 분산시킴으로써 중성자 흡수능력을 부여하여, 사용 후 연료 집합체가 임계가 되는 것을 방지하도록 하고 있다. 이 실시예 7에서는 각형 파이프(1)에 의하지 않고, 사용 후 연료 집합체로부터의 중성자를 흡수하는 둥근 봉재를 성형한다. 둥근 봉재(70)는 도 12에 도시하는 사용 후 연료 집합체(71)의 제어봉 클러스터 안내관(72)(또는 계측관)내에 삽입한다. 이 둥근 봉재(70)를 삽입함으로써 소정의 중성자 흡수능력을 확보할 수 있으므로, 각형 파이프(1)에 다량의 붕소를 분산시킬 필요가 없어진다. 또한, 이 둥근 봉재(70)의 제조에는 최종의 압출 공정에 있어서의 다이의 형상이 다를 뿐이므로, 상기 실시예 1 내지 실시예 5의 제조 방법을 이용할 수 있다.
(실시예 8)
다음에, 상기 각형 파이프(1)의 구체적인 사용예에 대하여 설명한다. 도 l3은 캐스크를 도시하는 사시도이다. 도 14는 도 13에 도시한 캐스크의 축방향 단면도이다. 도 15는 도 13에 도시한 캐스크의 직경방향 단면도이다. 이 캐스크(100)는 몸통 본체(101)의 캐비티(102) 내면을 바스켓(130)의 외주 형상에 맞춰 기계 가공한 것이다.
몸통 본체(101) 및 바닥판(104)은 γ선 차폐기능을 갖는 탄소강제의 단조품이다. 또한, 탄소강 대신에 스테인레스강을 이용할 수도 있다. 상기 몸통 본체(101)와 바닥판(104)은 용접으로 결합한다. 또한, 내압용기로서의 밀폐 성능을 확보하기 위해서, 1차 캡(110)과 몸통 본체(101) 사이에는 금속 가스킷을 마련해 놓는다.
몸통 본체(101)와 외측 통(105) 사이에는 수소를 많이 함유하는 고분자 재료이고 중성자 차폐기능을 갖는 수지(106)가 충전되어 있다. 또한, 몸통 본체(101)와 외측 통(105) 사이에는 열전도를 실행하는 복수의 동제 내부 핀(107)이 용접되어 있고, 상기 수지(106)는 이 내부 핀(107)에 의해서 형성되는 공간에 유동 상태로 주입되어, 냉각 고화된다. 또한, 내부 핀(107)은 방열을 균일하게 실행하기 위해서, 열량이 많은 부분에 높은 밀도로 설치하도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 수지(106)와 외측 통(105) 사이에는 수 ㎜의 열팽창 영역(108)이 설치된다.
캡부(109)는 1차 캡(110)과 2차 캡(111)으로 구성된다. 이 1차 캡(110)은 γ선을 차폐하는 스테인레스강 또는 탄소강으로 이루어지는 원반형상이다. 또한, 2차 캡(111)도 스테인레스강제 또는 탄소강제의 원반형상이지만, 그 상면에는 중성자 차폐체로서 수지(112)가 밀봉되어 있다. 1차 캡(110) 및 2차 캡(111)은 스테인레스제 또는 탄소강제의 볼트(113)에 의해서 몸통 본체(101)에 장착되어 있다. 또한, 1차 캡(110) 및 2차 캡(111)과 몸통 본체(101) 사이에는 각각 금속 가스킷이 설치되어 내부의 밀봉성을 유지하고 있다. 또한, 캡부(109)의 주위에는 수지(114)를 밀봉한 보조 차폐체(115)가 설치되어 있다.
캐스크 본체(116)의 양측에는 캐스크(100)를 매달기 위한 트러니언(117)이 설치되어 있다. 또한, 도 13에서는 보조 차폐체(115)를 설치한 것을 도시했지만, 캐스크(100)의 반송시에는 보조 차폐체(115)를 분리하고 완충체(118)를 장착한다(도 14 참조). 완충체(118)는 스테인레스강재에 의해서 작성한 외측 통(120)내에 레드 우드재 등의 완충재(119)를 조립한 구조이다.
바스켓(130)은 사용 후 핵연료 집합체를 수용하는 셀(131)을 구성하는 69개의 각형 파이프(1)로 이루어진다. 해당 각형 파이프(1)에는 상기 실시예 1 내지 실시예 5에 관한 제조 방법으로 제조한 것을 이용한다. 도 16은 상기 각형 파이프의 삽입 방법을 도시하는 사시도이다. 상기 공정에 의해서 제조한 각형 파이프(1)는 캐비티(102)내의 가공형상에 따라 순차적으로 삽입된다.
또한, 도 16 및 도 14에 도시하는 바와 같이 캐비티(102)중 셀수가 5개 또는 7개가 되는 각형 파이프열의 양측에는 각각 더미 파이프(133)가 삽입되어 있다. 이 더미 파이프(133)는 몸통 본체(101)의 중량을 경감함과 동시에 몸통 본체(101)의 두께를 균일화하는 것, 각형 파이프(1)를 확실하게 고정하는 것을 목적으로 한다. 이 더미 파이프(133)에도 붕소 함입 알루미늄 합금을 이용하여, 상기와 같은 공정으로 제작한다. 또한, 이 더미 파이프(133)는 생략할 수도 있다.
캐스크(100)에 수용하는 사용 후 핵연료 집합체는 핵분열성 물질 및 핵분열 생성물 등을 포함하여, 방사선을 발생함과 동시에 붕괴열을 수반하기 때문에, 캐스크(100)의 제열(除熱)기능, 차폐기능 및 임계방지 기능을 저장 기간 동안(60년 정도) 확실하게 유지해야 한다. 이 실시예 8에 관한 캐스크(100)에서는 몸통 본체(101)의 캐비티(102)내를 기계 가공하여 각형 파이프(1)로 구성한 바스켓(130)의 외측을 대략 밀착 상태(큰 간극 없음)로 삽입하도록 하고 있고, 또한 몸통 본체(101)와 외측 통(105) 사이에 내부 핀(107)을 설치하고 있다. 이 때문에, 연료봉으로부터의 열은 각형 파이프(1) 또는 충전한 헬륨 가스를 통하여 몸통 본체(101)로 전도하고, 주로 내부 핀(107)을 통하여 외측 통(105)으로부터 방출되게 된다.
또한, 사용 후 핵연료 집합체로부터 발생하는 γ선은 탄소강 또는 스테인레스강으로 이루어지는 몸통 본체(101), 외측 통(105), 캡부(109) 등에서 차폐된다. 또한, 중성자는 수지(106)에 의해서 차폐되어, 방사선 업무 종사자에 대한 피폭상의 영향을 없애도록 하고 있다. 구체적으로는 표면 선량당량률이 2mSv/h 이하, 표면에서 lm의 선량당량률이 100μSv/h 이하가 되는 것 같은 차폐기능을 얻을 수 있도록 설계한다. 또한, 셀(131)을 구성하는 각형 파이프(1)에는 붕소함입 알루미늄합금을 이용하고 있기 때문에, 중성자를 흡수하여 임계에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이 캐스크(100)에 의하면, 몸통 본체(101)의 캐비티(102)내를 기계 가공하여 바스켓(130)의 외주를 구성하는 각형 파이프(1)를 대략 밀착 상태로 삽입하도록 했으므로, 각형 파이프와 캐비티의 대면하는 면적이 넓어져, 각형 파이프(1)로부터의 열전도를 양호하게 할 수 있다. 또한, 캐비티(102)내의 공간 영역을 없앨 수 있으므로, 각형 파이프(1)의 수용수가 같으면, 몸통 본체(101)를 조밀하고 또한 경량으로 할 수 있다. 반대로, 몸통 본체(101)의 외경을 바꾸지 않는 경우, 그만큼 셀수를 확보할 수 있으므로, 사용 후 핵연료 집합체의 수납수를 증가할 수 있다. 구체적으로 해당 캐스크(100)에서는 사용 후 핵연료 집합체의 수용수를 69개로 할 수 있고, 또한 캐스크 본체(116)의 외경을 2560㎜, 중량을 120ton으로 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 BWR용 캐스크를 예시했지만, PWR용 캐스크이더라도 동일한 구성을 채용할 수 있다. 또한, PWR용 바스켓에는 통상 융제트랩(flux trap)이 설치되고, 이 융제트랩은 각형 파이프(1)의 압출 공정으로 동시에 성형될 수 있다.
(실시예 9)
계속해서, 상기 각형 파이프의 다른 사용예에 대하여 설명한다. 도 17은 PWR용의 사용 후 연료 풀을 도시하는 사시도이다. 이 사용 후 연료 풀(200)은 상기 실시예 1 내지 5에 의해서 제조한 각형 파이프(1)를 복수 설치하고, 그 상하 부분을 받침판(201)으로 지지한 래크(202)를 구비하고 있다. 래크(202)는 철근콘크리트제의 피트(203)내에 설치되어 있고, 해당 피트(203)내면은 피트물의 누설방지를 위해서 스테인레스 강판인 라이닝(204)으로 내장되어 있다. 또한, 이 피트(203)의 내부는 항상 붕산수로 채워져 있다. 이 사용 후 연료 풀(200)은 상기 각형 파이프(1)를 이용하여 구성하고 있기 때문에, 중성자 흡수능력이 높고 또한 그 구조의 건전성을 확보할 수 있다. 이 때문에, 사용 후 연료 집합체가 임계에 도달하는 것을 유효하게 방지할 수 있다.
또한, 도시하지 않지만, 상기 각형 파이프는 사용 후 핵연료 집합체를 수납하는 캐니스터의 바스켓으로서도 이용할 수 있다. 수납하는 사용 후 연료 집합체는 PWR용이든 BWR용이든 무관하다. 캐니스터는 스테인레스제 또는 탄소강제의 판재로 제작한 용기이고, 마찬가지로 스테인레스제 또는 탄소강제의 몸통 본체를 구비하고, 그 주위에 중성자 차폐체를 설치한 보관용 용기에 수납하는 것이고 또는 콘크리트제의 몸통 본체내에 수납하여 보관하는 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법(청구항 1)에서는 알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하고, 이 혼합 분말을 CIP에 의해서 예비 성형체로 하고, 해당 예비 성형체를 캐닝한 후에 소결하도록 했다. 이 때문에, 고품질의 사용 후 연료 저장부재를 제조할 수 있다. 또한, 상기 소결을 고온 프레스 또는 HIP로 실행함으로써 더욱 고품질의 사용 후 연료 저장부재를 제조할 수 있다(청구항 2).
또한, 본 발명의 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법(청구항 3)에서는 캐닝을 생략하고 진공 소결하도록 했으므로, 외측 밀링 등의 기계 가공이 불필요하게 되어, 그 만큼 제조 공정을 간략화할 수 있다. 이 결과, 사용 후 연료 저장부재를 매우 저렴하게 제조할 수 있다. 또한, 상기 소결을 진공 고온 프레스로 실행함으로써, 저렴하고 고품질의 사용 후 연료 저장부재를 제조할 수 있다(청구항 4).
또한, 본 발명의 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법(청구항 5)에서는 예비 성형체를 방전 소결하도록 했으므로, 단 시간에 소결이 완료된다. 이 때문에, 제조효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 방전 소결로서 방전 플라즈마 소결을 이용함으로써, 소결성이 향상되어 고품질의 빌릿을 저비용으로 얻을 수 있다(청구항 6).
또한, 상기 방법으로 제조한 빌릿을 압출함으로써, 사용 후 연료 저장부재인 각형 파이프나 막대체를 용이하게 제조할 수 있게 된다(청구항 7 및 청구항 8).
또한, 본 발명의 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법(청구항 9)에서는 기계적 합금화를 이용하여 알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하도록 했으므로, 알루미늄 매트릭스중에 중성자 흡수재 분말이 미세화한 상태로 균일하게 분산된다. 이 때문에, 사용 후 연료 저장부재의 기계적 강도가 향상된다.
또한, 본 발명의 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법(청구항 10)에서는 볼 밀링에 이용하는 볼은 첨가 예정의 원소가 주성분이기 때문에, 볼 밀링의 과정에서 알루미늄 매트릭스에 첨가하고 싶은 원소를 이 과정에서 첨가할 수 있다. 이 때문에, 제조 공정을 간략화할 수 있다.
또한, 본 발명의 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법(청구항 11)에서는 하이드리다이제이션을 실행함으로써, 알루미늄에 대하여 중성자 흡수재를 미세하고 또한 균일하게 분산할 수 있다. 이 때문에, 사용 후 연료 저장부재의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이 때 하이브리다이제이션에 이용하는 회전용기의 회전속도를 70 내지 80m/sec로 함으로써 혼합비를 변화시키지 않고, 소망하는 사용 후 연료 저장부재를 얻을 수 있다(청구항 12).
또한, 본 발명의 혼합 분말(청구항 13)에서는 기계적 합금화에 의해서 알루미늄 분말을 편평화함과 동시에 해당 알루미늄 분말에 대하여 분쇄한 붕소 또는 붕소 화합물을 갈아 넣듯이 분산시키도록 했다. 또한, 본 발명의 혼합 분말(청구항 14)에서는 하이브리다이제이션에 의해서 알루미늄 분말의 표면에 붕소 또는 붕소 화합물을 박아 부착시키도록 했다. 이 때문에, 소결시의 응집을 방지할 수 있으므로, 이것을 이용하여 제조한 사용 후 연료 저장부재의 성분은 균질하게 되어, 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 혼합 분말(청구항 14)에서는 하이브리다이제이션에 의해서 알루미늄 분말의 표면에 붕소 또는 붕소 화합물을 박아 부착시켰기 때문에, 연소시의 응집을 방지할 수 있고, 이러한 분말을 이용하여 제조한 사용 후 연료 저장부재는 그 기계적 강도가 우수하게 된다.

Claims (14)

  1. 사용 후 연료의 저장에 이용하는 부재를 제조하는 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법에 있어서,
    알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하는 공정과,
    냉간 정수압 성형법으로 예비 성형체를 성형하는 공정과,
    상기 예비 성형체를 캐닝하는 공정과,
    캐닝한 예비 성형체를 소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소결을 고온 프레스 또는 열간 정수압 성형법으로 실행하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  3. 사용 후 연료의 저장에 이용하는 부재를 제조하는 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법에 있어서,
    알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하는 공정과,
    냉간 정수압 성형법으로 예비 성형체를 성형하는 공정과,
    상기 예비 성형체를 진공 소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 소결을 진공 고온 프레스에 의해서 실행하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  5. 사용 후 연료의 저장에 이용하는 부재를 제조하는 사용 후 연료 저장부재의 제조 방법에 있어서,
    알루미늄 분말과 중성자 흡수재 분말을 혼합하는 공정과,
    냉간 정수압 성형법으로 예비 성형체를 성형하는 공정과,
    상기 예비 성형체를 방전 소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 방전 소결을 방전 플라즈마 소결에 의해서 실행하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압출 성형으로 각형 파이프를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압출 성형으로 사용 후 연료의 안내관에 삽입하는 막대체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    또한, 상기 혼합에 기계적 합금화를 이용하는 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기계적 합금화에 볼 밀링을 이용함과 동시에 미리 알루미늄 매트릭스에 첨가하는 원소가 주성분인 볼을 이용하여, 볼 밀링중인 볼의 마모에 의해서 알루미늄 매트릭스속에 상기 볼의 원소를 첨가하도록 한 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합에 고속기류를 발생시키는 분말 혼합 장치를 이용한 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 고속기류를 발생시키는 분말 혼합 장치에 이용하는 회전용기의 회전속도를 70 내지 80m/sec로 한 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재의 제조 방법.
  13. 기계적 합금화에 의해서 알루미늄 분말을 편평화 함과 동시에 상기 알루미늄 분말에 대하여 분쇄한 붕소 또는 붕소 화합물을 갈듯이 분산시킨 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재용의 혼합 분말.
  14. 고속기류를 발생시키는 분말 혼합 장치에 의해서 알루미늄 분말의 표면에 붕소 또는 붕소 화합물을 박아 부착시킨 것을 특징으로 하는
    사용 후 연료 저장부재용의 혼합 분말.
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