KR100465742B1 - Composite nuclear fuel material and method of manufacture of the material - Google Patents

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이자벨 비알라드
쟝-마크 본네로
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꼼미사리아 아 레네르지 아토미끄
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Abstract

본 발명은 복합 핵연료 재료 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a composite fuel material and a method of manufacturing the same.

본 발명의 목적은 방사선 조사(irradiation)시에 불활성인 세라믹 매트릭스(matrix), 및 방사선 조사시 균열(fissure)의 진행에 대한 저항이 우수하고 휘발성 핵분열 산물의 보유력이 높은 핵연료 입자들을 포함하는 복합 핵연료 재료를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is a composite fuel comprising a ceramic matrix which is inert during irradiation, and nuclear fuel particles having a high resistance to the progression of the fissure upon irradiation and having a high retention of volatile fission products. To provide the material.

상기한 목적은 입자들과 매트릭스 사이에 몇몇 미크론의 간격을 생성되는 것을 허용하는 방법을 사용하여 달성된다.The above object is achieved using a method that allows generating some micron spacing between the particles and the matrix.

Description

복합 핵연료 재료 및 이의 제조방법{Composite nuclear fuel material and method of manufacture of the material}Composite nuclear fuel material and method of manufacture of the material}

본 발명은 핵연료 재료에 관한 것이고, 보다 상세하게는 방사선 조사(irradiation)시에 균열의 진행에 대한 저항이 우수하고 휘발성 핵분열 산물의 높은 보유력을 지닌 핵연료 재료 및 상기한 복합 핵연료 재료의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nuclear fuel material, and more particularly to a nuclear fuel material having a high resistance to crack propagation during irradiation and having a high retention of volatile fission products and a method for producing the composite fuel material. will be.

핵연료를 이용하는 동안, 특히 방사선 조사시 연료의 기계적 저항에 관해서는 수많은 문제점이 발생된다. 방사선 조사시에는 연료 팽창 및 휘발성 핵분열 산물의 방출로 인해 국부 응력이 형성되며, 연료의 균열(fissure)을 발생시켜 연료 피복관(fuel sheath)을 파열시킨다. 연료 피복관의 내부 압력 및 균열에 의한 물질과 연료 피복관 간의 상호 작용은 제한되어야 한다. 이에 따라 사용 연료의 품질이 가장 중요한 것이 되며, 현재 연료의 성능 개선 관점에서 수행되는 어떠한 변화도 피복관과 연료의 상호작용을 제한하는 것을 추구해야 하는 것이다.Numerous problems arise during the use of nuclear fuel, especially with regard to the mechanical resistance of the fuel during irradiation. During irradiation, local stresses are created due to fuel expansion and the release of volatile fission products, causing fuel fuel fractures to rupture the fuel sheath. The interaction between material and fuel cladding due to internal pressures and cracks in the fuel cladding should be limited. As a result, the quality of the fuel used is of paramount importance and any change that is currently made in terms of improving the performance of the fuel should seek to limit the interaction of the cladding and the fuel.

'기사의 기술'(Genie Energetique B811 3620-11/5.12)이라는 문서에서, 연료 펠릿(pellet)은 UO2 분말로 제조되며, U3O8이 첨가되어 원료 펠릿의 고형성을 개선한다. 상기 원료 펠릿은 고압에서 제조되어 UO2/U3O8 입자는 아연 스테아르산염을 첨가함으로써 고착된다. 또한, 이 문서에서는 다공 생성의 산물을 연료에 첨가하는 가능성에 대해 설명한다. 상기 얻어진 원료 펠릿은 그 후 고온에서 소결된다.In the document entitled 'Artie Energetique B811 3620-11 / 5.12', the fuel pellets are made of UO 2 powder and U 3 O 8 is added to improve the solid form of the raw pellets. The raw pellets are prepared at high pressure so that the UO 2 / U 3 O 8 particles are fixed by the addition of zinc stearate. This document also discusses the possibility of adding the product of porosity to the fuel. The obtained raw pellet is then sintered at high temperature.

특허 출원 FR-A-2 706 066에서는 핵분열 산물의 보유 특성이 개선된 UO2를 함유한 핵연료를 설명한다. 이 문서에서 연료는 핵분열로부터 나온 산소를 트랩(trap)할 수 있는 Cr 또는 Mo와 같은 금속을 포함하여, 산화물을 형성한다.Patent application FR-A-2 706 066 describes a nuclear fuel containing UO 2 with improved retention properties of fission products. In this document, fuel includes metals such as Cr or Mo that can trap oxygen from fission, forming oxides.

그러나, 상기 문서들 모두, 방사선 조사시의 핵연료 팽창 및 휘발성 핵분열 산물의 방출에 의해 야기되고, 재료 내부에 국부 응력을 발생시키는 문제들을 동시에 해결하지 못하고 있다.However, none of the above documents simultaneously solves the problems caused by nuclear fuel expansion and the release of volatile fission products upon irradiation and generating local stresses inside the material.

본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하는 새로운 연료 재료, 및 상기한 연료 재료의 제조방법을 정확하게 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to accurately provide a novel fuel material which solves the above-mentioned problems, and a method of producing the fuel material.

이러한 새로운 형태의 복합 핵연료 재료는 조사시에 불활성이며 핵연료의 ㅇ비자들이 매트릭스와 입자 사이의 1∼10㎛ 간격으로 분산되어 있으며, 상기 연료 입자의 열팽창 계수보다 낮은 열팽창 계수를 지니는 세라믹 매트릭스를 포함한다.This new type of composite fuel material comprises a ceramic matrix which is inert upon irradiation and the nuclear fuel particles are dispersed at intervals of 1 to 10 μm between the matrix and the particles and have a coefficient of thermal expansion lower than the coefficient of thermal expansion of the fuel particles. .

이 매트릭스는 방사선 조사시에 불활성이며, 감소된 유효 중성자 흡수 단면적 및 감소된 방사선 조사시의 팽창을 지닌다.This matrix is inert upon irradiation and has a reduced effective neutron absorption cross-sectional area and a reduced expansion upon irradiation.

상기한 특성을 지닌 매트릭스는 예를 들어, 스피넬 MgAl2O4 과 같은 세라믹, MgO 마그네시아(magnesia)와 같은 산화물, 또는 이트륨 산화물 Y2O3이다. 바람직하게, 사용된 매트릭스는 스피넬 MgAl2O4이다.The matrix with the above characteristics is, for example, a ceramic such as spinel MgAl 2 O 4 , an oxide such as MgO magnesia, or yttrium oxide Y 2 O 3 . Preferably, the matrix used is spinel MgAl 2 O 4 .

이전 기술에서는 산화 베릴륨, 산화 알루미늄, 및 산화 지르코늄과 같은 재료를 언급하지만, 이 재료들은 다수의 단점이 있다. 산화 베릴륨은 중성자 감속제이고, 산화 알루미늄 및 산화 지르코늄은 방사시에 팽창 효과를 나타낸다. 또한, 산화 지르코늄은 1200℃ 이상의 온도에서 UO2에 용해된다(상전이(相轉移)). 이러한 단점으로 인해 요구되는 특성을 지닌 연료 재료를 얻지 못한다.Although the prior art mentions materials such as beryllium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide, these materials have a number of disadvantages. Beryllium oxide is a neutron reducer, and aluminum oxide and zirconium oxide have an expansion effect upon spinning. In addition, zirconium oxide is dissolved in UO 2 at a temperature of 1200 ° C. or higher (phase change). These drawbacks result in no fuel material having the required properties.

핵연료의 입자는 몇몇의 형태로 이루어지며, 일반적으로 산화물 입자는 UO2, 또는 UO2-PuO2, UO2-ThO2와 같이 UO2를 함유한 혼합 산화물의 입자로 사용되어진다. 또한, 다양한 첨가제는 입자 크기를 조정하여 핵분열 산물의 보유를 개선하기 위해 사용된 알려진 첨가제와 같이 첨가될 수 있다.Particles of the nuclear fuel is made of some form of, in general, the oxide particles are used as particles of a mixed oxide containing UO 2 as UO 2, UO 2, or -PuO 2, UO 2 -ThO 2. In addition, various additives may be added, such as known additives used to adjust particle size to improve retention of fission products.

바람직하게, 본 발명에서 사용된 핵연료의 입자는 UO2 입자이다.Preferably, the particles of nuclear fuel used in the present invention are UO 2 particles.

입자 크기는 소결 후, 입자와 매트릭스 사이에서 약 2~3㎛ 정도의 간격을 얻는 방법으로 선택되어진다. 일반적으로, 70∼230㎛ 크기의 입자가 사용되고, 바람직하게는 90∼120㎛이다. 요구되는 특성을 지닌 본 발명의 재료를 얻기 위해, 핵연료 재료에서 UO2의 비율은 일반적으로 핵연료 재료의 총 체적에 대해 20∼40%를 차지한다.The particle size is chosen by sintering and then obtaining a gap of about 2-3 μm between the particle and the matrix. Generally, particles of 70-230 μm size are used, preferably 90-120 μm. In order to obtain the material of the present invention with the required properties, the proportion of UO 2 in the fuel material generally accounts for 20-40% of the total volume of the fuel material.

매트릭스와 입자 사이의 간격은 휘발성 핵분열 산물용 팽창 체적을 생성하고, 방사선 조사시에 UO2 연료 팽창의 일부를 부분적으로 조절하여, 핵연료를 사용하는 동안 발생되는 국부 응력을 제한하고, UO2 입자와 매트릭스의 손상을 지체시킨다.The distance between the matrix and the particles is generated by the expansion volume for the volatile fission products and, in part, controlled by a part of the UO 2 fuel expansion upon irradiation limits the local stress generated during the use of nuclear fuel, and UO 2 particles and Delay damage to the matrix.

또한, 본 발명의 핵연료 재료는 UO2 단일의 경우보다 더 양호한 열전도율을 지닌다. 원자로(reactor)가 조사되는 동안에 도달되는 연료 온도는 펠릿의 중심과 주변 사이에서 얻어진 열경사를 따라 감소되어, 핵분열 산물의 보유용으로 바람직하게 되고, UO2에 대한 핵분열 산물의 확산 현상으로 열이 활성화된다.In addition, the nuclear fuel material of the present invention has better thermal conductivity than that of UO 2 single. The fuel temperature reached while the reactor is being irradiated is reduced along the thermal gradient obtained between the center of the pellet and the surroundings, making it desirable for the retention of fission products, and the heat dissipation due to the diffusion of fission products to UO 2 . Is activated.

또한, 본 발명의 핵연료 재료는 펠릿 내부에서 균열이 진행되는 것에 대한 저항이 우수하다. 연료 입자와 매트릭스 사이에 존재하는 간격은 조사되는 동안 생성되는 균열의 휘어짐 현상을 발생시킨다. In addition, the nuclear fuel material of the present invention has excellent resistance to crack propagation inside the pellets. The gap present between the fuel particles and the matrix results in the bending of the cracks generated during the irradiation.

본 발명에서는 또한 하기의 단계;In the present invention also the following steps;

a) 상기한 입자 크기 범위 내의 직경을 갖는 핵연료 전구체(precursor)의 입자들과, 방사선 조사시에 불활성인 세라믹 매트릭스를 형성할 재료의 분말을 혼합하는 단계,a) mixing particles of a nuclear fuel precursor having a diameter within the aforementioned particle size range with a powder of material to form a ceramic matrix inert upon irradiation,

b) 상기한 혼합물을 압착하여 형상을 형성하는 단계, 및b) pressing the mixture to form a shape, and

c) H2O를 포함하는 환원성 대기 중에서, 핵연료 전구체의 결정격자 체적이 열 처리 동안 감소되도록 하는 조건하에서, 예를 들어, 열 처리에 의해, 압착된 혼합물을 소결시키는 단계c) sintering the compacted mixture in a reducing atmosphere comprising H 2 O, under conditions such that the crystal lattice volume of the nuclear fuel precursor is reduced during the heat treatment, for example by heat treatment.

를 포함하는 핵연료 재료의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a nuclear fuel material comprising a.

연료가 UO2여야 되는 경우, 이 특징적인 결정격자의 체적 감소를 위해 사용될 수 있는 전구체는 U3O8 또는 U3O8-UO2 혼합물 둘 중 하나이다.If the fuel should be UO 2 , the precursor that can be used for the volume reduction of this characteristic crystal lattice is either U 3 O 8 or U 3 O 8 -UO 2 mixture.

사방정계 구조의 U3O8 산화물이 큐빅 구조의 이산화 우라늄 UO2로 변환되는 동안, 매트릭스와 입자 사이에는 연료의 결정격자 체적이 감소되어 몇 미크론의 간격이 형성된다.While the tetragonal U 3 O 8 oxide is converted into cubic structured uranium dioxide UO 2 , the crystal lattice volume of the fuel is reduced between the matrix and the particles to form a few micron gap.

전구체 입자를 매트릭스 분말과 혼합하는 동안, 압축한 후 밀도를 높히는 동안의 수행을 최적화하기 위한 방법으로, 혼합되는 동안 형성될 수 있는 매트릭스 분말의 큰 덩어리를 제거하는 것은 필수적이다.While mixing the precursor particles with the matrix powder, it is essential to remove large lumps of matrix powder that may form during the mixing, as a way to optimize the performance during compression and then to increase the density.

상기 혼합 단계는 복합 연료를 최종적 동질성을 결정하므로 가장 중요하다. 이것은 부가적인 미립자를 생성하지 않기 위해 천천히 실시되어야 한다.The mixing step is most important as it determines the final homogeneity of the composite fuel. This should be done slowly in order not to produce additional particulates.

예를 들어, 20rpm의 저속으로 설정된 블레이드 믹서 또는 터뷸러 믹서 등을 이용하여, 기계적 스터링(stirring)에 의해 적어도 30분 동안 혼합될 수 있다.For example, it may be mixed for at least 30 minutes by mechanical stirring, using a blade mixer or a turbula mixer set at a low speed of 20 rpm.

혼합물의 냉각 압착은, 특히, 펠릿 형성으로의 혼합물 냉각 압착은 종래의 방법을 사용하여 실시될 수 있다. 예를 들어, 수압, 바람직하게는 이중 효과 압력(twin effect press)을 이용하여 제조될 수 있다.Cold pressing of the mixture, in particular, mixture cooling pressing into pellet formation, can be carried out using conventional methods. For example, it can be produced using hydraulic pressure, preferably twin effect press.

또한, 중간 조정 장치로 된 이중 압축 사이클은 압력 매트릭스에서 혼합물의 불량 분포에 관계하는 결점을 한정할 것이다. 이 압력으로, 제 1 압착 단계는 30∼50㎫의 압력으로 수행될 수 있고, 제 2 단계는 300∼350㎫의 압력으로 수행된다. 각각의 단계는 압력 상승 주기, 압력 유지 주기, 및 압력 저하 주기를 포함한다.In addition, a double compression cycle with an intermediate adjustment device will limit the shortcomings related to the poor distribution of the mixture in the pressure matrix. At this pressure, the first pressing step can be performed at a pressure of 30 to 50 MPa, and the second step is performed at a pressure of 300 to 350 MPa. Each step includes a pressure rise cycle, a pressure hold cycle, and a pressure drop cycle.

예를 들어, 분말을 압착하기 전의 에어러졸(aerosol) 형태로 윤활제, 아연 스테아르산염을 이용하여 압축 매트릭스를 매끄럽게 하도록 강력히 요구된다.For example, it is strongly required to smooth the compression matrix using a lubricant, zinc stearate in the form of an aerosol prior to compacting the powder.

또한, 연료 펠릿의 동질성을 저하시키는 매트릭스 분말에서 입자의 분리를 제한하기 위해서, 준비부터 압착까지 매트릭스와 연료 입자로 구성된 분말 혼합물의 전송 시간은 충분히 짧아야 한다. 제조 단계에서 어떠한 분포 결점도 소결되는 동안 재 흡수된 결점이 될 수 없는 결점이 된다.In addition, in order to limit the separation of particles in the matrix powder, which lowers the homogeneity of the fuel pellets, the transfer time of the powder mixture composed of the matrix and the fuel particles from preparation to compression should be short enough. Any distribution defects at the manufacturing stage become defects that cannot be reabsorbed defects during sintering.

전구체에서 연료로 변환시키고, 연료 및 매트릭스 양 재료의 밀도를 적절하게 높히는 조건(온도, 시간, 대기) 하에서, 소결이 실시된다.Sintering is carried out under the conditions (temperature, time, atmosphere) of converting the precursor to the fuel and suitably raising the density of the fuel and the matrix both materials.

전구체에서 연료로의 변환시키기 위해서는, U3O8 입자에 관해, 습식 환원 대기(damp reducing atmosphere)가 사용되어야 한다. 이것은 바람직하게는 예를 들어 물체적(water volume) 2% 정도로 가습된 수소로 구성되어, 600℃ 이하의 온도에서 U3O8을 UO2로 충분히 환원되는 것을 허용하게 된다. 소결하는 동안 가습으로 양이온의 확산이 활성화되어, 양 재료들의 밀도를 높이게 된다. 상기한 환원성 대기는 또한 수소, 및 아르곤과 같은 불활성 가스로 된 가습의 혼합물로 구성된다.In order to convert from precursor to fuel, a damp reducing atmosphere must be used for U 3 O 8 particles. It is preferably composed of hydrogen humidified, for example, by about 2% water volume, to allow sufficient reduction of U 3 O 8 to UO 2 at temperatures of up to 600 ° C. Humidification during sintering activates the diffusion of cations, increasing the density of both materials. The reducing atmosphere described above also consists of a mixture of humidification with hydrogen and an inert gas such as argon.

순수 가습의 수소가 사용되거나 가습의 수소 아르곤 혼합물이 사용되는 경우, pH2/pH2O 비율의 분압비는 40/60이며, 바람직하게는 50 영역이다.When pure humidified hydrogen is used or a humidified hydrogen argon mixture is used, the partial pressure ratio of the pH 2 / pH 2 O ratio is 40/60, preferably 50 zones.

소결 온도 및 시간은 연료와 매트릭스로 사용된 재료에 관하여 선택되어진다. 예를 들어, 1640 ~ 1740℃의 온도가 사용될 수 있다. 예를 들어, 스피넬 MgAl2O4에 대해서, 소결 온도는 1650℃이다.The sintering temperature and time are chosen in terms of the fuel and the material used as the matrix. For example, a temperature of 1640-1740 ° C. may be used. For example, for spinel MgAl 2 O 4 , the sintering temperature is 1650 ° C.

소결하는 동안, 처리 사이클은 소결 온도에 이르기까지 약 100 ~ 300℃/h의 비율로 온도가 상승되고, 한 시간 동안 소결 온도를 유지하고, 온도를 150 ~ 350℃/h의 비율로 실내 오

Figure pat00001
로 저하시킴을 연속적으로 포함할 수 있다.During sintering, the treatment cycle is allowed to raise the temperature at a rate of about 100 to 300 ° C./h up to the sintering temperature, maintain the sintering temperature for one hour, and maintain the temperature at a rate of 150 to 350 ° C./h
Figure pat00001
Lowering may be included.

본 발명에 따르면, 상기 방법으로, 방사선 조사시에 불활성인 세라믹 매트릭스 및 핵연료의 전구체를 사용한 핵연료 재료를 얻을 수 있고, 전구체가 연료로 변환되어 입자 크기가 감소되면서 생성된, 연료 입자와 매트릭스 사이에 간격이 생기는 점에서 특징이 있다.According to the present invention, with the above method, it is possible to obtain a nuclear fuel material using a precursor of a ceramic matrix and a nuclear fuel which is inert during irradiation, and between the fuel particles and the matrix, which is produced as the precursor is converted into fuel and the particle size is reduced. It is characteristic in that gaps occur.

예를 들어, 입자들의 전구체는 사방정계 구조의 U3O8 이므로, U3O8 보다는 작은 큐빅 구조의 결정격자 체적을 가지는 UO2 입자가 얻어진다. 상기 U3O8에서 UO2로의 변환은 600℃ 이하의 저온에서 실시되어진다.For example, the precursor of the particles because it is U 3 O 8 of orthorhombic structure, U 3 O 8 is UO 2 particles having a small crystal lattice volume of the cubic structure than is obtained. The conversion from U 3 O 8 to UO 2 is carried out at a low temperature of 600 ° C. or lower.

UO2 입자와 스피넬 매트릭스 혼합물의 고밀화 공정이 개시되기 전에, 총 체적에 대해 21%의 영역에서는 기초 결정격자 크기의 감소로 인해 매트릭스와 UO2 입자 사이의 인터페이스에서는 간격이 발생한다.Before the process of densification of the UO 2 particles and spinel matrix mixture begins, a gap occurs at the interface between the matrix and the UO 2 particles due to a reduction in the underlying crystal lattice size in the region of 21% of the total volume.

소결하는 동안 양 성분은 비슷한 고밀화 반응속도를 가지며, 양 성분의 고밀화는 동시에 개시되기 때문에, 이러한 간격은 소결하는 동안 부분적으로 회복되게 된다.During sintering, both components have similar densification kinetics, and since the densification of both components is initiated simultaneously, this gap is partially recovered during sintering.

전구체 입자들은 하기의 단계;Precursor particles include the following steps;

1) 전구체 분말을 압착하여 원료 압착물을 얻는 단계,1) pressing the precursor powder to obtain a raw material compact,

2) 원료 압착물을 분쇄하여 미립자를 얻는 단계,2) grinding the raw material compact to obtain fine particles,

3) 미립자를 선별하는 단계,3) screening particulates,

4) 선별된 미립자를 전구체 입자로 회전 타원체화시키는 단계, 및4) spheroidizing the selected fine particles with precursor particles, and

5) 입자의 직경이 상기한 입자 크기 범위 내에 있지 않은 전구체 입자들을 선별함으로써 제거하는 단계5) removing by selecting precursor particles whose diameter is not within the above particle size range

를 공정 중에 설정함으로써 얻어질 수 있다.Can be obtained by setting in the process.

연료 전구체가 U3O8인 경우, 450 ~ 500℃의 온도에서 UO2 분말을 하소시킴으로써 얻어질 수 있다. 이 하소는 예를 들어, 알루미나 또는 인코넬 용기에서 실시된다.When the fuel precursor is U 3 O 8 , it can be obtained by calcining the UO 2 powder at a temperature of 450 to 500 ° C. This calcination is for example carried out in an alumina or Inconel vessel.

상기한 전구체가 UO2 및 U3O8 분말의 혼합물인 경우, U3O8 분말은 이전대로 준비되어, 필요한 UO2 분말의 양이 첨가되었다.When the precursor described above was a mixture of UO 2 and U 3 O 8 powders, the U 3 O 8 powder was prepared as before, and the amount of required UO 2 powder was added.

U3O8 연료 전구체의 입자에 대한 다음의 준비 단계는, 예를 들어, 100㎫로 U3O8 분말 또는 UO2-U3O8의 혼합물을 압착하여 원료 압착물을 얻고, 발진 조립기(造粒機)를 이용하여 상기한 원료 압착물을 분쇄하여 미립자를 얻고, 상기한 미립자를 선별하며, 선별된 미립자를 입자들로 회전 타원체화시키고, 입자의 직경이 상기한 입자 크기 범위 내에 있지 않은 입자들을 선별함으로써 제거함으로써 구성된다.The next preparation step for the particles of the U 3 O 8 fuel precursor is, for example, compressing the U 3 O 8 powder or the mixture of UO 2 -U 3 O 8 to 100 MPa to obtain a raw material compact, and the oscillating granulator ( Crushing the above-mentioned raw material compact to obtain fine particles, selecting the fine particles, spheroidizing the selected fine particles into particles, and the diameter of the particles is not within the above particle size range. By removing particles by screening.

U3O8의 원료 압착물을 분쇄시킴으로써 얻어진 미립자는 날카로운 구석이 없는 원형이여야 한다.The fine particles obtained by grinding the raw compacts of U 3 O 8 should be circular without sharp corners.

분쇄된 미립자는 그 후 선별되어진다. 미립자는 스크린, 바람직하게는 스테인레스강을 사용하여 선별되어진다. 사용된 스크린의 메시(mesh)는 입자 크기 또는 필요한 입자의 크기에 따라 개조되어, 열처리 동안 결정 구조의 변화로 인한 체적 감소를 위해 제공된다.The ground fines are then sorted. Particulates are screened using a screen, preferably stainless steel. The mesh of the screen used is adapted to the particle size or the size of the required particle, providing for volume reduction due to changes in crystal structure during heat treatment.

소결후 얻어진 간격의 증가는 특히 연료 전구체 입자의 크기에 의존한다.The increase in spacing obtained after sintering depends in particular on the size of the fuel precursor particles.

선별은 예를 들어 100 ~ 300㎛ 사이의 입자를 선택하도록 실시되며, 바람직하게는 120 ~ 160㎛ 사이이다. 120 ~ 160㎛로 선별되는 경우, 소결 후 얻어진 입자들의 직경은 90 내지 120㎛사이가 될 것이다.The selection is carried out, for example, to select particles between 100 and 300 μm, preferably between 120 and 160 μm. In the case of screening at 120 to 160 mu m, the diameters of the particles obtained after sintering will be between 90 and 120 mu m.

예를 들어, 믹서 동봉의 중력 중심에 위치한 구형의 용기에서, 적어도 20 시간 동안 믹서 또는 터뷸러 믹서 등을 이용하여 회전 타원체화가 수행되어진다.For example, in a spherical vessel located at the center of gravity of the mixer enclosure, spheroidization is performed using a mixer or a turbula mixer or the like for at least 20 hours.

본 발명의 다른 특성 및 장점은 분명히 비제한적이며 부가된 도면을 참조하여 도시된 목적으로 주어진 하기의 실시예를 참조하여 양호하게 나타날 것이다.Other features and advantages of the present invention will become apparent with reference to the following examples, which are clearly non-limiting and given the purpose shown with reference to the appended drawings.

이 실시예에서, 복합 핵연료 재료는 UO2 핵연료의 입자들이 분산되어진 스피넬 매트릭스 MgAl2O4를 포함하여 준비되어진다.In this embodiment, the composite fuel material is prepared comprising a spinel matrix MgAl 2 O 4 in which particles of UO 2 fuel are dispersed.

복합 핵연료 재료의 제조에 있어서 제 1 단계는 U3O8 입자들인 UO2 연료의 전구체 입자들을 준비하는 단계이다.The first step in the preparation of the composite fuel material is to prepare precursor particles of UO 2 fuel, which are U 3 O 8 particles.

상기한 UO2 분말은 500℃의 온도의 대기 중에서 2시간 동안 하소되어, 우수한 U3O8 산화물 분말을 얻는다.The UO 2 powder described above is calcined for 2 hours in an air at a temperature of 500 ° C. to obtain a good U 3 O 8 oxide powder.

이러한 조작을 위해, UO2 분말은 알루미나 용기로 공급된다. 상기한 분말층의 높이는 3㎝ 이하이여서, 분말의 전체 체적 도처에서 완전한 산화가 발생할 수 있다. 따라서, U3O8 원료 분말이 얻어진다.For this operation, UO 2 powder is fed to the alumina vessel. The height of the powder layer is 3 cm or less, so that complete oxidation can occur throughout the entire volume of the powder. Thus, U 3 O 8 raw material powder is obtained.

그 후, U3O8 원료 분말은 이중 효과 수압을 이용하여 100 ㎫의 압력으로 태블릿(tablet)-형태로 압착된다. 상기한 원료 압착물은 그 후 서서히 분쇄되어 발진 조립기를 이용하여 날카로운 구석이 없는 원형의 미립자를 얻는다.Thereafter, the U 3 O 8 raw material powder is pressed into a tablet-type at a pressure of 100 MPa using a dual effect hydraulic pressure. The raw material compact is then pulverized slowly to obtain circular fine particles without sharp corners using an oscillating granulator.

상기한 입자들은 125 내지 160㎛의 메시 구멍이 있는 스테인레스강 스크린을 사용하여 선별되어진다. 선별 후 얻어진 입자들은 그 후 회전 타원체화된다. 회전 타원체화는 믹서 동봉의 중력 중심에 위치한 구형의 용기에서 20 시간 동안, 터뷸러 믹서에서 실시된다. 회전 타원체화시킨 후, 입자 크기 범위(125∼160㎛) 내에 있지 않은 미세한 입자들은 선별함으로써 제거된다.The particles are screened using a stainless steel screen with mesh pores of 125 to 160 μm. The particles obtained after sorting are then spheroidized. The spheroidization is carried out in a turbula mixer for 20 hours in a spherical vessel located in the gravity center of the mixer enclosure. After spheroidization, fine particles that are not within the particle size range (125-160 μm) are removed by screening.

복합 핵연료 재료의 제조에 있어서 제 2 단계는 복합 재료를 준비하는 단계이다.The second step in the manufacture of the composite fuel material is to prepare the composite material.

복합 핵연료 재료를 제조하는 제 1 단계에서 상기한 U3O8 입자들은 매트릭스 분말과 혼합된다. 상기한 매트릭스 분말은 스피넬 MgAl2O4이다. 압축한 후 밀도를 높히는 동안의 수행을 최적화하기 위해서, 혼합하는 동안 형성된 스피넬 분말의 큰 덩어리는 제거된다.In the first step of producing the composite fuel material, the U 3 O 8 particles described above are mixed with the matrix powder. The matrix powder described above is spinel MgAl 2 O 4 . In order to optimize the performance during densification after compaction, large lumps of spinel powder formed during mixing are removed.

그 후, U3O8 입자와 MgAl2O4 스피넬 매트릭스의 혼합은 적어도 20rpm의 저속으로 설정된 블레이드 믹서를 이용하여 기계적 스터링에 의해 30분 동안 수행된다.Thereafter, mixing of the U 3 O 8 particles with the MgAl 2 O 4 spinel matrix is performed for 30 minutes by mechanical sterling using a blade mixer set at a low speed of at least 20 rpm.

3초 동안의 압력 상승 주기, 4초의 압력 유지 주기, 및 3초의 압력 저하 주기를 포함하는 50 ㎫에서의 제 1 단계 후, 2초 동안의 압력 상승 주기, 4초의 압력 유지 주기, 및 3초의 압력 저하 주기를 포함하는 300 ㎫에서의 제 2 단계와 함께, 상기한 혼합물은 그 후 이중 효과 수압을 이용하여 압착된다. 상기한 압축 매트릭스는 아연 스테아르산염 에어러졸로 매끄럽게 된다.After the first step at 50 MPa comprising a pressure rise cycle of 3 seconds, a pressure hold cycle of 4 seconds, and a pressure drop cycle of 3 seconds, a pressure rise cycle of 2 seconds, a pressure hold cycle of 4 seconds, and a pressure of 3 seconds With the second step at 300 MPa including the drop cycle, the mixture is then compressed using dual effect hydraulic pressure. The compressive matrix is smoothed with zinc stearate aerosol.

스피넬 매트릭스/U3O8 전구체의 압착된 혼합물은 그 후 소결 오븐에서 열처리된다.The compacted mixture of spinel matrix / U 3 O 8 precursors is then heat treated in a sintering oven.

이 열처리는 H2 + 2%H2O의 환원성 대기 1650℃에서 1시간 동안 실시되며, 1650℃의 소결 온도에 이르기까지 150℃/h의 비율로 온도를 상승시키고, 이 온도를 1 시간 동안 유지하고, 300℃/h의 비율로 상기한 온도를 실내 온도로 저하시킴을 연속적으로 포함할 수 있다.This heat treatment is carried out for 1 hour at a reducing atmosphere of 1650 ° C. of H 2 + 2% H 2 O, raising the temperature at a rate of 150 ° C./h up to a sintering temperature of 1650 ° C., and maintaining this temperature for 1 hour. And lowering the above temperature to room temperature at a rate of 300 ° C./h.

이 실시예에서 상기한 펠릿의 최종 밀도는 이론상의 밀도인 94% 이상이다.The final density of the pellets in this example is above 94%, which is the theoretical density.

스피넬 매트릭스와 UO2 입자는 도 1의 금속 표면 확대도부에서 나타나듯이 매우 고밀도이다. 상기한 펠릿의 최종 수축은 약 21%이다. 이것은 매트릭스와 입자들 사이에서 완전하게 접촉된 UO2 스피넬 복합체의 수축보다 더 크다. 이에 따라 매트릭스와 입자들 사이에 생성된 초기 간격의 일부는 회복되어진다. 따라서, 소결시 복합 재료의 고밀화 반응속도는 스피넬 매트릭스의 그것과 매칭되게 된다.The spinel matrix and UO 2 particles are very dense, as shown in the metal surface enlarged view of FIG. 1. The final shrinkage of the pellets described above is about 21%. This is greater than the contraction of the UO 2 spinel complex in full contact between the matrix and the particles. This recovers some of the initial spacing created between the matrix and the particles. Therefore, the densification reaction rate of the composite material upon sintering is matched with that of the spinel matrix.

따라서, 입자들의 존재는 재료의 고밀화 반응을 방해하지 않는다. 분리되어진 양 성분의 고밀화는 동시에 개시되기는 하지만, 소결이 시작되는 단계에서는 UO2 입자들이 MgAl2O4 스피넬보다 신속한 고밀화율을 갖게 된다. 매트릭스와 입자들 사이의 간격을 부분적으로 회복되는 현상은 1300℃ 이상에서부터 스피넬의 고밀화율이 높아지는 것에 의해 설명 비율에 의해 설명된다. 이 온도에서는 이산화 우라늄 의 반응속도는 감속되는 반면 스피넬의 소결 반응속도는 아직 최대치에 이르지 않게 된다.Thus, the presence of the particles does not interfere with the densification reaction of the material. Although the densification of both components separated begins at the same time, at the beginning of sintering, UO 2 particles have a faster densification rate than MgAl 2 O 4 spinels. The phenomenon of partially recovering the gap between the matrix and the particles is explained by the explanation ratio by increasing the density of spinel from 1300 ° C or higher. At this temperature, the reaction rate of uranium dioxide is slowed while the sintering rate of spinel is not yet at its maximum.

U3O8 입자의 실제 직경보다 직경이 짧은 분리과정(sectioning)후 남아 있는 입자들을 제거하는 제거과정이 준수될 때, 본 발명에 따른 핵연료 재료의 시료를 폴리싱하는 동안 입자들과 매트릭스 사이의 접촉이 부족하게 되는 것이 설명된다. 이러한 제거과정이 많아질수록, 생성되는 간격은 두 두꺼워지면서 초기 U3O8 입자들의 크기는 더 커진다.Contact between the particles and the matrix during polishing of a sample of the fuel material according to the invention when the removal process of removing particles remaining after sectioning having a diameter shorter than the actual diameter of the U 3 O 8 particles is observed. This lack is explained. The more this removal is done, the thicker the spacing produced is and the larger the size of the initial U 3 O 8 particles.

균열의 휘어짐 현상은 도 2에서 도시되어진다. 균열은 저항이 작은 인터페이스 레벨에 있는 입자 주위를 통과한다. 균열의 분기점 및 갈라진 틈은 가시화되어 상기 재료의 보강을 지시할 수 있게 된다.The warpage phenomenon of the crack is shown in FIG. 2. The crack passes around the particle at the interface level with low resistance. Branching points and cracks in the cracks can be visualized to indicate reinforcement of the material.

인터페이스에서의 응력 해소는 복합 재료 내부에서 균열된 UO2 입자의 비율을 감소로서 나타난다.Stress relief at the interface appears as reducing the proportion of UO 2 particles cracked inside the composite material.

본 발명에 따른 복합 핵연료 재료는 방사선 조사시에 불활성인 세라믹 매트릭스 및 방사선 조사시의 균열의 진행에 대한 저항이 우수하고 휘발성 핵분열 산물의 보유력이 높은 핵연료 입자들을 포함하여, 국부 응력이 형성되는 것을 방지하고, 연료의 균열료 인한 연료 피복관이 파열되는 것을 방지한다.The composite fuel material according to the present invention includes a ceramic matrix which is inert during irradiation and nuclear fuel particles having high resistance to crack propagation during irradiation and high retention of volatile fission products, thereby preventing local stress from being formed. This prevents the fuel cladding tube from rupturing due to the fuel cracking material.

도 1은 MgAl2O4 스피넬(spinel) 매트릭스에 분산된 90 ~ 120㎛의 직경을 갖는 UO2 입자들의 금속 표면 확대도부(확대도 500)를 나타내고, 매트릭스와 UO2 입자들 사이의 1 내지 2㎛의 간격을 나타낸다.FIG. 1 shows a metal surface enlarged view (magnification 500) of UO 2 particles having a diameter of 90 to 120 μm dispersed in a MgAl 2 O 4 spinel matrix, 1 to 1 between the matrix and the UO 2 particles. An interval of 2 μm is shown.

도 2는 MgAl2O4 스피넬 매트릭스에 분산된 90 내지 120㎛의 직경을 갖는 UO2 입자들의 금속 표면 확대도부(확대도 50)를 나타내고, 매트릭스와 입자들 사이의 간격에 의한 균열의 휘어짐 현상을 나타낸다.FIG. 2 shows an enlarged view of a metal surface (magnification 50) of UO 2 particles having a diameter of 90 to 120 μm dispersed in a MgAl 2 O 4 spinel matrix, and warpage of cracks due to the spacing between the matrix and the particles. Indicates.

Claims (19)

방사선 조사시(irradiation)에 불활성이고, 핵연료의 입자들이 사이에 1 ~ 10㎛의 간격을 두고 분산되어 있는 세라믹 매트릭스(matrix)를 포함하고,Inert upon irradiation, comprising a ceramic matrix in which particles of nuclear fuel are dispersed at intervals of 1 to 10 μm between, 상기 매트릭스는 상기한 연료 입자의 열팽창 계수보다 낮은 열 팽창계수를 지닌 것을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.Wherein said matrix has a coefficient of thermal expansion lower than that of said fuel particles. 제 1항에 있어서, 상기한 매트릭스는 스피넬(spinel), 마그네시아(magnesia), 및 산화 이트륨 중에서 선택된 재료임을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.The composite fuel material of claim 1, wherein the matrix is a material selected from spinel, magnesia, and yttrium oxide. 제 2항에 있어서, 상기한 스피넬은 MgAl2O4임을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.초The composite fuel material of claim 2, wherein the spinel is MgAl 2 O 4 . 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분산된 연료 입자들은 UO2 또는 UO2를 함유한 혼합 산화물의 입자들임을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.The composite fuel material of claim 1, wherein the dispersed fuel particles are particles of UO 2 or mixed oxides containing UO 2 . 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 매트릭스에 분산된 입자들은 70㎛ ~ 230㎛의 직경을 가짐을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.The composite fuel material of claim 1, wherein the particles dispersed in the matrix have a diameter between 70 μm and 230 μm. 제 4항에 있어서, 상기 매트릭스에 분산된 입자들은 70㎛ ~ 230㎛의 직경을 가짐을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.The composite fuel material of claim 4, wherein the particles dispersed in the matrix have a diameter of 70 μm to 230 μm. 제 1항에 있어서, 매트릭스에 분산된 입자들은 90㎛ ~ 120㎛의 직경을 가짐을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.The composite fuel material of claim 1, wherein the particles dispersed in the matrix have a diameter of 90 μm to 120 μm. 제 4항에 있어서, UO2는 핵연료 재료의 총 체적에 대해 20 ~ 40%를 차지함을 특징으로 하는 복합 핵연료 재료.5. A composite fuel material according to claim 4, wherein UO2 comprises 20-40% of the total volume of the fuel material. 제 1항에 기재된 핵연료 재료의 제조방법으로서 하기의 단계;A method for producing a nuclear fuel material according to claim 1, comprising the following steps; a) 상기한 입자 크기 범위 내의 직경을 갖는 핵연료의 전구체 입자들과, 방사선 조사시에 불활성인 세라믹 매트릭스를 형성할 재료의 분말을 혼합하는 단계,a) mixing precursor particles of nuclear fuel having a diameter within the above particle size range with a powder of material to form a ceramic matrix inert upon irradiation, b) 상기한 혼합물을 압착하여 형상을 형성하는 단계, 및b) pressing the mixture to form a shape, and c) H2O를 포함하는 환원성 대기 중에서, 핵연료 전구체의 결정격자 체적이 열 처리 동안 감소되도록 하는 조건하에서, 압착된 혼합물을 소결시키는 단계c) sintering the compacted mixture in a reducing atmosphere comprising H 2 O, under conditions such that the crystal lattice volume of the nuclear fuel precursor is reduced during heat treatment. 를 포함함을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.Method of producing a nuclear fuel material, characterized in that it comprises a. 제 9항에 있어서, 환원성 대기는 H2 및 H2O를 포함함을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the reducing atmosphere comprises H 2 and H 2 O. 제 9항에 있어서, 환원성 대기는 아르곤, H2 및 H2O의 혼합물임을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the reducing atmosphere is a mixture of argon, H 2 and H 2 O. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, pH2/pH2O의 분압비는 40/60임을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.The method of producing a nuclear fuel material according to claim 10 or 11, wherein the partial pressure ratio of pH 2 / pH 2 O is 40/60. 제 9항에 있어서, 연료 전구체의 입자들의 직경은 100 ~ 300㎛ 사이임을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the diameter of the particles of the fuel precursor is between 100 and 300 [mu] m. 제 9항에 있어서, 연료 전구체의 입자들의 직경은 120 내지 160㎛ 사이임을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the diameter of the particles of the fuel precursor is between 120 and 160 micrometers. 제 9항에 있어서, 상기한 전구체는 U3O8 또는 UO2-U3O8 혼합물임을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the precursor is a U 3 O 8 or UO 2 -U 3 O 8 mixture. 제 9항에 있어서, 상기한 압착하여 형상을 형성하는 단계는 하기의 두 단계;10. The method of claim 9, wherein the pressing to form the shape comprises the following two steps; 30 ~ 50 ㎫의 압력에서 실시되는 제 1 압착 단계, 및A first compression step carried out at a pressure of 30 to 50 MPa, and 300 ~ 350 ㎫의 압력에서 실시되는 제 2 압착 단계Second crimping step carried out at a pressure of 300 to 350 MPa 로 실시됨을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.Method for producing a nuclear fuel material characterized in that carried out. 제 9항, 제 10항, 제 11항, 제 13항, 제 14항, 제 15항 및 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 소결은 1640 ~ 1700℃의 온도에서 실시됨을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.17. Nuclear fuel material according to any one of claims 9, 10, 11, 13, 14, 15 and 16, wherein sintering is carried out at a temperature of 1640-1700 ° C. Manufacturing method. 제 9항에 있어서, 상기한 전구체 입자들은 하기의 단계;The method of claim 9, wherein the precursor particles are the following steps; 1) 상기 전구체 분말을 압착하여 원료 압착물을 얻는 단계,1) compressing the precursor powder to obtain a raw material compact; 2) 상기 원료 압착물을 분쇄하여 미립자를 얻는 단계,2) grinding the raw material compact to obtain fine particles, 3) 상기 미립자를 선별하는 단계,3) selecting the fine particles, 4) 상기 선별된 미립자를 전구체 입자로 회전 타원체화시키는 단계, 및4) spheroidizing the selected fine particles into precursor particles, and 5) 입자의 직경이 상기한 입자 크기 범위 내에 있지 않은 전구체 입자들을 선별함으로써 제거하는 단계5) removing by selecting precursor particles whose diameter is not within the above particle size range 를 공정 중에 설정함으로써 얻어지는 것임을 특징으로 하는 핵연료 재료의 제조방법.A method for producing a nuclear fuel material, characterized in that obtained by setting in the process. 제 18항에 있어서, 상기한 전구체 분말이 U3O8이며, U3O8은 대기 중에서 450℃ 내지 500℃ 온도에서 UO2를 하소시킴으로써 얻어진 것임을 특징으로 하는 제조방법.The method according to claim 18, wherein the precursor powder is U 3 O 8 , and U 3 O 8 is obtained by calcining UO 2 at a temperature of 450 ° C. to 500 ° C. in air.
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