KR100482534B1 - 방사성물질 저장부재의 제조방법 및 압출성형용 빌렛 - Google Patents

방사성물질 저장부재의 제조방법 및 압출성형용 빌렛 Download PDF

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Abstract

(과제) 각파이프의 효율적인 생산을 행하는 것이다.
(해결수단) 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하여 냉간 정수압 성형법에 의해 예비성형체를 성형한다. 이어서, 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결한다. 소결 후, 이 빌렛을 유도가열함으로써 열간압출하여 각파이프를 성형한다.

Description

방사성물질 저장부재의 제조방법 및 압출성형용 빌렛{MANUFACTURING METHOD OF RADIOACTIVE SUBTANCE STORAGE MEMBER AND BILLET FOR EXTRUSION}
본 발명은 연소를 끝낸 다 사용된 핵연료 집합체를 수용, 저장하는 것으로서 캐스크나 래크를 구성하는 방사성물질 저장부재의 제조방법 및 압출성형용 빌렛, 및 다 사용된 연료집합체를 수용하는 각파이프에 관한 것이다.
핵연료 사이클의 종료시기에 있어서 연소를 끝내 사용할 수 없게 된 핵연료 집합체를 다 사용된 핵연료라고 한다. 현재, 이 다 사용된 핵연료는 재처리될 때까지 저장시설에서 저장관리되고 있다. 예컨대, 연료 풀에 의한 저장방식에서는 풀내에 각파이프를 묶은 SUS 래크를 가라앉혀 이 각파이프내에 다 사용된 연료집합체를 수용함으로서 냉각효과, 차폐효과, 미임계성 등의 요구를 만족하도록 하고 있다.
최근에는, 래크를 구성하는 각파이프로서 스테인리스재에 보론을 첨가한 것이 사용되기 시작하고 있다. 이와 같은 각파이프를 사용하면 각파이프 사이에 배치되어 있던 중성자 흡수재를 생략할 수 있기 때문에 각파이프간의 틈을 메울 수 있다. 이로써, 풀의 피트내에 삽입할 수 있는 각파이프의 개수가 증가되기 때문에 그만큼 다 사용된 연료집합체의 수용수를 증가시킬 수 있다.
이와 같은 각파이프는 캐스크, 횡형 사일로, 풀, 보드 등의 각종 저장방식에 적용할 수 있지만, 래크를 구성하는 경우에도 그 생산해야 하는 개수가 많기 때문에 각파이프를 효율적으로 생산할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 또, 다 사용된 연료집합체로부터 발생되는 중성자를 흡수할 필요가 있기 때문에, 각파이프의 구조에 견고성이 요구된다.
또, 각파이프는 다 사용된 연료집합체를 저장할 때에 사용하는 것인데, 당해 각파이프식 래크 외에 평판식 래크가 알려져 있고, 이와 같은 평판식 래크에서도 효율적인 생산성 및 구조의 견고성이 요구되고 있다. 본 발명은 이와 같은 각파이프 등의 제조방법에 관한 것이다.
상기 서술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법은 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에서, 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과, 혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과, 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결 또는 불활성가스 분위기중에서 소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하여 당해 혼합분말을 바람직하게는 냉간 정수압 성형법 (CIP: Cold Isostatic Press) 등에 의해 예비성형한다. 예비성형을 행함으로써, 성형밀도의 편차를 적게 할 수 있다. 또, 예비성형체를 무가압하에서 진공소결 또는 불활성가스 분위기중에서 소결한다. 예비성형체가 소형인 경우는 진공핫프레스로 소결해도 된다. 이로 인해, HIP (Hot Isostatic Press) 일 때와 같이 캐닝할 필요가 없기 때문에, 진공소결한 후에 외삭 등의 기계가공을 하지 않아도 된다. 또, 핫프레스일 때와 같은 형내에 넣어 프레스할 필요가 없다. 이로써, 가공공정이 큰 폭으로 삭감되어 빌렛의 제조가 용이해진다. 또, 다 사용된 연료저장부재로서는, 예컨대 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 평판식 래크를 구성하는 판형상 부재를 들 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법은 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에서, 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과, 혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과, 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결 또는 불활성가스 분위기중, 또는 진공핫프레스에 의해 소결하여 빌렛으로 하는 공정과, 유도가열수단에 의해 빌렛을 가열하는 공정과, 유도가열한 빌렛을 다이로 압출성형함으로써, 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 냉간 정수압 성형법 또는 냉간 일축방향 가압에 의해 예비성형체를 성형함으로써 예비성형체의 중량밀도가 증가한다. 이 상태에서 무가압하의 진공소결 또는 불활성가스 분위기중에서 소결을 실시하고, 분체끼리가 융착되어 예비성형체 전체에서 전기전도도가 향상된다. 이로써, 예비성형체에 유도전류가 흐르기 쉽게 되어 유도가열이 효율적으로 행해지게 된다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법은 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에서, 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과, 혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과, 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결 또는 불활성가스 분위기중에서 소결하여 빌렛으로 하는 공정과, 진공소결시의 열을 사용하여 빌렛을 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 소결시의 열을 이용하여 열간압출함으로써 재가열의 필요성이 없어진다. 이로써, 방사성물질 저장부재의 제조를 보다 간이화할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 소결공정과 압출공정이 근접한 라인에 따라 연속적으로 행해질 때에 유효하지만, 진공소결시의 열을 이용할 수 있는 한 양공정의 라인이 떨어진 장소에 있어도 문제없다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법은 상기 방사성물질 저장부재의 제조방법에서, 추가로 상기 예비성형체의 중량밀도를 75% 이상 95% 이하로 한 것을 특징으로 한다.
중량밀도가 75% 이상 95% 이하인 경우라도 진공소결에 의해 분말끼리를 융착시키기 때문에 압출공정에서의 반송작업중 등에서 균열이 발생하지 않는다. 따라서, 당해 범위의 중량밀도로 예비성형한 것이라도 각파이프나 판재를 건전한 상태로 압출할 수 있게 된다. 또한, 중량밀도란, "물체의 실제 무게" 와 "물체의 이론상의 무게" 의 비를 말한다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법은 상기 방사성물질 저장부재의 제조방법에서, 추가로 상기 혼합에 메커니컬 얼로잉을 사용하는 것을 특징으로 한다. 중성자 흡수재, 예컨대 보론 또는 보론화합물은 그 평균입경이 수 ㎛ 정도로 작으면, 혼합시에 응집하여 편석되는 것을 알 수 있다. 이로써, 통상적인 소결에서는 평균입경이 수십 ㎛ 이상의 보론 또는 보론화합물을 사용하도록 하고 있다. 그러나, 평균입경이 크면 다 사용된 연료저장부재의 인성이 저하된다.
그래서, 이 제조방법에서는 메커니컬 얼로잉을 사용하여 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하도록 하였다. 당해 메커니컬 얼로잉에는 각종 볼밀링장치를 사용할 수 있다. 볼밀링을 행함으로써 알루미늄분말이 점차 눌려져서 편평한 형상으로 변화된다. 또, 중성자 흡수재는 볼밀링에 의해 분쇄되어 초기의 평균입경에 비해 상당한 정도로 작아져 알루미늄 매트릭스내로 갈려지면서 분산된다. 이로써, 중성자 흡수재를 미세하고 균일하게 분산시킬 수 있음과 동시에, 밀링보조제가 알루미늄분말과 반응하여 매우 미세한 알루미늄화합물을 생성함으로써 다 사용된 연료저장부재의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법은 상기 방사성물질 저장부재의 제조방법에서, 추가로 메커니컬 얼로잉에 볼밀링을 사용함과 동시에, 미리 공시재에 첨가하는 원소가 주성분인 볼을 사용하여, 볼밀링중의 볼의 마모에 의해 상기 알루미늄 매트릭스내에 상기 볼의 원소의 첨가를 행하도록 한 것을 특징으로 한다.
볼밀링을 행하면 볼끼리의 충돌에 의해 당해 볼이 마모되어 그 성분이 분대 (粉黛) 에 혼입된다. 그래서, 원래 첨가할 예정인 원소를 주성분으로 하는 볼을 사용하고, 볼의 마모를 이용하여 원소의 첨가를 행하도록 하였다. 이와 같이 하면 제조공정의 수고를 생략할 수 있게 된다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법은 상기 방사성물질 저장부재의 제조방법에서, 추가로 상기 압출성형한 후, 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 압출시킨 상태로 하거나 또는 자연시효시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛은 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합한 혼합분말을 중량밀도가 75% ∼ 95% 가 되도록 성형한 것이며, 또한 분말끼리가 소결에 의해 융착되어 있는 것을 특징으로 한다.
냉간에서 예비성형한 상태에서는 분말끼리가 융착되어 있지 않아 전기전도도가 낮지만, 이것을 진공소결함으로써 분말끼리가 융착되어 빌렛 전체적으로 유도전류가 흐르게 된다. 이로써, 빌렛의 유도가열의 속도를 향상시키고 또한 균일하게 가열할 수 있게 되기 때문에, 방사성물질 저장부재의 제조공정이 간이화된다. 또, 중량밀도는 75% ∼ 95% 로 충분하며, 소결에 의해 분말끼리가 융착되어 있기 때문에, 압출성형공정에서의 반송작업중 등에 균열 등이 발생하지 않아 건전한 압출성형을 행할 수 있다. 또, 압출성형시에 공극이 없어져 거의 100% 의 중량밀도로 되기 때문에 소결시에 중량밀도를 높일 필요는 없다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛은 메커니컬 얼로잉에 의해 알루미늄분말을 편평화함과 동시에 당해 알루미늄분말에 대해 분쇄한 보론 또는 보론화합물이 끼워 넣어지도록 분산된 혼합분말을 중량밀도가 75% ∼ 95% 가 되도록 성형한 것이며, 또한 분말끼리가 소결에 의해 융착되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 중성자 흡수재분말을 소결함으로써 소결시의 중성자 흡수재분말의 응집을 방지할 수 있다. 또, 메커니컬 얼로잉에 의해 보론을 미세하게 분쇄하고, 이것을 알루미늄분말에 끼워 넣어지도록 분산시키고 있기 때문에, 이러한 분말을 사용하여 제조한 방사성물질 저장부재는 그 기계적 강도가 우수한 것이 된다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛은, 추가로 다 사용된 핵연료의 저장 또는 수송용 용기의 구조재로서 사용하는 것으로, 상기 알루미늄분말이 고강도성을 부여하기 위한 Zr 등의 첨가원소를 함유하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 다 사용된 연료집합체를 수용하는 각파이프는 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말의 혼합분말을 냉간 정수압 성형법 또는 냉간 일축방향 가압에 의해 성형한 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결하여 빌렛으로 하고, 이 빌렛을 유도가열수단에 의해 가열하여 압출성형한 것을 특징으로 한다.
발명의 실시형태
이하, 본 발명에 관련된 방사성물질 저장부재의 제조방법 및 압출성형용 빌렛의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
(실시형태 1)
[각파이프의 구조]
도 1 은, 각파이프를 나타내는 단면도이다. 이 각파이프 (1) 는 단면이 정방형을 이루고 있고, Al 또는 Al 합금분말에 중성자 흡수성능을 갖는 B 또는 B 화합물의 분말을 첨가한 알루미늄복합재 또는 알루미늄합금에 의해 구성되어 있다. 또, 중성자 흡수재에는 보론 외에 카드뮴, 하프늄, 희토류원소 등의 중성자 흡수단면적이 큰 것을 사용할 수 있다. 비등수형로 (BWR) 의 경우에는 주로 B 또는 B 화합물 이 사용되는데, 가압수형로 (PWR) 의 경우에는 Ag-In-Cd 합금이 사용된다. B 를 분산형재료로서 사용할 경우는 가공하기 쉽게 하기 위해 7 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 또, Ag-In-Cd 합금의 조성은 In 을 15 중량%, Cd 를 5 중량% 로 하는 것이 일반적이다. 희토류원소에는 유로퓸, 디스프로슘, 사마륨, 가돌리늄 등의 산화물을 이용할 수있다.
[각파이프의 제조방법]
다음에, 각파이프 (1) 의 구체적인 제조방법의 일례에 대해 설명한다. 도 2 는, 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 각파이프의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 우선, 애터마이즈법 등의 급냉응고법에 의해 Al 또는 Al 합금분말을 제작함과 동시에 (단계 S201), B 또는 B 화합물의 분말을 준비하여 (단계 S202), 이들 양 입자를 크로스 로터리 믹서, V 믹서, 리본 믹서, 퍼그 믹서 등에 의해 10 ∼ 20 분간 혼합한다 (단계 S203). 또한, 혼합은 아르곤분위기중에서 행하도록 해도 된다. 또, 사용하는 알루미늄분말의 평균입경은 35㎛, B4C 의 평균입경은 10㎛ 정도이다.
베이스로서 사용할 수 있는 Al 또는 Al 합금분말은 순알루미늄지금 (JIS 1xxx 계), Al-Cu 계 알루미늄합금 (JIS 2xxx 계), Al-Mg 계 알루미늄합금 (JIS 5xxx 계), Al-Mg-Si 계 알루미늄합금 (JIS 6xxx 계), Al-Zn-Mg 계 알루미늄합금 (JIS 7xxx 계), Al-Fe 계 알루미늄합금 (Fe 함유율이 1 ∼ 10 중량%) 외에도, 예컨대 Al-Mn 계 알루미늄합금 (JIS 3xxx 계) 등이 있고, 강도, 연성, 가공성, 내열성 등 필요로 하는 특성에 따라 선택할 수 있고, 특별히 한정되는 것은 아니다.
또, 상기 B 또는 B 화합물에는 B4C, B2O3 등을 사용할 수 있다. 여기에서, 알루미늄에 대한 보론의 첨가량은 1.5 중량% 이상, 9 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다. 1.5 중량% 이하에서는 충분한 중성자 흡수능을 얻을 수 없고, 9 중량% 보다 많아지면 인장에 대한 신장이 저하되기 때문이다.
다음에, 혼합분말을 러버케이스내에 넣어 봉입하고, CIP (Cold Isostatic Press) 에 의해 상온에서 전체 방향에서 균일하게 고압을 가하여 분말성형을 행하도록 하는 것이 바람직하다 (단계 S204). CIP 의 성형조건은 성형압력을 1000㎏/㎠ ∼ 2000㎏/㎠ 로 한다. CIP 처리에 의해, 분말형상체의 체적은 약 2 할정도 감소하고, 그 예비성형체의 직경이 600㎜, 길이가 1500㎜ 가 되도록 한다. CIP 에 의해 전체 방향에서 균일하게 압력을 가함으로서 성형밀도의 편차가 적은 고밀도의 성형품을 얻을 수 있다. 또, CIP 공정에서 예비성형체의 중량밀도가 75% ∼ 95% 가 되도록 성형한다.
또, 바람직한 가압방법으로서, 상기 CIP 대신에 일축방향의 고압프레스에 의해 예비성형체를 성형할 수도 있다. 구체적으로는, 상기 혼합분말을 프레스기에 세트한 형내에 넣어, 5000 톤 내지 10000 톤의 높은 성형압력으로 예비성형체를 성형한다. 이와 같이 매우 높은 압력으로 프레스함으로써 예비성형체의 성형밀도가 균일화된다. 이 성형밀도의 균일화의 정도는 상기 CIP 공정에 의해 얻어지는 정도와 거의 동등하게 되도록 하는 것이 바람직하고, 그 때는 목적의 성형밀도를 기준으로 상기 성형압력을 결정하면 된다. 또, CIP 와 비교하여 러버케이스내에 혼합분말을 넣어 진공으로 할 필요가 없고, 형내에 혼합분말을 넣어 굳히면 되므로 비교적 간단하게 예비성형 작업을 행할 수 있다. 또한, 예비성형체의 성형방법은 상기 CIP, 일축방향 프레스에 한정되지 않는다.
다음에, 예비성형체를 소결로내에 넣어 진공으로 하고 무가압상태에서 소결을 행한다 (단계 S205). 진공소결시의 진공도는 10-1 Torr 정도로 하고, 온도는 550℃ ∼ 600℃ 로 한다. 소결온도의 유지시간은 5 시간 ∼ 10 시간 사이에서 적절하게 설정한다. 여기에서, 소결온도는 탈기시키면서 100℃ 피치로 단계적으로 승온시킨다. 가열에는 소결로에 형성한 흑연히터를 사용한다. 이 진공소결에 의해 임시로 굳힌 분말끼리가 융합되어 넥을 형성하여 압출용 빌렛이 된다. 또, 소결로내를 진공으로 하는 대신에 아르곤가스나 헬륨가스 등의 불활성가스를 충전하여 무가압상태에서 소결을 행하도록 해도 된다. 소결온도 및 시간 등의 조건은 상기 동일하다.
상기 방법에서는 소결시에 HIP 나 핫프레스와 같은 가압은 행하지 않기 때문에, 소결체의 중량밀도는 예비성형시와 거의 바뀌지 않고 75% ∼ 95% 의 상태를 유지하고 있다. 또한, 진공소결에 의해 빌렛의 산화가 방지되고, 또한 캐닝을 생략할 수 있기 때문에, 캔값을 절약할 수 있고 캔제거를 위한 외삭, 단면삭 등의 절삭공정이 불필요해짐과 동시에, 그에 수반되는 캔봉입 등의 제조공정을 생략할 수 있다.
그리고, 포트홀압출기를 사용하여 당해 빌렛을 열간압출한다 (단계 S206). 이 경우의 압출조건으로서, 가열온도를 500℃ ∼ 520℃, 압출속도를 5m/min 으로 한다. 또한, 이 조건은 B 의 함유량에 따라 적절히 변경된다. 포트홀압출기의 압출력은 5000 톤 ∼ 6000 톤으로 한다. 도 3 은 포트홀압출기의 다이 구성도로 동 도의 (a) 가 축방향 단면도, (b) 가 직경방향 단면도이다. 포트홀압출기 (300) 는 다이 (301) 및 컨테이너 (302) 와, 컨테이너 (302) 의 주위에 설치된 유도가열용 고주파코일 (303) 을 구비하고 있다. 고주파코일 (303) 에 RF 전류를 흐르게 함으로써, 다이 (301) 내의 빌렛 (B) 을 유도가열할 수 있다. 다이 (301) 는 암형 (304) 과 수형 (305) 으로 이루어지고, 수형 (305) 의 맨드릴 (306) 을 암형 (304) 에 삽입함으로써 압출형상이 사각형인 베어링 (307) 이 형성된다. 맨드릴 (306) 은 수형 (305) 의 주위로부터 연장된 4 개의 브리지 (308) 에 의해 지지되고, 브리지 (308) 사이에 4 개의 포트 (309) 를 형성한다.
상기 유도가열은 빌렛 (B) 에 유도전류를 발생시킴으로써 가열하는 것인데, 가열대상인 빌렛 (B) 은 상기 진공소결공정에서 각 혼합분말을 융합시킨 상태로 하고 있기 때문에, 유도전류가 빌렛 (B) 전체적으로 발생하여 효율적인 가열이 가능해진다. 실제로 공시재로서, 중량 2510g, 치수 φ89㎜ ×175㎜, 체적 1100㎜3, 상대밀도 85% 가 되는 2 개의 예비성형체를 CIP 에 의해 작성하고, 그 한쪽에만 진공소결을 행하여 양자를 비교하였다. 이 결과, CIP 만으로 굳힌 공시재의 전기전도도는 7% 였지만, 진공소결을 실시한 공시재는 37% 가 되어 5 배 이상의 전기전도도를 나타냈다.
또한, 이 공시재를 유도가열한 결과, 진공소결을 실시한 공시재의 경우, 유도가열의 승온프로그램 (200℃/min 으로 520℃ 까지 승온시킨 후, 일정 시간유지) 과 같이 온도상승하여, 공시재의 에지부, 중간부의 표면 및 내부중심에서의 온도의 편차가 적고, 어느 위치에서나 거의 균일하게 온도상승하고 있음을 알 수 있다. 한편, CIP 만으로 굳힌 공시재의 경우, 승온프로그램과 같이 승온할 수 없어 승온속도가 50℃/min 정도에 그쳤다. 이로써, 전기전도도의 향상이 압출시의 유도가열시간에 관계되고, 본 발명과 같이 진공소결을 실시함으로써 승온프로그램에 추종하여 온도승온시킬 수 있음을 알 수 있다. 그 결과, 진공소결함으로써 유도가열의 효율이 비약적으로 높아져 빌렛의 압출속도를 향상시킬 수 있다는 이점을 얻을 수 있다.
그리고, 컨테이너내에서 유도가열된 빌렛 (B) 은 후방으로부터 펀치로 눌려지고, 브리지 (308) 에 의해 일단 4 분할되어 포트 (309) 를 통과한다. 이어서, 포트 (309) 로부터 베어링 (307) 에 도달할 때까지 다시 일체화되고, 베어링 (307) 에 의해 소정의 압출형상을 한 각파이프 (1) 로서 압출된다. 이 때, 빌렛 (B) 의 중량밀도는 75% ∼ 95% 이지만, 압출성형함으로써 각파이프 (1) 의 중량밀도가 압출시에 분말입자간의 공극이 없어지기 때문에 거의 100% 가 된다.
다음에, 압출성형 후, 인장교정을 실시함과 동시에 (단계 S207), 비정상부 및 평가부를 절단하여 제품으로 한다 (단계 S208). 완성된 각파이프 (1) 는 도 1 에 나타내는 바와 같이, 단면의 일변이 162㎜, 내측이 151㎜ 의 사각형상으로 된다. 또한, 상기 제조공정은 빌렛의 성형공정과 압출공정이 다른 장소에서 행해지거나, 또는 시간을 두고 행해지는 경우에 유용한다.
또, 진공소결라인과 압출라인이 연속된 제조라인 등과 같이 진공소결공정과 압출공정이 시간적으로 근접하여 행해지는 경우, 진공소결시에 550℃ ∼ 600℃ 까지 온도상승시키고 있기 때문에, 소결종료 후, 적어도 압출온도인 500℃ 이상이 되는 열영역에서 컨테이너내에 삽입하여 그대로 압출하도록 해도 된다. 구체적으로는, 진공로내에서 빌렛을 꺼내어 이 빌렛의 온도가 내려가지 않는 동안에 압출기까지 반송한다. 그리고, 압출기에 의해 각파이프 (1) 로 압출성형한다. 또한, 가열한 빌렛을 공기중에 노출시켜도 단시간이면 산화로 인한 영향을 거의 무시할 수 있기 때문에, 각파이프 (1) 의 성능에 영향을 미치는 일은 거의 없다. 바람직하게는 빌렛을 진공로에서 꺼내어 15 분 이내에 압출하도록 하면 산화의 영향이 거의 문제가 없게 된다. 이상과 같이 하면, 유도가열에 의해 빌렛을 재가열할 필요가 없기 때문에, 제조공정을 더욱 간략화할 수 있다.
이 경우도, 진공소결에 의해 빌렛의 산화가 방지되고, 또한 캐닝을 생략할 수 있기 때문에, 캔값을 절약할 수 있고 캔제거를 위한 절삭공정이 불필요해짐과 동시에, 그에 수반되는 캔봉입 등의 제조공정을 생략할 수 있다. 또, 진공소결시 온도가 내려가지 않는 보온챔버내에 일시적이면서 단시간 보관하여, 적어도 500℃ 이상의 온도영역에서 빌렛을 압출기의 컨테이너내로 옮기도록 해도 된다. 이 경우는, 진공소결라인과 압출라인이 연속하고 있을 필요가 없고, 장소적으로 떨어져 있어도 문제없다. 또한, 진공소결라인과 압출라인의 거리가 작고, 빌렛의 반송시간이 짧으면 상기와 마찬가지로 진공가열의 열에 의해 압출성형을 행할 수 있음은 당연하다. 또, 압출전에 단조 등의 열간가공에 의한 빌렛의 소결밀도를 높여도 된다.
또, 상기 예에서는 압출기에 압축율이 높고 알루미늄 등의 연질재의 복잡형상압출에 적합한 포트홀압출기를 사용하였지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 고정 또는 이동 맨드릴방식을 채용해도 된다. 또, 직접 압출 외, 정수압 압출을 행하도록 해도 되고, 당사자의 가능한 범위에서 적절히 선택할 수 있다. 또한, 생산효율은 낮지만, 상기 유도가열 대신에 빌렛을 가열로내에서 배치처리하도록 해도 된다.
(실시형태 2)
상기에서는 각파이프 (1) 를 구성하는 재료로서 보론을 첨가한 알루미늄합금을 사용하고 있다. 여기에서, 첨가원소인 B4C 의 평균입경이 크면 각파이프 (1) 의 강도가 낮아지고, 한편 B4C 의 평균입경을 작게 하면 B4C 끼리가 응집하여 편석되기 때문에, 중성자 흡수능의 저하나 가공성의 악화가 발생하게 된다. 상기와 마찬가지로 Al 분말의 평균입경은 80㎛ 이고 B4C 분말의 평균입경은 9㎛ 로서, 당해 B4C 의 입경을 9㎛ 로 한 것은 그 이상 입경을 작게하면 B4C 분말의 응집이 진행하여 편석이 발생되기 쉬워지기 때문이다. 그래서, 이 실시형태 2 에서는 상기 실시형태 1 에서의 혼합기 대신에 고에너지 볼밀링 (메커니컬 얼로잉) 을 사용함으로써 B4C 분말의 미세화 및 균일분산화를 도모하도록 하였다.
당해 고에너지 볼밀링에는 일반적인 전동밀, 요동밀 및 어트라이터밀을 사용할 수 있지만, 이하에서는 어트라이터밀을 예시한다. 도 4 는 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 각파이프 (1) 의 제조방법에 사용하는 어트라이터밀의 구성도이다. 어트라이터밀 (30) 의 용기 (31) 에는 150ℓ용량인 것을 사용한다. 당해 용기 (31) 의 벽내에는 워터 재킷 (32) 이 형성되어 있다. 워터 재킷 (32) 내에는 펌프 등의 급수기 (33) 로부터 적당한 양의 냉각수를 공급한다. 어트라이터 (34) 는 상측에 배치된 구동모터 (35) 와 감속기 (36) 를 통하여 결합되어 있다. 용기 (31) 의 상면에는 용기 (31) 내를 불활성가스인 아르곤 (Ar) 분위기로 하기 때문에, 유입구 (37) 및 유출구 (38) 가 형성되어 있다. 유입구 (37) 에는 아르곤가스의 가스봄베 (39) 가 접속되고, 유출구 (38) 에는 호스 (40) 를 접속하여 수중에 넣어 대기의 역류를 방지한다. 또, 이 볼밀링에 사용하는 볼 (41) 에는 탄소강 베이스의 베어링강 (SUJ-2) 또는 세라믹볼을 사용한다.
다음에, 실제로 고에너지분말을 제조하는 경우의 조건으로서, 상기 용기 (31) 내에 넣는 볼 (41) 의 양을 450㎏, 당해 볼 (41) 의 직경을 3/8 인치로 하였다. 또, 어트라이터 (34) 의 회전수는 300rpm 으로 하고, 또한 0.5ℓ/min 의 아르곤을 연속적으로 흐르게 하여 용기 (31) 내를 불활성가스 분위기로 하였다. 또, 볼밀링 전에 그 보조제로서 분말 1㎏ 에 대해 10 ∼ 50cc 의 에탄올 또는 메탄올을 투입하였다. 상기 용기 (31) 내에 투입하는 분말의 양은 15㎏ 로 하였다. 이 중, B4C 의 투입량은 0.75㎏ (5 중량%) 으로 하였다. 또, 사용하는 Al 분말에는 평균입경이 35㎛ 인 것을 사용하고, B4C 분말에는 평균입경이 9㎛ 인 것을 사용하였다. 볼밀링의 시간은 1h 내지 10h 의 범위에서 적절하게 선택하도록 하였다.
볼밀링의 과정에서 투입된 알루미늄은 볼 (41) 의 충격을 받음으로써 찌부러지고, 또한 납작하게 되어 평편형상으로 된다. 이로써, 알루미늄의 외경은 일면방향으로 넓어져 80㎛ 정도로 된다. 한편, B4C 분말은 볼밀링에 의해 파쇄되어 그 입경이 0.5㎛ ∼ 1.0㎛ 정도까지 작아짐과 동시에 알루미늄 매트릭스내로 균일하게 갈려진다.
다음에, 볼밀링의 과정에서 볼 (41) 끼리의 충돌에 의해 당해 볼 (41) 이 마모되어 그 성분이 불순물로서 혼합되는 경우가 있다. 그래서, 볼 (41) 의 성분에 미리 불순물로서 첨가하는 원소를 포함하여 두고, 볼밀링의 과정에서 당해 원소를 첨가하도록 해도 된다. 이 원소로서는, 예컨대 지르코니아, 알루미나 등을 들 수 있다. 볼밀링의 종료 후에는 용기 (31) 내에서 고에너지분말을 꺼내어 핫프레스공정, 압출공정으로 진행시켜 도 1 에 나타내는 바와 같은 각파이프 (1) 를 성형한다.
이상, 이 각파이프 (1) 의 제조방법에 의하면, B4C 분말을 미세화, 균일화하여 Al 분말의 매트릭스내로 분산시킬 수 있어 각파이프 (1) 의 강도를 향상시킬 수 있다. 구체적으로는, 상기 실시형태 1 의 방법에 의해 얻은 각파이프 (1) 와 비교하여, 그 강도를 약 1.2 ∼ 1.5 배까지 향상시킬 수 있다. 특히, 다 사용된 연료집합체의 중량이 큰 PWR 용 캐스크의 각파이프로서 유용하다. 또한, 높은 경도를 갖는 B4C 분말을 미세하고 균일하게 매트릭스내에 분산시키고, 그에 따라 B4C 분말의 응집을 방지하도록 되어 있으므로 압출성을 향상시킬 수 있다. 이로써, 압출용 다이의 마모저감에도 효과가 있다.
또, 볼밀링을 행할 때에, 알콜 등의 유기용제를 투입하도록 해도 되고, 이와 같이 함으로써 유기용제와 알루미늄의 화합물이 첨가되어 각파이프 (1) 의 강도 및 연성이 향상된다는 효과가 있다.
(실시형태 3)
다음에, 다 사용된 연료집합체를 수용하는 래크는 상기 각파이프식 대신에 평판식으로 할 수도 있다. 도 5 는 평판식 래크를 나타내는 사시도이다. 이 평판식 래크 (60) 에서는 우선, 상기 실시형태 1 또는 2 의 제조방법에 의해 제작된 빌렛을 압출함으로써 폭이 300㎜ ∼ 350㎜ 정도의 판형상 부재 (61) 를 성형한다. 이어서, 각각의 판형상 부재 (61) 의 복수의 슬릿 (62) 을 연달아 설치한다. 그리고, 이 판형상 부재 (61) 를 슬릿 (62) 부분에서 종횡 교대로 걸어맞춰 격자형상 단면을 형성한다. 또한, 이 평판식 래크 (60) 의 경우, 상기 각파이프식에 비해 판두께가 작아지기 때문에, 알루미늄에 분산시키는 보론의 양을 많게 해 둔다. 이 평판식 래크 (60) 는 캐스크나 다 사용된 연료풀의 래크 등에 사용할 수 있다.
또한, 도시하지 않지만, 상기 실시형태 1 또는 2 의 제조방법에 의해, 판형상체를 성형할 수 있고, 이 판형상체는 평판식 래크 (60) 뿐만아니라 저레벨 폐기물의 수송용기의 구조재로서도 사용할 수 있다.
(실시형태 4)
상기 실시형태 1 또는 2 에서는, 각파이프 (1) 에 보론을 분산시킴으로써 중성자 흡수능을 부여하여 다 사용된 연료집합체가 임계가 되는 것을 방지하도록 하고 있다. 이 실시형태 4 에서는 각파이프 (1) 에 의하지 않고, 다 사용된 연료집합체로부터의 중성자를 흡수하는 환봉재를 성형한다. 환봉재 (70) 는 도 6 에 나타내는 다 사용된 연료집합체 (71) 의 제어봉 클러스터 안내관 (72) (또는 계측관) 내에 삽입한다. 이 환봉재 (70) 를 삽입함으로써 소정의 중성자 흡수능을 확보할 수 있기 때문에, 각파이프 (1) 에 다량의 보론을 분산시킬 필요가 없어진다. 또한, 이 환봉재 (70) 의 제조에는 최종 압출공정에서의 다이 형상이 다를 뿐이기 때문에, 상기 실시형태 1 또는 2 의 제조방법을 사용할 수 있다.
(실시형태 5)
또, 상기 알루미늄분말에는 고강도성을 부여하기 위한 첨가원소로서, Zr, Ti 등을 첨가하는 것이 바람직하다. 이 경우, Zr 의 함유량은 0.2 중량% 이상, 2.0 중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.5 중량% 이상 0.8 중량% 이하이면 된다. Ti 의 함유량은 0.2 중량% 이상 4.0 중량% 이하이면 된다. 또한, Zr 과 Ti 의 양쪽을 첨가해도 된다. Zr 이나 Ti 등의 첨가에 의해 인장특성 등의 기계적 성질이 향상됨과 동시에 높은 가공성을 얻을 수 있다. 따라서, 이 알루미늄복합재는 예컨대 다 사용된 핵연료의 저장 또는 수송용 용기의 구조재나 원자력 관련설비의 구조부재로서 사용할 수 있다.
Zr 이나 Ti 의 첨가량이 상기 서술한 범위의 양인 이유는, 이하와 같다. 즉, Zr 의 경우, 0.2 중량% 미만에서는 강도향상의 효과가 작고, 반대로 2.0 중량% 를 초과하면 연성, 인성이 저하되어 강도향상의 효과도 포화된다. 또, Ti 의 경우, 0.2 중량% 미만에서는 강도향상의 효과가 충분하지 않고, 4.0 중량% 를 초과하여 함유하면 미세한 금속간 화합물의 형성이 곤란해지고, 인성의 저하가 발생되기 쉬워져 강도향상의 효과도 포화되는 경향에 있다. 또, Zr 또는 Zr 화합물에 대해서는, 예컨대 스폰지형상인 것을 사용한다. Ti 또는 Ti 화합물에 대해서도 동일하다.
압출성형 후의 성형품에는 필요에 따라 열처리를 실시한다. 예컨대 Al-Mg-Si 계의 Al 합금분말을 베이스로서 사용한 경우에는 JIS 의 T6 처리를, Al-Cu 계의 Al 합금분말을 베이스로서 사용한 경우도 마찬가지로 T6 처리를 실시하는데, 순Al 이나 Al-Fe 계 Al 합금 등의 분말을 베이스로서 사용한 경우에는 열처리는 불필요하며, 이 경우는 JIS 의 Tl 처리 또는 H112 처리에 해당한다.
특히, 고강도성을 부여하기 위한 첨가원소를 첨가한 것에 대해, T1 처리 또는 H112 처리를 실시함으로써, 다 사용된 핵연료의 저장 또는 수송용 용기의 구조재가 고온에서 장시간 보존되는 데에 적합한 것이 된다. 이에 대해, 인공시효처리 (T6 처리 등) 를 실시하면, 과시효에 의한 강도저하를 고려할 필요가 있어 고온에서 장시간 보존되는 데에 적합한 것으로 하는 것은 매우 곤란한다.
우선, 이 실시형태에 관련된 알루미늄복합재는 다 사용된 핵연료의 저장 또는 수송용 용기의 구조재에 바람직한 것으로, 그 이유는 다 사용된 핵연료를 저장하거나 수송할 때에 다 사용된 핵연료로부터의 방사능을 차폐하는 기능을 갖는 용기에 수납할 필요가 있는 바, 당해 용기가 저장시설에서 저장중에 어떤 원인으로 인해 넘어지는 경우, 또는 당해 용기의 수송중에 반송차량으로부터 용기가 낙하하는 경우 등의 사태가 상정되고, 이러한 사태에서 저장 또는 반송용 용기의 구조재가 손상되면 수납되어 있는 다 사용된 핵연료의 중성자를 흡수할 수 없어 사고로 될 가능성을 부정할 수 없다. 구체적으로는 하기에 개시하는 바와 같은 캐스크의 바스켓을 구성한 경우, 당해 바스켓은 통상 다 사용된 핵연료 집합체를 삽입수납하는 격자형상의 셀을 갖고 있고, 또한 다 사용된 연료집합체의 중량이 BWR 연료의 경우에 1 체 당 150㎏ 이상이고, 이와 같은 다 사용된 핵연료 집합체를 50 체 이상 수납하는 경우, 캐스크의 낙하ㆍ전도에 의해 바스켓에 가해지는 충격은 상당히 큰 것이 된다. 그러므로, 바스켓에는 이와 같은 충격에 충분히 견딜 수 있는 기계적 성질이 요구된다.
또한, 바스켓에는 다 사용된 핵연료를 수납하여 당해 다 사용된 핵연료로부터 방출되는 중성자를 흡수하는 능력이 필요하다. 일반적으로 중성자 흡수재로서 알려져 있는 것은 B 또는 B 화합물이며, 이 B 또는 B 화합물을 알루미늄 모재에 혼합하여 중성자 차폐재로서 사용하는 것이 통상 행해지고 있다. 이와 같은 B 또는 B 화합물을 함유한 알루미늄재를 사용하여 캐스크의 바스켓을 구성한 경우, 바스켓 자체에 중성자 흡수능 및 구조재로서의 기계적 강도 양쪽이 필요해진다.
다음에, 다 사용된 핵연료를 용기내에 수납하여 저장하는 기간은 60 년 정도로 매우 장기간이며, 또한 다 사용된 핵연료의 붕괴열에 의해 용기내부는 장기간에 걸쳐 고온 (구체적으로는 150℃ 이상) 이 되기 때문에, 내부의 알루미늄복합재는 장기간에 걸쳐 고온환경에 노출된다. 이 경우, 과시효에 의해 구조재의 기계적 강도가 시간의 경과와 함께 저하되기 때문에, 예컨대 30 년 후 또는 40 년 후에 저장중의 전도나 수송중의 낙하 등의 사태가 발생된 경우, 그 충격에 견딜 수 없어 구조재에 손상이 생기고, 임계사고 등을 야기시킬 가능성이 있다. 이로써, 다 사용된 핵연료의 저장 또는 수송용 용기에는 장기간의 고온환경하에 노출된 경우라도 그 기계적 성질이 잘 변화되지 않아 초기의 성질을 유지할 수 있는 재료가 요구된다.
그래서, 이 실시형태의 알루미늄복합재는 장기간의 고온환경하의 사용에서도 기계적 성질이 변화되지 않는 것을 주목적으로 하고, 이를 위해 Al 또는 Al 합금 모상중에 중성자 흡수능을 갖는 B 또는 B 화합물로 이루어지는 재료를 가압소결하고, 이 가압소결한 것을 인공시효처리를 시키지 않고 또는 자연시효 (T1 처리가 포함됨) 시키거나 혹은 압출시킨 상태로 한다. 예컨대, 하기 개시의 캐스크의 바스켓을 구성하는 각파이프에서는, 가압소결한 빌렛을 압출시킨 후, 그 상태로 하거나 또는 자연시효시키게 된다. 인공시효처리가 없기 때문에 과시효를 발생시키지 않음으로써 초기의 강도는 낮지만 장기간 고온환경에 노출되어도 기계적 강도의 저하는 거의 볼 수 없는 것이 된다.
또, 자연시효만으로는 구조재로서의 기계적 강도가 부족할 가능성이 있기 때문에, 고강도성을 부여하기 위한 첨가원소를 함유시킴으로써 알루미늄복합재의 강도의 베이스업을 도모한다. 이로써, 충분한 기계적 강도를 가지며 또한 장기간의 고온환경하에서도 강도저하를 거의 볼 수 없는 재료를 비로소 실현할 수 있고, 그와 같은 알루미늄복합재는 다 사용된 핵연료의 저장 또는 수송용 용기의 구조재로서 사용하는 데에 매우 양호한 것이 된다.
이 알루미늄복합재의 특성을 시험하였다. 이 시험에서는 소정의 시험편을 180℃ 에서 100 시간 유지시킨 경우, 200℃ 에서 100 시간 유지시킨 경우, 350℃ 에서 100 시간 유지시킨 경우에, 0.2% 내력 (㎫), 인장강도 (㎫), 파단연신율 (%) 에 대해 인장시험하고, 전자가 다 사용된 핵연료를 수납한 직후를 상정한 것, 후자가 다 사용된 핵연료를 60 년간 수납한 경우를 상정한 것으로 하여 시험하였다. 또한, 후자에 대해서는 실제로 60 년간 시험할 수 없기 때문에, 200℃ 의 고온환경하에서 60 년의 장기간 유지시킨 경우에 상당하도록, 350℃ 로 온도가속하여 실험을 행하였다. 그 결과, 다 사용된 핵연료를 수납한 직후와, 60 년간 수납한 때를 비교해 보아도, 0.2% 내력 (㎫), 인장강도 (㎫), 파단연신율 (%) 중 어느 것에 대해서도 거의 변화가 관찰되지 않아 기계적 특성이 바뀌지 않음을 알 수 있다.
이에 대해, 시험편으로서 T6 처리를 실시한 것과 T1 처리 (자연시효) 를 실시한 것 또는 압출시킨 것을 준비하여 시험한 결과, T6 처리를 실시한 시험편에 대해서는 온도상승에 의한 영향을 쉽게 받는 것이 확인되었다. 즉, 고온환경하의 장기간 사용에서 T6 처리를 실시한 복합재를 사용하면, 용기내부의 온도상승의 영향을 받아 구조재의 기계적 특성이 열화되게 된다.
다음에, 이 알루미늄복합재에 열처리를 행하지 않는 경우, 결정입자를 미세화할 수 없기 때문에 기계적 강도의 향상이 곤란한 바, 구조재로서 사용하기에는 그 나름대로의 기계적 강도가 필요해진다. 이로써, 이 실시형태의 알루미늄복합재에서는 고강도성을 부여하기 위한 첨가원소를 부여함으로써 기계적 강도의 부족을 보충하도록 하고 있다. 또한, 여기에서 말하는 첨가원소는 열처리를 행하지 않는 것에 따른 강도부족을 보충하기 위해 첨가되는 것으로, 순알루미늄에 대해 통상 행해지는 원소의 첨가작업과는 그 목적이 다르다.
첨가원소를 함유한 알루미늄복합재는 실온환경에서의 사용 및, 고온환경하에서의 60 년간 사용 상당의 경우 (상기 설명참조) 에서 인장시험을 실시한 바, 0.2% 내력 및 인장강도에 대한 향상이 관찰되고, 파단연신율에 대해서는 약간 저하되는 결과를 얻고, 또한 모든 수치가 60 년 보관 상당까지 거의 크게 변화되지 않아 기계적 성질을 유지할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상을 감안하면, 이와 같은 T1 처리 (자연시효 (압출직후에 소정 용도에 사용하여 실질적으로 자연시효작용이 발휘되는 경우를 포함함)) 를 실시한 알루미늄복합재는 장기간 고온환경하에 노출되어도 기계적 성질이 열화되지 않고, 또한 구조재로서의 기계적 강도를 겸비하고 있는 것으로, 저장 또는 수송용 용기의 구조재에 바람직한 재료가 된다.
또, 상기 알루미늄복합재의 예로서, 6000 계의 알루미늄을 들 수 있다. 통상 알려져 있는 바와 같이 열처리 (T6 처리) 합금인 6000 계의 알루미늄합금에 대해, 굳이 열처리를 행하지 않고 압출시킨 채 자연시효시키도록 함으로써 다 사용된 핵연료의 저장 또는 수송용 용기에 바람직한 구조재를 제공할 수 있다. 또한, 비열처리계 합금 (예컨대 3000 계, 5000 계) 이라도 동일하다.
(실시형태 6)
다음에, 상기 각파이프 (1) 의 구체적인 사용예에 대해 설명한다. 도 7 은 캐스크를 나타내는 사시도이다. 도 8 은 도 7 에 나타내는 캐스크의 축방향 단면도이다. 도 9 는 도 7 에 나타낸 캐스크의 직경방향 단면도이다. 이 캐스크 (100) 는 몸통본체 (101) 의 캐비티 (102) 내면을 바스켓 (130) 의 외주형상에 맞춰 기계가공한 것이다.
몸통본체 (101) 및 바닥판 (104) 은 γ선 차폐기능을 갖는 탄소강제의 단조품이다. 또한, 탄소강 대신에 스테인리스강을 사용할 수도 있다. 상기 몸통본체 (101) 와 바닥판 (104) 은 용접에 의해 결합된다. 또, 내압용기로서의 밀폐성능을 확보하기 위해 일차뚜껑 (110) 과 몸통본체 (101) 사이에는 금속 개스킷을 형성해 둔다.
몸통본체 (101) 와 외통 (105) 사이에는 수소를 많이 함유하는 고분자재료로서 중성자 차폐기능을 갖는 레진 (106) 이 충전되어 있다. 또, 몸통본체 (101) 와 외통 (105) 사이에는 열전도를 행하는 복수의 구리제 내부핀 (107) 이 용접되어 있고, 상기 레진 (106) 은 이 내부핀 (107) 에 의해 형성되는 공간에 유동상태로 주입되어 냉각고화된다. 또한, 내부핀 (107) 은 방열을 균일하게 행하기 위해 열량이 많은 부분에 높은 밀도로 형성하도록 하는 것이 바람직하다. 또, 레진 (106) 과 외통 (105) 사이에는 수 ㎜ 의 열팽창영역 (108) 이 형성된다.
뚜껑부 (109) 는 일차뚜껑 (110) 과 이차뚜껑 (111) 으로 구성된다. 이 일차뚜껑 (110) 은 γ선을 차폐하는 스테인리스강 또는 탄소강으로 이루어지는 원반형상이다. 또, 이차뚜껑 (111) 도 스테인리스강제 또는 탄소강제의 원반형상이지만, 그 상면에는 중성자 차폐체로서 레진 (112) 이 봉입되어 있다. 일차뚜껑 (110) 및 이차뚜껑 (111) 은 스테인리스제 또는 탄소강제의 볼트 (113) 에 의해 몸통본체 (101) 에 장착되어 있다. 또한, 일차뚜껑 (110) 및 이차뚜껑 (111) 과 몸통본체 (101) 사이에는 각각 금속 개스킷이 형성되어 내부의 밀봉성을 지지하고 있다. 또, 뚜껑부 (109) 의 주위에는 레진 (114) 을 봉입한 보조차폐체 (115) 가 형성되어 있다.
캐스크 본체 (116) 의 양측에는 캐스크 (100) 를 매달기 위한 트러니언 (117) 이 형성되어 있다. 또한, 캐스크 (100) 의 반송시에는 보조차폐재 (115) 를 떼내고 완충체 (118) 를 장착한다. 완충체 (118) 는 스테인리스강재에 의해 작성한 외통 (120) 내에 레드우드재 등의 완충재 (119) 를 삽입한 구조이다.
바스켓 (130) 은 다 사용된 핵연료 집합체를 수용하는 셀 (131) 을 구성하는 69 개의 각파이프 (1) 로 이루어진다. 당해 각파이프 (1) 에는 상기 실시형태에 관련된 제조방법에 의해 제조한 것을 사용한다. 도 10 은 상기 각파이프의 삽입방법을 나타내는 사시도이다. 상기 공정에 의해 제조한 각파이프 (1) 는 캐비티 (102) 내의 가공형상을 따라 순차적으로 삽입된다.
또, 도 10 및 도 8 에 나타내는 바와 같이, 캐비티 (102) 중 셀수가 5 개 또는 7 개가 되는 각파이프열의 양측에는 각각 더미파이프 (133) 가 삽입되어 있다. 이 더미파이프 (133) 는 몸통본체 (101) 의 중량을 경감시킴과 동시에 몸통본체 (101) 의 두께를 균일화하는 것, 각파이프 (1) 를 확실하게 고정하는 것을 목적으로 한다. 이 더미파이프 (133) 에도 보론이 함유된 알루미늄합금을 사용하여 상기 동일한 공정에 의해 제작한다. 또한, 이 더미파이프 (133) 는 생략할 수도 있다.
캐스크 (100) 에 수용되는 다 사용된 핵연료 집합체는 핵분열성 물질 및 핵분열 생성물 등을 포함하며, 방사선을 발생함과 동시에 붕괴열을 동반하기 때문에 캐스크 (100) 의 제열기능, 차폐기능 및 임계방지기능을 저장기간중 (60 년 정도), 확실하게 유지할 필요가 있다. 이 실시형태에 관련된 캐스크 (100) 에서는 몸통본체 (101) 의 캐비티 (102) 내를 기계가공하여 각파이프 (1) 로 구성한 바스켓 (130) 의 외측을 거의 밀착상태 (큰 틈 없음) 로 삽입하도록 하고 있고, 또한 몸통본체 (101) 와 외통 (105) 사이에 내부핀 (107) 을 형성하고 있다. 이로써, 연료봉으로부터의 열은 각파이프 (1) 또는 충전된 헬륨가스를 통하여 몸통본체 (101) 에 전도되고, 주로 내부핀 (107) 을 통하여 외통 (105) 으로부터 방출되게 된다.
또, 다 사용된 핵연료 집합체로부터 발생하는 γ선은 탄소강 또는 스테인리스강으로 이루어지는 몸통본체 (101), 외통 (105), 뚜껑부 (109) 등에서 차폐된다. 또, 중성자는 레진 (106) 에 의해 차폐되고, 방사선업무 종사자에 대한 피복상의 영향을 없애도록 하고 있다. 구체적으로는 표면선 당량율이 2mSv/h 이하, 표면으로부터 1m 의 선량 당량율이 100μSv/h 이하가 되는 차폐기능을 얻을 수 있도록 설계한다. 또한, 셀 (131) 을 구성하는 각파이프 (1) 에는 보론이 함유된 알루미늄합금을 사용하고 있기 때문에, 중성자를 흡수하여 임계에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 이 캐스크 (100) 에 의하면 몸통본체 (101) 의 캐비티 (102) 내를 기계가공하여 바스켓 (130) 의 외주를 구성하는 각파이프 (1) 를 거의 밀착상태로 삽입하도록 하였기 때문에, 각파이프와 캐비티가 대면하는 면적이 넓어져 각파이프 (1) 로부터의 열전도를 양호하게 할 수 있다. 또, 캐비티 (102) 내의 공간영역을 없앨 수 있기 때문에, 각파이프 (1) 의 수용수가 동일하면 몸통본체 (101) 를 콤팩트하며 경량하게 할 수 있다. 반대로, 몸통본체 (101) 의 외경을 바꾸지 않을 경우, 그 만큼 셀수를 확보할 수 있어 다 사용된 핵연료 집합체의 수납수를 증가할 수 있다. 구체적으로 당해 캐스크 (100) 에서는 다 사용된 핵연료 집합체의 수용수를 69 체로 할 수 있고, 또한 캐스크 본체 (116) 의 외경을 2560㎜, 중량을 120 톤으로 억제할 수 있다.
또, 상기 실시형태에서는 각파이프 (1) 를 묶어 바스켓 (130) 을 구성하였지만, 이 각파이프 (1) 를 지그재그형상 또는 바둑판 무늬형상으로 배치하여 바스켓을 구성해도 된다. 그 때, 각파이프 (1) 의 에지부분에는 상호 맞물려 고정시킬 수 있는 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 이 실시형태의 캐스크에는 몸통본체 (101) 내부에 얇은 두께의 캔형상의 캐니스터용기를 수용하는 구성도 포함된다 (도시생략). 캐니스터용기는 상기 다 사용된 핵연료 집합체나, 방사성폐기물을 유리 고화시킨 것 등의 각종 방사성물질을 봉입하는 것으로 몸통본체 (101) 내에 수납된 상태로 캐스크마다 수송 또는 보관된다.
(실시형태 7)
이어서, 상기 각파이프의 다른 사용예에 대해 설명한다. 도 11 은 PWR 용의 다 사용된 연료 풀을 나타내는 사시도이다. 이 다 사용된 연료 풀 (200) 은 상기 실시형태 1 또는 2 에 의해 제조한 각파이프 (1) 를 복수개 세워 설치하고, 그 상하부분을 서포트판 (201) 에 의해 지지한 래크 (202) 를 구비하고 있다. 래크 (202) 는 철근콘크리트제의 피트 (203) 내에 설치되어 있고, 당해 피트 (203) 내면은 피트수의 누설방지를 위해 스테인리스강판의 라이닝 (204) 에 의해 라이닝되어 있다.
또, 이 피트 (203) 내는 항시 붕산수에 의해 채워져 있다. 이 다 사용된 연료 풀 (200) 은 상기 각파이프 (1) 를 사용하여 구성하고 있기 때문에, 중성자 흡수능이 높고, 또한 그 구조의 견고성을 확보할 수 있다. 이로써, 다 사용된 연료집합체가 임계에 도달하는 것을 유효하게 방지할 수 있다. 또한, B-SUS 제의 각파이프를 B-Al 제의 각파이프로 치환함으로써 연료 풀내의 이상시 하중을 큰 폭으로 경감할 수 있어 저장시설의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료 풀내의 래크 (202) 로서 사용할 경우, 현재 사용하고 있는 B-SUS 제의 각파이프의 pH 가 약 3.0 인 것에 대해, B-Al 제의 각파이프 (1) 의 pH 가 약 4.5 로 붕산수가 산성이기 때문에 틈부식을 발생시킬 가능성이 있다. 이로써, 연료 풀의 물환경을 마일드하게 하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는, 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과, 혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과, 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결, 또는 불활성분위기중에서 소결하는 공정을 포함하도록 하였기 때문에, 방사성물질 저장부재의 제조를 간략화할 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과, 혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과, 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결 또는 불활성가스 분위기중에서 소결하여 빌렛으로 하는 공정과, 유도가열수단에 의해 빌렛을 가열하는 공정과, 유도가열한 빌렛을 다이로 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함한다. 또, 다 사용된 연료집합체를 수용하는 각파이프 (청구항 9) 에서는 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말의 혼합분말을 냉간 정수압 성형법 또는 냉간 일축방향 가압에 의해 성형한 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결하여 빌렛으로 하고, 이 빌렛을 유도가열수단에 의해 가열하여 압출성형하였다. 이로써, 유도가열이 효율적으로 행해져 제조공정이 간략화됨과 동시에 효율적으로 빌렛의 압출성형을 행할 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과, 냉간 정수압 성형법 또는 냉간 일축방향 가압에 의해 예비성형체를 성형하는 공정과, 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결하여 빌렛으로 하는 공정과, 진공소결시의 열을 사용하여 빌렛을 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하므로, 빌렛의 재가열이 불필요해져 제조공정을 간략화할 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는 예비성형체의 중량밀도를 75% 이상 95% 이하로 해도 건전한 압출성형을 행할 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는 메커니컬 얼로잉을 사용하여 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하도록 하였기 때문에, 알루미늄 매트릭스내에 중성자 흡수재 분말이 미세화된 상태로 균일하게 분산된다. 이로써, 다 사용된 연료저장부재의 기계적 강도가 향상된다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는 볼밀링을 사용하는 볼은 첨가예정의 원소가 주성분이므로, 볼밀링의 과정에서 공시재에 첨가하고자 하는 원소를 이 과정에서 첨가할 수 있다. 이로써, 제조공정을 간략화할 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는 추가로, 상기 압출성형한 후, 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 자연시효시키는 공정을 포함하므로 방사성물질 저장부재로서 바람직한 것을 얻을 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛에서는 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합한 혼합분말을 중량밀도가 75% ∼ 95% 가 되도록 성형한 것이며, 또한 분말끼리가 소결에 의해 융착되어 있기 때문에, 빌렛의 유도가열이 용이해져 방사성물질 저장부재의 제조공정이 간이화된다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛에서는 메커니컬 얼로잉에 의해 알루미늄분말을 편평화함과 동시에 당해 알루미늄분말에 대해 분쇄한 보론 또는 보론화합물이 끼워 넣어지도록 분산된 혼합분말을 중량밀도가 75% ∼ 95% 가 되도록 성형한 것이며, 또한 분말끼리가 소결에 의해 융착되어 있기 때문에 소결시 응집을 방지할 수 있다. 이로써, 이것을 사용하여 압출성형한 방사성물질 저장부재의 성분은 균질해져 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛은 다 사용된 핵연료의 저장 또는 반송용 용기의 구조재로서 사용하는 것으로, 상기 알루미늄분말이 고강도성을 부여하기 위한 Zr 등의 첨가원소를 함유하기 때문에 기계적 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 방사성물질 저장부재의 제조방법에서는 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과, 혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과, 예비성형체를 진공핫프레스에 의해 소결하여 빌렛으로 하는 공정과, 유도가열수단에 의해 빌렛을 가열하는 공정과, 유도가열한 빌렛을 다이로 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하므로, 제조공정이 간략화됨과 동시에 효율적으로 빌렛의 압출성형을 행할 수 있다.
도 1 은 각파이프를 나타내는 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 실시형태 1 에 관련된 각파이프의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3 은 포트홀압출기의 다이구성도로 동 도의 (a) 가 축방향 단면도, (b) 가 직경방향 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 실시형태 2 에 관련된 제조방법을 실시하기 위한 분말제조장치의 개략구성을 나타내는 도면이다.
도 5 는 평판식 래크를 나타내는 사시도이다.
도 6 은 다 사용된 연료집합체를 나타내는 설명도이다.
도 7 은 캐스크를 나타내는 사시도이다.
도 8 은 도 7 에 나타낸 캐스크의 직경방향을 나타내는 단면도이다.
도 9 는 도 7 에 나타낸 캐스크의 축방향을 나타내는 단면도이다.
도 10 은 각파이프의 삽입방법을 나타내는 사시도이다.
도 11 은 PWR 용의 다 사용된 연료 풀을 나타내는 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1: 각(角)파이프
100: 캐스크
101: 몸통본체
102: 캐비티
104: 바닥판
105: 외통
106: 레진
107: 내부핀
108: 열팽창영역
109: 뚜껑부
110: 일차뚜껑
111: 이차뚜껑
115: 보조차폐체
116: 캐스크 본체
117: 트러니언
118: 완충체
130: 바스켓
131: 셀

Claims (15)

  1. 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에 있어서,
    알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과,
    혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과,
    예비성형체를 무가압상태에서 진공소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  2. 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에 있어서,
    알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과,
    혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과,
    예비성형체를 무가압상태에서 진공소결하여 빌렛으로 하는 공정과,
    유도가열수단에 의해 빌렛을 가열하는 공정과,
    유도가열한 빌렛을 다이로 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  3. 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에 있어서,
    알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과,
    혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과,
    예비성형체를 무가압상태에서 진공소결하여 빌렛으로 하는 공정과,
    진공소결시의 열을 사용하여 빌렛을 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  4. 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에 있어서,
    알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과,
    혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과,
    예비성형체를 무가압하의 불활성가스 분위기중에서 소결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  5. 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에 있어서,
    알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과,
    혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과,
    예비성형체를 무가압하의 불활성가스 분위기중에서 소결하여 빌렛으로 하는 공정과,
    유도가열수단에 의해 빌렛을 가열하는 공정과,
    유도가열한 빌렛을 다이로 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  6. 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에 있어서,
    알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과,
    혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과,
    예비성형체를 무가압하의 불활성가스 분위기중에서 소결하여 빌렛으로 하는 공정과,
    진공소결시의 열을 사용하여 빌렛을 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 예비성형체의 중량밀도를 75% 이상 95% 이하로 한 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합에 메커니컬 얼로잉을 사용하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 메커니컬 얼로잉에 볼밀링을 사용함과 동시에 미리 공시재에 첨가하는 원소가 주성분인 볼을 사용하고, 볼밀링중의 볼의 마모에 의해 상기 알루미늄 매트릭스내에 상기 볼의 원소의 첨가를 행하도록 한 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  10. 제 2, 3, 5, 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압출성형한 후, 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 압출시킨 상태로 하거나 또는 자연시효시키는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
  11. 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합한 혼합분말을 중량밀도가 75% ∼ 95% 가 되도록 성형한 것이며, 또한 분말끼리가 소결에 의해 융착되어 있는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛.
  12. 메커니컬 얼로잉에 의해 알루미늄분말을 편평화함과 동시에 당해 알루미늄분말에 대해 분쇄한 보론 또는 보론화합물이 끼워 넣어지도록 분산된 혼합분말을 중량밀도가 75% ∼ 95% 가 되도록 성형한 것이며, 또한 분말끼리가 소결에 의해 융착되어 있는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛.
  13. 다 사용된 연료의 저장 또는 수송용 용기의 구조재로서 사용하는 것으로, 알루미늄분말이 고강도성을 부여하기 위한 Ti, Zr 및 이들의 화합물 중의 하나 이상의 첨가원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 압출성형용 빌렛.
  14. 알루미늄분말과 중성자 흡수재분말의 혼합분말을 냉간 정수압 성형법 또는 냉간 일축방향 가압에 의해 성형한 예비성형체를 무가압상태에서 진공소결하여 빌렛으로 하고, 상기 빌렛을 유도가열수단에 의해 가열하여 압출성형한 것을 특징으로 하는 다 사용된 연료집합체를 수용하는 각파이프.
  15. 방사성물질의 저장에 사용하는 부재를 제조하는 방사성물질 저장부재의 제조방법에 있어서,
    알루미늄분말과 중성자 흡수재분말을 혼합하는 공정과,
    혼합분말을 가압함으로써 예비성형체를 성형하는 공정과,
    예비성형체를 진공핫프레스에 의해 소결하여 빌렛으로 하는 공정과,
    유도가열수단에 의해 빌렛을 가열하는 공정과,
    유도가열한 빌렛을 다이로 압출성형함으로써 다 사용된 연료집합체 수납용 바스켓을 구성하는 각파이프 또는 판재, 또는 다 사용된 연료의 안내관에 삽입하는 봉체를 성형하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사성물질 저장부재의 제조방법.
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