KR100842421B1 - 원자력 금속 또는 금속 합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다음의 수단들을 구비한 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다: 용융에 의해 금속 또는 합금의 유체를 준비하기 위한 수단(4); 상기 금속 또는 합금의 유체를 용융 금속 또는 합금의 분사 형태로 제공하기 위한 수단(12); 원심 회전하고, 용융 금속 또는 금속 합금의 입자들을 분무하는 경화 유체를 구동하고, 상기 입자들을 급속히 경화하기 위한 수단(1-7); 상기 원자력 금속 또는 금속 합금을 불활성 가스 분위기에서 용융하기 위한 수단(16-19), 및 용융 금속 또는 금속 합금의 분사를 그것이 경화되기까지 불활성 가스 기낭에 포함되도록 하기 위한 수단.

원자력, 연료, 금속, 분무

Description

원자력 금속 또는 금속 합금의 제조방법{Method for preparing nuclear metal or metal alloy particles}

본 발명은 원자력 금속(nuclear metal) 또는 금속 합금(nuclear metal alloy) 입자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분말을 제조하는 방법에 관한 것이고, 이러한 본 발명은 특히 UMo 합금 분말의 제조에 적용된다.

원자력 산업에 있어서, 매우 많은 금속 또는 금속 합금이 분말상으로 제조되어야 한다.

이에 따라, 특히, 원자력 산업은 재처리가 손쉬운 새로운 저농축 연료들을 개발해왔다. 이러한 연료들은 특히 금속기지 복합재료(metal matrix composite)의 형태로 존재한다. 이러한 연료들에서 사용되는 합금들은 예컨대, 알루미늄과 같은 고온 전도성 물질과 혼합될 수 있는 미세 분말의 형태로 제조되어야 한다.

상기 연료로 되는 데 필요한 모든 조건을 만족시키는 합금이 UMo이다.

많은 방법들이 UMo와 같은 원자력 금속 또는 합금 분말을 제조하는 데 사용될 수 있다.

그러나, 무엇보다도, 규화물(silicide) 연료에 널리 사용되는 연마기술(Grinding techniques)이 금속이나 엄밀히 말해서 UMo와 같은 금속 합금에 전용될 수 없다는 점에 주목하는 것이 중요하다.

따라서, 현재, UMo와 같은 원자력 금속 또는 합금 분말의 제조는 다른 방법에 의해 행해질 수 있으나, 그 중 어떠한 것도 산업용 분말 제조에 만족할 만한 것은 없다.

이에 따라, 회전판 분무법(rotary plate atomisation method)으로 산소 함량이 매우 적은 완전 구형의 분말을 형성한다.

이러한 방법은 C.K. KIM 등에 의한 US A 5,978,432 에 개시되어 있다.

우라늄 합금, 예컨대, 8 중량%의 몰리브덴을 함유한 우라늄 합금을 제조하기 위해, 우라늄과 합금 원소를 칭량해서 고주파 발생기에 의해 가열된 도가니에 넣는다. 온도가 충분하게 높아졌을 때, 용탕을 진공 분무 컨파인먼트(vacuum atomisation confinement)에 위치한 회전 디스크 상으로 오리피스를 통해 주탕한다. 상기 회전 디스크의 회전 속도는 대략 30,000 rpm 이다.

상기 용탕은 회전 디스크의 원심력에 의해 분리되고, 냉매 가스를 통해 컨파인먼트의 벽면으로 향하는 미세한 액적을 형성한다. 상기 분무된 분말은 상기 컨파인먼트의 베이스에 위치한 탱크에 회수된다. 그 다음에, 상기 분말은 알루미늄 분말과 혼합되고, 압착되어 원자력 연료로 제조된다.

이 방법은 매우 고성능이고, 고감도의 방법으로, 무엇보다도 작동 중에 심각한 결함을 일으키게 된다: 분무(atomisation)가 진공 컨파인먼트에서 행해진다는 사실, 안전한 기하학적 작동을 허용하지 않는 장치의 큰 크기, 안전한 대량 생산을 어렵게 만드는, 기계 청소의 곤란성과 관련된 심각한 잔류 가능성, 및 극히 세심한 주의를 요하는 작동.

게다가, 원자력 환경에서 대략 30,000 rpm 내지 50,000rpm의 고속으로 회전판을 사용하는 것은 심각한 제약이다.

또 다른 캐나다의 방법에 따르면, 상기 분말은 절삭분(machining chip)에 의해 얻어질 수 있는 데, 이 절삭분은 후속 공정으로 날카로운 각을 제거함으로써 그 형상을 개량하는 공정을 거친다. 이러한 식의 방법은 연료의 최종 특성에 역효과를 미칠 수 밖에 없는 매우 높은 함량의 철, 탄화물 또는 질화물 분말을 유발한다

아르헨티나의 수소화-탈수소화 방법(hydridation-dehydridation method)과 같은 화학적 방법에 의해 분말을 얻는 다른 방법들이 존재한다. 이 방법으로는, 분말의 입자 크기를 제어하기가 어렵고, 산업화의 경우에 재현 가능성의 문제들이 유발된다. 또한 이러한 처리 중에 상기 분말에 심각한 오염이 유발될 수도 있다.

종래의 물 또는 가스 분무법의 사용은 다른 어떠한 문제보다도, 매우 큰 크기, 여러가지 잔류 가능성 및 복잡한 작동 등의 문제 등의 원자력 물질들의 분무에 있어서 수많은 결함을 가진 설비들의 사용으로 귀착된다. 이들 방법들은 주조에 의해, 원자력 물질로서는 금지되어 있는 다량의 분말을 생산하는 데에 매우 적합한 데, 여기서, 임계법칙의 적용은, 주조에 의해 분말로 변형될 수 있는 물질의 양을 수 킬로그램으로 제한한다.

다시 말해, 종래의 분무법은 안정적인 상태(steady state)가 이루어져야 하기 때문에 적은 양의 분말의 제조에 적합하지 않고, 무시할 수 없는 기간동안 일시적인 상태에서의 작동을 필요로 하는 방법이다. 어떠한 경우이든, 이러한 유형의 설비의 개발은 어렵다.

JP A 55 054508 호에는 도가니의 용탕이 중력에 의해 상기 도가니의 베이스에 구비된 오리피스를 거쳐 고속으로 회전하는 탱크로 떨어지는 장치가 개시되어 있다.

상기 용탕은 물과 같은 냉매의 회전방향을 따라 저장조로 떨어진 다음, 상기 냉매와 충돌하고, 그 표면에서 분산된다.

따라서, 상기 용탕은 상기 냉매에 흡수되고, 원심력에 의해 보다 가속되며, 이에 따라, 급속 냉각되어 금속 분말로 된다.

이러한 작동 중에, 불활성 가스가 상기 용탕의 산화를 방지하기 위해 상기 탱크의 중공 회전축에 위치한 공급 오리피스를 통해 공급된다.

상기 일본 특허에서는 상기 도가니 내의 용탕 자체가 불활성 가스 분위기에서 전달되는 것으로 언급되어 있지는 않다.

마찬가지로, 상기 불활성 가스가 상기 용탕 흐름을 둘러싸는 기낭(氣囊: envelope)을 형성한다고 생각될 수는 없으나, 반대로, 상기 용탕의 흐름(스트림이 아닌)이 불활성 가스가 충전되어 있는 컨파인먼트로 주입되는 것으로 고려될 여지도 없다.

최종적으로, 금속 스트림이 형성되지는 않으나, 단순한 용탕의 흐름이 간단한 중력의 작용 하에서 생성된다.

결국, 다양하게 존재하는 기술들 또는 개발중인 기술들은 UMo와 같은 원자력 금속 또는 합금 분말을 산업적으로 제조하는 데에 만족할 만한 제조환경을 제공하 지 못한다.

실제로, 특히, 원자력 연료를 제조하기 위한, UMo와 같은 원자력 금속 또는 합금 분말을 제조하는 방법은 여러가지 표준을 충족시켜야 하고, 많은 제약을 극복해야 하며, 일련의 문제들을 해결해야만 한다.

상기 표준, 제약 및 문제 중 일부는 상기 금속 또는 합금의 본연의 원자력 성질에 기인한 것이다.

- 임계 제약으로 인해 캐스팅 당 단지 소량의 물질, 즉, 일반적으로, 대략 수 킬로그램이 분무되어야 한다.

- 그 결과로 캐스팅을 수행하는 싸이클 시간이 짧아야 하고, 손실을 최소화하도록 공정이 안정화되어야 한다.

- (임계 제약으로 인한) 상기 설비 상에 원자력 물질이 잔류하는 것을 피해야 하며, 이에 따라 모든 경우에 원자력 물질의 위치와 그 양을 정확히 표시하는 간단하고 컴팩트한 설비가 필요하다.

- 최종적으로, 제조되는 폐기물의 양을 극최소치로 제한할 필요가 있다.

다른 문제들, 표준 및 제약들은 제조된 분말이 금속 기지 복합재료의 형태로 원자력 연료를 제조하는 데에 사용된다는 점에 보다 관련되어 있고, 이에 따라, 다음의 사항이 필요하다:

- 예컨대, 산소에 의한 상기 분말의 심각한 오염이 없을 것; 실제, 우라늄 및 그 합금은 특히 산화되거나, 자연 발화되기가 아주 쉽다.

- 좁은 입자 크기 분포를 가진 분말을 얻을 것.

상술한 방법들 중 어떠한 것도 이러한 모든 표준 및 제약들을 동시에 만족하지 못한다.

이에 따라, 예컨대, 냉각 탑이 없기 때문에 비구상 분말을 높은 냉각속도로 얻을 수 있고, 이에 따라 콤팩트한 사이즈를 얻을 수 있는 종래의 물분무법은 다음과 같은 문제점을을 유발하기 때문에, 불행히도, 원자력 금속 또는 금속 합금 분말을 제조하는 데에 사용될 수 없다:

- 분말 중의 높은 산소 함량;

- 용융 합금과 물이 동시에 존재하는 경우의 증기 폭발 위험;

- 많은 양의 물과 원자력 물질이 동시에 존재하는 경우의 임계 위험.

따라서, 모든 제약들을 충족시키고, 상술한 모든 표준 및 요건들을 만족하며, 상기 선행기술의 방법들의 상기 결함들, 실패들, 단점들, 한계들을 갖지 않고, 상술한 선행기술의 방법들에서 언급된 문제들을 해결하는 금속 또는 금속 합금 분말을 제조하는 방법에 대한 필요성은 아직 충족되지 않았다.

본 발명의 목적은 다른 그 무엇보다도, 이러한 요건들을 만족시키는 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적 및 또 다른 목적들은 다음 단계들을 포함하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자들을 제조하는 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진다:

- 금속 또는 금속 합금의 유체를 용융시켜 준비하는 단계;

- 노즐을 통해 상기 금속 또는 금속 합금의 유체를 분사함으로써 상기 금속 또는 금속 합금의 유체를 용융 금속 또는 금속 합금 스트림의 형태로 변형시키는 단계;

- 상기 스트림을 원심 회전 운동이 가해진 급냉 유체와 접촉시킴으로써, 상기 용융 금속 또는 금속 합금 스트림을 입자로 분무하고, 상기 입자들을 신속히 급냉하는 단계;

- 상기 용융을 불활성 가스 분위기에서 행하고, 상기 용융 금속 또는 금속 합금 스트림이 분무 시까지 불활성 가스 기낭(덮개)에 의해 둘러싸이도록 한다.

본 발명에 따르면, 상기 금속 또는 금속 합금의 유체는 노즐을 통해 상기 금속 또는 금속 합금의 유체를 분사함으로써 금속 또는 금속 합금 스트림의 형태로 변형되는데, 이는 용융 금속 또는 금속 합금의 간단한 중력에 의한 흐름을 이용하는 종래기술과 기본적으로 다르다.

상기 용융 금속 또는 금속 합금 흐트림을 둘러싸고 있는 불활성 가스 기낭 또는 덮개(sheath)는 상기 노즐을 통한 상기 금속 또는 금속 합금 스트림의 분사, 분출과 함께 상기 노즐의 오리피스를 둘러싸는, 바람직하게는 원형인 오리피스를 통해 불활성 가스를 분사, 분출함으로써 형성된다.

바람직하게는, 상기 오리피스는 상기 노즐, 더욱 바람직하게는 상기 노즐 오리피스에 중심을 둔다.

바람직하게는, 분무에 사용되는 상기 급냉 유체의 양은 적고, 한정된 양으로 하고, 2리터 이하의 양으로 한다.

바람직하게는, 상기 급냉 유체는 물 또는 액체 아르곤이다.

바람직하게는, 용융이 일어나는 영역과 분무가 일어나는 영역은 물리적으로 분리되도록 한다.

본 발명에 따른 방법은 산업용 규모로, 상술한 모든 표준을 만족하고 모든 제약을 해결한 입자들, 특히, 원자력 금속 또는 합금 분말의 입자들을 제조할 수 있는 최초의 방법이다.

특히, 본 발명에 따른 방법은 원자력 금속 또는 합금 입자들을 제조하는 데에 어쩔 수 없이 사용되는 예컨대, 물 분무 기술과 같은 유체 분무 기술 등의 관련 기술 분야에서 광범위하게 사용되는 방법의 문제점을 극복한 것이다.

본 발명에 따른 방법은 유체 분무를 원자력 금속 또는 합금에 정확하게 적용할 수 있는 본 발명의 특성에 의해 전술한 문제에 맞서 이를 극복했다.

종래의 금속, 금속 합금 및 원자력 합금에 이러한 일반적으로 적용되는 기술을 전용하는 것은, 이들 금속 및 합금의 분무에 관련된 극히 특수한 문제들로 인해 그렇게 쉬운 것은 아니었다.

본 발명의 방법에 따르면, 용융이 진행되는 동안 상기 용융 금속 또는 합금 스트림을 일반적으로 제어된 습도를 가진 아르곤과 같은 불활성 가스 분위기에 유지시키고, 용융시부터 실제 분무시까지 상기 금속 또는 합금 스트림을 상기 불활성 가스의 기낭 또는 덮개로 포위함으로써, 금속 또는 합금의 산화가 낮은 수준으로 제한된다.

산화 또한 낮은 수준으로 제한되는 데, 이는 분무의 시작시부터, 생성되는 입자상으로 10⁵ 내지 10⁶ K/s의 초고속 급냉을 적용함으로써 가능하다.

불활성 가스의 기낭은 노즐을 통한 금속 또는 합금 스트림의 분사와 동시에, 노즐 오리피스를 둘러싸는 오리피스를 통해 상기 불활성 가스를 분사함으로써 쉽게 형성된다.

게다가, 2리터 이하의 소량의 한정된 양의, 바람직하게는 물과 같은 급냉 유체의 신속한 급냉을 사용하는 것은 상기 임계 위험에 아무 영향을 미치지 않는다. 반면, 상기 용융 영역과 분무 영역의 분리는 모든 작동, 즉, 정상적인 또는 우발적인 상황에 있어서, 상당한 양의 금속 또는 합금이 물과 같은 급냉 유체로 떨어지는 것을 방지하는 데 있어 근본적인 작용을 한다.

다시 말해, 본 발명에 따른 방법은 UMo와 같은 원자력 금속 또는 금속 합금 입자들, 특히, 분말 상으로, 원자력 연료의 제조에 특히 적합하며, 원자력 물질의 취급과 관련된 모든 제약들을 해결하는 입자들의 제조를 가능케 한다.

따라서, 다른 어떠한 장점들 중에서도, 본 발명에 따른 방법은 입자들, 특히, 좁은 입자 크기 분포를 갖고, 후속하는 원자력 연료 제조 단계를 보다 용이하게 하는 분말의 제조를 가능케 한다.

본 발명에 따른 방법은 원자력 물질의 잔류를 완전히 없애고, 원자력 요건을 갖추며, 쉽고, 신뢰할만 하며, 저렴하게 사용할 수 있으며, 폐기물 양이 매우 적은 생산 능력에 완전히 부합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 원자력 금속 또는 합금이라는 말은 원자력 연료에 사용되거나 혼합될 수 있는 모든 금속 또는 합금을 의미하는 것이다.

따라서, 상기 금속 또는 합금은 우라늄과 같은 악티니드계, 란탄계 및 그 합금들로부터 선택될 수 있다.

우라늄 합금 중, 몰리브덴을 함유한 우라늄 합금들이 바람직하다.

본 발명은 또한 다음과 같은 수단을 구비한 원자력 금속 또는 합금 입자들을 제조하는 장치에 관한 것이다.

- 용융에 의해 금속 또는 합금의 유체를 준비하기 위한 수단;

- 상기 금속 또는 합금의 유체를 노즐을 통해 분사함으로써 용융 금속 또는 합금 스트림의 형태로 만들기 위한 수단;

- 급냉 유체에 원심 회전 운동을 가하고, 용융 금속 또는 금속 합금 스트림 입자들의 분무 및 상기 입자들의 신속한 급냉을 행하기 위한 수단;

- 상기 금속 또는 금속 합금을 불활성 가스 분위기에서 용융하기 위한 수단 및 상기 용융 금속 또는 금속 합금을 급냉하기까지 중성 가스 기낭에 의해 포위하기 위한 수단.

바람직하게는, 본 발명에 따른 장치는 용융이 일어나는 영역을 분무가 일어나는 영역으로부터 물리적으로 분리시키기 위한 수단을 더 구비한다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명은 비제한적인 목적으로 상세한 설 명을 위해 제시된 실시예를 통해 보다 상세하게 설명될 것이다.

본 발명에 따른 장치가 도 1에 도시되어 있다.

어떠한 측면에서 보면, 이 장치는 신속한 급냉과 분무에 의해 입자들을 제조하는 종래의 장치와 유사하다. 그러한 장치는 예컨대, EP A 00 43345호에 개시되어 있다. 예컨대, 본 발명에 특정되지 않은 상기 장치의 일부 구성요소들의 보다 상세한 설명을 얻기 위해 상기 EP 특허문헌을 참조할 수 있다.

도 1의 장치는 원심 회전 운동으로 급냉 유체를 활성화하고, 용융 금속 또는 합금의 스트림(stream)의 신속한 급냉 및 분무를 수행하기 위한 수단들을 구비한다. 이들 수단들은 도 1에서, 대체로 수직한 샤프트(1)의 형태로 나타나 있고, 드럼(2) 또는 대체로 디스크의 형상을 갖는 수평한 회전 보울(bowl)이 그 바닥의 중앙에서 상기 샤프트에 공지의 수단(3), 예컨대, 용접, 볼트 결합, 나사 결합 등에 의해 부착된 형태로 나타나 있다.

상기 샤프트(1)는 전기 모터(미도시)와 같은 적당한 수단에 의해 회전된다. 상기 디스크는 그 가장자리에 수직 상방으로 돌출된 원통상의 벽(5)을 구비하고 있고, 그 상부에 짧은 길이로 내측으로 돌출되어 엣지를 형성한 수평한 벽(6)을 구비하고 있다.

상기 수평한 벽 또는 엣지와 상기 수직한 벽은 예컨대, 2리터 이하로, 매우 소량으로 한정된(즉, 완벽하게 결정된) 양의 급냉 유체(7)를 수용할 수 있는 데, 이 급냉 유체는 용융 금속 또는 합금 스트림의 분무 및 신속한 급냉을 가능하게 한다.

상기 급냉 유체는 임의의 적당한 액체로부터 선택될 수 있지만, 물이 적당하다; 물은 예컨대, 전해 수용액이나 수성 폴리머 용액으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 보조제(adjuvant)로 보충될 수 있다.

또한, 신중하게, 예컨대, 액체 아르곤을 사용할 수도 있다.

본 발명에 따른 장치는 또한 용융에 의해 용융 금속 또는 합금의 유체를 준비하기 위한 수단을 구비한다. 상기 수단은 상기 엣지에 의해 비어있는 공간에서 상기 엣지에 의해 한정된 개구부(8)에 위치한다. 상기 수단은 일반적으로 내화성 물질로, 전체적으로 원통형으로 만들어지고, 주축(main axis)이 상기 드럼의 원통형 벽 방향으로 하방으로 기울어져 있는 고정된 도가니(9)의 형태로 나타난다. 상기 도가니는 상기 디스크의 중앙에 위치할 수 있으나, 상기 디스크의 상기 엣지에 보다 가깝도록 위치하는 것이 바람직하다.

상기 도가니(9)의 하단(10)은 상술한 드럼의 수직한 원통형 벽을 향하는, 그 중앙부에 구비된 노즐까지 그 직경이 점차적으로 감소하는, 전체적으로 테이퍼진 형상이다. 상기 도가니는 고정되어 있고, 0.1 내지 5 kg의 금속 또는 합금을 수용한다. 본 발명의 방법의 공정이 시작될 때에, 금속 또는 합금은 잉곳, 칩, 알갱이 등의 형상으로 제공된다.

용융함으로써 상기 용융 금속 또는 합금의 유체를 준비하기 위한 수단은 또한 예컨대, 상기 도가니 주위에 감긴 유도 코일의 형태로 가열 수단(미도시)을 구비한다. 상기 유체라는 용어는 그 점성이 용이한 흐름과 사출을 가능하게 한다는 사실을 의미한다.

본 발명에 따른 장치는 용융된 금속 또는 합금 스트림 형태의 금속 또는 금속 합금의 유체를 주입하는 수단을 구비한다.

따라서, 이러한 목적을 위해, 용융 금속 또는 합금(13)의 유체의 표면 상에 분사압(12)을 가할 수 있는 데, 이 분사압(12)은 상기 유체를 상기 도가니 바닥의 노즐을 통해 밀어내어 예컨대, 상기 노즐의 오리피스가 일반적으로 원형의 단면을 갖기 때문에, 원통형의 스트림(14)으로 만든다.

예컨대, 상기 스트림의 직경은 50 내지 200㎛로 작게 하고, 바람직하게는 대략 100㎛정도로 한다.

바람직하게는, 상기 가해진 분사압은 용융이 행해지고, 또한 상기 용융 금속 또는 합금 스트림을 둘러싸는 기낭(envelope)이나 덮개(sheath)를 형성하는 분위기를 만드는 불활성 가스에 의해 제공된다.

상기 용융 금속 또는 합금 스트림은 연속적인 스트림(stream)이 될 수 있지만, 바람직하게는 불연속적인 스트림으로 구성될 것이다.

본 발명에 따른 장치는 또한, 불활성 가스 분위기에서 상기 원자력 금속 또는 금속 합금을 용융하기 위한 수단 및 상기 용융 금속 또는 금속 합금 스트림을 용융시부터 급냉시까지 불활성 가스의 기낭 또는 덮개에 의해 포위하기 위한 수단을 구비한다.

이에 따라, 도 1에서 볼 수 있듯이, 가압되는 아르곤 스트림 또는 플럭스(12: flux)가 상기 용융 금속 또는 합금의 상부 유리 표면 영역(free top surface area)으로 주입되고, 상술한 바와 같이, 상기 아르곤 스트림 또는 플럭스 는, 상기 용융물을 불활성 분위기에서 유지한 채, 상기 용융 금속 또는 합금의 유체를 상기 노즐 오리피스(11)를 통해 분사하기 위한 압력을 제공한다.

상기 불활성 가스로서, 상기 장치의 재질 및 용융 금속 또는 합금과 반응하지 않는 어떠한 가스도 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 가스는 아르곤, 질소, 헬륨으로부터 선택될 수 있다.

바람직한 가스는 아르곤이다. 바람직하게는, 상기 가스의 압력은 1 내지 15 bar이다.

상기 용융 금속 또는 합금 스트림이 불활성 가스의 기낭에 의해 포위하기 위한 수단은 상기 도가니의 바닥에 위치한 노즐을 통해 분사되는 용융 금속 또는 합금 스트림을 포위하도록 상기 불활성 가스를 분사하는 수단을 구비한다.

이에 따라, 상기 도가니의 주위로는 상기 도가니와 동심체인 고정된 엔빌로프(envelope)나 컨파인먼트(confinement)가 제공될 수 있는 데, 상기 엔빌로프나 컨파인먼트는 대략 상기 도가니의 형상과 유사한 형상, 예컨대, 원통형으로 테이퍼진 형상으로 형성되며, 그 바닥부에 그 형상이 노즐 오리피스의 형상과 유사한 오리피스를 구비한다.

따라서, 상기 노즐이 원형의 오리피스를 갖는다면, 상기 엔빌로프의 오리피스도 용융 금속 또는 합금 스트림이 통과할 수 있도록 노즐 오리피스의 직경보다 큰 직경을 갖는 원형이 될 것이다.

상기 도가니는 석영 또는 예컨대, 이트륨 산화물 같은 세라믹으로 만들어질 수 있다.

카운터 도가니(counter-cruicible)로도 지칭되는 상기 컨파인먼트는 임의의 재료, 예컨대, 석영 또는 세라믹으로 만들어질 수 있다.

상기 가압된 불활성 가스는 바람직하게는, 분사압을 제공하는 가스와 상기 도가니에 불활성 분위기를 제공하는 가스를 공급하는 것과 동일한 가스원으로터 얻어지며, 상기 가압된 불활성 가스는 상기 도가니와 엔빌로프 사이의 영역(18)을 통과한 다음, 도가니 노즐로부터 방출되는 상기 금속 또는 합금 스트림(14)을 둘러싸는 예컨대, 환(annular)형 스트림(19)과 같은 스트림을 형성한다.

이러한 방식으로 포위된 상기 용융 금속 또는 합금 스트림은 상기 도가니를 둘러싸고 있는 엔빌로프의 오리피스를 통과하여, 여전히 불활성 가스에 둘러싸인 채, 빠르게 원심 운동하는 물과 같은 급냉 유체의 면에 충돌할 때까지 그 직진 경로를 유지한다. 예컨대, 접촉점에서 물과 같은 상기 급냉 유체의 선속도는 10 내지 60 m/sec이고, 예컨대, 40m/sec이다.

접촉점에서 상기 용융 금속 또는 합금 스트림을 둘러싸고 있는 불활성 가스는 빠져나가게 되고(20), 반면에 용융 금속 또는 합금 스트림만이 상기 물을 관통하여 바람직하게는 상술한 속도로 분무되고, 신속하게 급냉된다.

이에 따라, 입자들(21)이 형성된다.

이 입자들(21)은 분말, 즉, 그 입자 크기 부포가 바람직하게는 10 내지 200㎛인 분말로서 정의될 수 있다.

게다가, 상기 입자들은 예컨대, 평균 크기가 60㎛인 입자들로 10 내지 120㎛의 좁은 입자 크기 분포를 갖는다.

얻어진 분말의 양은 임계 위험을 제한하는 0.1 내지 5kg이다.

얻어진 분말은 도시되지 아니한 수단에 의해 연속적으로, 또는 상기 방법의 끝 단계에서 회수될 수 있다.

어떠한 경우이든, 상기 도가니에 함유된 용융 금속 또는 합금을 분무하는 데 필요한 시간은 일반적으로 1 내지 30 분으로 짧고, 예컨대, 1 내지 15분일 수 있다. 게다가, 상기 원자력 물질의 위치는 어느 때이든지 정확하게 위치된다.

본 발명에 따른 장치는 이에 더하여, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 용융이 일어나는 영역, 즉, 특히 도가니를 분무가 일어나는 영역, 즉, 특히 원심 회전 운동에 의해 활성화된 급냉 유체와 분리하기 위한 수단을 구비한다.

이 분리 수단의 목적은 용융 금속 또는 합금의 유의수준의 양이 급냉 유체로 떨어지는 것을 방지하기 위한 것이다.

분리 수단은 통상적인, 정상의, 및 도가니가 파괴되는 것과 같은 우발적인 작동 중에 용융 영역과 분무 영역을 완벽하게 분리할 수 있다.

분리 수단은 특히 상기 도가니 아래에 위치하는 고정된 다이어프램(diaphram)을 구비하는데, 상기 다이어프램은 상기 드럼에 대응되는 형상, 즉, 고정된 지지부(24)에 부착되어 있는, 경사지고, 솟아오른 엣지(23)를 구비한 원형의 형상을 갖는다. 상기 경사진 엣지 중의 하나는 불활성 가스의 기낭에 둘러싸인 상기 용융 금속 또는 합금 스트림이 통과될 수 있도록 상기 노즐의 오리피스와 엔빌로프의 오리피스에 대해 정열된 오리피스(25)로 뚫려 있다.

상기 다이어프램은 일반적으로 몰리브덴 또는 스텐레스강으로 코팅된 구리와 같은 금속으로 만들어질 수 있고, 바람직하게는 도시되지 아니한 공지의 수단을 사용하여 냉각된다.

이에 더하여, 상기 용융 영역과 분무 영역을 물리적으로 구분하기 위한 수단은 또한 위에서 기술한 바와 같이, 특히, 통상적인 설비 작동 중에 분리할 수 있는 카운터 도가니(counter-crucible)를 구비한다.

본 발명에 따르면, 종래 기술에서와 같은 중력에 의한 흐름 대신, 용융 합금 또는 금속 스트림이 만들어진다.

중력에 의한 흐름을 사용하지 않고, 합금 스트림을 만드는 것은 다음과 같은 장점을 제공한다:

먼저, 상기 용융 금속 또는 금속 합금은 상기 노즐로부터 원자력 금속 합금과 같은 고반응성 금속과 작용할 수 있는 급냉 유체로 중력에 의해 흐를 수 없다.

실제, 용융 금속 또는 금속 합금을 스트림 형태로 변형함에 따라(즉, 용융 합금 금속욕의 표면에 압력을 가하고, 바람직하게는 작은 직경을 갖는 노즐을 통해 분사함에 따라), 상기 용융 영역과 급냉 영역은 분리될 수 있다(도면 참조). 바람직하게는 작은 직경의 오리피스(25)만이 상기 스트림의 통과를 가능하게 한다. 실패했을 경우(예컨대, 노즐의 부분 파괴나 도가니 파열로 인해)에도, 상기 용융 금속 또는 합금은 중력에 의해 (증기 폭발과 같은 격렬한 반응을 일으키는) 상기 급냉욕으로 흐르지는 않게 될 것이고, 고정된 다이어프램(22)에 회수될 것이다. JP A 55 054508호의 장치에서는 이러한 형태의 수동적 안전장치를 설치할 수 없다.

게다가, 금속 또는 합금 스트림을 만드는 것은 본 발명의 공정에서 상기 용융 금속 또는 금속 합금 공급의 정밀한 제어를 가능하게 한다. 실제, 상기 금속 또는 합금을 스트림 형태로 변형함에 따라 용융 금속 또는 금속 합금의 흐름 속도와 (불연속과 연속(profile)의 관점에서 상기 스트림의 형상을 결정하는) 분사 상태를 직접 제어할 수 있다. 상술한 일본 토요타 특허의 경우에서 상기 합금의 중력에 의한 흐름은 흐름의 속도와 흐름의 형상이 용융 도가니의 욕의 깊이와 그 밖의 설비에 의존하기 때문에 위와 같은 수준의 제어를 얻을 수 없다.

본 발명의 경우, 상기 용융 금속 또는 합금 욕의 깊이의 변화의 효과가 조절된 욕의 표면에 가해진 압력의 효과와 관련하여 무시해도 좋을 정도이다.

게다가, 스트림 형태에서의 작용은 간단한 가압과 감압에 의해 분사의 시작과 끝을 완벽하게 제어할 수 있다.

그러나, 상기 방법을 원자력 금속 합금에 적용하는 데에는, 상술한 토요타 특허에는 적용되지 않는, 분사 과정을 조절할 수 있어야 한다.

마지막으로, 용융 금속 또는 합금 스트림을 만드는 것은 입자 크기의 정밀한 제어를 가능하게 하고, 보다 미세한 입자를 얻을 수 있도록 한다. 상기 용융 금속 또는 합금을 스트림 형태로 변형하는 것은 입자의 분무 전에, 예컨대, 150 미크론에 근접한 크기의 연속적인 스트림을 얻을 수 있도록 한다. 다음으로, 상기 급냉 유체(예컨대, 10 내지 60m/s 속도의)와 접촉하는 분무는 평균 직경이 예컨대, 50 내지 200 미크론의 범위의 분말을 얻을 수 있도록 한다.

상기 토요타 특허에서, 오리피스는 최소 0.5mm의 최소 직경을 갖고, 속도가 비교적 낮은 최대 10m/s(급냉 유체의 벽이 수직이 아니다)로 고려될 수 있다. 이 경우에, 얻어지는 입자들은 대략 500 미크론의 크기, 즉, 요구치보다 매우 크고, 줄일 수 있는 가능성이 없는 크기를 갖게 될 것이다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 특성은 불활성 가스가 상기 금속 스트림을 완전히 둘러싸도록 만든 것이다. 본 발명에 따라 이렇게 불활성 가스가 둘러싸도록 한 것은 기계 가동과 작동의 측면에서 매우 비용이 많이 드는, 전체 설비를 중성 가스의 분위기에 두지 않고도 상기 스트림을 최적으로 보호할 수 있다. 실제, 상기와 같은 둘러쌈은 깨끗한 가스를 제공하여 상기 노즐 배출구(가장 뜨거운 영역으로서 이에 따라 상기 용융 금속 또는 금속 합금이 가장 잘 반응하는 영역)로부터 상기 스트림을 둘러싸고, 이러한 보호 상태를 유지할 수 있게 한다.

상술한 토요타 특허의 경우에, 가스는 용융 금속 또는 금속 합금과 상당한 거리를 두고 뿌려지고, 이에 따라 스트림과 접촉하기 전에 컨파인먼트의 개구를 통해 유입되는 급냉 유체 증기 또는 대기에 의해 오염될 수 있다.

Claims (11)

1. 금속 또는 금속 합금의 유체를 용융에 의해 준비하는 단계;

   노즐을 통해 상기 금속 또는 금속 합금의 유체를 분사함으로써 상기 금속 또는 금속 합금의 유체를 용융 금속 또는 금속 합금 스트림 형태로 변형시키는 단계; 및

   상기 스트림을 원심 회전 운동이 가해진 급냉유체와 접촉시켜 상기 용융 금속 또는 금속 합금 스트림을 입자로 분무하고, 상기 입자들을 급냉하는 단계;를 포함하며,

   상기 용융을 불활성 가스 분위기에서 행하고, 상기 용융 금속 또는 금속 합금 스트림이 분무 시까지 불활성 가스 기낭(envelope)에 의해 포위되고,

   상기 불활성 가스 기낭은, 상기 금속 또는 금속 합금 스트림과 함께, 상기 노즐의 오리피스를 둘러싸는, 원형의 오리피스를 통해 불활성 가스를 분사함으로써 형성된 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 불활성 가스가 분사되는 오리피스는 상기 노즐 오리피스에 중심을 두는 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 급냉 유체의 양은 한정된, 적은 양인 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 급냉 유체의 양은 2리터 이하인 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
6. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 급냉 유체는 물 또는 액체 아르곤인 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
7. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   용융이 일어나는 영역과 분무가 일어나는 영역은 물리적으로 분리된 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
8. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 원자력 금속 또는 합금은 우라늄과 같은 악티니드계, 란탄계 및 그 합금들로부터 선택된 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
9. 제8항에 있어서,

   상기 원자력 합금은 몰리브덴을 함유한 우라늄 합금들로부터 선택된 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 금속 합금 입자의 제조방법.
10. 회전하고, 그 가장자리의 벽에 급냉 유체를 수용하는 드럼;

    금속 또는 합금의 유체를 수용하는 도가니;

    상기 도가니의 바닥에 위치한 오리피스를 갖는 노즐로서, 상기 금속 또는 합금의 유체가 상기 노즐을 통해 분사됨으로써 용융 금속 또는 합금 스트림의 형태로 되도록 하는 노즐;

    상기 도가니를 둘러싸고 상기 도가니와 동심체인 엔빌로프(envelope)로서, 상기 엔빌로프의 바닥에 위치하고 상기 노즐의 오리피스보다 큰 오리피스를 갖는 엔빌로프; 및

    상기 도가니에 수용된 금속 또는 합금의 유체의 표면에 불활성 가스를 가해 상기 용융 금속 또는 합금 스트림에 분사압을 제공하고, 상기 불활성 가스가 상기 도가니와 엔빌로프의 사이의 영역을 통과한 다음 상기 용융 금속 또는 합금 스트림 주위를 둘러싸는 기낭이 되도록 하는 가스원;을 포함하는 원자력 금속 또는 합금 입자의 제조장치.
11. 제10항에 있어서,

    용융이 일어나는 영역을 분무가 일어나는 영역으로부터 물리적으로 분리시키기 위한 것으로, 상기 도가니와 엔빌로프 사이에 위치하고, 상기 불활성 가스의 기낭에 둘러싸인 상기 용융 금속 또는 합금 스트림이 통과될 수 있도록, 상기 노즐의 오리피스 및 상기 엔빌로프의 오리피스에 대해 정열된 오리피스를 갖는 다이어프램을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 원자력 금속 또는 합금 입자의 제조장치.

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