KR100963472B1 - 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는금속핵연료봉 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 분무법으로 제조된 금속 입자를 핵연료로 충전시켜 고준위 핵폐기물 발생을 감소시키고 경제성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 핵연료 입자를 충전시킨 금속 시스를 피복관에 삽입하여 핵연료연소시 핵연료/피복관 화학적, 기계적 상호작용을 방지된 금속 핵연료봉을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 핵연료봉을 이용하여 안정성이 확보된 원자로를 제공할 수 있다.

금속 핵연료 입자, 소듐금속냉각로, 우라늄-지르코늄 합금, 가스분무, 원심분무, 진동충전, 금속 시스(Sheath)

Description

금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉 및 이의 제조방법{Metallic fuel rod in metal sheath including metallic fuel particles and a preparation method thereof}

본 발명은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

세계의 에너지 수요는 현재 대비 2050년에는 두 배 이상, 2100년까지는 세 배 이상 가파르게 증가할 것으로 전망되어 미래의 에너지 수급문제는 오늘날 운전되고 있는 기존의 발전 방식을 이용한 단순한 발전량 증가로는 해결될 수 없으며 청정하고 안전하며 경제성과 신뢰성을 갖춘 전력생산 방식이 필요하다.

현재 원자력은 세계적으로 31개국에서 441기의 원자로가 가동되고, 전체 전력 생산량에서 약 17%를 차지하고 있으며, 거의 10억 명이 사용하는 전력을 공급하고 있다. 프랑스를 포함한 일부 선진 국가들은 전체 전력공급에서 반 이상을 원자력에 의존하고 있으며, 다른 32개 국가들은 현재 원자로를 가동 중이거나 건설 또 는 기획 중에 있다. 세계적으로 원자력은 신뢰성 있고, 환경 친화적인 방식으로 대기에 온실효과 가스를 배출하지 않으면서 전력을 생산하고 있으며, 또한 우수한 운전 기록을 보여주고 있다. 이에, 청정하고, 안전하며 경제성과 신뢰성을 갖춘 전력생산 방법으로는 원자력 발전이 가장 근접하다. 나아가, 현재 유가의 급등, 기후변화, 대기 오염, 에너지 안보 및 자원 매장량의 한정성 등에 대한 우려로 미래의 에너지 공급에 있어서 원자력의 역할이 더욱 중요하게 인식되고 있다.

미국 에너지부(DOE)의 원자력 에너지 과학 기술국(Office of Nuclear energy, Science and Technology)은 은 상기의 원자력의 필요성을 기초하여 “제4세대(Generation IV)로 명명된 차세대 원자력에너지 시스템에 대해 정부, 산업체 및 연구기관이 망라된 범세계적 협의 포럼을 결성했다. 제4세대 원자로는 현재 세계적으로 가동 중인 원전의 대부분이 퇴역하거나 운전 종료시점에 다다를 2030년경에 세계적으로 전개해나가는 것을 목표로 새롭게 개발할 혁신 개념의 원자로이다. 상기 제4세대 원자로의 후보군은 하기와 같다.

1. 초고온 가스 냉각로(Very High Temperature Reactor,VHTR)

초고온 가스 냉각로는 후보 원자로 중에서 건설에 가장 가까이 근접해 있는 노형으로, 차세대 원전(NGNP)이라고 불린다. 초고온 가스 냉각로는 전력 및 수소생산에 활용되고 2016 ~ 2017년까지 낮은 비용으로 수소를 생산할 수 있는 실 규모 실증로를 INL(Idaho National Laboratory)에 건설하는 계획이 잡혀있다. 냉각재는 헬륨이고, 감속재는 그래파이트이며 출구 온도가 1000 ℃이상인 열중성자 스펙트럼 원자로이고, 원자로 열 출력은 400-600 MWt이다.

2. 납 냉각고속로 (Lead-Cooled Fast Reactor,LFR)

납 냉각고속로개발 프로그램에서 지향하는 것은 실증을 통해 2025년까지 상용화 준비가 되도록 상대적으로 소형(10-100MWe)인 납 또는 납-비스무스 냉각 고속증식로를 개발하는 것이다. LFR은 10-30년의 초장주기를 갖는 카세트 노심 또는 밀봉 교체 원자로 모듈을 갖는 폐 연료주기의 턴키 원전이 고려되고 있다.

3. 가스 냉각 고속로(Gas-Cooled Fast Reactor,GFR)

가스 냉각 고속로는 고속중성자 및 순환 연료주기를 갖는 노형으로 액티나이드의 현장 부지 내 완전 재활용을 가능하게 하는 원자로이다. 열 중성자 헬륨 냉각로GT-MHR(Gas-Turbine Modular Helium Reactor)과 PBMR(Pebble Bed Modular Reactor)에서와 같이 고온의 헬륨 출구온도는 전기, 수소 및 공정열을 높은 효율로 생산가능하다. 가스 냉각 고속로는 850 ℃에서 42%의 효율을 갖는 직접주기 (direct-cycle) 헬륨 터빈을 사용한다.

4. 초임계수 냉각로(Supercritical Water-Cooled Reactor, SCWR)

초임계수 냉각로는 종래 경수로와 초임계 화력 보일러기술을 기초로 열역학적으로 물의 임계점(374 ℃, 22.1MPa)을 초과하는 고온 및 고압에서 운전되는 초임 계 원자로로서 효율이 기존 경수로의 33%정도에 비해 약 45%로 높은 효율성을 가진 원자로서 저비용 발전단가를 실현할 수 있다.

5. 용융염 원자로(Molten-Salt Cooled Reactor,MSR)

MSR은 열중성자 스펙트럼 순환 연료주기를 가지며 전기 및 수소생산, 플루토늄과 마이너 액티나이드의 효율적 연소 및 핵분열 연료(fissile fuel)의 생산을 위한 원자로이다 MSR의 연료는 소듐, 질코늄 및 우라늄 플루오르화물(fluoride)이 합해진 순환 액체 혼합물이다. 용융염 연료 (molten salt fuel)는 그라파이트 노심 채널을 통해 흐르며 열중성자 스펙트럼을 발생시킨다.

6. 소듐냉각고속로(Sodium-Cooled Fast Reactor,SFR)

소듐냉각고속로는 금속인 소듐(Na)을 냉각재로 사용하는 액체금속로(Liquid Metal Reactor)로서 고속중성자 스펙트럼 순환 연료주기를 갖고, 액티나이드 재활용 주기에서 금속(우라늄-플루토늄-마이너 액티나이드-지르코늄) 연료 또는 MOX(우라늄-플루토늄 산화)연료를 사용할 수 있다. 나아가, 상기 소듐냉각고속로의 출력은 모듈형의 수백 MWe급에서 1500-1700MWe에 이르기까지 다양한 크기로 개발될 수 있다. 특히 소듐냉각고속로는 연료를 반복해서 재활용함으로써 우라늄 자원을 60배 이상으로 활용할 수 있고 방사성폐기물의 양도 획기적으로 줄일 수 있다.

상기 원자로 중, 우리나라는 초고온 가스 냉각로, 가스 냉각 고속로, 초임계 수 냉각로 및 소듐냉각고속로의 연구에 참여하고 있다.

특히, 소듐냉각 고속로는 전 세계적으로 지난 50여년간 약 500억불에 달하는 개발비를 투자했고 약 300 원자로ㆍ년의 운전 실적을 쌓은 상용화 가능성이 가장 높은 기술이다.

소듐냉각 고속로용 금속핵연료봉은 종래 사출주조법으로 직경 4 ~ 7 mm의 rod 형태로 제조된다. 사출주조법에 의한 금속연료심 제조는 도가니에 용해되어있는 우라늄합금 용탕을 가압하여 석영관 주형에 주입시켜서 응고시킨 다음, 석영관주형을 파손, 해체하여 연료심을 회수한다. 핵연료심으로부터 분리, 해체된 다량의 석영관은 주조공정에서 다량 발생하며 방사성 폐기물로 취급되어 처리가 용이하지 않은 문제가 있다.

또한 우라늄합금 용탕이 도가니로부터 석영관주형으로 흡입되고 남은 잔탕이 도가니에서 응고되어 다량의 heel이 발생된다. 감압주조 동안 주형으로의 용탕 주입과정과 도가니와 주형의 분리과정에서 형태나 치수에 있어서 불량 또는 불건전성으로 인해 금속핵연료심 불합격 부분이 다량 발생하여 장입량 대비 품질검사 합격 수율이 50% 대로 매우 저조한 문제가 있다. 나아가, 감압주조방법으로 주조시 석영관주형 내부는 진공상태를 만들어서, 감압주조로는 가압을 하여, 즉 석영관주형 외부와 압력 차이가 발생하도록 하여 그 압력차이 만큼 우라늄용탕이 주형내로 흡입되도록 한다. 이에, 진공중에서 우라늄합금을 용해하는 것이 필요하다. 이때 사 용후 핵연료에서 추출된 장수명 소멸처리 핵종인 Am 등은 용해주조 동안에 포집하여 핵종 변환을 하여야 하지만, 휘발성이 강하여 대부분 증발하는 문제가 있다.

핵연료는 직경 4~7mm의 rod 형태로서 핵연료 중심부는 650℃ 이상의 고온 상태로서, 외주부와 100℃ 이상의 핵연료 온도차이가 생겨서 지르코늄, 악티움 계열원소(minor actinide), 희토류등의 재분배 이동이 발생하여 핵연료내에서 부위에 따라 핵연료 조성이 다르며 연소거동의 차이를 나타낸다. 특히, 연소 초기에 급격히 발생되는 팽윤은 피복재와의 접촉이 야기되며, 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 프라세오디늄 등의 희토류금속, 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 퀴륨등의 악티늄 계열 원소 등이 피복재와 화학적, 물리적으로 상호반응을 하여 핵연료/피복관의 화학적 상호작용(FCCI,fuel/cladding chemical interaction) 및 기계적 상호작용(FCMI,fuel/cladding mechanical interaction)을 유발하여 피복재를 손상시키고 핵연료 수명을 단축시키며 핵연료 재순환비용을 증가시키는 문제가 있다.

이러한 문제로 인해 소듐냉각 고속로는 그 동안의 연구개발을 통해 기술적 타당성은 입증됐지만 불리한 경제성과 일련의 사고발생으로 안전성에 대한 문제를 해결하는 것이 가장 요구된다.

이에 본 발명자들은 분무법으로 제조된 금속 입자를 핵연료로 충전시켜 고준위 핵폐기물 발생을 감소시키고 경제성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 핵연료 입자를 충전시킨 금속 시스를 피복관에 삽입하여 핵연료연소시 핵연료/피복관 화학 적, 기계적 상호작용을 방지하여 안전성이 확보된 금속 핵연료봉을 개발하여 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속핵연료봉의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 크기가 상이한 금속 핵연료 입자를 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉을 제공한다.

나아가, 본 발명은 상기 금속 핵연료봉의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 분무법으로 제조된 금속 입자를 핵연료로 충전시켜 고준위 핵폐기물 발생을 감소시키고 경제성을 향상시킬 수 있으며, 상기 금속 핵연료 입자를 충전시킨 금속 시스를 피복관에 삽입하여 핵연료연소시 핵연료/피복관 화학적, 기계적 상호작용을 방지된 금속 핵연료봉을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 핵연료봉을 이용하여 안정성이 확보된 원자로를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 피복관 내부에 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자를 포함하는 금속 시스(sheath) 및 액체 나트륨을 포함하여 구성되는 금속 핵연료봉을 제공한다(도 1 참조).

본 발명에 따른 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 계열 원소, 악티늄 계열 원소의 합금으로 소듐 냉각 고속로(Sodium-cooled fast reactor, SFR)용 핵연료로 사용된다. 상기 합금은 불활성분위기에서 용해, 분말제조가 가능하기 때문에 휘발성이 강한 희토류, 악티늄 계열의 원소가 증발되지 않으므로 소듐 냉각 고속로에서 장수명 핵종 소멸처리가 가능한 금속핵연료로 사용할 수 있다. 상기 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄을, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것이 바람직하다. 이때, 조대한 금속 핵연료 입자가 1 mm를 초과하면 입자 충진밀도가 낮아지는 문제가 있고, 0.1 mm이면 미세한 입자가 장입 될 공극이 줄어드는 문제가 있다. 나아가, 미세한 금속 핵연료 입자는 0.01 ~ 0.1 mm인 것이 바람직하다. 상기 미세한 금속 핵연료 입자가 0.01 mm이면 취급이 용이하지 않은 문제가 있다.

본 발명에 따른 금속 핵연료봉에 포함되는 금속 시스 내 핵연료 입자의 입자충진밀도는 70 ~ 80%인 것이 바람직하다. 상기 입자충진밀도(smear density)가 80%를 초과하면 조사초기에 핵연료가 급속히 팽윤되어 핵연료봉을 기계적 변형을 일으키는 문제가 있고, 70% 미만이면 연료효율이 낮은 문제가 있다.

나아가, 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비는 5:1 ~ 15:1이고, 조대한 금속 핵연료와 미세한 금속 핵연료 입자의 혼합비는 1:1 ~ 1:9인 것이 바람직하다. 상기 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비 및 혼합비가 상기 범위에서 벗어나면 70 ~ 80 %인 입자충진밀도가 범위를 벗어나는 문제가 있다.

본 발명에 따른 금속 핵연료봉에 포함된는 금속 시스는 금속핵연료입자를 포함하여 조사시 직경방향으로 치수변화에 구속력을 부가하여 핵연료가 팽윤되는 것을 저감시키고, 피복관과 핵연료가 직접적으로 접촉되는 것을 방지시켜 화학 반응을 방지하여 피복관/핵연료 화학적 상호작용(Fuel/cladding chemical interaction, FCCI) 및 기계적 상호작용을 저하시킴으로써 화학적, 기계적으로 안정한 금속핵연료봉을 제조할 수 있다. 이때, 상기 금속 시스는 지르코늄, 크롬, 바나듐, 몰리브데늄, 니오븀 또는 티타늄 등으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 금속 핵연료봉의 피복관은 스테인레스 스틸을 사용할 수 있다.

또한 본 발명은 금속 핵연료 입자를 제조하고 분급시키는 단계(단계 1);

단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자를 금속 시스 내에 진동 충전시키는 단계(단계 2);

조대한 금속 핵연료 입자가 충전된 상기 단계 2의 금속 시스에 미세한 금속 핵연료 입자를 진동 침투 충전시킨 후 피복관에 삽입하는 단계(단계 3);

상기 단계 3의 피복관에 핀형의 고체 나트륨을 장전시키고, 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 불활성기체를 주입하면서 냉각시켜 고체 나트륨을 핵연료봉에 충전시키는 단계(단계 4);

금속 핵연료 입자 및 충전된 피복관 내부에 진공 또는 불활성 기체 분위기를 조성하고 용접하여 핵연료봉을 제조하는 단계(단계 5); 및

상기 단계 5의 핵연료보을 가열시키면서 상기 단계 4에서 충전된 나트륨을 핵연료심에 결합(bonding)시키는 단계(단계 6)를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법을 제공한다(도 2 참조).

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 원소, 악 티늄 계열 원소의 합금을 사용할 수 있다.

이때, 상기 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄이고, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 가스분무 또는 원심분무에 의해 제조될 수 있다.

상기 입자제조에 있어서 가스분무는 불활성 분위기에서 용해된 우라늄-지르코늄 합금을 일정 분무가스압으로 노즐을 통해 분무한 후 급속응고시켜 제조할 수 있으며, 원심분무는 도가니에서 용해된 우라늄-지르코늄 합금을 불활성 분위기에서 노즐을 통해 출탕하여 회전하는 원반에 용탕을 공급시키고, 분무시켜 금속 핵연료 입자를 제조할 수 있다.

상기 단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자 직경과 미세한 금속 핵연료 입자 직경의 비는 5:1 ~ 15:1이 되도록 수행될 수 있다. 상기 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비가 상기 범위에서 벗어나면 70 ~ 80 %인 입자충진밀도가 범위를 벗어나는 문제가 있다. 나아가, 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것이 바람직하다. 상기 미세한 금속 핵연료 입자가 0.01 mm 미만이면 취급이 용이하지 않은 문제가 있다.

본 발명에 따른 단계 2는 상기 단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자 를 금속 시스 내에 진동충전시키는 단계이다.

금속 시스 충전된 조대한 금속 핵연료입자는 진동충전시켜 금속 시스내에 치밀한 적층구조를 이룰 수 있다. 상기 진동충전은 진동 분말 충전 장치를 금속 시스에 하단에 위치시키고, 진동을 가하여 수행할 수 있다. 나아가, 상기 금속 시스에 깔대기를 설치 후 금속 핵연료입자를 충전하여, 금속 핵연료 입자가 소실되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 상기 진동은 특별히 제한되지 않으나, 초음파 진동을 사용하며, 상기 금속 시스는 지르코늄으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 단계 3은 조대한 금속 핵연료 입자가 충전된 상기 단계 2의 금속 시스에 미세한 금속 핵연료 입자를 진동충전시킨 후 피복관에 삽입하는 단계이다.

상기 단계 3의 미세한 금속 핵연료 입자는 상기 단계 2에서 조대한 금속 핵연료 입자를 충전시키는 방법과 동일하게 충전될 수 있으며, 상기 피복관은 스테인레스 강으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 단계 4는 상기 단계 3의 피복관에 핀형의 고체 나트륨을 장전시키고, 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 불활성기체를 주입하면서 냉각시켜 고체 나트륨을 핵연료봉에 충전시키는 단계이다.

상기 단계 4는 상기 단계 3에서 균일하고, 치밀하게 적층구조를 이루고 있는 금속 핵연료 입자 사이에 핀형으로 압출된 고체 나트륨을 충전시키고, 불순물이 발 생하지 않도록 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 부반응 없이 불활성기체를 공급하면서 냉각시키는 단계이다. 이때, 상기 가열은 소듐 세틀러(Na settler)를 이용하여 150 ℃ ~ 250 ℃으로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 가열이 250 ℃를 초과하면 나트륨 내 기포가 생성되는 문제가 있고, 150 ℃ 미만이면 유동성이 낮아서 탈가스 및 분말 충전 장애를 일으키는 문제가 있다.

본 발명에 따른 단계 5는 금속 핵연료 입자 및 나트륨이 충전된 피복관 내부에 진공 또는 불활성 기체 분위기를 조성하고 용접하는 단계이다.

본 발명에 따른 상기 단계 5의 용접은 금속 핵연료 입자 및 나트륨이 충전된 피복관에 피복관과 같은 소재로 이루어진 커버로 봉하는 단계이다. 상기 용접은 커버로 닫은 후 핵연료 내부 공간에 잔존하는 공기를 배출시켜 진공분위기를 형성시킨 후 티그 용법, 레이저 용접 또는 전자빔 용접으로 수행되는 것이 바람직하다. 이때, 피복관 내 잔존된 공기는 핵연료 연소 중에 팽창되어 핵연료 봉을 변형시키는 문제가 있다.

본 발명에 따른 단계 6은 핵연료봉을 가열시키면서 나트륨을 핵연료심에 결합시키는 단계이다.

고체 나트륨을 불활성 분위기에서 진동충전시키고, 가열시켜 고체 나트륨을 용융시키는 단계이다. 상기 가열은 상기 단계 4에서 충전된 고체 나트륨을 용융시켜, 용융된 나트륨이 금속 핵연료 입자 사이를 액상으로 침투하여 열전달이 용이할 수 있도록 한다. 이때, 상기 가열은 소듐 세틀러를 이용하여 400 ℃ ~ 600 ℃으로 가열되는 것이 바람직하다. 상기 가열이 600 ℃를 초과하면 나트륨 내 기포가 생성되는 문제가 있고, 4000 ℃ 미만이면 유동성이 낮아서 핵연료분말 충전 장애를 일으키는 문제가 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예를 통하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 제한되는 것이 아니다.

<실시예 1> 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속핵연료봉의 제조

단계 1. 금속 핵연료 입자를 제조하고 분급시키는 단계

순도 99.9% 열화우라늄 럼프(lump)와 순도 99.7% 지르코늄 스폰지(sponges)를 내고온 세라믹 도가니에 장입시키고 진공 분위기 형성 후, 1600 ℃에서 유도용해(induction-melting)시켜 용탕된 금속 핵연료 합금을 제조하였다. 상기 용탕된 금속 핵연료 합금을 불활성 분위기에서 직경 35 mm를 가지는 회전원반을 회전속도 7,000rpm으로 원심분무하여 직경 1mm 이하의 금속 핵연료 입자를 급속응고하여 제조하였다(도 2참조).

상기 제조된 금속 핵연료 입자를 진동형 입자분극기를 이용하여 0.1 ~ 1 mm의 조대한 금속 핵연료 입자와 0.01 ~ 0.1 mm의 미세한 금속 핵연료 입자로 분급하 였다.

단계 2. 금속 시스내 조대한 금속 핵연료 입자의 충전

지르코늄으로 형성된 금속 시스 하부에 진동분말 충전장치를 위치시키고, 초음파로 진동을 발생시키면서 상기 단계 1에서 분급된 조대한 핵연료 입자를 먼저 장입하였다.

단계 3. 금속 시스내 미세한 금속 핵연료 입자의 충전 및 피복관내 금속 시스 삽입

조대한 핵연료 입자를 충전시킨 후, 진동분말 충전장치를 이용하여 0.3 mm 이하의 미세한 우라늄-지르코늄 분말을 조대한 분말사이로 충전시켰다. 이후, 금속 핵연료 입자가 충전된 금속 니스를 스테인레스 강으로 이루어진 피복관내에 삽입시켰다.

단계 4. 피복관애 핀형의 고체 나트륨 충전

금속 핵연료 입자사이에 고체 나트륨을 피복관에 장전하고, 1.0×10^-2 torr의 진공상태에서 소듐 용해로(Na meltdown furnace)를 이용하여 200 ℃에서 고체 나트륨을 용해하고, 불활성가스를 피복관 내에 충전하며 냉각시켰다.

단계 5. 금속 핵연료 입자 및 충전된 피복관의 용접

상기 단계 5의 개방된 피복관 상부에 스테인레스강 커버를 닫고 핵연료 내부 공간을 진공을 걸어 공기를 뽑아낸 후에 피복관 외통에 스테인레스강 뚜껑을 닫고 진공 또는 불활성분위기에서 전자빔으로 용접시켜 핵연료봉을 제조하였다.

단계 6. 나트륨을 가열하며 핵연료심에 결합(bonding)

금속 시스가 삽입된 피복관 하부에 진동 충전 장치를 위치시키고, 고체 나트륨을 불활성 분위기에서 피복관내에 충전시킨 후, 500 ℃로 1.5 시간 동안 가열하여 용해시켜, 적층된 핵연료 입자 사이로 액상 나트륨을 결합시켰다. 금속 시스가 삽입된 피복관 하부에 진동 충전 장치를 위치시키고, 고체 나트륨을 불활성 분위기에서 피복관내에 충전시킨 후, 500℃로 10분 동안 가열하여 용해시켜, 적층된 핵연료 입자 사이로 액상 나트륨을 충전시켰다.

<실시예 2> 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속핵연료봉의 제조

상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 용탕된 금속 핵연료 합금을 불활성 분위기에서 노즐직경 2 mm에 분무가스압 5bar로 분무하여 직경 0.3mm 이하의 우라늄-지르코늄 구형 분말입자를 급속응고하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 핵연료봉을 제조하였다.

<비교예 1>

감압주조법으로 제조된 금속 핵연료심

<분석>

1. 금속 핵연료 입자

상기 실시예 1의 단계 1에서 제조된 금속 핵연료 입자 및 입자의 미세조직을 전자주사현미경으로 측정하여 도 3 및 도 4에 나타내었다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자는 0.01 mm ~ 1 mm의 직경에 표면이 매끄러운 완벽한 구형입자인 것을 확인하였다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자의 내부는 층상조직(Laminar structure)으로 이루어져 있어 경계 계면(phase boundary)을 통해 핵분열 생성기체가 빠져나갈 수 있는 구조인 것을 확인하였다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 핵연료봉의 개념도이고;

도 2는 본 발명에 따른 금속 핵연료봉의 제조방법이고;

도 3은 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자의 제조장치(a) 및 금속 핵연료 입자이고; 및

도 4는 본 발명에 따른 금속 핵연료 입자의 단면 조직(a) 및 비교예 1의 단면조식(b)이다.

Claims (20)

1. 피복관 내부에 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자를 포함하는 금속 시스(sheath) 및 액체 나트륨을 포함하여 구성되는 금속 핵연료봉.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 계열 원소, 악티늄 계열 원소의 합금인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.
3. 제2항에 있어서, 상기 희토류 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄이고, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.
4. 제1항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉.
5. 제1항에 있어서, 상기 미세한 금속 핵연료 입자는 0.01 ~ 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉.
6. 제1항에 있어서, 상기 금속 시스 내 핵연료 입자의 입자충진밀도는 70 ~ 80%인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.
7. 제1항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료 입자와 미세한 금속 핵연료 입자의 직경비는 5:1 ~ 15:1인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.
8. 제1항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료와 미세한 금속 핵연료 입자의 혼합비는 1:1 ~ 1:9인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.
9. 제1항에 있어서, 상기 금속 시스는 지르코늄, 크롬, 몰리브데늄, 탄탈륨, 텅스텐, 바나듐 및 티타늄으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.
10. 제1항에 있어서, 상기 피복관은 스테인레스 스틸인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉.
11. 금속 핵연료 입자를 제조하고 분급시키는 단계(단계 1);

    단계 1에서 분급된 조대한 금속 핵연료 입자를 금속 시스 내에 진동 충전시키는 단계(단계 2);

    조대한 금속 핵연료 입자가 충전된 상기 단계 2의 금속 시스에 미세한 금속 핵연료 입자를 진동 침투 충전시킨 후 피복관에 삽입하는 단계(단계 3);

    상기 단계 3의 피복관에 핀형의 고체 나트륨을 장전시키고, 진공상태에서 가열하여 용해시킨 후, 불활성기체를 주입하면서 냉각시켜 고체 나트륨을 핵연료봉에 충전시키는 단계(단계 4);

    금속 핵연료 입자 및 충전된 피복관 내부에 진공 또는 불활성 기체 분위기를 조성하고 용접하여 핵연료봉을 제조하는 단계(단계 5); 및

    상기 단계 5의 핵연료봉을 가열시키면서 상기 단계 4에서 충전된 나트륨을 핵연료심에 결합(bonding)시키는 단계(단계 6)를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 우라늄과 지르코늄 합금; 우라늄, 지르코늄 및 희토류 원소의 합금; 및 우라늄, 지르코늄, 희토류 계열원소, 악티늄 계열 원소의 합금인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 희토류 계열 원소는 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨 또는 프라세오디늄이고, 상기 악티늄 계열 원소는 네오디뮴, 넵투늄, 플루토늄, 아메리슘 또는 퀴륨인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
14. 제11항에 있어서, 상기 단계 1의 금속 핵연료 입자는 가스분무 또는 원심분무에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
15. 제11항에 있어서, 상기 단계 1에서 제조된 금속 핵연료 입자의 분급은 조대한 금속 핵연료 입자 직경과 미세한 금속 핵연료 입자 직경의 비가 5:1 ~ 15:1이 되도록 분급하는 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 조대한 금속 핵연료 입자는 0.1 ~ 1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
17. 제15항에 있어서, 상기 미세한 금속 핵연료 입자는 0.01 ~ 0.1 mm인 것을 특징으로 하는 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
18. 제11항에 있어서, 상기 단계 4의 가열은 150 ℃ ~ 250 ℃인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.
19. 제11항에 있어서, 상기 단계 5의 용접은 티그 용접, 전자빔 용접 또는 레이저빔 용접인 것을 특징으로 하는 금속핵연료봉의 제조방법.
20. 제11항에 있어서, 상기 단계 6의 가열은 400 ℃ ~ 600 ℃인 것을 특징으로 하는 금속 핵연료봉의 제조방법.

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