KR100969644B1 - 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고연소도의 사용후핵연료를 이용하여 중수로용 핵연료 소결체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화/환원 및 압분 공정을 거친 사용후핵연료 압분체를 소결하는 과정에서 최종 소결 온도보다 낮은 중간 온도를 일정 시간 유지한 후, 최종 소결 온도까지 재가열하는 과정을 통하여, 최종 소결 온도에 이르기 전에 사용후핵연료에 포함되어 있는 준휘발성 핵분열생성물을 효율적으로 방출시킴으로써, 핵분열생성물이 다량 함유되어 있는 고연소도 사용후핵연료에 대해서도 중수로 핵연료 제원에서 요구되는 소결 밀도를 만족시킬 수 있는 핵연료 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법은, 우라늄 산화물로 구성된 사용후핵연료를 이용하여 중수로용 핵연료 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 산화/환원 공정을 통해 사용후핵연료 분말을 소결 가능한 미세 분말로 변환시키고, 상기 변환된 소결 가능한 미세 분말을 성형시켜 압분체로 성형한 후, 상기 성형된 압분체를 환원성 분위기 하에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하되, 상기 소결 공정은, 최종 소결 온도에 이르기 전에 최종 소결 온도보다 낮은 1,200 ~ 1,400℃의 중간 온도에서 1 ~ 10 시간 유지시킨 후, 1,650 ~ 1850℃의 최종 소결 온도까지 재가열하는 과정을 통해 압분체 내에 포함되어 있는 준휘발성 핵분열생성물을 제거함으로써 핵연료 소결체의 소결 밀도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

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Description

고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법{A fabrication method of nuclear fuel pellet by using high burnup spent nuclear fuel}

본 발명은 고연소도의 사용후핵연료를 이용하여 중수로용 핵연료 소결체를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산화/환원 및 압분 공정을 거친 사용후핵연료 압분체를 소결하는 과정에서 최종 소결 온도보다 낮은 중간 온도를 일정 시간 유지한 후, 최종 소결 온도까지 재가열하는 과정을 통하여, 최종 소결 온도에 이르기 전에 사용후핵연료에 포함되어 있는 준휘발성 핵분열생성물을 효율적으로 방출시킴으로써, 핵분열생성물이 다량 함유되어 있는 고연소도 사용후핵연료에 대해서도 중수로 핵연료 제원에서 요구되는 소결 밀도를 만족시킬 수 있는 핵연료 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

원자로는 사용되는 감속재의 종류에 따라 크게 중수(D₂0)를 사용하는 중수로와 일반 물, 즉 경수(H₂O)를 사용하는 경수로로 구분된다.

일반적으로 경수로형 원자로에서는 핵연료가 연소되는 동안 핵연료에 포함된 U-235와 같은 핵분열성 물질(fissile material)이 중성자와 반응하면서 그 양이 점 점 감소되나, 원자로에서 일정주기 동안 연소된 후 방출되는 핵연료, 즉 사용후핵연료에는 여전히 U-235와 Pu-239를 비롯한 핵분열성 물질이 약 1.5% 정도 남아 있으며, 따라서 이들 사용후핵연료는 재사용할 가치가 충분한 재활용 자원이 된다.

우리나라는 경수로형 원자로와 중수로형 원자로를 동시에 보유하고 있어, 경수로형 원자로에서 방출된 사용후핵연료를 중수로형 원자로에서 재사용하여 사용후핵연료의 처분량 감소는 물론, 자원 재활용이라는 두 가지 목적을 달성하고자 하는 사용후핵연료 재사용 기술에 대한 연구·개발이 활발히 수행되고 있다.

종래의 사용후핵연료 재사용 기술로는 사용후경수로핵연료를 건식으로 재가공하여 중수로형 원자로에서 사용 가능한 핵연료를 제조하는 경·중수로 연계핵연료 주기(Direct Use of spent PWR Fuel in CANDU Reactors; DUPIC) 기술이 있다.

DUPIC 핵연료 제조공정은 일련의 중수로 핵연료 공정 절차 즉, 사용후핵연료 절단 공정, 탈피복 공정, 산화환원 공정, 분쇄 공정, 과립화 공정, 혼합 공정, 압분 공정, 소결 공정, 연마 공정, 연료봉 제조 공정 및 연료 다발 제조 공정 등을 거쳐 중수로용 핵연료를 제조하게 되는데, 이들 공정 중 산화환원 공정에서부터 소결 공정에 이르기까지 중수로용 핵연료 소결체를 제조하는 핵심적인 공정들을 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 기존의 DUPIC 핵연료 제조공정 중 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체의 제조 공정을 보여주는 순서도이다.

먼저, 탈피복한 사용후핵연료 분말을 반응접시에 넣고 이를 전기로에 넣은 후, 공기 분위기 하에서 500 ℃ 정도로 2시간 고온 산화시켜 U₃O₈ 분말을 만든 다음(S10), 이어서 환원가스(Ar-4%H₂)분위기 하에서 700 ℃ 정도로 7시간 환원시키게 되며(S20), 상기 산화 및 환원 공정을 반복적으로 수행하여 소결가능한 이산화우라늄(UO₂) 분말을 제조한다.

이러한 산화 및 환원 공정을 통해 얻어지는 분말화된 사용후핵연료 분말을 압분을 통해 원주형 핵연료 형태로 성형한 후(S30), 환원성 분위기에서 1650 ~ 1850 ℃의 온도로 승온시켜 1 ~ 24 시간 유지시킴으로써 성형된 압분체를 소결시키는 소결 공정(S40)을 통해, 중수로 핵연료로 사용될 수 있는 핵연료 소결체를 제조하게 된다.

중수로형 원자로에서는 원자로 가동시 운전 조건을 만족시키고 시스템의 건전성(integrity)를 확보하기 위한 핵연료 제원으로서, 핵연료 소결체의 밀도가 이론밀도의 95 % 이상을 만족시킬 것을 요구하고 있다.

그러나, 상기한 DUPIC 핵연료 제조공정에 따르면, 연소도 35,000 MWD/MTU 이하의 사용후핵연료를 재가공하여 얻어지는 핵연료 소결체의 밀도는 이론밀도의 95 % 이상으로 중수로 핵연료 제원을 만족하는 양질의 핵연료 소결체를 제조할 수 있으나, 연소도가 증가할수록 사용후핵연료 내에 불순물로 존재하는 핵분열생성물(fission product)의 함량이 증가하기 때문에, 연소도 35,000 MWD/MTU 이상의 고연소도 사용후핵연료를 이용하여 소결할 경우에는 이론 밀도의 95% 이상을 만족하는 소결체를 얻을 수 없다는 문제점이 있다.

특히, 최근 운영중인 경수로들은 사용후핵연료의 발생량 억제와 연료의 효율적 운용에 따른 경제성 향상을 이유로 핵연료의 연소도를 증가시키고 있는 추세이며, 이에 따라 현재 경수로에서 방출되는 사용후핵연료의 연소도는 대부분 45,000 MWD/MTU 이상의 고연소도이기 때문에, 기존의 DUPIC 핵연료 제조공정으로는 이론밀도의 95 % 이상을 만족하는 고밀도 핵연료 소결체를 제조하기에는 한계가 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 핵연료 소결체 제조방법이 한국 등록특허공보 제0600378호(발명의 명칭:1회 산화/환원 공정과 소결촉진제 첨가에 의한 건식재가공핵연료 소결체 제조 방법)에 제안된 바 있으며, 상기 문헌에는 소결 공정에서 TiO₂와 같은 소결촉진제를 첨가하여 사용후핵연료로부터 재가공된 핵연료 소결체의 밀도를 향상시키는 방법이 기재되어 있다. 그러나 이와 같은 방법은 건식 재가공 소결체 내에 첨가제의 원소가 불필요하게 잔류하게 되어 핵연료 성능이나 노심 특성에 영향을 준다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 따른 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 산화/환원 및 압분 공정을 거친 사용후핵연료 압분체를 소결하는 과정에서 최종 소결 온도보다 낮은 중간 온도를 일정 시간 유지한 후, 최종 소결 온도까지 재가열하는 과정을 통하여, 최종 소결 온도에 이르기 전에 사용후핵연료에 포함되어 있는 준휘발성 핵분열생성물을 효율적으로 방출시킴으로써, 핵분열생성물이 다량 함유되어 있는 고연소도 사용후핵연료에 대해서도 중수로 핵연료 제원인 이론밀도 95% 이상을 만족시킬 수 있는 고밀도 소결체를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명에 따른 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법은, 우라늄 산화물로 구성된 사용후핵연료를 이용하여 중수로용 핵연료 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 산화/환원 공정을 통해 사용후핵연료 분말을 소결 가능한 미세 분말로 변환시키고, 상기 변환된 소결 가능한 미세 분말을 성형시켜 압분체로 성형한 후, 상기 성형된 압분체를 환원성 분위기 하에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하되, 상기 소결 공정은, 최종 소결 온도에 이르기 전에 최종 소결 온도보다 낮은 1,200 ~ 1,400℃의 중간 온도에서 1 ~ 10 시간 유지시킨 후, 1,650 ~ 1850℃의 최종 소결 온도까지 재가열하는 과정을 통해 압분체 내에 포함되어 있는 준휘발성 핵분열생성물을 제거함으로써 핵연료 소결체의 소결 밀도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 핵연료 소결체 제조방법은 사용후경수로핵연료를 건식 재가공하여 중수로에 재활용함에 있어, 핵분열생성물이 다량 함유되어 있는 고연소도의 사용후핵연료를 사용하는 경우에도 중수로 품질 기준을 만족하는 양질의 핵연료 소결체를 제공할 수 있는 효과가 있다.

먼저, 본 발명에 대한 구체적인 설명에 앞서 종래의 DUPIC 핵연료 제조공정을 통해 사용후핵연료의 압분체를 소결하는 과정에서 압분체에 잔류하고 있는 준휘발성 핵분열생성물(세슘(Cs), 안티몬(Sb) 등)의 거동이 소결체 밀도에 미치는 영향을 살펴보기로 한다.

도 2는 소결 조건에서 승온에 따른 세슘 핵종의 방출 거동 실험을 수행한 결과를 나타내는 그래프로서, “튜브 전기로(tube furnace)에서의 핵종 방출 온라인 시스템”을 이용하여 고연소도 사용후핵연료로부터 제조된 압분체를 소결 조건에서 승온시켜가며 시간 경과에 따른 세슘의 누적 방출율을 측정한 결과를 보여주고 있다.

도 2에 나타난 세슘의 누적 방출율 변화를 살펴보면, 소결 조건에서 온도를 상승시켰을 때 약 1000 ℃에서 압분체로부터 세슘이 방출되기 시작했으며, 1,450℃ 부근에서 세슘 방출이 거의 완료되었음을 알 수 있다.

특히 1,200 ~ 1,400 ℃의 온도 구간에서 압분체로부터의 세슘 방출이 급격하게 일어나는 것을 알 수 있는데, 이로부터 최종 소결 온도에 이르기 전의 중간 온도 구간에서의 급격한 세슘 방출로 인해 소결 과정에서 압분체 내에 많은 기공이 생기게 되며, 결국 압분체 내에 형성된 기공들이 최종적으로 얻어지는 압분체의 소결체 밀도를 저하시킨다는 사실을 예측할 수 있다. 또한, 해당 온도 구간에서 세슘이 용융되면서 액상 소결이 일어나게 되는데, 이러한 액상 소결 역시 소결 과정 중 압분체의 주성분인 이산화우라늄의 결정립 성장을 방해하는 요인으로 작용하게 될 수 있다.

따라서, 소결 과정에서 준휘발성 핵분열생성물의 방출 특성을 이용하여 그 방출량을 적절히 조절하면 소결 공정에 의해 얻어지는 소결체 밀도를 더욱 증가시킬 수 있다는 결론을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 핵연료 소결체의 제조 과정을 나타내는 순서도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 핵연료 소결체의 제조 과정은 크게 사용후핵연료 분말을 소결 가능한 미세 분말로 변환해주는 산화/환원 공정(S100)과, 소결 가능한 미세 분말을 압분을 통해 압분체로 성형시키는 압분 공정(S200)과, 압분체를 환원성 분위기 하에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하는 소결 공정(S300)으로 이루어지는데, 각 공정에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 산화환원반응기로 탈피복한 일정량의 사용후핵연료 분말을 장입시켜, 산화 공정과 환원 공정을 차례대로 수행한다(S100). 산화환원반응기는 일종의 가열로로서 산화 시에는 공기와 같은 산화성 기체를 공급해주면서 450 ~ 550 ℃(바람직하게는 500 ℃정도)의 온도로 약 2시간 유지해주며, 환원 시에는 수소, 암모니아 또는 그 혼합기체를 포함하는 환원성 기체를 공급해주면서 650 ~ 750 ℃(바람직하게는 700 ℃ 정도)의 온도로 약 7시간 유지하게 된다. 사용후핵연료는 연소 중 핵분열에 의해 생성된 핵분열생성물이 약 4% 정도 포함된 이산화우라늄(UO₂)이 주성분인데, 형석(Fluorite)형의 입방정(Cubic) 결정구조를 가지는 UO₂를 산화시키면 사방정(Orthorhombic) 결정구조의 U₃O₈으로 되면서 상변화에 따라 약 30%의 부피 팽창이 일어나면서 분말화되고, 이를 다시 환원시키면 다시 UO₂로 변환되면서 부피감소가 일어나게 되므로, 사용후핵연료는 산화와 환원 공정이 반복됨에 따라 부피 변화로 인한 응력에 의하여 소결 가능한 특성을 가지는 미세한 분말로 분쇄되고, 동시에 사용후핵연료 내부에 존재하는 크립톤(Kr) 등의 휘발성 핵분열생성물이 제거된다. 이 때, 세슘, 안티몬 등의 준휘발성 핵분열생성물은 여전히 미세 분말내에 고상으로 잔류하게 된다.

이어서, 상기 산화/환원 공정(S100)을 통해 얻어지는 사용후핵연료 분말을 일정 압력으로 압분시켜 원주형 핵연료 형태의 압분체로 성형한다(S200).

끝으로, 상기 압분 공정(S200)을 거쳐 얻어지는 압분체를 수소, 암모니아, 또는 그 혼합기체를 포함하는 환원성 분위기에서 가열하여 중수로 핵연료로 사용될 수 있는 핵연료 소결체를 제조하는 소결 공정(S300)을 수행하게 되는데, 이 때 최 종 소결 온도까지 한번에 승온하지 않고 중간 온도까지 승온시켜 일정 시간 유지하는 중간 소결 공정(S310)을 거친 후 최종 소결 온도인 1650 ~ 1850 ℃의 온도로 재가열하여 1 ~ 24 시간 유지시키는 최종 소결 공정(S320)을 수행함으로써, 압분체 내에 포함되어 소결 과정 중의 고밀화를 방해하는 세슘, 안티몬 등의 준휘발성 핵분열생성물이 중간 소결 공정(S310) 중에 용융 및 휘발되어 외부로 원활하게 방출되도록 해준다. 여기서, 중간 소결 공정(S310)은 준휘발성 핵분열생성물의 방출이 급격하게 일어나게 되는 1,200 ~ 1,400 ℃의 온도 구간으로 승온시켜 1 ~ 10 시간 유지시킴으로써, 최종 소결 공정(S320) 이전에 준휘발성 핵분열생성물을 효과적으로 배출시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 소결 과정에서 최종 소결 온도까지 승온시키기 전에 중간 온도에서 유지시키는 방법을 통해 소결체 밀도를 저하시킬 수 있는 준휘발성 핵분열생성물을 원활하게 제거함으로써, 최종적으로 얻어지는 핵연료 소결체의 소결 밀도를 보다 상승시킬 수 있다.

도 4는 압분 압력의 변화에 따른 핵연료 소결체의 밀도 변화를 나타내는 그래프로서, 핵분열생성물의 함량이 높은 65,000 MWD/MTU로 연소된 사용후핵연료를 다양한 압분 압력(Compact Pressure)으로 압분시켜 얻어지는 압분체에 대하여, 본 발명에 따라 1300 ℃의 중간 온도에서 3시간 유지시킨 후 1800 ℃의 최종 온도로 승온시켜 10시간 유지시키는 소결 공정을 수행한 경우와, 기존의 DUPIC 공정에 따른 소결 공정을 수행한 경우 각각 얻어지는 핵연료 소결체의 밀도를 비교하여 보여 주고 있다.

도 4에 나타난 바와 같이, 기존의 DUPIC 공정을 적용하면 평균 이론밀도의 93.4 %로 중수로 핵연료 품질 기준인 95 %에 못 미치는 핵연료 소결체가 얻어졌으나, 본 발명에 따른 소결 공정을 적용하게 되면 이론밀도의 95 % 이상을 만족하는 핵연료 소결체를 제조할 수 있었다.

이러한 실험 결과는 연소도 58,000 MWD/MTU인 사용후핵연료를 이용한 경우에도 거의 비슷한 경향을 나타내었는데, 이상의 실험결과로부터 사용후핵연료의 연소도가 고연소도일 경우, 즉 사용후핵연료 내의 핵분열생성물 함량이 일정량 이상일 경우, 본 발명에 따른 소결 공정을 적용하면 소결 도중 중간 온도로 유지되는 동안 준휘발성 핵분열생성물이 원활하게 방출됨에 따라 소결체 내에 폐기공이 형성되지 않아 핵연료 소결체의 밀도가 현저히 상승하게 되는 것을 알 수 있다.

도 5는 사용후핵연료의 연소도 변화에 따른 핵연료 소결체의 밀도 변화를 나타내는 그래프로서, 사용후핵연료의 연소도를 변화시켜가며, 본 발명에 따라 1300 ℃의 중간 온도에서 3시간 유지시킨 후 1800 ℃의 최종 온도로 승온시켜 10시간 유지시키는 소결 공정을 수행한 경우와, 기존의 DUPIC 공정에 따른 소결 공정을 수행한 경우 각각 얻어지는 핵연료 소결체의 밀도를 측정한 결과를 비교하여 보여주고 있다.

도 5에 나타난 바와 같이, 연소도 35,000 MWD/MTU 이하의 저연소도 사용후핵연료를 사용하였을 때, 기존의 DUPIC 공정을 적용한 경우와 본 발명에 따른 소결 공정을 적용할 경우 모두 이론밀도의 95% 이상을 만족하는 소결 밀도를 갖는 핵연료 소결체를 얻을 수 있어, 저연소도 사용후핵연료를 건식 재가공하는 경우에는 사용후핵연료 내에 핵분열생성물의 함량이 낮아 핵연료 소결체의 밀도가 소결 공정의 운전 조건에 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

그러나 사용후핵연료의 연소도가 35,000 MWD/MTU 이상인 구간에서는, 본 발명에 따른 소결 공정을 적용한 경우와 기존의 DUPIC 공정을 적용한 경우의 밀도차가 사용후핵연료의 연소도가 증가할수록 점점더 커지게 됨을 알 수 있으며, 특히 약 52,000 MWD/MTU 이상 구간에서는 본 발명에 따른 소결 공정을 적용한 경우는 소결체의 소결 밀도가 중수로 핵연료 제원에서 요구되는 이론밀도의 95% 이상으로 계속 유지된 반면, 기존의 DUPIC 공정을 적용한 경우에는 소결체의 소결 밀도가 이론밀도의 95% 이하로 떨어지게 되며, 사용후핵연료의 연소도가 증가할수록 점점 더 하락하는 것을 관찰할 수 있었다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

본 발명에 따른 핵연료 소결체 제조방법은 DUPIC 핵연료 제조공정을 비롯하여, 다양한 연소도 특성을 가지는 사용후핵연료를 재활용하기 위한 각종 소결 공정 에 적용 가능하며, 아울러 고품질의 금속 핵연료 및 질화물 핵연료 소결체 제조에도 활용 가능하다.

도 1은 기존의 DUPIC 핵연료 제조공정 중 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체의 제조 공정을 보여주는 순서도.

도 2는 소결 조건에서 승온에 따른 세슘 핵종의 방출 거동 실험을 수행한 결과를 나타내는 그래프.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 핵연료 소결체의 제조 과정을 나타내는 순서도.

도 4는 압분 압력의 변화에 따른 핵연료 소결체의 밀도 변화를 나타내는 그래프.

도 5는 사용후핵연료의 연소도 변화에 따른 핵연료 소결체의 밀도 변화를 나타내는 그래프.

Claims (6)

1. 우라늄 산화물로 구성된 사용후핵연료를 이용하여 중수로용 핵연료 소결체를 제조하는 방법에 있어서,

   산화/환원 공정을 통해 사용후핵연료 분말을 소결 가능한 미세 분말로 변환시키고, 상기 변환된 소결 가능한 미세 분말을 성형시켜 압분체로 성형한 후, 상기 성형된 압분체를 환원성 분위기 하에서 소결시켜 핵연료 소결체를 제조하되,

   상기 소결 공정은,

   최종 소결 온도에 이르기 전에 최종 소결 온도보다 낮은 1,200 ~ 1,400℃의 중간 온도에서 1 ~ 10 시간 유지시킨 후, 1,650 ~ 1850℃의 최종 소결 온도까지 재가열하는 과정을 통해 압분체 내에 포함되어 있는 준휘발성 핵분열생성물을 제거함으로써 핵연료 소결체의 소결 밀도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 사용후핵연료는,

   경수로형 원자로에서 35,000 MWD/MTU 이상 연소되어 배출되는 핵연료인 것을 특징으로 하는 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 산화/환원 공정에서는,

   공기를 포함한 산화성 분위기에서 450 ~ 550 ℃의 온도로 유지시키는 산화 공정과;

   암모니아를 포함한 환원성 분위기에서 650 ~ 750 ℃의 온도로 유지시키는 환원 공정;

   을 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법.
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 소결 공정은,

   수소, 암모니아 또는 수소 및 암모니아의 혼합기체를 포함하는 환원성 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고연소도 사용후핵연료를 이용한 핵연료 소결체 제조방법.
6. 삭제

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