KR100985636B1 - 휘발억제를 위한 비진공 용해 감압 사출주조 방법 - Google Patents

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Abstract

금속 핵연료심의 제조 시 비진공 분위기에서 감압 사출주조가 가능하도록 하는 고속로용 금속 핵연료심 제조 장치와 제조 방법이 개시된다. 고속로용 금속 핵연료심 제조 장치는, 상압이 유지되는 용해로, 상기 용해로 내부에 구비되어 금속 핵연료 원소가 용융된 용탕이 수용된 도가니, 상기 용탕에 접촉되어 금속 핵연료심이 사출되며 진공이 유지되는 몰드 및 상기 몰드의 개구부에 구비되어 상기 몰드 내부를 진공 밀폐시키고, 상기 용탕에 접촉되어 제거되는 마개부를 포함하여 구성된다.
고속로, 금속 핵연료, 사출주조, 몰드, 마이너 액티나이드(minor actinide)

Description

휘발억제를 위한 비진공 용해 감압 사출주조 방법{METHOD OF PRESSURE DIFFERENTIAL INJECTION CASTING BY NON-VACCUM MELTING FOR VOLATILE LOSS CONTROL}
본 발명은 금속 핵연료심의 사출주조 장치와 방법에 관한 것으로써, 금속 핵연료심의 제조 시 비진공 분위기에서 감압 사출주조가 가능하도록 하여 휘발성이 강한 일부 금속 핵연료 성분의 휘발을 최대한 억제할 수 있는 금속 핵연료의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고속로(fast reactor)의 핵연료로 사용되는 금속 핵연료는 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 지르코늄(Zr) 등의 주요 성분을 함유하고 있는 가늘고 긴 원통형의 금속 연료심과 금속 연료심을 둘러싸고 있는 스테인리스 강으로 제조된 튜브 형태의 피복관으로 구성된다.
고속로의 금속 연료심은 용해 주조 방식에 의해 제조된다. 일 예로, 미국의 EBR-II 고속로의 경우 진공 사출주조법을 이용하여 금속 핵연료심을 제조하였다. 이 때 EBR-II 고속로의 핵연료심 성분은 주로 우라늄-지르코늄 또는 우라늄-플루토늄-지르코늄이 사용되었다. 진공 사출주조법은 금속 핵연료 성분을 용해한 후 진 공분위기에서 몰드 다발을 용탕에 담근 후 외부에서 불활성 기체로 압력을 가하여 진공을 해제하면 몰드 내부에만 진공이 형성되고 압력 차에 의해 용탕에서 몰드 다발 내부로 용탕이 끌어올려지면서 핵연료심이 주조된다. 그리고 이와 같은 진공 사출주조법은 다른 주조 방법에 비해 대량 생산성이 매우 우수한 장점을 가지고 있어서, EBR-II가 정지될 때까지 다른 주조법으로 대체되지 않고 계속해서 사용되었다.
한편, 최근 들어 사용후핵연료의 처분 부담을 경감시키기 위해서, 사용후핵연료에 포함된 핵분열생성물 가운데 장반감기 원소인 마이너 액티나이드(minor actinide)를 연료에 포함시킴으로써 고속로에서 단반감기 원소로 핵종 변환하는 것에 대한 연구가 시작되고 있다.
그러나 넵투늄(Np), 아메리슘(Am), 큐리움(Cm) 등의 마이너 액티나이드 원소는 증기압이 높아서, 사용후핵연료의 진공 사출주조 시 우라늄이나 지르코늄, 플루토늄과 같은 핵연료심의 용해 온도에서 마이너 액티나이드 성분의 휘발로 인해 장수명 핵종의 손실을 초래할 가능성이 있다. 또한 마이너 액티나이드 원소는 핵연료심 원소보다 산화성이 높아서 용해 중 슬래그로 떠오르게 되므로 용탕 내에서 마이너 액타이드의 함량 조절이 어려울 뿐만 아니라, 금속 핵연료 내에 마이너 액티나이드의 함량이 기준 함량보다 미달하게 되는 문제가 있다. 또한, 제조 과정에서 휘발된 마이너 액티나이드에 의해 제조 장치가 오염됨에 따라 장수명 폐기물이 양산될 우려가 있다. 따라서, 마이너 액티나이드의 휘발을 억제할 수 있는 금속핵연료의 용해 주조 기술의 개발이 필요한 실정이다.
기존에는 마이너 액타이드의 휘발을 억제할 수 있는 금속 핵연료심의 용해 주조 기술에 대한 다양한 기술들이 개발되고 있으며, 대한민국 공개특허 제2008-0012489(2008.02.12. 공개) 에서는 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속 핵연료 제조 방법을 제시하여 금속 분말을 비전도성 재료로 제작된 튜브에 장전하고 상하에 봉상의 전도성 전극을 압축하면서 간헐적으로 전류를 인가하여 핵연료봉의 온도를 핵물질이 휘발하지 않는 저온 영역 내에 유지하면서 분말을 접합하여 핵비확산성을 갖추며 적절한 밀도를 갖는 봉상의 금속 핵연료봉을 제조하는 방법을 소개하고 있다.
또한, 일본 공개특허 제2006-284487(2006.10.12. 공개)에서는 금속 연료 제조용 몰드 및 그 몰드를 이용한 금속 연료의 제조법을 제시하여 금속 연료 제조용 몰드의 개구부를 진공 중에서 도가니 내의 용융 금속 연료 중에 담그고, 아르곤(Ar) 가스로 가압하고 몰드 내에 금속 연료를 충족시키고 이것을 냉각 고화하여 금속 연료를 몰드에서 분리하는 금속 연료 제조법을 소개하고 있다.
그리고, 일본 공개특허 제1993-318077(1993.12.03. 공개)에서는 진공립 사출주조 방법과 그 장치를 제시하여 사출 슬리브 안의 용융 금속을 진공 상태로 유지된 금형 안에 사출 충전하는 진공립 사출주조 방법과 그 장치에 관한 내용을 소개하고 있다.
한편, Tan 등은 NUTHOS-6 학회에서 "Analyzing a process for casting volatile actinides"라는 제목으로 유도용해와 주조 문제를 기술적으로 분석한 바 있으며, Nakagawa 등은 "Simulation of the injection casting of metallic fuels" 라는 제목으로 1989년 ANS 학회에서 발표한 바 있다. 또한, Trybus 등은 "Casting of metallic fuel containing minor actinide additions"라는 제목으로 마이너 액티나이드가 첨가된 금속 핵연료의 주조에 대한 실험 결과를 발표하여 약 40%의 아메리슘이 손실되었음을 보고하였다.
그러나 지금까지의 발명이나 논문 조사를 통해 분석한 결과 금속 핵연료심의 주조 기술에 있어서, 금속 핵연료심의 주조 단계에서 마이너 액티나이드 성분의 휘발을 충분히 억제하지 못하는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 금속 핵연료심의 제조 공정에서 마이너 액티나이드의 휘발을 억제할 수 있는 금속 핵연료심 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 감압 사출주조가 가능하여 대량 생산이 용이한 금속 핵연료심 제조 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 고속로용 금속 핵연료심 제조 장치는, 상압이 유지되는 용해로, 상기 용해로 내부에 구비되어 금속 핵연료 원소가 용융된 용탕이 수용된 도가니, 상기 용탕에 접촉되어 금속 핵연료심이 사출되며 진공이 유지되는 몰드 및 상기 몰드의 개구부에 구비되어 상기 몰드 내부를 진공 밀폐시키고, 상기 용탕에 접촉되어 제거되는 마개부를 포함하여 구성된다.
예를 들어, 상기 마개부는 상기 용탕과 접촉 시 용해될 수 있도록 저융점 재질로 형성된다. 여기서, 상기 마개부는 유리질, 세라믹 및 금속 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 마개부는 상기 용탕에 용해되었을 때 상기 용탕에 오염 성분 발생을 방지할 수 있도록 지르코늄으로 형성될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 고속로용 금속 핵연료심의 제조 방법은, 금속 핵연료를 용융시켜 용탕을 형성하는 단계, 내부에 진공이 유지되고 마개부에 의해 밀폐된 몰드를 투입하는 단계 및 상기 용탕에 접촉된 상기 마개부가 제거되어 상기 몰드 내부로 상기 용탕이 사출되는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 용탕을 용융시키는 단계는 상압에서 이루어진다. 그리고 상기 용탕이 사출되는 단계는 상기 용탕에 상압이 유지된다.
이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따르면, 첫째, 몰드 내부만 진공이 유지되고 금속 핵연료의 용해는 비진공 분위기에서 이루어지므로 감압 사출주조가 가능하며, 마이너 액티나이드와 같은 휘발성이 강한 일부 금속 핵연료 성분의 휘발을 최대한 억제할 수 있다.
둘째, 본 발명은 마개부에 의해 몰드가 폐쇄형으로 진공 밀봉이 가능하며, 용탕에 접촉하면 마개부가 용해되어 몰드의 하부가 개방되면서 용해로와 몰드 내부의 압력차에 의해 감압 사출주조가 가능하며, 대량 생산에 유리하다.
또한, 금속 핵연료심의 주조를 위해서 몰드 외에 별도의 몰드가 필요하지 않으므로 방사성 공정 폐기물을 감소시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지 를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 핵연료심의 제조 장치 및 방법을 설명하기 위한 개념도들이고, 도 3은 도 1과 도 2에서 몰드의 일 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 금속 핵연료심의 제조 장치(100)는 용해로(120)와 도가니(110) 및 몰드(10)로 이루어진다.
상기 용해로(120)는 금속 핵연료의 용해 및 사출주조 환경을 제공하며, 금속 핵연료의 성분 금속 또는 합금이 용해될 수 있도록 고온 및 진공 또는 불활성 분위기를 제공한다.
상기 도가니(110)는 상기 용해로(120) 내부에 구비되어 금속 핵연료는 우라늄(U), 플루토늄(Pu), 지르코늄(Zr) 등의 금속 핵연료 성분 금속 또는 합금이 수용되어 대략 약 1300 내지 1600℃ 에서 용융된 용탕(101)이 수용된다.
상기 몰드(10)는 상기 용탕(101)이 상기 몰드(10) 내부로 주입된 후 상기 몰드(10) 내부에서 냉각 응고됨에 따라 금속 핵연료심이 주조되는 금속 핵연료심의 사출주조를 위한 몰드로써, 주조하고자 하는 금속 핵연료심의 형상을 가지며, 예를 들어, 상기 몰드(10)는 석영 재질의 튜브 형태로 형성된다. 또한, 상기 몰드(10)는 제조하고자 하는 금속 핵연료심의 길이에 대응되는 길이를 갖는 원통 또는 튜브 형태를 가지며, 상기 몰드(10)의 길이는 제조하고자 금속 핵연료심의 길이에 따라 자유롭게 상기 몰드(10)의 길이를 조절 가능하다. 또한, 하나 이상의 몰드(10)가 상기 용탕(101)에 투입된다.
여기서, 상기 금속 핵연료심 제조 장치(100)는 감압 주조사출 장치로써, 상기 용해로(120)와 상기 몰드(10) 내부의 압력 차에 의해 상기 용탕(101)이 상기 몰드(10) 내부로 주입되어 사출된다.
한편, 상기 용탕(101)에 포함된 성분 중에서 아메리슘(Am), 넵티늄(Np) 및 큐리움(Cm) 등의 마이너 액티나이드는 증기압이 높아서 상기 용해로(120) 내부에서 휘발되어 상대적으로 차가운 상기 용해로(120)의 벽면이나 배기구 근방에 응착될 가능성이 크다. 특히, 상기 용해로(120) 내부의 압력이 진공이 가까울수록 마이너 액티나이드 원소의 휘발성이 커지게 된다. 이에 반해 마이너 액티나이드 원소의 휘발을 억제하기 위해서 저진공 또는 비진공 환경에서 금속 핵연료심을 사출주조하는 경우 상기 용탕(101) 내에 포함된 기체 일부가 배출되지 못하고 잔류하게 되어 사출된 금속 핵연료심 내부에 기포를 형성할 수 있으므로 금속 핵연료심은 진공에서 사출주조하는 것이 바람직하다.
이를 위해 본 발명에서는 상기 용해로(120) 내부에서 마이너 액티나이드 원소의 휘발을 억제하고 사출된 금속 핵연료심의 품질을 양호하게 하기 위해서 상기 용해로(120) 내부는 상압(P2)이 유지되고 금속 핵연료심이 사출되는 몰드인 상기 몰드(10) 내부는 진공(P1)이 유지된다.
상기 몰드(10) 내부의 진공(P1)을 유지시키는 한편 상기 용탕(101)에 투입되면 상기 용탕(101)이 상기 몰드(10) 내부로 사출될 수 있도록 마개부(11)가 구비된다.
상기 마개부(11)는 상기 몰드(10)에서 상기 용탕(101)에 접촉되는 개방된 단 부에 구비되어 상기 몰드(10)의 단부를 폐쇄함으로써 상기 몰드(10) 내부를 진공 상태로 밀폐시키도록 형성된다. 그리고, 상기 마개부(11)는 상기 용탕(101)에 투입되었을 때는 상기 용탕(101)이 상기 몰드(10) 내부로 주입될 수 있도록 상기 몰드(10)를 개방시키도록 형성되며, 상기 용탕(101)과 반응하거나 상기 용탕(101)의 온도에 의해 녹을 수 있는 재질로 형성된다.
예를 들어, 상기 마개부(11)는 유리질, 세라믹 또는 금속 중 어느 하나의 재질로 형성된다. 이 중에서, 상기 몰드(10) 내부의 진공을 유지시키기 위해서 상기 몰드(10)와의 결합부가 기밀성 있게 형성된다. 상기 몰드(10)와 기밀성 있게 접합될 수 있는 유리질을 사용하는 것이 유리하다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 마개부(11)가 용해되어 상기 용탕(101)과 혼합되는 것을 고려하여 지르코늄과 같이 상기 용탕(101)에 포함된 성분 금속을 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 금속 핵연료심 제조 방법을 간단하게 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 1에 도시한 바와 같이, 금속 핵연료의 성분 금속 및 합금을 상기 용해로(120) 내에 주입하고 상기 도가니(110) 내부에서 용해시킨다. 여기서 상기 금속 핵연료의 용해는 진공 또는 불활성 분위기에서 이루어진다.
금속 핵연료의 용해가 완료되면 상기 몰드(10)를 상기 도가니(110)에 수용된 용탕(101)에 투입한다. 여기서, 상기 몰드(10)는 상기 마개부(11)에 밀봉되어 상기 몰드(10) 내부는 진공으로 유지된다.
다음으로, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 용탕(101)과 접촉되면 상기 용 탕(101)의 온도에 의해 상기 마개부(11)가 용융되면서 상기 몰드(10)의 단부가 개방된다.
여기서, 상기 마개부(11)가 제거되면 상기 몰드(10) 내부는 진공이 유지되고 상기 용해로(120) 내부는 비진공 상태이므로 상기 몰드(10)와 상기 용해로(120) 내의 압력 차에 의해 상기 용탕(101)이 상기 몰드(10) 내부로 빨려 올라가게 되고, 상기 몰드(10)의 형태를 갖는 금속 핵연료심이 사출주조된다.
즉, 이러한 본 발명에 따른 금속 핵연료심 제조 방법은 진공과 상압의 압력 차에 의해 상기 몰드(10) 내부로 용탕이 사출되는 감압 사출주조 방식으로써, 양산성이 우수하다.
특히, 상기 몰드(10) 내부는 진공이 유지되므로 사출된 금속 핵연료심 내에 기포가 발생하는 것을 방지하고 양호한 품질의 금속 핵연료심을 사출할 수 있다. 그리고 상기 용탕(101)은 상압에서 용해 및 유지되므로 상기 용탕(101)에 포함된 휘발성 강한 마이너 액티나이드가 휘발되어 손실되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 마이너 액티나이드의 휘발 방지를 설명하였으나 상술한 실시예 이외에도 진공 및 저진공에서 휘발성이 있는 원소를 포함하는 다른 성분의 용해 주조 시에도 활용이 가능하다고 할 수 있다.
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.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 핵연료 제조 장치 및 방법을 설명하기 위한 개념도들;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드를 보여주는 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 몰드 11: 마개부
100: 금속 핵연료심 제조 장치 101: 용탕
110: 도가니 120: 용해로

Claims (7)

  1. 상압이 유지되는 용해로;
    상기 용해로 내부에 구비되어 금속 핵연료 원소가 용융된 용탕이 수용된 도가니;
    상기 용탕에 접촉되어 금속 핵연료심이 사출되며 진공이 유지되는 몰드; 및
    상기 몰드의 개구부에 구비되어 상기 몰드 내부를 진공 밀폐시키고, 상기 용탕에 접촉되어 제거되는 마개부;
    를 포함하는 고속로용 금속 핵연료심 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마개부는 상기 용탕과 접촉 시 용융될 수 있도록 상기 용탕의 온도보다 낮은 저융점 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 고속로용 금속 핵연료심 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 몰드는 석영 재질의 튜브 또는 원통형 관으로 형성되고,
    상기 마개부는 유리질, 세라믹 및 금속 중 어느 하나의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 고속로용 금속 핵연료심 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마개부는 지르코늄으로 형성된 것을 특징으로 하는 고속로용 금속 핵연료심 제조 장치.
  5. 고속로용 금속 핵연료심의 제조 방법에 있어서,
    금속 핵연료를 용융시켜 용탕을 형성하는 단계;
    내부에 진공이 유지되고 마개부에 의해 밀폐된 몰드를 투입하는 단계; 및
    상기 용탕에 접촉된 상기 마개부가 제거되어 상기 몰드 내부로 상기 용탕이 사출되는 단계;
    를 포함하는 고속로용 금속 핵연료심의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용탕을 형성하는 단계는 상압에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 고속로용 금속 핵연료심 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 용탕이 사출되는 단계는 상기 용탕이 상압으로 유지되는 것을 특징으로 하는 고속로용 금속 핵연료심 제조 방법.
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