KR100988856B1 - Corrosion resistant structural alloy for electrolytic reduction equipment of spent nuclear fuel - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금에 관한 것이다. 보다 상세하게는 산화물 사용후 핵연료의 전해환원공정은 LiCl-Li2O 용융염 내에서 핵연료를 음극에 장입하고 전기를 가하여 Li2O를 환원시키고 환원된 Li에 의해 핵연료 성분을 환원시키는 공정이다. 이 전해환원공정은 Li2O의 강한 부식성과 산소 발생으로 인하여 대부분의 구조용 금속재료에 대하여 화학적으로 매우 가혹한 조건이 된다. 특히 연료성분들은 환원공정중에 구조용재료와 공정반응을 일으켜 액상을 형성하여 부식이 촉진될 수 있으므로 전해환원공정용 반응기, 구조재 및 전극 등은 약 650℃의 산소, TRU성분 및 용융염 분위기 하에서 내구성이 부여되어야 한다. The present invention relates to an alloy for oxidation resistant structural materials of spent fuel electrolytic reduction devices. More specifically, the electrolytic reduction process of the spent oxide fuel is a process of charging the fuel into the cathode in LiCl-Li 2 O molten salt and applying electricity to reduce Li 2 O and reduce the fuel component by the reduced Li. The electrolytic reduction process is a very chemically harsh condition for most structural metal materials due to the strong corrosiveness and oxygen generation of Li 2 O. In particular, the fuel components may react with structural materials during the reduction process to form a liquid phase, which may promote corrosion. Thus, the reactor, structural materials, and electrodes for the electrolytic reduction process are durable under oxygen, TRU components, and molten salt atmosphere at about 650 ° C. Should be granted.

본 발명은 니켈 기지내에 고용시킬 수 있는 합금원소를 설계하여 산화성 용융염 분위기 내에서 화학적 안정성을 유지할 수 있는 합금원소를 혼합하여 진공 주조공정을 통해 산화물 사용후핵연료의 전해환원분위기에서 우수한 내식성을 갖는 합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금을 제조한다. The present invention is to design an alloy element that can be dissolved in the nickel base to mix the alloy element that can maintain the chemical stability in the oxidizing molten salt atmosphere to have an excellent corrosion resistance in the electrolytic reduction atmosphere of oxide spent fuel through a vacuum casting process An alloy for oxidation resistant structural material of a spent fuel electrolytic reduction device, characterized in that the alloy is produced.

본 발명의 합금은 Cr, Si, Al, Nb 및 Ti양을 조절하여 LiCl-Li2O용융염내에서 안정한 산화피막을 형성하여 우수한 내식성을 갖는 합금조성으로써, 상기와 같은 가혹한 조건하에서 내구성을 갖는 구조용 합금을 사용후핵연료 처리 뿐만 아니 라, Ta2O5, TiO2, ZrO2 등 모든 재료의 용융염 분위기에서의 환원반응시에도 활용 가능하다.The alloy of the present invention is an alloy composition having excellent corrosion resistance by forming a stable oxide film in the LiCl-Li 2 O molten salt by controlling the amount of Cr, Si, Al, Nb and Ti, for structural use that has durability under such severe conditions The alloy can be used not only for spent fuel treatment, but also for the reduction of all materials such as Ta 2 O 5 , TiO 2 and ZrO 2 in the molten salt atmosphere.

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Description

사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금{Corrosion resistant structural alloy for electrolytic reduction equipment of spent nuclear fuel}Corrosion resistant structural alloy for electrolytic reduction equipment of spent nuclear fuel

본 발명은 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금에 관한 것으로 니켈 기지내에 고용시킬 수 있는 합금원소를 설계하여 산화성 용융염 분위기 내에서 화학적 안정성을 유지할 수 있는 합금원소를 혼합하여 진공 주조공정을 통해 산화물 사용후핵연료의 전해환원분위기에서 우수한 내식성을 갖는 합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금을 제조한다. 기지내에 고용시킬 수 있는 합금원소의 양을 이론적으로 계산하는 합금설계단계와, 산화성 용융염 분위기 내에서 화학적 안정성을 위지할 수 있는 재료선정 단계와, 이들 원소를 혼합하여 진공 주조공정을 통해 산화물 사용후핵연료의 전해환원분위기에서 우수한 내식성을 갖는 합금을 제조하는 단계로 구성된다. 본 발명의 합금은 Cr, Si, Al, Nb 및 Ti양을 조절하여 LiCl-Li2O용융염내에서 안정한 산화피막을 형성하여 우수한 내식성을 갖는 합금조성을 제공한다.The present invention relates to an alloy for oxidation-resistant structural materials of spent fuel electrolytic reduction apparatus, by designing alloy elements that can be dissolved in a nickel base and vacuum casting by mixing alloy elements capable of maintaining chemical stability in an oxidizing molten salt atmosphere. Through the process to prepare an alloy for the oxidation-resistant structural material of the spent fuel electrolytic reduction device, characterized in that to produce an alloy having excellent corrosion resistance in the electrolytic reduction atmosphere of oxide spent fuel. An alloy design step that theoretically calculates the amount of alloying elements that can be dissolved in the matrix, a material selection step that allows chemical stability in an oxidizing molten salt atmosphere, and use of oxides through a vacuum casting process by mixing these elements It is composed of the step of producing an alloy having excellent corrosion resistance in the electrolytic reduction atmosphere of the post-fuel fuel. The alloy of the present invention controls the amount of Cr, Si, Al, Nb and Ti to form a stable oxide film in the LiCl-Li 2 O molten salt to provide an alloy composition having excellent corrosion resistance.

산화물 사용후 핵연료의 전해환원공정은 LiCl-Li2O 용융염 내에서 산화물 사용후 핵연료를 음극에 장입하고 전기를 가하여 Li2O를 환원시키고 환원된 Li에 의해 핵연료 성분을 환원시키는 공정이다. 이 공정은 Li2O의 강한 부식성과 양극에서 산소 발생으로 인하여 대부분의 구조용 금속재료에 대하여 화학적으로 매우 가혹한 조건이다. 특히 연료성분들은 환원공정중에 구조용재료와 공정반응을 일으켜 액상을 형성함으로서 부식이 촉진될 가능성이 있다. 따라서 전해환원공정용 반응기 및 구조재 등은 약 650℃의 산소, TRU성분 및 Li2O를 포함한 LiCl용융염 분위기 하에서 내구성이 부여되어야 하나 기존의 상용합금은 이를 만족할만한 내식성을 갖추지 못하여 장시간 운전시 안정성을 확보하지 못했다. 고온 내부식성이 요구되는 합금의 경우 니켈을 기지로한 합금이 주로 사용되고 있다. 특수한 조건에서의 내식성이 요구되는 합금의 경우 용도에 따라 조성을 변화시켜 사용하고 있는데, 미국특허 4,034,142(July 5, 1977), Superalloy base having a coating containing silicon for corrosion/oxidation protection의 경우 gas turbine engine용으로 개발되었으며, 다량의 Co를 함유하고 있을 뿐만 아니라 코팅용 재료로서 개발되어 용융염 분위기에서 사용되는 합금은 아니다. 미국특허 4,818,486(Apr. 4, 1989), Low thermal expansion superalloy의 경우 8wt% Cr, 25wt% Mo, 0.003 wt% B, 1 wt% Fe, 0.5 wt% Mn, 0.4 wt% Si 의 조성을 갖는 Ni기합금으로서 플라즈마 스프레이 세라믹 코팅을 위한 기지재료를 개발을 위해 개발하였으며, 용융염 분위기에서의 내식성은 고려되지 않았다. 미국특허 4,183,774(Jan. 15, 1980), High-endurance superalloy for use in particular in the nuclear industry의 경우 0.2∼1.9 wt% C, 18∼32%Cr, 1.5∼8 wt% W, 15∼40%Ni, 6∼12 wt% Mo, 0∼3wt%Nb-Ta, 0∼2wt%Si, 0∼3wt% Mn, 0∼3wt%Zr, 0∼3wt% V, 0∼0.9wt%B, <0.3wt%Co 의 조성을 지니는 철, 니켈 혹은 코발트 기지 합금이며, 사용용도에 있어서 전해환원 용융염 분위기가 고려되지 않았고, 본 특허와는 상이한 조성을 지닌다. 따라서 아직 LiCl-Li2O계 용융염계에서 우수한 내식성을 지닌 합금에 대해서는 보고되지 않고 있다.The electrolytic reduction process of the spent oxide fuel is a process of charging the spent oxide into the cathode in LiCl-Li 2 O molten salt and applying electricity to reduce Li 2 O and reduce the fuel component by the reduced Li. This process is a very chemically harsh condition for most structural metal materials due to the strong corrosiveness of Li 2 O and the evolution of oxygen at the anode. In particular, fuel components are likely to promote corrosion by forming a liquid phase by reacting with structural materials during the reduction process. Therefore, the reactor and structural material for the electrolytic reduction process should be endured under LiCl molten salt atmosphere including oxygen, TRU component and Li 2 O at about 650 ° C. However, conventional commercial alloys do not have sufficient corrosion resistance to satisfy this problem. Did not secure. Nickel-based alloys are mainly used for alloys requiring high temperature corrosion resistance. For alloys that require corrosion resistance under special conditions, the composition is changed according to the application. US Patent 4,034,142 (July 5, 1977), Superalloy base having a coating containing silicon for corrosion / oxidation protection, It is not an alloy that contains a large amount of Co and is developed as a coating material and used in a molten salt atmosphere. U.S. Patent 4,818,486 (Apr. 4, 1989), Ni base alloy having a composition of 8 wt% Cr, 25 wt% Mo, 0.003 wt% B, 1 wt% Fe, 0.5 wt% Mn, 0.4 wt% Si for Low thermal expansion superalloy As a base material for the plasma spray ceramic coating was developed for the development, the corrosion resistance in the molten salt atmosphere was not considered. U.S. Patent 4,183,774 (Jan. 15, 1980), 0.2-1.9 wt% C, 18-32% Cr, 1.5-8 wt% W, 15-40% Ni for High-endurance superalloy for use in particular in the nuclear industry , 6-12 wt% Mo, 0-3wt% Nb-Ta, 0-2wt% Si, 0-3wt% Mn, 0-3wt% Zr, 0-3wt% V, 0-0.9wt% B, <0.3wt It is an iron, nickel or cobalt known alloy having a composition of% Co, and the electrolytic reduction molten salt atmosphere is not considered in use, and has a composition different from the present patent. Therefore, it is not yet reported about the alloy having excellent corrosion resistance in LiCl-Li 2 O-based molten salt system.

산화물 사용후 핵연료를 처리하기 위하여 우리나라를 비롯한 미국, 일본 등의 선진국에서도 활발하게 연구하고 있는 실정으로 산화물 사용후핵연료를 처리하기 위하여 LiCl-Li2O 용융염 분위기에서 전해환원을 통한 금속화 연구를 진행하고 있다. 이렇게 금속화된 사용후핵연료는 용융염전해정련공정을 거쳐 직접 고속로용 금속핵연료로 제조 가능하므로 매우 효과적인 산화물사용후핵연료 처리방안으로 여겨지고 있다. 그러나 전해환원 전해질인 LiCl-Li2O 용융염은 상용구조재에 대하여 매우 강한 부식성을 지니고 있어 고도의 신뢰성이 요구되는 전해환원장치의 구조재 선정에 큰 어려움을 격고 있다. In order to process the spent nuclear fuel, advanced countries such as Korea, the United States, and Japan are actively researching. In order to process the spent oxide fuel, the study of metallization through electrolytic reduction in LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere is carried out. I'm going. Since the metallized spent fuel can be directly manufactured as a metal fuel for high-speed reactors through a molten salt refining process, it is considered to be a very effective method for treating oxide spent fuel. However, LiCl-Li 2 O molten salt, an electrolytic reduction electrolyte, has a very strong corrosive property with respect to commercial structural materials, which makes it difficult to select a structural material of an electrolytic reduction apparatus requiring high reliability.

현재 개발된 상용 내부식합금은 주로 고온의 산화성 기체 혹은 산화성 수용액 내에서의 부식저항성을 부여하기 위해 설계된 합금이 주종을 이루고 있는 반면에, 사용후핵연료의 전해환원조건인 650℃의 LiCl-Li2O 용융염 하에서 내부식성을 나타내는 합금은 아직까지 개발되지 못하고 있으며, 상용합금에 대한 실험결과 모두 기준치(0.5 ㎜/yr) 이상의 부식속도를 갖는 것으로 조사되었다. 상용합금 중에서 가장 우수한 내부식성을 나타낸 Inconel 713 LC기준으로 전해환원조건인 LiCl-3wt%Li2O용융염 분위기에서 측정된 부식속도는 1.5㎜/yr 이상으로써, 이는 공업적인 용도로 사용이 어려우며, 특히 고도의 신뢰성이 요구되는 Hot cell조업조건에서는 보다 낮은 부식속도를 갖는 재료가 요구되고 있다.Currently developed commercial corrosion resistant alloys are mainly composed of alloys designed to give corrosion resistance in high temperature oxidizing gas or oxidizing aqueous solution, whereas LiCl-Li 2 at 650 ℃ which is the electrolytic reduction condition of spent fuel Alloys exhibiting corrosion resistance under O molten salt have not been developed yet, and all of the experimental results for commercial alloys have been found to have corrosion rates of more than the standard value (0.5 mm / yr). Based on Inconel 713 LC, which shows the best corrosion resistance among commercial alloys, the corrosion rate measured in the atmosphere of LiCl-3wt% Li 2 O molten salt, which is an electrolytic reduction condition, is 1.5mm / yr or more, which is difficult to use for industrial purposes. In particular, hot cell operating conditions that require high reliability require materials with lower corrosion rates.

본 발명은 기존의 상용합금 중, LiCl-Li2O 분위기 하에서 내식성 향상에 기여한 합금원소들을 선별하고, 그 외에 상용합금에서는 사용되지않는 Si의 합금 가능 량을 이론적으로 계산하여 이들 합금 조합을 통하여 새로운 소재를 개발하였으며, 이들 합금 소재가 LiCl-Li2O 용융염 분위기 하에서 우수한 내식성을 갖는다는 사실을 검증하였음. 부식실험결과 약 0.3 ㎜/yr 의 부식속도를 나타내어 상용 Inconel 713LC대비 5배(500%)의 내부식성을 나타냈다.The present invention selects the alloying elements that contributed to the improvement of corrosion resistance in the existing commercial alloys under LiCl-Li 2 O atmosphere, and theoretically calculates the alloyable amount of Si which is not used in the commercial alloys, and calculates new alloys through these alloy combinations. Materials have been developed and verified that these alloy materials have excellent corrosion resistance under LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere. The corrosion test resulted in corrosion rate of about 0.3 mm / yr, which showed 5 times (500%) of corrosion resistance compared to commercial Inconel 713LC.

본 발명은 기존의 상용합금이 지니지 못한 650℃이하의 Li2O-LiCl 용융염에 대한 내부식성을 부여하기 위하여 니켈을 주성분으로 하고 다양한 합금원소를 조합하여 내 부식성을 획기적으로 향상시킴으로서 산화물 사용후 핵연료의 전해환원조건에서 장시간 안정적으로 사용 가능한 니켈기 합금을 개발하는데 있다. 본 특허에서 제안하고 있는 합금은 니켈을 주성분으로하고, 산화물 사용후 핵연료의 전해환원조건에서 자체 합금원소 성분에 의해 표면에 안정한 부동태 피막을 형성함으로서 지속적인 부식이 발생하지 않고 장시간 내부식성을 유지하는 합금 조성을 개발하는 것이다. 이를 위하여 니켈 기지내에 고용시킬 수 있는 합금원소의 이론적인 양을 계산하는 합금 설계단계, 산화성 용융염 분위기 내에서 화학적 안정성을 위지할 수 있는 합금원소의 선정단계 및 합금 원소를 혼합하여 진공 주조공정을 통해 합금을 제조하는 단계를 통하여 산화물 사용후핵연료의 전해환원분위기에서 우수한 내식성을 지니는 합금을 제조하고 자 한다.In order to provide corrosion resistance to Li 2 O-LiCl molten salt of 650 ° C or less that conventional commercial alloys do not have, after the use of oxides, a combination of various alloying elements is used to improve corrosion resistance. To develop a nickel-based alloy that can be used stably for a long time under electrolytic reduction conditions of nuclear fuel. The alloy proposed in this patent has nickel as a main component and an alloy that maintains corrosion resistance for a long time without causing continuous corrosion by forming a stable passivation film on its surface by its alloying elements in the electrolytic reduction conditions of spent spent fuel. To develop a composition. To this end, a vacuum casting process is carried out by mixing an alloy design step that calculates the theoretical amount of alloying elements that can be dissolved in a nickel base, a selection step of an alloy element that can provide chemical stability in an oxidizing molten salt atmosphere, and a mixture of alloying elements. Through the step of preparing the alloy through to prepare an alloy having excellent corrosion resistance in the electrolytic reduction atmosphere of the spent oxide fuel.

본 발명은 기존의 상용합금 중, LiCl-Li2O 분위기 하에서 내식성 향상에 기여한 합금원소들을 선별하고, 그 외에 상용합금에서는 사용되지 않는 Si의 합금 가능 량을 이론적으로 계산하여 이들 합금 조합을 통하여 새로운 소재를 개발하는 데 있다. 이들 합금 소재가 LiCl-Li2O 용융염 분위기 하에서 부식실험한 결과에 의하면 우수한 내식성(약 0.3 ㎜/yr의 부식속도)으로 상용 Inconel 713LC대비 5배(500%효과)의 내부식성을 나타내었다.The present invention selects the alloying elements that contributed to the improvement of corrosion resistance in LiCl-Li 2 O atmosphere among the existing commercial alloys, and theoretically calculates the alloying possible amount of Si which is not used in the commercial alloys. Is in developing the material. Corrosion test results of these alloy materials under LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere showed excellent corrosion resistance (corrosion rate of about 0.3 mm / yr) and 5 times (500% effect) corrosion resistance compared to commercial Inconel 713LC.

본 발명에서 개발된 산화저항성 니켈합금을 채택하면 구조재의 내부식성을 대폭 향상시킬 수 있어 공정장치의 신뢰성을 높일 수 있으며, 유지보수에 필요한 운전정지 기간을 단축시키고, 폐기물 발생량을 줄여 전해환원 효율 향상을 통해 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것이다. 또한 사용후핵연료의 처리시 뿐만 아니라 Ta2O5, TiO2, ZrO2 등 일반적인 공업재료의 환원시에도 내부식 구조재로 활용 가능한 특징을 지니고 있어 관련 기술의 산업화에도 크게 기여할 수 있다.Adopting the oxidation-resistant nickel alloy developed in the present invention can greatly improve the corrosion resistance of the structural material can improve the reliability of the process equipment, shorten the downtime required for maintenance, reduce the amount of waste generated electrolytic reduction efficiency It will be able to accelerate commercialization. In addition, it is possible to contribute to the industrialization of related technologies as it has the characteristics that can be used as a corrosion resistant structural material not only in the treatment of spent fuel but also in the reduction of general industrial materials such as Ta 2 O 5 , TiO 2 and ZrO 2 .

본 발명은 니켈기지에 Cr, Si, Al, Nb 및 Ti을 첨가하여 LiCl-Li2O용융염내에서 안정한 산화피막을 형성하는 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재 료용 합금을 나타낸다.The present invention is an oxidation resistant structural material alloy of a spent fuel electrolytic reduction device which forms a stable oxide film in a LiCl-Li 2 O molten salt by adding Cr, Si, Al, Nb and Ti to a nickel base.

상기에서 합금원소의 조성은 중량을 기준하여 Fe, Co, Mo 각각 0.1wt%이하, 바람직하게는 Fe, Co, Mo 각각 0.01∼0.1wt%, Cr 0.5∼20wt%, Si 0.5∼5wt%, Al 1∼7wt%, Nb 0.5∼2wt%, Ti 0.1∼0.5wt% 및 잔부의 니켈을 포함한다.In the above, the composition of the alloying elements is 0.1 wt% or less each of Fe, Co and Mo, based on the weight, preferably 0.01 to 0.1 wt% for each of Fe, Co and Mo, 0.5 to 20 wt% for Cr, 0.5 to 5 wt% for Si, and Al 1 to 7 wt%, Nb 0.5 to 2 wt%, Ti 0.1 to 0.5 wt% and the balance nickel.

상기의 합금은 산화물 사용후핵연료의 전해환원공정에 적용하여 전극 및 도가니의 구조재로 사용할 수 있다.The alloy can be used as a structural material of the electrode and crucible by applying to the electrolytic reduction process of the oxide spent fuel.

상기의 합금은 Ta2O5, TiO2, ZrO2의 일반 공업재료의 환원시 전극 및/또는 도가니의 구조재로 사용할 수 있다.The alloy may be used as a structural material of the electrode and / or crucible in the reduction of general industrial materials of Ta 2 O 5 , TiO 2 , ZrO 2 .

본 발명은 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금의 제조방법을 나타낸다. 이때 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금 제조시 합금원소는 Fe, Co, Mo의 함유량을 각각 0.1wt% 이하, 바람직하게는 Fe, Co, Mo 각각 0.01∼0.1wt%로 하고, Cr함유량을 0.5∼20wt%, Si함유량을 0.5∼5wt%, Al 함유량 1∼7wt%, Nb 함유량을 0.5∼2wt%, Ti 함유량을 0.1∼0.5wt% 및 잔부의 니켈을 포함할 수 있다.The present invention shows a method for producing an alloy for oxidation resistant structural materials of spent fuel electrolytic reduction devices. At this time, the alloying elements for the oxidation-resistant structural material alloy of the spent fuel electrolytic reduction device, the content of Fe, Co, Mo is 0.1wt% or less, preferably Fe, Co, Mo each 0.01 to 0.1wt%, Cr content may be 0.5-20 wt%, Si content 0.5-5 wt%, Al content 1-7 wt%, Nb content 0.5-2 wt%, Ti content 0.1-0.5 wt%, and remainder nickel may be included.

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이하 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

산화물 사용후 핵연료의 전해환원공정은 650℃의 LiCl-3wt%Li2O 용융염 내에서 음극에 산화우라늄을 장입시키고, Li을 환원시켜 산화우라늄을 간접환원시키는 전기화학적 처리공정이다. 이때 산소이온은 양극에서 가스로 방출되는데, 고온에서의 산소발생과 용융염내의 Li2O는 대부분의 구조재료에 대해 강한 부식성을 나타내므로 높은 신뢰성이 요구되는 사용후핵연료 처리용 구조재료 선정시에 큰 문제점으로 여겨지고 있다. 현재까지 사용되고 있는 구조용재료는 주로 스테인레스강과 일부 니켈기 초합금이 비교적 우수한 내식성을 나타내는 것으로 조사되었으나 장시간 운전시에 건전성이 충분치 않아 양산규모의 장치를 위한 구조재로는 새로운 재료의 개발이 필요하다. 특히 대부분의 구조재료는 U 및 Pu와 낮은 공융온도를 지니며 Al, Ni, Cr 및 Fe 등의 구조재는 전해환원공정 온도인 650℃보다 낮은 온도에서 연료성분과 공정반응을 나타내므로 환원이 진행됨에 따라 구조재에 액상을 형성시켜 부식을 촉진시킬 우려가 있다. 따라서 금속재와 연료성분의 직접적인 접촉을 방지해야하며 이를 위해 전해환원조건에서 적절한 산화피막을 형성할 수 있는 합금 조성이 필요하다. 또한 내부식재료에 있어서의 부동태 산화피막은 부식성 분위기에서의 화학적 안정성 뿐만 아니라 산화물층과 금속기지재와의 열팽창계수 차이에 의한 박리현상도 고려해야 된다. 특히 본 특허와 같은 용융염계에서는 산화물층과 금 속기지재와의 열팽창계수차이에 의해 생성된 산화피막의 균열이나 기공을 통해 용융염의 침투가 발생할 경우 내식성이 크게 저하되므로 금속기지재의 열팽창계수도 고려대상중의 하나이다.The electrolytic reduction process of spent oxide fuel is an electrochemical treatment process in which uranium oxide is charged to the cathode in LiCl-3wt% Li 2 O molten salt at 650 ° C, and Li is reduced to indirectly reduce uranium oxide. At this time, oxygen ions are released from the anode as gas. When generating oxygen at high temperature and Li 2 O in molten salt shows strong corrosiveness to most structural materials, when selecting the structural material for spent fuel treatment, which requires high reliability It is considered a big problem. Structural materials used up to now are mainly stainless steel and some nickel-based superalloy has been shown to exhibit a relatively good corrosion resistance, but the soundness is not sufficient enough for long time operation, it is necessary to develop a new material as a structural material for mass-scale devices. In particular, most structural materials have a low eutectic temperature with U and Pu, and structural materials such as Al, Ni, Cr, and Fe show process reactions with fuel components at temperatures lower than the electrolytic reduction process temperature of 650 ° C. Accordingly, there is a fear of forming a liquid phase in the structural member to promote corrosion. Therefore, it is necessary to prevent direct contact between metal materials and fuel components, and for this, an alloy composition capable of forming an appropriate oxide film under electrolytic reduction conditions is required. In addition, the passive oxide film in corrosion resistant materials should be considered not only for chemical stability in corrosive atmosphere but also for delamination due to thermal expansion coefficient difference between oxide layer and metal base material. In particular, in the molten salt system such as the present patent, when the molten salt penetrates through the cracks or pores of the oxide film generated by the difference in thermal expansion coefficient between the oxide layer and the metal base material, the corrosion resistance is greatly reduced, so the thermal expansion coefficient of the metal base material is also considered. Is one of.

본 발명의 최종적인 목표는 전해환원용 LiCl-Li2O용융염이라는 특수한 매질 내에서 우수한 내부식 특성을 나타낼 수 있는 합금개발로서, 니켈과 고용체를 이룰 수 있는 각 합금원소들의 조합을 찾아내는 것이므로 상기 원소 외에 특별히 배제되어야 하는 합금원소들이 존재한다. The final objective of the present invention is to develop an alloy that can exhibit excellent corrosion resistance in a special medium called electrolytic reduction LiCl-Li 2 O molten salt, and to find a combination of alloying elements that can form nickel and a solid solution. In addition to the elements there are alloying elements that must be specifically excluded.

니켈합금내의 Mo은 Ni와 고용체를 형성하며 강도 향상효과가 있으나, LiCl-Li2O용융염 분위기에서 산화물 계면에 농축되는 거동을 보이며, 내식성 향상에는 큰 역할 을 하지 못하므로, 본 특허에서는 배제되었다. Mo in the nickel alloy forms a solid solution with Ni and has an effect of improving strength, but it is excluded from the present patent because it exhibits a concentration at the oxide interface in a LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere and does not play a significant role in improving corrosion resistance. .

니켈합금내의 Fe, Co는 역시 고용강화효과가 있으나 LiCl-Li2O용융염 분위기에서는 안정된 산화피막의 형성을 방해하므로, 본 발명의 합금 시스템에서는 배제되었다. 반면 Al, Nb는 니켈과 금속간화합물을 형성하여 강도 향상의 효과가 있으며, Al의 경우는 특히 안정한 부동태 피막을 형성하여 내부산화를 억제하므로 LiCl-Li2O용융염 시스템에서 니켈합금에 첨가되어야할 필수적인 원소이다.Fe and Co in nickel alloys also have a solid solution effect, but are excluded from the alloy system of the present invention because they prevent the formation of a stable oxide film in the LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere. Al and Nb, on the other hand, form an intermetallic compound with nickel, which has the effect of improving strength, and Al, in particular, forms a stable passivation film to inhibit internal oxidation, so it must be added to the nickel alloy in the LiCl-Li 2 O molten salt system. Is an essential element to do.

Cr의 경우도 Ni에 매우 큰 고용도를 지녀 고용강화원소로 매우 효과적으로 사용될 수 있으며, 역시 LiCl-Li2O용융염 분위기에서 합금 표면에 Cr 산화물을 형성하므로 산화를 억제하는 효과를 지니고 있다.Cr has a very high solubility in Ni and can be used very effectively as a solid solution strengthening element, and also has an effect of inhibiting oxidation since Cr oxide is formed on the surface of the alloy in a molten LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere.

Si의 경우는 Ni에 상당량의 고용도를 지니며 매우 작은 열팽창계수를 지니고 있어 산화물 피막의 박리를 방지하는데 유리한 합금일 뿐만 아니라 표면에 안정한 부동태 피막을 형성하여 산화를 억제시킬 수 있는 중요한 합금원소이다.In case of Si, it has a high amount of solid solution in Ni and has a very small coefficient of thermal expansion, which is not only an advantageous alloy for preventing the oxide film from peeling off, but also an important alloying element capable of inhibiting oxidation by forming a stable passivation film on the surface. .

일반적으로 이원계 합금의 경우 상평형은 기존 문헌에 잘 보고되어 있다. 그러나 3원계 이상의 상태도는 일부 합금계를 제외하고는 정보가 제한되어 있으며, 본 특허에서 고려하고 있는 5원계 합금의 경우는 계의 복잡성으로 인하여 이론적 계산에 의한 예측법이 유일하다. 이를 위하여 상용 열역학 데이터베이스인 FACTSage를 이용하여 Ni-Cr-Al-Si-Nb계에 대한 상태도를 도 1 및 2와 같이 작성하였다.In general, for binary alloys, phase equilibrium is well reported in the literature. However, the state diagram of the three or more system has limited information except for some alloy systems, and in the case of the five-membered alloy under consideration in the present patent, the prediction method based on theoretical calculation is unique due to the complexity of the system. To this end, a state diagram for the Ni-Cr-Al-Si-Nb system was prepared as shown in FIGS. 1 and 2 using FACTSage, a commercial thermodynamic database.

먼저 2 wt% Nb, 20wt% Cr, 6 wt% Al을 함유한 Ni기 합금에 Si의 양을 증가시킬 경우, 4wt%까지는 Si가 Ni에 고용체를 형성하며 그 이상 증가시킬 경우 Cr3Si와 같은 금속간 화합물을 형성한다. 이처럼 Si함유 금속간 화합물이 발생하게되면 재료의 취성이 증가되며, 부식에 대한 민감성이 증대되어 내부식성이 저하될 것으로 예상되어 Si의 첨가량은 약 4%이하로 제한된다. 한편, Cr의 함량을 12wt%로 유지시킬 경우는 도 2와 같이 Ni합금에 대한 Si의 용해도가 5wt%까지 증가함을 알 수 있다.If first to increase the amount of Si in the Ni-based alloy containing 2 wt% Nb, 20wt% Cr , 6 wt% Al, Si forms a solid solution in Ni up to 4wt%, and if increased more, such as Cr 3 Si To form an intermetallic compound. When the Si-containing intermetallic compound is generated, the brittleness of the material is increased, the sensitivity to corrosion is expected to increase, and the corrosion resistance is expected to decrease, so the amount of Si added is limited to about 4% or less. On the other hand, when the Cr content is maintained at 12wt%, it can be seen that the solubility of Si in the Ni alloy increases to 5wt% as shown in FIG.

이러한 조성을 바탕으로 니켈과 각 합금원소를 진공 용해주조하여 니켈합금을 제조한다. 이렇게 제조된 니켈합금은 사용후핵연료의 전해환원공정 뿐만 아니라 Ta2O5, TiO2, ZrO2 등 일반적인 공업재료의 환원시에도 활용 가능하다.Nickel and each alloying element are vacuum-melted based on this composition to produce nickel alloys. The nickel alloy thus prepared can be utilized for the reduction of general industrial materials such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , ZrO 2 as well as the electrolytic reduction process of spent fuel.

본 발명에서 제시하는 니켈합금개발 기술의 특징을 요약하면, 1) LiCl-Li2O용융염 분위기에서 우수한 내식성을 나타내는 합금이고, 2) 합금원소중 Fe, Co, Mo을 제거하고 Cr, Si, Al, Nb 및 Ti양을 조절하여 LiCl-Li2O용융염내에서 안정한 산화피막을 형성하는 합금조성이며, 3) 발명을 통하여 조사된 합금원소함량은 Cr함량 12wt%이내, Si함량 5wt%이내, Al 함량 6wt%이내, Nb 2 wt%이내, Ti 0.5 wt% 이내로서, Fe, Co 및 Mo은 0.1, 0.06 및 0.01 wt% 이내로 최대한 감소시킨 조성이다. 4) 제조된 니켈 합금은 사용후핵연료의 처리시 뿐만 아니라 Ta2O5, TiO2, ZrO2 등 일반적인 공업재료의 환원시에도 활용 가능한 특징을 지닌다.To summarize the features of the nickel alloy development technology proposed in the present invention, 1) an alloy exhibiting excellent corrosion resistance in the atmosphere of LiCl-Li 2 O molten salt, 2) removing Fe, Co, Mo in the alloying elements, Cr, Si, It is an alloy composition that forms stable oxide film in LiCl-Li 2 O molten salt by controlling the amount of Al, Nb and Ti. 3) The alloying element content investigated through the invention is less than 12wt% Cr, less than 5wt% Si, The Al content is within 6 wt%, within 2 wt% of Nb, and within 0.5 wt% of Ti, and Fe, Co, and Mo are maximally reduced to within 0.1, 0.06, and 0.01 wt%. 4) The manufactured nickel alloy has the characteristics that can be used not only in the treatment of spent fuel but also in the reduction of general industrial materials such as Ta 2 O 5 , TiO 2 and ZrO 2 .

이하 본 발명을 하기의 실시예에 의해 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 일실시예로서 이들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples are not limited to the scope of the present invention by one embodiment of the present invention.

<실시예> <Examples>

상기를 바탕으로 하여 새로운 합금을 설계하였으며, 표 1과 같은 합금조성을 갖는 4가지의 Ni기 합금 잉곳을 제조하였다. 기존의 Ni기 초합금에서 흔히 첨가되는 고용강화 합금원소인 Fe, Co 및 Mo은 LiCl-Li2O용융염 분위기에서 높은 부식성을 나타내므로 본 합금설계시에는 배제되었다.Based on the above, a new alloy was designed, and four Ni-based alloy ingots having alloy compositions shown in Table 1 were prepared. Fe, Co, and Mo, the high-strength-reinforced alloying elements commonly added in conventional Ni-based superalloys, were excluded from the design of this alloy because they exhibit high corrosiveness in LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere.

표 1. 제조된 합금 조성Table 1. Manufactured Alloy Compositions

AlloyAlloy NiNi CrCr FeFe CoCo CC SiSi MnMn PP SS AlAl TiTi NbNb TaTa Mo*Mo * ZrZr YY N-1N-1 BalBal 12.112.1 0.110.11 0.0640.064 0.0610.061 1.91.9 <0.02<0.02 <0.005<0.005 <0.002<0.002 5.85.8 0.50.5 2.02.0 <0.003<0.003 --  --  -- N-2N-2 BalBal 12.212.2 0.150.15 0.060.06 0.040.04 4.94.9 <0.02<0.02 <0.005<0.005 <0.002<0.002 6.36.3 0.50.5 2.12.1 -- -- - - - - N-3N-3 BalBal 20.220.2 0.120.12 0.050.05 0.0360.036 4.54.5 <0.02<0.02 <0.02<0.02 <0.02<0.02 6.36.3 0.510.51 2.02.0 <0.003<0.003 -- - - - - N-4N-4 BalBal 12.112.1 0.110.11 0.0650.065 0.060.06 2.02.0 <0.02<0.02 <0.005<0.005 <0.002<0.002 5.85.8 0.500.50 22 <0.003<0.003 00 0.150.15 <0.05<0.05

합금의 제조는 각 조성별로 혼합된 원료 50kg을 아르곤 분위기에서 1700℃로 가열하여 용해한 후 예열된 금형에 부어 제조하였으며, 금형 상부에는 hot top을 설치하여 응고시 발생하는 수축공이 제품 내부에 발생하는 것을 방지하였다. 부식실험은 용융염의 출발원료인 LiCl-3%Li2O를 MgO 실험도가니에 넣고 아르곤 분위기에서 가열한 후 300℃ 근처에서 수분 pickup을 제거하기 위하여 약 3시간 동안 아르곤가스를 공급하면서 가열하였다. 이후 650oC로 가열하여 혼합 용융염을 제조하였다. 시편은 로내에 미리 장착하여 부식환경온도까지 도달하면 시편을 용융염에 침지시킨 후 용융염 중에 알루미나 튜브(6φ)를 통해 혼합가스를 공급하면서 부식실험을 행하였다. 부식환경온도는 전해환원공정이 이루어지는 650℃를 선택하였으며, 부식시험시간은 1∼9일, 2mL/min의 flow로 Ar-10%O2 혼합가스분위기에서 부식실험을 행하였다. 반응시간에 도달하면 시편을 용융염으로부터 분리시켜 아르곤 분위기에서 로냉한 후 시편을 증류수에서 초음파 세척하여 용융염을 제거하고 건조로에서 24시간 이상 건조한 다음 무게변화를 측정하였다. 부식생성물의 분석, 미세조직 관찰을 위해 XRD(X-Ray Diffractometer, Rigaku, DMAX/1200), SEM(Scanning Electron Microscope, Jeol, JSM-6300)과 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscope, Jeol, JSM-6300)를 사용하여 분석하였다.The alloy was prepared by heating 50 kg of the mixed raw materials of each composition at 1700 ℃ in an argon atmosphere, dissolving it, and then pouring it into a preheated mold. Prevented. Corrosion experiment was carried out by adding LiCl-3% Li 2 O, a starting material of molten salt, into an MgO test crucible and heating in an argon atmosphere while supplying argon gas for about 3 hours to remove water pickup near 300 ° C. Then heated to 650 o C to prepare a mixed molten salt. When the specimen was previously installed in the furnace and reached the corrosive environment temperature, the specimen was immersed in the molten salt, and then subjected to the corrosion test while supplying the mixed gas through the alumina tube (6φ) in the molten salt. The corrosion environment temperature was selected at 650 ° C where the electrolytic reduction process was carried out, and the corrosion test time was carried out in an Ar-10% O 2 mixed gas atmosphere at a flow rate of 2-9 / min for 1-9 days. When the reaction time was reached, the specimen was separated from the molten salt, cooled in an argon atmosphere, and the specimen was ultrasonically washed in distilled water to remove the molten salt, dried in a drying furnace for at least 24 hours, and then the weight change was measured. XRD (X-Ray Diffractometer, Rigaku, DMAX / 1200), SEM (Scanning Electron Microscope, Jeol, JSM-6300) and EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscope, Jeol, JSM- 6300).

일련의 부식실험을 통해 부식속도를 측정한 결과 도 3과 같이 기존 상용 니켈기 합금인 Inconel 713LC보다 내부식성이 월등히 향상된 합금을 제조할 수 있었으며, 공업적으로 요구되는 부식속도인 0.5㎜/yr보다도 낮은 부식속도를 얻을 수 있었다. 이렇게 N-1 및 N-2합금에서 우수한 내식성이 얻어진 이유는 도 4에 나타낸 바와 같이 LiCl-Li2O 용융염 내에서 각 합금원소로 구성된 산화피막이 형성되었기 때문인 것으로 확인되었으며, 반면 상대적으로 높은 부식속도를 나타낸 N-3 합금의 경우 높은 Cr함량으로 기인된 것으로 판단되는 합금원소의 불균일 분포가 관찰되었고, Si성분의 산화물이 표면에 존재하지 않는 것으로 관찰되었다. As a result of measuring the corrosion rate through a series of corrosion experiments, as shown in FIG. 3, an alloy with much higher corrosion resistance than the conventional commercially available nickel-based alloy Inconel 713LC could be manufactured, and it was better than the industrially required corrosion rate of 0.5 mm / yr. Low corrosion rates were obtained. The reason why the excellent corrosion resistance was obtained in the N-1 and N-2 alloys was because the oxide film composed of each alloying element was formed in the LiCl-Li 2 O molten salt as shown in FIG. In the case of the N-3 alloy exhibiting a velocity, a nonuniform distribution of alloying elements, which is believed to be due to high Cr content, was observed, and no oxide of Si component was observed on the surface.

상기에서의 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 당업자는 하기 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않은 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described with reference to the preferred embodiment of the present invention above, those skilled in the art to which the present invention pertains variously modified the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims. It will be appreciated that modifications and variations can be made.

본 발명의 합금은 기존의 재료가 산화저항성을 지니지 못하는 650℃의 LiCl-Li2O용융염 분위기에서 자체 합금성분에 의해 재료표면에 안정한 산화물 피막을 형성함으로서 전해환원분위기에서 장시간 안정성을 유지할 수 있어 양산처리규모의 전해환원장치를 개발하는데 크게 기여할 수 있다. 또한 제조된 니켈 합금은 사용후핵연료의 처리시 뿐만 아니라, Ta2O5, TiO2, ZrO2 등 일반적인 공업재료의 환원시에도 내부식 구조재로 활용되어 관련 기술의 산업화에도 크게 기여할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 크다.The alloy of the present invention can maintain a stable long-term stability in the electrolytic reduction atmosphere by forming a stable oxide film on the material surface by its alloying components in the 650 ℃ LiCl-Li 2 O molten salt atmosphere where the existing material does not have oxidation resistance It can greatly contribute to the development of electrolytic reduction apparatus of mass production scale. In addition, the manufactured nickel alloy is used as a corrosion-resistant structural material not only in the treatment of spent fuel but also in the reduction of general industrial materials such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , ZrO 2, and thus, can contribute to the industrialization of related technologies. High availability.

도 1은 FACTSage에 의해 계산된 Pseudo-binary Ni-Cr-Al-Si-Nb 합금 상태도 (20 wt% Cr)이다.Figure 1 is a pseudo-binary Ni-Cr-Al-Si-Nb alloy state diagram (20 wt% Cr) calculated by FACTSage.

도 2는 FACTSage에 의해 계산된 Pseudo-binary Ni-Cr-Al-Si-Nb 합금 상태도 (12 wt% Cr)이다.Figure 2 is a pseudo-binary Ni-Cr-Al-Si-Nb alloy state diagram (12 wt% Cr) calculated by FACTSage.

도 3은 설계된 합금의 650℃시험 온도에서의 부식속도이다.3 is the corrosion rate at 650 ° C. test temperature of the designed alloy.

도 4는 N-2합금의 부식실험후 시편의 표면 관찰 SEM-EDX분석결과이다.4 is a SEM-EDX analysis of the surface observation of the specimen after the corrosion test of the N-2 alloy.

Claims (7)

Fe 0.01∼0.1wt%, Co 0.01∼0.1wt%, Mo 0.01∼0.1wt%, Cr 0.5∼20wt%, Si 0.5∼5wt%, Al 1∼7wt%, Nb 0.5∼2wt%, Ti 0.1∼0.5wt% 및 잔부의 니켈로 이루어져 LiCl-Li2O 용융염내에서 안정한 산화피막을 형성하는 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금.Fe 0.01 to 0.1 wt%, Co 0.01 to 0.1 wt%, Mo 0.01 to 0.1 wt%, Cr 0.5 to 20 wt%, Si 0.5 to 5 wt%, Al 1 to 7 wt%, Nb 0.5 to 2 wt%, Ti 0.1 to 0.5 wt An alloy for oxidation resistant structural materials of spent fuel electrolytic reduction apparatus comprising a% and the balance nickel to form a stable oxide film in a LiCl-Li 2 O molten salt. 삭제delete 제1항에 있어서, 합금은 산화물 사용후핵연료의 전해환원공정에의 전극 또는 도가니의 구조재 용도로 적용하는 것을 특징으로 하는 합금.The alloy according to claim 1, wherein the alloy is applied to structural materials of electrodes or crucibles in an electrolytic reduction process of oxide spent fuel. 제1항에 있어서, 합금은 Ta2O5, TiO2, ZrO2의 일반 공업재료의 환원시 전극 또는 도가니의 구조재 용도로 적용하는 것을 특징으로 하는 합금.The alloy according to claim 1, wherein the alloy is applied to structural materials of electrodes or crucibles in reduction of general industrial materials of Ta 2 O 5 , TiO 2 , ZrO 2 . Fe 0.01∼0.1wt%, Co 0.01∼0.1wt%, Mo 0.01∼0.1wt%, Cr 0.5∼20wt%, Si 0.5∼5wt%, Al 1∼7wt%, Nb 0.5∼2wt%, Ti 0.1∼0.5wt% 및 잔부의 니켈을 혼합하고 아르곤 분위기에서 1700℃로 가열하여 용해한 후 예열된 금형에 부어 합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 전해환원장치의 산화저항성 구조재료용 합금의 제조방법.Fe 0.01 to 0.1 wt%, Co 0.01 to 0.1 wt%, Mo 0.01 to 0.1 wt%, Cr 0.5 to 20 wt%, Si 0.5 to 5 wt%, Al 1 to 7 wt%, Nb 0.5 to 2 wt%, Ti 0.1 to 0.5 wt A method for producing an alloy for oxidation resistant structural materials of spent fuel electrolytic reduction apparatus, characterized by mixing% and the balance of nickel, heating to 1700 ° C. in an argon atmosphere, and then dissolving it in a preheated mold. 삭제delete 삭제delete
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