KR101436499B1 - Fabrication method of burnable absorber nuclear fuel pellet using rapid sintering, and the burnable absorber nuclear fuel pellet thereby - Google Patents

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본 발명은 급속소결을 통한 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체에 관한 것으로, 상세하게는 이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2) 및 이산화토륨(ThO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵연료 분말에 보론화합물을 첨가하고 혼합하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 가열로 내에 장입한 후, 수소분위기하에서 15 내지 60 ℃/분의 승온속도로 가열로를 승온시키는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에 이어서 가열로 내에 장입된 성형체를 소결하는 단계(단계 4);를 포함하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 급속소결을 통한 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법은 소결을 수행하기 위한 소결온도까지 온도를 급격히 승온시킴으로써, 기존의 제조공정과 비교하여 현저히 낮은 저온에서도 소결을 수행할 수 있으며, 종래보다 낮은 저온에서 소결이 수행되었음에도 보론이 휘발되는 것을 억제하고 90% 이상의 소결밀도를 가지는 소결체를 제조할 수 있다. The present invention relates to a production method and hence the combustible absorbing nuclear fuel sintered bodies prepared in accordance with the combustible absorbing nuclear fuel sintered bodies by sintering rapid, specifically uranium dioxide (UO 2), Plutonium (IV) oxide (PuO 2), and thorium dioxide (ThO 2) (Step 1); adding the boron compound to at least one fuel powder selected from the group consisting of: A step (2) of forming a molded body by molding the mixed powder mixed in the step 1; (Step 3) heating the furnace at a heating rate of 15 to 60 DEG C / min under a hydrogen atmosphere after charging the formed body manufactured in step 2 into a heating furnace; And a step (S 4) of sintering the molded body charged in the heating furnace, following the step 3, to obtain a combustible absorbing nuclear fuel sintered body. According to the method of manufacturing a combustible absorbing fuel sintered body through rapid sintering according to the present invention, sintering can be performed at a significantly low temperature as compared with conventional manufacturing processes by rapidly raising the temperature to a sintering temperature for sintering, It is possible to manufacture a sintered body having a sintered density of 90% or more while suppressing volatilization of boron even when sintering is performed at a low low temperature.

Description

급속소결을 통한 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체{Fabrication method of burnable absorber nuclear fuel pellet using rapid sintering, and the burnable absorber nuclear fuel pellet thereby}[0001] The present invention relates to a flame retardant absorbent nuclear fuel pellet, and more particularly, to a flame retardant absorbent nuclear fuel pellet obtained by the rapid sintering method,

본 발명은 급속소결을 통한 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing a combustible absorbing fuel sintered body through rapid sintering and a combustible absorbing nuclear fuel sintered body produced thereby.

이산화우라늄(UO2) 소결체(sintered pellet)는 핵연료로서 가장 널리 사용되는 소결체로서, 이산화우라늄 소결체는 U235를 1 내지 5 중량% 포함하며, U235가 중성자에 의해서 붕괴되면서 핵분열 에너지를 발생한다. 원자로심의 운전주기가 길어질수록 원자로심의 가동률이 높아져서 경제적인 이득이 된다. 원자로심의 운전주기를 늘리기 위해서는 노심 안에 핵분열성 물질을 가능한한 많이 장전하는 것이 유리하지만 핵분열성 물질이 많아지면 주기초에 반응도가 너무 높아져서 원자로심의 안전성에 나쁜 영향을 준다. 따라서 상기 이산화우라늄 소결체 외에도, 중성자의 조절을 위해서 가돌리늄(Gd) 또는 어븀(Er)과 같이 중성자의 흡수력이 매우 큰 가연성 흡수물질을 포함하는 가연성 흡수 소결체가 사용될 수 있으며, 가연성 흡수물질이 독성을 나타냄에 따라 상기 가연성 흡수 소결체를 가연성 독봉(poison rod)라고도 한다.
Uranium dioxide (UO 2) a sintered body (sintered pellet) is a sintered body that is most widely used as a nuclear fuel, uranium dioxide sintered body comprising 1 to 5% by weight of U 235, while the U 235 decay by neutron generates a fission energy. As the operation cycle of the reactor core becomes longer, the operating rate of the reactor core becomes higher, which is economically advantageous. It is advantageous to install as many fissile materials as possible in the core to increase the operation cycle of the reactor core. However, if the number of fissile materials increases, the reactivity to the main foundation becomes too high, which adversely affects the safety of the reactor core. Therefore, in addition to the uranium dioxide sintered body, a combustible absorbing sintered body including a combustible absorbing material having a very high absorbency of neutrons such as gadolinium (Gd) or erbium (Er) may be used for controlling neutrons. The combustible absorption sintered body is also referred to as a combustible poison rod.

이러한, 가연성 흡수 소결체(또는 가연성 독봉)에 있어서, 가연성 흡수물질로써 B4C 등의 보론(B) 화합물을 이산화우라늄에 균질하게 첨가하여 가연성 흡수 소결체를 제조하려는 연구가 미국의 Combustion Eng. LTD에 의하여 1960년대 말에 시도된 바 있으나, 소결 중 UO2 분말의 잉여 산소가 보론과 반응하여 녹는점, 끓는점이 낮은 B2O3를 형성하여 휘발하는 문제가 있으며, 10B + 1n → 11B(excited state) → 4He + 7Li 반응시 생성되는 헬륨으로 인한 내압 상승 문제가 있다. In this combustible absorbing sintered body (or combustible poison rod), a study to produce a flammable absorbing sintered body by homogeneously adding boron (B) compound such as B 4 C as a combustible absorbing material to uranium dioxide is disclosed in Combustion Eng. LTD, it was tried at the end of the 1960s. However, there is a problem that excess oxygen of UO 2 powder melts and reacts with boron during sintering, and B 2 O 3 having low boiling point is formed and volatilized, and 10 B + 1 n → 11 B (excited state) → 4 He + 7 There is a problem of an increase in the internal pressure due to helium generated in the Li reaction.

한편, 상기 Combustion Eng. LTD의 연구에서는 UO2-B4C 성형체의 산화 거동을 325 ℃ - 1600 ℃ 범위에서 관찰하였다. 이때, B4C의 UO2 내 잉여 산소와의 산화 반응은 시험온도 전 구간에서 일어나는 것으로 확인되었으며, 생성된 B2O3는 1200 ℃ 이하에서는 거의 휘발하지 않는 것으로 보고되었다. 또한, 휘발하지 않고 남은 잔류 보론 화합물은 1250 ℃에서 1300 ℃ 사이의 온도에서 UB4 상을 형성하여 UO2 내에 존재한다고 보고되었다. 하지만, 소결 중 휘발율이 매우 크기 때문에 가연성 흡수 소결체로 역할을 할 수 있을 정도의 보론양을 소결체 내에 잔류시키기 위해서는, 휘발량을 고려하여 과량의 잉여 보론 화합물을 초기에 첨가하여야 하였다. 그러나, 이 경우에도 과량의 보론 휘발에 의한 소결체 밀도가 심각하게 저하되는 문제가 있어 1600 ℃의 온도에서 소결하더라도 90 %TD(이론밀도) 이상의 소결 밀도를 얻을 수 없었다.
On the other hand, the Combustion Eng. The oxidation behavior of UO 2 -B 4 C compacts was observed in the range of 325 ℃ -1600 ℃. At this time, the oxidation reaction of B 4 C with UO 2 in UO 2 was confirmed to occur throughout the test temperature, and the produced B 2 O 3 was reported to be almost not volatilized below 1200 ° C. It is also reported that the residual boron compound left without volatilization forms UB 4 phase at a temperature between 1250 ° C and 1300 ° C and exists in UO 2 . However, in order to retain the amount of boron in the sintered body to such an extent that it can serve as a combustible absorption sintered body, excessive excess boron compounds have to be added in consideration of volatilization amount. However, even in this case, there is a problem that the density of the sintered body due to excessive boron volatilization is seriously degraded, and even if sintering is carried out at a temperature of 1600 ° C, the sintered density exceeding 90% TD (theoretical density) can not be obtained.

이후, 독일의 Kraftwerk Union Aktiengesellschaft는 미국 등록특허 제4774051호에서 나타낸 바와 같이, 2 - 100 μm 크기의 UBx (X=2, 4, 12) 및 B4C 분말 각각을 15 μm 크기의 UO2 분말과 혼합한 후, 이들 각각을 환원 분위기 및 약산화성 분위기에서 소결하여 보론이 균질하게 분산된 소결체를 제조하였음을 보고한 바 있다. UBx(X=2, 4, 12) 분말을 미리 합성하여 UO2 분말과 혼합한 후, 수소 기체 등의 환원 분위기를 이용하여 기존의 소결체 생산온도와 유사한 1700 ℃에서 소결하여 95%TD 이상의 소결밀도를 가지는 소결체를 제조하였다고 보고하였지만, UBx 분말을 미리 합성해야하는 문제점이 있어 기존의 핵연료 소결체 제조 공정상 이를 적용하기 어려운 문제가 있었다. Kraftwerk Union Aktiengesellschaft of Germany, as described in U.S. Patent No. 4774051, each of UB x (X = 2, 4, 12) and B 4 C powders having a size of 2 - And then sintered in a reducing atmosphere and a weakly oxidizing atmosphere to prepare a sintered body in which boron is homogeneously dispersed. UB x (X = 2, 4, 12) powders were preliminarily synthesized and mixed with UO 2 powder, and sintered at 1700 ° C similar to the conventional sinter production temperature using a reducing atmosphere such as hydrogen gas, Density sintered body, but the UB x There is a problem in that it is difficult to apply it in the manufacturing process of the conventional nuclear fuel sintered body.

또한, CO2 기체를 이용한 약산화성 분위기에서 1150 ℃의 저온으로 소결을 수행하는 경우, 소결 밀도가 95 %TD(이론밀도) 이상인 보론이 균질하게 분산된 소결체를 제조할 수 있음이 보고된 바 있으며, 이는 UO2를 약산화성 분위기에서 소결할 때 일어나는 하기의 2가지 전형적인 현상에 기인하는 것으로 판단된다. It has also been reported that when sintering is carried out at a low temperature of 1150 ° C in a weakly oxidizing atmosphere using CO 2 gas, a sintered body in which boron having a sintered density of 95% TD (theoretical density) or more is uniformly dispersed can be produced , Which is believed to be due to the following two typical phenomena occurring when sintering UO 2 in a weakly oxidizing atmosphere.

약산화성 분위기 소결 중에는, AUC-UO2에서 일어나는 매우 빠른 속도의 결정립 입계 이동(비정상 입자성장) 현상으로 인하여 저온에서 B4C가 결정립 내부로 포획되는 효과가 있을 수 있다. 또한, CO2 기체 분위기는 환원성 기체 분위기보다 산소 분압이 높기 때문에 UO2의 산소/금속원소(O/U)비가 높아지고, U 확산 계수를 증가시킴에 따라 B2O3의 휘발이 현저하지 않은 저온(1150 ℃)에서도 UO2 성형체를 고밀도로 치밀화 시킬 수 있다. 이에 따라, 개기공율을 감소시킬 수 있고 B2O3가 휘발하여 소결체를 빠져나갈 수 있는 통로를 제거하기 때문에, 보론이 휘발되는 것을 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 파악되고 있다.During the weakly oxidizing atmosphere sintering, B 4 C may be trapped in the crystal grains at a low temperature due to grain boundary migration (abnormal grain growth) phenomenon occurring at a very high rate in AUC-UO 2 . In addition, CO 2 gas atmosphere is a low temperature because of the high oxygen partial pressure than a reducing gas atmosphere of oxygen / metal element (O / U) of the UO 2 ratio is increased, that volatilization of B 2 O 3 do not significantly in accordance with the increase of the U diffusion coefficient (1150 ° C), the UO 2 compact can be densified with high density. As a result, it is understood that the porosity can be effectively suppressed because the open porosity can be reduced, and the passage through which the B 2 O 3 is volatilized and exits the sintered body is removed.

하지만, 이는 AUC 공정(습식공정)으로 제조된 UO2 분말 특유의 현상으로 현재 국내에서 사용하고 있는 DC-UO2 분말에는 적용이 어렵다. 또한, 제조 측면에서 CO2 기체를 소결 분위기 기체로 사용하므로 수소기체를 사용하여 환원성 분위기 소결을 이용하는 기존 핵연료 소결체 제조 공정과의 양립성 문제가 있으며, 확산도가 낮은 CO2 기체가 소결체의 기공 내에 포획됨으로 인하여 핵연료 연소중 팽윤이 심각해지는 문제가 있다.
However, this is a unique phenomenon of UO 2 powder produced by the AUC process (wet process) and it is difficult to apply it to the DC-UO 2 powder currently used in the domestic market. In addition, since CO 2 gas is used as a sintering atmosphere gas in the production aspect, there is a problem of compatibility with existing fuel sintering process using hydrogen gas and reducing atmosphere sintering. CO 2 gas having low diffusion is trapped in the pores of the sintered body There is a problem that the swelling becomes serious during the combustion of the fuel.

이와 같은 이유로 보론이 균질하게 분산된 가연성 흡수 소결체가 상용 경수로에서 사용된 사실이 보고된 바가 없으며, 현재 상용 경수로에서는 보론을 표면에 코팅한 형태의 소결체만 사용되고 있는 실정이며, 국내에서는 UO2에 SiB4를 균질하게 첨가하여 일체형 독봉 소결체를 제조하려는 연구가 시도된 바 있으나 이를 상용화하려는 시도는 없는 상태이다.For this reason, not the boron is homogeneously distributed combustible absorption sintered body is the fact that in the commercial light water reactor reported bar, a situation that is being used, only a sintered body of a form coated on the surface of the boron in the current commercial light water reactor, in the domestic SiB to UO 2 4 is uniformly added to the sintered body to produce an integral type sintered body, there has been no attempt to commercialize it.

또한, 현재 가연성 흡수 소결체에 가장 보편적으로 사용되고 있는 가돌리늄(Gd)은 최근 가격 급등으로 인하여 수급이 불안정한 실정으로, 이를 대비하기 위한 방안이 요구되고 있는 실정이다.
In addition, gadolinium (Gd), which is currently most commonly used in a combustible sintered body, is in a state of unstable supply and demand due to recent surge in price, and a method for preparing it is required.

본 발명의 목적은 수급이 불안정한 가돌리늄을 대체하여 보론화합물을 첨가하여 가연성 흡수 소결체를 제조하되, 보론의 휘발이 현저히 일어나지 않도록 저온의 수소분위기에서 소결을 수행하여 90 %TD 이상의 높은 소결 밀도를 나타내는 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하는 제조방법 및 이에 따라 제조되는 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제공하는 데 있다.
An object of the present invention is to provide a flammable absorbing sintered body by replacing gadolinium with unstable gadolinium which is unstable in supply and demand by performing sintering in a low temperature hydrogen atmosphere so as not to cause significant volatilization of boron, Absorbing fuel sintered body and a combustible absorbing nuclear fuel sintered body produced thereby.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은In order to achieve the above object,

이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2) 및 이산화토륨(ThO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵연료 분말에 보론화합물을 첨가하고 혼합하는 단계(단계 1);Uranium dioxide (UO 2), plutonium dioxide (PuO 2), and thorium dioxide (ThO 2) adding a boron compound are mixed in the nuclear fuel powder at least one member selected from the group consisting of (Step 1);

상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2);A step (2) of forming a molded body by molding the mixed powder mixed in the step 1;

상기 단계 2에서 제조된 성형체를 가열로 내에 장입한 후, 수소분위기하에서 15 내지 60 ℃/분의 승온속도로 가열로를 승온시키는 단계(단계 3); 및 (Step 3) heating the furnace at a heating rate of 15 to 60 DEG C / min under a hydrogen atmosphere after charging the formed body manufactured in step 2 into a heating furnace; And

상기 단계 3에 이어서 가열로 내에 장입된 성형체를 소결하는 단계(단계 4);를 포함하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법을 제공한다.
And a step (S 4) of sintering the molded body charged in the heating furnace, following the step 3, to produce a combustible absorbing nuclear fuel sintered body.

또한, 본 발명은 상기 제조방법을 통해 제조되어 보론 화합물이 균질하게 분산된 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제공한다.
The present invention also provides a combustible absorbing nuclear fuel sintered body produced through the above-described method and having a boron compound homogeneously dispersed therein.

본 발명에 따른 급속소결을 통한 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법은 소결을 수행하기 위한 소결온도까지 온도를 급격히 승온시킴으로써, 기존의 제조공정과 비교하여 현저히 낮은 저온에서도 소결을 수행할 수 있으며, 종래보다 낮은 저온에서 소결이 수행됨에 따라 보론이 휘발되는 것을 억제하고, 종래의 높은 소결온도에서 제조되는 소결체와 같이 90% 이상의 소결밀도를 가지는 소결체를 제조할 수 있다.
According to the method of manufacturing a combustible absorbing fuel sintered body through rapid sintering according to the present invention, sintering can be performed at a significantly low temperature as compared with conventional manufacturing processes by rapidly raising the temperature to a sintering temperature for sintering, As the sintering is performed at a low temperature, boron is prevented from being volatilized and a sintered body having a sintered density of 90% or more like that of a sintered body manufactured at a conventional high sintering temperature can be produced.

도 1은 승온속도에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체의 소결밀도를 비교한 그래프이고;
도 2는 보론화합물의 첨가에 따른 소결밀도 변화를 나타낸 그래프이다.
1 is a graph comparing sintering densities of combustible absorbing nuclear fuel sintered bodies according to a heating rate;
FIG. 2 is a graph showing changes in sintered density with addition of a boron compound. FIG.

본 발명은The present invention

이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2) 및 이산화토륨(ThO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵연료 분말에 보론화합물을 첨가하고 혼합하는 단계(단계 1);Uranium dioxide (UO 2), plutonium dioxide (PuO 2), and thorium dioxide (ThO 2) adding a boron compound are mixed in the nuclear fuel powder at least one member selected from the group consisting of (Step 1);

상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2); A step (2) of forming a molded body by molding the mixed powder mixed in the step 1;

상기 단계 2에서 제조된 성형체를 가열로 내에 장입한 후, 수소분위기하에서 15 내지 60 ℃/분의 승온속도로 가열로를 승온시키는 단계(단계 3); 및 (Step 3) heating the furnace at a heating rate of 15 to 60 DEG C / min under a hydrogen atmosphere after charging the formed body manufactured in step 2 into a heating furnace; And

상기 단계 3에 이어서 가열로 내에 장입된 성형체를 소결하는 단계(단계 4);를 포함하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법을 제공한다.
And a step (S 4) of sintering the molded body charged in the heating furnace, following the step 3, to produce a combustible absorbing nuclear fuel sintered body.

이하, 본 발명에 따른 가연성 흡수핵연료 소결체의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing the combustible SAR fuel assembly according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법에 있어서, 단계 1은 이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2) 및 이산화토륨(ThO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵연료 분말에 보론화합물을 첨가하고 혼합하는 단계이다. In the combustible absorbing nuclear fuel sintered body production process according to the present invention, step 1 is uranium dioxide (UO 2), Plutonium (IV) oxide (PuO 2), and thorium dioxide (ThO 2) a boron compound in the nuclear fuel powder at least one member selected from the group consisting of Is added and mixed.

가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조함에 있어서, 현재 가장 보편적으로 사용되고 있는 가연성 중성자 흡수물질은 가돌리늄(Gd)이다. 그러나, 가돌리늄은 최근 가격이 급등하고 있는 희토류 금속 중 하나로써, 다양한 산업분야에서 가돌리늄이 요구됨에 가격이 더욱 높아질 것으로 예상되며 이에 따라 점차 가돌리늄의 수급이 어려워 질 것으로 예측된다. 따라서, 현재의 가돌리늄을 대체하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하는 방안이 요구되고 있다.In the production of combustible absorbing fuel sintered bodies, gadolinium (Gd) is the most commonly used combustible neutron absorbing material at present. However, gadolinium is one of the rare earth metals whose prices have surged recently, and it is expected that gadolinium will be required in various industrial fields, and the price will be further increased, and it is predicted that the supply and demand of gadolinium will gradually become difficult. Therefore, there is a demand for a method of manufacturing a combustible absorbing fuel sintered body replacing the present gadolinium.

이에, 본 발명에 따른 상기 단계 1에서는 가돌리늄과 비교하여 저가이며, 구입하기 용이한 보론화합물을 핵연료 분말에 첨가하고 이를 혼합함으로써 원료분말을 제조한다. In the step 1 according to the present invention, a boron compound which is inexpensive and easy to purchase as compared with gadolinium is added to the nuclear fuel powder and mixed to prepare a raw material powder.

상기 보론화합물은 소결 중 UO2 내의 잉여 산소, 수분 등과 반응하여 B2O3를 형성하며, 종래 기술에 따르면 높은 소결 밀도를 얻기 위하여 약산화성 분위기에서 소결하는 경우, 기존의 소결체 양산 공정과 양립성이 없는 문제가 있었다. 아울러, 수소 분위기와 같은 환원성 분위기에서 고온으로 소결하는 경우에는 보론의 휘발이 가속되는 문제가 있었다. 즉, 환원성 분위기 소결에 있어서, 종래기술에 따르면 보론 화합물을 첨가한 UO2 소결체의 소결 밀도는 같은 조건에서 소결한 UO2 소결체의 소결 밀도보다 현저히 낮았다. The boron compound reacts with surplus oxygen, moisture and the like in UO 2 during sintering to form B 2 O 3. According to the prior art, when sintering in a weakly oxidizing atmosphere to obtain a high sintering density, the boron compound is compatible with the conventional sintering process There was no problem. In addition, when sintering at a high temperature in a reducing atmosphere such as a hydrogen atmosphere, the volatilization of boron is accelerated. That is, in the reducing atmosphere sintering, the sintered density of the UO 2 sintered body to which the boron compound is added is significantly lower than that of the UO 2 sintered body sintered under the same conditions.

반면, 본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법에서는 기존 소결체 양산 공정인 수소분위기 소결을 이용하면서 B2O3 휘발이 현저하지 않은 저온에서 보론 화합물이 첨가된 UO2를 치밀화시켜 소결체를 제조하며, 이 경우 보론 화합물이 첨가된 UO2의 소결이 보론 화합물을 첨가하지 않은 순수한 UO2의 소결보다 촉진될 수 있음을 발견하였다. 이는 B2O3가 액상 형태로 존재함에 따라, 더 빠른 물질이동 통로를 제공할 수 있는 액상 소결이 수행되고, 상기 액상 소결이 수행됨에 따라 UO2의 치밀화가 이루어지기 때문이다. On the other hand, in the method of manufacturing a combustible absorbing fuel sintered body according to the present invention, the sintered body is manufactured by densifying UO 2 to which a boron compound is added at a low temperature at which B 2 O 3 volatilization is not remarkable, , In which case the sintering of UO 2 with boron compounds can be promoted rather than the sintering of pure UO 2 without addition of boron compounds. This is because the liquid phase sintering that can provide a faster mass transfer path is performed as B 2 O 3 is present in the form of a liquid phase, and the densification of UO 2 is performed as the liquid phase sintering is performed.

따라서, 상기 단계 1의 보론 화합물로는 UO2 내의 잉여 산소, 수분 등과 반응하여 B2O3를 형성할 수 있는 보론카바이드(B4C), 티타늄디보라이드(TiB2), 지르코늄디보라이드(ZrB2), 보론나이트라이드(BN) 등을 사용할 수 있고, 보론나이트라이트를 사용하는 것이 바람직하나 이에 제한되지 않으며, 소결 중 UO2의 잉여산소와 반응하여 B2O3를 형성할 수 있는 모든 보론 화합물을 사용할 수 있다.
Therefore, the boron compound of the step 1 may be boron carbide (B 4 C), titanium diboride (TiB 2 ), zirconium diboride (ZrB), or the like, which can react with excess oxygen, moisture and the like in UO 2 to form B 2 O 3 2 ), boron nitride (BN) or the like can be used. However, it is preferable to use boron nitride, but not limited thereto, and all the boron compounds capable of forming B 2 O 3 by reacting with excess oxygen of UO 2 during sintering Compounds may be used.

한편, 상기 단계 1에서 핵연료 분말로 사용될 수 있는 이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2), 이산화토륨(ThO2)은 동일한 격자구조를 가지는 핵연료 물질들로써, 이들을 적절히 혼합하여 사용하거나, 1종의 핵연료 물질을 단독으로 사용할 수 있다. On the other hand, deulrosseo nuclear fuel material having a uranium dioxide, which can be used as nuclear fuel powder (UO 2), Plutonium (IV) oxide (PuO 2), thorium dioxide (ThO 2) has the same grating structure in the above step 1, using the appropriate combination thereof, or 1 The species fuel material may be used alone.

또한, 보론카바이드(B4C), 티타늄디보라이드(TiB2), 지르코늄디보라이드(ZrB2), 보론나이트라이드(BN) 등이 사용되는 상기 단계 1의 보론화합물은 핵연료 분말에 대하여 0.01 내지 5 중량%의 함량으로 첨가되는 것이 바람직하다. 보론화합물이 핵연료 분말에 대하여 0.01 중량% 미만의 함량으로 첨가되는 경우에는 보론에 의한 중성자 흡수능을 나타내기 어려운 문제가 있고, 보론화합물이 핵연료 분말에 대하여 5 중량%를 초과하는 함량으로 첨가되는 경우에는 과량의 보론화합물이 첨가됨에 따라 소결체의 연소 중 팽윤에 따른 봉내압 상승이 심각한 수준까지 도달할 수 있는 문제가 있다.
In addition, boron carbide (B 4 C), titanium diboride (TiB 2 ), zirconium diboride (ZrB 2 ) The boron compound of step 1 in which boron nitride (BN) or the like is used is preferably added in an amount of 0.01 to 5% by weight based on the nuclear fuel powder. In the case where the boron compound is added in an amount of less than 0.01 wt% based on the nuclear fuel powder, there is a problem that it is difficult to exhibit the neutron absorbing ability by boron. When the boron compound is added in a content exceeding 5 wt% As the excess boron compound is added, there is a problem that the increase in the inner pressure of the sinter due to the swelling of the sintered body during combustion can reach a serious level.

상기 단계 1의 혼합은 터뷸러 믹서(tubular mixer), V형 믹서(V-mixer), 아트릭션 밀, 볼밀 등의 장치를 통해 수행될 수 있으며, 균질한 혼합분말을 제조할 수 있는 장치라면 이에 제한되는 것은 아니다.
The mixing of the step 1 can be carried out through a device such as a tubular mixer, a V-mixer, an electric mill or a ball mill. If the device is capable of producing a homogeneous mixed powder, But is not limited thereto.

본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계로, 단계 2의 성형을 통해 보론 화합물이 균질하게 분산된 성형체를 제조할 수 있다.In the method of manufacturing a combustible absorbing fuel assembly according to the present invention, step 2 is a step of forming a mixed powder by mixing mixed powder in step 1, and forming a molded article in which a boron compound is uniformly dispersed can do.

이때, 상기 성형은 1 내지 5 ton/cm2의 압력을 가하여 수행될 수 있다. 상기 성형압력이 1 ton/cm2 미만인 경우에는, 혼합분말이 충분히 압축되지 않아 건전성이 취약하며 성형체를 취급하기 어려운 문제가 있다. 상기 성형 압력이 5 ton/cm2를 초과하는 경우에는, 과도한 압력으로 압축함에 따라 최종 소결 밀도에 큰 영향을 미치지 못하면서 성형 몰드의 마모만을 심화시키는 문제가 발생할 수 있다. At this time, the molding may be performed by applying a pressure of 1 to 5 ton / cm 2 . When the molding pressure is 1 ton / cm 2 , There is a problem that the mixed powder is not sufficiently compressed so that the integrity is poor and the molded body is difficult to handle. If the molding pressure exceeds 5 ton / cm 2 , the final sintering density is not significantly affected by excessive pressure, and wear of the molding mold may be increased.

또한, 상기 성형을 수행하는 온도는 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들어 상온에서 수행될 수 있으며, 성형체의 건전성 및 소결밀도에 큰 영향을 미치지 않는 범위 내에서 적절한 온도로 수행될 수 있다. The temperature at which the above-described molding is performed is not particularly limited, but may be performed at an appropriate temperature within a range that can be performed at room temperature and does not greatly affect the integrity of the molded body and the sintered density.

나아가, 상기 성형은 압축성형과 같은 통상적인 방법으로 수행될 수 있으며, 성형을 통해 제조된 성형체는 후속 공정에 적합한 원통형인 것이 일반적이다. 이때, 원통형 이외에도 성형체 형태는 연료봉내 압력 상승을 억제하기 위하여 여러가지 형태로 제작될 수 있으며, 연료봉내 압력 상승을 억제하기 위해서는 원통형(환형의 원기둥 형태)가 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
Furthermore, the molding can be performed by a conventional method such as compression molding, and the molded body produced through molding is generally cylindrical in shape suitable for the subsequent processing. At this time, in addition to the cylindrical shape, the shape of the molded body may be variously formed to suppress the pressure rise in the fuel rod, and a cylindrical shape (annular cylindrical shape) is preferably used to suppress the pressure rise in the fuel rod.

본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 가열로 내에 장입한 후, 수소분위기하에서 15 내지 60 ℃/분의 승온속도로 가열로를 승온시키는 단계로, 상기 수소분위기는 순수한 수소가스만을 이용하여 조성될 수 있으며, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 수증기 등의 기체를 더 포함할 수 있다.In the method for manufacturing a combustible absorbing fuel sintered body according to the present invention, step 3 is a step of heating the heating furnace at a temperature raising rate of 15 to 60 캜 / min under a hydrogen atmosphere after charging the formed body manufactured in step 2 in a heating furnace The hydrogen atmosphere may be formed using only pure hydrogen gas, and may further include a gas such as argon, nitrogen, carbon dioxide, water vapor, or the like.

가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하는 종래 방법에서는 첨가된 가돌리늄(Gd)의 첨가량에 따라 3 내지 10 ℃/분의 승온속도로 소결체를 가열하고, 1700 내지 1800 ℃의 소결온도에서 4 내지 8시간 동안 소결을 수행하는 것이 일반적이었다. 즉, 소결체를 제조하는 생산성 측면에서는 빠른 승온속도로 소결체를 가열하여야 하지만, 종래 방법과 같이 1700 내지 1800 ℃의 고온에서 소결을 수행하는 경우, 빠른 승온속도로 인하여 소결체가 파손되는 문제가 발생할 수 있으며, 첨가된 가돌리늄의 고용도 및 결정립 크기 등을 고려하여 3 내지 10 ℃/분의 승온속도로 소결체를 제조하였다. In the conventional method of manufacturing the flammable absorbent fuel sintered body, the sintered body is heated at a heating rate of 3 to 10 ° C / min depending on the amount of added gadolinium (Gd), and sintered at a sintering temperature of 1700 to 1800 ° C for 4 to 8 hours It was common to perform. That is, the sintered body must be heated at a rapid heating rate in view of the productivity of producing the sintered body. However, when the sintering is performed at a high temperature of 1700 to 1800 ° C as in the conventional method, , The solubility of the added gadolinium and the grain size and the like were taken into consideration, and the sintered body was manufactured at a heating rate of 3 to 10 DEG C / min.

반면, 상기 단계 3에서는 성형체를 가열로 내에 장입한 후, 15 내지 60 ℃/분, 바람직하게는 20 내지 45 ℃/분, 더욱 바람직하게는 20 내지 30 ℃/분의 승온속도로 빠르게 가열로를 승온시킨다. 이는 종래 방법보다 빠른 승온속도로 성형체를 가열하는 것으로, 이를 통해 소결공정을 빠르게 수행할 수 있어 생산성을 향상시키는 효과가 있다. On the other hand, in the step 3, after the molded body is charged into the heating furnace, the furnace is rapidly heated at a temperature raising rate of 15 to 60 ° C / min, preferably 20 to 45 ° C / min, more preferably 20 to 30 ° C / Lt; / RTI > This is because the shaped body is heated at a higher heating rate than that of the conventional method, and the sintering process can be performed quickly thereby improving the productivity.

이때, 상기 단계 3에서 승온되는 온도는 1000 내지 1500 ℃, 바람직하게는 1000 내지 1400 ℃, 더욱 바람직하게는 1000 내지 1300 ℃이다. 상기 온도범위는 종래 수소분위기에서 소결을 수행하였던 온도인 1700 내지 1800 ℃보다 낮은 온도이며, 이를 통해 고온에서 소결이 수행되는 경우 보론화합물이 급격히 휘발되는 문제가 있었던 것을 방지할 수 있다. 또한, 상대적으로 낮은 1000 내지 1500 ℃까지 승온함으로써, 승온속도가 빠름에도 불구하고 소결체가 파손되는 문제가 나타나지 않는다.In this case, the temperature at which the temperature is raised in step 3 is 1000 to 1500 占 폚, preferably 1000 to 1400 占 폚, and more preferably 1000 to 1300 占 폚. The temperature range is lower than 1700 to 1800 ° C, which is the temperature at which sintering was performed in the conventional hydrogen atmosphere, thereby preventing the boron compound from being rapidly volatilized when sintering is performed at a high temperature. Further, by raising the temperature to a relatively low level of 1000 to 1500 ° C., there is no problem that the sintered body is broken even though the temperature increase rate is fast.

단계 3에서 승온되는 온도는 첨가된 보론화합물의 양에 따라 적절히 선택하여 설정할 수 있으며, 보론 화합물의 첨가량이 많을 경우 일정량의 B2O3를 형성하고 남은 보론 화합물이 많아지므로 치밀화를 방해하는 힘이 커져 높은 소결온도가 요구된다. 이때, 상기 단계 3에서 승온되는 온도가 1000 ℃ 미만인 경우에는 소결을 통해 제조되는 소결체의 밀도가 저하되는 문제가 있으며, 상기 단계 3에서 승온되는 온도가 1500 ℃를 초과하는 경우에는 소결 시 첨가된 보론이 휘발되는 문제가 있다.
The temperature at which the temperature is raised in step 3 can be appropriately selected according to the amount of the boron compound added. If the boron compound is added in a large amount, a certain amount of B 2 O 3 is formed and the remaining boron compound is increased. A high sintering temperature is required. If the temperature of the step 3 is lower than 1000 ° C., the density of the sintered body produced through sintering is lowered. If the temperature of the step 3 is higher than 1500 ° C., There is a problem of volatilization.

본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에 이어서 가열로 내에 장입된 성형체를 소결하는 단계이다.In the method for producing a combustible absorbing fuel sintered body according to the present invention, step 4 is a step of sintering the formed body charged in the heating furnace following step 3 above.

보론을 첨가하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하는 종래의 기술에서는 약 1600 ℃ 이상의 온도에서 소결을 수행함에 따라 첨가된 보론이 휘발되는 문제가 있었다. 또한, 보론이 휘발되는 것을 방지하기 위하여 소결온도를 낮추는 경우에는 소결체의 밀도가 저하되는 문제가 있었으며, 보론의 휘발 및 밀도 저하를 방지하기 위해 휘발성이 약한 보론 화합물을 UBx 등으로 미리 합성하여 첨가하거나, 이산화탄소 분위기의 저온에서 소결을 수행하는 기술이 개시된 바 있으나, 기존의 생산 공정에 UBx 합성 공정이 추가되어야하는 문제가 있었다. 나아가, 분위기 가스로 이산화탄소가 사용되는 경우, 분위기 가스로 사용된 이산화탄소가 소결체 내에 잔류하여 핵연료 연소 시 팽윤이 발생하는 문제점이 있었다. Conventional techniques for preparing sintered combustible fuel sintered bodies by adding boron have been problematic in that the added boron is volatilized as sintering is performed at a temperature of about 1600 캜 or more. Also, the boron in order to prevent volatilization when lowering the sintering temperature, there was a problem that the density of the sintered body is lowered, the volatile low to prevent volatilization of the boron and the density decrease of boron compound UB x Or the like, or performing sintering at a low temperature in a carbon dioxide atmosphere. However, in a conventional production process, UB x There has been a problem that a synthetic process must be added. Furthermore, when carbon dioxide is used as the atmospheric gas, the carbon dioxide used as the atmospheric gas remains in the sintered body and swells when the fuel is burned.

반면, 상기 단계 4는 단계 3의 성형체를 소결하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하는 단계로써, 종래보다 낮은 온도에서 소결을 수행하여 보론이 휘발되는 것을 방지함과 동시에, 빠른 승온속도로 온도를 승온시킴에 따라 낮은 소결온도에서도 소결체가 높은 소결밀도를 나타내도록 한다. 즉, 본 발명에 따른 제조방법은 기존의 소결체 생산 공정을 그대로 이용하면서, 빠른 승온속도로 온도를 승온시키는 것만으로 상대적으로 저온의 수소분위기에서 소결을 수행하는 것이 가능하며, 보론이 휘발되는 것을 방지함과 동시에 높은 소결밀도를 나타내는 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조할 수 있다. 또한, 이산화탄소보다 원자크기가 작아 소결체에서 빠져나오기 용이한 수소분위기에서 소결을 수행함에 따라, 핵연료 연소 중 팽윤이 심화되는 것을 방지할 수 있다. On the other hand, in step 4, the sintered body of step 3 is sintered to produce a combustible absorbing fuel sintered body. The sintered body is sintered at a temperature lower than the conventional temperature to prevent volatilization of the boron, , The sintered body exhibits a high sintered density even at a low sintering temperature. That is, according to the present invention, it is possible to perform sintering in a relatively low-temperature hydrogen atmosphere only by raising the temperature at a rapid heating rate while using the existing sintered product production process as it is, And a sintered combustible fuel having high sinter density can be produced. In addition, since sintering is performed in a hydrogen atmosphere which is smaller in atomic size than carbon dioxide and easily escapes from the sintered body, it is possible to prevent the swelling of the fuel from being increased during combustion.

이때, 상기 단계 4의 소결은 1000 내지 1500 ℃, 바람직하게는 1000 내지 1400 ℃, 더욱 바람직하게는 1000 내지 1300 ℃에서 수행될 수 있다. 상기 소결온도는 종래 수소분위기에서 소결을 수행하였던 온도인 1700 내지 1800 ℃보다 낮은 온도로써, 보론화합물이 급격히 휘발되는 문제를 방지할 수 있다. At this time, the sintering in step 4 may be performed at 1000 to 1500 ° C, preferably 1000 to 1400 ° C, more preferably 1000 to 1300 ° C. The sintering temperature is lower than 1700 to 1800 ° C, which is the temperature at which sintering was performed in the conventional hydrogen atmosphere, thereby preventing the boron compound from being rapidly volatilized.

한편, 상기 소결온도는 상기 단계 3에서 빠른속도로 승온이 수행됨에 따라 달성된 온도와 동일한 온도일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 소결체에 첨가된 보론화합물의 양, 승온속도 등을 고려하여 상기 소결온도 범위 내에서 적절한 온도를 선택하여 수행될 수 있다. Meanwhile, the sintering temperature may be the same as the temperature achieved by increasing the temperature at a high rate in the step 3, but the present invention is not limited thereto, and the sintering temperature may be adjusted in consideration of the amount of the boron compound added to the sintered body, Can be performed by selecting an appropriate temperature within the temperature range.

또한, 상기 단계 4의 소결은 단계 3에서 승온된 온도를 1 내지 4시간 동안 유지함으로써 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 보론화합물의 첨가량 및 승온속도에 따라 적절한 시간 동안 온도를 유지하여 수행될 수 있다.
The sintering of step 4 may be performed by maintaining the temperature elevated in step 3 for 1 to 4 hours, but the present invention is not limited thereto. The sintering may be performed by maintaining the temperature for a suitable time according to the addition amount of the boron compound and the heating rate .

본 발명은 The present invention

상기 제조방법에 의해 제조되는 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제공한다.
A combustible absorbing nuclear fuel sintered body manufactured by the above manufacturing method is provided.

본 발명에 따른 상기 가연성 흡수 핵연료 소결체는 종래기술보다 상대적으로 저온에서 소결이 수행됨에 따라 보론이 휘발되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 이산화토륨 등의 핵연료 물질에 보론카바이드(B4C), 티타늄디보라이드(TiB2), 지르코늄디보라이드(ZrB2), 보론나이트라이드(BN)와 같은 보론화합물이 균질하게 분산되어 있다. 또한, 상대적으로 저온의 소결온도에서 제조됨에도 불구하고 소결온도까지 온도를 빠르게 승온시켜 높은 소결밀도를 나타낼 수 있다. 나아가, 수소분위기에서 소결이 수행됨에 따라 기존 소결체 생산 공정과의 양립성이 우수하다.
The sintered combustible absorbing fuel according to the present invention can prevent the boron from being volatilized as the sintering is performed at a relatively low temperature as compared with the prior art, and accordingly, the fuel material such as uranium dioxide, plutonium dioxide, thorium dioxide, B 4 C), titanium diboride (TiB 2 ), zirconium diboride (ZrB 2 ), Boron compounds such as boron nitride (BN) are homogeneously dispersed. In addition, although it is produced at a relatively low sintering temperature, the temperature can be rapidly increased to the sintering temperature to exhibit a high sintering density. Furthermore, as the sintering is performed in a hydrogen atmosphere, it is excellent in compatibility with the conventional sintered body production process.

이때, 본 발명에 따른 상기 가연성 흡수 핵연료 소결체는 90 %TD 이상, 바람직하게는 95 %TD 이상의 소결밀도를 나타낼 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 핵연료 소결체는 저온의 수소분위기에서 소결이 수행됨에도 높은 소결밀도를 나타낼 수 있다.
At this time, the combustible sorption fuel sintered body according to the present invention may exhibit a sintered density of 90% TD or more, preferably 95% TD or more. That is, the fuel sintered body according to the present invention can exhibit a high sintered density even when sintering is performed in a low-temperature hydrogen atmosphere.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. It should be noted, however, that the following examples are illustrative of the invention and are not intended to limit the scope of the invention.

<실시예 1> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조 1&Lt; Example 1 > Preparation of combustible absorbing fuel sintered body 1

단계 1 : 이산화우라늄 분말에 보론카바이드를 첨가하여 혼합하여 혼합분말을 제조하였다. 이때, 상기 보론카바이드는 이산화우라늄 분말에 대하여 0.1 중량%의 함량으로 첨가되어 혼합되었다.
Step 1: Boron carbide was added to uranium dioxide powder and mixed to prepare a mixed powder. At this time, the boron carbide was added and mixed in an amount of 0.1% by weight based on the uranium dioxide powder.

단계 2 : 상기 단계 1에서 제조된 혼합분말에 3 ton/cm2의 압력을 가하여 가압성형함으로써 성형체를 제조하였다.
Step 2: The mixed powder prepared in step 1 was pressurized by applying a pressure of 3 ton / cm 2 To prepare a molded article.

단계 3 : 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 수소분위기의 가열로 내에 장입한 후, 20 ℃/분의 승온속도로 1250 ℃까지 급속히 가열하였다.
Step 3: The shaped body produced in the step 2 was charged into a heating furnace in a hydrogen atmosphere, and then rapidly heated to 1250 占 폚 at a heating rate of 20 占 폚 / min.

단계 4 : 1250 ℃의 온도를 1시간 동안 유지함으로써 상기 단계 3에서 급속히 가열된 성형체를 소결하였고, 이를 통해 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
Step 4: The molded body rapidly heated in step 3 was sintered by holding the temperature of 1250 캜 for 1 hour, thereby preparing a combustible absorbing fuel sintered body.

<실시예 2> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조 2&Lt; Example 2 > Preparation of combustible absorbing fuel sintered body 2

상기 실시예 1의 단계 3에서 1250 ℃의 온도까지 30 ℃/분의 승온속도로 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
The sintered body of combustible absorbent nuclear fuel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the sheet was heated to a temperature of 1250 ° C at a heating rate of 30 ° C / minute in the step 3 of Example 1.

<실시예 3> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조 3&Lt; Example 3 > Preparation of combustible absorbing fuel sintered body 3

상기 실시예 2의 단계 4에서 1250 ℃의 온도를 2시간 동안 유지하여 성형체를 소결한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
A sintered combustible fuel element sintered body was produced in the same manner as in Example 2 except that the molded body was sintered at a temperature of 1250 ° C for 2 hours in step 4 of Example 2.

<실시예 4> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조 4Example 4 Production of combustible absorbing fuel sintered body 4

상기 실시예 2의 단계 4에서 1250 ℃의 온도를 4시간 동안 유지하여 성형체를 소결한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
A sintered combustible fuel element sintered body was produced in the same manner as in Example 2 except that the molded body was sintered at a temperature of 1250 ° C for 4 hours in the step 4 of Example 2.

<실시예 5> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조 5Example 5 Production of combustible absorbing nuclear fuel sintered body 5

단계 1 : 이산화우라늄 분말에 보론나이트라이드를 첨가하여 혼합하여 혼합분말을 제조하였다. 이때, 상기 보론나이트라이드는 이산화우라늄 분말에 대하여 0.1 중량%의 함량으로 첨가되되어 혼합되었다.
Step 1: A mixed powder was prepared by adding boron nitride to the uranium dioxide powder and mixing them. At this time, the boron nitride was added in an amount of 0.1% by weight based on the uranium dioxide powder and mixed.

단계 2 : 상기 단계 1에서 제조된 혼합분말에 3 ton/cm2의 압력을 가하여 가압성형함으로써 성형체를 제조하였다.
Step 2: The mixed powder prepared in step 1 was pressurized by applying a pressure of 3 ton / cm 2 To prepare a molded article.

단계 3 : 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 수소분위기의 가열로 내에 장입한 후, 30 ℃/분의 승온속도로 1250 ℃까지 급속히 가열하였다.
Step 3: The shaped body produced in step 2 was charged into a heating furnace in a hydrogen atmosphere, and then rapidly heated to 1250 占 폚 at a heating rate of 30 占 폚 / min.

단계 4 : 1250 ℃의 온도를 2시간 동안 유지함으로써 상기 단계 3에서 급속히 가열된 성형체를 소결하였고, 이를 통해 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
Step 4: The molded body rapidly heated in step 3 was sintered by holding the temperature of 1250 캜 for 2 hours, thereby preparing a combustible absorbing fuel sintered body.

<실시예 6> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조 6&Lt; Example 6 > Production of combustible absorbing fuel sintered body 6

상기 실시예 4의 단계 4에서 1250 ℃의 온도를 4시간 동안 유지하여 성형체를 소결한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
The sintered combustible fuel sintered body was produced in the same manner as in Example 4, except that the molded body was sintered at a temperature of 1250 ° C for 4 hours in the step 4 of Example 4.

<비교예 1>&Lt; Comparative Example 1 &

이산화우라늄 분말에 3 ton/cm2의 압력을 가하여 가압성형함으로써 성형체를 제조하였으며, 제조된 성형체를 수소분위기의 가열로 내에 장입한 후, 5 ℃/분의 승온속도로 1250 ℃까지 가열하였다. 이후, 1250 ℃의 온도를 1시간 동안 유지함으로써 상기 단계 3에서 급속히 가열된 성형체를 소결하였고, 이를 통해 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
By applying a pressure of 3 ton / cm &lt; 2 &gt; to the uranium dioxide powder and performing pressure molding The formed body was charged into a heating furnace in a hydrogen atmosphere, and then heated to 1250 占 폚 at a heating rate of 5 占 폚 / min. Thereafter, the molded body rapidly heated in the step 3 was sintered by maintaining the temperature of 1250 캜 for 1 hour, thereby preparing a flammable absorbent nuclear fuel sintered body.

<비교예 2>&Lt; Comparative Example 2 &

상기 비교예 1에서 20 ℃/분의 승온속도로 1250 ℃까지 가열한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
Comparative Example 1 was repeated in the same manner as in Comparative Example 1, except that the temperature was raised to 1250 占 폚 at a heating rate of 20 占 폚 / min to prepare a combustible absorbing nuclear fuel sintered body.

<비교예 3>&Lt; Comparative Example 3 &

상기 비교예 1에서 30 ℃/분의 승온속도로 1250 ℃까지 가열한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
Comparative Example 1 was repeated in the same manner as in Comparative Example 1, except that the temperature was raised to 1250 占 폚 at a heating rate of 30 占 폚 / min to prepare a combustible absorbing nuclear fuel sintered body.

<비교예 4>&Lt; Comparative Example 4 &

상기 실시예 1의 단계 3에서 1250 ℃의 온도까지 5 ℃/분의 승온속도로 가열한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 가연성 흡수 핵연료 소결체를 제조하였다.
The sintered combustible fuel sintered body was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the sintered body was heated to a temperature of 1250 ° C at a heating rate of 5 ° C / minute in the step 3 of Example 1.

<실험예 1> 가연성 흡수 핵연료 소결체의 소결밀도 분석 EXPERIMENTAL EXAMPLE 1 Analysis of Sintered Density of Flammable Absorption Fuel Sintered Body

본 발명에 따른 상기 실시예 1 내지 6, 및 비교예 1 내지 4에서 제조된 가연성 흡수 핵연료 소결체의 소결밀도를 수침법(immersion method)을 사용하여 분석하였고, 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.The sintered densities of the combustible absorbing fuel sintered bodies produced in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 according to the present invention were analyzed using an immersion method. The results are shown in Figs. 1 and 2 .

도 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1 내지 4와, 실시예 1 및 2에서 제조된 핵연료 소결체는 승온속도가 빠를수록 더욱 높은 소결밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 이때, 비교예 1 내지 3에서 보론화합물이 첨가되지 않은 경우에는 최대 85 %TD 수준에 머무르는 것을 알 수 있다. 그러나, 실시예 1 및 2에서 제조된 핵연료 소결체는 90 %TD를 초과하는 소결밀도를 가지는 것을 알 수 있으며, 이는 승온속도가 5 ℃/분으로 느린 비교예 4와 비교하여 5% 이상 높은 수치임을 알 수 있다. As shown in FIG. 1, it can be seen that the sintered bodies of the fuel produced in Comparative Examples 1 to 4 and Examples 1 and 2 have higher sintering densities as the heating rate is higher. At this time, when the boron compound was not added in Comparative Examples 1 to 3, it remained at the maximum 85% TD level. However, it can be seen that the sintered fuel bodies produced in Examples 1 and 2 have a sintered density exceeding 90% TD, which is a value higher than 5% as compared with Comparative Example 4 in which the rate of temperature rise is as low as 5 ° C / min Able to know.

또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 소결이 수행된 시간이 증가함에 따라 소결밀도 또한 높아지는 것을 알 수 있다. 그러나, 소결을 4시간 이상 수행하는 경우에는 소결시간에 따른 소결밀도의 향상 효과가 미미할 것으로 예측되므로, 소결은 1 내지 4시간 동안 수행하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 나아가, 보론화합물로 보론나이트라이드를 첨가한 실시예 5 및 실시예 6의 경우 95 %TD 이상의 높은 소결밀도를 나타내는 것을 알 수 있었다. Further, as shown in FIG. 2, it can be seen that the sintering density also increases with increasing sintering time. However, when the sintering is carried out for 4 hours or more, it is expected that the effect of improving the sintering density according to the sintering time will be insignificant. Therefore, it is preferable to perform sintering for 1 to 4 hours. Furthermore, it was found that the sintered densities of Examples 5 and 6 in which boron nitride was added as a boron compound exhibited a high sintered density of 95% TD or higher.

상기 분석결과를 통해, 본 발명에 따른 가연성 흡수 핵연료 소결체 제조방법에서 보론화합물을 첨가하고, 소결온도까지 급속하게 온도를 승온시킴에 따라 소결밀도를 더욱 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
From the above analysis results, it was confirmed that the sintered density can be further improved by adding a boron compound to the sintered combustible absorbing fuel according to the present invention and rapidly raising the temperature to the sintering temperature.

Claims (15)

이산화우라늄(UO2), 이산화플루토늄(PuO2) 및 이산화토륨(ThO2)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 핵연료 분말에, 보론화합물로써 보론나이트라이드(BN) 또는 보론카바이드(B4C)를 첨가하고 혼합하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 혼합된 혼합분말을 성형하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 제조된 성형체를 가열로 내에 장입한 후, 수소분위기하에서 15 내지 60 ℃/분의 승온속도로 1000 내지 1500 ℃까지 가열로를 승온시키는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에 이어서 가열로 내에 장입된 성형체를 수소분위기하에서 1000 내지 1500 ℃의 온도로 소결하는 단계(단계 4);를 포함하는 90 %이론밀도 이상의 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
Uranium dioxide (UO 2), Plutonium (IV) oxide (PuO 2), and thorium dioxide (ThO 2) in nuclear fuel powder at least one member selected from the group, nitride (BN), or boron carbide, boron as a boron compound consisting of (B 4 C) (Step 1);
A step (2) of forming a molded body by molding the mixed powder mixed in the step 1;
Charging the formed body produced in step 2 into a heating furnace, and then raising the temperature of the furnace to 1000 to 1500 占 폚 at a heating rate of 15 to 60 占 폚 / min in a hydrogen atmosphere (step 3); And
(Step 4) of sintering the formed body charged in the heating furnace at a temperature of 1000 to 1500 캜 under a hydrogen atmosphere, following step 3 above.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 보론화합물은 보론나이트라이드(BN)인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the boron compound of step 1 is boron nitride (BN).
제1항에 있어서, 상기 단계 1의 보론화합물은 핵연료 분말에 대하여 0.01 내지 5 중량%로 첨가되고 혼합되는 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the boron compound of step 1 is added and mixed in an amount of 0.01 to 5 wt% based on the nuclear fuel powder.
제1항에 있어서, 상기 단계 2의 성형체는 1 내지 5 ton/cm2의 압력을 가하여 제조되는 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the molded body of step 2 is produced by applying a pressure of 1 to 5 ton / cm 2 .
제1항에 있어서, 상기 단계 3의 수소분위기는 아르곤, 질소, 이산화탄소 및 수증기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 기체를 더 포함하는 수소분위기인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the hydrogen atmosphere in step (3) is a hydrogen atmosphere further comprising at least one gas selected from the group consisting of argon, nitrogen, carbon dioxide, and water vapor.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 3에서 승온된 온도는 1000 내지 1400 ℃인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the temperature raised in step (3) is 1000 to 1400 占 폚.
제1항에 있어서, 상기 단계 3에서 승온된 온도는 1000 내지 1300 ℃인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the temperature raised in step (3) is 1000 to 1300 ° C.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 단계 4의 소결은 1000 내지 1400 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the sintering of step (4) is performed at a temperature of 1000 to 1400 캜.
제1항에 있어서, 상기 단계 4의 소결은 1000 내지 1300 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein the sintering step (4) is performed at a temperature of 1000 to 1300 캜.
제1항에 따른 방법을 통해 제조되어 보론 화합물이 균질하게 분산되고, 90% 이론밀도 이상인 가연성 흡수 핵연료 소결체.
A combustible sorption fuel fuel sintered body produced by the method according to claim 1, wherein the boron compound is homogeneously dispersed and has a theoretical density of 90% or more.
삭제delete 제13항에 있어서, 상기 가연성 흡수 핵연료 소결체의 밀도는 95 % 이론밀도(TD, Theoretical density) 이상인 것을 특징으로 하는 가연성 흡수 핵연료 소결체.14. The combustible absorbing nuclear fuel assembly according to claim 13, wherein the density of the combustible absorbing fuel sintered body is 95% or more theoretical density (TD).
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