KR101551234B1 - Method for manufacturing of metallic fuel slugs with high contents of rare earths materials and metallic fuel slugs thereby - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 금속연료심의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 금속연료심에 관한 것으로, 특히 소듐냉각 고속로의 재순환 노심을 위한 금속연료심의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a metal fuel core and a metal fuel core produced thereby, and more particularly to a method of manufacturing a metal fuel core for a recirculating core in a sodium cooling high speed furnace.
세계의 에너지 수요는 현재 대비 2050년에는 두 배 이상, 2100년까지는 세 배 이상 가파르게 증가할 것으로 전망되고 있다. 이와 같이 미래의 에너지 수급문제는 오늘날 운전되고 있는 기존의 발전 방식을 이용한 단순 발전량 증가로는 해결될 수 없는 실정이며, 청정하고 안전하며 경제성과 신뢰성을 갖춘 전력생산 방식이 요구된다.
The world's energy demand is expected to more than double from 2050, and more than triple by 2100. In this way, the future energy supply and demand problem can not be solved by the increase of simple power generation using existing power generation method that is being operated today, and a power generation method that is clean, safe, economical and reliable is required.
한편, 원자력발전은 현재 세계적으로 31개국에서 441기의 원자로가 가동 중이고, 전체 전력 생산량의 약 17%를 차지하고 있으며, 10억 명 이상이 사용가능한 전력을 공급하고 있다. 특히, 프랑스를 포함한 일부 선진 국가들은 전체 전력공급량의 반 이상을 원자력에 의존하고 있으며, 다른 32개 국가들 또한 현재 원자로를 가동 중이거나 건설 또는 기획 중에 있다. 세계적으로 원자력은 신뢰성 있고, 환경 친화적인 방식으로 대기에 온실효과 가스를 배출하지 않으면서 전력을 생산하고 있으며, 우수한 운전 기록을 나타내고 있다. 즉, 청정하고, 안전하며, 경제성 및 신뢰성을 갖춘 전력생산 방법으로는 원자력 발전이 가장 근접한 것을 알 수 있다. 나아가, 최근 대두되고 있는 유가급등, 기후변화, 대기 오염, 에너지 안보 및 자원 매장량의 한정성 등에 대한 우려로 미래의 에너지 공급에 있어서 원자력발전의 역할이 더욱 중요하게 인식되고 있다.
Nuclear power generation is currently operating 441 reactors in 31 countries around the world, accounting for about 17% of total power output, and more than 1 billion people are using available power. In particular, some developed countries, including France, rely on nuclear power for more than half of their total electricity supply, while the other 32 countries are currently operating, under construction or planning. Globally, nuclear power is generating electricity without emitting greenhouse gases in the atmosphere in a reliable, environmentally friendly manner, and it is displaying excellent driving records. In other words, it can be seen that nuclear power generation is the closest approach to clean, safe, economical and reliable power generation methods. Furthermore, the role of nuclear power generation in future energy supply is becoming more and more important due to concerns over rising oil prices, climate change, air pollution, energy security and the limited availability of resource reserves.
미국 에너지부(DOE)의 원자력 에너지 과학 기술국(Office of Nuclear energy, Science and Technology)은 상기한 바와 같은 원자력의 필요성을 기초하여 제4세대(Generation IV)로 명명된 차세대 원자력에너지 시스템에 대해 정부, 산업체 및 연구기관이 망라된 범세계적 협의 포럼을 결성하였다. 이때, 제4세대 원자로는 현재 세계적으로 가동 중인 원전의 대부분이 퇴역하거나 운전 종료시점에 다다르는 2030년경에 세계적으로 전개해나가는 것을 목표로 새롭게 개발할 혁신적 개념의 원자로이며, 상기 제4세대 원자로의 후보군은 하기와 같다.
The US Department of Energy's (DOE) Office of Nuclear Energy (Science and Technology), based on the above-mentioned need for nuclear energy, has developed the next generation nuclear energy system, named Generation IV, Industry and research institutes. The fourth-generation reactor is an innovative concept reactor that will be newly developed with the goal of deploying the world's most advanced nuclear power plants around the world by 2030, As shown below.
1. 초고온 가스 냉각로(Very High Temperature Reactor,VHTR) 1. Very High Temperature Reactor (VHTR)
초고온 가스 냉각로는 제4세대 원자로 후보 중 건설에 가장 가까이 근접해 있는 노형으로, 차세대 원전(NGNP)이라고 불린다. 초고온 가스 냉각로는 전력 및 수소생산에 활용될 수 있으며, 2016 ~ 2017년까지 저비용으로 수소를 생산할 수 있는 실 규모 실증로를 INL(Idaho National Laboratory)에 건설하는 계획이 진행중이다. 이때, 상기 초고온 가스 냉각로는 출구 온도가 1000 이상인 열중성자 스펙트럼 원자로로써, 초고온 가스 냉각로의 냉각재로는 헬륨을 사용하고, 감속재로는 그래파이트를 사용하며, 원자로 열 출력은 400-600 MWt이다.
The ultra-high-temperature gas-cooled reactor is the next generation nuclear reactor (NGNP). The ultra high temperature gas cooling furnace can be used for power and hydrogen production, and plans to build a real scale demonstration reactor at INH (Idaho National Laboratory) to produce hydrogen at low cost from 2016 to 2017 are underway. In this case, the ultra-high temperature gas cooling furnace is a thermal neutron spectral reactor having an outlet temperature of 1000 or more. Helium is used as a coolant in the ultra-high temperature gas cooling furnace, graphite is used as a moderator, and the heat output of the reactor is 400-600 MWt.
2. 납 냉각고속로 (Lead-Cooled Fast Reactor,LFR) 2. Lead-Cooled Fast Reactor (LFR)
납 냉각고속로 개발 프로그램에서 지향하는 것은 실증을 통해 2025년까지 상용화 준비를 수행할 수 있도록 상대적으로 소형(10-100MWe)인 납 또는 납-비스무스 냉각 고속증식로를 개발하는 것이다. 이때, 상기 납 냉각고속로는 10 ~ 30년의 초장주기를 갖는 카세트 노심 또는 밀봉 교체 원자로 모듈을 포함하는 폐 연료주기의 턴키 원전이 고려되고 있다.
The goal of the lead-cooling high-speed development program is to develop a relatively small (10-100 MWe) lead or lead-bismuth cooling fast breeder reactor to be ready for commercialization by 2025 through demonstration. At this time, the lead-cooled high-speed furnace is considered to be a turnkey nuclear fuel cycle including a cassette core or a sealed-off reactor module having a light period of 10 to 30 years.
3. 가스 냉각 고속로(Gas-Cooled Fast Reactor,GFR) 3. Gas-Cooled Fast Reactor (GFR)
가스 냉각 고속로는 고속중성자 및 순환 연료주기를 갖는 노형으로 악티나이드의 현장 부지 내 완전 재활용이 가능한 원자로이다. 상기 가스 냉각 고속로에 적용될 수 있는 열 중성자 헬륨 냉각로 GT-MHR(Gas-Turbine Modular Helium Reactor)및 PBMR(Pebble Bed Modular Reactor)에서의 고온의 헬륨 출구온도는 전기, 수소 및 공정열을 고효율로 생산할 수 있다. 한편, 상기 가스 냉각 고속로는 850 의 온도에서 42%의 효율을 갖는 직접주기(direct-cycle) 헬륨 터빈을 사용한다.
The gas-cooled high-speed furnace is a reactor with high-speed neutron and circulating fuel cycles that can be fully recycled in-situ on the site of the actinide. The high temperature helium outlet temperatures in the GT-MHR (Gas-Turbine Modular Helium Reactor) and PBMR (Pebble Bed Modular Reactor), which can be applied to the gas-cooled high-speed furnace, Can be produced. On the other hand, the gas-cooled high-speed furnace uses a direct-cycle helium turbine with an efficiency of 42% at a temperature of 850 ° C.
4. 초임계수 냉각로(Supercritical Water-Cooled Reactor, SCWR) 4. Supercritical Water-Cooled Reactor (SCWR)
초임계수 냉각로는 종래의 경수로와 초임계 화력 보일러기술을 기초로하여 열역학적으로 물의 임계점(374 , 22.1MPa)을 초과하는 고온 및 고압에서 운전되는 초임계 원자로로서, 약 45% 효율성을 달성할 수 있어 기존 경수로의 효율이 33%정도였던 것과 비교하여 매우 향상된 효율을 나타냄으로써 낮은 발전단가를 실현할 수 있다.
The supercritical water cooled reactor is a supercritical reactor operated at a high temperature and a high pressure exceeding the critical point (374, 22.1 MPa) of water thermodynamically based on the conventional light water reactor and supercritical power boiler technology and can achieve about 45% efficiency The efficiency of the existing light-water reactor is about 33%, which is much improved compared to the efficiency of the existing light-water reactor, which can realize low power generation cost.
5. 용융염 원자로(Molten-Salt Cooled Reactor,MSR) 5. Molten-Salt Cooled Reactor (MSR)
용융염 원자로는 열중성자 스펙트럼 순환 연료주기를 가지며, 전기 및 수소생산, 플루토늄과 마이너 악티나이드의 효율적 연소 및 핵분열 연료(fissile fuel)의 생산을 위한 원자로이다. 용융염 원자로의 연료는 소듐(Na), 지르코늄(Zr) 및 우라늄 플루오르화물(fluoride)이 혼합된 순환 액체 혼합물이고, 용융염 연료 (molten salt fuel)는 그라파이트 노심 채널을 통해 흐르며 열중성자 스펙트럼을 발생시킨다.
Molten salt reactors have a thermal neutron spectral circulation fuel cycle and are reactors for the production of electricity and hydrogen, the efficient combustion of plutonium and minor actinides, and the production of fissile fuels. The fuel in the molten salt reactor is a circulating liquid mixture of sodium (Na), zirconium (Zr) and uranium fluoride, molten salt fuel flows through the graphite core channel and generates a thermal neutron spectrum .
6. 소듐냉각 고속로(Sodium-Cooled Fast Reactor,SFR) 6. Sodium-Cooled Fast Reactor (SFR)
소듐냉각 고속로는 금속인 소듐(Na)을 냉각재로 사용하는 액체금속로(Liquid Metal Reactor)로서 고속중성자 스펙트럼 순환 연료주기를 가지며, 악티나이드 재활용 주기에서 금속(우라늄-플루토늄-마이너 악티나이드-지르코늄) 연료 또는 MOx(우라늄-플루토늄 산화물)연료를 사용할 수 있다. 또한, 상기 소듐냉각 고속로의 출력은 모듈형의 수백 MWe급에서 1500 ~ 1700 MWe에 이르기까지 다양한 규모로 개발될 수 있다. 특히, 소듐냉각 고속로는 연료를 반복해서 재활용함으로써 우라늄 자원을 현재보다 60배 이상 더욱 활용할 수 있고, 방사성폐기물의 양도 획기적으로 줄일 수 있다.
The sodium-cooled high-speed furnace is a liquid metal reactor using sodium metal (Na) as a coolant. It has a high-speed neutron spectral circulation fuel cycle. In the actinide recycling cycle, metals (uranium-plutonium-minor actinide-zirconium ) Fuel or MOx (uranium-plutonium oxide) fuel. In addition, the output of the sodium-cooled high-speed furnace can be developed in various sizes ranging from a few hundred MWe modular to 1500-1700 MWe. In particular, the sodium-cooled high-speed reactor can recycle fuel more than 60 times more than currently, and dramatically reduce the amount of radioactive waste.
현재 우리나라는 상기 원자로 중, 초고온 가스 냉각로, 가스 냉각 고속로, 초임계수 냉각로 및 소듐냉각 고속로의 연구에 참여하고 있으며, 특히, 소듐냉각 고속로는 전 세계적으로 지난 50여년간 약 500억불에 달하는 개발비를 투자했고 약 300 원자로·년의 운전 실적을 쌓은 상용화 가능성이 가장 높은 기술이다.At present, Korea participates in the study of super high temperature gas cooling furnace, gas cooling high speed furnace, supercritical water cooling furnace and sodium cooling high speed reactor among the above reactors. In particular, It is the most highly commercialized technology that has invested in development cost of about 300 reactors and year.
소듐냉각 고속로에 장전되는 금속연료의 주요 제조공정은 연료심 제조공정, 연료봉 제조공정 및 연료 집합체 제조공정으로 구성된다. 그 중에서 소듐냉각 고속로에서 초기노심용 U-Zr 금속연료심과 경수로/중수로에서 방출된 사용 후 핵연료를 재처리하여 만들어지는 재순환용 U-Pu-Zr 금속연료심 제조공정은 매우 중요한 제조공정으로서, 직경 4 ~ 10 mm의 가늘고 긴 형태로 제조성, 생산성 및 원격성이 우수한 제조방법을 통해 제조하는 것이 필요하다. 1950년대에 미국 ANL(Argonne National Laboratory)에서 EBR-II 실험로에 장전될 U-Zr 및 U-Pu-Zr 연료심은 제조성, 생산성 및 원격성이 우수한 진공사출주조법으로 가늘고 긴 연료심이 제조되었다.
The main manufacturing process of metal fuels loaded in the sodium-cooled high-speed furnace consists of a fuel shim manufacturing process, a fuel rod manufacturing process, and a fuel assembly manufacturing process. Among them, U-Pu-Zr metal fuel shim manufacturing process for recycle of spent fuel released from U-Zr metal fuel core and light water reactor / heavy water reactor for early core in sodium cooling high speed furnace is a very important manufacturing process , It is necessary to produce the product in an elongated shape with a diameter of 4 to 10 mm through a manufacturing method excellent in productivity, productivity and remoteness. In the 1950s, U-Zr and U-Pu-Zr fuel shafts loaded from the US ANL (Argonne National Laboratory) to the EBR-II experiment were manufactured with thin and long fuel rods by vacuum injection molding with excellent manufacturability, productivity and remoteness.
그러나 사출주조시 석영관 주형 내부를 진공상태로 조성하여, 석영관 주형 내부와 외부의 압력 차이가 발생하도록 하고 그 압력 차이만큼 우라늄 용탕이 주형 내부로 흡입되도록 하여 연료심을 제조할 수 있으나, 이를 소듐냉각 고속로용 고함량 희토류 U-TRU-Zr-RE 금속연료심 제조에 적용하는 경우, 제조상 많은 문제점을 가지고 있다. 고속로에서 사용되는 고속로 재순환 연료심은 경수로/중수로에서 방출된 사용후 핵연료를 재처리하여 만들어진다. 경수로 사용후 핵연료 내부에는 다량의 핵분열 생성물이 존재하며, 특히 핵분열 생성물중에 포함된 희토류(Rare Earth, 혹은 RE)는 U과의 불혼화성(immiscibility) 때문에 금속연료에 고용되지 않고 석출되며 산화성이 높아 용탕이 도가니 및 석영관 주형과 심하게 반응하여 연료손실이 증가하고 잔존 응고물의 제거가 어려워진다. 또한 RE 원소는 휘발성이 높아 제조장치의 진공도를 나쁘게 하고 장치내벽은 오염시킨다.
However, in injection casting, the inside of the quartz tube mold is vacuumed to produce a pressure difference between the inside and the outside of the quartz tube mold, and the molten uranium is sucked into the mold by the pressure difference, When used in the manufacture of high-content, rare-earth U-TRU-Zr-RE metal fuel shims for cooling high-speed applications, there are many problems in manufacturing. High-speed recirculated fuel shims used in high-speed passages are produced by reprocessing spent fuel discharged from light- water / heavy water reactors. Rare Earth (RE) contained in the fission products is not dissolved in the metal fuel due to the immiscibility of U, and is highly oxidized. Therefore, the molten metal This reaction with the crucible and the quartz tube mold becomes severe, resulting in increased fuel loss and difficulty in removing the remaining solidification product. In addition, the RE element has high volatility, which deteriorates the vacuum of the manufacturing apparatus and contaminates the inner wall of the apparatus.
한편, 대한민국 등록특허 제10-0985636호 (등록일 2010년 09월 29일 : 중력주조의 내용으로 변경)에서는 사출주조법(중력주조법)으로 고속로용 금속 핵연료심을 제조하는 장치 및 이를 이용하여 핵연료심을 제조하는 방법이 개시된 바 있으며, 불활성가스 분위기에서 금속 핵연료를 용융시켜 용탕을 형성시키고 있다. On the other hand, Korean Patent No. 10-0985636 (registered on September 29, 2010, changed to content of gravity casting) describes a device for manufacturing a metal fuel firing shim for high-speed furnace by an injection molding method (gravity casting method) And the metal fuel is melted in an inert gas atmosphere to form a molten metal.
그러나, 이 주조공정을 고함량 희토류 금속연료심 제조에 적용할 경우 본 발명에 의한 희토류 고함량 사출주조법보다 복잡하고 원격 취급성에서도 어려움이 뒤따른다. 또한, 주조 후 몰드 집합체에서 발생하는 방사선 폐기물량이 상당하기 때문에 경제적인 측면에서도 새로운 해결방안이 요구된다.
However, when this casting process is applied to the production of a high-content rare earth metal fuel padding, it is more complicated than the rare earth high-content injection casting process according to the present invention, and is difficult to handle in remote handling. In addition, since the amount of the radiation waste generated in the mold aggregate after casting is substantial, a new solution is also required in terms of economy.
이에, 본 발명자들은 연료 손실이 최소화된 건전한 U-TRU-Zr-RE 연료심 제조하는 방법을 연구하던 중, 용융도가니 및 주형 내부를 세라믹 층으로 코팅하고, 진공분위기 및 불활성 가스 분위기에서 순차적으로 금속원료물질을 용해하고, 개량된 사출주조 방식으로 주조함으로써 휘발성원소의 휘발을 제어하고 생산성 및 제조 수율을 극대화하며, RE원소의 석출물 분포를 균일하게 하여 연료제조 생산성 및 경제성이 우수한 금속연료심 제조방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
Therefore, the inventors of the present invention have been studying a method of manufacturing a sound U-TRU-Zr-RE fuel core having a minimized fuel loss while coating the inside of the melting crucible and the mold with a ceramic layer, A method of manufacturing a metal fuel shim having excellent fuel production productivity and economical efficiency by controlling volatilization of volatile elements by maximizing productivity and production yield and uniform distribution of precipitates of RE element by dissolving raw materials and casting by an improved injection casting method And completed the present invention.
본 발명의 목적은, SUMMARY OF THE INVENTION [0006]
금속연료심의 제조방법을 제공하는 데 있다.
And to provide a method for manufacturing a metal fuel core.
본 발명의 다른 목적은, Another object of the present invention is to provide
상기 제조방법으로 제조된 금속연료심을 제공하는 데 있다.
And to provide a metal fuel shaft manufactured by the method.
본 발명의 또 다른 목적은, A further object of the present invention is to provide
상기 금속연료심 복수 개를 포함하는 핵연료집합체를 제공하는 데 있다.
And a plurality of the metal fuel paddings.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, According to an aspect of the present invention,
용융도가니 및 주형의 내부표면에 세라믹 물질을 코팅하여 세라믹층을 형성시키는 단계(단계 1);Coating the ceramic material on the inner surface of the molten crucible and the mold to form a ceramic layer (step 1);
상기 단계 1에서 세라믹층이 코팅된 용융도가니 내부로 금속연료물질을 장입하는 단계(단계 2);Charging the metal fuel material into the molten crucible coated with the ceramic layer in step 1 (step 2);
상기 단계 2에서 금속연료물질이 장입된 용융도가니를 진공분위기에서 1차 가열하는 단계(단계 3);(Step 3) of heating the molten crucible filled with the metal fuel material in the vacuum environment in the step 2;
상기 단계 3의 금속연료물질을 불활성가스 분위기에서 2차 가열하는 단계(단계 4); 및Secondarily heating the metal fuel material of step 3 in an inert gas atmosphere (step 4); And
상기 단계 4의 가열된 금속연료물질을 상기 단계 1의 세라믹층이 코팅된 주형 내부로 충진하는 단계(단계 5);를 포함하는 금속연료심의 제조방법을 제공한다.
(Step 5) filling the heated metal-fuel material of step 4 into a mold having a ceramic layer coated with the ceramic layer of step 1 (step 5).
또한, 본 발명은, Further, according to the present invention,
상기 제조방법으로 제조된 금속연료심을 제공하는 데 있다.
And to provide a metal fuel shaft manufactured by the method.
나아가, 본 발명은, Further,
상기 금속연료심 복수 개를 포함하는 핵연료집합체를 제공하는 데 있다.
And a plurality of the metal fuel paddings.
본 발명에 따른 희토류 고함량 금속연료심의 제조방법은 우라늄 합금용탕과 주형몰드, 우라늄 합금용탕과 용해도가니의 반응을 억제하여 연료손실을 최소화할 수 있고 공정을 안정화할 수 있다. The method of manufacturing a rare earth high-content metal fuel shim according to the present invention can minimize the fuel loss and stabilize the process by suppressing the reaction between the molten uranium alloy melt, the mold, the uranium alloy melt, and the melting crucible.
또한, 특정온도까지는 진공분위기에서 금속연료물질을 용해하므로 고순도의 연료심이 제조가능하고, 특정 온도 이상부터는 불활성가스 분위기에서 금속연료물질을 용해하므로 금속연료물질 휘발핵종이 휘발되는 것을 방지할 수 있으므로, 연료손실을 최소화할 수 있고 공정을 안정화할 수 있다. In addition, since the metal fuel material is dissolved in a vacuum atmosphere up to a specific temperature, it is possible to manufacture a fuel purity of high purity. Since the metal fuel material is dissolved in an inert gas atmosphere at a specific temperature or higher, volatilization of the metal fuel material volatile nucleus can be prevented, The fuel loss can be minimized and the process can be stabilized.
나아가, 개량된 사출주조 방식으로 주조를 수행하여, 금속연료물질을 주입하는 주형이 벤트부를 포함하므로 금속연료물질 충진 후 흡입라인으로 유입되는 것을 막을 수 있고 주형 내부의 반발압이 제거될 수 있으며, 진공퍼징 공정을 포함하여 원활한 금속연료 충진이 가능하다.Furthermore, since the mold for injecting the metal fuel material includes the vent portion, it is possible to prevent the metal fuel material from being introduced into the suction line after the filling of the metal fuel material, the repulsive pressure inside the mold can be removed, A smooth metal fuel filling is possible, including a vacuum purging process.
따라서, 주조를 통한 대량생산이 가능하며, 공정이 간단하여 원격 취급성에도 우수하고 건전한 금속연료심의 제조가 가능하다. 이에 따라 소듐냉각 고속로의 상용화를 앞당기는 효과가 있다.
Therefore, it is possible to mass-produce by casting, and the process is simple, so that it is excellent in remote handling and it is possible to manufacture a sound metal fuel shim. As a result, there is an effect of accelerating the commercialization of the sodium cooling high-speed furnace.
도 1은 종래의 금속연료심 제조방법의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 금속연료심 제조방법의 일례를 나타낸 모식도이다.1 is a schematic view showing an example of a conventional method of manufacturing a metal fuel shim;
2 is a schematic view showing an example of a method for manufacturing a metal fuel core according to the present invention.
본 발명은,According to the present invention,
용융도가니 및 주형의 내부표면에 세라믹 물질을 코팅하여 세라믹층을 형성시키는 단계(단계 1);Coating the ceramic material on the inner surface of the molten crucible and the mold to form a ceramic layer (step 1);
상기 단계 1에서 세라믹층이 코팅된 용융도가니 내부로 금속연료물질을 장입하는 단계(단계 2);Charging the metal fuel material into the molten crucible coated with the ceramic layer in step 1 (step 2);
상기 단계 2에서 금속연료물질이 장입된 용융도가니를 진공분위기에서 1차 가열하는 단계(단계 3);(Step 3) of heating the molten crucible filled with the metal fuel material in the vacuum environment in the step 2;
상기 단계 3의 금속연료물질을 불활성가스 분위기에서 2차 가열하는 단계(단계 4); 및Secondarily heating the metal fuel material of step 3 in an inert gas atmosphere (step 4); And
상기 단계 4의 가열된 금속연료물질을 상기 단계 1의 세라믹층이 코팅된 주형 내부로 충진하는 단계(단계 5);를 포함하는 금속연료심의 제조방법을 제공한다.
(Step 5) filling the heated metal-fuel material of step 4 into a mold having a ceramic layer coated with the ceramic layer of step 1 (step 5).
이때, 본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법의 일례를 도 2의 모식도에 나타내었으며, 이하, 본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
Hereinafter, a method of manufacturing the metal fuel padding according to the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2.
본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법에 있어서 단계 1은 용융도가니 및 주형의 내부표면에 세라믹 물질을 코팅하여 세라믹층을 형성시키는 단계이다(S100).In the method of manufacturing a metal fuel core according to the present invention, step 1 is a step of forming a ceramic layer by coating a ceramic material on an inner surface of a molten crucible and a mold (S100).
구체적으로, U-TRU-Zr-RE과 같은 연료물질에 대해 용탕과 주형몰드 및 용탕과 도가니간의 반응을 억제하고 용탕의 혼입을 차단하기 위해 주형몰드와 용해도가니에 고온 세라믹재료으로 고온으로 치밀하게 도포하는 단계이다.
Specifically, in order to suppress the reaction between the molten metal, the mold, and the crucible with respect to the fuel material such as U-TRU-Zr-RE and block the mixing of the molten metal, the mold and the melting crucible are precisely .
도 1에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 금속연료심, 특히 소듐냉각고속로용 금속연료심의 제조에 있어서, 금속연료 용탕과 용융도가니의 상호반응을 방지하기 위해 슬러리로 도포된 흑연 또는 세라믹 재질의 도가니를 이용하여 금속연료를 용융한 후, 슬러리로 도포된 석영관 주형을 통해 주조하여 금속연료심을 제조하였다. As shown in Fig. 1, a crucible made of graphite or ceramics coated with a slurry is used in order to prevent the interaction between the molten metal crucible and the molten metal fuel in the production of a metal fuel core, in particular, a metal fuel core for a sodium- The metal fuel shim was manufactured by melting the metal fuel and casting it through a slurry coated quartz tube mold.
이때, 상기 슬러리 도포재는 산화칼슘(CaO), 산화토륨(ThO2), 산화우라늄(U2O3) 등이 있으며, 산화이트륨(Y2O3) 및 주형 도포재로 일반적으로 사용되는 산화지르코늄(ZrO2) 또한 사용할 수 있다. At this time, the slurry application material includes calcium oxide (CaO), thorium oxide (ThO 2 ), uranium oxide (U 2 O 3 ) and the like, and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and zirconium oxide (ZrO 2 ) can also be used.
그러나, 상기 슬러리 도포의 경우, 특히 핫셀(Hot Cell)에서 상기 슬러리 도포를 수행하는 경우, 사용한 도포재를 완전히 제거하기 위한 후처리 작업에 상당한 시간이 소모되고, 도포 작업자에 의해 도포상태가 결정됨에 따라 도포재가 용탕오염의 근원이 될 수 있는 우려가 있으며, 높은 기공도를 가지는 도포재를 사용하는 경우 연료 손실의 원인이 될 수 있다. 그러므로, 재도포가 필요 없으며 연료 손실의 근거지가 되지않는 반영구적인 도포가 바람직하다.
However, in the case of applying the slurry, in particular, in the case of applying the slurry in a hot cell, a considerable amount of time is consumed in post-treatment for completely removing the applied material, and the application state is determined by the applicator Accordingly, there is a concern that the coating material may become a source of contamination of the molten metal, and when using a coating material having a high porosity, it may cause fuel loss. Therefore, semi-permanent application, which does not require re-application and is not the basis of fuel loss, is preferable.
이에, 본 발명에 따른 상기 단계 1에서는 금속연료물질을 용융시킬 용융도가니 및 금속연료물질을 성형할 주형의 내부표면에 세라믹 물질을 코팅하여 치밀한 세라믹층을 형성시킨다.
In the step 1 according to the present invention, a ceramic material is coated on the inner surface of a mold for molding a molten crucible and a metal fuel material to be melted, thereby forming a dense ceramic layer.
이때, 상기 세라믹 물질로는 탄탈륨카바이드(TaC), 티타늄카바이드(TiC), 산화이트륨(Y2O3), 산화지르코늄(ZrO2) 등을 사용할 수 있으나, 상기 세라믹 물질이 이에 제한되는 것은 아니다. At this time, tantalum carbide (TaC), titanium carbide (TiC), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), or the like may be used as the ceramic material, but the ceramic material is not limited thereto.
상기 세라믹 물질들을 코팅함으로써 금속연료물질과 용융도가니가 서로 반응하는 것을 방지할 수 있다.
By coating the ceramic materials, the metal fuel material and the melting crucible can be prevented from reacting with each other.
세라믹 물질을 코팅하는 상기 단계 1은 화학적 기상반응(Chemical Vapor Reaction, CVR), 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 및 플라즈마 용사법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행할 수 있으나, 상기 코팅 방법이 이에 제한되는 것은 아니다. The step 1 for coating the ceramic material may be performed by one of the methods selected from the group consisting of chemical vapor reaction (CVR), physical vapor deposition (PVD) and plasma spraying, The coating method is not limited thereto.
상기 코팅방법들을 이용하여 치밀한 구조의 세라믹층을 형성시킬 수 있으며, 이를 통해 세라믹층으로 금속연료물질이 침투하는 것을 방지할 수 있다.
By using the above coating methods, it is possible to form a dense ceramic layer, thereby preventing the metal fuel material from penetrating into the ceramic layer.
이때, 상기 단계 1의 세라믹 코팅층 두께는 3 내지 300 μm일 수 있다. At this time, the thickness of the ceramic coating layer of step 1 may be 3 to 300 m.
만약, 상기 세라믹층의 두께가 3 μm 미만인 경우에는 금속연료물질이 용융되어 형성되는 용탕이 세라믹층을 침투하여 도가니와 반응하는 문제가 있다.If the thickness of the ceramic layer is less than 3 占 퐉, there is a problem that the molten metal fuel material is melted and penetrates the ceramic layer to react with the crucible.
상기 세라믹층의 두께가 300 μm를 초과하는 경우에는 세라믹층과 도가니와의 열팽창계수 차이로 인하여 세라믹층이 박리될 수 있는 문제가 있으며, 과도한 세라믹 물질이 사용됨에 따라 금속연료심의 제조단가가 상승하여 경제적인 손실이 발생하는 문제가 있다.
When the thickness of the ceramic layer exceeds 300 μm, there is a problem that the ceramic layer may peel off due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic layer and the crucible. As the excessive ceramic material is used, the manufacturing cost of the metal- There is a problem that an economic loss occurs.
본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법에 있어서 단계 2는 상기 단계 1에서 세라믹층이 코팅된 용융도가니 내부로 금속연료물질을 장입하는 단계이다(S200).
In the method for manufacturing a metal fuel shim according to the present invention, the step 2 is a step of charging the metal fuel material into the melting furnace coated with the ceramic layer in the step 1 (S200).
이때, 상기 금속연료물질은 소듐냉각 고속로의 핵연료로 사용될 수 있는 U-Zr 합금, U-TRU(초우라늄)-Zr 합금 등을 사용할 수 있다.At this time, the metal-fuel material may be a U-Zr alloy, a U-TRU (super uranium) -Zr alloy, or the like, which can be used as a nuclear fuel at a high cooling rate.
소듐냉각 고속로는, 경수로 또는 고속로의 사용 후 핵연료에 포함된 우라늄(U), 초우라늄(TRU)을 파이로 건식처리하여 자원을 재활용할 수 있는 원자로로서, 사용되는 핵연료는 초기장전 핵연료인 U-Zr 연료와 재순환 핵연료인 U-TRU-Zr 핵연료를 사용할 수 있다. The sodium-cooled high-speed reactor is a reactor capable of pyrolyzing uranium (U) and ultra-uranium (TRU) contained in spent nuclear fuel in light water reactors or high-speed reactors to recycle resources. U-Zr fuel and U-TRU-Zr fuel which is recirculated fuel can be used.
따라서, 본 발명에 따른 상기 단계 2에서는 금속연료물질로 U-Zr 합금, U-TRU(초우라늄)-Zr 합금을 사용하며, 이를 통해 소듐냉각 고속로에서 적용할 수 있는 금속연료심을 제조할 수 있다.
Therefore, in the step 2 according to the present invention, a U-Zr alloy, U-TRU (ultra uranium) -Zr alloy is used as a metal fuel material, and a metal fuel shim applicable to a sodium cooling high- have.
본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법에 있어서 단계 3은 상기 단계 2에서 금속연료물질이 장입된 용융도가니를 진공분위기에서 1차 가열하는 단계이다(S300).
In the method of manufacturing a metal fuel shim according to the present invention, step 3 is a step of firstly heating the melting crucible charged with the metal fuel material in the step 2 in a vacuum atmosphere (S300).
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래에는 진공분위기에서만 금속연료물질을 용해하여, 아메리슘(Am)과 같은 장수명 핵종이 포집되지 않고 증발됨에 따라, 장수명 핵종 변환이 불가능한 문제점이 있었다. 또한, 진공조건에서는 우라늄 합금의 융점보다 높은 온도까지 가열되므로 연료심 합금원소가 휘발되어 연료손실과 목표조성에 미달되고, 시설물을 오염시키며 작업자에게 유해한 영향을 미치는 문제점이 있었다.
As shown in FIG. 1, conventionally, there has been a problem that metal-fuel materials are dissolved only in a vacuum atmosphere and long-life nuclear species can not be converted because long-life nuclear species such as americium (Am) are evaporated without being collected. In addition, under vacuum conditions, since the material is heated to a temperature higher than the melting point of the uranium alloy, the fuel core alloying element is volatilized, resulting in fuel loss and target composition, contamination of facilities, and harmful effects to workers.
그러나, 본 발명에서는 금속연료물질의 용해에 있어서 특정온도까지만 진공분위기에서 가열한다. 우라늄을 포함한 파이로 건식처리 후 포함되는 란타나이드계 원소 및 마이너 악티나이드계 원소는 강한 반응성을 가지는데, 상기 물질과 가열로 내 공기 중에 포함된 산소나, 금속연료물질 내 포함된 수분이 증발하여 발생될 수 있는 산소와의 반응을 차단하기 위해 가열로는 고진공 분위기에서 가열되고 가열 중에도 계속적인 고진공 분위기를 유지하는 것이 바람직하다. However, in the present invention, in the dissolution of the metal fuel material, heating is conducted only in a vacuum atmosphere up to a specific temperature. The lanthanide element and the minor actinide element contained after the pyrodermic treatment including uranium have strong reactivity. The substance and the oxygen contained in the air in the heating furnace or the moisture contained in the metal fuel material are evaporated In order to block the reaction with oxygen which may be generated, it is preferable that the heating furnace is heated in a high vacuum atmosphere and a continuous high vacuum atmosphere is maintained during heating.
만약, 특정 온도까지 불활성분위기에서 가열되는 경우, 휘발되어야 할 물질들이 휘발되지 못하여 불활성분위기가 오염되므로, 이로 인해 제조되는 금속연료심이 고순도로 제조되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
If heated in an inert atmosphere up to a specific temperature, the materials to be volatilized are not volatilized and the inert atmosphere is contaminated. As a result, the metal fuel pellets can not be manufactured with high purity.
이때, 상기 단계 3의 진공분위기는 10-1 내지 10-4torr의 압력일 수 있다. At this time, the vacuum atmosphere of step 3 may be a pressure of 10 -1 to 10 -4 torr.
만약, 상기 단계 3의 진공분위기의 압력이 10-1 torr 보다 높은 경우에는 용해주조로 중 함유된 산소나 질소가 금속연료물질과 반응하여 산화막이 형성되어 금속연료를 용해 또는 합금화되지 못하거나 산화시켜서 용해주조부품과 반응하여 용해주조부품을 손상시키는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 단계 3의 진공분위기의 압력이 10-4 torr 보다 낮은 경우에는 용해주조로내 금속연료물질이나 용해주조부품이 증발하여 장치를 오염시키는 문제가 발생할 수 있다.
If the pressure of the vacuum atmosphere in step 3 is higher than 10 -1 torr, the oxygen or nitrogen contained in the molten casting reacts with the metal fuel material to form an oxide film, whereby the metal fuel is not dissolved or alloyed, If the pressure of the vacuum atmosphere in step 3 is lower than 10 -4 torr, the metal-fuel material or the molten cast parts may be evaporated in the molten casting, May be contaminated.
상기 단계 3의 가열은 금속연료물질의 온도가 650 ℃가 될 때까지 수행할 수 있다. The heating in step 3 can be performed until the temperature of the metal fuel material reaches 650 ° C.
만약, 상기 단계 3의 가열이 금속연료물질의 온도가 650 ℃를 초과하는 온도까지 수행되는 경우에는 장수명을 갖는 휘발성 핵종들이 휘발되는 문제점이 발생할 수 있다.
If the heating of the step 3 is performed to a temperature exceeding 650 캜, the volatile nuclides having a long life may be volatilized.
상기 단계 3의 가열은 발열체에 의한 가열방법 또는 고주파 유도가열 방식으로 수행될 수 있으나, 상기 가열이 이에 제한되는 것은 아니다.
The heating in the step 3 may be performed by a heating method using a heating element or a high frequency induction heating method, but the heating is not limited thereto.
본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법에 있어서 단계 4는 상기 단계 3의 금속연료물질을 불활성가스 분위기에서 2차 가열하는 단계이다(S400). In the method of manufacturing a metal fuel shim according to the present invention, step 4 is a step of secondarily heating the metal fuel material of step 3 in an inert gas atmosphere (S400).
구체적으로, 상기 단계 3에서 금속연료물질이 장입된 용융도가니가 일정 온도로 가열되었을 때, 가열로를 불활성 가스 분위기로 조성하고 계속적인 가열을 통하여 금속연료물질을 용융하는 단계이다.
Specifically, when the melting crucible charged with the metal fuel material is heated to a predetermined temperature in the step 3, the heating furnace is formed into an inert gas atmosphere and the metal fuel material is melted through continuous heating.
상기 금속연료물질로 사용할 수 있는 U-TRU-Zr 핵연료는 2000년대에 개발된 핵연료로서 파이로 건식처리과정에서 아메리슘(Am)과 같은 장수명 휘발핵종을 일부 포함하며, 이를 핵종변환시켜서 소멸시키기 위해서는 연료심 제조과정에서 휘발 되지 않도록 하는 방지책이 요구된다. The U-TRU-Zr fuel that can be used as the metal fuel material is a nuclear fuel developed in the 2000s. It contains some long-lived volatile species such as americium (Am) in pyrogenic treatment. A preventive measure for preventing volatilization in the shim manufacturing process is required.
따라서, 상기 단계 4에서는 특정압력의 불활성가스 분위기에서 금속연료물질을 용융하여 금속연료물질에 포함된 아메리슘과 같은 장수명 휘발핵종이 휘발되는 것을 방지한다.
Therefore, in the step 4, the metal fuel material is melted in an inert gas atmosphere at a specific pressure to prevent volatilization of long-lived volatile nuclei such as americium contained in the metal fuel material.
상기 단계 4의 불활성가스 분위기는 진공 퍼징 후, 불활성 가스를 주입하여 조성될 수 있다.
The inert gas atmosphere in step 4 may be formed by purging the vacuum and injecting an inert gas.
상기 단계 4의 불활성 가스 분위기는 50 내지 2300 torr의 압력인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법. Wherein the inert gas atmosphere in step 4 is a pressure of 50 to 2,300 torr.
만약, 상기 단계 4의 불활성가스 분위기가 50 torr 미만의 압력인 경우에는 낮은 압력으로 인하여 장수명 휘발핵종이 휘발될 수 있는 문제가 있고, 상기 단계 4의 불활성가스 분위기가 2300 torr 초과의 압력인 경우에는 차후 수행될 주조에 적합하지 않은 압력으로 인하여 금속연료심의 주조가 원활하지 않은 문제가 있다.
If the inert gas atmosphere in step 4 is less than 50 torr, there is a problem that long-life volatile nuclei can be volatilized due to low pressure. When the inert gas atmosphere in step 4 is a pressure higher than 2300 torr There is a problem that the casting of the metal fuel padding is not smooth due to the pressure which is not suitable for the casting to be performed later.
상기 단계 4의 가열은 발열체에 의한 가열방법 또는 고주파 유도가열 방식으로 수행될 수 있으나, 상기 가열이 이에 제한되는 것은 아니다.
The heating in step 4 may be performed by a heating method using a heating element or a high frequency induction heating method, but the heating is not limited thereto.
상기 단계 4의 불활성 가스는 아르곤, 질소 및 이들의 혼합가스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 사용할 수 있으나, 상기 불활성 가스가 이에 제한되는 것은 아니다.
The inert gas in step 4 may be one selected from the group consisting of argon, nitrogen, and a mixed gas thereof. However, the inert gas is not limited thereto.
상기 단계 4의 가열은 700 내지 1600 ℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. The heating of step 4 can be performed at a temperature range of 700 to 1600 ° C.
휘발속도는 온도에 비례하며, 고온일수록 더욱 휘발속도가 빠르기 때문에 적절한 온도에서 불활성 분위기압을 유지하여 휘발핵종이 휘발하는 것을 방지하여야 한다. The volatilization rate is proportional to the temperature. Since the volatilization rate is faster at higher temperature, it is necessary to maintain the inert atmosphere pressure at an appropriate temperature to prevent volatilization of the volatile nuclei.
만약, 상기 단계 4의 가열이 700 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우에는 도가니집합체, 주형 집합체 및 금속연료물질에서 방출되는 산소를 포함한 불순물 가스에 의해 가열로가 오염될 수 있는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 단계 4의 가열이 1600 ℃를 초과하는 온도에서 수행되는 경우에는 아메리슘을 포함한 휘발성 원소가 휘발되어 연료손실 및 목표조성에 미달하는 금속연료심이 제조될 수 있다.
If the heating of step 4 is performed at a temperature of less than 700 ° C., the heating furnace may be contaminated by impurity gas containing oxygen released from the crucible aggregate, the mold assembly, and the metal fuel material, If the heating in step 4 is carried out at a temperature exceeding 1600 DEG C, volatile elements including americium are volatilized, so that a metal fuel shim having a fuel loss and a target composition can be produced.
본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법에 있어서 단계 5는 상기 단계 4의 가열된 금속연료물질을 상기 단계 1의 세라믹층이 코팅된 주형 내부로 충진하는 단계이다(S500). In the method of manufacturing a metal fuel shim according to the present invention, the step 5 is a step of filling the heated metal-fuel material of the step 4 into the interior of the mold coated with the ceramic layer of the step 1 (S500).
구체적으로, 상기 단계 4에서 용해된 금속연료물질이 목표온도에 도달했을 때 주형을 용해된 금속연료물질에 침적시키고 외력을 가하여 금속연료물질을 주형에 주입하여 금속연료심을 주조하는 단계이다.
Specifically, when the metal-fuel material dissolved in step 4 has reached a target temperature, the mold is immersed in the dissolved metal-fuel material and an external force is applied to inject the metal-fuel material into the mold to cast the metal-fuel shim.
상기 단계 5의 주형은 석영관 또는 세라믹 주형일 수 있으나, 상기 주형이 이에 제한되는 것은 아니다. The mold of step 5 may be a quartz tube or a ceramic mold, but the mold is not limited thereto.
상기 단계 5의 주형의 직경은 4 내지 10 mm, 바람직하게는 4 내지 7 mm일 수 있다.
The diameter of the mold of step 5 may be 4 to 10 mm, preferably 4 to 7 mm.
이때, 상기 단계 5의 충진은 주형 내부로 흡입력을 가하여 수행될 수 있다(S520). At this time, the filling of the step 5 may be performed by applying a suction force to the inside of the mold (S520).
구체적으로, 흡입력은 용융된 금속연료물질에 침적된 주형의 반대 방향에서 작용할 수 있으며, 금속연료물질은 내부의 분위기압과 용탕을 흡입하는 흡입력에 의해 주형으로 충진된다. Specifically, the suction force can act in the opposite direction of the mold immersed in the molten metal-fuel material, and the metal-fuel material is filled into the mold by the atmospheric pressure inside and the suction force sucking the molten metal.
여기서 흡입 주조되는 금속연료심의 형상과 치수에 따라 흡입력의 크기는 다를 수 있지만 가열로의 불활성 가스 분위기 압력보다는 낮은 값을 가질 수 있다.Here, depending on the shape and dimensions of the metal fuel padding to be sucked in, the magnitude of the suction force may vary but may be lower than the inert gas atmosphere pressure of the heating furnace.
상기 단계 5의 충진은 주형 외부의 불활성 가스 분위기압을 증가시킴으로써 수행될 수 있다(S511, S530).
The filling of the step 5 may be performed by increasing the atmospheric pressure of the inert gas outside the mold (S511, S530).
이때, 상기 단계 5의 수행 전, 진공 퍼징공정을 더 포함할 수 있다(S510). At this time, the vacuum purging process may be further performed before the step 5 is performed (S510).
진공퍼징공정을 더 포함함으로써, 용융된 금속연료물질이 주형에 충진될 때 작용하는 힘을 크게 할 수 있다. 따라서, 주형을 용융된 금속연료물질에 침적하기 전 불활성 가스분위기를 펌프로 퍼징(purging) 할 수 있다. By further including the vacuum purging step, the force acting when the molten metal-fuel material is filled into the mold can be increased. Thus, the mold can be purged with an inert gas atmosphere before it is immersed in the molten metal fuel material.
이때, 과도하게 불활성 분위기 가스를 퍼징할 경우 휘발성이 큰 장수명 핵종이 휘발될 수 있으므로 금속용융물질의 전체 증기압보다 높게 유지할 수 있다.
At this time, when excessively inert atmosphere gas is purged, volatile long-life nuclei can be volatilized, so that it can be kept higher than the total vapor pressure of the molten metal.
상기 단계 5의 주형은 벤트부를 포함할 수 있다. The mold of step 5 may include a vent portion.
벤트부의 벤트라인은 표면적이 넓고 체적이 작아 가스는 쉽게 통과되지만 고온 용탕 액상이 통과할 경우 열전달이 쉽게 이루어져 응고가 일어나 금속연료물질이 흡입라인으로 유입되는 것을 막아줄 수 있다. 또한, 체적이 작기 때문에 후속공정에서 연료심으로부터 제거가 용이하다. The vent line of the vent part has a large surface area and a small volume so that the gas can pass easily. However, when the hot molten liquid passes through, the heat transfer can be easily performed and coagulation can be prevented to prevent the metal fuel material from flowing into the suction line. Further, since the volume is small, it is easy to remove from the fuel padding in the subsequent process.
또한, 상기 단계 5에서 주형을 용탕에 침적시킨 후 불활성 가스 증기압을 증가시킴으로써 금속연료물질을 주형에 충진시킬 때, 주형 끝부분의 벤트라인은 주형내부에 금속연료물질이 충진될 때 주형내부의 반발압을 제거하는 역할을 할 수 있다.
In addition, when the metal fuel material is filled in the mold by immersing the mold in the molten metal in step 5 and then increasing the vapor pressure of the inert gas, the vent line at the end of the mold may cause the rebound in the mold when the metal fuel material is filled in the mold. It can serve to remove the pressure.
상기 단계 5의 충진은 1400 내지 1600 ℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. The filling of step 5 may be performed in a temperature range of 1400 to 1600 ° C.
만약, 상기 단계 5의 충진이 1400 ℃ 미만의 온도범위에서 수행되는 경우에는 용탕의 과열(super-heating)이 부족하여 주형으로 용탕이 충진되면서 응고되어 주형내 금속연료물질의 충진이 불완전한 문제점이 발생할 수 있고, 상기 단계 5의 충진이 1600 ℃ 초과의 온도범위에서 수행되는 경우에는 재순환 금속연료내에 함유되어 있는 Am과 같은 장수명 핵종이나 La, Ce, Pr 및 Nd와 같은 희토류 원소의 증기압이 높아져서 크게 휘발성되는 문제점이 발생할 수 있다.
If the filling of the step 5 is performed at a temperature lower than 1400 ° C, super-heating of the molten metal is insufficient, and the molten metal is filled with the molten metal to cause the incomplete filling of the metallic fuel material in the molten metal. When the filling in step 5 is carried out in a temperature range exceeding 1600 DEG C, the vapor pressure of rare-earth nuclides such as Am contained in the recirculated metal fuel or rare earth elements such as La, Ce, Pr and Nd is increased, May occur.
본 발명은,According to the present invention,
상기 제조방법에 따라 제조되는 금속연료심을 제공한다.
A metal fuel shaft manufactured according to the above manufacturing method is provided.
본 발명에 따른 금속연료심은 제조과정 중에 용융도가니 및 주형의 내부로 금속연료물질이 반응하거나 침투하는 것을 방지할 수 있고, 아메리슘(Am)과 같은 장수명 휘발핵종의 손실이 최소화됨에 따라 소듐냉각 고속로에 적용하기 적합하다. 상기 소듐냉각 고속로는 경수로에 비해 더욱 많은 고속 중성자가 생성되며 이는 플루토늄과 아메리슘, 퀴륨, 넵튜늄 등의 장수명 휘발핵종와 같이 반감기가 긴 핵종을 핵분열시켜 반감기가 짧은 핵종으로 변환시키거나 중성자 포획 등에 의해 방사성이 없는 물질로 변환시키는 데 활용될 수 있다. The metal fuel shim according to the present invention can prevent the metal fuel material from reacting or penetrating into the molten crucible and the mold during the manufacturing process and can minimize the loss of long-life volatile species such as americium (Am) . In the sodium-cooled high-speed furnace, much more high-speed neutrons are produced than light-water reactors. This means that nuclear species decomposing long-half-life nuclides such as plutonium and long-lived volatile species such as americium, cerium and neptunium are converted into nuclides having short half- To a non-radioactive material.
즉, 본 발명에 따른 금속연료심이 장수명 휘발핵종을 포함함에 따라 소듐냉각 고속로에 적용하여 독성이 매우 높은 상기 장수명 휘발핵종을 관리하기 용이한 핵종으로 변환할 수 있다.
That is, as the metal fuel core according to the present invention includes a long-life volatile nuclide, the long-life volatile nuclide having high toxicity can be converted into a nuclide easy to manage by applying to a sodium cooling high-speed furnace.
본 발명은,According to the present invention,
상기 금속연료심 복수 개를 포함하는 핵연료 집합체를 제공한다.
And a plurality of the metal fuel paddings.
본 발명은 소듐냉각 고속로에 적용할 수 있는 상기 금속연료심 복수 개로 이루어진 핵연료집합체를 제공하며, 상기 핵연료집합체가 U-TRU-Zr 연료물질인 경우에는 원격제조되는 것이 바람직하다. The present invention provides a nuclear fuel assembly comprising a plurality of the metal fuel kits that can be applied to a sodium cooling high-speed furnace, and is preferably manufactured remotely when the nuclear fuel assembly is a U-TRU-Zr fuel material.
소듐냉각 고속로의 초기장전 핵연료인 U-Zr 연료와 재순환 핵연료인 U-TRU-Zr 핵연료에 있어서, 소듐냉각 고속로의 초기 노심에 한시적으로 사용되는 U-Zr 금속연료에 비해, 경수로 사용후 핵연료 또는 소듐냉각 고속로 사용후 핵연료의 재순환 연료인 U-TRU-Zr 금속연료는 고방사선 연료물질을 포함하고 있으므로 작업자의 안전을 위해 원격제조되는 것이 바람직하다.
As compared with U-Zr metal fuel, which is temporarily used in the initial core of sodium cooling high-speed, U-Zr fuel and U-TRU-Zr fuel, which are the initial charging fuel of sodium cooling high- Or U-TRU-Zr metal fuel, which is a recycling fuel for spent fuel at high-sodium-cooled high-speed, contains high-radiation fuel materials and is preferably remotely manufactured for the safety of the operator.
이때, 소듐냉각 고속로에 적용하기 위한 핵연료 집합체는 일례로, 상기 금속연료심 복수 개와 소듐(Na)을 연료봉에 함께 장입한 후, 양단을 봉단 마개로 용접하고, 소듐 본딩 및 각종 구조재의 조립(nose piece, duct, handling socket 등)의 주요 공정을 통해 소듐냉각 고속로용 핵연료집합체로 제조될 수 있으나, 상기 핵연료집합체의 제조공정이 이에 제한되는 것은 아니다.
In this case, the nuclear fuel assembly to be applied to the sodium-cooled high-speed furnace is formed by charging a plurality of the metal fuel pads and sodium (Na) together into the fuel rod, welding both ends with a sealing plug, assembling sodium bonding and various structural members nose piece, duct, handling socket, etc.), but the manufacturing process of the nuclear fuel assembly is not limited thereto.
본 발명에 따른 핵연료 집합체는 소듐냉각 고속로에 사용될 수 있는 U-Zr 핵연료, U-TRU-Zr 핵연료로서, 종래의 경수로를 대체할 수 있는 소듐냉각 고속로의 상용화를 앞당기는 데 큰 역할을 수행할 것으로 예측된다.
The fuel assembly according to the present invention plays a major role in promoting the commercialization of the sodium-cooled high-speed furnace, which can replace the conventional light-water reactor, as the U-Zr fuel and U-TRU-Zr fuel which can be used in the sodium- .
본 발명은, According to the present invention,
상기 핵연료 집합체를 포함하는 소듐 냉각 고속로(Sodium-Cooled Fast Reactor, SFR)를 제공한다.
And provides a sodium-cooled fast reactor (SFR) containing the nuclear fuel assembly.
소듐냉각 고속로는 현재 활발하게 연구개발이 진행중인 4세대 원자로 후보 중 하나로 사용 후 연료 재활용을 통한 처분 폐기물량의 획기적 감소 및 장수명 핵종의 연소를 통한 방사성 독성의 획기적 감소가 가능하여 많은 주목을 받고 있다. The sodium-cooled high-speed reactor is one of the 4th generation reactor candidates currently under active research and development, and has been attracting much attention because it is capable of drastically reducing the amount of disposal waste by using spent fuel and drastically reducing radioactive toxicity by burning long-lived nuclear weapons .
상기 소듐냉각 고속로에 사용되는 핵연료로는 초기장전 핵연료인 U-Zr 연료와 재순환 핵연료인 U-TRU-Zr 핵연료가 있으며, U-Zr 연료심 또는 U-TRU-Zr 연료심 복수 개로 이루어진 상기 핵연료집합체를 소듐냉각 고속로에 장착하여 우수한 발전효율을 달성할 수 있을 것으로 예측된다.
The nuclear fuel used in the sodium-cooled high-speed furnace includes U-Zr fuel as the initial charging fuel and U-TRU-Zr fuel as the recirculating fuel, and the U-Zr fuel core or the U-TRU- It is predicted that the aggregate can be installed in the sodium-cooled high-speed furnace to achieve excellent power generation efficiency.
본 발명에 따른 금속연료심의 제조방법은 하기의 주조장치를 통해 수행할 수 있으나, 상기 금속연료심의 제조가 하기의 주조장치를 통해서만 수행될 수 있는 것은 아니며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 상기 주조장치에 다양한 변형 및 수정을 가하여 주조를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.
The method of manufacturing a metal fuel padding according to the present invention can be performed through the following casting apparatus, but the manufacture of the metal fuel padding can not be performed only through the following casting apparatus, It is understood that casting can be carried out by applying various modifications and modifications to the casting apparatus.
주조장치는 용융도가니, 복수 개의 연료심 주형, 가열로를 가압하기 위한 가압탱크, 주형을 침적시켰을 때 용융된 금속연료물질을 흡입하기 위한 흡입장치 및 주형에 용융된 금속연료물질이 충진될 때 원활한 충진을 위한 가스 벤트부를 포함할 수 있다.
The casting apparatus includes a melting furnace, a plurality of fuel seam molds, a pressurizing tank for pressurizing the heating furnace, a suction device for sucking the melted metal fuel material when the mold is immersed, and a suction device for sucking the melted metal- And a gas vent portion for filling.
용융도가니는 금속연료물질이 용융되는 곳이며, 상기 용융도가니의 내부 표면에는 세라믹 물질이 코팅된 치밀한 세라믹 층이 더 포함될 수 있어 연료물질 용융 중 도가니와 반응하거나 도가니 내부로 침투하는 것을 막을 수 있어 연료 손실을 최소화할 수 있다.
The melting crucible is a place where the metal fuel material is melted and the inner surface of the melting crucible may further include a dense ceramic layer coated with a ceramic material to prevent the crucible from reacting with the crucible during the melting of the fuel material, The loss can be minimized.
복수 개의 주형은 주형 상부로부터 주형 하부로 방향성 응고가 수행되도록 온도구배를 부여할 수 있고, 상기 온도구배 부여를 위해 예열장치를 이용할 수 있다. 주형의 예열은 금속연료물질을 주형에 충진하기 전 수행될 수 있으며, 이는 상기 온도 구배에 의한 방향성 응고에 영향을 미칠 뿐만 아니라 금속연료물질이 주형에 충진될 때의 마찰력에도 큰 영향을 미치므로 적절한 조절이 중요하다.The plurality of molds may be provided with a temperature gradient so that directional solidification is performed from the upper portion of the mold to the lower portion of the mold, and a preheating device may be used to apply the temperature gradient. The preheating of the mold can be performed before filling the metal fuel material into the mold, which not only affects the directional solidification due to the temperature gradient, but also greatly affects the frictional force when the metal fuel material is filled in the mold, Control is important.
또한, 상기 주형의 내부 표면에는 세라믹 물질이 코팅된 치밀한 세라믹 층이 더 포함될 수 있어 연료물질 용융 중 주형과 반응하거나 주형 내부로 침투하는 것을 막을 수 있어 연료 손실을 최소화할 수 있다.
Further, the inner surface of the mold may further include a dense ceramic layer coated with a ceramic material, so that the fuel material can be prevented from reacting with the mold during the melting of the fuel material or penetrating into the mold, thereby minimizing the fuel loss.
벤트부의 벤트라인은 표면적이 넓고 체적이 작어 가스는 쉽게 통과되지만 고온 용탕 액상이 통과할 경우 쉽게 열전달되어 응고가 일어나 금속연료물질이 흡입라인으로 유입되는 것을 막아줄 수 있다. 또한, 체적이 작기 때문에 후속공정에서 연료심으로부터 제거가 용이하다. 또한, 상기 단계 3에서 주형을 용탕에 침적시킨 후 불활성 가스 증기압을 증가시킴으로써 금속연료물질을 주형에 충진시킬 때, 주형 끝부분의 벤트라인은 주형내부에 금속연료물질이 충진될 때 주형내부의 반발압을 제거하는 역할을 할 수 있다. The vent line of the vent part has a large surface area and a small volume so that the gas can pass easily but when the hot molten liquid passes through it, it can be easily heat-transferred and solidify to prevent the metal fuel material from flowing into the suction line. Further, since the volume is small, it is easy to remove from the fuel padding in the subsequent process. In addition, when the metal fuel material is filled in the mold by immersing the mold in the molten metal in the step 3 and then increasing the vapor pressure of the inert gas, the vent line at the end of the mold causes the rebound of the mold inside the mold when the metal fuel material is filled in the mold. It can serve to remove the pressure.
한편, 용융된 금속연료물질이 주형에 충진될 때 받는 힘, 충진속도 및 충진 후 받는 힘은 가열로를 가압하는 불활성 가스압, 주형에 연결된 흡입력 및 주형에 용탕충진 전 가열로의 퍼징량에 영향을 받는다. 또한, 금속용융물질이 주형에 충진된 후에도 금속용융물질에 작용하는 힘은 금속용융물질이 완전용해될 때까지 급탕 역할을 하므로 금속용융물질의 양과 치수에 따라 상기 변수를 적절히 조절할 수 있다.
On the other hand, the force, the filling speed, and the force received after the filling of the molten metal fuel material are influenced by the inert gas pressure for pressing the heating furnace, the suction force connected to the mold, and the amount of spreading of the preheating furnace Receive. In addition, the force acting on the metal molten material even after the metal molten material is filled in the mold serves as a hot water supply until the metal molten material is completely dissolved, so that the above parameters can be appropriately adjusted according to the amount and size of the molten metal material.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples. However, the following examples are intended to illustrate the present invention, but the present invention is not limited to the following examples.
<실시예 1> 감압주조≪ Example 1 >
단계 1 : 연료 물질을 용해시킬 흑연 도가니 내부표면과 주형몰드 내부 표면에 TaC 분말을 불활성분위기에서 플라즈마 용사법으로 코팅 두께 약 120 ㎛로 치밀하게 도포하였다.Step 1: The TaC powder was applied to the inner surface of the graphite crucible and the inner surface of the mold to dissolve the fuel material in an inert atmosphere by plasma spraying to a coating thickness of about 120 탆.
단계 2 : 치밀하게 코팅된 용융도가니에 U-Zr 연료 물질(U : 90중량%, Zr 10 중량%)을 540 g 장입하였다. Step 2: 540 g of U-Zr fuel material (U: 90% by weight, Zr: 10% by weight) was charged into a tightly coated melting crucible.
단계 3: 금속연료물질이 장입된 용융도가니를 챔버 내에서 10-3 torr의 고진공분위기에서 가열하고 주형이 집합되어 있는 주형집합체를 예열하였다. Step 3: The molten crucible filled with the metal fuel material was heated in a high-vacuum atmosphere of 10 -3 torr in the chamber, and the mold assembly having the mold assembled was preheated.
단계 4 : 상기 단계 3에서 금속연료물질의 온도가 약 1000 ℃에 도달했을 때 불활성가스(Ar)을 주입하여 챔버의 압력을 200 torr로 유지하였다. Step 4: In step 3, when the temperature of the metal fuel material reached about 1000 캜, an inert gas (Ar) was injected to maintain the pressure of the chamber at 200 torr.
단계 5 : 상기 단계 4에서 금속연료물질의 온도가 1510 ℃에 도달했을 때 진공펌프로 퍼징(Purging)하여 챔버의 불활성가스 분위기압이 약 100 torr가 유지되도록 하였다. Step 5: In step 4, when the temperature of the metal fuel material reaches 1510 캜, the chamber is purged with a vacuum pump to maintain the inert gas atmosphere pressure of the chamber at about 100 torr.
상기 단계에서 주형집합체를 하강하여 금속연료물질에 침적시킨 후, 불활성 탱크의 밸브를 오픈하여 순간적으로 챔버를 1,830 torr의 압력으로 가압하여 금속연료물질을 주형집합체에 주입함으로써 금속연료심을 제조하였다.
In the above step, the mold assembly was lowered and immersed in the metal fuel material. Then, the valve of the inert tank was opened and the chamber was pressurized at a pressure of 1,830 torr to inject the metal fuel material into the mold assembly.
<실시예 2> ≪ Example 2 >
상기 실시예 1의 단계 2에서 U-Zr 연료 물질대신 U-TRU(초우라늄)-Zr 연료물질(U : 70중량%, TRU : 20중량%, Zr 10 중량%)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속연료심을 제조하였다.
Except that U-TRU (super uranium) -Zr fuel material (U: 70 wt%, TRU: 20 wt%, Zr 10 wt%) was used instead of U-Zr fuel material in the step 2 of Example 1 The metal-fuel shim was manufactured in the same manner as in Example 1.
<실시예 3> ≪ Example 3 >
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄탈륨카바이드(TaC) 분말대신 실리콘카바이드(SiC) 분말을 코팅하여 세라믹층을 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속연료심을 제조하였다.
A metal fuel shim was produced in the same manner as in Example 1 except that a ceramic layer was formed by coating a silicon carbide (SiC) powder instead of tantalum carbide (TaC) powder in the step 1 of Example 1 above.
<실시예 4> <Example 4>
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄탈륨카바이드(TaC) 분말대신 산화이트륨(Y2O3) 분말을 코팅하여 세라믹층을 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속연료심을 제조하였다.
A metal-fuel shim was prepared in the same manner as in Example 1 except that yttria (Y 2 O 3 ) powder was coated instead of tantalum carbide (TaC) powder in step 1 of Example 1 to form a ceramic layer .
<실시예 5>≪ Example 5 >
상기 실시예 1의 단계 1에서 탄탈륨카바이드(TaC) 분말대신 산화지르코늄(ZrO2) 분말을 코팅하여 세라믹층을 형성시킨 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 금속연료심을 제조하였다.
A metal fuel shim was produced in the same manner as in Example 1 except that a ceramic layer was formed by coating zirconium oxide (ZrO 2 ) powder instead of tantalum carbide (TaC) powder in step 1 of Example 1 above.
<실시예 6> 단순 가압주조Example 6: Simple pressing casting
단계 1: 연료 물질을 용해시킬 흑연 도가니 내부표면과 주형몰드 내부 표면에 TaC 분말을 불활성분위기에서 플라즈마 용사법으로 코팅 두께 약 120 ㎛로 치밀하게 도포하였다.Step 1: The TaC powder was applied to the inner surface of the graphite crucible and the inner surface of the mold to dissolve the fuel material in an inert atmosphere by plasma spraying to a coating thickness of about 120 탆.
단계 2: 치밀하게 코팅된 용융도가니에 U-Zr 연료 물질(U : 90중량%, Zr 10 중량%, Mn 5 중량%)을 4,400 g 장입하였다. Step 2: 4,400 g of U-Zr fuel material (U: 90% by weight, 10% by weight of Zr and 5% by weight of Mn) was charged into a tightly coated melting crucible.
단계 3: 금속연료물질이 장입된 용융도가니를 챔버 내에서 10-3torr의 고진공분위기에서 가열하고, 직경 4.3 mm인 주형이 집합되어 있는 주형집합체를 예열하였다. Step 3: The molten crucible filled with the metal fuel material was heated in a high-vacuum atmosphere of 10 -3 torr in the chamber, and a mold aggregate having a mold having a diameter of 4.3 mm was preheated.
단계 4: 상기 단계 3에서 금속연료물질의 온도가 약 600 ℃에 도달했을 때 불활성가스(Ar)을 주입하여 챔버의 압력을 200 torr로 유지하였다. Step 4: In step 3, when the temperature of the metal fuel material reached about 600 ° C, an inert gas (Ar) was injected to maintain the pressure of the chamber at 200 torr.
단계 5: 상기 단계 4에서 금속연료물질의 온도가 1,545 ℃에 도달했을 때 실시예 1과 같은 진공퍼징 없이, 바로 주형집합체를 하강시켜 용융 금속연료물질 상부에 일정시간 유지시켜 예열시킨 후 금속연료물질에 침적시킨 후, 불활성 탱크의 밸브를 오픈하여 순간적으로 챔버를 1,710 torr의 압력으로 가압하여 금속연료물질을 주형집합체에 주입함으로써 금속연료심을 제조하였다.
Step 5: When the temperature of the metal-fuel material reaches 1,545 ° C in the step 4, the mold assembly is immediately lowered without vacuum purging as in the case of Example 1, , The valve of the inert tank was opened and the chamber was instantaneously pressurized at a pressure of 1,710 torr to inject the metal fuel material into the mold assembly to produce the metal fuel shim.
<실시예 7> 진공 흡입≪ Example 7 >
단계 1: 연료 물질을 용해시킬 흑연 도가니 내부표면과 주형몰드 내부 표면에 TaC 분말을 불활성분위기에서 플라즈마 용사법으로 코팅 두께 약 120 ㎛로 치밀하게 도포하였다.Step 1: The TaC powder was applied to the inner surface of the graphite crucible and the inner surface of the mold to dissolve the fuel material in an inert atmosphere by plasma spraying to a coating thickness of about 120 탆.
단계 2: 치밀하게 코팅된 용융도가니에 U-Zr-Mn 연료물질(U: 70중량%, TRU: 20중량%, Zr 10 중량%)을 7,600g 장입하였다. Step 2: 7,600 g of U-Zr-Mn fuel material (U: 70% by weight, TRU: 20% by weight, Zr: 10% by weight) was charged into a tightly coated melting crucible.
단계 3: 금속연료물질이 장입된 용융도가니를 챔버 내에서 10-2torr의 고온진공분위기에서 가열하고, 직경 4.8 mm인 주형이 집합되어 있는 주형집합체를 예열하였다.Step 3: The molten crucible filled with the metal fuel material was heated in a high-temperature vacuum atmosphere of 10 -2 torr in the chamber to preheat the mold assembly having the mold with the diameter of 4.8 mm.
단계 4: 상기 단계 3에서 금속연료물질의 온도가 약 600 ℃에 도달했을 때 불활성가스(Ar)을 주입하여 챔버의 압력을 300 torr로 유지하였다. Step 4: In step 3, when the temperature of the metal fuel material reached about 600 ° C, an inert gas (Ar) was injected to maintain the pressure of the chamber at 300 torr.
단계 5: 상기 단계 4에서 금속연료물질의 온도가 1,480 ℃에 도달했을 때 주형집합체를 하강하고 용융된 금속연료물질 상부에 일정시간 유지시켜 주형집합체를 예열한 후 금속연료물질에 침적시킨 후, 침적되지 않은 주형집합체 반대쪽과 연결된 진공압 밸브를 오픈하여 챔버와 진공흡입압 1200 torr만큼의 차에 의해 금속연료물질을 주형집합체에 주입함으로써 금속연료심을 제조하였다.
Step 5: When the temperature of the metal fuel material reaches 1,480 DEG C in the step 4, the mold aggregate is lowered and held on the molten metal fuel material for a predetermined time to preheat the mold aggregate, A metal fuel shim was fabricated by opening a vacuum valve connected to the opposite side of the mold assembly and injecting the metal fuel material into the mold assembly by means of a chamber and vacuum at a vacuum suction pressure of 1200 torr.
<실시예 8> ≪ Example 8 >
상기 실시예 7의 단계 5에서 주형집합체를 하강시켜 금속연료물질에 침적시킨 연후 금속연료물질을 가압하기 위한 불활성 탱크 밸브와 금속연료물질에 침적되지 않은 반대쪽 라인의 밸브를 동시에 오픈하여 1,570 torr의 압력차에 의해 금속연료물질을 주형집합체에 주입한 것을 제외하고는 실시예 7과 동일하게 수행하여 금속연료심을 제조하였다.
In step 5 of Example 7, the mold assembly is lowered to deposit the metal fuel material, and the inert tank valve for pressurizing the metal fuel material and the valve of the opposite line not immersed in the metal fuel material are simultaneously opened to produce a pressure of 1,570 torr A metal fuel shim was manufactured in the same manner as in Example 7 except that the metal fuel material was injected into the mold aggregate by a car.
Claims (20)
상기 단계 1에서 세라믹층이 코팅된 용융도가니 내부로 금속연료물질을 장입하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 금속연료물질이 장입된 용융도가니를 진공분위기에서 1차 가열하는 단계(단계 3);
진공 퍼징 후, 불활성 가스를 주입하여 조성되는 불활성 가스 분위기에서 상기 단계 3의 금속연료물질을 불활성가스 분위기에서 2차 가열하여 금속연료물질을 용융하는 단계(단계 4); 및
상기 단계 4의 용융된 금속연료물질에 주형을 침적시켜 주형 내부로 흡입력을 가하는 방법 또는 상기 주형 외부의 불활성 가스 분위기압을 증가시킴으로써 금속연료물질을 상기 단계 1의 세라믹층이 코팅된 주형 내부로 충진하는 단계(단계 5);를 포함하는 금속연료심의 제조방법.
Coating the ceramic material on the inner surface of the molten crucible and the mold to form a ceramic layer (step 1);
Charging the metal fuel material into the molten crucible coated with the ceramic layer in step 1 (step 2);
(Step 3) of heating the molten crucible filled with the metal fuel material in the vacuum environment in the step 2;
(Step 4) of secondarily heating the metal fuel material in step 3 in an inert gas atmosphere in an inert gas atmosphere formed by injecting an inert gas after vacuum purging to melt the metal fuel material; And
The metal fuel material is filled into the mold having the ceramic layer coated in Step 1 by a method in which the mold is immersed in the molten metal fuel material in Step 4 and a suction force is applied to the mold interior or by increasing the atmospheric pressure of the inert gas outside the mold, (Step 5). ≪ / RTI >
상기 단계 1의 세라믹 물질은 탄탈륨카바이드(TaC), 티타늄카바이드(TiC), 산화이트륨(Y2O3) 및 산화지르코늄(ZrO2)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Ceramic material of step 1 is a tantalum carbide (TaC), titanium carbide (TiC), yttrium oxide (Y 2 O 3) and zirconium oxide (ZrO 2) Production of metal fuel hearing, characterized in that species, one is selected from the group consisting of Way.
세라믹 물질을 코팅하는 상기 단계 1은 화학적 기상반응(Chemical Vapor Reaction, CVR), 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 및 플라즈마 용사법으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step 1 for coating the ceramic material is performed by one of the methods selected from the group consisting of chemical vapor reaction (CVR), physical vapor deposition (PVD), and plasma spraying A method of manufacturing a metal fuel padding.
상기 단계 1의 세라믹 코팅층 두께는 3 내지 300 μm인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ceramic coating layer of step 1 has a thickness of 3 to 300 m.
상기 단계 2의 금속연료물질은 U-Zr 합금 또는 U-TRU-Zr합금인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the metal-fuel material of step 2 is a U-Zr alloy or a U-TRU-Zr alloy.
상기 단계 3의 진공분위기는 10-1 내지 10-4torr의 압력인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the vacuum atmosphere of step 3 is a pressure of 10 -1 to 10 -4 torr.
상기 단계 3의 가열은 금속연료물질의 온도가 650 ℃가 될 때까지 수행하는 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heating of step 3 is performed until the temperature of the metal fuel material reaches 650 ° C.
상기 단계 4의 불활성 가스 분위기는 50 내지 2300 torr의 압력인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the inert gas atmosphere in step 4 is a pressure of 50 to 2,300 torr.
상기 단계 4의 불활성 가스는 아르곤, 질소 및 이들의 혼합가스로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the inert gas in step 4 is one selected from the group consisting of argon, nitrogen, and a mixed gas thereof.
상기 단계 4의 가열은 700 내지 1600 ℃의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heating of step 4 is performed in a temperature range of 700 to 1600 ° C.
상기 단계 5의 주형의 직경은 4 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mold of step 5 has a diameter of 4 to 10 mm.
상기 흡입력은 주형 외부의 불활성 가스 분위기 압력보다 낮은 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the suction force is lower than the atmospheric pressure of the inert gas outside the mold.
상기 단계 5의 수행 전, 진공 퍼징공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a vacuum purging step prior to performing step 5 above.
상기 진공 퍼징 후의 불활성가스 분위기압은 금속용융물질의 전체 증기압보다 큰 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the inert gas atmosphere pressure after the vacuum purging is higher than the total vapor pressure of the metal molten material.
상기 단계 5의 주형은 벤트부를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mold of step 5 comprises a vent portion.
상기 단계 5의 충진은 1400 내지 1600 ℃의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 금속연료심의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the filling of step 5 is performed in a temperature range of 1400 to 1600 ° C.
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|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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