KR101617721B1 - (초)고온가스로 핵연료 연료핵입자 제조를 위한 회전형 반응장치를 포함하는 구형의 연료핵소결입자 제조장치 - Google Patents

(초)고온가스로 핵연료 연료핵입자 제조를 위한 회전형 반응장치를 포함하는 구형의 연료핵소결입자 제조장치 Download PDF

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정경채
조문성
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명은 핵연료 제조 중간물질인 ADU 겔을 열분해하여 제조된 구형의 산화물 입자를 환원 및 소결시키기 위한 장치로써, 상기 구형의 산화물 입자가 내부로 장입되어 환원 및 소결되는 반응기; 상기 반응기 내로 반응가스가 공급되는 가스 인입부; 상기 반응기로부터 반응가스가 배출되는 가스 배출부; 상기 반응기 외주면으로 구비되는 가열부; 상기 반응기를 회전시키는 반응기 회전부; 및 상기 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부;를 포함하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치를 제공한다. 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치는 고온가스로 또는 초고온가스로 핵연료 제조 중간물질인 ADU 겔을 열분해하여 제조된 구형의 산화물 입자를 환원 및 소결시키는 데 있어서, 종래의 소결로가 정적인 상태에서 반응시키는 것을 보완한 고온 회전형 반응기를 포함하는 것으로, 상기와 같이 고온 회전형 반응기를 포함함에 따라, 반응기를 회전시키면서 고온의 반응을 수행할 수 있고, 특히 반응기 내의 입자를 유동시킴에 따라 반응 가스와의 접촉효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부로 체결부와 완충부를 도입함으로써 반응 가스 누출은 원천적으로 차단 및 반응기의 파손을 방지할 수 있다.

Description

(초)고온가스로 핵연료 연료핵입자 제조를 위한 회전형 반응장치를 포함하는 구형의 연료핵소결입자 제조장치{Spherical sintered kernel preparation equipment containing the high temperature rotating reactor with kiln type for (V)HTGR nuclear fuel}
본 발명은 (초)고온가스로(고온가스로 또는 초고온가스로) 핵연료 연료핵입자 제조를 위한 회전형 반응장치를 포함하는 구형의 연료핵소결입자 제조장치에 관한 것이다.
(초)고온가스로(고온가스로 또는 초고온가스로)에 장전되는 핵연료는 일반 중수로나 경수로 형태의 핵연료와는 다른 TRISO 형태의 구형입자를 만든 후, 이를 그라파이트 분말과 혼합한 후 원자로 형태에 따라 각기둥(prismatic)의 형태나 페블(pebble)의 형태로 가공하여 핵연료를 제조한다.
TRISO 형태의 입자 내부에는 UO2 혹은 UCO 형태의 커널(Kernel) 입자를 구형으로 제조하며, 일반적으로는 졸-겔(sol-gel)공정을 기반으로 한 겔-침전법 (Gel-Supported Precipitation, GSP)이라고 불리는 액상공정으로 제조하고 있다.
구형으로 제조된 UO2혹은 UCO 입자는 화학증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD) 라고 하는 피복장치를 이용해서 입자의 표면을 4중으로 피복하여 TRISO 입자가 제조된다.
현재 대부분의 (초)고온가스로 핵연료 제조공정은 중우라늄산암모늄(ADU) 혹은 C-ADU(카본이 함유된) 겔 입자를 제조한 후 이를 하소로(calcination furnace)에서 UO3 혹은 C-UO3 로 하소하여 변환시킨다.
상기 UO3 형태로 변환된 입자를 하소로에서 꺼내고, 이를 다시 소결로(sintering furnace)로 이동시킨 후 환원가스와 반응시켜 UO2 혹은 UCO로 환원시키고, 동일한 소결로를 이용해서 환원된 UO2 혹은 UCO 입자 내부를 치밀화시키는 소결과정을 거쳐 소결된 UO2 혹은 UCO 입자를 얻을 수 있다.
이렇게 얻어진 소결된 UO2 혹은 UCO 입자를 코터(coater)에서 CVD 방법으로 다양한 코팅 가스를 이용해서 구형입자의 표면을 피복하면, 최종적으로 TRISO 형태의 코팅된 입자를 얻을 수 있다.
본 발명에서는 상기한 바와 같이 다단계의 열처리 과정을 거쳐 TRISO 입자를 얻는 과정 중에서 UO2 혹은 UCO 입자로의 환원 및 소결과정에 관해 연구하던 중, 기존 소결로가 정적인 상태에서 반응시키는 것을 보완하여 고온에서도 소결장치 내에서 UO2(혹은 UCO) 입자를 미세하게 유동시켜 반응정도를 향상시킨 소결입자를 얻을 수 있는 구형의 연료핵 소결입자 제조장치이며, 특히 반응기 내부로 인입되는 반응 가스의 외부 누출을 원천적으로 차단할 수 있는 연결부를 포함하는 구형의 연료핵 소결입자 제조장치를 개발하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 등록특허 제10-1370435호
본 발명의 목적은 회전형 반응기를 도입하여 고온에서 반응 가스와 연료핵 입자의 접촉 효율을 증진시켜 반응 효율을 향상시키고, 고온에서 회전형 반응장치에서 발생할 수 있는 반응 가스의 누출을 원천적으로 차단할 수 있는 구조로 안정성이 향상된 구형의 연료핵 소결입자 제조장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
핵연료 제조 중간물질인 ADU 겔을 열분해하여 제조된 구형의 산화물 입자를 환원 및 소결시키기 위한 장치로써,
상기 구형의 산화물 입자가 내부로 장입되어 환원 및 소결되는 반응기;
상기 반응기 내로 반응가스가 공급되는 가스 인입부;
상기 반응기로부터 반응가스가 배출되는 가스 배출부;
상기 반응기 외주면으로 구비되는 가열부;
상기 반응기를 회전시키는 반응기 회전부; 및
상기 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부;를 포함하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
상기의 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 반응기 내로 구형의 산화물 입자를 장입하고, 반응 가스를 예열하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 예열된 반응 가스를 반응기 내로 공급하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 반응 가스가 공급된 반응기를 회전시키며 구형의 산화물 입자와 반응 가스를 반응시키는 단계(단계 3);를 포함하는 구형의 산화물 소결입자의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은
상기의 제조방법으로 제조된 구형의 산화물 소결입자를 제공한다.
본 발명에 따른 구형의 산화물(또는 탄소가 함유된 복합산화물) 소결입자 제조장치는 고온가스로 또는 초고온가스로 핵연료 제조 중간물질인 ADU 겔(또는 탄소가 함유된 C-ADU 겔)을 열분해하여 제조된 구형의 산화물(탄소가 함유된 복합산화물) 입자를 환원 및 소결시키는 데 있어서, 종래의 소결로가 정적인 상태에서 반응시키는 것을 보완한 고온 회전형 반응기를 포함하는 것으로, 상기와 같이 고온 회전형 반응기를 포함함에 따라, 반응기를 회전시키면서 고온의 반응을 수행할 수 있고, 특히 반응기 내의 입자를 유동시킴에 따라 반응 가스와의 접촉효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 그라파이트 혹은 고온용 재질이 반응기로 적용되는 경우, 고온에서 입자를 반응시키는 UO2(또는 UCO) 입자의 제조시에도 적용될 수 있는 장점이 있다. 나아가, 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부로 체결부와 완충부를 도입함으로써 반응 가스 누출은 원천적으로 차단 및 반응기의 파손을 방지할 수 있다.
도 1 내지 10은 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 11 내지 14는 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 반응기를 나타낸 모식도이고;
도 15는 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 반응기 내 필터를 나타낸 모식도이다.
본 발명은
핵연료 제조 중간물질인 ADU 겔을 열분해하여 제조된 구형의 산화물 입자를 환원 및 소결시키기 위한 장치로써,
상기 구형의 산화물 입자가 내부로 장입되어 환원 및 소결되는 반응기;
상기 반응기 내로 반응가스가 공급되는 가스 인입부;
상기 반응기로부터 반응가스가 배출되는 가스 배출부;
상기 반응기 외주면으로 구비되는 가열부;
상기 반응기를 회전시키는 반응기 회전부; 및
상기 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부;를 포함하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치를 제공한다.
이때, 도 1 내지 10에 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 일례를 모식도로 나타내었으며,
이하, 도 1 내지 10에 나타낸 모식도를 참고하여 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치에 대하여 상세히 설명한다.
기존의 (초)고온가스로용(고온가스로 또는 초고온가스로용) 핵연료 제조과정에서는 TRISO 피복입자를 얻기 위해 액상방법으로 얻어진 구형의 ADU 혹은 C-ADU 겔 입자를 하소(calcination furnace)하여 UO3 혹은 C-UO3 입자로 변환시키고, 이를 소결로(sintering furnace)로 옮겨서 소결된 UO2 혹은 UCO 커널(kernel)을 얻은 다음, 이를 또 다른 형태의 피복장치(Coater)에서 코팅 가스를 이용해서 고온으로 피복하는 과정을 거쳐 얻어진다.
이러한 과정에서 고온의 소결 UO2 혹은 UCO 입자를 얻기 위해서는 특히 UCO입자와 같이 약 1900 ℃ 이상의 고온이 요구되는 경우 기존의 반응기를 사용하면 정적인 상태에서 반응시키기 때문에 반응 효율이 떨어진다.
이때, 본 발명은 기존의 고정형 소결로 대신 고온 회전형 반응기를 사용하였으며, 상기와 같이 고온 회전형 반응기를 포함함에 따라, 반응기를 회전시키면서 고온의 반응을 수행할 수 있고, 특히 반응기 내의 입자를 유동시킴에 따라 반응 가스와의 접촉효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 고온의 소결 UO2 혹은 UCO 입자를 얻기 위해 1900 ℃ 이상의 고온이 요구되는 상황에서 기존의 재질을 이용하여 반응기를 제작하여 사용할 경우 여러 문제가 발생할 수 있으나, 본 발명과 같이 그라파이트 혹은 고온용 재질이 반응기로 적용되는 경우, 고온에서 입자를 반응시키는 UCO 입자의 제조시에도 적용될 수 있다.
나아가, 상기와 같이 고온에서 강도가 우수한 재질을 적용한 반응기를 회전형 반응기로 적용할 경우 회전 축이 중심을 약간만 벗어나도 쉽게 파손될 가능성이 있다. 이에 따라, 고온에서 반응 가스가 누출되는 등의 사고가 발생할 수 있다.
이때, 본 발명은 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부로 체결부와 완충부를 도입함으로써 반응 가스 누출은 원천적으로 차단 및 반응기의 파손을 방지할 수 있다.
도 1 내지 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 핵연료 제조 중간물질인 ADU 겔을 열분해하여 제조된 구형의 산화물 입자를 환원 및 소결시키기 위한 장치로, 상기 구형의 산화물 입자가 내부로 장입되어 환원 및 소결되는 반응기(100); 상기 반응기 내로 반응가스가 공급되는 가스 인입부(200); 상기 반응기로부터 반응가스가 배출되는 가스 배출부(300); 상기 반응기 외주면으로 구비되는 가열부(400); 상기 반응기를 회전시키는 반응기 회전부(600); 및 상기 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부(500);를 포함하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)를 제공한다.
본 발명에 기재된 ADU 겔은 일반적인 ADU 겔 뿐만 아니라, 탄소가 함유된 C-ADU 겔을 포함한다. 또한, 구형의 산화물 입자는 UO2 등의 산화물 뿐만 아니라 UCO 등의 탄소가 함유된 복합산화물을 포함한다.
본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)에 있어서, 상기 연결부(500)는, 상기 반응기(100)와 가스 인입부(200) 또는 가스 배출부(300)로 연결되는 연결관(501); 상기 연결관과 반응기가 체결되는 체결부(502); 및 상기 체결부 외주면에 위치하는 완충부(503);를 포함한다.
이때, 상기 연결관(501)은 플렉서블 튜브(flexible tube)인 것이 바람직하고, 상기 체결부(502) 및 완충부(503)는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)으로 이루어진 것이 바람직하다.
반응기(100) 내에서 실질적으로 산화물 입자가 반응하는 공간인 반응기의 중간 파트(part)는 매우 고온(약 1900 ℃ 이상)이며, 가스 인입부(200) 또는 가스 배출부(300) 방향으로 갈수록 상대적으로 저온 상태이다. 때문에, 열팽창에 의해 반응기의 연결 부분이 파손되기 쉽다.
이에, 본 발명에서는 고온 부위와 저온 부위를 연결하는 부분에 연결부(500)를 도입하였으며, 상기 연결부에는 연결관(501)으로 플렉서블 튜브를 도입하고, 몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어진 체결부(502)를 도입하여 열팽창을 흡수하는 방안을 마련한 것으로, 반응기(100)를 조립할 때 수평을 맞추는 작업에서 발생할 수 있는 수평에 대한 조립편자를 흡수하여 반응기를 보호할 수 있다.
상기 연결관(501)으로 플렉서블 튜브를 도입하고, 이를 가스 인입부(200) 또는 가스 배출부(300)와 연결함으로써 반응기의 조립시 수평이 맞지 않음으로써 발생할 수 있는 불균형한 회전에 의한 반응기(100)의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 고온 부위와 상대적으로 저온 부위 사이에 완충 작용을 할 수 있도록 고온과 저온에서 동시에 강점을 보이는 금속인 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)으로 이루어진 완충부(503)를 도입하여 급격한 열전달에 의한 충격을 방지할 수 있다. 이때, 상기 완충부를 도입함으로써 1 차적으로 반응 가스가 누출되는 것을 원천 봉쇄할 수 있다.
반응기(100)와 가스 인입부(200) 또는 가스 배출부(300) 중간에 연결부(500)에 완충 역할을 하는 금속 물질로 이루어진 완충부(503)를 형성함으로써 열팽창에 견딜 수 있다. 구체적으로, 상기 반응기의 재질인 그라파이트와 열특성이 유사한 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)을 완충부로 형성함으로써 열팽창으로 발생하는 응력의 균형을 1 차 흡수할 수 있다. 특히, 그라파이트와 열특성이 유사할 뿐만 아니라 성형성, 가공성 등이 우수한 몰리브덴으로 이루어진 완충부를 사용하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 체결부(502)는 암나사 형태로 체결된 것이 바람직하다. 상기 반응기(100)와 연결부(500)가 숫나사 형태로 조립될 경우 그라파이트로 이루어진 반응기의 특성 상 취약점이 발생하지만, 이를 암나사로 설계하는 경우 그라파이트 재질의 반응기가 부서지는 취약점을 더욱 보강할 수 있다.
더욱 나아가, 2 차적으로 가스 누출을 원천적으로 배제하기 위해 암나사 형태로 체결된 체결부(502)와 연결관(503) 부분에 그라파이트 펠트(graphite felt, 504)를 더 포함할 수 있다. 이를 통해, 열팽창에 의해 나사산으로 누출될 수 있는 반응 가스의 누출을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)에 있어서, 상기 반응기(100)는 이중관 구조로 구성되어 있다.
이때, 도 11 내지 14에 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)의 반응기(100) 내부를 더욱 상세히 도시하였으며, 특히 도 13에는 반응기 내부의 단면을 도시하였다.
상기 반응기(100)의 재질은 약 1500 ℃의 온도 이상, 약 1500 ℃ 내지 2000 ℃의 온도를 유지 또는 견딜 수 있는 재질인 것이 바람직하며, 구체적인 일례로써 그라파이트(graphite) 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
또한, 상기 반응기(100) 내로는 배플(baffle, 101)이 형성되어있는 것이 바람직하며, 상기 배플은 반응기 회전시 반응 가스와 구형 산화물 입자의 접촉 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 배플은 120 °의 간격으로 형성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 배플의 재질은 그라파이트 재질을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 반응기(100) 내면은 탄화규소(SiC)로 코팅될 수 있으며, 이를 통해 그라파이트 재질의 반응기로부터 원치않은 탄소가 불순물로 작용하여 산화물 입자를 오염시키는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 반응기(100)는 복수 개의 파트(part)가 나사부에 의해 체결된 구조인 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 반응기(100)는 양 말단부가 콘(cone) 형상인 원통 구조인 것이 바람직하며, 반응기 외부는 플랜지 형태로 구성되어 있어, 초기 반응물의 투입이나 최종생성물의 배출성을 용이하게 하고, 반응기 내부의 구성물 교체하거나 수리할 경우 용이하게 수행할 수 있다.
더욱 나아가, 상기 반응기는 복수개의 미세 홀(hole)이 형성된 필터(filter, 102)가 구비되는 것이 바람직하다. 상기 필터는 도 15에 구체적인 일례를 모식도로 나타내었으며, 상기 필터는 반응기 내부에 탈착 및 부착이 가능한 것이 가장 바람직하다.
이때, 상기 미세 홀의 직경은 구형 산화물 입자가 통과할 수 없도록, 상기 산화물 입자보다 직경이 작아야 되며, 반응 가스가 충분히 유입될 수 있는 직경이라면 상기 미세홀의 직경이 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 필터(102)는 암나사 형태의 체결부를 포함하는 것이 바람직하다. 암나사 형태의 체결부를 포함함으로써 손잡이 역할을 할 수 있고 이에 따라 장착, 탈착 및 교체가 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 필터(102)를 통해 구형입자가 가스 인입부(200)로 흘러내리는 것을 방지할 수 있다. 또한, 가스 인입부(200)로 인입되는 반응 가스가 미세 홀을 통해 균등하게 혼입될 수 있다.
본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)에 있어서, 상기 가스 인입부(200) 및 가스 배출부(300)는 냉각부(700);를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각부(700)에 일례를 도 9에 나타내었으며, 상기 냉각부는 가스 공급 및 배기 라인 외부에 적절한 냉각재를 사용해서 고온의 전도에 의한 냉각을 수행함으로써 장치의 안전성을 확보할 수 있다.
냉각방법으로는 반응기 재질인 그라파이트 혹은 고온재질의 반응기 전, 후 부위를 길게 유지한 후 이 부위 외부에 구리, 은, 알루미늄 및 텅스텐과 같은 열전도율이 우수한 금속 또는 열전도성 합금을 사용하여 외부를 1 차 냉각하고, 스테인리스(stainless)를 이용해서 2 차 냉각하여 수행될 수 있다.
이때, 그라파이트 혹은 고온재질과 연결되는 외부 냉각 재질인 구리 등의 열전도성 금속은 나사산 형식으로 연결될 수 있고, 열전도성 금속과 스테인리스간의 연결은 특수 용접을 이용해서 연결함으로써 고온의 열전도로 인한 열충격을 점진적으로 완화시킬 수 있다. 또한, 고온에서도 두 재질이 용접되어 냉각재가 누수 되지 않는 구조로 설계되어, 이로 인해 냉각효율을 극대화할 수 있다.
또한, 상기 가스 인입부(200)와 반응기(100) 중간 부분이 로터리 조인트(rotary joint) 형태의 구조로 설계되어 반응기와 가스 인입부가 한축을 이루면서도 반응기만 회전이 가능하다.
나아가, 상기 가스 인입부(200)의 관 크기를 반응기와 연결된 연결관의 크기보다 약 1/2 내지 1/5의 크기로 작게 하여 반응 가스를 공급하는 것이 바람직하며, 이를 통해 상기 반응 가스가 반응기에 공급되면서 발생할 수 있는 가스 흐름에 대한 요동(fluctuation)을 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)에 있어서, 상기 가가열부(400)는 반응기(100)의 외주면을 따라 구비되는 히터(heater, 404) 및 상기 히터를 둘러싸는 단열재(405)를 포함할 수 있다.
상기 히터(404)의 재질은 반응기(100)와 재질이 같은 그라파이트를 기본 재질로 하여 구성되어 있으며, 이는 반응기를 공기와 차단하도록 외부를 실링(sealing)하는 구조로 구성된다.
또한, 상기 단열재(405)는 복수 개의 홀을 포함하며, 상기 복수개의 홀에는 반응기 내부의 온도를 감지하기 위한 온도 측정기(401)가 구비될 수 있다. 이때, 상기 온도 측정기는 열전대 및 적외선 온도계를 사용할 수 있다.
나아가, 상기 가열부(400)는 외부가스 공급라인(402), 냉각수 라인(403)을 더 포함할 수 있다. 반응기가 고온에서 작동해야 하기 때문에 내부뿐만 아니라 외부에도 공기(또는 산화가 가능한 가스)의 차단이 필요하며, 반응기 재질에 따라 외부와의 접촉 차단을 위해 반응기 외부 공간에 외부 분위기가스를 투입하여 내부 반응 가스의 누출이 외부로 방출되는 것을 방지하기 위해 외부가스 공급라인(402)을 더 포함할 수 있다. 또한, 고온 반응이 종료된 후 반응기 온도를 내리기 위해 냉각수 라인(403)을 더 포함할 수 있다.
이때, 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 상기 가열부(400) 후면에 적외선 온도계(406)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)에 있어서, 상기 반응기 회전부(600)는 기어박스(gear box) 및 상기 기어박스를 회전시키는 모터(motor)를 포함할 수 있다.
이때, 반응기 회전부(600) 내부의 기어박스의 재질은 반응기(100)의 재질과 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다. 고온의 반응기와 인접한 기어박스의 경우 반응기와 마찬가지로 고온에서도 변형이 발생하지 않는 재질인 것이 바람직하다. 이에, 본 발명에서는 상기 기어박스의 재질을 반응기와 동일하게, 예를 들어 그라파이트 재질을 사용할 수 있다.
또한, 상기 반응기 회전부(600)의 경우, 반응기와 인접하고 있는 고온 부분과, 상대적으로 반응기와 이격되어 있는 저온 부분으로 구분될 수 있으며, 상기 고온 부분과 저온 부분은 바람직하게는 단열재(405)에 의하여 격리된 구조일 수 있다.
이때, 상기 반응기 회전부(600)의 고온 부분과 저온 부분의 구분은 반응기 외부 부착된 외부 가열히터를 중심으로 구분할 수 있으며, 내부 반응기의 회전 속도가 온도 구분에 의해 변동되는 것은 아니다.
따라서, 고온부와 저온부의 구분은 반응기 외부에 부착된 가열히터를 기준으로 구분하며, 일반적으로 고온부와 저온부 구분 경계부터 저온부 외부를 적절한 냉각재를 도입해서 점진적으로 냉각시킬 수 있다.
본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자 제조장치(1000)에 있어서, 상기 구형의 산화물 소결입자 제조장치는 반응기(100)의 회전, 가열온도 및 가스공급을 제어하는 제어부(800)를 더 포함할 수 있다.
또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 제어부(800) 상부에 반응 장치를 위치시킬 수 있다.
나아가, 상기 제어부(800) 측면에는 수평 조절부(900)가 구비되며, 상기 반응 장치의 수평 각도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은
상기의 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 반응기 내로 구형의 산화물 입자를 장입하고, 반응 가스를 예열하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 예열된 반응 가스를 반응기 내로 공급하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 반응 가스가 공급된 반응기를 회전시키며 구형의 산화물 입자와 반응 가스를 반응시키는 단계(단계 3);를 포함하는 구형의 산화물 소결입자의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자의 제조방법에 있어서, 단계 1은 상기의 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 반응기 내로 구형의 산화물 입자를 장입하고, 반응 가스를 예열하는 단계이다.
상기의 구형의 산화물 소결입자 제조장치는 특히, 반응기 내에 수용된 핵연료 제조 중간 물질인 구형의 산화물 입자를 최소한의 유동가스를 주입하여 고온에서 반응시키되, 상기 반응기를 회전시키며 상기 반응을 수행하기 위한 장치이다. 이는 상기에서 설명한 바와 같으므로 이하 설명을 생략한다.
이때, 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자의 제조방법은 상기의 구형의 산화물 소결입자 제조장치를 통해 구형의 산화물 소결입자를 제조하는 방법으로써, 상기 단계 1에서는 반응기 내로 공급할 반응가스를 예열시킨다.
이는, 상기 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 가스 인입부를 통해 반응가스를 공급하기 전, 반응기가 고온에서 운전 시에 발생 되는 열 충격을 사전에 감소시키기 위한 것으로써, 상기 단계 1의 예열은 반응물의 투입 후 반응기가 회전하면서 환원 및 소결반응이 진행되는 초기부터 공급이 되기 때문에, 회전형 반응기의 온도와 연동되어 온도가 조절된다.
만약, 800 ℃ 이상의 고온 반응일 경우 회전형 반응기와의 온도 연동성을 만족시키기가 어려우므로 이를 감안하여 가스 가열시스템을 제작한다.
한편, 상기 단계 1의 반응 가스로는 수소(H2), 아르곤(Ar) 및 일산화탄소(CO) 등의 환원성 가스가 단독 혹은 혼합형태로 사용될 수 있으며, 바람직하게는 수소, 아르곤, 일산화탄소가 반응가스로 사용될 수 있으나 상기 반응가스가 이에 제한되는 것은 아니다.
아울러, 상기 단계 1의 반응 가스로는 불활성 가스가 혼합된 혼합가스가 사용될 수 있으며, 이들의 혼합비는 특별히 제한되지 않는다.
다음으로, 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 예열된 반응 가스를 반응기 내로 공급하는 단계이다.
이때, 상기 단계 2에서 공급되는 반응 가스의 유량은 초기 반응물의 투입량에 따라 변동이 가능하며, 투입된 반응물의 표면을 전부 접촉할 수 있는 유량을 공급하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 유동층 반응기(Fluidized bed)와 같은 형태로 반응기가 구비되는 경우, 본 발명의 경우에 사용되는 고밀도의 반응물을 유동시키기 위한 반응 가스의 유량이 급격히 증가하여 소비되는 반응 가스로 인한 경제적 손실이 발생하는 문제가 있으나, 본 발명에서는 회전형 반응기를 사용하여 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있다.
상기 범위와 같이 적정 수준의 반응 가스가 반응기로 공급됨에 따라, 과도한 반응 가스가 소모되는 것을 방지하면서도 구형의 산화물 소결입자를 효율적으로 제조할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 구형의 산화물 소결입자의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 반응 가스가 공급된 반응기를 회전시키며 구형의 산화물 입자와 반응 가스를 반응시키는 단계이다.
상기 단계 3의 반응은 단계 2에서 공급된 반응 가스와 반응기 내에 장입된 구형의 산화물 입자를 고온에서 소결하여 수행되는 것으로써, 상기 단계 3의 반응은 예를 들어 1500 ℃ 내지 2000 ℃ 온도에서 수행될 수 있다.
이때, 상기 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 냉각부를 통하여 고온의 전도에 의한 냉각을 수행할 수 있다. 이는, 상기 반응기 재질인 그라파이트 재질의 반응기 전, 후 부위를 길게 유지한 후 외부에 구리, 은, 알루미늄 및 텅스텐과 같은 열전도율이 우수한 금속 또는 합금을 사용해서 외부를 1 차 냉각하고, 스테인리스(stainless)를 이용해서 2 차 냉각하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 단계 3에서 반응기의 회전속도는 반응물의 종류에 따라 최적 운전조건을 구해야 하며, 최적 범위의 속도로 반응기를 회전시킴으로써, 입자와 반응가스 사이의 접촉하는 시간을 증가시키고, 이에 따라 단계 3의 반응을 위한 접촉효율을 향상시킬 수 있다.
만약, 상기 반응기의 회전속도가 일정 속도 이상의 고속일 경우에는 입자에 충격이 가해질 수 있는 문제가 있으며, 일정 속도 미만의 속도로 반응기가 회전하는 경우, 반응기의 회전에 따른 반응효율 향상을 기대할 수 없는 문제가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 제조방법을 통해서, UO3 혹은 C-UO3 형태의 입자를 소결된 구형의 UO2 혹은 UCO 입자로 제조할 수 있으며, 제조된 구형의 UO2 혹은 UCO 입자는 후속 피복공정을 통해 입자의 표면을 4중으로 피복하여 최종적으로 TRISO 입자로 제조될 수 있다.
나아가, 본 발명은
상기의 제조방법으로 제조된 구형의 산화물 소결입자를 제공한다.
상기한 바와 같은 제조장치로 제조되고, UO3 또는 C-UO3 형태의 입자를 소결시켜 제조된 구형의 UO2 또는 UCO 입자는 후속 피복공정을 통해 입자의 표면을 4중으로 피복하여 최종적으로 TRISO 입자로 제조될 수 있다.
1000 : 구형의 산화물 소결입자 제조장치
100 : 반응기 101 : 배플(baffle)
102 : 필터 200 : 가스 인입부
300 : 가스 배출부 400 : 가열부
401 : 온도계 402 : 외부가스 공급라인
403 : 냉각수 라인 404 : 히터(heater)
405 : 단열재 406 : 적외선 온도계
500 : 연결부 501 : 연결관
502 : 체결부 503 : 완충부
504 : 그라파이트 펠트(graphite felt)
600 : 반응기 회전부 700 : 냉각부
800 : 제어부 900 : 수평 조절부

Claims (20)

  1. 핵연료 제조 중간물질인 ADU 겔을 열분해하여 제조된 구형의 산화물 입자를 환원 및 소결시키기 위한 장치로써,
    상기 구형의 산화물 입자가 내부로 장입되어 환원 및 소결되는 반응기;
    상기 반응기 내로 반응가스가 공급되는 가스 인입부;
    상기 반응기로부터 반응가스가 배출되는 가스 배출부;
    상기 반응기 외주면으로 구비되는 가열부;
    상기 반응기를 회전시키는 반응기 회전부; 및
    상기 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부가 연결되는 연결부;를 포함하고,
    상기 연결부는,
    상기 반응기와 가스 인입부 또는 가스 배출부로 연결되는 연결관;
    상기 연결관과 반응기가 체결되는 체결부; 및
    상기 체결부 외주면에 위치하는 완충부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결관은 플렉서블 튜브(flexible tube)인 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 체결부 및 완충부는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 체결부는 암나사 형태로 체결된 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 체결부는 그라파이트 펠트(graphite felt)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스 인입부 및 가스 배출부는 냉각부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉각부는 반응기 외부에 열전도성 금속 또는 합금을 사용해서 반응기 외부를 1 차 냉각하고, 스테인리스(stainless)를 이용해서 2 차 냉각하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 반응기의 외주면을 따라 구비되는 히터(heater) 및 상기 히터를 둘러싸는 단열재를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단열재는 복수개의 홀(hole)을 포함하며, 상기 복수개의 홀에는 온도 측정기가 삽입되는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는 이중관 구조이고, 반응기 내로는 배플(baffle)이 형성되어있는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 회전부는 기어박스(gear box) 및 상기 기어박스를 회전시키는 모터(motor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 구형의 산화물 소결입자 제조장치는 반응기의 회전, 가열온도 및 가스공급을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부 측면에는 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 수평 각도를 조절하는 수평 조절부가 구비되는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는 복수개의 미세 홀(hole)이 형성된 필터(filter)가 구비되는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 필터는 반응기 내부에 탈착 및 부착이 가능한 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 필터는 암나사 형태의 체결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조장치.
  18. 제1항의 구형의 산화물 소결입자 제조장치의 반응기 내로 구형의 산화물 입자를 장입하고, 반응 가스를 예열하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 예열된 반응 가스를 반응기 내로 공급하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 반응 가스가 공급된 반응기를 회전시키며 구형의 산화물 입자와 반응 가스를 반응시키는 단계(단계 3);를 포함하는 구형의 산화물 소결입자의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 단계 1의 반응 가스는 수소, 아르곤 및 일산화탄소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 구형의 산화물 소결입자 제조방법.
  20. 제18항의 제조방법으로 제조된 구형의 산화물 소결입자.
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