KR101622569B1 - 핵연료 복합재료 소결체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 핵연료 복합재료 소결체는, 질화물 혹은 탄화물을 포함하는 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 비가 30% 이상 99% 미만이고 산화물 핵연료의 부피비가 1이상 30% 미만인 과립상(granule phase); 및 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 비가 1% 이상 30% 미만이고 산화물 핵연료의 부피비가 70% 이상 99% 미만인 기지상(matrix phase);을 포함하고, 상기 과립상은 상기 기지상 내에 분포되어, 기지상에 의해 감싸져 있다. 상기 핵연료 복합재료 소결체는 산화물 핵연료에 비해, 비산화물 세라믹 재료로 인해 핵분열 물질의 밀도가 높고 열전도도가 우수하다. 또한 물에 대한 부식 저항성이 강한 산화물 핵연료 층이 비산화물 핵연료가 물과 접촉하는 것을 방지하여, 경수로나 중수로 등 발전로의 핵연료로 사용 가능하다.

Description

핵연료 복합재료 소결체 및 이의 제조방법{NUCLEAR FUEL COMPOSITE PELLETS AND ITS FABRICATION METHOD}
본 발명은 이산화 우라늄 등 산화물 핵연료와 질화물 혹은 탄화물 등 비산화물 세라믹 핵연료로 구성된 핵연료 복합재료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 분률이 기지 상에 비해 높은 과립들을, 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 분률이 과립상에 비해 낮은 기지상으로 둘러싼 구조를 가지도록 과립과 기지 분말을 혼합하여 소결체를 제조함으로써 비산화물 세라믹 핵연료가 냉각재인 물과 직접 접촉하는 것을 방지하여, 산화물 핵연료에 비해 핵 분열 원소의 밀도와 열전도도가 높으면서도 핵연료 봉 손상에도 안정한 핵연료 소결체 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 관한 것이다.
이산화 우라늄 등의 산화물 핵연료는 열전도도와 양이온 밀도가 다른 핵연료 재료보다 낮아 운전 여유도 및 경제성이 낮으나 냉각제로 사용하는 물에서의 화학적 물리적 안정성이 우수해 경수로와 중수로 등 상용 발전로용 핵연료로 사용되고 있다.
반면에, 질화 우라늄이나 탄화 우라늄 등 비산화물 세라믹 핵연료는 이산화 우라늄 대비 단위 부피당 우라늄 밀도가 높고 열전도도가 높은 장점을 가지고 있다. 이러한 장점으로 이를 경수로나 중수로 핵연료로 사용할 경우 경제성을 크게 높일 수 있다. 그러나, 질화 우라늄이나 탄화 우라늄은 350?의 물과 쉽게 반응하여 구조 안정성을 잃어 버린다. 따라서 핵연료 봉 손상에 의해 비산화물 핵연료 소결체가 냉각수에 접촉되면 분말화되어 원자로 전체를 오염시키므로 경수로나 중수로 등 발전로용 핵연료로 사용되지 않고 있다.
최근 원자로의 안전성과 경제성을 동시에 향상시키고자 하는 연구들이 진행되고 있으며, 핵연료의 경우 열전도도와 핵분열 물질 밀도를 높여서 경제성을 높이는 동시에, 안전성까지 확보하고자 하는 노력들이 진행되고 있다. 이러한 기술 개발의 일환으로 질화물 혹은 탄화물 핵연료 입자를 삼중의 막으로 코팅하여 TRISO 입자를 제조한 후 이 입자들을 SiC 기지에 분산시킨 핵연료(J. Nucl. Mat., 427(2012)209-224)가 제안되었다. 또한, 비산화물 핵연료 입자나 소결체 표면을 물과 반응하지 않는 소재로 코팅하여 사용하는 기술(JP19990202072a2p) 등도 제안된 바 있다.
TRISO 입자를 활용한 핵연료 기술은 소결체에서 TRISO 입자가 차지하는 부피비가 45% 이하이며, TRISO 내에서도 핵연료 입자가 차지하는 부피비가 적어서 단위 부피의 소결체에 장입할 수 있는 핵연료의 양이 매우 적다. 또한 입자의 코팅 층이 핵연료에서 발생한 열을 기지로 전달하는 것을 방해할 수 있어서 입자 내 온도 분포가 커지게 된다. 따라서 비산화물 핵연료가 가지고 있는 높은 우라늄 밀도와 우수한 열전도도의 장점을 유지하기 어렵다. 이와 함께 TRISO는 비산화물 세라믹 입자를 제조한 후 이 입자 위에 다중의 피복 층을 형성하고 이를 다시 SiC 분말과 혼합하여 고온의 가압 환경에서 소결하여 얻어지므로 제조 공정 비용이 높다.
일본 공개 특허(JP19990202072a2p)에는, 피복 층을 가진 비산화물 핵연료입자를 산화물 핵연료에 분산시킨 핵연료 소결체가 개시되어 있다. 상기 소결체는 TRISO 입자를 활용하는 기술에 비해 기지를 산화물 핵연료로 사용하므로, 우라늄 장입량 감소를 어느 정도 막을 수 있으나. 피복층에 의한 열전도도 감소와 우라늄 장입량 감소를 피하기 어려우며 피복층의 입자를 제조하는 공정이 추가되므로 공정 비용도 높다.
결론적으로, 안전성을 보장하면서 열전도도와 핵 물질 밀도가 높은 비산화물 핵연료 소결체를 핵연료로 활용한다면, 핵연료의 안전성과 경제성을 동시에 향상시킬 수 있을 것이다. 따라서, 비산화물 세라믹 핵연료를 경수로 및 중수로의 핵연료로 활용하기 위해서는 운전 중 핵연료 손상에 의해 비산화물 세라믹 핵연료 재료가 물과 직접 접촉하는 것을 방지하여 핵연료 봉 손상에도 소결체 형상이 유지될 수 있는 소결체 기술 개발이 절실히 필요하다. 그러나, 물과의 접촉을 방지하기 위한 수단으로 핵물질이 아닌 다른 물질을 사용할 경우 우라늄 장입량이 줄어들어 경제성이 저하되므로, 핵물질로 구성되어 있으면서도 비산화물 핵연료 소재가 물과 직접 접촉되지 않도록 소결체를 구성하는 기술의 개발이 절실히 필요하다.
JP19990202072a2p US 2005/0286676A1
J. Nucl. Mat., 427(2012)209-224
본 발명의 일 목적은 냉각재인 물과의 반응성이 낮고, 기존 산화물 핵연료 대비 핵분열 원소의 밀도 및 열전도도가 우수한 복합재료 핵연료 소결체를 제공하기 위함으로, 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 분률이 기지상에 비해 높은 과립상과, 비산화물 세라믹 핵연료 결정립들이 서로 연결되지 않고 산화물 핵연료 상 내에 분산되어 있는 기지상을 포함하는 핵연료 복합재료 소결체를 제안하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 일 목적은 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 산화물 핵연료 분말을 단순 혼합, 성형, 소결하는, 기존 세라믹 공정과 양립성이 우수한 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법을 제시하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 복합재료 소결체는 비산화물 세라믹 핵연료 30 내지 99 부피%와, 산화물 핵연료 1 내지 70 부피%를 포함하는 과립상(granule phase); 및 비산화물 세라믹 핵연료 1 내지 30 부피%와, 산화물 핵연료 70 내지 99 부피%를 포함하는 기지상(matrix phase)을 포함하고, 상기 과립상은 상기 기지상 내에 분포되어, 기지상으로 둘러싸여 있는 것이다.
상기 비산화물 세라믹 핵연료 및 산화물 핵연료는, 각각 과립상 및 기지상 내에서 1 nm 내지 10 ㎛의 크기를 갖는 결정립의 형태로 분포된 것일 수 있다.
상기 비산화물 세라믹 핵연료는 일질화물 핵연료, 일탄화물 핵연료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 산화물 핵연료는 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 이산화토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 일질화물 핵연료 및 일탄화물 핵연료에서 음이온 대비 양이온의 비율은 0.9~1.1 사이일 수 있다.
상기 일질화물 핵연료와 일탄화물 핵연료의 양이온 원소는 우라늄, 우라늄 합금, 플루토늄, 토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것이고, 상기 우라늄 합금은 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 우라늄의 합금인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법은 (a) 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 30 내지 99 부피%로, 산화물 핵연료 분말을 1 내지 70 부피%로 혼합하여 제1분말을 제조하는 단계; (b) 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 1 내지 30 부피%로, 산화물 핵연료 분말을 70 내지 99 부피%로 혼합하여 제2분말을 제조하는 단계; (c) 상기 제1분말 및 상기 제2분말을 혼합하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.
상기 방법에 있어서, 상기 비산화물 세라믹 핵연료 분말은 일질화물 핵연료, 일탄화물 핵연료 분말 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 산화물 핵연료 분말은 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 이산화토륨 분말 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 일질화물 핵연료 분말 및 일탄화물 핵연료 분말에서 음이온 대비 양이온의 비율은 0.9~1.1 사이인 것일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 일질화물 핵연료 분말 및 일탄화물 핵연료 분말의 양이온 원소는 우라늄, 우라늄 합금, 플루토늄, 토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것이고, 상기 우라늄 합금은, 크롬, 지르코늄, 니오븀, 티타늄, 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 우라늄의 합금인 것일 수 있다.
상기 단계 (c)는 제1분말을 이용하여 과립상을 제조하는 과립화공정을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 단계 (d)의 소결 온도는 1100 내지 2000℃일 수 있다.
상기 단계 (d)의 비활성기체는 질소 기체를 포함할 수 있다.
상기 단계 (d)의 소결은 전기로 소결, 고온가압(hot press) 소결, 고온등방가압(hot isostatic press; HIP) 소결, 극초단파로(microwave furnace) 소결, 방전플라즈마 소결(spark plasma sintering; SPS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 제1분말 및 제2분말은 각각 첨가제로 U3Si2를 더 포함하고, 이때 상기 U3Si2는, 상기 성형체 총중량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%로 포함될 수 있다.
상기 제1분말 및 제2분말은 각각 첨가제로 MnO, Y2O3, SiO2, Cr2O3, Al2O3, Zr2O3, TiO2, Nb2O5 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속산화물을 더 포함하고, 상기 금속산화물은, 성형체 총중량을 기준으로 0.01 내지 1 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명에서는 핵연료 복합재료 소결체 및 이의 제조방법을 제공하고자 하며, 이하에서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
핵연료의 경우, 단위 부피당 우라늄의 밀도가 높아야 하고, 열 전도도가 우수할수록 바람직하며, 냉각제인 물과 반응하여 폭발적인 반응을 일으키지 않는 안정성을 가지고 있어야 한다. 경수로나 중수로용 핵연료로 사용되고 있는 우라늄 핵연료를 예로 들면, 질화우라늄 혹은 탄화우라늄 등 비산화물 세라믹 핵연료의 경우, 우라늄 산화물 핵연료에 비하여 단위 부피당 우라늄의 밀도가 높고 열전도도가 우수하지만, 물과의 폭발적인 반응으로 인해 안정성에 문제가 있다. 우라늄 산화물 핵연료의 경우, 물과의 반응성 측면에서는 안정적이나, 우라늄 밀도가 낮고 열전도도가 낮아 핵연료로서의 효율이 상당히 떨어진다. 이에, 본 발명에서는 우라늄 산화물 등 산화물 핵연료에 비산화물 세라믹 핵연료를 혼합하여, 예컨대 우라늄 산화물 핵연료의 단점인 우라늄 밀도와 열전도도를 향상시키는 동시에 비산화물 세라믹 핵연료의 단점인 물과의 반응을 방지할 수 있는 핵연료 복합재료 소결체를 제공하고자 한다.
구형의 입자 분말이 기지 내에서 무질서하게 분산되어 있는 경우, 입자 분말의 부피 분률이 낮을 경우에는 도 1(a)에 나타낸 바와 같이 각각의 입자 분말들이 서로 분리되어 기지상 내에 분포되며, 개별적인 입자들은 기지상으로 둘러싸인 모양을 가진다. 그러나 입자 분말의 부피 분률이 증가함에 따라 입자 간의 접촉이 일어나게 되며, 일정 분률 이상으로 증가되면 접촉된 입자들이 도 1(b)에 나타낸 바와 같이 하나의 선으로 연결될 수 있다. 이처럼 분산된 분말의 부피 분률이 늘어나서 입자들 간 연결이 일어나는 최소 부피를 퍼콜레이션 임계 부피(percolation threshold volume)이라고 하며, 분말의 형상에 따라 연결이 일어나는 분말의 부피 분률이 다르지만 구형의 분말을 가정할 경우 퍼콜레이션 임계 부피는 약 30 부피%이다.
30 부피% 미만의 부피 분률을 이루는 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 70 부피% 이상의 부피 분률을 이루는 산화물 핵연료 분말을 단순 혼합하여 핵연료 복합재료 소결체를 제조하면, 퍼콜레이션 임계치에 따라 도 1(a)와 같이 비산화물 핵연료 분말이 산화물 핵연료 상 내에 분산된 형태의 소결체를 얻을 수 있다. 이러한 미세 구조를 갖는 핵연료 복합재료 소결체는, 물에서 안정한 산화물 핵연료 물질이 방호막 역할을 하여, 비산화물 세라믹 핵연료 결정립이 물과 접촉하는 것을 막아 준다. 따라서 도 1(a)의 구조를 가지는 복합재료 핵연료는 경수로나 중수로 핵연료로 사용 중 물과 접촉하게 되더라도 물에 의한 부식이나 산화가 일어나는 것을 방지할 수 있을 가능성이 높다. 그러나 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 산화물 핵연료 분말의 단순 혼합의 결과물인 도 1(a)의 핵연료는 비 산화물 세라믹 핵연료의 부피 분률이 30 부피% 미만으로 제한되기 때문에 우라늄 밀도나 열전도도의 향상에 제한이 따른다.
이에, 핵분열 원소의 밀도와 열전도도를 증가시키기 위해서 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 분률을 늘리게 되면, 도 1(b)에서와 같이 소결체의 표면에서 내부까지 연결된 비산화물 세라믹 핵연료 선이 만들어지게 된다. 이 경우 소결체 표면에 노출된 비산화물 세라믹 핵연료 입자가 물과 접촉하여 부식되면서 흘러 나가면 안쪽에 있는 비산화물 입자들이 다시 물에 노출되어 연쇄적으로 부식이 진행되기 때문에 핵연료로 사용하기 어렵다.
이처럼 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 산화물 핵연료 분말을 단순 혼합하여 구성된 핵연료에서의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 구역에 따라 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 산화물 핵연료 분말을 상이한 부피 분률로 포함하는 핵연료 복합재료 소결체를 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 핵연료 복합재료 소결체는 과립상과 기지상을 포함하고, 상기 과립상과 기지상은 모두 비산화물 세라믹 핵연료와 산화물 핵연료를 동시에 포함하지만, 과립상에서는 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 분률이 더 높고 기지상에서는 산화물 핵연료의 부피 분률이 더 높도록 핵연료 복합재료 소결체를 구성한다.
따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 핵연료 복합재료 소결체는 비산화물 세라믹 핵연료 30 내지 99 부피%와, 산화물 핵연료 1 내지 70 부피%를 포함하는 과립상(granule phase); 및 비산화물 세라믹 핵연료 1 내지 30 부피%와, 산화물 핵연료 70 내지 99 부피%를 포함하는 기지상(matrix phase)을 포함하고, 상기 과립상은 상기 기지상 내에 분포되어, 기지상으로 둘러싸여 있는 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 핵연료 복합재료 소결체는, 그에 포함되는 비산화물 세라믹 핵연료 결정립과 산화물 핵연료 결정립의 부피 분률이 서로 다른 과립상(granule phase)와 기지상(matrix phase)을 포함한다. 상기 과립상은 상기 기지상 내에 분포되어, 기지상으로 둘러싸여 있는 것이고, 상기 비산화물 세라믹 핵연료 결정립과 산화물 핵연료 결정립은 상기 과립상 및 기지상 내에 각각 수 나노에서 수 ㎛ 사이의 크기, 예컨대 1 nm 내지 10 ㎛를 갖는 결정립의 형태로 포함되어 있는 것일 수 있다.
상기 비산화물 세라믹 핵연료는 일질화물 핵연료, 일탄화물 핵연료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 산화물 핵연료는 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 이산화토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 일질화물 핵연료 및 일탄화물 핵연료에서 음이온 대비 양이온의 비율은 0.9~1.1 사이일 수 있으며, 상기 일질화물 핵연료와 일탄화물 핵연료의 양이온 원소는 우라늄, 우라늄 합금, 플루토늄, 토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것이고, 상기 우라늄 합금은 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 우라늄의 합금인 것일 수 있다.
좋기로는, 상기 비산화물 세라믹 핵연료는, 질화 우라늄 합금, 탄화 우라늄 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있으며, 상기 산화물 핵연료는 이산화 우라늄을 포함할 수 있다.
상기 기지상은, 기지상 내에 존재하는 비산화물 세라믹 핵연료 결정립들이 무질서하게 분산되어 존재하며 서로 접촉하지 않고 산화물 핵연료 결정립들에 의해 둘러싸여 있다.
상기 기지상 내 산화물 핵연료는 비산화물 세라믹 핵연료 결정립들을 둘러싸, 비산화물 세라믹 핵연료 결정립들이 소결체 표면에 노출되어 물과 접촉하는 것을 막는 방호막 역할을 수행할 수 있어야 한다. 이를 위해, 입자 형상에 따른 퍼큘레이션 임계 부피 이론을 바탕으로 기지상에서의 비산화물 세라믹 핵연료와 산화물 핵연료의 부피 분률을 결정할 수 있으며, 구형의 결정립을 가질 경우 상기 기지상은 비산화물 세라믹 핵연료 결정립의 부피 분률이 1 내지 30 부피% 사이 및 산화물 핵연료 결정립의 부피 분률이 70 내지 99 부피%이도록 양자를 포함할 수 있다.
상기 핵연료 복합재료 소결체의 과립상 내 비산화물 세라믹 핵연료의 부피 분률은 기지상 내 비산화물 세라믹 재료의 부피 분률보다 클 수 있다. 따라서 상기 과립상은 비산화물 세라믹 핵연료 결정립을 30 내지 99 부피% 사이로, 산화물 핵연료 결정립을 1 내지 70 부피%로 포함할 수 있다. 즉, 비산화물 세라믹 핵연료 재료의 분률이 높은 과립상이, 비산화물 세라믹 핵연료 재료의 분률이 낮은 기지상에 의해 둘러싸인 형상을 가진다. 위와 같은 과립상과 기지상 내에 포함되어 있는 재료들은 각각의 부피 분률만 다를 뿐, 과립상 및 기지상 내에서 재료들이 결정립의 형태로 전체적으로 균일하게 분산되어 있을 수 있고, 상기 결정립들 각각의 크기는 수 나노에서 수 마이크로 미터 크기일 수 있다.
이에 따라, 핵연료의 우라늄 밀도 및 열전도도를 결정할 수 있는 과립상 내의 비산화물 세라믹 핵연료 재료는 물과의 접촉에 있어서 산화물 핵연료에 의한 방호막을 제공받게 된다.
즉, 비산화물 세라믹 핵연료 분률이 높은 과립상은 기지상에 의해 둘러 싸이게 되는데, 이때 기지상은 그에 포함되는 비산화물 세라믹 핵연료의 분률이 30 부피% 미만으로 도 1(a)의 모식도와 유사하게 기지상 내의 모든 비산화물 세라믹 핵연료 입자는 산화물 핵연료에 둘러싸여 있다. 상대적으로, 과립상은 도 1(b)의 모식도와 유사한 형태를 갖게 된다. 따라서 이러한 구조의 기지상을 포함하는 복합 소결체에서는 과립상 내의 비산화 우라늄 분말이 물과 접촉되는 것이 원천적으로 방지되는 동시에, 기지상의 경우 일부 노출된 비산화물 세라믹 핵연료 입자의 산화가 일어나도 기지상 내부 또는 나아가 과립상 내부와 연결되지 않기 때문에 소결체의 건전성이 유지될 수 있다.
또한, 핵연료로써의 효율성 측면에서, 비산화물 세라믹 재료가 기지상과 과립상 내에 모두 포함되어 있어, 기지상의 비산화물 세라믹 재료의 분률이 낮더라도, 이에 의해 보호되어 있는 과립상에는 높은 분률로 비산화물 세라믹 핵연료가 존재하기 때문에, 핵분열 원소의 밀도와 열전도도를 크게 향상시키는 것이 가능하다.
상기 핵연료 소결체에 포함되는 과립상과 기지상은 특별히 그 부피비가 결정되어 있는 것은 아니다. 하지만 기지 상이 과립상을 완전하게 감싸고 과립상과 과립상과의 거리가 비산화물 세라믹 입자의 크기보다는 커야 하므로 과립상의 부피비가 10% 이상이고 최대 80%를 넘지 않는 것이 바람직하다.
상기 비산화물 세라믹 핵연료 재료로서는, 일질화우라늄(uranium mononitride) 혹은 일탄화우라늄(uranium monocarbide)가 바람직하며 우라늄은 핵연료 물질인 플루토늄, 토륨 중 하나 혹은 우라늄, 플루토늄, 토륨들의 조합으로 구성된 원소 또는 우라늄 합금으로 대체될 수 있다. 우라늄 합금은 비산화물 세라믹 핵연료 재료의 부식 저항성을 향상시키기 위해 핵연료 물질을 소량의 다른 양이온으로 치환한 것일 수 있으며, 예컨대, 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 또는 이들의 조합을 핵분열 원소인 우라늄 일부와 치환하여 사용할 수 있다. 이러한 합금의 구성은 플로토늄, 토륨에 대하여도 동일하게 적용될 수 있다. 그 일부를 상기 첨가제 원소로 치환한 경우 우라늄의 단위 부피당 밀도와 열전도도가 낮아질 수 있으나, 일질화우라늄 혹은 일탄화우라늄의 물에서의 부식 속도를 낮추는 것이 가능하다. 따라서, 첨가제 원소를 치환하여 사용할지는, 핵연료의 성능 및 부식 안정성을 고려하여 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법은 (a) 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 30 내지 99 부피%로, 산화물 핵연료 분말을 1 내지 70 부피%로 혼합하여 제1분말을 제조하는 단계; (b) 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 1 내지 30 부피%로, 산화물 핵연료 분말을 70 내지 99 부피%로 혼합하여 제2분말을 제조하는 단계; (c) 상기 제1분말 및 상기 제2분말을 혼합하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서 상기 성형체를 소결하는 단계를 포함한다.
상기 방법에 있어서, 상기 비산화물 세라믹 핵연료 분말은 일질화물 핵연료, 일탄화물 핵연료 분말 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 산화물 핵연료 분말은 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 이산화토륨 분말 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 일질화물 핵연료 분말 및 일탄화물 핵연료 분말에서 음이온 대비 양이온의 비율은 0.9~1.1 사이인 것일 수 있다.
상기 방법에 있어서, 상기 일질화물 핵연료 분말 및 일탄화물 핵연료 분말의 양이온 원소는 우라늄, 우라늄 합금, 플루토늄, 토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것이고, 상기 우라늄 합금은, 크롬, 지르코늄, 니오븀, 티타늄, 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 우라늄의 합금인 것일 수 있다. 상기 단계 (a) 및 (b)는 각각 제1 분말 및 제2 분말을 제조하는 단계로서, 동일한 방법으로 분말이 제조될 수 있으며, 서로의 순서에 영향 받지 않고 독립적으로 수행될 수 있다.
상기 제1 분말은 비산화물 세라믹 재료 30 내지 99 부피% 및 산화물 핵연료 재료, 예컨대 우라늄 산화물 1 내지 70 부피%를 포함할 수 있고, 상기 제2 분말은 비산화물 세라믹 핵연료 분말 1 내지 30 부피% 및 산화물 핵연료 재료, 예컨대 이산화 우라늄 분말 70 내지 99 부피%를 포함할 수 있다.
상기 제1 분말과 제2 분말은 동일하게 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 이산화 우라늄 분말을 포함할 수 있고, , 조성비와 성분이 동일한 분말일 수 있으나, 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 이산화 우라늄 분말의 부피 분률을 달리하여 조성비가 다른 상이한 분말일 수도 있다. 즉, 전술한 핵연료의 효율성 및 물과의 반응성 측면을 고려하여, 기지상이 되는 제2 분말은 비산화물 세라믹 핵연료 결정립이 물과 접촉하는 것이 제한되도록 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 낮은 분률로 포함하고, 과립상이 되는 제1분말은 핵분열 원소의 밀도와 열전도도가 증가될 수 있도록 높은 분률의 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 포함할 수 있다.
상기 단계 (a) 및 (b)의 비산화물 세라믹 핵연료 분말은, 우라늄 금속 혹은 우라늄 합금을 질화 또는 탄화처리 함으로써 제조된 일질화우라늄, 일탄화우라늄 혹은 일질화우라늄 합금, 일탄화우라늄 합금 분말을 적용할 수 있다.
우라늄 합금을 적용하고자 할 경우에는, 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 금속 원소와 우라늄으로 구성된 합금을 적용할 수 있다.
질화 처리는 질소 및/또는 암모니아 기체를 사용할 수 있으며, 탄화처리는 탄소 및/또는 메탄가스 등을 적용할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
우라늄 혹은 우라늄 합금의 분말화를 촉진하고 질화반응 혹은 탄화 반응을 촉진하기 위해 전처리 공정으로 수소 기체에서 열처리하여 수소화물을 만든 후 질화 혹은 탄화처리 과정을 거칠 수 있다,
원료 분말이 산화물인 경우, 열탄소환원 반응법으로 질화분말 및 탄화분말을 제조하여 적용할 수 있다,
상기 단계 (a) 및 (b)는 이처럼 일질화우라늄 혹은 일탄화우라늄 등 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 이산화 우라늄 분말을 전술한 바와 같은 소정의 부피비로 혼합하는 단계일 수 있다.
상기 단계 (c)는 제1분말을 이용하여 과립상을 제조하는 과립화공정을 더 포함하는 것일 수 있다.
상기 단계 (c)는 단계 (a)와 (b)에서 제조된 두 분말을 혼합하는 단계일 수 있는데, 혼합하기 전에, 상기 제1 분말을 과립상으로 제조한 후에 혼합하는 것일 수 있다. 상기 과립화 공정은 고온 다습한 환경에서 분말 흡습하도록 한 후에 건조시켜 다시 분쇄하는 등의 일반적인 과립(granule)을 제조하는 공정일 수 있고, 이러한 공정을 통하여 제1 분말이 과립상으로 제조될 수 있다. 또한, 성형공정 역시도 일반적으로 수행되는 성형체 제조공정일 수 있는데, 특정 몰드에 과립화된 제1 분말과 분말 상태의 제2 분말을 주입하고, 소정의 열과 압력을 가하여 성형체로 만드는 것일 수 있다.
상기 단계 (d)는, 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서, 상기 성형체를 소결하는 단계일 수 있다. 상기 비활성기체는, 헬륨, 아르곤 등의 기체일 수 있고, 여기에, 질소 기체를 포함하는 것일 수 있으며, 진공압력 범위는 약 10-3torr 이하인 것일 수 있다.
상기 단계 (d)에서 소결하는 온도는 약 1100 내지 2000℃일 수 있다. 소결 온도가 1100℃에 미달되면, 분말간의 압착이 정상적으로 이루어지지 않을 우려가 있고, 과립상을 둘러싸는 기지상에 공극 등이 형성될 우려가 있을 수 있으며, 소결 온도가 2000℃를 초과하면, 비산화물 세라믹 핵연료 분말이 낮은 용융 온도의 금속상으로 환원될 우려가 있다.
상기 단계 (d)의 소결은, 일반적으로 수행되는 소결 방법에 의하여 이루어질 수 있고, 예컨대, 전기로 소결, 고온가압(hot press) 소결, 고온등방가압(hot isostatic press; HIP) 소결, 극초단파로(microwave furnace) 소결, 방전플라즈마 소결(spark plasma sintering; SPS) 또는 이들의 조합 등을 적용하여 소결을 수행할 수 있다.
또한, 상기 핵연료 복합재료 소결체를 제조함에 있어서, 소결 조제를 더 포함할 수 있는데, 상기 소결 조제는 상기 제1분말 및 제2분말에 동시에 혹은 선택적으로 첨가되는 것일 수 있고, 상기 소결 조제로서는 U3Si2, SiO2, MnO, Y2O3, Cr2O3, Al2O3, Zr2O3, TiO2, Nb2O5 또는 이들의 조합 등을 적용할 수 있다. 이와 같은 소결 조제는 소결체의 치밀화 거동을 촉진시켜 소결 온도를 낮추거나 소결체 밀도를 증가시키는 효과를 얻을 수 있다.
상기 소결 조제로 U3Si2를 첨가할 경우에는, 성형체 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 30 중량%가 첨가될 수 있고, 이 때에는 단계 (d)의 소결 온도를 1660 내지 1750℃ 정도로 맞추는 것이 적절할 수 있다.
또한, 상기 소결 조제로 SiO2, MnO, Y2O3, Cr2O3, Al2O3, Zr2O3, TiO2, Nb2O5 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속산화물을 첨가할 경우에는, 성형체 총 중량을 기준으로, 0.01 내지 1 중량%가 첨가될 수 있고, 이 때에는 단계 (d)의 소결 온도를 1400 내지 2000℃ 정도로 맞추는 것이 적절할 수 있다.
상기 소결 조제의 함량은 핵연료 복합재료 소결체에 포함된 비산화물 세라믹 연료 및 이산화 우라늄의 부피 비율에 영향을 미치지 않을 정도로서, 소결 조제의 역할을 충분히 수행할 수 있는 범위이므로, 이를 벗어날 경우에는 핵분열 원소의 밀도와 열전도도를 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 첨가제에 따른 소결온도의 경우, 각 첨가제의 특징을 반영한 것으로서, 이상적인 온도범위일 뿐, 그 온도범위에 한정되어 소결을 수행하여야만 하는 것은 아니며, 어떠한 첨가제를 투여하든지 무관하게 소결은 2000℃ 이하의 온도에서 수행된다.
본 발명은 우라늄 밀도를 감소 시키고, 열전도도를 저하시키는 피복 층이나 코팅층을 배제하고 비산화물 핵연료 상(phase)과 산화물 핵연료 상(phase)으로만 구성된 핵연료 소결체에 관한 것이다. 본 발명의 소결체에서, 산화물 핵연료 상은 핵연료로 기능하는 동시에 비산화물 세라믹 핵연료 상이 물과 직접 접촉하는 것을 방지하는 방호막 역할을 수행한다. 이러한 핵연료는 핵 물질을 포함하지 않는 피복층/코팅층이나 비핵 물질을 기지 물질로 사용하는 핵연료에 비해 우라늄 장입량 감소의 감소나 열전도도 저하를 크게 줄일 수 있다. 또한 피복층 혹은 코팅층과 피복관 내면과의 예상치 못한 반응을 방지할 수 있으며, 금속 등 세라믹 핵연료보다 낮은 용융 온도를 가지는 피복층에 의해 소결체 치수 안정성이 저하되는 것을 피할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 본 발명의 복합재료 핵연료 소결체는 공정상으로는 비산화물 세라믹 핵연료 분말과 산화물 핵연료 분말을 단순 혼합하여 소결하는 공정으로 제조되므로 기존 공정과 거의 동일하여 핵연료 소결체 제조 공정에 추가 부담이 없고 제조 비용 증가가 없다.
본 발명의 핵연료 복합재료 소결체는 이산화 우라늄 핵연료 소결체에 비해 핵분열 원소의 밀도 및 열전도도가 크게 향상되어 핵연료 봉의 운전여유도, PCI 특성 및 사고 저항성이 크게 개선되며, 장주기 고연소도 운전이 가능하여 핵연료 주기 경제성을 크게 높일 수 있다. 이산화 우라늄 핵연료 층이 방호막 역할을 수행하여 핵연료 봉 손상 시 질화물 혹은 탄화물 핵연료 결정립이 냉각수와 직접 접촉하는 것이 제한되어 물에서의 부식 저항성이 크므로, 이산화 우라늄을 대체하여 경수로 및 중수로 핵연료로 사용할 수 있다. 또한 질화물이나 탄화물 입자에 부식 방지 피복 층 등을 입히는 공정을 배제하고 질화물 혹은 탄화물 분말과 이산화 우라늄 분말을 혼합하여 통상적인 세라믹 제조 공정을 통해 소결체를 제조하므로 기존 공정과의 양립성이 우수하여 제조 비용 증가를 최소화할 수 있다.
도 1a는 퍼콜레이션 임계 부피보다 부피 분률이 작은 경우 구형 입자 분말이 기지 내에 무질서하게 분포되어 있는 소결체 미세 조직에 관한 모식도이다.
도 1b는 퍼콜레이션 임계 부피보다 부피 분률이 큰 경우 구형 입자 분말이 기지 내에 무질서하게 분포되어 있는 소결체 미세 조직에 관한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 소결체 미세조직을 SEM으로관찰한 이미지 이다,
도 3은 도 2에 따른 A 영역을 확대하여 관찰한 결과 이미지이다.
도 4는 도 2에 따른 B 영역을 확대하여 관찰한 결과 이미지이다.
도 5는 비교 예 1에 따라 제조된 소결체의 미세 조직을 SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 6은 비교 예 2에 따라 제조된 소결체의 미세 조직을 SEM으로 관찰한 이미지이다.
도 7은 실시 예와 비교예에 따라 제조된 소결체들의 온도에 따른 열확산도 변화를 UO2의 열확산도와 함께 도시한 그림이다.
도 8은 실시 예와 비교 예에 따라 제조된 소결체들을 350℃ 수증기 분위기에서 12시간 동안 열처리 후 소결체 형상 변화를 비교한 사진이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
제조예 1: 핵연료 복합재료 소결체의 제조
1) 제1 분말의 제조 및 과립화
원심분무기법으로 제조된 구형 우라늄 분말을 170℃의 수소 기체 분위기에서 열처리 한 후 이어서 600℃의 질소 기체 분위기에서 열처리하였다. 상기 분말을 다시 1400℃의 불활성 분위기에서 열처리 하여 비산화물 세라믹 핵연료인 일질화우라늄 분말을 제조하였다. 제조된 일질화우라늄 분말에는 이산화우라늄 상이 미량 존재한다. 산화물 핵연료 분말로는 이산화 우라늄 분말을 준비하였다.
상기 일질화 우라늄 분말과 이산화 우라늄 분말을 일질화우라늄 상의 부피분률이 70 부피%가 되도록 혼합하고, 응집을 위한 미량의 유기물질을 혼합한 후 알코올을 매질로 분쇄 혼합하였다. 습식 분쇄된 분말을 상온의 글로브 박스에서 건조한 후 이를 분쇄함으로써 과립화 된 제1 분말, 즉 과립상을 제조하였다.
2) 제2 분말의 제조
상기 1)에서 제조한 제1 분말과 동일한 일질화우라늄 분말과 이산화우라늄 분말을 일질화우라늄 상의 부피 분률이 15 부피%가 되도록 혼합하여 제2 분말을 제조하였다.
3) 성형체 형성 및 소결
상기 1)에서 제조한 제1 분말의 과립상과 상기 2)에서 제조한 제 2분말을 제 1 분말의 부피 분률이 65 부피%가 되도록 tubular 믹서로 혼합하여 혼합 분말을 준비한다. 혼합 분말은 hot press 공법을 통해 소결체로 제조하였다. 혼합 분말을 몰드에 주입한 후 1590℃의 온도에서 약 40 MPa의 압력으로 양축 가압하여, 과립상을 둘러싸는 기지상이 형성된 핵연료 복합재료 소결체를 제조하였다.
제조된 소결체의 밀도는 아르키메데스법을 이용하여 측정하였다. 밀도 측정 후 소결체 단면을 경면 연마하여 주사전자현미경을 통해 미세 조직을 관찰하였다. 소결체를 구성하는 상들은 X-선 회절을 통해 규명하였고, 각 상들의 회절선 면적을 비교하여 소결체를 구성하고 있는 일질화 우라늄과 이산화 우라늄의 부피 비를 계산하였다. 두께가 약 3mm인 디스크 형태의 소결체 시편을 이용하여 소결체의 열확산도를 Laser flash 법으로 측정하였다. 제조된 소결체의 수증기 분위기 산화 거동 관찰을 위해, 350℃의 수증기 분위기에서 12시간 열처리 한 후 소결체의 형상 변화를 관찰하였다.
비교 제조예 1
상기 제조예 1과 동일한 일질화우라늄 분말과 이산화우라늄 분말을 이용하여 제조예 1에서와 같이 양자를 상이한 부피 분률로 포함하는 과립 제조 단계 없이 그대로 단순 혼합하여 혼합 분말을 준비한 후 이 분말을 제조예 1과 동일한 조건으로 소결하여 소결체를 제조하였다. 이때 소결체 내 일질화우라늄 분말의 부피 분률은 약 22 부피%인 소결체를 제조하였다. 상기 소결체에 대하여 제조예 1과 동일한 절차를 통해, 밀도, 일질화우라늄 부피 분률, 열확산도, 수증기 분위기 산화 거동을 관찰하였다.
비교 제조예 2
상기 제조예 1과 동일한 일질화우라늄 분말과 이산화우라늄 분말을 이용하여 제조예 1에서와 같이 양자를 상이한 부피 분률로 포함하는 과립 제조 단계 없이 그대로 단순 혼합하여 혼합 분말을 준비한 후 이 분말을 제조예 1과 동일한 조건으로 소결하여 소결체를 제조하였다. 이때 소결체 내 일질화우라늄 분말의 부피 분률은 약 7 부피%인 소결체를 제조하였다. 상기 소결체에 대하여 제조예 1과 동일한 절차를 통해, 밀도, 일질화우라늄 부피 분률, 열확산도, 수증기 분위기 산화 거동을 관찰하였다.
도 2에 상기 제조예 1에서 제조한 소결체를 주사전자현미경을 통해 관찰한 결과를 나타내었다. 과립상인 A 영역이 기지상인 B 영역에 의하여 둘러싸여 있는 구조가 형성되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 3 및 4에 각각 A 영역과 B 영역을 확대하여 관찰한 결과를 나타내었다. 도 3를 참조하면, 과립상인 A 영역을 확대한 것으로서, 밝은 색의 일질화우라늄 결정립이 어두운 색의 이산화우라늄에 비하여 상당히 많은 부분을 차지하고 있음을 확인할 수 있으며, 도 4을 참조하면, 기지상인 B 영역을 확대한 것으로서, 도 2의 과립상과는 반대로 어두운 색의 이산화 우라늄이 상당히 많은 부분을 차지하고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 비교예 1에 의해 제조된 소결체의 미세 조직을 보인다. 제조예 1의 소결체와는 달리 일질화우라늄 결정립들이 전체 소결체 내에 고르게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 비교예 2에 의해 제조된 소결체의 미세 조직을 보인다. 일질화우라늄 결정립들의 부피비가 적어 매우 두꺼운 이산화우라늄 층이 일질화우라늄 결정립을 둘러싸고 있는 것을 확인할 수 있다.
제조예 1의 소결체 밀도는 11.8 g/cm3으로 UO2 대비 약 8% 정도 밀도가 증가하였으며, XRD로 측정된 소결체 내의 일질화우라늄의 부피 분률은 약 25 부피% 이다. 이는 우라늄 밀도로 환산하면 약 10% 정도 우라늄 밀도가 증가한 것이다. 이와 비교하여 비교예 1의 소결체 밀도는 11.7 g/cm3 이며 일질화우라늄의 부피 분률은 약 22 부피%이다. 이는 제조예 1의 소결체 밀도 및 일질화우라늄 부피 분률과 유사한 값을 가진다. 비교예 2의 소결체 밀도는 10.08 g/cm3 이며 일질화우라늄의 부피 분률은 약 5 부피%이다.
도 7은 제조예1 과 비교예 1로 제조된 소결체들의 열확산도를 UO2 소결체의 열확산도와 함께 도시한 것이다. 제조예1과 비교예 1 소결체들의 열확산도가 UO2의 열확산도에 비해 크게 증가한다. 제조예 1의 경우 UO2 에 비해 열확산도가 40~50% 증가하며, 비교예 1의 경우 30~40% 증가한다. 제조예 1과 비교예 1의 소결체가 유사한 밀도와 일질화우라늄 부피 분률을 가지는 것에도 불구하고 제조예 1의 소결체가 높은 열확산도를 가진다. 이는 제조예 1의 소결체 내에 존재하는 일질화우라늄의 부피 분률이 비교예 1에 비해 높은 것과 함께, 제조예 1의 소결체에서 일질화우라늄 결정립과 이산화우라늄 결정립간의 이종 결정립 계면의 면적이 줄어들기 때문이다. 이종 결정립 계면은 열 전달을 방해하는 역할을 하며, 비교예 1의 소결체는 대부분의 일질화우라늄 결정립들이 이산화우라늄에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 제조예 1의 소결체에 비해 상대적으로 이종 결정립 계면의 면적이 넓다. 이와 같은 사실은 본 발명의 핵연료 복합재료 소결체가 가진 미세 조직이 열전도도를 높이는데 유리하다는 것을 확인해 준다. 비교예 2의 소결체는 UO2 소결체에 비해 열확산도가 0~10% 정도 증가하였다.
도 8은 제조예 1, 비교예 1과 비교예 2로 제조된 3 종류의 소결체들을 350℃의 수증기 분위기에서 12시간 동안 열처리 한 후 소결체의 형상을 비교 관찰한 것이다. 제조예 1의 소결체는 산화 시험 후에도 일부 모서리가 부스러진 점을 제외하고는 소결체 형상을 건전하게 유지하고 있다. 비교예 1의 소결체는 제조예 1의 소결체에 비해 일질화우라늄의 부피비가 적음에도 불구하고 산화와 파단이 크게 진전되어 소결체 초기 형상을 거의 잃어버렸다. 본 발명의 소결체에서는 일부 소결체 표면에 노출된 일질화우라늄 결정립이 산화가 일어나도 이산화우라늄 기지 상이 일질화우라늄 결정립들을 감싸 더 이상 산화가 진전되는 것을 막는 보호막 역할을 충실히 수행하고 있다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 비교예 1의 소결체는 표면에 노출된 일질화우라늄의 산화가 일어나면 내부로 연결된 일질화우라늄 상들의 산화가 연쇄적으로 일어나게 되어 소결체 형상을 유지하지 못한다. 따라서 동일한 부피 분률의 일질화우라늄 결정립들이 이산화우라늄에 혼합된 복합재료 소결체라도, 본 발명에 의한 소결체는 냉각제를 물로 하는 경수로나 중수로 핵연료로 사용할 수 있으나 비교예 1에 의한 소결체는 핵연료로 사용할 수 없다.
비교예 2의 소결체의 경우 제조예 1의 소결체와 마찬가지로 수증기 분위기 열처리 후에도 소결체 형상을 비교적 잘 유지하고 있다. 이는 일질화우라늄의 부피 분률이 낮기 때문으로 이산화우라늄 내에 적은 부피의 일질화우라늄이 분포된 소결체에서는 이산화우라늄 층이 일질화우라늄의 산화를 방지하는 방호막 역할을 수행한다는 것을 보인다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (15)

  1. 비산화물 세라믹 핵연료 30 내지 99 부피%와, 산화물 핵연료 1 내지 70 부피%를 포함하는 과립상(granule phase); 및
    비산화물 세라믹 핵연료 1 내지 30 부피%와, 산화물 핵연료 70 내지 99 부피%를 포함하는 기지상(matrix phase);을 포함하고,
    상기 과립상은 상기 기지상 내에 분포되어, 기지상으로 둘러싸여 있으며,
    상기 비산화물 세라믹 핵연료는 일질화물 핵연료, 일탄화물 핵연료 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 산화물 핵연료는 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 이산화토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고,
    상기 일질화물 핵연료 및 일탄화물 핵연료에서 음이온 대비 양이온의 비율은 0.9~1.1 사이인 핵연료 복합재료 소결체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비산화물 세라믹 핵연료 및 산화물 핵연료는, 각각 과립상 및 기지상 내에서 1 nm 내지 10 ㎛의 크기를 갖는 결정립의 형태로 분포된 것인 핵연료 복합재료 소결체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 일질화물 핵연료와 일탄화물 핵연료의 양이온 원소는 우라늄, 우라늄 합금, 플루토늄, 토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것이고,
    상기 우라늄 합금은 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 실리콘(Si) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 우라늄의 합금인 것인 핵연료 복합재료 소결체.
  6. (a) 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 30 내지 99 부피%로, 산화물 핵연료 분말을 1 내지 70 부피%로 혼합하여 제1분말을 제조하는 단계;
    (b) 비산화물 세라믹 핵연료 분말을 1 내지 30 부피%로, 산화물 핵연료 분말을 70 내지 99 부피%로 혼합하여 제2분말을 제조하는 단계;
    (c) 상기 제1분말 및 상기 제2분말을 혼합하여 성형체를 형성하는 단계; 및
    (d) 비활성기체 분위기 또는 진공 분위기 하에서, 상기 성형체를 소결하는 단계
    를 포함하고,
    상기 비산화물 세라믹 핵연료 분말은 일질화물 핵연료, 일탄화물 핵연료 분말 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하고, 상기 산화물 핵연료 분말은 이산화우라늄, 이산화플루토늄, 이산화토륨 분말 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하며,
    상기 일질화물 핵연료 분말 및 일탄화물 핵연료 분말에서 음이온 대비 양이온의 비율은 0.9~1.1 사이인 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 일질화물 핵연료 분말 및 일탄화물 핵연료 분말의 양이온 원소는 우라늄, 우라늄 합금, 플루토늄, 토륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것이고,
    상기 우라늄 합금은, 크롬, 지르코늄, 니오븀, 티타늄, 실리콘 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나와 우라늄의 합금인 것인 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (c)는, 제1분말을 이용하여 과립상을 제조하는 과립화공정을 더 포함하는 것인 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (d)의 소결 온도는 1100 내지 2000℃인 것인 핵연료 복합재료소결체의 제조방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (d)의 비활성기체는 질소 기체를 포함하는 것인 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 단계 (d)의 소결은 전기로 소결, 고온가압(hot press) 소결, 고온등방가압(hot isostatic press; HIP) 소결, 극초단파로(microwave furnace) 소결, 방전플라즈마 소결(spark plasma sintering; SPS) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것인 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 제1분말 및 제2분말은 각각 첨가제로 U3Si2를 더 포함하고,
    상기 U3Si2는, 상기 성형체 총중량을 기준으로, 0.01 내지 5 중량%로 포함되는 것인 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 제1분말 및 제2분말은 각각 첨가제로 MnO, SiO2 Y2O3, Cr2O3, Al2O3, Zr2O3, TiO2, Nb2O5 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 금속산화물을 더 포함하고,
    상기 금속산화물은, 성형체 총중량을 기준으로, 0.01 내지 1 중량%로 포함되는 것인 핵연료 복합재료 소결체의 제조방법.
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