KR102123234B1 - 우수한 압축 저항성을 가지며 표면 결함이 저감되는 핵연료 소결체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원기둥 형상의 펠릿으로서, 펠릿의 상면과 저면이, 중앙에 일정한 곡면을 가지는 구면 홈 형상으로 형성되는 디쉬(dish)와, 디쉬의 테두리를 따라 수평 환형 형상으로 형성되는 랜드(land) 및, 랜드 테두리를 따라 모서리가 일정한 각도로 면취 되는 형태로 형성되는 챔퍼(chamfer)로 구성되는 핵연료 소결체에 있어서, 상기 챔퍼는 랜드 테두리에 인접되는 1차챔퍼와, 1차챔퍼 테두리를 따라 추가로 면취 되는 형태로 형성되는 2차챔퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 우수한 압축 저항성을 가지며 표면 결함이 저감되는 핵연료 소결체를 제공하고자 한다.

Description

우수한 압축 저항성을 가지며 표면 결함이 저감되는 핵연료 소결체{Nuclear fuel pellet having excellent resistace to compression fracture amd being reduced surface chipping}

본 발명은 소결체(fuel pellet)에 관한 것으로, 특히 원자력 발전소에 사용되는 우수한 압축 저항성을 갖고 표면 결함 저감 성능이 우수한 소결체의 형상에 관한 것이다.

원자력 발전소에서 사용되는 핵연료는 일반적으로 피복관 안에 소결체가 적층되어 있는 형태로 구성되어 있고, 이 때 소결체는 주로 UO2계 분말을 사용해서 제조한다. 최근 원자력 발전소의 경제성 향상을 위해 고연소도 장주기가 고려되고 있으며 이에 따라 원자력 발전소의 운전 환경은 더욱 가혹해지고 고성능 핵연료 개발의 필요성이 대두되고 있다.

특히, 소결체 제조 과정 또는 이동 중에 다양한 외부 충격 및 접촉 등으로 인해 표면 결함이 발생하게 되고, 이 결함 부위에 과도한 응력이 집중되어 소결체의 균열이 발생되어 종래에는 PCMI 손상, 소결체의 결함 부위에서의 fission gas 응집으로 인한 소결체 파손 등으로 확대되는데 이는 가혹해지는 원자력 운전환경에서 중요한 문제로 대두되고 있다.

이와 같이, 원자력발전소의 핵연료에서 표면 결함 저감 성능을 향상시키기 위하여 많은 연구를 수행하고 있으며, 특히 고연소/장주기 운전에서 핵연료의 건전성을 확보할 수 있는 소결체 형상에 관한 연구가 많이 이루어지고 있다. 소결체는 가운데 부분에 디쉬(dish), 끝단 부에 챔퍼(chamfer), 디쉬와 챔퍼를 잇는 랜드(land)부로 구성되어 있다. 특히 소결체의 끝단인 챔퍼는 일정한 각도를 주어 끝단부 접촉에 의한 소결체 파손을 최소화 하는 역할을 하지만 현재 상용 소결체에서 여전히 표면 결함을 다수 발생됨에 따라서 챔퍼 각도의 변화에 의한 연구가 가장 많이 이루어지고 있다.

그러나 챔퍼 각도의 변화만으로는 표면 결함 저감 성능 향상이 어렵고, 또한 각도의 변화에 따른 발전소 효율을 고려한 소결체의 손실을 보상하기 어렵기 때문에 디쉬, 랜드부 등의 변화도 함께 연구되고 있다.

따라서 본 출원인은 표면 결함 저감 성능을 위한 연구를 수행 하면서, 챔퍼의 각도와 함께 랜드의 길이 변화를 통해서 종래보다 우수한 표면결함저감 성능을 나타내는 소결체를 제공하고자 하는 것이다.

등록특허공보 제10-0982664호(등록일자: 2010. 09. 10)

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 이중챔퍼를 고안하여 원자력발전소의 노심에 사용될 수 있는 표면 결함 저감 성능이 향상된 소결체를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 이중 챔퍼를 고안하였고, 본 발명에 따른 소결체의 형상은 아래와 같다.

이중 챔퍼는 성형체가 소결되는 동안 소결체의 치밀화로 인해 작은 각도의 새로운 챔퍼가 펠렛의 중심부로 이동하여 편평해지며 표면 결함으로 인한 위험을 감소시킨다. 이때 디쉬에서 1차챔퍼 사이에 기울기가 0인 랜드부가 반드시 존재해야 한다. 기존의 이중챔퍼 관련 특허에서는 랜드부가 존재하지 않고, 챔퍼에서 바로 디쉬로 이어지는데 이 때 디쉬에서 챔퍼가 시작되는 부분에서 응력이 모여 표면 결함 성능 저감에 큰 효과가 나타나지 못한다. 또한, 랜드부를 추가하여 소결체 손실량을 감소시켜 발전소 효율을 높인다.

따라서 본 특허에서는 챔퍼와 디쉬 사이에 랜드부를 두어 챔퍼의 각도 변화와 함께 랜드부의 길이 변화를 통해 표면 결함 저감 성능이 향상된다.

본 발명에 따른 소결체는 챔퍼 각도 및 랜드부 길이의 제어에 의해 표면 결함 저감 성능이 우수하고 피복관 내에서 견딜 수 있는 압축 강도가 높아서 소결체의 건전성을 향상시켜서 고연소도 장주기의 원전 환경에서도 유용하게 사용가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 소결체 상부의 정단면도 이고,
도 2는 본 발명에서 압축피로시험의 모식도 이며,
도 3은 본 발명에서 압축피로시험 후의 소결체의 단면이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 소결체는 디쉬, 랜드, 챔퍼로 구성되어 있고, 디쉬는 기존의 소결체와 동일하고 이중 챔퍼 및 랜드 길이 변화로 표면 결함 저항성을 향상 시킨다.

또한, 상기 소결체는 이중 챔퍼를 가지고 소결체의 우라늄 손실량을 보존하며 표면 결함에 대한 저항성을 향상시킨다.

또한, 상기 소결체는 이중챔퍼로서 1차챔퍼와 2차챔퍼를 두어 기존 상용 소결체의 랜드부에서 챔퍼로 이어지는 부분의 응력 집중 현상을 해소하여 표면 결함 저항성을 증가시킨다.

또한, 상기 소결체는 이중챔퍼에서 1차챔퍼가 2차챔퍼보다 완만한 경사를 가진다.

또한, 상기 소결체 이중챔퍼의 1차챔퍼의 각도는 1~4이고, 길이는 0.3~1.5mm이다.

또한, 상기 소결체 이중챔퍼의 2차챔퍼의 각도는 12~25이고, 길이는 0.13~0.18 mm 이다.

또한, 상기 소결체는 이중챔퍼와 디쉬 사이에 랜드부를 가지어 소결체의 비정상적인 적층이 방지되고, 1차챔퍼와 디쉬 사이에 응력 집중을 감소시켜 결함에 대한 저항성을 향상 시키고, 이 때 랜드의 길이는 0.3~1.5 mm 이다.

본 발명의 성형체(green pellet)는 소결 후에 소결체가 되며 길이 및 각도가 수축하지만 그 변화가 크지 않기 때문에 성형체와 소결체의 챔퍼 각도 및 랜드부 길이 범위는 동일한 범위로 한다.

또한, 상기 이중챔퍼 소결체의 1차 챔퍼 각도가 1보다 낮으면 소결 후에 2차 챔퍼가 완전히 편평해지므로 표면 결함 저항 향상 효과가 나타나지 않고, 4보다 크면 1차 챔퍼와 2차 챔퍼 사이에 edge로 작용하여 그 부위에서 파손이 일어나기 쉽다.

또한, 상기 이중챔퍼 소결체의 랜드부가 없는 경우에는 1차챔퍼와 디쉬 사이에서 파손이 일어나므로 반드시 일정길이의 랜드부를 포함해야 한다.

본 발명에 따른 소결체는 아래와 같은 방법으로 제조한다.

단계 1은 UO2계 분말에 윤활제를 넣고 혼합한 후 분쇄하고 건조시켜 체질하여 혼합 분말을 만드는 것이다.

단계 2는 상기 1단계의 제조법에 의해 제조된 혼합분말을 다이에 넣고 일정 압력으로 성형체(green pellet)를 만드는 공정이다. 이 때 압력은 2,500~3,000 kgf로 한다.

또한, 상기 이중 챔퍼 소결체의 경우, 상기 압력이 2,500 kgf 미만에서는 성형밀도가 낮고, 3,000 kgf 초과에서는 성형체 끝단부에 결함이 발생할 수 있다.

단계 3은 상기 2단계의 제조 방법으로 얻은 성형체를 환원성 수소 가스 기체 분위기에서 1600~1850 온도에서 2~4시간 동안 유지하여 표면 결함 저항성이 향상된 소결체를 제조하는 공정이다.

또한, 이중 챔퍼 소결체의 경우, 상기 소결 시간이 2시간 보다 작을 경우 소결에 의한 치밀화가 완전히 이루어지지 않아 1차 챔퍼가 편평해지기 어렵고, 4시간 보다 클 경우 소결이 너무 이루어져 1차 챔퍼가 완전 편평화 되어 제 역할을 하기 어렵다.

이하, 상기한 바와 같은 단계로 이루어진 본 발명을 다양한 실시예를 예로 들어 좀 더 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 소결체의 구체적인 세부사항은 아래의 표 1에 정리되어 있다.

[표1]

<비교예 1>

비교예 1로 원자력 발전소에서 사용되고 있는 상용 소결체를 사용하였다. 상용 소결체는 싱글 챔퍼로 2차 챔퍼가 존재 하지 않는다.

<비교예 2>

비교예 2로 랜드부가 없는 이중챔퍼 소결체를 제작하여 사용하였다.

<실험예 1> 표면 결함 저감 성능 시험

본 발명에 따른 소결체의 표면 결함 저감 성능을 알아보기 위해, 소결체 적층 사항을 모사하여 저주기 압축 피로 시험을 수행하였다.

상기 실시예 1~6의 소결체를 상기의 제조공정으로 제조한 후, 피복관에 소결체가 적층되어 있는 상황을 모사하여 압력을 500~1500 N 으로 증가시키며 50 cycle씩 수행하였다. 소결체의 적층은 정상적인 상태와 비정상적인 상태 2가지 경우로 수행하였다.

저주기 압축 피로 시험 후 파손이 일어나지 않은 소결체를 제외하고 파손이 일어난 경우의 소결체의 무게감소량을 측정하여 표 2에 나타냈다.

[표2]

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 실시예 1~6의 소결체는 비교예1 로 제시된 상용 소결체보다 파손된 소결체의 양이 적어 낮은 무게 감소량을 나타냈다. 또한 비교예 2로 제시된 랜드부가 없는 이중 챔퍼 소결체 보다도 낮은 무게 감소량을 나타냈다. 또한 소결체의 파손 후 단면을 보면 이중 챔퍼 소결체가 더 파손이 적음을 알 수 있다. 따라서, 피복관안의 소결체를 모사한 실시예 1~6의 소결체에서 표면 결함 저항성이 향상되었음을 알 수 있다.

<실험예 2> 압축 강도 시험

본 발명에 따른 소결체에 걸리는 최대 압축 강도를 알아보기 위해서 압축 시험을 수행하였다. 압축 시험은 pre load 50 N 으로 약 10초간 유지 후 파단될 때 까지 1 mm/min의 속도로 수행하였다. 최대 압축 강도는 비교예 1로 제시된 상용 소결체보다 실시예 1~6의 이중챔퍼 소결체에서 더 높게 나타나 압축 강도 특성이 향상되었음을 알 수 있다.

[표3]

이중챔퍼는 성형체가 소결되는 동안 소결체의 치밀화로 인해 낮은 각도의 새로운 챔퍼가 펠렛의 중심부로 이동하며 편평해지며 표면 결함으로 인한 위험을 감소시킨다. 이 때 디쉬에서 1차챔퍼 사이에 기울기가 0인 랜드부가 반드시 존재해야 한다. 기존의 이중챔퍼 관련 특허에서는 랜드부가 존재하지 않고, 챔퍼에서 바로 디쉬로 이어지는데 이 때 디쉬에서 챔퍼가 시작되는 부분에서 응력이 모여 표면 결함 성능 저감에 큰 효과가 나타나지 못한다. 또한, 랜드부를 추가하여 소결체 손실량을 감소시켜 발전소 효율을 높이는 효과가 있다.

따라서, 본 특허에서는 챔퍼와 디쉬 사이에 랜드부를 두어 챔퍼의 각도 변화와 함께 랜드부의 길이 변화를 통해 표면 결함 저감 성능을 더 높이고자 하였다.

Claims (10)

1. 원기둥 형상의 펠릿으로서, 펠릿의 상면과 저면이, 중앙에 일정한 곡면을 가지는 구면 홈 형상으로 형성되는 디쉬(dish)와, 디쉬의 테두리를 따라 수평 환형 형상으로 형성되는 랜드(land) 및, 랜드 테두리를 따라 모서리가 일정한 각도로 면취 되는 형태로 형성되는 챔퍼(chamfer)로 구성되는 핵연료 소결체에 있어서,
   상기 챔퍼는 랜드 테두리에 인접되는 1차챔퍼와, 1차챔퍼 테두리를 따라 추가로 면취 되는 형태로 형성되는 2차챔퍼로 이루어지고, 1차챔퍼와 수평면이 이루는 각도가 2차챔퍼와 수평면이 이루는 각도 보다 작으며, 1차챔퍼와 수평면이 이루는 각도는 2도이고, 2차 챔퍼와 수평면이 이루는 각도는 18도이며, 상기 랜드의 폭은 0.5 mm 내지 1.0 mm이고, 1차 챔퍼의 높이는 0.13 mm 이며, 2차 챔퍼의 폭은 0.66 mm 인 것을 특징으로 하는 우수한 압축 저항성을 가지며 표면 결함이 저감되는 핵연료 소결체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

Images