KR102324478B1 - Ibc 블렌더를 이용한 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말 제조 방법 및 이에 의해 제조된 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말 - Google Patents

Ibc 블렌더를 이용한 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말 제조 방법 및 이에 의해 제조된 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말 Download PDF

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Abstract

본 발명의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법에 따르면, 혼합 시간이 짧으며, 제조된 UO2 혼합 분말의 혼합도 및 균질도가 우수하다. 본 발명은, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법으로서, (a) UO2 분말, 기공형성제 및 윤활제를 자동 투입 장치를 이용하여 계량 및 체질하고, UC 컨테이너에 투입하는 단계; 및 (b) IBC Blender를 이용하여 상기 UO2 분말, 기공형성제 및 윤활제를 혼합하는 단계를 포함하는, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법을 제공한다.

Description

IBC 블렌더를 이용한 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말 제조 방법 및 이에 의해 제조된 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말{METHOD FOR MANUFACTURING UO2 MIXED POWDER FOR MANUFACUTRING NUCLEAR FUEL USING IBC BLENDER AND UO2 MIXED POWDER FOR MANUFACURING NUCLEAR FUEL MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은, IBC 블렌더를 이용한 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말 제조 방법 및 이에 의해 제조된 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말에 관한 것이다.
원자력 발전소에서 사용되는 핵연료로서, 일반적으로 이산화우라늄(UO2) 펠렛이 널리 사용되고 있다.
핵연료인 이산화우라늄(UO2) 펠렛은 UO2 분말로부터 제조된다. 보다 구체적으로는, UO2 분말에 기공 형성제 및 윤활제 등의 첨가제를 혼합하여 UO2 혼합 분말을 제조하는 단계; 제조된 UO2 혼합 분말을 프레싱하여 UO2 성형 펠렛을 제조하는 단계; 소결하여 UO2 소결 펠렛을 제조하는 단계; 및 소결 펠렛의 직경을 일정하게 하기 위해 연삭하여 UO2 연삭 펠렛을 제조하는 단계를 통해, 이산화우라늄(UO2) 펠렛을 제조한다.
상기 UO2 혼합 분말을 제조하는 단계는, 분말의 유동성을 양호하게 하고, 또한 최종적으로 제조된 펠렛의 특성을 우수하게 하기 위해, 일반적으로 기공 형성제 및 윤활제를 첨가하고 혼합 장치를 이용하여 혼합한다. 혼합에 따른 혼합도 및 균질도는 최종적으로 제조되는 펠렛의 특성이나 품질에 큰 영향을 미치기 때문에, 분말을 혼합하는 혼합 장치의 성능은 UO2 혼합 분말 제조 단계에서 매우 중요하다.
기존에 사용되는 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법은 일반적으로 스크류 혼합기를 이용한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 작업자가 수작업으로 첨가물을 계량 및 체질하여 UC 컨테이너(1)에 첨가물을 투입하고, UC 컨테이너를 스크류 혼합기 상부에 위치하는 Fit-Up 장치(2)에 장착시킨 후, 스크류 혼합기(3)를 이용하여 첨가물을 혼합하고, 혼합된 분말을 별도 용기(4)에 저장한다.
기존에 사용되는 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법은 혼합 시간이 약 4시간 소요되며, 윤활제의 균질한 분포를 위해 혼합 과정에 있어서 윤활제를 수회 첨가해야 하기 때문에, 혼합 시간이 길어지고, 작업의 연속성이 악화되며, 윤활제를 첨가하기 위해 작업자가 대기하고 있어야 하며, 핵물질을 취급하는 핵연료 제조 방법의 특성 상, 경제성, 효율성 및 안전성의 측면에서 여러 문제가 발생한다.
한국공개특허공보 제10-2004-0029408호(2004.04.06.)
한국등록특허공보 제10-1001202호(2010.12.08.)
본 발명은, 혼합 시간이 짧고, 제조된 UO2 혼합 분말의 혼합도 및 균질도가 우수한 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법으로서, (a) 기공형성제 및 윤활제를 자동 투입 장치를 이용하여 계량 및 체질하고, UO2 분말을 포함하는 UC 컨테이너에 투입하는 단계; 및 (b) IBC Blender를 이용하여 상기 UO2 분말, 기공형성제 및 윤활제를 혼합하는 단계를 포함하는, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법을 제공한다.
상기 기공형성제는 U3O8 분말 또는 ADCA(Azodicarbonamide, C2H4N4O2)일 수 있다.
상기 윤활제는 Acrawax(Ethylene distearamide, C38H76N2O2) 또는 Zinc steatrate(Zn-C36H70O4)일 수 있다.
상기 UO2 분말은 10~500kg이며, 상기 UO2 분말 100중량부에 대해 상기 기공형성제 0.08~10중량부 및 상기 윤활제 0.05~1중량부를 포함할 수 있다.
상기 자동 투입 장치는 300㎛ 체질기를 포함하며, 상기 기공형성제 및 윤활제에 존재하는 과립을 제거하고, 상기 UO2 분말 중량에 따라 설정된 중량 비율로 기공 형성제 및 윤활제를 첨가할 수 있다.
상기 (b) 단계는 회전수 10~14rpm, 분말의 컨테이너 충전율 50~70vol%, 혼합 시간 20~30분 및 정방향 혼합의 조건에서 수행될 수 있다.
상기 (b) 단계는 추가로 10분 동안 역방향으로 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법에 의해 제조된 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말을 제공할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말을 프레싱하는 UO2 성형 펠렛 제조 단계; 상기 UO2 성형 펠렛을 소결하는 UO2 소결 펠렛 제조 단계; 및 상기 소결 펠렛을 연삭하여 소결 펠렛의 직경을 일정하게 하는 UO2 연삭 펠렛 제조 단계를 포함하고, 불량률이 5% 이하이며, 불량률이 5% 이하이며, 상기 소결 펠렛의 밀도는 10.30~10.58g/cm3인, UO2 핵연료 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법에 따르면, 혼합 시간이 짧으며, 제조된 UO2 혼합 분말의 혼합도 및 균질도가 우수하다.
본 발명의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법에 따라 제조된 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말을 이용하면, 최종적으로 제조되는 UO2 펠렛의 특성 및 품질이 우수하다.
도 1은, 기존에 사용되는 스크류 혼합기를 이용한 UO2 분말 혼합 방법을 나타낸 도이다.
도 2은, 본 발명에 사용되는 IBC 블렌더의 구성을 나타낸 도이다.
도 3은, IBC 블렌더의 회전수 10rpm에서 혼합 조건에 따른 UO2 혼합 분말 내 Zn 함량 및 편차를 나타낸 도이다.
도 4는, IBC 블렌더의 회전수 14rpm에서 혼합 조건에 따른 UO2 혼합 분말 내 Zn 함량 및 편차를 나타낸 도이다.
도 5는, UO2 분말을 포함하는 UC 컨테이너에 첨가제를 자동 투입하는 첨가제 자동 투입 장치의 구성을 나타낸 도이며, UC Container가 도 2의 IBC Blender에 장착되어 분말이 혼합된다.
이하, 구현예, 실시예 및 도면을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 구현예 및 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 구현예 및 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
한 구현예에 따르면, 본 발명은, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법으로서, (a) 기공형성제 및 윤활제를 자동 투입 장치를 이용하여 계량 및 체질하고, UO2 분말을 포함하는 UC 컨테이너에 투입하는 단계; 및 (b) IBC Blender를 이용하여 상기 UO2 분말, 기공형성제 및 윤활제를 혼합하는 단계를 포함하는, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법을 제공한다.
상기 UO2 분말은, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말 및 핵연료 펠렛을 제조하기 위한 출발 물질이다. 본 발명의 한 구현예에서, 상기 UO2 분말의 비표면적은 2.6~2.7m2/g, 평균 입도는 4.0~10㎛이다. 본 발명의 한 구현예에서, 상기 UO2 분말은 10~500kg을 사용할 수 있다.
상기 기공 형성제(poreformer)는 UO2 혼합 분말을 이용하여 성형 펠렛을 제조하고, 성형 펠렛을 소결하여 소결 펠렛을 제조하는 경우, 소결 펠렛의 소결 밀도를 조절하고 소결 펠렛 내부의 기공의 크기를 제어할 수 있는 제제이다. 기공 형성제로서 U3O8 분말 또는 ADCA(Azodicarbonamide, C2H4N4O2)를 사용할 수 있다. 상기 기공형성제는 UO2 분말 100중량부에 대해 0.08~10중량부 포함할 수 있다.
상기 윤활제(lubricant)는 UO2 분말 입자에 얇은 피막을 형성시키기 위해 첨가하는 제제로서, 분말 입자의 유동성을 향상시켜 분말 성형 시 다이(die)에 장입하는 양을 일정하게 조절시킬 뿐만 아니라 성형 펠렛의 생산 속도를 증가시킨다. 또한 분말 성형 시 분말 입자 간의 압력 및 분말 입자/다이벽 간의 마찰압력을 감소시켜 원하는 성형밀도를 최적의 성형압력으로 제조할 수 있어 다이(die)/펀치(punch)의 수명을 연장시키는 효과가 있다. 상기 윤활제로서 Acrawax(Ethylene distearamide, C38H76N2O2) 또는 Zinc steatrate(Zn-C36H70O4)를 사용할 수 있다. 상기 윤활제는 UO2 분말 100중량부에 대해 0.05~1중량부 포함할 수 있다.
상기 IBC 블렌더(Intermediate Bulk Containers Blender)는, 컨테이너 자체를 다양한 방향으로 회전시켜 내용물을 혼합하는 블렌더를 의미한다.
상기 자동 투입 장치는 기공형성제 및 윤활제를 계량 및 체질하고, UO2 분말을 포함하는 UC 컨테이너에 투입하는 장치이다. 상기 자동 투입 장치는 300㎛ 체질기를 포함하며, 상기 기공형성제 및 윤활제에 존재하는 과립을 제거할 수 있다. 자동 투입 장치는 도 5에 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 자동 투입 장치는 제1 첨가물 투입 장치(1), 제2 첨가물 투입 장치(2) 및 첨가물 계량 장치(3)를 포함하고, 각각의 첨가물 투입 장치는 300㎛ 체질기(4)를 포함한다. 상기 UC 컨테이너는, 한국원자력안전기술원으로부터 인증받은 최대 농축도 5.0w/o의 우라늄 분말을 취급할 수 있는 700Liter 용량의 규격 용기(Uranium-C(규격순번) 용기)를 말한다. 상기 300㎛ 체질기(4)는, 300㎛ 초과의 과립, 입자 등의 물질을 제거할 수 있는 체질기이다.
상기 (b) 단계는 회전수 10~14rpm, 분말의 컨테이너 충전율 50~70vol%, 혼합 시간 20~30분 및 정방향 혼합의 조건에서 수행될 수 있다. 상기 (b) 단계는 추가로 10분 동안 역방향으로 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 한 구현예에 있어서, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말을 프레싱하는 UO2 성형 펠렛 제조 단계; 상기 UO2 성형 펠렛을 소결하는 UO2 소결 펠렛 제조 단계; 및 상기 소결 펠렛을 연삭하여 소결 펠렛의 직경을 일정하게 하는 UO2 연삭 펠렛 제조 단계를 포함하고, 불량률이 5% 이하이며, 상기 소결 펠렛의 밀도는 10.30~10.58g/cm3인, UO2 핵연료 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 명세서에서 ‘불량률’이란, UO2 혼합 분말로부터 성형, 소결 및 연삭 공정을 통해 제조된 전체 펠렛 중, 각 단계에서 발생한 불량 펠렛의 개수를 의미한다. 펠렛이 설계 조건 또는 시방을 만족하지 않는 경우 불량으로 판정한다.
실시예 1
핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 혼합도 및 균질도를 보다 향상시키기 위해, IBC 블렌더를 이용한 혼합 방법의 조건을 다양하게 변형하여 연구하였다.
연구를 위해, UO2 분말에, UO2 펠렛 제조공정 중에서 발생한 펠렛 스크랩(scrap)을 산화시켜 만든 U3O8 분말을 일정량(여기에서는, UO2 분말 100중량부 대비 5중량부) 첨가하여 혼합한다. U3O8 분말을 첨가 혼합하는 경우, 스크랩을 재활용할 수 있어 경제성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기공형성제로 작용하여 첨가량에 따라 UO2 펠렛의 밀도 및 펠렛 내에 존재하는 기공의 크기 및 수를 제어할 수 있다. 또한, 펠렛의 품질에 영향을 미치는 분말의 유동성 및 펠렛의 성형성을 향상시키기 위해 윤활제를 일정량(여기에서는, UO2 분말 및 U3O8 분말의 100중량부 대비 0.4중량부; UO2 분말 100중량부 대비 0.38중량부) 첨가하여 혼합한다. 윤활제로는 Zn-stearate(Zn-C36H70O4) 분말을 사용하였다. Zn-stearate에는 Zn의 함량이 10% 존재한다. 그리고 (UO2+U3O8) 분말에는 Zn의 함량이 약 20ppm인 것으로 측정되었다. 따라서 (UO2+U3O8) 분말에 Zn-stearate를 UO2 분말 및 U3O8 분말의 100중량부 대비 0.4중량부 첨가할 경우, 혼합한 분말의 Zn 함량은 이론적으로 420ppm이다.
아래 표 1에 나타낸 바와 같이, IBC 블렌더의 혼합 성능을 검증하기 위한 실시 조건으로서, IBC 블렌더의 혼합 시간 및 혼합 방향(정 및 역), 컨테이너 충전율 및 회전수를 변수로 설정하였다. 컨테이너 충전율은 컨테이너 전체 부피에 대한 분말의 부피%로 나타낸다. 혼합 분말에 포함되는 Zn의 함량 분석 및 편차 측정을 수행하였다. 이를 위해 각각의 실시 조건 당 하나의 혼합 분말을 제조하고, 하나의 혼합 분말에서 5개의 샘플을 채취하여 Zn의 함량 및 편차를 측정하였다. Zn 함량은 유도결합방출분광법(ICP-OES)으로 측정하였다. 측정된 Zn 함량과 이론 Zn 함량을 비교함으로써, 혼합도를 평가하였고, 측정된 Zn 함량의 편차를 통해 균질도를 평가하였다.
혼합도는, 첨가제의 혼합 정도를 의미하는 것으로, 혼합이 잘 될수록, 측정된 혼합도가 이론 함량에 근접하게 된다. 혼합도가 낮을 수록 미혼합된 첨가제가 많음을 의미한다.
균질도는, 혼합 분말 내 존재하는 첨가제가 얼마나 고르게 혼합되어 있는지를 나타내는 것이다. 본 명세서에서는 측정된 Zn 함량의 편차를 통해 균질도를 평가하였고, 편차가 낮을수록 균질도가 높음을 의미한다.
아래 표 1에 각 실시 조건에 따른 UO2 혼합 분말 내 Zn 함량 및 편차를 나타낸다.
Figure 112021067070197-pat00001
상기 회전 방향의 정(Forward) 및 역(Backward)은 상대적으로 반대의 방향을 의미하는 것으로, 정 방향은 시계 방향 또는 시계 반대 방향을 의미할 수 있고, 역 방향은 상기 정 방향의 반대 방향인 시계 반대 방향 또는 시계 방향을 의미할 수 있다.
상기 표 1의 결과를, 회전수에 따라 각각 도 3 및 도 4에 나타낸다.
도 3은 IBC 블렌더의 회전수 10rpm에서 실시한 결과를 도시한 것이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, IBC 블렌더의 회전수 10rpm에서, 정방향으로만 혼합하는 경우 혼합 시간 20분과 30분 혼합한 시료 각각의 평균 Zn 함량은 각각 416rpm, 422rpm으로 이론값(420ppm)에 근사하게 측정되었으며, 편차도 작은 것으로 나타났다. 다만 혼합 시간 20분보다는 30분에서 평균 Zn 함량이 이론값에 더 가깝고, 편차가 더 작은 것으로 나타났다. 반면에 혼합 시간이 30분을 초과하여 60분으로 증가하는 경우, 평균 Zn 함량은 이론값에서 멀어지게 되며, 편차도 커지는 것으로 나타났다. 이와 같이 혼합 시간이 과대하게 증가하면 일부 첨가 물질이 편석되기 때문인 것으로 사료된다.
한편 정방향으로 회전시킨 후 역방향의 회전을 10분 추가한 결과, 정방향으로만 혼합한 경우보다 이론값에 더 가깝게 측정되었으며, 편차도 작게 나타났는데, 이는 한 방향으로 일정 시간 회전시킨 후 반대 방향으로 회전시키면 미혼합된 첨가 물질이 감소하기 때문인 것으로 사료된다. 한편 이와 같은 결과는 충전율에 관계없이 거의 비슷하게 나타났다. 다만, 50%의 충전율이 70%의 충전율보다 균질도가 양호하기 때문에, 충전율을 50%로 설정하는 것이 바람직하다.
도 4는 IBC 블렌더의 회전수 14rpm에서 실시한 결과를 도시한 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, IBC 블렌더의 회전수 14rpm에서, 정방향으로만 혼합하는 경우 혼합 시간 20분과 30분 혼합한 시료 각각의 평균 Zn 함량은 각각 421rpm, 419rpm으로 이론값(420ppm)에 근사하게 측정되었으며, 편차도 작은 것으로 나타났다. 다만 혼합 시간 20분보다는 30분에서 평균 Zn 함량이 이론값에 더 가깝고, 편차가 더 작은 것으로 나타났다. 반면에 혼합 시간이 30분을 초과하여 60분으로 증가하는 경우, 평균 Zn 함량은 이론값에서 멀어지게 되며, 편차도 커지는 것으로 나타났다. 이와 같이 혼합 시간이 과대하게 증가하면 일부 첨가 물질이 편석되기 때문인 것으로 사료된다.
한편 정방향으로 회전시킨 후 역방향의 회전을 10분 추가한 결과, 정방향으로만 혼합한 경우보다 이론값에 더 가깝게 측정되었으며, 편차도 작게 나타났는데, 이는 한 방향으로 일정 시간 회전시킨 후 반대 방향으로 회전시키면 미혼합된 첨가 물질이 감소하기 때문인 것으로 사료된다. 한편 이와 같은 결과는 충전율에 관계없이 거의 비슷하게 나타났다. 다만, 50%의 충전율이 70%의 충전율보다 균질도가 양호하기 때문에, 충전율을 50%로 설정하는 것이 바람직하다.
실시예 2
기존에 사용되는 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법과, 본 발명의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법으로 제조된 UO2 혼합 분말로부터 제조된 UO2 펠렛의 특성을 비교한다.
UO2 분말로부터 UO2 펠렛을 제조하는 공정 중, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 공정을 제외한 그 밖의 모든 공정은 동일하게 실시하여, 기존의 제조 방법과 본 발명의 제조 방법을 비교한 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
기존의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말 제조 방법 및 본 발명의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말 제조 방법에 있어서, 각각의 혼합기에 (UO2+U3O8) 분말 양은 50kg이며, 윤활제 분말은 200g(=0.4중량부) 첨가하였다. 그 외 혼합조건은 아래 표 2에 나타내었다.
또한, 기존의 제조 방법 및 본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 UO2 혼합 분말로부터 제조되는 성형 펠렛 및 소결 펠렛의 물성 비교를 위해, 각 펠렛을 100개씩 제조하였다.
UO2 혼합 분말을 펀치 및 다이에 채워 프레싱함으로써 성형 펠렛을 제조하고, 제조된 성형 펠렛을 가스 환경에서 일정 시간 동안 열처리 하여 소결 펠렛을 제조하였다.
성형 펠렛의 경우, 분말의 유동성을 고려하여 길이만 측정하고, 그 편차를 계산하였다. 동일 직경의 펀치 및 다이를 사용하여 성형 펠렛을 제조하였기 때문에 직경에 대한 영향은 고려하지 않았다. 소결 펠렛의 경우, 길이, 직경 및 밀도를 측정하고, 그 편차를 계산하였다.
Figure 112021067070197-pat00002
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말로부터 제조된 성형 펠렛 및 소결 펠렛이 스크류 혼합기를 이용하여 제조한 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말로부터 제조된 성형 펠렛 및 소결 펠렛보다 특성이 우수한 것이 확인되었다. 보다 구체적으로, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말로부터 제조된 성형 펠렛 및 소결 펠렛의 경우, UO2 혼합 분말의 유동성이 양호하여 성형 펠렛 및 소결 펠렛의 길이의 편차가 작으며, 이에 따라 밀도의 편차도 작은 것을 확인할 수 있다. 이론밀도의 95.0%~95.7%를 소결 펠렛의 품질 기준으로 하며, 기존 방법에 따라 제조된 소결 펠렛의 밀도 편차에 비해 본 발명의 방법에 따라 제조된 소결 펠렛의 밀도 편차가 작기 때문에, 품질 관리가 용이하다.
또한, 소결 펠렛의 미세 조직에 있어서, 미세 기공이 균질하게 분포된 것을 확인할 수 있는데, 이는 기공 형성제로 작용하는 U3O8이 UO2 혼합 분말에 균일하게 분포된 것을 의미한다. 또한, 조대 기공이 존재하지 않는 것은 윤활제가 군집되지 않고 균질하게 분포되었기 때문이다. 이에 비해, 스크류 혼합기를 이용하여 제조한 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말로부터 제조된 소결 펠렛의 경우, 미세 조직에 있어서 조대 기공이 일부 존재하는 것을 확인할 수 있고, 이는 기공 형성제 및 윤활제가 UO2 혼합 분말에 균일하게 분포되지 않은 것을 의미한다.
본 발명의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법은 IBC Blender를 이용함으로써, 윤활제를 초기에 한번만 투입할 수 있고, 혼합 시간이 단축되며, 역방향 회전에 의해 미혼합 윤활제가 발생하지 않게 하여 혼합도 및 균질도를 향상시킬 수 있고, 분말의 유동성을 향상시킬 수 있으며, 연속적인 작업이 가능하다. 또한, 윤활제를 첨가하기 위해 대기하는 작업자가 필요하지 않아, 경제성, 효율성, 안전성이 우수하다.
그리고 UO2 펠렛 제조 공정에서 나타난 불량률은 기존 방법에서는 5~10%(성형 공정 불량률 : 1~2%, 연삭 공정 불량률 : 5~8%), 본 발명에서는 3~5%(성형 공정 불량률 : 0%, 연삭 공정 불량률 : 3~5%)로 나타났다.
펠렛의 불량은 일반적으로 UO2 혼합 분말을 프레싱하여 성형 펠렛을 제조하는 성형 공정 및 소결 펠렛을 연삭하는 연삭 공정에서 주로 나타난다. 성형 공정의 불량은 성형체 제조 중 성형 펠렛이 파손되거나 성형 펠렛 길이의 시방 범위를 초과하기 때문에 발생한다. 연삭 공정의 불량은, 연삭 펠렛의 표면에 존재하는 미연삭 부분, 균열 또는 기공에 의해 손상에 의해 발생한다. 성형 공정에서 불량률이 기존 방법에서는 1~2% 나타난 반면에 본 발명에서는 0%이었다. 또한 연삭 공정에서의 불량률은 5~8% 나타난 반면에 본 발명에서는 불량률이 3~5% 나타났다. 이와 같이 본 발명을 적용하여 제조된 연삭 펠렛에서 불량률이 작은 이유는 펠렛 표면의 미연삭 부분이 없었으며, 기공에 의한 손상이 없었기 때문이다. 미연삭 부분이 생기지 않은 원인은 윤활제가 균질하게 분산된 분말 입자를 성형할 때 마찰에 의한 성형 압력의 감소가 작기 때문이다. 또한 기공에 의한 손상은 주로 혼합도가 좋지 않아 군집된 윤활제가 소결 후 잔존하여 나타나는 현상으로, 본 기술에 의해 제조된 펠렛에는 이와 같은 형상의 손상이 적게 나타났다.
상기와 같이, IBC 블렌더를 이용한 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말은, 윤활제 및 기공 형성제가 균일하게 분포되어 있어, UO2 혼합 분말로부터 제조되는 성형 펠렛, 소결 펠렛 및 연삭 펠렛에 있어서 펠렛의 특성 및 품질을 보다 우수하게 하는 것을 알 수 있다.
상기와 같이, 기존의 스크류 혼합기로 혼합하는 경우보다 본 발명의 IBC 블렌더 장치로 혼합하는 경우, 혼합도 및 균질도가 양호하여 최종적으로 제조된 UO2 펠렛의 특성이나 품질이 우수한 것으로 나타났다.

Claims (9)

  1. 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법으로서,
    (a) 기공형성제 및 윤활제를 자동 투입 장치를 이용하여 계량 및 체질하고, UO2 분말을 포함하는 UC 컨테이너에 투입하는 단계; 및
    (b) IBC Blender를 이용하여 상기 UO2 분말, 기공형성제 및 윤활제를 혼합하는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계는 회전수 10~14rpm, 분말의 컨테이너 충전율 50~70vol%, 혼합 시간 20~30분 및 정방향 혼합의 조건에서 수행되며,
    상기 UO2 분말은 10~500kg이며, 상기 UO2 분말 100중량부에 대해 상기 기공형성제 0.08~10중량부 및 상기 윤활제 0.05~1중량부 포함하는, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기공형성제는 U3O8 분말 또는 ADCA(Azodicarbonamide, C2H4N4O2)인, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 윤활제는 Acrawax(Ethylene distearamide, C38H76N2O2) 또는 Zinc steatrate(Zn-C36H70O4)인, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 자동 투입 장치는 300㎛ 체질기를 포함하며, 상기 기공형성제 및 윤활제에 존재하는 과립을 제거하고, 상기 UO2 분말 중량에 따라 설정된 중량 비율로 상기 기공 형성제 및 윤활제를 첨가하는 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 추가로 10분 동안 역방향으로 혼합하는 것을 포함하는, 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법.
  8. 제 1 항의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말의 제조 방법에 의해 제조된 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말.
  9. 제 8 항의 핵연료 제조용 UO2 혼합 분말을 프레싱하는 UO2 성형 펠렛 제조 단계;
    상기 UO2 성형 펠렛을 소결하는 UO2 소결 펠렛 제조 단계; 및
    상기 소결 펠렛을 연삭하여 소결 펠렛의 직경을 일정하게 하는 UO2 연삭 펠렛 제조 단계를 포함하고,
    불량률이 5% 이하이며, 상기 소결 펠렛의 밀도는 10.30~10.58g/cm3인, UO2 핵연료 제조 방법.
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