KR102581441B1 - 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 및 이의 제조방법 - Google Patents

열전도도가 향상된 핵연료 소결체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화물 핵연료 매트릭스; 및 상기 매트릭스 내 분산된 판상형 코팅 열전도성 금속 배열을 포함하고, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

열전도도가 향상된 핵연료 소결체 및 이의 제조방법{NUCLEAR FUEL PELLET HAVING ENHANCED THERMAL CONDUCTIVITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
경수로 핵연료 소결체 재료인 이산화우라늄(UO2)은 경수로 냉각재로 사용되는 물과의 양립성이 양호하고, 약 2850℃의 높은 융점을 가지며, 고온에서도 상변태가 일어나지 않는 등의 우수한 노내 안정성을 나타낸다. 따라서, 다른 우라늄 화합물 UC, UN 등)에 비하여 열전도도 및 우라늄 밀도 등의 측면에서 단점을 가지고 있음에도 불구하고, 경수로 핵연료 소결체 재료로 널리 사용되고 있다.
그러나, UO2의 낮은 열전도도 특성은 UO2 핵연료 소결체 내부에 급격한 온도 구배(temperature gradient)를 형성하며, 높은 핵연료 중심 온도를 야기시키게 된다. 이러한 온도 구배는 핵연료 정상 운전 및 과도 상태에서, 핵연료 안전성 측면에서 매우 불리한 요소로 작용하게 된다. 따라서, UO2 핵연료 소결체의 열전도도를 향상시키는 기술은 핵연료 성능 및 안전성 측면에서 매우 중요한 요소이다. UO2 핵연료 소결체의 열전도도를 향상시키는 방법으로 이종 물질을 첨가하는 방법이 있으며, 이러한 방법의 경우 혼합 및 소결 공정에 있어 UO2 매트릭스 상(phase) 조직의 건전성 및 특성에 영향을 미치지 않도록 주의가 필요하다.
국내등록특허공보 제2016-0051113　(2016.05.11)
본 발명은 이종 물질의 첨가를 최소화하면서도, 열전도도 향상 효과를 극대화하기 위한 것으로, 산화물 핵연료 매트릭스; 및 상기 매트릭스 내 분산된 판상형 코팅 열전도성 금속 배열을 포함하고, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 등을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 산화물 핵연료 매트릭스; 및 상기 매트릭스 내 분산된 판상형 코팅 열전도성 금속 배열을 포함하고, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체를 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 상기 코팅 열전도성 판상형 금속 배열은 상기 매트릭스 내 수평 방향으로 배향성을 가지도록 분산될 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 상기 매트릭스의 총 중량에 대하여, 상기 코팅 열전도성 판상형 금속 배열의 함량은 1 중량% 내지 5 중량%일 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 상기 판상형 열전도성 금속의 총 중량에 대하여, 상기 알루미늄 화합물의 함량은 0.05 중량% 내지 0.5 중량%일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 상기 판상형 열전도성 금속은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh) 및 지르코늄(Zr)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 금속 염, (Al(NO3)3) 및 (AlCl3), 알루미늄 수산화물(Al(OH)3)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 두께에 대한 평균 너비의 비는 10 내지 300 일 수 있다.
또한 본 발명의 다른 실시예에 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 상기 알루미늄 화합물의 평균 입자 크기가 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인일 수 있다.
또한 본 발명은 (a) 판상형 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물을 코팅시킨 판상형 코팅 열전도성 금속 분말을 제조하는 단계 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 판상형 코팅 열전도성 금속 분말과 산화물 핵연료 분말을 혼합한 후, 성형 및 열처리하는 단계를 포함하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법에서 상기 (a) 단계에서 판상형 코팅 열전도성 금속 분말은, 구형 열전도성 금속 분말 및 알루미늄 화합물을 혼합한 후 밀링 공정을 통해 제조하는 방법; 또는, 구형 열전도성 금속 분말을 밀링 공정 수행 후 알루미늄 화합물과 접촉시켜 제조하는 방법; 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 제조된 열전도성 금속 분말일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법에서 상기 구형 열전도성 금속 분말 및 알루미늄 화합물의 중량비는 99.95:0.05 내지 99.5:0.5일 수 있다.
본 발명에 따른 산화물 핵연료 매트릭스 내 분산된 판상형 코팅 열전도성 금속 배열을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는바, 상기 알루미늄 화합물로 인해, 열처리 과정에서 그 배열 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기를 크게 성장시킬 수 있고, 이에 따라 전체적인 산화물 핵연료 결정립 크기의 평균 및 분포 역시 개선시킬 수 있다. 따라서, 이종 물질의 첨가를 최소화하면서도, 산화물 핵연료 중심온도를 감소시켜 열전도도 향상 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 핵연료 소결체는 기존 상용 핵연료 제조 시설에 적용이 용이하면서도, 정상 운전, 과도 및 사고 조건 상태에서 핵연료 안전성 및 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1(a)는 실시예 1에 따른 핵연료 소결체의 제조에 사용되는, 구형 Mo 분말, 판상형 Al2O3 코팅 Mo 분말 및 UO2 분말을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과, 최종 제조된 핵연료 소결체의 미세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 1(b)는 비교예 1에 따른 핵연료 소결체의 제조에 사용되는, 구형 Mo 분말, 판상형 Mo 분말 및 UO2 분말을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과, 최종 제조된 핵연료 소결체의 미세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 2는 금속 입자 주변부와 전체에 대한 결정립 크기 비교를 나타내는 그래프이다.
본 발명자들은 이종 물질이 첨가된 핵연료 소결체의 열전도도 향상 효과를 극대화시키기 위한 방법에 대해 연구하던 중, 산화물 핵연료 분말에 대한 첨가제로서 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 판상형 코팅 열전도성 금속 분말을 사용함으로써, 그 배열 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기를 크게 성장시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 산화물 핵연료 매트릭스 및 상기 매트릭스 내 분산되고, 판상형 코팅 열전도성 금속 배열을 포함하고, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체를 제공한다.
본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 산화물 핵연료 매트릭스 및 상기 매트릭스 내 분산되고, 판상형 코팅 열전도성 금속 배열을 포함한다.
구체적으로, 상기 산화물 핵연료 매트릭스는 우라늄 산화물(UO2), 플루토늄 산화물(PuO2) 및 토륨 산화물(ThO2)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 상기 산화물 핵연료 매트릭스는 상기 산화물 핵연료 분말로부터 형성되는 것으로, 상기 산화물 핵연료 분말에 대해서는 후술하는 바와 같다.
또한, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 것을 특징으로 한다,
본 명세서 내 "판상형(disc, laminar 또는 plate)"이라 함은 가늘고 길쭉한 모양의 침상형(acicular shape, needle) 혹은 스트립(strip)과 대비되는 편평한 모양을 의미하는 것으로, 판상형은 두께에 대한 평균 너비 비가 크고, 평면 시점(top view)에서 일정한 면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열에, 알루미늄 화합물 코팅이 생략된 경우에는, 열전도성 금속이 열처리 과정에서 동력을 제공하여 그 주변부에 산화물 핵연료 결정립 성장을 저해시키게 되는바, 이러한 문제점을 개선하기 위해, 산화물 핵연료 결정립 성장에 영향을 주는 알루미늄 화합물이 코팅될 필요가 있다.
상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 그 계면 건전성이 우수하며, 그 배열 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기를 크게 성장시키기 위한 이종 물질로서 사용된다. 이때, 상기 산화물 핵연료 결정립은 핵분열 기체생성물 방출 및 노내 거동 등 핵연료 성능에 있어 중요한 지표 중 하나이므로, 이를 증대시키고 균일한 미세조직을 갖도록 하는 것이 중요하다. 또한, 상기 판상형 열전도성 금속 배열은 구형과 달리, 두께에 대한 평균 너비의 비가 큰 것을 특징으로 하는바, 상기 판상형 열전도성 금속 배열은 성형 및 열처리를 통해 대부분 핵연료의 열 전도가 주로 이루어지는 수평 방향으로 연속적인 열전도성 금속 배열을 형성시킬 수 있으므로, 적은 함량으로도 열전도도 향상 효과가 우수한 이점을 가진다.
상기 매트릭스의 총 중량에 대하여, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 함량은 1 중량% 내지 5 중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 알루미늄 화합물로 인해, 열처리 과정에서 동력을 제공하여 그 배열 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기를 크게 성장시킬 수 있고, 성형 및 열처리를 통해 대부분 핵연료의 열 전도가 주로 이루어지는 수평 방향으로 연속적인 열전도성 금속 배열을 형성시킬 수 있으므로, 적은 함량으로도 열전도도 향상 효과가 극대화시킬 수 있는 이점을 가진다.
또한, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열에 있어서, 상기 판상형 열전도성 금속의 총 중량에 대하여, 상기 알루미늄 화합물의 함량은 0.05 중량% 내지 0.5 중량%일 수 있다. 이때, 상기 알루미늄 화합물의 함량이 너무 낮은 경우에는 열처리 과정에서 그 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기 성장 저해를 상쇄하지 못하는 문제점이 있고, 상기 알루미늄 화합물의 함량이 너무 높은 경우에도 역시 열처리 과정에서 그 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기 성장을 방해하는 문제점이 있다.
구체적으로, 상기 판상형 열전도성 금속은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh) 및 지르코늄(Zr)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 이를 기반으로 하는 합금을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 금속 염, (Al(NO3)3) 및 (AlCl3), 알루미늄 수산화물(Al(OH)3)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 알루미늄 산화물(Al2O3)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 두께에 대한 평균 너비 비는 10 내지 300인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 두께에 대한 평균 너비 비가 10 미만인 경우, 구형과 유사한 형태가 되어, 성형 및 열처리를 통하더라도 수평 방향으로 연속적인 열전도성 금속 배열을 형성시키지 못하는 문제점이 있고, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 두께에 대한 평균 너비 비가 300을 초과하는 경우, 두께에 대한 평균 너비 비의 증가에 대한 열전도도 증대효과가 미미할 뿐만 아니라, 산화물 핵연료 매트릭스에 소결 공정 중 크랙(crack)을 발생시키게 되는 문제점을 가진다.
보다 구체적으로, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 평균 너비는 1 ㎛ 내지 900 ㎛이고, 두께는 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛일 수 있다. 특히, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 평균 너비는 5 ㎛ 내지 900 ㎛이고, 두께는 0.1 ㎛ 내지 2 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 평균 너비 또는 두께가 너무 작은 경우, 성형 및 열처리를 통하더라도 수평 방향으로 연속적인 열전도성 금속 배열을 형성시키지 못하는 문제점이 있고, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열의 평균 너비 또는 두께가 너무 큰 경우, 산화물 핵연료 매트릭스에 소결 공정 중 크랙(crack)을 발생시키게 되는 문제점을 가진다.
또한, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열 평면의 평균 종횡비는 1 내지 5인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열 평면의 평균 종횡비가 5 이상인 경우 상대적으로 침상형(needle) 또는 스트립(strip)에 가까운 모양이 되어 핵연료 소결체의 열전도도 개선 효과가 떨어진다.
상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 매트릭스 내 수평 방향으로 배향성을 가지도록 분산될 수 있는데, 이로써, 상기 핵연료 소결체 내 수평 방향으로 전달되는 열의 효율적인 통로 역할을 할 수 있다.
본 명세서 내 "수평 방향"이라 함은 핵연료 소결체에 있어서, 중심에서 반경 방향을 의미하는 것으로, 핵연료의 열 전도가 주로 이루어지는 방향을 말한다. 또한, 본 명세서 내 "배향성(orientation)"이라 함은 특정 방향으로 우선적으로 치우져 있는 분포를 의미한다.
한편, 본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체는 (a) 판상형 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물을 코팅시킨 판상형 코팅 열전도성 금속 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 판상형 코팅 열전도성 금속 분말과 산화물 핵연료 분말을 혼합한 후, 성형 및 열처리하는 단계를 포함하여 제조될 수 있는데, 각 단계에 대해서는 후술하기로 한다.
본 발명은 (a) 판상형 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물을 코팅시킨 판상형 코팅 열전도성 금속 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 판상형 코팅 열전도성 금속 분말과 산화물 핵연료 분말을 혼합한 후, 성형 및 열처리하는 단계를 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법을 제공한다.
먼저, 본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법은 판상형 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물을 코팅시킨 판상형 코팅 열전도성 금속 분말을 제조하는 단계[(a) 단계]를 포함한다.
구체적으로, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말의 제조는 판상형 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물을 코팅시킨 것으로, 당업계에 알려진 공지의 물리적 또는 화학적 코팅 방법을 채용할 수 있다.
일 구현예에 따르면, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말의 제조는 구형 열전도성 금속 분말 및 알루미늄 화합물을 혼합한 후 제조될 수 있으며, 이때 밀링 공정을 이용할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말의 제조는 구형 열전도성 금속 분말을 밀링 공정을 수행하여 판상형 열전도성 금속 분말을 제조한 후, 알루미늄이 용해된 염과 접촉시키는 공정을 수행하여 알루미늄을 코팅할 수 있다. 이때 상기 알루미늄이 용해된 염은 본 발명의 열전도성 금속 분말을 제조하는 목적의 부합하는 통상적인 알루미늄이 용해된 염일 수 있다. 또한 위 순서를 바꾸어 먼저 구형 열전도도 금속 분말에 알루미늄 화합물을 코팅한 후, 밀링 공정을 통해 판상형 열전도성 금속 분말을 제조할 수 있다
상기 구형 열전도성 금속 분말의 평균 입자 크기는 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 상기 구형 열전도성 금속 분말은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh) 및 지르코늄(Zr)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 이를 기반으로 하는 합금을 포함할 수도 있다.
상기 알루미늄 화합물은 밀링 공정에서 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 코팅되고, 열처리 과정에서 동력을 제공하여 그 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기를 크게 성장시키는 역할을 한다. 상기 알루미늄 화합물의 평균 입자 크기 역시 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 금속 염, (Al(NO3)3) 및 (AlCl3), 알루미늄 수산화물(Al(OH)3)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 알루미늄 산화물(Al2O3)인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 구형 열전도성 금속 분말 및 알루미늄 화합물의 중량비는 99.95:0.05 내지 99.5:0.5일 수 있다. 이때, 상기 알루미늄 화합물의 함량이 너무 낮은 경우에는 열처리 과정에서 그 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기 성장 저해를 상쇄하지 못하는 문제점이 있고, 상기 알루미늄 화합물의 함량이 너무 높은 경우에도 역시 열처리 과정에서 그 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기 성장을 방해하는 문제점이 있다.
또한, 상기 밀링 공정은 어트리션 밀(attrition mill), 볼 밀(ball mill), 플랜타리 밀(planetary mill) 등 당업계에 알려진 공지의 밀링 공정을 채용할 수 있다. 이러한 밀링 공정을 통해, 입자간 접촉 및 전단력(shear force)을 발생시켜, 상대적으로 무른 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물을 효과적으로 접착 및 코팅시킬 수 있다.
이로써, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말은 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열에서 언급한 바와 마찬가지로, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말의 두께에 대한 평균 너비 비는 10 내지 300일 수 있고, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말의 평균 너비는 1 ㎛ 내지 900 ㎛이고, 두께는 0.1 ㎛ 내지 3 ㎛일 수 있으며, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말 평면의 평균 종횡비는 1 내지 5일 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법은 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말과 산화물 핵연료 분말을 혼합한 후, 성형 및 열처리하는 단계[(b) 단계]를 포함한다.
구체적으로, 상기 산화물 핵연료 분말(powder)은 산화물 핵연료 전구체로부터 형성된 것으로, 후술하는 과립화 공정을 수행하기 전의 상태를 의미하며 구분되는 개념이다. 구체적으로, 상기 산화물 핵연료 분말의 평균 입자 크기는 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인 것을 의미한다. UO2 분말의 경우, 이의 전구체에 해당하는 UF6로부터 건식(DC) 및 습식(ADU, AUC) 공정 등 통상적인 제조 공정을 통해 형성된 것이지만, 이에 한정되지 않는다.
상기 산화물 핵연료 분말의 평균 입자 크기는 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 산화물 핵연료 분말의 평균 입자 크기는 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말의 평균 너비 또는 두께(특히, 너비)에 비해, 작거나 같은 것이 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말의 수평 배열 측면에서 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
구체적으로, 상기 산화물 핵연료 분말은 우라늄 산화물(UO2), 플루토늄 산화물(PuO2) 및 토륨 산화물(ThO2)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있고, 우라늄 산화물(UO2)을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말 및 산화물 핵연료 분말의 중량비는 1:99 내지 5:95 일 수 있다. 이때, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 분말은 알루미늄 화합물로 인해, 열처리 과정에서 동력을 제공하여 그 배열 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기를 크게 성장시킬 수 있고, 성형 및 열처리를 통해 대부분 핵연료의 열 전도가 주로 이루어지는 수평 방향으로 연속적인 열전도성 금속 배열을 형성시킬 수 있으므로, 적은 함량으로도 열전도도 향상 효과가 극대화시킬 수 있는 이점을 가진다.
또한, 상기 성형은 상기 판상형 열전도성 금속 분말이 수평 방향으로 배향성을 가지도록 수행될 수 있고, 일축 가압을 통해 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 상기 성형은 100 MPa 내지 500 MPa의 압력 하에 1 시간 내지 20 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 열처리는 핵연료 소결체의 제조를 위한 것으로, 1300℃내지 1800℃의 온도에서 1 시간 내지 20 시간 동안 수행될 수 있다.
그밖에, 본 발명은 상기 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 및 상기 핵연료 소결체 복수개가 내부에 장입된 핵연료 피복관을 포함하는 핵연료를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 (a) 판상형 열전도성 금속 분말 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물을 코팅시킨 판상형 코팅 열전도성 금속 분말을 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 판상형 코팅 열전도성 금속 분말과 산화물 핵연료 분말을 혼합한 후, 성형 및 열처리하는 단계를 포함하는 핵연료 소결체의 열전도도를 향상시키는 방법을 제공할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화물 핵연료 매트릭스 내 분산된 판상형 코팅 열전도성 금속 배열을 포함하는 핵연료 소결체에 있어서, 상기 판상형 코팅 열전도성 금속 배열은 상기 판상형 열전도성 금속 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 코팅된 것을 특징으로 하는바, 상기 알루미늄 화합물로 인해, 열처리 과정에서 그 배열 주변부에 산화물 핵연료 결정립 크기를 크게 성장시킬 수 있고, 이에 따라 전체적인 산화물 핵연료 결정립 크기의 평균 및 분포 역시 개선시킬 수 있다. 따라서, 이종 물질의 첨가를 최소화하면서도, 산화물 핵연료 중심온도를 감소시켜 열전도도 향상 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명에 따른 핵연료 소결체는 기존 상용 핵연료 제조 시설에 적용이 용이하면서도, 정상 운전, 과도 및 사고 조건 상태에서 핵연료 안전성 및 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
먼저, 평균입자크기가 약 45 ㎛인 구형 Mo 분말 및 평균입자크기가 약 0.1 ㎛인 Al2O3 분말을 99.85:0.15 중량비로 혼합한 후, Planetary mill을 이용한 밀링 공정을 수행하여 Al2O3 코팅 판상형 Mo 분말을 제조하였다. 이때, 제조된 Al2O3 코팅 판상형 Mo 분말의 평균 너비는 약 70 ㎛이고, 두께는 약 1 ㎛이며, 종횡비는 약 70 이었다.
또한, 산화물 핵연료 분말로서, 평균입자크기가 약 3 ㎛인 UO2 분말을 준비하였다.
이후, 판상형 Al2O3 코팅 Mo 분말과 UO2 분말을 97.2:2.8 중량비로 혼합한 다음, 제조된 혼합물에서 Al2O3 코팅 판상형 Mo 분말이 수평 방향으로 배향성을 가지도록 약 400 MPa의 압력 하에 일축 가압성형한 후, 약간의 산소 분압(2% CO2 등가)을 가진 수소 환원 분위기 하에서 약 1700℃의 온도에서 약 4 시간 동안 열처리하여 핵연료 소결체(약 97% TD)를 최종 제조하였다.
도 1(a)는 실시예 1에 따른 핵연료 소결체의 제조에 사용되는, 구형 Mo 분말, 판상형 Al2O3 코팅 Mo 분말 및 UO2 분말을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과, 최종 제조된 핵연료 소결체의 미세구조를 보여주는 광학현미경 사진이며, 도 2는 금속입자 주변부와 전체에 대한 결정립의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 1(a) 및 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 따른 핵연료 소결체는 UO2 매트릭스 내 수평으로 분산 배열된 Al2O3 코팅 판상형 Mo 금속 입자들을 포함하는데, UO2 매트릭스와 금속 입자간 계면 건전성이 우수하며, 그 금속 입자 주변부의 UO2 결정립 크기가 후술하는 비교예 1 및 비교예 2에 비해 평균 4~5배로 크게 상승한 것으로 확인된다. 따라서, 전체적인 UO2 결정립 크기의 평균 및 분포 역시 개선시킬 수 있어, 핵연료 안전성 및 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
실시예 2
먼저, 평균입자크기가 약 45 ㎛인 구형 Mo 분말에 Planetary mill을 이용한 밀링 공정을 수행하여 판상형 Mo 분말을 제조하였다. 제조된 판상형 Mo 분말의 평균 너비는 약 70 ㎛이고, 두께는 약 1 ㎛이며, 종횡비는 약 70 이었다. 이를 통해 만들어진 판상형 Mo분말을 1mol/L 질산 알루미늄(Al(NO3)3-9H2O)이 용해된 증류수 20ml에 담그고 건조 처리를 통해 금속입자 표면에 질산 알루미늄 석출을 통한 코팅을 수행하였다. 용해된 질산 알루미늄의 양은 금속 분말 대비 (98:2) 중량비로 실시하였다.
이와 같이 제조된 알루미늄 금속염 코팅 판상형 Mo 금속 입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 핵연료 소결체(97 % TD)를 제조하였다.
도 1(b)는 실시예 2에 따른 핵연료 소결체의 제조에 사용되는, 구형 Mo 분말, 질산 알루미늄 코팅 판상형 Mo 분말 및 UO2 분말을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과, 최종 제조된 핵연료 소결체의 미세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 2는 금속입자 주변부와 전체에 대한 결정립의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 1(b) 및 도 2에 나타난 바와 같이, 실시예 2에 따른 핵연료 소결체 또한 계면 건전성이 우수하고 주변부 UO2 결정립 크기가 상승하는 효과를 보인 것으로 확인하였다.
비교예 1
평균입자크기가 약 0.1 ㎛인 Al2O3 분말의 사용을 생략한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 핵연료 소결체(97 % TD)를 제조하였다.
도 1(c)는 비교예 1에 따른 핵연료 소결체의 제조에 사용되는, 구형 Mo 분말, 판상형 Mo 분말 및 UO2 분말을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과, 최종 제조된 핵연료 소결체의 미세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 2는 금속입자 주변부와 전체에 대한 결정립의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 1(c) 및 도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 1에 따른 핵연료 소결체는 UO2 매트릭스 내 분산된 판상형 Mo 배열을 포함하는데, 그 배열 주변부에 UO2 결정립 성장이 저하된 것으로 확인된다. 따라서, 핵연료 안전성 및 성능 향상에 한계가 있다.
비교예 2
평균입자크기가 약 45 ㎛인 구형 Mo 분말 및 평균입자크기가 약 0.1 ㎛인 Al2O3 분말을 99:1 중량비로 혼합한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 핵연료 소결체를 제조하였다.
도 1(d)는 비교예 1에 따른 핵연료 소결체의 제조에 사용되는, 구형 Mo 분말, 판상형 Mo 분말 및 UO2 분말을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진과, 최종 제조된 핵연료 소결체의 미세구조를 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 2는 금속입자 주변부와 전체에 대한 결정립의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 1(d) 및 도 2에 나타난 바와 같이, 비교예 2에 따른 핵연료 소결체는 UO2 매트릭스 내 분산된 판상형 Mo 배열을 포함하는데, 실시예 1 및 2에 비해 알루미늄 화합물이 양이 과량 첨가되어 UO2 결정립 크기 향상 효과가 저하된 것으로 판단된다. 따라서, UO2의 결정립 크기 향상에 있어서는 알루미늄 화합물의 첨가가 효과를 보임을 알 수 있으며, 첨가량이 적정한 범위에 있어야 함을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
삭제

Claims (10)

  1. 산화물 핵연료 매트릭스; 및
    상기 매트릭스 내 분산된 열전도성 판상형 금속 배열을 포함하고,
    상기 열전도성 판상형 금속 배열은 표면의 전부 또는 일부에 알루미늄 화합물이 0.05 중량% 내지 0.5 중량%로 코팅된 열전도성 판상형 금속 분말이 상기 산화물 핵연료 매트릭스 내 수평 방향으로 배열된 것을 특징으로 하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스의 총 중량에 대하여, 상기 열전도성 판상형 금속 배열의 함량은 1 중량% 내지 5 중량%인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전도성 판상형 금속 배열에 있어서, 상기 열전도성 판상형 금속은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh) 및 지르코늄(Zr)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하고, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 금속 염, (Al(NO3)3) 및 (AlCl3), 알루미늄 수산화물(Al(OH)3)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전도성 판상형 금속 배열의 두께에 대한 평균 너비의 비는 10 내지 300 인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 화합물은 평균 입자 크기가 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체.
  8. (a) 표면의 전부 또는 일부에 0.05 중량% 내지 0.5 중량%로 알루미늄 화합물을 코팅시킨 열전도성 판상형 금속 분말을 제조하는 단계; 및
    (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 열전도성 판상형 금속 분말과 산화물 핵연료 분말을 혼합한 후, 성형 및 열처리하여 알루미늄 화합물이 0.05 중량% 내지 0.5 중량%로 코팅된 열전도성 판상형 금속 분말이 상기 산화물 핵연료 매트릭스 내 수평 방향으로 배열되도록 하는 단계를 포함하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서 열전도성 판상형 금속 분말은,
    구형 열전도성 금속 분말 및 알루미늄 화합물을 혼합한 후 밀링 공정을 통해 제조하는 방법; 또는 구형 열전도성 금속 분말을 밀링 공정 수행 후 알루미늄 화합물과 접촉시켜 제조하는 방법; 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 제조된 열전도성 판상형 금속 분말인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구형 열전도성 금속 분말 및 알루미늄 화합물의 중량비는 99.95:0.05 내지 99.5:0.5인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체의 제조방법.

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