KR20010071578A - 핵 연료 펠렛 - Google Patents

Abstract

산화 우라늄 연료 펠렛(10)은 내부 영역(14) 및 내부 영역 근처의 외부 영역(12)로 구성되며, 상기 외부 영역의 적어도 일부의 산화 우라늄은 내부 영역과 비교하여 니오비아가 풍부하다. 실질적으로 니오비아 첨가에 의해 촉진된 외부 영역의 큰 입도는 작은 입도 재료보다 더 큰 크리프율을 갖고, 그것에 의해 응력(펠렛 클래딩 상호작용)이 감소하며, 니오비아의 첨가는 나중에 입자 구조 내에서 가스 확산 속도를 증가시켜 핵분열 생성가스 잔류를 감소시킬 수 있으므로, 내부 영역의 큰 입도는 니오비아 첨가 이외의 방법으로 바람직하게 생성되었다. 펠렛 제조 방법을 기재하였다.

Description

핵 연료 펠렛{NUCLEAR FUEL PELLET}

더 높은 연료연소를 제공하기 위해 더 높은 효율을 갖는 산화우라늄을 사용하는 경향이 증가하고 있다. 이런 경향의 결과 주어진 연료핀이 원자로에서 체류하는 시간이 증가한다. 그러므로, 보전성에 대한 더 큰 신뢰도를 갖는 연료핀을 생성하는 것이 필요하다.

산화우라늄 분말을 압착시킨 다음, 시간, 온도 및 기압이 조절된 조건하에서 소결시킨 연료 펠렛이 잘 알려져 있다. 이와 같은 연료 펠렛은 통상 일반적으로 직원주이며 이와 같은 펠렛 여러개가 지르코늄 합금, 예를 들면 Zircaloy(상표명)으로 제조된 금속 튜브에 축정렬되어 채워진다. 튜브들은 보통 "클래딩(cladding)"으로 불리며 채워진 튜브는 "연료핀" 으로 불린다. 여러 연료핀들은 함께, 종종 평행하게 정렬된 방사상 배열로 그룹을 이뤄 핵연료봉 또는 핵연료집합체를 형성한다.

사용시, 핵연료봉이 원자로에 장착되고 분말을 생성할 때, 두가지 독특한 현상이 발생된다: "펠렛 클래딩 상호작용(PIC)"; 및, 이상적으로는 펠렛 산화물 구조 내에 잔류되고 클래딩 튜브로 방출되지 않아야 하는 핵분열 생성 가스의 발생, 즉 "핵분열 생성가스 잔류(FGR)". 두가지 모두 아래에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

원자로의 운전 중, 고온이 발생되어 산화 연료 펠렛을 팽창시키고 펠렛의 외표면이 클래딩의 내표면과 접촉하게 되어 기계응력이 생성(PCI:producing mechanical stress)된다. 기계응력은 핵반응 동안 핵분열 생성물인 요드의 생성에 의해 더 악화된다. 기계응력과, 클래딩 재료 입자경계를 공격하는 응력부식제로서 작용하는 요드의 결합은 극단적인 경우 클래딩을 파열시킬 수 있다. 일반적으로, 작은 입도는 표면에 응력 완화 효과를 주기 위해 산화물 펠렛의 크리프를 촉진하는데 유리하다.

핵반응 동안 일어나는 두번째 효과는 상기의 요드를 포함하여 많은 다양한 핵분열 생성가스 생성물이 발생되는 것이다. 핵분열 생성가스 생성물은 입자 경계로 확산하고 그곳에서 핵을 이루는 원자로서 산화물 구조 내에 생성된다. 기포들이 서로 합쳐지고 최종적으로 방출되는, "핵분열 생성가스 방출"로 알려진 기포들이 생성된다. 핵분열 생성가스가 방출되는 것은 바람직하지 않으며 핵분열 생성가스의 잔류(FGR)를 촉진시키기 위해 연료 펠렛은 일반적으로 큰 입도를 갖도록 생성된다. 큰 입도는 핵분열 생성가스 원자들이 핵을 이룰 수 있는 입자 경계에 닿기 전에 구조물을 통해 더 확산되어야 한다는 사실 때문에 생성가스의 잔류를 촉진시킨다.

크리프를 효과적으로 활용하고 PCI를 감소시키기 위해 작은 입도로 응력 완화를 촉진하는 요건과 FGR을 최대화하기 위한 큰 입도는 서로 대립된다.

유럽특허출원 제82305260.0호(EP 0076680)에는 큰 입도를 생성하기 위해, 니오브를 포함한 원소로 이루어진 군에서 선택된 하나와 함께 전구체로서 이산화 우라늄 또는 2우라늄산 암모늄을 도핑시키는 것이 기재되어 있다. 유사하게, 일본특허출원 제04070594호는 Nb(Ⅳ)산화물과 함께 산화 우라늄을 도핑시키는 것이 기재되어 있으며, 일본특허출원 제 03102292호에는 분자간 화합물 또는 산화 니오브를 포함할 수 있는 산화물과 함께 산화우라늄을 도핑하는 것이 기재되어 있다.

영국특허출원 제 8517110(GB2177249)호에는 필수적으로 단일 결정으로 이루어진 시드물질을 사용하여 입도가 큰 재료를 생성하는 것이 기재되어 있으나, 니오비아 도핑은 언급되어 있지 않다. 영국특허출원 제 23791/78(GB1600169)호에는 핵 연료 펠렛을 금속성 니오브를 포함하는 군으로부터 선택되는 게터물질로 코팅하는 것이 기재되어 있으나, 펠렛재료 자체의 도핑은 제안되지 않는다.

두개의 독특한 영역을 갖는 연료 펠렛을 생성하는 것이 제안되어져 왔다: PIC를 최소화 하기 위한 작은 입도를 갖는 외부 환형 영역; 및, FGR을 최대화하기 위한 큰 입도를 갖는 내부 코어 영역. 이와 같은 구조는 89JP-311936; 87JP-262652; 및 83SU-600645에 기재되어 있다. 펠렛은 일반적으로 외부 환형 성분 및 분리된 내부 코어 성분을 압착하고, 두 성분을 함께 피팅한 다음 소결하여 제조한다. 압착조건은 소결동안 외부 환형이 코어 위로 수축되고 두 성분의 확산접합이 생기도록 조절된다.

GB-B-2020641호에는 산화우라늄 연료 펠렛의 혼입물로서 5산화니오브(여기서는 "니오비아"로 칭함)를 사용하는 것이 기재되어 있다. 니오비아의 효과는 소결 동안 확산속도를 증가시켜 펠렛 중에 큰 입도의 생성을 촉진시킨다고 알려져 있다. 또한, 니오비아에 의한 확산 속도의 증가는 실질적으로 입자 내에 핵분열 생성가스 생성물의 확산 속도에는 영향을 미치지 않는다고 알려져 있다. 그러므로, 핵분열생성가스 생성물의 확산 속도의 증가에 외관상 역효과를 나타내지 않으면서 큰 입도를 얻을 수 있을 것이다. 그러나, 본 발명자들은 니오비아의 존재가 핵분열 생성가스의 확산 속도에 불리하게 영향을 미친다는 것을 발견하였다.

본 발명은 원자로용 연료 펠렛의 제조에 관한 것이다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 연료 펠렛의 개략적인 표현의 축단면도 및 횡단면도이다.

도 3은 통합 다이어셉블리에서 본 발명에 따른 연료 펠렛을 제조하기 위한 압착경로의 개략도이다.

본 발명의 목적은 PCI를 최소화하기 위해 연료펠렛 표면에서 향상된 크리프 응력 완화 특성 및 그 코어에서 향상된 FGR을 갖는, 기능적으로 개량된 산화우라늄 연료 펠렛을 제공하는 것이다.

본 발명은 내부 영역 및 그 내부 영역 둘레의 외부 영역으로 이루어진 산화 우라늄 연료 펠렛을 제공하며, 여기서 적어도 상기 외부 영역 일부의 산화 우라늄은 내부 영역과 비교하여 니오비아가 풍부하다. 본 발명의 다른 특성 및 이점은 이하의 설명 및 첨부된 청구범위에서 개략적으로 설명된다.

본 명세서에서는 "니오비아"라는 용어가 사용된다. 보통, 첨가물은 5산화 니오브의 형태로 만들어지지만, 소결 등과 같은 공정 동안, 그 조성은 환원대기 또는 교대의 산화/환원 대기의 영향에 의해 변하기 때문에, 생성된 또는 원자로 내에서 사용 중인 최종물질 중의 "니오비아"는 5산화 니오브가 아닐 것이다. 그러므로, 본 명세서에서 사용되는 "니오비아"라는 용어는 사용되거나 또는 형성되는 니오브 및 니오브 산화물의 모든 형태를 포함한다.

본 발명자들은 선행기술의 내용과 반대로, 니오비아의 첨가로 인해 촉진된 확산 속도의 증가로 인해 큰 입도를 갖는 산화 우라늄 연료물질이 작은 입도를 갖는 물질보다 큰 크리프률을 갖고, 그러므로 PIC를 감소시킨다는 것을 발견하였다.

또한, 본 발명자들은 펠렛의 코어 영역에서는 큰 입도가 그 자체로서 동일재료의 작은 입도와 비교하여 FGR에 유리하지만, 니오비아 첨가물의 도핑이 구조 내의 핵분열 생성가스의 확산 속도를 증가시킬 수 있으므로, 니오비아 첨가물의 도핑 이외의 다른 방법으로 큰 입도를 생성시키는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 구조내에 큰 입도를 얻을 수 있는 방법 중 하나는 분말의 중요한 크기를 형성하는 UO₂결정의 응집과 구별하기 위해 원하는 크기 범위의 이산화우라늄(UO₂)결정 입자로 압착에 사용되는 분말을 시딩하는 것이다. 본 발명자들은 소결된 펠렛의 평균입도가 약 10 ~ 15 ㎛이면 FGR에 대하여 허용할 수 있는 실행을 생성하지만, 평균입도가 약 25 ㎛보다 크면 FGR에 대하여 강화된 실행을 생성한다는 것을 발견하였다.

표면 영역중의 니오비아의 함량은 약 0.1 ~ 0.5 중량%의 범위이며 0.3 중량%의 함량이 바람직하다.

선행기술을 참조한 상기의 독특한 환형 및 코어 영역을 갖는 소위 "이중" 펠렛의 평균입도는 전형적으로 0.25 ~ 2.5 ㎛의 범위이다. 본 발명의 펠렛에서, 표면 영역의 평균입도는 약 25 ㎛보다 더 크며, 전형적으로 약 35 ~ 50 ㎛의 범위이다. 본 명세서에서 평균입도는 선형 절편법에 의해 측정되었다.

본 발명의 펠렛은 상기와 같이 독특한 외부 환형 및 독특한 코어를 갖는 이중 구조를 갖도록 만들어진다. 펠렛은 상기와 같이 2 단계 압착 및 조립에 의해 제조되거나 또는 예를 들면, 국제특허출원번호 제WO93/18878호에 기재된 형태의 프레스 위에서 통합 다이 어셈블리 중의 다중 압착 단계로 이루어지는 단일 구조법으로생성될 수 있다.

비록 펠렛이 압착 작용에 의해 생성된 외부 및 내부 영역을 구성하는 두개의 분말 조성을 갖는 두개의 독특한 영역을 갖지만, 니오비아 함량이 강화된 표면 영역을 갖는 동질의 펠렛은 본 발명의 발명성 개념 내에 포함된다.

이중 형태 구조에서, 환형 및 코어 영역은 각각, 예를 들면 총 펠렛 부피의 약 50 부피%로 이루어질 수 있다.

본 발명을 더욱 완전히 이해하기 위해, 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하는 방법으로 기재할 것이다.

도 1 및 도 2는 일반적으로 10에 펠렛을 나타낸다. 펠렛은 니오비아 첨가를 포함하는 조성을 갖는 외부 영역(12) 및 실질적으로 니오비아가 없는 코어(14)영역으로 이루어진다. 펠렛의 축단면은 사용 중 축방향으로의 팽창에 적응하기 위해 및 또한 고온에서 응력하의 크리프 완화를 위한 공간을 제공하기 위해 종종 약간 오목한 형태로 제공되지만 명백히 하기 위해 여기에 나타내지 않았다.

환형 영역(12)과 코어 영역(14)를 제조하는 하나의 방법은 공지 기술에 의해구별하여 압착하는 것이다. 두 성분들은 함께 조합되며 수소 및 수분 함유 대기 조건에서 약 4 ~ 5 시간동안 약 1700/1750 ℃의 공지의 조건에서 소결된다. 압착된 환형의 미가공 특성은 환형을 코어보다 더 수축하게 하여 소결조건 하에서 환형이 코어를 붙잡고 두개가 함께 접합되어 확산된다.

다른 제조방법은 통합 다이 어셈블리 위에서 이중 펠렛을 압착하는 9 단계를 나타내는 도 3을 참조로 설명된다. 다이 어셈블리는 다중 내부 펀치 어셈블리를 갖는 단일 외부 다이(20)로 구성되며, 그 성분들은 예를 들면 기계프레스에서 유압식으로 조절되는 매트릭스에 의해 독립적으로 이동할 수 있다. 단계 1에서, 다이(20)는 외부 펀치(22) 및, 스텝 2에 나타나듯이 분말(28)을 채우기 위한 구멍(26)을 만드는 계단식 내부 펀치(24)를 갖는다. 세번째 펀치 부재(30)는 단계 3에 나타나듯이 분말(28)을 압축하여 자립 압분체(32)를 형성한다. 펀치 부재(30)는 끌어당겨지고 계단식 내부 펀치 부재(24)는 단계 4에 나타나듯이 압분체(32)의 최저부분(34) 보다 낮은 위치까지 내려진다. 분말(36)은 단계 5에 나타나듯이, 단계 4에서 형성된 코어 공극에 채워진다. 외부 펀치(30)는 동축 최상부 펀치(38)와 원위치되고, 펀치들(38 및 24)은 서로를 향해 전진하여, 단계 6 및 7에서 나타나듯이 코어 분말 충전재(36)를 압축하여, 단계 8에 나타나듯이 외부 압축 환형(32) 및 내부 압착 코어(42)로 이루어지는 일체된 압분체(40)를 생성한다. 상부 펀치들(30 및 38)은 끌어당겨지고 펀치들(20 및 24)은 동시에 전진하여 다이로부터 압분체를 배출시킨다. 그 다음 압분체를 소결시킨다.

본 발명에 따라 소결된 연료 펠렛의 첫번째 실시예에서, 코어 영역(14)은 12~ 15㎛ 의 평균입도를 갖고 실질적으로 니오비아가 없는 반면, 환형영역(12)은 입도가 25 ㎛를 초과하며 니오비아 0.3 중량%의 첨가물을 갖는다.

본 발명에 따라 소결된 연료 펠렛의 두번째 실시예에서, 코어 영역(14)은 UO₂결정으로 시딩되어 제조된 25 ㎛ 를 초과하는 평균입도를 가지며, 환형영역(12)은 입도가 25 ㎛를 초과하며 노비아 0.3 중량%가 첨가되었다.

Claims (14)

1. 내부 영역 및 내부 영역 근처의 외부 영역으로 구성된 산화 우라늄 연료 펠렛에 있어서, 상기 외부 영역의 적어도 일부분의 산화 우라늄은 내부 영역과 비교하여 니오비아가 풍부한 연료 펠렛.
2. 제 1항에 있어서, 상기 부분의 니오비아 함량이 0.1 내지 0.5 중량%인 연료 펠렛.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 부분의 니오비아 함량이 0.3 중량%인 연료 펠렛.
4. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 펠렛의 내부 영역은 실질적으로 니오비아가 없는 연료 펠렛.
5. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 부분이, 이전에 정의된 바와 같이, 25 ㎛ 초과의 평균입도를 갖는 연료 펠렛.
6. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 내부 영역이 상기 부분의 입도보다 더 작은 입도를 갖는 연료 펠렛.
7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 내부 영역의 입도가 25 ㎛ 보다 큰 연료 펠렛.
8. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 내부 영역 중의 산화 우라늄이 큰 입도를 생성하기 위해 시딩되는 연료 펠렛.
9. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 부분이 실질적으로 전체 외부 영역인 연료 펠렛.
10. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 펠렛이 원주형이며 내부 및 외부 영역은 동축 원주 영역인 연료 펠렛.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 상기 외부 영역이 독특한 환형을 이루는 연료 펠렛.
12. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 내부 및 외부 영역이 개별적으로 생성되고 함께 소결되는 연료 펠렛.
13. 상기 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 외부 및 내부 영역이 각각 펠렛 부피의 50 부피%를 이루는 연료 펠렛.
14. 실시예에서 설명되고 도면을 참조해서 기재된 산화 우라늄 연료 펠렛.