KR20040085554A - 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연구로용 핵연료봉의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 봉형의 연구로용 핵연료봉의 제조공정을 간소화하면서 동시에 봉단용접공정을 제거하여 핵연료봉의 불량률이 극소화되도록 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법에 관한 것이다.

이와 같은 방법은 압분심재가 수용되도록 알루미늄 봉재를 가공하여 캔을 제조하고, 이 캔에 압분심재를 삽입한 다음 양단에 동일한 알루미늄 재질의 플러그를 용접하여 빌렛을 형성하는 빌렛형성단계와; 상기 빌렛형성단계에 의해 형성된 빌렛을 압출기에 장입한 후에 간접압출을 하여 핵연료 심재와 8개의 핀을 갖는 피복재를 동시에 형성하는 빌렛압출단계와; 상기 빌렛압출단계에 의해 형성된 핵연료봉의 양단을 단차지게 기계로 가공하는 양단가공단계로 구성되는 것이다.

상기와 같은 연구로용 핵연료봉의 제조방법을 제공함으로써, 핵연료봉의 봉단부의 간극 발생이 방지되고 용접에 의한 결함이 미연에 방지되며 그에 따라 핵연료봉의 연소 중에 피복재의 손상으로 인한 누출사고가 미연에 방지되고 핵연료봉의 제조에 있어 불량률이 현저히 감소하는 효과를 갖는다.

Description

간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법{Method of manufacturing a research reactor fuel rod using indirect extrusion}

본 발명은 연구로용 핵연료봉의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 봉형의 연구로용 핵연료봉의 제조공정을 간소화하면서 동시에 봉단용접공정을 제거하여 핵연료봉의 불량률이 극소화되도록 하는 연구로용 핵연료봉의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 연구로는 원자로에서 발생하는 중성자선(中性子線)을 이용해서 물체 ·생물체에 대한 방사선의 조사(照射)효과를 조사하거나 동위원소를 생산하는 실험용 원자로를 말하는 것으로, 넓은 뜻으로는 동력용 원자로 이외의 것, 예를 들면 동력로를 위한 시험용 원자로 ·재료시험용 원자로 등을 말하는 것이다.

상기와 같은 연구로에 사용되는 핵연료봉은 외부 둘레로 8개의 핀을 갖는 피복재가 구비되고, 이 피복재의 내부로 핵연료 심재가 구비되어 구성되는 것이다.

도 7에 도시한 블록도로, 연구로용 핵연료봉을 제조하기 위한 종래의 방법을 설명하면 다음과 같다.

핵연료봉의 제조방법은 우라늄합금 분말과 기지물질인 알루미늄 분말을 일정한 비율로 혼합하는 혼합단계(S10)와, 상기 혼합단계(S10)에 의해 혼합된 분말을 압분하는 심재압분단계(S20)와, 상기 심재압분단계(S20)에 의해 형성된 압분체를직접압출하여 일정한 직경의 심재를 제조하는 심재압출단계(S30)와, 상기 심재압출단계(S30)에 의해 형성된 심재를 다시 인발가공하는 심재인발단계(S40)와, 인발가공된 심재의 양단에 플러그를 삽입하는 플러그삽입단계(S50)와, 플러그가 삽입된 심재의 외부로 피복재가 둘러싸면서 8개의 핀이 형성되도록 동심압출을 하는 피복재압출단계(S60)와, 심재를 둘러싼 피복재의 양단을 가공하는 기계가공단계(S70)와, 상기 기계가공단계(S70)의 다음으로 피복재의 양단과 플러그의 외부면 사이를 용접하는 봉단용접단계(S80)로 이루어지는 것이다.

그리고, 도 8에 도시한 것처럼 상기 도 7의 제조방법에 의해 제조된 핵연료봉의 측단면도를 설명하면 다음과 같다.

핵연료봉은 심재(100)를 둘러싸도록 피복재(200)가 구비되고, 상기 피복재(200)의 외주로 8개의 핀(201)이 형성되며, 상기 심재(100)의 양단으로 플러그(300)가 삽입되고, 상기 피복재(200)와 플러그(300)의 맞닿는 부위가 용접되어 구성되는 것이다.

그런데, 상기와 같이 2차례에 걸친 압출공정과 얇은 두께의 알루미늄 피복재를 플러그에 용접하는 공정 등 기술적으로 까다로우면서 복잡한 공정으로 이루어진 문제점이 있다.

그리고, 상기와 같이 복잡하고 까다로운 공정은 연구로용 핵연료봉의 제조 및 생산효율을 현저히 떨어뜨리게 하면서 핵연료봉의 결함 발생률을 높이는 요인이다.

아울러, 상기와 같이 핵연료봉의 봉단부를 용접하는 공정이 소요됨으로, 핵연료봉의 용접부위에 표면손상이 발생하고, 그에 따라 결함의 발생률이 증대하여 불량률이 증대되는 문제점이 있다.

그리고, 상기와 같이 다수의 압축과 인발에 의해 플러그와 피복재의 사이에 간극이 발생하게 되고, 이 간극으로 인해 핵연료봉이 연소 중에 부풀어 터지게 되어 누출사고가 발생하게 되는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 안출된 것으로,

그 목적은 봉형의 연구로용 핵연료봉의 제조공정을 간소화하면서 동시에 봉단용접공정을 제거하여 핵연료봉의 불량률이 극소화되도록 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 심재의 압분밀도를 적절히 제한하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 빌렛을 형성하는 캔과 압분심재의 단면비를 제한하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 빌렛이 압출되기 전에 적절한 예열이 이루어지도록 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 빌렛의 압출속도를 제한하여 압출이 보다 적절히 이루어지도록 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 우라늄합금 분말과 기지물질인 알루미늄 분말을 균질 혼합하는 혼합단계와, 상기 혼합단계에 의해 혼합된 핵연료 분말을 일정한 직경의 금형에 핵연료 심재의 무게만큼을 장입한 후 압분하여 압분심재를 형성하는 심재압분단계로 구성되는 연구로용 핵연료봉을 제조하는 방법에 있어서; 상기 심재압분단계에 의해 형성된 압분심재가 수용되도록 알루미늄 봉재를 가공하여 캔을 제조하고, 이 캔에 압분심재를 삽입한 다음 양단에 동일한 알루미늄 재질의 플러그를 용접하여 빌렛을 형성하는 빌렛형성단계와; 상기 빌렛형성단계에 의해 형성된 빌렛을 압출기에 장입한 후에 간접압출을 하여 핵연료 심재와 8개의 핀을 갖는 피복재를 동시에 형성하는 빌렛압출단계와; 상기 빌렛압출단계에 의해 형성된 핵연료봉의 양단을 단차지게 기계로 가공하는 양단가공단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법의 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 빌렛의 분해 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 빌렛의 결합 종단면도,

도 4는 본 발명에 따른 빌렛의 압출상태를 나타내는 개략적인 종단면도,

도 5는 본 발명에 따라 제조된 핵연료봉의 횡단면도,

도 6은 본 발명에 따라 제조된 핵연료봉의 종단면도,

도 7은 종래의 일례를 보인 블록도,

도 8은 도 7의 제조방법에 의해 제조된 핵연료봉의 종단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 빌렛

10 : 압분심재 20 : 캔 30 : 플러그

200 : 압출기

201 : 컨테이너 202 : 다이

100a : 핵연료봉

10a : 심재

20a : 피복재

21a : 핀

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 제조방법의 블록도로 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같다.

연구로용 핵연료봉의 제조방법은 우라늄합금 분말과 기지물질인 알루미늄 분말을 적절히 혼합하는 혼합단계(S1)와, 이 혼합물을 압분하여 압분심재를 형성하는 심재압분단계(S2)와, 이 압분심재를 캔에 넣고 플러그를 끼워 빌렛을 형성하는 빌렛형성단계(S3)와, 이렇게 형성된 빌렛을 간접압출하는 빌렛압출단계(S4)와, 빌렛의 압출로 형성된 핵연료봉의 양단을 가공하는 양단가공단게로 이루어지는 것이다.

여기서, 상기 혼합단계(S1)는 우라늄합금 분말과 기지물질인 알루미늄 분말을 불활성기체 분위기에서 혼합기를 사용하여 60∼100 rpm의 회전속도로 1시간동안 균질 혼합하는 단계를 말하는 것이다.

그리고, 우라늄합금 분말과 알루미늄 분말을 불활성기체 분위기에서 혼합기를 사용하여 60∼100 rpm의 회전속도로 1시간동안 혼합하는 이유는 우라늄의 산화가 방지되면서 고른 혼합이 일어나도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 심재압분단계(S2)는 혼합된 핵연료 분말을 일정한 직경의 금형에 핵연료 심재의 무게만큼을 장입한 후 압분밀도가 이론밀도의 65 ~ 75%가 되도록 압분하여 압분심재를 형성하는 단계를 말하는 것이다.

그런데, 상기와 같이 압분심재의 압분밀도가 이론밀도의 65 ~ 75%가 되도록 하는 이유는 65%보다 낮으면 고형체로써의 기능을 상실하여 취급 중에 쉽게 파손되기 때문이고 75%보다 높으면 압분 중에 금형에 달라붙어 압분심재가 용이하게 형성되지 않기 때문이다.

또한, 상기 빌렛형성단계(S3)는 심재압분단계(S2)에 의해 형성된 압분심재가 수용되도록 알루미늄 봉재를 가공하여 캔을 제조하고, 이 캔에 압분심재를 삽입한 다음 양단에 동일한 알루미늄 재질의 플러그를 용접하여 빌렛을 형성하며, 이때 플러그의 용접은 진공 분위기에서 전자빔으로 용접되도록 하는 단계를 말하는 것이다.

그리고, 상기와 같이 플러그의 용접이 진공 분위기에서 전자빔으로 이루어짐으로써, 용접 중에 빌렛의 내부로 공기의 유입이 방지되어 우라늄의 산화가 적절히 방지되는 것이다.

또한, 상기 빌렛압출단계(S4)는 빌렛형성단계(S3)에 의해 형성된 빌렛을 압출기에 장입한 후에 간접압출을 하여 핵연료 심재와 8개의 핀을 갖는 피복재를 동시에 형성하고, 빌렛을 압출기에 장입한 후에 간접압출을 하기 전에 300 ~ 450℃의 고온에서 30분 정도 유지하여 예열이 되도록 하며, 빌렛의 압출속도는 8 ~ 12mm/s로 이루어지는 단계를 말하는 것이다.

상기와 같이 빌렛을 간접압출함으로써, 직접압출에 비해 압출압력이 작게 소요되고 빌렛과 컨테이너 사이의 마찰이 최소화되며 빌렛 내부의 변형 발생이 극소화되어 보다 효과적인 압출이 이루어지는 것이다.

그리고, 상기와 같이 압출을 하기 전에 압출기의 컨테이너에 300 ~ 450℃의 고온에서 30분 정도 유지하여 빌렛이 예열이 되도록 함으로써, 빌렛이 적절한 유동성을 가져 용이하게 압출이 되는 것이다.

아울러, 상기와 같이 빌렛의 압출속도가 8 ~ 12mm/s로 이루어지는 이유는 8mm/s보다 작을 때는 압출 후에 피복재의 표면에 물결무늬가 형성되어 표면상태가 불량해지기 때문이고, 12mm/s보다 클 때는 압출 후에 피복재의 표면이 찢겨져 불량률이 증가하기 때문이다.

또한, 상기 양단가공단계(S5)는 빌렛이 압출되어 형성된 핵연료봉의 양단을 단차지게 기계로 가공하는 단계를 말하는 것으로, 이는 핵연료봉의 봉단부를 적절히 가공하여 핵연료다발로 구성하기 위한 최종 마무리 공정을 말하는 것이다.

따라서, 본 연구로용 핵연료봉 제조방법은 간단한 공정으로 피복재와 플러그 사이의 용접공정이 제거되고 피복재와 플러그 사이의 간극발생이 미연에 방지되며 미려한 표면과 일정한 두께를 갖는 피복재가 심재의 외부면으로 적절히 둘러싸이도록 제조되어 핵연료봉의 불량률이 현저히 감소되도록 하는 것이다.

한편, 도 2는 본 발명에 따른 빌렛의 분해 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 빌렛의 결합 종단면도이며,

도 4는 본 발명에 따른 빌렛의 압출상태를 나타내는 개략적인 종단면도이고,

도 5는 본 발명에 따라 제조된 핵연료봉의 횡단면도이며,

도 6은 본 발명에 따라 제조된 핵연료봉의 종단면도이다.

상기 도 2에서 도 6으로 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

상기 도 2에 도시한 것처럼, 빌렛(100)은 우라늄합금 분말과 알루미늄 분말을 혼합하여 압분한 압분심재(10)와, 상기 압분심재(10)가 수용되는 피복재와 동일한 재질인 알루미늄 재질의 캔(20)과, 상기 캔(20)의 상하단으로 끼움된 후에 용접되어 고정되는 두 개의 플러그(30)로 구성되는 것이다.

상기 도 3에 도시한 것처럼, 상기 빌렛(100)은 캔(20)의 내부로 압분심재(10)가 끼워지고, 상기 캔(20)의 상하 양단으로 플러그(30)가 끼워지며, 상기 캔(20)과 플러그(30)가 진공상태에서 전자빔으로 용접되어 상기 캔(20)의 내부로 공기가 유입되지 않은 상태로 기밀하게 용접되어 결합되는 것이다.

이와 같이 결합된 상기 빌렛(100)은 도 4에 도시한 것처럼 압출기(200)의 컨테이너(201)에 장입된 후에 상기 컨테이너(201)를 300℃ ~ 450℃의 고온으로 가열한 상태로 30분간 유지하여 예열을 하게 되는 것이다.

이렇게 상기 컨테이너(201)에서 빌렛(100)이 예열된 다음에 상기 컨테이너(201)를 다이(202)로 이동하여 간접압출을 하게 되는 것이다.

이때, 상기 빌렛(100)은 다이(202)를 통과하면서 핵연료봉(100a)으로 형성되는 것이다.

이와 같이 형성된 핵연료봉(100a)은 도 5에 도시한 것처럼, 압분심재(10)가 심재(10a)로 변형되고, 캔(20)이 외주로 8개의 핀(21a)을 갖는 피복재(20a)로 변형되는 것이다.

이렇게 형성된 상기 핵연료봉(100a)은 도 6에 도시한 것처럼, 빌렛(100)의 플러그(30)가 캔(20)과 일체로 형성되어 피복재(20a)로 형성되고, 상기 핵연료봉(100a)의 피복재(20a) 양단을 절삭 등의 기계가공으로 단차지게 형성하여 핵연료다발을 용이하게 형성하도록 하는 것이다.

상기와 같은 과정으로 핵연료봉(100a)의 제조는 완전하게 마무리되고, 그에 따라 심재(10a)와 피복재(20a)는 간극의 형성이 방지되면서 마무리 단계에서 용접공정이 사라져 용접으로 인한 결함이 완전히 방지되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 봉형의 연구로용 핵연료봉의 제조공정을 간소화하면서 동시에 봉단용접공정을 제거하여 핵연료봉의 불량률이 극소화되도록 함으로써, 핵연료봉의 봉단부의 간극 발생이 방지되고 용접에 의한 결함이 미연에 방지되며 그에 따라 핵연료봉의 연소 중에 피복재의 손상으로 인한 누출사고가 미연에 방지되고 핵연료봉의 제조에 있어 불량률이 현저히 감소하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 심재의 압분밀도를 제한함으로써, 압분 시에 금형에 결착되는 것이 방지되고 취급 시에 파손이 방지되는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 빌렛을 형성하는 캔과 압분심재의 단면비를 제한함으로써, 빌렛의 압출 후에 핵연료봉의 피복재와 심재가 적절한 두께를 가지게 되는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 빌렛이 압출되기 전에 적절한 예열이 이루어지도록 함으로써, 빌렛이 적절한 유동성을 가져 작은 압출압력으로 손쉽게 압출이 이루어지는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 빌렛의 압출속도를 제한하여 압출이 보다 적절히 이루어지도록 함으로써, 피복재의 표면상태 불량이 미연에 방지되는 효과를 갖는다.

Claims (5)

1. 우라늄합금 분말과 기지물질인 알루미늄 분말을 균질 혼합하는 혼합단계(S1)와, 상기 혼합단계(S1)에 의해 혼합된 핵연료 분말을 일정한 직경의 금형에 핵연료 심재의 무게만큼을 장입한 후 압분하여 압분심재를 형성하는 심재압분단계(S2)로 구성되는 연구로용 핵연료봉을 제조하는 방법에 있어서;

   상기 심재압분단계(S2)에 의해 형성된 압분심재가 수용되도록 알루미늄 봉재를 가공하여 캔을 제조하고, 이 캔에 압분심재를 삽입한 다음 양단에 동일한 알루미늄 재질의 플러그를 용접하여 빌렛을 형성하는 빌렛형성단계(S3)와;

   상기 빌렛형성단계(S3)에 의해 형성된 빌렛을 압출기에 장입한 후에 간접압출을 하여 핵연료 심재와 8개의 핀을 갖는 피복재를 동시에 형성하는 빌렛압출단계(S4)와;

   상기 빌렛압출단계(S4)에 의해 형성된 핵연료봉의 양단을 단차지게 기계로 가공하는 양단가공단계(S5)로 구성되는 것을 특징으로 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서;

   상기 심재압분단계(S2)에서 압분심재의 압분밀도가 이론밀도의 65 ~ 75%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서;

   상기 빌렛형성단계(S3)에서 캔과 압분심재의 단면비와 핵연료봉의 피복재와 심재의 단면비가 동일한 것을 특징으로 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서;

   상기 빌렛압출단계(S4)에서 빌렛을 압출기에 장입한 후에 간접압출을 하기 전에 300 ~ 450℃의 고온에서 30분 정도 유지하여 예열이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서;

   상기 빌렛압출단계(S4)에서 빌렛의 압출속도는 8 ~ 12mm/s로 이루어지는 것을 특징으로 하는 간접압출을 이용한 연구로용 핵연료봉의 제조방법.