KR20080012489A - 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온핵비확산성 금속핵연료 제조방법 - Google Patents

분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온핵비확산성 금속핵연료 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 분말 형태의 원료를 원통형 금형에 장전하고 상하로 전류를 인가하며 압축하여 저온에서 입자간의 접합을 형성함으로써 기포를 함유하는 금속 핵연료봉을 제조하는 방법에 관한 것이다.
차세대 원자력발전의 연료로써 금속 핵연료가 개발되고 있다. 금속 핵연료의 원료는 일반적으로 건식분리공정(pyrochemical process)을 사용하여 제조되며 그 결과 금속 분말 형태를 갖는다. 지금까지 개발된 금속핵연료의 제조는 금속분말을 고온 가압하여 고화하거나 고온 용해하여 주조하는 방법을 사용하여 왔다. 그러나 핵변환 등을 통하여 사용된 핵연료 물질을 지속적으로 재순환하여야 하는 경우, 분말에 내재하는 아메리슘(Am) 등과 같은 휘발성 원소들의 기화로 인하여 핵물질의 유실이 문제되므로 핵연료의 회수율 증가와 핵비확산성을 증진하기 위하여 비휘발성 저온 공정의 사용이 바람직하다.
본 발명에서는 금속분말을 비전도성 재료로 제작된 튜브에 장전하고 상하에 봉상의 전도성 전극을 압축하면서 간헐적으로 전류를 인가하여 핵연료봉의 온도를 핵물질이 휘발하지 않는 저온 영역 내에 유지하면서 분말을 접합하여 핵비확산성을 갖추며 적절한 밀도를 갖는 봉상의 금속 핵연료봉을 제조하는 방법을 고안하였다.

Description

분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법{Manufacturing non-proliferational nuclear metallic fuel applying electric current and compressive force to metallic powder at low temperature}
도1은 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조법 개략도.
도2는 본 발명에 따른 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조를 위한 시스템 구성도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) 가압 구동축 (2) 절연된 압축력 및 전류 전달부
(3) 분위기 조절용 밀폐 상자 (4) 압축봉 (Plunger)
(5) 절연된 봉상 핵연료 금형 (Die) (6) 장전된 핵연료 분말
(7) 냉각장치 (8) 분위기 조절용 기체 출입구
(9) 전류 연결선
사용후 핵연료 등 장수명의 방사성을 갖는 고준위 방사성 폐기물을 핵변환장 치에서 단수명의 핵물질로 변환하여 초기 고준위폐기물을 극히 소량의 고준위폐기물을 포함하도록 하거나 전체를 중저준위폐기물로 변환하는 기술이 개발되고 있다. 이 과정에서 핵변환용 핵연료를 금속형태로 만들면 용융염을 이용하는 건식공정을 최대 활용하는 장점을 지닌다. 핵변환장치에서 모든 고준위폐기물이 한 번에 소멸되지 않으므로 잔여 고준위폐기물을 수거하여 다시 건식공정을 통하여 금속핵연료로 만들고 핵변환장치에서 반복적으로 연소시키는 과정을 밟는다. 이때 건식공정에서 수거되는 핵연료물질은 금속분말이며 우라늄, 플루토늄, 넵티늄, 아메리슘, 큐리움 등의 다양한 핵종을 포함한다. 현재 개발 중인 핵연료 제조방법은 진공용해주조법으로 수거된 분말을 진공로에 장전하고 유도전기를 이용하여 섭씨 1500도 내외의 고온에서 용융시킨 후 주조하여 봉상의 고밀도 핵연료를 얻는다. 상기한 방법은 고온 공정이므로 아메리슘 등의 휘발성 물질의 유실을 불러일으켜 핵확산저항성과 고준위페기물의 소멸효율을 떨어뜨리는 단점이 있다.
본 발명은 저온에서 전류를 이용하여 분말 입자간의 접합을 형성함으로써 밀도가 상당히 높은 핵연료를 제조하되 휘발성 핵물질의 유실을 원천적으로 예방하여 핵확산저항성의 증진 및 고준위폐기물 소멸 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기위하여, 본 발명은 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법 및 장치를 제공하 는데, 상기 제조방법은 진공의 밀폐상자에 봉입된 핵연료 금형에 핵연료 분말을 장전한후 밀폐상차를 봉입하는 단계와;
상기 핵연료 분말에 전류를 단속적으로 가하는 단계와;
상기 전류를 가하는 단계와 동시에 위에서 아래로의 압축력을 가하는 단계
를 포함할 수 있다.
상기 금형내의 온도는 섭씨 600도 이하일 수 있다.
상기 압축력은 50000psi 이하일 수 있다.
상기 핵연료 금형 주위에 냉각을 위한 냉각장치를 형성하여 초기에는 저온형성을 위한 물, 저온가스중 어느 하나를 공급하고, 공정진행중에는 냉각을 위한 냉매를 제공하는 것일 수 있다.
또한, 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조장치로서,
원통형의 핵연료 금형과
상기 금형내에 제공되는 핵연료 분말에 수직방향의 압축력을 제공하기 위하여 상기 금형의 상부에 위치하여 가압구동축에 연결된 압축봉과;
상기 금형을 초기에는 저온으로 유지하고 공정중에는 냉각을 위한 냉매를 유통시키기 위하여 상기 금형의 외부에 형성된 냉각관과;
상기 금형내에 전류를 흘리기 위하여 상기 핵연료 금형의 상단과 하단에 연결된 전류연결선을 포함할 수 있다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 설비, 제조 방법 및 절차는 다음과 같다.
1. 통전압축식 분말야금설비
(1) 대상 금속 핵연료봉의 치수에 적합한 길이와 직경의 절연 금형을 충분한 강도의 재료를 이용하여 제작한다. 이때 전도성 소재의 금형의 경우, 내면에 비전도성의 세라믹 또는 고강도 합성수지로 제작된 절연튜브를 삽입한다.
(2) 압축력 및 전류 전달부도 충분한 강도와 절연성을 갖도록 제작한다.
(3) 압축 구동축은 Servo-electric형 또는 Servo-hydraulic형으로 구동 하중 및 구동변위를 연속적으로 측정하고 통합제어장치와 정보를 교류하여 구동축의 궤환 제어가 가능한 방법으로 제작한다.
(4) 분위기 조정상자는 금속핵연료의 산화를 막기 위한 환원성 기체 환경을 유지할 수 있도록 제작한다. 이를 위하여 초기 내부 공기를 제거하기 위한 진공 펌프와 산소 농도 제어를 위한 기체 주입구를 갖추어야 한다.
(5) 전류 공급 장치는 대상 핵연료의 전기저항을 토대로 단기 통전 시에 핵연료의 용융이 발생하지 않도록 용량을 결정한다.
(6) 전류제어장치는 상태 진단 장치로부터 받은 온도, 변위, 저항, 내압 등의 정보를 토대로 최적의 공정을 위한 가변적 전류 및 시간의 펄스 전류를 인가할 수 있도록 제작된다.
(7) 금형 냉각장치는 초기에 물 또는 저온 가스 등으로 저온으로 형성하고 공정 진행중에 발생하는 열을 제거할 수 있도록 제작된다.
2. 핵비확산성 금속핵연료 제작 공정
(1) 최종 금속핵연료의 설계 밀도와 칫수를 토대로 핵연료의 무게를 정량하여 분말을 장전하고 밀폐상자에 봉입하여 환원분위기를 형성한다.
(2) 금형 냉각장치에 초기에 물 또는 저온 가스 등으로 저온으로 형성하고 공정 진행 중에 발생하는 열을 제거할 수 있도록 냉매를 연속적으로 공급한다.
(3) 전류와 압축변위를 단속적으로 가하여 분말입자의 접합을 진척시킨다. 구동축의 변위와 고동 하중을 측정하여 순간 밀도를 평가한다.
(4) 밀도가 설계치에 도달할 때까지, 위 (3)의 공정을 반복한다.
도1에는 핵연료 제작을 위한 장치의 간략도가 도시되어 있는데, 핵연료의 제작을 위해서는 원통형의 핵연료 금형(5)에 핵연료 분말을 장전하고 압축봉(4)으로 핵연료를 수직방향으로 압축하게 되는데 이러한 압축력은 상부의 가압구동축(1)으로부터 발생해서 압축봉(4)에 전달된다. 이때 압축봉이 압축력을 장전된 분말에 가해지는데 압축력은 단속적으로 핵연료 분말에 전해지며 동시에 전류 상기 핵연료 분말에 인가되며 핵연료 분말의 밀도가 정해진 설계치에 도달할때까지 압축력과 전류가 단속적으로 인가된다.
이때, 금형의 주위에 형성된 금형냉각장치는 압축공정이 진행되면서 발생할 수 있는 열을 외부로 빼내기 위해 물, 공기 등의 냉매를 사용하여 금형을 냉각시키 며 금형내의 온도는 섭씨 600도가 넘지 않도록 한다. 또한 압축봉에 의해 가해지는 압축력은 50000psi이하가 되도록 한다.
도2은 본 발명에 의한 장치를 구동하기 위한 장치의 블록도를 도시한다. 압축구동장치에 의해서 압축력을 제공하는 압축봉을 구동시키며 전류제어장치에 의하여 핵연료 분말에 전류를 단속적으로 제공하게 되며 금형내의 온도, 압력 등을 상태진단장치가 체크하고 여기서의 데이터를 바탕으로 통합공정제어장치가 압축구동장치와 전류제어장치를 구동시키는 궤환제어를 행한다.
상기한 바와 같은 발명에 의하여 저온에서 전류를 이용하여 분말 입자간의 접합을 형성함으로써 밀도가 상당히 높은 핵연료를 제조하되 휘발성 핵물질의 유실을 원천적으로 예방하여 핵확산저항성의 증진 및 고준위폐기물 소멸 효율을 높이는 효과를 갖는다.

Claims (5)

  1. 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법으로서,
    진공의 밀폐상자에 봉입된 핵연료 금형에 핵연료 분말을 장전한후 밀폐상차를 봉입하는 단계와;
    상기 핵연료 분말에 전류를 단속적으로 가하는 단계와;
    상기 전류를 가하는 단계와 동시에 위에서 아래로의 압축력을 가하는 단계
    를 포함하는, 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법
  2. 제1항에 있어서 상기 금형내의 온도는 섭씨 600도 이하인, 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법
  3. 제1항에 있어서, 상기 압축력은 50000psi이하인, 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법
  4. 제1항에 있어서, 상기 핵연료 금형 주위에 냉각을 위한 냉각장치를 형성하여 초기에는 저온형성을 위한 물, 저온가스중 어느 하나를 공급하고, 공정진행중에는 냉각을 위한 냉매를 제공하는 것을 특징으로 하는, 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법
  5. 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조장치로서,
    원통형의 핵연료 금형과
    상기 금형내에 제공되는 핵연료 분말에 수직방향의 압축력을 제공하기 위하여 상기 금형의 상부에 위치하여 가압구동축에 연결된 압축봉과;
    상기 금형을 초기에는 저온으로 유지하고 공정중에는 냉각을 위한 냉매를 유통시키기 위하여 상기 금형의 외부에 형성된 냉각관과;
    상기 금형내에 전류를 흘리기 위하여 상기 핵연료 금형의 상단과 하단에 연결된 전류연결선을 포함하는, 분말 원료에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조장치
KR1020060073384A 2006-08-03 2006-08-03 핵원료 분말에 전류 및 압축력을 동시에 적용하는 저온 핵비확산성 금속핵연료 제조방법 KR101312583B1 (ko)

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