KR20120068407A - 다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법 - Google Patents

다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120068407A
KR20120068407A KR1020100130020A KR20100130020A KR20120068407A KR 20120068407 A KR20120068407 A KR 20120068407A KR 1020100130020 A KR1020100130020 A KR 1020100130020A KR 20100130020 A KR20100130020 A KR 20100130020A KR 20120068407 A KR20120068407 A KR 20120068407A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sintered
sintering
porous
powder
pellet
Prior art date
Application number
KR1020100130020A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101249906B1 (ko
Inventor
나상호
정정환
신진명
송대용
김호동
신희성
Original Assignee
한국원자력연구원
한국수력원자력 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원, 한국수력원자력 주식회사 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to KR1020100130020A priority Critical patent/KR101249906B1/ko
Publication of KR20120068407A publication Critical patent/KR20120068407A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101249906B1 publication Critical patent/KR101249906B1/ko

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Abstract

본 발명은 사용후핵연료에서 핵분열생성물의 제거가 용이한 다공성 UO2+x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 사용후핵연료인 이산화우라늄(UO2)을 대기압하에서 산화시킨 U3O8 분말에 압력을 가하여 제조한 성형체를 소결분위기 및 소결온도의 소결 과정을 통해 핵분열생성물의 제거가 용이함을 특징으로 하는 다공성 UO2+x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따라 제조된 다공성 UO2+x(x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛은 분말 전처리과정에서 핵분열생성물 제거가 용이하고, 충전밀도가 높아 후속공정으로 이어지는 전해환원시에 처리량 및 처리속도를 증가시킬 뿐만 아니라 견고성이 좋아 취급이 용이하고 이송량을 증가시킬 수 있다.

Description

다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법{The Method for Producing Porous UO2+x Sintered Pellet}
본 발명은 U3O8 분말을 원료분말로 사용하여 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법 및 상기 방법에 따라 제조된 다공성 UO2 +x 소결펠렛에 관한 것이다.
가압경수로(PWR)의 사용후핵연료인 이산화우라늄(UO2)에는 미연소된 핵분열물질(fissile material)인 우라늄(U)과 연소 동안에 생성된 초우라늄(TRU) 원소 외에 핵분열생성물(fission products)이 존재한다. 파이로 프로세싱(pyro processing) 기술은 경수로에서 태우고 난 이산화우라늄(UO2)을 고온건식 처리하여 고속로의 연료인 금속핵연료를 만드는 재활용 기술로, 핵확산저항성과 핵비확산성이 우수한 기술이다. 파이로 프로세싱의 공정은 U3O8 제조를 위한 전처리 공정과 U3O8을 금속연료로 바꾸기 위한 후속공정으로 이루어진다. 사용 후 이산화우라늄(UO2) 소결펠렛 내에 존재하는 핵분열생성물은 세라믹핵연료에서 금속핵연료로 변환시키는 후속 공정에 막대한 영향을 미칠 수 있으므로 전처리 공정에서 제거하는 것이 바람직하다. 전처리 공정에는 연료봉의 해체/절단 및 탈피복 그리고 성형 및 소결공정 등이 있으며, 후속 공정으로는 전해환원, 전해정련 및 전해제련 등의 공정이 있다. 전처리공정에서 탈피복공정은 해체/절단된 연료봉 내에 있는 사용 후 이산화우라늄(UO2) 소결펠렛을 꺼내는 공정으로, 일반적으로 산화시키면 U3O8으로 변하면서 밀도 감소에 의한 부피팽창으로 인하여 분말이 되어 연료봉에서 빠져 나온다. 이때 산화되면서 기체상의 휘발성생성물인 요오드(I)와 브롬(Br) 등은 휘발된다.
종래의 기술로는 탈피복(decladding) 공정에서 산화시킨 미세한 사용 후 U3O8 분말을 고온산화처리 장치(voloxidizer)에서 휘발성 핵분열생성물을 제거한 후, 미세 분말 그대로 사용하여 전해환원하는 기술로, U3O8 분말의 입자크기가 작아 전해환원 공정에서 분말을 담는 용기인 그물망 밖으로 분말이 떨어지지 않도록 그물망의 간격이 보다 촘촘한 관계로 전해환원의 처리속도가 느릴 뿐만 아니라 용기 내의 분말 충전밀도도 작아 처리량이 적었다.
이와 같은 문제점을 해결하고자 좀 더 개량된 기술이 U3O8 분말 내의 핵분열생성물을 휘발시키기 위하여 고온산화처리 장치(voloxidizer) 내에 장입된 미세한 U3O8 분말의 가열 및 회전에 의해 분말을 응집시켜(agglomerate) 겉보기밀도를 증가시키고자 하였다. 그러나, 고온산화처리 장치의 용량도 제한이 있으며, U3O8 분말간의 접촉도 단순한 점접촉이어서 그 결합력이 약해 궁극적으로 전해환원 과정에서 재분리되어 용기의 그물망 사이로 빠져나올 수도 있어 전해환원의 처리속도를 지연시키고 처리량에도 한계가 있으며, 또한 향후 대규모 처리를 위한 공업적 규모에도 바람직하지 않은 것으로 추정된다.
연료봉에서 나온 U3O8 분말을 프레스를 사용하여 원하는 형태(원통형 또는 육면체형)와 치수로 성형한 후, 원하는 분위기(산화성, 불활성, 환원성 및 질소) 가스의 기류 속에서 적절한 온도로 소결시키면 핵분열생성물의 휘발에 적합한 소결밀도를 갖는 다공성의 소결펠렛을 제조할 수 있다. 소결펠렛의 기공은 소결하는 과정에서 모재 내에 존재하는 준휘발성의 핵분열생성물의 휘발을 용이하게 하며, 소결 가스 분위기는 이러한 핵분열생성물의 휘발을 촉진시켜 궁극적으로는 모재 내에 핵분열생성물은 존재하지 않게 된다. 또한 소결펠렛의 기공도(porosity)가 클수록 핵분열생성물의 휘발도는 증가할 수 있지만, 전술한 바와 같이 후속공정에서의 취급시 건전성을 유지하기 위하여 일정한 형상과 강도를 유지하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명자들은 U3O8 분말을 사용하여 성형압력에 따라 제조된 성형체를 소결 분위기[산화성(공기, 이산화탄소(CO2)), 불활성(아르곤(Ar)), 환원성(수소(H2)) 및 질소(N2) 가스] 및 소결 온도를 변화시켜 다공성의 UO2 +x 소결펠렛을 제조하고자 하였으며, 후속공정에서의 처리 속도 및 처리량을 증가시키며, 소결펠렛의 형상을 그대로 유지할 수 있어 후속 공정으로의 운반성 및 공정간 취급 용이성도 도모할 수 있는 다공성 UO2 +x 소결펠렛을 완성하였다.
본 발명의 목적은 사용후핵연료에서 산화 탈피복에 의해 생성된 U3O8분말에 존재하는 휘발성 및 준휘발성 핵분열생성물의 제거를 용이하게 하기 위한 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 사용후핵연료인 이산화우라늄(UO2)을 대기압하에서 산화시켜 U3O8 분말을 형성하는 단계; 상기 단계에서 형성된 U3O8 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 단계에서 형성된 U3O8 성형체를 소결하여 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 UO2 +x(x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛은 충전밀도가 높아 전해환원시에 처리량 및 처리속도를 증가시킬 뿐만 아니라 견고성이 양호하여 취급이 용이하고 후속 공정으로의 이송량을 증가시킬 수 있다. 또한 제조된 소결펠렛은 다공성이면서 개기공에 연계되어 있으므로, 후속 환원 공정에서 산소를 용이하게 제거할 수 있으며, 형태를 그대로 유지하는 관계로 환원 효율성을 증대시킬 수 있다. 나아가, 소결 온도 및 소결분위기 가스에 따라 O/U비가 달라지므로 후속 환원 공정에서 원하는 O/U비를 갖는 소결펠렛을 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성 UO2 +x 소결펠렛의 제조공정을 포함하는 파이로 프로세싱 흐름도이고,
도 2는 종래 기술의 파이로 프로세싱 흐름도((a)는 U3O8 분말의 직접 전해환원 공정 흐름도이고, (b)는 U3O8 응집체의 전해환원 공정 흐름도이다.)이고,
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 소결펠렛의 파단면에 대한 전자현미경사진을 소결온도 별로 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 소결펠렛의 파단면에 대한 전자현미경사진을 소결온도 별로 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따라 제조된 소결펠렛의 파단면에 대한 전자현미경사진을 소결온도 별로 나타낸 것이고,
도 6은 본 발명의 실시예 4에 따라 제조된 소결펠렛의 파단면에 대한 전자현미경사진을 소결온도 별로 나타낸 것이고,
도 7은 본 발명의 실시예 5에 따라 제조된 소결펠렛의 파단면에 대한 전자현미경사진을 소결온도 별로 나타낸 것이고,
도 8은 공기 분위기에서 6 시간동안 소결한 경우, 소결 온도별로 소결펠렛의 파단면을 전자현미경으로 찍은 사진이고,
도 9는 이산화탄소 분위기에서 6 시간동안 소결한 경우, 소결 온도별로 소결펠렛의 파단면을 전자현미경으로 찍은 사진이고,
도 10은 수소 분위기에서 6 시간동안 소결한 경우, 소결 온도별로 소결펠렛의 파단면을 전자현미경으로 찍은 사진이고,
도 11은 질소 분위기에서 6 시간동안 소결한 경우, 소결 온도별로 소결펠렛의 파단면을 전자현미경으로 찍은 사진이고,
도 12는 아르곤 분위기에서 6 시간동안 소결한 경우, 소결 온도별로 소결펠렛의 파단면을 전자현미경으로 찍은 사진이다.
본 발명은
사용후핵연료인 이산화우라늄(UO2)을 대기압하에서 산화시켜 U3O8 분말을 형성하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 형성된 U3O8 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 형성된 U3O8 성형체를 소결하여 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 단계 1은 사용후핵연료인 이산화우라늄(UO2)을 대기압하에서 산화시켜 U3O8 분말을 형성하는 단계이다.
본 발명에서 원료물질인 U3O8 분말은 일반적으로 사용후핵연료인 이산화우라늄(UO2) 소결펠렛을 400 내지 500 ℃에서 산화시켜 만드는 것이 바람직하다. UO2 펠렛을 대기압하 일정온도에서 산화시키면 U3O8으로 바뀌면서 밀도 감소에 의한 부피팽창으로 인하여 분말화가 일어난다. 상기 온도가 400 ℃ 미만이면, U3O8으로 산화되는 시간이 오래 걸려 분말화가 어려우며, 동시에 피복관에서 인출하는데 시간도 많이 소요되는 단점이 있고, 상기온도가 500℃ 초과하면 급속하게 U3O8이 형성되면서 분말의 조대해져서 원하는 정도로 입자의 크기를 조절하기 어려운 단점이 있다.
본 발명에 따른 단계 2는 단계1에서 형성된 U3O8 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조하는 단계이다.
일정 온도에서 산화시킨 U3O8 분말을 성형할 경우, 성형압력은 100 내지 500 MPa인 것이 바람직하고, 150 내지 450 MPa인 것이 더욱 바람직하다. 상기 성형압력이 100 MPa 미만인 경우, U3O8 분말이 충분히 압축되지 않아 취약하므로 다음 단계로의 이동 및 처리하는 과정에서 취급의 어려움을 유발할 수 있으며, 상기 성형 압력이 500 MPa을 초과하는 경우, 너무 과하게 압축되어 고밀화가 되어 다음 소결 단계에서 핵분열생성물이 쉽게 휘발되지 못할 수 있다는 단점이 있다.
상기 성형은 압축성형과 같은 통상적인 방법으로 수행될 수 있다. 상기 성형으로 제조된 성형체는 후속 공정에 적합한 형태(원통형 또는 직육면체 형)로 제조된다.
본 발명에 따른 단계 3은 단계 2에서 형성된 U3O8 성형체를 소결하여 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛을 형성하는 단계이다.
본 발명은 이와 같이 제조된 U3O8 성형체를 소결 온도, 소결시간 및 소결 분위기에 따른 소결 과정을 통해 핵분열생성물의 제거가 용이한 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛을 형성한다.
사용 후 이산화우라늄(UO2)에 존재하는 휘발성 및 준휘발성 핵분열생성물은 세라믹연료를 금속연료로 환원시키는 전해환원 공정에서 좋지 않은 결과를 초래하므로, 파이로 프로세싱 기술의 전처리 공정에서 적당한 온도로 가열하여 펠렛 내에 존재하는 휘발성 및 준휘발성 핵분열생성물을 휘발시키고, 이 휘발된 핵분열생성물을 외부로 방출시키지 않고 필터로 포집하는 것이 가장 바람직하다. 핵분열생성물 중에서 테크네튬(Tc), 루테늄(Ru), 몰리브데넘(Mo), 로듐(Rh), 텔루륨(Te), 탄소(C) 등은 약 800 ℃에서 휘발되고, 세슘(Cs), 루비듐(Rb), 카드뮴(Cd) 등은 약 1000 ℃에서 휘발된다. 따라서 이와 같은 핵분열생성물의 휘발특성 온도를 참고하여 각각의 휘발특성에 적합한 온도를 설정하여 U3O8 성형체를 소결시키는 것이 바람직하다. 또한 이러한 핵분열생성물의 휘발을 좀더 용이하게 하기 위하여 기공도(porosity)는 성형압력으로 조정하며, 그 온도에서 핵분열생성물이 충분히 휘발될 수 있도록 소결시간을 조정하는 것이 바람직하다.
상기의 소결은 산화성 가스 분위기하에서 수행될 수 있으며, 상기 산화성 가스 분위기는 공기 또는 이산화탄소 기체 분위기를 포함할 수 있다. 상기 산화성 가스 분위기에서 소결하는 경우 소결온도에 따라 O/U 비 조정이 가능하며, 금속 단일 성분의 핵분열생성물의 제거가 용이한 장점이 있다.
상기의 소결은 수소 기체와 같은 환원성 가스 분위기하에서 수행될 수 있다. 상기 환원성 가스 분위기에서 소결하는 경우 U3O8이 바로 UO2로 환원되므로, 후속공정에서 불필요한 과잉 산소를 미리 제거할 수 있어 공정의 단순화 및 취급의 용이성을 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 세라믹 성분 또는 화합물의 핵분열생성물을 제거하는 것이 용이한 장점이 있다.
상기의 소결은 불활성 가스 분위기하에서 수행될 수 있으며, 상기 불활성 가스 분위기는 아르곤 또는 질소 기체 분위기를 포함할 수 있다. 상기 불활성 가스 분위기에서 소결하는 경우 소결온도에 따라 O/U 비 조정이 가능하며, 금속 성분의 핵분열생성물을 제거하는 것이 용이한 장점이 있다.
상기 단계 3에서 성형체를 소결할 때, 소결 시간은 1 내지 10 시간인 것이 바람직하다. 소결 시간이 1 시간 미만인 경우, 소결체의 기계적 강도가 약하여 작은 충격에도 파소될 수 있어 후속공정에서 취급이 어려운 문제점이 있고, 10 시간을 초과하는 경우에는 소결펠렛 내의 기공이 조대하게 형성되어 기공의 균일 분포가 저해되는 문제점이 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛을 제공한다. 본 발명에 따라 제조된 UO2 +x(x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛은 다공성이어서 핵분열생성물 제거가 용이할 뿐만 아니라 소결 조건 등에 의하여 O/U 비도 조정할 수 있어 전해환원시에 처리량 및 처리속도를 증가시켜 환원 효율성을 증대시킬 뿐만 아니라 견고성이 양호하여 취급이 용이하고 후속 공정으로의 이송량도 증가시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것이고, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되지 않는다는 것은 이 기술 분야의 숙련자에게 자명할 것이다.
< 실시예 1>
다공성 UO 2 +x (x=0.67) 소결펠렛의 제조
본 발명에서는 원자로에서 조사된(irradiated) 사용 후 이산화우라늄(UO2) 소결체 대신에 미조사된(unirradiated) UO2 소결체를 사용하였다. 96% 이론밀도(T.D., Theoretical density)의 소결밀도를 갖는 미조사 UO2 소결체를 450 ℃, 대기압하에서 4시간 산화시켜 U3O8 분말로 만들었다. UO2 소결체를 산화시키면 U3O8으로 바뀌면서 밀도 감소에 의한 부피팽창으로 인하여 분말화가 일어난다. U3O8 분말을 프레스의 다이에 장입하고, 성형압력은 3조건(150, 300 & 450 MPa)으로 변화시켜 원통형의 성형체를 제조하였다. 이들 성형압력에 의해 제조된 성형체의 성형밀도는 150 MPa인 경우, 61 내지 63%%T.D., 300 MPa인 경우 66 내지 68%T.D., 그리고 450 MPa인 경우 70 내지 72%T.D.로 나타났다. 제조된 성형체는 지르코니아(ZrO2) 소결용기에 담아 뱃치형(batch-type)의 소결로(Lenton furnace)에 장입한 후, 대기압하 공기 분위기하에서 소결온도 8조건(900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500 및 1600 ℃)으로 소결하였으며, 해당 소결온도에서 유지시간은 2시간으로 하였다. 승온속도는 모두 분당 4 ℃로 하였다. 상기 소결 과정을 통해 핵분열생성물의 제거가 용이한 다공성 UO2 +x (x=0.67) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 2>
다공성 UO 2 +x (x=0.19 내지 0.62) 소결펠렛의 제조
상기 성형 및 소결 단계를 이산화탄소 가스 분위기하에서 수행하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 UO2 +x (x=0.19 내지 0.62) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 3>
다공성 UO 2 +x (x=0.00 내지 0.14) 소결펠렛의 제조
상기 성형 및 소결 단계를 수소 가스 분위기하에서 수행하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 UO2 +x (x=0.00 내지 0.14) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 4>
다공성 UO 2 +x (x=0.17 내지 0.63) 소결펠렛의 제조
상기 성형 및 소결 단계를 질소 가스 분위기하에서 수행하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 UO2 +x (x=0.17 내지 0.63) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 5>
다공성 UO 2 +x (x=0.15 내지 0.62) 소결펠렛의 제조
상기 성형 및 소결 단계를 아르곤 가스 분위기하에서 수행하는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 UO2 +x (x=0.15 내지 0.62) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 6>
다공성 UO 2 +x (x=0.67) 소결펠렛의 제조
성형체 제조를 위한 성형압력을 300 MPa로 하고, 소결시간은 6 시간으로 설정하고, 소결온도는 4 조건(1000, 1200, 1400, 및 1600 ℃)으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 다공성 UO2+x (x=0.67) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 7>
다공성 UO 2 +x (x=0.19 내지 0.62) 소결펠렛의 제조
성형체 제조를 위한 성형압력을 300 MPa로 하고, 소결시간은 6 시간으로 설정하고, 소결온도는 4 조건(1000, 1200, 1400, 및 1600 ℃)으로 한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 다공성 UO2+x (x=0.19 내지 0.62) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 8>
다공성 UO 2 +x (x=0.00 내지 0.14) 소결펠렛의 제조
성형체 제조를 위한 성형압력을 300 MPa로 하고, 소결시간은 6 시간으로 설정하고, 소결온도는 4 조건(1000, 1200, 1400, 및 1600 ℃)으로 한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.14) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 9>
다공성 UO 2 +x (x=0.17 내지 0.63) 소결펠렛의 제조
성형체 제조를 위한 성형압력을 300 MPa로 하고, 소결시간은 6 시간으로 설정하고, 소결온도는 4 조건(1000, 1200, 1400, 및 1600 ℃)으로 한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일한 방법으로 다공성 UO2+x (x=0.17 내지 0.63) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실시예 10>
다공성 UO 2 +x (x=0.15 내지 0.62) 소결펠렛의 제조
성형체 제조를 위한 성형압력을 300 MPa로 하고, 소결시간은 6 시간으로 설정하고, 소결온도는 4 조건(1000, 1200, 1400, 및 1600 ℃)으로 한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 다공성 UO2+x (x=0.15 내지 0.62) 소결펠렛을 제조하였다.
< 실험예 1>
성형압력, 소결 조건에 따른 소결펠렛의 밀도 변화 관찰
본 발명의 성형압력, 소결분위기 및 소결 온도 변화에 따른 소결밀도를 측정하기 위해서, 실시예 1 내지 10에서 제조된 소결펠렛에 대하여 수침법(immersion method)을 사용하여 소결밀도를 측정하고 그 결과를 하기 표 1 내지 5에 나타내었다. 표 1은 공기 분위기, 표 2는 이산화탄소 분위기, 표 3은 수소 분위기, 표 4는 질소 분위기, 및 표 5는 아르곤 분위기에서 제조된 소결펠렛에 대한 소결밀도를 나타내고 있다.
표 1 내지 5에 나타낸 바와 같이 소결 분위기에 상관없이, 소결온도가 높거나 성형압력이 증가하면 소결밀도는 증가하는 것을 알 수 있다. 이를 통하여 소결온도 및 성형압력을 조절하여 핵분열생성물 제거가 용이한 소결밀도를 갖는 소결펠렛을 제조할 수 있음을 알 수 있다.
< 실험예 2>
소결 분위기 변화에 따른 O/U 비 변화 측정
소결 분위기에 따른 소결펠렛의 O/U 비 변화를 알아보기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
본 발명의 실시예 1 내지 10에서 제조된 소결펠렛에 대하여 온도에 따른 중량변화를 나타내는 열중량분석을 하여 O/U 비를 측정하였고 그 결과를 하기 표 1 내지 5에 나타내었다.
하기 표 1 내지 5에 따르면, 본 발명의 제조방법으로 제조된 UO2 +x 소결펠렛의 O/U 비는 2.0 내지 2.67의 범위에서 유지됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제조된 소결펠렛은 금속연료 제조를 위한 후속공정에 적절함을 알 수 있으며, 아울러 필요에 따라 소결 조건을 조절하여 소결펠렛의 O/U 비를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
소결
분위기		 소결온도
(℃)		 소결
시간
(hr)		 성형
압력
(MPa)		 성형밀도
(%T.D.)		 소결밀도
(%T.D.)		 O/U
비











공


기
900		 2 150 61.66±0.13 61.35±0.06
2.67
2 300 67.15±0.11 66.73±0.10
2 450 70.58±0.28 70.35±0.20

1000		 2 150 61.01±0.34 64.50±0.05
2.67
2 300 66.36±0.10 68.88±0.10
6 300 67.27±0.10 70.60±0.27
2 450 69.83±0.08 75.43±0.10

1100		 2 150 62.13±0.09 70.08±0.25
2.67
2 300 67.47±0.10 76.24±0.11
2 450 70.67±0.10 79.77±0.02

1200		 2 150 61.86±0.10 74.75±0.16
2.67
2 300 67.08±0.05 79.96±0.06
6 300 67.28±0.07 81.62±0.07
2 450 70.35±0.04 83.25±0.02

1300		 2 150 61.98±0.02 75.31±0.74
2.67
2 300 67.34±0.19 80.81±0.18
2 450 70.46±0.01 83.37±0.04

1400		 2 150 62.39±0.04 74.49±0.27
2.67
2 300 67.37±0.05 80.26±0.20
6 300 67.23±0.06 79.28±0.21
2 450 70.33±0.18 83.82±0.22

1500		 2 150 61.76±0.02 76.78±0.09
2.67
2 300 67.04±0.06 81.95±0.17
2 450 70.54±0.16 85.44±0.11

1600		 2 150 62.43±0.06 78.54±0.27
2.67
2 300 67.38±0.08 83.22±0.26
6 300 66.81±0.08 85.25±0.29
2 450 70.76±0.04 86.63±0.06
소결
분위기		 소결온도
(℃)		 소결
시간
(hr)		 성형
압력
(MPa)		 성형밀도
(%T.D.)		 소결밀도
(%T.D.)		 O/U
비










이
산
화
탄
소
900		 2 150 61.21±0.05 60.48±0.38
2.61±0.01
2 300 66.65±0.06 66.46±0.07
2 450 70.11±0.01 70.15±0.06

1000		 2 150 60.47±0.04 61.90±0.05
2.60±0.01
2 300 66.24±0.04 68.47±0.07
6 300 67.18±0.06 73.27±0.10
2 450 69.59±0.06 72.05±0.06

1100		 2 150 62.22±0.03 69.98±0.10
2.60±0.01
2 300 66.97±0.22 75.38±0.10
2 450 70.60±0.16 79.88±0.02

1200		 2 150 60.54±0.19 71.36±0.06
2.60±0.01
2 300 66.60±0.07 75.59±0.05
6 300 67.33±0.06 83.06±0.42
2 450 70.12±0.52 81.04±0.05

1300		 2 150 61.80±0.10 72.83±0.97
2.51±0.04
2 300 67.08±0.07 80.59±0.52
2 450 70.61±0.04 82.85±0.76

1400		 2 150 61.85±0.14 74.98±0.67
2.27±0.02
2 300 67.06±0.07 79.59±0.05
6 300 67.39±0.09 81.01±0.38
2 450 70.24±0.72 82.04±0.05

1500		 2 150 62.37±0.29 76.80±0.78
2.21±0.00
2 300 66.92±0.45 79.93±0.26
2 450 70.49±0.20 83.66±0.37

1600		 2 150 63.23±0.33 76.77±0.01
2.20±0.01
2 300 68.15±0.15 79.79±0.13
6 300 66.61±0.08 76.98±0.14
2 450 71.22±0.15 83.14±0.14
소결
분위기		 소결온도
(℃)		 소결
시간
(hr)		 성형
압력
(MPa)		 성형밀도
(%T.D.)		 소결밀도
(%T.D.)		 O/U
비











수


소
900		 2 150 61.39±0.23 53.85±0.01
2.13±0.01
2 300 67.21±0.28 58.80±0.08
2 450 70.53±0.36 62.12±0.19

1000		 2 150 61.93±0.02 55.66±0.06
2.02±0.01
2 300 67.20±0.05 60.64±0.05
6 300 66.97±0.17 59.39±0.16
2 450 69.85±0.05 63.54±0.04

1100		 2 150 62.74±0.52 56.93±0.42
2.02±0.01
2 300 67.55±0.17 61.63±0.12
2 450 70.80±0.06 64.96±0.04

1200		 2 150 61.98±0.09 58.60±0.08
2.02±0.00
2 300 66.74±0.26 63.98±0.05
6 300 67.36±0.04 62.64±0.06
2 450 70.66±0.10 67.77±0.05

1300		 2 150 62.20±0.06 59.99±0.11
2.01±0.01
2 300 67.33±0.01 65.40±0.04
2 450 70.68±0.04 68.91±0.05

1400		 2 150 62.20±0.27 75.59±0.04
2.00±0.00
2 300 66.91±0.39 80.42±0.13
6 300 67.28±0.06 66.41±0.04
2 450 70.45±0.20 83.42±0.00

1500		 2 150 61.93±0.07 74.06±0.18
2.00+0.01
2 300 67.13±0.05 79.27±0.19
2 450 70.37±0.10 82.72±0.07

1600		 2 150 62.81±0.08 81.68±0.22
2.00+0.01
2 300 68.29±0.03 86.13±0.04
6 300 67.32±0.08 73.23±0.15
2 450 71.30±0.08 88.54±0.43
소결
분위기		 소결온도
(℃)		 소결
시간
(hr)		 성형
압력
(MPa)		 성형밀도
(%T.D.)		 소결밀도
(%T.D.)		 O/U
비










질


소
900		 2 150 61.84±0.04 61.15±0.24
2.62±0.01
2 300 67.30±0.04 66.58±0.08
2 450 70.47±0.10 69.94±0.06

1000		 2 150 60.74±0.05 61.83±0.17
2.61±0.01
2 300 66.23±0.03 67.74±0.10
6 300 66.92±0.05 69.84±0.04
2 450 70.03±0.12 72.18±0.11

1100		 2 150 62.46±0.09 68.95±0.13
2.61±0.01
2 300 67.17±0.09 75.30±0.28
2 450 70.84±0.10 79.61±0.06

1200		 2 150 60.64±0.02 71.16±0.10
2.61±0.01
2 300 66.21±0.05 77.49±0.05
6 300 67.06±0.18 83.33±0.71
2 450 69.93±0.00 82.21±0.05

1300		 2 150 61.72±0.03 76.35±0.03
2.54±0.03
2 300 66.86±0.12 80.62±0.17
2 450 70.69±0.01 83.53±0.05

1400		 2 150 61.86±0.03 71.89±0.05
2.22±0.02
2 300 67.11±0.20 74.35±0.05
6 300 67.08±0.06 76.76±0.59
2 450 70.71±0.02 77.10±0.05

1500		 2 150 61.86±0.13 72.34±0.20
2.19±0.01
2 300 67.80±0.77 78.02±0.18
2 450 70.65±0.10 82.62±0.04

1600		 2 150 62.78±0.03 75.36±0.02
2.18±0.01
2 300 68.30±0.07 76.89±0.07
6 300 67.01±0.07 78.40±0.27
2 450 71.36±0.07 82.02±0.11
소결
분위기		 소결온도
(℃)		 소결
시간
(hr)		 성형
압력
(MPa)		 성형밀도
(%T.D.)		 소결밀도
(%T.D.)		 O/U
비











아
르
곤
900		 2 150 61.41±0.15 61.19±0.17
2.61±0.01
2 300 66.75±0.03 66.37±0.06
2 450 69.92±0.07 69.69±0.14

1000		 2 150 61.37±0.03 62.94±0.01
2.60±0.00
2 300 66.30±0.02 68.51±0.04
6 300 67.01±0.08 70.00±0.39
2 450 69.94±0.11 72.60±0.03

1100		 2 150 62.01±0.09 69.52±0.14
2.60±0.00
2 300 67.03±0.16 75.43±0.15
2 450 70.25±0.09 79.52±0.08

1200		 2 150 61.29±0.07 72.46±0.05
2.56±0.01
2 300 66.46±0.13 78.03±0.11
6 300 67.18±0.07 83.26±0.61
2 450 69.72±0.06 81.50±0.20

1300		 2 150 61.97±0.01 77.31±0.12
2.48±0.05
2 300 66.79±0.25 80.73±0.05
2 450 70.31±0.19 82.52±0.05

1400		 2 150 62.05±0.07 77.11±0.06
2.20±0.02
2 300 67.06±0.03 81.31±0.08
6 300 67.00±0.02 79.56±0.40
2 450 70.71±0.10 83.99±0.43

1500		 2 150 62.45±0.10 76.08±0.56
2.18±0.01
2 300 67.32±0.13 80.90±0.34
2 450 70.74±0.06 83.78±0.08

1600		 2 150 62.19±0.11 79.92±0.39
2.16±0.01
2 300 66.74±0.42 81.74±0.15
6 300 67.07±0.05 79.01±0.17
2 450 70.91±0.17 83.53±0.18
< 실험예 3>
본 발명에 따른 소결펠렛의 미세조직 관찰
본 발명의 방법으로 제조된 소결펠렛의 미세조직을 관찰하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행하였다.
본 발명의 실시예 1 내지 10에 의하여 제조된 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 파단면을 주사전자현미경(SEM, 모델명(XL 30), 제조사(Philips))으로 관찰한 결과를 도 3 내지 도 12에 나타내었다. 도 3은 공기 분위기, 도 4는 이산화탄소(CO2) 가스 분위기, 도 5는 수소(H2) 가스 분위기, 도 6은 질소(N2) 가스 분위기, 도 7은 아르곤(Ar) 가스 분위기 하에서 소결온도 (900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 및 1600 ℃)에 따른 소결펠렛의 파단면을 나타내었고, 도 8 내지 도 12는 각각 공기, 이산화탄소, 수소, 질소, 아르곤 가스 분위기 하에서 소결온도 (1000, 1200, 1400, 및 1600 ℃)에 따른 소결펠렛의 파단면을 나타내었다.
도 4 내지 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 방법으로 제조된 소결펠렛은 내부 전체가 균일한 분포의 기공을 갖는 다공성이며, 이러한 기공은 표면과 이어지는 개기공을 포함함을 알 수 있다. 상기와 같은 미세조직을 가짐으로써, UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛은 후속 환원공정에서 산소를 용이하게 제거할 수 있으며, 환원 효율성을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (6)

  1. 사용후핵연료인 이산화우라늄(UO2)을 대기압하에서 산화시켜 U3O8 분말을 형성하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 형성된 U3O8 분말에 압력을 가하여 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 형성된 U3O8 성형체를 소결하여 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛을 형성하는 단계(단계 3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 산화는 400 내지 500 ℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 성형체 제조는 100 내지 500 MPa의 성형압력 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 소결시 소결 분위기는 공기, 이산화탄소, 수소, 질소, 및 아르곤으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 단계 3의 소결시 소결 시간은 1 내지 10 시간인 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛의 제조방법.
  6. 제1항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다공성 UO2 +x (x=0.00 내지 0.67) 소결펠렛.
KR1020100130020A 2010-12-17 2010-12-17 다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법 KR101249906B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100130020A KR101249906B1 (ko) 2010-12-17 2010-12-17 다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100130020A KR101249906B1 (ko) 2010-12-17 2010-12-17 다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120068407A true KR20120068407A (ko) 2012-06-27
KR101249906B1 KR101249906B1 (ko) 2013-04-03

Family

ID=46687096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100130020A KR101249906B1 (ko) 2010-12-17 2010-12-17 다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101249906B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101407633B1 (ko) * 2012-12-28 2014-06-13 한국원자력연구원 U３o８ 첨가에 따른 uo２ 소결밀도 감소 경감화 방법
CN107123455A (zh) * 2017-05-27 2017-09-01 中国工程物理研究院材料研究所 一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法
WO2022260212A1 (ko) * 2021-06-10 2022-12-15 한전원자력연료 주식회사 Ibc 블렌더를 이용한 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말 제조 방법 및 이에 의해 제조된 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100887650B1 (ko) * 2007-08-22 2009-03-11 한국원자력연구원 우라늄 산화물 스크랩을 이용한 등방형 ｕ3ｏ8 분말의제조방법 및 등방형 ｕ3ｏ8 분말을 이용한 ｕｏ2 소결체제조방법

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101407633B1 (ko) * 2012-12-28 2014-06-13 한국원자력연구원 U３o８ 첨가에 따른 uo２ 소결밀도 감소 경감화 방법
CN107123455A (zh) * 2017-05-27 2017-09-01 中国工程物理研究院材料研究所 一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法
CN107123455B (zh) * 2017-05-27 2019-08-09 中国工程物理研究院材料研究所 一种多孔燃料核心惰性基弥散燃料芯块的制备方法
WO2022260212A1 (ko) * 2021-06-10 2022-12-15 한전원자력연료 주식회사 Ibc 블렌더를 이용한 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말 제조 방법 및 이에 의해 제조된 핵연료 제조용 uo2 혼합 분말

Also Published As

Publication number Publication date
KR101249906B1 (ko) 2013-04-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100293482B1 (ko) 핵연료소결체의제조방법
JP4796041B2 (ja) 核燃料焼結体の製造方法
RU2175791C2 (ru) Композитный материал ядерного топлива и способ его получения
US4826630A (en) Burnable neutron absorbers
CN107108375B (zh) 生产至少一种金属氧化物的芯块的方法
KR101249906B1 (ko) 다공성 ＵＯ2＋ｘ 소결펠렛의 제조방법
JPH0631759B2 (ja) 核燃料
JP5406727B2 (ja) 粉末冶金法による高い固相線温度を有する耐火セラミックス材料の製造方法
KR101265258B1 (ko) 분위기 소결 및 환원을 연속적으로 수행하는, 금속 핵연료 회수를 위한 전해환원용 다공성 ｕｏ２ 소결펠렛의 제조 방법 및 이에 따라 제조되는 다공성 ｕｏ２ 소결펠렛
KR101252110B1 (ko) 분위기 소결 및 환원을 불연속적으로 수행하는, 금속 핵연료 회수를 위한 전해환원용 다공성 ｕｏ２ 소결펠렛의 제조 방법 및 이에 따라 제조되는 다공성 ｕｏ２ 소결펠렛
KR101195448B1 (ko) 사용후 핵연료를 이용한 판상 다공성 소결체의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 판상 다공성 소결체
KR101869394B1 (ko) 카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 이의 제조방법
Horlait et al. U1-xAmxO2±δ MABB fabrication in the frame of the DIAMINO irradiation experiment
KR101415171B1 (ko) 전해환원효율이 향상된 다공성 ｕｏ２ 소결펠렛 및 이의 제조방법
KR101331885B1 (ko) 금속 핵연료 회수를 위한 개량된 전해환원용 다공성 ｕｏ２ 소결펠렛의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 다공성 ｕｏ２ 소결펠렛
US3953355A (en) Preparation of uranium nitride
Balakrishna et al. Uranium dioxide powder preparation, pressing, and sintering for optimum yield
RU2701542C1 (ru) Способ изготовления таблетированного топлива для тепловыделяющих элементов ядерных реакторов
KR20110089801A (ko) 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체 및 그 제조방법
GB2038073A (en) Method for homogenizing mixed oxide nuclear fuels
KR102334244B1 (ko) 다공성 uo2 펠렛의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 다공성 uo2 펠렛
US9303298B2 (en) Porous UO2 sintered pellet for electroreduction process, and preparation method thereof
JP5738479B2 (ja) 酸化ウラン触媒体の製造方法
JPH0360076B2 (ko)
WO2022075880A1 (ru) Способ изготовления уран-гадолиниевого ядерного топлива

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170111

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171207

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee