KR20130117124A - Zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding and method for manufacturing the same - Google Patents

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홍순익
하종수
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충남대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: A zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod coating pipe and a manufacturing method thereof obtain the excellent ductility and low absorption properties of zirconium and the excellent heat resistance and corrosion resistance properties of ceramic by forming the zirconium-ceramic hybrid tube in a multi-layer structure of a zirconium tube and a ceramic tube. CONSTITUTION: A zirconium-ceramic hybrid tube (10) has a two-layer structure of a zirconium tube (11) and a fiber type ceramic tube (12). The ceramic tube is composed of fiber type ceramic or monolithic ceramic. The zirconium tube is composed of zirconium or a zirconium alloy. One or more ceramic tubes and one or more zirconium tubes form a multi-layer structure by being successively laminated in a concentric form. A graphite tube is interposed between the ceramic tube and the zirconium tube.

Description

핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브 및 그 제조방법{Zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding and method for manufacturing the same}Zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding and method for manufacturing the same}

본 발명은 경수로 및 중수로 원자력발전소 원자로심 내에서 핵연료봉을 가두고 핵분열 생성물이 냉각수로 유입되는 것을 막아주는 핵연료봉 피복관에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강도 및 연성이 우수한 지르코늄과 내식성과 내열성이 우수한 세라믹 재료의 상호 보완적인 특성을 갖는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a nuclear fuel rod cladding tube that traps nuclear fuel rods in a reactor of nuclear power plants and heavy water reactors, and prevents fission products from entering the cooling water. More particularly, the present invention relates to zirconium having excellent strength and ductility and excellent corrosion resistance and heat resistance. A zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube having complementary properties of ceramic materials, and a method of manufacturing the same.

원자력발전소에서 핵연료봉 피복관은 약 15MPa 압력과 약 320℃ 온도의 냉각수에 노출되어 있다. 핵연료봉 피복관은 내부의 핵분열 물질의 방출을 억제하기 위한 기계적 신뢰성과 내부의 에너지를 효율적으로 전달하기 위한 높은 열전도가 요구된다.In nuclear power plants, nuclear fuel rod cladding is exposed to cooling water at a pressure of about 15 MPa and a temperature of about 320 ° C. Nuclear fuel rod cladding tubes require mechanical reliability to suppress the release of fissile material therein and high thermal conductivity to efficiently transfer energy therein.

이러한 이유로 고온·고압의 부식환경과 중성자 조사로 인한 취화현상을 견딜 수 있도록 기계적 성질이 우수하고 중성자의 효율적인 이용을 위해 중성자 흡수 단면적이 작은 지르코늄 합금이 핵연료봉 피복관으로 주로 사용되고 있다. 즉 지르코늄 합금은 고온에서 기계적 강도, 크립 저항성, 내부식성 및 열전도성이 우수하고 중성자 흡수성이 적기 때문에, 1960년대 초 개발된 지르코늄계 합금(Zircaloy-4)을 비롯하여 Zr-Nb-O 계인 M5, Zr-Nb-Sn-Fe 계인 Zirlo 합금 등이 핵연료봉 피복관으로 많이 사용되고 있고, 대한민국 등록특허공보 제0296952호(2001. 05. 16 등록)에 개시된 것과 같이 내식성 등을 향상시키기 위한 여러 가지 기술 개발이 이루어져 왔다.For this reason, zirconium alloys with excellent mechanical properties and low neutron absorption cross-sectional area are mainly used as nuclear fuel rod cladding tubes to withstand high temperature and high pressure corrosion environments and embrittlement due to neutron irradiation. That is, since zirconium alloys have high mechanical strength, creep resistance, corrosion resistance, thermal conductivity, and low neutron absorption at high temperatures, zirconium-based alloys (Zircaloy-4) developed in the early 1960s, including Zr-Nb-O-based M5 and Zr -Nb-Sn-Fe-based Zirlo alloys are widely used as nuclear fuel rod cladding tubes, and as disclosed in Korean Patent Publication No. 0296952 (registered on May 16, 2001), various technologies have been developed to improve corrosion resistance. come.

그런데 지르코늄 핵연료봉 피복관은 상대적으로 핵연료봉 내에서 마모와 부식에 의해 신뢰성이 저하될 수 있으며, 원전 사고 시 1,000℃ 이상의 고온에서 강도가 약해져 냉각재 사고로 이어지는 경우 스리마일 섬에서 일어난 사고와 같이 대형사고로 이어질 수 있는 단점이 있다. 또한 금속계 핵연료봉 피복관은 원자로 가동조건에서 부식 및 수소화합물 형성으로 특성이 저하되는 문제점이 있다.However, the zirconium fuel rod cladding can be relatively unreliable due to wear and corrosion in the nuclear fuel rod.In case of a nuclear power plant accident, the strength is weakened at a high temperature of 1,000 ℃ or higher, leading to a coolant accident. There are disadvantages that can lead to In addition, the metal-based fuel rod cladding tube has a problem in that its characteristics are deteriorated due to corrosion and hydrogen compound formation under reactor operating conditions.

또한 최근에는 원자력 발전소의 경제성을 증대시키기 위해 고연소도, 장주기 운전, 고온 냉각재 및 높은 pH 운전 등으로 기존의 Zircaloy-4 핵연료봉 피복관이 견딜 수 없는 한계에 이르게 되고, 특히 최근의 원전사고 시의 지르코늄 합금의 용융에 의한 취약성 때문에 대한 재료를 찾기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
In addition, recently, in order to increase the economic feasibility of nuclear power plants, high combustion, long cycle operation, high temperature coolant, and high pH operation have reached the limit that existing Zircaloy-4 fuel rod cladding cannot withstand, especially in the case of recent nuclear accidents. Due to the vulnerabilities of melting of zirconium alloys, various studies have been conducted to find materials for them.

최근에는 핵연료봉 피복관으로 세라믹 소재의 튜브가 제안된 바 있으나, 세라믹 합성물은 중성자 조사 하에서 취성이 증가하거나 사고 시 부과된 기계적 변형을 버티기 어려운 한계가 있다. 특히 저온에서 연성이 낮은 세라믹은 저온 장입 시, 장기간 연소 후에 연료 교체 시, 그리고 사고조건에서 온도 강하 시에 열충격 및 기계적 충격에 의하여 파손될 가능성이 높다.Recently, a tube of ceramic material has been proposed as a nuclear fuel rod cladding tube, but ceramic composites have a limitation in that brittleness increases under neutron irradiation or it is difficult to withstand mechanical deformations imposed upon accidents. Low-ductility ceramics, especially at low temperatures, are more likely to be damaged by thermal shock and mechanical shock when charged at low temperatures, when fuel is replaced after prolonged combustion, and when temperatures drop in accident conditions.

본 발명은 현재의 지르코늄 합금의 핵연료봉 피복관이 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 우수한 인성과 연성, 크립 저항성, 열전도성과 낮은 중성자 흡수성을 갖는 지르코늄과 내열성, 내식성, 낮은 반응성을 갖는 세라믹의 특성을 최적화시켜 두 소재의 장점을 극대화시킴으로써 기계적 신뢰성 및 안전성이 크게 향상된 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
The present invention is to solve the problems of the current fuel rod cladding tube of zirconium alloy, the object of the present invention is to have a zirconium having excellent toughness, ductility, creep resistance, thermal conductivity and low neutron absorption and heat resistance, corrosion resistance, low reactivity The present invention provides a zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding and a method of manufacturing the same, by optimizing the properties of ceramics to maximize the advantages of both materials.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 섬유형 세라믹 또는 모놀리식 세라믹으로 이루어지는 세라믹 튜브 및 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 이루어지는 지르코늄 튜브를 포함하고, 하나 이상의 상기 세라믹 튜브와 하나 이상의 상기 지르코늄 튜브가 동심원 형태로 차례로 적층되어 복층 구조를 갖는다.The zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention for achieving the above object comprises a ceramic tube made of a fibrous ceramic or monolithic ceramic and a zirconium tube made of zirconium or zirconium alloy, and at least one ceramic tube And one or more of the zirconium tubes are sequentially stacked in concentric circles to have a multilayer structure.

본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 상기 세라믹 튜브와 상기 지르코늄 튜브 사이에 개재되어 상기 세라믹 튜브와 상기 지르코늄 튜브의 결합력을 높여주는 그래파이트 튜브를 더 포함할 수 있다.The zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention may further include a graphite tube interposed between the ceramic tube and the zirconium tube to increase the bonding force between the ceramic tube and the zirconium tube.

상기 세라믹 튜브는 SiC계, BN계, TiC계, TiN계, BeO계, ZrN계, ZrC계로 이루어지는 세라믹 군에서 선택되는 세라믹으로 이루어질 수 있다.The ceramic tube may be made of a ceramic selected from a ceramic group consisting of SiC based, BN based, TiC based, TiN based, BeO based, ZrN based, ZrC based.

상기 세라믹 튜브는 0.01 ~ 0.5 cal·cm-1s-1·℃-1의 열전도성을 갖는 것이 바람직하다.The ceramic tube preferably has a thermal conductivity of 0.01 to 0.5 cal · cm −1 s −1 · ° C. −1 .

상기 지르코늄 튜브는 지르코늄을 80% 이상 함유하는 것이 바람직하다.The zirconium tube preferably contains at least 80% zirconium.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조방법은 섬유형 세라믹 또는 모놀리식 세라믹으로 이루어지는 하나 이상의 세라믹 튜브와 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 이루어지는 하나 이상의 지르코늄 튜브를 동심원 형태로 차례로 적층하여 복층으로 만드는 것을 특징으로 한다.The method for producing a zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention for achieving the above object is a concentric circle of at least one ceramic tube made of fibrous ceramic or monolithic ceramic and at least one zirconium tube made of zirconium or zirconium alloy. It is characterized in that it is laminated in sequence to form a multilayer.

본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조방법은 상기 세라믹 튜브와 상기 지르코늄 튜브를 적층법, 삽입법, 그래파이트 튜브 삽입법, 그래파이트 도포법, CVD 코팅법, 접착제에 의한 접합법 중에서 선택된 결합방법으로 결합할 수 있다.
The method for manufacturing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention is selected from the lamination method, the insertion method, the graphite tube insertion method, the graphite coating method, the CVD coating method, and the bonding method by the ceramic tube and the zirconium tube. Can be combined by a joining method.

상술한 것과 같이, 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 지르코늄 튜브와 세라믹 튜브의 복층 구조로 이루어져, 지르코늄의 우수한 인성, 연성, 크립 저항성 및 낮은 흡수성과 세라믹의 우수한 부식저항성, 내열성 및 내식성을 취한다. 따라서 단일 지르코늄 튜브나 단일 세라믹 튜브에 비해 기계적 신뢰성 및 안전성이 우수하여, 경수로 및 중수로 원자력 발전소의 원자로심 내에서 핵연료 피복관 및 구조물 재료로 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the zirconium-ceramic hybrid tube for the nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention is composed of a multilayer structure of zirconium tube and ceramic tube, and has excellent toughness, ductility, creep resistance and low water absorption of ceramic and excellent corrosion resistance and heat resistance of ceramic. And corrosion resistance. Therefore, the mechanical reliability and safety is superior to that of a single zirconium tube or a single ceramic tube, and can be usefully used as a fuel cladding tube and a structure material within the reactor core of a light and heavy water reactor.

또한 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 구조용 재료로 사용될 경우, 핵연료봉의 건전성을 안정적으로 유지하면서 핵연료의 연소도 향상 및 원전 운전 주기 증가에 기여할 수 있다. 따라서 결과적으로 원전의 경제성 및 안전성을 향상시키고, 원전 사고의 위험 및 원전 사고시의 피해를 줄일 수 있다.
In addition, the zirconium-ceramic hybrid tube for the nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention can contribute to improving the combustion of nuclear fuel and increasing the operating cycle of nuclear power, while maintaining the integrity of the nuclear fuel rod stably. Therefore, as a result, it is possible to improve the economics and safety of nuclear power plants, and reduce the risk of nuclear accidents and damages during nuclear accidents.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제 5 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제 6 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 나타낸 평면도이다.
1 is a plan view showing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to a first embodiment of the present invention.
2 is a plan view showing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to a second embodiment of the present invention.
3 is a plan view showing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to a third embodiment of the present invention.
4 is a plan view showing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to a fourth embodiment of the present invention.
5 is a plan view showing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to a fifth embodiment of the present invention.
6 is a plan view showing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to a sixth embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention and a manufacturing method thereof will be described in detail.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.In describing the present invention, the sizes and shapes of the components shown in the drawings may be exaggerated or simplified for clarity and convenience of explanation. In addition, terms that are specifically defined in consideration of the configuration and operation of the present invention may vary depending on the intention or custom of the user or operator. These terms are to be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the contents throughout the present specification.

본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 하나 이상의 세라믹 튜브와 하나 이상의 지르코늄 튜브가 동심원 형태로 차례로 적층된 복층 구조를 갖는다. 세라믹 튜브는 세라믹 섬유를 엮어 만든 섬유형 세라믹 또는 모놀리식 세라믹으로 이루어지고, 지르코늄 튜브는 지르코늄(Zr) 또는 지르코늄 합금으로 이루어진다. 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 지르코늄의 높은 인성과 연성, 낮은 중성자 흡수성과 세라믹의 고온 내식성, 내열성, 크립 저항성 및 높은 열전도성을 모두 취할 수 있어, 종래의 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브에 비해 기계적 신뢰성 및 안전성이 높고 핵연료봉 피복관으로서의 특성이 우수하다.The zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention has a multilayer structure in which one or more ceramic tubes and one or more zirconium tubes are sequentially stacked in a concentric manner. The ceramic tube is made of a fibrous ceramic or monolithic ceramic made of woven ceramic fibers, and the zirconium tube is made of zirconium (Zr) or zirconium alloy. Zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding according to the present invention can take all of the high toughness and ductility of zirconium, low neutron absorption and high temperature corrosion resistance, heat resistance, creep resistance and high thermal conductivity of ceramics, Compared to the zirconium-ceramic hybrid tube, the mechanical reliability and safety are higher, and the characteristics as the fuel rod cladding tube are excellent.

본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는, 내부 세라믹 튜브-외부 지르코늄 튜브, 내부 지르코늄 튜브-외부 세라믹 튜브, 내부 지르코늄 튜브-중간 세라믹 튜브-외부 지르코늄 튜브, 내부 세라믹 튜브-중간 지르코늄 튜브-외부 세라믹 튜브 등 다양한 적층 구조를 가질 수 있다. 그리고 지르코늄 튜브와 세라믹 튜브 사이에는 그래파이트(graphite) 튜브가 개재될 수 있다. 그래파이트 튜브는 중간층 소재로서 지르코늄 튜브와 세라믹 튜브 사이의 결합력을 증진시키는 역할을 한다.The zirconium-ceramic hybrid tube for the fuel rod cladding tube according to the present invention includes an inner ceramic tube-an outer zirconium tube, an inner zirconium tube-an outer ceramic tube, an inner zirconium tube-an intermediate ceramic tube-an outer zirconium tube, an inner ceramic tube-an intermediate zirconium tube It can have various laminated structures, such as an external ceramic tube. In addition, a graphite tube may be interposed between the zirconium tube and the ceramic tube. Graphite tubes serve as an interlayer material to promote bonding between zirconium and ceramic tubes.

지르코늄 튜브의 두께는 세라믹 튜브 두께의 5 ~ 500%인 것이 바람직하다. 지르코늄 튜브의 두께가 세라믹 튜브 두께의 5% 미만일 경우에는 세라믹의 특성이 강해져 중성자 조성하에서 취성으로 인한 파손의 위험이 커진다. 그리고 지르코늄 튜브의 두께가 세라믹 튜브 두께의 500%를 초과하는 경우에는 핵연료봉 피복관으로의 충분한 내열성과 내식성을 확보하지 못하여 고온에서 사용시 교체 주기가 짧아지고 수명이 단축되는 문제가 있다.The thickness of the zirconium tube is preferably 5 to 500% of the thickness of the ceramic tube. If the thickness of the zirconium tube is less than 5% of the thickness of the ceramic tube, the ceramic becomes stronger and the risk of breakage due to brittleness under the neutron composition increases. In addition, when the thickness of the zirconium tube exceeds 500% of the thickness of the ceramic tube, sufficient heat resistance and corrosion resistance to the nuclear fuel rod cladding tube cannot be secured, and thus the replacement cycle is shortened and the life is shortened when used at high temperature.

세라믹 튜브를 구성하는 세라믹 소재로는 SiC-cg, SiC-hi-nic, SiC-Type-s, SiC-Tyranno 등의 SiC계, BN계, TiC계, TiN계, BeO계, ZrN계, ZrC계, 또는 그 이외의 다양한 세라믹 소재가 이용될 수 있다. 세라믹 튜브는 0.01 ~ 0.5cal·cm-1s-1·℃-1의 열전도성을 갖는 것이 바람직하다. 세라믹 튜브의 열전도성이 0.01cal·cm-1s-1·℃-1 미만일 경우에는 열전달 효율이 떨어져 에너지를 효과적으로 전달할 수 없게 되며, 이는 발전 효율의 저하로 이어질 수 있다. 그리고 세라믹 튜브의 열전도성이 0.5cal·cm-1s-1·℃- 1를 초과하는 경우에는 전달되는 열 에너지의 편차가 커지고 열팽창에 의하여 핵연료봉에 무리가 가는 문제가 발생할 수 있다.Ceramic materials constituting the ceramic tube include SiC-Cg, SiC-hi-nic, SiC-Type-s, SiC-Tyranno, SiC-based, BN-based, TiC-based, TiN-based, BeO-based, ZrN-based, and ZrC-based. Various ceramic materials may be used. The ceramic tube preferably has a thermal conductivity of 0.01 to 0.5 cal · cm −1 s −1 · ° C. −1 . If the thermal conductivity of the ceramic tube is less than 0.01cal · cm −1 s −1 · ° C. −1 , the heat transfer efficiency is lowered, and thus, energy cannot be effectively transferred, which may lead to a decrease in power generation efficiency. And thermal conductivity of the ceramic tube is 0.5cal · cm -1 s -1 · ℃ - may result in problems 1 goes stress on the fuel rod by the thermal expansion difference the larger the thermal energy delivered exceeds a.

지르코늄 튜브는 99.99% 순도의 상용 순수 지르코늄이나 지르코늄 함량이 80% 이상인 지르코늄 합금으로 이루어질 수 있다. 지르코늄 함량이 80% 미만인 경우에는 우수한 기계적 신뢰성과 낮은 중성자 흡수성을 갖추지 못하게 되고, 에너지 전달의 효율이 크게 떨어지는 문제가 생길 수 있다. 지르코늄 합금으로는 Zircaloy-4, Zr-Nb-O(M5), Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 등이 이용될 수 있다.Zirconium tubes can be made of commercially pure zirconium with a purity of 99.99% or zirconium alloys containing at least 80% zirconium. If the zirconium content is less than 80%, it may not have excellent mechanical reliability and low neutron absorption, and may cause a problem that the efficiency of energy transfer is greatly reduced. Zircaloy-4, Zr-Nb-O (M5), Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe and the like may be used as the zirconium alloy.

이러한 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 구체적인 구조는 도 1 내지 도 6에 나타낸 것과 같다. 이하에서는 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 다양한 실시예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.The specific structure of the zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention is as shown in Figs. Hereinafter, various embodiments of a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6.

도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(10)(20)는 지르코늄 튜브(11) 및 섬유형 세라믹 튜브(12)의 2층 구조를 갖는 것이다. 본 발명의 제 1 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(10)는 지르코늄 튜브(11)의 외측에 섬유형 세라믹 튜브(12)가 동심원 형태로 적층된 구조를 갖는 것이고, 제 2 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(20)는 섬유형 세라믹 튜브(12)의 외측에 지르코늄 튜브(11)가 동심원 형태로 적층된 구조를 갖는 것이다. 지르코늄 튜브(11)와 섬유형 세라믹 튜브(12)는 다양한 결합 방법을 통해 서로 단단히 결합된다.1 and 2, the zirconium-ceramic hybrid tube 10, 20 for the nuclear fuel rod cladding tube according to the first and second embodiments of the present invention is a zirconium tube 11 and a fibrous ceramic tube 12 ) Has a two-layer structure. The zirconium-ceramic hybrid tube 10 for the nuclear fuel rod cladding tube according to the first embodiment of the present invention has a structure in which the fibrous ceramic tube 12 is concentrically stacked on the outer side of the zirconium tube 11, and the second The zirconium-ceramic hybrid tube 20 for the nuclear fuel rod cladding tube according to the embodiment has a structure in which zirconium tubes 11 are stacked in a concentric manner on the outer side of the fibrous ceramic tube 12. The zirconium tube 11 and the fibrous ceramic tube 12 are firmly bonded to each other through various bonding methods.

도 3에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(30)는 지르코늄 튜브(11)-섬유형 세라믹 튜브(12)-지르코늄 튜브(11)의 3층 구조를 갖는 것이다. 섬유형 세라믹 튜브(12)의 내외면은 내측의 지르코늄 튜브(11) 및 외측의 지르코늄 튜브(11)와 틈새없이 단단히 밀착된다.The zirconium-ceramic hybrid tube 30 for the nuclear fuel rod cladding tube according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 3 has a three-layer structure of a zirconium tube 11-a fibrous ceramic tube 12-a zirconium tube 11 To have. The inner and outer surfaces of the fibrous ceramic tube 12 are tightly adhered to the inner zirconium tube 11 and the outer zirconium tube 11 without any gaps.

도 4에 도시된 본 발명의 제 4 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(40)는 지르코늄 튜브(11)의 외측에 두 개의 세라믹 튜브(13)(12)가 차례로 적층된 3층 구조를 갖는 것이다. 두 개의 세라믹 튜브(13)(12) 중 중간에 배치되는 것은 모노리식 세라믹 튜브(13)이고, 최외측에 배치되는 것은 섬유형 세라믹 튜브(12)이다.In the zirconium-ceramic hybrid tube 40 for the nuclear fuel rod cladding tube according to the fourth embodiment of the present invention shown in FIG. 4, two ceramic tubes 13 and 12 are sequentially stacked on the outer side of the zirconium tube 11. It has a layer structure. The middle of the two ceramic tubes 13, 12 is the monolithic ceramic tube 13, and the outermost is the fibrous ceramic tube 12.

도 5에 도시된 본 발명의 제 5 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(50)는 지르코늄 튜브(11)-그래파이트 튜브(14)-섬유형 세라믹 튜브(12)의 3층 구조를 갖는 것이다. 그래파이트 튜브(14)는 지르코늄 튜브(11)와 섬유형 세라믹 튜브(12) 사이에 개재되어 이들의 결합력을 증가시켜 주는 것으로, 다양한 결합 방법을 통해 지르코늄 튜브(11) 및 섬유형 세라믹 튜브(12)와 틈새없이 단단히 결합된다.The zirconium-ceramic hybrid tube 50 for the nuclear fuel rod cladding tube according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. 5 has a three-layer structure of a zirconium tube 11-graphite tube 14-fibrous ceramic tube 12 To have. The graphite tube 14 is interposed between the zirconium tube 11 and the fibrous ceramic tube 12 to increase their bonding force, and the zirconium tube 11 and the fibrous ceramic tube 12 through various bonding methods. And tightly combined without gaps.

도 6에 도시된 본 발명의 제 6 실시예에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(60)는 지르코늄 튜브(11)-그래파이트 튜브(14)-모노리식 세라믹 튜브(13)-섬유형 세라믹 튜브(12)의 4층 구조를 갖는 것이다. 이러한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브(60)는 그래파이트 튜브(14)의 개재로 지르코늄 튜브(11)와 모노리식 세라믹 튜브(13) 사이의 결합력이 보다 우수하고, 두 개의 세라믹 튜브(12)(13)를 구비하므로 세라믹 소재의 특성인 고온 내식성, 내연성, 크립 저항성, 열전도성이 우수하다.A zirconium-ceramic hybrid tube 60 for a nuclear fuel rod cladding tube according to a sixth embodiment of the present invention shown in FIG. 6 is a zirconium tube 11-graphite tube 14-monolithic ceramic tube 13-fibrous ceramic The tube 12 has a four-layer structure. The zirconium-ceramic hybrid tube 60 for the nuclear fuel rod cladding tube has an excellent bonding force between the zirconium tube 11 and the monolithic ceramic tube 13 through the graphite tube 14, and the two ceramic tubes 12. Since (13) is provided, it is excellent in the high temperature corrosion resistance, flame resistance, creep resistance, and thermal conductivity which are the characteristics of a ceramic material.

상술한 것과 같이, 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 지르코늄 튜브와 세라믹 튜브의 복층 구조로 이루어져, 지르코늄의 우수한 인성과 연성 및 낮은 흡수성과 세라믹의 우수한 부식저항성, 내열성 및 내식성을 모두 취한다. 따라서 단일 지르코늄 튜브나 단일 세라믹 튜브에 비해 기계적 신뢰성 및 안전성이 우수하여, 경수로 및 중수로 원자력 발전소의 원자로심 내에서 핵연료 피복관 및 구조물 재료로 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention is composed of a multilayer structure of zirconium tube and ceramic tube, and has excellent toughness and ductility and low water absorption of zirconium and excellent corrosion resistance, heat resistance and corrosion resistance of ceramic. Take it all. Therefore, the mechanical reliability and safety is superior to that of a single zirconium tube or a single ceramic tube, and can be usefully used as a fuel cladding tube and a structure material within the reactor core of a light and heavy water reactor.

또한 본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 구조용 재료로 사용될 경우 핵연료봉의 건전성을 안정적으로 유지하면서 핵연료의 연소도 향상 및 원전 운전 주기 증가에 기여할 수 있다. 따라서 원전의 경제성 및 안전성을 향상시키고, 원전 사고의 위험 및 원전 사고시의 피해를 줄일 수 있다.In addition, the zirconium-ceramic hybrid tube for the nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention can contribute to improving the combustion of nuclear fuel and increasing the operating cycle of nuclear power while maintaining the integrity of the nuclear fuel rod when used as a structural material. Therefore, it is possible to improve the economics and safety of nuclear power plants, and to reduce the risk of nuclear accidents and damages during nuclear accidents.

본 발명에 의한 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 구성하는 지르코늄 튜브 및 세라믹 튜브는 다양한 결합 방법을 통해 서로 결합될 수 있다. 지르코늄 튜브 및 세라믹 튜브의 결합은 접착에 의한 물리적인 인력, 새로운 상의 생성을 수반하는 화학적인 고상반응, 표면확산, 부피확산, 입자성장 등의 여러 가지 물질 전달에 의한 소결현상, 액상으로부터의 결정화 및 액상에 의한 용해, 접합 계면에서의 상호 확산에 의해 이루어질 수 있다. 구체적인 결합방법으로는 아래와 같은 적층법, 삽입법, 그래파이트 튜브 삽입법, 그래파이트 도포법, CVD 코팅법, 접착제에 의한 접합법이 있다. 이 밖에도 마이크로파 접합법, 브레이징 접합법 등 다양한 방법이 지르코늄 튜브 및 세라믹 튜브의 결합에 이용될 수 있다.The zirconium tube and ceramic tube constituting the zirconium-ceramic hybrid tube for the nuclear fuel rod cladding tube according to the present invention can be bonded to each other through various bonding methods. The combination of zirconium tube and ceramic tube is characterized by physical attraction due to adhesion, chemical solid-phase reactions involving the formation of new phases, sintering by various mass transfer such as surface diffusion, volume diffusion, particle growth, crystallization from liquid phase, It can be made by dissolution by a liquid phase and interdiffusion at the bonding interface. Specific bonding methods include the following lamination method, insertion method, graphite tube insertion method, graphite coating method, CVD coating method, and bonding method using an adhesive. In addition, various methods such as microwave bonding and brazing bonding may be used to join the zirconium tube and the ceramic tube.

적층법으로는, 지르코늄 튜브 상에 순차적으로 세라믹 튜브를 겹친 후 고압 공정을 거쳐 접합시키는 방법, 지르코늄 튜브 상에 그리드(grid) 형태로 엮은 세라믹 섬유를 피복한 후 고압 공정 및 가공을 통해 접합시키는 방법, 지르코늄 튜브 상에 축을 따라 세라믹 섬유를 치밀하게 감은 후 고압 공정 및 가공을 통해 접합시키는 방법 등이 있다.In the lamination method, a method of laminating a ceramic tube sequentially on a zirconium tube and then joining it through a high pressure process, or coating a ceramic fiber woven in a grid form on a zirconium tube and joining it through a high pressure process and processing. And densely wound ceramic fibers along the axis on a zirconium tube and then joining them through a high pressure process and processing.

삽입법은 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브 상에 지르코늄 튜브 또는 세라믹 튜브를 고압 삽입시켜 접합시키는 방법으로, 각 튜브의 사이의 틈을 최대한 밀집시킬 수 있는 결합방법이다.Insertion method is a method of joining the zirconium tube or ceramic tube by high pressure insertion on the ceramic tube or zirconium tube, it is a bonding method that can close the gap between each tube as close as possible.

그래파이트 튜브 삽입법은 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브 상에 그래파이트 튜브를 삽입하여 고압으로 고정시킨 후, 그래파이트 튜브 내에 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브를 삽입하여 고정하는 결합방법이다.Graphite tube insertion method is a bonding method for inserting a graphite tube on a ceramic tube or zirconium tube to fix the high pressure, then inserting and fixing a ceramic tube or zirconium tube in the graphite tube.

그래파이트 도포법은 그래파이트 분말을 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브 표면 위에 균질하게 도포한 후, 고압으로 삽입하는 방법으로 각 튜브 사이의 틈을 그래파이트로 완충하여 접합하는 방법이다.Graphite coating is a method of homogeneously applying graphite powder on the surface of a ceramic tube or zirconium tube, and then inserting it at high pressure to buffer the gaps between the tubes with graphite to bond them.

CVD 코팅법은 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브를 반응실 안에 넣고 가스를 공급하여 열, 플라즈마를 이용하여 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브 상에 세라믹 또는 지르코늄을 증착(solid deposition)하는 방법이다.The CVD coating method is a method of depositing ceramic or zirconium on a ceramic tube or zirconium tube using heat and plasma by placing a ceramic tube or zirconium tube in a reaction chamber and supplying gas.

접착제에 의한 접합법은 페놀, 폴리아미드, 실리콘, 에폭시 등을 이용한 접착제를 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브 상에 균질하게 도포한 후 세라믹 튜브 또는 지르코늄 튜브를 고정시키는 방법이다.
Bonding method using an adhesive is a method of uniformly applying an adhesive using a phenol, polyamide, silicone, epoxy, etc. on a ceramic tube or zirconium tube, and then fixing the ceramic tube or zirconium tube.

이하에서는, 본 발명을 실시예 및 시험예에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on Examples and Test Examples.

아래의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 실시예로 한정되는 것은 아니다. 아래의 실시예들에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브와, 비교예에 의한 튜브는 길이 366cm, 외경 11.5mm, 내경 10.16mm를 갖도록 제작되었다.
The following examples are merely illustrative of the present invention, the present invention is not limited to the examples. The zirconium-ceramic hybrid tube according to the following examples and the tube according to the comparative example were manufactured to have a length of 366 cm, an outer diameter of 11.5 mm, and an inner diameter of 10.16 mm.

실시예Example 1:  One: SiCSiC 세라믹 재료와  With ceramic materials ZrZr -1-One NbNb -1-One SnSn -0.1-0.1 FeFe 합금을  Alloy 적층법으로By lamination 제작한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브 Zirconium-Ceramic Hybrid Tube

SiC(Silicon Carbide) 세라믹 튜브와 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 지르코늄 합금 튜브를 적층법으로 접합하여 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 제조하였다. 이러한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조 과정은 다음과 같다.A zirconium-ceramic hybrid tube was manufactured by bonding a SiC (silicon carbide) ceramic tube and a Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe zirconium alloy tube by lamination. The manufacturing process of such a zirconium-ceramic hybrid tube is as follows.

a) SiC 세라믹 튜브를 튜브 홀더에 고정시키는 단계a) securing the SiC ceramic tube to the tube holder

b) 고정된 SiC 세라믹 튜브 내에 액체 용융 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 합금을 장입하는 단계b) charging a liquid molten Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe alloy in a fixed SiC ceramic tube

c) 튜브 홀더를 고속 회전시킴으로써 액체 용융 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 합금을 SiC 튜브와 접합하고 냉각시키는 단계c) bonding and cooling the liquid molten Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe alloy with the SiC tube by rotating the tube holder at high speed;

여기에서, SiC 세라믹 튜브와 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 지르코늄 합금 튜브는 두께비 5:5의 동일한 두께를 갖는다.Here, the SiC ceramic tube and the Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe zirconium alloy tube have the same thickness with a thickness ratio of 5: 5.

실시예 1에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 성능을 확인하기 위하여 단일 SiC 세라믹 튜브, Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 지르코늄 합금 튜브 및 실시예 1에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브에 대한 각각의 인장강도와 연성 및 파괴인성을 측정하고 이들을 측정 결과값을 비교하였다. 이들 각 튜브에 대한 인장강도와 연성은 상온 및 고온(600℃)에서 Universal Materials Testing Machine(UNITED, US/SSTM) 장비를 이용하여 측정하였고, 파괴인성은 상온에서 Nano Indentation System(MTS U.S.A)을 이용하여 측정하였으며, 그 측정 결과는 아래의 표 1에 나타낸 것과 같다.In order to confirm the performance of the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 1, the tensile strength of each SiC ceramic tube, Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe zirconium alloy tube and the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 1 The ductility and fracture toughness were measured and these were compared with the measurement results. Tensile strength and ductility of each tube were measured using Universal Materials Testing Machine (UNITED, US / SSTM) at room temperature and high temperature (600 ℃), and fracture toughness using Nano Indentation System (MTS USA) at room temperature. The measurement results are shown in Table 1 below.

인장강도 측정 결과, SiC 튜브는 약 590MPa, Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 지르코늄 합금 튜브는 약 850MPa, 본 발명의 실시예 1에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 약 660MPa의 인장강도 값을 나타내었다. 이러한 측정 결과를 분석해 보면, 본 발명에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 세라믹 재료에 비해 인장강도가 우수함을 알 수 있었다. 특히 본 발명의 실시예 1에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 고온에서의 인장강도는 지르코늄 합금 튜브의 인장강도보다 커 내열성이 우수함을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 세라믹 재료의 장점과 지르코늄 재료의 장점을 모두 취하고 있음을 확인할 수 있다.As a result of tensile strength measurement, SiC tube showed about 590 MPa, Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe zirconium alloy tube showed about 850 MPa, and the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 1 of the present invention showed a tensile strength value of about 660 MPa. Analysis of the measurement results, it was found that the zirconium-ceramic hybrid tube according to the present invention is superior in tensile strength than the ceramic material. In particular, it can be seen that the tensile strength at high temperature of the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 1 of the present invention is greater than that of the zirconium alloy tube, which is excellent in heat resistance. As a result, it can be seen that the zirconium-ceramic hybrid tube according to the present invention takes advantage of both the ceramic material and the zirconium material.

파괴인성 측정 결과, SiC 튜브의 파괴인성은 약 2.5Mpa/m2이고, Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 지르코늄 합금 튜브의 파괴인성은 약 65Mpa/m2인 것으로 나타났다. 그리고 실시예 1에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 파괴인성은 약 51.7Mpa/m2로 측정되어, 본 발명에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 세라믹 재료의 문제점인 낮은 파괴인성을 크게 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다.
Fracture toughness measurements showed that the fracture toughness of the SiC tube was about 2.5 Mpa / m 2 and the fracture toughness of the Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe zirconium alloy tube was about 65 Mpa / m 2 . In addition, the fracture toughness of the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 1 was measured to be about 51.7 Mpa / m 2 , indicating that the zirconium-ceramic hybrid tube according to the present invention can greatly improve low fracture toughness, which is a problem of ceramic materials. I could confirm it.

실시예Example 2 :  2 : SiCSiC 세라믹 튜브에 그래파이트를 도포 후 가공된  After applying graphite to the ceramic tube, ZrZr -1-One NbNb -1-One SnSn -0.1Fe 튜브를 접합하여 제작한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브Zirconium-Ceramic Hybrid Tubing Fabricated by Bonding -0.1Fe Tubes

SiC 세라믹 튜브 외부 표면에 그래파이트를 도포한 뒤 가공된 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브를 접합하여 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 제조하였다. 이러한 SiC-graphite-Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조 과정은 다음과 같다. A zirconium-ceramic hybrid tube was prepared by applying graphite to the SiC ceramic tube outer surface and then joining the processed Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube. The manufacturing process of the SiC-graphite-Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe zirconium-ceramic hybrid tube is as follows.

a) SiC 세라믹 튜브를 홀더에 고정시키는 단계a) securing the SiC ceramic tube to the holder

b) 고정된 SiC 세라믹 튜브의 외부 표면에 그래파이트를 도포하는 단계b) applying graphite to the outer surface of the fixed SiC ceramic tube

c) Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브를 가공하여 기계적 특성을 향상시키는 단계c) improving Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube to improve mechanical properties

d) 그래파이트가 도포된 SiC 튜브 위에 가공된 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브를 접합하는 단계d) bonding the processed Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube onto the graphite coated SiC tube

실시예 2에 의한 SiC-Graphite-Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 상온 및 고온(600℃)에서의 인장강도 측정 결과(Universal Materials Testing Machine(UNITED, US/SSTM) 장비를 이용)와, 파괴인성 측정 결과(Nano Indentation System(MTS U.S.A)을 이용)는 아래의 표 1에 나타낸 것과 같다. 실시예 2에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 인장강도 및 파괴인성 측정 결과를 살펴보면, 실시예 2에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 세라믹 재료에 비해 높은 파괴인성을 갖고, 고온에서의 인장강도가 지르코늄 합금 튜브의 인장강도보다 커 세라믹 재료의 장점과 지르코늄 재료의 장점을 모두 취하고 있음을 확인할 수 있다.
Tensile strength measurement results at room temperature and high temperature (600 ℃) of the SiC-Graphite-Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 2 (Universal Materials Testing Machine (UNITED, US / SSTM) equipment ) And fracture toughness measurement results (using Nano Indentation System (MTS USA)) are shown in Table 1 below. Examining the tensile strength and fracture toughness of the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 2, the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 2 has a higher fracture toughness than the ceramic material, and the tensile strength at high temperature is a zirconium alloy The tensile strength of the tube is greater than that of the ceramic material and the zirconium material.

실시예Example 3 : 가공된  3: processed ZrZr -1-One NbNb -1-One SnSn -0.1-0.1 FeFe 튜브에 섬유로 엮은  Woven into the tube SiCSiC 세라믹을  Ceramic 피복covering 시킨 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브Zirconium-Ceramic Hybrid Tube

가공된 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브의 외부 표면에 섬유 구조로 이루어진 SiC 세라믹을 피복시켜 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브를 제조하였다. 이러한 실시예 3에 의한 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-SiC(fiber) 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조 과정은 다음과 같다. A zirconium-ceramic hybrid tube was prepared by coating a SiC ceramic having a fiber structure on the outer surface of the processed Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube. The preparation process of Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-SiC (fiber) zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 3 is as follows.

a) Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브를 가공하여 기계적 특성을 향상시키는 단계a) improving the mechanical properties by processing Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube

b) Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브를 홀더에 고정시키는 단계b) securing the Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube to the holder

c) 고정된 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브의 외부 표면에 섬유 구조 SiC를 피복시키는 단계c) coating the fiber structure SiC on the outer surface of the fixed Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube

실시예 3에 의한 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-SiC(fiber) 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 상온 및 고온(600℃)에서의 인장강도 측정 결과(Universal Materials Testing Machine(UNITED, US/SSTM) 장비를 이용)와, 파괴인성 측정 결과(Nano Indentation System(MTS U.S.A)을 이용)는 아래의 표 1에 나타낸 것과 같다. 실시예 3에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 인장강도 및 파괴인성 측정 결과를 살펴보면, 실시예 3에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 세라믹 재료에 비해 높은 파괴인성을 갖고, 고온에서의 인장강도가 지르코늄 합금 튜브의 인장강도보다 커 세라믹 재료의 장점과 지르코늄 재료의 장점을 모두 취하고 있음을 확인할 수 있다.
Tensile strength measurement results at room temperature and high temperature (600 ℃) of Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-SiC (fiber) zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 3 (Universal Materials Testing Machine (UNITED, US / SSTM) equipment ) And fracture toughness measurement results (using Nano Indentation System (MTS USA)) are shown in Table 1 below. Examining the tensile strength and fracture toughness of the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 3, the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 3 had a higher fracture toughness and a higher tensile strength at high temperature than the ceramic material. The tensile strength of the tube is greater than that of the ceramic material and the zirconium material.

실시예Example 4 : 가공된  4: processed ZrZr -1-One NbNb -1-One SnSn -0.1-0.1 FeFe 튜브에 그래파이트를 도포 후 섬유로 엮은  Apply graphite to the tube and weave with fiber SiCSiC To 피복시킨Coated 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브 Zirconium-Ceramic Hybrid Tube

가공된 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브의 외부 표면에 그래파이트를 도포한 후 섬유 구조의 SiC 세라믹을 피복시켜 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-graphite-SiC(fiber) 지르코늄 하이브리드 하이브리드 튜브를 제조하였다. 이러한 실시예 4에 의한 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-graphite-SiC(fiber) 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조 과정은 다음과 같다. Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-graphite-SiC (fiber) zirconium hybrid hybrid tube was prepared by coating graphite on the outer surface of the processed Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube and then coating the SiC ceramic having a fiber structure. . The manufacturing process of Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-graphite-SiC (fiber) zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 4 is as follows.

a) Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브를 가공하여 기계적 특성을 향상시키는 단계a) improving the mechanical properties by processing Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube

b) Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브를 홀더에 고정시키는 단계b) securing the Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube to the holder

c) 고정된 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브의 외부 표면에 그래파이트를 도포하는 단계c) applying graphite to the outer surface of the fixed Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube

d) 그래파이트가 도포된 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe 튜브 위에 섬유 구조 SiC를 피복하는 단계d) coating the fiber structure SiC on the graphite coated Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe tube

실시예 4에 의한 Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-Graphite-SiC(fiber) 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 상온 및 고온(600℃)에서의 인장강도 측정 결과(Universal Materials Testing Machine(UNITED, US/SSTM) 장비를 이용)와, 파괴인성 측정 결과(Nano Indentation System(MTS U.S.A)을 이용)는 아래의 표 1에 나타낸 것과 같다. 실시예 4에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 인장강도 및 파괴인성 측정 결과를 살펴보면, 실시예 4에 의한 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브는 세라믹 재료에 비해 높은 파괴인성을 갖고, 고온에서의 인장강도가 지르코늄 합금 튜브의 인장강도보다 커 세라믹 재료의 장점과 지르코늄 재료의 장점을 모두 취하고 있음을 확인할 수 있다.
Tensile strength measurement results at room temperature and high temperature (600 ° C.) of Zr-1Nb-1Sn-0.1Fe-Graphite-SiC (fiber) zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 4 (Universal Materials Testing Machine (UNITED, US / SSTM) ) And the fracture toughness measurement results (using Nano Indentation System (MTS USA)) are shown in Table 1 below. The tensile strength and fracture toughness measurement results of the zirconium-ceramic hybrid tube according to Example 4 were examined. The tensile strength of the tube is greater than that of the ceramic material and the zirconium material.

Figure pat00001
Figure pat00001

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
The embodiments of the present invention described above and shown in the drawings should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art can improve and modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, these modifications and variations are intended to fall within the scope of the present invention as long as it is obvious to those skilled in the art.

10 ~ 60 : 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브
11 : 지르코늄 튜브 12 : 섬유형 세라믹 튜브
13 : 모노리식 세라믹 튜브 14 : 그래파이트 튜브
10 to 60: Zirconium-Ceramic Hybrid Tube for Nuclear Fuel Rod Cladding
11: zirconium tube 12: fibrous ceramic tube
13: monolithic ceramic tube 14: graphite tube

Claims (10)

섬유형 세라믹 또는 모놀리식 세라믹으로 이루어지는 세라믹 튜브; 및
지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 이루어지는 지르코늄 튜브를 포함하고,
하나 이상의 상기 세라믹 튜브와 하나 이상의 상기 지르코늄 튜브가 동심원 형태로 차례로 적층되어 복층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브.
Ceramic tubes made of fibrous ceramics or monolithic ceramics; And
A zirconium tube made of zirconium or zirconium alloy,
A zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding, wherein at least one ceramic tube and at least one zirconium tube are sequentially stacked in a concentric manner.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 튜브와 상기 지르코늄 튜브 사이에 개재되어 상기 세라믹 튜브와 상기 지르코늄 튜브의 결합력을 높여주는 그래파이트 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브.
The method of claim 1,
A zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding, further comprising a graphite tube interposed between the ceramic tube and the zirconium tube to increase the bonding force between the ceramic tube and the zirconium tube.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 튜브는 SiC계, BN계, TiC계, TiN계, BeO계, ZrN계, ZrC계로 이루어지는 세라믹 군에서 선택되는 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브.
The method of claim 1,
The ceramic tube is a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube, characterized in that the ceramic selected from the ceramic group consisting of SiC-based, BN-based, TiC-based, TiN-based, BeO-based, ZrN-based, ZrC-based.
제 1 항에 있어서,
상기 세라믹 튜브는 0.01 ~ 0.5 cal·cm-1s-1·℃-1의 열전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브.
The method of claim 1,
The ceramic tube is a zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding tube, characterized in that it has a thermal conductivity of 0.01 ~ 0.5 cal · cm −1 s −1 · ° C. −1 .
제 1 항에 있어서,
상기 지르코늄 튜브는 지르코늄을 80% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브.
The method of claim 1,
The zirconium tube is a zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding, characterized in that containing at least 80% zirconium.
섬유형 세라믹 또는 모놀리식 세라믹으로 이루어지는 하나 이상의 세라믹 튜브와 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 이루어지는 하나 이상의 지르코늄 튜브를 동심원 형태로 차례로 적층하여 복층으로 만드는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조방법.
Fabrication of a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube by stacking one or more ceramic tubes made of fibrous or monolithic ceramics and one or more zirconium tubes made of zirconium or zirconium alloy in a concentric manner in order to form a multilayer Way.
제 6 항에 있어서,
상기 세라믹 튜브와 상기 지르코늄 튜브를 적층법, 삽입법, 그래파이트 튜브 삽입법, 그래파이트 도포법, CVD 코팅법, 접착제에 의한 접합법 중에서 선택된 결합방법으로 결합하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조방법.
The method according to claim 6,
A zirconium-ceramic hybrid for nuclear fuel rod cladding tube, wherein the ceramic tube and the zirconium tube are joined by a bonding method selected from a lamination method, an insertion method, a graphite tube insertion method, a graphite coating method, a CVD coating method, and an adhesive bonding method. Method of manufacturing the tube.
제 6 항에 있어서,
상기 세라믹 튜브는 SiC계, BN계, TiC계, TiN계, BeO계, ZrN계, ZrC계로 이루어지는 세라믹 군에서 선택되는 세라믹으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조방법.
The method according to claim 6,
The ceramic tube is a method for producing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube, characterized in that the ceramic selected from the ceramic group consisting of SiC-based, BN-based, TiC-based, TiN-based, BeO-based, ZrN-based, ZrC-based.
제 6 항에 있어서,
상기 세라믹 튜브는 0.01 ~ 0.5 cal·cm-1s-1·℃-1의 열전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조방법.
The method according to claim 6,
Said ceramic tube has a thermal conductivity of 0.01 to 0.5 cal · cm −1 s −1 · ° C. −1 , and a method for producing a zirconium-ceramic hybrid tube for a nuclear fuel rod cladding tube.
제 6 항에 있어서,
상기 지르코늄 튜브는 지르코늄을 80% 이상 함유하는 것을 특징으로 하는 핵연료봉 피복관용 지르코늄-세라믹 하이브리드 튜브의 제조방법.
The method according to claim 6,
The zirconium tube is a method for producing a zirconium-ceramic hybrid tube for nuclear fuel rod cladding, characterized in that containing at least 80% zirconium.
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