KR20140047425A - The particle type metallic fuel pellet and a method of manufacture thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a pellet for a particulate metal fuel used in the manufacture of nuclear fuel and a method for producing the same and, more specifically, to a pellet for a particulate metal fuel and a method for producing the same, mixed with spherical particles and a binder produced by uranium or uranium alloy and bonded with the spherical particles and the binder through pressure or heat treatment. According to the pellet for the particulate metal fuel and the method for producing the same of the present invention enables the production of pellets for the particulate metal fuel to improve the productivity of the nuclear fuel for a fast reactor, to reduce the generation of waste, to improve the remote production when recycling the nuclear fuel after the use, and to prevent the loss of volatility elements such as americium.

Description

입자형 금속 핵연료용 펠렛 및 이의 제조방법{THE PARTICLE TYPE METALLIC FUEL PELLET AND A METHOD OF MANUFACTURE THEREOF}Pellet for Particle Metal Nuclear Fuel and Manufacturing Method Thereof {THE PARTICLE TYPE METALLIC FUEL PELLET AND A METHOD OF MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 핵연료를 제조에 사용되는 입자형 금속 핵연료용 펠렛 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우라늄 또는 우라늄 합금으로 제조된 구형입자와 결합제를 혼합하고, 가압 또는 열처리를 통해서 구형입자와 결합제를 결합시킨 입자형 금속 핵연료용 펠렛 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a pellet for a particulate metal fuel used in the manufacture of nuclear fuel and a method for producing the same, and more particularly, to mix spherical particles and a binder made of uranium or an uranium alloy, and to form spherical particles through pressure or heat treatment. The present invention relates to a pellet for a particulate metal fuel in which a binder is bound, and a method for manufacturing the same.

고속로는 열중성자를 활용하는 경수로와 달리 고속중성자를 활용하므로 우라늄 자원의 활용률이 높으며, 사용 후 핵연료에 포함되어 있는 Pu, Np, Am, Cm등 장수명 핵종의 소멸처리가 가능하다. 현재 고속로용 핵연료로는 (U,Pu)O2와 같은 세라믹이 주로 사용되고 있으나 차세대 고속로의 개발을 위해 U-Zr, U-Pu-Zr과 같은 금속 핵연료를 개발하고자 연구가 진행되고 있다. 금속 핵연료는 세라믹 핵연료보다 우라늄 밀도가 높고, 열전도도가 높기 때문에 낮은 핵연료 온도에서 높은 중성자 에너지를 활용하는 것이 가능한 장점이 있다. 그러나 조사에 의한 팽윤량이 크고 핵분열 기체방출 속도가 높기 때문에 충분한 핵연료 팽창 공간 및 핵분열 기체의 저장 공간을 확보하기 위해 피복관의 직경 및 길이의 최적 설계가 중요하다. 현재까지 연구 결과에 의하면 핵연료 심의 단면적이 피복관 내경 단면적의 약 75% 정도 되도록 피복관과 핵연료심 사이에 공간을 확보해 주어야 핵연료의 팽윤으로 인한 피복관의 파손을 방지할 수 있다. 이로 인해 핵연료로부터 냉각재로의 열전달이 감소하고 비대칭화 될 수 있으므로 피복관 내에 액체금속 소듐을 장입하여 열전달 매체로 사용하고 있다. Unlike high-speed reactors using thermal neutrons, high-speed neutrons have high utilization of uranium resources and are capable of extinguishing long-life nuclides such as Pu, Np, Am, and Cm contained in spent fuel. Currently, ceramics such as (U, Pu) O 2 are mainly used as fuels for high-speed reactors, but research is being conducted to develop metal fuels such as U-Zr and U-Pu-Zr for the development of next-generation high-speed reactors. Since metal fuel has a higher uranium density and higher thermal conductivity than ceramic fuel, it is possible to utilize high neutron energy at low fuel temperature. However, the optimal design of the diameter and length of the cladding tube is important to secure sufficient fuel expansion space and fission gas storage space because the amount of swelling caused by irradiation and the fission gas release rate are high. To date, research has shown that the space between the cladding and the fuel core should be secured so that the cross section of the nuclear fuel core is about 75% of the inner diameter of the cladding tube to prevent the breakage of the cladding due to swelling of the fuel. As a result, heat transfer from the nuclear fuel to the coolant may be reduced and asymmetrical, so that liquid metal sodium is charged into the cladding tube and used as a heat transfer medium.

소듐냉각고속로는 금속인 소듐(Na)을 냉각재로 사용하는 액체금속로(Liquid Metal Reactor)로서 고속중성자 스펙트럼 순환 연료주기를 갖고, 액티나이드 재활용 주기에서 금속(우라늄-플루토늄-마이너 액티나이드-지르코늄) 연료 또는 MOX(우라늄-플루토늄 산화)연료를 사용할 수 있다. 나아가, 상기 소듐냉각고속로의 출력은 모듈형의 수백 MWe급에서 1500-1700MWe에 이르기까지 다양한 크기로 개발될 수 있다. 특히 소듐냉각고속로는 연료를 반복해서 재활용함으로써 우라늄 자원을 60배 이상으로 활용할 수 있고 방사성폐기물의 양도 획기적으로 줄일 수 있다.The Sodium Cooling Express is a liquid metal reactor that uses sodium (Na) as a coolant, and has a fast neutron spectral cycle fuel cycle and a metal (uranium-plutonium-minor actinide-zirconium) in the actinide recycling cycle. ) Fuel or MOX (uranium-plutonium oxide) fuel may be used. Furthermore, the output of the sodium cooling fastway can be developed in various sizes ranging from several hundred MWe class to 1500-1700 MWe modular. In particular, the sodium cooling expressway can utilize uranium resources more than 60 times by repeatedly recycling fuels, and dramatically reduce the amount of radioactive waste.

고속로는 고속 중성자를 활용하여 사용 후 핵연료 내에 존재하는 장수명 핵종을 연소할 수 있기 때문에 사용 후 핵연료의 재활용하여 핵연료를 제조하는 방안이 고려되고 있다. 이를 위해서는 핵연료 생산 시 방사선이 차폐될 수 있는 핫셀 시설에서 원격으로 핵연료를 제조하는 것이 필요하며, 생산 공정에서 발생하는 폐기물을 최소화하는 것이 중요하다. 또한 장수명 핵종 중 아메리슘과 같이 휘발성이 높은 원소들의 휘발을 억제하고, 제조 수율이 높은 주조 방법을 개발하여야 한다. 현재 금속 핵연료의 제조 공정으로는 수십 cm 길이의 봉 형태의 연료심이 제조할 수 있는 진공 사출 주조법이 사용되고 있다. Since the high-speed furnace can burn long-lived nuclides present in spent nuclear fuel by using high-speed neutrons, a method for manufacturing nuclear fuel by recycling spent nuclear fuel is being considered. To do this, it is necessary to manufacture nuclear fuel remotely at a hot cell facility where radiation can be shielded during nuclear fuel production, and it is important to minimize waste generated in the production process. In addition, volatilization of highly volatile elements such as americium among long-life nuclides should be suppressed and a casting method with high manufacturing yield should be developed. Currently, a vacuum injection casting method that can manufacture a fuel core having a rod shape of several tens of centimeters in length is used as a manufacturing process of metal nuclear fuel.

상술한 바와 같이 소듐냉각고속로의 핵연료로 금속핵연료가 개발 중이며 현재까지는 우라늄 합금을 진공 용해 주조하는 방법을 사용하여 제조되고 있다. As described above, metal fuel is being developed as a nuclear fuel for sodium cooling fastener and has been manufactured using a method of vacuum melting casting of uranium alloy.

기존의 용해 주조법에 따르면 석영관에 핵연료를 장입하는 방식으로 초장주기 방사성 폐기물이 많이 발생하게 되며, 진공에서 용해시 아메리슘 등 장반감기 휘발성 원소들이 증발하여 손실되는 문제점이 있다.According to the existing melt casting method, a lot of ultra long cycle radioactive wastes are generated by charging nuclear fuel into a quartz tube, and long-lived volatile elements such as americium are lost by evaporation when dissolved in a vacuum.

또한, 소듐냉각고속로의 핵연료는 플루토늄, 아메리슘 등 초우라늄 원소들을 함유하게 되므로 원격 제조가 용이해야 하며, 핵연료 생산 시 폐기물이 적게 발생하여야 하는 요구사항이 존재한다.
In addition, since the nuclear fuel of the sodium cooling fast reactor contains ultra-uranium elements such as plutonium and americium, it is required to be easily manufactured remotely, and there is a requirement that less waste is generated in fuel production.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 우라늄 또는 우라늄 합금으로 제조된 구형입자를 사용한 고속로용 금속 핵연료용 펠렛을 제조하여 기존 용해주조시 발생하는 석영관 폐기물을 저감하고, 원격 제조성을 향상시키며, 장반감기 휘발성 원소의 손실을 최소화하고자 하는 데에 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, an object of the present invention is to manufacture pellets for metal fuel for high-speed reactors using spherical particles made of uranium or uranium alloy, waste generated during the existing melt casting To reduce the loss, improve remote manufacturability, and minimize the loss of long-lived volatile elements.

또한, 본 발명의 목적은 제조된 펠렛을 피복관 튜브 내에 장입하여 고속로용 핵연료로 사용하는 데에 있다.
In addition, an object of the present invention is to charge the prepared pellets into the cladding tube to use as a fuel for high-speed reactor.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 우라늄 또는 우라늄 합금을 이용하여 제조된 구형입자; 상기 구형입자의 입자간 결합을 유도하는 유기바인더 또는 금속분말을 포함하는 결합제; 상기 구형입자와 결합제를 혼합하여 몰드 또는 피복관에 장입하고 가압 및/또는 열처리하는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛을 제공한다.The present invention to achieve the above object is spherical particles prepared using uranium or uranium alloy; A binder comprising an organic binder or a metal powder for inducing interparticle bonding of the spherical particles; It provides a pellet for the particulate metal fuel, characterized in that the spherical particles and the binder is mixed and charged into a mold or cladding tube and pressurized and / or heat treatment.

또한, 본 발명은 우라늄 또는 우라늄 합금을 혼합하여 구형입자를 제조하는 단계(S1단계); S1단계에서 제조된 구형입자들과 유기바인더 또는 금속분말을 포함하는 결합제를 혼합시키는 단계(S2단계); S2단계에서 혼합된 입자들을 몰드 또는 피복관에 장입하는 단계(S3단계); S3단계에서 장입된 입자들을 10 MPa 내지 1 GPa의 범위로 가압 및/또는 700도 내지 1500도 범위로 진동 또는 불활성 분위기에서 열처리하여 펠렛을 형성하는 단계(S4단계); 및 S4단계 후, 몰드 또는 피복관에 형성된 펠렛을 회수하는 단계(S5단계);를 포함하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조방법을 제공한다.
In addition, the present invention is to prepare a spherical particles by mixing uranium or uranium alloy (step S1); Mixing the spherical particles prepared in step S1 with a binder including an organic binder or a metal powder (step S2); Charging the particles mixed in the step S2 into a mold or a coating tube (step S3); Forming pellets by pressing particles charged in step S3 in a range of 10 MPa to 1 GPa and / or heat-treating in a vibration or inert atmosphere in a range of 700 to 1500 degrees (step S4); And after step S4, recovering the pellets formed in the mold or the cladding tube (step S5).

본 발명에 따른 입자형 금속 핵연료용 펠렛 및 이의 제조방법에 따르면 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조를 가능하게 하여 고속로용 핵연료 제조의 생산성을 향상시키고, 폐기물 발생량을 감소시키며, 사용 후 핵연료 재활용시 원격 제조성을 향상시키고, 아메리슘과 같은 휘발성 원소의 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, the particulate metal fuel pellet and the method for producing the same can be prepared for the pellet fuel for the particulate metal fuel, thereby improving the productivity of the fuel for the high-speed reactor, reducing the amount of waste generated, and recycling the spent fuel. There is an effect of improving remote manufacturability and preventing the loss of volatile elements such as americium.

또한, 제조상의 단점을 극복하여 금속 핵연료 우수성 활용가능성을 증진시킬 수 있으며, 상기 펠렛을 이용한 핵연료봉을 이용하여 안정성이 확보된 원자로를 제공할 수 있다.In addition, it is possible to improve the utilization of metal fuel excellence by overcoming the manufacturing disadvantages, it is possible to provide a nuclear reactor with stability using the nuclear fuel rods using the pellet.

또한, 상기 펠렛을 이용한 핵연료봉은 피복관에 조사 중 팽윤으로 인한 응력을 덜 발생시키며, 연소초기부터 금속상이 피복관에 접촉하게 되므로 열전도도 증가를 위한 소듐을 첨가하지 않아도 되는 이점이 있다.
In addition, the nuclear fuel rods using the pellets generate less stress due to swelling during irradiation to the coating tube, and since the metal phase comes into contact with the coating tube from the beginning of combustion, there is an advantage of not having to add sodium for increasing the thermal conductivity.

도 1은 본 발명에 의한 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 단면도이다.
도 2는 우라늄 합금 입자를 열처리 하여 제조한 펠렛의 표면 사진이다.
도 3은 우라늄 합금 입자를 열처리 하여 제조한 펠렛의 단면 사진이다.
도 4는 우라늄 합금 입자를 결합제와 혼합하고 열처리 하여 제조한 펠렛의 표면 사진이다.
도 5는 우라늄 합금 입자를 결합제와 혼합하고 열처리 하여 제조한 펠렛의 단면 사진이다.
도 6은 우라늄 합금 입자를 결합제와 혼합하고 가압하여 펠렛을 제조한 사진이다.1 is a cross-sectional view of a pellet for particulate metal fuel according to the present invention.
2 is a surface photograph of a pellet prepared by heat-treating the uranium alloy particles.
3 is a cross-sectional photograph of a pellet prepared by heat-treating uranium alloy particles.
Figure 4 is a photograph of the surface of the pellet prepared by mixing the uranium alloy particles with a binder and heat treatment.
Figure 5 is a cross-sectional photograph of a pellet prepared by mixing the uranium alloy particles with a binder and heat treatment.
6 is a photograph of pellets prepared by mixing and pressing a uranium alloy particle with a binder.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 입자형 금속 핵연료용 펠렛 및 이의 제조방법의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the preferred embodiments of the pellet for a particulate metal fuel and a method for producing the same according to the present invention. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components throughout the drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명은 피복관 내부에 장입하기 용이한 입자형 금속 핵연료용 펠렛을 제공한다(도 1 참조). 피복관(40) 내부에 구형입자(10)들과 결합제(20)가 결합된 펠렛(30)을 장입한 단면도를 나타내고 있다.The present invention provides pellets for particulate metal fuel that are easy to be charged into a cladding tube (see FIG. 1). The cross section which loaded the pellet 30 which the spherical particle 10 and the binder 20 couple | bonded in the coating pipe 40 is shown.

본 발명에 따른 우라늄 합금은 우라늄과 지르코늄, 몰리브덴, 플루토늄, 나이오븀, 티타늄, 실리콘, 알루미늄과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어진 우라늄 합금으로 소듐 냉각 고속로(Sodium-cooled fast reactor, SFR)용 핵연료로 사용된다. 상기 우라늄 합금에서 지르코늄, 몰리브덴, 플루토늄, 나이오븀, 티타늄, 실리콘, 알루미늄과 같은 원소의 비율은 0.1 wt% 내지 40 wt% 함유하는 것이 일반적이다. 금속원소의 비율이 0.1 wt% 미만이면 후술할 결합제의 비율이 높아지는 문제가 있으며, 40 wt% 를 초과하면 조사초기에 핵연료가 급속히 팽윤되어 핵연료봉의 기계적 변형을 일으키는 문제가 발생할 수 있다. The uranium alloy according to the present invention is a uranium alloy including at least one of elements such as uranium and zirconium, molybdenum, plutonium, niobium, titanium, silicon, and aluminum, and is a sodium-cooled fast reactor (SFR). It is used as a nuclear fuel. In the uranium alloy, the content of elements such as zirconium, molybdenum, plutonium, niobium, titanium, silicon, and aluminum is generally contained in an amount of 0.1 wt% to 40 wt%. If the ratio of the metal element is less than 0.1 wt%, there is a problem that the ratio of the binder to be described later becomes high, and if it exceeds 40 wt%, the fuel may swell rapidly at the beginning of irradiation to cause mechanical deformation of the nuclear fuel rod.

도 1에서 구형입자(10)는 우라늄 또는 우라늄 합금으로 이루어지며, 상기 구형입자(10)는 분쇄법, 수소화법, 가스분무법, 원심분무법 등으로 제조될 수 있다. 가장 바람직한 구형입자(10)의 제조방법은 원심분무법이다.In FIG. 1, the spherical particles 10 may be made of uranium or an uranium alloy, and the spherical particles 10 may be manufactured by pulverization, hydrogenation, gas spraying, centrifugal spraying, or the like. The most preferable method for producing spherical particles 10 is centrifugal spraying.

분쇄법(mechanical pulverization, comminution, or grinding)은 기계적인 힘을 가하여 파괴하거나, 깎아내어 분말을 제조하는 방법이며, 수소화법(hydriding-dehydriding)은 우라늄합금을 300~400도에서 수소와 반응시켜 수소화합물을 형성한 후 700도 이상으로 다시 열처리하여 수소를 제거하는 방법으로서 수소화합물과 우라늄합금의 밀도차이로 인한 부피변화에 의해 분말을 형성하는 방법이다. Mechanical pulverization (comminution, or grinding) is a method of producing powder by breaking or crushing by applying mechanical force.Hydriding-dehydriding reacts uranium alloy with hydrogen at 300 ~ 400 ° C. After the compound is formed, a method of removing hydrogen by heat treatment at 700 ° C. or more is performed by forming a powder by volume change due to density difference between a hydrogen compound and uranium alloy.

가스분무법은 불활성 분위기에서 용해된 우라늄 또는 우라늄 합금을 일정 분무가스압으로 노즐을 통해 분무한 후 급속 응고시켜 제조하는 방법이며, 원심분무법은 도가니에서 용해된 우라늄 또는 우라늄 합금을 불활성 분위기에서 노즐을 통해 출탕하여 회전하는 원반에 용탕을 공급시키고, 분무시켜 금속 핵연료입자인 구형입자(10)를 제조하는 방법이다.The gas spray method is a method of spraying uranium or uranium alloy dissolved in an inert atmosphere by spraying a nozzle at a constant spray gas pressure and then rapidly solidifying. The molten metal is supplied to a spinning disk to be sprayed and sprayed to produce spherical particles 10 which are metal nuclear fuel particles.

원심분무법에 의해 제조된 구형입자(10)는 보통 50 내지 150 마이크로미터 크기를 가지며, 원심분무조건의 조절에 따라 300 마이크로미터 이상의 입자로 제조될 수도 있다. The spherical particles 10 prepared by the centrifugal spraying method usually have a size of 50 to 150 micrometers, and may be made of particles of 300 micrometers or more according to the control of the centrifugal spraying conditions.

구형입자(10)를 제조하기 위한 우라늄 합금은 원자로내에서 연소시 안정성을 위해 지르코늄, 몰리브덴, 실리콘, 알루미늄 등을 함유할 수 있으며, 사용 후 핵연료를 재활용하기 위해서는 사용 후 핵연료에서 추출되는 플루토늄, 넵티늄, 아메리슘, 큐륨 등을 함유할 수 있다.The uranium alloy for producing the spherical particles 10 may contain zirconium, molybdenum, silicon, aluminum, etc. for the stability during combustion in the reactor, and to recycle the spent fuel, plutonium, nep extracted from the spent fuel Titanium, americium, curium, and the like.

우라늄 또는 우라늄 합금을 이용하여 제조된 구형입자(10)간의 결합을 위해서는 상기 구형입자(10)들을 결합시켜 주는 결합제(20)가 필요하다. 도 1에 나타난 펠렛(30)에는 구형입자(10)의 사이에 결합제(20)가 배치되어 구형입자(10)의 결합력을 증대시키는 구조를 보여주고 있다. 구형입자(10)들에도 결합제(20)에 사용되는 금속분말을 포함할 수 있다. 결합제(20)에는 유기바인더와 금속분말이 사용될 수 있는데, 유기바인더에는 고분자 물질이 주로 사용되며, 대표적으로 파라핀 왁스가 사용된다. 유기바인더는 상온에서는 점성을 가져 분말간 결합을 도와주지만 고온에서는 분해되어 CH4, CO2 등의 가스로 분해되어 잔존하지 않게 되는 특성이 있어 결합제(20)로 사용될 수 있다. In order to bond between the spherical particles 10 manufactured using uranium or an uranium alloy, a binder 20 for bonding the spherical particles 10 is required. The pellet 30 shown in FIG. 1 shows a structure in which the binder 20 is disposed between the spherical particles 10 to increase the binding force of the spherical particles 10. The spherical particles 10 may also include metal powder used for the binder 20. An organic binder and a metal powder may be used for the binder 20, and a high molecular material is mainly used for the organic binder, and paraffin wax is typically used. The organic binder has a viscosity at room temperature to help bond between the powders, but decomposes at a high temperature and decomposes into gases such as CH 4 and CO 2 so that the organic binder can be used as the binder 20.

또한, 원자로 내에서도 유지될 수 있는 결합제(20)는 조사 안정성이 우수한 금속 분말이 사용될 수 있다. 상기 금속 분말에는 지르코늄, 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 철과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, as the binder 20 that can be maintained even in the reactor, a metal powder having excellent irradiation stability may be used. The metal powder is characterized in that it comprises at least one of elements such as zirconium, molybdenum, titanium, chromium, iron.

상술한 구형입자(10)와 결합제(20)를 몰드 또는 피복관에 장입을 하고 가압 및/또는 열처리를 통해서 펠렛(30)의 형상을 제조하는 과정을 거친다. 몰드는 지르코니아로 형성되며, 피복관은 스테인리스 강으로 제조된 것을 사용할 수 있다.The above-described spherical particles 10 and the binder 20 are charged into a mold or a cladding tube and subjected to a process of manufacturing the shape of the pellets 30 through pressure and / or heat treatment. The mold may be made of zirconia, and the cladding tube may be made of stainless steel.

펠렛(30)의 형상을 제조하기 위해서는 가압 또는 열처리 과정이 필요하다. 가압은 통상적인 가압장치를 이용하여 몰드 또는 피복관에 압력을 가하여 구형입자(10)와 결합제(20)가 상호 결합되도록 해준다. 가압조건으로는 10 MPa 내지 1 GPa의 범위에서 수행되는 것이 일반적이다. In order to manufacture the shape of the pellet 30, a pressing or heat treatment process is required. Pressurization is such that the spherical particles 10 and the binder 20 are bonded to each other by applying pressure to a mold or a cladding tube using a conventional pressurization device. As the pressurization condition, it is generally performed in the range of 10 MPa to 1 GPa.

열처리는 우라늄 합금 입자 자체 소결에 의해 다공성을 만들어 줄 수 있는 장점이 있다. 상기 열처리 조건은 700도 내지 1500도 범위에서 진동 또는 불활성 분위기상에서 이루어지는 것이 일반적이다. Heat treatment has the advantage of making porosity by self sintering uranium alloy particles. The heat treatment conditions are generally made in a vibration or inert atmosphere in the range of 700 to 1500 degrees.

도 2 내지 3에서는 우라늄 합금으로 제조된 구형입자를 열처리하여 제조한 펠렛의 표면 사진 및 단면 사진을 나타내고 있다. 2 to 3 show surface photographs and cross-sectional photographs of pellets prepared by heat-treating spherical particles made of uranium alloy.

도 2의 표면 사진에 나타나 있듯이 열처리를 통해서 구형입자가 소결되면서 결합력을 높여주고 있으며, 펠렛자체에 다공성을 형성시켜주어 조사초기에 핵연료가 급속히 팽윤될 때 핵연료봉의 기계적 변형을 막아줄 수 있게 된다.As shown in the surface photograph of FIG. 2, the spherical particles are sintered through heat treatment to increase the bonding strength, thereby forming porosity in the pellets themselves, thereby preventing mechanical deformation of the fuel rods when the nuclear fuel is rapidly swollen at the beginning of irradiation.

도 3의 단면 사진에 나타나 있듯이 입자들 사이에 기공이 다수가 존재하는 것을 알 수 있다. As shown in the cross-sectional photograph of Figure 3 it can be seen that there are a large number of pores between the particles.

도 4 내지 5에서는 지르코늄, 몰리브덴, 티타늄, 크롬 등의 금속 분말을 포함하는 결합제와 우라늄 합금 분말로 이루어진 구형입자를 혼합하여 열처리한 결과, 우라늄 합금 입자와 반응하는 결과를 나타내고 있다. 구형입자들 사이에 결합제들이 소결되어 서로 결합되어 있는 상태를 잘 표현해주고 있는데, 우라늄 합금 입자들만으로 이루어진 경우에 비해서 좀 더 결합력이 높은 것을 알 수 있다. 다만, 기공의 경우는 우라늄 입자들만으로 이루어진 경우에 비해서 떨어지나, 70~80% 정도의 입자충진밀도를 나타내고 있어, 적절한 기공의 분포를 보이고 있는 것으로 판단된다. 4 to 5 show a result of reacting with uranium alloy particles as a result of mixing and heat-treating spherical particles made of a uranium alloy powder and a binder including a metal powder such as zirconium, molybdenum, titanium, and chromium. Although the binders are sintered between the spherical particles to express the state that they are bonded to each other, it can be seen that the bonding force is higher than that of the uranium alloy particles alone. However, the pore is lower than that of uranium particles alone, but exhibits a particle filling density of about 70 to 80%, indicating that the pore distribution is appropriate.

도 6은 우라늄 합금 입자를 결합제와 혼합하고 가압하여 펠렛을 제조한 사진이다. 상술한 바와 같이 구형입자와 결합제를 혼합하여 피복관 또는 몰드에 장입하고 가압을 하여 펠렛의 형태로 제작하는 것을 보여주고 있다.
6 is a photograph of pellets prepared by mixing and pressing a uranium alloy particle with a binder. As described above, spherical particles and a binder are mixed, charged into a coating tube or a mold, and pressurized to produce a pellet.

다음으로, 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조방법은 다음과 같다.Next, the manufacturing method of the pellet for particulate metal fuel is as follows.

우라늄 또는 우라늄 합금을 혼합하여 구형입자를 제조하는 단계(S1단계);Preparing a spherical particle by mixing uranium or an uranium alloy (step S1);

S1단계에서 제조된 구형입자들과 유기바인더 또는 금속분말을 포함하는 결합제를 혼합시키는 단계(S2단계);Mixing the spherical particles prepared in step S1 with a binder including an organic binder or a metal powder (step S2);

S2단계에서 혼합된 입자들을 몰드 또는 피복관에 장입하는 단계(S3단계);Charging the particles mixed in the step S2 into a mold or a coating tube (step S3);

S3단계에서 장입된 입자들을 10 MPa 내지 1 GPa의 범위로 가압 및/또는 700도 내지 1500도 범위로 진동 또는 불활성 분위기에서 열처리하여 펠렛을 형성하는 단계(S4단계); 및Forming pellets by pressing particles charged in step S3 in a range of 10 MPa to 1 GPa and / or heat-treating in a vibration or inert atmosphere in a range of 700 to 1500 degrees (step S4); And

S4단계 후, 몰드 또는 피복관에 형성된 펠렛을 회수하는 단계(S5단계);를 포함한다.And after step S4, recovering the pellets formed in the mold or the coating tube (step S5).

이하, 본 발명을 단계별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by steps.

본 발명에 따른 S1단계의 우라늄 합금은 지르코늄, 몰리브덴, 플루토늄, 나이오븀, 티타늄, 실리콘, 알루미늄과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 원소의 비율은 0.1 wt% 내지 40 wt% 로 하는 것이 일반적이다. 구형입자는 우라늄 또는 우라늄 합금으로 이루어지며, 분쇄법, 수소화법, 가스분무법, 원심분무법 등으로 제조될 수 있다. 가장 바람직한 구형입자의 제조방법은 원심분무법이다. S1단계에서는 우라늄 또는 우라늄 합금을 이용하여 구형입자를 제조하는 단계이다.The uranium alloy of step S1 according to the present invention comprises at least one of elements such as zirconium, molybdenum, plutonium, niobium, titanium, silicon, aluminum, and the ratio of the elements is 0.1 wt% to 40 wt%. It is common. Spherical particles are made of uranium or an uranium alloy, and may be prepared by pulverization, hydrogenation, gas spraying, centrifugal spraying, or the like. The most preferable method for producing spherical particles is centrifugal spraying. In step S1, a spherical particle is prepared using uranium or an uranium alloy.

본 발명에 따른 S2단계는 구형입자들을 서로 결합시켜주기 위해서 유기바인더 또는 금속분말을 포함하는 결합제를 혼합시키는 단계이다. 상기 금속 분말에는 지르코늄, 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 철과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하며, 유기바인더는 파라핀 왁스와 같은 고분자 물질을 주고 사용한다.Step S2 according to the present invention is a step of mixing a binder including an organic binder or a metal powder to bind spherical particles to each other. The metal powder is characterized in that it comprises at least one of the elements such as zirconium, molybdenum, titanium, chromium, iron, the organic binder is used to give a high molecular material such as paraffin wax.

본 발명에 따른 S3단계는 혼합된 입자들을 지르코니아 몰드 또는 스테인레스 강 피복관에 장입하는 단계이다. 펠렛의 형상을 형성하기 위해서 몰드 또는 피복관에 혼합된 입자들을 투입하는 단계로 입자가 잘 충전될 수 있도록 하기 위해서 진동 등을 가하여 입자를 장입할 수도 있다.Step S3 according to the invention is a step of charging the mixed particles into a zirconia mold or stainless steel sheath. Particles may be charged by applying vibration or the like to ensure that the particles are well filled in a step of introducing the particles mixed into the mold or the cladding to form the pellets.

본 발명에 따른 S4단계는 장입된 입자들이 잘 결합할 수 있도록 하기 위해서 가압 및/또는 열처리를 하는 단계이다. 가압은 일반적인 가압장치를 이용하며, 입자들 사이에 압력을 주어서 결합력을 높여줄 수 있다. 가압조건은 10 MPa 내지 1 GPa의 범위가 바람직하다. 열처리는 700도 내지 1500도 범위로 진동 또는 불활성 분위기에서 행하며, 고온 열처리를 통해서 우라늄 합금 입자 자체소결이 일어나고 다공성을 지닌 펠렛을 제조할 수 있게 된다.S4 step according to the present invention is a step of pressing and / or heat treatment in order to be able to bond the charged particles well. Pressurization uses a general pressurization device, and can increase the bonding force by applying pressure between the particles. The pressurization condition is preferably in the range of 10 MPa to 1 GPa. The heat treatment is performed in a vibrating or inert atmosphere in the range of 700 to 1500 degrees, and sintering of the uranium alloy particles occurs through high temperature heat treatment, and it is possible to manufacture pellets having a porosity.

본 발명에 따른 S5단계는 몰드 또는 피복관에 형성된 펠렛을 회수하는 단계이다. 가압 및 열처리에 의해서 펠렛 내부에 존재하는 구형입자들이 보다 결합력이 높아진 형태를 가지게 된다.Step S5 according to the present invention is a step of recovering the pellet formed in the mold or the cladding tube. The spherical particles present in the pellets due to the pressurization and heat treatment have a form of higher binding force.

본 발명에 따른 입자형 금속 핵연료용 펠렛 및 이의 제조방법에 따르면 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조를 가능하게 하여 고속로용 핵연료 제조의 생산성을 향상시키고, 폐기물 발생량을 감소시키며, 사용 후 핵연료 재활용시 원격 제조성을 향상시키는 효과를 가진다.According to the present invention, the particulate metal fuel pellet and the method for producing the same can be prepared for the pellet fuel for the particulate metal fuel, thereby improving the productivity of the fuel for the high-speed reactor, reducing the amount of waste generated, and recycling the spent fuel. Has the effect of improving remote manufacturability.

본 제조방법에 따르면 우라늄 합금의 주조 수율이 우수하고, 주소 시 폐기물 발생량을 줄일 수 있으며, 방사성 물질이 함유될 경우 원격작업성이 유리하게 된다. 또한, 본 제조방법으로 제조된 핵연료봉은 피복관에 조사 중 팽윤으로 인한 응력을 덜 발생시키며, 연소 초기부터 금속상이 피복관에 접촉하게 되어 열전도도 증가를 위한 소듐을 첨가하지 않아도 되는 장점을 가진다.
According to the manufacturing method, the casting yield of the uranium alloy is excellent, the waste generation at the address can be reduced, and the remote workability is advantageous when the radioactive material is contained. In addition, the nuclear fuel rod manufactured by the present manufacturing method generates less stress due to swelling during irradiation to the cladding tube, and has the advantage that the metal phase is in contact with the cladding tube from the beginning of combustion so that sodium does not need to be added to increase the thermal conductivity.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are intended to illustrate rather than limit the scope of the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be construed as falling within the scope of the present invention.

10: 구형입자
20: 결합제
30: 펠렛
40: 피복관10: spherical particles
20: binder
30: pellet
40: cladding tube

Claims (11)

우라늄 또는 우라늄 합금을 이용하여 제조된 구형입자;
상기 구형입자의 입자간 결합을 유도하는 유기바인더 또는 금속분말을 포함하는 결합제;
상기 구형입자와 결합제를 혼합하여 몰드 또는 피복관에 장입하고 가압 및/또는 열처리하는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛.Spherical particles prepared using uranium or an uranium alloy;
A binder comprising an organic binder or a metal powder for inducing interparticle bonding of the spherical particles;
Particle metal nuclear fuel pellets, characterized in that the mixture of the spherical particles and the binder is charged into a mold or cladding and pressurized and / or heat treatment. 제 1 항에 있어서,
상기 우라늄 합금은 지르코늄, 몰리브덴, 플루토늄, 나이오븀, 티타늄, 실리콘, 알루미늄과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛.The method according to claim 1,
The uranium alloy is a pellet for particulate metal fuel, characterized in that it comprises at least one of elements such as zirconium, molybdenum, plutonium, niobium, titanium, silicon, aluminum. 제 2 항에 있어서,
상기 우라늄 합금은 상기 원소를 0.1 wt% 내지 40 wt% 함유하는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛.3. The method of claim 2,
The uranium alloy is a pellet for particulate metal fuel, characterized in that containing 0.1 wt% to 40 wt% of the element. 제 1 항에 있어서,
상기 금속분말은 지르코늄, 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 철과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛.The method according to claim 1,
The metal powder pellet for the particulate metal fuel, characterized in that it comprises at least any one of elements such as zirconium, molybdenum, titanium, chromium, iron. 제 1 항에 있어서,
상기 가압시 가압 조건은 10 MPa 내지 1 GPa의 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛.The method according to claim 1,
The pressurization conditions at the time of pressurization are pellets for particulate metal fuel, characterized in that carried out in the range of 10 MPa to 1 GPa. 제 1 항에 있어서,
상기 열처리시 열처리 조건은 750도 내지 1500도의 범위에서 진공 또는 불활성 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛.The method according to claim 1,
The heat treatment conditions during the heat treatment are pellets for particulate metal nuclear fuel, characterized in that carried out in a vacuum or inert atmosphere in the range of 750 degrees to 1500 degrees. 제 1 항에 있어서,
상기 구형입자는 분쇄법, 수소화법, 가스분무법, 원심분무법중 어느 하나에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛.The method according to claim 1,
The spherical particles are pellets for particulate metal nuclear fuel, characterized in that produced by any one of the grinding method, hydrogenation method, gas spray method, centrifugal spray method. 우라늄 또는 우라늄 합금을 혼합하여 구형입자를 제조하는 단계(S1단계);
S1단계에서 제조된 구형입자들과 유기바인더 또는 금속분말을 포함하는 결합제를 혼합시키는 단계(S2단계);
S2단계에서 혼합된 입자들을 몰드 또는 피복관에 장입하는 단계(S3단계);
S3단계에서 장입된 입자들을 10 MPa 내지 1 GPa의 범위로 가압 및/또는 700도 내지 1500도 범위로 진동 또는 불활성 분위기에서 열처리하여 펠렛을 형성하는 단계(S4단계); 및
S4단계 후, 몰드 또는 피복관에 형성된 펠렛을 회수하는 단계(S5단계);를 포함하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조방법.Preparing a spherical particle by mixing uranium or an uranium alloy (step S1);
Mixing the spherical particles prepared in step S1 with a binder including an organic binder or a metal powder (step S2);
Charging the particles mixed in the step S2 into a mold or a coating tube (step S3);
Forming pellets by pressing particles charged in step S3 in a range of 10 MPa to 1 GPa and / or heat-treating in a vibration or inert atmosphere in a range of 700 to 1500 degrees (step S4); And
After the step S4, the step of collecting the pellet formed in the mold or the coating tube (S5 step); manufacturing method of the pellet for particulate metal fuel comprising a. 제 8 항에 있어서,
상기 S1단계에서 우라늄 합금은 지르코늄, 몰리브덴, 플루토늄, 나이오븀, 티타늄, 실리콘, 알루미늄과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 우라늄 합금에 첨가된 원소의 비율이 0.1 wt% 내지 40 wt% 함유하는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조방법.The method of claim 8,
In the step S1, the uranium alloy includes at least one of elements such as zirconium, molybdenum, plutonium, niobium, titanium, silicon, and aluminum, and contains 0.1 wt% to 40 wt% of the ratio of the elements added to the uranium alloy. Method for producing a pellet for the particulate metal fuel, characterized in that. 제 8 항에 있어서,
상기 S2단계에서 금속분말은 지르코늄, 몰리브덴, 티타늄, 크롬, 철과 같은 원소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조방법.The method of claim 8,
In the step S2, the metal powder is a method for producing a pellet for particulate metal fuel, characterized in that it comprises at least any one of elements such as zirconium, molybdenum, titanium, chromium, iron. 제 8 항에 있어서,
상기 S1단계에서 구형입자는 분쇄법, 수소화법, 가스분무법, 원심분무법 중 어느 하나에 의해서 제조되는 것을 특징으로 하는 입자형 금속 핵연료용 펠렛의 제조방법.
The method of claim 8,
In the step S1, the spherical particles are manufactured by any one of a pulverization method, a hydrogenation method, a gas spray method, a centrifugal spray method.
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