KR20140092480A - 중성자 흡수재의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

중성자 흡수재의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 중성자 흡수재의 제조방법은 금속 모재를 제공하는 단계, 및 저온분사 코팅장치에 의해 중성자 흡수소재를 분사하고, 고압가스를 이용하여 전기아크 용사코팅 장치에 의해 내식성 소재를 용융시켜 액적단위로 혼합 분사시켜 상기 금속 모재 표면에 적층, 응고시켜 복합소재 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

중성자 흡수재의 제조방법 및 그 제조장치{METHOD FOR MANUFACTURING NEUTRON ABSORBER AND APPARATUS FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 중성자 흡수재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 모재에 하이브리드 용사코팅법에 의해 중성자 흡수성과 내식성을 동시에 갖는 복합소재 코팅층이 형성된 중성자 흡수재의 제조방법에 관한 것이다.
사용후 핵연료의 보관 방법은 수조에 임시로 저장하는 방식과 용기에 수납하여 보관하는 방식, 그리고 영구적으로 처분하는 방식이 있다.
수조에 임시로 저장하는 방식에 사용하는 수조는 내부에 금속 랙(Rack)이 설치되는데, 상기 랙은 중성자를 흡수할 수 있고, 내식성이 우수할 것이 요구된다. 또한, 용기에 수납하여 보관하는 방식에 사용하는 용기 역시 중성자 흡수재로 제조되어 외부로 중성자 유출을 방지할 수 있어야 한다.
특허공개 제2002-0078856호에 개시된 바와 같이, 종래에는 스테인레스 스틸 또는 알루미늄 분말에 B4C 또는 BN 분말을 첨가한 후, 사용후 핵연료 집합체를 수납하기 위한 4각 형상의 튜브를 제조하기 위해 압출성형 공정을 이용하여 중성자 흡수재를 제조하였다.
그러나, 종래의 방법으로 중성자 흡수재를 제조하는 경우 다수의 공정과 고도의 기술이 필요하며, 특히, 스테인레스 스틸 또는 알루미늄에 B4C 또는 BN 분말을 첨가하는 경우 가공성이 불량하게 되어 다양한 형상으로 가공하기 어려운 문제가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 사용후 핵연료 보관용 금속 용기(모재)의 표면에 중성자 흡수물질을 포함하는 복합소재를 용사 코팅의 방법으로 피복하여 제조공정을 간소화시키고, 코팅층에 내식성을 부가함으로써 저가의 금속 용기를 사용할 수 있는 중성자 흡수재의 제조방법 및 그 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 흡수재의 제조방법은 금속 모재를 제공하는 단계, 및 저온분사 코팅장치에 의해 중성자 흡수소재를 분사하고, 고압가스를 이용하여 전기아크 용사코팅 장치에 의해 내식성 소재를 용융시켜 액적단위로 혼합 분사시켜 상기 금속 모재 표면에 적층, 응고시켜 복합소재 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고압가스는 압축 공기, 질소 및 헬륨 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 고압가스의 압력은 적어도 100psi 일 수 있다.
상기 전기아크 용사코팅 장치에 주입되기 전 고압가스의 온도는 800℃ 이하의 온도로 가열된 것일 수 있다.
상기 금속 모재의 표면에 형성되는 복합소재 코팅층의 두께는 0.2~1mm 일 수 있다.
상기 중성자 흡수소재는 보론 카바이드, 보론 나이트라이드 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 내식성 소재는 알루미늄, 아연, 마그네슘 및 알루미늄-실리콘 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 중성자 흡수재의 제조장치는 분말상태의 중성자 흡수소재를 고속으로 분사하는 저온분사 코팅장치, 및 고압가스관에 의해 취입된 고압가스와 선재 형태의 내식성 소재를 금속 모재의 표면에 용사코팅시키기 위한 전기아크 용사코팅 장치를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 사용후 핵연료 보관을 위한 중성자 흡수재의 제조에 있어서, 그 제조공정을 단순화 할 수 있고, 저가의 금속 용기(모재)를 사용할 수 있으므로써 경제적으로 중성자 흡수재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의해 제조된 중성자 흡수재의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 의한 중성자 흡수재의 제조장치의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 중성자 흡수재의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 중성자 흡수재의 제조방법은 금속 모재를 제공하는 단계, 및 저온분사 코팅장치에 의해 중성자 흡수소재를 분사하고, 고압가스를 이용하여 전기아크 용사코팅 장치에 의해 내식성 소재를 용융시켜 액적단위로 혼합 분사시켜 상기 금속 모재 표면에 적층, 응고시켜 복합소재 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의해 제조되는 중성자 흡수재는 금속 모재에 피복된 복합소재 코팅층의 형태를 가진다. 복합소재 코팅층은 내식성 소재 기지(Matrix) 내에 100 micron 내외의 입도를 가지는 중성자 흡수소재(particle)가 균일하게 분포하는 미세구조를 가진다.
본 발명에서는 조성 및 형태가 다른 두 종류의 코팅 소재를 동시에 적층하고, 이러한 두 소재가 코팅재 내에서 균일하게 분포되는 복합소재 코팅층을 제조하기 위하여 두 종류의 용사 코팅법을 융합한 하이브리드 용사 코팅법을 사용한다.
도 1은 본 발명에 의한 중성자 흡수재의 적층구조를 개략적으로 도시한 것이다.
상기 복합소재 코팅층을 구성하는 두 종류의 소재는 중성자 흡수 소재(23)와 내식성 소재(25)이다.
상기 중성자 흡수소재(23)는 보론 카바이드, 보론 나이트라이드 및 이들의 혼합물 중 어느 하나일 수 있다. 또한 중성자 흡수소재(23)는 100 micron 내외의 입도를 가지는 분말의 형태로 용사 코팅 공정에 사용한다.
상기 내식성 소재(25)는 알루미늄, 아연, 마스네슘 및 알루미늄-실리콘 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 또한 내식성 소재(25)는 1~6mm 범위의 지름을 가지는 선재의 형태로 용사 코팅 공정에 사용한다.
상기 복합소재 코팅층에 포함된 중성자 흡수 소재(23)는 전체 복합소재 코팅층 중량의 40% 이상인 것이 바람직하다.
상기 복합소재 코팅층에 포함된 보론 중 동위원소 B10의 비율은 전체 보론의 19% 이상인 것이 바람직하다. 자연상태의 보론 카바이드(B4C)의 경우 B10이 19.8%, B11이 81.2%의 비율로 존재하며, B10의 중성자 흡수능이 B11 대비 약 80~100만배에 달하므로, B10의 비율이 높을수록 본 복합소재 코팅의 중성자 흡수능이 크게 향상될 수 있다. 반대로 본 복합소재 코팅 공정에 의해 B10의 비율이 원소재의 비율 이하로 감소되는 것은 코팅재의 성능에 악영향을 미치므로, 제조된 복합소재 코팅층내 B10의 비율을 전체보론의 19% 이상으로 관리하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 중성자 흡수재의 제조방법에서는 종래의 용사 코팅법의 다양한 공정법의 장점을 취합하고, 조성 및 형태가 다른 두 종류의 코팅 소재를 동시에 적층하여 복합소재 코팅층을 제조하기 위하여 두 종류의 용사 코팅법을 융합한 하이브리드 용사 코팅법을 사용한다.
용사 코팅법 (thermal spray)은 코팅하고자 하는 소재를 분말 또는 선재의 형상으로 플라즈마, 화염, 전기 아크 등의 열원에 주입하고, 열원내에서 가열, 가속하여 모재 표면에 적층시키는 코팅방법이다.
용사 코팅법에는 분말 소재를 사용하는 플라즈마 용사법, 화염 용사법, 저온 분사법과, 선재를 사용하는 전기 아크 용사법 등이 있다.
본 발명의 방법에서는 저온 분사법과 전기 아크 용사법을 융합한 하이브리드 용사 코팅법을 사용한다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 용사 코팅을 특징으로 하는 중성자 흡수재의 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
본 발명에 의한 중성자 흡수재의 제조장치는 분말 형태의 중성자 흡수 소재를 고속으로 분사하는 저온분사 코팅 장치(30)와 선재 형태의 내식성 소재를 전기 아크열로 용융시켜 분사하는 전기 아크 용사코팅 장치(50)로 구성되어 있다.
본 발명의 방법에서는 저온분사 코팅 장치를 통해 분사된, 중성자 흡수 소재(23)와 혼합된 고압 가스에 의해 전기아크 용사코팅 장치에서 용융된 내식성 소재(25)가 액적 단위로 혼합 분사되어 금속 모재(10) 표면에 적층, 응고되는 방법으로 복합소재 코팅층이 제조된다.
상기 고압 가스는 압축 공기 또는 질소, 헬륨 등을 사용할 수 있으며, 용융 액적의 산화를 방지하기 위하여 질소, 헬륨 등 비활성 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 고압가스의 압력은 100psi 이상으로 하는 것이 바람직하다.
고압 가스의 압력이 100 psi 이하인 경우에는 저온분사 코팅 장치를 통해 분사된 중성자 흡수 소재(23)가 충분히 가속되지 않아, 전기아크 용사코팅 장치에서 용융된 내식성 소재(25)와의 혼합이 균일하게 이루어지지 않으며, 낮은 운동에너지로 인해 모재 표면에 적층되지 않고 튕겨 나가는 중성자 흡수 소재(23) 분말의 양이 많아진다.
공급 가스 압력의 최대치에는 특별한 제약이 없으나, 분사 가스 압력 증가에 따라 아크 발생이 불안정해 질 수 있으므로, 공정 단가 및 코팅 품질을 종합적으로 고려하여 적합하게 공급 가스 압력을 조정하여야 한다.
또한 동일 고압가스 압력 조건에서 코팅공정 중 비행하는 코팅 입자의 속도를 높힘으로서 치밀하고 접착강도가 높은 코팅층을 얻기 위하여, 고압 가스를 하이브리드 용사 코팅 장치에 주입하기 전에 800℃ 이하의 온도로 가열할 수 있다.
고압 가스의 온도를 높이면 가속 입자로 전달되는 운동에너지 증대되어 코팅층의 특성이 향상되는 효과를 가짐과 동시에, 가속 입자를 가열하여 비행 구간 중 입자 표면을 산화시켜 결과적으로 적층된 코팅층내에 산화개재물과 같은 결함을 형성시키는 문제점을 발생시킬 수 있다. 따라서 가속 입자의 산화를 최대한 방지하지 위해 고압 가스의 온도는 800? 이하로 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법으로 제조되는 복합소재 코팅층의 두께는 수십 micron에서 수mm까지 가능하나, 성능 및 장기 신뢰성을 고려할 때 0.2~1 mm 범위로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 복합소재 코팅은 내식성 소재(25)가 철강계 모재와의 갈바닉 부식 반응에 의해 희생 양극의 역할을 담당함으로써 철강계 모재의 부식을 방지한다. 따라서 복합소재 코팅층의 두께는 코팅의 방식 수명과 직접적인 관계를 가진다. 즉, 복합소재 코팅층의 두께가 두꺼울수록 코팅의 방식 수명이 증가한다.
미국용접협회(American Welding Society (AWS)) 자료 (Guide for the Protection of Steel with Thermal Sprayed Coatings of Aluminum and Zinc and their Alloys and Composites (1993)) 에 의하면 수분에 의한 일반적인 부식환경의 경우 20~40년의 방식 수명을 보장할 수 있는 Al계 아크 용사 코팅의 두께는 0.25~0.3mm이며, Zn계 아크 용사 코팅의 두께는 0.3~0.375mm이다. 따라서, 본 발명의 주요 적용분야인 사용후 핵연료 저장용기의 요구수명을 고려할 때, 본 발명의 복합소재 코팅은 최소 0.2mm 이상의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
아크 용사 코팅은 용융된 액적이 모재 표면에 충돌하여 적층되는 방법으로 코팅층이 형성되며, 이때 용융 액적이 급속히 냉각되는 과정에서 코팅층내에 잔류 응력(residual stress)이 발생하게 된다. 이 잔류 응력은 코팅층의 두께가 두꺼워질수록 증가하게 되며, 모재와의 접착 강도 이상이 되면 코팅 후 또는 사용 중 코팅층의 박리가 발생할 수 있다. 따라서 본 복합소재 코팅층의 장기 신뢰성 측면에서 코팅층의 두께는 1mm 이하로 제조하는 것이 바람직하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 금속 모재, 20: 복합소재 코팅층,
23: 중성자 흡수 소재, 25: 내식성 소재
30: 저온분사 코팅장치, 50: 전기아크 용사코팅 장치

Claims (8)

  1. 금속 모재를 제공하는 단계; 및
    저온분사 코팅장치에 의해 중성자 흡수소재를 분사하고, 고압가스를 이용하여 전기아크 용사코팅 장치에 의해 내식성 소재를 용융시켜 액적단위로 혼합 분사시켜 상기 금속 모재 표면에 적층, 응고시켜 복합소재 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 중성자 흡수재의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압가스는 압축 공기, 질소 및 헬륨 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 중성자 흡수재의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고압가스의 압력은 적어도 100psi 인 것을 특징으로 하는 중성자 흡수재의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기아크 용사코팅 장치에 주입되기 전 고압가스의 온도는 800℃ 이하의 온도로 가열된 것을 특징으로 하는 중성자 흡수재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 모재의 표면에 형성되는 복합소재 코팅층의 두께는 0.2~1mm 인 것을 특징으로 하는 중성자 흡수재의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자 흡수소재는 보론 카바이드, 보론 나이트라이드 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 중성자 흡수재의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 내식성 소재는 알루미늄, 아연, 마그네슘 및 알루미늄-실리콘 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 중성자 흡수재의 제조방법.
  8. 분말상태의 중성자 흡수소재를 고속으로 분사하는 저온분사 코팅장치; 및
    고압가스관에 의해 취입된 고압가스와 선재 형태의 내식성 소재를 금속 모재의 표면에 용사코팅시키기 위한 전기아크 용사코팅 장치를 포함하는 중성자 흡수재 제조장치.
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