KR20140124636A - Ceramic-metal hybrid tube and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 원자로의 핵연료 피복관에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 종래의 금속 피복관과 세라믹 피복관의 장점만을 취한 하이브리드 피복관에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nuclear fuel cladding tube of a nuclear reactor, and more particularly, to a hybrid cladding tube which merely takes advantage of a conventional metal cladding tube and a ceramic cladding tube.
상용 원전에는 핵연료 피복관 소재로서 지르코늄 금속이 사용되고 있으나, 후쿠시마 원전 사고를 계기로 수소 발생을 억제하고 고온 기계적 건전성이 향상된 피복관 소재 개발이 본격화되었다. 후쿠시마 원전 사고 이전에는 정상운전 조건에서 핵연료의 경제성 향상에 기술 개발의 목적이 있었다면, 사고 이후에는 중대사고에 대비한 핵연료 피복관의 사고안전성 강화가 우선시되고 있다.Prior to commercial use, zirconium metal was used as a cladding material for nuclear fuel cladding, but the development of cladding materials with improved hot and mechanical integrity was accelerated in response to the Fukushima nuclear accident. Prior to the Fukushima nuclear plant accident, if the purpose of technology development was to improve the economic efficiency of nuclear fuel under normal operating conditions, the accident safety enhancement of the nuclear fuel cladding in preparation for major accidents is given priority after the accident.
지르코늄(Zr)을 비롯한 금속소재의 피복관은 고온에서 기계적 강도를 소실하거나 용융될 우려도 있다. 이러한 현상은 금속의 고유한 특성이므로 금속 소재의 피복관을 사용하는한 획기적인 극복은 불가능하다고 할 수 있다. Cladding of metal materials including zirconium (Zr) may lose mechanical strength or melt at high temperatures. Since this phenomenon is a characteristic of metal, it is impossible to overcome the breakthrough by using metal cladding.
이에 따라 학계와 연구계는 기존에 출력 증강 및 안전성 향상을 목적으로 연구되어 오던 세라믹 기반 핵연료 피복관에 관심을 기울이고 있다. 세라믹 기반 피복관의 주요 후보 소재는 탄화규소(SiC) 복합재이다. SiC 복합재 피복관은 중성자 흡수단면적이 지르코늄 합금에 비해 20% 이상 작으며 고온 강도, 내크립 특성이 탁월하고 내산화성 및 내마모 특성 등을 보유하고 있어 기존의 지르코늄 합금 피복관을 대체할 수 있는 소재로 주목받고 있다.Therefore, academia and researchers are paying attention to ceramic-based fuel cladding which has been studied for the purpose of improving power output and safety. The main candidate material for ceramic-based cladding is silicon carbide (SiC) composites. SiC composite cladding has a neutron absorption cross-sectional area that is 20% smaller than that of a zirconium alloy. It has excellent high-temperature strength, creep resistance, oxidation resistance and abrasion resistance and is a substitute for conventional zirconium alloy cladding. .
그러나 핵연료 피복관으로서 기본적인 강도, 인성, 조사안정성 등은 상기 제조방법을 통해 극복해 가고 있으나, 충격에 약하고 깨지기 쉬운 단점은 세라믹 소재가 지니는 원천적인 특성으로 완벽한 해결은 불가능하다고 할 수 있다. 더욱이 최근 경수로 운전환경에서 SiC 소재가 녹아나는 것이 보고되고 있다. 이는 피복관 제조성 뿐만 아니라 건전성에도 영향을 미치는 요인이다.However, the basic strength, toughness, and radiation stability of the nuclear fuel cladding have been overcome by the above-described manufacturing method, but the disadvantage of being weak to impact and fragile can not be completely solved due to the inherent characteristics of the ceramic material. Furthermore, it is reported that the SiC material melts in the light water reactor driving environment. This is a factor that affects not only the cladding but also the integrity.
추가적으로 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 선행기술문헌을 참조한다.Further background of the invention refers to the following prior art documents.
(비특허문헌 1) F. Rodriguez-Rojas, A.L. Ortiz, O. Borrero-Lopez, F. Guiberteau, Effect of Ar or N2 sintering atmosphere on the high-temperature oxidation behaviour of pressureless liquid-phase-sintered a-SiC in air, Journal or the European Ceramic Society, 30 (2010) 119-128.(Non-Patent Document 1) F. Rodriguez-Rojas, A.L. 30, 2010). In this paper, we propose a high-temperature sintering process for the sintering of austenitic sintered SiC ceramics. 119-128.
(비특허문헌 2) R.B. Matthews, Irradiation damage in reaction-bonded silicon carbide, Journal of Nuclear Materials, 51 (1974) 203-208.(Non-Patent Document 2) R.B. Matthews, Irradiation damage in reaction-bonded silicon carbide, Journal of Nuclear Materials, 51 (1974) 203-208.
본 발명의 일 목적은 금속 소재 피복관과 세라믹 소재 피복관의 장점을 취하여 기존 피복관보다 사고에 대한 안정성을 획기적으로 높인 세라믹-금속 하이브리드 피복관을 제공하기 위한 것이다.It is an object of the present invention to provide a ceramic-metal hybrid cladding tube which has the advantages of a metal cladding tube and a ceramic cladding tube and which greatly improves safety against accidents over conventional cladding tubes.
본 발명의 다른 일 목적은 금속 소재 피복관의 단점과 세라믹 소재 피복관의 단점을 서로 보완하여 핵물질 방호능력과 기계적 인성이 향상된 세라믹-금속 하이브리드 피복관을 제안하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to propose a ceramic-metal hybrid cladding tube having improved nuclear material protection capability and mechanical toughness by complementing the disadvantages of the metal cladding tube and the disadvantage of the ceramic cladding tube.
본 발명의 또 다른 일 목적은 서로 다른 이종 소재가 기계적으로 조합된 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법을 개시하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to disclose a method of manufacturing a ceramic-metal hybrid cladding tube in which different kinds of materials are mechanically combined.
이와 같은 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르는 세라믹-금속 하이브리드 피복관은, 원자로의 핵연료를 수용하도록 형성되고 원자로에서 발생하는 열에 의해 피복관의 기계적 강도가 소실되는 것을 방지하는 세라믹튜브, 및 냉각수에 의한 상기 세라믹 튜브의 부식을 방지하도록 상기 세라믹 튜브를 감싸며 상기 핵연료를 밀봉하도록 봉단마개와 접합되는 금속튜브를 포함한다.In order to accomplish the object of the present invention, a ceramic-metal hybrid cladding tube according to an embodiment of the present invention is formed to accommodate nuclear fuel of a nuclear reactor and prevent the mechanical strength of the cladding tube from being lost due to heat generated in the reactor A ceramic tube, and a metal tube that surrounds the ceramic tube to prevent corrosion of the ceramic tube by the cooling water and is joined to the sealing cap to seal the fuel.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 세라믹튜브는 상기 금속튜브가 산화되는 사고 발생시 상기 핵연료를 산화로부터 보호하도록 표면에 산화물막을 형성한다.According to an example of the present invention, the ceramic tube forms an oxide film on the surface to protect the fuel from oxidation when an accident occurs in which the metal tube is oxidized.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 세라믹튜브는 SiC 입자가 Si, MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 기지상에 의해 둘러싸여 상기 기지상과 결합된 복합재이다.According to another embodiment of the present invention, the ceramic tube is characterized in that the SiC particles are surrounded by at least one matrix phase selected from the group consisting of Si, MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 and Ti 3 SiC 2 , Bonded composite.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 금속튜브는 지르코늄 합금으로 형성된다.According to another embodiment of the present invention, the metal tube is formed of a zirconium alloy.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따르는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법은, 반응소결에 의해 세라믹튜브를 제조하는 단계, 상기 세라믹튜브와 결합시 상기 세라믹튜브를 감싸게 될 금속튜브를 상기 세라믹튜브와 밀착 가능한 크기로 제조하는 단계, 및 상온에서는 서로 밀착 가능한 크기인 상기 세라믹튜브와 상기 금속튜브를 기설정된 온도에서 열팽창계수 차이를 이용하여 결합시키는 단계를 포함한다.In order to achieve the above-mentioned object, the present invention also discloses a method for manufacturing a ceramic-metal hybrid cladding tube. A method of manufacturing a ceramic-metal hybrid clad tube according to an embodiment of the present invention includes the steps of: preparing a ceramic tube by reaction sintering; attaching a metal tube to be wrapped around the ceramic tube when the ceramic tube is coupled with the ceramic tube, And bonding the ceramic tube and the metal tube having a size that can be in close contact with each other at room temperature using a difference in thermal expansion coefficient at a predetermined temperature.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 세라믹튜브를 제조하는 단계는, 카본, 그라파이트, SiC 및 TiC로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 제조하고자 하는 세라믹튜브의 형상을 갖는 성형체를 형성하는 단계, 상기 성형체에 Si, Mo 및 TiC로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용융물을 주입하는 단계, 및 상기 성형체에 주입된 용융물이 용융물 상태로 존재할 수 있는 온도에서 소결하여 상기 탄소 또는 탄화규소와 반응을 유도하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the step of manufacturing the ceramic tube comprises the steps of: forming a molded body having a shape of a ceramic tube to be manufactured from at least one selected from the group consisting of carbon, graphite, SiC and TiC; Injecting at least one melt selected from the group consisting of Si, Mo, and TiC into the melt and sintering at a temperature at which the melt injected into the melt can exist in a melt state to induce the reaction with the carbon or silicon carbide .
상기 반응에 의해 SiC 입자가 Si, MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 기지상에 의해 둘러싸여 상기 기지상과 결합된 복합재를 형성할 수 있다.By the reaction, the SiC particles can be surrounded by at least one gaseous phase selected from the group consisting of Si, MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 , and Ti 3 SiC 2 to form a composite material bonded with the matrix.
상기 주입하는 단계는 상기 반응을 유도하는 단계에서 상기 금속튜브와 밀착 가능한 크기의 세라믹튜브를 생성함과 아울러 상기 세라믹튜브의 SiC 분율을 조절하도록 비반응성 필러재인 SiC 분말을 첨가할 수 있다.The step of injecting may include adding a SiC powder as a non-reactive filler to control the SiC fraction of the ceramic tube while generating a ceramic tube having a size capable of closely contacting the metal tube in the step of inducing the reaction.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 금속튜브를 상기 세라믹튜브와 밀착 가능한 크기로 제조하는 단계는, 지르코늄 스펀지를 용해하여 잉곳을 제조하는 단계, 상기 잉곳을 열간가공하고 압출하여 중간소재를 생성하는 단계, 상기 중간소재를 냉간필거링 하여 상기 세라믹튜브와 밀착 가능한 크기의 지르코늄 튜브를 제조하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the step of fabricating the metal tube in a size capable of closely contacting the ceramic tube includes the steps of: dissolving a zirconium sponge to produce an ingot; hot working and extruding the ingot to produce an intermediate material And cold filing the intermediate material to produce a zirconium tube having a size that can be brought into close contact with the ceramic tube.
본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 결합시키는 단계는, 상온에서는 서로 밀착 가능한 크기인 상기 세라믹튜브와 상기 금속튜브를 기설정된 온도까지 가열하여 열팽창시키는 단계, 열팽창계수 차이로 인해 열팽창 정도가 상대적으로 더 큰 상기 금속튜브에 상기 세라믹튜브를 삽입시키는 단계, 및 상기 세라믹튜브와 상기 금속튜브를 서로 밀착시키도록 상온까지 냉각하는 단계를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, the coupling step includes the steps of: thermally expanding the ceramic tube and the metal tube, which are of a size that can be in close contact with each other at room temperature, to a predetermined temperature, Inserting the ceramic tube into the larger metal tube; and cooling the ceramic tube and the metal tube to room temperature so that they are in close contact with each other.
상기 열팽창시키는 단계의 기설정된 온도는 상세 세라믹튜브를 상기 금속튜브에 삽입시키는 것이 가능함과 아울러 상기 금속튜브의 열화가 발생하지 않도록 600~750℃일 수 있다.The predetermined temperature of the thermally expanding step may be 600 to 750 ° C so that the detailed ceramic tube can be inserted into the metal tube and the metal tube is not deteriorated.
상기와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 피복관의 외부에 배치되는 금속튜브는 세라믹 기반 피복관의 가장 큰 난제인 핵연료 밀봉을 위한 봉단마개 접합에 대한 해결법을 제공하고, 세라믹 복합재만으로는 부족한 핵물질 방호 역할을 수행할 수 있다.According to the present invention having the above-described structure, the metal tube disposed outside the cladding provides a solution to the sealing of the plug for fuel sealing, which is the biggest obstacle of the ceramic-based cladding, Can be performed.
또한 본 발명은, 세라믹 복합재가 피복관의 기계적 강도를 높여주고 원자로의 사고 발생 상황에서도 과도한 산화로부터 핵연료를 보호할 수 있다.Further, the present invention can increase the mechanical strength of the cladding tube by the ceramic composite material and protect the nuclear fuel from excessive oxidation even in the accident occurrence of the reactor.
또한 본 발명은, 금속튜브와 세라믹 복합재가 서로 보완 작용을 하여 원자로의 안전성을 향상시킬 수 있다.Further, according to the present invention, the metal tube and the ceramic composite material complement each other to improve the safety of the reactor.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 개념도.
도 2는 도 1의 세라믹-금속 하이브리드 피복관을 A-A 선을 따라 자른 단면도.
도 3은 반응소결에 의해 생성된 SiC 세라믹튜브의 미세조직을 나타내는 사진.
도 4는 중성자 조사 환경에서 SiC 세라믹튜브에 크랙이 발생한 것을 나타내는 미세조직 사진.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법을 나타내는 흐름도.
도 6은 도 5의 제조방법에서 금속튜브를 제조하는 단계를 나타내는 개념도.
도 7은 도 5의 제조방법에서 세라믹튜브와 금속튜브를 결합하는 단계의 결합과정을 나타내는 개념도.1 is a conceptual view of a ceramic-metal hybrid cladding tube according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a cross-sectional view of the ceramic-metal hybrid cladding of FIG. 1 taken along line AA. FIG.
3 is a photograph showing the microstructure of a SiC ceramic tube produced by reaction sintering.
Fig. 4 is a microstructure photograph showing that a crack occurred in a SiC ceramic tube in a neutron irradiation environment. Fig.
5 is a flow chart illustrating a method of fabricating a ceramic-metal hybrid cladding tube in accordance with an embodiment of the present invention.
Fig. 6 is a conceptual view showing a step of manufacturing a metal tube in the manufacturing method of Fig. 5;
FIG. 7 is a conceptual view showing a bonding process of combining the ceramic tube and the metal tube in the manufacturing method of FIG. 5;
이하, 본 발명에 관련된 세라믹-금속 하이브리드 피복관에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Hereinafter, a ceramic-metal hybrid cladding tube according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the present specification, the same or similar reference numerals are given to different embodiments in the same or similar configurations. As used herein, the singular forms "a", "an" and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
본 발명은 금속 합금과 세라믹 복합재의 장점을 취합하고, 단점은 서로 보완하도록 형성되는 세라믹-금속 하이브리드 피복관을 제공한다.The present invention combines the advantages of metal alloys and ceramic composites and provides a ceramic-metal hybrid cladding which is formed to complement each other.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 세라믹-금속 하이브리드 피복관(100)의 개념도이고, 도 2는 도 1의 세라믹-금속 하이브리드 피복관(100)을 A-A 선을 따라 자른 단면도이다.FIG. 1 is a conceptual view of a ceramic-
세라믹튜브(110)는 세라믹-금속 하이브리드 피복관(100)의 가장 내부에 배치되며, 원자로의 핵연료를 수용하도록 형성된다. 세라믹튜브(110)의 내부에는 핵연료가 내장되며, 세라믹튜브(110)는 핵연료의 1차적인 방호 기능을 한다. 세라믹튜브(110)는 중성자 흡수단면적이 지르코늄 합금에 비해고온강도, 내크립성 및 프레팅 마멸 저항성이 우수하기 때문에 원자로의 사고발생시 열에 의해 세라믹-금속 하이브리드 피복관(100)의 기계적 강도가 소실되는 것을 방지할 수 있다.The
세라믹튜브(110)는 SiC 복합재로 형성될 수 있다. SiC 복합재는 SiC 입자가 Si, MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 기지상에 의해 둘러싸여 상기 기지상과 결합된 복합재이다. SiC 복합재는 도 2에 도시된 사진에서 알 수 있듯이 1400℃ 이상의 온도에서 기계적 건전성을 잃지 않으므로 피복관의 내열성을 향상시킬 수 있다.The
특히 본 발명에서 SiC 복합재의 기지상은 Si뿐만 아니라 MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2를 포함한다. Si만으로 이루어진 기지상을 포함하는 SiC 복합재는 굴곡강도가 약 300㎫이고, 내열성은 약 1450℃까지 적용 가능하다. 이에 비해 기지상이 Mo로 이루어진 경우 굴곡강도가 약 500㎫이며, 내열성은 MoSi2 기지상이 약 1800℃, Mo5Si3C 기지상이 약 2000℃까지 적용 가능하다.In particular, in the present invention, the matrix phase of the SiC composite material includes not only Si but also MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 , and Ti 3 SiC 2 . The SiC composite material including the Si matrix only has a flexural strength of about 300 MPa and a heat resistance of about 1450 캜. On the other hand, when the matrix is made of Mo, the bending strength is about 500 MPa, and the heat resistance of the MoSi 2 matrix is about 1800 ° C. and the Mo 5 Si 3 C matrix is about 2000 ° C.
뿐만 아니라, 세라믹튜브(110)의 기지상이 Si인 경우에는 세라믹튜브(110)가 고온 고압의 냉각수에 노출됨에 따라 Si가 용해되는 현상이 발생할 수 있는데, 기지상이 Si가 아니라 MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2인 경우에는 이러한 현상을 방지할 수 있다.In addition, when the base of the
금속튜브(120)는 냉각수에 의해 세라믹튜브(110)가 부식되는 것을 방지하도록 세라믹튜브(110)를 감싼다. 금속튜브(120)는 세라믹튜브(110)와 기계적으로 결합되어 있으며, 냉각수에 대한 부식저항성이 낮은 세라믹튜브(110)를 외부에서 감싸므로 금속튜브(120)는 산화에 의해 소실되지 않는 한 상기 세라믹튜브(110)의 부식을 방지할 수 있다.The
금속튜브(120)는 세라믹튜브(110)만으로는 부족한 봉단마개 접합 방법을 제공한다. 금속튜브(120)는 지르코늄 합금으로 형성될 수 있으며 핵연료를 밀봉하도록 봉단마개와 접합됨으로써 핵연료를 외부의 충격으로부터 보호함과 아울러 핵연료의 누출을 방지한다.The
원자로에서 단순히 냉각재상실사고(LOCA)와 같은 사고가 발생하면, 금속튜브(120)가 산화되지 않으므로 금속튜브(120)는 사고에도 불구하고 여전히 세라믹튜브(110) 및 핵연료를 보호할 수 있다. 그러나 원자로의 사고 규모가 냉각재상실사고를 넘어서는 중대사고가 발생하는 경우 금속튜브(120)는 산화에 의해 기계적 건전성이 상실되거나 소실될 수 있다. 금속튜브(120)가 기계적 건전성을 상실하더라도, 세라믹튜브(110)는 표면에 산화물막을 형성하여 산화에 대한 저항성을 유지하므로 핵연료를 보호할 수 있다.If an accident such as a simple coolant accident (LOCA) occurs in the reactor, the
예를 들어, 지르코늄과 같은 금속튜브(120)가 중대사고의 발생에 의해 소실되는 경우 SiC 복합재와 같은 세라믹튜브(110)는 Si가 공기중의 산소와 반응하여 세라믹튜브(110)의 표면에 SiO2를 형성하므로 산화에 대한 저항성을 유지할 수 있다. 이와 같이 세라믹-금속 하이브리드 피복관(100)은 내부의 핵연료를 2차 보호막에 의해 보호하므로 원자로의 정상운전시는 물론 사고발생시 안전성을 향상시킬 수 있다.For example, when a
따라서 원자로의 정상운전시, 세라믹튜브(110)는 핵연료의 1차적인 방호 역할을 수행함과 아울러 세라믹-금속 하이브리드 피복관(100)의 기계적 강도를 유지하고, 금속튜브(120)는 봉단마개 접합을 통해 핵연료를 보호함과 아울러 냉각수로부터 상기 세라믹튜브(110)의 부식을 방지한다.Accordingly, during normal operation of the reactor, the
그리고 원자로의 사고발생시, 금속튜브(120)의 기계적 건전성이 상실되더라도 세라믹튜브(110)는 표면에 산화물막을 형성하여 산화저항성을 유지하므로 핵연료를 보호할 수 있다.Even if the mechanical integrity of the
도 3은 반응소결에 의해 생성된 SiC 세라믹튜브의 미세조직을 나타내는 사진이고, 도 4는 중성자 조사 환경에서 SiC 세라믹튜브에 크랙이 발생한 것을 나타내는 미세조직 사진이다(비특허문헌 2).FIG. 3 is a photograph showing the microstructure of a SiC ceramic tube produced by reaction sintering, and FIG. 4 is a photograph of a microstructure showing a crack in a SiC ceramic tube in a neutron irradiation environment (Non-Patent Document 2).
SiC 세라믹튜브는 지르코늄 합금에 비해 중성자 흡수단면적이 약 20% 이상 작으므로 중성자 조사 환경에서 우수한 성능을 나타내나, 중성자 조사 환경에서 SiC의 부피 팽창이 발생해 크랙이 발생할 수 있다. 도 3과 도 4는 세라믹튜브의 기지상이 Si인 경우를 나타낸 것으로 도 3과 도 4를 비교하면 중성자 조사에 따라 SiC 세라믹 튜브의 미세조직에 크랙이 발생한 것을 알 수 있다.The SiC ceramic tube has a neutron absorption cross-sectional area of about 20% smaller than that of a zirconium alloy, and thus exhibits excellent performance in a neutron irradiation environment. However, a volume expansion of SiC may occur in a neutron irradiation environment and cracks may occur. FIGS. 3 and 4 show the case where the base of the ceramic tube is Si. Comparing FIGS. 3 and 4, it can be seen that cracks are generated in the microstructure of the SiC ceramic tube by neutron irradiation.
중성자 조사 환경에서 SiC 세라믹튜브에 크랙이 발생하는 문제는 세라믹튜브의 기지상을 Si가 아닌 MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2로 대체함으로써 해결할 수 있다. MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2는 Si에 비해 굴곡강도값이 크므로 중성자 조사에 의해 팽창이 발생하더라도 세라믹튜브의 크랙 발생을 제한할 수 있다.The problem of cracking in the SiC ceramic tube in the neutron irradiation environment can be solved by replacing the base of the ceramic tube with MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 , and Ti 3 SiC 2 instead of Si. MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 , and Ti 3 SiC 2 have a larger flexural strength than Si, so that even when expansion occurs due to neutron irradiation, cracking of the ceramic tube can be limited.
세라믹-금속 하이브리드 피복관은 세라믹과 금속이라는 이종소재를 단순히 결합한 것에서 나아가, 세라믹튜브와 금속튜브가 서로의 장점을 발휘하도록 결합되어 피복관의 기계적 건전성과 사고발생시의 안전성을 향상시킬 수 있다.The ceramic-metal hybrid cladding can be combined with a simple combination of a ceramic and a metal, and the ceramic tube and the metal tube can be combined with each other to improve the mechanical integrity of the cladding tube and safety in case of an accident.
이하에서는 세라믹-금속 하이브리드 피복관을 제조하기 위한 제조방법을 설명한다. 세라믹-금속 하이브리드 피복관은 서로의 장점을 발휘하도록 결합되어야 하므로 세라믹과 금속이라는 이종소재를 단순히 결합하는 방법으로는 제조할 수 없다.Hereinafter, a manufacturing method for manufacturing a ceramic-metal hybrid cladding tube will be described. Since the ceramic-metal hybrid cladding has to be combined to show the advantages of each other, it can not be manufactured by a simple combination of ceramic and metal heterogeneous materials.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따르는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.5 is a flow chart illustrating a method of fabricating a ceramic-metal hybrid cladding tube according to an embodiment of the present invention.
세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법은 세라믹튜브를 제조하는 단계(S100), 금속튜브를 제조하는 단계(S200) 및 세라믹튜브와 금속튜브를 결합하는 단계(S300)를 포함한다.The manufacturing method of the ceramic-metal hybrid cladding tube includes a step (S100) of manufacturing a ceramic tube, a step (S200) of manufacturing a metal tube, and a step (S300) of combining a ceramic tube and a metal tube.
세라믹튜브를 제조하는 단계(S100)에서는 반응소결에 의해 세라믹튜브를 제조하며, 세라믹튜브 형상의 성형체를 형성하는 단계(S110), 성형체에 용융물을 주입하는 단계(S120) 및 반응소결시키는 단계(S130)를 포함한다.In the step S100 of manufacturing the ceramic tube, a ceramic tube is manufactured by reaction sintering and a step S110 of forming a ceramic tube-shaped molded body, a step S120 of injecting a melt into the molding body, and a step of reacting and sintering S130 ).
세라믹튜브 형상의 성형체를 형성하는 단계(S110)에서는 최종 세라믹튜브 형상의 뼈대(body/structure)를 형성하고, 성형체에 용융물을 주입하는 단계(S120)에서는 기지상으로 형성될 원료를 성형체에 주입한다.In step S110 of forming a ceramic tube-shaped molded body, a final ceramic tube-shaped body / structure is formed. In step S120 of injecting a melt into the molded body, a raw material to be formed into a matrix is injected into the formed body.
성형체의 원료는 카본/그라파이트 또는 SiC가 될 수 있고, 주입하는 용융물은 Si가 될 수 있다. 성형체의 원료로 SiC를 사용하는 경우 용융물은 Si 외에도 Mo가 첨가된 Si나 TiC가 첨가된 Si를 사용할 수 있다. 성형체의 원료로 SiC와 TiC를 혼합하여 사용하는 것도 가능하며, 이 경우 용융물은 Si를 사용할 수 있다. 성형체의 원료와 기지상의 원료 조합은 표 1에 나타내었다.The raw material of the molded body may be carbon / graphite or SiC, and the molten material to be injected may be Si. When SiC is used as the raw material of the molded body, Si added with Mo or Si added with TiC can be used as the melt in addition to Si. It is also possible to use SiC and TiC as a raw material for the molding, and in this case, Si can be used as the melt. Table 1 shows the combination of raw materials of the molded body and raw materials on the base.
용융물을 주입하는 단계(S120)에서는 모세관력에 의한 침투 등의 기법을 이용하여 성형체의 내부로 용융물을 침투시킨다. 용융물을 주입하는 단계에서는 최종적으로 제조되는 세라믹튜브와 금속튜브의 치수를 정밀하게 맞추고, SiC의 분율을 조절하도록 비반응성 필러재인 SiC 분말을 첨가할 수 있다. 세라믹튜브와 금속튜브의 치수를 정밀하게 맞춤으로써 두 튜브를 서로 밀착 가능한 크기로 제조할 수 있고, 비반응성 필러재인 SiC 분말을 첨가하는 것 이외에도 원심력을 이용하여 치밀도를 높일 수도 있다.In the step of injecting the melt (S120), the molten material is infiltrated into the inside of the molded body by a technique such as penetration by capillary force. In the step of injecting the melt, SiC powder, which is a non-reactive filler, may be added to precisely match the dimensions of the finally produced ceramic tube and the metal tube and adjust the fraction of SiC. The dimensions of the ceramic tube and the metal tube can be precisely adjusted so that the two tubes can be made to have a size that allows them to adhere to each other. In addition to adding SiC powder as a non-reactive filler, the density can be increased by centrifugal force.
반응소결시키는 단계(S130)에서는 용융물이 침투된 성형체를 상기 용융물이 용융물로 존재할 수 있는 온도인 약 1400℃정도에서 소결하여 성형체와 용융물의 반응을 유도한다. 성형체 및 용융물을 반응소결 시키면 용융물이 성형체 내에 침투하여 기지상을 형성한다. 반응소결에 의해 형성되는 기지상은 Si, MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2 및 Ti3SiC2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으며, SiC 입자는 상기 기지상에 의해 둘러싸여 결합된 복합재의 형태를 나타낸다.In the step of reacting and sintering (S130), the molded article into which the melt is infused is sintered at a temperature at which the melt can exist as a melt at about 1400 ° C to induce the reaction between the molded article and the melt. When the molded body and the melt are reacted and sintered, the melt penetrates into the molded body to form a matrix. The matrix phase formed by reaction sintering may be at least one selected from the group consisting of Si, MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 and Ti 3 SiC 2 , and the SiC particles are in the form of a composite .
세라믹튜브를 제조하고 난 다음에는 금속튜브를 제조한다(S200). 세라믹튜브와 금속튜브는 각각 따로 제조되므로 반드시 세라믹튜브가 제조된 다음에 금속튜브가 제조되어야 하는 것은 아니고, 금속튜브를 먼저 제조하고 이어서 세라믹튜브를 제조할 수도 있다. 금속튜브를 제조하는 단계는 도 6을 참조하여 설명한다.After manufacturing the ceramic tube, a metal tube is manufactured (S200). Since the ceramic tube and the metal tube are separately manufactured, the metal tube is not necessarily manufactured after the ceramic tube is manufactured, but the metal tube may be manufactured first and then the ceramic tube may be manufactured. The step of manufacturing the metal tube will be described with reference to Fig.
도 6은 도 5의 제조방법에서 금속튜브를 제조하는 단계(S200)를 나타내는 개념도이다.FIG. 6 is a conceptual diagram showing a step (S200) of manufacturing a metal tube in the manufacturing method of FIG.
도 5와 도 6을 참조하면, 금속튜브는 지르코늄 소재를 이용할 수 있으며, 지르코늄 스펀지를 미량의 합금원소와 용해하여 잉곳을 제조한다(S210). 제조된 잉곳을 열간 단조하고 급냉하여 내부에 핵연료를 수용할 수 있는 형상으로 만들고, 압출하여 TREX라고 하는 중간소재를 생성한다(S220). 중간소재를 냉간필거링하여 피복관용 규격의 금속튜브를 생성한다(S230). 냉간필거링은 도 6에 도시된 바와 같이 여러 번 반복할 수 있다.Referring to FIGS. 5 and 6, a metal tube may be made of a zirconium material, and a zirconium sponge is dissolved in a small amount of an alloy element to produce an ingot (S210). The produced ingot is hot-kneaded and quenched to form a shape capable of accommodating the nuclear fuel therein, and extruded to produce an intermediate material called TREX (S220). The intermediate material is subjected to cold peeling to produce a metal tube having a standard for a cover tube (S230). Cold fillering can be repeated several times as shown in FIG.
다시 도 5를 참조하면, 금속튜브를 제조한 다음에는 세라믹튜브와 금속튜브를 결합시킨다(S300). 세라믹튜브와 금속튜브를 결합시키는 단계(S300)는, 세라믹튜브와 금속튜브를 가열하여 열팽창시키는 단계(S310), 세라믹튜브를 금속튜브에 삽입하는 단계(S320), 세라믹튜브와 금속튜브를 상온까지 냉각하는 단계(S330)를 포함하며, 도 7을 참조하여 설명한다. Referring again to FIG. 5, after the metal tube is manufactured, the ceramic tube and the metal tube are combined (S300). The step S300 of joining the ceramic tube and the metal tube includes a step S310 of heating and thermally expanding the ceramic tube and the metal tube S310, a step S320 of inserting the ceramic tube into the metal tube S320, And cooling (S330), which will be described with reference to Fig.
도 7은 도 5의 제조방법에서 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)를 결합시키는 단계(S300)의 결합과정을 나타내는 개념도이다.FIG. 7 is a conceptual diagram showing a coupling process of coupling the
세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)는 상온에서는 서로 밀착 가능한 크기로 형성된다. 세라믹-금속 하이브리드 피복관은 세라믹튜브(210)가 금속튜브(220)의 내부에 배치되므로, 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)가 서로 밀착되기 위해서는 세라믹튜브(210)의 외직경이 금속튜브(220)의 내직경과 일치해야 한다. 도 7에서 세라믹튜브를 제조하는 단계(S100)에 의해 생성된 세라믹 튜브(210)와 금속튜브를 제조하는 단계(S200)에 의해 생성된 금속튜브(220)의 직경 크기를 비교하였으며, 세라믹튜브(210)의 외직경이 금속튜브(220)의 내직경과 일치하도록 제작된 것을 확인할 수 있다.The
세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)가 상온에서는 서로 밀착 가능한 크기로 형성되므로, 상온조건에서 세라믹튜브(210)를 금속튜브(220)에 삽입하는 것은 이론적으로만 가능할 뿐, 외력을 가하여 삽입하지 않는 한 실제로는 불가능하며 외력에 의한 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)의 손상을 피할 수 없다.Since the
열팽창 시키는 단계(S310)에서는 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)를 기설정된 온도까지 가열하여 열팽창을 유도한다. 금속튜브인 지르코늄 합금의 열팽창 계수가 세라믹튜브인 SiC에 비하여 약 1.7배 크므로, 같은 온도까지 가열되었더라도 지르코늄 합금 튜브가 SiC 세라믹튜브에 비해 더 많이 팽창하게 된다. 따라서, 열팽창에 의해 SiC 세라믹튜브의 외직경과 지르코늄 합금 튜브의 내직경 사이에 간격이 발생하고, 비로소 이론적으로뿐만 아니라 실제로도 외력을 가하지 않은 상태에서 세라믹튜브(210)를 금속튜브(220)에 삽입시키는 것이 가능한 상태가 된다.In the thermal expansion step (S310), the ceramic tube (210) and the metal tube (220) are heated to a predetermined temperature to induce thermal expansion. Since the thermal expansion coefficient of the metal tube, zirconium alloy, is about 1.7 times larger than that of the ceramic tube, the zirconium alloy tube expands more than the SiC ceramic tube even when heated to the same temperature. Therefore, the gap between the outer diameter of the SiC ceramic tube and the inner diameter of the zirconium alloy tube is generated by the thermal expansion, and the
세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)를 열팽창 시키는 온도는 600~750℃가 바람직하다. 온도가 600℃보다 낮은 경우에는 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220) 사이에 충분한 간격을 형성하기 어렵고, 750℃보다 높은 경우에는 금속튜브(220)의 열화를 유발할 수 있다.The temperature for thermally expanding the
표 2는 SiC 세라믹튜브와 지르코늄 합금 튜브의 열팽창 전후 크기를 비교한 표이다. 표 2에서 알 수 있듯이 600℃까지 가열된 상태에서는 SiC 세라믹튜브와 지르코늄 합금 사이에 간격(Δ=0.037-0.022=0.015)이 발생하여 SiC 세라믹튜브를 지르코늄 합금 튜브에 삽입시킬 수 있게 된다.Table 2 compares the sizes of SiC ceramic tube and zirconium alloy tube before and after thermal expansion. As can be seen from Table 2, when heated to 600 ° C., a gap (Δ = 0.037-0.022 = 0.015) between the SiC ceramic tube and the zirconium alloy occurs, allowing the SiC ceramic tube to be inserted into the zirconium alloy tube.
세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)를 더욱 확실히 밀착시키기 위해서는 금속튜브(220)의 내직경을 세라믹튜브(210)의 외직경보다 작게 형성하고 피복관의 사용 초기에 발생하는 크리프(creep down)를 이용하는 것도 가능하다.The inner diameter of the
삽입하는 단계(S320)에서는 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)의 간격을 이용하여 세라믹튜브(210)를 금속튜브(220)의 내부에 삽입한다. 이어서, 상온까지 냉각하는 단계(S330)에서 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)를 상온까지 냉각시킴으로써 열수축을 유도하여 처음 의도된 대로 세라믹튜브(210)와 금속튜브(220)가 서로 밀착된 세라믹-금속 하이브리드 피복관을 제조한다.In the inserting step S320, the
본 발명에서 제시하는 제조방법에 의해 세라믹-금속 하이브리드 피복관을 제조할 수 있으며, 상기 제조방법에 의해 제조된 세라믹-금속 하이브리도 피복관은 이종소재의 단순한 결합이 아니라, 이종소재로서의 단점을 보완하고 장점만을 취할 수 있도록 형성된다. 이를 통해 원자로의 안정성 향상에 크게 기여할 수 있다.The ceramic-metal hybrid cladding tube can be manufactured by the manufacturing method disclosed in the present invention, and the ceramic-metal hybrid cladding tube manufactured by the above-described manufacturing method is not merely a simple bonding of different materials but compliments the disadvantages as a heterogeneous material It is formed so as to take advantage only. This can greatly contribute to the improvement of reactor stability.
이상에서 설명된 세라믹-금속 하이브리드 피복관은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The above-described ceramic-metal hybrid cladding tube is not limited to the configuration and the method of the above-described embodiments, but the embodiments may be configured such that all or some of the embodiments are selectively combined so that various modifications can be made. have.
100 : 세라믹-금속 하이브리드 피복관
110 : 세라믹튜브
120 : 금속튜브100: ceramic-metal hybrid cladding
110: Ceramic tube
120: metal tube
Claims (11)
냉각수에 의한 상기 세라믹 튜브의 부식을 방지하도록 상기 세라믹 튜브를 감싸며, 상기 핵연료를 밀봉하도록 봉단마개와 접합되는 금속튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관.A ceramic tube which is formed to receive nuclear fuel of the reactor and prevents the mechanical strength of the cladding tube from being lost by heat generated in the reactor; And
And a metal tube that surrounds the ceramic tube to prevent corrosion of the ceramic tube by cooling water and is joined to a sealing cap to seal the fuel.
상기 세라믹튜브는 상기 금속튜브가 산화되는 사고 발생시 상기 핵연료를 산화로부터 보호하도록 표면에 산화물막을 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관.The method according to claim 1,
Wherein the ceramic tube forms an oxide film on the surface to protect the fuel from oxidation when an accident occurs in which the metal tube is oxidized.
상기 세라믹튜브는 SiC 입자가 Si, MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 기지상에 의해 둘러싸여 상기 기지상과 결합된 복합재인 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관.The method according to claim 1,
Wherein the ceramic tube is a composite material in which the SiC particles are surrounded by at least one gaseous phase selected from the group consisting of Si, MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 , and Ti 3 SiC 2 and combined with the matrix. Metal hybrid cladding.
상기 금속튜브는 지르코늄 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관.The method according to claim 1,
Wherein the metal tube is formed of a zirconium alloy.
상기 세라믹튜브와 결합시 상기 세라믹튜브를 감싸게 될 금속튜브를 상기 세라믹튜브와 밀착 가능한 크기로 제조하는 단계; 및
상온에서는 서로 밀착 가능한 크기인 상기 세라믹튜브와 상기 금속튜브를 기설정된 온도에서 열팽창계수 차이를 이용하여 결합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법.Preparing a ceramic tube by reaction sintering;
Preparing a metal tube to be wrapped around the ceramic tube when the ceramic tube is coupled with the ceramic tube so that the metal tube can be in close contact with the ceramic tube; And
And joining the ceramic tube and the metal tube having a size that can be in close contact with each other at room temperature using a difference in thermal expansion coefficient at a predetermined temperature.
상기 세라믹튜브를 제조하는 단계는,
카본, 그라파이트, SiC 및 TiC로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나로 제조하고자 하는 세라믹튜브의 형상을 갖는 성형체를 형성하는 단계;
상기 성형체에 Si, Mo 및 TiC로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 용융물을 주입하는 단계; 및
상기 성형체에 주입된 용융물이 용융물 상태로 존재할 수 있는 온도에서 소결하여 상기 탄소 또는 탄화규소와 반응을 유도하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the step of fabricating the ceramic tube comprises:
Forming a shaped body having a shape of a ceramic tube to be manufactured from at least one selected from the group consisting of carbon, graphite, SiC and TiC;
Injecting at least one melt selected from the group consisting of Si, Mo, and TiC into the formed body; And
And sintering at a temperature at which the molten material injected into the formed body can exist in a molten state to induce a reaction with the carbon or silicon carbide.
상기 반응에 의해 SiC 입자가 Si, MoSi2, Mo5Si3C, TiSi2, Ti3SiC2로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 기지상에 의해 둘러싸여 상기 기지상과 결합된 복합재를 형성하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the SiC particles are surrounded by at least one gaseous phase selected from the group consisting of Si, MoSi 2 , Mo 5 Si 3 C, TiSi 2 , and Ti 3 SiC 2 to form a composite material bonded with the matrix, Method of making ceramic - metal hybrid cladding.
상기 주입하는 단계는 상기 반응을 유도하는 단계에서 상기 금속튜브와 밀착 가능한 크기의 세라믹튜브를 생성함과 아울러 상기 세라믹튜브의 SiC 분율을 조절하도록 비반응성 필러재인 SiC 분말을 첨가하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법.The method according to claim 6,
Wherein the step of injecting comprises adding a SiC powder, which is a non-reactive filler, to the ceramic tube to produce a ceramic tube of a size that can closely contact the metal tube, and to control the SiC fraction of the ceramic tube. Method of manufacturing a metal hybrid cladding tube.
상기 금속튜브를 제조하는 단계는,
지르코늄 스펀지를 용해하여 잉곳을 제조하는 단계;
상기 잉곳을 열간가공하고 압출하여 중간소재를 생성하는 단계; 및
상기 중간소재를 냉간필거링 하여 상기 세라믹튜브와 밀착 가능한 크기의 지르코늄 튜브를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리도 피복관의 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the step of fabricating the metal tube comprises:
Dissolving a zirconium sponge to produce an ingot;
Hot working and extruding the ingot to produce an intermediate material; And
And a step of cold-peeling the intermediate material to produce a zirconium tube having a size capable of closely contacting the ceramic tube.
상기 결합시키는 단계는,
상온에서는 서로 밀착 가능한 크기인 상기 세라믹튜브와 상기 금속튜브를 기설정된 온도까지 가열하여 열팽창시키는 단계;
열팽창계수 차이로 인해 열팽창 정도가 상대적으로 더 큰 상기 금속튜브에 상기 세라믹튜브를 삽입시키는 단계; 및
상기 세라믹튜브와 상기 금속튜브를 서로 밀착시키도록 상온까지 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법.6. The method of claim 5,
Wherein the combining comprises:
Heating the ceramic tube and the metal tube to a predetermined temperature to thermally expand the ceramic tube and the ceramic tube,
Inserting the ceramic tube into the metal tube having a relatively greater degree of thermal expansion due to a difference in thermal expansion coefficient; And
And cooling the ceramic tube and the metal tube to room temperature so that the ceramic tube and the metal tube are in close contact with each other.
상기 열팽창시키는 단계의 기설정된 온도는 상세 세라믹튜브를 상기 금속튜브에 삽입시키는 것이 가능함과 아울러 상기 금속튜브의 열화가 발생하지 않도록 600~750℃인 것을 특징으로 하는 세라믹-금속 하이브리드 피복관의 제조방법.11. The method of claim 10,
Wherein the predetermined temperature of the thermally expanding step is 600 to 750 DEG C so that the detailed ceramic tube can be inserted into the metal tube and the metal tube is not deteriorated.
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Legal Events
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