KR20160065937A - 고온 강도, 내식성, 액시던트 톨러런트 핵연료 집합체 그리드 - Google Patents

고온 강도, 내식성, 액시던트 톨러런트 핵연료 집합체 그리드 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반식(I)이 Mn+ 1AXn(여기서, M은 천이 금속, A는 화학 주기율표의 A족 원소로부터 선택되는 원소, X는 탄소 또는 질소, 그리고 n은 1 내지 3의 정수임)인 하나 이상의 3원 화합물을 포함하는 조성물로 적어도 부분적으로 구성되는 핵연료 집합체 그리드, 또는 그리드 스트랩 및/또는 일체형 유동 믹서와 같은 그리드의 일부 또는 부품에 관한 것으로서, 본 발명은 더 나아가 얻어지는 그리드 또는 이 그리드의 일부 또는 부품이 복수의 소결된 층을 포함하도록 분말 형태의 하나 이상의 3원 화합물을 포함하는 조성물을 소결하기 위한 소결 공정을 사용함으로써 핵연료 집합체 그리드 또는 이 그리드의 일부 또는 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

고온 강도, 내식성, 액시던트 톨러런트 핵연료 집합체 그리드{HIGH TEMPERATURE STRENGTH, CORROSION RESISTANT, ACCIDENT TOLERANT NUCLEAR FUEL ASSEMBLY GRID}
본 발명은 일반적으로 원자로 연료 집합체에 관한 것이고, 더 구체적으로 고온 강도, 내식성, 액시던트 톨러런트(accident tolerant) 조성물로 제조된 스페이서 또는 믹서 또는 지지 그리드를 사용하는 원자로 연료 집합체 및 스페이서 또는 믹서 또는 지지 그리드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 명세서에서 일괄하여 수형 원자로(water reactor)라고 부르는 대부분의 가압수형 원자로(PWR), 비등수형 원자로(BWR) 및 중수로(HWR)에서, 노심은 원자로의 무효 전력을 발생하는 다수의 세장형 연료 집합체로 구성된다. 이들 연료 집합체는 전형적으로 연료 집합체의 길이를 따라 축방향으로 이격되는, 그리고 복수의 세장형 심블(thimble) 튜브나 또는 연료 집합체의 다른 지지 구조체에 의해 부착되는 복수의 그리드에 의해 구축된 어레이 내에 유지되는 복수의 연료봉을 포함한다.
특히 PWR 구조체의 설명이 제공되지만, 본 발명은 수형 원자로에 일반적으로 적용될 수 있다는 것이 이해된다.
심블 튜브는 전형적으로 제어봉 또는 기기장치를 그 내부에 수용한다. 상부 노즐 및 저부 노즐이 연료 집합체의 양 단부 상에 있고, 연료봉의 양 단부의 약간 상측 및 하측에 연장되는 심블 튜브의 양 단부에 고정된다.
그리드는, 관련된 기술분야에서 공지된 바와 같이, 노심 내에서 연료봉들 사이의 간격을 정확하게 유지하고 지지하기 위해 사용되고, 연료봉을 위한 횡방향 지지를 제공하고, 냉각제의 혼합을 유발한다. 하나의 유형의 종래의 그리드 설계는 내부에 개별적으로 연료봉을 수용하는 대략 정사각형인 복수의 셀을 갖는 에그-크레이트(egg-crate) 구성을 형성하는 복수의 교호로 배치된 스트랩을 포함한다. 심블 튜브의 구성에 따라 이 심블 튜브는 연료봉을 내부에 수용하는 것과 동일한 크기인 셀 내에 수용될 수 있거나, 또는 교호로 배치된 스트랩 내에 형성된 비교적 더 큰 심블 셀 내에 수용될 수 있다. 교호로 배치된 스트랩은 심블 튜브에 부착점을 제공하므로 연료 집합체의 길이를 따라 이격된 위치에서 그리드의 위치결정을 가능하게 한다.
이 스트랩은 연료봉이 관통하는 셀의 각각이 하나 이상의 비교적 컴플라이언트(compliant) 스프링 및 그리드의 연료봉 지지 기구를 형성하도록 공동작용하는 복수의 비교적 강성의 딤플(dimple)을 포함하도록 구성된다. 그리드의 외부 스트랩은 함께 부착되어 주변에서 그리드의 내부 스트랩을 포위함으로써 그리드에 강도 및 강성을 부여사고, 그리드의 주변의 주위에 개개의 연료봉 셀을 형성한다. 전형적으로 내부 스트랩은 각각의 교차부에서 용접되거나 또는 경납땜되고, 내부 스트랩은 또한 주변 스트랩 또는 외부 스트랩에 용접되거나 또는 경납땜됨으로써 이 조립체의 외부 주변을 형성한다.
개개의 셀의 수준에서, 통상적으로 연료봉의 지지는 강성의 지지 딤플과 위에서 언급된 바와 같은 가요성 스프링의 조합에 의해 제공된다. 사용되어 왔거나 또는 현재 사용되고 있는 스프링-딤플 지지체의 기하학적 형상에는 대각 스프링, "I"자형 스프링, 외팔보형 스프링, 수평 딤플 및 수직 딤플 등을 포함하는 많은 변형이 존재한다. 셀 당 스프링의 개수도 변화된다. 전형적인 구성은 셀 당 2 개의 스프링 및 4 개의 딤플이다. 딤플과 스프링의 기하학적 형상은 조립체의 수명을 통해 적절한 봉 지지를 제공하도록 신중하게 결정되어야 한다.
방사선 조사 중에, 초기의 스프링 힘은 스프링의 재료 및 방사선 조사 환경에 따라 다소 신속하게 이완된다. 피복 직경은 또한 극히 높은 냉각제 압력 및 가동 온도로 인해 변화되고, 봉 내의 연료 펠릿도 고밀도화 및 팽창에 의해 그 직경이 변화된다. 산화물 층의 형성에 기인되어 외측 피복 직경도 증가한다. 이러한 치수적 변화 및 재료 특성의 변화의 결과로서, 연료 집합체의 수명을 통해 적절한 봉 지지를 유지하는 것은 매우 어렵다.
원자로 내의 열 기울기 및 압력 기울기에 의해 유도되는 축류 및 횡류, 그리고 정상파 및 와류와 같은 다른 유동 장애의 효과 하에서 세장형 물체인 연료봉은 비교적 작은 진폭으로 지속적으로 진동한다. 만일 봉이 적절히 지지되지 않으면, 이러한 매우 작은 진동 진폭은 지지점과 피복 사이의 상대적 운동을 초래할 수 있다. 슬라이딩 봉에 의해 만일 비교적 작은 딤플 및 그리드 지지면 상에 작용되는 압력이 충분히 높으면, 피복면 상의 작은 부식층은 마모에 의해 제거될 수 있고, 베이스의 금속은 냉각제에 노출될 수 있다. 노출된 새 피복 표면 상에 새로운 부식층이 형성될 때, 이것은 또한 마모에 의해 제거되어 궁극적으로 봉의 벽이 천공된다. 이러한 현상은 부식 프레팅(corrosion fretting)이라고 알려져 있고, 2006 년도에 이것은 PWR 원자로에서 연료 파손의 주요 원인이 되었다.
지지 그리드는 또한 연료 집합체에서 또 하나의 중요한 기능, 즉 최대 냉각제 온도를 감소시키기 위해 혼합되는 냉각제의 기능을 제공한다. 각각의 연료봉에 의해 발생되는 열은 균일하지 않으므로 냉각제 내에 열적 기울기가 존재한다. 연료 집합체의 설계에서 하나의 중요한 파라미터는 연료봉으로부터 냉각제로 효율적 열전달을 유지하는 것이다. 단위 시간 당 제거되는 열의 양이 많으면 많을 수록 발생되는 전력이 더 많아진다. 충분히 높은 냉각제 온도에서, 주어진 시간 내에 단위 피복 면적 당 제거될 수 있는 열의 유량은 현저히 급격하게 감소된다. 이 현상은 핵비등으로부터의 편차(deviation from nucleate boiling) 또는 DNB로 알려져 있다. 만일 원자로 가동의 파라미터 내에서 냉각제 온도가 DNB의 점에 도달하면, 피복 표면 온도는 연료봉의 내부에서 발생되는 열을 배출시키기 위해 신속하게 증가되고, 신속한 피복 산화에 의해 피복 파괴가 초래된다. 연료봉 파괴를 방지하기 위해 DNB가 방지될 필요가 있다는 것은 명확하다. DNB는, 만일 발생한다면, 냉각제가 그 최대 온도에 있는 부분에서 발생하므로, 집합체 내에 혼합된 냉각제에 의해 최대 냉각제 온도를 감소시키면 DNB 상태에 도달하지 않고도 다량의 전력의 발생이 가능해지게 된다. 정상적으로, 개선된 혼합은 그리드 구조체의 하류측에서 혼합용 베인(vane)을 사용함으로써 달성된다. 연료봉에 대한 혼합용 베인의 형상, 크기 및 위치에 의존한다.
그리드의 다른 중요한 기능은 기능을 상실함이 없이 예상된 우발적 하중에서 조작 및 정상적 가동을 유지하는 것, 및 연료봉과 지지점 사이에 수증기 포켓의 형성에 기인되어 연료봉 상의 "과열점(hot spot)"을 방지하는 것을 포함하고, 과열점은 연료봉에서 발생되는 열을 배출시키기 위해 국부적으로 이용가능한 냉각제가 충분하지 않은 경우에 초래될 수 있다. 수증기 포켓은 피복의 신속한 국부적인 부식에 의해 파괴점까지 연료봉의 과열을 초래한다.
그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서(예를 들면, 혼합용 베인)는 전형적으로 지르코늄 합금으로 구성되었는데, 이들 재료가 작은 중성자 흡착 단면 및 적절한 기계적 및 화학적 특성을 나타내기 때문이다. 유사하게, 연료 피복 재료도 지르코늄 합금으로 구성되었다. 그러나, 미래의 원자로 설계 및 가동을 위해 대안적인 연료 피복 재료가 검토되고 있는 중이다. 이러한 새롭고 상이한 재료는 더 우수한 안전 한계(safety margin) 및 액시던트 톨러런스(accident tolerance)를 제공할 수 있는 특성을 표출하는 실리콘 탄화물(SiC) 세라믹 매트릭스 복합재를 포함한다. 그러나, 노심 내부의 그리드, 스트랩 및/또는 혼합용 베인이 상당한 양의 지르코늄을 함유하므로 SiC와 같은 새로운 연료 피복 재료를 구현하는 이익은 소실될 수 있다. 따라서, 지르코늄-함유 그리드, 스트랩 및 혼합용 베인을 원자로의 정상적 가동 및 설계 기준 사고 이외의 온도에서 더 우수한 구조 안정성, 강도 및 내산화성을 갖는 다른 재료로 교체하는 것이 바람직하다.
따라서, 원자로 연료 집합체를 위한 그리드를 구성하는데 사용하기 위한 고온 강도, 부식 저항 및 액시던트 톨러런스를 나타내는 개선된(예를 들면, 지르코늄을 소량 내지 전혀 함유하지 않는) 재료를 제공하는 것이 요망된다.
전술한 목적은 하부 노즐과 상부 노즐 사이에서 지지되는 복수의 세장형 핵 연료봉의 평행하게 이격된 어레이 및 상부 노즐과 하부 노즐 사이에서 연료봉의 축방향 길이를 따라 종렬로 배치되는 복수의 이격된 그리드를 갖는 원자로 연료 집합체를 채용함으로써 달성된다. 이것의 복수의 이격된 그리드 또는 일부 또는 부품은 하기의 일반식 I의 하나 이상의 3원 화합물을 포함하는 조성물로 구성된다.
Mn+ 1AXn (I)
여기서, M은 천이 금속이고, A는 화학 주기율표의 A족 원소로부터 선택되는 원소이고, X는 탄소 및 질소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고, n은 1 내지 3의 정수이다.
특정의 실시형태에서, M은 타이타늄, 지르코늄 및 니오븀으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 더욱이, A는 알루미늄, 실리콘 및 주석으로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
특정의 실시형태에서, 일반식 I의 하나 이상의 3원 화합물은 Ti2AlC, Ti3AlC2, Ti4AlN3, Ti2SiC, Ti3SiC2, Ti3SnC2, Zr2AlC, Zr2TiC, Zr2SnC, Nb2SnC, Nb3SiC2, (ZrxNb1 -x)2AlC로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고, 여기서 x는 0보다 크고 1보다 작다.
일반식 I의 하나 이상의 3원 화합물의 M성분:A성분:X성분의 몰비는 2:1:1, 3:1:2 및 4:1:3으로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
일반식 I의 3원 화합물은 각각 자신의 이론적 밀도의 85%보다 큰, 바람직하게는 자신의 이론적 밀도의 95%보다 큰 밀도를 갖는다.
특정의 실시형태에서, 복수의 이격된 그리드 중 하나 이상은 재료의 표면 상에 스템핑(stamping)된 패턴을 갖는다.
더욱이, 복수의 이격된 그리드 중 하나 이상은 그리드 스트랩, 일체형 유동 믹서 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
연료 집합체는 가압수형 원자로, 비등수형 원자로 및 중수로로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 수형 원자로에서 사용될 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 원자로 연료 집합체를 위한 지지 그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제품을 제조하는 방법으로서, Mn+ 1AXn(여기서, M은 천이 금속이고, A는 화학 주기율표의 A족 원소로부터 선택되는 원소이고, X는 탄소 및 질소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고, n은 1 내지 3의 정수임)의 일반식 I의 하나 이상의 3원 화합물을 포함하는 조성물을 분말 형태로 얻는 단계, 및
상기 조성물에 단축 또는 정수압 열간 압연, 적층 조형 기법, 전기장 지원식 소결 및 냉간 압연 후 종래의 소결로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 공정을 실시하는 단계를 포함한다.
특정의 실시형태에서, 상기 제품은 화학식 I의 3원 화합물을 포함하는 제 1 분말 조성물 및 화학식 I의 상이한 제 2의 3원 화합물을 포함하는 제 2 분말 조성물을 얻는 단계, 표적 영역 상에 제 1 분말 조성물의 제 1 부분을 퇴적시키는 단계, 상기 표적 영역의 표면 상에 비임을 방출하는 지향성 에너지 공급원을 스캐닝하는 단계, 제품의 제 1 단면 영역에 대응하는 제 1 분말 조성물 부분의 제 1 층을 소결시키는 단계, 소결된 제 1 층 상에 제 2 분말 조성물의 제 2 부분을 퇴적시키는 단계, 소결된 제 1 층 상에 지향성 에너지 공급원을 스캐닝하는 단계, 제품의 제 2 단면 영역에 대응하는 제 2 분말 조성물 부분의 제 2 층을 소결하는 단계, 제 2 층의 소결 중에 제 1 층과 제 2 층을 접합시키는 단계, 및 이전에 소결된 층 상에 제 1 분말 조성물과 제 2 분말 조성물의 연속적으로 교대되는 부분을 퇴적시키는 단계 및 이전에 소결된 층에 접합되는 연속적 소결된 층 및 복수의 소결된 층을 포함하는 제품을 제조하기 위해 각각의 연속적 부분을 소결시키는 단계에 의해 제조된다.
이 방법은 2 차원 단면으로 수학적으로 슬라이싱(slicing)된 3 차원 CAD 파일을 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
특정의 실시형태에서, 이 제품은 용접, 경납땜 및 융접으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 공정에 의해 함께 접합되는 하나 이상의 그리드 스트랩을 포함한다. 융접은 레이저 또는 전자 비임을 사용하여 실시될 수 있고, 경납땜용 재료는 구리, 구리-아연, 구리-아연-니켈, 니켈-크로뮴-인, 니켈-은, 및 은 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다.
본 발명의 추가의 이해는 첨부한 도면과 관련된 바람직한 실시형태의 설명으로부터 얻을 수 있다.
도 1a는 명확화를 위해 일부 절결되고, 수직방향으로 단축된 형태로 도시된 연료 집합체의 부분 단면 입면도이고;
도 1b는 도 1a에 도시된 연료 집합체의 일부의 상세도이고;
도 2는 도 1a에 도시된 종래의 PWR 연료 집합체의 적용을 위한 종래의 에그-크레이트 지지 그리드의 평면도이고;
도 3은 "수직" 스트랩 및 "수평" 스트랩을 도시하는 다른 프레임 조립체의 평면도이고;
도 4는 도 3에 도시된 프레임 조립체의 등각도이고;
도 5는 도 3에 도시된 프레임 조립체의 지지 그리드의 상세도이고;
도 6은 4 개의 연료봉 접촉 부분을 구비하는 튜브형 요소의 등각도이고;
도 7은 연료봉을 셀 내에 배치한 4 개의 연료봉 접촉 부분을 구비하는 튜브형 요소의 등각도이고;
도 8은 셀에 인접하는 단일의 접촉 부분을 구비하는 튜브형 요소의 등각도이고;
도 9는 2 개의 연료봉 접촉 부분을 구비하는 튜브형 요소의 등각도이고;
도 10은 2 개의 연료봉 접촉 부분을 구비하는 튜브형 요소의 대안적 등각도이고;
도 11은 튜브형 프레임 부재로 제조되는 프레임 조립체의 일부의 평면도이고;
도 12는 정렬된 튜브형 프레임 부재로 제조되는 프레임 조립체의 일부의 평면도이고;
도 13은 튜브형 프레임 부재 내의 튜브형 부재의 상세 평면도이고;
도 14는 나선형 프레임 부재로 제조되는 프레임 조립체의 상세 평면도이고;
도 15는 셀 접촉 부분에 플랫폼을 갖는 튜브형 부재의 상세 평면도이고;
도 16은 연료봉 접촉 부분에 플랫폼을 갖는 튜브형 부재의 상세 평면도이고;
도 17은 셀 접촉 부분 및 연료봉 접촉 부분에 플랫폼을 갖고, 평평한 천이 부분을 구비하는 튜브형 부재의 상세 평면도이고;
도 18은 종래기술에 공지된 소결 장치의 개략도이고;
도 19는 본 발명의 특정 실시형태에 따라 제조되는 부품의 층상의 적층체의 일부를 도시하는 개략도이다.
본 발명은 원자로 연료 집합체용의 그리드, 또는 이 그리드의 일부 또는 부품(예를 들면, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서)과 같은 제품의 제조에서 사용하기 위한 소결된 3원 화합물에 관련된다. 역사적으로, 그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서는 지르코늄 및/또는 지르코늄 합금으로 구성된다. 본 발명의 목적은 정상적 가동을 초과하는 온도에서 개선된 구조 안전성, 강도, 및 산화 저항의 하나 이상의 특성을 갖는 하나 이상의 소결된 3원 화합물을 포함하는 조성물로 종래의 재료를 대체하는 것이다. 본 발명에 따른 조성물은 실질적으로 하나 이상의 3원 화합물로 구성되지만, 이 조성물은 하나 이상의 3원 화합물 이외의 물질(들)을 포함할 수도 있다는 것이 예상된다.
설명의 편이를 위해, 본 명세서에 제공된 개시는 가압수형 원자로(PWR) 설계를 대상으로 하지만, 본 발명은 비등수형 원자로(BWR) 및 중수로(HWR)를 포함하는 다양한 수형 원자로 설계에 동등하게 적용될 수 있다.
냉각제 유출사고(LOCA)가 발생된 경우, 연료 피복 온도는 2200°F까지 될 수 있고, 연료봉과 접촉되는 그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서의 온도도 동일한 고온이 될 수 있다. 설계 기준외 사고의 경우, 피복 및 그리드 온도는 장시간 동안에 2200℉를 훨씬 능가할 수 있다. 지르코늄 합금과 같은 종래의 재료로 제작된 그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서는 2200℉의 온도 또는 이 온도를 초과하는 온도의 수증기에 노출되는 경우에 "런-어웨이(run-away)" 산화될 수 있고, 그 결과 강도 및 구조 무결성(integrity)을 상실하고, 수소 기체를 발생한다. 그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서의 파괴는 냉각가능한 기하학적 형상 또는 심지어 노심 용융과 같은 더 중대한 결과를 초래할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 탁월한 내산화성을 나타내고, LOCA 온도에서 "런-어웨이" 산화를 방지할 수 있는 3원 화합물-함유 조성물로 구성되는 원자로 연료 집합체용의 그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서(예를 들면, 혼합용 베인)와 같은 제품을 개발하는 것이다.
도 1a는 총괄적으로 참조 번호 110으로 표시된 연료 집합체의 수직방향으로 단축된 형태로 도시된 입면도이다. 이 연료 집합체(110)는 가압수형 원자로에서 사용되는 유형이고, 그 하단부에 저부 노즐(112)을 포함하는 구조 골격을 갖는다. 이 저부 노즐(112)은 원자로의 노심 영역에서 하부 노심판(114) 상에 연료 집합체(110)를 지지한다. 저부 노즐(112)에 더하여, 연료 집합체(110)의 구조 골격은 또한 그 상단부에 상부 노즐(116) 및 다수의 가이드 튜브 또는 원자로의 상부 내부 구조물 내에서 가이드 튜브와 정렬되는 심블(118)을 포함한다. 가이드 튜브 또는 심블(118)은 저부 노즐(112)과 상부 노즐(116) 사이에서 종방향으로 연장되고, 그 양 단부는 상기 노즐에 견고하게 부착된다.
연료 집합체(110)는 가이드 심블(118)을 따라 축방향으로 이격되는, 그리고 가이드 심블(118)에 장착되는 복수의 횡단 그리드(120) 및 이 그리드(120)에 의해 지지되는 횡방향으로 이격되는 세장형 연료봉(122)의 조직적인 어레이를 더 포함한다. 가이드 심블(118) 및 연료봉(122)을 포함하지 않은 종래의 그리드(120)의 평면도가 도 2에 도시되어 있다. 가이드 심블(118)은 124로 표시된 셀을 통과하고, 연료봉(122)은 기기 심블(138)(도 1a에 도시됨)을 위해 확보되어 있는 중심 셀을 제외한 나머지 셀(126)을 점유한다. 도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 그리드(120)는 관례적으로 직교의 스트랩(128, 130)의 어레이로 형성되고, 이것은 대략 정사각형의 지지 셀을 형성하는 4 개의 스트랩의 인접하는 계면을 구비하는 에그-크레이트(egg-crate) 패턴으로 교호로 배치되고, 이것을 통해 연료봉(122)이 서로에 대해 횡방향으로 이격된 관계로 셀(126) 내에 지지된다. 많은 설계에서, 스프링(132) 및 딤플(134)이 지지 셀(126)을 형성하는 스트랩(128, 130)의 대향 벽 내로 스템핑(stamping)되어 있다. 이 스프링 및 딤플은 지지 셀 내로 반경방향으로 연장되어, 이들 사이에 연료봉(122)을 포획하고, 연료봉을 정위치에 유지하기 위해 연료봉의 피복 상에 압력을 작용한다. 스트랩(128, 130)의 직교 어레이는 그리드 구조체(120)를 완성하기 위해 경계 스트랩(136)에 각각의 스트랩 단부가 용접된다. 도 2에 도시된 종래 기술의 실시형태에서, 경계 스트랩(136)은 모서리부에서 함께 용접된 4 개의 별개의 스트랩으로 형성된다. 또한, 이전에 언급된 바와 같이, 집합체(110)는 도 1a에 도시된 바와 같이 이 집합체의 중심에 위치되는 기기장치 튜브(138)를 갖고, 이것은 저부 노즐(112)과 상부 노즐(116)의 사이에 연장되어, 이 저부 노즐(112)과 상부 노즐(116)에 의해 포획된다. 이러한 부품의 구성에 의해, 연료 집합체(110)는 부품의 집합체를 손상시키지 않고 편리하게 취급될 수 있는 일체형 유닛을 형성한다.
위에서 언급된 바와 같이, 이 집합체(110) 내에서 그 어레이 내의 연료봉(122)은 연료 집합체(110)의 길이를 따라 이격된 그리드(120)에 의해 서로 이격된 관계로 유지된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 각각의 연료봉(122)은 복수의 핵연료 펠릿(140)을 포함하고, 상단부 플러그(142) 및 하단부 플러그(144)에 의해 자신의 양 단부가 폐쇄된다. 일반적으로, 플리넘 스프링(150)은 봉(122) 내에 밀착 적층된 관계로 펠릿을 유지하기 위해 상단부 플러그(142)와 펠릿(40) 사이에 배치된다. 핵분열성 재료로 구성되는 연료 펠릿(140)은 원자로의 무효 전력을 생성하는 것을 담당한다. 물, 또는 붕소 및 기타 냉각제 첨가제를 함유하는 물과 같은 액체 감속제/냉각제는 유효 일의 생성을 위해 내부에서 발생되는 열을 추출하도록 노심의 연료 집합체를 통해 상방으로 펌핑된다. 펠릿(140)을 둘러싸고 있는 피복(146)은 핵분열 부산물이 냉각제 내에 유입되는 것을 방지하고, 나아가 원자로 시스템을 오염시키는 것을 방지하기 위한 장벽의 역할을 한다.
핵분열 프로세스를 제어하기 위해, 다수의 제어봉(148)이 연료 집합체(110) 내의 사전결정된 위치에 위치된 가이드 심블(118) 내에서 왕복 이동될 수 있다. 기기장치 튜브(138)에 의해 점유되는 중심 위치 이외의 가이드 심블 셀의 위치(124)는 구체적으로 도 2에서 볼 수 있다 특히, 상부 노즐(116)의 상측에 위치되는 봉 클러스터 제어 메커니즘(152)은 복수의 제어봉(148)을 지지한다. 이 제어 메커니즘은 일반적으로 스파이더(spider)로 알려져 있는 구성을 형성하는 복수의 반경방향으로 연장되는 플루크(fluke) 또는 암(156)을 구비하는 암나사산을 갖는 원통형 허브 부재(154)를 갖는다. 주지된 방식으로 제어봉 허브(154)에 결합되는 제어봉 구동축의 원동력 하에서 제어봉 메커니즘(152)이 가이드 심블(118) 내에서 제어봉을 수직으로 이동시키도록 작동될 수 있도록, 그리고 이것에 의해 연료 집합체(110) 내에서 핵분열 공정을 제어하도록 각각의 암(156)은 제어봉(148)에 상호연결된다.
도 1b는 연료봉(122)이 그리드(120)에 의해 상호 이격된 관계로 유지되어 있는 도 1a의 연료 집합체(110)의 부분도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 혼합용 베인(89)은 복수의 그리드(120) 중 하나의 상면 상에 설치된다. 이 혼합용 베인(89)은, 예를 들면, 영역(91) 내에 난류를 발생시킨다.
지지 그리드, 스페이서 및 믹서의 다양한 설계가 본 기술분야에 공지되어 있다. 본 발명은 이들 특정한 설계에 제한되지 않으므로 본 발명은 이 다양한 설계에 동등하게 적용될 수 있다. 예를 들면, 대안적인 지지 그리드 설계가 도 3 내지 도 17에 도시되어 있다.
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 지지 그리드(26)는 프레임 조립체(40) 및 적어도 하나의 대체로 원통형인 튜브형 부재(50)를 포함한다. 이 프레임 조립체(40)는 셀 벽(43)에 의해 형성되는 복수의 셀(42)을 포함한다. 각각의 셀(42)은 문자 "w"로 나타낸 바와 같은 폭을 갖는다. 하나의 실시형태에서, 셀(42) 및 셀 벽(43)은 수직 세트(46)와 수평 세트(48)의 2 개의 연결된 세트 내에 배치되는 복수의 실질적으로 평평한 세장형 스트랩 부재(44)로 형성된다. 스트랩 부재(44)의 수직 세트 및 수평 세트(48)의 스트랩 부재(44)는 대체적으로 서로 수직이다. 또한, 각각의 세트 내의 스트랩 부재(44)는 대체로 균등하게 이격되어 있다. 이러한 구성에서, 스트랩 부재(44)는 대체로 정사각형 셀(42A)을 형성한다. 따라서, 각각의 셀(42A)은 서로 수직이고, 이 셀(42A)의 모서리를 통해 연장되는 2 개의 대각 축선 "d1" 및 "d2" 뿐만 아니라 서로 수직이고, 셀(42A)의 중심을 통해 연장되고, 셀 벽(43)에 수직으로 교차되는 2 개의 수직 축선 "n1" 및 "n2"를 갖는다. 2 개의 수직 축선이 통과하는 셀 벽(43) 상의 점은 셀 벽(43)과 셀(42)의 중심 사이의 최근접 점 "cp"이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 프레임 조립체(40)는 문자 "h"로 표시되는 높이를 또한 갖고, 여기서 이 높이는 프레임 조립체(40)의 폭 또는 높이보다 실질적으로 작다. 더욱이, 이 프레임 조립체(40)는 상부 측면(47) 및 저부 측면(49)을 갖는다. 본 발명의 스트랩 부재(44)는 스프링 및 딤플과 같은 돌출부를 포함하지 않는 것이 주목될 수 있다. 추가의 지지 구조체의 결여는 이 프레임 조립체(40)의 구성을 매우 용이하게 해준다.
지지 그리드(26)의 튜브형 부재(50)는 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 이 튜브형 부재(50)는 적어도 하나의 나선형 홈을 갖는 부분 또는 연료봉 접촉 부분(52), 셀 접촉 부분(54), 및 이들 사이에 배치되는 천이 부분(56)을 포함한다. 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 튜브형 부재(50)는 바람직한 실시형태인 4 개의 연료봉 접촉 부분(52)을 갖는다. 기타 구성은 이하에서 논의된다. 셀 접촉 부분(54)은 상기 셀 폭과 대체로 동등한 더 큰 직경을 갖고, 셀(46)에 꼭 맞게 맞물림되도록 구성되어 있다. 연료봉 접촉 부분(52)은 상기 연료봉(28)의 직경과 대체로 동등한 더 작은 직경을 갖는다. 따라서, 이 튜브형 부재(50)는 셀(42) 내에 배치될 수 있고, 연료봉(28)은 튜브형 부재(50) 내에 배치될 수 있다. 바람직한 일 실시형태에서, 튜브형 부재(50)는 균일한 두께를 갖는 재료로 제작된다. 따라서, 나선형 연료봉 접촉 부분(52)은 튜브형 부재(50)의 외면과 셀 벽(43) 사이에 외부 통로(60)를 형성한다. 또한, 연료봉(28)으로부터 이격된 셀 접촉 부분(54)은 내부 통로(62)를 형성한다. 외부 통로(60) 또는 내부 통로(62)를 통해 흐르는 물은 나선형 연료봉 접촉 부분(52)의 형상에 의해 영향을 받고, 그 결과물은 혼합된다.
이 튜브형 부재(50)는 임의의 각도의 피치를 가질 수 있는 임의의 수의 나선형 연료봉 접촉 부분(52)으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같이, 튜브형 부재(50)는 튜브형 부재(50)를 중심으로 360 도로 연장되는 단일의 나선형 연료봉 접촉 부분(52)을 갖는다. 도 9에 도시된 바와 같이, 튜브형 부재(50)는 튜브형 부재(50)를 중심으로 180 도로 연장되는 2 개의 나선형 연료봉 접촉 부분(52)을 갖는다. 도 10에 도시된 바와 같이, 튜브형 부재(50)는 튜브형 부재(50)를 중심으로 360 도로 연장되는 2 개의 나선형 연료봉 접촉 부분(52)을 갖는다. 위에서 언급된 바와 같이, 도 6은 튜브형 부재(50)를 중심으로 각각 90 도로 연장되는 4 개의 나선형 연료봉 접촉 부분(52)을 갖는 튜브형 부재(50)를 도시한다. 바람직하게, 이 나선형 연료봉 접촉 부분(52)은 튜브형 부재(50)를 중심으로 균등하게 이격되어 있으나, 필요한 것은 아니다.
이들 실시예는 다수(N)의 나선형 연료봉 접촉 부분(52) 및 360도 또는 360도의 배수와 동등한 각도 변위(A)를 사용하였다. 이 구성은 특히 정사각형 셀(42A)에서 사용하도록 된 것이다. 즉, 이 셀 접촉 부분(54)은 오로지 셀 벽(43) 상의 최근접 점에서 셀 벽(43)에 접촉된다. 기타 점에서, 예를 들면, 셀(42A)의 모서리에서, 튜브형 부재(50)의 더 큰 직경, 즉 셀 접촉 부분(54)은 셀 벽(43)에 접촉되지 않는다. 따라서, 도 7에 가장 잘 도시되어 있는 바와 같이, 튜브형 부재(50)를 중심으로 각각 90도로 연장되는 4 개의 균등하게 이격된 나선형 연료봉 접촉 부분(52)이 존재하는 경우에, 4 개의 대응하는 셀 접촉 부분(54)이 존재하고, 각각은 나선형 연료봉 접촉 부분(52)들 사이에 배치된다. 튜브형 부재(50)와 셀 벽(43) 사이의 최대 표면적의 접촉을 보장하기 위해, 나선형 연료봉 접촉 부분(52)이 셀의 상부 측면(47)에서 대각 축선과 대체로 정렬되도록, 그리고 셀의 저부 측면(49)에서 상이한 대각 축선과 정렬되도록 튜브형 부재(50)가 배치된다. 이러한 배향에서, 셀 접촉 부분(54)은 상부 측면(47) 및 저부 측면(49)의 셀 벽(43)의 최근접점과 정렬된다. 임의의 형상의 셀(42)로 유사한 구성이 제작될 수 있다. 즉, 나선형 연료봉 접촉 부분(52)의 수(N)는 바람직하게 셀(42)의 측면(들)의 수와 동일하고, 각도 변위(A)는 바람직하게 360도/S이다. 따라서, 이 튜브형 부재는 각각의 나선형 연료봉 접촉 부분(52)이 셀의 상부 측면(47)에서 셀(42)의 모서리를 통과하는 축선과 대체로 정렬된 상태로, 그리고 셀의 저부 측면(49)에서 셀(42)의 모서리를 통과하는 상이한 축선과 정렬된 상태로 위치될 수 있다. 따라서, 셀 접촉 부분(54)은 상부 측면(47) 및 저부 측면(49)의 셀 벽(43)의 최근접점과 정렬된다.
다른 실시형태에서, 프레임 조립체(40)는 복수의 연결된 튜브형 프레임 부재(70)에 의해 형성되는 복수의 원통형 셀(42B)을 포함한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 프레임 조립체(40)는 복수의 조밀하게 충진된 튜브형 프레임 부재(70)를 가질 수 있으나, 도 12에 도시된 바와 같이 정렬된 튜브형 프레임 부재(70)의 패턴이 바람직하다. 즉, 이 튜브형 프레임 부재(70)는 각각의 튜브형 프레임 부재(70)의 주변의 주위에서 90 도의 간격을 두고 서로 결합된다. 튜브형 부재(50)는 원통형 셀(42B) 내에 배치된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 튜브형 부재(50)와 원통형 셀(42B)의 조합은 이 경우에도 연료봉(28)과 튜브형 부재(50) 사이에 내부 통로(62)를, 그리고 튜브형 부재(50)와 튜브형 프레임 부재(70) 사이에 외부 통로(60)를 형성한다. 튜브형 프레임 부재(70)의 원통형 셀(42B)은 전체의 셀 접촉 부분(54)이 셀 벽(43)에 접촉하는 추가의 장점을 갖는다. 즉, 원통형 셀(42B)의 직경은 셀 폭과 동일하고, 이것은 또한 최근접 점과 동일하고, 그러므로 셀 접촉 부분(54)은 셀 벽(43)의 전체 높이를 따라 셀 벽(43)과 맞물린다. 이것은 셀 접촉 부분(54)이 셀 벽(43)과 모서리에서 접촉하지 않는 정사각형 셀(42A)과 다르다.
도 14에 도시된 다른 실시형태에서, 튜브형 부재(50) 및 튜브형 프레임 부재(70)는 나선형 프레임 부재(80) 내에 조합되어 있다. 즉, 이 프레임 조립체(40)는 매트릭스 패턴 내에 배치되는 복수의 나선형 프레임 부재(81)를 포함한다. 이 나선형 프레임 부재(80)는 튜브형 부재(50)와 마찬가지로 적어도 하나의 나선형 연료봉 접촉 부분(52)을 포함하지만, 셀 접촉 부분(54) 대신에 나선형 프레임 부재(80)의 외면은 인접하는 나선형 프레임 부재(80)의 접촉 부분(55)과 직접적으로 결합되도록 구성된 접촉 부분(55)이다. 프레임 조립체(40)의 튜브형 프레임 부재(70)의 실시형태와 같이, 이 나선형 프레임 부재(80)는 각각의 나선형 프레임 부재(80)의 주변의 주위에 90도의 간격으로 각각 결합된다. 또한, 이 실시형태에서, 바람직하게 프레임 조립체(40)는 복수의 나선형 프레임 부재(81)의 주변의 주위에 연장되도록 구성되는 복수의 외부 스트랩(82)을 포함한다. 이 외부 스트랩(82)은 복수의 나선형 프레임 부재(81)의 외연부에 배치되는 나선형 프레임 부재(80)의 접촉 부분(55)에 결합된다. 연료봉(28)은 적어도 하나의 나선형 프레임 부재(80)를 통해 배치된다.
도 13에 가장 잘 도시된 바와 같이, 단면도로 보았을 때, 튜브형 부재(50)의 성분, 즉, 나선형 연료봉 접촉 부분(52), 셀 접촉 부분(54), 및 천이 부분(56)은 바람직하게 부드러운 곡선의 형상을 갖는다. 이 구성은 튜브형 부재(50)에 압축 스프링과 같은 특질을 부여한다. 그러나, 도 15에 도시된 바와 같이, 셀 접촉 부분(54)은 연장된 평면의 길이 또는 플랫폼(90)을 포함할 수 있다. 이 플랫폼(90)은 셀 벽(43)과 맞물리는 더 큰 표면적을 제공하도록 구성되어 있다. 플랫폼(90)의 길이가 더 길어지면 천이 부분(56)은 예각의 곡선을 가질 필요가 있다. 유사하게, 도 16에 도시된 바와 같이, 나선형 연료봉 접촉 부분(52)은 연료봉(28)을 중심으로 반경방향으로 연장되도록 된 오목한 플랫폼(92)을 포함할 수 있다. 마찬가지로 오목한 플랫폼(92)의 길이가 더 길어지면 천이 부분(56)은 예각의 곡선을 가질 필요가 있다. 튜브형 부재(50)는 셀 접촉 부분(54)의 플랫폼(90) 및 나선형 연료봉 접촉 부분(52)의 오목한 플랫폼(92)의 양자 모두를 포함할 수도 있다. 마지막으로, 튜브형 부재(50)는 각진 단부(94)를 구비하는 대체로 평평한 천이 부분(56)을 구비하도록 구성될 수도 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 이 실시형태에서 천이 부분(56)은 평단면도로 대체로 평면을 갖는다. 연료봉 접촉 부분(52)의 나선형 특질에 기인되어 천이 부분(56)은 프레임 조립체(40)의 높이 방향으로 평평하지 않다는 것이 이해된다.
본 발명의 조성물은 일반식 I의 하나 이상의 3원 화합물을 포함한다:
Mn+ 1AXn (I)
여기서 M은 천이 금속이고, A는 화학 주기율표의 A족 원소로부터 선택되는 원소이고, X는 탄소(C) 또는 질소(N)이고, n은 1 내지 3의 정수이다. 이러한 3원 화합물은 MAX 상 화합물이라고 부른다. 특정의 실시형태에서, M은 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb) 및 이들의 혼합물 및 이들의 조합을 포함한다. 더욱이, 특정의 실시형태에서, A는 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 주석(Sn) 및 이들의 혼합물 및 이들의 조합을 포함한다. 따라서, 특정의 실시형태에서, 본 발명에 따른 3원 화합물은 Ti2AlC, Ti3AlC2, Ti4AlN3, Ti2SiC, Ti3SiC2, Ti3SnC2, Zr2AlC, Zr2TiC, Zr2SnC, Nb2SnC, Nb3SiC2, (ZrxNb1-x)2AlC(여기서 x는 0보다 크고, 1 보다 작음), 이들의 혼합물 및 이들의 조합을 포함한다.
본 발명에서 사용하기 위한 일반식 I의 적절한 화합물은 그것의 이론적 밀도의 85%보다 큰 밀도, 바람직하게는 그것의 이론적 밀도의 95%보다 큰 밀도를 갖는다. 더욱이, 특정의 실시형태에서, 3원 화합물은 M성분:A성분:X성분(M:A:X)의 몰비가 2:1:1 또는 2:1:2 또는 4:1:3이 되는 화학양론비를 갖는다. 즉, n은 1, 2 또는 3이다.
특정의 실시형태에서, 본 발명의 조성물은 탄화물(여기서, X는 탄소), 질화물(여기서, X는 질소) 또는 탄화물과 질화물의 혼합물 또는 조합물(여기서, X는 탄소와 질소의 조합의 혼합물)을 포함할 수 있다.
일반식 I에 따른 3원 화합물은 지르코늄 합금의 재료 강도와 유사한 재료 강도(예를 들면, 영률)를 나타내고, 상승된 온도에서 이 강도를 유지할 수 있다. 예를 들면, Ti2AlC의 항복 강도는 약 700 MPa이고, 이것은 인코넬 718의 항복 강도의 약 1/2이지만 1% Sn 및 0.7% Nb을 함유하는 전형적인 지르코늄 합금의 항복 강도의 2 배이다. 더욱이, 본 발명에 따른 적절한 3원 화합물은 적절한 전성, 탄성 및 낮은 중성자 흡착 단면 중 적어도 하나의 특성을 나타낸다. 또한, 본 발명에 따른 3원 화합물을 사용하면 수소의 발생량이 적어지고, 따라서 이 3원 화합물 및 이것으로 제조되는 제품은 지르코늄 합금과 달리 수소 유발 취성을 유발하지 않는다. 더욱이, 3원 화합물의 최대 변형도 또는 연신율은 매트릭스 내에서 금속간 화합물을 형성하는 일반식 I에서 M 원소 및 A 원소의 존재에 기인되어 증대된다고 생각된다.
원자로 노심에서, SiC로 구성되는 피복과 MAX 상 화합물로 구성되는 제품(예를 들면, 그리드, 그리드 스트랩 및 일체형 유동 믹서)을 조합하면, 적어도 실질적으로, 경우에 따라서는 완전히 노심으로부터 지르코늄을 제거할 수 있고, 그 결과 핵연료의 액시던트 톨러런스를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 3원 화합물-함유 조성물로 구성되는 원자로 연료 집합체용 제품(예를 들면, 그리드, 그리드 스트랩 및 혼합용 베인)은 본 기술분야에 공지된 종래의 기법을 사용하여 제조될 수 있다. 이러한 기법 중 비제한적 예는 단축 또는 정수압 열간 압연, 적층 조형 기법, 전기장 지원식 소결 및 냉간 압연 후 종래의 소결을 포함한다.
특정의 실시형태에서, 예를 들면, 이 제품은 레이저 또는 표적 영역에 비임을 방출하도록 선택될 수 있는 다른 지향성 에너지 공급원, 표적 영역 내에 분말을 퇴적시키기 위한 분말 분배 시스템, 레이저 비임의 조준선을 이동시키고, 표적 영역 내로 분배된 분말의 층을 선택적으로 소결시키기 위해 레이저를 조절하기 위한 레이저 제어 메커니즘을 포함하는 장치를 사용하는 종래의 무가압압(pressure-less) 소결법을 사용하여 제작될 수 있다. 이 제어 메커니즘은 제품의 원하는 층을 생성하도록 한정된 경계 내에 배치된 분말만을 선택적으로 소결시키도록 작동된다. 이 제어 메커니즘은 분말의 연속층을 선택적으로 소결하여 함께 소결된 복수의 층을 포함하는 완성된 제품을 생산하도록 레이저를 작동시킨다.
이 3원 화합물(들)은 종래의 방법, 예를 들면, 기계적 분쇄에 의해 분화화될 수 있다.
바람직하게, 제어 메커니즘은 각각의 층의 한정된 경계를 결정하기 위해 컴퓨터, 예를 들면, CAD/CAM 시스템을 포함한다. 즉, 제품, 예를 들면, 그리드, 그리드 스트랩 또는 일체형 유동 믹서의 전체 치수 및 구성을 전제로 하여 컴퓨터는 각각의 층의 한정된 경계를 결정하고, 이 한정된 경계에 따라 레이저 제어 메커니즘을 작동시킨다. 대안적으로, 컴퓨터는 각각의 층의 한정된 경계로 초기에 프로그래밍될 수 있다. 일반적으로 소결 장치 및 방법은 종래기술에 알려져 있다. 본 발명에서 사용하기 위한 적절한 장치 및 방법은 미국특허 4,863,538에 개시되어 있고, 이것은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명의 특정의 실시형태에 따르면, 일반식 I의 하나 이상의 3원 화합물은 제품, 예를 들면, 그리드, 그리드 스트랩 또는 일체형 유동 믹서를 제조하기 위한 소결 공정에서 사용된다(예를 들면, 층상화된다). 하나 이상의 3원 화합물은 분말의 형태이고, 위에서 설명된 바와 같이 표적 영역 내에 퇴적된다. 이 공정은 레이저가 제 1의 3원 화합물 분말(일반식 I)로 이루어진 층을 선택적으로 소결시키고, 다음에 레이저가 분말의 연속층을 선택적으로 소결시킴으로써 함께 소결된 복수의 층을 포함하는 완성된 제품을 생산하도록 제어된다. 연속층의 각각은 제 1의 3원 화합물 분말을 포함할 수 있고, 또는 대안적으로, 연속층의 각각은 제 1의 3원 화합물 분말과 상이한 제 2의 3원 화합물 분말(일반식 I)의 교호층을 포함할 수 있다.
추가의 재료 또는 분말이 본 발명에 따른 조성물을 형성하기 위해 하나 이상의 3원 화합물과 혼합되거나 또는 조합될 수 있다.
하나의 실시형태에서, 그리드는 소결용 레이저 또는 전자 비임을 사용하여 제작될 수 있고, 여기서 이 공정은 2D 단면으로 수학적으로 슬라이싱(slicing)된 3D CAD 파일을 이용하여 개시되고, 그리드는 한번에 한 층씩 적층되어 완성된다. 따라서, 그리드는 일층씩 적층하는 공정의 축적물일 수 있다. 즉, 그리드는 누적적으로 그리드의 3 차원 구성을 완결하는 복수의 불연속 단면 영역으로 간주될 수 있다. 각각의 불연속적 단면 영역은 2 차원 경계를 형성한다.
도 18은 레이저(212), 분말 분배기(214), 및 레이저 제어 수단(216)을 포함하는 소결 장치(210)를 개괄적으로 도시한다. 더 상세하게는, 분말 분배기(214)는 분말(222)을 수용하는 호퍼(220)를 포함하고, 유출구(224)를 갖는다. 이 유출구(224)는 표적 영역(226)에 분말을 분배하도록 배향되고, 표적 영역(226)은 일반적으로 도 18에서 가둠(confinement) 구조체에 의해 형성된다. 분말(222)을 분배하기 위한 많은 변형예가 존재하는 것이 고찰되고 이해된다. 본 발명에 따르면, 분말(222)은 일반식 I의 일종 이상의 탄화물 및/또는 질화물의 조합을 포함한다.
레이저(212)의 부품은 도 18에서 다소 개략적으로 도시되어 있고, 레이저 헤드(230), 안전 셔터(232), 및 전방 거울 조립체(234)를 포함한다. 사용되는 레이저의 유형은 많은 인자, 특히 소결될 분말(222)의 유형에 의존된다. 일반적으로, 레이저(212)의 레이저 비임의 출력은 적외선에 근접하는 파장을 갖는다. 펄스상 모드나 연속 모드에서, 레이저(212)는 대체로 도 18에서 화살표로 도시된 경로를 따라 이동하는 레이저 비임을 선택적으로 발생시키도록 온 또는 오프 조절될 수 있다.
레이저 비임을 집속시키기 위해 도 18에 도시된 바와 같이 레이저 비임의 이동 경로를 따라 발산 렌즈(236) 및 수렴 렌즈(238)가 배치된다. 레이저(212)와 수렴 렌즈(238) 사이에 배치되는 발산 렌즈(236)는 발산 렌즈(236)와 레이저(212) 사이에 허초점을 형성한다. 수렴 렌즈(238)와 허초점 사이의 거리를 변화시키면 레이저(212)로부터 원격의 수렴 렌즈(238)의 측 상의 레이저 비임의 이동 경로를 따라 초점(true focal point)을 제어할 수 있다. 광학 분야에서 많은 발전이 있었고, 알고 있는 위치에서 레이저 비임을 효율적으로 집속시키기 위한 많은 대안을 이용할 수 있다는 것이 알려져 있다.
레이저 제어 수단(216)은 컴퓨터(240) 및 스캐닝 시스템(242)을 포함한다. 바람직한 일 실시형태에서, 컴퓨터(240)는 레이저(212)를 제어하기 위한 마이크로프로세서 및 데이터를 생성하기 위한 CAD/CAM 시스템을 포함한다. 도 18에 도시된 실시형태에서는 퍼스널 컴퓨터가 사용된다.
도 18에 도시된 바와 같이, 스캐닝 시스템(242)은 레이저 비임의 이동 경로를 바꾸기 위한 프리즘(244)을 포함한다. 스캐닝 시스템(242)은 또한 각각의 검류계(248, 249)에 의해 구동되는 한 쌍의 거울(246, 247)을 포함한다. 함수 발생기 드라이버(250)는 레이저 비임의 조준선(도 18에서 화살표로 표시됨)이 표적 영역(226)에서 제어될 수 있도록 검류계(248)의 이동을 제어한다. 이 드라이버(250)는 도 18에 도시된 바와 같이 컴퓨터(240)에 작동가능하게 결합된다. 어쿠스토-옵틱(acusto-optic) 스캐너, 회전식 다각형 거울, 및 공진 거울 스캐너를 포함하는 스캐닝 시스템(242)으로서 사용하기 위한 대안적 스캐닝 방법이 사용될 수 있다는 것이 인정될 것이다.
도 19에서 252의 일부가 개략적으로 도시되어 있고, 4 개의 층(254-257)을 도시한다. 레이저 비임(212)의 조준선은 266에서와 같이 래스터(raster) 스캔 패턴으로 지향된다. 본 명세서에서 사용될 때, "조준선"은 중립 용어 표시 방향으로서 사용되고, 레이저(212)의 변조 상태를 의미하지 않는다. 본 발명에 따르면, 층(254)은 제 1의 3원 화합물 분말(일반식 I)을 포함할 수 있고, 층(255)은 상이한 제 2의 3원 화합물 분말(일반식 I)을 포함할 수 있고, 층(256)은 제 1 화합물 분말을 포함할 수 있고, 층(257)은 상이한 제 2의 3원 화합물 분말을 포함할 수 있다.
분말(222)의 제 1 부분은 표적 영역(226) 내에 퇴적되고, 소결된 제 1 층(254)(도 19)을 생성하기 위해 레이저 비임(212)에 의해 선택적으로 소결된다. 소결된 제 1 층(254)은 원하는 그리드의 제 1 단면 영역에 대응한다. 이 레이저 비임은 한정된 경계의 한계 내에서 퇴적된 분말(222)만을 선택적으로 소결시킨다. 이 공정은 일층씩 반복되고, 개개의 층은 응집된 그리드, 예를 들면, 도 19의 부품(252)을 생성하도록 함께 소결된다.
제품의 치수는 일반적으로 변화시킬 수 있다. 특정의 실시형태에서, 그리드 또는 그리드 스트랩의 두께(예를 들면, 소결 공정에서의 연속적 층)는 약 0.015 인치 내지 약 0.035 인치일 수 있다. 높이는 약 0.45 인치 내지 약 2.25 인치일 수 있다. 폭은 약 7 인치 내지 약 15 인치일 수 있다.
특정의 실시형태에서, 본 발명에 따라 제조되는 그리드 또는 그리드 스트랩은 연료 그리드를 조립하기 위해 사용될 수 있는 패턴을 형성하기 위해 맞춤제작된 다이를 이용하여 스템핑될 수 있다. 스템핑은 종래의 장치, 기법 및 본 기술분야에 공지된 방법을 사용하여 달성될 수 있다.
더욱이, 본 발명에 따라 제조된 스틸 스트립은 종래의 장치, 기법 및 당업자에게 공지된 방법을 사용하는 용접 또는 경납땜에 의해 접합될 수 있다. 경납땜 재료는 구리, 구리-아연, 구리-아연-니켈, 니켈-크로뮴-인, 니켈-은, 및 은 합금을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 더욱이, 그리드 스트랩을 융접시키기 위해 레이저 또는 전자 비임이 사용될 수 있다.
본 발명의 특정의 실시형태가 상세히 설명되었으나, 본 기술분야의 당업자는 본 개시의 전체의 교시에 비추어 이들 세부적 내용에 다양한 개조 및 변경이 개발될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 구체적인 실시형태는 단지 설명을 위한 것으로, 첨부된 청구항 및 임의의 또는 전체의 균등물의 넓은 범위로 제공되는 본 발명의 범위에 대한 제한을 의미하지 않는다.

Claims (20)

  1. 원자로용 연료 집합체(110)로서,
    하부 노즐(112)과 상부 노즐(116) 사이에 지지되는 복수의 세장형 핵 연료봉(122)의 평행하게 이격된 어레이, 및 상기 상부 노즐(116)과 상기 하부 노즐(112) 사이에서 상기 연료봉(122)의 축방향 길이를 따라 종렬로 배치되는 복수의 이격된 그리드(120)를 포함하고, 상기 복수의 이격된 그리드(120) 또는 그 일부 또는 부품은 하기의 일반식의 하나 이상의 3원 화합물을 포함하는 조성물로 제조되고,
    Mn+ 1AXn (I)
    여기서, M은 천이 금속이고, A는 화학 주기율표의 A족 원소로부터 선택되는 원소이고, X는 탄소 및 질소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고, n은 1 내지 3의 정수인
    원자로용 연료 집합체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 M은 타이타늄, 지르코늄 및 니오븀으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는
    원자로용 연료 집합체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 A는 알루미늄, 실리콘 및 주석으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는
    원자로용 연료 집합체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 3원 화합물은 Ti2AlC, Ti3AlC2, Ti4AlN3, Ti2SiC, Ti3SiC2, Ti3SnC2, Zr2AlC, Zr2TiC, Zr2SnC, Nb2SnC, Nb3SiC2, (ZrxNb1 -x)2AlC로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고, 여기서 x는 0보다 크고 1보다 작은
    원자로용 연료 집합체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    M:A:X 몰비는 2:1:1, 3:1:2 및 4:1:3으로 이루어지는 그룹으로부터 선택될 수 있는
    원자로용 연료 집합체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 3원 화합물의 각각은 그 이론적 밀도의 85%를 초과하는 밀도를 갖는
    원자로용 연료 집합체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 3원 화합물의 각각은 그 이론적 밀도의 95%를 초과하는 밀도를 갖는
    원자로용 연료 집합체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 그리드(120) 중 하나 이상은 표면 상에 스템핑(stamping)된 패턴을 갖는
    원자로용 연료 집합체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 이격된 그리드(120) 중 하나 이상에 그리드 스트랩(128, 130), 일체형 유동 믹서(integral flow mixer; 89) 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 부품이 부착되어 있는
    원자로용 연료 집합체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 집합체(110)는 가압수형 원자로, 비등수형 원자로 및 중수로로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 수형 원자로에서 사용되는
    원자로용 연료 집합체.
  11. 원자로 연료 집합체용 지지 그리드(120), 그리드 스트랩(128, 130) 및 일체형 유동 믹서(89)로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 제품을 제조하기 위한 방법으로서,
    Mn+ 1AXn의 일반식 I의 하나 이상의 3원 화합물을 포함하는 조성물로부터 분말을 얻는 단계 - 상기 일반식에서, M은 천이 금속이고, A는 화학 주기율표의 A족 원소로부터 선택되는 원소이고, X는 탄소 및 질소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되고, n은 1 내지 3의 정수임 -; 및
    상기 조성물에 열간 압연, 적층 조형 기법, 소결, 냉간 압연, 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 공정을 실시하는 단계를 포함하는
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 공정은,
    상기 화학식 I의 제 1의 3원 화합물을 포함하는 제 1 분말 조성물 및 화학식 I의 상이한 제 2의 3원 화합물을 포함하는 제 2 분말 조성물을 얻는 단계;
    표적 영역(226) 상에 상기 제 1 분말 조성물(222)의 제 1 부분을 퇴적시키는 단계;
    상기 표적 영역(226)의 표면 상에 레이저(212)의 비임을 방출하는 지향성 에너지 공급원을 스캐닝하는 단계;
    상기 제품의 제 1 단면 영역에 대응하는 상기 1 분말 조성물(222)의 부분의 제 1 층(254)을 소결하는 단계;
    상기 소결된 제 1 층(254) 상에 상기 제 2 분말 조성물의 제 2 부분을 퇴적시키는 단계;
    상기 소결된 제 1 층(254)의 전역에 걸쳐 상기 지향성 에너지 공급원(212)을 스캐닝하는 단계;
    상기 제품의 제 2 단면 영역에 대응하는 상기 제 2 분말 조성물 부분의 제 2 층(255)을 소결시키는 단계;
    상기 제 2 층(255)의 소결 중에 상기 제 1 층(254)과 상기 제 2 층(255)을 접합시키는 단계; 및
    이전에 소결된 층 상에 제 1 분말 조성물과 제 2 분말 조성물의 부분을 연속적으로 교대로 퇴적시키고, 이전에 소결된 층에서 접합되는 연속적 소결된 층 및 복수의 소결된 층을 포함하는 제품을 제조하기 위해 각각의 연속적 부분을 소결시키는 단계를 포함하는
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제조 방법은 2 차원 단면으로 수학적으로 슬라이싱(slicing)된 3 차원 CAD 파일을 사용하는 단계를 더 포함하는
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제조된 제품은 그리드 스트랩(128, 130)인
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    하나 이상의 그리드 스트랩(128, 130)은 용접, 경납땜 및 융접으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 공정에 의해 함께 접합되는
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    경납땜용 재료는 구리, 구리-아연, 구리-아연-니켈, 니켈-크로뮴-인, 니켈-은, 및 은 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 융접은 레이저 또는 전자 비임을 사용하여 실시되는
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제조된 제품은 전체 그리드 구조체(120)인
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 지향성 에너지 공급원은 레이저인
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 그리드 스트랩(128, 130)은 무가압 소결, 열간 압연 및 이들의 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 공정에 의해 제조되는
    원자로 연료 집합체용 제품 제조 방법.
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