KR20160132933A - 세라믹-함유 피복관을 위한 이중-밀봉된 연료봉 단부 플러그 - Google Patents

세라믹-함유 피복관을 위한 이중-밀봉된 연료봉 단부 플러그 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료봉 피복관 설계 구조(예컨대, 모놀리쓰, 내측에 모놀리쓰 SiC를 갖고 외측에 SiC 섬유 및 SiC 매트릭스로 제조된 복합체를 갖는 모놀리쓰 이중관)에 관계없이, 탄화 규소로 구성된 연료봉 복합체 피복관을, 바람직하게는 밀봉된 SiC 단부 플러그 캡으로 밀봉하고, 추가로, 내부 납땜 및 외부 SiC 최종 코팅으로 밀봉함으로써, 기밀성을 유지하기에 효과적인 이중 밀봉된 단부 플러그 장벽을 제공하고, 상기 밀봉된 단부 접합부에 기계적 강도를 제공하면서 높은 내화학성을 제공하는 것에 관한 것이다.

Description

세라믹-함유 피복관을 위한 이중-밀봉된 연료봉 단부 플러그{DOUBLE-SEALED FUEL ROD END PLUG FOR CERAMIC-CONTAINING CLADDING}
본 발명은 세라믹-함유 물질로 구성된 수형 원자로의 연료봉 피복관에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연료봉 피복관의 일단 또는 양단에 이중 밀봉부를 제공하는 것에 관한 것이다.
가압수형 원자로(PWR), 중수로(예컨대, CANDU) 또는 비등수형 원자로(BWR)와 같은 전형적인 수형 원자로(nuclear water reactor)에서, 반응기 코어는, 각각 복수 개의 긴 연료 요소 또는 연료봉으로 구성된 다수의 연료 어셈블리를 포함한다. 연료 어셈블리는 코어의 원하는 크기 및 반응기의 크기에 따라 크기와 디자인이 다양하다. 연료봉은 각각 핵 연료 핵분열 물질 예컨대 이산화 우라늄(UO2), 이산화 플루토늄(PuO2), 이산화 토륨(Th02), 질화 우라늄(UN), 우라늄 실리사이드(U3Si2) 또는 이들의 혼합물 중 하나 이상을 함유한다. 연료봉의 적어도 일부는 또한 중성자 흡수 물질 예컨대 붕소 또는 붕소 화합물, 가돌리늄 또는 가돌리늄 화합물, 에르븀 또는 에르븀 화합물 등 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 중성자 흡수 물질은 핵 연료 펠렛들의 적층 형태로 펠렛 상에 또는 그 안에 존재할 수 있다. 환상 또는 입자 형태의 연료를 사용될 수도 있다.
각각의 연료봉은 핵분열 물질을 보유한 차폐물로서 작용하는 피복관을 갖는다. 연료봉들은 고속의 핵 분열을 지원하기에 충분한 코어 내에 중성자 플럭스를 제공하도록 구성되어 다량의 에너지를 열의 형태로 방출하는 배열로 함께 그룹화된다. 물과 같은 냉각수는 반응기 코어를 통해 펌핑되어 반응기 코어에서 발생되는 열을 추출하여 예를 들면 전기와 같은 유용한 일을 생성한다.
연료봉 상의 피복관은 지르코늄(Zr)으로 구성될 수 있으며, 니오븀(Nb), 주석(Sn), 철(Fe) 및 크롬(Cr)과 같은 다른 금속을 약 2 중량%만큼 포함한다. 최근 당해 분야에서는 탄화 규소(SiC) 등의 세라믹-함유 물질로 구성된 연료봉 피복관이 제공되고 있다. 각 연료봉의 피복관은 각각의 단부에 위치된 플러그 또는 캡을 갖는다. 또한, 금속 스프링과 같은 홀드다운(hold down) 장치가 핵 연료 펠렛들의 스택 구성을 유지하기 위해 연료봉에 제공된다.
도 1은 연료 펠렛(10), 지르코늄-계 피복관(12), 스프링 홀드다운 장치(14) 및 단부 플러그(16)의 스택을 도시하는 종래 기술의 디자인을 나타낸다. 단부 플러그 중 하나, 즉 홀드다운 장치(14)에 가장 가까운 위치에 있는 단부 플러그를 전형적으로 상단 플러그라고 한다.
반응기 코어 환경으로부터 내부에 함유된 연료를 단리하기 위해 피복관의 단부 플러그를 밀봉할 필요가 있다. Ti-계 또는 Al-Si 계 조성물과 같은 다양한 물질을 이용한 공지의 밀봉 기법뿐만 아니라 SiC 피복관 및 단부 플러그를 밀봉하기 위한 납땜 등의 통상적인 방법이 있다. 이들 물질은 높은 기계적 강도 및 기밀성을 제공할 수 있는 능력을 나타낸다. 그러나, 핵 원자로 환경에 노출되는 구성요소에 필요한 내식성 수준을 나타내지 못하는 등 이들 공지의 밀봉 물질과 관련된 단점들도 있다. 또한, 스파크 플라즈마 소결법과 같은 일부 공지된 밀봉 기법은 대규모 생산에 있어서 경제적으로 실현가능성이 없다.
따라서, 다음 특징 및 특성들 중 하나 이상을 나타내는 연료봉 피복관, 특히 SiC-함유 피복관을 위한 밀봉 기술을 개발하는 것이 당해 분야에 요망된다:
- 정상 운전, 예상 운전 과도, 보통 빈도 고장 및 제한 빈도 고장 동안 및 그 후의 기계적 강도를 보장한다;
- 조사 및 핵 원자로-특이적 부식 환경 하에서 단부 플러그-대-피복관 접합부의 기밀성을 보장한다;
- 접합 공정이 (연료 펠렛 및 홀드다운 장치로) 완전히-로딩된 피복관을 수용할 수 있도록 한다;
- 전형적으로 최대 300 psi의 압력에서 헬륨 또는 다른 열 전도성 충전 가스로 연료 도로를 가압할 수 있도록 한다;
- 접합 공정이 상업용 적용례를 위한 대규모 생산을 허용할 수 있도록 한다.
본 발명은, 연료 펠렛을 함유하기 위한 세라믹 복합체 피복관을 사용하여 핵 환경 하에서 조사 저항성을 갖는 고 강도 기밀 밀봉된 상업적으로 유용하고 유력한 단부 플러그 밀봉부를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
하나의 양태에서, 본 발명은 수형 원자로의 코어내 핵 연료봉을 위한 세라믹-함유 피복관을 밀봉하는 방법을 제공한다. 상기 방법은, 관형 벽, 관형 벽에 의해 형성된 캐비티(cavity), 제 1 개방 단부, 제 2 개방 단부 및 내부 직경을 포함하는 피복관을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 제 1 단부 플러그 및 제 2 단부 플러그를 제공하는 단계로서, 이때 제 1 및 제 2 단부 플러그는 각각 상부 표면, 하부 표면, 외부 표면, 이들 사이에서 연장되는 길이, 및 피복관의 내부 직경보다 작은 외부 직경을 포함하는, 단계; 제 1 단부 플러그를 피복관의 제 1 개방 단부 내로 삽입하고 밀봉하는 단계; 캐비티 내로 핵 연료 및 홀드다운 장치를 로딩하는 단계; 제 2 단부 플러그의 외부 표면의 적어도 일부 상에 납땜 물질을 침착시켜 제 1 코팅을 형성하는 단계; 제 1 코팅을 갖는 제 2 단부 플러그를 피복관의 제 2 개방 단부 내에 삽입하는 단계로서, 이때 제 2 단부 플러그의 하부 표면은 캐비티의 일부 내에 위치되고 상부 표면은 피복관의 밀폐된 제 2 단부를 형성하는, 단계; 제 1 코팅을 갖는 제 2 단부 플러그를 납땜 물질의 용융 온도 이상에서 가열하여 상기 납땜 물질을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계; 제 1 코팅을 갖는 제 2 단부 플러그를 냉각시켜 제 2 단부 플러그와 피복관 사이에 제 1 밀봉부를 형성하는 단계; 및 제 2 단부 플러그의 상부 표면 및 피복관의 적어도 일부 상에 SiC를 포함하는 제 2 코팅을 침착시켜 피복관 상에 제 2 밀봉부를 형성하는 단계를 추가로 포함한다.
특정 실시양태에서, 상기 방법은 제 2 단부 플러그에 개구를 형성하여 상기 캐비티 내로 가스의 통과를 허용하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 개구는 납땜 물질로 채워질 수 있다.
또한, 제 1 단부 플러그는 피복관의 제 2 개방 단부에서 제 2 단부 플러그를 밀봉하기 위한 상술한 방법을 사용하여 피복관의 제 1 개방 단부에서 밀봉될 수 있다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 수형 원자로를 위한 핵 연료봉 피복관의 개방 단부를 밀봉하는 방법을 제공한다. 피복관은, 제 1 개방 단부 및 제 2 개방 단부, 내부 캐비티, 내부 직경 및 내부 캐비티 내에 배치된 핵 연료를 갖는, 탄화 규소를 포함하는 물질로 구성된다. 상기 방법은, 핵 연료봉 피복관, 제 1 단부 플러그, 제 2 단부 플러그 및 납땜 조성물을 제공하는 단계; 납땜 조성물을 제 1 단부 플러그 및 제 2 단부 플러그의 적어도 일부에 적용하는 단계; 납땜 조성물에 열을 가해 코팅을 형성하는 단계; 및 코팅된 제 1 단부 플러그를 핵 연료봉 피복관의 제 1 개방 단부 내로 삽입하고 코팅된 제 2 단부 플러그를 제 2 개방 단부 내로 삽입하는 단계를 포함하고, 이때 제 1 및 제 2 단부 플러그는 각각 상부 표면, 하부 표면 및 이들 사이에서 연장되는 길이를 포함하고, 상기 하부 표면은 상기 내부 캐비티의 일부 안쪽에 위치하고, 상기 상부 표면은 피복관의 제 1 밀폐 단부 및 제 2 밀폐 단부를 형성하고, 각각의 제 1 단부 플러그 및 제 2 단부 플러그는 외부 직경을 갖고, 상기 외부 직경은 피복관의 내부 직경보다 작아 이들 사이에 공간이 형성되고, 제 1 및 제 2 단부 플러그에 적용된 코팅은 상기 공간의 일부를 적어도 부분적으로 충전시킨다.
특정 실시양태에서, 상기 방법은 SiC-함유 조성물을 각각 제 1 및 제 2 개방 단부에 삽입된 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그의 상부 표면에 적용하고 피복관의 적어도 일부에 적용하여 제 2 코팅을 형성하고 제 2 밀봉부를 제공하는 단계를 추가로 포함하며, 또한 상기 방법은 상기 내부 캐비티에 연료를 로딩하기 전 및 그 동안에 상기 피복관에 단지 하나의 단부 플러그만을 삽입하는 것을 포함하고, 제 2 단부 플러그는 상기 연료의 로딩 완료시에 삽입된다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 수형 원자로를 위한 관형 세라믹 복합체 피복관을 제공한다. 상기 피복관은, 제 1 개방 단부 및 제 2 개방 단부, 내부 캐비티, 내부 직경 및 상기 내부 캐비티 내에 배치된 핵 연료를 갖는, 탄화 규소를 포함하는 물질로 구성된다. 상기 복합체는, 제 1 단부 플러그 및 제 2 단부 플러그, 제 1 단부 플러그 및 제 2 단부 플러그의 적어도 일부에 적용된 납땜 조성물, 납땜 조성물에 열을 가해 형성된 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그 상의 제 1 코팅, 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그의 상부 표면이 각각 제 1 및 제 2 밀폐된 단부를 형성하도록 제 1 및 제 2 개방 단부에 삽입되는 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그의 상부 표면, 및 상기 피복관의 적어도 일부에 적용되는 SiC-함유 조성물, 및 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그의 상부 표면 및 상기 피복관의 적어도 일부 상의 상기 SiC-함유 조성물에 의해 형성된 제 2 코팅을 포함한다.
이하에 기술되는 바람직한 실시양태를 하기 도면과 함께 읽을 때 본 발명을 더 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 연료 펠렛, 홀드다운 스프링 및 단부 캡을 함유하는 종래 기술의 지르코늄 합금 연료봉의 확대 종단면도이다.
도 2는, 본 발명의 특정 실시양태에 따른, 내부 납땜 및 단부 플러그에 걸쳐 CVI/CVD 적용된 SiC 코팅을 갖는 밀봉된 세라믹 복합체 연료봉 피복관의 단면도를 도시한다.
도 3은, 본 발명의 특정 실시양태에 따른, 세라믹 복합체 연료봉 피복관의 단부 표면에 납땜을 갖고 단부 플러그에 걸쳐 CVI/CVD 적용된 SiC 코팅을 갖는 밀봉된 세라믹 복합체 연료봉 피복관의 단면도를 도시한다.
도 4는, 본 발명의 특정 실시양태에 따른, 피복관 이중 단부 밀봉을 적용하기 위한 개략적인 블록 다이어그램 방법을 도시한다.
본 발명은 일반적으로 연료봉 피복관 및 상기 피복관의 단부를 밀봉하기 위한 방법에 관한 것이다. 연료봉 피복관은 전형적으로 내부에 캐비티가 형성되어 있고 2개의 마주보는 개방 단부를 갖는 긴 튜브 형상이다. 캐비티는 연료 펠렛을 그 내부에 함유하고 전형적으로는 이러한 연료 펠렛의 구조 예컨대 스택을 유지하기 위해 스프링과 같은 홀드다운 장치를 갖는다. 연료봉 피복관은 수형 원자로의 코어에 위치한다. 단부 캡 또는 플러그는 피복관의 각각의 개방 단부에 위치하여 밀봉을 제공하고 코어 순환 원자로 냉각제가 연료봉 피복관으로 유입되지 않도록 한다.
본 발명은 피복관의 단부 예컨대 단부 캡을 둘러싸거나 또는 부분적으로 둘러싸기 위한 이중 또는 두 겹 밀봉부를 포함한다. 이러한 이중 밀봉부는 2-단계 방법으로 제공될 수 있다. 하나의 단계는 내부 표면 및/또는 연료봉 피복관의 단부 표면에 단부 플러그를 부착하고 밀봉하기 위해 통상적인 납땜 기술을 이용한다. 공지의 납땜 기술은 알루미늄-규소(Al-Si) 밀봉 화합물의 사용을 포함한다. 다른 하나의 단계는 피복관에 단부 플러그를 연결하는 밀봉 장벽을 제공하기 위해 통상적인 화학 기상 증착(CVD) 또는 화학 기상 침투(CVI) 기술을 이용한다. 본원 명세서 및 청구범위에 사용된 CVI는 분해 기상 세라믹 매트릭스 전구체를 사용하여 공극 내에 세라믹 매트릭스 물질을 침착시키는 것을 의미하고, CVD는 분해 기상 세라믹 매트릭스 전구체를 사용하여 표면상에 세라믹 매트릭스 물질을 침착시키는 것을 의미한다.
피복관은 세라믹-함유 물질로 구성된다. 세라믹과 관련된 공지의 취성으로 인해, 피복관 물질은 전형적으로 세라믹과 다른 물질의 조합이다. 탄화 규소(SiC)의 연료봉 피복관을 구성하는 것이 당업계에 공지되어 있다.
적합한 피복관 물질의 비-제한적인 예는 탄화 규소(SiC) 섬유 강화 복합체를 포함한다. 이러한 복합체는 2개 또는 3개의 층을 가질 수 있다. 2-층 복합체는 베타 상의 SiC가 침투된 연속성 베타 상의 화학양론적 SiC 섬유의 층으로 적어도 부분적으로 덮인 고순도 베타 또는 알파 상의 화학양론적 SiC의 피복관을 포함한다. 3-층 복합체는 미립의 베타 상 SiC의 추가적인 외부 보호층을 포함한다. 특정 예에서, 섬유를 토우(tow)로 형성하는 섬유 성분에 예비-응력을 가하고 토우 역방향 권취 중첩시키는 것이 전형적이며, 여기서 상기 섬유들은 1 ㎛ 미만의 탄소 또는 그라파이트 또는 질화 붕소로 코팅되어 섬유 슬립을 가능하게 하는 약한 계면을 제공한다. 이 과정은 균열(crack) 진전 저항성을 향상시키기 위해 수행될 수 있다. 본원에 참고로 인용되는 미국 특허 공보 제 2006/0039524 Al 호(페인로쓰(Feinroth) 등)는 핵 연료 튜브 및 널리 공지되어 있는 화학 기상 침투(CVI) 또는 중합체 함침 및 열분해(PIP) 공정을 이용한 매트릭스 조밀화에 대해 기술하고 있다.
본 발명은 예를 들어 내측에 모놀리쓰 SiC를 갖고 외측에 SiC 섬유 및 SiC 매트릭스로 제조된 복합체를 갖는 모놀리쓰 이중관 등 당해 분야에 공지된 다양한 피복관 조성물 및 디자인에 적용가능하다.
본 발명의 특정 실시양태에서, 단부 플러그는 피복관과 동일한 물질 조성으로 구성된다. 각각의 2개의 단부 플러그는 피복관의 대향 단부에 동시에 삽입되거나, 또는 하나의 단부 플러그가 다른 것 이전에 삽입될 수 있다. 통상적인 연료 로딩 공정에서, 하나의 단부 플러그를 피복관의 개방 단부에 삽입하고 부착시켜 예컨대 하나의 단부를 밀봉하고, 이어서 연료 펠렛 및 스택 홀드다운을 피복관에 로딩하고, 로딩 후, 다른 하나의 단부 플러그를 피복관의 다른 하나의 개방 단부에 삽입하고 부착시킨다. 다르게는, 연료 펠렛과 스택 홀드다운을 피복관에 로딩하고, 그 후, 단부 플러그 모두를 피복관의 개방 단부에 삽입하고 부착시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 각각의 단부 플러그는 접합 물질 예컨대 납땜을 사용하여 피복관의 개방 단부에 접합 및 밀봉된다. 본원에 기재된 바와 같이,이러한 단계는 당업계에 공지된 통상적인 조성물, 장치 및 공정에 따라 수행될 수 있다. 이용된 접합 물질은 두 번째 단계에서 수행되는 CVI 또는 CVD 공정 동안 접합 일체성을 보장하기에 충분한 강도 및 고온 능력을 갖도록 선택된다. 다른 실시양태에서, 접합 물질은 원자로 환경에서 충분한 내식성을 나타내거나 나타내지 않을 수 있다. 접합 물질은 단부 플러그의 외부 표면의 적어도 일부 상에 침착되어 그 위에 코팅을 형성할 수 있다. 단부 플러그의 구조는 전형적으로 상부 표면, 하부 표면 및 이들 사이에서 연장되는 길이를 가지며, 이때 상기 길이는 외측 직경을 갖는다. 이러한 외측 직경은 상부 표면으로부터 하부 표면까지 동일하거나, 또는 외측 직경은 단부 플러그의 길이에 따라 변할 수 있다. 하부 표면은 전형적으로 피복관 캐비티 내에 배치되고, 상부 표면은 피복관의 단부 표면에 배치된다. 예를 들어, 단부 플러그의 상부 표면은 피복관의 단부 표면과 실질적으로 동일 평면이거나 또는 피복관의 단부 표면을 넘어 돌출될 수 있다. 접합 물질은 또한 피복관의 내부 표면 예컨대 캐비티 벽에, 바람직하게는 단부 플러그가 피복관 내로 삽입되는 위치에 침착될 수 있다. 침착 후, 접합 물질을 열적 경화시켜 코팅을 형성한다. 접합 물질과 관련하여 본원 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 "경화"는 상기 물질을 피복관에 접합시켜 강도 및 밀봉 능력을 모두 제공하도록 하는 공정을 의미한다. 접합 물질을 경화시키는 열처리는 일반적으로 SiC 침착과 관련된 CVI 또는 CVD 공정에 요구되는 온도(약 1000℃)보다 높다. 접합 물질의 비-제한적인 예는 약 60% 초과의 Si 함량을 가지는 Al-Si이다. 티타늄 호일 또는 Ti-계 등과 같은 다른 화합물이 사용될 수도 있다.
이러한 제 1 밀봉 단계 동안, 연료봉은, 통상적인 디자인 또는 다른 충전 가스 예컨대 수소와 같이 유사하거나 개선된 열 전도도를 갖는 가스에서와 같이, 헬륨 등 불화성 가스에 의해 예컨대 최대 300 psi까지 가압될 수 있다. 다르게는, 중심 구멍 또는 개구를 단부 플러그에 형성하여 가스가 이들을 통과하도록 함으로써 연료봉을 가압시킬 수도 있다. 그 후, 구멍 또는 개구를 상기한 바와 같은 접합 물질로 적어도 부분적으로 충전하고 밀봉할 수 있다. 특정 실시양태에서, 통상적인 연료봉 단부 플러그 디자인은 그 안에 중심 구멍이 형성되어 있으며, 이때 고온 납땜에 의한 밀봉은 가압 챔버에서 수행되고, 단부 플러그의 중심 구멍 또는 개구는 필요하지 않다.
이러한 제 1 밀봉 단계 후, 단부 플러그의 표면 예컨대 상부 표면을 포함한 연료봉 피복관의 표면에 SiC를 침착시키기 위해 CVI 또는 CVD를 이용하여 제 2 밀봉을 적용한다. CVI 및 CVD와 관련된 공정 시간이 상당하기 때문에, 이러한 단계를 복수 개의 연료봉에서 동시에 수행하는 것이 유리하다. 특정 실시양태에서, CVI 또는 CVD 반응기의 온도는 상기 침착이 피복관의 상부에서 그리고 상부 단부 플러그 상에서 우선적으로 발생되도록 제어된다. 본원에서 이미 언급한 바와 같이, 스택 홀드다운에 가장 근접하여 위치하는 단부 플러그는 전형적으로 "상부" 단부 플러그로 지칭된다.
도 2는 본 발명의 특정 실시양태에 따른 이중-밀봉된 연료봉 피복관(22)의 일부를 도시한 것으로, 이때 접합부(30)(즉, 피복관에 대해 단부 캡을 밀봉하는 접합 물질)는 피복관 튜브의 내부 표면에 위치한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 연료 펠렛(20)의 스택 및 홀드다운 장치(24)는 피복관(22)의 내측에 함유된다. 연료 펠렛(20)은 홀드다운 장치(24)에 의해 제 위치에 유지된다. 상부 단부 플러그(26)는 피복관(22)의 단부에 삽입되고 이중 밀봉부에 의해 고정된다. 제 1 밀봉부는 상부 단부 플러그(26)의 외부 표면과 피복관(22)의 내부 표면 사이에 침착된 납땜 물질(30)을 포함한다. 상부 단부 플러그(26)의 외부 직경(32)은 피복관(22)의 내부 직경(34)보다 작다. 따라서, 외부 직경(32)과 내부 직경(34) 사이에 간극 또는 공간이 생기며, 이러한 공간은 적어도 부분적으로 납땜 물질(30)을 포함한다. 특정 실시양태에서, 납땜 물질(30)은 Si, Al, C, Ti, Zr, Ca, Na, Mg, K, Li, Ce, Fe, Cr, Ni, Zn, Pb 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 특정 실시양태에서, 납땜 물질은 침전된 형태로 존재한다.
도 2는 또한 피복관(22)의 내부로 불활성 가스를 펌핑하는 수단으로서 상부 단부 캡(26)의 중앙에 형성된 충전 구멍(40)을 도시한다. 불활성 가스가 제공된 후, 납땜 물질(30)이 충전 구멍(40)에 삽입되어 상기 개구를 밀봉한다. 본 발명에서, 충전 구멍(40)은 임의적 요소이다.
또한, 도 2는 상부 단부 플러그(26)의 상부 표면 및 피복관(22)의 적어도 일부에 침착된 세라믹-함유 코팅(42)을 도시한다. 특정 실시양태에서, 코팅(42)은 SiC로 구성되며, 통상적인 CVI 또는 CVD 공정에 의해 적용될 수 있다. 코팅(42)은 피복관(22)의 단부 및 단부 플러그(26)의 전체 외부 상부 표면을 둘러싸거나 캡슐화하는 데 효과적이다.
본 발명에 따르면, 납땜 물질(30) 및 코팅(42)은 피복관(22) 내에 함유된 연료 펠렛에 대한 누설이 없는 이중-밀봉된 기밀 밀봉을 제공한다.
도 3은 본 발명의 특정 실시양태에 따른 이중-밀봉된 연료봉 피복관을 도시하고 있으며, 이때 밀봉은 주로 피복관(22)의 단부 면에 위치한다. 도 3은, 도 2에 도시된 바와 같이, 관형 세라믹 복합 피복관(22), 연료 펠렛(20)의 스택, 홀드다운 장치(24), 상부 단부 플러그(26), 충전 구멍(40), 세라믹-함유 코팅(42) 및 납땜 물질(30)을 포함한다. 도 3에서, 납땜 물질(30)은 피복관 (22)의 단부 면 예컨대 정사각형 단부(36)에 침착된다. 즉, 납땜 물질(30)은 피복관(22)의 단부의 정사각형 단부(36)와 상부 단부 캡(26) 사이에 존재한다.
특정 실시양태에서, 도 2 및 3에 도시된 바와 같은 납땜 물질(30)의 침착은 피복관 단부 면 예컨대 정사각형 단부(36)에 침착되는 납땜 물질(30) 및 피복관(22)의 내부에 침착되는 납땜 물질(30)을 포함한 이중-밀봉된 상부 단부 플러그(26)를 제공하도록 조합될 수 있으며, 이때 상부 단부 플러그(26)의 외부 직경(32)은 피복관(22)의 내부 직경(34)보다 작아 간극 또는 공간을 형성한다. 또한, 이러한 실시양태에서, 충전 구멍(40)을 채우는 납땜(30)이 도시된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 방법을 박스 흐름도로 예시하고 있으며, 여기서는 밀봉 물질이 설치된 하나의 단부 플러그가 있거나 없는 관형 세라믹 복합체 피복관을 공급한다(50). 세라믹 복합체 피복관(50)은 핵 연료 및 홀드다운 스프링 또는 다른 장치로 채워진다(52). 이어서, 세라믹 복합체 피복관 개방 단부 상의 하나 또는 두 개의 단부 플러그를 납땜 물질을 사용하여 밀봉하고, 이때 납땜 물질은 세라믹 복합체에 대해 내부 계면에 적용되고/되거나(54) 단부 플러그와의 세라믹 복합체 계면의 외부 단부에 적용된다(56). 단부 플러그 및 세라믹 복합체 피복관을 가열하여(58) 온도를 약 10분 내지 120분에 걸쳐 최대 2500℃, 바람직하게는 1000 내지 2500℃로 상승시켜, 기밀 밀봉된 연료봉을 제공한다(60). 최종적으로, CVI 및/또는 CVD를 사용한 세라믹 물질의 밀봉 층을 단부 플러그 및 세라믹 복합체 피복관의 적어도 일부에 적용하여(62), 기밀 밀봉된 연료봉 상에 이중-밀봉된 단부 접합부를 생성한다(64).
실시예
실시예 1
12 피트 길이의 SiC 복합체 피복관을 연료 제조업체에 공급하였다. 60% Si/40% Al 합금 납땜 화합물로 코팅된 SiC 플러그를 사용하여 피복관의 일 단부를 밀봉하고 이를 피복관의 단부 상으로 밀어내면서, 피복관의 단부를 100℃/분으로 1300℃까지 가열하고 30초 동안 유지한 다음 실온으로 냉각시켰다. 이어서, 세라믹 튜브를 우라늄 세라믹 펠렛 및 홀드다운 스프링으로 채우고, He 가스로 300 psia까지 가압했다. 60%> Si / 40%> Al 합금 납땜 화합물로 코팅된 SiC 플러그를 사용하여 최종 단부 플러그에 적용하고, 이를 피복관의 단부 상으로 밀어내면서, 그 단부를 100℃/분으로 1300℃까지 가열하고 30초 동안 유지한 다음 실온으로 냉각시켰다. 이어서, 10 미크론 코팅의 SiC를 1000℃에서 CVD를 사용하여 전체 연료봉에 적용하여 내화학성을 제공하였다.
실시예 2
12 피트 길이의 SiC 복합체 피복관을 일 단부를 이미 밀봉한 채 연료 제조업체에 공급하였다. 피복관을 우라늄 세라믹 펠렛 및 홀드다운 스프링으로 채웠다. 중앙에 형성된 충전 구멍을 가진 단부 플러그를 60% Si/40% Al 합금 납땜 화합물로 코팅된 SiC 플러그를 사용하여 피복관의 개방 단부에 적용하고 이를 피복관의 단부 상으로 밀어내면서, 그 단부를 100℃/분으로 1300℃까지 가열하고 30초 동안 유지한 다음 실온으로 냉각시켰다. 상기 튜브를 먼저 배기시키고 이어서 He 가스로 300 psia까지 가압했다. 60%> Si / 40%> Al 합금 납땜 화합물을 충전 구멍 내로 삽입하고, 그 단부를 100℃/분으로 1300℃까지 가열하고 30초 동안 유지한 다음 실온으로 냉각시키면서, 플러그와 연료봉 사이의 보전 압력을 유지하였다. 이어서, 10 미크론 코팅의 SiC를 1000℃에서 CVD를 사용하여 전체 연료봉에 적용하여 내화학성을 제공하였다.
일반적으로, 연료봉 피복관에 이중-밀봉된 단부 플러그를 제공함에 있어서, 본 발명은 다음 정보를 고려하였다.
- 상부(제 2) 단부 플러그 접합부(여기에는 홀드다운 장치가 위치해 있음)의 근방에 있는 세라믹 복합체 피복관의 온도는 냉각수(냉각수가 액체 또는 증기 형태이든)의 온도와 동일하거나 가까울 수 있다. 따라서, 300℃ 내지 400℃의 범위에서 기밀성 및 기계적 강도를 유지할 수 있는 밀봉 기술이 충분하다. 그러나, 이는 필요한 내식성을 제공하기에는 충분하지 않을 수 있다.
- 이상-설계 기준 사고, 예컨대 피복관 및 이의 단부 플러그 접합부가 장시간 동안 고온의 스팀에 노출되는 스테이션 블랙-아웃(station black-out)의 경우, 연료봉의 SiC 부분만이 장시간 동안 보호를 제공할 것으로 예상된다.
본 발명의 특정 실시양태들을 상세히 설명하였지만, 당업자라면 본원 개시내용의 전체적인 교시내용을 기반으로 그 상세한 내용에 대한 변형 및 대안이 다양하게 개발될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
따라서, 개시된 특정 실시양태들은 본 발명의 범주를 단지 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니며, 이러한 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위 및 이의 임의의 모든 균등물을 포함한다.

Claims (7)

  1. 수형 원자로(nuclear water reactor)의 코어내 핵 연료봉을 위한 세라믹-함유 피복관(cladding)(22)을 밀봉하는 방법으로서,
    관형 벽(21), 상기 관형 벽(21)에 의해 형성된 캐비티(cavity), 제 1 개방 단부(open end), 제 2 개방 단부, 및 내부 직경(34)을 포함하는 피복관(22)을 제공하는 단계;
    제 1 단부 플러그(16) 및 제 2 단부 플러그(16)를 제공하는 단계로서, 이때 제 1 및 제 2 단부 플러그(16)는 각각 상부 표면, 하부 표면, 외부 표면, 이들 사이에서 연장되는 길이, 및 피복관(22)의 내부 직경(34)보다 작은 외부 직경(32)을 포함하는, 단계;
    제 1 단부 플러그(16)를 상기 피복관의 제 1 개방 단부 내로 삽입하고 밀봉하는 단계;
    상기 캐비티 내로 핵 연료(20) 및 홀드다운(hold down) 장치(24)를 로딩하는 단계;
    제 2 단부 플러그(16)의 외부 표면의 적어도 일부 상에 납땜(brazing) 물질(30)을 침착시켜 제 1 코팅을 형성하는 단계;
    상부에 제 1 코팅을 갖는 제 2 단부 플러그(16)를 상기 피복관(22)의 제 2 개방 단부 내로 삽입하는 단계로서, 이때 제 2 단부 플러그(16)의 하부 표면은 상기 캐비티의 일부 내에 위치되고, 상부 표면은 상기 피복관(22)의 밀폐된 제 2 단부를 형성하는, 단계;
    상부에 제 1 코팅을 갖는 제 2 단부 플러그(16)를 상기 납땜 물질(30)의 용융 온도 이상으로 가열하여 상기 납땜 물질(30)을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계;
    상부에 제 1 코팅을 갖는 제 2 단부 플러그(16)를 냉각시켜 제 2 단부 플러그와 피복관(22) 사이에 제 1 밀봉부를 형성하는 단계; 및
    제 2 단부 플러그(16)의 상부 표면 및 상기 피복관(22)의 적어도 일부 상에, SiC를 포함하는 제 2 코팅(42)을 침착시켜, 상기 피복관(22) 상에 제 2 밀봉부를 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 2 단부 플러그(16)에 개구(40)를 형성하여 상기 캐비티 내로 가스가 통과할 수 있게 하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 개구(40)를 상기 납땜 물질(30)로 채우는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제 1 단부 플러그(16)의 밀봉은,
    제 1 단부 플러그(16)의 외부 표면의 적어도 일부 상에 납땜 물질(30)을 침착시켜 제 1 코팅을 형성하는 단계;
    상부에 제 1 코팅을 갖는 제 1 단부 플러그(16)를 피복관(22)의 제 1 개방 단부 내로 삽입하는 단계로서, 이때 제 1 단부 플러그의 하부 표면은 상기 캐비티의 일부 내에 위치되고 상부 표면은 상기 피복관(22)의 밀폐된 제 2 단부를 형성하는, 단계;
    상부에 제 1 코팅을 갖는 제 1 단부 플러그(16)를 상기 납땜 물질(30)의 용융 온도 이상에서 가열하여 상기 납땜 물질(30)을 적어도 부분적으로 용융시키는 단계;
    상부에 제 1 코팅을 갖는 제 1 단부 플러그(16)를 냉각시켜 제 1 단부 플러그(16)와 피복관(22) 사이에 제 1 밀봉부를 형성하는 단계; 및
    제 1 단부 플러그(16)의 상부 표면 및 피복관(22)의 적어도 일부 상에, SiC를 포함하는 제 2 코팅(42)을 침착시켜, 피복관(22) 상에 제 2 밀봉부를 형성하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  5. 수형 원자로를 위한 핵 연료봉 피복관(22)의 개방 단부를 밀봉하는 방법으로서, 이때
    상기 피복관(22)은, 제 1 개방 단부 및 제 2 개방 단부, 내부 캐비티, 내부 직경(34) 및 상기 내부 캐비티 내에 배치된 핵 연료(20)를 갖는, 탄화 규소를 포함하는 물질로 구성되고,
    상기 방법은,
    핵 연료봉 피복관(22), 제 1 단부 플러그(16), 제 2 단부 플러그(16) 및 납땜 조성물(30)을 제공하는 단계;
    납땜 조성물(30)을 제 1 단부 플러그(16) 및 제 2 단부 플러그(16)의 적어도 일부에 적용하는 단계;
    상기 납땜 조성물(30)에 열을 가해 코팅을 형성하는 단계; 및
    코팅된 제 1 단부 플러그(16)를 핵 연료 피복관(20)의 제 1 개방 단부 내로 삽입하고 코팅된 제 2 단부 플러그(16)를 제 2 개방 단부 내로 삽입하는 단계
    를 포함하고, 이때
    제 1 및 제 2 단부 플러그(16)는 각각 상부 표면, 하부 표면 및 이들 사이에서 연장되는 길이를 포함하고, 상기 하부 표면은 상기 내부 캐비티의 일부 안쪽에 위치하고, 상기 상부 표면은 피복관(22)의 제 1 밀폐 단부 및 제 2 밀폐 단부를 형성하고, 각각의 제 1 단부 플러그(16) 및 제 2 단부 플러그(16)는 외부 직경(32)을 갖되 상기 외부 직경(32)이 피복관(22)의 내부 직경(34)보다 작아 이들 사이에 공간이 형성되고, 제 1 및 제 2 단부 플러그(16) 상에 적용된 코팅은 상기 공간의 일부를 적어도 부분적으로 충전시키는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    SiC-함유 조성물을, 각각 제 1 및 제 2 개방 단부에 삽입된 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그(16)의 상부 표면에 적용하고, 피복관(22)의 적어도 일부에 적용하여, 제 2 코팅(42)을 형성하고 제 2 밀봉부를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 수형 원자로를 위한 관형 세라믹 복합체 피복관(22)으로서, 이때
    상기 피복관(22)은, 제 1 개방 단부 및 제 2 개방 단부, 내부 캐비티, 내부 직경(34) 및 상기 내부 캐비티 내에 배치된 핵 연료(20)를 갖는, 탄화 규소를 포함하는 물질로 구성되고,
    상기 피복관(22)은,
    제 1 단부 플러그(16) 및 제 2 단부 플러그(16),
    제 1 단부 플러그(16) 및 제 2 단부 플러그(16)의 적어도 일부에 적용된 납땜 조성물(30),
    상기 납땜 조성물(30)에 열을 가해 형성된 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그(16) 상의 제 1 코팅,
    각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그(16)의 상부 표면이 각각 제 1 및 제 2 밀폐 단부를 형성하도록 제 1 및 제 2 개방 단부에 삽입되는 각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그(16)의 상부 표면에 적용되고, 상기 피복관(22)의 적어도 일부에 적용되는, SiC-함유 조성물, 및
    각각의 제 1 및 제 2 단부 플러그(16)의 상부 표면 및 상기 피복관(22)의 적어도 일부 상의 상기 SiC-함유 조성물에 의해 형성된 제 2 코팅(42)
    을 포함하는, 피복관(22).
KR1020167028092A 2014-03-12 2015-02-11 세라믹-함유 피복관을 위한 이중-밀봉된 연료봉 단부 플러그 KR102312043B1 (ko)

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