KR20190117748A - 중간 열 증착층을 사용하여 강화된 핵연료 클래딩을 제조하는 방법 - Google Patents

중간 열 증착층을 사용하여 강화된 핵연료 클래딩을 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 박벽(thin walled) Zr 합금 튜브를 제조하는 단계, 핵연료 펠릿을 튜브에 로딩하는 단계, 연료 펠릿 주위의 자유 공간을 실질적으로 감소시키기 위하여 튜브를 연료 펠릿 상에서 압축하는 단계, 튜브의 두개의 단부 각각에 엔드 플러그를 위치시키는 단계, 튜브를 열전달 가스로 충진하는 단계, 및 적어도 하나의 폐쇄된 단부를 갖는 예비-형성된 SiC 복합체 커버내에 튜브를 삽입하기 전에 저온 분무와 같은 열 증착 공정을 이용하여 압축된 튜브를 내부식성 물질로 코팅하는 단계를 포함하는 방법을 개시한다.

Description

중간 열 증착층을 사용하여 강화된 핵연료 클래딩을 제조하는 방법
본 발명은 원자력 발전소에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 핵연료봉(nuclear fuel rod)의 클래딩(cladding)을 강화하는 방법에 관한 것이다.
정부 권리에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지부(Department of Energy)와 체결된 계약번호 DENE0008222 하에서 정부의 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명의 특정 권리를 갖는다.
전형적인 원자로에서, 원자로 코어는 다수의 연료 어셈블리를 포함하며, 이들 각각의 어셈블리는, 예를 들면, 엔드 플러그(end plug)로 각각의 단부에서 폐쇄 된 복수의 신장된 연료 요소(elongated fuel element) 또는 연료봉(fuel rod)으로 구성된다. 연료봉은 각각, 일반적으로는 He 또는 H2와 같은 가스로 둘러싸인 핵연료 펠릿(nuclear fuel pellet)의 스택의 형태인 핵연료 핵분열 물질(nuclear fuel fissile material)을 함유한다. 연료봉은 핵분열 물질에 대한 봉쇄제(containment)로서 작용하는 클래딩을 가지고 있다. 연료봉 상의 클래딩은 지르코늄 합금으로 제조될 수 있다. 예시적인 지르코늄(Zr) 합금이 미국 특허 제 3,427,222 호; 제 5,075,075 호; 및 제 7,139,360 호에 개시되어 있으며, 이들 특허의 관련된 부분은 본원에서 참고로 인용된다. 연료봉 클래딩은, 미국 특허 제 9,336,909 호 및 제 8,971,476 호에 개시된 바와 같이, 외부 부식을 방지하는 물질로 코팅될 수 있는 것으로 제안되어 있으며, 이들 특허의 관련된 부분은 본원에서 참고로 인용된다. 탄화규소(SiC)와 같은 세라믹-함유 코팅 물질은 바람직한 안전성 특성을 갖는 것으로 나타났다. SiC 모노리스, 섬유 및 이들의 조합과 같은 실험적인 세라믹 타입 물질이 미국 특허 제 6,246,740 호; 제 5,391,428 호; 제 5,338,576 호; 및 제 5,182,077 호, 및 미국 특허 출원 공개 제 2006/0039524 호, 제 2007/0189952 호; 및 제 2015/0078505 호에 교시되어 있으며, 이들 특허의 관련된 부분은 본원에서 참고로 인용된다.
SiC는, 예를 들면, 온도가 1200℃를 초과하는, 특히 "설계 기준을 초과하는(beyond design basis)" 사고에서 핵연료 클래딩으로서 사용하기에 바람직한 특성을 많이 가지고 있다. 그러나, 일상적인 취급, 사고, 또는 지진과 같은 자연 현상으로 인하여 유발되는 굴곡(flexing) 도중에 핵분열 생성 가스(fission gas) 불침투성을 유지하는 것은 모든 세라믹 물질의 본연의 비탄력성으로 인하여 매우 어렵다. 엔드 플러그 주위의 기밀 밀봉(hermetic seal)을 유지하는 방식으로 세라믹 복합체 상에서 엔드 플러그를 밀봉하는 것도 또한 어려운 것으로 입증되었다. SiC 섬유로 랩핑된 Zr 합금으로 구성된 이너 슬리브(inner sleeve)를 사용하는 방법이 시도되어 왔다. 그러나, SiC 섬유 내에 및 SiC 섬유 상에 SiC의 추가적인 코팅을 증착하여 그들을 함께 유지시키기 위해 사용되는 화학 증기 침투(CVI) 공정 중에 필요한 온도(800℃ 내지 1200℃)는 Zr 클래딩 튜브의 부식을 초래하는 것으로 여겨진다.
대안적인 접근법은, 일차적으로 SiC 권선을 만들고, 권선 상에서 CVI 코팅 공정을 별도로 수행한 다음, Zr 튜브 상에 권선을 피팅(fitting)하는 것을 시도하였다. 이러한 접근법에 의해, Zr 클래딩 튜브의 내부 및 외부 양측 상의 공간, Zr 클래딩 외부와 SiC 복합체 매트릭스 사이의 공간 및 Zr 클래딩 내부와 연료 펠릿 사이의 공간에 갭(gap)이 형성되는 것으로 밝혀졌다. 이들 갭은 매우 높은 선형 열 생성율(linear heat generation rate)(>5 kw/ft)을 갖는 튜브를 따라 여러 위치에서 펠릿 및 클래딩 층 내에서 핫스팟(hot spot)의 형성을 초래한다. 또한, 클래딩 튜브의 단부가 덮혀져 있지 않았을 때, 고온 증기 및 다른 가스가 SiC 복합체 아래로 침투하여 Zr 합금 튜브를 공격하기 위한 경로가 생성되었다.
핵연료가 그의 기하학적 구조(geometry)를 유지하고 용융을 통하여 코어로부터 연료의 손실을 막기 위해서는, Zr 합금 클래딩 위에 고온 커버링(high temperature covering)을 유지하는 것이 필요하다.
전술된 핵연료봉에 대한 다양한 설계 접근법에서 지금까지 직면했던 문제점들은 본원에 기술된 방법에 의해 극복될 수 있다. 튜브 내의 갭을 줄이면서 핵연료 적용을 위한 강화된 클래딩 튜브를 제조하는 개선된 방법이 개시된다.
다양한 양태에서, 본원에 기술된 방법의 하나의 실시양태는, 핵 연료를 제 1 개방 단부 및 제 2 개방 단부를 갖는 튜브에 로딩하는 단계, 상기 튜브의 자유 공간(free space)을 감소시키기 위하여 상기 연료-로딩된 튜브를 상기 연료 주위에서 압축하는 단계, 상기 튜브의 제 1 및 제 2 단부 중의 적어도 하나를 폐쇄하는 단계, 상기 연료-로딩된 튜브를 헬륨(He) 또는 수소(22)와 같은 열을 전달하기에 적합한 가스로 충진하는 단계, 및 상기 압축된 튜브를 예비-성형된 보호 커버로 씌우는 단계를 포함한다.
다양한 양태에서, 방법은 튜브의 제 1 및 제 2 개방 단부 각각을 제 1 및 제 2 단부 플러그로 각각 폐쇄하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 제 1 및 제 2 단부 플러그 중의 적어도 하나는 가스 포트(gas port)를 갖는다. 각각의 개방 단부는 연료-로딩된 튜브를 가스 포트를 통하여 가스로 충진하기 전에 폐쇄될 수 있다. 대안적으로는, 연료-로딩된 튜브를 가스 포트를 통하여 가스로 충진하기 전에 단지 하나의 개방 단부만이 폐쇄될 수도 있다.
다양한 실시양태에서, 방법은 박벽 Zr 합금 튜브(thin walled Zr alloy tube)(예를 들면, 0.125 내지 0.762 밀리미터(약 5 내지 30 밀)의 벽 두께)를 제조하는 단계, 핵연료 펠릿을 상기 튜브내에 로딩하는 단계, 상기 튜브를 상기 연료 펠릿 상에서 압축하는 단계, 상기 튜브의 제 1 및 제 2 단부 중의 적어도 하나를 폐쇄하는 단계, 상기 튜브를 He 또는 H2와 같은 가스로 충진하는 단계, 및 이어서 상기 튜브를, 적어도 하나의 폐쇄 단부를 갖는 미리-성형된 SiC 복합체 커버 내로 삽입하기 전에, 저온 분무(cold spray)와 같은 열 증착 공정을 이용하여 코팅하는 단계들을 포함할 수 있다. SiC 커버의 제 2 단부를 폐쇄하는 단계는 선택적이다. 이러한 접근법은 설계기준을 초과하는 사고(1200℃ 초과)를 견뎌낼 수 있고 비용 효과적인 방식으로 제조할 수 있는 튜브를 성공적으로 제공할 수 있다. 본원에 기술된 방법은, 다양한 양태에서, 적어도 1 시간 이상 1200℃를 초과하는 온도를 견딜 수 있어서 설계기준을 초과하는 사고로부터의 손상을 방지하거나 적어도 최소화하기 위하여 시정 조치를 취하기에 충분한 시간을 허용할 수 있다.
튜브를 압축하는 단계는, 냉간 등방압 가압법(cold isostatic pressing)을 이용하여, 예를 들면, 튜브를 챔버내에 배치하고, 이어서 튜브내에 잔류하는 연료에 대해 튜브를 가압하기 위하여 튜브에 대해 충분한 힘을 가하도록 챔버를 유체로 가압하는 단계를 포함할 수 있다. 유체는 액체 또는 압축된 가스일 수 있다. 튜브를 압축하는 단계는, 가요성 막이 유체를 튜브로부터 분리하는 건식 백 냉간 등방압 프레스(dry bag cold isostatic press)를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 튜브를 압축하는 단계는, 유체가 튜브와 접촉하는 습식 백 냉간 등방압 프레스(wet bag cold isostatic press)를 사용하는 단계를 포함할 수 있다. 튜브를 압축하는 단계는 적어도 일부의 튜브의 주위에서 롤러를 사용하는 단계를 포함할 수 있다.
다양한 양태에서, 내부식성 코팅은 튜브가 압축된 후에 적용된다. 내부식성 코팅은 단일층 또는 이중층일 수 있으며, 이들 두 층 모두 저온 분무 공정과 같은 열 증착 공정에 의해 적용된다. 예시적인 저온 분무 공정은, 가압된 캐리어 가스를 100℃ 내지 1200℃의 온도로 가열하는 단계, 입자를 가열된 캐리어 가스에 첨가하는 단계, 및 캐리어 가스 및 비말동반된 입자를 800 내지 4000 ft/sec(약 243.84 내지 1219.20 m/sec)의 속도로 튜브의 표면 상에 분무하는 단계를 포함한다.
다양한 양태에서, 이중층 코팅은 Cr 또는 Cr 합금의 내부식성 외층, 및 Mo, Ta, W, 또는 Nb로부터 선택되는 입자의 중간층을 포함할 수 있다. 각 층의 두께는 2 내지 100 미크론일 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 연료 펠릿으로 로딩하는 도중에 튜브의 내경을 유지하기 위하여 튜브의 하나의 개방 단부에 삽입된 솔리드 바(solid bar)를 가진 박벽 클래딩 튜브를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 압축 도중에 튜브의 내경을 유지하기 위하여 튜브의 양쪽 개방 단부에 삽입된 솔리드 바를 가진 도 1의 클래딩 튜브를 도시한 것이다.
도 3a는 구형 연료 펠릿이 로딩된 핵 클래딩 튜브의 실시태양의 개략도이며, 도 3b는 도 3a의 라인 I-I을 통한 도 3a의 클래딩 튜브 및 펠릿의 단면도이다.
도 4a는 챔퍼처리된(chamfered) 원통형 연료 펠릿이 로딩된 핵 클래딩 튜브의 실시태양의 개략도이며, 도 4b는 도 4a의 라인 II-II를 통한 도 4a의 클래딩 튜브 및 펠릿의 단면도이다.
도 5는 습식 백 냉간 등방압 프레스의 개략도이다.
도 6은 건식 백 냉간 등방압 프레스의 개략도이다.
도 7은 건식 백 냉간 등방압 프레스의 챔버 내의 연료-로딩된 튜브의 개략도이다.
도 8은 클래딩 튜브를 압축한 후의 도 3a의 펠릿 로딩된 핵 클래딩 튜브의 개략도이다.
도 9는 클래딩 튜브를 압축한 후의 도 4a의 펠릿 로딩된 핵 클래딩 튜브의 개략도이다.
도 10은 도 8 및 도 9에 도시된 것과 같은 압축된 핵연료봉에 보호 코팅을 적용하기 위한 예시적인 코팅 시스템의 개략도이다.
도 11은 도 8 또는 도 9의 클래딩 튜브와 함께 사용하기 위한 보호 커버의 실시양태의 개략도이다.
도 12a 및 도 12b는, 각각 도 11의 보호 커버내에 삽입된, 도 8 및 도 9의 코팅된 압축 핵연료 클래딩 튜브의 개략도이다.
본원에서 사용된 단수 형태는 문맥상 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수의 대상을 포함한다. 따라서, 단수로 표현된 용어는 본원에서는 물품의 문법적 목적물 중의 하나 또는 하나 초과(즉, 적어도 하나)를 지칭하는데 사용된다. 예로써, "요소"는 하나의 요소 또는 하나 초과의 요소를 의미한다.
예를 들면, 국한하려는 것은 아니지만, 상단(top), 하단(bottom), 좌측(left), 우측(right), 하부(lower), 상부(upper), 전방(front), 후방(back) 및 이들의 변형과 같은 본원에 사용된 방향성 구문은 첨부된 도면에 도시된 요소의 배향과 관련되며, 달리 명백하게 명시되지 않는 한 특허청구범위를 제한하지 않는다.
본원의 특허청구범위를 포함한 본 출원에서, 달리 지시되지 않는 한은, 양, 값 또는 특성을 나타내는 모든 숫자는 모든 경우에서 "약"이라는 용어로 변경되는 것으로서 이해되어야 한다. 따라서, "약"이라는 용어가 숫자와 함께 명백하게 나타나 있지 않을지라도, 그 숫자는 "약"이라는 단어 뒤에 오는 것처럼 읽혀질 수 있다. 따라서, 달리 지시되지 않는 한, 하기 설명에 기재된 임의의 수치 파라미터는 본 발명에 따른 조성물 및 방법에서 수득하고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 적어도, 특허청구범위의 범주에 대한 균등론의 적용을 제한하려는 시도로서가 아니라, 본 명세서에서 기술된 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수의 수를 고려하고 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야만 한다.
또한, 본원에서 열거된 임의의 수치 범위는 그 안에 포함되는 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 간주된다. 예를 들면, "1 내지 10"의 범위는 열거된 최소값 1과 열거된 최대값 10 사이(이들 최소값 및 최대값을 포함함)의 모든 하위 범위를 포함하는, 즉, 1 이상의 최소값 및 10 이하의 최대값을 갖는 모든 하위 범위를 포함하는 것으로 간주된다.
도 3a 및 도 3b를 참조하여 보면, 연료봉(10)의 하나의 실시양태가 도시되어 있다. 연료봉은, 다양한 양태에서, 양 단부에서 개방되고 내부 표면(38) 및 외부 표면(42)을 갖는 클래딩 튜브(12)를 포함할 수 있다. 엔드 플러그(18)는, 특정 양태에서, 튜브(12)의 개방된 하단 단부를 폐쇄하도록 위치될 수 있다. 다양한 양태에서, 핵분열 물질은 연료 펠릿의 형태이다. 외부 표면(36)을 갖는 구체(14) 형태의 핵분열 물질은 튜브(12)의 내부에 로딩될 수 있다. 튜브(12)는, 다양한 양태에서, 공지된 방식으로 핵연료 펠릿(14)이 로딩된 박벽(예를 들면, 0.125 내지 0.762 밀리미터 두께) Zr 합금 튜브이다. 각각의 구체(14) 사이 및 구체(14)와 튜브(12)의 내부 표면(38) 사이의 자유 공간(16)은 공극 또는 갭을 한정한다.
도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 대안적인 실시양태에서, 클래딩 튜브(12)는 펠릿 실린더의 상단 및 하단 에지에서 챔퍼(34)를 갖는 원통형 펠릿(14')으로 충진될 수 있다. 갭(16)은 펠릿(14')의 챔퍼(34) 및 원통형 표면(36')과 튜브(12)의 내부 표면(38) 사이의 영역에서 형성된다.
연료 펠릿은 임의의 형태일 수 있다. 전형적으로, 연료 펠릿은 챔퍼(34)가 형성된 펠릿(14')으로 도시된 것과 같은 직원형 실린더(right circular cylinder)의 형태이며, 실린더(14')의 단부에 형성된 디시(dish)(도시되지 않음)를 더 가질 수 있다.
갭(16)을 최소로 유지하기 위하여, 튜브(12)의 내경은 연료 펠릿(14 또는 14')의 직경보다 단지 약간 더 크고, 펠릿에 손상을 주지 않으면서 펠릿(14 또는 14')이 튜브(12)내에 배치될 수 있을 정도로 충분히 커야 하지만, 튜브(12)내에 배치될 때 하나의 펠릿이 다른 펠릿의 상단에 적층되도록 직경이 충분히 근접하는 크기일 수 있다. 다양한 양태에서, 예를 들면, 튜브(12)의 내경은 펠릿(14, 14')의 직경보다 0.15 밀리미터 정도 더 커서, 튜브(12)의 내부 표면(38)에 가장 가까운 지점에서 펠릿(14, 14')의 외부 표면(36 또는 36') 사이에 대략 0.075mm의 평균 갭을 허용할 수 있다. 아래에서 보다 상세하게 기술되는 특정 공정 단계에 따라, 정상 및 바닥 단부(40) 및 클래딩 튜브(12)는 엔드 플러그(18, 20) 상에서 롤링되거나 압축될 수 있으며, 그 후 엔드 플러그(18, 20)는 용접과 같은 임의의 적절한 수단에 의해 튜브(12)에 밀봉될 수 있다. 엔드 플러그(18 및 20)는, 다양한 양태에서, 펠릿(14, 14')과 직경이 동일하다.
복합 연료봉(10)를 제조하기 위한 개선된 방법이 본원에서 설명된다. 다양한 양태에서, 이러한 방법은, 핵분열 물질을 보유하는 클래딩 튜브(12)와 연료 물질 사이의 가스 갭 및 가스 경로와 같은 자유 공간(16)을 감소시키는, 바람직하게는 실질적으로 감소시키는, 가장 바람직하게는 제거하는 단계(도 8 및 도 9 참조), 상기 튜브를 보호 물질(30)로 코팅하는 단계(도 10 및 도 12 참조), 및 상기 코팅된 튜브(12)를 외부 보호 커버링(22) 내에 배치하는 단계(도 12 참조)를 포함한다. 특정 양태에서, 연료 클래딩 튜브(12)는 지르코늄(Zr) 합금, 바람직하게는 약 0.125 내지 0.762 밀리미터의 벽 두께를 갖는 박벽 Zr 합금으로 형성된다. 특정 양태에서, 보호 커버링(22)은 탄화규소(SiC) 복합체와 같은 세라믹 복합체로 형성된다.
이러한 방법은, 일반적으로는, 튜브(12)에 핵분열 물질(14 또는 14')을 로딩하고, 튜브(12)를 핵분열 물질(14, 14') 주위에서 압축하여 핵분열 물질(14, 14')과 튜브(12)의 내부(38) 사이의 자유 공간(16)을 감소시키고, 튜브의 적어도 하나의 개방 단부, 예를 들면, 제 1 단부를 제 1 엔드 플러그(18 또는 20)로 폐쇄하고, 튜브(12)를 목적하는 압력까지 가스로 충진하며, 다른 개방 단부, 예를 들면, 제 2 단부를 제 2 엔드 플러그(18 또는 20)로 폐쇄함으로써 수행할 수 있다. 다양한 양태에서, 목적하는 압력은 0 내지 40 기압일 수 있다.
대안적으로, 이러한 방법은, 튜브(12)에 핵분열 물질(14)을 로딩하고, 튜브의 단부들을 엔드 플러그(18 또는 20)(여기서, 적어도 하나의 엔드 플러그는 그 안에 포트를 가지고 있어서 압축 단계 도중에 가스를 방출시킬 수 있다)로 폐쇄하고, 튜브(12)를 핵분열 물질(14) 주위에서 압축하여 핵분열 물질(14)과 튜브(12)의 내부(38) 사이의 자유 공간(16)을 감소시키며, 튜브(12)를 목적하는 압력까지 가스 충진 포트(54)를 통하여 가스로 충진함으로써 수행할 수 있다.
다양한 양태에서, 이러한 방법은 박벽 Zr 합금 튜브(12)를 완성된 연료봉(10)에서 요구되는 것보다 더 긴 길이로 제작하는 단계를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 튜브(12)의 내경을 유지하기 위하여 솔리드 바(48)가 튜브(12)의 하나의 개방 단부내에 삽입될 수 있다. 이어서, 튜브(12)가 연료 펠릿(14 또는 14')으로 로딩될 수 있다. 제 2 솔리드 바(48)가 튜브(12)의 나머지 개방 단부에 삽입될 수 있다. 연료-로딩된 튜브(12)는, 연료 펠릿(14, 14') 주위의 튜브(12)를 압축하여 펠릿(14, 14') 주위의 튜브(12) 내의 자유 공간(16)을 감소시키거나 아니면 실질적으로 완전히 제거하기 위하여 등방압 프레스 내에 배치될 수 있다.
자유 공간 또는 갭(16)의 크기를 가능한 한 많이 감소시키고, 바람직하게는 제거하기 위하여, 펠릿-로딩된 클래딩 튜브(12)는, 다양한 양태에서, 튜브(12)의 내부 표면(38)이 펠릿(14 또는 14')의 표면(36, 36')과 각각 접촉할 때까지 펠릿(14, 14') 상에서 압축될 수 있다. 이러한 방법의 하나의 실시양태에서, 이러한 단계는 펠릿-로딩된 클래딩 튜브(12)를 고압 챔버(52)에 집어 넣은 다음, 챔버를 챔버(52)의 내측과 습식 백 냉간 등방압 프레스(50)내의 튜브(12) 또는 건식 백 냉간 등방압 프레스(60)내의 가요성 라이너 막(flexible liner membrane)(64) 사이에서 한정된 플리넘(plenum)(56)내에서 물, 다른 액체, 또는 압축된 가스와 같은 고압 유체를 사용하여 가압함으로써 수행될 수 있다. 이러한 방법의 대안적인 실시양태에서, 이러한 단계는 금속 합금 튜브(12)의 모든 외부 표면(42)을 동시에 또는 단계적으로 압축하기 위하여, 튜브(12)의 내부에서 펠릿(14)이 손상되지 않도록 주의하면서, 일부 또는 모든 튜브(12)의 주위에서 블래더 또는 롤러를 사용하여 원주 방향 내측으로 압력을 인가함으로써 기계적으로 수행될 수 있다.
예시적인 습식 백 냉간 등방압 프레스(50)가 도 5에 도시되어 있으며, 예시적인 건식 백 냉간 등방압 프레스(60)가 도 6에 도시되어 있다. 프레스(50 및 60)는 챔버(52), 액체 또는 가스와 같은 가압 유체로 충진하기 위한 플리넘(56), 및 입구 포트(68)(도 6에는 도시되지 않음)를 포함한다. 사용시, 습식 백 프레스(50)는 플리넘(56) 내에 연료-로딩된 튜브(12)를 보유한다. 튜브가 엔드 플러그(18, 20)에 의해 하나의 단부 또는 양 단부 상에서 미리 폐쇄되지 않은 경우, 스토퍼(66)는 튜브(12)의 각각의 개방 단부 상에 배치된다. 가압된 유체가 플리넘(56)을 충진하고, 압력(역선(force line)(62)으로 표시됨)이 튜브(12)의 외측에 대해 인가되어 연료 펠릿(14 또는 14')에 대해 튜브(12)를 충분히 압축하여 펠릿(14, 14') 주위의 튜브(12) 내에서 자유 공간(16)을 감소시키거나 아니면 실질적으로 완전히 제거한다. 사용시, 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 건식 백 프레스(60)는 가요성 라이너(64) 내에 한정된 공간내로 연료-로딩된 튜브(12)를 수용한다. 가압된 유체가 플리넘(56)을 충진할 때, 가요성 라이너(64)가 팽창하고 튜브(12)의 외측에 대해 압력을 인가하여 연료 펠릿(14 또는 14')에 대해 튜브(12)를 충분히 압축하여 펠릿(14, 14') 주위의 튜브(12)내에서 자유 공간(16)을 감소시키거나 아니면 실질적으로 완전히 제거한다. 도 8 및 도 9는 압축된 후의 튜브(12)를 도시한 것이다. 펠릿(14, 14')의 구성에 따라, 자유 공간(16)이 감소되거나 실질적으로 감소된다. 당업자는 비록 작지만 약간의 자유 공간이 튜브(12)내에 잔류할 것임을 인식할 것이다. 그 공간은 가스로 충진될 것이다.
다양한 양태에서, 튜브(12)는 목적하는 압력까지 가스로 충진된 다음, 튜브(12)의 개방 단부가 엔드 플러그(18, 20)로 폐쇄될 수 있다. 다양한 양태에서, 튜브(12)는, 대안적으로 또는 추가적으로, 튜브(12)의 개방 단부가 폐쇄된 후 하나 또는 양쪽 엔드 플러그(18, 20)에서 가스 충진 포트(54)를 통하여 가스로 충진될 수 있다. 가스는 다양한 양태에서 He 또는 H2 가스와 같은 양호한 열전달 특성을 가진 가스이다.
솔리드 바(48)가 압축 전에 튜브(12)내에 배치된 양태에서, 솔리드 바(48)는 제거된다. 튜브(12)가 최종 완제품에 필요한 것보다 더 길도록 제작된 경우, 튜브(12)의 하나의 단부 또는 양쪽 단부에서, 필요에 따라, 초과 길이가 절단된다. 이어서, 엔드 플러그(18 및 20)는 튜브(12)의 개방 단부 상에 삽입되고, 바람직하게는 용접에 의해 제자리에서 밀봉된다.
특정 양태에서, 플리넘 스프링(72)은 상단 엔드 플러그(20)가 제자리에서 용접되기 전에 튜브(12)의 하나의 단부, 예를 들면 상단 단부에 배치될 수 있다. 엔드 플러그(18, 20) 중의 하나 또는 둘 모두는 가스 충진 포트(54)를 가질 수 있다. 헬륨 또는 수소와 같은 가스는 가스 충전 포트(54)를 통하여 튜브(12)내로 도입된다.
이러한 방법의 임의의 대안적인 양태에서 압축 및 가스 충전 후, 압축된 튜브(12)는, 다양한 실시양태에서, 내부식성층과 같은 보호 코팅(30)으로 코팅될 수 있다. 코팅은 저온 분무 공정과 같은 열 공정을 이용하여 도포될 수 있다.
특정 양태에서, 내부식성층은 중간층 및 외층을 포함할 수 있는 이중층으로 구성될 수 있다. 특정 양태에서, 내부식성층은 단일층을 포함할 수 있다.
압축된 튜브(12)의 외부 표면 상에 내부식성층(30)을 적용하는 단계는, 예를 들면, 압축된 클래딩 튜브(12)의 외측 상에 입자, 바람직하게는 각각 100 미크론 이하의 직경을 갖는 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 및 기타 다른 입자와 같은 전이금속 입자를 가진 중간층을 형성하는 단계; 및 이어서 상기 중간층 상에 Cr, Cr 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 입자를 가진 외층을 형성하는 단계를 포함한다. 외층 입자는 100 미크론 이하의 직경을 가질 수 있다. 대안적으로, 내부식성층은 Cr, Cr 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 입자로부터 형성되는 단일층일 수 있다.
내부식성층 입자 또는 외층 입자가 크롬계 합금인 경우, 이들은 80 내지 99 원자%의 크롬을 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, 크롬계 합금은 실리콘, 이트륨, 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 지르코늄, 및 전이금속 원소로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 0.1 내지 20 원자%의 결합 함량으로 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, Cr 합금은 FeCrAlY일 수 있다.
중간층 증착 공정(interlayer deposition process)이 저온 분무 공정인 경우, 상기 방법은 가압된 캐리어 가스를 200℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하는 단계; 중간층 입자를 상기 가열된 캐리어 가스에 첨가하는 단계; 및 상기 캐리어 가스 및 비말동반된 입자를 클래딩 튜브(12) 상에 800 내지 4000 ft/sec(약 243.84 내지 1219.20 m/sec)의 속도로 분무하는 단계를 더 포함할 수 있다.
외층 증착 공정이 저온 분무 공정인 경우, 상기 방법은 가압된 캐리어 가스를 200℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하는 단계; Cr 또는 Cr 합금 입자를 상기 가열된 캐리어 가스에 첨가하는 단계; 및 상기 캐리어 가스 및 비말동반된 Cr 또는 Cr 합금 입자를 중간층 상에 800 내지 4000 ft/sec(약 243.84 내지 1219.20 m/sec)의 속도로 분무하는 단계를 더 포함할 수 있다.
캐리어 가스는 유리하게는 불활성 가스 및 비반응성 가스로부터 선택된다. 다양한 양태에서, 캐리어 가스는 질소, 수소, 아르곤, 이산화탄소, 헬륨 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 캐리어 가스는 5.0 MPa 이하의 압력에서 가열될 수 있다.
캐리어 가스 및 입자는 바람직하게는 목적하는 코팅 두께에 도달할 때까지 매우 고속으로 연속적으로 분무된다. 코팅 두께는, 예를 들면, 5 내지 100 미크론일 수 있지만, 예를 들면, 수백 미크론의 더 두꺼운 두께로 증착될 수 있거나, 또는, 예를 들면, 0.5 내지 1 미크론의 더 얇은 두께로 증착될 수 있다.
다양한 양태에서, 하나 또는 두 층 모두 열 증착 공정을 이용하여 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 공정은 도 5에 도시된 것과 같은 어셈블리에서 수행될 수 있다. 도 5를 참조하여 보면, 저온 분무 어셈블리(100)가 도시되어 있다. 어셈블리(100)는 히터(120), 분말 또는 입자 호퍼(140), 건(gun)(160), 노즐(180) 및 전달 도관(delivery conduit)(340, 260, 320 및 280)을 포함한다. 고압 가스는 도관(340)으로 유입되어 히터(120)로 전달되고, 여기서 가열이 빠르게; 실질적으로는 순식간에 일어난다. 목적하는 온도로 가열되었을 때, 가스는 도관(260)을 통해 건(160)으로 보내진다. 호퍼(140)내에 보유된 입자는 도관(280)을 통하여 방출되어 건(160)으로 보내지며, 여기서 그들은 가압된 가스 제트(200)에 의해 노즐(180)을 통해 튜브(12)의 외부 표면(42) 쪽으로 강제된다. 중간층을 형성하기 위하여, 분무된 입자(360)는 튜브(12)의 외부 표면(42) 상에 증착되어 입자(240)로 구성된 보호층(30)의 중간층 부분을 형성한다.
일반적으로, 중간층 물질은 1400℃ 초과의 지르코늄 또는 지르코늄 합금과의 공융점(eutectic melting point), 및 코팅된 지르코늄 또는 지르코늄 합금 및 그 위에 적용되는 코팅과 상용성인 열팽창계수 및 탄성률 계수를 갖는 물질로부터 선택될 수 있다. 중간층을 형성하는데 사용되는 입자는 Mo일 수 있지만, 대안적으로는 Ta, W 또는 Nb 입자일 수 있으며, 이들 모두는 1400℃ 초과, 다양한 실시양태에서는, 1500℃ 초과의 공융점을 갖는 Zr 또는 Zr 합금과 공융 혼합물을 형성한다.
특정 양태에서, 중간층을 형성하는데 사용되는 입자는 Mo 입자일 수 있다. Mo 입자(또는 임의의 다른 적절한 중간층 입자)는 호퍼(140)에 첨가된다. 중간층 입자는 건(160)에 모였을 때 캐리어 가스 중에 비말동반된다. 노즐(180)은 좁아져서 입자와 가스를 함께 강제하고 노즐(180)을 빠져 나가는 가스 제트(200)의 속도를 증가시킨다. 입자는 콤팩트한 불침투성 또는 실질적으로 불침투성 층을 제공하기에 충분한 속도로 튜브(12)의 외부 표면(42) 상에 분무된다. 다양한 양태에서, 제트 분무 속도는 800 내지 4000 ft/sec(약 243.84 내지 1219.20 m/sec)일 수 있다.
중간층은, 이후에 연마 및 폴리싱될 수 있는 외측의 내부식성 층의 증착 전에 연마 및 폴리싱될 수 있다.
방법의 다양한 양태에서, 외층 또는 내부식성층에 사용되는 입자는 20 미크론 미만의 평균 직경을 갖는 순수한 금속성 크롬 입자일 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같은 "평균 직경"과 관련하여, 당업자는, "직경"이 규칙적인 또는 불규칙한 형상을 가진 입자의 최장 치수가 될 수 있도록 입자가 구형 및 비구형 모두일 수 있으며, 평균 직경은, 임의의 소정 입자의 최장 치수에서 20 미크론 초과 또는 미만의 약간의 변화가 있을 수 있지만, 코팅에 사용된 모든 입자의 최장 치수의 평균이 함께 20 미크론 이하임을 의미한다는 것을 인식할 것이다.
크롬 또는 크롬계 합금 입자는 고체 입자이다. 이중층 보호 코팅(30)에서, 중간층의 적용 후, 외층이 적용된다. 단일의 내부식성층을 갖는 실시양태에서, 이는 중간층 증착 단계없이 압축 단계 후에 적용된다. 어느 경우이든, 외층 또는 단일의 내부식성층, 크롬 또는 크롬 합금 입자 또는 이들의 조합이 호퍼(140)에 첨가된다. 크롬 또는 크롬 합금 입자는 건(160)에 모였을 때 캐리어 가스에 비말동반된다. 노즐(180)은 입자와 가스를 함께 강제하고 노즐(180)을 빠져 나가는 가스 제트(200)의 속도를 증가시키기 위해 좁아진다. 입자는 컴팩트한 불침투성 또는 실질적으로 불침투성인 Cr 및/또는 Cr계 합금 층을 제공하기에 충분한 속도로 분무된다. 다양한 양태에서, 제트 분무 속도는 800 내지 4000 ft/sec(약 243.84 내지 1219.20 m/sec)일 수 있다. 입자(240)는 상업적 수준 또는 연구 수준에서 코팅된 튜브(12)의 목적하는 생산 속도를 제공하기에 충분한 속도로 중간층의 표면 상에 또는 중간층이 없는 경우에는 튜브(12)의 표면(42) 상에 직접 증착된다.
층들 중 어느 하나의 층에 대한 입자 증착 속도는 분말 겉보기 밀도(즉, 분말의 양 대 비체적의 공기 또는 빈 공간) 및 분말 입자를 가스 스트림내로 주입하는데 사용되는 기계식 분말 공급기 또는 호퍼에 의존한다. 당업자는 공정에 사용된 장비에 기초하여 증착 속도를 쉽게 계산할 수 있으며, 속도를 고려한 성분을 변경함으로써 증착 속도를 조정할 수 있다. 이러한 방법의 특정 양태에서, 입자 증착 속도는 1000 kg/hr 이하일 수 있다. 허용되는 속도는 1 내지 100 kg/hr로서, 다양한 양태에서, 10 내지 100 kg/hr이 사용되지만, 1.5 kg/hr과 같은 더 높거나 더 낮은 속도가 성공적으로 사용되어 왔다.
저온 분무 공정은 입자를 기판 상으로 추진시키기 위하여 가열된 캐리어 가스의 제어된 팽창에 의존한다. 입자는 튜브(12)의 표면 또는 이전에 증착된 층에 충격을 주고 단열 전단을 통하여 소성 변형된다. 후속 입자 충격은 빌드업되어 코팅(30)을 형성한다. 입자는 또한 변형을 촉진하기 위하여 유동하는 캐리어 가스로 유입되기 전에 켈빈 온도(°K)로 표현되는 분말의 융점의 1/3 내지 1/2의 온도까지 가온될 수도 있다. 노즐(180)은 코팅될 영역 또는 물질 빌드업이 필요한 영역을 가로 질러 래스터링(rastered)된다(즉, 영역이 상단에서 하단까지 일직선으로 좌우로 분무되는 패턴으로 분무된다). 튜브(12)는, 노즐이 튜브 표면을 가로 질러 길이 방향으로 이동함에 따라 회전될 수 있다. 노즐 횡단 속도(nozzle traverse speed) 및 튜브 회전은 균일한 커버리지(coverage)가 달성되도록 동기화된다. 이동이 균일한 커버리지로 동기화되는 한, 회전 속도 및 횡단 속도는 실질적으로 달라질 수 있다. 튜브(12)는 표면 오염을 제거하여 코팅의 부착 및 분포를 개선하기 위하여 연마 또는 화학적 클리닝과 같은 일부 표면 처리(surface preparation)가 필요할 수 있다. 목적하는 표면 질감에 따라 코팅이 폴리싱되거나 폴리싱되지 않을 수 있다.
코팅 단계에 이어서, 코팅된 펠릿-충진된 압축된 튜브(12)는 폐쇄 단부를 갖는 보호 커버링 내에 배치된다. 도 11은 폐쇄된 하단 단부(24)를 가진 예시적인 커버(22)를 도시한 것이다. 다양한 양태에서, SiC 복합체 커버(22)는, 튜브(12)가 손상없이 커버(22) 내로 삽입될 수 있지만 코팅된 압축된 튜브(12)의 외측과 커버(22)의 내부 표면사이의 갭 및 경로가 최소화되도록, 코팅된 압축된 튜브(12)의 외경보다 단지 약간 더 큰 내경을 갖는 예비성형된 튜브이다. 코팅된 압축 펠릿-충진된 튜브(12)는 SiC 예비성형된 커버(22) 내로 삽입된다. SiC 커버(22)의 하단 단부(24)는 폐쇄된다. SiC 커버(22)의 상단 단부(26)는 개방된 상태로 유지되거나 폐쇄될 수 있다.
다양한 양태에서, 보호 커버링은 SiC 매트릭스 복합체 물질로 제조되며, 확립된 제조 기술을 이용하여 성형한다. 다양한 양태에서, SiC 복합체 층은 0.10 내지 0.80 밀리미터 두께이다. 도 12a 및 도 12b에 도시되어 있는 바와 같이, 압축된 펠릿-로딩된 클래딩 튜브(12)는 단지 로딩을 허용하거나 펠릿 팽윤을 허용하기에 충분히 큰 공차를 가진 SiC 커버(22)내로 삽입된다.
연료봉(10)의 외부 커버(22)로서 SiC를 사용하고 내부 클래딩 튜브(12)로서 내부식성 코팅에 의해 보호된 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 외부 SiC 커버(22)는 기밀하게 밀봉될 필요가 없는데, 그 이유는 내부 클래딩 튜브(12)가 그 기능을 제공하기 때문이다. 엔드 플러그(18, 20)를 밀봉하는 것은 문제가 되지 않는데, 그 이유는 엔드 플러그(18, 20)가 클래딩 튜브(12) 상에 용접되기 때문이다. SiC 커버(22)는 원자로 압력이 낮을 때(예를 들면, 정전 및 냉각재 상실 사고 또는 원자로 감압을 야기하는 장기 발전소 정전사고) 내부 금속 클래딩 튜브(12)를 지지하며, >1200℃에서 증기 또는 공기에 노출되는 내부 클래딩 튜브(12)의 표면적을 제한한다(그로 인하여 지르코늄의 자가 촉매 산화에 의해 발생되는 온도 급등을 방지한다). 또한, 코팅된 튜브(12)만이 가질 수 있는 900℃에서의 블로-아웃(blow-out)을 방지하는 이점이 있다.
본원에 기술된 개선된 방법은 펠릿/클래딩 갭(16)이 제거되거나 크기가 상당히 감소될 것이고 클래딩/커버 갭(28)이 최소이기 때문에 전체 갭(16)을 최소화시킬 것으로 예상된다. 클래딩/커버 갭(28)은, 커버(22)가 100% 기밀성을 유지할 필요는 없지만 90%정도로 낮을 수 있기 때문에 SiC 커버(22)에 삽입될 때 로딩된 튜브(12)에 비교적 큰 힘이 인가될 수 있기 때문에 최소화될 수 있다. 따라서, 펠릿-로딩된 튜브(12)가 커버(22)에 삽입될 때, SiC 커버(22)에서 잠재적으로 발생할 수 있는 특정 크랙은 문제를 일으키지 않는다. 둘째로, 삽입된 단부 상의 엔드 플러그(18, 20)의 기하학적 구조는 로딩된 튜브(12)를 SiC 커버(22)의 내경에 고르지 않은 표면 특징부를 지나서 SiC 커버(22)로 안내하는데 도움을 줄 수 있다. 따라서, 전체 결합된 갭(16 및 28)은 그들이 조사 도중에 팽창하여 박벽 금속 클래딩(12)에서 외측으로, 이어서 SiC 외측 커버(22) 상으로 밀려 나갈 때 펠릿(14, 14')에 의해 가해지는 힘을 최소화 할 필요성에 의해 크기가 정해질 수 있다.
SiC 부식을 최소화하기 위해서는, 화학 증기 침투(CVI) 및 화학 증착(CVD) 에 대해 일반적으로 사용되는 것보다 더 높은 온도가 필요할 것으로 알려져 있다. 이는 일반적으로는 전체 SiC 매트릭스 밀도를 낮추어 압축 강도를 낮춘다. 화학 증기 침투를 수행하기 전에 직조된 SiC 매트릭스를 미리 충진하는 방법이 수행된다. 정전기적 입자 증착(EPD)은 직조 섬유 사이의 간극을 미리 충진하기 위하여 SiC의 나노 크기 입자와 함께 사용될 수 있다. CVI 공정은 복합체의 표면 상에서 주로 발생하는 내부식성 층을 달성하기 위하여 SiC가 고온에서 증착하도록 진행될 수 있다. 그러나, 간극은 SiC 나노 입자로 미리 충진되어 있기 때문에, 매트릭스는 높은 밀도를 가질 것이고, 따라서 높은 강도를 가질 것이다. 그러나, SiC 커버(22)의 기능은 복합체에 인장강도를 제공하는 것이다. 인장강도 성분은 고온에 영향을 받지 않는 섬유에 의해 제공된다. 따라서, 더 높은 침투 온도 및 증착 온도를 사용함으로써 SiC 매트릭스 복합체 밀도가 더 낮아지는 경우, 낮은 복합체 밀도는 문제가 되지 않는다.
본원에 기술된 방법은 연료봉(10)을 제조하는 도중에 적층된 연료 펠릿 주위의 클래딩을 압축함으로써 내부 펠릿/클래딩 갭(16)의 크기를 제거하거나, 또는 적어도 실질적으로 감소시킨다. 금속 합금 튜브(12)의 최적의 내부식성을 위하여, 단일층 또는 이중층의 코팅이 금속 클래딩에 적용되어 전체 금속 표면을 커버한다. 보호 커버(22)를 별도로 성형하고 코팅된 압축 클래딩을 커버(22)내에 배치함으로써, SiC 복합체 밀도가 다소 낮아지더라도 커버(22)를 제조하는데 더 높은 SiC 침투 온도 및 증착 온도가 사용되어 SiC 부식을 최소화시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 클래딩 튜브(12) 벽의 전체 두께는 동일한 기밀성 및 강도 사양을 가진 100% SiC 튜브의 두께보다 상당히 얇을 수 있다. 본원에 기술된 개선된 방법은 클래딩 튜브(12)를 함께 유지하고 다른 금속 합금보다 훨씬 더 높고 단독의 Zr 합금보다도 훨씬 더 큰 > 1800℃에 대한 부식을 감소시킬 수 있는 SiC 보호 커버(22)를 제공할 것이다. 튜브(12)의 전체 중성자 단면적(neutron cross-section)은, 벽 두께가 SiC 커버(22)에 의해 지지되고 SiC 커버(22)가 Zr 합금의 단면적의 단지 25%의 단면적만을 가지면서도 훨씬 더 얇은 벽이 사용될 수 있기 때문에, 현재의 단독의 Zr 합금 튜브보다도 더 작을 수 있다.
본 발명은 제한적이라기 보다는 모든 양태에서 예시적인 것으로 간주되는 몇 가지 예에 따라 설명되었다. 따라서, 본 발명은 당해 분야의 숙련된 기술자에 의해 본원에 포함된 설명으로부터 도출될 수 있는 상세한 구현예에서 많은 변형이 가능하다.
본원에서 언급된 모든 특허, 특허 출원, 출판물 또는 기타 개시 자료는 각각의 개별적인 참고 문헌이 각각 참고로 명시적으로 인용된 것처럼 그 전체가 본원에서 참고로 인용된다. 본원에서 참고로 인용된 모든 참고 문헌 및 임의의 자료, 또는 그의 일부는 인용된 자료가 본 발명에서 설명되는 기존의 정의, 진술 또는 기타 다른 개시 자료와 상충하지 않는 범위내에서만 본원에서 인용된다. 이와 같이, 필요한 범위 내에서, 본원에서 설명된 개시내용은 본원에서 참고로 인용된 임의의 상충되는 자료 및 본 출원 대조 부분에서 분명하게 설명된 개시내용에 우선한다.
본 발명은 다양한 예시적이고 설명적인 실시양태를 참조하여 설명되었다. 본원에 기술된 실시양태는 개시된 발명의 다양한 실시양태의 다양한 세부 사항의 예시적인 특징을 제공하는 것으로 이해되며; 따라서, 달리 특정되지 않는 한, 개시된 실시양태의 하나 이상의 특징, 요소, 구성 성분, 구성 요소, 성분, 구조, 모듈 및/또는 양태는, 가능한 범위 내에서, 개시된 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 개시된 실시양태의 하나 이상의 다른 특징, 요소, 구성 성분, 구성 요소, 성분, 구조, 모듈 및/또는 양태와 관련하여, 결합, 분리, 교환, 및/또는 재배열될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 임의의 예시적인 실시양태들의 다양한 대체, 변형 또는 조합이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 당해 분야의 숙련된 기술자는 단지 일상적인 실험을 이용하여 본 명세서의 검토시 본원에 기술된 본 발명의 다양한 실시양태에 대한 많은 균등물을 인식할 수 있거나 또는 이를 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 다양한 실시양태들의 설명으로 제한되는 것이 아니며, 그보다는 오히려 청구항들에 의해 제한된다.

Claims (33)

  1. 제 1 개방 단부 및 제 2 개방 단부를 갖는 튜브(12)에 핵연료(14, 14')를 로딩하는 단계;
    연료-로딩된 튜브(12)를 연료(14, 14') 주위에서 압축하여 튜브(12) 내의 자유 공간(free space)(16)을 감소시키는 단계;
    튜브(12)의 제 1 및 제 2 단부 중의 적어도 하나를 폐쇄하는 단계;
    연료-로딩된 튜브(12)를 열 전달에 적합한 가스로 충진하는 단계; 및
    압축된 튜브(12)를 예비-형성된 보호 커버(22)로 씌우는(covering) 단계
    를 포함하는, 연료봉(10)의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    튜브(12)의 제 1 및 제 2 개방 단부 각각을 제 1 및 제 2 엔드 플러그(end plug)(18, 20)로 각각 폐쇄하되, 이때 제 1 및 제 2 엔드 플러그(18, 20) 중의 적어도 하나가 가스 포트(54)를 갖는, 단계
    를 더 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    각각의 개방 단부가, 연료-로딩된 튜브(12)가 가스 포트(54)를 통하여 가스로 충진되기 전에 폐쇄되는, 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    튜브(12)를 압축하는 단계가,
    튜브(12)를 챔버(52)내에 배치하는 단계, 및
    챔버(52)를, 튜브(12) 내에 있는 연료(14, 14')에 대해 튜브(12)를 가압하기에 충분한 힘(62)이 튜브(12)에 가해지도록 유체로 가압하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유체가 액체 또는 압축된 가스 중의 하나인, 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    챔버(52)가 냉간 등방압 프레스(cold isostatic press)인, 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    챔버(52)가, 가요성 막(64)이 상기 유체를 튜브(12)와 분리하는 건식 백 냉간 등방압 프레스(dry bag cold isostatic press)(60)인, 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    챔버(52)가, 상기 유체가 튜브(12)와 접촉하는 습식 백 냉간 등방압 프레스(wet bag cold isostatic press)(50)인, 방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    튜브(12)의 적어도 일부의 주위에 롤러에 의해 내향 압력(inwardly directed pressure)(62)이 인가되는, 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    압축된 튜브(12)를 예비-형성된 커버(22)로 씌우기 전에, 압축된 튜브(12) 상에 내부식성 코팅(30)을 적용하는 단계
    를 더 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    내부식성 코팅(30)이 열 증착 공정(thermal deposition process)으로 적용되는, 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 열 증착 공정이 저온 분무(cold spray) 공정인, 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 저온 분무 공정이,
    가압된 캐리어 가스를 100℃ 내지 1200℃의 온도로 가열하는 단계;
    가열된 캐리어 가스에 입자(360)를 첨가하는 단계; 및
    상기 캐리어 가스 및 비말동반된 입자(360)를 800 내지 4000 ft/sec(약 243.84 내지 1219.20 m/sec)의 속도로 분무하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 캐리어 가스가 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 이산화탄소(C02) 및 헬륨(He), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    입자(360)가 크롬, 크롬 합금, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    내부식성 코팅(30)이 이중층(dual layer)을 적용하는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이중층을 적용하는 단계가, 저온 분무 공정을 이용하여 중간층을 적용하는 단계 및 저온 분무 공정을 이용하여 외층을 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 중간층을 형성하는데 사용되는 입자(360)는 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이금속 입자이며,
    상기 외층을 형성하는데 사용되는 입자(360)는 크롬, 크롬 합금, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    튜브(12)가 Zr 합금으로 제조된, 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    예비-형성된 보호 커버(22)가 SiC 복합체 물질로 제조된, 방법.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스가 H2, He, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 방법.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료가 핵분열 물질의 적층된 펠릿(14, 14')을 포함하는, 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    엔드 플러그(18, 20)의 직경이 펠릿(14, 14')의 직경과 거의 동일한 직경인, 방법.
  23. 상단 및 하단 개방 단부 및 내측 및 외측 표면(38, 42)을 갖는 중공 튜브(12)를 제공하는 단계;
    핵분열 물질(14, 14')을 중공 튜브(12)내에 적층하는 단계;
    적층된 핵분열 물질(14, 14')에 대해 튜브(12)를 압축하여 핵분열 물질(14, 14')과 튜브(12)의 내측 표면(38) 사이의 이용가능한 자유 공간(16)을 감소시키는 단계;
    튜브(12)의 상단 단부 및 하단 단부 중의 적어도 하나를 엔드 플러그(18, 20)로 폐쇄하되, 이때 적어도 하나의 엔드 플러그(18, 20)가 이를 관통하는 가스 포트(54)를 갖는, 단계;
    열 전달에 적합한 가스를, 엔드 플러그(18, 20)내의 가스 포트(54)를 통하여 튜브(12)에 첨가하는 단계;
    포트(54)를 폐쇄하는 단계;
    압축된 튜브(12)의 외측 표면(42)에 내부식성 코팅(30)을 적용하는 단계;
    예비-형성된 커버(22)를 제공하는 단계; 및
    코팅된 압축된 튜브(12)를 예비-형성된 커버(22)내에 배치하는 단계
    를 포함하는, 연료봉의 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    튜브(12)를 압축하는 단계가,
    튜브(12)를 챔버(52)내에 배치하는 단계, 및
    챔버(52)를, 튜브(12) 내에 있는 핵분열 물질(14, 14')에 대해 튜브(12)를 가압하기에 충분한 힘(62)이 튜브(12)에 가해지도록 유체로 가압하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 유체가 액체 또는 압축된 가스 중의 하나인, 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    챔버(52)가 냉간 등방압 프레스인, 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    챔버(52)가, 가요성 막(64)이 상기 유체를 튜브(12)와 분리하는 건식 백 냉간 등방압 프레스(60)인, 방법.
  28. 제 26 항에 있어서,
    챔버(52)가, 상기 유체가 튜브(12)와 접촉하는 습식 백 냉간 등방압 프레스(50)인, 방법.
  29. 제 24 항에 있어서,
    튜브(12)의 적어도 일부의 주위에 롤러에 의해 내향 압력(62)이 인가되는, 방법.
  30. 제 23 항에 있어서,
    내부식성 코팅(30)이 열 증착 공정에 의해 적용되는, 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 열 증착 공정이,
    질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 이산화탄소(C02) 및 헬륨(He), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 가압된 캐리어 가스를 100℃ 내지 1200℃의 온도로 가열하는 단계;
    크롬, 크롬 합금, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 외층 입자(360)인, 외층(30)을 형성하기 위한 입자(360)를, 상기 가열된 캐리어 가스에 첨가하는 단계; 및
    상기 캐리어 가스 및 비말동반된 입자(360)를 800 내지 4000 ft/sec(약 243.84 내지 1219.20 m/sec)의 속도로 분무하는 단계
    를 포함하는 저온 분무 공정인, 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    내부식성 코팅(30)이 이중층을 적용하는 단계를 포함하고,
    상기 이중층이, 외층을 적용하기 전에 저온 분무 공정에 의해 적용된 중간층을 포함하고,
    중간층의 입자(360)는 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이금속 입자인, 방법.
  33. Mo, Ta, W 및 Nb로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 내부(inner) 코팅 및 크롬, 크롬 합금 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 외부(outer) 코팅으로 구성된 외측(exterior) 내부식성 코팅(30)을 갖고, 지르코늄 합금으로부터 형성된, 클래딩 튜브(12);
    클래딩 튜브(12)내에 적층된 복수의 핵연료 펠릿(14, 14');
    적층된 핵연료 펠릿(14, 14')과 접촉하도록 구성된 클래딩 튜브(12); 및
    펠릿-충진된 클래딩 튜브(12)를 유지하기 위한 예비-형성된 SiC 커버(22)
    를 포함하는, 원자로의 연료봉(10)용의 클래딩 튜브(12).
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