KR20210150439A - 특히 원자로 구성요소의 적층 제조용 조성물 및 적층 제조 방법 - Google Patents

특히 원자로 구성요소의 적층 제조용 조성물 및 적층 제조 방법 Download PDF

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벤자민 디. 피셔
존 알. 살라신
브라이언 블레이크 위긴스
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비더블유엑스티 어드밴스드 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

적층 제조 방법은 대체 슬러리를 사용하여 적층 제조 프로토콜을 반복적으로 개발한 다음, 최종 슬러리 조성물을 대체하여 개발된 적층 제조 프로토콜을 사용하여 최종 구성요소를 적층 제조한다. 원자로 구성요소 맥락에서, 최종 슬러리 조성물은 단량체 수지 30 내지 45 부피%, 복수의 우라늄 함유 물질 입자 30 내지 70 부피%, 분산제 > 0 내지 7 부피%, 광활성화된 염료, 광흡수제, 광개시제, 및 잔여량으로서 희석제 0 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖는 핵연료 슬러리이다. 대체 슬러리는 유사한 조성을 갖지만, 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택된 복수의 대체 입자가 우라늄 함유 물질 입자 대신에 사용된다. 이 방법은 현장 체적 검사뿐만 아니라 제조 중 최종 구성 요소의 특성을 현장에서 모니터링하는 수단을 제공한다. 대체 슬러리 및 핵연료 슬러리의 조성물도 개시되어 있다.

Description

특히 원자로 구성요소의 적층 제조용 조성물 및 적층 제조 방법
본 발명은 일반적으로 적층 제조에 사용되는 조성물 및 적층 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 조성물은 적층 제조 프로토콜이 개발되는 구성요소를 제조하기 위한 적층 제조 공정에서 대체 슬러리로서 사용될 수 있고, 적층 제조 프로토콜은 원자로에 사용하기 위한 구성요소와 같은 반제품 또는 완성 부품을 적층 제조하기 위해 연료 집합체 구조 물질(예를 들어, Ni, W, Mo 또는 N-W-Mo 합금), 감속재 물질(예를 들어, 흑연, 붕소 또는 탄소계 물질), 및 핵연료 슬러리 물질(예를 들어, 우라늄 또는 우라늄-몰리브덴계 물질)과 같은 적절한 물질과 함께 사용될 수 있다. 원자로 구성요소 맥락에서, 대체 슬러리는 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택된 복수의 대체 입자를 30 부피% 내지 70 부피% 포함하고, 이러한 대체 입자는 이어서 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹, 우라늄-몰리브덴 합금과 같은 우라늄 함유 물질을 포함하는 조성을 갖는 입자로 핵연료 슬러리로 대체된다. 관련 양태에서, 개시된 슬러리 및 적층 제조 공정은, 적층 제조 제품이 제조 결함 식별을 위해 검사할 수 있는 신호를 생성하기 위해 자외선(UV) 빛에 노출함으로써 활성화되는 자외선 활성 염료 성분과 같은, 광원에 노출되는 광활성화된 염료 성분을 포함하는 현장 체적 검사에 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 대체 슬러리의 조성물 및 핵연료 슬러리 그 자체의 조성물에 관한 것이다.
다음 설명에서, 특정 구조 및/또는 방법이 참조된다. 그러나 다음 참조는 이러한 구조물 및/또는 방법이 선행 기술을 구성한다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 출원인은 이러한 구조 및/또는 방법이 본 발명에 대한 선행 기술로서 자격이 없음을 입증할 권리를 명시적으로 유보한다.
예를 들어, 물질을 함께 추가함으로써(예를 들어 함께 융합되는 액체 분자 또는 분말 입자) 3차원 물체를 생성하기 위해 물질이 컴퓨터 제어 하에 결합되거나 고화되는 다양한 공정이 이용될 수 있다. 용융/증착 기술 또는 증착/경화 기술을 기반으로 하는 다양한 기술이 있으며, 이러한 기술은 3D 모델 또는 CAD(Computer-Aided Design) 모델 또는 적층 제조파일(Additive Manufacturing File, AMF)(일반적으로 연속 층에 있음)과 같은 다른 전자 데이터 소스로부터 디지털 모델 데이터를 사용하여 거의 모든 형상 또는 기하학적 형상의 물체를 제조하는 데 사용될 수 있다.
다수의 이러한 제조 공정이 이용 가능하다. 공정 간의 주요 차이점은 부품을 생성하기 위해 층이 증착되는 방식과 사용되는 물질에 있으며, 각 방법/물질에는 장점과 단점이 있다. 일부 방법은 물질을 용융시키거나 연화하여 층을 생성한다. 그 예로는 융합 증착 모델링(FDM, fused deposition modeling), 융합 입자 가공(FPF, fused particle fabrication) 또는 융합 입상 가공(FGF, fused granular fabrication)라고도 하는 융합 필라멘트 제조(FFF, fused filament fabrication)가 있다. 다른 방법은 서로 다른 기술을 사용하여 액체 물질을 경화시키며, 각 기술은 제조된 물체를 구축하기 위해 층별 접근 방식으로 액체 물질을 고형화한다. 그 예로는 다양한 광학 또는 화학 기반 경화 공정(관련된 광 반응성 또는 화학 반응성 물질 사용)을 이용하는 스테레오리소그래피(SL)가 있다. 각 경우에 제조된 제품은 제조 물질을 기반으로 한 특성을 갖는다.
발명의 개요
일반적으로, 본 발명은 적층 제조에 사용되는 조성물 및 적층 제조 방법에 관한 것이다. 순차적인 층별 제조 공정으로 인해, 개시된 적층 제조 공정은 복잡한 구성요소의 제조에 적합하다. 원자로 구성요소 맥락에서, 복잡한 구성요소의 예로는 연료 집합체(예를 들어, 연료 요소 배치(연료 및 가연성 독극물 포함), 연료 집합체 구조물에 대한 기계적 지지체, 스페이서 그리드(구성 요소의 간격을 보장하고 연료 요소의 가이드), 및 예를 들어 제어봉 또는 코어 내 기기 등을 위한 비-연료 튜브(연료 번들로도 알려짐)를 포함한다. 구조물의 복잡성은 설계, 배관, 펌프, 기기, 열교환기 및 증기 발생기에 따라 달라지는 1차 주기의 다양한 구성요소(1차 냉각수에 놓여지거나, 접촉되거나 또는 노출되는 시스템을 의미)를 포함하는, 원자로의 다른 시스템까지 미친다. 따라서 연료 요소, 연료 집합체, 원자로 코어 및 원자로 시스템의 구축은 모두 엄격한 설계 및 제조 표준은 물론 조달, 취급, 설치, 검사 및 시험과 관련된 광범위한 제조 전, 제조 중 및 제조 후 제어의 대상이다.
개시된 적층 제조 방법의 이용은 이러한 복잡한 구조물, 특히 연료 요소 및 연료 집합체의 제조에 유리한 것으로 밝혀졌고, 그러한 구조의 품질 보증을 포함하여 제조 공정 자체 및 제조된 복잡한 구조물 모두를 개선한다. 개시된 조성물과 결합된 개시된 적층 제조 방법의 이용은 이러한 목적에 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.
본 명세서에 기재된 실시형태는, 적층 제조 공정 개발 및 프로토타입 개발 중에 구성 요소의 적층 제조뿐만 아니라 서비스 중인 부품의 최종 제조에 사용되는 슬러리의 조성물 및 구성요소, 특히 핵분열 원자로를 적층 제조하는 방법을 포함한다.
원자로 시스템의 구성요소를 제조하기 위한 방법의 실시형태는 적층 제조 프로토콜을 반복적으로 개발하기 위해 대체 슬러리를 사용하고, 개발된 적층 제조 프로토콜에서 대체 슬러리를 핵연료 슬러리로 대체하고, 개발된 적층 제조 프로토콜에서 핵연료 슬러리를 사용하여 원자로 시스템의 구성요소의 그린바디를 제조하는 것을 포함한다.
적층 제조용 핵연료 슬러리의 실시형태는 다음 성분을 포함하는 조성물(분말의 총 부피에 대한 부피%)을 갖는다: 단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%, 복수의 입자 45 부피% 내지 60 부피%, 분산제 >0 부피% 내지 7 부피%, 광활성화된 염료 0 부피% 초과, 광흡수제 0 부피% 초과, 광개시제 0 부피% 초과, 및 희석제 0 부피% 내지 20 부피% (잔여량). 입자는 우라늄 함유 물질을 포함하는 조성을 갖는다. 일부 실시형태에서, 우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹, 또는 우라늄-몰리브덴 합금이다. 일부 실시형태에서, 우라늄 함유 물질은 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 우라늄 옥시카바이드, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, ZrC-UC 또는 SiC-UN과 같은 Zr- 또는 Si-기반 세라믹 복합체이다. 또한, 무기 부류를 함유하는 물질 및 유기 리간드/음이온 부류를 함유하는 물질을 포함하여 기타 우라늄-함유 물질을 사용할 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 우라늄-함유 물질에서 U235의 농축률은 0%보다 크다. 일부 NTP 응용 프로그램의 경우, 농축률은 20% 미만, 바람직하게는 19.75% 이하이다. 다른 NTP 적용의 경우 농축률은 90% 내지 98%이다. 일부 CANDU 적용의 경우, 농축률은 자연 수준이다. 일부 지상 전력 원자로 적용 분야의 경우, 농축률은 20% 미만, 바람직하게는 4% 내지 15%이다. 대안적인 실시형태에서, 농축된 우라늄 함유 물질은 토륨 기반과 같은 기타 핵분열성 물질을 사용할 수 있다.
일 특정 실시형태에서, 적층 제조용 핵연료 슬러리는 다음 성분을 포함하는 조성물을 갖는다: 아크릴레이트계 단량체 수지 30 내지 45 부피%, 우라늄 함유 물질을 포함하는 조성물을 갖는 복수의 입자 45 부피% 내지 60 부피%, 핵연료 슬러리에서 복수의 입자를 분산시키기에 적합한 분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%, 품질 관리 검사 중 후속 활성화를 위한 광활성화된 염료 0 부피% 초과, 슬러리의 자유 라디칼화 중합을 중지하고 그에 따라 가교결합을 감소시키는 광흡수제 0 부피% 초과, 슬러리 조성물을 경화시키기 위해 사용될 광의 파장과 일치하도록 선택된 광개시제 0 부피% 초과, 또는 그 반대, 및 희석제로서의 메틸나프탈렌 0 부피% 내지 18 부피%(잔여량).
일 특정 실시형태에서, 적층 제조용 대체 슬러리는 다음 성분을 포함하는 조성물을 갖는다: 아크릴레이트계 단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%, 이트리아-안정화 지르코니아(YSZ, yttria-stabilized zirconia)를 포함하는 조성물을 갖는 복수의 대체 입자 45 부피% 내지 60 부피%, 핵연료 슬러리에서 복수의 입자를 분산시키기에 적합한 분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%, 품질 관리 검사 중 후속 활성화를 위한 광활성화된 염료 0 부피% 초과, 슬러리의 자유 라디칼화 중합을 중지하고 이에 따라 가교결합을 감소시키는 광흡수제 0 부피% 초과, 슬러리 조성물을 경화시키기 위해 사용될 광의 파장과 일치하도록 선택된 광개시제 0 부피% 초과, 또는 그 반대, 및 희석제로서의 메틸나프탈렌 0 부피% 내지 18 부피%(잔여량).
스테레오리소그래피 적층 제조 프로토콜과 같은 적층 제조 프로토콜은, 대체 슬러리를 사용하고, 적층 제조 프로토콜이 원하는 품질의 원하는 구성요소를 제조할 때까지 적층 제조 파라미터를 반복적으로 조정하여 개발될 수 있다. 대체 슬러리를 사용하여 적층 제조 프로토콜을 개발하는 이러한 방법의 예시적인 실시형태는 적층 제조를 위한 제1 대체 슬러리를 제조하는 단계, 제1 적층 제조 기술에 의해 제1 대체 슬러리로부터 제1 그린바디를 제조하는 단계, 제1 그린바디에 존재하는 결함을 식별하는 단계, 식별된 결함 중 하나 이상에 기초하여 제1 대체 슬러리의 조성물 또는 제1 적층 제조 기술의 파라미터를 조정하는 단계, (a)적층 제조 기술에 의해 조정된 제1 대체 슬러리, (b)조정된 제1 적층 제조 기술에 의해 제1 대체 슬러리, 또는 (c)제1 적층 제조 기술에 의해 조정된 제1 대체 슬러리, 또는 (c)조정된 제1 적층 제조 기술에 의해 조정된 제1 대체 슬러리로부터 제2 그린바디를 제조하는 단계를 포함한다.
또한, 본 명세서에 기재된 실시형태는 핵분열 원자로의 개별 구성요소뿐만 아니라 핵분열 원자로의 설계를 인정하고 허용 가능한 제작을 검증하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 원자로의 구성요소를 제조하는 방법은 또한 본래 구축된 상태의 구조물의 성능 및 무결성(integrity)을 결정하고 확인하는 데 사용될 수 있다. 이와 같이, 이 방법은 원자로 또는 원자로 구성 요소의 적격성을 평가하는 수단으로 사용하거나 제3자, 예를 들어 정부 규제 기관, 정부 기관 및 부서, 전력 회사와 같은 상업 단체 등의 허용 기준에 대한 정보를 제공할 수 있다.
이러한 현장 체적 검사 방법의 예시적인 실시형태는 300 nm 내지 750 nm의 파장을 갖는 빛과 같은 광원 또는 자외선에 적층 제조 제품을 노출시키는 단계를 포함하며, 여기서 적층 제조 제품은 광활성화된 염료 성분을 포함하고, 노출 단계는 광활성화된 염료 성분을 활성화시켜 신호를 생성하는 단계; 노출된 적층 제조 제품을 광학적으로 검사하는 단계; 및 활성화된 광활성화된 염료 성분에 의해 생성된 신호를 표준과 비교하여 적층 제조 제품의 제조 결함을 식별하는 단계를 포함한다. 일 특정 실시양태에서, 적층 제조 제품은 원자로 시스템의 구성요소의 그린바디이고, 적층 제조 제품은 핵연료 슬러리를 사용하는 스테레오리소그래피 적층 제조 프로토콜에 의해 제조된다.
개시된 원자로 및 코어는 복잡한 기계 기하학적 구조를 갖는 구성요소를 갖지만, 핵분열성 연료 물질을 포함하는 일체형 및 반복 제조는 구성요소를 보다 용이하게 제조할 수 있게 한다. 기타 장점으로는 구성요소를 현장에서 그리고 층 별로 검사할 수 있다는 것이다.
실시형태의 다음의 상세한 설명뿐만 아니라 전술한 요약은 첨부된 도면과 함께 읽을 때 더 잘 이해될 수 있다. 도시된 실시형태는 도시된 정확한 배치 및 수단에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 원자로 시스템의 구성요소를 제조하기 위한 예시적인 방법의 단계를 도시한다.
도 2는 대체 슬러리를 사용하여 적층 제조 프로토콜을 개발하기 위한 예시적인 반복 공정의 단계를 예시한다.
도 3은 현장 체적 검사의 예시적인 방법의 단계를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 본 명세서에 기재된 방법 및 대체 슬러리에 따라 제조된 구성요소의 육안 검사와 관련된 사진을 포함한다.
도 5는 본 명세서에 기재된 것과 일치하는 적층 제조 공정 및 대체 슬러리를 사용하여 제조된 그린바디의 이미지이다.
도 6은 본 명세서에 기재된 것과 일치하는 적층 제조 공정 및 대체 슬러리를 사용하여 제조된 제2 그린바디 그룹의 이미지이다.
도 1은 원자로 시스템의 구성요소를 제조하기 위한 예시적인 방법(100)의 단계를 도시한다. 예시적인 방법(100)은 적층 제조 프로토콜(바람직하게는 스테레오리소그래피 적층 제조 프로토콜)을 반복적으로 개발하기 위해 대체 슬러리를 사용하는 단계(110), 개발된 적층 제조 프로토콜에서 대체 슬러리 대신에 핵연료 슬러리를 사용하는 단계(120), 개발된 적층 제조 프로토콜에서 핵연료 슬러리를 사용하여 원자로 시스템의 구성요소의 그린바디를 제조하는 단계(130)를 포함한다.
적층 제조 프로토콜은 임의의 적절한 적층 제조 공정에서 사용하기 위해 개발 및/또는 적응될 수 있다. 적절한 적층 제조 공정의 예는 ISO/ASTM52900-15에 기재되어 있으며, 여기에는 결합제 분사, 직접 에너지 증착, 물질 압출, 물질 분사, 분말 베드 융합, 시트 적층 및 광중합을 포함하는 적층 제조 공정의 범주가 규정되어 있다. ISO/ASTM52900-15의 내용은 여기에 참조로 포함된다. 스테레오그래피는 광중합 공정을 이용하는 적층 제조의 한 형태이다. 예시적인 실시형태에서, 스테레오리소그래피 적층 제조 기술은 자외선 또는 베타선에 대한 노출로부터 광개시를 포함한다. 일부 예시적인 실시형태에서, 자외선은 디지털 광 프로세서(DLP) 또는 스테레오리소그래피 장치(SLA)에서 생성된다. 다른 예시적인 실시형태에서, 베타선은 전자빔(EBeam) 장치 또는 전자 조사(EBI) 장치에서 생성된다. 본 명세서에 기재된 방법 및 조성물이 스테레오리소그래피의 맥락에서 설명되지만, 그러한 방법 및 조성물은 다른 적층 제조 공정으로 확대 및/또는 적응될 수 있음이 명백히 고려된다.
예시적인 방법(100)에서, 적층 제조 프로토콜은 대체 슬러리를 사용하여 반복적으로 개발된다(110). 대체 슬러리는 핵연료 슬러리의 대체이다. 이와 관련하여, 대체 슬러리는 핵연료 슬러리의 적층 제조 공정에서 거동을 모방하도록 설계된 조성물을 갖는다. 이것은 특히 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택된 대체 입자를 사용하여 핵연료 입자에 대한 대체 입자를 사용함으로써 달성된다. 대체 슬러리 및 그 조성 및 핵연료 슬러리 및 그 조성에 관한 추가 세부사항은 이하에 기재되어 있다.
적층 제조 프로토콜은 반복 공정으로 개발된다. 예를 들어, (a) 증착 단계의 이동(공간적 및 시간적), 증착과 관련된 온도, 단계의 순서 등과 같은 적층 제조 공정 파라미터, 및 (b)슬러리 조성물의 구성 성분 및 이들의 농도 또는 부피%와 같은 조성물의 조정과 함께 적층 제조 공정의 반복은 공정의 후속적인 반복에서 조정된다. (a) 및 (b)의 조정은, 예를 들어 하나 이상의 기계적 특성, 하나 이상의 화학적 특성, 및 하나 이상의 물리적 및/또는 화학적 결함의 식별을 포함하는 제조된 구성요소로부터 결정된 파라미터에 기초할 수 있다. (a) 및 (b)의 조정은 최종 적층 제조 프로토콜(개발된 적층 제조 프로토콜이라고도 함)에 도달하기 위해 단독으로 또는 집합적으로 발생할 수 있으며, 이에 따라 슬러리 구성 정보와 디지털 모델 데이터, 예를 들어 3D 모델 또는 CAD(Computer-Aided Design) 모델 또는 AMF(Additive Manufacturing File) 파일 또는 스테레오리소그래피 윤곽(SLC) 파일과 같은 또 다른 전자 데이터 소스를 모두 포함한다.
대체 슬러리를 사용하여 적층 제조 프로토콜을 개발하기 위한 예시적인 반복 공정이 도 2에 제시되어 있다. 예시적인 반복 공정(200)에서, 적층 제조를 위한 제1 대체 슬러리가 제조된다(210). 제1 대체 슬러리는 본 명세서에 기재된 바와 같은 조성물을 갖는다. 제1 대체 슬러리를 사용하여, 제1 적층 제조 기술(220)에 의해 제1 그린바디가 형성된다. 제1 적층 제조 기술은 본 명세서에 기재된 적층 제조 기술 중 임의의 것일 수 있다. 그 다음, 제1 그린바디는 원하는 최종 제조 제품으로부터의 결함 및 기타 편차를 식별하기 위해 검사 및/또는 시험된다(230). 이 검사 및/또는 시험에는 기계적, 시각적, 화학적인 것을 포함한 모든 적절한 검사 및 시험이 포함될 수 있다.
식별된 결함 및/또는 다른 편차 중 하나 이상에 기초하여, 제1 대체 슬러리의 조성 또는 제1 적층 제조 기술의 파라미터가 조정될 수 있다(240). 예를 들어, 조성물의 구성요소는 조정될 수 있고(물질 화학 또는 구성 성분의 양 중 하나), 본 명세서에 기재된 조성물 내에서 변경될 수 있다. 또 다른 예로서, 제1 적층 제조 기술의 하나 이상의 파라미터, 예를 들어 증착 단계의 이동(공간적 및 시간적), 증착과 관련된 온도, 단계의 순서 등이 조정되고 변경될 수 있다. 조정할 수 있는 기타 공정 파라미터는 다음과 같은 파라미터를 포함한다: 수지 욕(bath)의 온도를 더 높은 온도로 높임, 점도를 낮춤, 더 균일한 인쇄 층 두께를 생성, 적층 제조 인쇄 층의 적절한 레벨링을 가능하게 하도록 조사 전 지연을 조정, 유압 베어링 힘의 완화 및 인쇄 윈도우 박리를 가능하게 하도록 이동 속도를 조정, 산란을 제한하고 경화 깊이를 증가시키기 위해 층당 다중 광 노출을 제공, 원하는 속성을 최적화하기 위해 강도의 노출(동영상)을 지속적으로 변경. 조정할 수 있는 다른 설계 파라미터에는 다음과 같은 파라미터를 포함한다: 인쇄할 수 있는 기능보다 낮은 얇은 형상에 대한 설계 변경, 너무 작아서 노출 중에 산란에 의해 막힐 수 있는 기공 증가/제거, 트랩된 수지 제거를 돕기 위해 부품에 배수 또는 청소 구멍의 추가, 구조적 및 중성자적으로 유용한 물질로 섬세한 기하학을 지원하기 위해 자이로이드와 격자 형태의 결합. 조성 및/또는 파라미터의 조정은 독립적으로 또는 조합하여 발생할 수 있다. 또한, 조성 및/또는 파라미터의 조정은 진행 중인 반복 공정(200)의 후속 반복 또는 후속 반복 공정(200)에서 구현될 수 있다. 대안적으로, 제1 대체 슬러리의 조성 또는 제1 적층 제조 기술의 파라미터의 조정은 이러한 조성/파라미터를 변경하는 효과를 결정하기 위해 수행될 수 있다. 이러한 원인 및 효과에 대한 정보는 진행 중인 반복 공정(200)의 후속적인 반복 또는 후속 반복 공정(200)에서 개발되고 사용될 수 있다.
제1 대체 슬러리의 조성 또는 제1 적층 제조 기술의 파라미터를 조정한 후, 예시적인 반복 공정(200)은 제2 그린바디를 제조한다(250). 이러한 제2 그린바디(및 반복 공정의 후속 그린바디)는 하나 이상의 방식으로 조정된다. 조정은 다음을 포함할 수 있다: (a)적층 제조 기술에서 제1(또는 후속) 대체 슬러리를 조정하고 조정된 대체 슬러리의 사용, (b)조정된 제1(또는 후속) 적층 제조 기술에서 제1 대체 슬러리(즉, 조정되지 않은 대체 슬러리)의 사용, (c) 제1(또는 후속) 대체 슬러리를 조정하고 조정된 제1(또는 후속) 적층 제조 기술에서 조정된 대체 슬러리의 사용.
대체 슬러리로부터 적층 제조 기술에 의해 그린바디를 제조, 그린바디의 결함 확인, 대체 슬러리의 조성 또는 적층 제조 기술의 파라미터를 조정하는 공정은 필요에 따라 반복되어, 원하는 특성을 가진 그린바디를 생성하는 적층 제조 프로토콜에 도달한다. 그 다음, 적층 제조 프로토콜을 핵연료 슬러리와 함께 사용하여 원자로용 구성요소와 같은 원하는 구성요소의 그린바디를 생성할 수 있다.
예시적인 방법(100)에서, 일단 개발된 적층 제조 프로토콜이 얻어지면, 핵연료 슬러리는 개발된 적층 제조 프로토콜에서 대체 슬러리 대신에 사용된다(120). 그 다음, 개발된 적층 제조 프로토콜의 핵연료 슬러리를 사용하여 원자로 시스템의 구성요소의 그린바디가 제조된다(130). 대체 슬러리는 적층 제조 공정에서 핵연료 슬러리를 모방하기 때문에, 개발된 적층 제조 프로토콜에서 핵연료 슬러리를 사용하면, 핵연료 입자, 예를 들어 우라늄 함유 물질 대신에 대체 입자를 사용하는 것을 제외하고 대체 슬러리를 사용하여 제조된 것과 동일하지 않더라도(또는 제조 허용 오차 내에서) 적어도 실질적으로 동일한 구성요소의 제조된 그린바디가 생성된다.
이어서, 제조된 그린바디를 소결하여 원자로 시스템의 제조된 구성요소와 같이 제조된 구성요소를 형성할 수 있다. 온도, 압력 및 대기의 조합을 포함하는, 기타 적절한 형태의 압밀(consolidation)을 이용하여, 제조된 구성요소를 형성할 수 있다. 압밀된 제조 구성요소는, 예를 들어 기계가공, 연삭, 연마, 코팅, 침탄, 질화, 산화 및 에칭 중 하나 이상에 의해 추가로 처리될 수 있다.
적층 제조용 대체 슬러리의 예는 단량체 수지, 복수의 대체 입자, 분산제, 광활성화된 염료, 광흡수제, 광개시제 및 희석제를 포함하는 조성물을 갖는다. 적층 제조용 핵연료 슬러리의 예는 단량체 수지, 복수의 우라늄 함유 입자, 분산제, 광활성화된 염료, 광흡수제, 광개시제 및 희석제를 포함하는 조성물을 갖는다.
대체 슬러리 및 핵연료 슬러리 둘 모두는 30 부피% 내지 45 부피%, 대안적으로 35 부피% 내지 40 부피%의 양으로 존재하는 단량체 수지를 포함한다. 특정 예에서, 단량체 수지는 아크릴레이트계 단량체 수지 또는 메타크릴레이트계 단량체 또는 이들의 혼합물이다. 일부 실시형태에서, 단량체 수지는 적어도 50% 아크릴레이트계, 대안적으로 70% 내지 90% 아크릴레이트계이다. 다른 실시형태에서, 아크릴레이트계 단량체 수지는 단일 관능성, 2관능성, 3관능성 또는 4관능성 또는 이들의 혼합 관능기로 관능화된다. 아크릴레이트계 단량체 수지는 적어도 50%의 2관능성, 대안적으로 적어도 80%의 2관능성, 대안적으로 70 내지 90%의 2관능성일 수 있다. 적합한 아크릴레이트계 단량체 수지의 특정 예는 헥산디올 디아크릴레이트(Sartomer사 (Arkema Group)의 상품명 SR 238로 입수가능)이다. 적합한 아크릴레이트계 단량체 수지의 또 다른 특정 예는 에톡실화(4) 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트(Sartomer사(Arkema Group)의 상품명 SR 494로 입수가능)이다. 대안적으로, 아크릴레이트계 단량체 수지 대신에 올리고머계 수지를 사용할 수 있다. 올리고머계 수지를 사용하면, 수축 제어, 중합 속도 및 점도 영역에서 단량체 수지보다 개선될 수 있다.
핵연료 슬러리는 30 부피% 내지 70 부피%, 대안적으로 30 부피% 내지 60 부피%, 대안적으로 45 부피% 내지 60 부피%, 대안적으로 50 부피% 내지 55 부피%의 양으로 우라늄 함유 물질의 입자를 함유하는 반면, 대체 슬러리는 30 부피% 내지 70 부피%, 대안적으로 30 부피% 내지 60 부피%, 대안적으로 45 부피% 내지 60 부피%, 대안적으로 50 부피% 내지 55 부피%의 양으로 존재하는 대체 입자를 함유하며, 여기서 대체 입자는 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택된다. 그러나 대체 슬러리에 있는 대체 입자의 양은 대체 입자 선택 파라미터 및 대체 입자와 치료 방사선의 상호작용 특성, 예를 들어 흡수에 따라 달라진다. 예시적인 실시형태에서, 대체 입자는 도핑된 지르코니아 상 또는 탄화물, 질화물, 또는 붕화물 또는 실리콘 또는 지르코늄이며, 이는 중성자 흡수 단면적 및 우라늄 산화물의 굴절률과 충분히 일치하며, 대체 슬러리에 있는 대체 입자의 양은 40 내지 60 부피%, 대안적으로 40 내지 55 부피%이다.
우라늄 함유 물질의 예는 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹, 및 우라늄-몰리브덴 합금을 포함한다. 일부 실시형태에서, 대체 입자로 표시되는 우라늄 함유 물질은 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧이다. 다른 실시형태에서, 우라늄 함유 물질은 화학식 U(C,O,N,Si,F,Cl)으로 표시될 수 있으며, 여기서 탄소(C), 산소(O), 질소(N), 규소(Si), 불소(F), 염소(Cl) 및 이들의 조합은 우라늄과 함께 화학량론적 또는 비 화학량론적 양으로 존재할 수 있다.
우라늄 함유 물질의 다른 비 제한적인 예는 U(OH, B, Sb, P, As, S, Se, Te, Cl, Br, I)와 같은 무기물 부류; 수산화우라늄 및 수화물; 브롬화우라늄; 요오드화우라늄; 우라늄 셀레나이드; 우라늄 텔루라이드; 염화우라늄; 우라늄 황화물; 우라늄 붕화물; 우라늄 인화물; 우라늄 비소와 안티모나이드를 포함한다. 유기 리간드/음이온 부류도 우라늄 함유 물질로 사용될 수 있다. 그러나 이러한 다원자 이온의 크기가 증가함에 따라, 그 이상에서는 우라늄 질량의 농도 감소가 핵연료 관련 응용을 위한 구조물로 제조하기에 더 이상 유리하지 않은 한계가 있을 것이다. 우라늄 함유 물질의 비 제한적인 예는 유기 리간드/음이온 부류, 예를 들어 암모늄 요산염; 우라늄 카르보닐; 우라닐 질산염; 우라닐 옥살레이트; 우라닐 퍼옥사이드; 우라닐 아세테이트; 우라닐 벤조에이트; 우라닐 탄네이트; 및 우라닐 퀴놀리네이트를 포함한다.
또한, 우라늄-함유 물질은 하나의 형태로 적층 제조될 수 있고, 이어서 소결 공정에서 산화, 환원, 침탄, 질화와 같은 또 다른 균일한 형태로 전환될 수 있다. 예를 들어, 적층 제조 중에 형성된 우라늄 함유 물질로부터의 우라늄은 산화 공정을 통해 산화우라늄으로 전환될 수 있다.
특정 예에서, 대체 슬러리에서 대체 입자가 나타내도록 선택되는 우라늄-함유 물질의 조성은 핵연료 슬러리 내 우라늄-함유 물질 입자의 조성에 상응한다. 대체 입자 선택에 기여하는 특성은 표 1에 표시된 특성을 포함한다. 표 1의 특성은 중요도가 낮은 순서대로 제시되며, 계층(Tier) I, 계층 II 및 계층 III의 세 가지 계층으로 그룹화된다. 적용 가능한 경우, 표 1의 선택 기준 열에 포함된 상한/하한은 핵연료 슬러리의 우라늄 함유 물질의 특성 값과 비교하여 대체 슬러리의 대체 입자 특성 값에 대한 것이다.
계층 특성 선택 기준 - 상한/하한
I 굴절률 동일한 값의 ±0% 내지 ±20% 이내, 또는 ±0% 내지 0.5% 이내로 선택
입사 방사선에 대한 흡수 단면 동일한 값의 ±0 내지 ±10% 이내, 대안적으로 ±0 내지 ±5%
II D10 입자 크기 동일한 값의 ±10% 이내로 제어
D50 입자 크기
D90 입자 크기
형태(Morphology)
비표면적*
III 밀도 적층 제조 공정 중 슬러리의 현탁액을 충분히 유지
정전기 친화도 적층 제조 공정 중에 슬러리에 입자를 분산시키기에 충분. 분산제의 선택과 더 밀접한 관련이 있음.
* 비표면적(SSA)은 N2 수착 등온선(sorption isotherm)으로부터 얻어진 BET 비표면적이다.
대체 슬러리를 위한 대체 입자의 선택은 표 1의 특성의 균형이다. 이와 관련하여 계층 I의 특성은 계층 II의 특성보다 대체 슬러리 성능과 더 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 마찬가지로 계층 II의 특성은 계층 III의 특성보다 대체 슬러리 성능과 더 관련이 있는 것으로 밝혀졌다. 또한 제1 근사치로 계층 I의 특성은 적절한 대체 입자를 선택하는 데 이용될 수 있다. 특정 예에서, 대체 입자는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 세리아(CeO2), 실리카(SiO2), 용융 실리카, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)(Al2O3ㆍZrO2), 알루미나 강화 지르코니아(ATZ)(ZrO2ㆍAl2O3) 또는 카올리나이트(Al2O3ㆍ2SiO2ㆍ2H2O)를 포함하는 조성물을 갖는다. 또 다른 예에서, 대체 입자는 M(C,N,B)로 표시되는 규소(Si) 또는 지르코늄(Zr)과 같은 전이 금속의 탄화물, 질화물, 붕화물, 탄질화물, 탄붕화물, 니트로붕화물 또는 탄질붕화물을 포함하는 조성물을 가지고 있으며, 여기서 M은 전이 금속이고, 원소 C, N 및 B 중 하나 이상은 화학량론적 또는 비 화학량론적 양으로 존재한다. 특정 예로는 ZrC, ZrN, ZrB, ZrB2, SiC, SiN, SiB, SiB2가 있다.
대체 입자의 다른 특성은 1 nm 내지 10 미크론, 대안적으로 40 nm 내지 1 미크론의 D10 입자 크기를 포함한다. 대안적인 실시형태에서, D50 입자 크기는 1 nm 내지 10 미크론, 대안적으로 40 nm 내지 1 미크론이고, D90 입자 크기는 1 nm 내지 20 미크론, 대안적으로 1 nm 또는 40 nm 내지 1 미크론 또는 12 미크론 또는 15 미크론이다.
대체 슬러리 및 핵연료 슬러리 모두는 >0 부피% 내지 7 부피%, 대안적으로 3 부피% 내지 7 부피%, 대안적으로 4 부피% 내지 6 부피%의 양으로 존재하는 분산제를 포함한다. 특정 분산제는 슬러리 조성물에 대체 입자와 우라늄 함유 물질 입자 모두를 분산시키는 능력에 따라 선택된다. 분산제의 양은 적어도 입자를 완전히 코팅하기에 충분하고, 요변성이 없이 전단 유동화(shear thinning) 비뉴턴 유체를 생성하기에 충분해야 한다. 일 예에서, 슬러리는 100,000 센티포아즈(cP) 이하, 대안적으로 10,000 cP 이하의 점도를 갖는다. 점도가 너무 높으면 슬러리가 전단 점도를 나타낸다.
일 양태에서, 분산제는 분산제의 정전기 친화도에 대한 값이 대체 입자의 정전기 친화도에 대한 값의 20% 이내, 대안적으로 10% 이내가 되도록 선택된다. 특정 예에서, 분산제는 에보닉 인더스트리스 아게(Evonik Industries AG, Germany)로부터 구입 가능한 VARIQUAT® CC-9 또는 VARIQUAT® CC-42와 같은 4차 암모늄 클로라이드를 포함하는 조성물을 갖거나, 에보닉 인더스트리스 아게(Evonik Industries AG, Germany)로부터 구입 가능한 TEGO® Dispers 660 C 또는 TEGO® Dispers 670과 같은 고분자량 중합체 분산제이다. 추가의 특정 예에서, 2개의 상이한 분산제 또는 분산제의 혼합물이 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 조성물의 분산제 및 제2 조성물의 분산제는 제2 성분에 대한 제1 성분의 비율(제1 성분 : 제2 성분)로서 2 내지 2.5, 대안적으로 2.15 내지 2.35 범위로 혼합될 수 있다.
대체 슬러리 및 핵연료 슬러리 모두는 광활성화된 염료, 광흡수제 및 광개시제를 포함하며, 이들 각각은 0 부피% 초과, 대안적으로는 0.05 부피% 내지 0.10 부피%의 양으로 존재한다. 특정 실시형태에서, 광활성화된 염료, 광흡수제, 및 광개시제는 방사선 광원에 대해 효과가 있도록 선택되고, 예를 들어 광활성화된 염료, 광흡수제 및 광개시제는 300 nm 내지 750 nm, 대안적으로 300 nm 내지 600 nm, 및 400 nm 내지 560 nm 에서 유효하도록 선택된다. 일 예에서, 광활성화된 염료, 광흡수제, 및 광개시제는 620 nm 내지 640 nm 범위에서 효과가 있도록 선택된다.
광활성화된 염료는 경화 시 색상을 변화시킴으로써 경화된 층의 시각화를 제공한다. 이러한 시각화는 UV 광과 같은 특정 파장에서 감지할 수 있으며, 결함 감지 또는 기타 검사 목적으로 이용할 수 있다. 특정 예에서, 광활성화된 염료는 트리아릴메탄 염료, 바람직하게는 C25H30ClN3(Sigma-Aldrich Corp., USA)로부터 상표명 Crystal violet으로 구입 가능) 이다. Crystal violet은 파란색의 아닐린 유도 염료이다. 다른 특정 예에서, 광활성화된 염료는 단량체 수지의 0.002 mol/리터의 양으로 존재한다.
광흡수제는 특정 파장 내에서 입사 방사선을 흡수하고 이러한 파장으로 인한 슬러리의 자유 라디칼화 중합을 중지 또는 감소시키고, 그에 의해 가교 결합을 감소시킨다. 특정 예에서, 광흡수제는 트리아진계 광흡수제, 바람직하게는 18 내지 20%의 2-메톡시-1-프로필-아세테이트를 갖는 2-히드록시페닐-s-트리아진(예를 들어 BASF에서 입수할 수 있는 Tinuvin® 477은 적색 전이된 트리스-레조르시놀-트리아진 발색단을 기반으로 하는 액체 트리아진계 광흡수제로서, 높은 열 안정성, 우수한 광영속성 및 금속 촉매 및 아민 가교제와의 최소 상호작용을 나타냄)이다.
광개시제는 슬러리 조성물을 경화시키기 위해 사용되는 입사 방사선과 일치하도록 선택되거나, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 특정 예에서, 광개시제는 유형 I 또는 유형 II 광개시제, 바람직하게는 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀옥사이드, 예컨대 IGM Resins사(미국)로부터 구입 가능한 OmniRad 819 (구 Irgacure 819)이며, 이는 UV 광 노출시 불포화 수지의 라디칼 중합을 위한 광개시제이다.
대체 슬러리 및 핵연료 슬러리 모두는 잔여량(balance)으로서 4 부피% 내지 40 부피%, 대안적으로 잔여량으로서 4 부피% 내지 20 부피%, 대안적으로 잔여량으로서 4 부피% 내지 6 부피%, 대안적으로 잔여량으로서 8 부피% 내지 40 부피%. 대안적으로 잔여량으로서 8 부피% 내지 20 부피%, 또는 잔여량으로서 8 부피% 내지 15 부피%의 양으로 존재하는 희석제를 포함한다. 적합한 희석제는 실온에서 액체이며, 희석제가 400℃ 미만, 대안적으로 300℃ 미만의 온도에서 제거될 수 있을 정도로 충분히 낮은 비점을 갖는다. 희석제를 제거하면, 제조된 부품에 작은 공극이 남고, 원자로 부품의 경우 작은 공극이 가스 방출 부피를 제공하여 구성 요소의 균열을 최소화하거나 방지하는 데 기여한다. 특정 예에서, 희석제는 메틸나프탈렌이다.
개시된 핵연료 슬러리는 적층 제조 방법에 사용될 수 있다. 구성 요소의 제조에 사용되는 물질에 대한 특정 요건(예를 들어, 내화학성), 장치 자체의 활용을 위한 특정 요건(예를 들어, 특정 대기 또는 진공 요건)을 수용할 수 있을 뿐만 아니라 제조된 구성 요소의 크기와 형상을 수용할 수 있는 적절한 적층 제조 장치가 이용될 수 있다. 적합한 적층 제조 장치의 예로는 SLA 및 DLP 기계, 전자빔 기반 적층 제조 장치, DLP 스테레오리소그래피 장치가 있으며, 이들 중 어느 하나는 특정 요건에 맞게 수정되거나 적용될 수 있다.
적층 제조의 예시적인 방법은 제조될 구성요소의 설계를 적층 제조 장치의 제어기에 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 설계는 적층 제조 프로토콜에 통합될 수 있다.
예시적인 방법에서, 욕(bath) 또는 저장소와 같은 핵연료 슬러리 조성물의 공급 부피가 설정된다. 구성요소의 그린바디의 베이스 부분은 적층 제조 장치의 가동 베이스와 접촉하는 슬러리 조성물의 일부를 경화시킴으로써 형성된다. 대안적으로, 베이스 부분은 적층 제조 공정을 시작하기 전에 미리 제조될 수 있다. 구성요소의 그린바디의 추가 부분은, 공급 체적의 표면과 가장 최근에 형성된 그린바디의 추가 부분 사이의 계면에 대해 이동 가능한 베이스를 평행 이동시키면서, 먼저 베이스 부분과 접촉하는 슬러리 조성물의 일부분을 경화시켜 그린바디의 제1 층을 형성한 다음, 추가 부분을 형성하기 위해 그린바디의 사전 증착 층과 접촉하는 슬러리 조성물의 일부를 경화시킴으로써 층 별로 형성된다. 가동 베이스의 평행 이동은 일반적으로 구성 요소의 설계에 따르고 적층 제조 프로토콜의 지시에 따른다. 일부 실시형태에서, 공급 체적의 표면과 그린바디의 가장 최근에 형성된 추가 부분 사이의 계면에 대해 이동 가능한 베이스를 평행 이동시키면, 50 미크론 이상의 X-축 해상도 및 Y-축 해상도를 가지며, 20미크론 이상의 Z-축 해상도를 갖는다. 예시적인 실시형태에서, 층별 기반으로 형성된 구성요소의 그린바디의 각각의 추가 부분은 적어도 25 미크론, 대안적으로 25 미크론 내지 50 미크론의 두께를 갖는다. 구성 요소의 그린바디의 층별 제조가 완료되면, 구성 요소의 그린바디를 적층 제조 장치에서 제거하고 소결(또는 기타 탈결합/고화 기술로 처리)하여 고밀도 세라믹을 형성할 수 있다.
개시된 방법 및 슬러리는 현장 체적 검사 방법에 통합될 수 있고 방법을 가능하게 한다. 도 3은 현장 체적 검사의 예시적인 방법(300)의 단계들을 예시한다. 예시적인 방법(300)은 적층 제조 제품을 자외선에 노출시키는 단계(310)를 포함하고, 여기서 적층 제조 제품은 UV 염료 성분을 포함한다. 노광 단계는 UV 염료 성분을 활성화하여 신호를 생성하고, 노광된 적층 제조 제품은 예를 들어 확대 장치를 사용하여 광학적으로 검사된다(320). 입체 현미경과 같은 확대 장치에는 이미징 분석뿐만 아니라 이미징 기능이 포함될 수 있다. 적층 제조 제품의 결함은 활성화된 UV 염료 구성요소에 의해 생성된 신호를 표준과 비교하여 식별할 수 있다(330).
본 명세서에 언급된 바와 같이, 광활성화된 염료는 경화 시 색상을 변화시킴으로써 경화된 층의 시각화를 제공한다. 이러한 시각화는 UV 조명 아래에서 감지할 수 있으며 결함 감지 또는 기타 검사 목적으로 사용될 수 있다. 도 4a-b는 본 명세서에 기재된 방법 및 대체 슬러리에 따라 제조된 구성요소의 육안 검사와 관련된 사진을 포함한다. 도 4a는 UV 광원(420)에 노출되는 구성요소(410)를 도시한다. 도 4b는 도 4a의 구성요소(400)의 이미지(450)를 도시한다. 구성요소(410)는 제1 영역이 광활성화된 염료를 포함하고 제2 영역이 광활성화된 염료를 포함하지 않는 시험 패턴을 갖는다. 광활성화된 염료의 분포는 도 4b의 이미지(450)에 반영되며, 여기서 어두운 영역(460)은 광활성화된 염료를 포함하는 제1 영역과 상관되고, 밝은 영역(470)은 광활성화된 염료를 포함하지 않는 제2 영역과 상관된다. 제조된 구성요소에서, 밀도 및 모양과 같은 제조 상의 품질은 물론 이러한 제조의 결함은 제1 영역의 모양을 시험 패턴의 표준과 비교하여 감지할 수 있다. 시험 패턴을 사용하여 도 4a-b에 설명되어 있지만, 유사한 현장 검사 절차가 제조된 구성 요소의 더 복잡한 구성 요소 및 기타 품질 파라미터에 적용될 수 있다. 현장 체적 검사가 UV 광과 관련하여 본 명세서에서 설명되지만, 방사선 소스가 검사된 구조물로부터 검출 가능한 신호를 유발하는 한 임의의 적절한 방사선 소스가 사용될 수 있다.
예시적인 슬러리: 2개의 예시적인 대체 슬러리 조성물을 표 2에 제시하였다. 구성 성분과 양(슬러리의 부피%)이 제공되어 있다. 대체 슬러리 A는 아크릴레이트계 슬러리 조성물이며 메타크릴레이트를 포함하지 않는다. 대체 슬러리 B는 혼합된 아크릴레이트 및 메타크릴레이트계 슬러리 조성물이다. 대체 슬러리 A와 대체 슬러리 B 모두에서 대체 입자는 이트리아 안정화 지르코니아이다. 대체 슬러리 A에는 별도의 희석제 성분, 즉 폴리에틸렌 글리콜이 있다. 대체 슬러리 B는 별도의 희석제 성분을 가지고 있지 않으며, 오히려 메타크릴레이트 단량체 용액으로부터 폴리에틸렌 글리콜 형태로 단량체 수지에 희석제 성분을 혼입한다.
슬러리 성분 대체 슬러리 A 대체 슬러리 B
단량체 수지 SR 238 (헥산디올 디아크릴레이트) 36.7 부피% SR 238 (헥산디올 디아크릴레이트) 36.7 부피%
CD545 (폴리에틸렌글리콜모노메타크릴레이트) 4.7 부피%
대체 입자 이트리아 안정화 지르코니아 55
부피%		 이트리아 안정화 지르코니아 55
부피%
분산제 CC42 (폴리프로폭시 4급 암모니아 클로라이드) 3
부피%		 CC42 (폴리프로폭시 4차 염화암모늄) 3
부피%
광활성 염료 ----- ----- ----- -----
광흡수제 Tinuvin 477 (18-20% 2-메톡시-1-프로필-아세테이트를 포함하는 2-히드록시페닐-s-트리아진) 0.2 부피% Tinuvin 477 (18-20% 2-메톡시-1-프로필-아세테이트를 포함하는 2-히드록시페닐-s-트리아진) 0.2 부피%
광개시제 O819 (비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀옥사이드) 0.4 부피% O819 (비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀옥사이드) 0.4 부피%
희석제 폴리에틸렌 글리콜 4.7 부피% ----- -----
핵연료 슬러리 조성의 일례를 표 3에 나타냈다. 구성 성분과 양(슬러리의 부피%)이 제공되어 있다. 핵연료 슬러리 X는 아크릴레이트계 슬러리 조성물이며, 메타크릴레이트를 포함하지 않는다. 핵연료 슬러리 Y는 혼합된 아크릴레이트계 및 메타크릴레이트계 슬러리 조성물이다. 핵연료 슬러리 X와 핵연료 슬러리 Y 모두에서 우라늄 함유 물질은 UO2이다. 핵연료 슬러리 X는 별도의 희석제 성분, 즉 폴리에틸렌 글리콜을 갖는다. 핵 연료 슬러리 Y는 별도의 희석제 성분을 가지고 있지 않으며, 오히려 그 성분을 메타크릴레이트 단량체 용액으로부터 폴리에틸렌 글리콜 형태로 단량체 수지에 혼입된다.
슬러리 성분 핵 연료 슬러리 X 핵 연료 슬러리 Y
단량체 수지 SR 238 (헥산디올 디-아크릴레이트) 36.7 부피% SR 238 (헥산디올 디아크릴레이트) 36.7 부피%
CD545 폴리에틸렌 글리콜 모노메타크릴레이트 4.7
부피%
우라늄 함유 물질입자 UO2 55
부피%		 UO2 55 부피%
분산제 CC42 (폴리프로폭시 4차 암모늄 클로라이드) 3 부피% CC42 (폴리프로폭시 4차 암모늄 클로라이드) 3 부피%
광활성화된 염료 ----- ----- ----- -----
광흡수제 Tinuvin 477
(18-20%의 2-메톡시-1-프로필아세테이트) 함유 (2-히드록시페닐-s-트리아진)		 0.2
부피%		 Tinuvin 477 (18-20%의 2-메톡시-1-프로필아세테이트) 함유 (2-히드록시페닐-s-트리아진) 0.2
부피%
광개시제 O819 (비스(2,4,6-트리메닐벤조일)페닐포스핀옥사이드) 0.4
부피%		 O819 (비스(2,4,6-트리메닐벤조일)페닐포스핀옥사이드) 0.4
부피%
희석제 폴리에틸렌 글리콜 4.7
부피%		 ----- -----
상기 대체 슬러리 및 핵 슬러리의 예 중, 예시적인 부품의 그린바디로 실시된 대체 슬러리 A 및 B는 AM을 사용하여 제조할 수 있었다. 예를 들어, 도 5는 본 명세서에 기재된 대체 슬러리 A를 사용하여 제조되고, 적층 제조, 특히 디지털 광 프로세서를 사용하여 제조된 그린바디의 이미지이다. 표시된 그린바디는 시험 구조물의 형태이지만, 적절한 적층 제조 프로토콜을 사용하여 어떤 구조로도 형성될 수 있다.
그러나, 대체 슬러리가 핵 슬러리 X 및 Y로 변환될 때, 상당한 부피의 그린바디를 형성하기에 불충분한 층 두께, 즉 2mm 이하의 몸체가 형성되었다. 따라서, 상기 예의 핵 슬러리는 그린바디를 생성할 수 있는 반면, 어느 한 층에 대해 형성되는 상대적으로 얇은 층 두께 및 적은 부피로 인해 제조 공정이 비효율적으로 길었다.
상기 예에 기초하여, 추가 예를 준비하고 연구하였다. 이들 추가의 예시적인 핵 연료 슬러리 M 및 핵 연료 슬러리 N이 표 4에 나타나 있다. 성분과 양(슬러리의 부피%)이 제공된다. 핵연료 슬러리 M은 아크릴레이트계 슬러리 조성물이며, 메타크릴레이트를 포함하지 않고, 핵연료 슬러리 N은 아크릴레이트계 슬러리 조성물이다. 핵연료 슬러리 M과 핵연료 슬러리 N 모두에서, 우라늄 함유 물질은 UO2이다. 핵 연료 슬러리 M 및 핵 연료 슬러리 N 둘 모두는 별도의 희석제 성분, 즉 폴리에틸렌 글리콜 또는 PRO14388(Sartomer 사로부터 상업적으로 구입할 수 있는 SR238 단량체/PEG 유사 희석제 혼합물)을 사용한다.
슬러리 성분 핵 연료 슬러리 M 핵 연료 슬러리 N
단량체 수지 SR 238 (헥산디올 디아크릴레이트) 36.7 부피% SR 238 (헥산디올 디아크릴레이트) 26
부피%
SR 494 (에톡실화 펜타에리트리톨 테트라아크릴레이트) 21
부피%
우라늄 함유 물질입자 UO2 55
부피%		 UO2 38
부피%
분산제 CC42 (폴리프로폭시 4차 암모늄 클로라이드) 3 부피% CC42 (폴리프로폭시 4차 암모늄 클로라이드) 0.8
부피%
광활성화된 염료 ----- ----- ----- -----
광흡수제 Tinuvin 477 (18-20%의 2-메톡시-1-프로필아세테이트) 함유 (2-히드록시페닐-s-트리아진) 0.2
부피%		 ----- -----
광개시제 O819 (비스(2,4,6-트리메닐벤조일)페닐포스핀옥사이드) 0.4
부피%		 O819 (비스(2,4,6-트리메닐벤조일)페닐포스핀옥사이드) 0.2
부피%
희석제 폴리에틸렌 글리콜 4.7
부피%		 PRO14388 14 부피%
핵연료 슬러리 M 및 핵연료 슬러리 N 둘 모두는 특히 디지털 광 프로세서를 사용하는 적층 제조 공정에서 사용되었다. 핵연료 슬러리 N은 제2 그린바디를 생성했으며, 그 중 3개는 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 도시된 제2 그린바디는 시험 구조물의 형태이지만, 적절한 적층 제조 프로토콜을 사용함으로써 원하는 구조물로 형성될 수 있다. 도 6에 도시된 제2 그린바디는 층(각각 약 15 미크론의 두께를 가짐)을 사용하여 형성되었고, 10 mm의 높이와 2.3 cm3의 벌크 부피와 0.92 cm3의 UO2 물질 부피를 가졌다. 그러나, 핵연료 슬러리 M은, 단량체 수지(즉, 36.7 부피% SR 238)의 양과 유형이 층별 구축 공정을 용이하게 하기에 충분한 기계적 강도를 제공하지 않았기 때문에, 만족스러운 그린바디를 생성하지 못하였다. 핵연료 슬러리 M을 사용하여 제조된 층은 취성 균열을 나타내었고, 단지 절반만 접착되어 있었다. 핵 연료 슬러리 M 및 핵 연료 슬러리 N을 사용한 결과로부터, 핵연료 슬러리 N의 단량체 수지에 대한 SR 238 및 SR 494의 혼합물은 (핵연료 슬러리 N의 단량체와 비교하여) 층 사이의 개선된 접착력을 촉진하고, 경화된 층의 개선된 기계적 특성에 기여했다고 결론지었다.
본 명세서에 기재된 다양한 실시형태는 핵분열성 성분으로서 우라늄계 물질을 이용하였다. 그러나 플루토늄, 토륨, 아메리슘, 큐륨, 넵투늄 및 이들의 조합물을 포함하는 다른 핵분열성 물질이 우라늄을 대신하거나 우라늄과 조합하여 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
원자로의 적층 제조 구성요소와 관련하여 설명되었지만, 본 명세서에 기재된 적층 제조 방법 및 현장 검사 방법은 석유 화학 산업(예를 들어, 화학 반응 용기용), 항공 우주 산업(예를 들어, 터빈 블레이드 및 하우징을 포함한 터빈 부품용, 연소실, 노즐, 밸브 및 냉각수 배관을 포함한 미사일 및 로켓 부품용)뿐만 아니라 다른 복잡한 제조 물품에도 적용할 수 있다. 또한 대체 슬러리를 사용하여 첨가제 제조 프로토콜을 개발하고, 이를 비 대체 슬러리와 함께 사용하는 것으로. 석유 화학 산업 및 항공 우주 산업과 같이 이미 언급된 기술을 포함하여 다른 기술의 제조에 적용될 수 있다.
특정 실시형태에 대한 참조가 이루어졌지만, 다른 실시형태 및 변형이 그들의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에 의해 고안될 수 있음이 명백하다. 첨부된 청구범위는 이러한 모든 실시형태 및 동등한 변형을 포함하는 것으로 해석된다.
100: 구성요소 제조방법 110: 대체 슬러리 사용 단계
120: 핵 연료 슬러리 사용 단계 130: 그린바디 제조단계
200: 반복 공정 210: 제1 대체 슬러리 제조단계
220: 제1 적층 제조 기술 230: 결함 및 기타 편차 식별 단계
240: 파라미터 조정 단계 250: 제2 그린바디 제조단계
320: 광학 검사 단계 330: 식별 단계
400, 410: 구성 요소 420: UV 광원
450: 이미지 460: 어두운 영역
470: 밝은 영역

Claims (76)

  1. 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 내지 45 부피%;
    복수의 대체 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖고;
    광활성화된 염료, 광흡수제 및 광개시제는 300 nm 내지 750 nm의 입사 파장 내에서 작용하고, 그리고
    대체 입자는 (i)우라늄 함유 물질의 굴절률의 ±20% 범위에 있는 굴절률 및 (ii)우라늄 함유 물질의 흡수 단면적의 ±10% 범위에 있는 입사 파장에 대한 흡수 단면적을 가짐으로써 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택되는, 적층 제조용 슬러리.
  2. 제1항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹 또는 우라늄-몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  3. 제1항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  4. 제3항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질이 산화우라늄 또는 이산화우라늄인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  5. 제1항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 U(C,O,N,Si,F,Cl)인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 대체 입자는 40 nm 내지 10 ㎛의 D50 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    대체 입자는 D50 입자 크기에 대한 값이 우라늄 함유 물질의 D50 입자 크기의 ±10% 이내인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  8. 제7항에 있어서,
    대체 입자는 D90 입자 크기에 대한 값이 우라늄 함유 물질의 D90 입자 크기의 ±10% 이내인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  9. 제8항에 있어서,
    대체 입자는 D10 입자 크기에 대한 값이 우라늄 함유 물질의 D10 입자 크기의 ±10% 이내인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 대체 입자는 우라늄 함유 물질의 비 표면적의 ±10% 이내의 비표면적을 갖고, 비표면적은 N2 흡착 등온선으로부터 얻어진 BET 비표면적인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 대체 입자는 우라늄 함유 물질 형태의 ±10% 이내의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    단량체 수지는 아크릴레이트계 단량체 수지 또는 메타크릴레이트계 단량체 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  13. 제12항에 있어서,
    단량체 수지가 적어도 50%의 아크릴레이트계인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  14. 제12항에 있어서,
    단량체 수지는 70 내지 90%의 아크릴레이트계인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지는 단관능성, 2관능성, 3관능성 또는 4관능성 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  16. 제15항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지는 적어도 50%의 2관능성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  17. 제16항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지는 적어도 80%의 2관능성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  18. 제16항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지는 70 내지 90%의 2관능성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    대체 입자는 알루미나(Al2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 지르코니아(ZrO2), 세리아(CeO2), 티타니아(TiO2), 실리카(SiO2), 용융 실리카, 지르코니아 강화 알루미나(ZTA)(Al2O3-ZrO2), 알루미나 강화 지르코니아(ATZ)(ZrO2-Al2O3) 또는 카올리나이트(Al2O3ㆍ2SiO2ㆍ2H2O)를 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  20. 제19항에 있어서,
    대체 입자는 알루미나(Al2O3), 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 세리아(CeO2), 티타니아(TiO2)를 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  21. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    대체 입자가 M(C,N,B)을 포함하는 조성물을 갖고, 여기서 M은 전이 금속이고, 원소 C, N 및 B의 하나 이상은 화학량론적 또는 비 화학량론적인 양으로 존재하는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  22. 제 21항에 있어서,
    전이금속은 규소 또는 지르코늄인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    희석제는 단량체 수지의 굴절률 이상인 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  24. 제23항에 있어서,
    희석제가 불활성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  25. 제23항에 있어서,
    희석제가 메틸나프탈렌인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    광활성화된 염료는 트리아릴메탄 염료, 바람직하게는 C25H30ClN3이고, 광흡수제는 트리아진계 광흡수제, 바람직하게는 18-20%의 2-메톡시-1-프로필-아세테이트를 함유하는 2-히드록시페닐-s-트리아진이고, 광개시제는 유형 I 또는 유형 II 광개시제, 바람직하게는 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀옥사이드인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    조성물이 광개시 또는 EBeam 방사선에 의해 경화될 수 있는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  28. 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%;
    복수의 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖고,
    입자가 우라늄 함유 물질을 포함하는 조성물을 갖는 적층 제조용 슬러리.
  29. 제28항에 있어서,
    우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹, 또는 우라늄-몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  30. 제28항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  31. 제30항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 산화우라늄 또는 이산화우라늄인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  32. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 입자가 40 nm 내지 10 μm의 D50 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  33. 제28항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    단량체 수지는 아크릴레이트계 단량체 수지 또는 메타크릴레이트계 단량체 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  34. 제33항에 있어서,
    단량체 수지는 적어도 50%의 아크릴레이트계인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  35. 제33항에 있어서,
    단량체 수지는 70 내지 90%의 아크릴레이트계인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  36. 제28항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지는 단관능성, 2관능성, 3관능성 또는 4관능성 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  37. 제36항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지가 적어도 50%의 2관능성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  38. 제37항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지가 적어도 80%의 2관능성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  39. 제37항에 있어서,
    아크릴레이트계 단량체 수지는 70 내지 90%의 2관능성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  40. 제28항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서,
    광활성화된 염료는 트리아릴메탄 염료, 바람직하게는 C25H30ClN3이고, 광흡수제가 트리아진계 광흡수제, 바람직하게 18-20% 2-메톡시-1-프로필-아세테이트를 함유하는 2-히드록시페닐-s-트리아진이고, 그리고 광개시제는 유형 I 또는 유형 II 광개시제, 바람직하게는 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스핀옥사이드인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  41. 제28항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
    희석제가 단량체 수지의 굴절률 이상인 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  42. 제41항에 있어서,
    희석제가 불활성인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  43. 제41항에 있어서,
    희석제가 메틸나프탈렌인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  44. 제28항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
    조성물이 광개시에 의해 경화 가능한 것인 것을 특징으로 하는 적층 제조용 슬러리.
  45. 원자로 시스템의 구성요소를 제조하는 방법으로서, 이 방법은,
    적층 제조 프로토콜을 반복적으로 개발하기 위해 대체 슬러리를 사용하는 단계;
    개발된 적층 제조 프로토콜에서 대체 슬러리 대신에 핵연료 슬러리를 사용하는 단계; 및
    개발된 적층 제조 프로토콜에서 핵연료 슬러리를 사용하여 원자로 시스템 구성요소의 그린바디를 제조하는 단계를 포함하고;
    대체 슬러리는, 대체 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%;
    복수의 대체 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖고;
    광활성화된 염료, 광흡수제 및 광개시제는 300 nm 내지 750 nm의 입사 파장 내에서 작용하고;
    대체 입자는 (i)우라늄 함유 물질의 굴절률의 ±20% 범위에 있는 굴절률 및 (ii)우라늄 함유 물질의 흡수 단면적의 ±10% 범위에 있는 입사 파장에 대한 흡수 단면적을 가짐으로써 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택되고; 그리고
    핵연료 슬러리는, 핵연료 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%;
    복수의 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖고;
    입자는 우라늄 함유 물질을 포함하는 조성물을 갖는, 원자로 시스템의 구성요소 제조방법.
  46. 제45항에 있어서,
    우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹 또는 우라늄-몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조방법.
  47. 제45항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조방법.
  48. 제47항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 산화우라늄 또는 이산화우라늄인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조방법.
  49. 제45항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 U(C,O,N,Si,F,Cl)인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조방법.
  50. 제45항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서,
    원자로 시스템의 구성요소를 형성하기 위해 그린바디를 소결하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조방법.
  51. 대체 슬러리를 사용하여 적층 제조 프로토콜을 개발하는 방법으로서,
    적층 제조용 제1 대체 슬러리를 제조하는 단계;
    제1 적층 제조 기술에 의해 제1 대체 슬러리로부터 제1 그린바디를 제조하는 단계;
    제1 그린바디에 존재하는 결함을 식별하는 단계;
    하나 이상의 식별된 결함에 기초하여 제1 대체 슬러리의 조성 또는 제1 적층 제조 기술의 파라미터를 조정하는 단계; 및
    (a)적층 제조 기술에 의해 조정된 제1 대체 슬러리, (b)조정된 제1 적층 제조 기술에 의한 제1 대체 슬러리, 또는 (c)조정된 제1 적층 제조 기술에 의해 조정된 제1 대체 슬러리로부터 제2 그린바디를 제조하는 단계를 포함하고;
    제1 대체 슬러리는, 제1 대체 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%;
    복수의 대체 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖고;
    광활성화된 염료, 광흡수제 및 광개시제는 300 nm 내지 750 nm의 입사 파장 내에서 작용하고; 그리고
    대체 입자는 (i)우라늄 함유 물질의 굴절률의 ±20% 범위에 있는 굴절률 및 (ii)우라늄 함유 물질의 흡수 단면적의 ±10% 범위에 있는 입사 파장에 대한 흡수 단면적을 가짐으로써 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택되는, 적층 제조 프로토콜 개발 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹, 또는 우라늄-몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 적층 제조 프로토콜 개발 방법.
  53. 제51항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧인 것을 특징으로 하는 적층 제조 프로토콜 개발 방법.
  54. 제53항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 산화우라늄 또는 이산화우라늄인 것을 특징으로 하는 적층 제조 프로토콜 개발 방법.
  55. 제51항에 있어서,
    대체 입자에 의해 나타내지는 우라늄 함유 물질은 U(C,O,N,Si,F,Cl)인 것을 특징으로 하는 적층 제조 프로토콜 개발 방법.
  56. 제51항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 적층 제조 기술이 광개시를 포함하는 것을 특징으로 하는 적층 제조 프로토콜 개발 방법.
  57. 원자로 시스템의 구성요소를 제조하는 방법으로서, 이 방법은,
    원자로 시스템의 구성요소의 그린바디를 제조하기 위해 핵연료 슬러리와 함께 적층 제조 프로토콜을 사용하는 단계를 포함하고;
    적층 제조 프로토콜은 대체 슬러리를 사용하여 개발되고,
    핵 연료 슬러리는, 핵 연료 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%;
    복수의 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖고,
    입자가 우라늄 함유 물질을 포함하는 조성물을 갖는, 원자로 시스템의 구성요소 제조 방법.
  58. 제57항에 있어서,
    우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹, 또는 우라늄-몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조 방법.
  59. 제57항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조 방법.
  60. 제59항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄 또는 이산화우라늄인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조 방법.
  61. 제57항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 U(C,O,N,Si,F,Cl)인 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조 방법.
  62. 제57항 내지 제61항 중 어느 한 항에 있어서,
    원자로 시스템의 구성요소를 형성하기 위해 그린바디를 소결하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 시스템의 구성요소 제조 방법.
  63. 현장 체적 검사 방법으로서, 이 방법은,
    적층 제조 제품을 광원에 노출시키는 단계로서, 적층 제조 제품은 광활성화된 염료 성분을 포함하고, 노출 단계는 광활성화된 염료 성분을 활성화시켜 신호를 생성하는, 적층 제조 제품의 광원 노출 단계;
    노출된 적층 제조 제품을 광학적으로 검사하는 단계; 및
    활성화된 광활성화 염료 성분에 의해 생성된 신호를 표준과 비교에 기초하여 적층 제조 제품의 제조 결함을 식별하는 단계를 포함하는, 현장 체적 검사 방법.
  64. 제63항에 있어서,
    적층 제조 제품이 원자로 시스템의 구성요소의 그린바디인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  65. 제64항에 있어서,
    적층 제조 제품이 핵연료 슬러리를 사용한 적층 제조 프로토콜에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  66. 제65항에 있어서,
    핵 연료 슬러리는, 핵 연료 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%;
    복수의 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖고;
    입자는 우라늄 함유 물질을 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  67. 제66항에 있어서,
    우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹, 또는 우라늄-몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  68. 제66항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  69. 제66항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄 또는 이산화우라늄인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  70. 제66항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 U(C,O,N,Si,F,Cl)인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  71. 제65항에 있어서,
    적층 제조 프로토콜이 대체 슬러리로 개발되는 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  72. 제65항에 있어서,
    적층 제조 프로토콜은, 핵 연료 슬러리의 총 부피에 대한 부피% 기준으로,
    단량체 수지 30 부피% 내지 45 부피%;
    복수의 대체 입자 30 부피% 내지 70 부피%;
    분산제 > 0 부피% 내지 7 부피%;
    광활성화된 염료 0 부피% 초과;
    광흡수제 0 부피% 초과;
    광개시제 0 부피% 초과; 및
    잔여량으로서 희석제 0 부피% 내지 18 부피%를 포함하는 조성물을 갖는 대체 슬러리를 사용하여 개발되고;
    대체 입자는 우라늄 함유 물질을 나타내도록 선택되는 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  73. 제72항에 있어서,
    우라늄 함유 물질은 우라늄 금속, 우라늄 금속 합금, 우라늄 세라믹 또는 우라늄-몰리브덴 합금인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  74. 제72항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄, 이산화우라늄, 탄화우라늄, 옥시탄화우라늄, 질화우라늄, 규화우라늄, 불화우라늄, 염화우라늄, 산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 이산화우라늄과 텅스텐의 서멧, 산화우라늄과 몰리브덴의 서멧, 또는 이산화우라늄과 몰리브덴의 서멧인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  75. 제72항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 산화우라늄 또는 이산화우라늄인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
  76. 제72항에 있어서,
    우라늄 함유 물질이 U(C,O,N,Si,F,Cl)인 것을 특징으로 하는 현장 체적 검사 방법.
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