KR20220017277A - 핵연료 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

핵연료 및 그 제조 방법에 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료는, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지는 몸체와, 방사형을 이루며 배치되되 적어도 반경방향 양측면과 외측면이 상기 몸체에 의해 둘러싸여 배치되는 금속 연료를 포함한다.

Description

핵연료 및 그 제조 방법{NUCLEAR FUEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 핵연료 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 핵연료-피복관간의 화학적 상호반응(FCCI, Fuel-Cladding Chemical Interaction)을 방지하고 팽윤효과를 상쇄하며 열특성의 개선이 가능한 핵연료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
금속 핵연료는 높은 밀도의 핵분열성 물질을 포함하는 핵연료의 제작이 가능하고 높은 열전도도의 금속 활용이 가능하며 그에 따라 저온에서 운전이 가능한 장점을 가지고 있다. 반면에 금속 핵연료는 상대적으로 융점이 낮고, 피복관과 상호반응이 일어나는 등의 단점을 가진다. 한편, 세라믹 핵연료는 열전도도는 낮지만 높은 융점과 안정상의 유지를 장점으로 한다.
이에 따라, 세라믹 소재의 핵연료 내부에 금속 핵연료를 분산하여 양자의 장점을 살린 핵연료를 제조하고자 하는 시도가 있다. 그러나 분산형 핵연료는 파우더형으로 핵연료 내에 분산된 금속 핵연료의 위치를 특정하기 힘들며 금속 핵연료와 기지 조직이 되는 세라믹소재 핵연료의 계면이 완벽하게 붙지 않는 등의 단점이 있어 실용화에 제약이 따르고 있다.
또한, 현재 세라믹 핵연료의 제조 방법으로 활용중인 소결법이나, 금속 핵연료의 제조 방법으로 활용가능한 주조법의 직접적인 도입은 세라믹 소재와 금속 연료 소재가 서로 다른 융점을 갖는다는 것을 고려할 때 적합하지 않다. 특히, 세라믹 핵연료와 금속 핵연료를 혼합하여 핵연료를 제조할 때 발생하는 세라믹 소재-금속 소재간의 계면 접합 문제는 현재 공법으로는 해결이 불가능하다.
이에 따라 금속 핵연료의 장점은 살리면서도 낮은 융점 및 피복관과의 상호 반응 문제를 극복할 수 있도록, 금속 핵연료를 세라믹 핵연료 또는 비반응 비연료 물질과 함께 사용하되, 종래 기술의 문제들을 해결하고 실용화를 가능하게 해주는 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허 10-0654961
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 핵연료-피복관간의 화학적 상호반응(FCCI, Fuel-Cladding Chemical Interaction)을 방지하며 핵연료 열특성이 개선된 핵연료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 분산형 핵연료의 장점을 채용하면서도 핵연료 내의 금속 연료의 분포 위치와 양을 특정할 수 있어 핵연료 성능의 정확한 예측이 가능한 핵연료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 금속 연료와 다른 소재 사이의 열팽창계수 차이를 극복하고 금속 연료의 팽윤현상을 개선하여 주는 핵연료 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지는 몸체와, 방사형을 이루며 배치되되 적어도 반경방향 양측면과 외측면이 상기 몸체에 의해 둘러싸여 배치되는 금속 연료를 포함하는 핵연료가 제공된다.
이때, 상기 금속 연료는 상기 몸체에 의해 둘러싸여 상기 몸체 내에 배치될 수 있다.
또한, 상기 몸체는 실린더 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 금속 연료는 서로 분리되어 방사상에서 등간격으로 4~32개가 배치될 수 있다.
또한, 상기 금속 연료는 일체로 이루어지되 방사상으로 배치된 4~32개의 날개부를 가질 수 있다.
또한, 상기 금속 연료는 반경 반향 외측으로 갈수록 폭이 넓어지는 부분을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 연료와 상기 몸체 사이의 접촉 부위에는 하나 이상의 공극이 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 연료의 내부에는 하나 이상의 공극이 형성될 수 있다.
또한, 상기 핵연료는 길이 방향 중심을 관통하며 형성된 관통부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지는 몸체를 형성하는 단계와, 금속 연료를 제조하되 상기 금속 연료가 방사형을 이루며 적어도 반경 방향 양측면과 외측면이 상기 몸체에 의해 둘러싸여 배치되도록 상기 금속 연료를 형성하는 단계를 포함하는 핵연료 제조 방법이 제공된다.
이때, 상기 금속 연료는 상기 몸체를 몰드로 하여 주조를 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 금속 연료는 소결법 또는 적층 제조법을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 방사상으로 배치되는 금속 연료를 형성하는 단계와, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지고, 적어도 상기 금속 연료의 반경 방향 양측면과 외측면을 둘러싸도록 배치되는 몸체를 형성하는 단계를 포함하는 핵연료 제조 방법이 제공된다.
이때, 상기 몸체는 상기 금속 연료의 용융점 이하에서 상기 금속 연료와 결합되어 소결될 수 있다.
또한, 상기 몸체는 적층 제조법을 통해 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료 소재와 금속 연료 소재를 준비하는 단계와, 적층 제조법을 통해 핵연료를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 핵연료는, 상기 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료 소재가 몸체를 이루고, 상기 금속 연료 소재로 이루어진 금속 연료가 방사형을 이루며 배치되되, 적어도 반경방향 양측면과 외측면이 상기 몸체에 의해 둘러싸여 배치되는 핵연료 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지는 몸체 내에 금속 연료가 방사형으로 배치되므로 핵연료-피복관간의 화학적 상호반응 방지, 고밀도 구현 등을 통한 열특성 개선이 가능할 뿐만 아니라, 핵연료 내부의 금속 연료 위치와 양을 특정할 수 있어 핵연료 성능을 정확하게 예측할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 연료와 몸체 사이의 접촉 부위 또는 금속 연료 내부에 형성되는 공극을 통해 이종 물질 간의 열팽창계수의 차이 및 팽윤 현상을 극복할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 1 조성에 따를 때 도 2에서 L1을 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 1 조성에 따를 때 도 2에서 L2를 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예에 따른 핵연료의 횡단면도이다.
도 6은 비교예에 따른 핵연료에서 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 2 조성에 따를 때 도 2에서 L1을 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 2 조성에 따를 때 도 2에서 L2를 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다.
도 9 내지 도 13은 각각 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 핵연료의 횡단면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예들에 따른 핵연료에서 금속 연료와 몸체 사이의 접촉 부위에 공극이 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예들에 따른 핵연료에서 금속 연료의 내부에 공극이 형성된 것을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 일 실시예의 횡단면도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법의 순서도이다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법의 순서도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 설명하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료를 나타낸 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료의 횡단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(1)는 몸체(11) 및 금속 연료(13)를 포함한다.
몸체(11)는 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어진다. 또한, 몸체(11)는 금속 연료(13)의 적어도 일부분을 둘러싸며 배치되어 금속 연료(13)가 핵연료(1)를 피복하는 피복관(미도시)과 직접 접촉하지 않게 해준다.
본 발명의 일 실시예에서, 몸체(11)의 내부에 금속 연료(13)가 배치될 수 있다. 다시 말하면, 몸체(11)는 금속 연료(13)를 둘러싸며 배치되는 매트릭스(matrix)가 될 수 있다.
몸체(11)는 펠릿 또는 봉형으로 이루어진 핵연료(1)의 외관을 형성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 몸체(11)는 실린더 형상을 가진다.
본 발명의 일 실시예에서, 금속 연료(13)만을 에너지원으로 사용하고자 할 경우 몸체(11)는 비연료 비반응 물질로 이루어질 수 있다. 이에 따라 비반응 비연료 물질인 몸체(11)가 피복관과 직접 접하고, 상대적으로 낮은 융점을 가지는 금속 연료(13)는 피복관과 직접 접하지 않게 되므로 핵연료-피복관간의 화학적 상호반응을 방지할 수 있으며, 열특성이 개선될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 몸체(11)와 금속 연료(13) 모두를 에너지원으로 사용하고자 할 경우 몸체(11)는 세라믹 연료로 이루어질 수 있다. 이때, 세라믹 연료는 금속 연료(13) 보다 상대적으로 높은 융점을 가진다. 이에 따라 상대적으로 낮은 융점을 가지는 금속 연료(13)가 피복관과 직접 접하지 않게 되므로 핵연료-피복관간의 화학적 상호반응을 방지할 수 있으며, 열특성이 개선될 수 있다.
예를 들면, 세라믹 연료로는 아래의 표 1에 나타난 것들이 사용될 수 있다. 물론, 아래의 표 1에 나타난 물질로 세라믹 연료가 제한되는 것은 아니며, 다른 종류의 세라믹 연료 사용도 고려될 수 있다.
세라믹 연료 물질 융점(℃)
ThO2 3651
UO2 2840
NpO2 2836
AmO2 2386
UO2-Sus
UO2-Al
UC/UC2 2720 ~ 2780
UN 3123
(U0.2.Pu0.8)C 2480
(U0.8.Pu0.2)C 2500
PuN 2860
금속 연료(13)는 방사형을 이루며 배치되되 적어도 반경방향 양측면과 외측면이 몸체(11)에 의해 둘러싸여 배치된다. 본 발명의 일 실시예에서, 금속 연료(13)는 모든 측면이 몸체(11)에 의해 둘러싸여 몸체(11) 내에 배치되어 있다.
금속 연료(13)는 고밀도의 핵물질 활용 및 높은 열전도도의 구현을 가능하게 해준다. 본 발명의 일 실시예에서, 금속 연료(13)로는 아래의 표 2에 나타난 바와 같은 것들이 사용될 수 있다. 물론, 아래의 표 2에 나타난 물질로 금속 연료 물질소재이 제한되는 것은 아니며, 다른 종류의 금속 연료 사용도 고려될 수 있다.
금속 연료 물질 융점(℃)
U-15Pu-10Zr 1110
U-Zr(Zr 함량증가에 따라 m.t. 증가) 1132~2128
U-Mo(Mo 함량증가에 따라 m.t. 증가) 1132~1300
U-Nb(Nb 함량증가에 따라 m.t. 증가) 1132~2500
U-Ti(Ti 함량증가에 따라 m.t. 증가) 1132~1670
UAl2/UAl3/UAl4 1590/1350/730
U3Si2/U3Si 1670/1520
U-V 1140 ~
U3Si2-Al
18U-82Al
U-ZrH
위의 표 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 금속 연료(13)는 상대적으로 낮은 융점을 가진다. 이로 인해 금속 연료(13)가 피복관과 직접 접하여 배치될 경우 피복관과 상호 반응이 일어날 수 있으며, 이에 따라 피복관이 손상되면서 방사성 핵분열 생성물이 핵연료(1)의 외부로 유출될 위험이 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 의할 경우 금속 연료(13)과 피복관 사이에 비연료 비반응성 물질 또는 융점이 상대적으로 높은 세라믹 연료로 이루어진 몸체(11)가 배치되므로 금속 연료(13)와 피복관 사이의 상호 반응을 방지하면서 열특성을 개선할 수 있다.
한편, 본 발명에서, 금속 연료(13)는 핵연료(1)의 내부에 무작위적으로 분산되어 분포하지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서, 금속 연료(13)는 방사형을 이루며 배치된다. 이에 따라 핵연료 내부에서의 금속 연료(13)의 위치 및 양이 특정될 수 있다. 그 결과 핵연료(1)의 성능 예측이 정확하게 이루어질 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의할 경우 분산형 핵연료의 장점을 살리는 동시에 분산형 핵연료의 단점을 개선할 수 있다.
금속 연료(13)는 서로 분리되어 등간격으로 배치될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 금속 연료(13)는 9개가 방사상으로 등간격을 이루며 배치되어 있다. 열전달 효율을 고려할 때, 금속 연료(13)는 다수개로 나누어져 배치되는 것이 바람직하지만, 금속 연료(13)의 개수가 많아질수록 제조상의 효율은 떨어지게 된다. 금속 연료(13)의 개수는 위의 2가지 요인을 고려하여 4개에서 32개 사이에서 선택될 수 있다.
한편, 금속 연료(13)는 반경 반향 외측으로 갈수록 폭이 넓어지는 부분을 포함할 수 있다. 더욱 상세하게, 금속 연료(13)는 반경 반향 외측이 가장 넓게 형성될 수 있다. 예를 들면, 금속 연료(13)는 대략 부채꼴 형상으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 형상은 핵연료(1)의 외측으로 열전달 효율 측면과 금속 연료(13)의 밀도 관점에서 바람직하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 1 조성에 따를 때 도 2에서 L1을 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 1 조성에 따를 때 도 2에서 L2를 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다.
제 1 조성은 핵연료(1)의 직경을 9.8mm, 높이를 50mm로 하고, 몸체(11)를 980W의 열원(heat source)을 갖는 UO2 세라믹 연료로 구성하고, 금속 연료(13)를 2.7 Х 980W의 열원을 갖는 U-Zr으로 구성한 것이다. 더욱 상세하게, 제 1 조성은 U-10wt%Zr 혼합형 연료로서 열원(heat source)이 UO2 대비 U-10Zr의 경우 높은 핵분열성 농도에 따라 2.7배 증가가 가능하며 이러한 경우로 가정한 것이다. 즉, 제 1 조성에서 몸체(11)와 금속 연료(13)는 상이한 열원이 된다.
한편, 도 5는 비교예에 따른 핵연료의 횡단면도이다. 또한, 도 6은 비교예에 따른 핵연료에서 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다. 비교예에 따른 핵연료(100)는 직경은 9.8mm이고, 높이는 50mm이며, 용량은 980W인 100% UO2 연료로 구성되어 있다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(1)가 제 1 조성에 따를 경우, 비교예에 따른 핵연료(100)와 비교하여, 2.7배의 열원을 활용하였음에도 불구하고 중심부의 최고 온도는 100도 이상 증가하지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 이때 UO2 세라믹 연료 부분의 온도 분포와 U-Zr 금속연료 부분의 온도 분포가 커다란 차이가 없음을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면 용량(성능)은 증가시키면서도 중심 온도의 증가를 최소화할 수 있다. 즉, 핵연료 안정성이 확보된 상태로 높은 성능을 발현할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 2 조성에 따를 때 도 2에서 L1을 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료에서 금속 연료 및 몸체가 제 2 조성에 따를 때 도 2에서 L2를 따라 측정된 온도의 분포를 나타낸 그래프이다.
제 2 조성은 핵연료(1)의 직경을 9.8mm, 높이를 50mm로 하고, 몸체(11)를 980W의 UO2 세라믹 연료로 구성하고, 금속 연료(13)는 980W의 U-Zr으로 구성한 것이다. 즉, 제 2 조성에서 몸체(11)와 금속 연료(13)는 동일한 열원이 된다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료(1)가 제 2 조성에 따를 때, 다시 말하면, UO2 핵연료와 혼합 연료심을 단순히 비교하기 위하여 U-10wt%Zr과 UO2의 열원이 동일하다고 가정할 경우, 동일한 용량의 100% UO2 핵연료 대비 핵연료의 중심부의 최고 온도가 약 200도 감소하는 것으로 나타난다. 또한, 이때 UO2 세라믹 연료부분의 온도 분포와 U-Zr 금속연료 부분의 온도 분포가 커다란 차이가 없음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따르면 동일한 용량의 세라믹 연료만 사용하는 경우에 비하여 높은 안정성을 확보할 수 있다.
이와 같은 시뮬레이션은 실제 핵연료를 이용한 것은 아니지만 핵연료 설계에 따른 온도 프로파일의 경향을 파악할 수 있게 해준다. 이를 통하여 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의할 경우 핵연료(1)의 열효율을 향상시킬 수 있다. 이와 더불어서 핵연료의 안전성의확보가 가능하며, 또한 핵연료-피복관간의 화학적 상호반응의 억제도 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 9 내지 도 13에는 본 발명의 다른 일 실시예들에 따른 핵연료의 횡단면도가 도시되어 있다.
도 9 내지 도 13에 나타난 바와 같이. 본 발명에서 금속 연료(13)의 개수 및 형태는 전술한 바와 같이, 열전달 효율과 제조 효율을 종합적으로 고려하여 다양하게 변형될 수 있다. 특히, 도 12를 참조하면, 금속 연료(13)는 일체로 이루어지되 방사상으로 배치된 다수개(예를 들면, 4~32개)의 날개부를 가지도록 형성될 수도 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예들에 따른 핵연료에서 금속 연료와 몸체 사이의 접촉 부위에 공극이 형성된 것을 나타낸 도면이다. 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예들에서, 금속 연료(13)와 몸체(11) 사이의 접촉 부위에는 하나 이상의 공극(15)이 형성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예들에 따른 핵연료에서 금속 연료의 내부에 공극이 형성된 것을 나타낸 도면이다. 도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예들에서, 금속 연료(13)의 내부에는 하나 이상의 공극(15)이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 몸체(11)와 금속 연료(13)는 서로 다른 물질이므로 열팽창계수가 상이하다. 이에 따라 핵연료(1)의 사용 과정에서 금속 연료(13)가 부풀어 오르는 팽윤(swelling) 현상이 발생할 수 있다. 금속 연료(13)의 팽윤은 몸체(11)와 금속 연료(13)의 계면 사이의 접촉력을 저하시키고, 핵연료(1)의 파단을 유발할 수 있다.
도 14 및 도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예들은 이와 같은 문제의 해결을 위해, 금속 연료(13)와 몸체(11) 사이의 접촉 부위에 하나 이상의 공극(15)을 형성시키거나 금속 연료(13)의 내부에 하나 이상의 공극(15)을 형성시키고 있다. 공극(15)은 금속 연료(13)의 팽윤을 수용할 수 있는 공간을 제공함으로써 전술한 바와 같은 문제를 해결한다.
구체적으로 핵연료(1)의 제조 시 소결법 또는 적층 제조법을 사용할 경우 공극(15)은 각 부분의 밀도를 조절함으로써 얻어질 수 있다. 즉, 소결법 혹은 적층 제조법으로 각각의 부분을 제조할 때 금속 연료(13)와 몸체(11) 계면 또는 금속 연료(13) 내부의 밀도를 조절하여 공극(15)을 형성시킬 수 있다.
한편, 공극(15)은 핵연료(1)의 열전달을 방해하지 않는 범위에서 형성될 필요가 있다. 적층 제조법을 활용할 경우 공극(15)의 분포 제어가 다소 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 도 16에는 본 발명의 또 다른 일 실시예의 횡단면도가 나타나 있다. 도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서, 핵연료(1)는 길이 방향 중심을 관통하며 형성된 관통부(17)를 더 포함할 수 있다. 관통부(17)는 공극(15)과 유사한 방식으로 핵연료(1)의 사용 과정에서 금속 연료(13)의 팽윤을 수용하는 역할을 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 따른 핵연료(1)에 관해 상세하게 설명하였다. 그런데 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료 물질을 금속 연료 물질과 혼합하여 핵연료를 제조하고자 할 경우 기존의 핵연료 제조 방법인 일관적 소결법 혹은 주조법 등의 적용이 어렵다. 이것은 세라믹 물질과 금속 연료 물질의 용융점이 다르고 소재의 분포를 제어하기 힘들기 때문이다. 이에 이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 핵연료(1)의 제조를 위한 제조 방법에 관해 살펴본다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법의 순서도이다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법은, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지는 몸체(11)를 형성하는 단계(S10a)와, 금속 연료(13)를 제조하되 금속 연료(13)가 방사형을 이루며 적어도 반경 방향 양측면과 외측면이 몸체(11)에 의해 둘러싸여 배치되도록 금속 연료(13)를 형성하는 단계(S30a)를 포함한다.
몸체(11)를 형성하는 단계(S10a)에서, 몸체(11)는 비반응 비연료 물질 또는 세라믹 연료 물질을 소결시키거나, 주조법 또는 적층 제조법을 이용하여 형성될 수 있다.
금속 연료(13)를 형성하는 단계(S30a)에서, 금속 연료(13)는 몸체(11)를 몰드로 하여 주조를 통해 제조될 수 있다. 이때, 중력주조법으로 제조할 경우 주조법으로 제조하기 힘든 크기의 금속 연료(13)의 제작은 용이하지 않으므로, 가압 혹은 감압 사출주조법을 활용하는 것이 바람직하다.
또한, 몸체(11)가 형성된 후 금속 연료(13)는 적층 제조법을 통해 제조될 수도 있다. 한편, 몸체(11)에 금속 연료 물질을 결합하여 소결하는 것도 고려될 수 있다. 이 경우, 파우더 형태의 금속 연료 물질을 몸체(11)의 내부로 효과적으로 장입시켜 금속 연료(13)의 밀도 제어가 충분히 이루어지도록 할 필요가 있다. 이를 위해 금속 연료(13)는 방사상 중심을 기준으로 최소 20도 이상의 각도를 갖는 형태로 이루어질 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법의 순서도이다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법은, 방사상으로 배치되는 금속 연료(13)를 형성하는 단계(S10b)와, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지고, 적어도 금속 연료(13)의 반경 방향 양측면과 외측면을 둘러싸도록 배치되는 몸체(11)를 형성하는 단계(S30b)를 포함할 수 있다.
금속 연료(13)를 형성하는 단계(S10b)에서, 금속 연료(13)는 소결법, 주조법 또는 적층 제조법을 통해 형성될 수 있다.
몸체(11)를 형성하는 단계(S30b)에서, 몸체(11)는 금속 연료(13)와 결합되어 소결될 수 있다. 이 경우에는, 금속 연료 물질의 용융점 이하에서 비반응 비연료 물질 또는 세라믹 연료 물질의 소결이 이루어질 필요가 있다.
또한, 몸체(11)는 적층 제조법을 통해 제조될 수 있다. 이때, 적층 제조법으로 DLD(Direct Laser Deposition)가 고려될 수 있다.
도 19는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법의 순서도이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 핵연료 제조 방법은, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료 소재와 금속 연료 소재를 준비하는 단계(S10c)와, 적층 제조법을 통해 핵연료(1)를 제조하는 단계(S30c)를 포함한다. 이때, 핵연료(1)는, 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료 소재가 몸체(11)를 이루고, 금속 연료(13)가 방사형을 이루며 배치되되, 적어도 반경방향 양측면과 외측면이 몸체(11)에 의해 둘러싸여 배치된다.
금속 연료 소재와, 몸체(11)를 구성하는 비반응 비연료 물질 또는 세라믹 연료 소재는 파우더 형태로 준비될 수 있다. 또한, 적층 제조법으로는 2종이상의 파우더를 동시에 활용할 수 있는 방법들 예를 들면, DLP(Digital Light Processing) 또는 BJ(Binder Jetting), MJ(Metal Jetting) 등이 고려될 수 있다.
적층 제조법의 적용을 위해 비반응 비연료 물질 또는 세라믹 연료와, 금속 연료 소재를 연속적으로 활용하여야 하며 각각의 소재를 활용한 후 제거하는 공정도 연속적으로 이루어지도록 함으로써 각각의 부분에 원하는 소재를 적용하는데 상호간 오염이 발생하지 않도록 해야할 필요가 있다.
한편, 몸체(11)와 금속 연료(13)를 각각 형성한 뒤 접촉면에 윤활제를 사용하여 접합하는 방식을 활용하여 핵연료(1)를 제조하는 것도 고려될 수 있다. 이때, 몸체(11)를 우선적으로 형성시키는 경우 금속 연료(13)의 형성 전 몸체(11)의 열처리를 우선적으로 수행하여 융점이 낮은 금속 연료(13)에 가해질 영향을 최소화하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 핵연료 제조 방법에서, 몸체(11)와 금속 연료(13) 사이의 계면 또는 금속 연료(13) 내부에 공극(15)이 형성되도록 할 수 있다. 공극(15)은 전술한 바와 같이 금속 연료(13)의 팽윤을 수용하여 준다. 구체적으로 핵연료(1)에서 공극(15)을 형성시키고자 하는 부분의 밀도를 조절하여 공극(15)을 형성시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예들에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 핵연료 11: 몸체
13: 금속 연료 15: 공극
17: 관통부

Claims (16)

  1. 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지는 몸체와,
    방사형을 이루며 배치되되 적어도 반경방향 양측면과 외측면이 상기 몸체에 의해 둘러싸여 배치되는 금속 연료를 포함하는 핵연료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 연료는 상기 몸체에 의해 둘러싸여 상기 몸체 내에 배치되는 핵연료.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체는 실린더 형상을 가지는 핵연료.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 연료는 서로 분리되어 방사상에서 등간격으로 4~32개가 배치되는 핵연료.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 연료는 일체로 이루어지되 방사상으로 배치된 4~32개의 날개부를 가지는 핵연료.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 연료는 반경 반향 외측으로 갈수록 폭이 넓어지는 부분을 포함하는 핵연료.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 연료와 상기 몸체 사이의 접촉 부위에는 하나 이상의 공극이 형성된 핵연료.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 연료의 내부에는 하나 이상의 공극이 형성된 핵연료.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 핵연료는 길이 방향 중심을 관통하며 형성된 관통부를 더 포함하는 핵연료.
  10. 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지는 몸체를 형성하는 단계와,
    금속 연료를 제조하되 상기 금속 연료가 방사형을 이루며 적어도 반경 방향 양측면과 외측면이 상기 몸체에 의해 둘러싸여 배치되도록 상기 금속 연료를 형성하는 단계를 포함하는 핵연료 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속 연료는 상기 몸체를 몰드로 하여 주조를 통해 형성되는 핵연료 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속 연료는 소결법 또는 적층 제조법을 통해 형성되는 핵연료 제조 방법.
  13. 방사상으로 배치되는 금속 연료를 형성하는 단계와,
    비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료로 이루어지고, 적어도 상기 금속 연료의 반경 방향 양측면과 외측면을 둘러싸도록 배치되는 몸체를 형성하는 단계를 포함하는 핵연료 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 몸체는 상기 금속 연료의 용융점 이하에서 상기 금속 연료와 결합되어 소결되는 핵연료 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 몸체는 적층 제조법을 통해 형성되는 핵연료 제조 방법.
  16. 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료 소재와 금속 연료 소재를 준비하는 단계와,
    적층 제조법을 통해 핵연료를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 핵연료는,
    상기 비연료 비반응 물질 또는 세라믹 연료 소재가 몸체를 이루고,
    상기 금속 연료 소재로 이루어진 금속 연료가 방사형을 이루며 배치되되, 적어도 반경방향 양측면과 외측면이 상기 몸체에 의해 둘러싸여 배치되는 핵연료 제조 방법.
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