KR20230006061A - 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
경수로 핵연료 소결체 재료인 이산화우라늄(UO2)은 경수로 냉각재로 사용되는 물과의 양립성이 양호하고, 약 2850℃의 높은 융점을 가지며, 고온에서도 상변태가 일어나지 않는 등의 우수한 노내 안정성을 나타낸다. 따라서, 다른 우라늄 화합물 UC, UN 등)에 비하여 열전도도 및 우라늄 밀도 등의 측면에서 단점을 가지고 있음에도 불구하고, 경수로 핵연료 소결체 재료로 널리 사용되고 있다.
그러나, UO2의 낮은 열전도도 특성은 UO2 핵연료 소결체 내부(반경 약 4.1 mm)에 급격한 온도 구배(temperature gradient, 정상운전시 약 500 ~ 700℃)를 형성하며, 이로 인하여 높은 핵연료 중심 온도, 가파른 열 응력 구배 등의 열적 및 기계적 문제를 야기시키게 된다. 이러한 특성은 정상 운전, 과도 및 사고 조건 상태에서 불리한 요소로 작용하게 된다. 따라서, UO2 핵연료 소결체의 열전도도를 향상시키는 기술은 핵연료 성능 및 안전성 측면에서 가장 중요한 요소로 강조되고 있다.
본 발명은 열전도성 금속 물질의 선택에 대한 제약 없이, 불순물 형성을 억제하여 열전도도 향상 효과를 극대화하기 위한 것으로, 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조 등을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조를 제공한다.
본 발명의 일 구현예로, (a) 핵연료 분말을 성형 및 열처리하여 핵연료 소결체를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 열전도성 금속층을 배치하는 단계를 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조에 관한 것으로, 상기 열전도성 금속층이 열처리 조건에서 화학 반응을 일으키지 않도록 후가공 공정에서 별도로 배치된 것을 특징으로 하는바, 불순물 형성을 억제하여 열전도도를 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 핵연료 소결체의 높이에 대한 직경의 비를 최적화시킴으로써, 상기 열전도성 금속층을 일정 간격으로 이격시켜 열전도도 향상 효과를 극대화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 핵연료 소결체 적층 구조는 기존 상용 핵연료 제조 시설에 적용이 용이하면서도, 정상 운전, 과도 및 사고 조건에서 핵연료 안전성 및 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 다양한 구현예에 따른 열전도성 금속층의 형태(판형, 십자형 및 방사형)를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2(a)는 실시예 1-2에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2(b)는 실시예 3-4에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2(c)는 비교예 1-4에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이며, 도 2(d)는 비교예 5-8에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 내지 4에서 제조된 핵연료 소결체 적층 구조의 온도에 따른 열전도도를 전산모사로 계산 및 평가하였고, 비교예 1 내지 8에서 제조된 핵연료 소결체의 열전도도를 실측한 결과, 1200℃ 온도 조건에서 열전도도 향상 여부를 비교한 그래프이다.
도 2(a)는 실시예 1-2에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2(b)는 실시예 3-4에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이고, 도 2(c)는 비교예 1-4에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이며, 도 2(d)는 비교예 5-8에 따른 핵연료 소결체 적층 구조 및 이의 온도 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 내지 4에서 제조된 핵연료 소결체 적층 구조의 온도에 따른 열전도도를 전산모사로 계산 및 평가하였고, 비교예 1 내지 8에서 제조된 핵연료 소결체의 열전도도를 실측한 결과, 1200℃ 온도 조건에서 열전도도 향상 여부를 비교한 그래프이다.
종래에는 핵연료 소결체의 열전도도를 향상시키기 위해, 핵연료 분말에 대한 첨가제로서 열전도성 금속 분말을 사용하여 혼합한 후, 성형 및 열처리하여 핵연료 소결체를 제조하였는데, 이러한 경우 몇가지 제약이 있었다.
첫째, 열전도성 금속 분말의 선택에 있어, 높은 열전도성뿐 아니라, 융점, 휘발점, 중성자 흡수 단면적, 열팽창률, UO2 및 Zr 반응성, 냉각수 반응성 등 다양한 요건들을 고려하여, 핵연료로써의 기능에 대한 영향을 최소화해야 한다.
둘째, 열전도성 금속 분말이 첨가되는 만큼 핵연료 분말의 비가 줄어들게 되는데, 이를 최소화하기 위해서는, 열전도성 금속 분말을 효율적으로 배치하여 첨가량을 최소화해야 한다.
셋째, 핵연료 소결체 제조 공정 중 열처리 조건(수소 분위기 및 1300~ 1800℃)에서, 열전도성 금속 분말의 화학 특성 유지에 문제가 없어야 하는데, 고온 열처리 조건에서 수소와 결합하여 수소화물(Hydride)을 형성하거나, 핵연료 분말과 반응하여 이차 상(second phase)을 형성하지 않도록 제어해야 한다.
이에, 본 발명자들은 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하는 핵연료 소결체 적층 구조를 제조하였는바, 이로써, 열전도성 금속 물질의 선택에 대한 제약 없이, 불순물 형성을 억제하여 열전도도 향상 효과를 극대화시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조
본 발명은 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조를 제공한다.
본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조는 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함한다. 상기 핵연료 소결체 적층 구조는 불순물 형성을 억제하면서, 반경 방향(수평 방향)으로의 열전도도를 향상시킬 수 있는 이점을 가진다.
상기 핵연료 소결체는 핵연료 매트릭스로서, 열전도성 금속 분말이 첨가되지 않은 상태일 수 있다. 구체적으로, 상기 핵연료 소결체는 우라늄 산화물(UO2), 플루토늄 산화물(PuO2) 및 토륨 산화물(ThO2)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물 핵연료 분말을 포함할 수 있고, 그밖에, 우라늄 화합물(U 화합물), 우라늄-실리콘 화합물(U-Si 화합물), 우라늄-가돌리늄 화합물(U-Gd 화합물), 우라늄-토륨 화합물(U-Th 화합물) 및 우라늄-플루토늄 화합물(U-Pu 화합물)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 우라늄 또는 그 합금 화합물을 포함할 수 있다. 이때, 상기 핵연료 소결체는 핵연료 분말을 성형 및 열처리함으로써 형성될 수 있는데, 상기 핵연료 분말 및 그 공정에 대해서는 후술하는 바와 같다.
이때, 상기 핵연료 소결체의 높이는 3 mm 내지 10 mm일 수 있고, 3 mm 내지 6 mm인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이로써, 상기 열전도성 금속층을 일정 간격으로 이격시켜 열전도도 향상 효과를 극대화시킬 수 있다. 상기 핵연료 소결체의 높이가 너무 낮은 경우에는 제조 상의 어려움이 있을 뿐만 아니라, 핵연료 피복관 내에 장입이 어려운 문제점이 있다. 한편, 상기 핵연료 소결체의 높이가 너무 높은 경우에는 온도 저감 효과가 저하되고, 이에 따라, 유의미한 열전도도 향상 효과가 저하되는 문제점이 있다.
다시 말해, 상기 핵연료 소결체의 높이에 대한 직경의 비는 1.6 이상, 바람직하게, 1.6 내지 2.0인 것이 최적인 것으로 볼 수 있다. 상기 핵연료 소결체의 높이에 대한 직경의 비가 너무 큰 경우에는 제조 상의 어려움이 있을 뿐만 아니라, 핵연료 피복관 내에 장입이 어려운 문제점이 있다. 한편, 상기 핵연료 소결체의 높이에 대한 직경의 비가 너무 작은 경우에는 온도 저감 효과가 저하되고, 이에 따라, 유의미한 열전도도 향상 효과가 저하되는 문제점이 있다.
상기 열전도성 금속층은 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 것으로, 중심부에서 반경 방향(수평 방향)으로 핵연료 피복관과 접하는 주변부로의 열전달을 촉진시킬 수 있다.
한편, 상기 열전도성 금속층은 상기 핵연료 소결체에 물리적으로 부착 및 결합될 뿐, 화학적으로는 반응하지 않아야 한다. 다시 말해, 상기 열전도성 금속층의 화학 반응에 따른 불순물이 형성되지 아니한 것이 바람직한데, 상기 불순물은 열전달에 방해가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 불순물은 상기 열전도성 금속이 고온 열처리 조건에서 수소와 결합하여 형성된 수소화물(Hydride)이거나, 핵연료 분말과 반응하여 형성된 이차 상(second phase)일 수 있고, 보다 구체적으로, 상기 불순물은 열전도성 금속 수소화물, 열전도성 금속 산화물, 열전도성 금속 질화물, 열전도성 금속-우라늄 화합물, 열전도성 금속-플루토늄 화합물 및 열전도성 금속-토륨 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 열전도성 금속층은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 베릴륨(Be) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 핵연료 소결체 총 중량에 대하여, 상기 열전도성 금속층의 함량은 1 중량% 내지 10 중량%일 수 있고, 상기 열전도성 금속층의 함량은 1 중량% 내지 5 중량%인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이는 상기 핵연료 분말에 대한 첨가제로서 열전도성 금속 분말을 사용한 경우에 비해, 적은 양에 해당한다. 따라서, 적은 양으로도 유의미한 열전도도 향상 효과를 도출할 수 있다.
상기 열전도성 금속층은 다양한 형태로 제작될 수 있는데, 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 전체적으로 형성된 판형일 수도 있고, 중심부에서 반경 방향으로 핵연료 피복관과 접하는 주변부를 연결하기 위해, 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 부분적으로 형성된 십자형 또는 방사형일 수도 있다. 이로써, 온도 저감 효과가 효과적이고, 이에 따라, 유의미한 열전도도 향상 효과를 도출할 수 있다. 본 발명의 다양한 구현예에 따른 열전도성 금속층의 형태(판형, 십자형 및 방사형)는 도 1에 나타낸 바와 같다.
한편, 본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조는 (a) 핵연료 분말을 성형 및 열처리하여 핵연료 소결체를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 열전도성 금속층을 배치하는 단계를 포함하여 제조될 수 있는데, 각 단계에 대해서는 후술하기로 한다.
열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법
본 발명은 (a) 핵연료 분말을 성형 및 열처리하여 핵연료 소결체를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 열전도성 금속층을 배치하는 단계를 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 핵연료 분말을 성형 및 열처리하여 핵연료 소결체를 제조하는 단계; 및 (b) 상기 (a) 단계에서 제조된 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 열전도성 금속층을 배치하는 단계를 포함하는 핵연료 소결체 적층 구조의 열전도도를 향상시키는 방법을 제공할 수 있다.
먼저, 본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법은 핵연료 분말을 성형 및 열처리하여 핵연료 소결체를 제조하는 단계 [(a) 단계]를 포함한다.
상기 핵연료 분말(powder)은 핵연료 전구체로부터 형성된 것으로, 과립화 공정을 수행하기 전의 상태를 의미하며 구분되는 개념이다.
구체적으로, 상기 핵연료 분말은 우라늄 산화물(UO2), 플루토늄 산화물(PuO2) 및 토륨 산화물(ThO2)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 산화물 핵연료 분말을 포함할 수 있고, 그밖에, 우라늄 화합물(U 화합물), 우라늄-실리콘 화합물(U-Si 화합물), 우라늄-가돌리늄 화합물(U-Gd 화합물), 우라늄-토륨 화합물(U-Th 화합물) 및 우라늄-플루토늄 화합물(U-Pu 화합물)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 우라늄 또는 그 합금 화합물을 포함할 수 있다. 이때, 상기 핵연료 분말의 평균 입자 크기는 0.1 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있고, 0.1 ㎛ 내지 30 ㎛인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 성형은 가압법을 통해 수행될 수 있고, 일축 가압법을 통해 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 상기 성형은 100 MPa 내지 500 MPa의 압력 하에 30 초 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다.
또한, 상기 열처리는 핵연료 소결체의 제조를 위한 것으로, 1300℃ 내지 1800℃의 온도에서 1 시간 내지 20 시간 동안 수행될 수 있고, 1500℃ 내지 1800℃의 온도에서 1 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 상기 열처리의 대상이 되는 핵연료 성형체에는 열전도성 금속 분말이 첨가되지 않은 상태인바, 상기 열처리 조건을 설정함에 있어, 상기 열전도성 금속 분말로 인해 형성되는 불순물 억제를 고려하지 않아도 좋다.
상기 성형 및 열처리 공정에 따라 제조된 핵연료 소결체에 대해서는 전술한바 있으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다.
특히, 상기 핵연료 소결체는 높이에 대한 직경의 비를 1.6 이상으로, 바람직하게 1.6 내지 2.0로 유지함으로써, 상기 열전도성 금속층을 일정 간격으로 이격시켜 열전도도 향상 효과를 극대화시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법은 상기 제조된 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 열전도성 금속층을 배치하는 단계[(b) 단계]를 포함한다.
상기 열전도성 금속층에 대해서는 전술한바 있으므로, 중복 설명을 생략하기로 한다.
한편, 상기 열전도성 금속층은 상기 열처리 이후 후가공 공정에서 별도로 배치된 것을 특징으로 하는바, 상기 열전도성 금속층의 화학 반응에 따른 불순물이 형성되지 아니한 것이 바람직한데, 상기 불순물은 열전달에 방해가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 불순물은 상기 열전도성 금속이 고온 열처리 조건에서 수소와 결합하여 형성된 수소화물(Hydride)이거나, 핵연료 분말과 반응하여 형성된 이차 상(second phase)일 수 있고, 보다 구체적으로, 상기 불순물은 열전도성 금속 수소화물, 열전도성 금속 산화물, 열전도성 금속 질화물, 열전도성 금속-우라늄 화합물, 열전도성 금속-플루토늄 화합물 및 열전도성 금속-토륨 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
즉, 상기 열전도성 금속층은 상기 핵연료 소결체에 물리적으로 부착 및 결합될 뿐, 화학적으로는 반응하지 않아야 한다.
또한, 상기 열전도성 금속층의 배치는 공지의 방법을 통해 수행될 수 있고, 코팅법, 증착법 및 3차원 프린팅법을 통해 수행될 수 있다. 특히, 3차원 프린팅법을 이용하게 되면, 상기 열전도성 금속층의 형태를 다양하게 제작할 수 있는 이점을 가지므로, 특히, 십자형 또는 방사형으로 제작하기 위해 바람직하게 이용될 수 있다.
그밖에, 본 발명은 상기 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조; 및 상기 핵연료 소결체 적층 구조 복수개가 내부에 장입된 핵연료 피복관을 포함하는 핵연료를 제공할 수 있다.
상기 핵연료의 외측면에서는 수직 방향(높이 방향)으로 약 320℃의 냉각수가 흐르고 있어서, 상기 핵연료 소결체로부터 생성되는 열의 주된 방향은 반경 방향(수평 방향)이 된다. 이때, 상기 핵연료 소결체 중심부 온도는 정상 운전 조건에서도 약 1000~1200℃에 이르게 된다. 따라서, 반경 방향(수평 방향)으로의 열전달 특성을 제어하는 것이 중요한데, 상기 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조는 불순물 형성을 억제하면서, 반경 방향(수평 방향)으로의 열전도도를 향상시킬 수 있는 이점을 가진다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 핵연료 소결체; 및 상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하는 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조에 관한 것으로, 상기 열전도성 금속층이 열처리 조건에서 화학 반응을 일으키지 않도록 후가공 공정에서 별도로 배치된 것을 특징으로 하는바, 불순물 형성을 억제하여 열전도도를 향상시킬 수 있다.
특히, 상기 핵연료 소결체의 높이에 대한 직경의 비를 최적화시킴으로써, 상기 열전도성 금속층을 일정 간격으로 이격시켜 열전도도 향상 효과를 극대화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 핵연료 소결체 적층 구조는 기존 상용 핵연료 제조 시설에 적용이 용이하면서도, 정상 운전, 과도 및 사고 조건에서 핵연료 안전성 및 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
핵연료 분말로서, 평균입자크기가 약 0.3 ㎛인 UO2 분말을 준비하였다. 이를 분말 성형 몰드에 투입한 다음, 약 300 MPa의 압력 하에 약 1 분 동안 일축 가압성형한 후, 약간 산소 분압(2% CO2 등가)을 가진 수소 환원 분위기 하에서 약 1700℃의 온도에서 약 4 시간 동안 열처리하여 핵연료 소결체(약 96% TD)를 제조하였다. 이때, 핵연료 소결체의 직경은 약 8.2 mm이고, 높이는 약 4.5 mm였다. 이의 상부 및 하부에 1700℃의 가압 조건에서 판형 Mo 층을 증착시켜 핵연료 소결체 적층 구조를 제조하였다. 이때, 핵연료 소결체 총 중량에 대하여, 판형 Mo 층의 함량은 약 5 중량%였다(도 2(a) 참고).
실시예 2
핵연료 소결체의 높이를 약 5 mm로 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 핵연료 소결체 적층 구조를 제조하였다(도 2(a) 참고).
실시예 3-4
핵연료 소결체의 높이를 각각 약 7 mm 및 약 9 mm로 조절한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 핵연료 소결체 적층 구조를 제조하였다(도 2(b) 참고).
비교예 1-4
핵연료 분말로서, 평균입자크기가 약 0.3 ㎛인 UO2 분말을 준비하였다. 이를 분말 성형 몰드에 투입한 다음, 약 300 MPa의 압력 하에 약 1 분 동안 일축 가압성형한 후, 약간 산소 분압(2% CO2 등가)을 가진 수소 환원 분위기 하에서 약 1700℃의 온도에서 약 4 시간 동안 열처리하여 핵연료 소결체(약 96% TD)를 제조하였다. 이때, 핵연료 소결체의 직경은 약 8.2 mm이고, 높이는 하기 표 1과 같다(도 2(c) 참고).
비교예 5-8
산화물 핵연료 분말로서, 평균입자크기가 약 0.3 ㎛인 UO2 분말을 준비하였다. 이후, UO2 분말 총 중량에 대하여, 평균입자크기가 약 0.3 ㎛인 Mo 분말을 5 중량%로 혼합시킴으로써, 혼합물을 제조하였다. 이를 분말 성형 몰드에 투입한 다음, 약 300 MPa의 압력 하에 약 1 분 동안 일축 가압성형한 후, 약간 산소 분압(2% CO2 등가)을 가진 수소 환원 분위기 하에서 약 1700℃의 온도에서 약 4 시간 동안 열처리하여 핵연료 소결체(약 96% TD)를 제조하였다. 이때, 핵연료 소결체의 직경은 약 8.2 mm이고, 높이는 하기 표 1과 같다(도 2(d) 참고).
| 직경 | 높이 | 직경/높이(AR) | |
| 실시예 1 | 약 8.2 mm | 약 4.5 mm | 약 1.82 |
| 실시예 2 | 약 8.2 mm | 약 5 mm | 약 1.64 |
| 실시예 3 | 약 8.2 mm | 약 7 mm | 약 1.17 |
| 실시예 4 | 약 8.2 mm | 약 9 mm | 약 0.91 |
| 비교예 1 | 약 8.2 mm | 약 4.5 mm | 약 1.82 |
| 비교예 2 | 약 8.2 mm | 약 5 mm | 약 1.64 |
| 비교예 3 | 약 8.2 mm | 약 7 mm | 약 1.17 |
| 비교예 4 | 약 8.2 mm | 약 9 mm | 약 0.91 |
| 비교예 5 | 약 8.2 mm | 약 4.5 mm | 약 1.82 |
| 비교예 6 | 약 8.2 mm | 약 5 mm | 약 1.64 |
| 비교예 7 | 약 8.2 mm | 약 7 mm | 약 1.17 |
| 비교예 8 | 약 8.2 mm | 약 9 mm | 약 0.91 |
도 3은 실시예 1 내지 4에서 제조된 핵연료 소결체 적층 구조의 온도에 따른 열전도도를 전산모사로 계산 및 평가하였고, 비교예 1 내지 8에서 제조된 핵연료 소결체의 열전도도를 실측한 결과, 1200℃ 온도 조건에서 열전도도 향상 여부를 비교한 그래프이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4에서 제조된 핵연료 소결체 적층 구조는 비교예 1 내지 8에서 제조된 핵연료 소결체에 비해, 열전도도가 크게 향상된 것으로 확인된다. 이는 열전도성 금속층으로서, 판형 Mo 층이 불순물 형성 없이 일정 간격 이격되어 수평 방향으로 배치된 데 따른 결과로 볼 수 있다. 비교예 5 내지 8에서 제조된 핵연료 소결체는 비교예 1 내지 4에서 제조된 핵연료 소결체에 비해, 열전도도가 다소 향상된 것으로 확인되나, 큰 차이가 나지 않는 것으로 확인된다.
특히, 실시예 1 내지 4에서 제조된 핵연료 소결체 적층 구조는 직경/높이(AR)의 값이 증가함에 따라, 열전도도 향상 효과가 극대화되는 것으로 확인되고, 따라서, 최적화된 직경/높이(AR)의 값은 약 1.6 이상인 것으로 볼 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (12)
- 핵연료 소결체; 및
상기 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 배치된 열전도성 금속층을 포함하고,
상기 핵연료 소결체는 열전도성 금속 분말이 첨가되지 않은 핵연료 매트릭스이며,
상기 열전도성 금속층의 함량은 핵연료 소결체 총 중량에 대하여, 1 중량% 내지 10 중량%인 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 핵연료 소결체는, 열전도성 금속층의 금속과 수소가 결합하여 형성된 수소화물(Hydride) 및 열전도성 금속층의 금속과 핵연료 분말의 화학 반응으로 형성된 이차 상(second phase)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 불순물을 포함하지 않는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조. - 제2항에 있어서,
상기 불순물은 열전도성 금속 수소화물, 열전도성 금속 산화물, 열전도성 금속 질화물, 열전도성 금속-우라늄 화합물, 열전도성 금속-플루토늄 화합물 및 열전도성 금속-토륨 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 핵연료 소결체의 높이는 3 mm 내지 6 mm인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 핵연료 소결체의 높이에 대한 직경의 비는 1.6 이상인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 열전도성 금속층은 판형인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 열전도성 금속층은 중심부에서 반경 방향으로 핵연료 피복관과 접하는 주변부를 연결하기 위한 십자형 또는 방사형인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조.
- 제1항에 있어서,
상기 열전도성 금속층은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 루테늄(Ru), 바나듐(V), 하프늄(Hf), 탄탈륨(Ta), 로듐(Rh), 지르코늄(Zr), 베릴륨(Be) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조.
- (a) 핵연료 분말을 성형 및 열처리하여 핵연료 소결체를 제조하는 단계; 및
(b) 상기 (a) 단계에서 제조된 핵연료 소결체 상부 또는 하부에 열전도성 금속층을 배치하는 단계를 포함하고,
상기 핵연료 소결체는 열전도성 금속 분말이 첨가되지 않은 핵연료 매트릭스이며,
상기 열전도성 금속층의 함량은 핵연료 소결체 총 중량에 대하여, 1 중량% 내지 10 중량%인 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 성형은 100 MPa 내지 500 MPa의 압력 하에서 30 초 내지 20 시간 동안 수행되고, 열처리는 수소 분위기 하에 1300℃ 내지 1800℃의 온도에서 1 시간 내지 20 시간 동안 수행되는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 핵연료 소결체의 높이에 대한 직경의 비는 1.6 이상인, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (b) 단계에서 열전도성 금속층의 배치는 코팅법, 증착법 및 3차원 프린팅법로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 방법을 통해 수행되는, 열전도도가 향상된 핵연료 소결체 적층 구조의 제조방법.
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