KR890000054B1

KR890000054B1 - 핵원료 소자

Info

Publication number: KR890000054B1
Application number: KR1019830004595A
Authority: KR
Inventors: 넬슨 팔머 데이비드
Original assignee: 컴버스쳔 엔지니어링 인코포레이티드; 엘든 에이취.루터
Priority date: 1982-09-29
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1989-03-06
Also published as: ES8702022A1; KR840006428A; ES525990A0; US4541984A

Abstract

내용 없음.

Description

핵원료 소자

본 발명은 핵 연료 소자에 관한 것이다.

원자로에서의 로내 작업중에는 연료 클래드(clad)가 파열되는 문제가 발생한다. 현시점에서 입수가능한 자료를 기초로한 메카니즘은 조업시에 클래드의 파열이 일어나는 것을 당연한 것으로 하고 있다.

연료가 연소하여 연료 펠릿트(pellet)는 단부가 북형태로 부풀어 펠릿트의 단부는 펠릿트와 클래드 사이의 간극을 통하여 열이 이동되어 클래드와의 상호작용으로 팽창한다. 그리하여 팽창된 펠릿트는 클래드와 상호 반응하여 응력 집중부가 발생하게 된다. 펠릿트의 팽창과 펠릿트와 클래드와의 상호 반응이 동시에 발생하여 물이나(궁극적으로는 수소로 분해하는) 탄화수소와 같은 미량의 펠릿트 불순물 뿐아니라 옥소, 세슘, 루비듐 및 텔루르와 같은 핵분열 부산물이 펠릿트로부터 기체 방출된다. 기체 방출이 진행하는 동안, 펠릿트는 클래드와 상호 반응하여 응력 집중부의 밀도가 증가하게 되고 클래드 접촉 부위에서 2축 응력이 발생한다. 응력의 증가로 펠릿트와 클래드와의 접촉 부위에서 산화막은 얇게 되어 파열하게 된다. 핵 분열로 인한 기체 부산물과 펠릿트 불순물은 헬륨이나 다른 열 이동 매질을 통하여 펠릿트로부터 이동되고 산화막 파열 부위에서 흡수된다. 핵 분열 기체 부산물과 펠릿트 불순물은 응력이 증가하여 파열된 부위의 부식으로 인한 클래드의 균열은 가중되어 클래드 파열의 원인이 된다.

상기의 메카니즘이 클래드의 파열을 설명한다고 추정하면, 클래드의 로내 반응은 상기한 두 가지의 현저한 요인을 조정하여 확실하게 할 수 있다. 즉 펠릿트와 클래드와의 기계적인 상호 작용과 부산물과 불순물의 클래드에 미치는 부식 균열이란 두 가지의 실요인은 클래드의 파열을 배제하기 위하여 조정되어야 한다. 두 가지 요인중, 기계적인 상호 작용은 클래드의 내경이나 펠릿트의 의경 혹은 양자의 양면에 윤활제를 피복함으로써 제거할 수 있고 응력 형성을 방지할 수 있으며 부산물과 불순물로 인한 부식균열은 부산물과 불순물을 비활성화하여 제거할 수 있다. 비활성화는 응력 집중부가 발생하기 쉬운 부위에 겟터(Getter)를 설치하여 구할 수 있으며 겟터 물질은 기체상, 증기상 혹은 액상 물질과 결합하여 클래드와의 반응을 방지한다.

일반적인 겟터 계는 활성화된 연료 더미에 있는 연료 펠릿트와 연료와 혼합된 겟터 사이에 있는 플리넘(plenum) 부위에 설치된다. 캡슐로 된 겟터는 캡슐이 격리되도록 설치된 부위와 융합기체가 이동하기 때문에 매우 비능률적이다. 여기에 하나의 문제점이 발생되는데, 그것은 활성 기체가 응력 집중부나 봉의 내경면의 결점 부위를 경유하여 이동하면서 그 부위에서 반응하기 때문이다. 그리하여 겟터 캡슐은 겟터 캡슐이 봉에 설치되지 않았을 경우보다 봉에 설치되었을 경우에 더욱 파열되기 쉬운 결점부를 경유하는 반응성의 생성물이나 생성 펌프 혹은 펌핑 부식처럼 작용한다. 또한 일반적인 격리된 겟터 캡슐은 액상 생성물에 대해선 비효과적이며 액상 생성물은 클래드 보호 산화물에 융합되어 있거나 봉과 펠릿트간의 접촉 부위에 발생하는 고체와 고체간의 반응을 열화학적이나 기계적으로 유발시킨다.

펠릿트와 펠릿트간의 접촉 부위에 설치된 겟터의 사용은 격리된 겟터 캡슐에 비해 개선된 것이다. 연료더미에 겟터를 설치하면 사용상 중대한 결점이 발생한다. 첫째로 펠릿트 더미에 켓터를 설치하여 사용하는 것은 (예를 들면 접촉부위에서의 디스크)봉의 작업율을 감소시키는 연료 봉에서 활성 연료의 양을 감소시킨다. 부언하면, 겟터 디스크의 위치는 펠릿트 접촉부위에서 열 이동을 변화시킨다. 세라믹 겟터를 사용하면 펠릿트 접촉부위는 연료 펠릿트의 부위가 고온이 되지 않도록 하여 핵분열 생성물의 과열점이 나타날 정도로 여분의 열이 발생한다. 도전성 겟터 디스크를 사용하면 펠릿트 접촉 부위(클래드와 기계적인 상호 작용이 원만한 접촉부위)로 기체를 이동시키거나 융합 생성물이 발생한 가능성은 매우 높아진다. 그 결과로 펠릿트와 펠릿트의 단부면이 팽창하게 되고 펠릿트의 기체 방출은 증가한다(약간의 기체는 부식성 요소로 변환될 수 있는 구역임).

겟터 물질과 반응할 수 있는 관계를 고려해서 핵 분열에서 파생된 기체가 불순물의 활동적인 상태를 관련하여 고려해야 할 몇가지가 있다. 고상의 겟터 입자와 핵 분열에서 파생된 기체나 불순물과의 반응은 입자의 접촉 부위에서 기체의 지속 시간이 전체적으로 효과있게 조정되고, 기체가 다른 융합 생성물 혹은 계에서 발생된 반응은 겟터 물질을 구비한 봉내의 특수한 위치에 있는 이질의 반응계로서 분류된다. 기체의 미분자의 속도가 본 발명에서의 겟터계의 가까운 구역에서 더 빠르다면, 기체는 겟터 표면에 화학적으로 흡수되지 않으며 겟터의 효율에 필수적인 충분한 기간을 이용할 수 없게 된다. 연료 매트릭스에 겟터를 사용하면 열 방사선 분해에 의해서 흡수된 후, 핵 분열 생성물의 방출로 인해서 혹은 핵 분열하는 연료 펠릿트에서 발생하는 비정상 상태의 동력으로 인하여 비효율로 되는 경우가 있다. 이것은 방출되어 연료와 클래드간의 접촉부위로 이동하는데 유용한 겟터 불순물에 기인하는 연료 매트릭스에서의 핵 분열 공정중에 막대한 반동 에너지가 발생한 결과이다. 또한 겟터가 연료와 결합되면 연료계의 동력효율이 감소된다. 부언하면, 연료 펠릿트내에서 발생하는 조직은 역학적이며 다변적으로 변화한다. 자유 표면은 핵분열 생성물이 연료내의 겟터를 경유하는 것을 방해하고 펠릿트와 클래드 간의 접촉 부위로 이동하게 하는 연료의 균열에 의하여 발생한다. 또한 연료 펠릿트내에 겟터를 설치하여 사용하는 것은 증가된 핵 분열 생성물을 방출하도록 하는 높은 온도에서 연료가 조업되도록 하는 열 이동 특징을 감소할 수 있다는 사실에 유의해야 한다.

본 발명은 윤활 매트릭스에서 균질하게 분산하도록 구성되는 활성 켓터계의 핵 연료에서 연료 펠릿트와 연료 클래드 사이에 피복층의 도입에 관한 것이다. 겟터계는 물리적이며 화학적으로 윤활제계에 배합된다. 그러므로 기계적인 윤활은 펠릿트와 클래드간의 응력 집중부를 제거하거나 극소로 하기 위하여 필요하며, 겟터는 핵 분열에서 파생된 기체나 불순물이 클래드에 작용하는 것을 방지하고 속도를 낮추며, 로내 작업중 겟터의 효율을 감소시키는 표면 부위 현상을 극소로 한다.

겟터 성분

본 발명의 겟터 물질은 핵 분열 생성물과 펠릿트 불순물이 클래드 재료에 작용하지 못하도록 화학적으로 설계되어 있다. 핵 분열 생성물은 세슘과 루비듐을 포함하고 있는 알칼리성인 지르칼로이(Zircaloy)와 같은 클래드 재료를 부식하는 것으로 알려져 있으며 핵 분열은 세슘 우란산염, 세슘 지르콘 산염, 세슘 할로겐화합물, 옥소를 포함한 할로겐 그리고 텔루르를 포함한 주기율표 IV 즉 원소와 같은 반응 생성물을 생성한다. 지르칼로이 클래드를 부식하는 것으로 알려진 펠릿트 불순물은 할로겐 기체, 물 및 탄화수소와 같이 수소를 함유하고 있는 물질로 되어 있다.

본 발명의 겟터 물질은 원자로 온도와 방사 조건에서 핵 분열 생성물과 불순물에 비가역 반응하는 물질의 혼합이나 복합물이다. 이러한 물질은 특히 피복 장치와 취급방법에 적합하도록 채택되었다. 겟터 물질은 수소나 수소를 함유하는 물질을 위한 겟터 물질 알칼리성 물질을 위한 겟터물질 및 주기율표의 IV 즉 원소 혹은 이상 네가지의 복합물을 위한 겟터물질의 4가지 부류로 분류된다.

수소 또는 수소 보유 물질을 위한 겟터 물질

수소나 수소 함유 물질을 위한 특수한 겟터 물질은 원자로 온도와 방사조건에서 H₂O, H₂, (실란을 포함하는) 비안정 수소화물 또는 탄화수소와 반응하여 안정하고 열역학적으로 비가역성인 수소화합물이나 수소화합물을 형성하는 금속, 금속합금, 금속간 화합물, 산화물, 탄화물, 질화물 또는 혼합산화물 시스템들이다. 겟터 작용 물질의 기능은 핵 분열온도에서 활성 겟터 표면부용 수소나 수소를 함유하는 물질에 대항하는 다른 종류의 기체에 의하여 방해 받아서는 안된다. 예를 들면 금속이나 금속합금이 산소화 수소 분위기하에서의 겟터계처럼 사용된다면 산소는 수소와의 반응을 방지하는 보호 산화 피막을 넓게 형성하지 못한다.

특히, 수소나 수소를 함유하는 물질을 위한 겟터물질은 흑연이나 질화 붕소를 함유한 금속을 포함한 합금, 각종 화합물 및 복합물과 마찬가지로 지르코늄, 티타늄 혹은 이트륨의 분말 순수 금속이다. 예를 들면 상기의 겟터 물질은 알루미늄, 니켈, 크롬이나 니켈과 크롬을 함유한 탄화물이 서로 결합된 3상 금속으로 되어 있다. 특수한 형태의 겟터 물질과 그러한 겟터 물질을 윤활제 매트릭스에 준비하고 설치하는 방법은 차후 논의 된다.

할로겐을 위한 겟터 물질

할로겐을 위한 특수한 겟터물질은 핵분열 생성물이나 연료 펠릿트 불순물로서 원자로 로내 작업중 연료 펠릿트로부터 기체를 방출하는 할로겐, 수소 할로겐화물, 유기 할로겐화물 또는 다른 할로겐화물류와 반응하는 흑연이나 질화붕소의 개재물을 형성하는 금속, 금속합금, 금속간 화합물, 산화물, 탄화물, 질화물, 혼합산화물, 규산염 물질들이다. 상기의 겟터물질은 원자로 온도와 복사조건에서 열역학적으로 비가역 혹은안정 할로겐화물을 형성할 수 있어야 한다. 할로겐 겟터 물질은 핵분열 온도에서 활성 겟터부가 되는 할로겐을 함유하는 물질과 대응하는 다른 기체류에 의하여 방해받지 않아야 한다. 그러한 겟터형의 예는 세륨, 크롬, 코발트와 니켈 금속 분말이나 흑연 또는 질화붕소의 개재물, 산화물, 규산염, 산소규산염이다. 마찬가지로 겟터물질의 특수한 형태와 윤활제 매트릭스에 겟터 물질을 준비하고 설치하는 방법은 차후 논의된다.

알칼리류를 위한 겟터 물질

알칼리류를 위한 겟터 물질은 핵연료에서 이동하여 연료 클래드와 상호 반응하는 세슘, 루비듐 등의 알칼리류와 같은 어떤 핵분열 부산물과 반응하는 그러한 화합물로서 규정된다. 사용 가능한 알카리류를 위한 겟터 물질은 혼합 산화물, 금속간 화합물 및 메탈옥시 실리케이트이다. 마찬가지로 이러한 겟터의 특수한 형태와 제조 및 윤활 매트릭스에 혼입하는 방법은 차후 설명한다.

IV족 원소를 위한 겟터물질

주기율표 IV족 원소는 우라늄 산화물 연료의 핵 분열 생성물로 알려져 있다. 예를 들면 텔루르는 로내 작업중 연료로부터 기체를 방출할 수 있는 연료 클래드와 잠재적으로 상호 반응할 수 있으며 연료 클래드 파열에 조력한다. 텔루르의 화학적 성질은 유황의 화학적 성질과 매우 유사하지만 텔루르는 유황보다 더욱 강력한 환원 작용 물질이며 산화작용 물질로서는 뚜렷하게 더 약하다. 텔루르는 규산염, 규화물, 니켈 인화물 그리고 흑연이나 붕소 질화물의 특수한 개재물 등과 같은 다양한 물질과 반응하여 안정한 텔루르화물을 형성할 수 있다.

합성 또는 조합 겟터 물질

실제적인 관점에서 살펴보면 겟터계는 펠릿트 불순물과 마찬가지로 부식의 가능성이 있는 핵분열 생성물을 제거할 수 있다. 그리고 합성 겟터계는 부산물 및 불순물과 동시에 비가역 반응을 할 수 있다. 부산물 및 불순물은 크롬이나 흑연이 개재된 CrO₃의 혼합물이나 합성물이며 크롬 흑연이 개재된 겟터 윤환제는 핵분열 생성물 옥소와 반응하고 CrCO₃-흑연 개재물은 세슘 크롬산 염을 형성하는 세슘 우란산염과 같은 융합 생성물-연료 부산물이나 세슘 크롬산염을 형성하는 융합 생성 세슘과 반응한다. 상기의 모든 반응은 적층내에서 나타나고 흑연 매트릭스에서 비가역으로 결합되어 잔존한다.

겟터 작용 물질의 제조

본 발명의 윤활계는 특수한 수정이 요구되거나 겟터 물질의 준비가 필요하다. 겟터 물질은 윤활 매트릭스에 설치하기 위한 핵의 순도 기준을 정제되도록 해야한다. 겟터 물질은 피복계에 적합한 어떤 형태로 수정하여 피복 윤활 효율에 미치는 영향을 극소로 해야 하며 윤활제의 경화 주기에 적합하도록 하고 윤활제의 완화도를 적당히 유지하도록 해야 한다.

겟터 물질은 상술한 바와같은 화학적 특성으로 분류하지 않고 다음과 같이 3가지 유형으로도 분류된다. (1) 개재된 흑연계, (2) 개재된 질화붕소게, (3) 예비 처리되고 수정된 분말 금속계.

개재된 흑연계는 금속원자나 금속원자의 혼합물을 얇은 층으로 함유하거나 높은 등급의 열분해로 흑연에 화학적으로 결합되어 있다.

분류의 목적으로, 개재물 합성은 8가지 유형으로 다음과 같이 규정된다.

(1) 염 개재에 의해 금속 이온이 개재된 다음 일산화탄소 기체 환원계에서 금속 원자가 개재된 형태로 환원 혹은 탈할로겐화에 의해 일어나는 생성.

(2) 염 개재에 의해 금속 이온이 개재된 다음, 수소 기체 환원계에서 금속 원자가 개재된 형태로 환원 혹은 탈할로겐화에 의해 일어나는 생성.

(3) 유기 탈할로겐화 재료나 유기 환원재료에 의해 금속이 이온이 개재된 형태로부터 금속 원자가 개지된 형태로 환원 혹은 탈할로겐화.

(4) 무기 환원 재료나 탈할로겐화 재료에 의해 금속 이온이 개재된 형태로부터 금속 원자가 개재된 형태로 환원 혹은 탈할로겐화.

(5) 열처리.

(6) 진공 스퍼터링, 이온 스퍼터링, 이온 이식이나 이와 유사한 고온의 불활성 기체로 금속 증기 처리법에 의해 흑연류와 반응하는 금속 중기에 의한 생성.

(7) 불활성 분위기내에서 금속이 증기로 흑연에 적층내 이동하도록 하기 위한 충분히 높은 온도에서 이온염이나 비금속간 화합물(금속간 화합물)의 열 분해와 같은 직접 기술에 의한 생성.

(8) 적절한 환원법에 의하여 원소의 개재 상태로 분해되거나 환원될 수 있는 개재 매질에서 가용성인 유기 금속 재료의 개재에 의한 생성.

본 발명에서 사용된 개재된 흑연 유형의 겟터 작용 물질에 있어서, 출발 물질은 금속 질산염, 수산염, 카보닐, 탄산염, 질화물, 탄화물, 규화물, 실레인 그리고 규산염이다. 불소화물을 제외한 할로겐 출발 물질은 중량으로 50 피.피.엠.(p.p.m)까지 제거된다면 사용할 수 있다. 암모니아화 알칼리 금속이나 아미노화 알칼리 금속 그리고 알칼리 토금속은 청정 상태를 유지하면 사용할 수 있다. 유형(1)의 흑연 개재물의 합성은 염 개재, 일산화탄소 기체를 포함한 원소 상태로 개재된 염을 환원하거나, 환원 부산물을 제거하기 위한 가수분해 및 건조에 의해 이루어지는데, 이것은 흑연을 나타내도록 사용되는 탄소에 대한 원소의 기호가 있는 아래의 예로든 반응식에서 알 수 있다.

유형(1)의 합성

일산화탄소 기체로 환원되는 본 유형의 합성은 수소나 암모니아로 환원되거나 탈할로겐화 될때 수소화물 형태로 되는 금속 혼합물이나 금속으로 특별히 사용된다. 다른 금속을 제외하고 본 예식에 사용된 이트륨은 세슘, 지르코늄 및 티타늄을 포함하는 본 유형의 조직에서 사용될 수 있다. 또한 본 예식에서 사용된 염은 질산염이며 그러나 동일한 반응이 수산염과 탄산염 유기 금속류에 일어날 수 있다. 사용된 흑연은 순수한 전기로의 농축된 클로이드 분산 흑연이나 유기(폴리머) 또는 무기 결합제를 갖는 이소프로페놀과 같은 담체에서 높은 등급의 열 분해 흑연이다.

유형(2)의 개재는 이온염 개재 상태로부터 금속 원자 상태로 되는 무수 암모니아 또는 기체상 수소로 환원됨을 포함한다. 유형(2)의 개재에 사용할 수 있는 금속은 수소화에 민감하지 않고, 니켈, 크롬, 티타늄, 이트륨 및 코발트를 포함한다. 유형(1)의 개제에 적합한 상술한 바와같이 금속과 동일한 염을 유형(2)의 개제에 사용할 수 있다. 유형(2)의 합성은 일산화탄소 보다는 1 내지 10기압 사이에서 무수 암모니아 또는 수소로 진행되는 환원단계를 제외하고는 본질적으로 유형(1)이 합성과 동일한 것이다.

유형(3)의 개재는 유기 탈할로겐계 또는 탈할로겐 수소계와의 반응에 의하거나 유기 환원재료의 작용에 의하여 염 개재후 원소 금속으로의 환원이나 활성 흡수 상태로 환원된다. 상술한바와 동일한 개재염은 유형(3)의 개재에 대한 염의 전구물질로 된다. 유형(3)의 개재는 이트륨, 세슘, 니켈, 크롬, 2가 크롬산화물, 이산화크롬 및 3가 크롬 산화물로 수행한다. 표(1)은 유기 환원제, 탈할로겐이나 탈할로겐 수소 물질의 작성표이다.

[표 1]

흑연 개재물의 유형(3)의 합성은 염 개재, 금속의 상태의 환원, 음이온 1환원제 제거 및 건조를 포함하며, 염의 실시예로서 사용된 수산염과 금속의 실시예로서 사용된 크롬에서의 반응은 아래에 예시한 바와같다.

유형(3)의 합성

흑연 개재물의 유형(4)의 합성은 무기환원계, 탈할로겐계나 탈할로겐 수소계의 작용에 의하여 염 개재후 원소 금속이나 활성 흡수 상태로 환원될 수 있는 개재물로 채택된다. 상술한 바와같이 동일하거나 유사한 개재 염 전구물질은 유형(4)의 개재를 위한 초기 출발물질로서 적합하다. 유형(4)의 합성에 적합한 금속은 이트륨, 세륨, 니켈, 크롬 및 크롬산산화물이다. 유형(4)의 개재에 적합한 환원제는 표(2)에 표시했다.

[표 2]

세륨과 클로라이드를 사용하는 전형적인 유형(4)의 합성은 다음과 같다.

유형(4)의 합성

유형(5)의 합성은 불화성 분위기내에서 열분해에 의한 염 개재후에 원소 금속이나 활성 흡수 상태로 환원하는 것을 포함한다. 염 개재후의 원소 상태로 분해 가능한 전형적인 개재물 전구물질은 표(3)에 표시했다.

[표 3]

전형적인 유형(5)의 합성은 염 개재, 열분해 및 부산물 제거를 포함한다. 개재 단계는 반드시 정상적인 분해 온도보다 낮은 온도에서 수행될 필요는 없다. 니켈 카보닐을 사용한 전형적인 유형(5)의 합성 반응은 다음과 같다.

유형(5)의 합성

유형(6)의 개재는 원소 금속의 물리적 증기화가 흑연 박층 구조로 됨과 표면이나 다공성의 흑연에서 발생함을 포함한다. 금속은 스퍼터링, 금속 진공화법, 이온이식, 이온 스퍼터링 등과 같은 다른 기술에 의하여 혼합되거나 유사한 고온의 진공 혹은 불활성 기체내의 금속 증기 기술에 의하여 혼합된다.

표(4)에 상기 기술에 의하여 혼합되는 금속 전구물질이 표시되어 있다.

[표 4]

전형적인 유형(6)의 개재 프로세서는 다음과 같이 전자빔이나 스퍼터건 기술을 포함한다.

유형(6)의 합성

유형(7)의 개재는 금속 흑연의 개재물을 형성하도록 흑연 열판과 결합하거나 분해하는 금속염으로부터 직접 형성된다. 본 개재 유형의 전형적인 전구물질은 니켈 카보닐, 크롬, 카보닐, 비스사이클로펜타디닐 니켈, 비스사이클로펜타디닐 크롬, 및 비스사이클로-펜타디닐 이트륨 디클로라이드이다. 전형적인 유형(7)의 개재 합성은 다음의 예와같이 니켈 카보닐을 사용한다.

유형(7)의 합성

마지막 유형의 흑연 개재물 합성은 유기나 무기환원 또는 분해에 의하여 원소 금속 상태로 되는 개재물 전구물질처럼 유기 금속이나 유기 금속 화합물로 된다. 표(5)에 전형적인 유기금속 개재물 전구물질이 표시되어 있다.

[표 5]

전형적인 유형(8)의 합성은 전구물질 개재, 금속상태로 환원, 건조가 기체 방출로 부산물 제거를 포함한다. 디사이클로펜타디닐 니켈을 사용한 유형(8)의 합성이 다음과 같이 예식으로 표시했다.

유형(8)의 합성

질화붕소가 개재된 계는 금속 원자를 함유하고 있는 계 또는 질화붕소에 금속원자가 화학적으로 결합된계로 규정된다. 질화 붕소가 흑연과 동일한 조직이기 때문에 질화붕고는 질화붕소 미분자에서 질소 원자의 전자쌍을 이용하여 결합되거나 붕소 원자의 SP³층에 결합되는것에 의해서 공호체 미분자로부터 개재 복합물을 구성할 수 있다. 질화 붕소가 개재된 계의 세번째 유형은 염 개재/분해, 증기화 스퍼터링, 승화/분해와 같은 물리적인 방법에 의해 형성된다. 붕소의 SP³층에 결합되어 형성된 질화 붕소 개재물은 염화 크롬, 염화 세륨, 염화 니켈 및 염화 코발트로부터 합성된다. 염화 크롬을 사용한 전형적인 합성반응은 다음과 같은 예식으로 된다.

유형(1)의 질화붕소 개재물 합성

두번째 유형의 질화붕소 개재물 합성은 금속염의 반응과 질화붕소 미분자에서 질소 원자의 전자쌍을 포함한다. 이트륨 염은 질화붕소의 약 13%로 개재되어 다변 환원계의 활성 금속 상태로 환원된다. 이트륨 염전구물질은 염화 이트륨이나 질산 이트륨으로 구성된다. 염화 이트륨과 합성은 다음과 같다.

유형(2)의 질화붕소 개재물 합성

염 개재 및 분해와 같은 물질적인 방법에 의해 형성된 질화붕소 개재물을 위한 전구물질이 분해온도, 승화온도나 금속증기 스퍼터링 온도 및 압력과 함께 표 6 및 표 7에 표시되어 있다.

[표 6]

질화붕소 개재물 전구물질 금속증기 스퍼터링

[표 7]

전형적인 염 개재/분해의 합성은 다음과같다.

전형적인 증기화/스퍼터링의 합성은 다음과같다.

전형적인 승화/분해의 합성은 다음과같다.

활성 금속 분말이 적절한 방법으로 예비 처리되면 겟터 작용물질이나 겟터 작용물질의 혼합물은 미세한 분말의 형태로 겟터 윤활 매트릭스에서 합성된다. 예비처리는 실온에서 물과 산소와의 반응으로부터 분말을 해제하는 금속 분말 겟터의 표면에 피복하는 것이다. 또한 피복 예비 처리를 하면 피복된 부분과 윤활 분포제사이에 친화력이 발생한다. 겟터 작용물질로 사용되는 금속 분말을 핵분열 생성물중에서 높힌 온도에서수소나 옥소와 반응할 수 있다. CrOx와같은 금속의 다변 산화물은 세슘, 루비듐 및 텔루르와 반응하여 합성된다. 원자로용의 적합한금속 분말은 연료 클래드나 핵분열 생성물에 의하여 부식이나 침식을 당하기 쉬운 다른 연료 클래드와 합금시키지 않은계의 것이다.

사용할 수 있는 수정된 금속 분말이다. 산화물 분말은 이트륨, 크롬 그리고 CrO₂, Cr₂O₃및 CrO₃와 같은 CrOx계의 것이다. 각각의 경우에 있어서 금속이나 산화물 분말은 각부의 표면에 흑연을 점착하여 피복시킴으로써 예비 처리된다. 불활성 기체 건조 상자를 사용하는 비산화탈지제를 적절한 통상적인 방법으로 사용하여 금속이나 금속산화 분말을 최초로 탈지함으로써 예비 처리는 적절하게 완결된다. 금속이나 금속산화분말은 -325에서 +400 메쉬의 입도를 사용한다. 자연 발화성의 위험이 증가하지 않으면 -400 메쉬의 입도도 허용된다. 분말은 이소프로페놀내에 순수한 전기로 흑연의 농축 콜로이드를 분포시킨 후 분포된다. 이러한 혼합물은 부품의 표면에 흑연의 피복으로 남고 증발되는 이소프로페놀의 작용중에 혼합된 후 피복된 부분은 분말로 입혀진다.

윤활성분

원자를 작업에 노출되는 클래드와 펠릿트의 접촉부위에 사용되는 효과적인 윤활제계는 특별한 성분을 가져야 한다. 우선, 윤활제는 원자로 온도와 조사조건에서 윤활기능이 효과적으로 되도록 윤활제의 특징을 구비하여야 한다. 또한 윤활제는 조업중에 발생된 펠릿트와 클래드의 응력을 견디고 재분해하도록 충분한 피막 강도를 지녀야 한다. 또한 클래드 기판에 충분히 점착되어 윤활 피막이 보전되어야 하며 윤활제가 클래드 기판의 부식이나 침식을 방지할 수 있도록 용착되어야 한다.

본 발명에서 사용되는 윤활제는 흑연과 붕소를 함유하며 단독으로 쓰이거나 결합되어 사용되며 흑연이나 붕소에 페놀이나 메틸페닐실록산, 5개나 6개의 환이 있는 폴리페놀 그리고 카보레인 폴리실록산 등과 혼합되어 사용된다.

본 발명에서 사용되는 흑연은 합성물질이며 재결정체이고 기부가 석유 코울 및 무연탄 코울이며 탄소-흑연의 조직이고 열분해의 흑연이며 섬유로 강화되어 있고 음전기와 넌터보스트레틱(non-tunbostratic) 특성을 가지는 우수한 품질과 일반적인 목적에 적당하다. 실제적으로 질화붕소는¹¹B가 농축되고¹⁰가 감손되어 있으며 넌터보스트레틱헥사고날이다. 상술한 바와같이 흑연과 질화붕소를 함께 혼합하여 사용할 수 있다. 실제적으로 또한 카보레인 폴리실록산은¹¹B가 농축되고¹⁰B가 감손되어 있으며 메틸, 메틸페닐, 메틸-1-시아노에틸 또는 그들의 혼합물일 수 있다.

피복충의 피막강도는 사용된 특수한 결합제계를 포함하는 다변 매개 변수의 함수이며, 기판표면의 성분의 순도 그리고 특수한 가공법이 채택된다. 항복조건하에 매우 높은 피막 강도가 다변 결합제의 사용으로 얻었음에도 몇 종류의 결합제는 어느정도의 고온에서 피복의 효율을 감소시킨다. 그러므로 어떤 경우에는 비결합제계를 사용한다.

비결합제를 사용한 피복층의 피막 강도는 여러가지 입도의 윤활고체를 사용하여 상승시킬 수 있다. 기하학적인 면을 고려하면 3가지의 임의의 미립자 직경을 갖는 3가지의 윤활고체 미립자 크기는 대단히 상승된 피막강도를 지닌 피막의 상태가 되도록 단일 미립자 크기나 미립자 범위내의 크기를 채택하여야 한다. 더욱 정확히 설명하면, 윤활 고체는 50 내지 65%의 미립자가 최대 구면이나 평면 직경을 갖고 10 내지 25%의 미립자는 중간 직경을 그리고 25%의 미립자는 최소 직경을 갖는 0.01 내지 22미크론의 입도 범위에 있어야 한다. 윤활고체는 본질적으로 순수한 사이클로헥산, 펜탄, 헥산, 이소프로페놀, P-디옥산 또는 아세톤과 같이 비이클에 분산된 후 차후 설명하는 바와같이 경화된다. 유화제는 비이클내에 윤활 미립자의 현탁액을 유지시키는데 사용된다.

상술했듯이 윤활 피복층의 피막 강도는 결합제계를 사용하여 상승시킬 수 있다. 윤활 미립자 중량의 5 내지 15%에 이르는 규산염, 알루미나 알루미네이트, 알루민 솔레케이트, 지르콘산염 혹은 알카리토 규산염등이 결합제로(¹¹B이 농축되어 있는) 카보레인 폴리실록산이나 다른 유사한 비할로겐류 열경화성 수지와같은 교차 결합이며 열경화성인 중합체 물질의 결합제가 윤활제로 사용된다. 일반적으로 메카니즘을 풀어 놓는 용매가 열-산화에 의해 경화되는 결합제가 또한 사용된다. 모든 중합체 물질은 차후 설명될 경화 주기동안 탄소유리로 분해된다.

금속 기판에 윤활 피복제의 점착은 기판의 표면과 결합될 표면의 청결도에 따라 양호하게 되기도하고 불량하게 되기도 한다. 이러한 이유로, 피복되는 모든 기판을 51 센티미터와 203 센티미터 사이의 원격유인 장치로 표면을 그릿(grit)으로 불어내야 한다. 그릿으로 불어낸 후 용매로 닦아내서 표면의 부스러기나 피막을 제거한다.

비이클

비이클은 겟터 물질과 윤활 고체의 양자에 산포하는 매질로 규정된다. 비결합제 윤활계의 경우에서의 비이클은 윤활고체 매트릭스에 밀접하게 산포된 겟터 물질을 미세한 망상조직으로 하는 겟터 윤활고체계로부터 방출하는 적합한 증기 압력을 가진 용매이다. 그러한 비이클의 예로서 이소프로페놀, 사이클로헥산, 아세톤, P-디옥산 및 M-디옥산, 헥산, 헵탄 및 펜탄, 디옥소린, 클루콜에테르 및 그 밖의 에테르 등이 있다.

결합제의 윤활계에서 비이클은 겟터 작용 물질을 함유하고 있는 윤활 망상조직을 캡슐로 보호하거나 감싸는데 이용되는 실제적인 매트릭스이다. 결합제계에서 비이클은 어떤 면에서는 영구적이며 촉매 반응을 나타내고 열적 교차 결합되어 있다. 그러한 영구적인 비이클은 화확적으로 반응적이어서 어떤 핵분열 생성물과 반응하며 어떤 경우에는 겟터 비이클로서 지정된다. 그러한 겟터 비이클의 예로서 CaOSiO₃유리질이나 유사한 규산물질이 있다. 그에 대한 예로서 알칼리토 규산염은 세슘이나 텔루르 핵분열 생성물과 반응한다.

비이클계의 비중은 지속적이거나 영구적이건간에 윤활제-겟터 유제의 안정도에 중요한 역할을 맡고 있다. 대체로 비중과 점성은 서로 연관성이 있다. 지침으로서 비이클의 비중은 윤활제이나 겟터 고체의 비중보다 커야 되며 물리 화확적인 현상은 조화되어야 한다. 대부분 적합한 비이클은 겟터와 윤활고체 양자의 겉보기 밀도의 두배의 비중을 가져야 하며 건조후 겟터와 윤활고체의 겉보기 피막 밀도에 상당해야 한다. 비이클의 밀도가 고체의 겉보기 밀도에 상당하면 비이클의 점성은 300CP(압력)을 넘어서는 안된다.

어떤 경우에는 윤활제 비이클의 비중과 점성은 상술한 바와같이 겟터와 윤활고체의 물리적 특성에 엇비슷해서는 안된다. 그러나 비이클과 고체의 물리화확적인 차이 때문에 고체는 겟터와 윤활 유체에서 안정한 상태를 유지하여 한다. 차후 논의된 겟터대 윤활고체를 안정시키기 위한 안정도 규칙은 비이클에 분포된 겟터와 윤활고체에 적용된다. 비이클 극성에 비하여 겟터와 윤활제계의 극성이나 이온 작용의 차이가 클수록 용매 매질에서 고체의 부유 안정도는 커진다.

겟터물질과 윤활제의 화합성

겟터와 윤활제계의 적절함을 조절하는 중요한 요소는 윤활제 매트릭스와 겟터의 화합성이다. 이 화합성에는 많은 요소가 있다. 중요한 첫번째의 요소는 윤활제 매트릭스에서 겟터의 부유 안정도이다. 중요한 두번째의 요소는 경화후 피막이 성형되는 동안 윤활제 매트릭스에서 겟터의 산화 안정도이다. 중요한 다른 요소는 피막이 겟터/윤활제 혼합물의 특성을 갖는 것이며 윤활제 매트릭스에서 겟터 물질의 효과를 주는 것이다.

윤활제 매트릭스내의 겟터 작용물질의 복합물은 용매 윤활제나 결합 윤활제계의 안정도에 중대한 관련을 갖고 있지 않다. 안정도는 복합된 후 적절한 유제나 부유 직접물을 유지하기 위한 윤활제와 겟터계의 능력으로 규정된다. 유제 안정도와 겟터와 윤활제 매트릭스화합성을 조정하는 물리적 특성온 미립자 크기와 미립자의 분포 크기, 겉보기 밀도의 특성, 미립자 기하학 및 흑연의 미립자 크기 혹은 다른 윤활 고체를 포함한다. 대부분 겟터계의 미립자 크기는 윤활제의 미립자 크기보다 약같 크며 윤활제의 미립자 크기에 125%를 넘는 경우는 없다. 무해한 유제 물질이 윤활제계에 사용되고 또한 유제 물질이 안정한 피막이나 망상조직을 형성하는데 사용되는 비이클로서 윤활제계의 품질을 떨어뜨기게 되면, 겉보기 괴상 피막크기(복합 미립자 크기)는 윤활 고체 미립자 크기보다 크게된다. 이러한 경우에 겟터 작용 물질의 미립자 크기는 윤활고체 미립자 크기보다 크게 되지만 망상조직은 평면 크기보다 다소 작게 된다. 가장 안정한 피막 구조를 형성하기 위하여 겟터와 윤활제의 미립자 크기는 0.1 에서 2.0미크론 범위내에 있어야한다. 겟터 작용물질의 미립자의 분포는 윤활제 매트릭스에서 복합되어 적절한 피막의 화합성을 유지하기 위하여 피막이 형성되기전에 윤활 고체의 미랍자 분포가 가능한 밀접하게 되게 해야한다. 예를들면 미립자 분포는 최대 직경을 가진 미립자가 체적당 50 내지 66%로 혼합되어 있어야하며, 중간 직경의 미립자는 10 내지 25% 및 최소 직경의 미립자는 25%로 혼합되어 있어야 한다.

겟터 작용물질의 미립자 기하학적 형상은 윤활제 매트릭스에서 합성되는 겟터를 형성하는 함수이다. 개재된 겟터계(흑연 겟터)는 흑연의 평면 기하학적 배치나¹¹BN 윤활제 매트릭스와 유사한 평면 기하학적 형상을 하고있다.

겟터와 윤활제계의 안정도에 영향을 미치는 또 다른 요소는 윤활제와 겟터 사이에 존재하는 겉보기 밀도의 특성이다. 윤활제 매트릭스에서 안정하고 화합성 좋은 겟터계를 얻기 의하여 겟터와 윤활 고체의 겉보기 밀도와, 윤활제계의 겉보기 용해밀도 대 윤활제-겟터계 및 합성물의 밀도 특성이 구비되어야 한다. 분말고체 물질의 겉보기 밀도는 분말의 미립자 크기에 기초를 둔 일반적인 물질의 이론상의 밀도와는 차이가난다. 안정한 윤활 유제나 부유물을 유지하기 위하여 겟터 작용물질의 겉보기 밀도는 윤활 고체의 겉보기 밀도를 초과해서는 안된다. 극성의 차이나 화학 흡수현상과 같이 물리 화학적인 현상에 의하여 높아진 유제의 안정도의 경우, 겟터 물질의 겉보기 밀도는 윤활 고체의 겉보기 밀도에 20 내지 30%를 넘지않는 범위에서 초과할 수 있다.

겟터와 윤활제의 합성물계의 겉보기 용해 밀도는 윤활제와 비이클의 합성 용해 밀도의 20 내지 25%를 넘지 않는 범위에서 초과할 수 있다. 용해 유제나 부유물 안정도는 겟터와 윤활 고체 사이 또는 겟터와 윤활제 비이클 사이에 발생하는 화학 흡수나 극성 인력의 장점을 채택하여 상기의 수치에 관계없이 변경시킬 수 있다. 겉보기 피막 밀도가 유제나 부유물의 안정도에 기술적으로 영향을 미치지 않으면, 겉보기 피막 밀도의 총 변화는 겟터의 추가에 의하여 최종 겟터와 윤활제계의 점착층과 피막의 강도를 변경시킬 수 있다. 윤활제-비이클 매트릭스에 겟터작용 물질을 추가해도 최종 경화된 피막의 겉보기 밀도는 10 내지 55% 이상 증가하지는 않는다. 그러나 점착 물질을 추가하거나 교차결합 또는 건조작용 물질을 사용하여 55% 이상 보정할 수 있고 또한 극성이나 비극성 인력의 조기 경화된 점성과 같은 결합제의 물리화학적 특성을 변경함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.

윤활제계에서 겟터 작용물질의 농도

윤활제 매트릭스에 겟터 작용물질을 농축하면 유제 안정도 및 피막 보전의 양자에 영향을 미치게 된다. 윤활제 및 피막 특성에 아무런 영향을 미치지 않고 윤활제 및 비이클계에 겟터 작용물질을 농축시키면, 겟터계의 화학적 구성과 물리적 특성에 따라 10에서 50% 범위에서 변경할 수 있다. 겟터계가 흑연의 유형이면, 예를들어 활성 이트륨 금속을 25% 함유하고 있는 박층의 이트륨 합성물(개재물)이면, 겟터 작용물질은 용매 비이클의 비결합제 흑연이나 질화 붕소계내에 쉽게 합성된다. 겟터 물질의 비결합제인 윤할제를 형성하는 피막을 풀어놓는 용매와 합성되고 또한 적당한 안정도를 유지한다면, 동일한 겟터 물질은 결합제이자 교차 결합된 윤활제 매트릭스에 합성된다. 그러나 가역이 필히 되어야 할 필요는 없다. 어떤 경우에는 겟터를 윤활제 비이클내에서 윤활 고체의 흑연 혼합물로 예비 처리하면 비결합제의 윤할 유제에서 겟터는 안정하게 된다. 대부분의 분말 금속 겟터계는 비결합제의 윤활제 매트릭스를 추가하기 전에 상기의 방법으로 예비 처리한다. 분말 금속이 윤활 고체에 진공 금속화하거나 스퍼터링하고 그 다음 윤활제 비이클 매트릭스에서 합성되면 겟터-윤활제계는 충분한 유제 안정도를 갖게된다. 대부분의 분말 금속은 매트릭스의 점성이 증가하기 때문에 결합제계에 용이하게 합성된다. 겟터 작용물질의 농축 과정은 특수한 상황에서 야기되는 핵분열 부산물과 펠릿트 불순물의 효과적인 농축에 의하여 거의 결정된다.

겟터-윤활제 비이클계에서 윤활 고체의 농도 또는 유제나 피막의 안정도를 조절할 수 있다. 사용할만한 피막 윤활을 생산케하는 최적의 피막 두께는 0.15 내지 0.98 밀이다. 정상적인 비결합제 윤활제계는 윤활고체가 10에서 18% 사이이며, 이러한 두께의 범위로 피막이 경화되고 충분히 적절한 유체 안정도를 갖는다. 대부분의 비결합제 윤활제계는 고체가 약 35%에서 안정될 수 있다.

전체적인 국면에서, 비이클에 함유되어 있는 겟터 물질과 윤활제는 비결합제계에서 윤활 고체의 농도를 최소 5 내지 9%로 하고 10 내지 18%를 초과해서는 안된다. 결합제나 유지계(폴리카보레인 실록산 매트릭스와 같은)에 함유되어 있는 윤활 고체의 농도는 결합제가 피막 윤활에 최소 작용을 하도록 조정되어야 한다. 대체적으로, 농축수준은 윤활제 종류에 따라 25에서 55% 사이로 한다. 결합제계의 유제 안정도는 결합제계에서 결합제 비이클의 고유점성이 증가하기 때문에 문제가 되지 않는다.

윤활 피막에서 겟터 작용물질의 산화 안정도

경화된 윤활 피막에서 겟터 작용물질의 산화 안정도는 중요하며, 그 이유는 특별한 취급주의(방화가 되는 경우)없이도 취급하기 간편한 탓이며 핵분열 발생 기체와 펠릿트 불순물과 반응하는 겟터의 효과가 있기 때문이다. 수소나 수소결합제 및 옥소로된 겟터와 같이 본문에 기재된 금속이 개재된 계는 활성 금속이 흑연판 사이에 배열되는 박층 흑연류이다. 개재된 흑연과 금속계와 혼합된 여러가지 흑연의 혼합물은 미세하게하는 극미세 처리를 하여 활성 금속이 산화되는 위험을 매우 감소시킬 수 있다. 미세한 흑연 미립자는 활성금속이 얇은 피막으로서 산화가 발생하지 않도록 한다. 그러므로 이트륨, 니켈, 크롬 및 세륨과 같은 개재된 금속은 피막을 형성하는 중이거나 연료 장입과 같은 보조 작업중에 겟터 효율의 감소와 최소의 산화를 보여준다.

세분된 분말 금속은 불꽃같이 눈부시다. 흡도의 함유량에 따라 산소와의 반응은 급격히 증가한다. 켓터로서 미세하거나 극미세한 분말 금속을 사용하기 위하여 물질은 겟터의 특성에 효과가 없이도 산화와 반응을 하지 않는 것이어야 한다. 깃은 헬륨 분위기내에서 흑연의 극미세한 전기피복 용해에 세분된 금속 분말을 슬러리하여 될 수 있다. 흑연 분포는 비교적 산소를 스며들게 하지 않는 흑연면의 미세한 균질 망상 조직을 형성한다. 극미세한 피복된 미립자는 이소프로페놀에서 순수한 전기로 흑연의 10.71%의 콜로이드 분포와 같은 윤활 분포를 포함한다. 헬륨 분위기가 제거되고 약 50%의 습도를 지닌 분위기에 놓여지면 피복된 분말은 주위 산소와 불꽃과 같은 반응을 하지않는다.

겟터 농도

윤활 매트릭스에 의해 조절되는 것을 제의하고, 겟터-윤활계에서의 겟터 작용물질의 농도는 사용되는 특수한 켓터의 효율에는 관계가 없다. 겟터 효율은 여러가지 매개 변수의 함수이며 현 겟터 분위기내에서의 상황과 경쟁적인 반응의 함수이다. 예를들면 산소는 흡수되는 특수류에 우선하여 겟터에 경쟁하게 된다.

분석적인 자료를 기초로하여 연료에 함유될 수 있는 물의 최대량은 약 7.5피피엠이다. 연료봉 UO₂가 2.500그램이면 물 18.742마이크로그램 혹은 수소 2.082 마이크로그램이 된다. 물이 존재하면 작업 조건하에서 산소와 수소로 분해된다. 산소는 겟터와의 반응에 수소와 경쟁한다. 상기 양의 물과 겟터 물질이 이트륨으로 가정할때 수소를 흡수하기 위한 이트륨의 양은 0.0616그램, 산소를 흡수하기 위한 이트륨의 양은 0.0307그램으로 계산된다. 그러므로 산소와 수소 모두를 흡수하기 위한 이트륨의 총량은 0.0923그램이된다. 이 값은 다음과 같은 반응식으로부터 산출된다.

1. 2Y+3H₂_________ 2YH₃

2. 2Y+O₂________ 2Y+3O₂

그와 유사한 계산이 경쟁적인 반응의 전체에 대해 용이하게 행히지며 반응은 계에서 물질이 각각 흡수되고 사용되는 겟터 물질의 각각에 관련하여 발생한다. 이러한 계산법으로 핵분열 부산물과 펠릿트 불순물을 흡수하는데 필요한 특수한 겟터 농도를 산출한다. 그러나 계산에 의한 것보다 겟터 물질의 더 많은 양을 첨가해서 겟터의 능력이 여분으로 남게하여 겟터의 큰 농도가 윤활제 매트릭스에서 비안정의 원인이 되지 않도록 하는것이 바람직하다.

겟터 윤활제 구성

겟터-윤활제계는 단일 혹은 복합적인 겟터의 목적으로 구성되며, 클래드 물질의 내경에 피복되어지거나 연료나 유독성의 펠릿트 외경에 피복된다. 상술한 바와같이 겟터-윤활제계의 조직은 여러가지 핵분열 생성물이나 불순물중 한가지를 흡수하기 위한 단일계나 핵분열 생성물과 불순물의 둘 혹은 그 이상 흡수하기 위한 복합계가 된다. 계의 여러가지 유형을 다음과 같은 예로 들었다.

[예 1]

이트륨을 10 내지 25퍼센트 함유하는 이트륨-흑연이 개재된 분말은 -325타일러(Tyler) 표준메쉬에서+400 메쉬의 미립자 크기로 수소 겟터로 사용된다. 윤활제는 비이클로서 순수한 이소프로페놀에 10.71%의 흑연 고체를 혼합한 것이다. 고체-용매 매트릭스는 겟터 작용물질을 함유하는 건조 피막을 0.2 내지 0.7밀의 두께로 형성한다. 이소프로페놀에 상업적으로 이용할 수 있는 흑연의 분포제는 아치슨 콜로이드회사(Acheson Colloids) 제품의 DAG-154와 DAG-156 그리고 그레이트 레이크스 그래파이트 코포레이션사(Great Lakes Graphite Corp.) 제품이 네오루브(NEOLUBE)가 있다. 예를들면 연료 클래드의 내경의 피복은 건조나 경화된 피막 중량으로서 윤활제-용매 매트릭스의 50.48 내지 86.39%로 분포된 겟터 구성 성분(이트륨 25%로 가정)을 13.61 내지 49.2%를 함유하고 있다.

전형적인 비율은 겟터 31.56 퍼센트에 윤활제-용매 매트릭스 68.44%이다. 이것은 건조 피막 두께가 0.5밀인 피복층으로 내경 0.986센티미터인 연료봉 클래드에 기초를 두어 산출한 것이다. 피복층이 얇거나 사용할 수 없는 부위가 발생하면 겟터-윤활제 혼합물에서 겟터의 함유물울 높게하여 겟터는 동일한 양이 되도록 해야한다.

[예 2]

또 다른 수소 겟터는 질소와 니켈의 합금 분말로 형성되어 있으며 입도는 -325 메쉬에서 +400 메쉬의 분포이고 산소와 수소가 유리되어 있으며 필요한 순도의 기준이 정해져 있다. 니켈을 함유한 합금은 니켈 함유량이 10 내지 20% 분포인 합금에서 유리 니켈이 형성되지 않는 상태로 온도에 의존되어 있다. 동일한 윤활제계가 예 1과같이 사용된다. 연료 클리드의 내경에 입혀진 피복층은 겟터-윤활제 용매계에서 합금 겟터의 2.63 내지 14.42%를 함유하고 있다. 전형적인 비율은 겟터 8.52%에 윤활제-용매 매트릭스 91.48%이다. 겟터-윤활제가 연료 펠릿트의 외경에 피복되면 전형적으로 더 많은 양이 사용된다. 예를들면 연료 펠릿트의 외경에 피복하는 것은 겟터-윤활제-용매계에서 26.18 내지 49.67% 범위로 겟터가 사용된다.

옥소와같은 할로겐류 겟터로서 예 1과 예 2에서 발표된 것과 동일한 미립자 크기의 크롬 금속 분말이 사용된다. 금속 분말은 불활성 기체의 건조 상자를 사용하는 비산화 탈지제에서 적절한 방법으로 탈지된다. 그런후 금속 분말은 분말의 표면을 습하게하는 윤활제에서 사용된것과 동일한 용매 비이클로 혼합된다. 윤활제-용매계의 혼합물은 금속 분말-용매 슬러리에 포함된다. 이 혼합물은 서서히 증발되어 건조되고 금속분말에 윤활 미립자의 피복층으로 남는다. 윤활제 피복층을 함유하는 예비 처리된 급속 분말은 바라는 수준의 농도로 윤활제-용매계내로 혼합된다. 연료봉의 내경에 피복하기 위하여 99.93 내지 99.49% 범위의 윤활제계에 0.07 내지 0.51% 범위의 크롬 분말을 혼합한 구성 비율로 한다.

[예 4]

옥소를 사용한 겟터의 또 다른 계는 10 내지 25%의 크롬을 흑연에 개재한 크롬-흑연 개재물을 사용한다. 윤활제계의 경우에는 P-디오산에 에버루브(Everlube) 823을 넣는다. 구성 비율은 겟터-윤활제계에서 0.45 내지 3.08% 범위의 겟터를 사용하고 적절한 비율은 1.86%이다.

[예 5]

본 예에서는 겟터 물질계는 아세톤에 혼합된 "¹¹BN"인 윤활제계와 함께 크롬이"¹¹BN"에 개재된 것이다. 이 계에서는 또한 할로겐류를 겟터 물질로 사용한다.

[예 6]

세슘이나 루비듐과 같은 알칼리류로된 겟터는 크롬 3산화물로 형성되어 있다. 크롬 3산화물은 흑연에 개재된 후 열처리를 하여 크롬 3산화물을 CrOx 상태로 변환시킨다. 이것은 경화 과정이 완료된 후 진공하에서 1시간동안 150℃로 유지시키는 것외에는 차후 설명할 경화 단계중에서 실제적으로 이루어진다. 개재물의 초기 크롬 3산화물의 함량이 25%이면 적절한 피복물은 예 1에서 설명한 바와같이 윤활제계에서 0.11 내지 6.49%의 겟터 물질을 함유하게 된다. 동일한 계로 텔루르와 같은 VI족 원소로된 겟터가 있다.

[예 7]

전체 핵분열 생성물류(수수, 할로겐류, 알칼리류 및 VI족 원소)를 겟터에 적용시킨 전형적인 겟터-윤활제계는 상술한 윤활제계의 일종인 이트륨-흑연 개재물, 크롬-흑연 개재물 및 CrOx-흑연 개재물의 혼합물로 형성되어 있다. 핵분열 생성물의 바라는 비율을 얻기 위해 적응시킨 이러한 3가지 유형의 개재물의 전형적인 비율은 이트륨-흑연 개재물 62%, 크롬-흑연 개재물 4% 및 CrOx-흑연 개재물 34%의 중량으로 되어있다. 피복 합성물은 겟터-윤활제계에서 16.55 내지 51.45%의 합성된 게겟터 물질을 함유하고 있다.

피복층의 적용

피복은 액체가 분당 2.54 내지 25.4 센티미터의 속도로 봉을 상승하도록 아르곤, 질소, 헬륨이나 그와유사한 기체로 액체를 가압하여 연료봉의 하부에서 부터 적용된다. 유체의 고체 플러그가 봉에 유지되어있는한 봉은 수직 또는 수평 위치로 피복된다. 유체가 봉의 상부에 이르면 5 내지 130초 정도 유지한후 역방향으로 유체 기둥에 압력을 가하여 관을 통해 천천히 배출한다. 기체는 25°내지 80℃의 온도를 유지하고 배출 속도는 분당 2.54 내지 25.4 센티미터로 한다. 배출이 끝나면 가열된 기체는 분당 1 내지 100CC의 이송속도로 대기압보다 약간 상회하는 압력에서 봉을 지나 완만하게 통과하도록 한다. 기체 이송은 25°내지 80℃의 온도에서 10 내지 180분가 유지한다.

경화

배출된 후 건조된 봉은 내경 피복층을 포함하여 관상로(管狀爐)의 외측에 발열체가 설치된 304 또는 316 스테인레스강으로된 관상로의 외경내에 수평으로 설치된다. 관상로는 관의 내경이 10^-5내지 10^-6토르의 압력으로 배출되고 진공 공급원으로 통하는 각 출구에 액체 질소 냉각 트랩 장치를 갖추도록 설계된다. 봉과 관과 그릿의 외경에 접촉된 내경위의 고순도 Al₂O₃스페이스와 함께 지르칼로이 4 그릿내로 개재되어 진공분위기에서 복사열에 평등하게 노출되도록 한다.

봉은 진공 관상로에 포함되어 있는 그릿에 수평으로 놓여지고 10^-5내지 10^-6토르의 진공상태에서 60 내지 180분간 유지되는 한 33℃의 온도에서 노출시킨다. 그런 다음 조립품은 진공이 유지되는 동안 l49°와 343℃ 사이의 온도에 이를때까지 분당 5.6℃씩 상승하도록 가열한다. 바라는 온도에서 유니트는 10^-5내지 10^-6토르의 진공에 이를때까지 등온을 유지하며 60 내지 180분간 상기의 입력과 온도에서 일정하게 유지한다.

이와같은 제조건이 충족되면 조립품은 37°와 454℃ 사이의 온도에 이를때까지 분당 5.6°내지 16.8℃씩 상승하도록 가열하며 10^-5내지 10^-6토르의 진공이 유지되는 한 바라는 온도를 유지한다. 이러한 관점에서 조립품은 60 내지 480분간 10^-5내지 10^-6토르에서 371°내지 454℃ 온도의 조건으로 일정하게 유지한다. 바라는 등온-진공 조건이 완료되면 시간과 온도를 맞춰 관상로를 폐쇄하고 유니트는 10^-5내지 10^-6토르의 진공하에서 자체적 열로는 불활성 상태인 22℃ 내지 49℃로 냉각한다.

22℃ 내지 49℃에서 피복되어 경화된 봉은 진공로에서 제거한다. 각 공정을 통하여 산소함량이 0.01 내지 0.1 피.피.엠.을 초과해서는 안된다. 진공열처리를 하는 동안 연료봉 내특에 피복할 내경의 표면 온도를 측정 기준으로 정해야 하며, 모든 압력 측정 기준은 관상로 길이에 따라 3가지의 등거리 위치에서 정해야 한다. 액체 질소와 냉각 트랙은 노로부터 모든 진공 부분에서 유지하여야 한다.

본 발명을 여러가지 변화로 검토하고 특별한 예를들어 설명했지만 특허청구범위의 정신과 범위내에서는 수정이 가해질 수 있다.

Claims

핵연료 물질과 핵연료 물질을 보유하는 피복 물질과, 그리고 핵연료 물질과 연료 피복 물질 사이에 위치하여 적어도 핵연료 물질과 연료 피복 물질중의 하나에 부착된 피복층으로 구성되어 있는 핵연료 소자에 있어서, 상기 피복층은 (a) 흑연과 질화 붕소로 이루어지는 그룹에서 선택한 재료를 포함하고 있는 윤활제 매트릭스와, (b) 지르코늄, 이트륨, 티타늄, 세륨, 고발트, 니켈, 크롬 및 이들의 화합물, 합금 및 혼합물로 이루어지는 그룹에서 선택되고, 윤활제, 매트릭스에 화학 결합되어 개재된 겟터 물질과, (c) 연속 피막내에 상기 개재된 겟터 물질을 형성하여 고정시키는 결합제로 이루어지는 것을 특징으로하는 핵연료 소자.
제1항에 있어서, 겟터 물질은 분말 금속으로 이루어진 것을 특징으로하는 핵연료 소자.
제2항에 있어서, 분말 금속은 금속 분말이 대기중에 노출될때 물 및 산소와 반응하는 것을 방지해주는 입자의 피복층을 포함하는 것을 특징으로하는 핵연료 소자.
제3항에 있어서, 피복층은 흑연인 것을 특징으로하는 핵연료 소자.
제1항, 2항, 3항 또는 4항에 있어서, 질화 붕소는¹¹B가 농축되어 있는것을 특징으로하는 핵연료소자.
제1항, 2항, 3항 또는 4에 있어서, 겟터 물질은 수소 및 수소 함유 물질을 위한 겟터 물질, 할로겐류를 위한 겟터 물질, 알칼리류를 위한 겟터 물질 및 주기율표의 VI족 원소를 위한 겟터 물질이 조합되어 있는 것을 특징으로하는 핵연료 소자.
겟터 성질과 윤활 성질을 갖는 핵연료 소자에 피복층을 생성하는 피막 형성 혼합물에 있어서, 액상 비이클의 균질한 혼합물과, 윤활제 매트릭스와, 윤활제 매트릭스에 개재된 겟터 물질과, 그리고 결합제를 포함하고 있는 것을 특징으로하는 경화성 피막 형성 혼합물.