WO2018194343A1 - 다층구조 핵연료 피복관 및 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법 - Google Patents

다층구조 핵연료 피복관 및 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법 Download PDF

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tube
preliminary
inner tube
outer tube
fuel cladding
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윤영수
이강수
우성필
김인예
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가천대학교 산학협력단
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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a multi-layered fuel cladding tube and a multi-layered fuel cladding tube, and more particularly, to a method for manufacturing a multi-layered fuel cladding tube and a multi-layered fuel cladding tube formed from metals having different inner and outer tubes.
  • nuclear power plants generate steam from heat generated by nuclear fission, and generate electric energy by turning a turbine with the power of steam generated.
  • the nuclear power plant consists of multiple layers of barriers to prevent the leakage of radioactive materials and to keep nuclear power safe.
  • the nuclear fuel cladding tube which is the second security barrier, encloses the fuel sintered body to isolate the coolant of the primary system circulating the reactor and the fuel causing the fission to prevent the transfer of fission products generated during the fission reaction to the coolant of the primary system. It is responsible for effectively transferring heat generated by fission to the cooling water of the primary system.
  • the outer tube may be larger in ductility than the inner tube.
  • the outer tube may include a protective layer provided on an outer surface of the outer tube.
  • the protective layer may be a metal oxide or metal nitride of a metal forming the outer tube.
  • a method for manufacturing a multi-layer fuel cladding tube wherein a preliminary inner tube of a zirconium alloy provided with a receiving space into which a nuclear fuel sintered body is inserted is inserted into a preliminary outer tube having a larger diameter than the preliminary inner tube.
  • the metal forming the preliminary outer tube may have a thermal neutron absorption cross-sectional area of 0.0045 barn to 440 barn.
  • the metal forming the preliminary outer tube may have a thermal expansion coefficient of 1 ppm / K to 40 ppm / K.
  • the preliminary outer tube may have a greater ductility than the preliminary inner tube.
  • step of applying the pressure may further comprise the step of dissolving the filler in the preliminary inner tube.
  • the preliminary outer tube and the preliminary inner tube may further include forming a protective layer on an outer surface of the outer tube manufactured by being tightly fixed.
  • the protective layer may be formed by oxidizing or nitriding a metal constituting the outer tube by plasma surface treatment.
  • the applying of the pressure may be performed by moving the preliminary cladding tube between a plurality of rolls in which the separation distance of each of the plurality of roll units spaced apart from each other in the longitudinal direction of the preliminary cladding tube is gradually reduced.
  • the pressure can be increased gradually.
  • the preliminary outer tube may be larger than the preliminary inner tube to be tightly fixed to the preliminary inner tube.
  • the inner tube of the zirconium alloy having excellent mechanical properties to the inner side, it is possible to improve the mechanical strength of the multi-layered fuel cladding tube according to the present invention, and at the same time to provide the outer tube made of a metal different from the zirconium alloy to the outer side to cool
  • the risk of hydrogen explosion can be reduced by preventing the oxidation of zirconium.
  • the outer tube can have more excellent oxidation resistance, and water molecules can diffuse into the inner tube because it can prevent the surface oxidation from progressing even in a sudden temperature increase in a nuclear accident environment. Can effectively prevent oxidation.
  • the outer tube by forming the outer tube with a metal having a coefficient of thermal expansion similar to that of the inner tube made of a zirconium alloy, the gap between the inner tube and the outer tube in a high temperature environment can be prevented, and accordingly, The thermal energy can be transferred to the cooling system of the first system more smoothly, thereby lowering the temperature of the nuclear fuel.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multi-layer fuel cladding tube according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing a multi-layer nuclear fuel cladding formed protective layer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a flow chart showing a method of manufacturing a multi-layer fuel cladding tube according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view showing a process for producing a pre-coated tube for performing a conduit process according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view showing a process of dissolving the filler after the filling process according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a multi-layered nuclear fuel cladding tube according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a perspective view showing a multi-layered nuclear fuel cladding formed a protective layer according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1A is an exploded perspective view of the multi-layered nuclear fuel cladding
  • FIG. 1B is a perspective view of the multi-layered nuclear fuel cladding.
  • the multi-layered fuel cladding tube 100 has an inner tube 110 of a zirconium alloy provided with a receiving space 115 through which both ends are opened to insert the fuel sintered body therein. ); And an outer tube 120 disposed coaxially with the inner tube 110 and having a diameter larger than that of the inner tube 110 so as to surround the outer surface of the inner tube 110. ) And the inner tube 110 are tightly fixed to each other, it may be formed of different metals.
  • the inner tube 110 of the zirconium alloy may be inserted into the receiving space 125 of the outer tube 120 to be described later, the receiving space (or hollow) so that both ends in one direction are penetrated to insert the nuclear fuel sintered body therein. It may have a hollow cylindrical shape having a) 115.
  • the outer diameter of the inner tube 110 may be formed to be smaller than the inner diameter of the outer tube 120. That is, the outer diameter of the inner tube 110 may be smaller than the inner diameter of the outer tube 120 so that the inner tube 110 is inserted into the receiving space 125 of the outer tube 120, the receiving space of the outer tube 120.
  • the inner tube 110 of the zirconium alloy inserted into the 125 may be disposed at the innermost portion of the multi-layer fuel cladding tube 100.
  • the nuclear fuel sintered body inserted into the receiving space 115 of the inner tube 110 is a cylindrical fuel pellet made of ceramic by compressing and sintering nuclear fuel materials such as uranium dioxide.
  • the nuclear fuel is called nuclear fuel, which emits energy by causing fission. May be composed of elements such as uranium (atomic number 235 and 238) and plutonium (atomic number 239) that generate energy when nuclear nuclei absorb nuclear neutrons or fast neutrons.
  • uranium dioxide powder which is a final chemical form in which uranium is used as a nuclear fuel through a concentration process and a chemical process, is used.
  • Uranium dioxide in the form of the converted powder can be molded into a cylindrical form and subjected to high temperature treatment to produce a nuclear fuel sintered body of ceramic.
  • the cylindrical fuel sintered body thus made may be inserted into the interior of the nuclear fuel cladding, that is, the receiving space 115 of the inner tube 110 according to the embodiment of the present invention, and the both ends of the nuclear fuel cladding tube are welded and sealed with a cylindrical stopper to seal the nuclear fuel rod.
  • the aforementioned fuel rods can be bundled again into bundles of fuel, and the fuel assembly is loaded into the reactor's coolant to start nuclear fission and generate heat energy. Will diverge. Here, the enormous thermal energy emitted by the fission chain reaction is transferred to the coolant outside the fuel cladding.
  • the fuel cladding tube is a very important configuration that serves to protect the fuel safely from fission reactions and prevent radioactive material from leaking to the outside, and has a good mechanical property and a small thermal neutron absorption cross-sectional area for long-term use. .
  • zirconium forming the inner tube 110 has a very small thermal neutron absorption cross section of 0.18 barn, the probability that the thermal neutrons are absorbed by the nuclear fuel cladding is reduced, so that the nuclear fission reaction may occur effectively. Thermal energy can be generated, effectively increasing the output of nuclear fuel.
  • zirconium may be suitable for use as a material for nuclear fuel cladding because it has a small thermal neutron absorption cross-sectional area as well as excellent mechanical strength in a nuclear reactor environment.
  • the zirconium alloy (Zircaloy) can be used to increase the mechanical strength, thereby enabling stable operation of nuclear power.
  • the fuel cladding tube formed of zirconium can solve the problem of the fuel cladding tube made of zirconium alloy and improve the safety of the fuel because it can not only leak nuclear fuel to the outside by high temperature oxidation reaction in case of accident, but also generate hydrogen explosion.
  • the outer tube 120 may be formed of a different metal from the inner tube 110 so as to surround the inner tube 110 of the zirconium alloy to greatly increase.
  • the metal forming the outer tube 120 may have a thermal expansion coefficient of 1 ppm / K to 40 ppm / K.
  • a receiving space for inserting a nuclear fuel sintered body is provided, and a preliminary inner tube 210 made of a zirconium alloy having excellent mechanical strength is provided, and a preliminary outer tube 220 for improving corrosion resistance of the nuclear fuel cladding tube is provided.
  • a zirconium alloy is used as the preliminary inner tube 210, and the preliminary outer tube 220 has a thermal neutron absorption cross section of 0.0045 barn to 440 barn, and has a thermal expansion coefficient of 1 ppm / K to 40 ppm / K. Can be used.
  • the preliminary outer tube 220 may be larger than the preliminary inner tube 210.
  • the metal forming the preliminary outer tube 220 may have a heat neutron absorption cross-sectional area of 0.0045 barn to 440 barn.
  • the heat neutron absorption cross-sectional area is a cross-sectional area for absorption reaction in which a thermal neutron is absorbed in a target atomic nucleus.
  • nuclear fission occurs as the nucleus and neutron react, and two or three neutrons released in one nuclear fission lose energy and are decelerated by the moderator. Slowed neutrons (heat neutrons) collide with other nuclei again, causing fission again, and the fission chain reaction occurs by these thermal neutrons.
  • the decelerated thermal neutrons need to be absorbed by the atomic nucleus. If the metal forming the preliminary outer tube 220 has a heat neutron absorption cross-sectional area larger than 440 barn, heat that generates nuclear fission may be obtained. Since the probability that neutrons are absorbed by the fuel cladding tube increases, the probability that a fission reaction takes place decreases. Accordingly, the heat energy generated by fission is not generated. On the other hand, if the metal forming the preliminary outer tube 220 has a heat neutron absorption cross-sectional area smaller than 0.0045 barn may be effective for the fission reaction, but the problem is difficult to form and manufacture the preliminary outer tube 220.
  • the nuclear fuel sintered body accommodated in the accommodating space of the preliminary inner tube 210 has a higher temperature than the cooling water, thereby failing to secure safety of a nuclear reactor accident.
  • a preliminary outer tube 120 made of a metal having a coefficient of thermal expansion of 1 ppm / K to 40 ppm / K which is similar to that of the preliminary inner tube 210 made of a zirconium alloy, the preliminary interior even in a high temperature environment due to nuclear fission.
  • the gap between the pipe 210 and the preliminary outer tube 220 is prevented in advance so that the heat energy generated from the nuclear fuel sintered body accommodated in the accommodating space of the preliminary inner tube 210 can be more smoothly transferred to the cooling water to improve the nuclear fuel output.
  • the preliminary inner tube 210 of the zirconium alloy provided with a receiving space into which the nuclear fuel sintered body is inserted is larger than the preliminary inner tube 210.
  • the preliminary outer tube 220 may be inserted into the preliminary outer tube 220 (S200), and the filler 230 may be filled in the preliminary inner tube 210 to form the preliminary cladding tube 200 (S300).
  • Closing both ends of the preliminary cladding tube 200 is achieved by blocking the exposed areas of both ends of the preliminary outer tube 220 and the preliminary inner tube 210 from the outside through the blocking member 240. After inserting the preliminary inner tube 210 into the 220, the exposed portion of one end of the open outer ends of the preliminary outer tube 220 and the preliminary inner tube 210 is first covered with the blocking member 240 and then the filler 230. Filling and covering the remaining portion of the other end can be closed by covering with a blocking member 240.
  • the blocking member 240 may cover the exposed portions of both ends of the preliminary covering tube 200 to close both ends thereof, and the blocking member 240 may be a preliminary outer tube of the preliminary covering tube 200.
  • the filling material 230 in the preliminary inner tube 210 may be stably processed without exiting out.
  • the blocking member 240 may be used a variety of members that can cover the exposed portion of both ends.
  • the diameter of the preliminary cladding tube 200 may be reduced through a conduit process in which pressure is applied from the outside of the preliminary cladding tube 200 to the inside.
  • the preliminary outer tube 220 may be larger than the preliminary inner tube 210 to be fixed in close contact with the preliminary inner tube 210 (S420).
  • the conduit pipe device 300 may allow the length of the preliminary cladding tube 200 to be increased or reduced in diameter by compressing the preliminary cladding tube 200 with a roller from the outside, and preliminary of the preliminary cladding tube 200 by applying pressure from the outside.
  • the outer tube 220 and the preliminary inner tube 210 may be tightly fixed to each other.
  • the shaft tube device 300 may include at least one roll unit 310a, 310b, 310c spaced apart from each other based on the longitudinal direction (that is, one direction) of the preliminary covering pipe (200). That is, in the present invention, the first roll unit 310a, the second roll unit 310b, and the third roll unit 310c are spaced apart from each other based on the longitudinal direction of the preliminary covering pipe 200.
  • 312b, 312c, and the preliminary cladding tube 200 moves forward between the first rolls 311a, 311b, 311c and the second rolls 312a, 312b, 312c, thereby forming an outer side of the preliminary cladding tube 200.
  • Pressure can be applied.
  • first rolls 311a, 311b, and 311c and the second rolls 312a, 312b, and 312c may be provided to contact the outer surfaces of the preliminary cladding pipe 200 based on the preliminary cladding pipe 200, respectively.
  • the diameter of the preliminary cladding tube 200 may be reduced by the pressure applied in contact with 312c), or the preliminary outer tube 220 and the preliminary inner tube 210 may be in close contact with each other.
  • the points of the preliminary cladding tube 200 passing through the plurality of roll units 310a, 310b, 310c are classified into A, B, and C, and for each diameter and thickness, respectively.
  • the diameter of the preliminary cladding tube 200 that is, the accommodating space of the preliminary inner tube 210 is shown. It can be seen that the diameter of is gradually decreased from D1 to D3.
  • each of the roll units 310a, 310b, and 310c includes the first rolls 311a, 311b, and 311c and the second rolls 312a, 312b, and 312c. It is shown as constituting two rolls), but the number of rolls and the number of roll units 310a, 310b, 310c can be changed to various numbers without being limited thereto.
  • the diameter of the pre-coated pipe 200 is shown to be greatly reduced, which is shown to feel the difference to explain the change in diameter.
  • the filler material 230 since the filler material 230 has a force for supporting the preliminary inner tube 210 to the outside against the pressure applied from the outside, the preliminary inner tube 210 is in a predetermined position and the preliminary outer tube Since the 220 is larger than the preliminary inner tube 210 due to external pressure and is pushed toward the preliminary inner tube 210, the preliminary outer tube 220 and the preliminary inner tube 210 may be tightly fixed to each other. That is, the preliminary outer tube 220 may be ductile than the preliminary inner tube 210, and the preliminary outer tube 220 is external to the preliminary inner tube 210 while pressure is applied to the preliminary cladding tube 200. The ductility may be greater than that of the preliminary inner tube 210 so as to be in close contact with the surface. It can be minimized can be fixed in close contact with the preliminary inner tube (210).
  • the closed ends of the preliminary cladding tube 200 are opened (S510), and both ends of the preliminary cladding tube 200 are externally located.
  • the filler 230 in the preliminary inner tube 210 may be dissolved and removed (S520). That is, by removing the blocking member 240 provided at both ends of the pre-coated tube 200 to open both ends of the pre-coated tube 200, in the container (L) containing the solution (S) as shown in Figure 6 (b) Immersion may dissolve the filler 230.
  • the solution for dissolving the filler 230 may use the above-described solution (aqueous solution, chemical solution), and in the present invention, the filler 230 is removed by immersing the pre-coating tube 200 in the solution, but is not limited thereto. Instead, the solution may be poured into the preliminary inner tube 210 accommodating space to dissolve the filler 230 through the filler 230.
  • a process of forming a protective layer 121 on the outer surface of the outer tube 120 is prepared by tightly fixing the preliminary outer tube 220 and the preliminary inner tube 210. It may further include (S600), the protective layer 121 may be formed by oxidizing or nitriding the metal constituting the outer tube 120 by the plasma surface treatment.
  • the protective layer 121 may be formed on the outer surface.
  • the protective layer 121 may be a metal oxide layer or a metal nitride layer, and a general surface treatment method for forming the metal oxide layer or the metal nitride layer may be performed at a high temperature process of about 600 ° C. to 1000 ° C.
  • a high temperature process of about 600 ° C. to 1000 ° C.
  • the surface treatment of the outer tube 120 is performed at a high temperature, the mechanical and chemical properties of the cladding tube are deteriorated, so that a low temperature process is required to minimize the mechanical characteristic change and the crystal structure change of the cladding tube.
  • a plasma surface treatment method of a low temperature process is used to form a metal oxide film or a metal nitride film.
  • Plasma surface treatment can enable the surface treatment of the outer tube 120 even at low temperatures because the high energy of the plasma can effectively lower the heat treatment temperature of the cladding tube by about 200 °C to 500 °C, from which the mechanical properties and determination of the cladding tube The structural change can be minimized.
  • the protective layer 121 may be formed by plasma surface treatment, and reacts gas particles (eg, O 2 ) in a plasma environment with a metal forming the outer tube 120 to externally react.
  • the metal constituting the outer surface of the tube 120 can be changed to a metal oxide.
  • a protective layer 121 of thin and dense metal oxide on the outer surface of the metal forming the outer tube 120 by plasma surface treatment in a low temperature process, the mechanical properties of the coated tube can be maintained and the outer tube 120 can be maintained.
  • the detailed effects that appear as the protective layer 121 is formed are the same as those of the above-described protective layer 121, and thus repeated descriptions (or effects) will be omitted.

Abstract

본 발명에 따른 다층구조 핵연료 피복관은 양단이 개구되어 내부에 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되는 지르코늄 합금의 내부관; 및 상기 내부관과 동축으로 배치되고, 상기 내부관의 외부 표면을 둘러싸도록 상기 내부관 보다 큰 직경을 가지는 외부관을 포함하고, 상기 외부관과 내부관은 상호 밀착 고정되며, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.

Description

다층구조 핵연료 피복관 및 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법
본 발명은 다층구조 핵연료 피복관 및 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부관과 외부관이 서로 다른 금속으로 형성된 다층구조 핵연료 피복관 및 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 원자력 발전소는 핵분열로 생기는 열로 증기를 발생시키고 발생된 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기에너지를 생산하는 곳으로서 방사성물질의 누출을 막고 원전의 안전을 지키기 위해 여러 겹의 방호벽으로 이루어져 있다. 그 중 제2 방호벽인 핵연료 피복관은 핵연료 소결체를 감싸서 원자로를 순환하는 1차 계통의 냉각수와 핵분열을 일으키는 핵연료를 격리시켜 핵분열 반응 중에 생성된 핵분열 생성물이 1차 계통의 냉각수로 옮겨가는 것을 방지하고, 핵분열에 의해 생성된 열을 효과적으로 1차 계통의 냉각수에 전달하는 역할을 한다.
핵연료 피복관이 들어있는 원자로의 노심에서는 핵연료의 핵분열 연쇄반응으로 인한 엄청난 열에너지가 발생되고, 이에 따라 원자로를 순환하는 1차 계통의 냉각수는 열에너지를 전달받아 2차 계통의 물을 증발시키는 역할 뿐만 아니라 원자로 내부를 순환하면서 핵분열 반응으로 원자로의 노심에서 발생하는 열을 식혀 냉각시켜주어야 한다.
하지만, 전력 공급 차단으로 인한 냉각수 순환 중지로 후쿠시마 원자력 발전소가 폭발한 바와 같이, 핵분열로 발생한 엄청난 열을 식혀 주어야 하는 냉각시스템 고장 등의 원인으로 냉각수가 제대로 공급되지 않으면 원자로 노심이 수용된 원자로 압력용기의 내부 온도가 급격히 올라갈 뿐만 아니라 핵연료 피복관을 이루는 재료가 고온의 수증기와 반응하면서 급격한 산화 반응이 진행되는 문제가 있다.
냉각기능 상실로 인해 핵연료 피복관을 이루는 재료가 고온의 수증기(H2O)와 반응하여 산화되면 수소가 대량으로 발생되고, 발생된 수소는 원자로 압력용기의 상부로 모이게 되며, 원자로 압력용기 상부에 쌓여 수소 농도가 높아지면 산소와 반응하여 수소폭발이 일어나는 큰 문제가 발생한다. 후쿠시마 원전사고에서는 냉각수 순환 중지로 핵연료 피복관에서 수소가 발생하였으며, 원자로 건물 상부에 모인 수소가 공기와 반응하여 수소폭발이 발생하였다.
뿐만 아니라 고온산화 및 부식으로 인해 핵분열 생성물인 방사성 물질이 외부로 유출될 수 있고, 핵연료 피복관의 교체주기가 짧아져 경제적 손실을 가져올 수 있다. 게다가, 급격한 산화 반응에 따른 핵연료 피복관의 취화 현상은 재료의 연성을 저하시켜 핵연료 집합체의 안전성을 위협할 수 있다.
(특허문헌 1) 한국등록특허공보 제10-0963472호
본 발명은 서로 다른 금속으로 제조된 다층구조 핵연료 피복관 및 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관은 양단이 개구되어 내부에 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되는 지르코늄 합금의 내부관; 및 상기 내부관과 동축으로 배치되고, 상기 내부관의 외부 표면을 둘러싸도록 상기 내부관 보다 큰 직경을 가지는 외부관을 포함하고, 상기 외부관과 내부관은 상호 밀착 고정되며, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 외부관을 형성하는 금속은 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가질 수 있다.
상기 외부관을 형성하는 금속은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가질 수 있다.
상기 외부관은 상기 내부관보다 연성이 클 수 있다.
상기 외부관은 상기 외부관의 외부 표면에 제공되는 보호층을 포함할 수 있다.
상기 보호층은 상기 외부관을 형성하는 금속의 금속 산화물 또는 금속 질화물일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법은 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되는 지르코늄 합금의 예비 내부관을 상기 예비 내부관 보다 큰 직경을 가지는 예비 외부관 내에 삽입하고, 상기 예비 내부관 내에 충진재를 충진하여 예비 피복관을 형성하는 과정; 상기 예비 피복관의 개구된 양단부를 차단부재로 폐쇄하는 과정; 및 상기 예비 피복관의 외측에서 내측으로 압력을 가하여 상기 예비 피복관의 직경을 감소시키는 과정을 포함하고, 상기 예비 외부관 및 상기 예비 내부관은 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
상기 예비 외부관을 형성하는 금속은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가질 수 있다.
상기 예비 외부관을 형성하는 금속은 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가질 수 있다.
상기 예비 외부관은 상기 예비 내부관보다 연성이 클 수 있다.
상기 압력을 가하는 과정 이후에, 상기 예비 내부관 내의 충진재를 용해시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 충진재를 용해시키는 과정 이후에, 상기 예비 외부관과 예비 내부관이 밀착 고정되어 제조되는 외부관의 외부 표면에 보호층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 보호층은 플라즈마 표면 처리에 의해 상기 외부관을 구성하는 금속이 산화 또는 질화되어 형성될 수 있다.
상기 압력을 가하는 과정은, 상기 예비 피복관의 길이방향으로 상호 이격되어 배치되는 복수의 롤 유닛 각각의 이격거리가 단계적으로 감소한 복수의 롤들 사이로 상기 예비 피복관을 이동시켜, 상기 예비 피복관의 내측으로 가해지는 압력이 점차적으로 증가될 수 있다.
상기 압력을 가하는 과정에서, 상기 예비 외부관은 상기 예비 내부관보다 크게 수축되어 상기 예비 내부관과 상호 밀착 고정될 수 있다.
본 발명에서는 기계적 특성이 우수한 지르코늄 합금의 내부관을 내측부로 제공함으로써 본 발명에 따른 다층구조 핵연료 피복관의 기계적 강도를 향상시킬 수 있고, 동시에 지르코늄 합금과 상이한 금속으로 이루어지는 외부관을 외측부로 제공함으로써 냉각시스템의 고장 등으로 원자로에 냉각수를 공급할 수 없는 사고 발생 시에도 지르코늄의 산화를 막아주어 수소폭발의 사고 위험성을 감소시킬 수 있다.
또한, 외부관의 외부 표면에 보호층을 형성함으로써 외부관이 더욱 우수한 산화저항성을 가질 수 있고, 원자력 사고 환경에서 급격한 온도 증가에도 표면 산화의 진행을 막아줄 수 있기 때문에 내부관까지 물 분자가 확산되어 산화되는 것을 효과적으로 막아줄 수 있다. 그리고, 고온산화 반응에 의한 핵연료의 유출을 방지하여 핵연료의 안정성을 높여 원자력의 안정적인 운전을 가능하게 할 수 있고, 핵연료 피복관의 교체주기를 증가시켜 경제적 손실을 예방할 수 있다.
게다가, 지르코늄 합금으로 이루어지는 내부관의 열팽창 계수와 유사한 열팽창 계수를 가지는 금속으로 외부관을 형성함으로써 고온의 환경에서 내부관과 외부관 사이에 발생되는 간격을 방지할 수 있고, 이에 따라 핵연료에서 발생하는 열에너지를 제1 계통의 냉각수로 더욱 원활하게 전달할 수 있어 핵연료의 온도를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관을 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보호층이 형성된 다층구조 핵연료 피복관을 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법을 나타내는 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축관 공정을 수행하기 위한 예비 피복관을 제조하는 과정을 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축관 공정 및 예비 피복관의 내경 변화를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충관 공정 후 충진재를 용해시키는 과정을 나타내는 사시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 발명을 상세하게 설명하기 위해 도면은 과장될 수 있고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 보호층이 형성된 다층구조 핵연료 피복관을 나타내는 사시도이다. 여기서, 도 1의 (a)는 다층구조 핵연료 피복관의 분리 사시도이며, 도 1의 (b)는 다층구조 핵연료 피복관의 사시도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관(100)은 양단이 개구되어 내부에 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간(115)이 제공되는 지르코늄 합금의 내부관(110); 및 상기 내부관(110)과 동축으로 배치되고, 상기 내부관(110)의 외부 표면을 둘러싸도록 상기 내부관(110) 보다 큰 직경을 가지는 외부관(120)을 포함하고, 상기 외부관(120)과 내부관(110)은 상호 밀착 고정되며, 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다.
지르코늄 합금의 내부관(110)은 후술될 외부관(120)의 수용공간(125)에 삽입되어 배치될 수 있고, 일 방향으로의 양단부가 관통되어 내부에 핵연료 소결체가 삽입되도록 수용공간(또는 중공부)(115)을 가지는 중공 원통 형상일 수 있다.
내부관(110)은 외부관(120)의 수용공간(125)에 삽입되어 밀착 배치되기 때문에 내부관(110)의 외경은 외부관(120)의 내경보다 작도록 형성될 수 있다. 즉, 외부관(120)의 수용공간(125)에 내부관(110)이 삽입되도록 내부관(110)의 외경은 외부관(120)의 내경보다 작을 수 있고, 외부관(120)의 수용공간(125)에 삽입된 지르코늄 합금의 내부관(110)은 다층구조 핵연료 피복관(100)의 가장 내부에 배치될 수 있다.
내부관(110)의 수용공간(115)에 삽입되는 핵연료 소결체는 이산화우라늄 등의 핵연료 물질을 압축, 소결하여 세라믹으로 만든 원통 형태의 핵연료 펠릿으로서, 핵분열을 일으켜서 에너지를 방출하는 것을 핵연료라고 하며 핵연료는 원자핵이 열중성자 혹은 고속중성자를 흡수하여 핵분열을 할 때 에너지를 발생시키는 우라늄(원자번호 235와 238) 및 플루토늄(원자번호 239) 등의 원소로 이루어질 수 있다.
여기서, 자연에 존재하는 우라늄을 원자로에 장전되는 핵연료로 사용하기 위해서는 적절한 형상과 특성을 가진 소결체로 가공해야 하기 때문에, 농축공정 및 화학공정을 통해 우라늄을 핵연료로 사용되는 최종 화학적 형태인 이산화우라늄 분말로 변환시킬 수 있고, 변환된 분말 형태의 이산화우라늄을 원통 형태로 성형하고 고온처리 하여 세라믹의 핵연료 소결체로 제조할 수 있다.
이렇게 만들어진 원통형의 핵연료 소결체는 핵연료 피복관의 내부 즉, 본 발명의 실시예에 따른 내부관(110)의 수용공간(115)에 삽입될 수 있고, 핵연료 피복관의 양단부를 원통형 마개로 용접 밀봉해 핵연료봉으로 만들 수 있다. 원자로에 들어가는 핵연료의 최종형태는 다발 형태의 핵연료 집합체이기 때문에 전술한 핵연료봉을 다시 여러 개씩 묶어 다발 형태의 핵연료 집합체로 만들 수 있으며, 핵연료 집합체가 원자로의 냉각수 안에 장전되면서 비로소 핵분열을 시작하며 열에너지를 발산하게 된다. 여기서, 핵분열 연쇄반응으로 인해 발산되는 막대한 열에너지는 핵연료 피복관 바깥의 냉각수로 전달된다.
이처럼 핵연료 피복관은 핵연료가 안전하게 핵분열 반응을 일으키도록 보호해 주고 방사성 물질이 외부로 누출되는 것을 막아주도록 방호벽 역할을 하는 매우 중요한 구성이며, 장기간 사용해야 하기에 우수한 기계적 특성 및 작은 열중성자 흡수 단면적을 가져야 한다.
본 발명에서 내부관(110)을 이루는 지르코늄은 열중성자 흡수 단면적이 0.18barn으로 매우 작기 때문에 핵분열을 발생시키는 열중성자가 핵연료 피복관에 흡수되는 확률이 감소되어 핵분열 반응이 효과적으로 일어날 수 있고, 이에 따라 핵분열로 인한 열에너지가 생성될 수 있어 효과적으로 핵연료의 출력을 증가시킬 수 있다. 또한, 지르코늄은 작은 열중성자 흡수 단면적 뿐만 아니라 원자로의 사용환경에서 우수한 기계적 강도를 가지므로 핵연료 피복관의 재료로 사용하기에 적합할 수 있다. 이때, 지르코늄에 주석이나 니오븀, 철, 니켈, 크롬, 구리 등 소량의 원소들을 적절히 첨가하여 지르코늄 합금(Zircaloy)으로 제조할 경우 기계적 강도가 더욱 증가하여 원자력의 안정적인 운전이 가능해질 수 있다.
하지만, 지르코늄 합금으로 이루어지는 핵연료 피복관은 고온 및 고압에서 장시간 물(H2O)이나 수증기와 접촉하고 있는 상태이기 때문에 핵연료 피복관에 극심한 부식 현상이 나타나게 되고, 일본의 후쿠시마 원전사고와 같이 냉각기능이 상실되는 사고발생 시 안전상 매우 취약한 특성을 나타내는 문제가 있다. 즉, 냉각시스템의 고장 등으로 원자로에 냉각수를 공급할 수 없는 사고가 발생하는 경우, 지르코늄의 산화가 급격히 진행되어 피복관의 건전성이 떨어지는 문제가 있으며, 지르코늄이 산화 및 부식되면서 생성되는 수소 가스로 인한 수소폭발의 사고 위험성이 증대되어 핵연료의 안전성을 더 이상 보장할 수 없게 된다.
지르코늄이 산화되는 반응을 식으로 표현하면 다음과 같다.
<반응식 1> Zr + 2H2O -> ZrO2 + 2H2
따라서, 지르코늄으로 형성된 핵연료 피복관은 사고상황 시 고온산화 반응에 의해 핵연료 등을 외부로 유출시킬 수 있을 뿐만 아니라 수소폭발을 발생시킬 수 있기 때문에 지르코늄 합금으로 이루어지는 핵연료 피복관의 문제점을 해결하고 핵연료의 안전성을 크게 높이기 위해 지르코늄 합금의 내부관(110)을 둘러싸도록 내부관(110)과 상이한 금속으로 외부관(120)을 형성할 수 있다.
외부관(120)은 일 방향으로의 양단부가 관통되어 내부에 수용공간(또는 중공부)(125)을 가지는 중공 원통 형상일 수 있고, 외부관(120)의 내부에 형성된 수용공간(125)에 내부관(110)을 삽입시킬 수 있다.
외부관(120)은 냉각기능 상실에 의해 내부관(110)이 산화되어 핵연료의 유출 및 수소폭발이 일어나는 것을 방지하도록 내부관(110)과 동축으로 배치되어 내부관(110)의 외부 표면을 둘러쌀 수 있고, 외부관(120)의 수용공간(125)에 내부관(110)이 삽입되어 배치되므로 외부관(120)의 내경은 내부관(110)의 외경보다 클 수 있다.
보다 자세히 살펴보면, 지르코늄 합금의 내부관(110)과 상이한 금속 예를 들어, 내부식 특성이 우수한 금속으로 형성되는 외부관(120)은 냉각 기능 상실로 인한 고온 및 고압의 분위기에서 내부관(110)이 고온의 수증기와 반응하여 수소를 발생시키는 것을 방지해줄 수 있고, 내부관(110)의 수용공간(115)에 들어있는 핵연료 소결체를 고온산화로부터 보호하여 원자력 운전 안정성을 높여줄 수 있다. 다시 말해서, 원자력 발전소에서 발생하는 수소 폭발사고는 지르코늄의 산화 특성과 연관성이 매우 깊기 때문에 내부관(110)을 외측에서 감싸도록 지르코늄 합금의 내부관(110)과 상이한 금속으로 외부관(120)을 형성하면 외부관(120)은 냉각수 부재에 대한 산화저항성을 향상시킬 수 있으므로 사고 상황에서 내부관(110)까지 산화되어 부식되는 것을 막아줄 수 있다.
따라서, 지르코늄 합금의 내부관과 외부관의 장점만을 취한 본 발명의 이중구조 핵연료 피복관은 기계적 강도의 향상과 동시에 고온산화에 대한 사고 위험성을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 원자로 사고로부터 내부관(110) 및 내부관(110) 내에 수용된 핵연료를 보호해줄 수 있어 원자력의 안정적인 운전을 가능하게 할 수 있다.
상기와 같은 특성을 가지는 외부관(120)과 외부관(120)의 수용공간(125)에 삽입된 내부관(110)은 상호 밀착 고정될 수 있는데, 외부관(120)과 내부관(110)은 후술될 다층구조 핵연료 피복관(100)의 제조방법에서 예비 외부관(220)의 외측에서 내측으로 인가되는 압력과 예비 내부관(210)의 수용공간(115)에 충진되는 충진재(230)가 외부 압력으로부터 지탱하는 힘에 의해 상호 밀착되어 고정될 수 있다. 즉, 외부관(120)은 축관 공정 중에 내부관(110)의 외부 표면에 완전히 밀착될 수 있도록 상기 외부관(120)은 상기 내부관(110)보다 연성이 클 수 있고, 이에 따라 외부관(120)은 축관 공정 중 내부관(110)과의 간격을 최소화할 수 있어 서로 밀착 고정될 수 있다. 이와 같은 외부관(120)과 내부관(110)의 밀착 방법에 대해서는 후술하는 다층구조 핵연료 피복관(100)의 제조방법을 통해 자세하게 설명하기로 한다.
상기 외부관(120)을 형성하는 금속은 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가질 수 있다.
내부관(110)을 형성하는 지르코늄의 열팽창 계수는 약 3.3ppm/K 내지 4.0ppm/K로서, 내부관(110)과 상호 밀착 고정되는 외부관(120)을 형성하는 금속의 열팽창 계수는 지르코늄과 유사한 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가질 수 있다.
핵분열 반응으로 엄청난 열에너지가 방출되는 핵연료 피복관에서 내부관(110)과 외부관(120)의 열팽창 계수가 서로 큰 차이 값을 가질 경우, 서로 다른 팽창률로 인한 부피 팽창이 발생해 내부관(110)과 외부관(120) 사이에 이격 공간 또는 간격이 발생할 수 있다. 즉, 외부관(120)의 열팽창 계수가 약 3.3ppm/K 내지 4.0ppm/K의 열팽창 계수를 가지는 지르코늄 합금의 내부관(110) 보다 매우 큰 예를 들어, 40ppm/K 보다 큰 열팽창 계수를 가질 경우 고온의 환경에서 외부관(120)이 지르코늄 합금의 내부관(110) 보다 더 많이 팽창하게 되고, 상호 밀착 고정된 내부관(110)과 외부관(120)은 열팽창 계수 차이에 의해 내부관(110)의 외부 표면과 외부관(120)의 내부 표면 사이에 간격이 발생하게 된다.
내부관(110)의 외부 표면과 외부관(120)의 내부 표면 사이에 간격이 발생하게 되면 열전도도가 낮아지기 때문에 핵분열에 의해서 생성된 열이 핵연료 피복관을 통해 냉각수까지 빨리 전달되지 못할 뿐만 아니라 내부관(110)의 수용공간(115)에 수용된 핵연료가 냉각수보다 높은 온도를 가지게 되어 핵연료 용융 및 원자로 사고의 안전성을 확보하지 못하는 문제가 있다. 또한, 원자로의 운전 정지 시 온도 변화로 인한 내부관 또는 외부관에 균열이 생길 수 있고 이에 따라 파괴가 발생하여 핵연료에 포함된 방사성 물질이 외부로 유출되는 문제점이 생긴다.
따라서, 지르코늄 합금으로 이루어지는 내부관(110)의 열팽창 계수와 유사한 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가지는 금속으로 외부관(120)을 형성함으로써 내부관(110)과 외부관(120) 사이의 간격 발생을 방지하여 핵연료 피복관, 더욱 정확하게는 내부관(110)의 수용공간(115)에 수용된 핵연료 소결체에서 발생하는 열에너지를 핵연료 피복관의 바깥 냉각수로 더욱 원활하게 전달할 수 있고, 이에 따라 핵연료 출력의 향상 및 핵연료 소결체의 온도를 낮출 수 있다.
상기 외부관(120)을 형성하는 금속은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가질 수 있다.
외부관(120)은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가지는 금속으로 형성될 수 있는데, 열중성자 흡수 단면적이란 중성자 흡수에 대한 단면적이다. 즉, 열중성자 또는 고속 중성자와 같은 중성자는 전하를 갖지 않으므로 쉽게 원자핵에 접근하여 각종 상호작용을 일으키는데 그 중 표적 원자핵에 흡수되는 흡수반응에 대한 단면적을 중성자 흡수 단면적이라 한다. 중성자 흡수 단면적의 단위로서는 10-28m2 또는 barn이 사용된다.
먼저, 핵분열은 우라늄, 플루토늄과 같이 무거운 원자핵에 중성자를 조사하게 되면 원자핵이 중성자를 흡수하면서 2개로 쪼개지며 핵분열이 일어나고, 원자핵이 2개로 분열됨과 동시에 많은 열에너지와 2~3개의 중성자가 함께 나온다.
핵분열 반응을 식으로 표현하면 반응식 2와 같다.
<반응식 2> 원자핵 + 중성자 -> 핵분열 생성물(방사성 물질) + 2~3개의 중성자 + 열에너지
다시 말해서, 원자핵과 중성자가 반응하면서 핵분열이 일어나게 되고, 한번의 핵분열 시 방출된 2~3개의 중성자는 감속재에 의해 에너지를 잃고 감속된다. 원자핵에서 방출되어 감속된 중성자(열중성자)는 또 다른 원자핵과 부딪치면서 다시 핵분열을 일으키고 이러한 열중성자에 의해 반복적 핵분열 반응(핵분열 연쇄반응)이 일어나게 되며, 이 과정에서 막대한 열에너지가 발생하게 된다.
이처럼 대량 에너지를 생산하기 위한 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위해서는 감속된 열중성자가 원자핵에 흡수되어야 하는데, 외부관(120)을 형성하는 금속이 440barn 보다 큰 열중성자 흡수 단면적을 가질 경우 핵분열을 발생시키는 열중성자가 핵연료 피복관에 흡수되는 확률이 증가하므로 핵분열 반응이 일어나는 확률이 감소하게 되고, 이에 따라 핵분열로 생성된 열에너지가 생성되지 않아 핵연료의 출력이 떨어지는 문제점이 있다. 반면, 외부관(120)을 형성하는 금속이 0.0045barn 보다 작은 열중성자 흡수 단면적을 가질 경우 핵분열 반응에 대해서는 효과적일 수 있지만 실제로 외부관(120)을 성형하여 제조하기 어려운 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 외부관(120)을 형성하는 금속은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가질 수 있고, 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가지는 금속으로는 예를 들어, Mg(0.059barn), Si(0.13barn), Pb(0.17barn), Al(0.23barn), Zn(1.1barn), Nb(1.1barn), Ba(1.2barn), Sr(1.2barn), Ge(2.3barn), Fe(2.4barn), Mo(2.4barn), Cr(2.9barn), Ti(3.3barn), Cu(3.6barn), Ni(4.5barn), Te(4.5barn), Sb(6.7barn), Mn(13barn), W(19barn), Ta(21barn), Co(35barn), Hf(115barn), Ir(440barn) 등이 있을 수 있다. 외부관(120)을 형성하는 금속은 상기 하나의 금속에 한정되지 않고 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가지는 금속이라면 외부관(120)을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 외부관(120)이 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수, 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적 및 지르코늄 보다 높은 연성을 모두 만족하게 되면 핵연료 피복관으로서 매우 우수한 효과를 나타낼 수 있지만, 3가지의 조건을 모두 만족하지 않아도 필요에 따라 선택적으로 외부관(120)에 필요 특성을 부여할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예로 외부관(120)은 더욱 우수한 산화저항성을 가지기 위해 상기 외부관(120)의 외부 표면에 제공되는 보호층(121)을 포함할 수 있고, 상기 보호층(121)은 상기 외부관(120)을 형성하는 금속의 금속 산화물 또는 금속 질화물일 수 있다.
보호층(121)은 외부관(120)을 형성하는 금속 예를 들어, 알루미늄의 금속 산화물인 산화 알루미늄 또는 알루미늄의 금속 질화물인 질화 알루미늄일 수 있고, 외부관(120)의 외부 표면에 치밀하고 얇게 형성된 보호층(121)은 외부관(120)의 산화저항성을 더욱 향상시켜 매우 우수한 부식 저항 특성을 가지도록 할 수 있다.
이때, 사고 환경 또는 고온의 수증기(H2O) 환경에서 물 분자가 외부관(120)을 통과해 내부관(120)의 외부 표면까지 유입되어 내부관(120)의 지르코늄과 반응하는 것을 방지하기 위해서는 금속 산화물로 이루어지는 보호층(121)이 더욱 효과적일 수 있지만, 금속 질화물로 이루어지는 보호층(121) 또한 외부관(120)의 외부 표면에 치밀하게 형성되어 우수한 고경도 특성을 가지므로 원자력의 안정적인 운전을 가능하게 할 수 있다.
본 발명의 한 실시예로서, 외부관(120)을 형성하는 알루미늄이 산화되어 형성된 산화 알루미늄의 보호층(121)은 얇고 치밀한 형태로 알루미늄으로 이루어지는 외부관의 표면에 형성되기 때문에 산화의 진행을 외부관(120) 표면으로 제한하여 물 분자가 외부관(120)을 통과해 내부관(110)의 외부 표면까지 들어가는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 내부관(110)의 지르코늄이 물 분자와 반응하여 수소를 발생시키는 산화 반응을 억제시켜줄 수 있으며, 산화 및 부식으로부터 내부관(110)의 수용공간(115)에 들어 있는 핵연료 소결체를 보호하여 원자력 운전 안정성을 높여줄 수 있다.
따라서, 기계적 강도가 우수한 지르코늄 합금의 내부관(110)을 내측부로 제공함으로써 핵연료 피복관의 기계적 강도를 향상시킬 수 있고, 동시에 지르코늄 합금과 상이한 금속 및 금속 산화물로 형성된 외부관(120)을 외측부로 제공함으로써 원자로에서 냉각재 상실사고와 같은 사고가 발생하여도 금속 산화막의 보호층(121)은 더 이상 산화되지 않으므로 내부관(110) 및 핵연료를 보호할 수 있다.
이하에서는 전술한 다층구조 핵연료 피복관(100)에 대해 다시 한번 간략하게 정의한 뒤, 본 발명의 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관(100)의 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
앞서 설명한 바와 같이, 다층구조 핵연료 피복관(100)은 외부관(120) 내에 지르코늄 합금의 내부관(110)이 삽입되며, 지르코늄 합금의 내부관(110)은 핵연료의 1차적인 방호 역할을 수행함과 아울러 다층구조 핵연료 피복관(100)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있고, 지르코늄 합금의 내부관(110)과 다른 금속으로 형성된 외부관(120)은 냉각시스템의 고장과 같은 사고로부터 내부관(110)의 부식을 막아줄 수 있기 때문에 원자로의 정상 운전시는 물론 사고발생시에도 원자력 운전의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축관 공정을 수행하기 위한 예비 피복관을 제조하는 과정을 나타내는 사시도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 축관 공정 및 예비 피복관의 내경 변화를 나타내는 단면도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 충관 공정 후 충진재를 용해시키는 과정을 나타내는 사시도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 다층구조 핵연료 피복관(100)의 제조방법은 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되는 지르코늄 합금의 예비 내부관(210)을 상기 예비 내부관(210) 보다 큰 직경을 가지는 예비 외부관(220) 내에 삽입하고, 상기 예비 내부관(210) 내에 충진재(230)를 충진하여 예비 피복관(200)을 형성하는 과정; 상기 예비 피복관(200)의 개구된 양단부를 차단부재(240)로 폐쇄하는 과정; 및 상기 예비 피복관(200)의 외측에서 내측으로 압력을 가하여 상기 예비 피복관(200)의 직경을 감소시키는 과정을 포함하고, 상기 예비 외부관(220) 및 상기 예비 내부관(210)은 서로 다른 금속으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 압력을 가하는 과정 이후에, 상기 예비 내부관(210) 내의 충진재(230)를 용해시키는 과정을 더 포함할 수 있다.
우선, 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되며, 기계적 강도가 우수한 지르코늄 합금으로 제조된 예비 내부관(210)을 마련하고, 핵연료 피복관의 부식 저항성을 향상시킬 수 있는 예비 외부관(220)을 마련한다(S100). 본 발명에서 예비 내부관(210)으로는 지르코늄 합금을 사용하며, 예비 외부관(220)으로는 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가지고, 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가지는 금속을 사용할 수 있다. 이때, 예비 외부관(220)은 예비 내부관(210)보다 연성이 클 수 있다.
보다 자세히 살펴보면, 상기 예비 외부관(220)을 형성하는 금속은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가질 수 있는데, 열중성자 흡수 단면적이란 표적 원자핵에 열중성자가 흡수되는 흡수반응에 대한 단면적이다. 예비 내부관(210)의 수용공간에 핵연료 소결체가 삽입되고, 핵연료 소결체에 포함된 핵연료 예를 들어, 우라늄-235의 원자핵에 중성자를 조사하게 되면 원자핵이 중성자를 흡수하면서 2개로 쪼개지는 핵분열이 일어나고, 핵분열이 일어나면서 많은 열에너지와 함께 2~3개의 중성자가 함께 나온다.
다시 말해서, 원자핵과 중성자가 반응하면서 핵분열이 일어나게 되고, 한번의 핵분열 시 방출된 2~3개의 중성자는 감속재에 의해 에너지를 잃고 감속된다. 감속된 중성자(열중성자)는 다시 다른 원자핵과 부딪치면서 또 다시 핵분열을 일으키고 이러한 열중성자에 의해 핵분열 연쇄반응이 일어나게 된다.
이처럼 대량 에너지를 생산하기 위한 핵분열 연쇄반응이 일어나기 위해서는 감속된 열중성자가 원자핵에 흡수되어야 하는데, 예비 외부관(220)을 형성하는 금속이 440barn 보다 큰 열중성자 흡수 단면적을 가질 경우 핵분열을 발생시키는 열중성자가 핵연료 피복관에 흡수되는 확률이 증가하므로 핵분열 반응이 일어나는 확률이 감소하게 되고, 이에 따라 핵분열로 생성된 열에너지가 생성되지 않아 출력이 떨어지는 문제점이 있다. 반면, 예비 외부관(220)을 형성하는 금속이 0.0045barn 보다 작은 열중성자 흡수 단면적을 가질 경우 핵분열 반응에 대해서는 효과적일 수 있지만 실제로 예비 외부관(220)을 성형하여 제조하기 어려운 문제가 발생된다.
또한, 상기 예비 외부관(220)을 형성하는 금속은 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가질 수 있는데, 예비 내부관(210)을 형성하는 지르코늄의 열팽창 계수는 약 3.3ppm/K 내지 4.0ppm/K로서, 후술하는 축관 공정을 통해 예비 내부관(210)과 상호 밀착 고정되는 예비 외부관(220)을 형성하는 금속의 열팽창 계수는 지르코늄과 유사한 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가질 수 있다.
핵분열 반응으로 엄청난 열에너지가 방출되는 핵연료 피복관에서 예비 내부관(210)과 예비 외부관(220)의 열팽창 계수가 서로 다를 경우, 서로 다른 팽창률로 인한 부피 팽창이 발생해 예비 내부관(110)과 예비 외부관(220) 사이에 간격이 발생할 수 있다.
예비 내부관(210)의 외부 표면과 예비 외부관(220)의 내부 표면 사이에 간격이 발생하게 되면 열전도도가 낮아지기 때문에 핵분열에 의해서 생성된 열이 핵연료 피복관을 통해 냉각수까지 빨리 전달되지 못할 뿐만 아니라 예비 내부관(210)의 수용공간에 수용된 핵연료 소결체가 냉각수보다 높은 온도를 가지게 되어 원자로 사고의 안전성을 확보하지 못하는 문제가 있다.
따라서, 지르코늄 합금으로 이루어지는 예비 내부관(210)의 열팽창 계수와 유사한 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가지는 금속으로 형성된 예비 외부관(120)을 마련함으로써 핵분열에 의한 고온의 환경에서도 예비 내부관(210)과 예비 외부관(220) 사이의 간격 발생을 사전에 방지하여 예비 내부관(210)의 수용공간에 수용된 핵연료 소결체에서 발생하는 열에너지를 냉각수로 더욱 원활하게 전달하여 핵연료 출력을 향상시킬 수 있다.
전술한 특성을 가지는 예비 외부관(220) 및 예비 내부관(210)을 마련한 뒤, 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되는 지르코늄 합금의 예비 내부관(210)을 예비 내부관(210) 보다 큰 직경을 가지는 예비 외부관(220) 내에 삽입하고(S200), 예비 내부관(210) 내에 충진재(230)를 충진하여 예비 피복관(200)을 형성할 수 있다(S300).
예비 내부관(210)은 도3의 (a)와 같이 예비 외부관(220)의 수용공간에 삽입될 수 있는데, 이때 예비 외부관(220)과 예비 외부관(220) 내에 삽입된 예비 내부관(210) 사이에는 소정의 이격 간격이 존재하게 된다. 즉, 예비 내부관(210)의 외경이 예비 외부관(220)에 삽입될 수 있을 정도의 직경을 가져야 하기 때문에 예비 내부관(210)의 외경은 예비 외부관(220)의 수용공간 직경에 대해 소정의 작은 값을 가질 수 있다.
종래에는 이러한 복수의 관 사이의 이격을 해소하기 위해, 멘드릴(mendrel)을 삽입한 후 인발하면서 외부에서 압력을 가함으로써 복수의 다중관 간의 밀착력을 증가시키거나 직경을 감소시키고 인장하는 방법을 사용하였다. 그러나, 이와 같은 방법은 예비 내부관(210) 내에 멘드릴을 삽입한 상태에서 진행되며, 예비 내부관(210)과 멘드릴 사이의 마찰에 의해 내부관(110)이 손상되거나 결함이 발생하는 문제점이 야기되었다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 축관 공정은 예비 내부관(210) 및 예비 외부관(220) 사이에 이격이 존재하더라도 예비 내부관(210)의 결함발생을 억제하거나 방지하며 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210)을 밀착시킬 수 있다. 즉, 종래의 멘드릴의 구성이 필요하지 않으며 예비 내부관(210)과 구성요소 간의 마찰이 없어 예비 내부관(210)이 마찰에 의해 찢어지거나 파손되고 결함이 발생하는 것을 억제하거나 방지할 수 있다.
이에, 예비 내부관(210) 내에는 축관 공정에서 예비 내부관(210)과 예비 외부관(220) 사이의 밀착력을 증가시키거나, 직경을 감소시키거나, 인발하기 위해 가해지는 압력에 의한 변형 및 결함 발생을 억제하기 위해 도 4의 (b), (c)에 도시된 것처럼 충진재(230)를 충진시켜 예비 피복관(200)을 형성할 수 있다.
충진재(230)는 예비 피복관(200)을 구성하기 위해 예비 내부관(210) 내에 충진되는 것으로서, 보다 구체적으로는 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210) 사이의 밀착력을 증가시키거나, 제조되는 다층구조 핵연료 피복관(100)의 직경을 변화시키거나, 인발시키기 위한 축관 공정이 진행될 때에 예비 피복관(200)에 가해지는 압력을 완충하는 역할을 할 수 있다. 즉, 충진재(230)는 도 4의 (b), (c)에 도시된 것처럼, 예비 내부관(210) 수용공간에 차도록 충진될 수 있고, 축관 공정에 있어서 예비 피복관(200)의 외측으로부터 예비 피복관(200)의 내측에 가해지는 압력에 대한 지탱력을 나타내도록 할 수 있다.
예비 내부관(210)의 수용공간에 충진 할 때 덩어리가 큰 고체 보다 예비 내부관(210)에 흠집이 발생하는 것을 감소시키기 위한 충진재(230)로 수용성 및 화학용액에 용이하게 용해 가능한 가용성을 갖는 미분 파우더를 사용할 수 있으며, 미분 파우더는 축관 공정이 완료된 후 예비 피복관(200)의 충진재(230)를 용해시킬 때에 수용액 및 화학용액과 같은 용해용 용액이 예비 내부관(210) 내의 충진재(230)에 골고루 침투할 수 있도록 할 수 있다.
도 5의 순서와 같이, 예비 피복관(200)이 형성되면 예비 피복관(200)의 예비 외부관(220) 및 예비 내부관(210) 사이의 밀착력을 증가시키고, 원하는 형태, 직경 및 길이를 갖도록 다층구조 핵연료 피복관(100)을 제조하기 위한 축관 공정을 시작할 수 있다(S400).
이때, 축관 공정을 위해서, 예비 피복관(200)의 개구된 양단부를 차단부재(240)로 폐쇄할 수 있다(S410).
예비 피복관(200)의 양단부를 폐쇄하는 것은 예비 외부관(220) 및 예비 내부관(210) 양단부의 노출 영역을 차단부재(240)를 통해 외부와 차단시킴으로써 이루어지는데, 이 과정은 예비 외부관(220)에 예비 내부관(210)을 삽입한 후 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210)의 개방된 양단부 중 일단부의 노출 부분을 먼저 차단부재(240)로 커버한 뒤 충진재(230)를 충진하고 나머지 타단부의 노출 부분을 차단부재(240)로 커버하여 폐쇄할 수 있다.
차단부재(240)는 도 5에 도시된 것처럼, 예비 피복관(200)의 양 단부의 노출 부분을 커버하여 양단부를 폐쇄할 수 있는 것으로서, 차단부재(240)로 예비 피복관(200)의 예비 외부관(220) 및 예비 내부관(210)의 노출 영역을 외부와 차단함으로써 예비 내부관(210) 내의 충진재(230)는 밖으로 빠져 나오지 않고 안정적인 축관 공정을 진행할 수 있다. 차단부재(240)는 양단부의 노출부위를 커버할 수 있는 다양한 부재가 사용될 수 있다.
예비 피복관(200)의 개구된 양단부를 차단부재(240)로 폐쇄한 뒤, 예비 피복관(200)의 외측에서 내측으로 압력을 가하는 축관 공정을 통해 예비 피복관(200)의 직경을 감소시킬 수 있고, 상기 압력을 가하는 과정에서, 상기 예비 외부관(220)은 상기 예비 내부관(210)보다 크게 수축되어 상기 예비 내부관(210)과 상호 밀착 고정될 수 있다(S420).
또한, 상기 압력을 가하는 과정은, 상기 예비 피복관(200)의 길이방향으로 상호 이격되어 배치되는 복수의 롤 유닛(310a, 310b, 310c) 각각의 이격거리가 단계적으로 감소한 복수의 롤들 사이로 상기 예비 피복관(200)을 이동시켜, 상기 예비 피복관(200)의 내측으로 가해지는 압력이 점차적으로 증가될 수 있다.
예비 피복관(200)은 축관 장치(300)를 통해서 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210) 사이의 이격 거리를 감소시켜 상호 밀착 고정시키며, 압축 및 인발을 통해 예비 피복관(200)의 직경을 감소시키고 길이를 증가시킬 수 있다. 여기서, 축관 공정은 도 5를 통해 설명하기로 한다.
축관 장치(300)는 외부에서 롤러로 예비 피복관(200)을 압축함으로써 예비 피복관(200)의 길이가 길어지거나, 직경이 감소하도록 할 수 있으며, 외부에서 압력을 가함으로써 예비 피복관(200)의 예비 외부관(220) 및 예비 내부관(210)이 상호 밀착 고정되도록 할 수 있다. 이때, 축관 장치(300)는 예비 피복관(200)의 길이방향(즉, 일방향)을 기준으로 상호 이격되어 배치되는 적어도 하나 이상의 롤 유닛(310a, 310b, 310c)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 예비 피복관(200)의 길이방향을 기준으로 제1 롤 유닛(310a), 제2 롤 유닛(310b) 및 제3 롤 유닛(310c)이 서로 이격되어 구비된다. 이때, 각각의 롤 유닛(310a, 310b, 310c)들은 예비 피복관(200)을 사이에 두고 예비 피복관(200)의 외측면에 접촉되는 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c)을 구비하여, 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c) 사이로 예비 피복관(200)이 진행 이동함으로써, 예비 피복관(200)의 외측에서 내측으로 밀어내는 압력을 가할 수 있다. 즉, 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c)은 예비 피복관(200)을 기준으로 예비 피복관(200)의 외측면에 각각 대향되도록 접촉 구비될 수 있으며, 예비 피복관(200)이 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c) 사이를 지나갈 때 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c)과 접촉하여 가해지는 압력에 의해 예비 피복관(200)의 직경이 감소하거나, 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210)이 밀착 접촉되도록 할 수 있다.
여기서, 도 5의 (a)에 도시된 것처럼, 복수의 롤 유닛(310a, 310b, 310c)을 지난 예비 피복관(200)의 지점을 A, B, C로 분류하고, 각각의 직경 및 두께에 대해 살펴보면, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 예비 피복관(200)이 거쳐간 롤 유닛(310a, 310b, 310c)이 증가할수록 예비 피복관(200)의 직경, 즉, 예비 내부관(210) 수용공간의 직경이 D1에서 D3으로 점차적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 이는, 복수의 롤 유닛(310a, 310b, 310c) 각각의 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c) 사이의 이격 거리가 단계적으로 감소함으로써 예비 피복관(200)에 가해지는 압력이 점차적으로 증가함으로써 변형될 수 있다.
본 발명에서는 롤 유닛(310a, 310b, 310c)을 3개 구비하고, 각각의 롤 유닛(310a, 310b, 310c)들은 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c)로 2개의 롤을 구성하는 것으로 나타냈으나, 롤의 개수 및 롤 유닛(310a, 310b, 310c)의 개수는 이에 한정하지 않고 다양한 개수로 변경 가능하다. 또한, 본 발명의 도 5의 (b)에서는 예비 피복관(200)의 직경이 큰 폭으로 감소되는 것으로 나타나 있으나, 이는 직경의 변화를 설명하기 위해 차이를 느낄 수 있도록 도시한 것이다.
한편, 축관 공정에 의해 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210)의 밀착력을 증가시켜 상호 밀착 고정시키는 방법에 대해 도 5의 (a)를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 예비 외부관(220)은 제1 롤(311a, 311b, 311c) 및 제2 롤(312a, 312b, 312c) 사이를 이동함으로써 롤들이 가하는 압력에 의해 예비 피복관(200)의 내측으로 압력이 가해진다. 이때, 예비 피복관(200)의 예비 내부관(210) 내에 존재하는 충진재(230)는 예비 내부관(210)의 수용공간에 꽉 차있기 때문에 내측으로 가해지는 압력으로부터 예비 내부관(210)을 지탱하게 된다. 즉, 상대적으로 얘기하자면, 충진재(230)는 외부에서 가해지는 압력에 대해 예비 내부관(210)을 외측으로 지탱하는 힘을 가지고 있기 때문에, 예비 내부관(210)이 일정위치에 있고 예비 외부관(220)은 외부의 압력으로 인해 예비 내부관(210)보다 크게 수축되어 예비 내부관(210) 측으로 밀려나기 때문에 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210)은 상호 밀착 고정될 수 있다. 즉, 상기 예비 외부관(220)은 상기 예비 내부관(210)보다 연성이 클 수 있는데, 예비 외부관(220)은 예비 피복관(200)에 압력이 가해지는 중에 예비 내부관(210)의 외부 표면에 완전히 밀착될 수 있도록 예비 내부관(210)보다 연성이 클 수 있고, 예비 외부관(220)은 예비 내부관(210) 보다 충분한 연성을 가지고 있기 때문에 예비 내부관(210)과의 간격을 최소화할 수 있어 예비 내부관(210)과 상호 밀착 고정될 수 있다.
전술한 방법으로 축관 공정이 완료되면(S500), 도 6의 (a)에 도시된 것처럼, 예비 피복관(200)의 양단부를 폐쇄한 것을 개방시켜(S510) 예비 피복관(200)의 양단부가 외부에 노출된 상태에서 예비 내부관(210) 내의 충진재(230)를 용해시켜 제거할 수 있다(S520). 즉, 예비 피복관(200)의 양단부에 구비된 차단부재(240)를 제거하여 예비 피복관(200)의 양단부를 개방시키고, 도 6의 (b)와 같이 용액(S)이 담긴 용기(L)에 침지 시켜 충진재(230)를 용해시킬 수 있다.
충진재(230)를 용해하기 위한 용액은 앞서 기재한 용액(수용성 용액, 화학성 용액)을 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 예비 피복관(200)을 용액에 침지시켜서 충진재(230)를 제거하였으나, 이에 한정되지 않고, 예비 내부관(210) 수용공간에 용액을 부어서 충진재(230) 사이로 용액이 침투시켜 충진재(230)를 용해시킬 수도 있다.
충진재를 이용한 축관 공정으로 예비 내부관(210)과 예비 외부관(220)이 상호 밀착 고정된 예비 피복관(200)의 충진재(230)를 용해시켜 제거함으로써, 내부관(110)과 외부관(120)의 밀착력이 증가되어 상호 밀착 고정된 피복관을 얻을 수 있다.
상기 충진재(230)를 용해시키는 과정 이후에, 상기 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210)이 밀착 고정되어 제조되는 외부관(120)의 외부 표면에 보호층(121)을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있고(S600), 상기 보호층(121)은 플라즈마 표면 처리에 의해 상기 외부관(120)을 구성하는 금속이 산화 또는 질화되어 형성될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 충진재(230)를 용해시킨 뒤, 예비 외부관(220)과 예비 내부관(210)이 상호 밀착 고정되어 제조된 피복관의 외부 표면, 더욱 자세히는 외부관(120)의 외부 표면에 보호층(121)을 형성할 수 있다. 보호층(121)은 금속 산화막 또는 금속 질화막일 수 있는데, 이러한 금속 산화막 또는 금속 질화막을 형성하기 위한 일반적인 표면 처리 공법은 약 600℃ 내지 1000℃의 고온 공정에서 수행 될 수 있다. 하지만, 고온에서 외부관(120)의 표면 처리가 실시되면 피복관의 기계적 특성 및 화학적 특성이 저하 되는 문제점이 발생하기 때문에 피복관의 기계적 특성 변화 및 결정구조 변화를 최소화할 수 있는 저온 공정이 요구된다.
이에, 본 발명에서는 금속 산화막 또는 금속 질화막 형성을 위해 저온 공정의 플라즈마 표면 처리 방법을 사용하였다. 플라즈마 표면 처리는 플라즈마의 높은 에너지가 피복관의 열처리 온도를 200℃ 내지 500℃ 가량 효과적으로 낮춰 줄 수 있기 때문에 저온에서도 외부관(120)의 표면 처리가 가능해질 수 있으며, 이로부터 피복관의 기계적 특성 및 결정구조 변화를 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 보호층(121)은 플라즈마 표면 처리에 의해 형성될 수 있고, 플라즈마 환경에서의 가스 입자(예를 들어, O2)와 외부관(120)을 형성하는 금속을 반응시켜 외부관(120)의 외부 표면을 이루고 있는 금속을 금속 산화물로 변화시킬 수 있다. 다시 말해서, 저온 공정의 플라즈마 표면 처리로 외부관(120)을 형성하는 금속의 외부 표면에 얇고 치밀한 금속 산화물의 보호층(121)을 형성함으로써 피복관의 기계적 특성을 유지할 수 있음과 동시에 외부관(120)을 형성하는 금속과 산소 또는 수증기와의 접촉을 방지하여 외부관(120)의 더욱 우수한 부식 방지 특성을 부여할 수 있다. 보호층(121)을 형성함에 따라 나타나는 자세한 효과는 전술한 보호층(121)의 효과와 동일하므로 반복되는 설명(또는 효과)은 생략하기로 한다.
이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (15)

  1. 양단이 개구되어 내부에 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되는 지르코늄 합금의 내부관; 및
    상기 내부관과 동축으로 배치되고, 상기 내부관의 외부 표면을 둘러싸도록 상기 내부관 보다 큰 직경을 가지는 외부관을 포함하고,
    상기 외부관과 내부관은 상호 밀착 고정되며, 서로 다른 금속으로 형성되는 다층구조 핵연료 피복관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부관을 형성하는 금속은 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가지는 다층구조 핵연료 피복관.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부관을 형성하는 금속은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가지는 다층구조 핵연료 피복관.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부관은 상기 내부관보다 연성이 큰 다층구조 핵연료 피복관.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부관은 상기 외부관의 외부 표면에 제공되는 보호층을 포함하는 다층구조 핵연료 피복관.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 보호층은 상기 외부관을 형성하는 금속의 금속 산화물 또는 금속 질화물인 다층구조 핵연료 피복관.
  7. 핵연료 소결체가 삽입되는 수용공간이 제공되는 지르코늄 합금의 예비 내부관을 상기 예비 내부관 보다 큰 직경을 가지는 예비 외부관 내에 삽입하고, 상기 예비 내부관 내에 충진재를 충진하여 예비 피복관을 형성하는 과정;
    상기 예비 피복관의 개구된 양단부를 차단부재로 폐쇄하는 과정; 및
    상기 예비 피복관의 외측에서 내측으로 압력을 가하여 상기 예비 피복관의 직경을 감소시키는 과정을 포함하고,
    상기 예비 외부관 및 상기 예비 내부관은 서로 다른 금속으로 형성되는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 예비 외부관을 형성하는 금속은 0.0045barn 내지 440barn의 열중성자 흡수 단면적을 가지는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 예비 외부관을 형성하는 금속은 1ppm/K 내지 40ppm/K의 열팽창 계수를 가지는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 예비 외부관은 상기 예비 내부관보다 연성이 큰 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 압력을 가하는 과정 이후에,
    상기 예비 내부관 내의 충진재를 용해시키는 과정을 더 포함하는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 충진재를 용해시키는 과정 이후에,
    상기 예비 외부관과 예비 내부관이 밀착 고정되어 제조되는 외부관의 외부 표면에 보호층을 형성하는 과정을 더 포함하는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 보호층은 플라즈마 표면 처리에 의해 상기 외부관을 구성하는 금속이 산화 또는 질화되어 형성되는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  14. 청구항 7에 있어서,
    상기 압력을 가하는 과정은,
    상기 예비 피복관의 길이방향으로 상호 이격되어 배치되는 복수의 롤 유닛 각각의 이격거리가 단계적으로 감소한 복수의 롤들 사이로 상기 예비 피복관을 이동시켜, 상기 예비 피복관의 내측으로 가해지는 압력이 점차적으로 증가되는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
  15. 청구항 7에 있어서,
    상기 압력을 가하는 과정에서,
    상기 예비 외부관은 상기 예비 내부관보다 크게 수축되어 상기 예비 내부관과 상호 밀착 고정되는 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법.
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