WO2020218751A1 - 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

핵연료 소결체 및 이의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2020218751A1
WO2020218751A1 PCT/KR2020/004522 KR2020004522W WO2020218751A1 WO 2020218751 A1 WO2020218751 A1 WO 2020218751A1 KR 2020004522 W KR2020004522 W KR 2020004522W WO 2020218751 A1 WO2020218751 A1 WO 2020218751A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nuclear fuel
sintered body
oxide
fission
fuel sintered
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/004522
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
전상채
김건식
김종헌
김동주
김동석
윤지해
양재호
Original Assignee
한국원자력연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국원자력연구원 filed Critical 한국원자력연구원
Priority to US17/606,001 priority Critical patent/US20220208401A1/en
Priority to EP20794480.2A priority patent/EP3961651A4/en
Publication of WO2020218751A1 publication Critical patent/WO2020218751A1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58—Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/62—Ceramic fuel
    • G21C3/623—Oxide fuels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/20—Silicates
    • C01B33/26—Aluminium-containing silicates, i.e. silico-aluminates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/16—Details of the construction within the casing
    • G21C3/17—Means for storage or immobilisation of gases in fuel elements
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58—Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/62—Ceramic fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/61—Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/62—Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3224—Rare earth oxide or oxide forming salts thereof, e.g. scandium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/34—Non-metal oxides, non-metal mixed oxides, or salts thereof that form the non-metal oxides upon heating, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
    • C04B2235/3427—Silicates other than clay, e.g. water glass
    • C04B2235/3463—Alumino-silicates other than clay, e.g. mullite
    • C04B2235/3481—Alkaline earth metal alumino-silicates other than clay, e.g. cordierite, beryl, micas such as margarite, plagioclase feldspars such as anorthite, zeolites such as chabazite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/80—Phases present in the sintered or melt-cast ceramic products other than the main phase
    • C04B2235/87—Grain boundary phases intentionally being absent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • trapping using the above composition is not useful in that it is possible to trap I only in a very low temperature area within the nuclear fuel sintered body.
  • the existing Cs-collected collector itself can be stably preserved up to high temperature in the grid, Cs can be stably preserved up to high temperature, but if I is collected by using the Cs-collected collector, Collected Cs reacts with I to form a CsI phase and volatilizes as a gas at a lower temperature, which causes a problem that adversely affects the collection of Cs.
  • a nuclear fuel sintered body and a method of manufacturing the same, which have excellent capturing capabilities for Cs and I, which are nuclear fission-generated gases, and have independent capturing capabilities for Cs and I, respectively.
  • the present invention is a nuclear fuel; And a collecting material for the fission generating gas, wherein the collecting material for the fission generating gas includes an oxide containing at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), aluminum (Al), and barium (Ba). It provides a nuclear fuel sintered body.
  • Figure 3 shows the balance of the composition of the collecting material formed using the mixing weight ratio of Al 2 O 3 , SiO 2 and BaO 1:1:1 as starting materials using HSC chemistry according to an embodiment. Equilibrium degree is Al 2 O 3 *SiO 2 (D), BaO*Al 2 O 3 , Ba 2 SiO 4 , BaSiO 3 , BaAl 2 Si 2 O 8 , Al 2 O 3 , BaSi 2 O 5 , SiO 2 and Ba 2 Si 3 O 8 is shown for each.
  • FIG. 4A and 4B show potentials (FIG. 4A: Cs potential, 4B: I potential) formed according to the composition of the collection material according to an embodiment.
  • the O 2 potential was shown by applying -450 kJ/mol.
  • the equilibrium state represented by each potential is as follows.
  • 6A, 6B, 6C, and 6D are SEM (6a) and EDS (6b, 6c, 6d) analysis results after reaction heat treatment of I source of a collecting material including Ba, Al and Si-containing oxides according to an embodiment. Is shown. The sample range for EDS analysis was indicated by a square dotted box on the SEM result of FIG. 6A.
  • the nuclear fuel sintered body of the present invention comprises: nuclear fuel; And a collecting material for the fission generating gas, wherein the collecting material for the fission generating gas includes an oxide containing at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), aluminum (Al), and barium (Ba). do.
  • the nuclear fuel may be a uranium-based oxide, and may be, for example, uranium dioxide (UO 2 ), triuranium octaoxide (U 3 O 8 ), or a mixture thereof. More specifically, it may be UO 2 .
  • the collecting material of the fission-generating gas includes an oxide containing at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), aluminum (Al), and barium (Ba).
  • the collecting material of the fission generating gas may be formed by sintering at least one oxide selected from the group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, and barium oxide, and specifically, the collecting material of the fission generating gas is It may include oxides including silicon, aluminum and barium.
  • the collecting material of the fission generating gas independent of cesium and iodine, respectively It can indicate the collection ability.
  • the nuclear fuel sintered body according to the present invention can exhibit excellent collecting ability for I by including barium in the collecting material composition compared to the collecting material of the conventional silicon and aluminum-containing oxide composition (Al-Si-O composition) having capturing capacity for Cs. have.
  • the amount of the collecting material of the fission-generating gas in the nuclear fuel sintered body may be 0.05 to 1% by weight, for example, 0.1 to 0.5% by weight, based on the weight of the nuclear fuel, but is not limited thereto.
  • the amount of the collecting material of the nuclear fission-generated gas estimated by measuring the amount of fission-generated gas collected using the nuclear fuel sintered body was 0.15% by weight of the total weight of the nuclear fuel (ex.UO 2 ).
  • the fission generating gas may include at least any one selected from the group consisting of cesium (Cs) and iodine (I), and specifically at least any one selected from the group consisting of cesium and iodine. More specifically, the nuclear fuel sintered body according to the present invention may selectively capture cesium and iodine, respectively, and exhibit an independent collection capacity for cesium and iodine.
  • the trapping product is not limited thereto, for example, due to the relatively high melting point of CsAlSiO 4 , CsAlSi 2 O 6 and BaI 2 in the trapping product, it shows a high trapping rate for Cs and I in a wider area in the nuclear fuel. I can.
  • the collecting material of the fission generating gas may include an oxide containing at least one element selected from the group consisting of Si, Al, and Ba. And, in one aspect, by including the compound represented by the following formula 1, the oxide may independently exhibit excellent capturing ability for each of Cs and I.
  • Cs and I can each independently exhibit excellent collection ability.
  • the collecting material of the fission-generated gas may include BaAl 2 Si 2 O 8 type oxide.
  • the collecting material of the fission-generated gas in the nuclear fuel sintered body is not limited thereto, but, for example, the average particle size (D 50 ) may be 0.1 to 100 ⁇ m, and specifically 10 to 50 ⁇ m.
  • the method for manufacturing a nuclear fuel sintered body of the present invention comprises: a nuclear fuel raw material; And at least one oxide selected from the group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, and barium oxide; mixing and sintering.
  • the nuclear fuel raw material may be a uranium-based oxide, and specifically, may be a uranium oxide or a compound formed by mixing at least one selected from the group consisting of plutonium oxide, gadolinium oxide, and thorium compound with the uranium oxide.
  • At least one oxide selected from the group consisting of silicon oxide, aluminum oxide, and barium oxide mixed with the nuclear fuel raw material is a raw material for forming a trapping material for the nuclear fission generating gas, and the nuclear fuel raw material and the oxide
  • the mixing weight ratio of is not limited thereto, but may be, for example, 0.05 to 1% by weight based on the total weight of the nuclear fuel raw material.
  • the nuclear fuel sintered body produced when the mixed weight ratio of the nuclear fuel raw material and the oxide is mixed in the above range to manufacture the nuclear fuel sintered body has an appropriate density range and exhibits excellent collection ability for the fission-generated gas and has excellent reactivity. It can have an effect.
  • the lower limit of the range is the minimum required amount calculated to collect Cs and I generated in nuclear fuel, and the upper limit is 1% by weight, the maximum that can satisfy the standard of the appropriate sintering density (relative density of about 95%) as nuclear fuel. It is based on the addition amount (the sintering density decreases as the amount of addition increases).
  • the mixing weight ratio thereof is a phase in which the generated collecting material spontaneously collects Cs and I ( phase) may be present, and is not particularly limited.
  • a nuclear fuel sintered body was prepared using a mixture of silicon oxide, aluminum oxide, and barium oxide in a 1:1:1 weight ratio to exhibit excellent collection capacity for Cs and I, respectively (FIGS. 4a to 4b. To Figures 6a to 6d).
  • the sintering may be performed under a reducing gas atmosphere, and the reducing gas atmosphere may include hydrogen and an inert gas atmosphere.
  • the sintering atmosphere can be carried out under the sintering conditions of a method of manufacturing a sintered nuclear fuel body, and it is economical because no additional optimization process is required.
  • the sintering may be performed at a temperature higher than the eutectic temperature of the nuclear fuel raw material and the oxide for forming the collecting material of the nuclear fission generating gas, and lower than the melting temperature of each of the nuclear fuel raw material and the oxide.
  • Preparation of the nuclear fuel sintered body was performed in the order of preparation of starting powder, powder weighing, mixing, molding, and sintering.
  • the starting powders of Al 2 O 3 , SiO 2 and BaO powder were weighed according to the weight ratio and mixed with UO 2 powder.
  • the mixing was performed for 30 minutes to 2 hours using a turbula mixer to ensure homogeneity.
  • the mixed powder was charged into a metal molding mold for molding, and a pressure of 1-5 ton/cm 2 was applied using a uniaxial molding machine to be compacted into pellets.
  • the molded pellets were charged into a ceramic crucible, mounted in a heat treatment furnace, and then a reducing atmosphere was formed using hydrogen and carbon dioxide gas in the chamber, and then isothermally sintered at about 1700°C for several hours. At this time, in order to minimize the thermal shock of the sintered pellets, the heating and cooling rates were set within 5°C/min.
  • the microstructure of the nuclear fuel sintered body can be confirmed with an optical microscope or SEM. Using a diamond saw, the pellets were cut in the axial or radial direction to expose the inner surface of the sintered body, and then mounted using a resin so that the surface was exposed. When the curing of the resin was completed, the cut surface of the sintered body was polished using a polisher. The surface was observed with an optical microscope after the polishing was completed, starting with coarse polishing to hold the diaphragm and fine polishing using diamond paste (Fig. 2).
  • Figure 3 is a predicted equilibrium from a thermodynamic point of view of what type of compound (sintered phase) is formed under the sintering conditions (temperature, atmosphere) of the three oxide types of collecting material starting powder (Al 2 O 3 , SiO 2 and BaO) to be.
  • the sintered phase is determined by the type and composition of the starting material of the collecting material, it must be predicted thermodynamically before the experiment. As an example through the results of FIG.
  • Cs is trapped by the Al-Si-O phase, so that Cs-Al-Si-O (CsAlSiO 4 or CsAlSi 2 O 6 ) or Cs-Si- O (Cs 2 O*SiO 2 ) is formed.
  • CsAlSiO 4 or CsAlSi 2 O 6 Cs-Si- O
  • Cs 2 O*SiO 2 Cs-Si-O
  • CsAlSiO 4 or CsAlSi 2 O 6 has excellent high temperature stability, it was confirmed that Cs capture can be realized in the nuclear fuel of a nuclear reactor under a normal environment (about 1200°C or less).
  • FIGS. 4A and 4B it can be seen that a reaction in which I is captured in the form of BaI 2 by the sintered phases formed by Ba-O up to 1200°C is spontaneous.
  • BaO, Al 2 O 3 , SiO 2 and the like are formed as products, so when a collecting material is formed by a reaction between them, it can act as a collecting material again to form a reaction cycle.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

본 발명은 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 핵분열 생성 가스의 포집재를 포함하는 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 핵연료 소결체는 핵연료; 및 핵분열 생성 가스의 포집재;를 포함하며, 상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소(Si), 알루미늄(Al) 및 바륨(Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물을 포함함으로써 핵분열 생성 가스에 대해 선택적 및 독립적인 우수한 포집능을 나타낼 수 있다.

Description

핵연료 소결체 및 이의 제조 방법
본 발명은 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 핵분열 생성 가스의 포집재를 포함하는 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
후쿠시마 원전사고를 기점으로 핵연료의 안정성 향상을 목적으로 사고저항성 핵연료(Accident Tollerant Fuel, ATF)의 개발이 활발하다. 그 일환으로, 원자로 가동시 핵연료 소결체(Pellete, 펠렛) 내에 생성되는 기체 핵분열 생성 가스(Fission Gas, FG)이 소결체 외부로 방출되는 것을 저감하는 Fission Gas Release(FGR) 개선 소결체 개발이 진행 중이다. 세슘(Cs)과 요오드(I)은 방사능 준위가 높고, 기체로 존재할 수 있으므로 인체의 흡수성이 높아 발생량과 독성 측면에서 핵연료의 안전성 문제를 위협하는 주요 핵분열 생성 가스다.
이를 위해, Cs 포집재는 SiO2 기반 물질을 중심으로 개발되고 있으며 최근에는 ATF 개발취지에 맞춰 사고 상황까지 안정하게 Cs을 포집 및 보존할 수 있는 포집재 개발이 이뤄지고 있다.
한편, 원전용 핵연료 봉은 피복관 내에 여러 개의 핵연료 소결체가 적층되어 있는데, 원자로 내에서 핵반응이 진행될수록 핵연료 소결체가 부피 팽창하여 핵연료 소결체와 피복관 사이의 간격이 줄어들게 되고 결국은 서로 밀착하여 피복관에 응력을 주게 된다. 또한 핵반응 생성물로 인하여 부식성이 강한 가스가 생성되어 내압이 증가함으로써 핵연료 소결체와 피복관 사이에는 물리 화학적인 상호작용으로 인한 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)이 일어나게 된다. 핵분열 생성 가스 중 요오드(I)는 Cs에 비해 생성량은 적지만 피복관에 SCC를 일으키는 기체 중 하나임에도, I에 대한 포집재 개발은 매우 미미한 실정이다.
타 분야에서는 I에 대한 포집을 위한 많은 연구가 진행된 바 있으나, 이들 공정은 Mercurex, Iodox와 같은 습식 공정이 주를 이루고 있어서, 일련의 건식 공정으로 이루어지는 본 분야에는 적용되기 어려운 실정이다. 그리고 핵연료 소결체 제조 시와 같은 고온 소결 공정을 거치면 기존에 개발된 포집재 또한 I에 대한 포집 기능을 잃어버리는 문제가 있고, 핵분열 생성 가스인 I에 대한 선택적인 포집능이 가능한 포집재 개발 사례는 거의 없는 실정이다.
종래 Cs 포집재에서, Cs가 이미 포집된 포집재를 이용하여 CsI의 형태로 I를 포집 생성물로 포집하는 기술이 제안된 바 있으나, 해당 기술은 우선 I는 CsI 형태의 포집 생성물로 포집되기 때문에, I의 포집을 위해 Cs이 미리 포집되어 있어야 한다는 선행조건이 있어야 하기 때문에 I 자체의 포집 확률을 낮추게 된다. 즉, Cs과 I가 기지상 입자 내에서 각각 독립적으로 확산할 때, Cs이 포집되어 있지 않은 포집재 그 자체로는 I를 포집할 수 없는 문제가 있다. 또한, 포집 생성물인 CsI는 녹는점이 약 621℃인바, 고온 안정성이 뛰어나지 못하기 때문에, 핵연료 소결체 내에서 온도가 낮은 극히 일부 영역에서만 I의 포집이 가능하다는 점에서도 위와 같은 조성을 이용한 포집은 유용하지 못하다. 또한, 기존 Cs가 포집된 포집재 자체는 격자 내에서 고온까지 안정적으로 보존될 수 있어서 Cs를 고온까지 안정적으로 보존할 수 있음에도, Cs가 포집된 포집재를 이용하여 I를 포집하게 되면 포집재에 포집되어 있던 Cs이 I와 반응하여 CsI 상을 형성하면서 더 낮은 온도에서 기체로 휘발하게 되어 오히려 Cs의 포집에 악영향을 주는 문제가 발생하게 된다.
따라서, Cs 및 I와 같은 핵분열 생성 가스에 대한 포집능이 우수하면서도, Cs 및 I 각각에 대한 독립적인 포집능을 갖는 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법의 개발에 대한 요구가 계속되고 있다.
본 발명은 핵분열 생성 가스를 포집하여 핵분열 생성 가스의 휘발을 방지 및 핵분열 생성 가스의 제거를 용이하게 하기 위한 FGR 개선 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
구체적으로, 핵분열 생성 가스인 Cs 및 I에 대한 포집능이 우수하면서도, Cs 및 I에 대하여 각각 독립적인 포집능을 갖는 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법을 제공하고자 한다.
위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 핵연료; 및 핵분열 생성 가스의 포집재;를 포함하며, 상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소(Si), 알루미늄(Al) 및 바륨(Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물을 포함하는 것인 핵연료 소결체를 제공한다.
또한, 본 발명은 핵연료 원료 물질; 및 규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물;을 혼합한 후 소결하는 단계를 포함하는 핵연료 소결체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 핵연료 소결체는 핵분열 생성 가스에 대한 우수한 포집 효과를 나타낼 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 핵연료 소결체는 핵분열 생성 가스 중 Cs 및/또는 I를 선택적으로 포집 및 분리할 수 있으며, 보다 구체적으로 Cs 및 I에 대한 독립적인 포집능을 나타낼 수 있다. 이에 따라 종래 Cs 포집이 선행조건이던 I의 포집 기술 대비 Cs 포집과 독립적으로 I를 포집할 수 있게 되어 I에 대한 포집 효율을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, I에 의한 방해 효과가 감소하므로 Cs 포집 효율 또한 향상시킬 수 있고, Cs 포집 생성물을 보다 높은 온도까지 보존하게 되어 Cs 및 I 휘발율을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 핵연료 소결체를 이용하면, 소결체 내에서 핵분열 생성 가스인 Cs 및/또는 I를 선택적으로 포집함으로써 정상 운전 중에 봉내압 상승을 완화시키고 피복관의 SCC 발생률을 낮추는 이점이 있다. 이에 따라 원전 사고로 인해 핵연료가 노출되는 상황에서도 포집 온도범위 내에서는 FG가 환경으로 방출되는 것을 억제 또는 지연시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 핵연료 소결체의 제조 방법을 이용하면 핵분열 생성 가스에 대한 우수한 포집 효과, 구체적으로 핵분열 생성 가스 중 Cs 및/또는 I에 대한 선택적인 포집능 및 이들 각각에 대해 독립적으로 우수한 포집능을 갖는 핵연료 소결체를 제조할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 UO2 핵연료 소결체의 사진을 도시한 것이다.
도 2는 일 실시예에 따른 UO2 핵연료 소결체의 미세 구조를 광학 현미경으로 확인한 결과를 도시한 것이다. 도 2 상에서 면상 구조는 소결체 입자(grain)를 나타내며, 면과 면 사이의 경계 구조는 입계(grain boundary)를 나타낸다. 도 2에 따르면, 핵연료 소결체의 전형적인 입자와 입계 구조를 나타내며, 입자 내에서 기공 이외에 별도의 이차상은 관찰되지 않아 첨가된 Ba, Al 및 Si 함유 산화물을 포함하는 포집재는 입계에 분포하는 것으로 유추되었다.
도 3은 일 실시예에 따라 HSC chemistry를 이용하여 출발물질로서 Al2O3, SiO2 및 BaO를 1:1:1의 혼합 중량비로 이용하여 형성되는 포집재 조성의 평형도를 도시한 것이다. 평형도는 Al2O3*SiO2(D), BaO*Al2O3, Ba2SiO4, BaSiO3, BaAl2Si2O8, Al2O3, BaSi2O5, SiO2 및 Ba2Si3O8 각각에 대하여 나타내었다.
도 4a 및 도 4b는 일 실시예에 따라 포집재 조성에 따라 형성되는 포집 생성물의 포텐셜(도 4a: Cs 포텐셜, 4b: I 포텐셜)을 도시한 것이다. 이때, 노내 환경을 모사하기 위해 O2 포텐셜은 -450 kJ/mol을 적용하여 도시하였다. 각각의 포텐셜이 나타내는 평형 상태는 다음과 같다.
A1: BaO*Al2O3 + 2Cs(g) + 2SiO2 + 1/2 O2(g) = 2CsAlSiO4 + BaO
A2: BaAl2O4 + 2Cs(g) + 2SiO2 + 1/2 O2(g) = 2CsAlSiO4 + BaO
A3: Al2O3* SiO2 + 2Cs(g) + SiO2 + 1/2 O2(g) = 2CsAlSiO4
A4: BaSiO3 + 2Cs(g) + 1/2 O2(g) = Cs2O*SiO2 + BaO
A5: Al2O3 + 2Cs(g) + 2SiO2 + 1/2 O2(g) = 2CsAlSiO4
B1: BaO*Al2O3 + I2(g) = BaI2 + Al2O3 + 1/2 O2(g)
B2: BaAl2O4 + 2I2(g) = BaI2 + Al2O3 + 1/2 O2(g)
B3: BaSiO3 + I2(g) = BaI2 + SiO2 + 1/2 O2(g)
B4: BaAl2SiO8 + I2(g) = BaI2 + Al2O3 + 2SiO2 + 1/2 O2(g)
도 5는 일 실시예에 따라 Ba, Al 및 Si 함유 산화물을 포함하는 포집재의 Cs source의 반응 열처리 후 XRD 분석 결과를 도시한 것이다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 일 실시예에 따라 Ba, Al 및 Si 함유 산화물을 포함하는 포집재의 I source의 반응 열처리 후 SEM(6a) 및 EDS(6b, 6c, 6d) 분석 결과를 도시한 것이다. EDS 분석을 위한 시료 범위는 도 6a의 SEM 결과 상에 네모 점선 박스로 표기하였다.
본 발명의 핵연료 소결체는 핵연료; 및 핵분열 생성 가스의 포집재;를 포함하며, 상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소(Si), 알루미늄(Al) 및 바륨(Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물을 포함한다.
상기 핵연료는 우라늄계 산화물일 수 있으며, 예를 들어 이산화 우라늄(UO2), 팔산화삼우라늄(U3O8) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 보다 구체적으로는 UO2일 수 있다.
상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소(Si), 알루미늄(Al) 및 바륨(Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물을 포함한다. 일 실시예에서, 상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물의 소결에 의해 형성되는 것일 수 있으며, 구체적으로 상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소, 알루미늄 및 바륨을 포함하는 산화물을 포함할 수 있다. 상기 핵분열 생성 가스의 포집재가 규소, 알루미늄 및 바륨으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물, 구체적으로 규소, 알루미늄 및 바륨을 포함하는 산화물을 포함함으로써, 세슘 및 요오드 각각에 대해 독립적으로 포집능을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 핵연료 소결체는 종래 Cs에 대한 포집능을 갖는 규소 및 알루미늄 함유 산화물 조성(Al-Si-O 조성)의 포집재 대비 바륨을 포집재 조성 내에 포함함으로써 I에 대한 우수한 포집능을 나타낼 수 있다.
상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 핵연료 소결체의 입계에 포함되는 것일 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 핵연료 소결체의 광학 현미경 사진을 통해 입계 내에 상기 핵분열 생성 가스의 포집재가 분포된 것을 확인하였다. 구체적으로, 핵연료 소결체의 광학 현미경 사진에서 결정립 내부에서는 일부 기공(pore)이 형성된 것이 관찰되며, 입계 이외의 영역에서 이차상(secondary phase)을 형성한 흔적이 발견되지 않았다.
또한, 일 측면에서, 상기 핵연료 소결체 내 상기 핵분열 생성 가스의 포집재의 양은 상기 핵연료의 중량 대비 0.05 내지 1 중량%, 예를 들어 0.1 내지 0.5 중량%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 측면에서, 상기 핵연료 소결체를 이용하여 포집되는 핵분열 생성 가스의 양을 측정하여 추산한 상기 핵분열 생성 가스의 포집재의 양은 핵연료(ex. UO2)의 총 중량 대비 0.15 중량%임을 확인하였다.
상기 핵분열 생성 가스는 세슘(Cs) 및 요오드(I)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 구체적으로는 세슘 및 요오드로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 본 발명에 따른 핵연료 소결체는 세슘 및 요오드 각각에 대해 선택적으로 포집능이 우수하면서도, 세슘 및 요오드에 대해 독립적인 포집능을 나타낼 수 있다. 또한, 포집 생성물이 이에 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어 포집 생성물 중 CsAlSiO4, CsAlSi2O6 및 BaI2의 비교적 높은 녹는점으로 인해 핵연료 내 보다 넓은 영역에서 Cs 및 I에 대해 높은 포집율을 나타낼 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 Si, Al 및 Ba으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물을 포함할 수 있다. 그리고, 일 측면에서 상기 산화물은 하기 식 1로 표시되는 화합물을 포함함으로써, Cs 및 I 각각에 대해 독립적으로 우수한 포집능을 나타낼 수 있다.
[식 1]
BaxAlySizOw (여기서, 0≤x≤2, 0≤y≤2, 0≤z≤3 및 0<w≤8이고, 2x + 3y + 4z = 2w 이다.)
바람직하게는, 하기 식 2로 표시되는 화합물을 포함함으로써, Cs 및 I 각각에 대해 독립적으로 우수한 포집능을 나타낼 수 있다.
[식 2]
BalAlmSinOp (여기서, 0<l≤2, 0<m≤2, 0<n≤3 및 0<p≤8이고, 2l + 3m + 4n = 2p 이다.)
일 측면에서, 상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 BaAl2Si2O8 형태의 산화물을 포함할 수 있다.
상기 핵연료 소결체는 위와 같이 Ba-Al-Si-O 조성의 포집재를 포함함으로써, BaI2 형태의 포집 생성물로서 I를 독립적으로 포집할 수 있는 효과를 나타낼 수 있으며, 이에 따라 종래 CsAlSiO4, CsAlSi2O6 등의 형태의 Cs 포집 생성물을 이용한 I 포집 기술 대비 Cs를 포집 생성물로부터 분리시키지 않고 안정적으로 포집하고 있어 Cs 및 I에 대한 확산 방지의 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
상기 핵연료 소결체 내 핵분열 생성 가스의 포집재는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 평균 입자 크기(D50)가 0.1 내지 100 μm일 수 있으며, 구체적으로 10 내지 50 μm일 수 있다.
본 발명의 핵연료 소결체의 제조 방법은, 핵연료 원료 물질; 및 규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물;을 혼합한 후 소결하는 단계를 포함한다.
상기 핵연료 원료 물질은 우라늄계 산화물일 수 있으며, 구체적으로 우라늄 산화물 또는 상기 우라늄 산화물에 플루토늄 산화물, 가돌리늄 산화물, 토륨 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 혼합하여 형성되는 화합물일 수 있다.
상기 핵연료 원료 물질과 혼합되는, 규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물은 상기한 핵분열 생성 가스의 포집재 형성을 위한 원료 물질로서, 상기 핵연료 원료 물질과 상기 산화물의 혼합 중량비는 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 상기 핵연료 원료 물질의 총 중량 대비 0.05 내지 1 중량%일 수 있다. 일 예로, 상기 핵연료 원료 물질과 상기 산화물의 혼합 중량비가 상기한 범위로 혼합되어 핵연료 소결체를 제조할 때 제조되는 핵연료 소결체는 적절한 밀도범위를 가지며 핵분열 생성 가스에 대한 우수한 포집능을 나타내면서도 반응성이 우수한 효과를 나타낼 수 있다. 상기 범위의 하한치인 0.05 중량%는 핵연료 내에서 생성되는 Cs, I을 포집하기 위해 산정된 최소 필요량에, 상한치 1 중량%는 핵연료로서의 적정 소결밀도(상대밀도 약 95%) 기준을 만족할 수 있는 최대 첨가량(첨가량이 많아질수록 소결밀도 감소)에 각각 근거한다.
본 발명의 핵연료 소결체의 제조 방법에 있어서, 상기 핵연료 원료 물질과, 규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물을 모두 혼합하는 경우, 이들의 혼합 중량비는 생성되는 포집재가 Cs 및 I를 자발적으로 포집하는 상(phase)이 존재하도록 하면 되고, 특별히 제한되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 1:1:1 중량비로 규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물의 혼합물을 사용하여 핵연료 소결체를 제조하여 Cs 및 I에 대해 각각 우수한 포집능을 나타내는 것을 확인하였다(도 4a~도 4b 내지 도 6a~도 6d).
상기 핵연료 원료 물질과 상기 산화물을 혼합한 후 소결하는 단계에 있어서, 상기 소결은 환원성 가스 분위기 하에서 수행할 수 있으며, 상기 환원성 가스 분위기는 수소 및 불활성 기체 분위기를 포함할 수 있다. 상기 소결 분위기는 통상적으로 핵연료 소결체 제조 방법의 소결 조건에서 수행할 수 있으며, 추가적인 최적화 과정이 필요하지 않아 경제적이다.
또한, 상기 소결은 상기 핵연료 원료 물질 및 상기 핵분열 생성 가스의 포집재 형성을 위한 산화물의 공융 온도보다 높고, 상기 핵연료 원료 물질 및 상기 산화물 각각의 용융온도보다 낮은 온도에서 수행할 수도 있다. 상기 핵연료 원료 물질 및 상기 산화물의 공융 온도보다 높은 온도에서 소결을 수행함으로써 결정립(Grain) 및 결정립계(Grain boundaries), 바람직하게는 결정립계에 핵분열 생성 가스의 포집재를 형성함으로써 포집재의 휘발로 인한 핵연료 소결체의 포집능 저하의 문제를 개선할 수 있다. 이에 따라 핵연료 소결체의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예 등을 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속한 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
핵연료 소결체(펠렛)의 제조 및 미세 구조의 확인
핵연료 소결체(펠렛)의 제조는 출발분말의 준비, 분말 칭량, 혼합, 성형, 소결 순으로 수행되었다. 출발분말인 Al2O3, SiO2 및 BaO 분말을 중량비에 맞게 칭량하여 UO2 분말과 혼합하였다. 상기 혼합은 균질성 확보를 위해 turbula mixer를 이용하여, 30분 내지 2시간 동안 수행하였다. 혼합된 분말은 성형을 위해 금속 성형 몰드에 장입하여 일축성형기를 이용하여, 1-5 ton/cm2의 압력을 가하여 펠렛 형태로 압분하였다. 성형된 펠렛은 세라믹 도가니에 장입하여 열처리 로에 장착한 후 챔버 내를 수소 및 이산화탄소 기체를 이용하여 환원분위기를 형성한 다음 약 1700℃ 내외에서 수 시간 등온소결 하였다. 이 때, 소결 펠렛의 열충격을 최소화 하기 위해 승온 및 냉각속도는 5℃/분 이내로 하였다.
핵연료 소결체(펠렛)의 미세구조는 광학현미경, SEM 등으로 확인할 수 있다. 다이아몬드 saw를 이용, 펠렛을 축방향 또는 반경방향으로 절단하여 소결체 내부 표면을 노출시킨 후 해당 표면이 드러나도록 레진을 이용하여 마운팅하였다. 레진의 경화가 완료되면 연마기(Polisher)를 이용, 소결체의 절단면을 연마하였다. 격면을 잡는 거친 연마로 시작하여 다이아몬드 페이스트를 이용하는 미세연마 순으로 이뤄지며 연마가 끝난 후에 광학현미경으로 표면을 관찰하였다 (도2).
포집재의 평형 조성 분석
Al2O3, SiO2 및 BaO 분말을 1:1:1의 중량비로 칭량하여 이들을 출발 분말로 하여 제조되는 포집재의 평형 조성을 HSC chemistry를 이용하여 예측한 결과를 도 3에 도시하였다.
도 3은 세 가지 산화물 형태의 포집재 출발 분말(Al2O3, SiO2 및 BaO)이 소결조건(온도, 분위기)에서 어떤 형태의 화합물(소결상)을 이루는지 열역학적 관점에서의 평형 예측도이다. 이들은 향후 핵연료로 사용될 시 핵분열 생성물을 포집하는 포집재로 직접 작용하므로 이들이 Cs 및 I과 직접 반응할 수 있을지 반응성 여부를 검증하기 위해서는 먼저 이들의 화학적 형태를 정의해야 하며 소결상을 예측해야 한다. 소결상은 포집재 출발물질의 종류와 조성 등에 의해 결정되므로 실험 이전에 열역학적으로 예측되어야 한다. 도 3의 결과를 통해 일 예로, 1:1:1 비율로 첨가된 포집재 산화물들이 일 예의 소결조건(1700도, 98H2-2CO2 분위기)에서 어떠한 형태의 화합물(종류)을 얼마나 이루는지(양)를 미리 파악할 수 있었다. 여기서 얻어진 주요 상들을 반응물로 설정하여 이하에서 Cs 및 I과 반응성을 이하에서 실험적으로 확인하여 그 결과를 도시하였다(도 5 및 도 6a~도 6d 참고)
실험예 1. Cs 및 I에 대한 포집 성능의 확인
상기에서 제조한 Al2O3, SiO2 및 BaO 분말을 1:1:1의 중량비로 칭량하여 제조되는 포집재를 이용하여 Cs 및 I 반응 시편에 대한 자발적인 포집 성능을 검증하기 위하여, 상기의 평형상들로부터 형성되는 Cs 포집 생성물 및 I 포집 생성물의 포텐셜을 계산하여 그 결과를 도 4a~ 도 4b에 도시하였다(도 4a: Cs 포집 생성물, 도 4b: I 포집 생성물). 원자로 노내 환경을 모사하기 위해 O2 포텐셜은 -450 kJ/mol을 적용하여 계산 결과를 나타내었다. 각 포집반응의 포텐셜 변화(ΔG) 값이 음(-)일 경우 자발적일 것으로 판단하며 그 온도 범위가 넓을수록 해당 포집재의 작동 범위가 넓어지는 것으로 볼 수 있다.
도 4a 및 도 4b의 결과에 따르면, Cs은 Al-Si-O 상에 의해 포집되어 고온 안정성이 뛰어난 포집 생성물인 Cs-Al-Si-O(CsAlSiO4 또는 CsAlSi2O6) 혹은 Cs-Si-O (Cs2O*SiO2)를 형성한다. 900 내지 1000℃를 기점으로 그 이상의 고온 영역에서는 일부 포집반응이 비 자발적으로 변하지만 일부는 1200℃에 이르도록 여전히 자발적인 포집반응을 기대할 수 있었다. 또한, CsAlSiO4 또는 CsAlSi2O6의 경우 고온 안정성이 뛰어나므로 정상환경인 원자로의 핵연료 내(약 1200℃ 이하)에서 Cs 포집이 실현될 수 있음을 확인하였다. 한편, 도 4a 및 도 4b로부터 I는 Ba-O에 의해 형성된 소결상들에 의해 1200℃에 이르기까지 BaI2 형태로 포집되는 반응이 자발적임을 알 수 있다. 또한, 상기 Cs 및 I 화합물 이외에도 BaO 또는 Al2O3, SiO2 등이 생성물로 형성되므로 이들간의 반응으로 포집재가 형성되면 다시 포집재로 작용하여 반응 주기(reaction cycle)를 형성할 수 있다.
실험예 2. Cs 및 I에 대한 포집 성능의 확인 - XRD, SEM/EDS
상기 상기에서 제조한 Al2O3, SiO2 및 BaO 분말을 1:1:1의 중량비로 칭량하여 제조되는 포집재를 이용하여 Cs 및 I 반응 시편에 대한 포집 성능을 검증하기 위하여, 일 예로 650℃, 환원분위기에서 반응 열처리 시험을 수행하였다.
열처리를 통해 Ba-Al-Si-O 조성의 화합물과 기체상의 Cs 및 I 각각을 반응시킨 후 XRD 및 SEM/EDS로 분석한 결과, Cs 반응 시편에서는 CsAlSiO4 및 CsAlSi2O6가 관찰되었으며(도 5), I 반응 시편에서는 I가 검출되어(도 6b, 도 6c 및 도 6d) 각각 Cs 및 I의 포집반응이 일어났음을 확인하였다. XRD 상에서 회절 peak로 명확히 구분되는 CsAlSiO4 및 CsAlSi2O6 상의 존재는 Ba-Al-Si-O 조성의 포집재와 기체상의 Cs 간 상기 포집반응이 일어났음을 입증한다. 한편, I가 검출된 SEM/EDS 결과는 650℃인 반응열처리 온도에서 안정할 수 있는 화합물 형태로 I가 존재함을 보여준다. EDS mapping에서 I 원소의 분포 공간이 상당량 Ba 공간 분포와 일치하는 경향을 보이나 다량 함유된 Al, Si의 원소 분포와는 명확히 다른 것으로 보아 상기 포집반응을 통해 BaI2가 형성된 것으로 해석할 수 있다.

Claims (20)

  1. 핵연료; 및
    핵분열 생성 가스의 포집재;를 포함하며,
    상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소(Si), 알루미늄(Al) 및 바륨(Ba)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 원소를 포함하는 산화물을 포함하는 것인 핵연료 소결체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 핵연료는 우라늄계 산화물인 것인 핵연료 소결체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 상기 핵연료 소결체의 입계에 포함되는 것인 핵연료 소결체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 핵연료 총 중량을 기준으로 상기 핵분열 생성 가스의 포집재를 0.05 내지 1 중량% 포함하는 것인 핵연료 소결체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 핵분열 생성 가스는 세슘(Cs) 및 요오드(I)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 핵연료 소결체.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소, 알루미늄 및 바륨을 포함하는 산화물을 포함하는 것인 핵연료 소결체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화물은 하기 식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것인 핵연료 소결체.
    [식 1]
    BaxAlySizOw (여기서, 0≤x≤2, 0≤y≤2, 0≤z≤3 및 0<w≤8이고, 2x + 3y + 4z = 2w 이다.)
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 포집재는 평균 입자 크기(D50)가 0.1 내지 100 μm인 것인 핵연료 소결체.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 핵연료 소결체를 이용하여 핵분열 생성 가스를 포집하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 핵분열 생성 가스는 세슘(Cs) 및 요오드(I)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 핵분열 생성 가스를 포집하는 방법.
  11. 핵연료 원료 물질; 및
    규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나의 산화물;을 혼합한 후 소결하는 단계를 포함하는 핵연료 소결체의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 핵연료 원료 물질은 우라늄계 산화물인 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 핵연료 원료 물질의 총 중량에 대한 상기 산화물의 혼합 중량비는 0.05 내지 1 중량%인 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    핵연료 원료 물질; 및
    규소 산화물, 알루미늄 산화물 및 바륨 산화물;을 혼합하는 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 핵연료 소결체는 하기 식 1로 표시되는 산화물을 포함하는 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
    [식 1]
    BaxAlySizOw (여기서, 0≤x≤2, 0≤y≤2, 0≤z≤3 및 0<w≤8이고, 2x + 3y + 4z = 2w 이다.)
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 핵연료 소결체는 핵분열 생성 가스의 포집재를 포함하는 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 소결은 상기 핵연료 원료 물질 및 상기 산화물의 공융 온도보다 높고 상기 핵연료 및 상기 산화물 각각의 용융 온도보다 낮은 온도에서 수행하는 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 핵분열 생성 가스는 세슘(Cs) 및 요오드(I)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 핵분열 생성 가스의 포집재는 규소, 알루미늄 및 바륨을 포함하는 산화물을 포함하는 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 산화물은 하기 식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 것인 핵연료 소결체의 제조 방법.
    [식 2]
    BalAlmSinOp (여기서, 0<l≤2, 0<m≤2, 0<n≤3 및 0<p≤8이고, 2l + 3m + 4n = 2p 이다.)
PCT/KR2020/004522 2019-04-23 2020-04-02 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법 WO2020218751A1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/606,001 US20220208401A1 (en) 2019-04-23 2020-04-02 Nuclear fuel pellets and manufacturing method thereof
EP20794480.2A EP3961651A4 (en) 2019-04-23 2020-04-02 NUCLEAR FUEL PELLETS AND PROCESS FOR THEIR MANUFACTURE

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190047415A KR102256403B1 (ko) 2019-04-23 2019-04-23 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법
KR10-2019-0047415 2019-04-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020218751A1 true WO2020218751A1 (ko) 2020-10-29

Family

ID=72941626

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2020/004522 WO2020218751A1 (ko) 2019-04-23 2020-04-02 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20220208401A1 (ko)
EP (1) EP3961651A4 (ko)
KR (1) KR102256403B1 (ko)
WO (1) WO2020218751A1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS642671B2 (ko) * 1981-02-27 1989-01-18 Ise Ind
US5180527A (en) * 1990-04-03 1993-01-19 Nippon Nuclear Fuel Development Co., Ltd. Nuclear fuel pellets
KR20100054054A (ko) * 2008-11-13 2010-05-24 한국원자력연구원 초소성 우라늄산화물 핵연료 소결체 및 이의 제조방법
KR20170101083A (ko) * 2016-02-25 2017-09-05 한전원자력연료 주식회사 큰 결정립을 갖는 우라늄산화물 핵연료 소결체 조성물 및 제조 방법

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10115015C1 (de) * 2001-03-27 2003-05-15 Framatome Anp Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Sinterkörpers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS642671B2 (ko) * 1981-02-27 1989-01-18 Ise Ind
US5180527A (en) * 1990-04-03 1993-01-19 Nippon Nuclear Fuel Development Co., Ltd. Nuclear fuel pellets
KR20100054054A (ko) * 2008-11-13 2010-05-24 한국원자력연구원 초소성 우라늄산화물 핵연료 소결체 및 이의 제조방법
KR20170101083A (ko) * 2016-02-25 2017-09-05 한전원자력연료 주식회사 큰 결정립을 갖는 우라늄산화물 핵연료 소결체 조성물 및 제조 방법

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIANG, WEILIN ET AL.: "Microstnicture and Cs Behavior of Ba-Doped Aluminosilicate Pollucite Irradiated with F+ Ions", JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY C, vol. 118, no. 31, 24 June 2014 (2014-06-24), pages 18160 - 18169, XP055752858, DOI: 10.1021/jp5045223 *
See also references of EP3961651A4 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20220208401A1 (en) 2022-06-30
KR20200124043A (ko) 2020-11-02
EP3961651A4 (en) 2022-06-01
KR102256403B1 (ko) 2021-05-27
EP3961651A1 (en) 2022-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8243871B2 (en) Spherical fuel element and production thereof for gas-cooled high temperature pebble bed nuclear reactors (HTR)
US4869866A (en) Nuclear fuel
CA1188502A (en) Burnable neutron absorbers
FI93592B (fi) Menetelmä sintratun uraanidioksidikappaleen valmistamiseksi
JP7475338B2 (ja) ガス状ヨウ素の吸着及び捕獲のための微粒子リン酸銀系多孔質無機材料、その調製方法、並びにその使用
GB2112560A (en) Neutron absorber pellets
WO2020218751A1 (ko) 핵연료 소결체 및 이의 제조 방법
FI94002C (fi) Sintrattu neutroneja absorboiva monikidekappale, kappaleista koostuva säätösauva vesijäähdytteiseen ydinreaktoriin sekä menetelmä sintratun kappaleen valmistamiseksi
KR101122632B1 (ko) 방사성 희토류 산화물이 함유된 세라믹 고화체의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 밀도, 열적 안정성 및 내침출성이 향상된 세라믹 고화체
KR101869394B1 (ko) 카올리나이트를 원료성분으로 포함하는 다공성 소결체를 포함하는 방사성 세슘 기체 포집 필터 및 이의 제조방법
RU2713619C1 (ru) Таблетка ядерного топлива и способ её получения
JPH01201190A (ja) 二酸化ウラン焼結体の製造方法及び核燃料体
WO2019231046A1 (ko) 핵분열 기체 흡착성이 우수한 이산화우라늄 소결체 및 제조방법
WO2019107655A1 (ko) 산화저항성이 우수한 핵연료 소결체 및 이의 제조방법
EP0364650A1 (en) Sintered polycrystalline neutron-absorbent bodies comprising lanthanide rare-earth oxides and same water stabilized with a 4A-group metal oxide.
WO2021060606A1 (ko) 핵분열 기체 포집능이 향상된 핵연료용 이산화우라늄 소결체 및 제조방법
Tsuchiya et al. Fabrication development of Li2O pebbles by wet process
US20230059151A1 (en) Ceramic matrix composites enable through metal halide assisted sintering
CN113295577B (zh) 一种包覆燃料颗粒疏松热解碳层表观密度测定方法
WO2021060607A1 (ko) 핵연료 소결체의 산화저항성을 향상시킬 수 있는 피막을 형성시키는 소결 첨가제 및 이의 제조방법
WO2023211088A1 (ko) 원자로용 중성자 흡수체 및 중성자 흡수 제어봉
WO2021256598A1 (ko) 리튬 이차전지용 고체 전해질의 제조 방법
CN114937514A (zh) 球形燃料元件表面耐磨损抗氧化涂层及其制备方法
George et al. Fuel for the ‘Zenith’reactor
Colak et al. Si-contamination driven phase evolution in Nd-doped UO2 porous microspheres

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20794480

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020794480

Country of ref document: EP

Effective date: 20211123