WO2021060607A1 - 핵연료 소결체의 산화저항성을 향상시킬 수 있는 피막을 형성시키는 소결 첨가제 및 이의 제조방법 - Google Patents

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정태식
나연수
주민재
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Definitions

  • the present invention relates to a nuclear fuel sintered body capable of suppressing an increase in weight due to oxidation in a steam atmosphere, and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a uranium oxide powder containing chromium, manganese, and silicon oxide as additives, and manufacturing a nuclear fuel sintered body.
  • a liquid phase is generated during sintering, and the liquid phase promotes the movement of uranium atoms to increase crystal grains, and finally, a film is formed at the grain boundaries to inhibit oxidation.
  • the present invention relates to a method of manufacturing a sintered body that lowers the weight gain.
  • Nuclear power generation companies are required for economic operation in order to lower the cost of power generation.
  • the process of fragmentation is as follows.
  • the initial oxidation reaction occurs from the surface .
  • Oxygen atoms fill the lattice voids of UO 2 , and at this time, the valence of U is changed from +4 to +6 to satisfy the electron neutrality in the lattice. Therefore, the bonding force between atoms becomes stronger and the spacing between atoms becomes narrower.
  • the density increases by about 10%, and the UO 2 surface, where the initial oxidation started, contracts as a whole.
  • fine cracks occur at grain boundaries where the interatomic bonds are weak, and oxygen moves rapidly along the generated grain boundary gaps.
  • the grain boundary not only becomes a rapid diffusion path for oxygen atoms, but also oxidation proceeds rapidly because the energy state where the interatomic bonds are broken is high.
  • the oxidation rate cannot be reduced simply by the grain boundary size. The reason is that as the degree of combustion increases, fission products accumulate in the fuel, swelling occurs, and at the same time, internal stress is applied due to the thermal gradient, and cracks in the sintered body progress through grain boundaries.
  • a porous rim structure in which bubbles are scattered within the UO 2 matrix is formed at the grain boundary at the outer edge of the UO 2 sintered body having an average combustion degree of 40 GWd/tM or more.
  • the liquid phase that may exist at the grain boundaries mentioned in the present invention is KTJacob, Can. Metall. Q., 20 89-92 (1981)
  • MnO-Al 2 O 3 appears to be a liquid phase formed at 1540°C, and this causes Cr 2 O 3 to be reduced to CrO in a general UO 2 sintering atmosphere and then volatilized. It has consequences.
  • MnO-Al 2 O 3 also rapidly volatilizes in an oxidizing atmosphere. In the end, it is believed that the additive effect of the patent will be insignificant due to the volatilization of Cr 2 O 3 and MnO-Al 2 O 3 in order to suppress the oxidation of water vapor that proceeds along the grain boundaries.
  • the grain size is also as small as 6 ⁇ 8 ⁇ m, the grain boundary area that triggers rapid oxidation by high temperature water vapor is large, so it cannot be a good solution in terms of high temperature oxidation resistance.
  • the alkali oxides CaO and CaCO 3 are the main components of lime and are very active in reactivity with water vapor or water, so they are not suitable as materials for coating grain boundaries for oxidation inhibition.
  • the present inventors not only reduce the area of the area vulnerable to oxidation reaction by accelerating the grain growth rate in order to improve the oxidation resistance of the sintered nuclear fuel, but also apply the grain boundary with an oxide having excellent oxidation resistance and low volatility to contact the oxidizing agent.
  • a method to lower the oxidation reaction rate was devised by inhibiting
  • Patent Document 1 Korean Patent Registration No. 10-0446587 (Registration Date: August 23, 2004)
  • Patent Document 2 Korean Patent Registration No. 10-0521638 (Registration Date: 2005.10.06.)
  • Non-Patent Document 1 GNF, Additive Fuel Pellets for GNF Designs, NEDO-33406 (2009)
  • Non-Patent Document 2 AREVA, Incorporation of Chromia-Doped Fuel Properties in AREVA Apporved Methdos, ANP-10340NP (2016)
  • Non-Patent Document 3 K. Une, Journal of Nuclear Materials, 232 (1996) p.240 ⁇ 247.
  • Non-Patent Document 4 K.T. Jacob, Cam. Metall. Q., (1981) p.89-92.
  • the present invention reduces the oxidation rate of the nuclear fuel sintered body due to the vapor atmosphere formed when the nuclear fuel rods used in nuclear power plants are damaged, thereby inhibiting the release of fission materials that are leaked into the cooling water along with corrosion products of UO 2 to ensure the safety of nuclear power plants. It aims to improve.
  • the present invention is a uranium dioxide nuclear fuel sintered body, uranium dioxide (UO 2 ); And it is an aspect of the present invention to provide a uranium dioxide nuclear fuel sintered body comprising a sintering additive consisting of Cr 2 O 3 , MnO, and SiO 2.
  • the sintering additive is from 0.05 to 0.16% by weight based on 100% by weight of UO 2 , and the sintering additive is from 20 to 40% by weight of Cr 2 O 3 , 30 to 50% by weight of MnO, and 20 to 40% by weight of SiO 2 Can be mixed.
  • the present invention comprises the steps of 1) preparing a mixed powder by adding and mixing a sintered additive powder consisting of Cr 2 O 3 , MnO, and SiO 2 to uranium dioxide (UO 2) powder; 2) forming a molded body by compression molding the mixed powder; And 3) heating the compact in a reducing atmosphere to provide a method for manufacturing a sintered uranium dioxide nuclear fuel body.
  • the sintering additive powder of step 1) may be added in an amount of 0.05 to 0.16 wt% based on 100 wt% of UO 2 , and the sintering additive powder of step 1) contains 20 to 40 wt% of Cr 2 O 3 and MnO 30 to 50% by weight and SiO 2 may be mixed in a ratio of 20 to 40% by weight.
  • the compression molding pressure in step 2) may be 3 ton/cm 2.
  • the heating sintering temperature in step 3) may be 1730 to 1760°C, and the reducing atmosphere may be -581.9 kJ/mol to -218.2 kJ/mol based on oxygen potential.
  • thermodynamic data showing the oxygen potential calculated value with a O / U ratio of UO 2 sintered body can maintain a 2.0 at the sintering temperature according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a graph showing the state and composition ratio of Cr 2 O 3 , MnO, and SiO 2 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an optical microscope photograph showing the microstructure of a UO 2 sintered body prepared according to Comparative Example 5 of the present invention to which 10% by weight of Cr 2 O 3 , MnO, and Al 2 O 3 was added.
  • FIG. 7 is a graph showing an increase in weight per unit surface area that changes with time when a high-temperature steam oxidation experiment is performed on the sintered body manufactured according to an embodiment of the present invention and the sintered body manufactured according to Comparative Examples 1 to 6.
  • the present invention is a sintering additive composed of Cr 2 O 3 , MnO, and SiO 2 and is sintered in a reducing atmosphere to form a liquid phase to promote crystal grain growth and consequently form a film at the grain boundary to lower the oxidation rate of the UO 2 sintered body at high temperatures It provides a nuclear fuel sintered body with excellent oxidation resistance and a manufacturing method thereof.
  • the method of manufacturing a nuclear fuel sintered body of the present invention comprises: 1) preparing a mixed powder by adding and mixing an additive powder consisting of Cr 2 O 3 , MnO, and SiO 2 to uranium dioxide (UO 2 ) powder. (S11), 2) forming a compact by compression molding the mixed powder (S12), and 3) heating the compact in a reducing atmosphere to sinter (S13).
  • the total amount of the sintering additive added in step (S11) may be 0.05 to 0.16% by weight based on 100% by weight of UO 2.
  • the content of the sintering additive is less than 0.05% by weight, sufficient grain growth cannot be promoted, and a liquid fraction capable of applying a grain boundary is not generated.
  • the thermal neutrons required for the nuclear fission chain reaction are shielded by additional elements with a large thermal neutron absorption cross-sectional area, the U-235 concentration for nuclear fission is also inferior in economy. Therefore, the range capable of effectively exhibiting oxidation resistance due to high temperature water vapor and maintaining thermal neutron economy is preferably 0.05 to 0.16% by weight.
  • the sintering additive may be mixed in a ratio of 20 to 40 % by weight of Cr 2 O 3 , 30 to 50% by weight of MnO, and 20 to 40% by weight of SiO 2 relative to 100% by weight of the sintering additive.
  • the fuel sintering additive according to the present invention Cr 2 O 3 to UO 2 solubility range than UO 2 by the addition of less than 0.05 wt.%
  • Cr 2 O This is because in the case of a liquid formed of 30,000, a dense oxide film cannot be formed. Therefore, it must react with MnO and SiO 2 to form a dense compound.
  • 0.015% by weight or more of Cr 2 O 3 should be added to 100% by weight of UO 2 in order to make the minimum compound fraction capable of exerting oxidation resistance. Therefore, it is preferable to add Cr 2 O 3 in an amount of 0.015 to 0.05% by weight based on 100% by weight of UO 2.
  • MnO has a low solubility in the UO 2 matrix, and when added in a single composition, it does not undergo a phase transformation into a liquid state even at a sintering temperature, so it exists in a solid state and eventually interferes with crystal grain growth. However, it reacts with Cr 2 O 3 and SiO 2 before the sintering temperature (1730 ⁇ 1780°C) and forms a liquid compound from a low temperature. As in the Cr 2 O 3 -MnO-SiO 2 three-component phase diagram at 1500° C. of FIG. 3, when the content of MnO is increased, it can be seen that the liquid fraction increases. Eventually, the increase in the liquid fraction promotes UO 2 grain growth, so the higher the MnO ratio, the better.
  • the amount of MnO is preferably added to 0.06% by weight or less.
  • a Cr 2 O 3 -MnO-SiO 2 compound is applied to the grain boundary at which the oxidation reaction starts at the first level to keep the oxidation resistance at a minimum, and added at least 0.02 wt% to suppress the reaction between UO 2 and the oxidizing agent. It is desirable.
  • SiO 2 has excellent nuclear fission gas trapping performance capable of forming compounds by reacting with fission-producing materials generated by nuclear fission.
  • a liquid compound together with Cr 2 O 3 and MnO is formed near the sintering temperature to promote grain growth.
  • step (S12) an additive is mixed and molded with UO 2 powder. After mixing using a Nauta mixer, the mixed powder is put into a molding mold, and a molded body is manufactured at a pressure of 3 ton/cm 2.
  • step S13 as a step of sintering the molded body, sintering may be performed for 4 to 6 hours at a temperature range of 1730 to 1760°C.
  • the sintering atmosphere is an oxygen potential of -581.9 kJ/mol to -218.2 kJ/mol (reducing atmosphere), and referring to FIG. 2, it can be seen that the O/U ratio is more stable as 2.0 in the oxygen potential atmosphere.
  • the O/U ratio of UO 2 increases to 2.0 or more, resulting in deformation of the crystal structure, resulting in cracks outside/inside the sintered body. It will be.
  • liquid phases of added oxides can be formed from 1500° C., which is a temperature below the target sintering temperature of 1730 to 1760° C., and as shown in FIG. 4, the presence of oxides containing Cr, Mn, and Si. You can check.
  • the oxide composed of Cr, Mn, and Si is believed to have existed in a liquid phase at the sintering temperature as it surrounds the UO 2 grain boundary. Since the film having excellent oxidation resistance was formed at the grain boundaries through the above-described process, the weight increase due to oxidation may be 1/5 lower than that of pure UO 2.
  • Uranium dioxide nuclear fuel sintered body of the present invention uranium dioxide (UO 2 ); And a sintering additive consisting of Cr 2 O 3 , MnO and SiO 2.
  • the sintering additive may be 0.05 to 0.16% by weight based on 100% by weight of the UO 2
  • the sintering additive may be mixed in a ratio of 20 to 40 % by weight of Cr 2 O 3 , 30 to 50% by weight of MnO, and 20 to 40% by weight of SiO 2 relative to 100% by weight of the sintering additive.
  • an additive consisting of a total amount of Cr 2 O 3 , MnO, and SiO 2 was added so as to be 0.1% by weight.
  • the ratio of Cr 2 O 3 , MnO, and SiO 2 constituting 0.1% by weight was set to be 3: 4: 3 respectively (refer to Table 1), and after 4 hours mixing in a 3-axis rotary mixer, 3 ton/cm 2 pressure Compressed to prepare a molded article.
  • the molded body was heated to 1750° C. at a rate of 5° C./min and then sintered for 4 hours.
  • the sintering atmosphere maintained the oxygen potential at -380 kJ/mol.
  • Comparative Examples 1 to 2 (refer to Table 1) to determine the minimum required liquid fraction for improvement of oxidation resistance and growth of grain size, and to confirm the decrease in oxidation resistance resistance performance due to an appropriate Cr 2 O 3 excess ratio.
  • Comparative Example 3 (see Table 1), a UO 2 sintered body was prepared using the same method as the method of the Example.
  • an additive consisting of Cr 2 O 3 , MnO, and Al 2 O 3 was added so as to be 0.1% by weight in order to confirm the effect of liquid volatilization under oxidation conditions on the reduction of oxidation resistance.
  • the ratio of Cr 2 O 3 , MnO and Al 2 O 3 constituting 0.1% by weight was set to 7: 2: 1 respectively, and a UO 2 sintered body was prepared in the same manner as in the example manufacturing method.
  • an additive composed of Cr 2 O 3 , CaO and SiO 2 was added so as to be 0.1% by weight.
  • the ratio of Cr 2 O 3 , CaO and SiO 2 constituting 0.1% by weight was set to be 4: 5: 1 respectively, and UO 2 sintered body was prepared in the same manner as in the example manufacturing method.
  • Additive weight% relative to 100% by weight of UO 2 Additive weight% relative to 100% by weight of sintering additive (Additive weight% relative to 100% by weight of UO 2 ) Cr 2 O 3 MnO SiO 2 Al 2 O 3 CaO
  • 0.1 30(0.03) 40(0.04) 30(0.03) - - Comparative Example 1 0.05 30(0.015) 40(0.02) 30(0.015) - - Comparative Example 2 0.03 30(0.009) 40(0.012) 30(0.009) - - Comparative Example 3
  • 0.1 70(0.07) 20(0.02) 10(0.01) - - Comparative Example 4 0 - - - - - Comparative Example 5 0.1 70(0.07) 20(0.02) - 10(0.01) - Comparative Example 6 0.1 40(0.04) - 10(0.01) - 50(0.05)
  • the microstructure surface of the sintered body was observed with an optical microscope through hemp and thermal etching. The results are shown in FIG. 5.
  • Example Comparative Example 1 Comparative Example 2 Comparative Example 3 Comparative Example 4 Comparative Example 5 Comparative Example 6 Grain size ( ⁇ m) 40.3 38.1 15.6 46.5 9.5 43.3 8.6 Weight gain(mg/mm2) 0.184 0.211 0.485 0.734 0.980 0.592 0.941
  • the sintered body produced in the Example is 0.184 mg/mm 2
  • Comparative Example 4 is 0.980 mg/mm 2 (5.3 times compared to Example)
  • Comparative Example 5 is 0.592 mg/mm 2 ( 3.2 times compared to Example)
  • Comparative Example 6 increased the weight compared to the specific surface area to 0.941 mg/mm 2 (5.1 times compared to Example).
  • Comparative Example 1 When the Cr 2 O 3 -MnO-SiO 2 of Comparative Example 1 is added 0.05% by weight compared to 100% by weight of UO 2, it exhibits similar grain size as well as high temperature oxidation resistance as in Example. However, when 0.04% by weight of Comparative Example 2 was added, crystal grain growth and high temperature oxidation resistance due to a decrease in the liquid fraction formed by the additive decreased.
  • the Cr 2 O 3 additive of Comparative Example 3 was added in an excess of 0.07% by weight compared to 100% by weight of UO 2 and added in an excess ratio to MnO (0.02% by weight) and SiO 2 (0.01% by weight), and Cr 2 O 3 -MnO-SiO 2
  • the liquid phase consisting of the components was not sufficiently produced.
  • the crystal grain size increased due to the liquid phase that was formed alone due to the reduction of Cr 2 O 3 that did not form a liquid phase by meeting MnO and SiO 2 , but the additive itself oxidized in an oxidizing atmosphere and insufficient Cr 2 O 3 -MnO-SiO 2
  • the oxidation resistance performance according to the liquid fraction seems to have deteriorated.
  • Comparative Example 4 is less than 10 ⁇ m, so that the area of the grain boundary is wide, so that the oxidation reaction due to the penetration of high temperature water vapor occurs actively.

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Abstract

본 발명은 수증기 분위기에서 높은 내산화성을 보이는 핵연료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로 1) UO2 분말에 Cr2O3, MnO, 및 SiO2 로 이루어진 소결제 첨가제 분말을 첨가 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계 2) 상기 혼합분말을 압축 성형하여 성형체를 만드는 단계 및 3) 상기 성형체를 산소포텐셜 -581.9 내지 -218.2 kJ/mol의 약산화성 분위기에서 가열하여 소결하는 단계를 포함하는 이산화우라늄 핵연료 소결체 제조 방법 그리고 UO2 100 중량 % 대비 Cr2O3, MnO, 및 SiO2 로 이루어진 소결제 첨가제가 0.05 내지 0.16 중량 %로 함유되는 것을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체를 포함한다. 상기와 같은 본 발명에 따르면, 우라늄산화물 분말에 크롬, 망간 산화물을 포함하며 핵연료 소결체 제조를 위해 소결 시 생성되는 액상이 결정립 성장을 가속화 시킬 뿐만 아니라 결정립계면에 피막을 형성시켜 수증기와의 반응을 억제시켜 산화반응을 제한함으로써, 냉각재 상실사고 조건에서 피복관 취화 최대온도(peak cladding temperature, PCT)인 1204℃(≒2200℉) 부근에서 고온 수증기 산화저항성을 향상시켜 연료봉 손상에 의한 핵분열 물질 누출량을 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

핵연료 소결체의 산화저항성을 향상시킬 수 있는 피막을 형성시키는 소결 첨가제 및 이의 제조방법
본 발명은 수증기 분위기에서 산화에 의한 무게증가 현상을 억제시킬 수 있는 핵연료 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우라늄산화물 분말에 크롬, 망간, 실리콘 산화물을 첨가제로 포함하며 핵연료 소결체 제조를 위해 소결 시 액상을 생성시키고 이 액상이 우라늄 원자의 이동을 촉진시켜 결정립을 크게 만들고 최종적으로 결정립계에 피막을 형성시켜 산화를 억제시키므로 그에 따른 무게증가율을 낮추는 소결체 제조방법에 관한 것이다.
원자력 발전사들은 전력생산 단가를 낮추기 위해 경제적인 운전에 요구되는
핵연료 성능개선의 필요성을 강조하였고, 1980년대부터 2000년대 초까지 핵연료 개발사들을 중심으로 장주기/고연소도 소결체 개발이 수행되었다. 하지만, 최근 원자력발전의 안전에 관한 관심이 증폭되며 새롭게 개발되는 핵연료에는 향상된 안전 성능을 가지는 특징까지 요구되고 있다.
노심의 안전성을 높일 수 있는 운전 여유도가 증가된 핵연료를 개발하기 위해 핵연료 제조사들은 수백 ~ 수천 중량 ppm 단위로 산화물을 첨가해 UO2 소결체의 성능을 향상시켰다. 개발첨가제가 함유된 소결체의 상용생산 및 공급을 위해 기존 핵연료 제조사들(GNF, AREVA)이 작성한 인허가 보고서들(Licensing Topical Report, GNF NEDC-33106P, Rev. 2/ AREVA ANP-10340NP)에 따르면 단순히 경제성 있는 연소에 관한 실험뿐만 아니라 안전성 평가관련 실험 또한 중점적으로 수행된 것을 알 수 있다. 특히 연료 봉 손상에 의한 냉각수 또는 수증기 유입에 따른 UO2 소결체의 산화반응에 의한 무게 증가량을 평가하였다.
일반적으로 노내 연소 중 연료봉 손상은 360 ~ 1200℃ 물 또는 수증기 분위기에서 UO2 소결체 부식을 유발시키는데, 하기 반응식 1과 같이 단계 별로 UO2의 O/U = 2.0 비율이 차츰 증가하면서 소결체가 산화된다.
[반응식 1]
UO2 → U3O7/U4O9 → U3O8
총 2 번의 상변태 후 생겨난 U3O8는 UO2로부터 파편화(Fragmentation)되어 떨어져 나오게 되는데 그 이유는 상변태로 인한 결정구조의 변화 때문이다. 즉, UO2부터 U4O9 까지는 입방정 구조가 유지되지만 U3O8부터 사방정 구조로 변화하며 8.35 g/cm3으로 20 % 가량 밀도가 줄어들게 되므로(부피가 증가하며) 내부응력이 발생된다. 결국 해당 응력이 파괴응력을 넘어서며 파편화가 발생되기 때문이다. UO2 산화에 의한 U3O8로의 상변태에 따른 파편화는 결국 연료봉 손상이 발생했을 경우 연료봉 밖으로 방사성을 띄는 핵분열 물질 누출과 직접적인 연관관계가 있으므로 UO2의 산화저항성은 원자로의 안전 여유도에 큰 영향을 끼친다.
파편화가 진행되는 과정은 다음과 같다. 최초 산화반응은 표면에서부터 발생되는데 UO2의 격자 공극을 산소원자가 채우고 이때 격자 내 전자중성도를 만족하기 위해 기존 U의 원자가가 +4에서 +6로 바뀌게 된다. 따라서 원자간 결합력이 더욱 강해져 원자간 간격이 더욱 좁아지게 된다. 결국 밀도가 약 10%가량 증가하게 되어 초기 산화가 시작된 UO2 표면이 전체적으로 수축하게 된다. 결과적으로 미세 크랙이 원자간 결합이 약한 결정립계에서 발생하게 되는데 산소는 이렇게 생겨난 결정립계 틈을 따라 빠르게 이동한다. 결정립계는 산소원자의 빠른 확산 통로가 될 뿐 아니라 원자간 결합이 끊긴 에너지 상태가 높은 위치이므로 산화 또한 빠르게 진행된다.
K. Une Journal of Nuclear Materials, 232 (1996) 240-247에서는 340℃에서 50 시간 물속에서 UO2를 산화 시험해 본 결과 결정립 크기가 증가함에 따라 부식층 침투깊이가 감소하는 결과를 발표하였다. 한국특허 제10-0446587호가 제시하는 방법에서는 (Mn + Cr + Al)/U 중량 비율이 0.005 ~ 0.15 중량 % 첨가하고 약산화성(가스비: CO2/H2 = 0.3 ~ 1.6 %)분위기에서 소결하여 얻은 결정립 크기가 일반 UO2 소결체의 결정립 크기인 8 μm 보다 4 ~ 6배 큰 결과를 제시하였다. 일반적으로 결정립 크기가 성장할수록 크립 속도는 증가한다.
하지만, 노내 연소에 따른 소결체 상태 변화 관점에서는 단순히 결정립계 크기만으로는 산화 속도를 감소시킬 수 없다. 그 이유는 연소도가 증가함에 따라 핵분열 생성물이 연료내부에 축적되며 팽윤(swelling)이 발생하고 동시에 열구배로 인해 내부응력이 가해져 소결체 곳곳의 균열이 결정립계를 통해 진행되기 때문이다. 또한, 평균 연소도가 40 GWd/tM 이상인 UO2 소결체의 외곽에서는 UO2 기지 내에 기포들이 산재하는 다공성 림(Rim) 구조가 결정립계면에 형성된다. 결국 이러한 균열과 림 구조는 산화에 취약한 결합이 끊긴 결정립계 표면들이므로 외부로부터의 산화제 유입은 산화 반응성을 폭발적으로 증가시킨다. 따라서 단순히 결정립계를 크게 만들어 산화 반응속도를 줄인다고 하더라도 노내연소로 결과되는 재료의 열화 관점으로봤을 때에는 결정립 크기 성장이 완전한 해결책이 될 수는 없다.
또한, 해당 발명에서 언급한 결정립계에 존재할 수도 있다는 액상은 K.T.Jacob, Can. Metall. Q., 20 89-92 (1981) 상태도에서와 같이 MnO - Al2O3가 1540℃에서 형성하는 액상으로 보이며, 이로 인해 일반적인 UO2 소결 분위기에서 Cr2O3가 CrO로의 환원되었다가 휘발되는 결과를 초래하게 된다. 뿐만 아니라, 여러 실험을 통해 MnO - Al2O3 또한 산화분위기에서 빠른 휘발이 발생하는 것을 알 수 있다. 결국 결정립계를 따라 진행되는 수증기 산화 현상을 억제하기에는 Cr2O3과 MnO - Al2O3의 휘발에 의해 해당 특허의 첨가제 효과가 미미할 것으로 판단된다.
한국특허 제10-0521638호가 제시하는 방법에서는 SiO2, CaO, Cr2O3 (중량비율, 35 ~ 55 : 45 ~ 65 : 1 ~ 7) 첨가제를 함유한 UO2를 1700℃에서 4 시간 동안 H2 + 5 % CO2 분위기에서 소결시켜 결정립계에 형성된 액상을 형성 시키고 외부 응력을 가하여 크립 변형이 빠르게 나타나는 결과를 제시하였고 이를 통해 UO2 소결체를 감싸고 있는 피복관으로 전달되는 응력을 상쇄시키는 결과를 얻을 수 있다고 하였다. 하지만, 3000 ppm (0.3 중량 %) 이상 과량을 첨가할 경우에만 이러한 크립 변형률 속도 증가가 얻어지는 결과를 제시하였다. 또한, 결정립 크기 또한 6 ~ 8 μm 정도로 작기 때문에 고온 수증기에 의한 빠른 산화 진행이 촉발되는 결정립계면 면적이 넓으므로 고온 산화 저항성 측면에서는 좋은 해결책이 될 수 없다. 추가적으로 알칼리 산화물인 CaO 그리고 CaCO3는 석회의 주성분으로 수증기 또는 물과의 반응성이 굉장히 활발하기 마찬가지이므로 산화억제용 결정립계 도포 물질로 적절하지 않다.
이에, 본 발명자들은 핵연료 소결체의 산화 저항성을 향상시키기 위해 결정립 성장 속도를 촉진시켜 산화 반응에 취약한 부위의 면적을 줄일 뿐만 아니라 결정립계면을 산화 저항성이 우수하고 휘발성이 낮은 산화물로 도포해 산화제와의 접촉을 억제시킴으로써 산화반응 속도를 낮추는 방법을 고안하였다.
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허 제10-0446587호 (등록일자: 2004.08.23.)
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허 제10-0521638호 (등록일자: 2005.10.06.)
[비특허문헌]
(비특허문헌 1) GNF, Additive Fuel Pellets for GNF Designs, NEDO-33406 (2009)
(비특허문헌 2) AREVA, Incorporation of Chromia-Doped Fuel Properties in AREVA Apporved Methdos, ANP-10340NP (2016)
(비특허문헌 3) K. Une, Journal of Nuclear Materials, 232 (1996) p.240 ~ 247.
(비특허문헌 4) K.T. Jacob, Cam. Metall. Q., (1981) p.89 ~ 92.
본 발명은 원자력발전소에서 사용하는 핵연료봉의 손상 시 형성되는 수증기 분위기에 의한 핵연료 소결체의 산화속도를 낮춤으로써, UO2의 부식 생성물들과 함께 냉각수로 유출되는 핵분열 물질들의 방출을 억제해 원자력발전소의 안전성을 개선하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성을 위하여 본 발명은 이산화우라늄 핵연료 소결체에 있어서, 이산화우라늄(UO2); 및 Cr2O3, MnO, 및 SiO2로 이루어진 소결 첨가제를 포함하는 이산화우라늄 핵연료 소결체를 제공하는 것을 본 발명의 일 측면으로 한다.
상기 소결 첨가제는 UO2 100 중량 % 대비 0.05 내지 0.16 중량 %이며, 상기 소결 첨가제는 Cr2O3가 20 내지 40 의 중량 %, MnO가 30 내지 50 중량 %, SiO2가 20 내지 40 중량 %비로 혼합될 수 있다.
또한, 본 발명은 1) 이산화 우라늄(UO2) 분말에 Cr2O3, MnO, 및 SiO2로 이루어진 소결 첨가제 분말을 첨가 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계; 2) 상기 혼합분말을 압축 성형하여 성형체를 만드는 단계; 및 3) 상기 성형체를 환원성 분위기에서 가열하여 소결하는 단계를 포함하는 이산화우라늄 핵연료 소결체 제조 방법을 제공하는 것을 본 발명의 다른 측면으로 한다. 상기 1)단계의 상기 소결 첨가제 분말은 UO2 100 중량 % 대비 0.05 내지 0.16 중량 %로 첨가될 수 있으며, 상기 1)단계의 상기 소결 첨가제 분말은 Cr2O3가 20 내지 40 중량 %, MnO가 30 내지 50 중량 % 및 SiO2이 20 내지 40 중량 %, 비로 혼합될 수 있다.
상기 2) 단계의 압축 성형 압력은 3 ton/cm2 일 수 있다.
상기 3) 단계의 가열하는 소결 온도는 1730 내지 1760℃일 수 있으며 환원성 분위기는 산소포텐셜 기준 -581.9 kJ/mol 내지 -218.2 kJ/mol 일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, Cr2O3, MnO, 및 SiO2가 첨가된 UO2 소결체는 큰 결정립을 가짐과 동시에 결정립계에 형성된 피막으로 인해 고온 수증기 분위기에서 높은 산화저항성을 보임으로써, UO2의 산화로 인해 U3O8화 되며 미세 파편화되어 떨어져나가는 산화 UO2 양을 줄여 연료 봉 파손 시 냉각수로의 핵분열 물질 유실을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 UO2 소결체 제조방법의 개략적인 공정
순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 온도에서 UO2 소결체의 O/U ratio가 2.0을 유지할 수 있는 산소포텐셜 계산값을 나타낸 열역학 데이터이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 Cr2O3, MnO, 및 SiO2의 상태 및 조성비율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 Cr2O3, MnO, 및 SiO2을 10 중량 % 첨가한 UO2 소결체의 미세조직을 나타낸 주사전자현미경 사진과 X-선 분광분석(energy dispersive spectrometer, EDS) 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 Cr2O3, MnO, 및 SiO2을 0.1 중량 % 첨가한 UO2 소결체와 비교예 4 내지 6 소결체들의 미세조직을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 비교예 5에 따라 제조된, Cr2O3, MnO, 및 Al2O3를 10 중량 %를 첨가한 UO2 소결체의 미세조직을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체와 비교예 1 내지 6에 따라 제조된 소결체를 대상으로 고온 수증기 산화실험을 한 경우 시간에 따라 변화하는 단위표면적당 무게 증가량을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 소결체와 비교예 1 내지 6에 따라 제조된 소결체의 결정립 크기와 고온 수증기 산화실험 측정값들을 한번에 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명은 Cr2O3, MnO, 및 SiO2로 이루어진 소결 첨가제로서 환원성 분위기에서 소결하여 액상을 형성시켜 결정립 성장을 촉진시키고 결과적으로 결정립계에 피막을 형성시킴으로써 고온에서 UO2 소결체의 산화속도를 낮출 수 있는 산화저항성이 우수한 핵연료 소결체 및 이의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 핵연료 소결체의 제조방법을 나타내는 공정 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 핵연료 소결체의 제조방법은 1) 이산화우라늄(UO2) 분말에 대하여 Cr2O3, MnO, 및 SiO2로 이루어진 첨가제 분말을 첨가 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계(S11), 2) 상기 혼합분말을 압축 성형하여 성형체를 만드는 단계(S12) 및 3) 상기 성형체를 환원성 분위기에서 가열하여 소결하는 단계(S13)를 포함한다.
1) 단계(S11)에서 첨가되는 소결 첨가제의 총량은 UO2 100 중량 % 대비 0.05 내지 0.16 중량 %일 수 있다. 상기 소결 첨가제의 함량이 0.05 중량 % 미만일 경우 충분한 결정립 성장을 촉진시킬 수 없을 뿐만 아니라 결정립계면을 도포할 수 있는 액상 분율이 생성되지 않는다. 0.16 중량 % 이상의 경우 열중성자 흡수 단면적이 큰 첨가원소들에 의해 핵분열 연쇄반응에 필요한 열중성자가 차폐되므로 핵분열 할 수 있는 U-235 농축도 경제성이 떨어진다. 따라서 고온 수증기에 의한 산화저항성을 효과적으로 나타내고 열중성자 경제성을 유지할 수 있는 범위는 0.05 내지 0.16 중량 %가 바람직하다.
1) 단계(S11)에서 소결 첨가제는 소결 첨가제 100 중량 % 대비 Cr2O3 20 내지 40 중량 %, MnO 30 내지 50 중량 %, SiO2 20 내지 40 중량 % 비로 혼합된 것일 수 있다.
(1) Cr2O3
UO2 기지 내 Cr2O3가 첨가된 경우, 기지 내 전자 중성도(charge neutrality)를 만족시키기 위해 격자 내 U4+이온의 빈 점결함들이 생겨나게 되고 따라서 U4+ 이온의 확산속도 증가에 따른 UO2 소결체의 결정립 성장이 도모된다. AREVA 사의 UO2 100 중량 % 대비 Cr2O3가 0.16 중량 % 도핑된 소결체의 경우 UO2 기지 내 고용될 수 있는 Cr2O3의 0.05 중량 % 범위를 과도하게 초과하였는데, 이는 UO2 소결온도 영역에서 고용되지 않은 Cr2O3를 액상 형태의 CrO 형태로 환원시켜 결정립 성장을 추가적으로 도모하기 위함이다.
따라서 본 발명에 따른 핵연료 소결 첨가제에서는 Cr2O3를 UO2 고용도 범위 이하인 UO2 100 중량 % 대비 0.05 중량 % 미만으로 첨가하여 단독으로 액상이 형성되는 것을 방지하여야 하는데 그 이유는, Cr2O3만으로 형성된 액상의 경우 치밀한 산화막을 형성할 수 없기 때문이다. 따라서 MnO, SiO2과 반응하여 치밀한 화합물을 형성시켜야 한다. 이때 산화저항성능을 발휘할 수 있는 최소한의 화합물 분율을 만들기 위해 UO2 100 중량 % 대비 0.015 중량 % 이상의 Cr2O3가 첨가되어야 한다. 따라서 Cr2O3는 UO2 100 중량 % 대비 0.015 ~ 0.05 중량 % 첨가하는 것이 바람직하다.
(2) MnO
MnO는 UO2 기지 내에서 고용도가 낮을 뿐만 아니라 단일 조성으로 첨가되었을 경우 소결 온도에서 조차 액상으로 상변태가 일어나지 않기 때문에 오히려 고상형태로 존재하게 되며 결국 결정립 성장을 방해한다. 하지만 소결 온도 (1730 ~ 1780℃) 전부터 Cr2O3, SiO2와 반응하며 액상 화합물을 낮은 온도에서부터 형성한다. 도 3의 1500℃에서의 Cr2O3-MnO-SiO2 3성분계 상태도에서와 같이 MnO의 함량을 증가시켰을 경우 액상 분율이 늘어나는 것을 알 수 있다. 결국 액상 분율의 증가는 UO2 결정립 성장을 촉진시키게 되므로 MnO의 비율은 높을수록 좋다. 하지만 핵연료용 소결체 불순물 농도 기준 중 SiO2와 MnO 합친 양이 UO2 100 중량 % 대비 0.12 중량 %를 초과할 수 없다는 시방에 의해 MnO 양은 0.06 중량 % 이하로 첨가하는 것이 바람직하다. 또한 산화저항성능을 최소한 유지시킬 수 있을 만큼의 Cr2O3-MnO-SiO2 화합물을 산화 반응이 최초 시작되는 결정립계에 도포시켜 UO2와 산화제의 반응을 억제하기 위해 최소 0.02 중량 % 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
(3) SiO2
SiO2는 핵분열에 의해 생성되는 핵분열 생성물질들과 반응하여 화합물을 형성시킬 수 있는 우수한 핵분열 기체 포집 성능을 가진다. 또한, 도3의 상태도에서와 같이 Cr2O3, MnO와 함께 액상 화합물을 소결온도 부근에서 형성시켜 결정립 성장을 도모한다. 하지만 핵연료용 소결체 불순물 농도 기준을 만족하기 위해 UO2 100 중량 % 대비 0.05 중량 % 이하로 첨가하는 것이 바람직하며, 산화저항성능 발휘를 위한 Cr2O3-MnO-SiO2 액상의 결정립계 도포를 위한 최소 액상 부피 분율을 만족하기 위해 UO2 100 중량 % 대비 0.015 중량 % 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
이는 1200℃의 수증기 분위기에서 순수 UO2 대비 5배 가량 높은 산화저항성을 발휘하기 위함이다.
2) 단계(S12)에서는 UO2 분말과 함께 첨가제를 혼합 및 성형하는 단계로서, Nauta 혼합기를 이용해 혼합 후 성형 몰드에 혼합된 분말을 넣고 3 ton/㎠ 압력으로 성형체를 제조하는 방법을 나타낸다.
3) 단계(S13)에서는 성형체를 소결하는 단계로서, 1730 내지 1760℃ 온도 범위에서 4 내지 6 시간 동안 소결을 진행할 수 있다. 소결 분위기는 산소 포텐셜 -581.9 kJ/mol 내지 -218.2 kJ/mol(환원성 분위기) 이며, 이때 도 2를 참조하면 해당 산소포텐셜 분위기에서 O/U 비가 2.0으로 더욱 안정한 것을 알 수 있다. 참고로 -581.9 kJ/mol 이하 또는 -218.2 kJ/mol 이상으로 소결 분위기가 형성될 경우 UO2의 O/U 비율이 2.0 이상으로 증가하므로 결정구조의 변형이 초래되어 소결체 외/내부에 크랙이 생성되게 된다.
도 3을 참조하면, 목표 소결 온도인 1730 내지 1760℃ 이하 온도인 1500℃에서부터 첨가 산화물들의 액상이 형성될 수 있음을 확인할 수 있으며, 도 4에서와 같이 Cr, Mn, Si이 함유된 산화물의 존재를 확인할 수 있다. Cr, Mn 그리고 Si 으로 구성된 해당 산화물은 UO2 결정립계를 감싸고 있는 것으로 보아 소결 온도에서 액상으로 존재했던 것으로 판단된다. 상술한 공정을 통해 산화저항성이 우수한 피막이 결정립계에 형성되었으므로, 산화에 의한 무게 증가량이 순수 UO2에 비해 1/5 정도 낮은 결과를 나타낼 수 있다.
본 발명의 이산화우라늄 핵연료 소결체는, 이산화우라늄(UO2); 및 Cr2O3, MnO 및 SiO2로 이루어진 소결 첨가제를 포함한다.
상기 소결 첨가제는 상기 UO2 100 중량 % 대비 0.05 내지 0.16 중량 %일 수
있으며, 상기 소결 첨가제는 소결 첨가제 100 중량 % 대비 Cr2O3 20 내지 40 중량 %, MnO 30 내지 50 중량 %, SiO2 20 내지 40 중량 % 비로 혼합된 것일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예.
UO2 분말에 총량 Cr2O3, MnO, 및 SiO2로 이루어진 첨가제를 0.1 중량 %가 되도록 첨가하였다. 이때 0.1 중량 %를 구성하는 Cr2O3, MnO, 및 SiO2의 비율을 각각 3 : 4 : 3이 되도록 하였으며 (표 1 참조) 3 축 회전 혼합기에 4시간 혼합 후, 3 ton/cm2 압력으로 압축하여 성형체를 제조하였다. 상기 성형체는 1750℃까지 5℃/min 속도로 승온 시킨 후 4시간 동안 소결하였다. 소결 분위기는 산소포텐셜을 -380 kJ/mol로 유지시켰다.
비교예 1 ~ 3.
산화저항성 향상 및 결정립 크기의 성장을 위해 최소 필요한 액상 분율을 확인하기 위해 비교예 1 내지 2(표 1 참조)를, 그리고 적정 Cr2O3 초과 비율에 의한 산화저항성 저항 성능의 저하를 확인하기 위해 비교예 3을(표 1 참조) 실시예의 제조방법과 동일한 방법을 이용해 UO2 소결체를 제조하였다.
비교예 4.
실시예와의 비교를 위해서, 첨가제가 들어가지 않은 순수 UO2 소결체를 실시예와 동일한 제조공정으로 제조하였다.
비교예 5.
첨가제에 의한 결정립 성장이 촉진되지만 산화 조건에서의 액상 휘발이 산화저항성 저하에 끼치는 영향을 확인하기 위해 Cr2O3, MnO, 및 Al2O3로 이루어진 첨가제를 0.1 중량 %가 되도록 첨가하였다. 이때 0.1 중량 %를 구성하는 Cr2O3, MnO 및 Al2O3의 비율을 각각 7 : 2 : 1이 되도록 하였으며 실시예의 제조 방법과 동일한 방법으로 UO2 소결체를 제조 하였다.
비교예 6.
첨가제에 의한 액상 형성이 도모되지만 결정립 성장이 미비한 경우의 낮은 산화저항성 알아보기 위해, Cr2O3, CaO 및 SiO2로 이루어진 첨가제를 0.1중량 %가 되도록 첨가하였다. 이때 0.1 중량 %를 구성하는 Cr2O3, CaO 및 SiO2의 비율을 각각 4 : 5 : 1이 되도록 하였으며 실시예의 제조 방법과 동일한 방법으로 UO2 소결체를 제조 하였다.
측정예 1. 결정립 크기 측정
상기 실시예와 비교예 1 내지 6을 통해 제조한 UO2 소결체의 결정립 크기는 직선 교차법을 이용하여 측정하였으며 그 결과를 표 2와 도 8에 나타내었다.
UO2 100 중량% 대비 첨가제 중량% 소결 첨가제 100 중량% 대비 첨가제 중량% (UO2 100중량% 대비 첨가제 중량%)
Cr2O3 MnO SiO2 Al2O3 CaO
실시예 0.1 30(0.03) 40(0.04) 30(0.03) - -
비교예1 0.05 30(0.015) 40(0.02) 30(0.015) - -
비교예2 0.03 30(0.009) 40(0.012) 30(0.009) - -
비교예3 0.1 70(0.07) 20(0.02) 10(0.01) - -
비교예4 0 - - - - -
비교예5 0.1 70(0.07) 20(0.02) - 10(0.01) -
비교예6 0.1 40(0.04) - 10(0.01) - 50(0.05)
측정예 2. 미세조직 관찰
상기 실시예와 비교예를 통해 제조한 소결체 단면을 기계적으로 자른 후 연
마와 열에칭을 통해 소결체 미세조직 표면을 광학현미경으로 관찰하였다. 그 결과는 도 5에 도시하였다.
측정예 3. 고온 수증기 산화시험
상기 실시예와 비교예 1 내지 6으로 제조된 소결체들로 고온 수증기 산화실험을 진행하였다. 상기 실시예와 비교예 1 내지 6으로 제조된 소결체를 1200℃의 수증기에 노출시켜 산화시키며 무게 증가량을 실시간으로 측정하기 위해 열중량분석기(thermogravimetric analyzer)를 이용하였으며, 이때 결과가 되는 무게 증가량은 표면적이 클수록 산화반응 면적이 늘어나게 되므로 단위표면적당으로 계산하여 표기하였다. 소결체들을 각각 열중량분석기에 장전하고 아르곤 가스를 흘려주며 1200℃까지 30℃/min 속도로 승온 하였다. 목표온도인 1200℃에 도달 후 40 ml/min으로 수증기를 주입시키며 20 시간 동안 산화를 진행하였으며 시간에 따라 증가하는 무게를 관찰하였다. 실시예와 비교예 1 내지 6으로 제조된 UO2 소결체의 고온 수증기 산화 결과를 도 7에 시간 - 무게 증가량/표면적 그래프로 도시하였다.
실시예 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 비교예5 비교예6
결정립 크기(㎛) 40.3 38.1 15.6 46.5 9.5 43.3 8.6
Weight gain(㎎/㎟) 0.184 0.211 0.485 0.734 0.980 0.592 0.941
도 7과 도 8에 도시된 바와 같이 실시예로 제작된 소결체는 0.184 mg/mm2, 비교예 4는 0.980 mg/mm2 (실시예 대비 5.3배), 비교예 5는 0.592 mg/mm2 (실시예 대비 3.2배), 비교예 6은 0.941 mg/mm2 (실시예 대비 5.1 배)로 비표면적 대비 무게가 증가하였다.
비교예 1의 Cr2O3-MnO-SiO2가 UO2 100 중량 % 대비 0.05 중량 % 첨가된 경우, 실시예와 비슷한 결정립 크기뿐만 아니라 고온산화 저항성을 보인다. 하지만 비교예 2의 0.04 중량 % 첨가된 경우, 첨가제에 의해 형성되는 액상 분율의 감소에 따른 결정립 성장 및 고온산화 저항성이 저하되었다.
비교예 3의 Cr2O3 첨가제가 UO2 100 중량 % 대비 0.07 중량 % 첨가되어 MnO (0.02 중량 %)와 SiO2 (0.01 중량 %) 대비 과비율로 첨가되어 Cr2O3-MnO-SiO2 성분으로 이루어진 액상이 충분히 생성되지 않았다. 하지만 MnO, SiO2와 만나 액상을 형성하지 못한 Cr2O3가 환원되어 단독으로 생성시킨 액상으로 인해 결정립 크기는 증가하였지만 산화 분위기에서 첨가제 자체 산화 및 충분하지 못한 Cr2O3-MnO-SiO2 액상 분율에 따른 산화저항 성능은 악화된 것으로 보인다.
비교예 4의 일반 UO2 결정립 크기가 10 μm 미만이기 때문에 결정립계의 면적이 넓어 고온 수증기 침투에 따른 산화반응이 활발히 일어났기 때문이다.
비교예 5의 Cr2O3-MnO-Al2O3 첨가 UO2는 40 μm 이상의 큰 결정립들로 구성되어 있으나, 도 6에서와 같이 Cr2O3 또는 MnO-Al2O3의 휘발에 의해 결정립 계면에 형성된 기공을 통해 고온 수증기와 결정립이 빠르게 반응하였기 때문에 실시예와 비교했을 때 3 배가량 높은 산화 속도가 발생된 것으로 보인다.
비교예 6의 Cr2O3, CaO 및 SiO2 첨가 UO2는 결정립 계면에 형성된 액상이 존재하지만 10 μm 미만의 평균 결정립을 가지기 때문에 산화반응 속도가 빠르게 발생하는 결정립계 면적이 크기때문에 실시예와 비교했을 때 4배 가량 빠른 산화가 발생된 것으로 보인다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (8)

  1. 이산화우라늄 핵연료 소결체에 있어서,
    이산화우라늄(UO2)과 소결 첨가제를 포함하고,
    상기 소결 첨가제는 Cr2O3, MnO, 및 SiO2를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 소결 첨가제는 상기 UO2 100 중량부 대비 0.05 내지 0.16 중량부인 것을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 소결 첨가제는 Cr2O3 20 내지 40 중량 %, MnO 30 내지 50 중량 %, SiO2 20 내지 40 중량 % 로 혼합된 것을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체.
  4. 1) 이산화우라늄(UO2) 분말에 대하여 Cr2O3, MnO, 및 SiO2를 포함하는 소결 첨가제 분말을 첨가 혼합하여 혼합분말을 제조하는 단계;
    2) 상기 혼합분말을 압축 성형하여 성형체를 만드는 단계; 및
    3) 상기 성형체를 산소포텐셜 -581.9 kJ/mol 내지 -218.2 kJ/mol의 분위기에서 소결하는 단계를 포함하는 이산화우라늄 핵연료 소결체 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 1)단계의 상기 소결 첨가제 분말은 UO2 100 중량부 대비 0.05 내지 0.16 중량부로 혼합되는 것을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 1)단계의 상기 소결 첨가제 분말은 Cr2O3 20 내지 40 의 중량 %, MnO 30 내지 50 중량 %, SiO2 20 내지 40중량 % 로 혼합된 것을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 2) 단계의 압축 성형 압력은 3 ton/cm2 임을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체 제조방법.
  8. 제 4 항에 있어서
    상기 3) 단계는 1730 내지 1760℃ 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 이산화우라늄 핵연료 소결체 제조방법.
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