WO2021107440A1 - Isol 표적물질인 우라늄탄화물/mwcnt 디스크의 제조방법 및 이에 의해 제조된 우라늄 탄화물/mwcnt 디스크 - Google Patents

Isol 표적물질인 우라늄탄화물/mwcnt 디스크의 제조방법 및 이에 의해 제조된 우라늄 탄화물/mwcnt 디스크 Download PDF

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uranium carbide
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이병주
서현수
심영호
이호현
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    • G21G—CONVERSION OF CHEMICAL ELEMENTS; RADIOACTIVE SOURCES
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    • G21G1/04—Arrangements for converting chemical elements by electromagnetic radiation, corpuscular radiation or particle bombardment, e.g. producing radioactive isotopes outside nuclear reactors or particle accelerators
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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the present invention relates to a target material for an ISOL system, and more particularly, to a method for manufacturing a large-area MWCNT/uranium oxide disk and heat-treating the disk to produce a uranium carbide/MWCNT disk, and a disk manufactured by the method will be.
  • the ISOL system is a system that produces various types of neutron excess rare isotopes (RI) through proton-induced fission by injecting a proton beam (70 MeV, 10 kW) onto a target material existing in the system.
  • RI neutron excess rare isotopes
  • the inside of the ISOL system becomes a high temperature of about 2,000°C due to the high heat generated by induced fission.
  • the thermal conductivity, porosity, and particle size of the uranium material are important in order to release the high heat generated from the target material to the outside of the product and to discharge the generated rare isotopes.
  • MWCNT Multi-Wall Carbon Nano Tube
  • the uranium material distributed in the matrix includes metal uranium, uranium oxide, and uranium carbide.
  • Metal uranium cannot be used because the density of uranium, a fission atom, is high, but its melting point (1132°C) is lower than 2,000°C, which is the internal temperature of the ISOL internal system, and there is a risk of melting.
  • Uranium carbide has a higher fission density than uranium oxide, so it can generate a large amount of rare isotopes, and has high thermal conductivity, so it can efficiently radiate heat generated by induced fission to the outside. For the above reasons, it is preferable to use uranium carbide as the target material.
  • the target material has been conventionally prepared using a powder metallurgy method. That is, in the conventional method for producing a target material, uranium oxide powder is charged into dies of a press, and then press-molded with a punch to manufacture a disk-shaped molded body, and then this is carbothermic reduction. ) was prepared by converting uranium oxide into uranium carbide.
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a large-area thin uranium carbide disk without breakage and bending in order to solve the problems of the prior art, and to provide a uranium carbide disk manufactured by the manufacturing method.
  • drying and wet grinding uranium oxide to prepare a uranium oxide powder mixing and dispersing the uranium oxide fine powder and MWCNT in a solvent to prepare a homogeneous uranium oxide/MWCNT mixture; Drying the homogeneous mixture to prepare a uranium oxide / MWCNT mixed powder; preparing a uranium oxide/MWCNT disk by inserting the mixed powder into a mold of a press and then press-molding; And it provides a method of manufacturing a uranium carbide / MWCNT disk comprising the step of heat-treating the molded disk.
  • the pulverization may be performed for 200 to 240 minutes at 500 rpm using a planetary mill.
  • the uranium oxide is any one of U 3 O 8 or UO 2 can be
  • the uranium oxide powder may have a particle diameter of 0.10 ⁇ m to 0.25 ⁇ m.
  • the molding apparatus includes a pair of anvils, and each anvil may have a concave or convex shape.
  • the anvil may have a depth of 50 to 100 ⁇ m.
  • the carbon-thermal reduction step may be performed at a temperature of 1250° C. to 2000° C. and a pressure of 10 - 4 torr to 10 - 6 torr.
  • the heat treatment step may be performed after inserting a spacer between each disk.
  • the present invention provides a uranium carbide / MWCNT disk prepared by the above method.
  • the uranium carbide/MWCNT disk may have a thickness of 1.0 mm to 1.5 mm.
  • the uranium carbide/MWCNT disk may have a diameter of 45 mm to 55 mm.
  • FIG. 1 is a flow chart of the uranium carbide disk manufacturing process of the present invention.
  • 2 is a uranium carbide disk manufactured by the manufacturing method of the present invention.
  • 3 shows a microstructure photograph of MWCNTs.
  • Figure 4 shows a photograph of the microstructure of the U 3 O 8 /MWCNT mixed powder.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of a hydraulic forming apparatus having an anvil.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of the convex and concave anvils used to manufacture the molded disc of the present invention.
  • FIG. 8 shows a large-diameter uranium oxide/MWCNT disk manufactured with or without anvil.
  • FIG. 9 shows the shape of the uranium carbide/MWCNT disk formed according to the presence or absence of a spacer in the carbothermal reduction step.
  • the left side shows the case with spacers and the right side shows the case without the spacers.
  • the uranium oxide may be U 3 O 8 or UO 2+ x (0 ⁇ x ⁇ 0.15).
  • UO 2 theoretical density: 10.96 g/cm 3
  • U 3 O 8 theoretical density: 8.38 g/cm 3
  • U 3 O 8 theoretical density: 8.38 g/cm 3
  • Pulverization is easy due to microcracks existing on the surface of the oxidized U 3 O 8 powder particles, and MWCNTs can be added by accurately measuring them in a stoichiometric ratio.
  • a powder of UO 2+x generally 0 ⁇ x ⁇ 0.15
  • a method of pulverizing the U 3 O 8 powder is generally a dry or wet method, but it is preferable to use a wet pulverization method to remove heat generated during high-speed rotation.
  • the pulverization may be performed using a planetary mill.
  • the pulverization is preferably performed for 200 to 240 minutes at 500 rpm using a planetary mill.
  • the uranium oxide powder obtained through pulverization under the above conditions may have a particle diameter of 0.10 ⁇ m to 0.25 ⁇ m.
  • MWCNTs in the step of preparing the uranium oxide/MWCNT mixture have a porous structure.
  • MWCNT has a porous structure in which fine threads are spread like a net as if a skein is unwound, and the uranium oxide powder particles homogeneously entered into the porous network structure are converted into uranium carbide by heat treatment, is fixed
  • the net structure of MWCNTs has the advantage of preventing a large amount of heat and facilitating heat dissipation by locally generating the heat generated when the proton beam collides.
  • MWCNTs have a structure like tangled threads and are difficult to disperse, it is preferable to use short MWCNTs and add a dispersing agent.
  • Ethanol is used as a solvent, and a dispersant may be added to obtain a homogeneous mixed solution.
  • the dispersant serves as a binder and a dispersant at the same time.
  • the step of preparing the uranium oxide/MWCNT mixed powder includes drying and pulverizing the mixed solution. It is preferable that the powder immediately after drying the dispersion is agglomerated and thus unsuitable for molding, further comprising the step of pulverizing.
  • the manufacturing of the uranium oxide/MWCNT disk may be performed using a concave or convex anvil.
  • 6 shows a molding apparatus for press-molding U 3 O 8 /MWCNT/dispersant mixed powder.
  • Hydraulic forming machines generally consist of dies and two (upper and lower) punches. The shape of the punch surface in contact with the powder may vary, but as the diameter of the punch increases, it is difficult to make various shapes, and the loss is large when defective, so the surface of the punch is generally flat.
  • the carbothermal reduction reaction is preferably made in a high temperature of about 2,000 °C or more and a high vacuum of 10 - 6 torr or less.
  • the reason for performing the reaction above 2,000 ° C is that the internal temperature of the ISOL system exceeds 2000 ° C due to the high heat generated by induced nuclear fission, preventing the shrinkage of the uranium oxide/MWCNT disk and providing a stable state in the groove in the graphite container. to keep it as
  • the reason for performing the reaction in a high vacuum condition of 10 - 6 torr or less is to completely convert U 3 O 8 to UC 2 and to remove volatile substances or impurities generated such as dispersants.
  • U 3 O 8 is converted to uranium carbide by the following two-step chemical reaction.
  • heat treatment can be performed by stacking several cylindrical shaped disks, but if the disks are thin, when the disks are separated after the heat treatment is finished, the disks stick to each other and it is difficult to separate, making it difficult to recover disks with good shape. Therefore, as shown in FIG. 9 , a cylindrical shaped disk is vertically placed in a plurality of grooves formed at regular intervals inside the graphite container, one by one, and then charged and then heat-treated. However, even in this case, when a molded disk having a large diameter and a thin thickness is heat treated, the disk is contracted by sintering and at the same time the disk is bent due to its own weight (see the right side of FIG. 9).
  • spacers having different thicknesses made of graphite were installed. That is, by inserting a cylindrical disk between the spacers, it is possible to manufacture a flat disk without bending the disk during heat treatment.
  • the uranium carbide/MWCNT disk manufactured by the method according to the present invention has a diameter of 45 mm to 55 mm and a thickness of 1.0 mm to 1.5 mm.
  • the uranium carbide disk is manufactured through the steps of pulverization, mixing and dispersing, molding, and heat treatment of raw material powder as shown in FIG.
  • the raw material powder pulverization process is a process of pulverizing U 3 O 8 powder, which is a uranium raw material, using a planetary ball mill.
  • the volume of the container used for grinding is 100 mL and the grinding surface is tungsten carbide.
  • U 3 O 8 powder pulverized in a single process was 18 g, and the media diameter was 3mm, 1.6mm, and 1mm were mixed with tungsten carbide balls to use 130g. After quantification of U 3 O 8 powder and tungsten carbide balls, it was wet-ground in about 20 mL of IPA.
  • the planetary ball mill was operated for a total of 6 hours at 500 rpm with a 3 minute grinding and 1 minute stop.
  • Tungsten carbide balls were filtered from the pulverized U 3 O 8 powder and dried with a rotary evaporator to volatilize IPA to prepare U 3 O 8 dry powder.
  • the U 3 O 8 powder immediately after drying was pulverized with a mortar because it was difficult to mix with other raw materials because it was agglomerated.
  • Figure 5 shows the results of particle size analysis of the U 3 O 8 powder according to the grinding time excluding the stop time, and it was pulverized for at least 200 minutes to pulverize to 0.2 ⁇ m or less.
  • the pulverized U 3 O 8 powder is uniformly mixed with Multi Walled Carbon Nanotube (MWCNT) to prepare a U 3 O 8 /MWCNT mixed powder.
  • MWCNTs have a microstructure like a tangled skein as shown in FIG. 3, there is a problem in that dispersion is difficult.
  • a product with a relatively short length of 2 ⁇ m or less was used, and a dispersing agent (WinSperse4090, Youngjin Corporation) that improves the dispersibility of carbon-based materials was used.
  • U 3 O 8 /MWCNT powder was molded using the mold of FIG. At this time, a molded body with a diameter of 50 mm should be molded using the anvil of FIG. 7 .
  • 8 is a view showing the degree of bending of the molded body according to the presence or absence of the anvil of the present invention.
  • the diameter of the molded body for use in the ISOL target of RISP is 50 mm, and the thickness is about 1.3 mm, and since it is a thin and long shape, if a general anvil is used, bending occurs.
  • the molding pressure was about 200 MPa and held for 1 minute.
  • U 3 O 8 /MWCNT disks are heat-treated in a vacuum to make uranium carbide disks.
  • the operating temperature of RISP's 10 kW ISOL system is about 2000 °C, so the heat treatment temperature should be the same or higher. However, since the limit temperature of the current heat treatment system is 1700 °C, the heat treatment was performed up to 1670 °C while maintaining the vacuum degree of 10 -3 torr.
  • the formed body of U 3 O 8 /MWCNT/dispersant was placed at regular intervals in a graphite container as shown in FIG. 9, and graphite spacers were inserted between the formed bodies to prevent warping due to sintering.
  • the heat treatment equipment was heated up to 1670 °C in a way that the temperature was constantly increased by 1A per minute by the Joule heating method, and stopped temporarily when the vacuum level exceeded 10 -3 torr.
  • the pause section is a section where moisture at about 100 °C is volatilized and a section where a dispersant at 200 ⁇ 500 °C is volatilized and a section where uranium carbide is synthesized at 1250 °C or higher.
  • the vacuum degree was lowered to 10 -5 torr or less when the temperature was maintained at 1670° C., as a result of the end of the heat treatment, a thin and large-area uranium carbide/MWCNT disk as shown in FIG. 9 was manufactured.

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Abstract

본 발명은 ISOL 시스템의 표적물질에 관한 것으로서, 구체적으로는 대면적의 MWCNT/우라늄산화물 디스크를 제조하고, 그 디스크를 열처리하여 우라늄탄화물/MWCNT 디스크를 제조하는 방법 및 그 방법으로 제조한 디스크에 관한 것이다.

Description

ISOL 표적물질인 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법 및 이에 의해 제조된 우라늄 탄화물/MWCNT 디스크
본 발명은 ISOL 시스템의 표적물질에 관한 것으로서, 구체적으로는 대면적의 MWCNT/우라늄산화물 디스크를 제조하고, 그 디스크를 열처리하여 우라늄탄화물/MWCNT 디스크를 제조하는 방법 및 그 방법으로 제조한 디스크에 관한 것이다.
ISOL 시스템은 양성자 빔(70MeV, 10kW)을 시스템 내에 존재하는 표적물질에 입사시켜 양성자 유도 핵분열을 통해 다양한 종류의 중성자 과잉 희소 동위원소(Rare Isotope, RI)를 생산하는 시스템이다. RI 생산과정 중 ISOL 시스템 내부는 유도 핵분열에 의해 생성된 고열에 의해 약 2,000℃의 고온이 된다. 표적물질에서 생성된 고열을 생성물질 외부로 방출하고 생성된 희소 동위원소를 배출하기 위해 표적물질의 열전도도, 기공률 그리고 우라늄물질의 입자크기 등이 중요하다.
현재까지 검토되고 실용화된 표적물질은 우라늄 물질이 매트릭스(matrix)에 균일하게 분포된 디스크 형태이다. 매트릭스로 탄소동소체인 MWCNT(Multi-Wall Carbon Nano Tube)가 주로 사용되며, 그 형태가 그물형태로 다공성이며 열전달 특성이 아주 양호하다는 장점이 있다.
매트릭스에 분포되는 우라늄 물질은 금속 우라늄, 우라늄산화물(uranium oxide) 그리고 우라늄탄화물(uranium carbide) 등이 있다. 금속 우라늄은 핵분열원자인 우라늄의 밀도, 즉 핵분열밀도는 높지만 그 용융점(1132℃)이 낮아 ISOL 내부 시스템의 내부 온도인 2,000℃보다 낮아 용융될 우려가 있어 사용할 수 없다. 우라늄탄화물은 우라늄산화물보다 핵분열밀도가 높아 희소 동위원소를 다량 생성 가능하고, 열전도도가 커서 유도핵분열에 의해 생성된 열을 효율적으로 외부로 방출할 수 있는 장점이 있다. 위와 같은 이유로 표적물질로는 우라늄탄화물을 이용하는 것이 바람직하다.
표적물질은 종래부터 분말 야금 방법을 이용하여 제조하여 왔다. 즉, 종래의 표적물질 제조방법은 우라늄산화물 분말을　성형장치(press)의 다이(dies)에 장입한 후, 이를 펀치로 가압성형하여 디스크 형태의 성형체를 제조한 후, 이를 탄소열환원(carbothermic reduction)의 방법으로 우라늄산화물을 우라늄탄화물로 변환시켜 제조하였다. 그러나 이와 같은 기존의 제조방법은 직경이 비교적 작은 디스크는 양호하게 제조할 수 있지만, 직경이 크고 두께가 얇은 디스크는 우라늄산화물 분말을 가압성형하여 성형 디스크로 제조하는 과정에서 디스크가 휘어지고, 성형 디스크를 우라늄탄화물로 변환시키기 위한 고온의 열처리 과정에서 디스크가 휘어지는 등의 문제가 발생하였다.
본 발명의 목적은 전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위해 대면적의 얇은 우라늄탄화물 디스크를 파손과 휘어짐 없이 제조하는　방법을　제공하고, 그 제조방법으로 제조된 우라늄탄화물 디스크를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 우라늄산화물을 건조 및 습식분쇄하여 우라늄산화물 분말을 제조하는 단계; 상기 우라늄산화물 미세 분말 및 MWCNT를 용매에 혼합 및 분산시켜 균질한 우라늄산화물/MWCNT 혼합액을 제조하는 단계; 상기 균질 혼합액을 건조하여 우라늄산화물/MWCNT 혼합 분말을 제조하는 단계; 상기 혼합 분말을 성형장치(Press)의 몰드(mould)에 장입한 후 가압 성형하여 우라늄산화물/MWCNT 디스크를 제조하는 단계; 및 상기 성형 디스크를 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법을 제공한다.
상기 분쇄는 유성밀을 이용하여 500rpm으로 200분 내지 240분 이루어지는 것일 수 있다.
상기 우라늄산화물은 U3O8 또는 UO2중 어느 하나 일 수 있다.
상기 우라늄산화물 분말은 입경이 0.10㎛ 내지 0.25㎛ 인 것일 수 있다.
상기 성형장치는 한 쌍의 앤빌(anvil) 구비하고, 각 앤빌은 오목 또는 볼록한 형태일 수 있다.
상기 앤빌은 깊이가 50 내지 100㎛ 인 것일 수 있다.
상기 탄소열환원단계는 125０℃　내지　2000℃의　온도와 10- ４torr　내지　10- ６torr의　압력　조건에서 수행될 수 있다.
상기 열처리 단계는 각 디스크 사이에 스페이서를 삽입한 후 수행될 수 있다.
또한 본 발명은 상기의 방법으로 제조되는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크를 제공한다.
상기 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 두께는 1.0ｍｍ 내지 1.5 mm 인 것일 수 있다.상기 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 직경은 45ｍｍ　내지　55mm인 것일 수 있다.
본 발명을 통해 파손이나 휘어짐이 없이 대면적의 얇은 우라늄 탄화물/MWCNT 디스크를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 우라늄탄화물 디스크 제조공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제조방법으로 제조된 우라늄탄화물 디스크이다.
도 3은 MWCNT의 미세구조 사진을 나타낸다.
도 4는　U3O8/MWCNT 혼합분말 미세구조 사진을　나타낸다．
도 5는 산화우라늄(U3O8) 분말 입도분석 그래프를　나타낸다．
도 6은 앤빌을 구비한 유압성형 장치 개념도이다.
도 7는 본 발명의 성형 디스크를 제조하는데 사용된 볼록 및 오목 앤빌 개념도이다.
도 8은 앤빌 유무에 따라 제조한 대직경의 우라늄산화물/MWCNT 디스크를 나타낸다.
(a) 앤빌 없이 단순히 상하부 펀치만 이용한 경우
(b) 오목 앤빌 및 볼록 앤빌을 조합하여 이용한 경우
도 9는 탄소열환원 단계에서 스페이서의 유무에 따라 형성된 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 형상을 나타낸다. 좌측은 스페이서가 있는 경우 우측은 스페이서가 없는 경우를 나타낸다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
우라늄산화물 분말을 제조하는 단계에서 상기 우라늄산화물은 U3O8 또는 UO2+ x(0≤x≤0.15)일 수 있다. UO2(이론밀도:10.96 g/cm3) 소결체(sintered pellet)를 대기분위기, 약 400~500℃ 조건에서 산화 시킬경우 U3O8(이론밀도:8.38 g/cm3)로 변환되며, 물질간 밀도차이에 기인한 부피팽창으로 분말화가 일어난다. 생성된 분말 표면에 미세균열이 많이 존재한다. U3O8은 O/U비가 2.67로 일정하므로, 분위기에 관계없이 안정된 상태를 유지하므로 대기분위기하에서 분쇄할 수 있다. 산화시킨 U3O8의 분말입자 표면에 존재하는 미세균열로 인해 분쇄가 용이하며, 또한 MWCNT를 화학양론비(stoichiometric ratio)로 정확히 계량하여 첨가할 수 있다. 반면에 UO2+x(일반적으로, 0≤x≤0.15)의 분말을 사용하면, 이에 따른 MWCNT의 양을 계량하여 첨가하기 위해서 O/U비를 측정하여야 하거나 UO2를 만들기 위해 수소 분위기, 600~700℃에서 환원시켜야 하며, 환원된 UO2 분말은 흡습성이 있으며, 산화가 용이하게 일어나므로 이를 방지하기 위해 알곤과 같은 불활성 가스분위기에서 보관하여야 한다.
U3O8 분말을 분쇄하는 방법으로는 일반적으로 건식 또는 습식방식이 있으나, 고속회전 시 발생되는 열을 제거하기 위해 습식 분쇄 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 분쇄는 유성밀을 이용하여 이루어 질 수 있다. 상기 분쇄는 유성밀을 이용하여 500rpm으로 200분 내지 240분 수행하는 것이 바람직하다. 상기 조건으로 분쇄를 통해 얻어지는 우라늄 산화물 분말은 입경이 0.10㎛ 내지 0.25㎛일 수 있다.
상기 우라늄 산화물/MWCNT 혼합액을 제조하는 단계의 MWCNT는 다공성 구조를 가지고 있다. MWCNT는 도 3에 나타낸 바와 같이, 실타래가 풀어져 있는 것처럼 가는 실들이 그물처럼 퍼져 있는 다공성의 구조이며, 다공성의 망구조에 균질하게 들어간 우라늄산화물 분말입자는 열처리에 의해 우라늄탄화물로 변환되면서 그 자리에 고정된다. MWCNT의 그물구조는 양성자빔 충돌 시 생성된 열을 국부적으로 생성시켜 다량의 열발생을 방지하고 열방출을 용이하게 하는 장점이 있다. 그러나 MWCNT는 엉킨 실타래 같은 구조를 가져 분산이 어려운 문제가 있기 때문에, 길이가 짧은 MWCNT를 이용하고 분산제를 첨가하는 것이 바람직하다. 용매로는 Ethanol을 사용하고, 균질한 혼합액을 얻기 위하여 분산제를 첨가할 수 있다. 상기 분산제는 결합제와 분산제 역할을 동시에 수행한다.
상기 우라늄산화물/MWCNT 혼합 분말을 제조하는 단계는 혼합액을 건조한 뒤 분쇄하는 단계를 포함한다. 상기 분산액을 건조한 직후의 분말은 응집되어 있어 성형에 부적합하여 분쇄하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 우라늄 산화물/MWCNT 디스크를 제조하는 단계는, 오목 또는 볼록한 앤빌을 이용하여 수행되는 것일 수 있다. 도 6은 U3O8/MWCNT/분산제 혼합 분말을 가압성형하는 성형장치를 나타낸다. 성형장치에는 유압이나 기계식의 장치가 있으나 여기에서는 유압 성형장치를 사용하였으며, 유압성형장치에도 복동식(double acting) 또는 1축식 즉 단동식(single acting)이 있으나 여기에서는 1축식 유압성형장치를 사용하였다. 유압성형장치는 일반적으로 다이(dies)와 2개(상부 및 하부)의 펀치(punch)로 구성된다. 분말과 접촉하는 펀치면의 형상은 다양할 수 있으나 펀치의 직경이 클수록 다양한 형태를 만들기 어려우며, 불량시 그 손실이 크므로 펀치의 면은 일반적으로 편평(flat)하다. 다이에 장입된 분말을 펀치의 편평한 면으로 직경이 큰 대면적의 두께가 얇은 디스크를 가압성형하면 인출 후에 성형 디스크가 대부분이 휘어지거나 파손 등이 일어난다. 이는 디스크의 직경이 클수록 가압 시에 편평한 펀치의 면에서 분말의 흐름이 원활히 이루어지지 않아 압력이 균일하게 전달되기 어려워지기 때문이다. 일반 편평한 앤빌을 사용하여 성형 시 디스크가 휘어지는 문제가 있으나, 오목 또는 볼록한 앤빌을 사용하여 성형 시 디스크가 휘어지는 힘을 상쇄시켜 무결함의 디스크를 제조할 수 있다.
다음으로, 우라늄 탄화물/MWCNT 디스크의 제조하는 단계에 있어서, 상기 탄소열환원 반응은 약 2,000 ℃ 이상의 고온과 10- 6torr 이하의 고진공 상태에서 이루어지는 것이 바람직하다. 2,000 ℃ 이상에서 반응을 수행하는 이유는 ISOL 시스템의 내부온도가 유도핵분열에 의해 생성된 고열에 의해 2000℃를 상회하기 때문에, 우라늄산화물/MWCNT 디스크의 수축을 방지하고, 흑연 용기 안의 홈에 안정한 상태로 유지하기 위함이다. 또한 10- 6torr 이하의 고진공 조건에서 반응을 수행하는 이유는 U3O8에서 UC2로의 완전한 변환과 분산제 등의 생성되는 휘발물질이나 불순물을 제거하기 위함이다.
U3O8는 다음과 같은 두 단계의 화학반응식에 의해 우라늄탄화물로 변환된다.
1. U3O8 + 19C → 3UC2 + 18C + CO2 (600 ~ 700 ℃)
2. U3O8 + 18C → 3UC2 + 6C + 6CO (1250 ~ 2000 ℃)
일반적으로 여러 개의 원통형의 성형 디스크를 적층 시켜 열처리할 수 있으나 성형 디스크의 두께가 얇으면 열처리 끝난 후에 디스크를 분리시킬 경우, 디스크가 서로 달라붙어 분리가 어려워 형상이 양호한 디스크의 회수가 곤란하다. 따라서 도 9에 도시한 바와 같이, 흑연용기의 내부에 일정한 간격으로 형성된 여러 개의 홈에 원통형의 성형 디스크를 하나씩 세로로 세워 장입 후 열처리한다. 그러나 이와 같은 경우에도, 직경이 크면서 두께가 얇은 성형 디스크를 열처리시 디스크가 소결에 의한 수축됨과 동시에 무게 자중에 의해 디스크가 휘어지는 현상(도 9 우측 참조)이 일어난다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 도 9에 도시한 바와 같이, 흑연으로 제조된 두께가 다른 간격체(spacer)를 설치하였다. 즉, 간격체 사이에 원통형의 디스크를 삽입시켜 열처리 시 디스크가 휘어지지 않고 편평한 디스크를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로 제조된 우라늄탄화물/MWCNT 디스크는 직경은 45mm 내지 55mm, 두께는 1.0mm 내지 1.5mm일　수　있다.
이상　도면을　통해　자세히　설명한　본　발명의　내용은, 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로써, 본 발명의 범위가 이　내용에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
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 - 우라늄 탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법
우라늄 탄화물 디스크는 도1에 도시된 바와 같이 원료분말 분쇄, 혼합 및 분산, 성형, 열처리 단계를 거쳐 제조된다.
원료분말 분쇄 공정은 우라늄 원료 물질인 U3O8 분말을 유성볼밀을 사용하여 분쇄하는 공정이다. 분쇄에 사용한 용기의 부피는 100mL이고 분쇄면은 텅스텐카바이드이다. 1회 공정으로 분쇄되는 U3O8 분말은 18 g이고, 메디아는 직경 3mm, 1.6mm, 1mm를 텅스텐카바이드 볼과 고루 섞어 130g을 사용하였다. U3O8 분말과 텅스텐카바이드볼 정량 후 IPA 약 20 mL에 습식 분쇄하였다. 유성볼밀은 500 rpm으로 3분 분쇄 1분 정지로 총 6시간 동안 가동하였다. 분쇄를 완료한 U3O8 분말에서 텅스텐카바이드 볼을 걸러내고 회전증발기로 건조시켜 IPA를 휘발시켜 U3O8 건조분말을 제조하였다. 건조 직후의 U3O8 분말은 뭉쳐져 있어 다른 원료와 혼합이 어려우므로 막자사발로 분쇄하였다. 도 5는 정지시간을 제외한 분쇄 시간에 따른 U3O8 분말의 입도분석 결과로 0.2 μm 이하로 분쇄하기 위해 최소 200분이상 분쇄하였다.
분쇄한 U3O8분말을 Multi Walled Carbon Nanotube(MWCNT)와 균일하게 혼합하여 U3O8/MWCNT 혼합 분말을 제조한다. MWCNT는 도 3과 같은 엉킨 실타래 같은 미세구조를 가지므로 분산이 어려운 문제가 있다. 이를 개선하기 위해 MWCNT의 길이는 비교적 짧은 2 μm 이하의 제품을 사용하였고, 탄소계열 물질의 분산성을 개선시켜주는 분산제((WinSperse4090, 영진코퍼레이션)를 사용하였다.
U3O8 분말 6.2 g, MWCNT 1.75 g, 분산제 0.52 g, Ethanol 약 400 mL를 정량 후 초음파세척기와 교반기를 동시에 사용하여 습식 혼합 분산하였다. 이때 초음파세척기의 출력은 최대치, 교반기는 150 rpm을 3시간 동안 유지하였다. 혼합된 U3O8/MWCNT 분말은 회전증발기를 사용하여 50~70 ℃로 약 30분간 건조하였다. 건조 직후의 분말은 뭉쳐 있어 성형에 부적합 하므로 막자사발과 채 가름으로 분쇄하였다.
U3O8/MWCNT 분말은 도 6의 몰드를 사용하여 성형하였다. 이때 직경 50 mm 성형체는 도 7의 앤빌을 사용하여 성형하여야 한다. 도 8은 본 발명의 앤빌 유무에 따른 성형체의 휘어짐 정도를 보여준 것이다. RISP의 ISOL 표적에 사용하기 위한 성형체의 직경은 50 mm, 두께 약 1.3 mm로 얇고 긴 형태이므로 일반 앤빌을 사용하면 휘어지는 현상이 나타나는데 휘어지는 반대방향으로 오목하고 볼록한 앤빌을 사용하여 상쇄하는 것이다. 성형 압력은 약 200 MPa이고 1분간 유지하였다.
U3O8/MWCNT 디스크는 진공 상태에서 열처리하여 우라늄 탄화물 디스크로 제조된다. RISP의 10 kW ISOL 시스템의 운영온도는 약 2000 ℃ 이므로 열처리 온도는 이와 같거나 높아야 한다. 하지만 현재 열처리 시스템의 한계 온도가 1700 ℃ 이므로 열처리는 진공도 10-3 torr를 유지하며 1670 ℃까지 진행하였다.
U3O8/MWCNT/분산제의 성형체를 도 9와 같은 흑연용기에 일정간격으로 배치하고 소결에 의한 휘어짐을 방지하기 위해 성형체 사이에 흑연 스페이서를 삽입하였다.
열처리 장비는 줄히팅 방식으로 분당 1A씩 일정하게 승온 시키다 진공도가 10-3 torr를 넘어서면 일시정지 하는 방식으로 1670 ℃까지 승온 시켰다. 일시정지 하는 구간은 약 100 ℃ 정도의 수분이 휘발되는 구간과 200 ~ 500 ℃의 분산제가 휘발되는 구간 1250 ℃ 이상에서의 우라늄 탄화물로 합성되는 구간이다. 1670℃를 유지하였을 때 진공도가 10-5 torr 이하로 낮아지면 열처리를 종료한 결과 도 9과 같은 얇고 대면적의 우라늄 탄화물/MWCNT 디스크를 제작하였다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시양태일뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.

Claims (11)

  1. 우라늄산화물을 건조 및 습식분쇄하여 우라늄산화물 분말을 제조하는 단계;
    상기 우라늄산화물 분말에 MWCNT((Multi-Wall Carbon Nano Tube)와 용매를 혼합 및 분산하여 우라늄산화물/MWCNT 혼합액을 제조하는 단계;
    상기 혼합액을 건조하여 우라늄산화물/MWCNT의 혼합 분말을 제조하는 단계;
    상기 혼합 분말을 성형장치(Press)의 몰드(mould)에 장입한 후 가압성형하여 우라늄산화물/MWCNT 디스크를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 탄소열환원(Carbothermic Reduction)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분쇄는 유성밀을 이용하여 500rpm으로 200분 내지 240분 이루어지는 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 우라늄 산화물은 U3O8 또는 UO2인 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 우라늄 산화물 분말은 입경이 0.10㎛ 내지 0.25㎛ 인 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형장치는 한쌍의 앤빌을 구비하고,
    각 앤빌은 오목 또는 볼록한 형태인 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 앤빌은 깊이가 50 내지 100㎛ 인 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 1250 ℃　내지　2000 ℃의　온도와 10- ４torr　내지　10- ６torr의　압력　조건에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 각 성형물 사이에 스페이서를 삽입한 후 이루어지는 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 제조방법.
  9. 제 1 항 또는 제 8 항 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 두께는 1.0ｍｍ 내지 1.5 mm 인 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 우라늄탄화물/MWCNT 디스크의 직경은 45ｍｍ　내지　55mm인 것을 특징으로 하는 우라늄탄화물/MWCNT 디스크.
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