WO2021215588A1 - 3d 프린팅 기법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

3d 프린팅 기법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2021215588A1
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metal
metal layer
layer
shielding layer
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PCT/KR2020/010248
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김승현
김민석
이상환
신창민
윤형주
이정환
김형진
김태만
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한국원자력환경공단
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Definitions

  • It relates to a spent fuel canister and a method for manufacturing the same.
  • Nuclear waste such as high-level waste and spent nuclear fuel which are inevitably generated from the nuclear industry, must be safely isolated from the ecosystem for a long period of time.
  • the canister can usually be made of a single or alloy material. France, the United Kingdom, and Japan, etc. are considering a method of converting high-level waste into a glass solidified material, putting it in a container, and putting this container back into another container for packaging. We are considering the packaging method. In the United States, separate containers for two types of solid glass and spent fuel are envisioned. In the case of Korea, the concept of disposing of spent nuclear fuel in the geological layer is being pursued. For example, a disposal vessel is mounted vertically in a deep crystalline rock at a depth of 500 m, and the periphery is filled with compressed bentonite.
  • the disposal container in the disposal cave built on the rock at least 500 m below the ground to dispose of the disposal container containing the spent nuclear fuel, the water pressure of 50 atm or more by groundwater and the swelling pressure of the buffer material filled to protect the disposal container exist at 100 atm or more. can Therefore, the disposal container must have structural stability to withstand such pressure. In addition, it should be possible to semi-permanently suppress the leakage of radionuclides present in the spent nuclear fuel into the surrounding environment.
  • a canister a container for storing spent nuclear fuel, is composed of a barrel-shaped metal canister, and a basket is provided inside the metal canister to store the spent nuclear fuel.
  • the basket inside the metal canister is fixed through a support member or a containment member, and a neutron shield is provided outside the canister to store spent nuclear fuel.
  • the material of the canister is mainly stainless steel, and includes a canister shell surrounding the side of the basket, a canister lid plate surrounding the top of the basket, and a canister bottom plate surrounding the bottom of the basket.
  • the canister lid plate is usually fixed to the canister shell by bolt-nut coupling and sealed through welding.
  • welding areas welding areas and heat-affected areas
  • bolt/nut bonding areas are vulnerable to corrosion cracking and are factors that impair the integrity of the spent nuclear fuel dry storage system, and the welding process involving heat is strictly temperature controlled. It is a process with very high risk factors in the process of dry storage of spent fuel that must be used.
  • a canister made of a commonly used material such as stainless steel should have a fairly thick thickness in order to suppress the leakage of radionuclides into the surrounding environment, and a neutron shield to completely block the leakage of radionuclides into the surrounding environment semi-permanently. Since the canister is provided as a separate member outside the canister, the structure of the canister is complicated, and the size of the canister is inevitably increased compared to the used capacity, which is more disadvantageous in securing space.
  • Another object of the present invention is to provide a spent fuel canister capable of minimizing deterioration of mechanical properties, such as toughness and strength, while containing a neutron shielding material in a sufficient amount to completely prevent exposure to radionuclides, and a method for manufacturing the same. .
  • Another object of the present invention is to provide a spent fuel canister having excellent corrosion resistance and durability and high structural stability, and a method for manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to provide a spent fuel canister having excellent sealing properties even though it is free from welding without requiring external fastening parts such as bolts and nuts, and a method for manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to provide a spent fuel canister having sufficient neutron shielding performance and minimizing the thickness of the canister, which is more advantageous in securing space, and a method for manufacturing the same.
  • a spent fuel canister is a spent fuel canister including a case having an internal space for accommodating spent nuclear fuel, wherein the case has an inner surface made of a metal layer and an outer surface made of a shielding layer, the metal layer and The shielding layer is integral, and the shielding layer includes a metal matrix and a dispersed phase of the neutron shielding material.
  • the metal particles of the metal layer and the metal particles of the metal matrix of the shielding layer may form a continuum by forming grain boundaries with each other.
  • the metal layer may include a first crystalline alloy in which a first amorphous alloy having a first glass transition temperature is crystallized; and a second amorphous alloy having a second glass transition temperature higher than the first glass transition temperature, wherein the metal matrix of the shielding layer may include a second amorphous alloy having the second glass transition temperature.
  • the first glass transition temperature may be 450 °C or more.
  • the metal layer may include 25 to 400 parts by weight of the second amorphous alloy based on 100 parts by weight of the first crystalline alloy.
  • a thickness ratio of the metal layer and the shielding layer may be 100:10-100.
  • the thickness of the case may be 5 to 50 mm.
  • the shielding layer may include 0.1 to 10 parts by weight of the neutron shielding material based on 100 parts by weight of the metal matrix.
  • the metal of the metal layer and the metal of the shielding layer are each independently Fe-based, Cu-based, Al-based, Mg-based, Zr-based, Ca-based, Ti-based, Ni-based, Co-based, and Hf-based. It may include any one or two or more selected from the system.
  • the neutron shielding material is any one selected from boron carbide, boron nitride, boron oxide, zinc borate, aluminum hydroxide, hafnium, hafnium diboride, titanium diboride, ferroboron and uranium dioxide, or the like. It may include two or more.
  • a method of manufacturing a spent nuclear fuel canister is a method of manufacturing a spent fuel canister including a case having an internal space for accommodating spent nuclear fuel, wherein a metal layer composition and a shielding layer composition are layered together. by layer) technique to manufacture a case of a three-dimensional molded product having an inner surface made of a metal layer and an outer surface of a shielding layer by 3D printing, and a heat treatment step of heat-treating the three-dimensional molded article, the metal layer composition comprising: It contains a metal powder, and the shielding layer composition may contain a metal powder and a neutron shielding material.
  • the metal powder of the metal layer composition is a first amorphous alloy having a first glass transition temperature; and a second amorphous alloy having a second glass transition temperature higher than the first glass transition temperature, wherein the metal powder of the shielding layer composition includes a second amorphous alloy having the second glass transition temperature.
  • the heat treatment step may include a first sintering step and a second sintering step, and in the first sintering step, the sintering temperature is equal to or higher than the first glass transition temperature of the first amorphous alloy and the second amorphous alloy may be in a range less than the second glass transition temperature of , and in the second sintering step, the sintering temperature may be in the range above the crystallization initiation temperature of the first amorphous alloy and less than the crystallization initiation temperature of the second amorphous alloy.
  • the first amorphous alloy of the metal layer in the first sintering step, may be converted into a liquid phase during sintering, and the second amorphous alloy of the metal layer and the shielding layer may maintain a solid phase, and the second amorphous alloy may be maintained in a solid phase.
  • the first amorphous alloy of the metal layer in the sintering step, during sintering, may be crystallized and converted into a solid phase, and the second amorphous alloy of the metal layer and the shielding layer may be converted into a liquid phase.
  • the metal layer composition and the shielding layer composition may further include a binder, and in the heat treatment step, the binder in the molding may be removed by heat treatment.
  • the forming step is performed by 3D printing the metal layer composition and the shielding layer composition by repeating a unit process including a powder surface forming process and an adhesive composition spraying process using a layer by layer technique, and the inner surface It may include a molding step of manufacturing a case of a three-dimensional molded article made of the metal layer and the outer surface is made of a shielding layer.
  • the adhesive composition spraying process may be a process of spraying an adhesive composition including a binder and a solvent on a powdered surface formed, and in the heat treatment step, the binder in the molding may be removed by heat treatment. .
  • a method of manufacturing a spent nuclear fuel canister is a method of manufacturing a spent fuel canister including a case having an internal space for accommodating spent nuclear fuel, wherein a metal layer composition and a shielding layer composition are layered together. by layer) technique, repeating a unit process including a powder surface forming process and a sintering process, and 3D printing to manufacture a case of a three-dimensional molded product whose inner surface is made of a metal layer and the outer surface is made of a shielding layer.
  • the metal layer composition may contain a metal powder
  • the shielding layer composition may contain a metal powder and a neutron shielding material.
  • the metal powder of the metal layer composition is a first amorphous alloy having a first glass transition temperature; and a second amorphous alloy having a second glass transition temperature higher than the first glass transition temperature, wherein the metal powder of the shielding layer composition includes a second amorphous alloy having the second glass transition temperature.
  • the sintering temperature may be in the range above the first glass transition temperature of the first amorphous alloy and less than the second glass transition temperature of the second amorphous alloy, and in the heat treatment step, the sintering temperature is the The crystallization initiation temperature of the first amorphous alloy or more and the crystallization initiation temperature of the second amorphous alloy may be less than the range.
  • the first amorphous alloy of the metal layer in the forming step, may be converted into a liquid phase during sintering, and the second amorphous alloy of the metal layer and the shielding layer may maintain a solid phase, and in the heat treatment step, During sintering, the first amorphous alloy of the metal layer may be crystallized and converted into a solid phase, and the second amorphous alloy of the metal layer and the shielding layer may be converted into a liquid phase.
  • the metal particles of the metal layer and the metal particles of the metal matrix of the shielding layer form a grain boundary with each other to form a continuum.
  • the spent fuel canister according to the present invention is manufactured through 3D printing, it has excellent mechanical properties such as strength, impact resistance, and tensile strength, and has the effect of minimizing the deviation of mechanical properties depending on the stacking direction.
  • the spent fuel canister according to the present invention contains a neutron shielding material in a sufficient amount to completely prevent exposure to radionuclides, there is an effect of minimizing deterioration of mechanical properties such as toughness and strength.
  • the spent fuel canister according to the present invention is effective in having excellent corrosion resistance and durability and high structural stability.
  • the spent fuel canister according to the present invention does not require external fastening parts such as bolts and nuts, and has excellent sealing properties even though it is free from welding.
  • the spent fuel canister according to the present invention has a more advantageous effect in securing space by minimizing the thickness of the canister while having sufficient neutron shielding performance.
  • 1 and 2 show changes in the state of the alloy according to each step in the method of manufacturing a used canister according to an embodiment of the present invention.
  • the unit of % used without special mention means % by weight unless otherwise specified.
  • the conventional spent fuel canister had to have a fairly thick thickness as a material such as stainless steel to completely block the leakage of radionuclides into the surrounding environment semi-permanently, and the neutron shield was provided as a separate member outside the canister. Accordingly, the structure of the canister becomes complicated, and the size of the canister is inevitably larger compared to the used capacity, so there is a very disadvantageous problem in securing a space to bury the canister.
  • a spent fuel canister comprising a shielding layer containing a neutron shielding material and a metal layer integrally therewith and a method for manufacturing the same, a more advantageous effect in securing space by minimizing the thickness of the canister while having sufficient neutron shielding performance have.
  • the spent fuel canister according to the present invention has a sufficient amount of neutron shielding material to completely prevent exposure of radionuclides as metal powders having specific properties are used for each layer and undergoes a multi-stage sintering process with a difference in temperature when manufactured.
  • neutron shielding material to completely prevent exposure of radionuclides as metal powders having specific properties are used for each layer and undergoes a multi-stage sintering process with a difference in temperature when manufactured.
  • mechanical properties such as toughness and strength even when it contains.
  • even though it is manufactured through 3D printing it has excellent mechanical properties such as strength, impact resistance, and tensile strength, and has the effect of minimizing the deviation of mechanical properties depending on the lamination direction.
  • the present invention has very excellent chemical resistance such as corrosion resistance, remarkably excellent mechanical properties such as strength, ductility, and impact resistance, and a spent nuclear fuel canister having a larger spent fuel storage weight per unit volume compared to the prior art, and manufacturing thereof provide a way
  • a spent fuel canister according to the present invention includes a case having an interior space to accommodate the spent nuclear fuel.
  • the spent fuel canister will be described as meaning a case, but it goes without saying that means (structures, parts, devices, etc.) other than the case may be further included (provided).
  • the inner surface is made of a metal layer and the outer surface is made of a shielding layer, wherein the metal layer and the shielding layer are integrally formed.
  • the term “integrated” means that the metal particles of the metal layer and the metal particles of the metal matrix of the shielding layer form a continuum by forming grain boundaries with each other, and the metal layer and the shielding layer are continuously connected. Therefore, since there is no interface between the metal layer and the shielding layer, the mechanical properties and structural stability such as tensile strength per unit volume, impact resistance, ductility, etc. per unit volume are remarkably superior compared to the prior art even with high radiation shielding performance.
  • the shielding layer includes a metal matrix and a dispersed phase of a neutron shielding material. Specifically, the shielding layer exists in a phase in which the neutron shielding material is dispersed inside the metal matrix. Through this, the neutron shielding performance of the canister may be provided, and the shielding layer including the neutron shielding material may have a structure integrated with the metal layer.
  • the shielding layer is present on the outer surface portion, the metal layer is present on the inner surface portion, and the shielding layer and the metal layer are integrated with each other.
  • the neutron shielding material In order to provide sufficient neutron shielding properties, the neutron shielding material must be at least a certain amount in the metal matrix. However, if the content of the neutron shielding material increases in the metal matrix, the shielding material acts as an impurity, and mechanical properties such as toughness and strength of the material may be rapidly reduced. have.
  • the outer surface of the canister is a shielding layer containing a neutron shielding material, providing sufficient shielding properties, and the shielding layer can implement high mechanical properties as the neutron shielding material is integrated with the non-containing metal layer.
  • the shielding layer containing the neutron shielding material is located on the outer surface of the canister to realize higher shielding performance.
  • the spent fuel canister according to the present invention undergoes a heat treatment step as it is manufactured by 3D printing technique. It can collapse, and there is a risk that the mechanical properties of the final manufactured canister will be deteriorated.
  • the metal layer may include a first crystalline alloy in which a first amorphous alloy having a first glass transition temperature is crystallized; and a second amorphous alloy having a second glass transition temperature higher than the first glass transition temperature, while the metal matrix of the shielding layer includes the second amorphous alloy having the second glass transition temperature. It is possible to prevent the three-dimensional molded structure from collapsing during the manufacturing process (heat treatment), and the above-described effects can be further improved. Specifically, as shown in FIG. 1 or FIG.
  • the metal layer before the primary sintering includes the first amorphous alloy (M1) and the second amorphous alloy (M2), and the temperature during the primary sintering is the second 1
  • the temperature during secondary sintering is in the range above the crystallization initiation temperature of the first amorphous alloy (M1) and less than the crystallization initiation temperature of the second amorphous alloy (M2), in the secondary sintering after the primary sintering, the first amorphous alloy of the metal layer (M1) is crystallized and converted into a solid first crystalline alloy (M1), and the second amorphous alloy (M2) of the metal layer and the second amorphous alloy (M2) of the shielding layer are converted into a liquid phase.
  • the metal of the metal layer and the shielding layer is a second amorphous alloy (M2) in an amorphous phase. It has remarkably high mechanical properties such as strength and excellent surface condition.
  • the metal layer includes the first crystalline alloy and the second amorphous alloy and the shielding layer includes the second amorphous alloy
  • the fluidization of each layer is sequentially achieved. Due to the nature of the canister that requires a certain thickness or more, local variations in heat applied during heat treatment, different coefficients of thermal expansion of each layer, composition differences due to the incorporation of impurities (neutron shielding material) other than metals, and abrupt phase change of the entire layer It is possible to provide a spent fuel canister having excellent physical properties by preventing structural collapse due to heat treatment during manufacturing.
  • the metal layer including the first crystalline alloy and the second amorphous alloy and the shielding layer including the second amorphous alloy are integrally formed,
  • the 3D printing technique can minimize structural collapse problems such as side effects due to differences in thermal expansion coefficient during the manufacturing process. There is an effect remarkably excellent in mechanical properties such as.
  • the amorphous alloy when used in the present invention, has a very low coefficient of thermal expansion compared to the crystalline alloy. compared to the more minimal
  • the metal of the metal layer and the metal of the shielding layer are each independently selected from any one or two selected from Fe-based, Cu-based, Al-based, Mg-based, Zr-based, Ca-based, Ti-based, Ni-based, Co-based and Hf-based, etc. may include more than one. That is, the above-described amorphous alloy or crystalline alloy includes any one or two or more selected from Fe-based, Cu-based, Al-based, Mg-based, Zr-based, Ca-based, Ti-based, Ni-based, Co-based and Hf-based, etc. It may be an amorphous alloy or a crystalline alloy.
  • the first glass transition temperature is not particularly limited, but considering that the temperature must be strictly maintained at 400° C. or less in the entire process of dry storage of spent nuclear fuel, the first glass transition temperature is 450° C. or higher, specifically It may be 450 to 950 °C, more specifically 450 °C to 750 °C, even more specifically 450 °C to 600 °C. Examples of amorphous alloys having a glass transition temperature of 450° C.
  • Fe-based amorphous alloys eg, Fe-Co-Cr-Mo-CBY alloys, Fe-Si-BP alloys, Fe-YB alloys, etc.
  • Ni-based amorphous alloys for example, Ni-Nb-Ta alloy, Ni-Nb-Ti-Hf alloy, Ni-Zr-Ti-Sn alloy, Ni-Nb-Ti-Hf alloy, etc.
  • Cu-based amorphous alloy for example, Cu- Zr alloy, Cu-Ti-Zr-Ni alloy, Cu-Hf-Al alloy, Cu-Zr-Al alloy, Cu-Zr-Al-(Y, Ag, Be) alloy, etc.
  • Al-based amorphous alloy for example, , Al-La-Y-Ni alloy, etc.
  • Mg-based amorphous alloy Mg-Ni-Nd alloy, etc.
  • Zr-based amorphous alloy Zr-Al-Ni alloy, Zr-Al-N
  • component-based alloy is described as an amorphous alloy, since the amorphous alloy can be converted into a crystalline alloy through heat treatment, the above-described component-based alloy can also be interpreted (used) as the crystalline alloy.
  • the weight ratio thereof is not particularly limited, for example, 25 to 400 parts by weight of the second amorphous alloy with respect to 100 parts by weight of the first crystalline alloy, specifically 50 to 300 parts by weight.
  • the flowability conversion of each layer is made easier in the heat treatment process including the first sintering step and the second sintering step, thereby further minimizing the problem of collapse of the structure of the molding by heat treatment and canister having better mechanical properties can provide
  • the thickness of the metal layer is equal to or greater than the thickness of the shielding layer, for example, a thickness ratio of the metal layer and the shielding layer of 100:10-100. If this is satisfied, while providing semi-permanent sufficient shielding properties, the shielding layer can be integrated according to higher interaction with the metal layer not containing the neutron shielding material, thereby realizing higher mechanical properties.
  • the thickness of the canister may be sufficient as long as sufficient neutron shielding performance and required structural stability can be secured, and an example may be 5 mm or more, specifically 5 to 50 mm, and more specifically 5 to 20 mm. However, this is only described as a specific example, of course, the present invention is not limited thereto.
  • the content of the neutron shielding material contained in the shielding layer may be sufficient as long as it can provide sufficient neutron shielding performance, for example, 0.01 to 10 parts by weight, specifically 0.1 to 10 parts by weight, of the neutron shielding material based on 100 parts by weight of the metal matrix. , more specifically 0.1 to 5 parts by weight.
  • this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the neutron shielding material various known materials may be used, for example, any one selected from boron carbide, boron nitride, boron oxide, zinc borate, aluminum hydroxide, hafnium, hafnium diboride, titanium diboride, feroboron, and uranium dioxide. Or it may include two or more.
  • the neutron shielding material may be a boron-based shielding material, specifically boron carbide.
  • the metal matrix of the shielding layer contains Fe-based metal and boron carbide is used as a neutron shielding material, high mechanical properties can be realized while having sufficient neutron shielding performance.
  • the shape of the neutron shielding material is not particularly limited, and various examples such as a spherical shape, an oval shape, a rod shape, and a flake shape may be given, and a spherical shape or an oval shape may be easily used. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the size of the neutron shielding material may be sufficient as long as it is easily dispersed on the metal matrix and can provide the required shielding performance.
  • the average particle diameter of the neutron shielding material may be 500 nm to 300 ⁇ m, preferably 500 nm to 100 ⁇ m, and D50, which is a particle diameter corresponding to 50% of the total volume when the volume is accumulated from small particles, may be , more preferably 500 nm to 50 ⁇ m.
  • the neutron shielding material has such an average particle diameter, it may be more evenly dispersed on the metal matrix, and the mixing property in the metal matrix may be further improved.
  • the method for manufacturing the spent fuel canister according to the present invention may be through various known metal 3D printing techniques.
  • the method for manufacturing the spent fuel canister according to the present invention is a method for manufacturing a spent fuel canister according to the present invention by performing a metal layer composition and a shielding layer composition face to face ( It may include a molding step of manufacturing a case of a three-dimensional molded product having an inner surface of a metal layer and an outer surface of a shielding layer by 3D printing using a layer by layer) technique, and a heat treatment step of heat-treating the three-dimensional molding, the metal layer composition Silver contains a metal powder, and the shielding layer composition may contain a metal powder and a neutron shielding material.
  • the metal powder of the metal layer composition is a first amorphous alloy having a first glass transition temperature; and a second amorphous alloy having a second glass transition temperature higher than the first glass transition temperature, wherein the metal powder of the shielding layer composition includes a second amorphous alloy having the second glass transition temperature.
  • the heat treatment step may include a first sintering step and a second sintering step, and in the first sintering step, the sintering temperature is equal to or higher than the first glass transition temperature of the first amorphous alloy and the second amorphous alloy second.
  • the sintering temperature may be in the range above the crystallization initiation temperature of the first amorphous alloy and less than the crystallization initiation temperature of the second amorphous alloy.
  • the first amorphous alloy of the metal layer is converted into a liquid phase
  • the second amorphous alloy of the metal layer and the shielding layer maintains a solid phase
  • the first amorphous alloy of the metal layer is crystallized and converted to a solid phase. Since the second amorphous alloy of the metal layer and the shielding layer is converted into a liquid phase, structural collapse of the 3D molding can be minimized.
  • the heat treatment time of the primary sintering and the heat treatment time of the secondary sintering are preferably performed after the primary sintering is sufficiently performed so that the primary sintering and the secondary sintering are distinguished.
  • the heat treatment time during primary sintering is, for example, from 1 minute to 10 hours, for example, 8 hours or less, 5 hours or less, 3 hours or less, 1 hour or less so that the first amorphous alloy of the metal layer has sufficient fluidity. , may be 30 minutes or less, and in this case, the lower limit may be 1 minute, 3 minutes, 5 minutes, or 10 minutes.
  • the heat treatment time during secondary sintering is, for example, 1 minute to 10 hours, in another example 8 hours or less, 5 hours or less, so that the second amorphous alloy of the metal layer and the second amorphous alloy of the shielding layer have fluidity; It may be 3 hours or less, 1 hour or less, or 30 minutes or less, and in this case, the lower limit may be 1 minute, 3 minutes, 5 minutes, 10 minutes, or 30 minutes.
  • the metal particles of the metal layer (Grain) and the metal particles (Grain) of the metal matrix of the shielding layer form a continuum by forming grain boundaries with each other.
  • the metal particle does not mean the particle itself of the metal powder included in the composition, but means the particle used to distinguish the amorphous from the crystalline in the metal state.
  • the method for manufacturing the spent fuel canister according to the present invention described above can be divided into a method using an adhesive and a method not using an adhesive as follows.
  • a first aspect of heat-treating (primary sintering and secondary sintering) after manufacturing a molded article by laminating the surfaces as a unit process in a surface forming process layer by layer through an adhesive As a method of using an adhesive, a first aspect of heat-treating (primary sintering and secondary sintering) after manufacturing a molded article by laminating the surfaces as a unit process in a surface forming process layer by layer through an adhesive; and a second aspect of secondary sintering after manufacturing a molded article by laminating surfaces in a unit process including a surface forming process and a sintering process.
  • the metal layer composition and the shielding layer composition may further include a binder, and in the heat treatment step, heat treatment By this, the binder in the molding may be removed.
  • the manufacturing method includes a molding step of 3D printing the metal layer composition and the shielding layer composition using a layer-by-layer technique to manufacture a case of a three-dimensional molded product having an inner surface of a metal layer and an outer surface of a shielding layer; It may include a heat treatment step of heat-treating the dimensional molding, wherein each composition includes a binder, respectively, and in the heat treatment step, the binder in the molding may be removed by heat treatment.
  • the metal layer composition and the shielding layer composition are 3D printed using a layer-by-layer technique so that the inner surface is made of a metal layer. It may include a molding step of manufacturing a case of a three-dimensional molded product having a high surface and a shielding layer and a heat treatment step of heat-treating the three-dimensional molding, wherein the heat treatment step may include a primary sintering step and a secondary sintering step have. Specifically, in the forming step, the metal layer composition and the shielding layer composition each including a binder are sprayed on the substrate, but sprayed so as to have a desired shape.
  • the outer surface of the molding is placed so that the shielding layer composition is located, and the inner portion of the molding is distributed so that the metal layer composition is located to form a surface, and the binder is cured and laminated to finally produce a 3D molding having a desired shape.
  • heat is applied to the 3D molding to perform primary sintering and secondary sintering to remove the binder in the molding.
  • the primary sintering satisfies the temperature range of the aforementioned primary sintering
  • the secondary sintering satisfies the temperature range of the aforementioned secondary sintering.
  • the content of the binder contained in each composition may be sufficient as long as it has an adhesive strength sufficient to maintain the stacked structure of each unit surface, and the content may be selected in consideration of the shape, composition, size, etc. of the metal powder.
  • the binder may be used in an amount of 0.1 to 100 parts by weight, specifically 1 to 50 parts by weight, based on 100 parts by weight of the metal powder, but is not limited thereto.
  • the method for manufacturing a spent fuel canister includes a powder surface forming process and an adhesive composition spraying process using a metal layer composition and a shielding layer composition in a layer-by-layer technique. It may include a molding step of manufacturing a case of a three-dimensional molded article having an inner surface made of a metal layer and an outer surface made of a shielding layer by repeating the unit process including the steps of 3D printing, and a heat treatment step of heat-treating the three-dimensional molded article. In this case, in the heat treatment step, the binder in the molding may be removed by heat treatment.
  • the method for manufacturing a spent fuel canister includes a powder surface forming process and an adhesive composition spraying process using a metal layer composition and a shielding layer composition in a layer-by-layer technique.
  • 3D printing by repeating the unit process may include a molding step of manufacturing a case of a three-dimensional molded product having an inner surface of a metal layer and an outer surface of a shielding layer, and a heat treatment step of heat-treating the three-dimensional molding, the heat treatment step may include a first sintering step and a second sintering step.
  • the metal layer composition and the shielding layer composition are sprayed on the substrate, but sprayed so as to have a desired shape.
  • the outer surface of the molding is placed so that the shielding layer composition is located, and the inner portion of the molding is distributed so that the metal layer composition is located to form a powdery surface, and the adhesive composition is sprayed thereon so that the adhesive composition is sufficiently wet on the powder.
  • a 3D molded product having a desired shape is manufactured by laminating the surface by curing the sprayed adhesive composition.
  • the binder in the molded article is removed by applying heat to the 3D molded article to perform primary sintering and secondary sintering.
  • the primary sintering satisfies the temperature range of the aforementioned primary sintering
  • the secondary sintering satisfies the temperature range of the aforementioned secondary sintering.
  • the adhesive composition may include a binder and a solvent, and their weight ratio may be so long as the adhesive composition is sprayed onto the metal powder and the metal powder can be adhered by curing, for example, the binder is 0.1 based on the total weight of the adhesive composition. to 20% by weight, specifically 1 to 10% by weight. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the curing time and curing temperature of the binder may be sufficient as long as the metal powder is adhered to each other to maintain the shape of the 3D molded product, for example, 5 to 100° C.
  • the curing time Silver may be appropriately adjusted according to the type of binder, the amount of binder or solvent used, and environmental conditions (temperature, humidity, pressure, etc.).
  • the binder may be any known in the metal 3D printing technology field, for example, alkyl cellulose-based, polyalkylene carbonate-based, polyalkylene oxide-based, lignin.
  • a binder including any one or two or more selected from a polyvinyl alcohol-based system and a polyvinyl alcohol-based binder may be used.
  • the alkyl cellulose includes, for example, alkyl cellulose having an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, 1 to 16 carbon atoms, 1 to 12 carbon atoms, 1 to 8 carbon atoms, or 1 to 4 carbon atoms, such as methyl cellulose or ethyl cellulose.
  • polyalkylene oxide may include an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, 1 to 16 carbon atoms, 1 to 12 carbon atoms, 1 to 8 carbon atoms, or 1 to 4 carbon atoms, such as polyethylene oxide or polypropylene oxide.
  • Polyalkylene oxide may be exemplified, and as the polyalkylene carbonate, having an alkylene group having 1 to 20 carbon atoms, 1 to 16 carbon atoms, 1 to 12 carbon atoms, 1 to 8 carbon atoms, or 1 to 4 carbon atoms, such as polyethylene carbonate
  • Polyalkylene carbonate and the like may be exemplified, and as polyvinyl alcohol, polyvinyl alcohol or polyvinyl acetate may be exemplified. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the method for manufacturing a spent fuel canister according to an embodiment of the present invention includes a powder-like surface forming process and a sintering process using a metal layer composition and a shielding layer composition in a layer-by-layer technique.
  • Repeating the unit process for 3D printing may include a molding step of manufacturing a case of a three-dimensional molded product having an inner surface of a metal layer and an outer surface of a shielding layer, wherein the metal layer composition contains a metal powder, and the shielding layer
  • the composition may contain a metal powder and a neutron shielding material.
  • the method for manufacturing a spent fuel canister is a unit process including a powder surface forming process and a sintering process using a metal layer composition and a shielding layer composition in a layer-by-layer technique.
  • Repeating 3D printing may include a molding step of manufacturing a case of a three-dimensional molded product having an inner surface made of a metal layer and an outer surface made of a shielding layer, and a heat treatment step of heat-treating the three-dimensional molded article.
  • the metal layer composition and the shielding layer composition are sprayed on the substrate, but sprayed so as to have a desired shape.
  • the outer surface of the molding is placed so that the shielding layer composition is located, and the inner portion of the molding is distributed so that the metal layer composition is located to form a powdery surface.
  • a 3D molded product of a desired shape is finally manufactured.
  • the sintering satisfies the temperature range of the above-described primary sintering.
  • the binder in the molded article is removed by performing secondary sintering by applying heat to the 3D molded article, and in this case, the sintering satisfies the temperature range of the secondary sintering described above.
  • various heat sources may be used as a means thereof, for example, various known heat sources such as hot air, infrared rays, and lasers may be used.
  • various known heat sources such as hot air, infrared rays, and lasers
  • using a laser as a heat source is good in terms of manufacturing a complex and precise 3D molding, and after manufacturing the 3D molding, the molding
  • a heat source such as hot air or infrared rays that can heat-treat the entire molding at once may be good.
  • the shape of the metal powder is not particularly limited, and various examples such as a spherical shape, an oval shape, a rod shape, and a flake shape may be given, and it may be easy to usually have a spherical shape or an oval shape. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not limited thereto.
  • the average particle diameter of the metal powder may be as long as 3D printing is possible, for example 5 to 100 ⁇ m, specifically, 10 to 50 ⁇ m. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not limited thereto.
  • the spent nuclear fuel canister may further include a basket for fixing the spent nuclear fuel accommodated in the inner space of the case.
  • the basket may be located in the inner space of the case, and may have a conventional structure used for fixing the spent nuclear fuel in the canister in the field of dry storage of the spent nuclear fuel.
  • the basket may have a rectangular grid structure, and may have a shape in which a plurality of rectangular tubes extending in the longitudinal direction are gathered.
  • spent nuclear fuel may be located inside each of the rectangular tubes.
  • the canister may further include a support member for fixing and supporting the basket together with the basket or a storage member into which the basket is inserted.
  • the spent nuclear fuel canister according to the present invention may contain the spent nuclear fuel after the canister is finally manufactured, or the manufacturing process may be completed in a state in which the spent nuclear fuel is accommodated during the manufacturing process of the canister.
  • the canister in the case where the spent nuclear fuel is accommodated after the canister is finally manufactured, the canister includes a body having an internal space with one end open and the spent nuclear fuel mounted thereon; It may include a case including; a cover that is seated on the open end of the main body is fixed to the main body.
  • the coupling method between the body and the cover may be any known fastening means, and for example, an external fixing member such as bolt-nut coupling and/or welding may be used.
  • the manufacturing process is completed while the spent nuclear fuel is accommodated during the manufacturing process of the canister.
  • primary sintering since the laser can be used, the 3D printing technique is used safely without transferring heat to the spent nuclear fuel.
  • Case molding is possible, and secondary sintering is performed after forming canister moldings (including primary sintering using a heat source such as a laser) using 3D printing technique from the lower end of the spent nuclear fuel to the side to the upper end based on the spent nuclear fuel. (At this time, the spent nuclear fuel does not need to be located inside the molding), and the canister body is manufactured by secondary sintering.
  • the cover is then formed and sintered (primary and secondary) by 3D printing at the upper end of the main body to manufacture the canister integrally.
  • the canister has a solid structure that is integrated with the body, so structural stability and durability are remarkably excellent.
  • the spent fuel canister may be a container for dry storage of spent nuclear fuel, and may be a container for transport, storage, or transport and storage of spent nuclear fuel.

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Abstract

본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 3D 프린팅을 통해 제조됨에도 강도, 내충격성, 인장강도 등의 기계적 물성이 우수하고, 적층 방향에 따른 기계적 물성의 편차를 최소화할 수 있는 효과가 있으며, 방사성 핵종들의 노출을 완전 방지할 수 있는 충분한 함량의 중성자 차폐재를 함유함에도 인성, 강도 등의 기계적 물성의 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 내부식성 및 내구성이 우수하고 높은 구조 안정성을 가지며, 볼트-너트 등과 같은 외부 체결 부품을 요구하지 않고 용접으로부터 자유로움에도 밀폐성이 우수한 효과가 있다. 또한 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 충분한 중성자 차폐 성능을 가지면서도 캐니스터의 두께를 최소화하여 공간 확보에 더 유리한 효과가 있다.

Description

3D 프린팅 기법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법
사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
원자력 산업으로부터 불가피하게 발생되는 고준위 폐기물, 사용후핵연료 등의 핵폐기물은 생태계로부터 장기간 안전하게 격리되어야 한다. 이를 위한 공학적 방벽들 중의 하나인 처분용기(Canister)는 보통 단일 또는 합금 재질로 만들어 질 수 있다. 프랑스, 영국, 일본 등은 고준위 폐기물을 유리 고화체로 만들어 용기에 넣고 이 용기를 다시 다른 용기에 넣어 포장하는 방식을 고려하고 있으며, 캐나다, 독일, 핀란드, 스웨덴 등은 사용후핵연료를 직접 용기에 넣어 포장하는 방식을 고려하고 있다. 미국의 경우, 유리 고화체와 사용후핵연료 두 가지 유형에 대한 각각의 처분용기를 구상하고 있다. 우리나라의 경우는 사용후핵연료를 심지층에 처분하는 개념을 추구하고 있으며, 예를 들어 500 m 깊이의 심부 결정질 암반 내에 수직으로 처분용기를 거치하고, 그 주변을 압축 벤토나이트로 충전한다.
그러나 상기와 같이 사용후핵연료를 포함한 처분용기를 처분할 지하 500 m 이상의 암반에 건설된 처분동굴에는 지하수에 의한 50 atm 이상의 수압과 처분용기를 보호하기 위하여 채우는 완충재에 의한 팽윤압이 100 atm 이상 존재할 수 있다. 따라서 처분용기는 이와 같은 압력에 견딜 수 있는 구조적인 안정성이 확보되어야 한다. 뿐만 아니라 사용후핵연료 내에 존재하는 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되는 것을 반영구적으로 억제할 수 있어야 한다.
사용후핵연료를 저장할 수 있는 용기인 캐니스터는 통 형태의 금속 캐니스터로 이루어져 있으며, 금속 캐니스터 내부에 바스켓을 마련하여 사용 후 핵연료를 저장한다. 금속 캐니스터 내부의 바스켓은 지지부재나 격납부재 등을 통해 고정되고, 캐니스터 외부에 중성자 차폐체를 마련하여 사용 후 핵연료를 저장한다.
일반적으로 캐니스터 재질은 주로 스테인리스 강이며, 바스켓의 측면을 둘러싸는 캐니스터 쉘, 바스켓의 상단을 둘러싸는 캐니스터 뚜껑판, 바스켓의 하단을 둘러싸는 캐니스터 바닥판을 포함한다. 캐니스터 뚜껑판은 바스켓에 사용 후 핵연료가 바스켓에 장입된 후, 캐니스터 쉘에 볼트-너트 결합에 의해 고정되고 용접을 통해 밀봉되는 것이 통상적이다.
그러나 이러한 용접 부위(용접 영역 및 열 영향부위) 및 볼트/너트 결합 영역은 부식균열에 취약하여 사용 후 핵연료 건식저장시스템의 건전성을 손상시키는 요소이며, 열을 수반한 용접 공정은 엄밀하게 온도가 제어되어야 하는 사용후핵연료 건식 저장 과정에서 위험 요소가 매우 높은 공정이다.
또한 통상 사용되는 스테인리스 강 등의 재질을 가지는 캐니스터는 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되는 것을 억제하기 위해서는 상당히 두꺼운 두께를 가져야 하며, 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되는 것을 반영구적으로 완벽하게 차단하기 위해서 중성자 차폐체가 캐니스터 외부에 별도의 부재로 구비되므로, 캐니스터 구조가 복잡해지는 것은 물론 사용 용량 대비 그 크기가 더 커질 수밖에 없어 공간 확보에 더 불리한 문제가 있다.
본 발명의 목적은 3D 프린팅을 통해 제조됨에도 강도, 내충격성, 인장강도 등의 기계적 물성이 우수하고, 적층 방향에 따른 기계적 물성의 편차를 최소화할 수 있는 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 방사성 핵종들의 노출을 완전 방지할 수 있는 충분한 함량의 중성자 차폐재를 함유함에도 인성, 강도 등의 기계적 물성의 저하를 최소화할 수 있는 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 내부식성 및 내구성이 우수하고 높은 구조 안정성을 갖는 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 볼트-너트 등과 같은 외부 체결 부품을 요구하지 않고 용접으로부터 자유로움에도 밀폐성이 우수한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 충분한 중성자 차폐 성능을 가지면서도 캐니스터의 두께를 최소화하여 공간 확보에 더 유리한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 사용후핵연료가 수용되도록 하는 내부 공간을 가지는 케이스를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터로서, 상기 케이스는 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어지되, 상기 금속층과 상기 차폐층이 일체를 이루며, 상기 차폐층은 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층의 금속 입자와 상기 차폐층의 금속 매트릭스의 금속 입자는 서로 입계를 이루어 연속체를 이루는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층은, 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금이 결정화된 제1결정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함할 수 있으며, 상기 차폐층의 금속 매트릭스는 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 제1유리전이온도는 450℃ 이상일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층은 상기 제1결정질합금 100 중량부에 대하여 상기 제2비정질합금 25 내지 400 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층과 상기 차폐층의 두께 비는 100:10~100일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 케이스의 두께는 5 내지 50 mm일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 차폐층은 상기 금속 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 중성자 차폐재 0.1 내지 10 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층의 금속과 상기 차폐층의 금속은 서로 독립적으로 Fe계, Cu계, Al계, Mg계, Zr계, Ca계, Ti계, Ni계, Co계 및 Hf계 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 중성자 차폐재는 탄화붕소, 질화붕소, 산화붕소, 붕산아연, 수산화알루미늄, 하프늄, 하프늄이붕소화물, 티타늄이붕소화물, 페로보론 및 이산화우라늄 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은 사용후핵연료가 수용되도록 하는 내부 공간을 가지는 케이스를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법으로서, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 3D 프린팅하여 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있으며, 상기 금속층 조성물은 금속 분말을 함유하고, 상기 차폐층 조성물은 금속 분말 및 중성자 차폐재를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 금속층 조성물의 금속 분말은 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함할 수 있고, 상기 차폐층 조성물의 금속 분말은 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함할 수 있으며, 상기 열처리 단계는 1차 소결 단계 및 2차 소결 단계를 포함할 수 있으며, 상기 1차 소결 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 제1유리전이온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 제2유리전이온도 미만 범위일 수 있으며, 상기 2차 소결 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 결정화개시온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 결정화개시온도 미만 범위일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 1차 소결 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 액상으로 전환될 수 있고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 고체상을 유지할 수 있으며, 상기 2차 소결 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 결정화되어 고체상으로 전환될 수 있고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 액상으로 전환될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 성형 단계에서, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물은 바인더를 더 포함할 수 있으며, 상기 열처리 단계에서, 열처리에 의해 성형물 내 바인더가 제거될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 성형 단계는 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 접착 조성물 분사 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 접착 조성물 분사 공정은 바인더 및 용매를 포함하는 접착 조성물을 형성된 분말상 면에 분사하는 공정일 수 있으며, 상기 열처리 단계에서, 열처리에 의해 성형물 내 바인더가 제거될 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은 사용후핵연료가 수용되도록 하는 내부 공간을 가지는 케이스를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법으로서, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 소결 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계를 포함할 수 있으며, 상기 금속층 조성물은 금속 분말을 함유하고, 상기 차폐층 조성물은 금속 분말 및 중성자 차폐재를 함유할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 성형 단계 이후에, 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 금속층 조성물의 금속 분말은 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함할 수 있고, 상기 차폐층 조성물의 금속 분말은 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함할 수 있으며, 상기 성형 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 제1유리전이온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 제2유리전이온도 미만 범위일 수 있으며, 상기 열처리 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 결정화개시온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 결정화개시온도 미만 범위일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 성형 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 액상으로 전환될 수 있고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 고체상을 유지할 수 있으며, 상기 열처리 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 결정화되어 고체상으로 전환될 수 있고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 액상으로 전환될 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 열처리 단계를 통해 상기 금속층의 금속 입자와 상기 차폐층의 금속 매트릭스의 금속 입자가 서로 입계를 이루어 연속체를 이루는 상태로 전환될 수 있다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 3D 프린팅을 통해 제조됨에도 강도, 내충격성, 인장강도 등의 기계적 물성이 우수하고, 적층 방향에 따른 기계적 물성의 편차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 방사성 핵종들의 노출을 완전 방지할 수 있는 충분한 함량의 중성자 차폐재를 함유함에도 인성, 강도 등의 기계적 물성의 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 내부식성 및 내구성이 우수하고 높은 구조 안정성을 갖는 효과가 있다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 볼트-너트 등과 같은 외부 체결 부품을 요구하지 않고 용접으로부터 자유로움에도 밀폐성이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 충분한 중성자 차폐 성능을 가지면서도 캐니스터의 두께를 최소화하여 공간 확보에 더 유리한 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 예에 따른 사용후캐니스터의 제조 방법에서 각 단계에 따른 합금의 상태 변화를 나타낸 것이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 3D 프린팅 기법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
종래의 사용후핵연료 캐니스터는 방사성 핵종들이 주변 환경으로 누출되는 것을 반영구적으로 완벽하게 차단하기 위해 스테인리스 강 등의 재질로서 상당히 두꺼운 두께를 가질 수밖에 없었으며, 중성자 차폐체가 캐니스터 외부에 별도의 부재로 구비됨에 따라 캐니스터 구조가 복잡해지는 것은 물론 사용 용량 대비 그 크기가 더 커질 수밖에 없어 캐니스터를 매립할 공간 확보에도 상당히 불리한 문제가 있었다.
하지만 본 발명에서는 중성자 차폐재를 함유하는 차폐층과 금속층이 일체로 이루어진 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 제공함에 따라, 충분한 중성자 차폐 성능을 가지면서도 캐니스터의 두께를 최소화하여 공간 확보에 더 유리한 효과가 있다.
특히 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 제조 시 특정 특성을 가지는 금속 분말들이 각 층에 사용되고 온도 차이를 둔 다단 소결 공정을 거침에 따라, 방사성 핵종들의 노출을 완전 방지할 수 있는 충분한 함량의 중성자 차폐재를 함유함에도 인성, 강도 등의 기계적 물성의 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한 3D 프린팅을 통해 제조됨에도 강도, 내충격성, 인장강도 등의 기계적 물성이 우수하고, 적층 방향에 따른 기계적 물성의 편차를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
따라서 본 발명은 내부식성 등의 내화학성이 매우 우수하고, 강도, 연성, 내충격성 등의 기계적 물성이 현저히 우수하며, 종래 대비 단위 부피당 사용후핵연료의 수용 중량이 보다 큰 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 사용후핵연료가 수용되도록 하는 내부 공간을 가지는 케이스를 포함한다. 이하 설명에서 사용후핵연료 캐니스터가 케이스를 의미하는 것으로 설명하나, 상기 케이스 외의 수단(구조물, 부품, 장치 등)을 더 포함(구비)할 수 있음은 물론이다.
상기 케이스는 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어지되, 상기 금속층과 상기 차폐층이 일체를 이루어 진 것을 특징으로 한다. 여기서 “일체”라 함은 금속층의 금속 입자(Grain)와 상기 차폐층의 금속 매트릭스의 금속 입자(Grain)가 서로 입계를 이루어 연속체를 이루는 것으로서 금속층과 차폐층이 연속적으로 이어진 것을 의미한다. 따라서 금속층과 차폐층간 계면이 존재하지 않아, 높은 방사성 차폐 성능을 가짐에도 단위 부피당 인장강도, 내충격성, 연성, 등의 기계적 물성 및 구조 안정성이 종래 대비 현저히 우수하다.
상기 차폐층은 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함한다. 구체적으로, 차폐층은 금속 매트릭스 내부에 중성자 차폐재가 분산된 상을 이루어 존재한다. 이를 통해 캐니스터의 중성자 차폐 성능을 부여할 수 있으며, 중성자 차폐재를 포함하는 차폐층이 금속층과 일체화된 구조를 가질 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터에서, 외면부는 차폐층이 존재하고, 내면부는 금속층이 존재하며, 차폐층과 금속층은 서로 일체화된 상태를 갖는다. 충분한 중성자 차폐성을 부여하기 위해서는 중성자 차폐재가 금속 매트릭스 내에 일정 함량 이상이 되어야 하나, 금속 매트릭스 내에 중성자 차폐재의 함량이 증가하면 차폐재가 불순물로 작용하여 소재의 인성, 강도 등의 기계적 물성이 급격히 저하될 수 있다. 따라서 캐니스터의 외면은 중성자 차폐재가 함유된 차폐층으로서 충분한 차폐성을 부여하면서, 상기 차폐층은 중성자 차폐재가 비함유된 금속층과 일체화됨에 따른 높은 기계적 물성을 구현할 수 있다. 또한 중성자 차폐재를 함유하는 차폐층이 캐니스터의 외면에 위치하여 보다 높은 차폐 성능을 구현한다.
후술하는 캐니스터의 제조 방법에서 더 구체적으로 설명하겠지만, 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 3D 프린팅 기법으로 제조됨에 따라 열처리 단계를 거치게 되는데, 열처리 과정에서 층간 열팽창계수의 차이 등으로 인해 성형물의 구조가 붕괴될 수 있어, 최종 제조된 캐니스터의 기계적 물성이 저하될 위험이 있다.
그러나 상기 금속층이, 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금이 결정화된 제1결정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함하면서 상기 차폐층의 금속 매트릭스가 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함할 경우, 캐니스터의 제조 과정(열처리)에서 3차원 성형 구조가 붕괴되는 것을 방지할 수 있으며, 전술한 효과들도 더 현저히 향상시킬 수 있다. 이에 대해 구체적으로 설명하면, 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 소결 전에 금속층은 제1비정질합금(M1) 및 제2비정질합금(M2)을 포함하며, 1차 소결 시 온도는 제1비정질합금(M1)의 제1유리전이온도 이상 및 제2비정질합금(M2)의 제2유리전이온도 미만 범위이다. 따라서 1차 소결 시 금속층의 제1비정질합금(M1)은 고상에서 액상으로 전환되어 유동성을 가지는 반면, 상기 금속층의 제2비정질합금(M2)과 차폐층의 제2비정질합금(M2)은 단단한(Rigid) 고체 입자상을 유지한다. 2차 소결 시 온도는 제1비정질합금(M1)의 결정화개시온도 이상 및 제2비정질합금(M2)의 결정화개시온도 미만 범위이므로, 1차 소결 이후의 2차 소결 시 상기 금속층의 제1비정질합금(M1)은 결정화되어 고상의 제1결정질합금(M1)으로 전환되며, 상기 금속층의 제2비정질합금(M2)과 차폐층의 제2비정질합금(M2)은 액상으로 전환된다. 또한 2차 소결 온도는 제2비정질합금(M2)의 결정화개시온도 미만 범위이므로, 2차 소결이 완료된 후에도 금속층과 차폐층의 금속은 제2비정질합금(M2)으로 비정질상으로 존재하여 결정질합금에 비해 강도 등의 기계적 물성이 현저히 높을 뿐만 아니라 우수한 표면 상태를 갖는다.
즉, 금속층이 상기 제1결정질합금 및 상기 제2비정질합금을 포함하고 차폐층이 상기 제2비정질합금을 포함하면서, 열처리 단계를 통해 금속층과 차폐층이 일체화되는 과정에서 순차적으로 각 층의 유동화가 진행되므로, 일정 이상의 두께를 필요로 하는 캐니스터의 특성상 열처리 시 인가되는 열의 국부적인 편차, 각 층의 상이한 열팽창계수, 금속 외의 불순물(중성자 차폐재)의 혼입에 의한 조성 차이, 그리고 전체 층의 급격한 상변화를 줄임으로써, 제조 시 열처리에 의한 구조 붕괴를 방지하여 물성이 우수한 사용후핵연료 캐니스터를 제공할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 제1결정질합금 및 제2비정질합금을 포함하는 금속층과, 제2비정질합금을 포함하는 차폐층이 일체를 이루고 있음에 따라, 3D 프린팅 기법을 통한 제조 과정에서의 열팽창계수의 차이에 따른 부작용 등의 구조가 무너지는 문제를 최소화할 수 있어 최종 제조된 캐니스터는 구조 안정성이 현저히 우수하고, 비정질합금의 상태를 유지하여 강성, 인성 등의 기계적 물성이 현저히 우수한 효과가 있다.
나아가, 본 발명에서 비정질합금이 사용될 경우, 비정질합금은 결정질합금 대비 매우 낮은 열팽창계수를 가짐에 따라, 열처리가 수반되는 3D 프린팅으로 제조되는 특성상 열처리에 의한 성형물의 구조 붕괴가 결정질금속만 사용되는 경우 대비 더 최소화된다.
상기 금속층의 금속과 상기 차폐층의 금속은 서로 독립적으로 Fe계, Cu계, Al계, Mg계, Zr계, Ca계, Ti계, Ni계, Co계 및 Hf계 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 즉, 상술한 비정질합금 또는 결정질합금은 Fe계, Cu계, Al계, Mg계, Zr계, Ca계, Ti계, Ni계, Co계 및 Hf계 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 비정질합금 또는 결정질합금일 수 있다.
상기 제1유리전이온도는 특별히 제한되는 것은 아니지만, 사용 후 핵연료의 건식 보관 전체 프로세스에서 온도가 400℃ 이하로 엄격하게 유지되어야 함을 고려하면, 상기 제1유리전이온도는 450℃ 이상, 구체적으로 450 내지 950℃, 보다 구체적으로 450℃ 내지 750℃, 보다 더 구체적으로 450℃ 내지 600℃일 수 있다. 450℃ 이상의 유리전이온도를 갖는 비정질합금의 예로, Fe계 비정질합금(일 예로, Fe-Co-Cr-Mo-C-B-Y 알로이, Fe-Si-B-P 알로이, Fe-Y-B 알로이 등), Ni계 비정질합금(일 예로, Ni-Nb-Ta 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이, Ni-Zr-Ti-Sn 알로이, Ni-Nb-Ti-Hf 알로이 등), Cu계 비정질합금(일 예로, Cu-Zr 알로이, Cu-Ti-Zr-Ni 알로이, Cu-Hf-Al 알로이, Cu-Zr-Al 알로이, Cu-Zr-Al-(Y, Ag, Be) 알로이 등), Al계 비정질합금(일 예로, Al-La-Y-Ni 알로이 등), Mg계 비정질합금(Mg-Ni-Nd 알로이 등), Zr계 비정질합금(Zr-Al-Ni 알로이, Zr-Al-Cu-Ni 알로이, Zr-Be-Cu-Ni-Ti 알로이, Zr-Al-Co 알로이, Zr-Cu-Al-Ge-Be 알로이 등)등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 전술한 성분계 합금을 비정질합금으로서 기재하였으나, 열처리를 통해 비정질합금이 결정질합금으로 전환될 수 있으므로, 전술한 성분계 합금이 상기 결정질합금으로도 해석(사용)될 수 있음은 물론이다.
상기 금속층이 제1결정질합금 및 제2비정질합금을 포함할 경우, 이들의 중량비는 크게 제한되는 것은 아니나, 예컨대 제1결정질합금 100 중량부에 대하여 제2비정질합금 25 내지 400 중량부, 구체적으로 50 내지 300 중량부를 포함하는 것을 들 수 있다. 이를 만족할 경우, 1차 소결 단계 및 2차 소결 단계를 포함하는 열처리 과정에서 각 층의 유동성 전환을 더 용이하도록 하여 열처리에 의해 성형물의 구조가 무너지는 문제를 더 최소화하고 더 우수한 기계적 물성을 갖는 캐니스터를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이 캐니스터의 내면과 외면에 각각 금속층과 차폐재를 포함하는 차폐층이 존재하여 높은 중성자 차폐 성능과 우수한 기계적 물성을 동시에 갖는다. 이때 금속층의 두께가 차폐층의 두께 이상인 것이 바람직할 수 있으며, 예컨대 금속층과 차폐층의 두께 비가 100:10~100인 것을 들 수 있다. 이를 만족할 경우, 반영구적인 충분한 차폐성을 부여하면서, 차폐층이 중성자 차폐재가 비함유된 금속층과 더욱 높은 상호작용에 따른 일체화가 가능하여 보다 높은 기계적 물성을 구현할 수 있다.
캐니스터의 두께는 충분한 중성자 차폐 성능과 요구되는 구조 안정성이 확보될 수 있을 정도라면 무방하며, 일 예로 5 mm 이상, 구체적으로 5 내지 50 mm, 보다 구체적으로 5 내지 20 mm를 들 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되지 않음은 물론이다.
상기 차폐층에 함유되는 중성자 차폐재의 함량은 충분한 중성자 차폐 성능을 부여할 수 있을 정도라면 무방하며, 예를 들어 금속 매트릭스 100 중량부에 대하여 중성자 차폐재 0.01 내지 10 중량부, 구체적으로 0.1 내지 10 중량부, 보다 구체적으로 0.1 내지 5 중량부를 포함할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 중성자 차폐재는 공지된 다양한 것들이 사용될 수 있으며, 예컨대 탄화붕소, 질화붕소, 산화붕소, 붕산아연, 수산화알루미늄, 하프늄, 하프늄이붕소화물, 티타늄이붕소화물, 페로보론 및 이산화우라늄 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 바람직한 일 예로, 중성자 차폐재는 붕소계 차폐재가 좋을 수 있으며, 구체적으로 탄화붕소를 예로 들 수 있다. 특히 차폐층의 금속매트릭스가 Fe계 금속을 포함하면서 중성자 차폐재로 탄화붕소가 사용될 경우, 충분한 중성자 차폐 성능을 가지면서 높은 기계적 물성을 구현할 수 있다.
상기 중성자 차폐재의 형상은 크게 제한되는 것은 아니고, 구형, 타원형, 막대형, 박편형 등의 다양한 예를 들 수 있으며, 통상 구형 또는 타원형인 것이 용이할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 중성자 차폐재의 크기는 금속 매트릭스 상에 분산이 용이하면서 요구 차폐 성능을 부여할 수 있을 정도라면 무방하다. 바람직한 일 예로, 중성자 차폐재의 평균입경은 작은 입자부터 부피를 누적할 경우 총 부피가 50%에 해당하는 입경인 D50이 500 nm 내지 300 ㎛일 수 있고, 바람직하게는 500 nm 내지 100 ㎛일 수 있으며, 더 바람직하게는 500 nm 내지 50 ㎛일 수 있다. 중성자 차폐재가 이와 같은 평균입경을 가질 경우, 금속 매트릭스 상에 더 고르게 분산되어 존재할 수 있으며, 금속 매트릭스 내의 혼입성이 더 향상될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은 공지된 다양한 금속 3D 프린팅 기법을 통한 것일 수 있으며, 구체적으로, 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 3D 프린팅하여 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있으며, 상기 금속층 조성물은 금속 분말을 함유하고, 상기 차폐층 조성물은 금속 분말 및 중성자 차폐재를 함유할 수 있다.
바람직한 일 예에 있어서, 상기 금속층 조성물의 금속 분말은 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함할 수 있고, 상기 차폐층 조성물의 금속 분말은 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함할 수 있다. 이때 상기 열처리 단계는 1차 소결 단계 및 2차 소결 단계를 포함할 수 있으며, 상기 1차 소결 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 제1유리전이온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 제2유리전이온도 미만 범위일 수 있으며, 상기 2차 소결 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 결정화개시온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 결정화개시온도 미만 범위일 수 있다. 금속층 조성물의 금속 분말이 상기 제1비정질합금을 포함하고 차폐층 조성물의 금속 분말이 상기 제2비정질합금을을 포함하면서 상술한 특정 온도 범위를 갖는 1차 소결 및 2차 소결이 수행될 경우, 제조 시 열처리에 의한 구조 붕괴를 방지하여 물성이 우수한 사용후핵연료 캐니스터를 제공할 수 있다.
금속 3D 프린팅 기법을 사용할 경우, 일정 이상의 두께를 필요로 하는 캐니스터의 특성상 열처리 시 인가되는 열의 국부적인 편차, 각 층의 상이한 열팽창계수, 금속 외의 불순물(중성자 차폐재)의 혼입에 의한 조성 차이, 그리고 전체 층의 급격한 상변화에 의한 3D 성형물의 구조 붕괴를 야기할 수 있고, 따라서 복잡하고 정밀한 구조의 캐니스터를 제조하는 것에 어려움이 있을 수 있는데, 전술한 방법을 통해 소결 온도에 따른 각 층의 유동성을 순차적으로 확보할 수 있음에 따라 이러한 문제를 최소화할 수 있다. 구체적으로, 1차 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 액상으로 전환되고 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 고체상을 유지하며, 2차 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 결정화되어 고체상으로 전환되고 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 액상으로 전환되므로, 3D 성형물의 구조 붕괴를 최소화할 수 있다.
본 명세서에서, 1차 소결의 열처리 시간과 2차 소결의 열처리 시간은 1차 소결과 2차 소결이 구분되도록 1차 소결이 충분히 수행된 이후에 2차 소결이 수행되는 것이 바람직하다. 구체적인 일 예로, 1차 소결 시 열처리 시간은 금속층의 제1비정질합금이 충분히 유동성을 가지도록 예를 들어 1 분 내지 10 시간, 다른 예시로 8 시간 이하, 5 시간 이하, 3 시간 이하, 1시간 이하, 30 분 이하일 수 있으며, 이때 하한 값은 1분, 3 분, 5 분 또는 10 분일 수 있다. 구체적인 일 예로, 2차 소결 시 열처리 시간은 금속층의 제2비정질합금 및 차폐층의 제2비정질합금이 유동성을 가지도록 예를 들어 1 분 내지 10 시간, 다른 예시로 8 시간 이하, 5 시간 이하, 3 시간 이하, 1시간 이하, 30 분 이하일 수 있으며, 이때 하한 값은 1분, 3 분, 5 분, 10 분 또는 30 분일 수 있다.
이러한 방법을 통해 금속층의 금속 입자(Grain)와 차폐층의 금속 매트릭스의 금속 입자(Grain)가 서로 입계를 이루어 연속체를 이루는 상태로 전환될 수 있다. 여기서 금속 입자는 상기 조성물에 포함된 금속 분말의 입자 자체를 의미하는 것이 아니라 금속 상태 중 비정질과 결정질을 구분할 때 사용하는 입자(Grain)를 의미한다.
전술한 본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은 하기와 같이 접착제를 이용하는 방법과 접착제를 이용하지 않는 방법으로 구분할 수 있다.
접착제를 이용하는 방법으로, 접착제를 통해 면대면(layer by layer)으로 면 형성 공정을 단위 공정으로 면을 적층하여 성형물을 제조한 후 열처리(1차 소결 및 2차 소결)하는 제1 양태; 및 면 형성 공정과 소결 공정을 포함하는 단위 공정으로 면을 적층하여 성형물을 제조한 후 2차 소결하는 제2 양태;를 들 수 있다.
접착제를 이용하는 제1 양태로서, 본 발명의 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은, 상기 성형 단계에서, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물이 바인더를 더 포함할 수 있으며, 상기 열처리 단계에서, 열처리에 의해 성형물 내 바인더가 제거될 수 있다. 즉, 상기 제조 방법은 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 3D 프린팅하여 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있으며, 이때 각 조성물은 바인더를 각각 포함하며, 열처리 단계에서, 열처리에 의해 성형물 내 바인더가 제거될 수 있다.
또한 접착제를 이용하는 제1 양태로서, 본 발명의 바람직한 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 3D 프린팅하여 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있으며, 상기 열처리 단계는 1차 소결 단계 및 2차 소결 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 성형 단계에서, 바인더를 각각 포함하는 금속층 조성물과 차폐층 조성물을 기재 위에 분사하되, 원하는 형태를 갖는 면이 되도록 분사한다. 이때 성형물의 외면부가 차폐층 조성물이 위치하도록 하고 성형물의 내면부가 금속층 조성물이 위치하도록 분배하여 면을 형성하고 바인더를 경화시켜 적층함으로써 최종적으로 원하는 형상의 3D 성형물을 제조한다. 이어서 3D 성형물에 열을 가하여 1차 소결 및 2차 소결을 수행하여 성형물 내 바인더를 제거한다. 이때 1차 소결은 전술한 1차 소결의 온도 범위를 만족하며 2차 소결은 전술한 2차 소결의 온도 범위를 만족한다.
각 조성물에 함유되는 바인더의 함량은 각 단위 면이 쌓인 적층 구조를 유지할 수 있을 정도의 접착력을 가질 정도라면 무방하며, 이는 금속 분말의 형상, 조성, 크기 등을 고려하여 그 함량을 선택하면 된다. 구체적인 일 예로, 금속 분말 100 중량부에 대하여 0.1 내지 100 중량부, 구체적으로 1 내지 50 중량부로 바인더가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않음은 물론이다.
접착제를 이용하는 제2 양태로서, 본 발명의 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 접착 조성물 분사 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있다. 이때 열처리 단계에서, 열처리에 의해 성형물 내 바인더가 제거될 수 있다.
접착제를 이용하는 제2 양태로서, 바람직한 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 접착 조성물 분사 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있으며, 상기 열처리 단계는 1차 소결 단계 및 2차 소결 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 성형 단계에서, 금속층 조성물과 차폐층 조성물을 기재 위에 분사하되, 원하는 형태를 갖는 면이 되도록 분사한다. 이때 성형물의 외면부가 차폐층 조성물이 위치하도록 하고 성형물의 내면부가 금속층 조성물이 위치하도록 분배하여 분말 상의 면을 형성하고 그 위에 접착 조성물을 분사하여 분말 상에 접착 조성물이 충분히 젖도록 한다. 그리고 분사된 접착 조성물을 경화시켜 면을 적층함으로써 최종적으로 원하는 형상의 3D 성형물을 제조한다. 이어서 3D 성형물에 열을 가하여 1차 소결 및 2차 소결을 수행함으로써 성형물 내 바인더를 제거한다. 이때 1차 소결은 전술한 1차 소결의 온도 범위를 만족하며 2차 소결은 전술한 2차 소결의 온도 범위를 만족한다.
분사 공정에서 분사 조건은 금속 바인더젯(Metal binder jet) 프린팅 기술분야에서 공지된 문헌을 참고하면 무방하다.
상기 접착 조성물은 바인더 및 용매를 포함할 수 있으며, 이들의 중량비는 금속 분말에 접착 조성물이 분사되어 경화에 의해 금속 분말이 접착될 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 접착 조성물 전체 중량에 대하여 바인더가 0.1 내지 20 중량%, 구체적으로 1 내지 10 중량%로 사용될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
접착제를 이용한 제1양태 또는 제2양태에서, 바인더의 경화 시간 및 경화 온도는 금속 분말이 서로 접착되어 3D 성형물 형상을 유지할 수 있을 정도라면 무방하며, 예컨대 5 내지 100℃를 들 수 있으며, 경화 시간은 바인더의 종류, 바인더 또는 용매의 사용 함량, 환경 조건(온도, 습도, 압력 등)에 따라 적절히 조절될 수 있다.
접착제를 이용한 제1양태 또는 제2양태에서, 상기 바인더는 금속 3D 프린트 기술분야에서 공지된 것을 사용하면 무방하며, 예를 들면, 알킬셀룰로오스계, 폴리알킬렌카보네이트계, 폴리알킬렌옥사이드계, 리그닌계 및 폴리비닐알코올계 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 바인더가 사용될 수 있다. 상기에서 알킬 셀룰로오스로는, 예를 들면, 메틸 셀룰로오스 또는 에틸 셀룰로오스 등의 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬기를 가지는 알킬 셀룰로오스 등이 예시될 수 있고, 폴리알킬렌옥사이드로는, 폴리에틸렌옥시드 또는 폴리프로필렌옥사이드 등의 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 가지는 폴리알킬렌옥사이드가 예시될 수 있으며, 폴리알킬렌카보네이트로는, 폴리에틸렌 카보네이트 등의 탄소수 1 내지 20, 탄소수 1 내지 16, 탄소수 1 내지 12, 탄소수 1 내지 8 또는 탄소수 1 내지 4의 알킬렌기를 가지는 폴리알킬렌 카보네이트 등이 예시될 수 있고, 폴리비닐알코올로는, 폴리비닐알코올 또는 폴리비닐아세테이트 등이 예시될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
접착제를 이용하지 않는 방법으로, 본 발명의 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 소결 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계를 포함할 수 있으며, 상기 금속층 조성물은 금속 분말을 함유하고, 상기 차폐층 조성물은 금속 분말 및 중성자 차폐재를 함유할 수 있다.
접착제를 이용하지 않는 방법으로서, 바람직한 일 예에 따른 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법은, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 소결 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 성형 단계에서, 금속층 조성물과 차폐층 조성물을 기재 위에 분사하되, 원하는 형태를 갖는 면이 되도록 분사한다. 이때 성형물의 외면부가 차폐층 조성물이 위치하도록 하고 성형물의 내면부가 금속층 조성물이 위치하도록 분배하여 분말 상의 면을 형성하고 레이저 등의 열원을 인가하여 분말 상의 면이 소결(1차 소결)되도록 하여 면을 적층함으로써 최종적으로 원하는 형상의 3D 성형물을 제조한다. 이때 소결은 전술한 1차 소결의 온도 범위를 만족한다. 이어서 3D 성형물에 열을 가하여 2차 소결을 수행함으로써 성형물 내 바인더를 제거하며, 이때 소결은 전술한 2차 소결의 온도 범위를 만족한다.
본 발명에서 언급되는 열처리는, 그 수단으로 다양한 열원이 사용될 수 있으며, 예를 들어 열풍, 적외선, 레이저 등의 다양한 공지된 열원이 사용될 수 있다. 바람직한 일 예로, 분말상 면 형성 공정과 소결 공정을 포함하는 단위 공정을 통한 방법일 경우는 열원으로 레이저를 사용하는 것이 복잡하고 정밀한 3D 성형물을 제조할 수 있는 측면에서 좋으며, 3D 성형물을 제조한 후 성형물 일체를 소결 하는 방법의 경우는 성형물을 전체를 한 번에 열처리할 수 있는 열풍 또는 적외선 등의 열원이 좋을 수 있다.
상기 금속 분말의 형상은 크게 제한되는 것은 아니고, 구형, 타원형, 막대형, 박편형 등의 다양한 예를 들 수 있으며, 통상 구형 또는 타원형인 것이 용이할 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 금속 분말의 평균입경은 3D 프린팅이 가능할 정도라면 무방하며, 일 예로 5 내지 100 ㎛, 구체적으로 10 내지 50 ㎛를 들 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 제한되어 해석되는 것은 아니다.
일 구체예에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 케이스의 내부 공간에 수용되는 사용후핵연료를 고정하는 바스켓을 더 포함할 수 있다. 이에, 바스켓은 케이스의 내부 공간에 위치할 수 있으며, 사용 후 핵연료 건식 보관 분야에서 캐니스터 내에서 사용 후 핵연료를 고정하는데 사용되는 통상적인 구조를 가질 수 있다. 일 예로, 바스켓은 사각 형태의 격자 구조로 이루어져, 길이 방향으로 연장되어 있는 사각형 관이 복수 개 모여 있는 형상일 수 있다. 이때, 사각형 관 내부 각각에 사용 후 핵연료가 위치할 수 있다. 또한 캐니스터는 바스켓과 함께 바스켓을 고정 지지하는 지지부재나 바스켓이 삽입되는 격납부재를 더 포함할 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 사용후핵연료 캐니스터는 캐니스터가 최종 제조된 이후에 사용후핵연료가 수용될 수도 있고, 캐니스터의 제조 과정 중에 사용후핵연료가 수용된 상태에서 제조 과정이 완료될 수도 있다.
구체적인 일 예로, 캐니스터가 최종 제조된 이후에 사용후핵연료가 수용되는 경우로서, 캐니스터는 일 단이 개방되고 사용후핵연료가 장착되도록 하는 내부 공간을 갖는 본체; 본체의 개방된 일 단에 안착되어 본체에 고정되는 커버;를 포함하는 케이스를 포함할 수 있다. 이때 본체와 커버의 결합 방법은 공지된 체결 수단이면 무방하며, 예를 들어 볼트-너트 결합과 같은 외부 고정 부재 및/또는 용접 등을 예로 들 수 있다.
구체적인 일 예로, 캐니스터의 제조 과정 중에 사용후핵연료가 수용된 상태에서 제조 과정이 완료되는 경우로서, 1차 소결의 경우 레이저를 통해 진행될 수 있으므로 사용후핵연료에 열을 전달하지 않고 안전하게 3D 프린팅 기법을 이용한 케이스 성형이 가능하며, 이후 2차 소결은 사용후핵연료를 기준으로 사용후핵연료의 하단부에서 측면부에 이어 상단부까지 3D 프린팅 기법으로 캐니스터 성형물을 형성(레이저 등의 열원을 이용한 1차 소결 포함)한 후(이때 사용후핵연료는 성형물 내부에 위치할 필요 없음), 2차 소결하여 캐니스터 본체를 제조한다. 그리고 상기 본체에 사용후핵연료를 장입한 후, 본체의 상단부에서 3D 프린팅 기법으로 커버를 이어서 성형 및 소결(1차 및 2차)하여 캐니스터를 일체로 제조한다. 이 경우, 본체 내부에 사용후핵연료가 수용되어 있으면서 본체와 커버가 일체화됨에 따라 캐니스터가 일체화된 견고한 구조를 가지게 되어 구조 안정성 및 내구성이 현저히 우수한 효과가 있다.
일 구체예에서, 사용후핵연료 캐니스터는 사용후핵연료 건식 보관용 용기일 수 있으며, 사용후핵연료의 운송, 저장 또는 운송과 저장을 위한 용기일 수 있다.

Claims (19)

  1. 사용후핵연료가 수용되도록 하는 내부 공간을 가지는 케이스를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터로서,
    상기 케이스는 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어지되, 상기 금속층과 상기 차폐층이 일체를 이루며,
    상기 차폐층은 금속 매트릭스 및 중성자 차폐재의 분산상을 포함하는 것을 특징으로 하는 사용후핵연료 캐니스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속층의 금속 입자와 상기 차폐층의 금속 매트릭스의 금속 입자는 서로 입계를 이루어 연속체를 이루는 것인 사용후핵연료 캐니스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속층은, 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금이 결정화된 제1결정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함하며,
    상기 차폐층의 금속 매트릭스는 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함하는 사용후핵연료 캐니스터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1유리전이온도는 450℃ 이상인 사용후핵연료 캐니스터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 제1결정질합금 100 중량부에 대하여 상기 제2비정질합금 25 내지 400 중량부를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속층과 상기 차폐층의 두께 비는 100:10~100인 사용후핵연료 캐니스터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 케이스의 두께는 5 내지 50 mm인 사용후핵연료 캐니스터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 차폐층은 상기 금속 매트릭스 100 중량부에 대하여 상기 중성자 차폐재 0.1 내지 10 중량부를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 금속층의 금속과 상기 차폐층의 금속은 서로 독립적으로 Fe계, Cu계, Al계, Mg계, Zr계, Ca계, Ti계, Ni계, Co계 및 Hf계 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 사용후핵연료 캐니스터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중성자 차폐재는 탄화붕소, 질화붕소, 산화붕소, 붕산아연, 수산화알루미늄, 하프늄, 하프늄이붕소화물, 티타늄이붕소화물, 페로보론 및 이산화우라늄 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 사용후핵연료 캐니스터.
  11. 사용후핵연료가 수용되도록 하는 내부 공간을 가지는 케이스를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법으로서,
    금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 3D 프린팅하여 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계 및
    상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 포함하며,
    상기 금속층 조성물은 금속 분말을 함유하고, 상기 차폐층 조성물은 금속 분말 및 중성자 차폐재를 함유하는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 금속층 조성물의 금속 분말은 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함하고, 상기 차폐층 조성물의 금속 분말은 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함하며,
    상기 열처리 단계는 1차 소결 단계 및 2차 소결 단계를 포함하며,
    상기 1차 소결 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 제1유리전이온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 제2유리전이온도 미만 범위이며,
    상기 2차 소결 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 결정화개시온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 결정화개시온도 미만 범위인 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 1차 소결 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 액상으로 전환되고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 고체상을 유지하며,
    상기 2차 소결 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 결정화되어 고체상으로 전환되고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 액상으로 전환되는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 성형 단계에서, 금속층 조성물 및 차폐층 조성물은 바인더를 더 포함하며,
    상기 열처리 단계에서, 열처리에 의해 성형물 내 바인더가 제거되는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 성형 단계는 금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 접착 조성물 분사 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계를 포함하며,
    상기 접착 조성물 분사 공정은 바인더 및 용매를 포함하는 접착 조성물을 형성된 분말상 면에 분사하는 공정이며,
    상기 열처리 단계에서, 열처리에 의해 성형물 내 바인더가 제거되는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  16. 사용후핵연료가 수용되도록 하는 내부 공간을 가지는 케이스를 포함하는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법으로서,
    금속층 조성물 및 차폐층 조성물을 면대면(layer by layer) 기법으로 분말상 면 형성 공정과 소결 공정을 포함하는 단위 공정을 반복하여 3D 프린팅하여, 내면이 금속층으로 이루어지고 외면이 차폐층으로 이루어진 3차원 성형물의 케이스를 제조하는 성형 단계를 포함하며,
    상기 금속층 조성물은 금속 분말을 함유하고, 상기 차폐층 조성물은 금속 분말 및 중성자 차폐재를 함유하는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 성형 단계 이후에, 상기 3차원 성형물을 열처리하는 열처리 단계를 더 포함하며,
    상기 금속층 조성물의 금속 분말은 제1유리전이온도를 갖는 제1비정질합금; 및 상기 제1유리전이온도보다 높은 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금;을 포함하고, 상기 차폐층 조성물의 금속 분말은 상기 제2유리전이온도를 갖는 제2비정질합금을 포함하며,
    상기 성형 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 제1유리전이온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 제2유리전이온도 미만 범위이며,
    상기 열처리 단계에서, 소결 온도는 상기 제1비정질합금의 결정화개시온도 이상 및 상기 제2비정질합금의 결정화개시온도 미만 범위인 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 성형 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 액상으로 전환되고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 고체상을 유지하며,
    상기 열처리 단계에서, 소결 시 금속층의 제1비정질합금은 결정화되어 고체상으로 전환되고, 금속층과 차폐층의 제2비정질합금은 액상으로 전환되는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
  19. 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리 단계를 통해 상기 금속층의 금속 입자와 상기 차폐층의 금속 매트릭스의 금속 입자가 서로 입계를 이루어 연속체를 이루는 상태로 전환되는 사용후핵연료 캐니스터의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102347712B1 (ko) * 2021-04-30 2022-01-06 한국원자력환경공단 높은 열전도 특성 및 자가밀봉 기능을 가지는 사용후핵연료 캐니스터
KR102347710B1 (ko) * 2021-04-30 2022-01-06 한국원자력환경공단 내부식성 및 기계적 물성이 향상된 사용후핵연료 캐니스터

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10153696A (ja) * 1996-11-21 1998-06-09 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 高レベル放射性廃棄物の処分容器
KR100422208B1 (ko) * 1999-09-09 2004-03-18 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 알루미늄 복합재 및 그 제조 방법과 그것을 이용한 바스켓및 캐스크
KR20130095402A (ko) * 2012-02-20 2013-08-28 한국원자력환경공단 사용후 핵연료 수송 또는 저장용 금속 용기
KR20140070639A (ko) * 2011-09-29 2014-06-10 크루서블 인텔렉츄얼 프라퍼티 엘엘씨. 방사선 차폐 구조물
US20160232998A1 (en) * 2013-03-06 2016-08-11 Nuscale Power, Llc Managing nuclear reactor spent fuel rods

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102078482B1 (ko) 2018-11-29 2020-02-17 한국원자력환경공단 사용후 핵연료의 처분용기

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10153696A (ja) * 1996-11-21 1998-06-09 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 高レベル放射性廃棄物の処分容器
KR100422208B1 (ko) * 1999-09-09 2004-03-18 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 알루미늄 복합재 및 그 제조 방법과 그것을 이용한 바스켓및 캐스크
KR20140070639A (ko) * 2011-09-29 2014-06-10 크루서블 인텔렉츄얼 프라퍼티 엘엘씨. 방사선 차폐 구조물
KR20130095402A (ko) * 2012-02-20 2013-08-28 한국원자력환경공단 사용후 핵연료 수송 또는 저장용 금속 용기
US20160232998A1 (en) * 2013-03-06 2016-08-11 Nuscale Power, Llc Managing nuclear reactor spent fuel rods

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