KR101182290B1 - 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체의 제조방법 - Google Patents

니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 U3O8 생성을 위한 불량 UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭찌꺼기의 산화 온도에 관계없이 이산화우라늄 소결체의 결정립의 크기를 크게 하는 이산화우라늄 소결체 및 그 제조 방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체의 제조 방법은, UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭찌꺼기 중 적어도 하나를 산화시켜 U3O8 분말을 얻는 U3O8 분말 제조과정;과, 상기 U3O8 분말과 함께 니켈 산화물 및 알루미늄 산화물을 함유한 이성분계 혼합물을 UO2 분말에 첨가한 후 혼합하는 혼합과정;과, 상기 혼합과정의 혼합물을 과립화하여 분말로 제조하는 과립화과정;과, 상기 과립화과정의 과립분말을 압축성형하여 성형체로 제작하는 압축성형과정;과, 상기 압축성형과정에서 제작된 성형체를 환원성 분위기에서 소결하는 소결과정;을 포함하여 구성되어, U3O8 분말의 비표면적의 크기에 관계없이 큰 결정립을 가지는 UO2 소결체를 제조할 수 있도록 한다.

Description

니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체의 제조방법{URANIUM DIOXIDE FUEL PELLET INCLUDING NI OXIDE AND AL OXIDE AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
핵연료용으로 사용되는 UO2 소결체는 UF6를 건식공정 또는 습식공정에 의해 제조한 UO2 분말을 성형 및 소결하여 제조한다. 현재 국내에 공급되는 경수로용 UO2 소결체는 1999년 이후 국내에 도입된 건식 재변환공정(Dry Conversion)에 의해 제조된 UO2 분말에 의해 제조된다.
이렇게 제조된 UO2 소결체는 지르코늄(Zr) 합금 피복관에 장입된 후 밀봉되어 연료봉으로 제조된다. 상기 연료봉은 핵연료 집합체로 조립된 후 원자로 내에 장입되어 원자력발전을 위한 연료로 사용된다.
상기 UO2 소결체는 핵분열성 물질인 U235를 1~ 5중량% 함유한다. 따라서 상기 UO2 소결체가 원자력 발전을 위해 원자로 내부에서 연소되는 경우 핵분열성 물질인 U235가 중성자에 의해 붕괴하면서 핵분열 기체를 만들어 낸다. 이러한 핵분열 기체는 UO2 소결체 결정입 내에서 생성되어 확산을 통하여 결정입계로 이동하고, 결정입계에 기포로 존재하다가 일정량에 도달하면 결정입계를 통해서 소결체 밖으로 방출된다. 소결체 밖으로 방출되는 핵분열 기체는 그 양이 증가하게 되면 피복관에 미치는 응력이 증가하게 되어 핵연료봉의 건전성에 치명적인 영향을 미치게 된다.
그러나 UO2 소결체의 결정립 크기가 커지면 핵분열 기체가 결정립계에 도달하는 거리가 길어지게 되어 핵분열 기체의 방출을 억제한다. 따라서 핵연료의 건전성 제고나 연소도를 높이기 위해서는 UO2 소결체의 결정립 크기를 증가시키는 것이 유리하며, 이에 따라 결정립의 크기가 큰 UO2 소결체가 요구되었다.
UO2 소결체를 원자로에서 안전하게 사용하기 위해서는 UO2 소결체의 밀도가 이론밀도의 95%(95%TD) 정도에 도달해야 한다. 현재 일반적으로 상용 경수로 형태의 원자로용 핵연료봉에 장입되는 소결체 연료에 최종 사용되는 UO2 소결체 밀도의 허용범위는 94~96.5%TD이며, UO2 소결체가 상기의 소결체 밀도 허용범위를 만족하기 위해서는 UO2 분말에 UO2 분말보다 단위 무게당 부피가 30% 정도 큰 U3O8 분말을 2~20중량% 첨가하고 혼합하여 UO2 + U3O8 혼합분말을 구성한 후, 압축성형 공정을 거치고 환원성 분위기에서 1650?1800℃ 온도로 소결을 실시하여 UO2 소결체를 제조한다.
종래기술에서는 UO2 소결체의 결정립의 크기를 증가시키기 위해 UO2 분말에 비표면적이 큰 U3O8 분말을 혼합하고, 여기에 Al, Si, Ti, Nb 또는 Mg 등의 단성분계 산화물을 첨가하였다. 이때 첨가되는 U3O8 분말은 비표면적이 클수록 UO2 소결체의 결정립 크기가 커지게 된다. 그리고 상기 U3O8 분말의 비표면적은 불량 UO2 소결체 또는 UO2 소결체의 연삭찌꺼기의 산화 온도에 반비례하는 특성을 보인다. 즉, UO2 소결체를 상대적으로 저온(300 ~ 400℃ 온도 범위)에서 산화시키는 경우에는 비표면적이 큰 U3O8 분말이 제조되고, 상대적으로 고온(약 400~550℃ 온도 범위)에서 산화시키는 경우에는 비표면적이 작은 U3O8 분말이 제조된다.
이에 따라 종래기술의 경우에는 U3O8 분말의 비표면적을 크게 하기 위하여 산화 온도를 저온(대략 300~400℃의 온도 범위)으로 유지하면서 불량 UO2 소결체 또는 UO2 소결체의 연삭찌꺼기를 산화시켰다.
그러나 U3O8 분말을 생성하기 위해 대량의 UO2 소결체를 산화시키는 경우 UO2 소결체 내부에서 지속적으로 산화열이 발생하게 되어 UO2 소결체의 주변 온도가 급격히 상승하게 된다. 이러한 온도 상승을 그대로 두는 경우 산화 온도가 높아져 산화 생성물인 U3O8 분말이 목표 비표면적보다 작은 비표면적을 갖게 되어, 제조된 U3O8 분말을 이용한 UO2 소결체의 제작시 소결체의 결정립의 크기가 원하는 크기보다 작게 되는 문제점을 가진다.
따라서 종래기술의 경우에는 U3O8 분말을 제조하기 위해 대량의 UO2 소결체를 산화시키는 경우 산화되는 UO2 소결체의 주변 분위기 온도가 300 ~ 400℃를 넘지 않도록 적절하게 발산시키기 위한 별도의 부가적인 장치를 구비하여야 했으며, 이로 인해 UO2 소결체의 제조 비용이 상승하는 문제점이 발생하였다.
또한, UO2 소결체의 산화 속도가 온도에 비례하는 특성을 가지는데, 종래기술은 비표면적이 큰 U3O8 분말을 생성하기 위하여 산화 온도를 300 ~400℃로 유지하기 때문에 산화속도가 늦어져 U3O8 분말의 제조에 많은 시간이 소요되고, 이로 인해 UO2 소결체의 생산성이 저하되는 문제점을 가진다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 작은 비표면적을 가지는 U3O8 분말을 적용하는 경우에도 큰 결정립을 가지는 UO2 소결체를 제조할 수 있도록 하는 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 작은 비표면적을 가지는 U3O8 분말을 적용하는 경우에도 큰 결정립을 가지는 UO2 소결체를 제조할 수 있도록 함으로써 UO2 소결체를 산화시키는 경우 300~400℃로 산화 온도를 유지하기 위한 산화 온도 제어를 수행하지 않아도 되므로 UO2 소결체의 생산성을 향상시키고, UO2 소결체의 제조 비용을 절감시키는 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체 및 그 제조방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체는, U3O8 2 ~ 20 중량%와 니켈과 알루미늄이 전체 UO2 소결체에 대해 각각 10ppm 이상 100ppm 이하가 되도록 니켈 산화물과 알루미늄 산화물이 UO2 분말에 혼합되고, 압축성형된 후 소결되어, 소결체의 밀도가 이론밀도의 94~96.5%이고, 결정립 크기는 10 ~ 20㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 니켈 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체 제조 방법은, UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭찌꺼기 중 적어도 하나를 산화시켜 U3O8 분말을 얻는 U3O8 분말 제조과정;과, 상기 U3O8 분말과 함께 니켈 산화물 및 알루미늄 산화물을 함유한 이성분계 혼합물을 UO2 분말에 첨가한 후 혼합하는 혼합과정;과, 상기 혼합과정의 혼합물을 과립화하여 분말로 제조하는 과립화과정;과, 상기 과립화과정의 과립분말을 압축성형하여 성형체로 제작하는 압축성형과정;과, 상기 압축성형과정에서 제작된 성형체를 환원성 분위기에서 소결하는 소결과정;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 U3O8 분말로 산화되는 상기 UO2 소결체는 정상 UO2 소결체 또는 불량 UO2 소결체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 혼합과정에서 첨가되는 상기 니켈 산화물 및 알루미늄 산화물은 제조된 UO2 소결체 내에서 니켈과 알루미늄이 각각 10ppm 이상 100ppm 이하가 되도록 첨가될 수 있다.
상기 U3O8 분말 제조과정은, 상기 UO2 소결체를 300 ~ 550℃에서 산화시키는 과정일 수 있다.
상기 소결과정은, 상기 성형체를 1650 ~ 1800 ℃의 온도에서 소결하는 것일 수 있다.
상기 소결과정에서 생성된 상기 소결체는 10 ~ 20㎛의 결정립을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 UO2 분말에 U3O8 분말, 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 혼합하여 UO2 소결체를 제조함으로써 결정립의 크기가 큰 UO2 소결체를 제조할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 비표면적이 작은 U3O8 분말을 적용하여 결정립이 큰 UO2 소결체를 제조할 수 있도록 함으로써 비표면적이 큰 U3O8 분말을 제조하기 위한 UO2 소결체의 산화를 300~400℃로 제한함이 없이 더 높은 온도에서도 수행할 수 있도록 하여 UO2 소결체의 산화 속도를 증가시키고, 이로 인해 생산성을 향상시키는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 큰 결정립을 가지는 UO2 소결체를 제조하기 위하여 UO2 소결체의 산화 온도를 300~400℃의 온도 범위로 유지하지 않고 더 높은 온도에서도 수행할 수 있도록 함으로써 UO2 소결체의 산화 시 산화 온도 유지를 위한 발열 제어를 수행하는 발열 제어 장치를 필요로 하지 않게 함으로써, UO2 소결체의 제조 비용을 절감시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 UO2 소결체의 제조 방법을 나타내는 순서도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따라 제조된 실시예 1의 UO2 소결체의 결정립 조직을 나타내는 사진,
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따라 제조된 실시예 2의 UO2 소결체의 결정립 조직을 나타내는 사진,
도 4는 본 발명의 실시예와 비교하기 위한 비교예를 제조하기 위한 종래기술의 UO2 소결체 제조 과정을 나타내는 순서도,
도 5는 도 4의 제조 과정에 의해 생성된 비교예의 UO2 소결체의 결정립 조직을 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 UO2 소결체의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1과 같이 본 발명의 UO2 소결체의 제조 방법은 UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭찌꺼기를 산화시켜 U3O8 분말을 제조하는 U3O8 분말 제조과정(S10);과, 제조된 U3O8 분말을 니켈 산화물과 알루미늄 산화물과 함께 UO2 분말에 첨가하여 혼합하는 혼합과정(S20);과, U3O8 분말, 니켈(Ni) 산화물, 알루미늄(Al) 산화물 및 UO2 분말의 혼합물을 예비성형하여 슬러그(slug)를 생성하는 슬러그 생성과정(S30);과, 생성된 슬러그를 분쇄하여 과립분말(granule)을 제조하는 과립화과정(S40);과, 과립화과정에서 생성된 과립분말을 성형 다이(die)에 넣고 일정 압력으로 성형하여 성형체(green pellet)를 제조하는 압축성형과정(S50);과, 압축성형과정(S50)에서 생성된 성형체(green pellet)를 소결하여 UO2 소결체를 생성하는 소결과정(S60)을 포함하여 이루어진다.
이하, 상기 UO2 소결체 제조 방법의 각 처리과정을 더욱 상세히 설명한다.
상기 U3O8 분말 제조과정(S10)은 UO2 소결체 또는 UO2 소결체의 연삭과정에서 발생된 UO2 소결체 연삭찌꺼기를 산화로에 장입한 후 300 ~ 400℃의 범위로 온도를 유지하는 온도 제어를 수행함이 없이 300 ~ 550℃ 온도 범위 내의 온도에서 10 ~ 24 시간 산화시켜 0.50 ~1.50m2/g 범위의 다양한 비표면적을 가지는 U3O8 분말을 제조한다. 상기 UO2 소결체는 정상 UO2 소결체 또는 불량 UO2 소결체일 수 있다.
종래기술의 경우에는 제조된 U3O8 분말의 비표면적을 크게 하기 위하여 UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭찌꺼기를 300 ~ 400℃의 온도에서 산화시켜 U3O8 분말을 제조하였다.
그러나 본 발명의 경우에는 UO2 소결체를 생성하는 과정에서 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 혼합하는 것에 의해 U3O8 분말의 비표면적의 크기에 관계없이 결정립이 큰 UO2 소결체를 생성할 수 있게 된다. 따라서 UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭찌꺼기를 산화시키는 경우 300~400℃로 온도를 유지시킬 필요 없이 400~550℃의 온도 범위에서도 산화를 수행할 수 있게 된다. 이에 의해 본 발명은 UO2 소결체의 산화 시 산화 온도 유지를 위한 발열 제어 장치를 필요로 하지 않아 UO2 소결체의 제조 비용을 절감시킨다. 또한, 고온 산화를 가능하게 하여 산화 속도를 빠르게 할 수 있게 되므로 U3O8 분말의 생성 속도를 높일 수 있고, 이로 인해 UO2 소결체의 생산성을 향상시킬 수 있도록 한다.
상기 혼합과정(S20)은 상기 U3O8 분말 제조과정(S10)에서 제조된 U3O8 분말 약 2 ~ 20중량%, 니켈 산화물과 알루미늄 산화물, 기공 형성제 및 윤활제를 UO2 분말에 첨가하여 혼합기에서 약 60분 동안 혼합한다. 이때 상기 니켈 산화물과 알루미늄 산화물은 전체 UO2 소결체 내에서 니켈과 알루미늄의 함량이 각각 10ppm 이상 100ppm 이하가 되는 양으로 첨가된다. 상기 U3O8 분말은 정상 또는 불량 UO2 소결체의 산화 생성물과 UO2 연삭찌꺼기를 건조하는 과정에서 산화 생성된 U3O8 분말을 포함할 수 있다.
상기 슬러그 생성과정(S30)은 상기 혼합과정(S20)에서 생성된 혼합 분말을 약 1ton/cm2 압력으로 예비성형하여 슬러그(slug)를 만든다.
상기 과립화과정(S40)은 상기 슬러그 생성과정(S30)에서 생성된 슬러그를 부수어 과립분말을 형성한다.
상기 슬러그 생성과정(S30)과 상기 과립화과정(S40)에서 슬러그를 생성한 후 과립분말을 형성하는 것은 성형성을 높이기 위해 균일한 크기의 과립분말을 얻기 위한 것이다.
상기 압축성형과정(S50)은 과립화과정(S40)에서 생성된 균일한 크기의 과립분말에 윤활제를 첨가한 후 성형 다이(die)에 넣고 일정 압력으로 성형하여 5.85g/cm3 이상의 압분밀도를 갖는 성형체(green pellet)를 제조한다.
상기 소결과정(S60)은 상기 압축성형과정(S50)에서 생성된 성형체(green pellet)를 환원성 분위기에서 1650 ~ 1800℃ 온도 범위에서 3 ~ 5 시간 동안 소결시켜 큰 결정립을 갖는 UO2 소결체를 제조한다. 상기 소결과정에서 소결 온도가 1650℃ 미만인 경우에는 성형체의 소결 효율이 저하되고, 1800℃ 이상의 경우에는 소결 효율은 좋아지나 설비의 건전성 측면 등을 고려할 때 큰 이점이 없다. 따라서 설비의 건전성이 보장되는 경우에는 소결 효율을 높이기 위해 1800℃ 이상에서 소결을 수행할 수도 있다.
도 1의 처리과정에 의해 제조된 UO2 소결체는 U3O8 2 ~ 20 중량%와 니켈과 알루미늄이 전체 UO2 소결체에 대해 각각 10ppm 이상 100ppm 이하가 되도록 니켈 산화물과 알루미늄 산화물이 UO2 분말에 혼합되고, 압축성형된 후 소결되어, 소결체의 밀도가 이론밀도의 94 ~ 96.5% 정도이고, 결정립 크기는 10 ~ 20㎛인 특성을 가진다.
이하, 본 발명에 따라 제조된 UO2 소결체(실시예 1 및 실시예 2)들과 종래기술에 따라 U3O8 분말을 생성한 후 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 혼합하지 않고 제조된 UO2소결체(비교예)를 비교 설명하여 본 발명의 특징을 더욱 상세히 설명한다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예 1의 UO2 소결체는 도 1의 제조 과정에 따라 UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭공정에서 발생한 UO2 소결체 연삭찌꺼기를 300 ~ 350℃ 온도 범위에서 10 ~ 24 시간 동안 산화시켜 U3O8 분말을 제조한다. 제조된 U3O8 분말 11%를 기공형성제 0.29 중량%, 윤활제 0.10 중량% 및 UO2 소결체 중 니켈과 알루미늄의 함량이 각각 10ppm 이상 100ppm 이하가 되도록 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 UO2 분말에 함께 첨가하여 터뷸러혼합기(tubular mixer)를 이용하여 60분 동안 혼합한다. 상기 혼합물을 1 ton/cm2의 압력으로 예비 성형하여 슬러그(slug)를 형성한 후 형성된 슬러그를 부수어 과립분말(granule)을 제조한다. 제조된 과립분말에 윤활제 0.20 중량%를 첨가하여 과립분말을 구형화한 후 구형화된 과립분말을 압축성형(압분성형)하여 압분밀도 5.90g/cm3를 갖는 성형체(green pellet)를 제조한다. 상기와 같이 제조된 성형체를 환원성 수소가스 기체분위기에서 1720 ~ 1730 ℃ 온도에서 약 3.3 시간 동안 유지하여 UO2 소결체를 제조한다.
표 1은 실시예 1의 UO2 소결체의 특징을 나타내는 표이며, 도 2는 실시예 1의 UO2 소결체의 결정립 조직을 나타내는 사진이다.
불량 소결체 산화 U3O8 분말의 비표면적(m2/g) UO2 소결체의 밀도(g/cm3) UO2 소결체의 결정립 크기(㎛) UO2 소결체의 재소결 밀도(1.00% 이하)
1.16 10.55 16.57 0.64
표 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1의 UO2 소결체는 산화 생성물인 U3O8 분말의 비표면적이 1.16m2/g, UO2 소결체의 밀도는 10.55g/cm3, UO2 소결체의 결정립 크기는 16.57㎛, UO2 소결체의 재소결 밀도는 0.64%인 것으로 나타났다.
[실시예 2]
본 발명의 실시예 2의 UO2 소결체는 도 1의 제조 과정에 따라 UO2 소결체는 450℃에서 산화시키고, UO2 소결체 연삭공정에서 발생한 UO2 소결체 연삭찌꺼기는 300℃에서 10 ~ 24 시간 건조 산화시켜 U3O8 분말을 제조한다. 제조된 U3O8 분말 9%를 기공형성제 0.29 중량%, 윤활제 0.10 중량% 및 UO2 소결체 중 니켈과 알루미늄 함량이 각각 10ppm 이상 100ppm 이하가 되도록 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 UO2 분말에 함께 첨가하여 터뷸러혼합기(tubular mixer)를 이용하여 60 분 동안 혼합한다. 상기 혼합물을 1 ton/cm2의 압력으로 예비 성형하여 슬러그(slug)를 형성한 후 형성된 슬러그를 부수어 과립분말(granule)을 제조한다. 제조된 과립분말에 윤활제 0.20 중량%를 첨가하여 과립분말을 구형화한 후 구형화된 과립분말을 압축성형하여 압분밀도 5.90g/cm3를 갖는 성형체(green pellet)를 제조한다. 상기와 같이 제조된 성형체를 환원성 수소가스 기체분위기에서 1750 ~ 1770 ℃ 온도에서 약 3.3 시간 동안 유지하여 UO2 소결체를 제조한다.
표 2는 실시예 2의 UO2 소결체의 특징을 나타내는 표이며, 도 3은 실시예 2의 UO2 소결체의 결정립 조직을 나타내는 사진이다.
불량 소결체 산화 U3O8 분말의 비표면적(m2/g) UO2 소결체의 밀도(g/cm3) UO2 소결체의 결정립 크기(㎛) UO2 소결체의 재소결 밀도(1.00% 이하)
0.65 10.51 13.80 0.38
표 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 2의 UO2 소결체는 산화 생성물인 U3O8 분말의 비표면적은 0.65m2/g, UO2 소결체의 밀도는 10.51g/cm3, UO2 소결체의 결정립 크기는 13.80㎛, UO2 소결체의 재소결 밀도는 0.38%인 것으로 나타났다.
[비교예]
도 4는 본 발명의 실시 예와 비교를 위한 비교예를 제조하기 위한 종래기술의 UO2 소결체 제조 과정을 나타내는 순서도이다.
도 4와 같이, 비교예인 UO2 소결체를 종래기술에 따라 제조하기 위하여 불량 UO2 소결체와 UO2 소결체 연삭찌꺼기를 산화시켜 U3O8 분말을 제조한다. 이 과정에서 본 발명과의 명확한 비교를 위하여 불량 UO2 소결체는 450℃에서 산화시켜 비표면적이 작은 U3O8 분말로 생성하고, UO2 소결체 연삭찌꺼기는 350℃로 건조 산화시켰다(S1). 상기와 같이 제조된 U3O8 분말 11중량%를 기공형성제 0.29중량%, 윤활제 0.10중량%와 함께 UO2 분말에 첨가한 후 터뷸러혼합기(tubular mixer)를 이용하여 60분 동안 혼합한다(S2). 상기 혼합 분말을 1 ton/cm2 압력으로 예비성형하여 슬러그(slug)를 만든 후(S3) 만들어진 슬러그에 균일한 압력을 가하여 부수어 균일한 크기를 가지는 과립분말(granule)을 제조한다(S4). 제조된 과립분말에 윤활제 0.20중량%를 첨가하여 과립분말을 구형화한 후 구형화된 과립분말을 압축성형하여 5.90g/cm3의 압분밀도를 가지는 성형체(green pellet)를 제조한다(S5). 제조된 성형체(green pellet)를 환원성 수소 가스 분위기에서 1750 ~ 1770℃ 온도 범위의 온도로 약 3.3시간 동안 유지하여 UO2 소결체를 제조한다(S6).
도 5는 도 4의 제조 과정에 의해 생성된 비교예인 UO2 소결체의 결정립 조직을 나타내는 사진이며, 표 3은 비교예의 특징을 나타낸다.
불량 소결체 산화 U3O8 분말의 비표면적(m2/g) UO2 소결체의 밀도(g/cm3) UO2 소결체의 결정립 크기(㎛) UO2 소결체의 재소결 밀도(1.00% 이하)
0.55 10.52 8.17 0.70
도 5 및 표 3에 나타난 바와 같이, 종래기술의 UO2 소결체 제조 방법에 따라 UO2 소결체를 450℃에서 산화시켜 U3O8 분말을 제조하고, 생성된 U3O8 분말을 UO2 분말과 혼합하여 UO2 소결체를 생성한 경우, 산화 생성물인 U3O8 분말의 비표면적은 0.55m2/g, UO2 소결체의 밀도는 10.52g/cm3, UO2 소결체의 결정립 크기는 8.17㎛, UO2 소결체의 재소결 밀도는 0.70%인 것으로 나타났다.
본 발명의 실시예인 도 2의 실시예 1 및 도 3의 실시예 2를 종래기술에 따라 제작된 도 4 및 도 5의 비교예와 비교하여 보면, 비교예의 경우에는 불량 UO2 소결체를 450℃에서 산화시키는 것에 의해 비표면적이 작은 U3O8 분말만을 UO2 분말에 혼합하여 UO2 소결체를 제조하였기 때문에 UO2 소결체의 결정립의 크기가 8.17㎛로 작은 값을 가진다. 이러한 결정립의 크기는 핵연료의 건전성 제고나 연소도를 높이기 위해 핵분열 기체의 방출량을 충분히 억제할 수 없게 된다.
이에 반해, 본 발명의 실시예들의 경우에는 UO2 소결체를 300 ~ 350℃ 온도 범위에서 산화시켜 생성한 비표면적이 큰 U3O8 분말과 니켈 산화물과 알루미늄 산화물의 이성분계 혼합물을 UO2 분말에 혼합하여 UO2 소결체(실시예 1)를 제조한 경우와, UO2 소결체를 450℃ 온도 범위에서 산화시키는 것에의 비표면적이 작은 U3O8 분말과 니켈 산화물과 알루미늄 산화물의 이성분계 혼합물을 UO2 분말에 혼합하여 UO2 소결체(실시예 2)를 제조한 경우, UO2 소결체의 결정립 크기가 각각 16.57㎛(실시예 1), 13.80㎛(실시예 2)로서 핵연료의 건전성 제고나 연소도를 높이기 위해 핵분열 기체의 방출량을 억제하기에 적합한 결정립의 크기를 가지도록 제조되었다. 또한, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2는 재소결밀도 또한 비교예보다 낮은 값을 가진다.
즉, 본 발명은 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 동시에 첨가하여 UO2 소결체를 생성하는 것에 의해 UO2 소결체의 산화 온도 변화에 따른 U3O8 분말의 비표면적의 크기에 영향을 받지 않고 큰 결정립을 가지는 UO2 소결체를 제조할 수 있도록 한다.

Claims (7)

  1. UO2 소결체 또는 UO2 소결체 연삭찌꺼기 중 적어도 하나를 300 ~ 550℃에서 산화시켜 U3O8 분말을 얻는 U3O8 분말 제조과정;과,
    상기 U3O8 분말과 함께 니켈 산화물 및 알루미늄 산화물을 함유한 이성분계 혼합물을 UO2 분말에 첨가한 후 혼합하는 혼합과정;과,
    상기 U3O8 분말, 니켈 산화물, 알루미늄 산화물 및 UO2 분말의 혼합물을 1 ton/㎠ 압력으로 예비성형하여 슬러그를 생성하는 슬러그 생성과정과;
    상기 슬러그 생성과정에서 생성된 슬러그를 분쇄하여 과립분말로 제조하는 과립화과정;과,
    상기 과립화과정의 과립분말을 압축성형하여 성형체로 제작하는 압축성형과정;과,
    상기 압축성형과정에서 제작된 성형체를 1650 ~ 1800 ℃의 환원성 분위기에서 소결하는 소결과정;을 포함하되,
    상기 혼합과정에서 첨가되는 상기 니켈 산화물 및 알루니미늄 산화물은 제조된 UO2 소결체 내에서 니켈과 알루미늄이 각각 10ppm 이상 100ppm 이하가 되도록 첨가되는 것을 특징으로 하는 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 U3O8 분말로 산화되는 상기 UO2 소결체는,
    정상 UO2 소결체 또는 불량 UO2 소결체 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 소결체는,
    10 ~ 20㎛의 결정립을 갖도록 소결되는 것을 특징으로 하는 니켈 산화물과 알루미늄 산화물을 첨가한 이산화우라늄 소결체의 제조방법.
  7. 삭제
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