KR102174554B1 - 3d 프린팅 기법을 이용한 사용후핵연료 캐니스터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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{Spent fuel canister using 3D printing technique and manufacturing method thereof}

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.

한국등록특허 제10-2078482호

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 포함하며,
   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 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. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1유리전이온도는 450℃ 이상인 사용후핵연료 캐니스터.
5. 제1항에 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 제15항, 제17항 및 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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