KR19990080474A - High-density dispersed fuel containing spherical powder of uranium alloy rapidly solidified by spraying method and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분무법에 의해 급속 응고시킨 우라늄합금 구형분말을 분산재로 하는 고밀도 분산 핵연료와 그 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 분무 급속응고에 의해 합금용탕으로부터 직접 미세한 구형 핵연료분말을 제조하므로, 준안정
본 발명은 우라늄과 금속원료를 칭량하여 노즐이 부착된 내열도가니내로 장입하고, 상기 내열도가니를 분무장치에 설치한 다음, 진공펌프를 이용하여 내열도가니가 설치된 분무장치의 챔버내부를 10-3torr 이상의 진공도로 유지하고, 상기 내열도가니내로 장입된 우라늄과 금속원료를 고주파전류 발생장치를 이용하여 용해시키며, 상기 용해된 합금용량을 공급하면서 회전 원반 또는 전극 등의 원심력이나 고압의 가스등을 사용하여 용적(droplet)을 제조함과 아울러 아르곤 또는 헬륨 냉각가스 등 불활성 분위기에서 미세한 핵연료입자를 급속응고(104℃/초 이상) 시킨 우라늄합금 구형분말 분산핵연료와 그 제조방법을 제공함에 있다.The present invention weighs uranium and metal raw materials, loads them into a heat-resistant crucible with a nozzle, installs the heat-resistant crucible in a spray apparatus, and then uses a vacuum pump to form a chamber inside the spray apparatus in which the heat-resistant crucible is installed at 10 -3 torr. Maintaining the above vacuum level, dissolving the uranium and metal raw material charged into the heat-resistant crucible by using a high frequency current generator, and using the centrifugal force of the rotating disk or the electrode or the gas of high pressure or the like while supplying the dissolved alloy capacity The present invention provides a uranium alloy spherical powder dispersed fuel in which a fine fuel particle is solidified rapidly (10 4 ° C./sec or more) in an inert atmosphere such as argon or helium cooling gas, and a method of manufacturing the same.
Description
본 발명은 분무법에 의해 급속 응고시킨 우라늄합금 구형분말을 분산재로 하는 고밀도 분산 핵연료와 그 제조방법에 관한 것으로, U-(A)Q, U-(A)Q-(B)X (Q : Mo, Nb, Zr 원소, X : Mo, Nb, Zr, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta등 미량 첨가원소, Q≠X,(A)=4∼9wt.％, (B)=0.1∼4wt.％) 합금등 우라늄합금 구형분말을 균질화 열처리, 파쇄 및 분쇄공정을 거치지 않고, 원심분무 급속응고법 등으로 합금용탕으로부터 직접 제조하는 구형분말을 분산시킨 우라늄합금 구형분말을 분산재로 하는 고밀도 분산 핵연료와 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-density dispersed fuel using a uranium alloy spherical powder rapidly solidified by the spray method as a dispersant, and a method for manufacturing the same. , Nb, Zr element, X: Mo, Nb, Zr, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta and other minor addition elements, Q ≠ X, (A) = 4-9 wt.%, (B) = 0.1 ~ 4wt.%) High density of uranium alloy spherical powder prepared by dispersing spherical powder produced directly from molten alloy by centrifugal spray rapid solidification method without homogenizing heat treatment, crushing and crushing process of spherical powder such as alloy Disclosed are a nuclear fuel and a method of manufacturing the same.
우라늄합금을 제조한 후 주괴를 파쇄하여 핵연료 분말을 제조하는 종래 방법은 우라늄합금 주괴내에, 900℃ 정도에서 100시간 정도 유지 후 소입시켜서 준안정한
그러나 합금 후 균질화 열처리한 U-8wt.％Mo 합금등의 우라늄 합금은 강인한 성질을 갖고 있기 때문에, 파쇄 및 분쇄가 매우 어렵고, 기계적인 방법으로 핵연료 분말을 제조하므로 제조공정이 다단계로 복잡하며, 극저온 밀링(milling)시, 싸이클(cycle)당 212㎛ 이하의 분말수율은 20wt.％ 이하로 생산성이 매우 낮았다.However, uranium alloys such as U-8wt.% Mo alloy, which is homogenized and heat treated after alloying, have strong properties, so it is very difficult to crush and pulverize, and the production of nuclear fuel powder by mechanical method is complicated. At milling, the powder yield of 212 μm or less per cycle was very low, with 20 wt.% Or less.
또한, 제조된 분말은 자성분리법으로 높은 Fe 함량의 물질을 제거하면 회수분말중 30％ 정도가 다시 손실되었다.In addition, about 30% of the recovered powder was lost when the powder was removed by magnetic separation to remove the high Fe content.
또한, 상기와 같이 기계적인 방법으로 제조되는 핵연료분말은 피절삭물인 고온 산화성 우라늄합금을 냉각시키기 위해 사용하는 절삭유 성분과, 파쇄 또는 분쇄중에 발생되는 공구의 마모로 인한 불순물이 분말중에 혼입되어 순도가 제한되었다.In addition, the nuclear fuel powder manufactured by the mechanical method as described above, the cutting oil component used to cool the high-temperature oxidative uranium alloy, which is a workpiece, and impurities due to the wear of the tool generated during crushing or grinding are mixed into the powder to obtain purity. Limited.
즉, 우라늄합금은 산화성이 있기 때문에 선반 등으로 조파쇄 가공시, 칩이 발화되어 격렬하게 연소할 수 있으므로 절삭유를 충분히 공급하면서 가공하여야 하며, 분쇄후에는 칩에 부착된 절삭유 성분을 제거하기 위하여 아세톤 등 유기용제를 사용하여 세척한 다음, 고온 진공분위기에서 건조하지만 절삭유 성분의 일부는 핵연료분말에 잔류하게 된다.That is, since uranium alloy is oxidative, chips can be ignited and burned violently during rough crushing by lathes, etc., so it must be processed with sufficient supply of cutting oil, and after grinding, to remove the cutting oil component attached to the chip, After washing with an organic solvent, it is dried in a high temperature vacuum atmosphere, but some of the coolant component remains in the fuel powder.
또한, 상기 유기용제에 의해 세척된 칩은 극저온에서 스틸 밀(steel mill)등을 사용하여 분쇄한 분말을 자성 분리하면 분말중 35％ 정도가 철분과 함께 제거되며, 핵연료분말 표면을 확대하여 조사하면 Fe 성분이 함유된 반점들이 무수히 존재한다. 이와 같이 분쇄작업시에 혼입되는 불순물은 주물질이 철성분이므로 자성분리시 우라늄 합금분말이 함유되어 있는 Fe 성분도 상당량 제거된다. 이때 핵연료원료인 저농축우라늄은 매우 고가이므로 이러한 제조방법은 경제적 손실이 크게 된다.In addition, when the chips washed by the organic solvent are magnetically separated from the powder ground using a steel mill at a cryogenic temperature, about 35% of the powder is removed together with iron, and the surface of the nuclear fuel powder is enlarged and irradiated. There are a myriad of spots containing Fe components. In this way, the impurities mixed in the grinding operation are iron components, and therefore, a significant amount of Fe components containing uranium alloy powder is removed during magnetic separation. At this time, low enriched uranium, a nuclear fuel material, is very expensive, so this manufacturing method is economically expensive.
또한, 길쭉한 형태의 파쇄입자는 배열방향이 열 흐름 방향에 직각방향으로 위치하므로 열 흐름을 방해하며, 분산핵연료에서 알루미늄기지의 핵연료분말내 침투반응으로 말미암아 주로 우라늄합금 분말계면에서 저밀도의 우라늄 알루미나이드(UAIx)와 핵연료 기지에 기공을 형성시키고, 핵연료심재를 팽윤시킨다.In addition, the elongated crushed particles hinder the heat flow because the arrangement direction is located at right angles to the heat flow direction. (UAI x ) and the pore at the fuel base and swell the fuel core material.
또한, 회전줄이 장착된 고속선반을 사용하여 직접 분말을 제조하는 경우, 상기 고속선반에 의해 사용 가능한 분말은 시간당 1∼2g 정도로 생산되며, 분말제조 수율은 212㎛ 이하에 대해서 50％ 정도이다. 이때 상기 핵연료 합금봉은 2,500 rpm 정도로 회전하는 티타늄 질화물이 도포된 텅스텐 탄화물이나 탄탈륨 탄화물 공구를 이용하여 제조하는데, 제조된 분말은 회전하는 줄의 마모로 인해 0.1-8％ 정도의 탄화물이나 질화물이 혼입되는 등 여러 가지 문제점이 있었다.In addition, when the powder is directly manufactured using a high speed lathe equipped with a rotating rope, the powder usable by the high speed lathe is produced at about 1 to 2 g per hour, and the powder production yield is about 50% for 212 μm or less. In this case, the fuel alloy rod is manufactured using a titanium nitride coated titanium nitride or a tantalum carbide tool rotating about 2,500 rpm, and the manufactured powder is mixed with 0.1-8% of carbide or nitride due to abrasion of the rotating string. There were various problems.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 분무 급속응고에 의해 합금용탕으로부터 직접 미세한 구형 핵연료분말을 제조하므로, 준안정
본 발명은 우라늄과 금속원료를 칭량하여 노즐이 부착된 내열도가니내로 장입하고, 상기 내열도가니를 분무장치에 설치한 다음, 진공펌프를 이용하여 내열도가니가 설치된 분무장치의 챔버내부를 10-3torr 이상의 진공도로 유지하고, 상기 내열도가니내로 장입된 우라늄과 금속원료를 고주파전류 발생장치를 이용하여 용해시키며, 상기 용해된 합금용량을 공급하면서 회전 원반 또는 전극 등의 원심력이나 고압의 가스등을 사용하여 용적(droplet)을 제조함과 아울러 아르곤 또는 헬륨 냉각가스 등 불활성 분위기에서 미세한 핵연료입자를 급속응고시킨 우라늄합금 구형분말 분산핵연료와 그 제조방법을 제공함에 있다.The present invention weighs uranium and metal raw materials, loads them into a heat-resistant crucible with a nozzle, installs the heat-resistant crucible in a spray apparatus, and then uses a vacuum pump to form a chamber inside the spray apparatus in which the heat-resistant crucible is installed at 10 -3 torr. Maintaining the above vacuum level, dissolving the uranium and metal raw material charged into the heat-resistant crucible by using a high frequency current generator, and using the centrifugal force of the rotating disk or the electrode or the gas of high pressure or the like while supplying the dissolved alloy capacity The present invention also provides a uranium alloy spherical powder dispersion fuel which rapidly solidifies fine fuel particles in an inert atmosphere such as argon or helium cooling gas, and a method of manufacturing the same.
도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 분말 제조장치의 개략도1 is a schematic view of a powder manufacturing apparatus showing the configuration according to the present invention
도 2 는 본 발명의 블록 다이아그램2 is a block diagram of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
(1) : 내열도가니 (2) : 고주파전류 발생장치(1): heat resistant crucible (2): high frequency current generator
(3) : 챔버(chamber) (4) : 진공펌프(3): chamber (4): vacuum pump
(5) : 가스공급밸브 (6) : 체크밸브(5): Gas supply valve (6): Check valve
(7) : 원반 (8) : 회수용기(7): Disc (8): recovery container
(9) : 사이클론(cyclone) (10) : 가스(9): cyclone (10): gas
(11) : 노즐 (13) : 출탕봉(stopper)(11): nozzle (13): stopper
(31) : 가스노즐 (32) : 챔버 벽면(31): gas nozzle 32: chamber wall
(71) : 전기모터 (100) : 원심분무장치(71): electric motor (100): centrifugal atomizer
도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 분말 제조장치의 개략도를, 도 2 는 본 발명의 블록다이아그램을 도시한 것으로, 본 발명은 노즐(11)이 부착된 내열도가니(1), 상기 도가니(1)내의 온도를 상승시키는 고주파전류 발생장치(2), 챔버(3)내부에 적절한 진공도를 형성하는 진공펌프(4), 챔버(3)내로 가스(10)를 공급하는 가스공급밸브(5), 상기 가스공급밸브(5)에 의해 챔버(3)내로 공급된 가스를 챔버(3)외부로 배출하는 체크밸브(6), 상기 챔버(3)내에 설치되는 원반(7), 제조된 분말이 저장되는 회수용기(8) 및 미세한 분말이 수집되는 사이클론(9)으로 구성되어 있다.Figure 1 is a schematic diagram of a powder manufacturing apparatus showing a configuration according to the present invention, Figure 2 shows a block diagram of the present invention, the present invention is a heat-resistant crucible (1) with a nozzle 11, the crucible ( 1) a high frequency current generator 2 for raising the temperature in the chamber, a vacuum pump 4 for forming an appropriate degree of vacuum in the chamber 3, and a gas supply valve 5 for supplying the gas 10 into the chamber 3; , A check valve 6 for discharging the gas supplied into the chamber 3 by the gas supply valve 5 to the outside of the chamber 3, a disk 7 installed in the chamber 3, and the powder produced therein. It consists of a recovery container 8 to be stored and a cyclone 9 to collect fine powder.
상기 내열도가니(1)는 합금조성에 맞게 칭량된 U-8wt.％Mo의 금속원료가 장입되는 곳으로, 하부에 노즐(11)을 구비하고 원심분무장치(100) 상부에 설치되며, 내부에 출탕봉(13)이 설치되어 있다.The heat-resistant crucible 1 is a place where the metal material of U-8wt.% Mo weighed according to the alloy composition is charged, and the nozzle 11 is provided at the bottom and is installed at the top of the centrifugal spraying device 100. The tapping rod 13 is provided.
상기 고주파전류 발생장치(2)는 내열 도가니(1)에 설치되는 것으로, 고주파 전류로 용해온도 보다 약 200℃이상 용탕을 과열(superheating)시킨다.The high frequency current generator 2 is installed in the heat-resistant crucible 1 and superheats the molten metal by about 200 ° C. or more than the melting temperature by a high frequency current.
상기 진공펌프(4)는 챔버(3)내부가 10-3torr이상의 적절한 진공도를 형성하도록 하는 것으로, 챔버(3)일측과 연결·설치되어 있다.The vacuum pump 4 allows the inside of the chamber 3 to form an appropriate degree of vacuum of 10 -3 torr or more, and is connected to and installed on one side of the chamber 3.
상기 원반(7)은 노즐(11)의 하부에 노즐(11)과 동일 중심선을 구비하고, 챔버(3)내에 설치되는 것으로, 전기모터(71)에 의해 작동되어 노즐(11)을 통해 챔버(3)내로 토출되는 합금용탕을 미세한 핵연료입자로 형성한다. 즉, 상기 노즐(11)을 통해 토출되는 합금용탕은 전기모터(71)의 작동에 의한 원반(7)의 원심력에 의해 미세한 핵연료 입자로 형성되어 챔버(3)벽까지 비행하게 된다.The disc 7 has the same centerline as the nozzle 11 at the lower part of the nozzle 11 and is installed in the chamber 3, and is operated by the electric motor 71 to operate the chamber (11) through the nozzle 11. 3) The molten alloy discharged into the core is formed of fine nuclear fuel particles. That is, the molten alloy discharged through the nozzle 11 is formed of fine nuclear fuel particles by the centrifugal force of the disc 7 by the operation of the electric motor 71 to fly to the wall of the chamber 3.
상기 가스공급밸브(5)는 챔버(3)상부와 연결·설치되는 것으로, 챔버내로 불활성 아르곤 또는 헬륨 냉각가스(10)를 공급하여 원반(7)의 회전력에 의해 형성된 미세한 핵연료입자를 급속응고시킨다. 이때 상기 가스공급밸브(5)에 의해 챔버내로 유입되는 불활성 아르곤 또는 헬륨 냉각가스(10)는 챔버(3)내 상부에 설치되는 가스노즐(31)에 의해 챔버(3)내로 분사된다.The gas supply valve 5 is connected to and installed in the upper portion of the chamber 3, and supplies inert argon or helium cooling gas 10 into the chamber to rapidly solidify fine fuel particles formed by the rotational force of the disc 7. . At this time, the inert argon or helium cooling gas 10 introduced into the chamber by the gas supply valve 5 is injected into the chamber 3 by the gas nozzle 31 installed above the chamber 3.
상기 회수용기(8)는 챔버(3)내에서 형성된 구형의 핵연료분말을 수집하는 것으로, 챔버(3)하단부에 설치되어 챔버(3)의 경사진 벽면(32)을 따라 흘러내리는 구형의 핵연료 분말을 수집한다.The recovery container 8 collects spherical nuclear fuel powder formed in the chamber 3 and is installed in the lower portion of the chamber 3 to flow along the inclined wall surface 32 of the chamber 3. Collect it.
상기 사이클론(9)은 냉각가스(10)에 의해 급속응고된 핵연료분말중 회수용기(8)에 수집되지 않은 아주 미세한 분말을 수집하는 것으로, 챔버(3)와 회수용기(8)사이에 연결·설치되어있다.The cyclone (9) collects very fine powder not collected in the recovery container (8) of the nuclear fuel powder rapidly solidified by the cooling gas (10), and is connected between the chamber (3) and the recovery container (8). Installed.
상기 체크밸브(6)는 가스공급밸브(5)에 의해 챔버(3)내로 유입된 가스(10)의 압력이 일정 압력 이상일 경우, 유입된 가스(10)를 챔버(3)외부로 배출하는 것으로, 챔버(3)와 사이클론(9)사이에 설치되어 있다.The check valve 6 discharges the introduced gas 10 to the outside of the chamber 3 when the pressure of the gas 10 introduced into the chamber 3 by the gas supply valve 5 is greater than or equal to a predetermined pressure. It is provided between the chamber 3 and the cyclone 9.
이와 같이 구성된 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The present invention configured as described above will be described in detail with reference to Examples.
실시예1Example 1
U-8wt.％Mo합금 분말 제조시, 우라늄과 합금원소 Mo원료를 합금조성에 맞게 칭량하고, 이를 노즐(11)이 부착된 내열도가니(1)에 장입한 다음, 원심분무장치(100)에 도가니(1) 및 단열재(도시없음)를 순서대로 조립한다. 이때 진공펌프(4)를 이용하여 상기 도가니(1)가 조립된 원심분무장치(100)의 분무장치 챔버(atomlzerchamber)내부가 10-3torr 이상으로 적절한 진공도를 유지하도록 한다.In the production of U-8wt.% Mo alloy powder, uranium and alloy element Mo raw materials are weighed according to the alloy composition, charged into the heat-resistant crucible 1 with the nozzle 11 attached thereto, and then, into the centrifugal spraying device 100. The crucible 1 and the heat insulating material (not shown) are assembled in order. At this time, the inside of the atomizer chamber (atomlzerchamber) of the centrifugal spraying device 100 in which the crucible 1 is assembled by using the vacuum pump 4 is maintained at an appropriate vacuum degree of 10 -3 torr or more.
이와 같이 도가니(1) 및 단열재가 순서대로 원심분무장치(100)에 조립되면 고주파전류 발생장치(2)를 작동시켜 고주파 전류로 용해온도 보다 약 200℃ 이상으로 용량을 과열시킨 다음, 전기모터(71)를 이용하여 원반(7)을 약 30,000rpm 까지 회전시킨다.When the crucible 1 and the heat insulator are assembled in the centrifugal spraying device 100 in this manner, the high frequency current generator 2 is operated to overheat the capacity at about 200 ° C. or higher than the melting temperature with a high frequency current. 71) to rotate the disc 7 to about 30,000 rpm.
상기 전기모터(71)에 의해 작동되는 원반(7)의 회전속도가 30,000 rpm으로 안정되면 도가니(1)내에 설치된 출탕봉(13)을 상부방향으로 들어올리어 도가니(1)내에서 용해된 합금용탕을 출탕한다.When the rotational speed of the disk 7 operated by the electric motor 71 is stabilized at 30,000 rpm, the molten alloy molten in the crucible 1 is lifted by lifting the tapping rod 13 installed in the crucible 1 upward. Tap on it.
상기 출탕된 합금용탕은 약 Ø2mm정도의 작은 노즐(11)을 통과하여 30,000 rpm정도로 고속·회전하는 원반(7) 위로 공급되고, 원심력에 의해 미세한 핵연료입자로 형성되어 챔버 벽면(32)까지 비행하게 된다.The melted alloy molten metal passes through a small nozzle 11 of about Ø2 mm and is supplied onto a disk 7 which rotates at a high speed and rotates at about 30,000 rpm, and is formed of fine fuel particles by centrifugal force to fly to the chamber wall 32. do.
이때 가스공급밸브(5)를 작동하여 챔버(3)내로 불활성 아르곤 또는 헬륨 냉각가스(10)를 분사하면, 원반(7)에 의해 챔버 벽면(32)으로 비행으로 미세한 핵원료 입자는 비행중에 불활성 아르곤 또는 헬륨 냉각가스(10)에 의해 급속응고(104℃/초 이상)되어 상온에서 준안정한 γ-U상의 핵연료 입자로 제조된다.At this time, when the inert argon or helium cooling gas 10 is injected into the chamber 3 by operating the gas supply valve 5, the fine nuclear raw material particles are inactivated during the flight by the disc 7 flying to the chamber wall 32. Rapidly solidified (10 4 ° C / sec or more) by argon or helium cooling gas (10) to produce nuclear particles that are metastable at room temperature.
이와 같이 분무시 급속응고 효과에 의해 바로 상온에서 준안정한 γ-U상이 얻어지기 때문에 우라늄합금 파쇄 및 분쇄에 의한 분말제조시 900℃ 정도에서 유지후 소입시켜주는 γ-U상을 얻기 위한 열처리공정이 불필요하게 된다.As such, the semi-stable γ-U phase is obtained at room temperature due to the rapid solidification effect during spraying. Thus, a heat treatment process for obtaining the γ-U phase which is quenched after holding at about 900 ° C. during pulverization and grinding of uranium alloy It becomes unnecessary.
이렇게 제조된 분말은 경사진 챔버 벽면(32)을 따라 흘러 내려와 챔버(3)하부에 설치된 회수용기(8)내로 수집되고, 아주 미세한 분말은 사이클론(9)에서 수집된다. 상기 회수용기(8)에 수집되는 평균분말크기는 약 65㎛정도이고, 핵연료 적정크기 125㎛ 이하는 95%이상 얻어진다.The powder thus produced flows down along the inclined chamber wall 32 and is collected into a recovery vessel 8 installed under the chamber 3, and very fine powder is collected in the cyclone 9. The average powder size collected in the recovery container 8 is about 65 µm, and a nuclear fuel titer of 125 µm or less is obtained at 95% or more.
상기와 같이 제조된 U-8wt.%Mo 합금 구형분말은 부피분율 30∼50%로 알루미늄 분말과 혼합한 다음, 상온에서 Ø40mm 정도로 압분하여 빌릿(billet)을 제조하고, 압출기의 컨테이너(container)와 다이(die)를 420℃ 정도로 예열한 후 빌릿을 장입하여 15분간 유지한 다음 불활성 분위기에서 압출하여 분산핵연료 심재를 제조한다.The U-8wt.% Mo alloy spherical powder prepared as above is mixed with aluminum powder in a volume fraction of 30-50%, and then compacted at about Ø40 mm at room temperature to produce a billet, and a container of the extruder. After preheating the die to about 420 ° C., the billet is charged and maintained for 15 minutes, and then extruded in an inert atmosphere to produce a dispersed fuel core material.
실시예 2Example 2
또한 본 발명은 U(A)-Q 합금을 비롯한 U-(A)Q-(B)X (Q : Mo, Nb, Zr 원소, X : Mo, Nb, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta 등 미량첨가원소, Q≠X, (A)=4∼9wt.％, (B)=0.1∼4wt.％) 합금 등의 우라늄합금 분산핵연료에 대하여 응용할 수 있다. 즉, U-8wt.％Mo 합금 원심분무분말 제조시, 우라늄과 합금원소 Mo 금속원료를 합금조성에 맞게 칭량하여 세라믹도가니에 장입한 다음, U-8wt.％Mo 합금의 원심분무분말 제조과정과 같이 진공펌프(4)를 사용하여 분무장치 챔버(3) 내부 진공도를 10-3torr 이상 형성되도록 한 후에 도가니내 용탕온도를 용해온도 보다 약 200℃정도 상승시켜 용해하고, 상기 합금용탕을 약 30,000 rpm 으로 회전하는 원반(7) 위로 노즐(11)을 통해 공급한다. 공급된 용탕은 원반(7)의 원심력에 의해 미세한 입자가 형성되며, 가스공급밸브(5) 및 가스노즐(31)을 통해 챔버(3)내로 분사되는 불화성가스에 의해 급속응고(10-4℃/초 이상)되어 구형 핵연료 분말로 제조된다.The present invention also relates to U- (A) Q- (B) X, including U (A) -Q alloys (Q: Mo, Nb, Zr elements, X: Mo, Nb, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, It can be applied to uranium alloy dispersed fuels such as trace additive elements such as W and Ta, Q ≠ X, (A) = 4 to 9 wt.%, And (B) = 0.1 to 4 wt.%) Alloys. In other words, when manufacturing U-8wt.% Mo alloy centrifugal spray powder, uranium and alloying element Mo metal raw materials are weighed according to the alloy composition, charged into a ceramic crucible, and then Likewise, the vacuum pump 4 is used to form a vacuum of 10 -3 torr or more in the spray chamber 3, and then the melting temperature in the crucible is increased by about 200 ° C. above the melting temperature, and the alloy molten metal is about 30,000. Feed through the nozzle 11 over the disk (7) rotating at rpm. The supplied molten metal forms fine particles by the centrifugal force of the disc 7, and rapidly solidifies (10 -4) by the inert gas injected into the chamber 3 through the gas supply valve 5 and the gas nozzle 31. ℃ / second or more) to make a spherical nuclear fuel powder.
이와 같이 제조된 U-(A)Q-(B)X (Q : Mo, Nb, Zr 원소, X : Mo, Nb, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta 등 미량첨가원소, Q≠X, (A)=4∼9wt.％, (B)=0.1∼4wt.％) 합금 구형 분말은 부피분율 30∼ 50%로 알루미늄 분말과 혼합한 다음, 상온에서 Ø20mm 정도로 압분하여 빌릿을 제조하고, 압출기의 콘테이너와 다이를 370℃ 정도로 예열한 후 빌릿을 장입하며, 불활성 분위기에서 압출하여 분산핵연료를 제조한다.U- (A) Q- (B) X (Q: Mo, Nb, Zr element, X: Mo, Nb, Ru, Pt, Si, Ir, Pd, W, Ta, etc. ≠ X, (A) = 4 to 9 wt.%, (B) = 0.1 to 4 wt.%) The alloy spherical powder is mixed with aluminum powder in a volume fraction of 30 to 50%, and then compacted at about 20 mm at room temperature to prepare a billet. The container and the die of the extruder are preheated to about 370 ° C., charged with a billet, and extruded in an inert atmosphere to produce dispersed fuel.
이와 같이 본 발명은 U-Mo 합금등의 우라늄합금을 용해하고, 그 용탕을 바로 급냉하여 직접 분말을 제조하므로, 강인한 성질을 가져서 파쇄와 분쇄가 매우 힘든 우라늄합금에 대해 핵연료 분말제조 수율과 생산성이 우수하고, 550℃이상에서 안정한
또한, 합금용탕으로부터 직접 분말을 제조하고 분무시 표면장력이 작용하므로, 고순도의 구형 우라늄합금분말을 제조할 수 있다. 상기 구형 우라늄합금 분말은 비정형분말인 파쇄분말에 비해 비표면적이 작으므로, 고온에서 알루미늄 기지와의 확산반응을 약 30％감소시키고, 핵연료의 팽윤을 감소시킨다.In addition, since the powder is produced directly from the molten alloy and the surface tension during spraying, high purity spherical uranium alloy powder can be prepared. Since the spherical uranium alloy powder has a specific surface area smaller than that of the crushed powder, which is an amorphous powder, the spherical uranium alloy powder reduces the diffusion reaction with the aluminum matrix at a high temperature by about 30% and reduces the swelling of the nuclear fuel.
또한, 본 발명에 의한 분무분말 분산핵연료는 입자 표면이 매끄럽고 구형이기 때문에 압출방향으로 배열하는 파쇄분말 분산핵연료와는 달리 무질서하고 균일하게 배열되므로, 압출 수직방향의 열전도도를 향상시킬 수 있고, 입자의 유동성이 우수한 구형분말은 성형시 압출압력을 감소시켜 성형성을 향상시키며, 분말배합비가 높을수록 그 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.In addition, since the spray powder dispersion fuel according to the present invention has a smooth and spherical particle surface, unlike the crushed powder dispersion fuel arranged in the extrusion direction, the spray powder dispersed fuel is arranged in a disordered and uniform manner, thereby improving the thermal conductivity in the extrusion vertical direction, and The spherical powder having excellent flowability reduces the extrusion pressure during molding to improve moldability, and the higher the powder blending ratio, the more the effect can be increased.
또한, 분무분말은 압출시에 기공형성을 감소시키고 알루미늄 기지와의 연속성을 증가시키므로 핵연료심재의 연성을 향상시킬 수 있는 등 많은 효과가 있다.In addition, the spray powder has many effects, such as to reduce the pore formation during extrusion and to increase the continuity with the aluminum matrix to improve the ductility of the nuclear fuel core material.
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1998
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