KR20010038919A - 원전연료 펠릿의 탈피복 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원전연료를 제조하는 과정에서 취급 부주의로 인한 손상된 원전연료봉으로부터 UO₂펠릿과 피복관을 서로 분리하기 위해 원통형의 수직 반응기 내부에 수직 스크류를 장착하고, UO₂의 산화반응에 요구되는 반응열을 공급하기 위해 반응기 외부에 역시 원통형의 가열로를 설치한 장치로서, 수직 스크류의 날개는 일정한 피치(pitch)로 구멍이 난 다공판을 이용하였으며, 스크류 축의 구동은 정,역 회전 및 회전속도를 가변할 수 있는 모터로부터 전달되어 반응기 내부에 충전된 물질의 상하운동이 가능하도록 하는 장치이다.

즉 손상된 원전연료봉을 일정한 길이로 절단하여 반응기에 충전한 후, 지르컬로이(Zircaloy) 피복관 내의 UO₂펠릿을 공기 분위기에서 최대 600℃로 가열함으로써 U₃O₈분말로 산화시키고, 산화된 U₃O₈분말은 스크류 날개의 구멍 및 반응기와 스크류 날개의 사이로 자유낙하에 의해 수집통에서 수집되며, 비어 있는 피복관은 수직 스크류에 의해 위 방향으로 상승되어 반응기 상단의 출구를 통해 배출시킴으로써, 원전연료봉으로부터 UO₂펠릿의 탈피복 공정 및 탈피복된 분말과 피복관의 분리 공정을 하나의 반응기에서 반연속식으로 운전할 수 있는 장치에 관한 것이다.

Description

원전연료 펠릿의 탈피복 방법 및 장치{Decladding method and equipment of nuclear fuel pellet}

본 발명은 원전연료를 제조하는 과정에서 취급 부주의로 인한 손상된 원전연료봉으로부터 UO₂펠릿과 피복관을 서로 분리하기 위해 원통형의 수직 반응기 내부에 수직 스크류를 장착하고, UO₂의 산화반응에 요구되는 반응열을 공급하기 위해 반응기 외부에 역시 원통형의 가열로를 설치한 장치로서, 수직 스크류의 날개는 일정한 피치(pitch)로 구멍이 난 다공판을 이용하였으며, 스크류 축의 구동은 정,역 회전 및 회전속도를 가변할 수 있는 모터로부터 전달되어 반응기 내부에 충전된 물질의 상하운동이 가능하도록 하는 장치이다.

즉 손상된 원전연료봉을 일정한 길이로 절단하여 반응기에 충전한 후, 지르컬로이(Zircaloy) 피복관 내의 UO₂펠릿을 공기 분위기에서 최대 600℃로 가열함으로써 U₃O₈분말로 산화시키고, 산화된 U₃O₈분말은 스크류 날개의 구멍 및 반응기와 스크류 날개의 사이로 자유낙하에 의해 수집통에서 수집되며, 비어 있는 피복관은 수직 스크류에 의해 위 방향으로 상승되어 반응기 상단의 출구를 통해 배출시킴으로써, 원전연료봉으로부터 UO₂펠릿의 탈피복 공정 및 탈피복된 분말과 피복관의 분리 공정을 하나의 반응기에서 반연속식으로 운전할 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 원전 연료봉은 원전연료의 부식 및 핵분열생성물의 누출을 방지하기 위하여 알루미늄, 마그네슘, 지르코늄 합금 등을 피복관으로 사용하고 있으며, 피복관 내의 핵연료 물질을 탈 피복하기 위한 방법으로 여러 가지가 제시된 바 있으나, 현재까지 제시된 모든 탈 피복 방법은 회분식으로 운전되는 다단계의 독립된 공정들 중의 하나의 공정인 탈피복 방법에 관한 것으로, 탈피복된 핵연료 물질을 후속 공정 장치로 이송하여야 하는 단점이 있다.

지금까지 일반적으로 사용되는 탈피복 공정은 운전 방식별 분류에 의해 습식법과 건식법을 이용한 공정들이 있으며, 탈피복 양상에 따른 분류에 의해서는 화학적 방법과 기계적 방법으로 분류하기도 한다. 화학적 탈피복은 적절한 용제 또는 반응물을 이용하여 원전연료 물질 또는 피복관을 용해하는 공정을 포함하며, 이 과정에서 핵연료 물질이 탈피복관 또는 피복관의 반응물과 함께 일부 손실된다. 습식법을 이용한 공정은 원전연료를 짧은 조각으로 절단한 후 질산에 의해 연료 소자를 용해시키는 공정으로, 용해조로부터 피복관을 제거하기 위한 후속 처리가 요구될 뿐만 아니라 피복관에 묻어 나가는 용해액으로부터 발생되는 핵연료 물질의 손실을 초래한다.

한편, 기계적인 방식을 채택하는 경우, 습식 탈피복 공정에서 발생되는 폐기물 발생량 문제점을 감소시킬 수는 있으나, 그 운전 방법상에 있어서 회분식 처리에 의존해야 하는 단점을 지니고 있었다. 지금까지 알려진 건식 탈피복 공정을 살펴보면, 연료봉을 다단계의 로울러 사이로 통과시켜 축 방향 길이를 늘이고 반경 방향의 변형에 의해 연료봉 내부의 연료 소자를 부서지게 하는 압연-복원(roller-straightner) 기법에 의한 탈피복 공정, 일정 길이로 절단된 연료봉의 서로 반대편의 양쪽 지점에서 길이 방향으로 피복관을 절단하는 방식(cutting- slitting), 일정 길이로 절단된 연료봉을 공기 분위기의 가열로에서 가열하여 부피 팽창에 의해 피복관을 파열시킴으로써 피복관과 연료 소자를 분리하는 방식(Voloxidation), 일정 길이로 절단된 연료봉에 길이 방향으로 구멍을 내어 공기 분위기에서 가열하여 부피 팽창에 의해 피복관을 파열시키는 방식(Airox) 등이 있으며, 이상에 기술한 건식 탈피복 공정은 앞서 기술한 바와 같이 회분식으로 운전되는 다단계의 독립된 장치들 중의 하나의 공정인 탈피복 방법에 관한 것으로, 탈피복된 핵연료 물질을 피복관으로부터 분리, 제거되어야 한다는 후속 처리의 번거러움이 단점으로 남는다. 한편, 프랑스에서 볼 밀(ball mill) 방식을 이용하여 연속식 탈피복 공정을 시도한 바 있으나, 공압을 이용한 U₃O₈의 공압식 이송이 불가하여 실패한 바 있다.

한편, 핵연료 물질의 탈피복 방법과는 무관하게 고체 물질 또는 슬러리의 단순 이송 목적으로 널리 이용되고 있는 스크류 장치와 관련된 기술들을 살펴보면, 수평 스크류에 의한 물질의 수평 이송, 수직 및 경사진 스크류에 의한 위 방향으로의 물질 이송 등이 일반화되어 있으나, 본 발명의 장치에서와 같은 다공판의 수직 스크류를 이용하여 고체-고체 물질을 분리하는 목적으로 사용한 예는 없으며, 수직 스크류를 이용하여 고체-액체 물질을 분리하기 위한 시도로서, 미국 특허 3,902, 962에서는 물과 섬유질이 혼합되어 있는 계로부터 물과 섬유질을 분리하는 장치를 개발한 바 있다. 종래의 미국 특허에 의하면 수직 스크류는 옆면에 구멍이 뚫린 원통 내부에 위치하고, 구멍 뚫린 원통 외부에는 밀폐된 또 하나의 원통이 있으며, 바깥 쪽 원통 하단부에는 배수 파이프가 연결되어 있다. 물은 자유낙하에 의해 내부 원통의 구멍들을 통해 바깥 쪽 원통을 거쳐 배수 파이프로 흘러나가고, 탈수된 섬유질들은 수직 스크류에 의해 위 방향으로 이송되어 반응기에 투입됨으로써 물과 섬유질을 분리한 경우는 있다.

본 발명은 원전연료를 제조하는 과정에서 취급 부주의로 인하여 연료봉 자체가 휘거나 아니면 변형이 생겨 원전 연료봉으로부터 UO₂펠릿의 제거, 회수가 불가능하거나 어려운 경우에 이를 쉽게 제거, 회수할 수 있는 장치와 방법에 관한 것으로, 본 발명의 장치는 반응기 외부의 가열로로부터 반응열을 공급받음으로써 UO₂펠릿의 산화 반응에 따른 부피 팽창에 의해 탈피복을 하고, 스크류 날개에 일정한 간격으로 구멍을 낸 수직 스크류를 이용하여, 탈피복된 U₃O₈분말과 피복관을 분리하는 반연속식 조업이 가능한 장치로, 기존의 탈피복 공정장치에서 탈피복된 핵연료 물질과 피복관을 분리하기 위한 후속 공정 단계를 배제하고, 분리 공정 단계로의 물질 이송 문제를 해결함으로써 보다 효율적으로 탈피복 공정을 수행할 수 있게 함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 하나의 반응기에서 연료봉 내의 UO₂를 공기 분위기에서 최대 600℃로 가열하여 U₃O₈분말로 산화시키고, 산화된 U₃O₈분말은 스크류 날개의 구멍 및 반응기와 스크류 날개의 사이로 자유낙하에 의해 수집통에서 수집되며, 비어 있는 피복관은 수직 스크류에 의해 위 방향으로 상승되어 반응기 상단의 출구를 통해 배출시킴으로써, U₃O₈분말 및 피복관을 반연속식으로 분리할 수 있는 장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명 원전연료 펠릿의 탈피복 장치의 전체 구성도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

(1) : 반응기 (2) : 스크류

(3) : 가열로 (4) : 연료봉

(5) : 수집통 (6) : 배출구

(7) : 플랜지 (8) : 어댑터

(9) : 호퍼 (10) : 플랜지

(11) : 버터 플라이 밸브 (12) : 인입관

(13) : 공기 공급관 (14) : 스크류 축

(15) : 열전대 (16) : 열전대

(17) : 배출관 (18) : 피복관 수집통

(19) : 베어링 (20) : 부싱

(21) : 감속기 (22) : 삼상 교류 모터

(23a) : 베벨 기어 (23b) : 베벨 기어

(24) : 인버터 (25) : 공기압 실린더

(26) : 상하 이동판 (27) : 피스톤 봉

(28) : 안내 핀

첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 원전연료 펠릿의 탈 피복 장치의 전체 구성도이다.

일정 길이로 절단된 원전 연료봉 내의 UO₂펠릿을 공기 분위기에서 가열함으로써, 산화반응에 의한 탈피복 공정을 수행하고, 탈피복된 분말과 피복관의 분리 공정을 하나의 반응기(1)에서 반연속식으로 운전하는 방법과,

상기 탈피복된 분말은 자유낙하에 의해 반응기(1) 하단부의 수집통(5)에서 수집되며, 피복관은 수직 스크류(2)에 의해 위 방향으로 상승, 이동시켜 반응기(1) 상단의 피복관 배출관(17)으로 배출시킴으로써, 서로 다른 형태의 고체 물질을 향유 흐름에 의해 분리되는 것과,

상기 탈피복된 분말의 보다 효율적인 자유낙하를 위해 일정한 피치로 구멍을 낸 다공판의 스크류를 형성하며,

모터(22)의 정,역 회전에 의해 스크류(2)의 회전 방향이 바뀌며, 이에 따라 반응기(1) 내에 충전된 물질들이 상승 및 하강 운동에 의해 서로의 위치가 변화됨으로써, 반응기(1) 내의 온도 균일성을 유지할 수 있도록 하는 방법으로 구성되어진 것이다.

본 발명의 구성 및 작용은 다음과 같다.

내부에 수직 스크류(2)가 장착된 반응기(1)는 반응기(1) 외부의 가열로(3)로부터 반응기(1)를 가열함으로써 연료봉(4) 내부의 UO₂펠릿을 U₃O₈분말로 산화시켜 반응기 하단에 설치한 수집통(5)에서 수집하고, 피복관은 수직 스크류(2)에 의해 위 방향으로 이송하여 반응기 상단의 배출구(6)를 통해 배출시킴으로써 U₃O₈분말과 피복관을 분리하는 장치로서 자세히 기술하면 다음과 같다.

반응기(1) 내에 파이프를 수직으로 설치하며, 반응기(1) 상단부는 플랜지(7)로 체결하고 분리된 분말을 수집하기 위한 수집통(5)과 연결되는 반응기(1) 하단부는 정밀하게 가공된 경사진 형태의 어댑터(adaptor)(8)를 설치한다. 일정 길이로 절단된 연료봉들은 반응기(1) 상단의 호퍼(9) 및 플랜지(10)에 의해 체결된 버터플라이 밸브(11)를 이용하여 인입관(12)을 통해 반응기(1)에 충전된다. 충전된 연료봉(4) 내부의 UO₂펠릿은 공기 공급관(13)을 통해 일정량의 공기를 반응기(1) 내부로 공급하며, 반응기(1) 외부의 전기가열 방식의 가열로(3)로부터 반응열을 공급함으로써 U₃O₈분말로 산화된다. 반응기(1)의 온도는 스크류 축(14) 내부의 열전대(15)에 의해 제어되며, 다른 하나의 열전대(16)는 스크류(2) 최하단부와 공기 공급관(13) 사이에 설치하여 반응기(1) 하단부의 온도를 측정한다. 스크류(2) 날개에는 일정 간격으로 구멍을 내었으며, 부피 팽창에 의해 연료봉(4) 피복관으로부터 스스로 흘러나오는 산화된 U₃O₈분말은 이 구멍들 및 반응기(1)와 스크류(2) 날개 사이로 자유낙하하여 반응기(1) 하단부의 수집통(5)에서 수집되며, 반응폐가스는 반응기(1) 상단의 배출관(17)을 통해 배출되어 후속 처리한다.

산화 반응이 종료된 후에 비어 있는 피복관은 수직 스크류(2)에 의해 위 방향으로 상승되어 배출관(6)으로 배출됨으로써 피복관 수집통(18)에 수집된다. 수직 스크류(2)는 반응기 상단부에 베어링(19)으로 스크류 축(14)을 지지하고 반응기 하단부에서는 부싱(20)을 사용하여 스크류 축(14)의 흔들림을 방지한다. 수직 스크류(2)의 구동을 위해 반응기(1) 상단에 감속기(21)가 부착된 3상 교류 모터(22)를 설치하였으며, 모터(22)의 회전운동을 베벨기어(23a, 23b)를 이용하여 스크류 축(14)의 회전운동으로 전환한다. 한편, 3상 교류 모터(22)는 인버터(24)에 연결되어 모터(22)의 정, 역 회전 및 회전 속도를 제어함으로써 스크류 축(14)의 회전 방향 및 회전 속도를 변화시킨다.

한편, 수집통(5, 18)에 수집된 U₃O₈분말 및 피복관의 후속 공정을 위해 수집통(5, 18)은 공기압 실린더(25)에 의해 상하 이동되는 판(26) 위에 설치한다. 즉, 운전 시에는 공기압 실린더(25)가 위 방향으로 밀고 있으며, 수집통(5, 18)을 취급하기 위해서는 공기압 실린더(25)의 피스톤 봉(27)이 아래 방향으로 하강된다. 상하 이동판(26)에는 수집통(5, 18)의 위치 제어를 위해 원통형의 안내핀(28)을 상하 이동판(26)에 용접, 설치한다.

그러므로 본 발명은 연료봉 내의 UO₂펠릿이 산화반응에 의해 탈피복되고, 산화된 U₃O₈분말과 피복관의 분리를 하나의 반응기에서 반연속식으로 수행하여 탈피복 공정과 분리 공정 사이의 물질 이송 단계를 배제함으로써 효율성을 증대시킬 뿐만 아니라 궁극적으로 사용 후 핵연료의 전처리 공정에도 적용, 가능할 수 있는 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 일정 길이로 절단된 원전연료봉 내의 UO₂펠릿을 공기 분위기에서 가열함으로써, 산화반응에 의한 탈피복 공정을 수행하고, 탈피복된 분말과 피복관의 분리 공정을 하나의 반응기(1)에서 반연속식으로 운전하는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 원전연료 펠릿의 탈피복 방법.
2. 제 1 항에 있어서;

   탈피복된 분말은 자유낙하에 의해 반응기(1) 하단부의 수집통(5)에서 수집되며, 피복관은 수직 스크류(2)에 의해 위 방향으로 상승, 이동시켜 반응기(1) 상단의 피복관 배출관(17)으로 배출시킴으로써, 서로 다른 형태의 고체 물질을 향유 흐름에 의해 분리시키는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 원전연료 펠릿의 탈피복 방법.
3. 제 1 항에 있어서;

   탈피복된 분말의 보다 효율적인 자유낙하를 위해 일정한 피치로 구멍을 낸 다공판의 스크류 구조인 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 원전연료 펠릿의 탈피복 방법.
4. 제 1항에 있어서;

   모터(22)의 정,역 회전에 의해 스크류(2)의 회전 방향이 바뀌며, 이에 따라 반응기(1) 내에 충전된 물질들이 상승 및 하강 운동에 의해 서로의 위치가 변화됨으로써, 반응기(1) 내의 온도 균일성을 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 원전연료 펠릿의 탈피복 방법.
5. 내부에 수직 스크류(2)가 장착된 반응기(1)는 반응기(1) 외부의 가열로(3)로부터 반응기(1)를 가열함으로써 연료봉(4) 내부의 UO₂펠릿을 U₃O₈분말로 산화시켜 반응기 하단에 설치한 수집통(5)에서 수집하고, 피복관은 수직 스크류(2)에 의해 위 방향으로 이송하여 반응기 상단의 배출구(6)를 통해 배출시킴으로써 U₃O₈분말과 피복관을 분리하는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 원전연료 펠릿의 탈피복 장치.
6. 반응기(1) 내에 파이프를 수직으로 설치하며, 반응기(1) 상단부는 플랜지(7)로 체결하고 분리된 분말을 수집하기 위한 수집통(5)과 연결되는 반응기(1) 하단부는 정밀하게 가공된 경사진 형태의 어댑터(adaptor)(8)를 설치하며, 일정 길이로 절단된 연료봉들은 반응기(1) 상단의 호퍼(9) 및 플랜지(10)에 의해 체결된 버터플라이 밸브(11)를 이용하여 인입관(12)을 통해 반응기(1)에 충전되며, 충전된 연료봉(4) 내부의 UO₂펠릿은 공기 공급관(13)을 통해 일정량의 공기를 반응기(1) 내부로 공급하며, 반응기(1) 외부의 전기가열 방식의 가열로(3)로부터 반응열을 공급함으로써 U₃O₈분말로 산화되며, 반응기(1)의 온도는 스크류 축(14) 내부의 열전대(15)에 의해 제어되며, 다른 하나의 열전대(16)는 스크류(2) 최하단부와 공기 공급관(13) 사이에 설치하여 반응기(1) 하단부의 온도를 측정하고, 스크류(2) 날개에는 일정 간격으로 구멍을 형성하고, 부피 팽창에 의해 연료봉(4) 피복관으로부터 스스로 흘러나오는 산화된 U₃O₈분말은 이 구멍들 및 반응기(1)와 스크류(2) 날개 사이로 자유낙하하여 반응기(1) 하단부의 수집통(5)에서 수집되며, 반응폐가스는 반응기(1) 상단의 배출관(17)을 통해 배출되는 것과,

   산화 반응이 종료된 후에 비어 있는 피복관은 수직 스크류(2)에 의해 위 방향으로 상승되어 배출관(6)으로 배출되어 피복관 수집통(18)에서 수집되며, 수직 스크류(2)는 반응기 상단부에 베어링(19)으로 스크류 축(14)을 지지하고 반응기 하단부에서는 부싱(20)을 사용하여 스크류 축(14)의 흔들림을 방지하며, 수직 스크류(2)의 구동을 위해 반응기(1) 상단에 감속기(21)가 부착된 3상 교류 모터(22)를 설치하였으며, 모터(22)의 회전운동을 베벨기어(23a, 23b)를 이용하여 스크류 축(14)의 회전운동으로 전환하고, 3상 교류 모터(22)는 인버터(24)에 연결되어 모터(22)의 정, 역 회전 및 회전 속도를 제어함으로써 스크류 축(14)의 회전 방향 및 회전 속도를 변화시킬 수 있도록 하는 것과,

   수집통(5, 18)에 수집된 U₃O₈분말 및 피복관의 후속 공정을 위해 수집통(5, 18)은 공기압 실린더(25)에 의해 상하 이동되는 판(26) 위에 설치하며, 운전 시에는 공기압 실린더(25)가 위 방향으로 밀고 있으며, 수집통(5, 18)을 취급하기 위해서는 공기압 실린더(25)의 피스톤 봉(27)이 아래 방향으로 하강되며, 상하 이동판(26)에는 수집통(5, 18)의 위치 제어를 위해 원통형의 안내핀(28)을 상하 이동판(26)에 용접하여 설치하는 것으로 구성되어진 것을 특징으로 하는 원전연료 펠릿의 탈피복 장치.