导热率提高的核燃料粒料及其制备方法与流程

本发明涉及导热率提高的核燃料烧结体及其制备方法。

背景技术：

核能发电利用由原子核分裂产生的热量，将数十至数百个由核燃料材料制成的烧结体装入包壳管中，并将两端密封以制造燃料棒，然后捆扎数十至数百个燃料棒来制造一个聚集体。这些燃料棒聚集体被装入核反应堆并使用，在烧结体中产生的热量经过核燃料烧结体传递到通过包壳管在燃料棒周围流动的冷却水。

另一方面，作为经常用于核能发电的核燃料，使用通过成型和烧结将如铀(u)、钚(pu)或钍(th)等的氧化物单独或组合使用的材料来制造的圆柱形烧结体。此时，作为上述烧结体的材料，大部分使用氧化铀(uo2)，根据情况，使用在氧化铀中添加一种以上的如钚(pu)和钍(th)等的氧化物等其他核燃料材料而成的核燃料材料。具体而言，使用(u,pu)o2、(u,th)o2或(u,th,pu)o2。

另一方面，如上所述，作为代表性核燃料材料的uo2由于其高熔点和与冷却水的低反应性而被广泛用作核燃料材料，但uo2材料在使用温度范围内的导热率为2～5w/mk，即具有在使用温度范围内的导热率很低的缺点。此时，若核燃料材料的导热率低，则由原子核分裂产生的热量不会很快转递到冷却水，因此烧结体的温度比冷却水很高。烧结体的温度在中心处最高且在表面处最低，烧结体的表面温度与烧结体的中心温度之间的差异与导热率成反比。因此，导热率越低，烧结体的中心温度越高，在正常燃烧的燃料棒中，烧结体的中心温度在1000至1500℃的范围内，并且在发生严重事故时，烧结体的中心温度会高于作为uo2的熔化温度的2200℃。

并且，由于核燃料烧结体具有高温和大的温度梯度，因此加速了取决于温度的所有反应，从而材料性能劣化，尤其，燃烧程度越高，性能劣化越严重。

进而，若核燃料烧结体处于高温状态，则会导致蚕食许多反应堆事故中的安全裕度(margin)的结果。例如，在发生冷却剂丧失事故的情况下，在发生事故之前核燃料的温度越高，安全裕度越小，在发生燃料棒输出急剧上升的事故的情况下，因烧结体的导热率低而中心温度会高于uo2的熔点。为了防止这种问题，当对输出施加相当大的限制时，不能获得高输出，因此存在发生经济损失的问题。

另一方面，作为为了解决如上所述的氧化物核燃料烧结体的低导热率问题而提出的代表性方法之一，存在一种在烧结体中混合具有高导热率的金属材料的方法。由于如核燃料循环长度减少的经济问题等而可在烧结体中混合的不同种类的材料的含量非常有限，但在具有简单形状的金属颗粒的情况下，若其含量小，则存在与含量相比不能期望大的导热率改善效果的局限性。

(现有技术文献)

(专利文献)

(专利文献0001)韩国授权专利公报第10-1632351号(2016.07.12)

技术实现要素：

发明要解决的问题

本发明的目的在于提供一种导热率提高的核燃料烧结体的制备方法，其特征在于，包括：步骤(a)，制备包括氧化物核燃料粉末和板状导热金属粉末的混合物；及步骤(b)，以使在上述混合物中的上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行成型，然后进行热处理，以制备烧结体。

然而，本发明要解决的问题并不限定于以上所述的问题，通过下述的记载，本领域所属技术人员可以明确地理解到未提及或者其他的问题。

用于解决问题的方案

本发明提供一种导热率提高的核燃料烧结体的制备方法，其特征在于，包括：步骤(a)，制备包括氧化物核燃料粉末和板状导热金属粉末的混合物；及步骤(b)，以使在上述混合物中的上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行成型，然后进行热处理，以制备烧结体。

作为本发明的一实施例，提供一种导热率提高的核燃料烧结体，其特征在于，包括：氧化物核燃料基质；及导热金属排列，在上述基质中以沿水平方向具有取向性的方式分散。

发明的效果

根据本发明的核燃料烧结体的制备方法的特征在于，包括：步骤(a)，制备包括氧化物核燃料粉末和板状导热金属粉末的混合物；及步骤(b)，以使在上述混合物中的上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行成型，然后进行热处理，以制备烧结体，从而，大部分上述板状导热金属粉末可以通过成型和热处理沿水平方向(即，从中心向径向)形成导热金属排列，因此即使使上述板状导热金属粉末的含量最小化，也具有导热率提高效果。

尤其，当上述板状导热金属粉末的相对于厚度的平均宽度比为10至300时，可以使导热率提高效果极大化，且氧化物核燃料基质可以具有完整的微观结构而不会在烧结过程中产生裂缝(crack)，因此具有不使核燃料烧结体的微观结构完整性恶化的效果。

因此，根据上述方法制备的核燃料烧结体易于应用于现有商业核燃料制造设备，并且可以在正常操作、瞬态和事故条件下极大地改善核燃料性能和安全性。

进而，为了使上述核燃料烧结体用作用于调节反应堆堆芯的剩余反应性的易燃吸收棒，对上述核燃料烧结体添加或涂覆中子吸收能力高的钆(gd)、硼(b)、铒(er)及镝(dy)等的可燃吸收材料，这导致核燃料烧结体的导热率与上述可燃吸收材料的含量成比例地降低的问题，但本发明具有有效解决该问题的优点。

附图说明

图1为示意性示出本发明的一实施例的导热率提高的核燃料烧结体的结构的附图。

图2为示意性示出在本发明的一实施例的核燃料烧结体中包含的板状导热金属粉末的特征的附图。

图3为示出根据实施例1～4的核燃料烧结体的制备方法中所用的板状导热金属粉末的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope；sem)照片。

图4为示出根据实施例1～4和比较例1～2的核燃料烧结体的微观结构的光学显微镜照片。

图5为示出根据实施例1～3和比较例1的核燃料烧结体的正规化的导热率的图表。

图6为示出根据实施例4的核燃料烧结体的导热率的图表。

具体实施方式

本发明的发明人在研究用于提高核燃料烧结体的导热率的方法的过程中发现，通过作为氧化物核燃料粉末的添加剂使用板状导热金属粉末，对此进行成型和热处理，使得大部分上述板状导热金属粉末沿水平方向(即，从中心向径向)形成导热金属排列，由此可以使导热率提高效果极大化，且不使核燃料烧结体的结果完整性恶化，从而完成了本发明。

下面，详细说明本发明。

导热率提高的核燃料烧结体的制备方法

本发明提供一种导热率提高的核燃料烧结体的制备方法，其特征在于，包括：步骤(a)，制备包括氧化物核燃料粉末和板状导热金属粉末的混合物；及步骤(b)，以使在上述混合物中的上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行成型，然后进行热处理，以制备烧结体。

在本说明书中所用的术语“氧化物核燃料粉末(powder)”是由氧化物核燃料前体形成的，是指在进行下述的造粒工序之前的状态，即有区别的概念。具体而言，上述氧化物核燃料粉末是指具有0.1μm至50μm的平均粒径的粉末。uo2粉末是由作为uo2粉末的前体的uf6通过干式(dc)工序和湿式(adu、auc)工序等通常的制备工序形成的，但本发明不限于此。

在本说明书中所用的术语“板状(disc、laminar或plate)”是指与细长的针状(acicularshape，needle)或条状(strip)相比扁平的形状，板状的特征在于，相对于厚度的平均宽度比大，并且在俯视图(topview)中具有预定的面积。

在本说明书中所用的术语“沿水平方向”是指在核燃料烧结体中从中心朝向径向的方向，即，是指主要发生核燃料热传导的方向。并且，在本说明书中所用的术语“取向性(orientation)”是指在特定方向上优先偏移的分布。

首先，根据本发明的导热率提高的核燃料烧结体的制备方法包括制备包含氧化物核燃料粉末和板状导热金属粉末的混合物的步骤[步骤(a)]。

上述氧化物核燃料粉末的平均粒径可以为0.1μm至50μm，优选为0.1μm至30μm，但本发明不限于此。在下述的板状导热金属粉末的水平排列方面，上述氧化物核燃料粉末的平均粒径优选等于或小于下述的板状导热金属粉末的平均宽度或厚度(尤其，宽度)，但本发明不限于此。

与此相反，氧化物核燃料颗粒通过使用氧化物核燃料粉末作为原料的常规造粒方法制备，并且意味着氧化物核燃料颗粒的平均粒度为100μm或更大，优选为200μm至200μm。由此，存在替代上述氧化物核燃料粉末而使用氧化物核燃料颗粒来制备核燃料烧结体的方法，据此，需要粉末的造粒工序等额外的步骤，并且，若粉末颗粒的性质未得到精确控制，则烧结体的性能会降低。更具体而言，下述的板状导热金属粉末难以均匀分散在氧化物核燃料基质中，而且，在工艺参数不适当的情况下，具有使在烧结过程中在颗粒之间的界面处引起裂缝的过程敏感性，因此，如需要修改常规的核燃料制备方法等，不容易适用于商业过程。

具体而言，上述氧化物核燃料粉末可以包括选自由氧化铀(uo2)、氧化钚(puo2)及氧化钍(tho2)组成的组中的一种以上，优选地，包括氧化铀(uo2)，但本发明不限于此。

上述板状导热金属粉末用作用于提高上述氧化物核燃料烧结体的导热率的添加剂。与球形不同地，上述板状导热金属粉末的特征在于相对于厚度的平均宽度比大。因此，大部分上述板状导热金属粉末通过成型和热处理可以沿主要发生核燃料的热传导的水平方向形成连续的导热金属排列，因此具有即使其含量少，也导热性提高效果良好的优点。

具体而言，上述板状导热金属粉末的相对于厚度的平均宽度比优选为10至300，但本发明不限于此。此时，当上述板状导热金属粉末的相对于厚度的平均宽度比小于10时，上述板状导热金属粉末成为与球形类似的形态，从而导致即使进行成型和热处理也无法沿水平方向形成连续的导热金属排列的问题，当上述板状导热金属粉末的相对于厚度的平均宽度比大于300时，相对于厚度的平均宽度比的增加带来的导热率提高效果甚微，并且在烧结过程中在氧化物核燃料基质中产生裂缝(crack)。

更具体而言，上述板状导热金属粉末的平均宽度可以为1μm至900μm，厚度可以为0.1μm至3μm。尤其，优选地，上述板状导热金属粉末的平均宽度为5μm至900μm且厚度为0.1μm至2μm，但本发明不限于此。此时，当上述板状导热金属粉末的平均宽度或厚度太小时，导致即使进行成型和热处理也无法沿水平方向形成连续的导热金属排列的问题，当上述板状导热金属粉末的平均宽度或厚度太大时，在烧结过程中在氧化物核燃料基质中产生裂缝(crack)。

并且，上述导热金属粉末平面的平均纵横比优选为1至5，但本发明不限于此。当上述板状导热金属粉末平面的平均纵横比为5或更大时，上述板状导热金属粉末成为相对像针(needle)状或条带(strip)状的形状，因此核燃料烧结体的导热率提高效果降低。图2为示意性示出在本发明的一实施例的核燃料烧结体中包含的板状导热金属粉末的特征的附图。

当为了提高核燃料烧结体的导热率而添加针状或条带状金属粉末时，细长形状的金属粉末由于随机排列的特性而有可能沿从烧结体中心朝向外部方向的作为传热方向的径向排列，但有许多情况并非如此。未沿传热方向排列的颗粒对传热没有贡献，结果，在传热方面，相对于金属粉末的添加量，传热效率降低。但是，在本发明的板状金属粉末的情况下，由于所有添加的金属粉末都有助于传热，因此可以显着提高导热率改善效果。

并且，上述板状导热金属粉末可以包括选自由钼(mo)、铬(cr)、钨(w)、铌(nb)、钌(ru)、钒(v)、铪(hf)、钽(ta)、铑(rh)及锆(zr)组成的组中的一种以上，也可以包括基于上述金属的合金。

并且，上述板状导热金属粉末的含量相对于上述氧化物核燃料粉末可以为1体积％至20体积％，优选为1体积％至5体积％，但本发明不限于此。大部分上述板状导热金属粉末通过成型和热处理可以沿主要发生核燃料的热传导的水平方向形成连续的导热金属排列，因此具有即使其含量少，也导热性提高效果良好的优点。

并且，上述板状导热金属粉末可以通过磨碎球形导热金属粉末的工序形成。此时，磨碎工序可以为在本领域已知的磨碎工序。

其次，根据本发明的导热率提高的核燃料烧结体的制备方法包括以使在上述混合物中的上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行成型，然后进行热处理，以制备烧结体的步骤[步骤(b)]。

上述成型可以以使上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行，优选地，通过单轴加压进行，但本发明不限于此。具体而言，上述成型可在100mpa至500mpa的压力下进行。

并且，上述热处理用于制备核燃料烧结体，可以在1300℃至1200℃的温度下进行1小时至20小时。

选择性地，根据本发明的导热率提高的核燃料烧结体的制备方法，在上述步骤(a)中添加将可燃吸收材料添加到氧化物核燃料粉末中的步骤，或在上述(b)步骤之后添加将可燃吸收材料涂覆上述核燃料烧结体上的步骤。

为了使上述核燃料烧结体用作用于调节反应堆堆芯的剩余反应性的易燃吸收棒，可对上述核燃料烧结体添加或涂覆可燃吸收材料。

上述可燃吸收材料可以包括选自由钆(gd)、硼(b)、铒(er)及镝(dy)组成的组中的一种以上。

上述可燃吸收材料的含量相对于上述氧化物核燃料粉末可以为0.5重量％至20重量％，优选为5重量％至20重量％，但本发明不限于此。

导热率提高的核燃料烧结体

本发明提供一种导热率提高的核燃料烧结体，该核燃料烧结体包括：氧化物核燃料基质；及板状导热金属排列，在上述基质中以沿水平方向具有取向性的方式分散。

根据本发明的导热率提高的核燃料烧结体包括：氧化物核燃料基质；及板状导热金属排列，在上述基质中以沿水平方向具有取向性的方式分散。

图1为示意性示出本发明的一实施例的导热率提高的核燃料烧结体的结构的附图。

如图1所示，本发明的一实施例的导热率提高的核燃料烧结体1包括：氧化物核燃料基质10；及板状导热金属排列20，在上述基质中以沿水平方向具有取向性的方式分散。此时，上述板状导热金属排列20大部分以沿水平方向具有取向性的方式形成，从而可以起到在上述核燃料烧结体1中沿水平方向转递的热量的有效的通道作用。

具体而言，上述氧化物核燃料基质可以包括选自由氧化铀(uo2)、氧化钚(puo2)及氧化钍(tho2)组成的组中的一种以上。此时，上述氧化物核燃料基质由上述氧化物核燃料粉末形成，关于上述氧化物核燃料粉末的内容如上所述。

并且，上述板状导热金属排列包括选自由钼(mo)、铬(cr)、钨(w)、铌(nb)、钌(ru)、钒(v)、铪(hf)、钽(ta)、铑(rh)及锆(zr)组成的组中的一种以上，上述板状导热金属排列的含量相对于上述氧化物核燃料基质可以为1体积％至20体积％，优选为1体积％至5体积％，但本发明不限于此。此时，上述板状导热金属排列由上述板状导热金属粉末形成，其通过成型和热处理的变形程度非常甚微，因此，上述板状导热金属排列也与上述板状导热金属粉末相同地，上述板状导热金属排列的相对于厚度的平均宽度比可以为10至300，上述板状导热金属排列的平均宽度可以为1μm至900μm且厚度可以为0.1μm至3μm。并且，上述板状导热金属排列平面的平均纵横比优选为1至5，但本发明不限于此。

选择性地，可对上述氧化物核燃料基质添加可燃吸收材料，或上述核燃料烧结体可被可燃吸收材料涂覆。

上述可燃吸收材料包括选自由钆(gd)、硼(b)、铒(er)及镝(dy)组成的组中的一种以上，上述可燃吸收材料的含量相对于上述氧化物核燃料基质可以为0.5重量％至20重量％，优选为5重量％至20重量％，但本发明不限于此。

根据本发明的导热率提高的核燃料烧结体可以通过上述制备方法制备。

具体而言，上述氧化物核燃料基质可以通过对氧化物核燃料粉末进行成型和热处理来制备，上述板状导热金属排列的特征在于在上述基质中以沿水平方向具有取向性的方式分散，且上述板状导热金属排列可以通过对上述板状导热金属粉末进行成型和热处理来制备。

此外，本发明可以提供一种核燃料，该核燃料包括：上述导热率提高的核燃料烧结体；及核燃料包壳管，在其内部装入有多个上述核燃料烧结体。

并且，本发明可以提供一种导热率提高的核燃料烧结体的制备方法，其特征在于，包括：步骤(a)，制备包括氧化物核燃料粉末和板状导热金属粉末的混合物；及步骤(b)，以使在上述混合物中的上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行成型，然后进行热处理，以制备烧结体。

如上所述，根据本发明的核燃料烧结体的制备方法，其特征在于，包括：步骤(a)，制备包括氧化物核燃料粉末和板状导热金属粉末的混合物；及步骤(b)，以使在上述混合物中的上述板状导热金属粉末沿水平方向具有取向性的方式进行成型，然后进行热处理，以制备烧结体，从而，大部分上述板状导热金属粉末可以通过成型和热处理沿水平方向(即，从中心向径向)形成导热金属排列，因此即使使上述板状导热金属粉末的含量最小化，也具有导热率提高效果。

尤其，当上述板状导热金属粉末的相对于厚度的平均宽度比为10至300时，可以使导热率提高效果极大化，且氧化物核燃料基质可以具有完整的微观结构而不会在烧结过程中产生裂缝，因此具有不使核燃料烧结体的结构完整性恶化的效果。

因此，根据上述方法制备的核燃料烧结体易于应用于现有商业核燃料制造设备，并且可以在正常操作、瞬态和事故条件下极大地改善核燃料性能和安全性。

进而，为了使上述核燃料烧结体用作用于调节反应堆堆芯的剩余反应性的易燃吸收棒，对上述核燃料烧结体添加或涂覆中子吸收能力高的钆(gd)、硼(b)、铒(er)及镝(dy)等的可燃吸收材料，这导致核燃料烧结体的导热率与上述可燃吸收材料的含量成比例地降低的问题，但本发明具有有效解决该问题的优点。

在下文中，通过优选实施例可以更好地理解本发明的上述内容，提供以下实施例仅是为了说明，不是用来限制本发明的内容。

[实施例]

实施例1

作为氧化物核燃料粉末，准备了平均粒径为约0.3μm的uo2粉末。另一方面，对平均粒径为约0.3μm的球形mo粉末进行磨碎工序来制备板状mo粉末。此时，所制备的板状mo粉末的平均宽度为约5μm且厚度为约0.3μm。

之后，对于准备的uo2粉末，混合5体积％的制备的板状mo粉末，以制备混合物。

然后，在约300mpa的压力下进行单轴加压成型，使得板状mo粉末在制备的混合物中沿水平方向具有取向性，之后，在氢气氛中，在约1700℃的温度下热处理4小时，以制备核燃料烧结体。

实施例2

除了对平均粒径为约5μm的球形mo粉末进行磨碎工序来制备平均宽度为约15μm且厚度为约0.4μm的板状mo粉末之外，其余与实施例1相同的方法制备烧结体。

实施例3

除了对平均粒径为约10μm的球形mo粉末进行磨碎工序来制备平均宽度为约30μm且厚度为约0.5μm的板状mo粉末之外，其余与实施例1相同的方法制备烧结体。

实施例4

除了对准备的uo2粉末进一步添加和混合作为可燃吸收材料的2重量％的gd2o3粉末之外，其余与实施例3同的方法制备烧结体。

比较例1

除了直接使用平均粒径为约3μm的球形mo粉末而不进行磨碎工序之外，其余与实施例1相同的方法制备烧结体。

比较例2

除了对平均粒径为约300μm的球形mo粉末进行磨碎工序来制备平均宽度为约1150μm且厚度为约3μm的mo粉末之外，其余与实施例1相同的方法制备烧结体。

表1

图3示出根据实施例1～4的核燃料烧结体的制备方法中所用的板状导热金属粉末的扫描电子显微镜照片。

如图4所示，可以确认，根据实施例1～4的核燃料烧结体的制备方法中所用的板状导热金属粉末通过磨碎球形导热金属粉末的工序形成，其平均宽度分别为约5μm至约30μm。另一方面，虽然图中未示出，但可以确认根据实施例1～4的核燃料烧结体的制备方法中所用的板状导热金属粉末的厚度分别为约0.3μm至约0.5μm。因此，当根据实施例1～4的核燃料烧结体的制备方法中所用的板状导热金属粉末的相对于厚度的平均宽度比分别为约16.7至约60时，上述板状导热金属粉末被成型为在氧化物核燃料混合物中沿水平方向具有取向性，从而，可以使导热率提高效果极大化。

图4示出根据实施例1～4和比较例1～2的核燃料烧结体的微观结构的光学显微镜照片。

如图4所示，根据实施例1～4的核燃料烧结体的特征在于使用板状导热金属粉末(相对于厚度的平均宽度比＝约16.7至约60)，这种板状导热金属粉末被成型为在氧化物核燃料混合物中沿水平方向具有取向性，从而可以使导热率提高效果极大化。具体而言，可以确认大部分上述板状导热金属粉末可通过成型和热处理沿水平方向形成连续的导热金属排列，如实施例4所示，在核燃料烧结体中包括gd2o3颗粒的情况下也如实施例1～3所示可以得到完整的核燃料烧结体。

与此相反，根据比较例1的核燃料烧结体的特征在于替代板状导热金属粉末使用球形导热金属粉末，这种球形导热金属粉末即使经过成型和热处理也无法具有取向性，也未形成连续的导热金属排列，因此可以视为导热率提高效果甚微。并且，根据比较例2的核燃料烧结体的特征在于使用板状导热金属粉末(相对于厚度的平均宽度比＝约323.3)，这种板状导热金属粉末导致在烧结过程中氧化物核燃料基质产生裂缝。因此，在将根据比较例1～2的核燃料烧结体适用于导热率提高的核燃料烧结体时存在性能和结构问题。

图5为示出根据实施例1～3和比较例1的核燃料烧结体的正规化的导热率的图表。

如图5所示，可以确认，随着板状导热金属粉末的相对于厚度的平均宽度比增加，根据实施例1～3的核燃料烧结体的导热率提高效果极大化。与此相反，根据比较例1的核燃料烧结体的特征在于替代板状导热金属粉末使用球形导热金属粉末，从而导热率提高效果甚微。

图6为示出根据实施例4的核燃料烧结体的导热率的图表。

如图6所示，可以确认，当如实施例4中那样在核燃料烧结体中包含gd2o3颗粒时，提高导热率的效果最大化。

上述的本发明的说明只是例示性的，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，就能理解在不变更本发明的技术思想或必要特征的情况下，也能轻易变形为其他具体形态。因此，以上所述的实施例在各方面仅是例示性的，但并不局限于此。