阅读说明：本技术 具有优异的耐压缩性和减少的表面缺陷的核燃料烧结芯块 (Sintered nuclear fuel pellet with excellent compression resistance and reduced surface defects ) 是由 崔敏英 羅年洙 林光荣 郑泰植 李昇宰 睦用均 柳钟盛 于 2018-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明旨在提供一种具有优异的耐压缩性和减少的表面缺陷的核燃料烧结芯块,该核燃料烧结芯块为圆柱状,该芯块的上表面和下表面包括：中央具有一定的曲率的球形凹槽形成的碟形凹陷(dish)；沿碟形凹陷的边缘形成的水平环面的脊部(land)以及沿脊部的边缘以一定角度切削棱角的形态形成的倒角(chamfer)。上述倒角包括靠近脊部边缘的第一倒角和沿第一倒角的边缘另外切削形成的第二倒角。(The present invention aims to provide a nuclear fuel sintered pellet having excellent compression resistance and reduced surface defects, the nuclear fuel sintered pellet having a cylindrical shape, the upper and lower surfaces of the pellet including: a disk-shaped recess (dish) formed of a spherical recess having a certain curvature at the center; a ridge (land) of a horizontal ring surface formed along the edge of the dish-shaped depression, and a chamfer (chamfer) formed in the form of an angular cut at an angle along the edge of the ridge. The chamfer includes a first chamfer near the ridge edge and a second chamfer formed by additional cutting along the edge of the first chamfer.)

具有优异的耐压缩性和减少的表面缺陷的核燃料烧结芯块

技术领域

本发明涉及烧结芯块(fuel pellet)，尤其是涉及一种在核电站中使用的具有优异的耐压缩性和优异的表面缺陷减少性能的烧结芯块的形状。

背景技术

核电站中使用的核燃料通常由包壳内堆叠烧结芯块的形态构成，其中烧结芯块主要使用UO₂粉末制备。近来，为了提升核电站的经济性，考虑高燃烧、长期运行，因此，核电站的运行环境变得更加严苛，高性能核燃料的开发需求不断增长。

尤其是在烧结芯块制造过程或移动过程中，由于各种外部冲击和接触等原因而产生表面缺陷，该缺陷部位上的应力过度集中，导致烧结芯块开裂，而在现有技术中，由于PCMI损伤、烧结芯块的缺陷部位上裂变气体(fission gas)的聚集造成的烧结芯块破损等问题凸显，这已成为日益严苛的核电站运行环境中的重要问题。

因此，为改善使核电站的核燃料中的表面缺陷减少的性能，已经进行了大量研究，特别是已经对可以在高燃烧/长周期运行中确保核燃料的完整性的烧结芯块的形状进行了许多研究。烧结芯块由中心部分的碟形凹陷(dish)、端部的倒角(chamfer)以及连接碟形凹陷和倒角的脊部(land)构成。特别是作为烧结芯块的端部的倒角通过一定角度与端部连接，起到使烧结芯块的破损最小化的作用，但是现有的商用烧结芯块中仍然有很多表面缺陷，因此对倒角角度的改变进行了大量研究。

然而，仅通过改变倒角的角度难以提高使表面缺陷减少的性能，并且考虑到随角度改变的发电效率难以补偿烧结芯块的损失，因此还对碟形凹陷、脊部的改变进行了研究。

因此，本申请人旨在提供一种烧结芯块，在进行表面缺陷降低性能的研究中，通过结合倒角的角度以及脊部长度的变化表现出比以往更优异的使表面缺陷减小的性能。

[现有技术文献]

大韩韩国注册专利公报第10-0982664号(注册日：2010.09.10)

发明内容

技术问题

因此，本发明是为了解决上述问题而提出的，并且本发明的目的是提供一种具有改善表面缺陷降低性能的烧结芯块，通过将该烧结芯块设计双倒角用于核电站的堆芯。

解决技术问题的手段

为了实现上述目的，设计成双倒角，本发明的烧结芯块的形状如下。

在烧结成型体的过程中，倒角由于烧结芯块的致密化而变平，双重倒角中角度小的新倒角迁移至芯块的中心，从而降低由表面缺陷造成的风险。此时，在碟形凹陷与第一倒角之间必须存在倾斜度为0°的脊部。在现有的双倒角相关专利中，由于不存在脊部，而由倒角直接过渡到碟形凹陷，此时应力集中在碟形凹陷中的倒角起始位置，对降低表面缺陷性能没有明显效果。另外，通过增加脊部，减少了烧结芯块的损失，提高了发电厂的效率。

因此，在本发明中，脊部置于倒角与碟形凹陷之间，通过倒角的角度变化以及脊部长度的改变，来提升减少表面缺陷的性能。

发明效果

本发明的烧结芯块，通过控制倒角角度以及脊部长度，而使减少表面缺陷性能优异，包壳能够承受高压缩强度，提高了烧结芯块的完整性，即使在高燃烧、长周期的运行环境下也能够有效地使用。

附图说明

图1为本发明的烧结芯块的顶部剖面图；

图2为本发明中压缩疲劳试验的原理图；

图3是本发明中压缩疲劳试验后的烧结芯块的剖面图。

具体实施方式

为了解释依据本发明构思的实施方式，示例性地给出了本发明实施例中所呈现的特定结构以及功能性的描述，并且可以以不同形式实施本发明的构思的其他实施方式。此外，不应将其解释为仅局限于本说明书中描述的实施例，应理解为包括本发明的思想和技术范围内包括的所有修改物、等同物或替代物。

以下将结合附图对本发明进行详细描述。

本发明的烧结芯块由碟形凹陷、脊部以及倒角构成，碟形凹陷与现有的烧结芯块相同，通过改变双倒角以及脊部长度来提高抗表面缺陷的性能。

另外，上述烧结芯块具有双倒角，从而稳定烧结芯块的铀损失量，并提高抗表面缺陷的性能。

另外，烧结芯块具有第一倒角和第二倒角作为双倒角，从而缓解了现有商用烧结芯块从脊部引向倒角的部分的应力集中现象，提高了抗表面缺陷的性能。

另外，在烧结芯块的双倒角中，第一倒角具有比第二倒角更平缓的斜率。

另外，上述烧结芯块双倒角的第一倒角的角度为1°～4°，长度为0.3～1.5mm。

另外，上述烧结芯块双倒角的第二倒角的角度为12°～25°，长度为0.13～0.18mm。

另外，上述烧结芯块中，双倒角与碟形凹陷之间具有脊部，防止烧结芯块的异常堆叠，降低了第一倒角和碟形凹陷之间的应力集中，从而提高抗缺陷性，此时，脊部的长度为0.3～1.5mm。

本发明的成型体(green pellet)在烧结后成为烧结芯块的过程中，尽管长度和角度发生收缩，但由于其变化不大，所以成型体和烧结芯块的倒角和脊部长度范围是相同的。

另外，若双倒角烧结芯块的第一倒角小于1°，则在烧结后第二倒角变得完全平坦，没有表现出提高抗表面缺陷的效果；若双倒角烧结芯块的第一倒角大于4°，则作用于第一倒角和第二倒角之间的边缘(edge)，容易在该部位上造成损伤。

此外，在上述双倒角烧结芯块中若不具有脊部，则在第一倒角和碟形凹陷之间会产生破损，因此必须包括一定长度的脊部。

通过以下方法制备本发明的烧结芯块。

步骤1，在UO₂粉末中加入润滑剂并混合后，经粉碎、干燥、筛分制造混合粉末。

步骤2是通过将按照上述步骤1的制备方法制得的混合粉末加入到模具中并在一定压力下制成成型体(green pellet)。此时，压力为2500～3000kgf。

另外，在上述双倒角烧结芯块中，当上述压力小于2500kgf时，成型密度低，当大于3000kgf时，成型体的端部可产生缺陷。

步骤3是通过将由上述步骤2的制备方法获得的成型体在还原性氢气气氛中、在1600～1850℃的温度下保持2～4小时，制备具有改善的表面缺陷抗性的烧结芯块的步骤。

此外，对于双倒角烧结芯块，若上述烧结时间小于2小时，由于烧结引发的致密化不充分，第一倒角很难变扁平，若大于4小时，烧结过度，则导致第一倒角完全扁平，难以发挥其作用。

下面以各实施方式为例，更详细地描述由上述步骤构成的本发明。

本发明的烧结芯块的具体详情列于下表1中。

[表1]

<对比例1>

对比例1中，核电站中使用的是商用烧结芯块。商用烧结芯块为单个倒角，不具有第二倒角。

<对比例2>

对比例2中，制备并使用无脊部的双倒角烧结芯块。

<实验例1>降低表面缺陷性能试验

为了研究降低本发明的烧结芯块的表面缺陷性能，通过模拟烧结芯块堆叠对其进行低循环压缩疲劳试验。

下面，将结合附图对本发明进行详细的描述。按照上述制备方法制得上述实施例1至6的烧结芯块后，模拟包壳内堆叠烧结芯块的情况，并将压力增至500～1500N，循环周期为50(cycle)。在正常状态和异常状态两种情况下进行烧结芯块的堆叠。

在低循环压缩疲劳试验后，去除没有发生破损的烧结芯块，测定产生破损的烧结芯块的重量损失，结果如表2所示。

[表2]

	试验前	试验后	重量变化量
				实施例1	5.8679	5.7521	0.1158
实施例2	5.8075	5.4637	0.3438
				实施例3	5.8101	5.8101	0.0000
实施例4	5.8524	5.6533	0.1991
				实施例5	5.8309	5.6084	0.2225
实施例6	5.8428	5.7069	0.1359
				对比例1	5.4564	4.9744	0.4820
对比例2	5.7866	5.0537	0.7329

如上述表2所示，本发明制得的实施例1至6中的烧结芯块与对比例1所示的商用烧结芯块相比，破损的烧结芯块的数量少且重量损失小。此外，其重量损失也小于对比例2所示的无脊部的双倒角烧结芯块的重量损失。另外，观察烧结芯块破损后的截面可知：双倒角烧结芯块的破损更小。因此，可以看出，模拟包壳内烧结芯块的实施例1至6的烧结芯块的表面缺陷抗性得到提高。

<实验例2>耐压缩强度试验

进行压缩试验以确定施加于本发明的烧结芯块的最大耐压缩强度。压缩测试以1mm/min的速率进行，直至在50N下大约维持10秒后断裂。可以看出，相对于对比例1所示的商用烧结芯块而言，在实施例1至6的双倒角烧结芯块中表现出更高的最大耐压缩强度，表明耐压强度性能得到改善。

[表3]

	最大耐压缩强度(MPa)
		实施例1	105.0
实施例2	115.8
		实施例3	123.8
实施例4	123.1
		实施例5	119.7
实施例6	120.2
		对比例1	83.0
对比例2	76.6

双倒角在成型体的烧结过程中，由于烧结芯块的致密化，角度小的新倒角向芯块中心移动而变扁平，降低了产生表面缺陷的风险。此时，在碟形凹陷与第一倒角之间必须存在倾斜度为0°的脊部。在现有的双倒角相关专利中，由于不存在脊部，而由倒角直接过渡到碟形凹陷，此时应力集中在碟形凹陷中的倒角起始部分，对降低表面缺陷性能没有明显效果。另外，通过增加脊部还具有减少烧结芯块的损失量、提高发电厂的效率的功效。

因此，在本发明中，将脊部置于倒角和碟形凹陷之间，通过倒角的角度变化和脊部的长度改变来提高表面缺陷的抗性。