KR101961837B1 - 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀구조에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 챔버 내부 공간의 기밀을 유지하기 위한 기밀유지수단을 불활성 가스 충진이 이루어질 수 있는 튜브로 구성함으로써, 챔버 내부 공간의 기밀 유지 지속성을 높여 기밀유지수단 교체에 따른 유지 보수 비용을 절감할 수 있으며, 기밀유지수단 파손을 통해 챔버로부터 H2가스가 누출되더라도 불활성 가스 반응을 통해 폭발 위험성을 방지함으로써 안전사고를 예방할 수 있도록 한 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀구조에 관한 것이다.
이를 위해, 소결 작업이 이루어지는 내부 공간으로 소결 대상 압분체가 출입되는 개구부가 형성된 챔버와, 상기 챔버의 내부 공간을 개폐하는 도어를 포함하는 핵연료 소결체의 소결로에 있어서, 상기 개구부와 도어 사이에는 챔버의 내부 공간 기밀을 유지하는 기밀유지수단이 설치되되, 상기 기밀유지수단은 기체 주입을 통해 부풀어 오르는 튜브 타입으로 구성되며, 상기 기체는 질소(N2)로 제공되며, 상기 기밀유지수단은 부피 신축이 유연하게 이루어질 수 있도록 표면이 주름지게 형성되며, 상기 개구부에는 개구부의 일측을 통해 개구부의 타측으로 빠져나가는 관체의 냉각수단이 설치되되, 냉각수단의 일측은 쿨링워터 공급부에 연결되고, 냉각수단의 타측은 쿨링워터 배출부에 연결이 되어, 쿨링워터 공급부와 쿨링워터 배출부는 서로 순환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체의 소결로 도어 기밀 구조를 제공한다.

Description

핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조{A seal structure of sintering furnace for nuclear-fuel sintering}

본 발명은 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 기밀 유지 지속성을 높이고, H2가스 누출로 인한 폭발 위험성을 방지한 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조에 관한 것이다.

원자로는 핵분열 물질의 연쇄 핵분열반응을 인공적으로 제어하여 핵분열에서 발생되는 열에너지를 동력으로 사용하기 위한 장치이다.

일반적으로 경수로 원전에서는 우라늄-235의 비율을 2~5%로 높인 농축우라늄을 사용하며, 원자로에서 사용되는 핵연료로 가공하기 위하여 우라늄을 5g 정도 무 게의 원통형 핵연료 소결체(pellet)로 만드는 성형가공을 한다.

상기 (U,Gd)O2 소결체는 통상적으로 UO2(이산화우라늄) 분말과 Gd2 O3(가돌리니아) 분말을 함께 분쇄하고, 이 분쇄 분말로부터 UO2 소결체의 제조공정과 같은 방법으로 성형 및 소결하여 소결체를 제조한다.

이하, (U,Gd)O2 핵연료 소결체 제조방법을 간략히 살펴보도록 한다.

우선, UO2 분말을 Gd2O3 분말 또는 Er2O3 분말과 함께 혼합하고 분쇄하여 UO2-Gd2O3 분말 또는 UO2-Er2O3 분말을 제조한다.

이때 Gd2O3의 함량은 약 15 중량% 이내 Er2O3의 함량은 4 중량% 이내에서 사용될 수 있다.

이 분쇄분말을 압축 성형하여 성형체(compact)를 만들며, 이러한 성형체를 환원성 기체 분위기에서 가열하여 1700℃ 이상 온도로 8∼10 시간 동안 유지함으로써 소결할 수 있다.

소결은 소결로 내에서 순수한 H2 가스(Pure H₂ Gas) 분위기 하에서 수행되며 이 환원성 가스는 UO2+x 중의 과잉 산소 x를 환원시키는 역할을 한다.

이 H2 가스는 도 1에 도시된 바와 같이, 소결로 입구 측에 있는 배출구(Exhaust Port)로 배출 및 연소된다.

소결로는 도 1에 도시된 바와 같이, 예비소결구역과 소결구역으로 나뉘어져 있는데 과잉 산소 x가 환원되는 구역은 예비소결구역으로써 650℃ ~ 800℃의 환경에서 적용된다.

소결구역에서는 1700℃ 이상의 고온 환경에서 비로소 압분체의 소결이 이루어지는데, 이는 압축된 분말(압분체)이 녹는점(Melting point) 가까이 가열되어 한 덩어리로 만들어지는 과정이라 할 수 있다.

이후, 소결이 완료된 소결체는 소결 구역을 지나 냉각 구역을 일정 시간 거치고 난 뒤 출구(Outlet Door)를 통해 배출된다.

한편, 소결로 입/출구에는 LNG 가스 점화장치(Ignition controller)가 있으며, 소결로의 도어가 열릴 때, LNG 가스 점화장치로부터 발화된 불꽃과 소결로내로부터 누출되는 H2 가스가 만나 H2 가스 커튼(H₂ Gas curtain)이 형성됨으로써 소결로 내부 H2 가스의 외부 누출 및 외부 공기가 소결로 내부로의 유입 되는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.

이를 수행하는데 있어 소결로 입/출구 도어(Door)의 높은 기밀성이 필수적으로 요구된다.

기밀성을 만족하지 못할 시에는 외부 공기가 소결로 내부로 들어가 소결체가 산화가 될 수 있는데 이러한 소결체는 불량품이 된다.

또한, 소결로 내부의 H2 가스가 외부로 유출 시에는 외부 공기와의 직접적인 접촉으로 인해 폭발 위험성이 있기 때문에 도어의 기밀성은 상당히 중요한 것이다.

이하, 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 소결로 도어의 기밀구조에 대하여 살펴보도록 한다.

핵연료 소결체 소결로는 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(10)와, 도어(20)와, 실리콘패드(30)와, 가스 점화장치(40)로 구성된다.

챔버(10)의 선단부에는 압분체 출입을 위한 개구부(11)가 형성된다.

도어(20)는 상기 챔버(10)의 개구부(11)를 개폐하며, 챔버(10)의 하단부에 힌지 결합된다.

도어(20)는 힌지를 중심으로 상,하 방향으로 회동되면서 챔버(10)의 개구부(11)를 개폐하는 것이다.

이때, 도어(20)의 내측면에는 실리콘 패드(30)가 설치된다.

실리콘 패드(30)는 도어(20)와 챔버(10)간 기밀을 유지하는 역할을 하며, 도어(20)의 내측면 가장자리를 따라 설치된다.

이에 따라, 도어(20)를 회동하여 개구부(11)를 폐쇄하였을 때, 챔버(10)로부터 발생한 H2가스는 실리콘 패드(30)의 기밀 유지를 통해 누출되지 않게 된다.

상기 가스 점화 장치(40)는 발화 장치로써, 챔버(10)의 개구부(11)에 가스 커튼을 형성하는 역할을 한다.

즉, 개구부(11)가 개방되었을 때, 가스 점화장치(40)로부터 발화된 불꽃이 개구부(11)로부터 새어나오는 H2가스를 태워 상기 개구부(11)에 가스 커튼을 형성시키는 것이다.

이와 같이 개구부(11) 상에 가스 커튼이 형성됨으로써, 개구부(11)가 개방되더라도 챔버(10) 내부의 H2가스가 외부로 누출되지 않음은 물론, 외기가 챔버(10) 내부로 유입되는 것을 차단하여 산화로 인한 소결체 불량 발생을 방지할 수 있다.

하지만, 상기한 종래의 소결로 도어 기밀 구조는 다음과 같은 문제가 있었다.

첫째, 반복적인 도어(20) 개폐로 인해, 실리콘 패드(30)와 개구부(11)간 잦은 마찰에 의해 실리콘 패드(30)에 손상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 실리콘 패드(30) 교체에 의한 유지 보수 비용이 증가되는 문제가 있었다.

실리콘 패드(30)가 손상되지 않더라도, 사용 시간이 지남에 따라 실리콘패드(30)의 탄성력 저하로 인해 실리콘패드(30)의 기밀 유지 지속성이 떨어지는 문제가 있었다.

이에 따라, 실리콘 패드(30) 교체 주기가 짧아 유지 비용이 증가되는 문제가 있었다.

둘째, 실리콘 패드(30)가 손상될 경우, 실리콘 패드(30)의 손상된 부위와 챔버(10)간 틈(gap)을 통해 H2가스가 누출되어 폭발 위험성이 높은 문제가 있었다.

물론, 챔버(10)로부터 누출된 H2가스를 가스 점화장치(40)가 태워 연소시키기는 하지만, 챔버(10)와 실리콘패드(30)의 변형으로 인해 발생한 틈(gap)에서 불꽃이 지속적으로 유지되면서 실리콘패드(30)가 타버림에 따라 상기 틈(gap)의 크기는 더욱 커져 H2가스 누출량의 확대로 인해 폭발 위험성이 높아지는 문제가 발생하였던 것이다.

대한민국 등록번호 제10-1617721호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 불활성가스 주입을 통해 부피가 신축되는 튜브 타입의 기밀유지수단을 마련하여 기밀 성능 및 기밀 유지 지속성을 높이고, 기밀유지수단이 손상되더라도 기밀유지수단으로부터 불활성 가스의 반응을 통해 폭발 위험을 방지할 수 있도록 한 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀구조를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 소결 작업이 이루어지는 내부 공간으로 소결 대상 압분체가 출입되는 개구부가 형성된 챔버와, 상기 챔버의 내부 공간을 개폐하는 도어를 포함하는 핵연료 소결체의 소결로에 있어서, 상기 개구부와 도어 사이에는 챔버의 내부 공간 기밀을 유지하는 기밀유지수단이 설치되되, 상기 기밀유지수단은 기체 주입을 통해 부풀어 오르는 튜브 타입으로 구성되며, 상기 기체는 질소(N2)로 제공되며, 상기 기밀유지수단은 부피 신축이 유연하게 이루어질 수 있도록 표면이 주름지게 형성되며, 상기 개구부에는 개구부의 일측을 통해 개구부의 타측으로 빠져나가는 관체의 냉각수단이 설치되되, 냉각수단의 일측은 쿨링워터 공급부에 연결되고, 냉각수단의 타측은 쿨링워터 배출부에 연결이 되어, 쿨링워터 공급부와 쿨링워터 배출부는 서로 순환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체의 소결로 도어 기밀 구조를 제공한다.

삭제

또한, 상기 기밀유지수단은 개구부에 대응되는 링 형태로 이루어지고, 상기 개구부에 대향되는 도어의 일면에는, 기밀유지수단이 삽입될 수 있도록 삽입홈이 형성된 것이 바람직하다.

삭제

본 발명에 따른 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀구조는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 가스 주입을 통해 팽창되는 튜브 타입으로 기밀유지수단이 제공됨으로써, 도어와 챔버 사이의 기밀 성능을 높일 수 있다.

또한, 사용 시간이 지나더라도 기밀유지수단의 탄성력이 줄어드는 일을 방지할 수 있기 때문에, 기밀 유지 지속성을 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 기밀유지수단의 교체 주기를 현저히 감소시킬 수 있으므로, 유지 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

둘째, 기밀유지수단의 팽창을 위해 제공된 기체로써, 질소(N2)가 제공됨으로써 기밀유지수단의 파손으로 인해 챔버로부터 H2가스가 누출되더라도 불활성 가스인 질소 반응을 통해 폭발 위험성을 방지할 수 있는 효과가 있다.

셋째, 상기와 같이 기밀유지수단의 기밀유지력 향상을 통해, 외기가 챔버 내로 유입되는 것을 방지할 수 있으므로, 소결체의 품질을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 핵연료 소결체 생산을 위한 소결로를 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 종래 기술에 따른 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조를 나타낸 구성도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조를 나타낸 사시도
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조를 갖는 도어의 개폐 작용을 나타낸 도면.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도 3 내지 도 5b를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀 구조(이하, '도어 기밀 구조'라 함)에 대하여 설명하도록 한다.

도어 기밀 구조는 기체 주입을 통해 부피가 팽창되도록 한 튜브 타입의 기밀유지수단을 구성함으로써, 소결 챔버 내부의 기밀 유지력을 극대화할 수 있으며, 상기 기체는 불활성 가스로 마련함으로써 H2가스 누출로 인한 폭발 위험성을 방지할 수 있다.

도어 기밀 구조는 챔버(100)와, 도어(200)와, 기밀유지수단(300)을 포함하여 구성된다.

챔버(100)는 압분체 소결을 위한 고온의 내부 환경을 제공하며, 챔버(100)의 선단부에는 압분체 출입을 위한 개구부(110)가 형성된다.

상기 개구부(110)에는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 냉각수단(120)이 설치된다.

냉각수단(120)은 후술하는 기밀유지수단(300)을 냉각시키기 위함으로써, 고온의 환경에 밀착되어 있는 기밀유지수단(300)의 과열을 방지하여 기밀유지수단(300)의 기능이 원활하게 유지될 수 있도록 한 구성이다.

냉각수단(120)은 개구부(110)의 일측을 통해 개구부(110)의 타측으로 빠져나가는 관체로 구성됨이 바람직하다.

냉각수단(120)의 일측은 도 3에 도시된 바와 같이 쿨링워터 공급부에 연결되고, 냉각수단(120)의 타측은 쿨링워터 배출부에 연결이 된다.

이때, 쿨링워터 공급부와 쿨링워터 배출부는 서로 순환되도록 마련된다.

다음으로, 도어(200)는 챔버(100)의 개구부(110)를 차폐하며, 도 4에 도시된 바와 같이 챔버(100)의 하단부에 힌지 결합된다.

도어(200)는 힌지를 중심으로 챔버(100)의 개구부(110)를 향해 상방으로 회동되면서 상기 개구부(110)를 개폐시키는 것이다.

도어(200)의 일면에는 기밀유지수단(300) 결합을 위한 삽입홈(210)이 형성된다.

이때, 도어(200)의 일면이라 함은 도어(200)가 개구부(110)를 폐쇄하였을 때, 상기 개구부(110)에 대응되는 면을 말한다.

정확하게는, 상기 삽입홈(210)은 개구부(110)를 구성하는 챔버(100)의 전면을 따라 대응이 된다.

삽입홈(210)은 챔버(100)의 전면을 따라 요홈의 형태로 이루어진다.

이때, 도어(200)의 삽입홈(210)에는 도어(200)의 타면을 향해 관로를 형성하는 기체주입관로(220)가 형성된다.

기체주입관로(220)는 삽입홈(210)에 삽입된 기밀유지수단(300)으로 기체가 이송되는 관로이아다.

다음으로, 기밀유지수단(300)은 챔버(100) 내부의 기밀을 유지시키는 역할을 하며, 도어(200)의 삽입홈(210)에 삽입된다.

기밀유지수단(300)은 기체 주입을 통해 팽창될 수 있도록 튜브 형태로 제공된다.

상기 기밀유지수단(300)은 개구부(110)를 형성하는 챔버(100) 전면에 대응되므로, 링(ring) 형태로 구성됨이 바람직하다.

상기 기밀유지수단(300)의 재질은 신축성 및 내구성이 뛰어난 실리콘임이 바람직하다.

물론, 기밀유지수단(300)의 재질이 실리콘으로 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명의 바람직한 실시예에서의 기밀유지수단(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 실리콘 튜브로 구성된 것이다.

이때, 실리콘 튜브(300)의 일측에는 기체 주입을 위한 노즐(310)이 마련된다.

이때, 실리콘 튜브(300)의 노즐(310)은 삽입홈(210)에 형성된 기체주입관로(220)에 삽입된다.

상기 실리콘 튜브(300)는 상기한 바와 같이, 실리콘 튜브(300) 내부로 기체 주입을 통해 팽창이 되는데 이러한 팽창 작용이 원활하게 이루어질 수 있도록 실리콘 튜브(300)의 표면은 주름지게 형성됨이 바람직하다.

또한, 실리콘 튜브(300)는 항상 팽창되어 있는 것은 아니며, 도어(200) 개폐에 따라 기체 주입 및 배출이 이루어지므로, 실리콘 튜브(300)는 신축 작용을 한다.

즉, 도어(200)가 챔버(100)를 폐쇄하였을 때에는, 기체 주입을 통해 실리콘 튜브(300)를 팽창시키며, 도어(200)가 챔버(100)를 개방하였을 때에는 기체 배출을 통해 실리콘 튜브(30)를 수축시키는 것이다.

도어(200)가 챔버(100)를 폐쇄하고 있는 상태에서는, 실리콘 튜브(300)의 팽창 압력이 챔버(100) 내부의 압력과 균형을 이루면서 실리콘 튜브(300)의 팽창된 상태가 유지될 수 있지만, 도어(200)가 챔버(100)를 개방한 상태에서도 실리콘 튜브(300)의 팽창 압력이 동일하다면 외기 압력과는 균형을 유지하지 못하고 실리콘 튜브(300)의 과압으로 인해 상기 실리콘 튜브(300)가 터져 손상될 수 있을 것이다.

이에 따라, 실리콘 튜브(300)는 노즐(310)을 통해 기체 주입 및 배출이 이루어지도록 하면서 신축되도록 구성되어야 하는 것이다.

한편, 실리콘 튜브(300)는 상기한 바와 같이 신축 작용이 이루어져야하는 바, 이러한 신축작용이 원활하게 이루어질 수 있도록 소위 자바라라 불리우는 주름진 구성으로 이루어짐이 바람직한 것이다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 도어 기밀 구조를 갖는 소결로 도어의 기밀 작용에 대하여 살펴보도록 한다.

도 5a는 도어(200)가 회동하여 챔버(100)의 내부를 개방하고 있는 상태의 소결로 요부를 나타낸 단면도이다.

도어(200)는 챔버(100)로부터 하방으로 회동하여 개구부(110)를 개방하고 있으며, 기밀유지수단인 실리콘 튜브(300)는 삽입홈(210) 상에서 수축된 상태이다.

즉, 도어(200)가 챔버(100) 내부를 개방하고 있을 때에는, 실리콘 튜브(300)로부터 질소를 배출하여 실리콘 튜브(300)를 수축시켜 놓는 것이다.

이후, 소결 작업을 위해, 도어(200)를 상방으로 회동하여 도 5b에 도시된 바와 같이 챔버(100) 내부를 폐쇄시킨다.

다음으로, 질소공급부를 통해 실리콘 튜브(300)내로 질소를 주입시킨다.

이에 따라, 실리콘 튜브(300)는 질소 주입에 의해 삽입홈(210)상에서 팽창되어 챔버(100)의 전면에 압착이 된다.

이때, 질소 주입 압력은 공지된 기술을 통해 제어할 수 있음은 이해 가능하다.

이후, 일련의 소결 공정을 실시한다.

한편, 상기와 같이 실리콘 튜브(300)에 의해 챔버(100) 내부의 기밀이 유지된 상태에서 다양한 요인에 의해 실리콘 튜브(300)가 터져 손상되는 경우, 기밀이 해제되면서 챔버(100)로부터 H2가스가 누출될 수 있다.

하지만, 실리콘 튜브(300)가 터지되면서 질소가 누출됨에 따라, 불활성 가스인 질소의 반응에 의해 H2가스 누출로 인한 폭발 위험을 차단할 수 있다.

즉, 실리콘 튜브(300)는 기밀 유지외에도 H2가스 누출로 인한 폭발 위험성을 방지할 수 있는 복합적인 기능이 있는 것이다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 핵연료 소결체 소결로의 도어 기밀구조는 기밀유지수단(300)으로써 가스 주입에 따라 팽창되는 튜브 타입으로 제공이 된다.

이에 따라, 챔버(100) 내부의 기밀 성능 및 기밀 유지 지속성을 높일 수 있으며, 질소 충진이 이루어짐으로써 실리콘 튜브(300) 파손에 의해 챔버(100)로부터 H2가스가 누출되더라도 불활성 가스인 질소가 폭발 위험성을 방지할 수 있어 기밀유지 뿐만아니라 안전사고도 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 챔버 110 : 개구부
120 : 냉각수단 200 : 도어
210 : 삽입홈 220 : 기체주입관로
300 : 기밀유지수단(실리콘 튜브) 310 : 노즐

Claims (4)

1. 소결 작업이 이루어지는 내부 공간으로 소결 대상 압분체가 출입되는 개구부가 형성된 챔버와, 상기 챔버의 내부 공간을 개폐하는 도어를 포함하는 핵연료 소결체의 소결로에 있어서,
   상기 개구부와 도어 사이에는 챔버의 내부 공간 기밀을 유지하는 기밀유지수단이 설치되되,
   상기 기밀유지수단은 기체 주입을 통해 부풀어 오르는 튜브 타입으로 구성되며,
   상기 기체는 질소(N2)로 제공되며,
   상기 기밀유지수단은 부피 신축이 유연하게 이루어질 수 있도록 표면이 주름지게 형성되며,
   상기 개구부에는 개구부의 일측을 통해 개구부의 타측으로 빠져나가는 관체의 냉각수단이 설치되되, 냉각수단의 일측은 쿨링워터 공급부에 연결되고, 냉각수단의 타측은 쿨링워터 배출부에 연결이 되어, 쿨링워터 공급부와 쿨링워터 배출부는 서로 순환되도록 구성된 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체의 소결로 도어 기밀 구조.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 기밀유지수단은 개구부에 대응되는 링 형태로 이루어지고,
   상기 개구부에 대향되는 도어의 일면에는, 기밀유지수단이 삽입될 수 있도록 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 핵연료 소결체의 소결로 도어 기밀 구조.
   
   
   
   
   
4. 삭제

Images