UO₂의 소결 : 그 특성과 응용

UO₂ 산화물계 핵연료는 U, Pu 등의 금속계 핵연료에 비해 고온에서 안정하고, 높은 출력을 얻을 수 있다. 따라서 현재 대부분의 발전용 원자로의 핵연료로 사용된다. UO₂ 핵연료의 소결에서 가장 큰 특성은 소결 분위기의 영향을 크게 받는다는 점으로 동일한 출발 원료를 사용하여도 소결 분위기의 산소 분압에 따라 치밀화 및 입자성장 kinetics가 크게 달라진다. 즉, 같은 정도의 치밀화, 입자성장을 얻기위하여 H₂를 이용한 환원분위기에서는 1700℃의 고온이 필요하지만, 질소, 아르곤 CO₂ 등을 이용한 그보다 산소 분압이 높은 분위기에서는 1100~1300℃의 온도면 충분하다. 고연소도 핵연료의 제조를 위하여 실제 핵연료의 미세조직을 제어, 설계하기 위해서는 각각의 소결분위기에서 치밀화 및 입자성장 기구를 이해하는 것이 매우 중요하며, 최근의 연구에 의하면 H₂(1700℃), CO₂(1100℃) 분위기에서 순수한 UO₂를 소결하는 경우, 치밀화 기구는 U 이온의 체확산으로 동일하며 kinetics만 크게 다른 것으로 알려져 있다. 입자성장 기구는 표면확산에 의한 기공제어 입자성장과 solute drag에 의한 입계제어 입자성장을 고려할 수 있다. 표면확산에 의한 기공제어 입자성장을 가정하는 경우, 소결 분위기의 산소 분압이 높아지면 체확산 뿐만아니라 표면 확산도 크게 증가하는 것으로 생각되며, solute drag에 의한 입계제어 입자성장을 가정하는 경우에는 소결분위기의 산소 분압에 따라 입계 자체의 이동도가 증가하는 것으로 여겨진다.