UO₂ 소결체의 미세구조 제어

핵연료의 방출연소도를 높이면 핵분열 기체생성물의 증가로 중성자 이용률의 저하와 봉내압 증가 및 부식성 기체의 과량 존재로 인한 PCI(Pellet Cladding Interaction) 발생 등이 핵연료의 건전성과 관련하여 문제점으로 대두된다. 따라서 고연소도 운전에서 기존 핵연료봉의 설계변경 없이 운전할 수 있으려면 핵분열 기체생성물 방출이 적은 UO₂ 소결체 개발이 선행되어야 한다. UO₂의 입자크기를 크게 하여 확산거리를 늘리거나 개기공도를 작게 함으로써 핵분열 기체생성물의 방출을 효과적으로 제어할 수 있다. 입자크기가 큰 UO₂ 소결체는 소결 분위기나 첨가제를 조절하여 제조하는 방법이 있고, 개기공도를 낮추는 소결체는 소결밀도를 높이거나 혹은 Al 화합물을 첨가하여 얻어질 수 있다. 큰 결정립 UO₂에서의 핵분열 기체생성물 방출거동은 연소이력 조건에 따라 크게 달라지며, 가압경수로 운전조건에서 결정입자가 큰 UO₂ 소결체는 저 핵분열 기체생성물 방출 관점에서 매우 효과적이다. 그러나 CANDU 조건과 같이 높은 국부봉출력으로 장시간 연소될 경우에는 큰 결정입자 UO₂ 소결체가 기존의 상용 UO₂ 소결체에 비하여 여전희 낮은 핵분열 기체 생성률을 보이지만 그 차이는 20~30% 정도로 매우 작다. 큰 결정입자 UO₂ 소결체의 평균 결정입자 크기가 약 40~80 ㎛이면 저핵분열 기체생성물 방출관점에서 효과적인 것으로 보고되었으며, 이러한 UO₂를 만드는 방법은 크게 나누어 소결온도와 소결시간 조절법, 활성 UO₂ 분말 이용법, 소결분위기 조절법 및 첨가제 첨가법 등이 있다. Al(OH)₃, AlOOH, Al₂O₃, Al-distearate와 같은 Al 화합물을 UO₂에 첨가하여 소결체를 제조하면, 입자크기가 크고 개기공도도 낮은 UO₂ 소결체를 제조할 수 있다. 순수한 UO₂의 경우는 소결밀도가 10.35g/㎤ 이상일 때 개기공도가 1% 미만인 반면, Al 화합물이 UO₂에 첨가되면 소결밀도가 10.35g/㎤보다 낮아도 개기공도가 1% 미만으로 감소하였다.