UO₂의 결함구조와 재료특성

UO₂ 핵연료소결체의 기본적인 물성과 핵연료의 성능에 결정적 영향을 미치는 고온프로세스와의 관계를 분석하기 위해 UO₂+x의 결정구조, 상평형, 결함구조 등을 알아보고 소결체의 물성과 그에 따른 확산, 크립거동, 열전도도 등, 재료의 고온 열적프로세스 변화에 대해 조사하였다. 우라늄과 산소는 여러가지 화합물을 형성하며 고온에서 단상의 넓은 UO₂?x영역을 가질 수 있다. UO₂는 cubic fluorite 구조이며 산소포텐샬에 따라 분위기 중의 산소와 반응하여 과잉산소를 취함으로서 UO₂?x 상태가 되며, x에 따라 격자상수, 결함농도 또는 결함구조가 변한다. Stoichiometric UO₂에서 가장 우선적으로 존재하는 결함은 anti-Frenkel defect이다. UO₂?x에서는 산소포텐샬과 x와의 관계로부터 존재할 확률이 가장 높은 결함구조를 알 수 있으며 Willis의 (2:2:2)m cluster가 일반적으 로 인정되고 있다. UO₂ 핵연료는 산소조성에 따라 격자상수, 결함구조 등이 변하며 우라늄과 산소의 확산계수, 열전도도, 크립특성 등에 큰 영향을 미친다. UO₂+x에서 과잉산소가 증가하면 우라늄이온과 산소의 확산속도가 증가하며, 따라서 소결이 촉진되고 고온크립에서는 변형기구와 변형속도가 변하게 된다. UO₂+x에서 우라늄이온의 확산속도는 연구자들에 따라 많은 차이가 있어서 1200~2200℃ 범위에서 10-12~10-16 ㎠/sec이며 과잉소농도 x1.5~x²에 비례하여 증가 한다. 그러나 우라늄이온의 확산속도가 산소이온 보다 10?~10?배 느리기 때문에 모든 고온프로세스의 진행속도를 좌우한다. 한편 UO₂의 열전도도는 우라늄과 산소이온 사이의 질량차이가 커서 다른 천이금속산화물 보다 열전도도가 훨씬 떨어진다. 또한 UO₂격자내에 intrinsic defect의 농도가 높거나 과잉산소에 의해 많은 결함이 생성되면 phonon-defect scattering 에 의해 열전도도가 감소한다. UO₂ 핵연료소결체의 밀도, 결정립과 기공의 크기 및 분포가 열전도도와 크립거동에 영향을 미친다. 일반적으로 밀도가 증가할수록 열전도도가 높고 크립변형속도가 감소한다. 소결체의 결정립크기가 열전도도에 미치는 영향은 아직 뚜렷하게 밝혀지지 않았으나, 크립거동에 있어서 변형속도 또는 천이응력과 관계 된다.