KR100877757B1

KR100877757B1 - 원자력과 화력 발전소내의 연료 격납 방호벽 및 다른 적용에 대한 다층 세라믹 관과 그에 대한 방법

Info

Publication number: KR100877757B1
Application number: KR1020077000381A
Authority: KR
Inventors: 허버트 핀로스; 알. 하오 버나드
Original assignee: 감마 엔지니어링 코포레이션
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP4763699B2; WO2006076039A3; JP2008501977A; KR20070020128A; EP1774534A4; WO2006076039A2; US20060039524A1; EP1774534A2; US20090032178A1

Abstract

다층 세라믹 관은 고순도 베타 상태 화학량론적 탄화규소를 갖는 내부층, 연속된 베타 상태 화학량론적 탄화규소 섬유를 갖는 중심 합성물 층, 및 섬세하게 낟알모양으로 된 탄화규소를 갖는 외부층을 갖는다. 세라믹 관은 발전소 또는 원자로에서 사용되는 연료봉용 피복관으로써 사용되기에 특히나 적합하다. 세라믹 관은 높은초기의 갈라짐 저항성, 인성, 강성, 높은 강도, 그리고 충격 및 열적 충격 저항성의 바람직한 결합으로 구성될 수 있다.

다층 세라믹 관, 탄화규소, 원자력, 흑연, 우라늄

Description

원자력과 화력 발전소내의 연료 격납 방호벽 및 다른 적용에 대한 다층 세라믹 관과 그에 대한 방법{MULTI-LAYERED CERAMIC TUBE FOR FUEL CONTAINMENT BARRIER AND OTHER APPLICATIONS IN NUCLEAR AND FOSSIL POWER PLANTS AND METHOD THEREOF}

이 출원은 35 U.S.C.부 119(e)하에 미국에 우선권의 이익을 청구한다. 2004년 6월 7일에 제출된 임시출원 일련번호 제 60/577,209 호, 그리고 2005년 6월 6일에 제출된 미국특허 출원번호 제 11/144,786 호는 참조로서 본 명세서에 완전히 병합된다.

이 출원에 기재된 본 기술은, 미국의 에너지-승인정부기관 #DE-FG02-01ER83194로부터 중소기업 혁신 조사 승인하에 부분적으로 개선되었다. 본 발명은 원자로내에서 핵분열 연료를 포함하기 위해 사용된 장치에 관한 것이다.

오늘날 수많은 원자로에서, 연료는, 지르코늄 합금이나 강철 합금으로 일반적으로 구성되는 "핵연료 피복관"이라고 통상 일컫는 밀봉된 금속관내에 포함된다. 핵연료 피복관은, 모든 방사성 가스 및 고체 핵분열 생성물이 관내에 있게, 그리고, 원자로의 일반 동작에서, 또는 있을 수 있는 사고에서, 냉각재에 방출되지 않게 설계된다. 핵연료 피복관의 파괴는, 열, 수소 그리고 궁극적으로 핵분열 생성물이 냉각재로 이를 수 있다.

종래의 핵연료 피복관의 문제는 기술분야에서 알려져 있다. 예를 들면 금속 피복관은 상대적으로 유연하고, 그리고 냉각재 시스템으로 간혹 들어가서 연료에 접촉된 파편에 의해 닿게 될 때, 금속 피복관은 마멸되고 부식된다. 그러한 마멸 및 부식은 간혹 금속 격납 경계부의 갈라진 틈을 만들 수 있어서, 핵분열 연료 생성물이 냉각재로 방출된다. 게다가, 금속 피복관은 2,000℉(1,093℃)이상의 뜨거운 물로 발열 반응을 하게 되어, 핵연료에 의해 발생된 핵분열 생성물 붕괴에 추가된 열을 더하게 된다. 금속 피복관으로부터 이 추가된 열은 스리마일 섬에서 일어난 사고와 같이, 사고의 가혹함과 지속기간을 악화시킬 수 있다.

사고중 발생되는 고온에 노출될 때, 많은 금속은 강도가 약해진다. 예를 들면, 잘못된 설계로 인한 냉각재 사고 동안, 일반 원자력발전소에서의 온도는 2,200℉(1,204℃)만큼 높게 될 수 있고, 이 온도로 인해 지르코늄에 기초한 합금과 같은 금속은 대부분의 금속 강도를 잃고, 그 결과 풍선처럼 내부 핵분열 가스 압력이 팽창된다. 이 팽창은 사고시의 비상 냉각 상태 동안에 냉각재를 차단하는 경향이 있다. 유사하게, 연료요소의 표면 상에 비등막을 만들어 내는 손실사고는, 금속 표면온도를 단기간 증가시키고 강도를 매우 약하게 만들며, 그리고 연료요소를 손상시킨다. 지르코늄합금 피복관은, 산화되는 경향이 있고, 장기간 동안 냉각재에 노출되면 약해지게 되고, 그리고 전형적인 반응성 삽입사고 동안 연료 팰릿은 내부 기계적 부하를 만들어내는 피복관보다 더 빨리 가열되어서, 약해진 금속 피복관은 파괴된다.

사고중에 발생될 수 있는 심각한 결과를 피하기 위해, 모든 핵연료 금속피복 관은 손실 사고중 막비등(film boiling)을 막기 위해 핵비등 이탈(DNB)의 마진을 두고 동작 되어야 한다. 이 동작 제한은, 평균 중심 열 유동을 제한함으로써, 원자로의 최대 열비율을 허용할 수 있게 한다. 또한, 지르코늄합금 피복관의 산화 및 취화를 막기 위해, 현 연방 규약 조항은 톤(mwd/t)당 62,000 메가와트-일(day)의 우라늄 연료이상이 되지 않도록 그런 금속 피복관 우라늄 연료의 노출량을 제한한다. NUREG/CR-6703에서,"60 GWD/MTU에 관한 확장된 연료소비의 환경적 효과(Environmental Effects of Extending Fuel Burnup Above 60 GWD/MTU)"(2001년 1월)를 참고하길 바란다.

비용을 줄이고 원자로 사고중에 안전을 높이기 위해 핵연료 피복관을 개선시키는 시도는 있었다. 예를 들면, 페인로스(Feinroth)에 발행된 미국특허 제 5,182,077 호에서, 본 발명은, 사고시에 금속피복관에 부과된 손상을 완화시키기 위해, 핵연료 피복관의 금속 합금을 연속섬유 세라믹합성물(CFCC)로 대체시킨 것을 제안했다. 대표적으로 제안된 합성물은 연속 알루미나 섬유 및 알루미나 매트릭스로 구성된다. 이러한 합성물은 금속 피복관의 상술된 결점을 보완해주지만, 그러나 그 사용에는 특정 제한을 가진다.

예를 들면, 알루미나 합성물은 중성자 조사 하에서 그 강도를 잃어버릴 수 있어서, 사고시 부과된 기계적 및 열적 강도를 버티기에는 한계가 있다. 또한, 미국 특허 제 5,182,077 호에서 개시된 알루미나 합성물은 10 ~ 20 %의 내부 다공률을 포함하며, 필요에 따라 기계적 부하 하에서 손상을 줄일 수 있다. 그러나, 이 다공률로 인해 합성물이 핵분열 가스에 삼투할 수 있어서, 수용 불가능한 핵분열 가스가 피복관을 통해 냉각재에 이를 수 있게 된다. 예를 들면, 미국 에너지 정부기관의 수여번호 DE FG03-99SF21887에 제출된, 감마엔지니어링 NERI 리포트 41 FR에서 "공업용수 원자로 연료에 대한 연속섬유 세라믹합성물(CFCC) 피복관(Continuous Fiber Ceramic Composite (CFCC) Cladding for Commercial Water Reactor Fuel)"(2001년 4월)을 참고하길 바란다.

이러한 알루미나 합성물의 정련은, 미국 핵 사회절차-ICAPP 협의에서, 에이치.페인로스 등의 "개선된 원자로 피복 적용에 대한 불침투성이 가능한 고온 세라믹 합성물을 전개시키는 공정"에서 설명된다. 페인로스 등은 미국 특허 제 5,182,077 호에 기재된 알루미나 합성물을 이중 층 탄화규소(silicon carbide) 관으로 대체하는 것을 제안했는데, 여기서 이중 층은 핵분열 가스로 고밀도 침투를 막을 수 있는 방호벽 역할을 하는 내부층과, 손상 없이 고온에서 열적 및 기계적 충격효과에 버틸 수 있는 세라믹 합성물의 역할을 하는 외부층으로 구성된 것을 말한다. 그러나 제안된 관은 공업용수 원자로와, 물, 가스, 또는 액체 금속 냉각재를 사용하는 개선된 고온 원자로에서의 신뢰할만한 성능을 떨어뜨리는 몇 가지 결점을 가진다.

예를 들면, 합성물 층에서 짜진 섬유 토우(tow)는, 연료요소 피복관 물질에서 필요로 하는 기계적 강도, 열적 도전성, 및 침수 저항력을 저해할 수 있는 커다란 보이드를 포함한다. 큰 보이드는, 페인로스 등에 의해 사용된 섬유 토우를 짜는 기술에서 자연적으로 생긴 것이다. 또한, 내부층용으로 사용된 소결된 모놀리식 층(관)은, 과도한 부풀림이나 손상없이 중성자 조사를 견디는 관의 성능을 방해하는 붕소 또는 알루미나와 같은 소결 부가물을 포함한다. 그러한 소결 부가물은 소결된 SiC 관이 성공적으로 제조되기 위해서는 필수적이다.

내부층에 대하여, 페인로스 등에 의해 사용된 소결된 모놀리식 층은, 결정구조가 합성물 층을 형성하기 위해 사용된 베타 상태의 섬유와는 다른 "알파" 결정상태 탄화규소로 구성된다. 그와 같이, 중성자 조사 하에, 내부관은 베타 상태의 섬유를 포함하는 합성물 층과는 다른 팽창률을 가질 수 있으며, 중성자 조사 중에는 탈-적층을 가능하게 한다. 북서부 연구 리포트 NERI- PNNL 14102에서, 알. 에이치. 존스의 "고온 핵분열 원자로에 대한 개선된 세라믹 합성물(Advanced Ceramic Composites for High Temperature Fission Reactors)"(2002년 11월)을 참고하길 바란다.

또한, 내압을 받을시 모놀리식 층으로부터 부하를 전달해야 하기 때문에, 페인로스에 의해 사용된 합성물 층은 사전에 짜진 섬유로 구성되어 사전에 응력을 받지 않는다. 그 결과, 모놀리식 층이 그 손상 응력에 이르기 전 합성물 층이 부하를 분배할 수 있는 경우보다 더 낮은 내압에서 모놀리식 층이 손상될 수 있다. 이것은 도 12에 도시된 바와 같이, 오크리지 국립 연구소(Oak Ridge National Laboratory)에서 테스트 리그(rig)의 내압을 2 개의 관으로 비교한다. 동일한 SiC 모놀리식 층들은 양 층들에 대해 사용되지만, 그러나 듀플렉스 관내의 모놀리식 층은 듀플렉스 관을 형성하기 위해 합성물 층으로 강화된다. 듀플렉스 관은 전용 모놀리식 층보다 더 강하고 사전-응력된 섬유 권취(winding)에 의해 구비된 부하 공유의 이익을 준다. 짜진 섬유 듀플렉스 관은 강화성을 제공하지 않아서, 이 부하 공유의 특징을 제공하지 않는다.

그러므로, 필요한 것은 개선된 안전성과 성능 특징을 제공하는 원자로 내의 핵분할 연료를 포함하기 위해 사용될 수 있는 개선된 연료 피복관이다.

본 발명은, 모놀리식 탄화규소의 내부층, 탄화규소의 매트릭스에 의해 둘러 싸인 탄화규소 섬유의 합성물인 중심층, 그리고 모놀리식 탄화규소의 외부층을 포함하며, 모든 층은 화학량론적 베타 상태 탄화규소(stoichiometric beta phase silicon carbide) 결정으로 구성되는 다층 세라믹 관을 제공한다. 또 다른 바람직한 관점에서, 원자로 또는 발전소에서, 다층 세라믹 관은 분할되거나 또는 완전-길이를 갖는 연료봉용 피복관으로서 사용될 수 있으며, 그리고 다중 세라믹 관을 포함하는 연료 부속품으로 그룹화될 수 있다. 본 발명의 추가적인 관점에서, 탄화규소 간격 유지 탭 또는 그 외부 표면의 일체부로서 와이어를 각각 갖는 다층 세라믹 관은 연료 부속품으로 그룹화될 수 있다. 본 발명의 또 다른 추가관점에서, 다층 세라믹 관은 열 교환기로서 사용될 수 있다.

본 발명의 부가적 이점 및 특징은 다음의 도면, 상세한 설명, 및 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는 예들로부터 명확해진다.

도 1은 본 발명의 다층 세라믹 관의 개략적인 단면을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 세라믹 관의 제조에서 사용된 섬유의 사전-형성을 도시한 것이다.

도 3은 부분적으로만 완성된 제조공정의 권취부를 지닌 섬유의 사전-형성을 도시한 것이다.

도 4는 조사 레벨 또는 원자당 이동(dpa)의 기능으로서, 동일 합성물의 비조사된 강도에 대해 탄화규소 합성물의 조사된 강도의 비율을 도시한 것이다.

도 5는 부속품내의 피복된 연료봉의 배치를 갖는 전형적인 가압수형 원자로(PWR)의 사시도를 도시한 것이다.

도 6은 탄화규소 듀플렉스 피복관의 배치를 분리하기 위해, 그리고 지지하기 위해 사용될 수 있는 일체적 간격 탭의 기계적 구성을 개략적으로 도시한 것이다.

도 7은 TRISO 연료 슬러그용 제 2 격납 방호벽으로서 본 발명의 다층 세라믹 관의 사용을 도시한 것이다.

도 8은 종래의 지르코늄 합금과 비교했을 때, 다양한 형태의 탄화규소에 대한 온도 대 강도 데이터를 도시한 것이다.

도 9A 및 도 9B는 제조공정 동안 획득된 세라믹 관을 도시한 것이다. 우선, 도 9A는 본 발명의 2 개 층의 세라믹 관을 도시한 것이며, 도 9B는 종래 기술분야의 관을 도시한 것이다.

도 10은 본 발명의 세라믹 관의 강도를 측정하기 위해 사용된 테스트하는 배치기를 개략적으로 도시한 것이다.

도 11은 본 발명의 세라믹 관의 강도 측정의 결과를 보여주는 챠트를 도시한 것이다.

도 12는 듀플렉스 탄화규소관을 비교할 때, 모놀리식 탄화규소의 변형응답의 챠트를 도시한 것이다.

도 13은 탄화규소든지, 지르칼로이로 피복될 수 있는 종래의 15 x 15 연료 부속품의 단면도를 도시한 것이다.

도 14는 본 발명의 탄화규소 쿠폰 및 관의 부식 테스트의 현 결과를 도시한 것이다.

도 15는 냉각재 사고의 손실조건으로 모의 실시하여, 본 발명의 세라믹 관을 노출하는 동안 획득된 온도 대 데이터를 도시한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 구성함으로써, 아울러 다음 예들의 역할을 본 발명으로 설명함으로써, 참조는 구성될 수 있다. 이 실시예는 이 기술분야의 해당 당업자가 본 발명의 원리를 충분한 설명으로 기재할 수 있도록 했으며, 다른 실시예가 이용될 수 있다는 것을 이해하고, 그리고 구조적, 화학적, 생물학적 변화는 본 발명의 기술요점 및 범위에서 벗어남 없이 구성될 수 있다.

본 발명은 누출없는 압력하에서 가스 및 액체를 유지하는 성능을 가지고, 그리고 금속 및 다른 세라믹 합성물과 유사한 연성의 방식으로 실행하는 다층 세라믹 관을 제공한다. 이 세라믹 관은, 연료 피복관으로서, 원자로내의 우라늄 연료를 덮고 포함하기 위해, 그리고 포함된 우라늄 연료로부터 외부 냉각재로 열전달을 효과적으로 하기 위해 종래의 지르코늄 합금 대신에 사용된다. 세라믹 관은 산업적 적용에서 고온의 열 교환기 관으로써 상용화될 수도 있다. 다음의 설명은, 단일 세라믹 관이 이런 양 기능을 실행하도록 하는 본 발명의 특징을 나타내며, 그리고, 그런 특징의 가치를 제공할 수 있는 핵 및 산업 시장에서 다양한 적용을 보여준다.

A. 구조 및 제조

도 1을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 세라믹 관(10)은, 탄화규소(SiC)의 3 개 층으로 구성되고, 그리고 오늘날의 원자로, 및 그 이후 세대의 원자로, 이외에 상세한 설명 중 부분(C)의 이하에서 기재되는 다른 용도로 핵연료 피복관으로써 사용되기에 적당하다. 3 개 층은, 도 1에서 도시된 바와 같이, 내부 모놀리식 층(20), 중심 합성물 층(22), 및 보호 외부층(24)로 구성된다.

내부 모놀리식 층(20)은 화학증기증착(CVD)으로 형성된 고순도 베타 상태의 화학량론적 탄화규소이다. 이 층은 실질적으로 다공성이 없기 때문에, 일반 동작중 및 일시적 사고중에는 방사성 핵분열가스의 방출을 막는 핵분열 가스 격납 방호벽의 역할을 한다. CVD 베타 상태의 SiC 사용은, 페인로스 등에 의해 기재된, 이와 같은 종래 생성물, 즉, 알파 상태의 소결된 탄화규소로 구성되고, 붕소나 알루미나와 같은 소결 촉진제를 포함하며, 그리고 조사 중에 수용 불가능한 팽창으로 인해 손상될 수 있는 종래 생성물의 결점을 해결한다. 북서부 연구 리포트 NERI- PNNL 14102에서, 알. 에이치. 존스의 "고온 핵분열 원자로에 대한 개선된 세라믹 합성물(Advanced Ceramic Composites for High Temperature Fission Reactors)"(2002년 11월)을 참고하길 바란다.

중심 합성물 층(22)은 내부 모놀리식 층 상에서 단단하게 권취되고 탄화규소 매트릭스로 주입된 연속 베타 상태의 화학량론적 탄화규소 섬유를 갖는 하나 이상의 층으로 구성된다. 중심 합성물 층(22)은 우선 탄화규소 섬유를 조립하여 토우로 만들고, 사전-형성을 형성하기 위해 토우를 권취시킨 후에, 탄화규소 매트릭스를 지닌 사전-형성을 주입시킴으로써 구성된다. 주입/매트릭스 치밀화 공정은 중심 합성물 층내의 모든 물질을 베타 상태의 SiC로, 즉 조사 중에 균일한 팽창을 확보하고 조사 중에 탈-적층, 다른 합성물에 대한 공통 손상을 막을 수 있는 베타 상태의 SiC로 전환시킨다.

섬유 구조는, 심각한 사고로 인해 기계적 및 열적 강도를 견뎌내기 위해 특별히 설계되며, 그리고 권취중에 섬유 토우의 인장을 선택하고 제어하는 것은 토우와 모놀리식 층(20) 사이에서, 그리고 토우들 사이에서 매트릭스 물질이 보다 균일하게 분포할 수 있도록 증진시킨다. 토우는, 상업적으로 이용가능하고, 그리고 고순도이며 베타상태인 8 내지 14의 마이크론 직경을 가진 탄화규소 섬유를 500 내지 1600 개 결합함으로써 형성된다. 본 발명의 피복관의 제조 사용에 알맞은 다양한 섬유 구조를 도시한 도 2에서 도시된 바와 같이, 토우는, 적절한 후프(hoop)와 축성 인장 강도 및 내압에 대한 저항을 구비하기 위한 구조적인 설계로 내부 모놀리식 층(20) 상에 감긴다.

각 근접한 토우 권취는 탈적층에 대한 저항력을 제공하기 위해, 그리고 방사상의 구조적 일체성을 증가시키기 위해 이전의 역방향으로 토우 권취를 겹치게 한다. 이것은 겹쳐진 섬유 토우를 갖는 부분적으로 감겨진 관의 사전-형성을 도시한 도 3에서 나타난다. 권취각은, 기술분야의 해당 당업자에 의해 알려진 바와 같이, 원하는 강도 및 저항력에 따라서 변화할 수 있다. 적당한 기계적 강도는 관 축에 대해 +45 도와 -45 사이에서 서로 엇갈리는 권취각으로 달성되고, 그리고 +52 도와 -52도 사이에서 서로 엇갈리는 층의 권취각으로, 후프와 축 둘 다의 방향에서 내압 에 대한 저항력을 최적화하게 상쇄시킨다.

토우 섬유는, 간혹 2 개(부하를 받는 동안 슬리피지(Slippage)에 필요한 약한 경계면을 제공하는 내부 열분해 탄소 하위-층과, 산화환경에 대해 보호하기 위한 외부 SiC 하위-층)의 하위-층을 포함하여, 1 마이크론의 두께 미만을 갖는 경계면 SiC로 코딩된다. 이러한 경계면 코팅은 권취 이전에 적용될 수 있거나, 대안적으로, 권취되고 탄화규소 매트릭스의 침투 이전에 적용될 수 있다. 밀집한 매트릭스에 둘러싸인 고강도 화학량론적 섬유 상의 이러한 경계면 코팅은 합성물 층(22)이 매우 심한 변형이 되는 것을 막도록, 필요에 따라 원자로 사고중에 버틸 수 있도록 하게 한다.

예를 들면, 베스맨(Besmann) 등은 0.17 ~ 0.26 마이크론을 갖는 탄소 경계면 코팅이 섬유 풀아웃을, 그리고 SiC/SiC 합성물에서의 손상을 적게 확보하기 위해 필요하다는 실험적 증거를 설명했다. 특히, 과학 253:1104-1109(1991년 9월 6일)에서, 특히 도 6에서, 배스맨 등의 "증기 상태 제조 및 연속 필라멘트 세라믹 합성의 속성(Vapor Phase Fabrication and Properties of Continuous Filament Ceramic Composites)"을 참고하길 바란다. 유사하게, 약 0.5 마이크론 두께 미만인 탄소 경계층은, 인가된 부하하에서, 경계면을, 섬유의 풀아웃을 제공하는 매우 약하게 둘러싸인 탄화규소 매트릭스에 제공하여, 이로써 관의 직경을 5% 초과하는 후프의 변형에서 피복관이 우라늄 연료 격납 성능을 유지할 수 있도록 한다.

그 후, 이 "사전-형성"은 다중-단계 공정에서, 화학증기침투(CVI), 폴리머 침투 및 열분해(PIP) 또는 그 둘의 조합과 같은 접근으로 매트릭스 치밀화를 포함하여 SiC 매트릭스로 주입된다. 주입 공정은, 간혹, 합성 모놀리식 층 경계면에 근접한 보이드를 채우는 PIP의 사용을 전제로 하여, 각 섬유에 둘러싸인 중요한 베타 상태 증착으로 정밀한 사전-형성을 생성한다. 밀집된 매트릭스의 최종처리는 모든 물질이 베타상태로 전환되는 것을 확보한다.

침투의 바람직한 방법은 화학증기침투(CVI)공정이다. 이 공정에서, 수소가스로 혼합된 메틸트리클로로실란(MTS : methyltrichlorosilane)는, 전형적으로 900℃ ~ 1,100℃ 온도에서, 사전-형성을 포함하는 가열된 반응기에 수급되어서, 그 결과 뜨거운 섬유표면 상에 탄화수소를 증착시킨다. 압력, 온도 및 가스의 희석은 전체적인 증착을 최대화시키고, 그리고 잔여 보이드를 최소화시키기 위해 제어된다. 베스맨 등은 침투용으로 사용될 수 있는 CVI 기술 중 5 개의 다른 클래스를 설명한다.

CVI 공정은, 매트릭스를 더 밀집시키기 위해, 폴리머에 기초한 SiC 및 배타 상태의 SiC 입자의 슬러리를 지닌 침투와 같은 다른 침투방법으로 보충될 수 있다. 유기 폴리머는 무결정 상태의 SiC 증착을 남겨두고 다양한 시간 및 온도로 열분해된다. 그러한 기술은 보이드를 채우기 위해 사용되고, 그 이후의 어닐링은, 조사중에 매트릭스의 작고 일관된 성장을 확보하기 위한 필요에 따라, 탄화규소를 베타상태로 전환하기 위해 실행된다. 1,500 ℃ ~ 1,700 ℃의 어닐링 온도는 베타 상태 변형을 완전하게 확보하기 위해 요구되며, 그리고 베타 상태로의 완전한 변형은 중성자 조사 하에 수용가능한 성능을 확보하기 위해 필요한 것이다. 북서부 연구 리포트 NERI-PNNL 14102에서, 알. 에이치. 존스의 "고온 핵분열 원자로에 대한 개선된 세라믹 합성물(Advanced Ceramic Composites for High Temperature Fission Reactors)"(2002년 11월)을 참고하길 바란다. 어닐링 시간 및 온도는, 섬유 그 자체의 손상없이, 치밀화와 매트릭스의 베타 상태로의 전환을 최대화시키기 위해 선택된다.

내부 모놀리식 층(20)의 강성은 중간 합성물 층(22)보다 더 높다. 전형적으로 SiC 모놀리식 층의 영의 계수(Young's modulus)는 SiC/SiC 합성물의 것에 약 2 배가 된다. 그러므로, 후프 응력이 2 개의 부하 지점 층들 사이에서 동일하게 공유되기 위해서, 합성물 층(22)은 적어도 모놀리식 층(20)만큼 두껍고, 그리고 바람직하게는 더 두꺼워야 된다. 2 대 1인 합성물 두께 대 모놀리식 층 두께의 비율이 바람직하다. 이것은 일반 동작중에 모놀리식 층에서 일어나는 갈라짐이 없게 할 수 있으며, 필요에 따라서는 핵분열 가스를 보존시키는 것을 확보한다.

세라믹 관(10)의 보호 외부층(24)은, 환경적 보호 방호벽, 즉, 반응기 냉각재(물, 증기, 가스 또는 액체 금속)가 화학적 공격 또는 부식 효과로 인해 합성물 층(22)이 초기에 손상당하지 않도록 설계된 환경적 보호 방호벽이다. 몇몇 적용 및 냉각재에 대해, 이 외부 보호층(24)은 필요 없을 수도 있다. 외부 보호층(24)은 이전에 설명된 합성물 층(22) 상에 화학증기증착 방법을 통해 증착된 얇은 탄화규소 층(5 밀(mil)미만)으로 일반적으로 구성된다. 이 제 3 층에서 사용된 탄화규소는 고순도 베타 상태의 화학량론적 탄화규소이며, 그리고 일반 원자력 발전소에서 몇몇 적용의 필요에 따라서 정련 표면 마무리(fine surface finish)로 기계로 제조될 수 있다.

세라믹 관(10)은 원하는 적용에 의존해서 그리고 이용가능한 제조 설비에 따라서, 다양한 크기로 제조될 수 있다. 예를 들면, 연료요소 피복관으로서 12 피트 이상의 세라믹 관의 적용은 고압을 견디기 위해 말단부에서 밀봉된 채 구성되는 것이 일반적이다. 밀봉된 채로 긴 튜브의 제조는 모놀리식 층의 더 짧은 부분을 우선적으로 제조하고, 마이크로파 접합과 같은 입증된 기술로 접합시킨 후, 관의 전체 길이에 걸친 제 2 합성물 층 및 제 3 보호층을 형성한다. 이 방식으로, 긴 관의 요구된 강도 및 인성 특징은 마무리된 제품의 초기 손상을 일으키는 연결부에서 어떤 결함도 감소시키면서, 마무리된 제품으로 유지된다.

대안적으로, 매우 긴 길이를 갖는 CVD 반응기는 접합의 필요없이 즉 12 피트의 긴 관을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 핵분열 연료가 관으로 주입된 후, 최종 탄화규소 말단 플러그는 연료 공장에서 관에 (마이크로파 접합 또는 브레이징(brazing)과 같은 세라믹 접합 공정에 의해서)연결된다. 이 접합부는 동작중, 그리고 사고중에 연료봉에 부과된 기계적 및 열적 부하를 버티기 위해 설계된다. 관의 한 말단은, 연료 공장으로 운송되기 이전에 관 제조중에 유사한 말단 플러그로 밀봉될 수 있다.

B. 물리적 및 기계적 행동

다층 세라믹 관은 하이브리드 구조 합성물이다. 이 특허에서 부각된 설계 및 공정 접근은, 다층 세라믹 관이 높은 초기 저항성, 인성, 및 강성, 및 높은 강도, 우수한 충격 및 열적 충격 저항성의 결합으로 공정될 수 있게 한다. 다층 개념은 모놀리식 세라믹 및 세라믹으로 강화된 섬유의 수많은 개별적 제한을 극복한다. 예를 들면, 내부 모놀리식 층은 중간 합성물 층보다 더 강성이 높아서(탄성이 적음), 적어도 두께를 갖는, 바람직하게는 내부 모놀리식 층보다 더 두꺼운 중심 합성물 층을 사용하여 2 개의 부하 지점 층들 사이에서 후프 응력이 동일하게 공유되도록 한다. 후프 응력을 공유함으로써 일반 동작시에 모놀리식 층에서 일어나는 갈라짐을 막을 수 있어서, 핵분열 가스를 유지시킨다.

2 개의 층들 사이에서 연결 정도는 공유하는 부하 상의 충격, 그리고 사고시에 모놀리식 층에서 일어날 수 있는 갈라짐을 저지하기 위해 중심 합성물 층의 성능을 가질 수 있는 것이 기대된다. 비록 핵분열가스 보존이 냉각재 손실 사고와 같은 설계 기초 사고시에 요건이 아니기는 하지만, 모놀리식 층에서의 갈라짐을 저지하기 위한 중심 합성물 층의 성능은, 중요한 안전성 및 규정상의 요건을 갖는 냉각가능한 기하학의 유지를 확보하기 때문에 그런 사고시에 있어 보다 중요하다.

기계적 테스트는 예 4에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 듀플렉스 세라믹 관의 샘플 상에서 실행된다. 듀플렉스 세라믹 관은 제조된 외부층을 아직 가지고 있지 않는, 즉 이전에 상술된 바와 같이, 듀플렉스 관이 내부 모놀리식 층과 중심 합성물 층을 가진 본 발명의 세라믹 관이다. 예 4에서 설명된 바와 같이, 중심 합성물 층은 기초 구조적 일체성을 9% 근처의 전체 변형으로 유지하기 위해 연속되며, 이 9%의 전체 변형은 세라믹 관이 연료의 폭발없이, 그리고 연료의 방출없이, 사고를 막을 수 있다는 것을 나타낸다. 게다가, 탄화규소는 조사시에, 원자당 100 이동(dpa) 근처에서 수용가능한 팽창 행동을 가질 수 있으며, 이것은 상업적 PWR 발전소 동작에 있어 30년치와 동등한 값이다. 북서부 연구 리포트 NERI - PNNL 14102에서, 알. 에이치. 존스의 "고온 핵분열 원자로에 대한 개선된 세라믹 합성물(Advanced Ceramic Composites for High Temperature Fission Reactors)"(2002년 11월)을 참고하길 바란다. 또한, 탄화규소는 최근에 이용가능한 화학량론적 섬유로 제조될 시에, 그것들은 도 4에서 증명된 바와 같이, 매우 높은 조사 레벨로 그 강도를 유지한다.

예를 들면, 도 4의 데이터와 더불어 테스트 결과는 세라믹 관이, 우라늄 폭발의 톤당 100,000 메가와트 또는 그보다 높은 것과 동등한, 매우 높은 dpa 레벨 근처로 반응성 삽입 사고시의 충격을 버틸 수 있다는 것을 나타낸다. 마찬가지로, 테스트결과는 세라믹 관이 설계 기초 반응성 사고, 즉, 포함된 우라늄 연료 팰릿이 매우 높은 변형을 일으키는 피복관의 내부를 향해 확장하는 설계 기초 반응성 사고를 막을 수 있는 세라믹 관이라는 것도 나타낸다. 세라믹 관의 사고를 극복하는 성능은 세라믹 관이 보다 오랜 기간 동안, 그리고 보다 높은 연료소비용으로 사용될 수 있기 때문에, 종래의 지르칼로이 피복관에 대해 중요한 이점이 있다.

완전 조사되는 경우, 종래의 지르칼로이 피복관은 1 ~ 2 % 변형만으로 부서지기 쉬운 방식으로 제조되는 것으로 기대된다. 높은 에너지에 장시간(약 5 년) 노출 후, 연료 피복관에 대해 사용되는 종래의 지르칼로이 및 금속은 약해지게 되며, 사고상황중에 일어나는 고온 및/또는 높은 열적 부하시에는 안전상의 문제를 일으킨다. 피복관의 취화 및 폭발을 제한시키기 위해, 원자력규제위원회(NRC) 조항은, 지르칼로이로 피복된 우라늄 연료에 대해 포함된 톤당 62,000 메가와트일의 우라늄(mwd/t)으로 수냉식 일반 원자로를 동작시에 연료소비를 제한시킨다. 지르칼로이로 피복된 우라늄 연료의 이러한 제한에 대한 분석적 기반은 CR-6703에서,"60 GWD/MTU에 관한 확장된 연료소비의 환경적 효과(Environmental Effects of Extending Fuel Burnup Above 60 GWD/MTU)"(2001년 1월), 및 에라타(Errata)의 웨스팅 하우스 리포트 WCAP-15063-P-A, 개정판 1에서, "웨스팅 하우스의 개선된 분석 및 설계모델(PAD 4.0)(Westinghouse Improved Performance Analysis and Design Model (PAD 4.0))"(2000년 7월)에 개시되어 있다.

그러나, 본 발명의 다층으로 된 세라믹 관은 매우 긴 에너지추출 기간(>10년)동안에도 그 인성을 지속시킬 수 있어서, 거대한 양의 에너지를 추출할 수 있게 하며, 경제 자원이용성과 생성된 전기 유닛당 생성된 방사능 폐기의 양 둘 다를 개선시킨다. 100,000 mwd/t을 초과하는 에너지 추출률은 본 신규발명으로 실행될 수 있다. 에너지 추출의 그런 높은 비율은 생성된 에너지의 킬로와트-시간당 소비된 연료량을 현저하게 감소시킬 수 있어서, 소비된 연료에 대한 국립지질저장소의 유해물질을 줄일 수 있다.

예 7에서 설명된 바와 같이, 실행된 테스트는 본 발명의 세라믹 관에서 사용된 탄화규소 합성물이 그 강도를 유지하고 1,200℃를 초과하는 온도에 노출될 시에 현저한 부식 또는 무게 변화가 없다는 것을 나타낸다. 이러한 테스트 결과는 본 발명의 세라믹 관이 15분을 초과하는 구간 동안, 온도가 1,200℃를 초과할지라도, 냉각재에 포함된 우라늄 일부의 방출 없이, 그리고 세라믹 관의 구조적 일체성의 손상 없이 냉각재 사고의 설계 기초 손상을 극복할 수 있다.

고온에 노출될 시에 세라믹 관의 개선된 강도는 피복표면의 허용가능한 온도를 기계적 강도의 손상 없이 900℉(482℃)로 증가되도록 하게 하며, 그리고 흐름 손상의 사고중 일어나는 것과 같은, 단기간 동안에 보다 높게 증가되도록 하게 한다. 즉, 금속 피복관에 대한 NRC 규약 조항으로 현재 금지된 핵비등일탈(DNB)은 허용될 수 있다. CR-6703에서,"60 GWD/MTU에 관한 확장된 연료소비의 환경적 효과(Environmental Effects of Extending Fuel Burnup Above 60 GWD/MTU)"(2001년 1월), 및 에라타(Errata)의 웨스팅 하우스 리포트 WCAP-15063-P-A, 개정판 1에서, "웨스팅 하우스의 개선된 분석 및 설계모델(PAD 4.0)(Westinghouse Improved Performance Analysis and Design Model (PAD 4.0))"(2000년 7월)를 참고하길 바란다. 허용 DNB는, 일반 동작중에 현재 금속 피복관으로 가능한 것 이상으로 더 높은 열 유동을 갖게 하여 면허를 받은 일반 원자로의 전력상승비율을 차례로 허용할 수 있게 한다. 이것은 차례로 원자력 발전소 소유자가 현존하는 원자력 발전소로부터 보다 높은 비율에서 전기를 발생시키도록 한다.

고온에서 강도를 유지하는 세라믹 관은 전형적인 금속관보다 더 높은 온도에서 가스 유지기능과, 연료 피복관을 필요로 하는 연성행동 기능 둘 다를 실행할 수 있도록 하게도 한다. 예 1의 테스트 결과를 참고하길 바란다. 이 강도는, 현재 지르칼로이 피복관 연료와 비교함으로써, 대체를 필요로 하기 전, 연료 피복관으로써 사용될 때에 장시간 동안 동작되기 위해, 그리고 거대한 에너지 생성을 가지기 위해, 본 발명의 세라믹 관도 허용한다.

세라믹 관의 또 다른 이점은 탄화규소가 매우 단단한 물질이라는 것과, 그리고 단단한 잔해물(debris) 또는 격자 스프링 물질과 접촉으로 인해 마모가 없다는 것이다. 현재, 수용할 수 있긴 하지만, 종래의 지르칼로이 피복관 연료 부속품내에 는 잔해물 또는 격자 부식으로부터 피복관의 주요손상으로 인한 작은 손상률이 있었다. 그러한 손상의 근본원인은 금속 피복관의 상대적으로 유연한 본성을 가지고있기 때문이다. 세라믹 관의 강도는 손상률을 현저하게 더 낮추며, 발전소의 동작이 정지되는 것을 줄일 수 있으며, 연료 대체비용을 더 낮게 한다. 부가적 이익은 저장, 운반 및 궁극적 처리로부터 제거된 후 있을 수 있으며, 그리고 현재 지르칼로이 피복관과 비교해볼 때, 피복관은 강도 및 내구성이 더 지속되도록 하게 한다. 이것은 소비 핵연료의 광범한 저장 및 처분 동안에 이익을 안전하게 제공한다.

C. 다층 세라믹 관의 적용

가압수형 원자로( PWR ) 이용

도 5는 부속품내의 피복된 연료봉의 배치를 가지는 전형적인 가압수형 원자로(PWR)의 사시도를 도시한 것이다. 미국에서 약 67 개의 PWR이 동작되며, 이 일부는 도 5에서 도시된 15 x 15 배치를 가지며, 그리고 나머지는 더 작은 직경을 가진 연료봉을 사용하여 더 크게 배치된다. 개별적 연료봉은 종래의 지르코늄 합금 또는 본 발명의 다층 세라믹 관으로 피복될 수 있다.

15 x 15 연료봉 배치에서 사용되는 종래의 지르코늄 합금으로 피복된 관은 약 0.422 인치의 외부직경을 가지고 있어서, 본 발명의 세라믹 관의 외부 직경은, 종래의 연료봉 피복관의 대체용으로 설계될 경우 약 0.422 인치여야 한다. 동일한 외부직경을 갖는 것은 본 발명의 세라믹 관이 PWR 연료부속품에서 전형적으로 사용된 15 x 15 연료봉배치에서 종래의 관으로 직접적으로 대체되도록 하게 한다. 약 0.422 인치의 외부직경을 갖는 세라믹 관은 약 0.010 인치 두께의 모놀리식 내부 층, 약 0.013 인치 두께의 중심합성물 층, 및 약 0.002 인치 두께의 보호 외부 층을 갖는다.

비등수 원자로 이용

오늘날 사용되는 제 2 형태의 원자로는 비등수 원자로(BWR)이다. 미국에서 상업적으로 사용되는 그러한 원자로는 35 개가 있다. 사용에 있어 몇몇 다른 연료요소 설계가 있다. 대세 중 하나의 예가 9x9 설계이다. 현재 9x9 BWR 설계에서 종래의 지르코늄 피복관은 0.030 인치 벽두께를 지닌 0.424 인치의 외부직경을 갖는다. 대체 세라믹 피복관은, 약 0.012 인치의 내부 모놀리식 층, 0.014 인치의 중심합성물 층, 및 약 0.004 인치의 외부층을 지닌 거의 동일한 외부직경 및 벽 두께를 갖는다. 이것은 지르코늄 피복관 9x9 BWR 설계용으로 직접 대체되는 것을 제공한다.

간격유지탭을 이용한 연료관 지지 시스템

독특한 설계는, 현재 상업적 원자로에서 현존하는 금속 피복관 연료부속품의 직접적인 대체를 허용할 수 있는 외부 면적을 가지는 세라믹 피복연료봉("연료부속품"으로 칭함)의 "배치"를 안정하고 장기간 지지할 수 있도록 하는 개별적 연료봉으로 통합될 수 있는 특징을 가진다. 이 설계 특징은 흐르는 냉각재에 의해 열추출을 요구하는 연료봉들 사이에서의 간격을 유지하고, 피복관을 따라 몇몇 축 및 방사위치에서 위치된 내부적 간격유지탭, 또는 간격유지 와이어가 있다는 것이다. 탄화규소는 매우 단단한 물질이기 때문에, 간격유지탭 또는 와이어는, 스프링을 가진 종래 금속성 격자가 연료관을 지지하기 위해 사용될 경우에 일어날 수 있는 부식손상의 가능성을 최소로 한다. 금속으로부터 구성된 일체적 간격유지탭은, 몇 개의 원자로에서, 예를 들면, 캐나다에서 사용되는 CANDU 상업적 원자로에서, 그리고 워싱턴 시설에서 에너지의 한포드(Hanford) 정부기간에서 내장되고 동작되는 고속 유동 테스트 시설의 원자로에서 고속 유동 테스트에서 연료봉 지지특징으로서 사용된다. 도 6은 본 발명에서 청구된 탄화규소 듀플렉스 세라믹 관(10)의 외부 표면 상에 전형적인 일체적 간격탭 배치(30)를 도시한 것이다.

연료부속품 배치에서 탄화규소-피복 연료요소를 지지하는 제 3 선택은 지르칼로이로 피복된 연료봉을 지지하기 위해 현재 사용되는 금속성 격자의 동일한 형태를 이용하는 것이다. 그러한 격자의 예는 도 5에서 도시된다. 탄화규소 피복 연료봉은 현재 지르칼로이 피복 연료봉보다 상당히 더 뻣뻣하기 때문에, 지지 격자들 사이의 간격은 유도된 진동 흐름을 막으면서 증가될 수 있으므로, 그로 인해 각 연료 부속품을 요구하는 격자의 수를 감소시킨다. 이것은 더 낮은 비용, 감소된 기생 중성자 흡수, 및 흐르기 위한 감소된 저항을 가지며, 이 모두는 연료 부속품을 개선시킬 것이다.

분할된 봉, 및 연료보급 동안의 재배치

상세한 설명의 A 부분에서 상술된 바와 같이, 본 발명의 세라믹 관은 놋쇠로 된 부분으로 또는 달리 함께 연결된 부분으로 제조될 수 있거나, 또는 단일 12 피트 단위로서 제조될 수 있다. 12 피트의 긴 연료봉을 제조하는 대안적인 방법은, 해당분야 또는 연료 공장에서 스레디드 커넥션(threaded connection) 등과 같은 기계적 부착으로 함께 연결될 수 있는 여러 개의 더 짧은 연료봉 분할을 이용한다는 것이다.

비록 이 기술이 연구소 시험을 위해 보내지는 테스트 연료요소를 위한 공업용수 원자로에서 간혹 사용되기는 하지만, 공업 연료에서는 사용되지는 않는다. 그 이유는, 부가적 말단 플러그 및 축성(axial) 핵분열 가스 플리넘(plenum)이, 수용불가능한 축성 피킹 팩터(axial peaking factor), 원자로 코어내에 가열된 표면의 현저한 손상, 그리고 우라늄 농축레벨에서 수용불가능한 증가를 유발시키는 연료량의 감소를 발생시키기 때문이다.

미래의 수로(water reactor)에서 탄화규소 피복관이 지르칼로이 피복관을 대신하는 경우, 이러한 이유가 줄어들어, 분할된 봉을 사용할 수가 있다. 예를 들면, 탄화규소 피복관이 지르칼로이 피복관보다 더 뻣뻣해서, 외압으로 인해 연료 팰릿으로 아래로 변형되지 않기 때문에, 탄화규소 피복 연료요소에서 본질적 자유가스는 축성 플리넘없이 핵분열가스를 충분하게 포함할 수 있다. 오늘날 CANDU 연료에서 사용된 수로 연료요소는 기본적으로 분할된 봉이 있고, 축성 플리넘을 포함하지 않으며, 그리고 수용가능한 축성 피킹 팩터를 가진다. 이러한 분석에 기초하여, 여기에서 제안된 바와 같이, 탄화규소 피복관의 사용은 상업적 PWR 및 BWR에서 분할된 연료봉을 사용할 수 있게 하며, 이로써, 연료보급 동안 각 연료 분할을 재배치하는 이점을 제공할 수 있어, 피크에서 평균 가열률로, 그리고 피크에서 평균 소비율로 현저하게 감소될 수 있다.

분할된 봉의 사용은, DUPIC 개념이라 일컫는 CANDU 원자로에서, 탈 피복화의 요구 그리고 이전 DUPIC 개념에 의해 요구된 LWR 연료봉의 건식 재활용 없이도 개별적 분할된 봉을 재사용할 수도 있다. 현재 DUPIC 경제적 면을 봤을 때, 소비된 핵 우라늄 연료의 탈 피복화 및 재재조로 인한 필요성 때문에 그렇게 바람직하지는 못하다. 핵기술134(2)에서, 에이치. 최 등의 "CANDU 원자로에서 소비된 가압수형 원자로 연료의 직접적 사용의 경제분석(Economic Analysis of Direct Use of Spent Pressurized Water Reactor Fuel in CANDU Reactors)"(2001년 5월)을 참고하길 바란다. 분할된 탄화규소로 피복된 PWR 원자로 연료는 이 매우 높은 비용처리를 제거하며, 그리고 DUPIC 사이클을 상업적으로 실행가능하게 만든다.

개선된 초임계 ( supercritical ) 수로 이용

미국 및 다른 나라는 초임계적 물로 일부가 냉각될 수 있는 개선된 원자로를 설계하고 있다. 많은 화력발전소는 초임계적 물로 이미 동작시키고 있다. 개선된 초임계수로의 설계는 제 4 세대 국제포럼에 의해 연구된 6 개의 개선된 개념 중의 하나이다. 본 발명의 세라믹 관은 이러한 원자로용에 대해 연료피복관으로서 사용된다.

이 개선된 원자로의 한 버전에서, 300℃의 출구 온도와 33%의 발전 효율을 가지는 현재 PWR을 비교해볼 때, 냉각재 출구 온도는 500℃가 되며, 그리고 발전효율은 44 %가 된다. 지르코늄 합금은 적절한 기계적 강도가 부족하기 때문에, 이러한 온도에서 연료 피복관으로 사용될 수는 없다. 강철 초합금 및 산화물 도포 강철은 가능한 대안적 금속 피복관으로 고려될 수 있지만, 그러나 이러한 물질은 기생 중성자 흡수재이기 때문에 높은 연료소비를 달성하는 원자로의 성능을 방해한다. 그것들은 응력부식균열도 있을 수 있다. 미국의 에너지 초임계 수로 설계 정부기관에 의해 연료피복 물질로서 탄화규소 피복관이 연구되고 있다. 기계적 및 열적 성능은 대안적 피복관 물질과 동등하며, 그리고 핵 성능은 이용가능한 대안보다 실질적으로 더 낫다.

초임계 수로에서 사용할 수 있는 탄화규소 연료 피복관의 개념적인 설계는 아이다호 국립 연구소에 의해 연구되고 있다. 이 설계는 0.48 인치의 피복관 외부 직경, 및 0.056 인치의 벽 두께를 지닌 21x21 연료부속품 구성으로 설계된다. 탄화규소 피복관을 갖는 이 설계는, 산화물 도포 강철에 비교해 볼 때 기생 중성자를 현저히 적게 흡수하기 때문에, 동일 우라늄 연료부하에 대하여 산화물 도포 강철 피복관을 사용한 설계보다 연료소비가 32%가 더 커질 수 있다. 아이다호 국립 엔지니어링연구소 리포트 INEEL/EXT 04-02096에서, 제이. 더블유. 스터벤츠(Sterbentz)의 "수봉 및 SiC 피복/덕트 물질을 지닌 21x21 초임계수로 연료부속품 설계의 중성자 평가(Neutronic Evaluation of 21x21 Supercritical Water Reactor Fuel Assembly Design with Water Rods and SiC Clad/Duct Materials)"(2004년 1월)을 참고하길 바란다. 게다가, 강철 피복 설계가 31,000 mwd/t의 연료소비를 가지는 것을 비교해봤을 때, 탄화규소 설계는 41,000 mwd/t를 갖는다.

개선된 가스 원자로에 적용

제 4 세대의 몇몇 개선된 원자로 개념은 열을 추출하기 위해 냉각재로서 매우 높은 온도가스를 사용하고, 그리고 그 열에서 전기 또는 수소로 전환되도록 하는 것이다. 여러 경우에, 이 개선된 원자로 설계는 수로에서 이렇게 사용된 것과 유사하게 "봉" 형태의 연료요소를 사용한다. 그러한 경우에서, 예를 들면, 본 발명 세라믹 관은, 고속가스 원자로에서 개선된 성능을 보여줄 것이다. 예를 들면, ANS, 글로벌 2003 핵연료사이클 협의에서, 이. 에이. 호프만(Hoffman) 등의 "예비가스 냉식 원자로 설계의 물리적 연구(Physics studies of Preliminary Gas Cooled Reactor Designs)"에서, 수많은 다양한 가스 고속 원자로 예비설계의 물리적 분석을 실행하는 몇몇 연구원은 "SiC[피복관]은 중성적으로 가장 매력적인 물질이다. 그러나, 물질적 강도 요구는 그 사용을 제한시킬 수 있다"로 결론을 지었다. 본 발명에 개시된 다층 세라믹 관은, 이 강도제한을 극복할 수 있으며, 그리고 미래의 설계자가 탄화규소에 의해 제공된 중성자 이점을 사용할 수 있도록 하게 한다.

액체금속 냉식 원자로

제 4 세대 국제 프로그램하에서 전개된 몇몇 개선된 원자로는 리드 및 리드-비스무트 공융점을 포함하여 액체 급속 냉각재를 사용한다. 700℃ ~ 800℃ 출구 온도범위로 고려된다. 본 발명에 개시된 다층 탄화규소 연료 피복관은 상술된 가스 및 냉각수에 대해 유사한 이점을 가지고 이 적용에서 사용될 수 있다. 리드 냉각 원자로에서 피복관으로 고려된 다양한 물질에 관한 연구보고서에서는 본 발명에 개시된 형태의 탄화규소 듀플렉스 관이 이 형태의 원자로에서 피복관용으로는 최적의 선택이라고 나타나 있다. 핵, 기술 147(3);418-435에서, 알.지. 발린저(Ballinger) 등의 "고온 리드 및 리드-비스무트 냉식 원자로 시스템의 설계 및 동작에 대한 부식사항에 관한 검토(An Overview of Corrosion Issues for the Design and Operation of High Temperature Lead and Lead-Bismuth Cooled Reactor Systems)"(2004년 11월)를 참고하길 바란다.

HTGR 에서 TRISO 연료 슬러그에 대한 제 2 방호벽

도 7은 본 발명의 다층 세라믹 관에 대한 또 다른 적용, 즉, 아이다호 국립연구소에서 제작된 개선된 제 4 세대 원자로에 대한 에너지 정부기관에 의해 고려된 다면적 고온가스 원자로(HTGR)에서 TRISO 연료 슬러그에 대한 제 2 격납 방호벽을 도시한 것이다. HTGR은 "TRISO" 입자로서 알려진 특별하게 개발된 입자를 전형적으로 사용하며, 이 TRISO 입자는 다공성 탄소 버퍼층 및 몇 마이크론 두께를 갖는 탄화규소 코팅으로 피복된 농축 우라늄 연료의 구형 커널로 구성된다. 탄소 버퍼층은 연료 커널의 융기부를 수용하며, 그리고 가스 상태의 핵분열 생성물에 대한 보이드 양을 용이하게 하면서, 탄화규소 코팅은 기체 상태의 핵분열 생성물에 대한 기계적 방호벽으로서 작용한다.

TRISO 연료 입자는, 흑연 블록에 삽입된 슬러그라 일컫는 원통형내로 흑연 매트릭스를 가지고 압축된다. 그러나, 매우 높은 온도 가스원자로의 경우에서, 예를 들면, 1,000℃의 출구 가스온도, 입자 상에 얇은 SiC 코팅을 갖는 이러한 것들은 핵분열 가스를 유지시키기에 충분하지 않다; 제 2 방호벽은 동작을 안전하게 하기 위해 필요하며, 그리고 핵분열 생성물의 방출이 0으로 되기 위해 필요하다.

도 7에 도시된 연료 부속품(100)은, 원통형 구멍이 냉각재 통로를 구비하기 위해, 그리고 직경 약 0.5 인치의 흑연 연료 슬러그로 압축된 탄화규소로 코팅된 매우 작은(직경이 1 mm 미만)연료 입자인 연료슬러그에 대한 개구부를 구비하기 위해, 뚫려 있는 흑연 블럭으로 구성된다. 도 7의 우측에 도시된 부분은 TRISO 연료 입자로부터 방출된 핵분열 가스를 포함하기 위해, 흑연 연료 슬러그를 둘러싸고, 제 2 핵분열 가스 방호벽의 역할을 하는 제 2 방호벽이다. 제 2 방호벽은 내부 모놀리식 층(20) 및 중심 합성물 층(22), 이외의 탄화규소 말단캡(32), 둘러싸인 연료(40)를 가지고 본 발명의 듀플렉스(2 층 버전) 세라믹 관(10)으로 구성된다.

본 발명에 개시된 다층 SiC 튜브는 이 적용에 대한 높은 신뢰성과, 최소한의 침투, 제 2 핵분열 가스 방호벽을 제공한다. TRISO 연료 입자는 본 HTGR 설계로서 흑연 매트릭스 슬러그(1.5인치인 외부 직경)로 압축되고, 그 후, 이러한 슬러그는 본 발명의 다층 세라믹 관으로 밀봉된다. 그 후 이러한 튜브는 도 7에서 도시된 바와 같이, 고온 원자로 코어의 기초 내장블럭을 형성하는 다면적인 흑연블럭으로 삽입된다.

SiC 열 교환기

산업응용에서 탄화규소 세라믹 관의 공통 적용은 쉘에서의 내부 열전달관과, 고온적용에 대해 설계된 관식 열 교환기이다. 간혹, 그러한 열교환기는 고온에서 금속에 대해 부식성이 높은 유동체로 사용되지만, 그러나 탄화규소와 호환이 된다. 모놀리식 탄화규소 층(관)으로 구성될 때, 열 교환기의 이러한 형태의 단점은; 모놀리식 탄화규소 층이 부서지기 쉬운 방식으로 손상을 입는다는 것이다. 이 불리한 행동을 극복하기 위한 대안은, 손상이 적은 금속을 유지시키는 탄화규소 섬유-탄화규소 매트릭스 합성물 관을 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 관은 고압에서 가스 또는 액체를 포함할 수 없다. 그러나, 본 발명의 세라믹 관의 사용은, 이러한 둘 다의 단점을 극복하고, 그리고 모든 모놀리식 층으로, 또는 모든 합성물 관으로 충족될 수 없는 산업적 이용에서 탄화규소 열 교환기를 적용시키기 위한 기회를 제공한다.

특정 문제 또는 환경에 대한 본 발명의 기술적용은 여기에 포함된 사소한 지 시에서 기술분야의 본 기술을 가진 당업자의 능력내에 있다. 본 발명의 생성물의 예와 공정은 다음 예에 나타난다.

예 1 - 탄화규소 세라믹의 강도 측정

도 8은 종래의 지르코늄 합금과 비교해 봤을 때, 본 세라믹 튜브의 합성물 층과 유사한 다양한 형태의 탄화규소 합성물에 대한 온도 대 강도 데이터를 간략히 표시한 것이다. 데이터는 개방된 조사 보고서로부터 취득된 것이다. 도 8에서 사용된 설명된 약어는 다음 표에서 설명된다.

약어	의미	출처
SiC - cg	cg-Nicalon 섬유를 가진 SiC/SiC	ORNL의 에스. 제이. 진클 및 엘엘.스니드
SiC - hi-nic	PIP 매트릭스와 BN 간기를 지닌 Hi-Nicalon 섬유를 가진 SiC/SiC	일본 카본의 에이치. 이치가와
SiC - Type-s	PIP 매트릭스와 BN 간기를 지닌 Hi-Nicalon type-S 섬유를 가진 SiC/SiC	일본 카본의 에이치. 이치가와
SiC - Tyranno	CVI 매트릭스와 PyC 간기를 지닌 Tyranno-SA 섬유를 가진 SiC/SiC	ORNL의 티.노자와 및 엘엘.스니드
Zirc -4 Billone	프라마톰 저-주석 지르칼로이-4	ANL의 엠.씨. 빌원
Zirc -2	지르칼로이-2	이. 라보다

도 8에서 도시된 바와 같이, 지르칼로이는 약 600℃의 온도에서 그 모든 강도를 실질적으로 잃어버린다. 이 때문에, 동작적 과도현상 동안, 현재 수로의 동작은 핵비등이탈(DNB)을 피하게 하도록 제한되어있어, 800℃의 피복 초과온도가 국부화되는 과도현상 동안 피복관의 손상을 막을 수 있다. 도 8에서 도시된 바와 같이, 탄화규소 피복관은 800℃ 이상의 온도에서 그 강도를 거의 유지하며, 이로써, DNB는 동작적 과도현상 동안 국부화된 피복손상 없이 일어나도록 하게 한다. 이 특징은 전력비를 충분히 증가시키고, 그리고 현재 상업적 원자로의 경제성을 더 부각시킨다.

예 2 - 세라믹 관 제조

본 발명의 대표적 2 개의 층으로 된 세라믹 관은 다음의 공정으로 형성된다. 우선, 화학증기증착(CVD)공정은 본 기술분야에서 알려진 기술에 따라서, 고순도 베타 상태의 화학량론적 탄화규소의 내부 모놀리식 층을 형성하기 위해 사용된다. 그 다음, 고순도이고 베타 상태인, 8 ~ 14 마이크론 직경을 갖는 500 ~ 1600 개의 탄화규소 섬유로 형성된 상업적으로 이용가능한 섬유 토우는, "사전-형성"으로 구성되기 위해, 도 2 및 3에서 도시된 바와 같이, 다양한 권취 패턴화에서, 그리고 다양한 권취각을 사용하여 내부 모놀리식 층 상에 단단하게 감겨진다.

과학253:1104-1109에서, 티. 엠. 베스맘(Besmann) 등의 "V 형태","연속된 필라멘트 세라믹 합성물의 증기 상태 제조 및 속성(Vapor Phase Fabrication and Properties of Continuous Filament Ceramic Composites)"에서 설명된 바와 같이, 그 후에 이러한 "사전-형성"은 얇은 열분해 탄소 경계면 층으로 코팅되고, 그 후 화학 증기 침투의 등온선이 첨가된 플로워 기술을 사용하여, SiC 매트릭스로 주입된다. 수소가스와 혼합된 메틸트리클로로실란(Methyltrichlorosilane(MTS))은, 전형적으로 900℃ 내지 1,100℃ 온도에서, 사전-형성을 포함하는 가열된 원자로로 삽입되어, 그 결과 뜨거운 섬유 표면 상에 탄화규소를 증착시킨다. 압력, 온도, 및 가스의 희석은 전체 증착을 최대화시키기 위해 잔여보이드를 최소화시키기 위해 제어된다.

도 9A는 이 방법에 의해, 독특한 "교차형" 섬유 구조 및 화학증기 침투공정으로 생성된 매트릭스를 가지는 제조된 관을 도시한 것이다. 내부 모놀리식 층은 약 0.030 인치의 얇은 벽으로 되어있다. 듀플렉스 관은 약 0.040 인치의 두께를, 그리고 약 0.435 인치의 외부직경을 갖는다. 일반적으로, 본 기술분야의 당업자에 의해 알려진 CVD 공정을 사용하여, 보호적 탄화규소의 외부층은 환경적 방호로 작용하기 위해 이러한 관들 상에 증착된다. 이 증착은 일반적으로 제조공정에서 마지작 단계 중의 하나일 수 있다.

예 3-종래 기술에서의 관의 제조

도 9B는 상술된 페인로스 등의 설정된 방법에 따라 2 개의 탄화규소 관을 도시한 것이다. 상대적으로 두꺼운 모놀리식 층(약 0.125 인치)을 형성한 후, 관은 탄화규소로 피복된다. 좌측관은 후프로 감겨진 탄화규소로 피복되고, 그리고 우측 관은 짜지거나 땋아진 탄화규소 섬유로 피복된 것이다. 추가 설명은 미국 핵 사회절차-ICAPP회의에서, 에이치, 페인노스 등의 "개선된 원자로 피복적용에 대한 불침투성의 고온 세라믹 합성물의 전개 공정(Progress in Developing an Impermeable, High Temperature Ceramic Composite for Advanced Reactor Clad Application)"(2002년 6월)으로 제공된다. 사전-형성은 예 2에서 설명된 방식을 사용하여, SiC 매트릭스로 주입된다.

예 4 - 강도 및 변형 테스트

2005년 1월 동안, 오크리지 국립 연구소-고온 물질 연구소에서, 예 2에서 제조된 듀플렉스 관은, 도 10에 도시된 바와 같은 장치를 사용하여, 실내온도에서 내압하에서 응력-변형행동에 대한 테스트가 실행되었다. 도 10에서 도시된 바와 같이, 기본장치는 지지 지주부(50) 및 램(ram)(52)으로 구성된다. 샘플의 세라믹관(10)은 지지 지주부(50)에 직립으로 또는 "온-엔드"로 위치해 있으며, 그리고 폴리우레탄 플러그(54)는 샘플의 세라믹 관(10)내부에 맞춰지게 되어 있어, 플러그의 외부 직경과 샘플관의 내부 직경 사이에 갭(56)은 처음부터 있게 된다. 플러그(54)는 지지 지주부(50) 상에 강하(depression)로 맞춰지게 된다. 램(52)을 사용하여, 힘은 폴리 우레탄 플러그(54)의 상부에 인가되어, 하향력은 샘플의 세라믹 관(10)의 내부직경에 인가된 외부(후프)력으로 전환하게 된다.

이러한 테스트 결과는 도 11 및 12에 나타난 있다. 도 11은 본 발명의 전형적 듀플렉스 관의 후프 강도 측정의 결과를 나타낸다. 테스트된 듀플렉스 관은 합성물 층보다 더 두꺼운 모놀리식 층을 가지게 되어, 손상이전에 합성물 층으로부터 강화성을 수용하지 못한다. 플롯된 커브의 좌측부(X 축상의 0 내지 2)는 부하 대 변형의 상승을 보여주면서, 동시에 관의 모놀리식부가 손상이 없다는 것을 보여준다. 커브의 이 부분은, 모놀리식 내부층이 포함된 우라늄 연료로부터 발생된 핵분열 가스를 포함할 때에 원자로의 일반 동작 동안에 조절할 수 있는 조건을 보여준다. 도시된 바와 같이, 모놀리식 층은 약 37,000 psi의 응력 레벨에서 약해진다. 0.422 인치의 외부직경, 15밀의 모놀리식 내부층을 가지고 30 밀의 전체 두께를 가진 관에서, 이 응력저항은 4000 psi 내압, 즉 원자로의 확장된 동작 동안에 발생된 핵분열 가스를 포함할 수 있는 내압에 대해 충분히 유지된다는 것이다.

도 11의 커브의 우측부(X 축상의 2 내지 9)는, 모놀리식 층이 약해진 이후에서도 심각한 사고 동안에 일어날 수 있는 것, 즉, 외부 합성물 층 후프 강도가 13,000 psi이상일 때 전체 후프 변형이 9 %를 벗어나는 것을 도시한 것이다. 기본적 원통형 구조의 손상 없이, 매우 심한 변형을 허용하는 본 발명의 세라믹 튜브의 성능은, 청구된 발명에 대해 유일하며, 그리고 매우 심한 피복변형으로 인해 심각한 사고의 경우에서라도 포함된 연료가 냉각재로 방출될 수 없다라는 것을 확실케 한다.

도 12는, 도 10에서 도시된 장치를 통해 둘 다 부하가 걸린, 본 발명의 듀플렉스 관의 초기 변형응답과 모놀리식 층의 초기 변형응답을 비교 도시한 것이다. 비록 모놀리식 층과 듀플렉스 관의 모놀리식 내부층이 정확히 동일함에도 불구하고, 합성물 층에 의해 제공된 강화성의 결과로, 듀플렉스 관이 영의 계수가 더 높음을 나타내고 있다.

예 5 - 기생 중성자 흡수 및 연료소비 성능의 분석

본 발명의 15 x 15 탄화규소 피복연료 부속품용 기생 중성자 흡수의 상대적인 계산("SiC 연료 부속품")은 종래의 15 x 15 지르칼로이 피복연료부속품과 비교함으로써 실행된다. 도 13에서 도시된 바와 같이, 양 연료 부속품은, 366 cm의 활성 길이와 0.422 인치의 외부직경을 각각 가진 225 개의 피복연료봉을 포함한다. 지르칼로이 연료 부속품 피복관은 0.3734 인치의 내부직경 및 0.0245 인치(24.5 밀)의 두께를 갖는다. SiC 연료부속품 피복관은 0.0250 인치(25 밀)의 전체 두께를 가지며, 2 개의 층, 즉, 0.372 인치의 내부 직경과 0.400 인치의 외부직경을 지닌 모놀리식 층, 그리고 0.422 인치의 외부직경을 지닌 합성물 층을 포함한다. 원자 종류의 밀도 수, 그 중성자 단면, 그리고 각 부속품에 대한 거시적 단면들이 계산되어, 그 결과는 다음 표에 나타나 있다.

	지르칼로이 연료 부속품	SiC 연료부속품
평균밀도수, n (atoms/cm³)	Zr 4.035 x 10²¹ Nb 2.718 x 10¹⁹ Sn 3.106 x 10¹⁹	Si 3.890 x 10²¹ C 3.890 x 10²¹
중성자 단면, σ_a(bams)	Zr 0.185 Nb 1.150 Sn 0.610	Si 0.171 C 0.0034
평규거시적 단면, (cm^-1)	0.0007967	0.0006784

이러한 결과는, 감소된 단면에 의해 측정된 것으로서, 탄화규소 피복연료부속품이 지르칼로이 피복연료부속품과 비교했을 때 약 15% 더 낮은 기생 중성자 흡수를 갖는다는 것을 나타낸다. 각 경우에 대해 동일 우라늄 농축을 가정함으로써, 이 기생중성자 흡수의 감소는, SiC 피복부속품에 대해, 보다 높은 연료소비 성능, 그리고 보다 높고, 더 효과적인 연료 이용성을 가질 수 있다. 예를 들면, 현재 LWR에 대하여 60,000 mwd/t에서 70,000 mwd/t 증가된 연료소비는, 우라늄 농축에서 어떤 증가없이도, 5%의 우라늄 235 농축의 현재 레벨로부터 증가하는 것이 가능하다.

예 6 - 폐지( rescission )/부식 테스트

도 14는, 전형적 BWR 냉각재 조건을 나타내는 모의 조건하에 탄화규소 쿠폰 및 관의 부식테스트의 결과를 도시한 그래프이다. 다수의 탄화규소 테스트 쿠폰 및 관은 표준 개선된 지르코늄 합금관과 함께, 테스트 오토클레이브에서 약 680℉(360℃)의 일반 동작온도로, BWR 냉각재로 노출된다. 테스트 후, 시편은 무게가 나가게 되고, 무게의 증가나 감소는 폐지로, 또는 노출의 결과로서 잃은 기본 물질의 양(부하운반)으로 전환된다.

데이터는 물질의 손실(폐지)대 노출 시간으로 나타내어진다. 그래프는 종래의 지르코늄 합금에 관한 유사한 데이터를 포함하기도 한다. 이러한 합금의 경우에서, 산화물로 지르코늄 금속의 산화되기 때문에, 노출은 무게를 증가시킨다. 그러나, 잔여구조의 강도 구간에서 중요하기 때문에, 이 그래프에서 데이터는 효과적인 물질 감소로 전환(또는 폐지)된다. 도 14는, 노출동안 탄화규소 시편이 지르코늄 합금보다 더 낮은 비율로 구조적 물질을 잃는다는 것을 보여주고 있으며, 이것은 상업적 원자로에서 확장된 지속동작에 기여하고, 그리고 광범한 소비된 연료 저장 및 처분 시기동안 핵분열 생성물 격납이 더 지속될 수 있도록 기여하는 또 다른 이점의 속성을 제시한다.

모든 탄화규소관은 지르코늄 합금에 대해 100 팩터 정도만큼의 부식성이 감소된다. 일반동작온도에서, 더 연장되고 더 긴 지속 부식테스트에 의해 확인된 경우, 이 증가된 저항 부식 및 산화물은, 듀플렉스 피복관이 그 내구성 및 핵분열 생성물 격납기능을 유지하도록 하고, 게다가, 5년 이상으로, 그리고 지르코늄합금으로부터 현재 달성될 수 있는 62,000 mwd/t 이상으로 유지되도록 한다.

예 7 - 냉각재 사고의 모의 손실

도 15는, 아르곤 국립 연구소에서 2004년 9월에 실행된 온도 대 시간 플롯 테스트이며, 탄화규소관이 PWR 원자로에서 전형적인 냉각재 손실사고 조건, 즉 관이 2,200℉(1,204℃)에서 15 분 동안 노출된 것을 보여준다. 이 사고의 형태는 상업적 원자로에 대해 설계 기초 사고이고, 그리고 일반적으로 7분 미만에서 지르칼로이 피복관이 적어도 17 %의 산화를 일으키게 한다. 아르곤은, 이 테스트의 노출동안 탄화규소관이 두께에 대해 측정가능한 손실이 없다고 보고했다. "SiC 증기 산화 테스트#2"의 무게 측정의 결과를 보고한, 감마 엔지니어링, 아르곤 국립 연구소의 미쉘 빌원(Michael Billone)으로부터 덴우드 로스(Denwood Ross)로의 전자 메시지를 참고하길 바란다(2004년 11월 2일). 이 예는, 포함된 우라늄 일부분을 냉각재로 방출시킴 없이, 본 발명의 다층 세라믹 관이 15분을 초과한 기간 동안 1,200℃를 초과한 냉각재 사고의 설계기반 손상을 극복할 수 있다는 것을 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예의 앞선 명세서는 예시 및 설명의 목적으로 나타나 있다. 개시된 정확한 형성으로 본 발명을 소모시키거나 국한시키는 것은 아니다. 여기에 설명된 본 실시예의 많은 변화 및 수정은, 상술된 명세서의 관점에서 기술분야의 본 당업자에 명확하게 될 것이다. 본 발명의 기술영역은 여기에 첨부된 청구항으로, 그리고 그 균등한 것으로만 정의된다.

또한, 본 발명의 대표 실시예를 설명함에 있어서, 본 명세서는 특별한 순차적 단계로서 본 발명의 방법 및/또는 과정을 나타낼 수 있다. 그러나, 방법 및 처리는 여기에 앞서 설정된 특별한 단계순으로 의존하는 것은 아니며, 방법 및 처리는 설명된 특별한 순차적 단계로 국한되는 것도 아니다. 본 기술분야의 기술당업자로서, 다른 순차적 단계는 가능하다. 그러므로, 명세서에 앞서 설정된 단계의 특별한 순서는 청구항에 관한 제한으로서 구성되지는 않는다. 게다가, 본 발명의 방법 및/또는 처리로 지시된 청구항은 기재된 순내에서 그 단계의 성능에 국한되는 것은 아니며, 그리고 기술분야의 기술당업자는, 결과가 본 발명의 기술요점 및 영역내에서 변화되고 유지될 수 있는 있다는 것을 손쉽게 이해할 수 있다.

Claims

삭제
모놀리식 탄화규소의 내부층;

탄화규소 매트릭스에 의해 둘러싸인 탄화규소 섬유의 합성물인 중심층; 및

모놀리식 탄화규소의 외부층을 포함하며;

상기 내부층, 상기 중심층 및 상기 외부층은 중성자 조사에 의한 손상에 대해 저항력이 있는 화학량론적 베타 상태 탄화규소 결정으로 모두 구성된 핵연료 피복관으로서 사용되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관.
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제 2 항의 다층 세라믹 관과 상기 세라믹 관내에 포함된 우라늄 연료요소를 포함하는 다중으로 밀봉된 연료 분할부에 있어서,

상기 연료 분할부 각각은 18 내지 30 인치의 길이이고, 그리고

상기 연료 분할부는 스레디드 커넥션(threaded connection)을 가지는 것을 특징으로 하는 다중 밀봉 연료 분할부.
제 14 항의 다중 밀봉 연료 분할부를 포함하는 핵연료봉에 있어서,

상기 다중 밀봉 연료 분할부는, 12 피트 핵연료봉을 형성하기 위해 상기 스레디드 커넥션을 통해 상기 다중 밀봉 연료 분할부의 말단부에서 함께 조립되는 것을 특징으로 하는 분할된 완전길이를 갖는 핵연료봉.
제 14 항에 있어서,

세라믹 말단 판에 기계적으로 연결되고, CANDU 원자로인 압력관 형태의 중수로에서 사용되는, 18 내지 30 인치의 긴 길이를 가진 다중 밀봉 연료 분할부의 연료 다발을 형성하는 것을 특징으로 하는 다중 밀봉 연료 분할부.
삭제
제 2 항에 있어서,

상기 세라믹 관내에 포함된 고속 원자로 연료형성물을 더 포함하고, 그리고

상기 고속 원자로 연료형성물은 플루토늄이나, 고농축 우라늄 산화물, 질화물 또는 탄화물인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관.
삭제
제 2 항의 복수의 세라믹 관을 포함하는 열교환기로서,

상기 세라믹 관은, 2 개의 평평한 원형평판 또는 관 시트 사이의 말단부에서 장착되고 연결되며, 둘러싸는 큰 직경 탄화규소 합성물 원통형에 차례로 연결된 쉘 및 관 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
제 2 항에 있어서,

상기 탄화규소 섬유는 8 내지 14 마이크론 직경을 가지는 섬유를 500 내지 1600 개를 포함하는 토우로 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관.
제 21 항에 있어서,

상기 토우는 상기 다층 세라믹 관의 축에 대해 +52 내지 -52 도 사이의 각도에 있는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관.
제 21 항에 있어서,

상기 토우의 섬유는 1 마이크론 미만으로 경계면 코팅되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관.
제 21 항에 있어서,

상기 토우의 섬유는 내부 열분해 탄소 하위층과 외부 SiC 하위층을 경계면 코팅하는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관.
제 2 항에 있어서,

상기 외부층은 5 밀 미만의 두께인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관.
다층 세라믹 관을 형성하는 방법으로서, 상기 형성 방법은:

화학 증기 증착에 의해 베타 상태의 화학량론적 탄화규소의 내부 모놀리식 관을 형성하는 단계;

상기 내부 모놀리식 관 주위에 베타 상태의 화학량론적 탄화규소 섬유 중 적어도 하나의 섬유 토우를 권취하는 단계와, 중심층을 형성하기 위해 베타 상태의 화학량론적 탄화규소 매트릭스로 상기 섬유 토우를 주입하는 단계; 및

화학 증기 증착에 의해 상기 중심층 상에 모놀리식 베타 상태의 화학량론적 탄화규소의 외부층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관의 형성방법.
제 26 항에 있어서,

상기 섬유 토우는 상기 다층 세라믹 관의 축에 대해 +52 내지 -52 도 사이의 각도로 권취되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관의 형성방법.
제 26 항에 있어서,

복수의 상기 섬유 토우는 상기 중심층을 형성하기 위해 상기 내부층 주위에서 권취되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관의 형성방법.
제 28 항에 있어서,

상기 섬유 토우 각각은 이전 역방향으로 토우를 겹치게 하는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관의 형성방법.
제 26 항에 있어서,

상기 섬유 토우는, 화학증기침투나, 폴리머 침투 및 열분해 또는 그들의 조합에 의해 베타 상태 화학량론적 탄화규소에 의해 주입되는 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관의 형성방법.
제 26 항에 있어서,

상기 외부층은 5 밀 미만의 두께인 것을 특징으로 하는 다층 세라믹 관의 형성방법.