KAERI

한국원자력연구소장 귀하

;처1 룰출 륜촌

이 보고셔툴 "B4C계 중성자 홉수재 개발”의 기술현황 분석보고셔로 제출

합니다.

1993. 12.

기솔총괄부 기계화공실

작성차:정충환

김선재

박지연

강대캅

책입감수위원 : 이 창 건

감수위원:천관식

요 약 문

중성자 홉수재 가운데 가장 뛰어난 재료는 원자량이 10 인 붕소. B-10

이며 B-10의 화합물 중에셔 탄화붕소 (B4C) 및 이의 북합재료가 다른

소재보다 우수한 성능올 보이고 있다. B4C는 혈중성자 빚 고속중성자

영역에셔 가장 우수한 충정차 홉수능혁울 지니고 있으며 혈척， 화학책으로

매우 안정하고 기계척 물성도 우수한 소재이다.

그러나 B-10-은 충성자 조사에 의하여 리륨으로 변환하면셔 헬륨기체률

방출한다. 따라셔 B4C도 중성자초사에 따라 내부에셔 헬륨율 생성하며 이

헬륨방출에 따라 팽환 (swelling) , 균열생성 (cracking) • 따면형성

(fragmentation) 등이 야기되어 소재의 수명이 크게 영향올 받는다는

문제점올 갖고 있다. 따라셔 헬륨방출의 영향올 최소화하는 B4C

소재개발이 기술개발의 핵짐이 되며， 이는 기공과 입자의 코기 및 분포를

최적화하는 미세조직제어로서 이루어질 수 있다.

B4C 는 소결하기가 매우 어려운 소재이므로 순수한 B4C계 중성자

흡수재보다 제조 및 가공이 쉬운 B4C-cennet 소재가 새로운 중성차

흡수재로 개발되고 있다. B4C-cennet 는 알루마나 혹운 구리와 같은

금속기지상에 B4C툴 분산시킨 재료로셔 소결이 용이하고 특히 압연 등과

같운 가공공청을 척용할 수 있으며 사용북척에 따라 B4C 의 함량올 손협게

조절할 수 있다는 장점이 었다.

중성자 홉수 빚 차혜재는 원자로의 안전운전과 환경보호에 없어셔는

안될 중요한 채료로셔 원자로 제어몽， 가연성 톡용의 충성자 흡수체，

사용후 핵연료 저장시설의 rack 재료， 수송용기 (shipping cask) 의 중성자

차며l체， 특히 액체금숙로의 중성자 차펴l용 및 판 등 여러 혐태로 많운

부분에 쓰이고 있다.

1

빼빼Boron of 10 atomic wei링It is one of the best neutron absorbing

elements. Amongst the boron compounds , B4C and its composites exhibit

excellent material properties. Those materials absorb thermal and

fast neutrons , are thermally and chemically very stable , and are very

strong in mechanical properties.

By neutron irradiation B-10 t~뻐sforms into Li releasing one He

atom. This He release causes swelling, cracking and fragmentation of

B4C bulks 뻐d results in degradation of the materials. The essence of

technical developments of B4C-based neutron absorbers is the

minimization of the effects of He release , and this can be realized

through microstructural optimizations of grain and porosity

distributions.

While pure B4C is very difficult in sintering, new neutron

absorbing materials of B4C-cermets are being developed. B4C-cermets

are composite materials in which B4C powders are dispersed in the

metal matrix of Al or Cu. Those materials show easiness in sintering,

mechanical forming , 뻐d B4C content controlling.

Neutron absorbing and shielding materials play an important role

for the safety of reactor operations and environmental protections.

Those materials are being used as monolithic pellets for control rods ,

burnable poison fuel rods , rack materials for spent fuel storages ,

shielding materials for shipping casks , and especially for shielding

plates for liquid metal reactors.

11

특추 흐1-

요약문 -------------------------------------------------------- i

Sumary -------------------------------------------------------- ii

목차 ---------------------------------------------------------- iii

표목차 -------------------------------------------------------- v

그림목차 -----------…----------------------------------------- vi

제 1 장 셔론 -------------------------------------------------- 1

제 2 장 본론 -------------------------------------------…----- 5

제 1 절 제어용 재료 ---------------------------------------- 5

1. 개요 ------------------------------------------------- 5

2. 경수로 제어봉의 특징 --------------------------------- 6

3. 핵체금속로 제어용의 특정 ----------------------------- 14

4. B4C의 물성 빛 제조법 --------------------------------- 15

가) B4C의 물성 -------------------------------------- 15

(1) B4C의 결정구조 ------------------------------ 18

(2) 화학척 성질 ----------------------------------- 18

(3) 이론밀도 ------------------------------------ 20

(4) 비열과 열팽창계수 --------------------------- 20

(5) 얼천도도 ------------------------------------ 20

(6) 기계척 성질 --------------------------------- 25

나) B4C의 분발제조법 -------------------------------- 27

다) B4C 소결체 제조공정 ----------------------------- 30

5. B4C의 노내특성 -------------------------------------- 31

가) He 기체방출 ------------------------------------- 32

나) B4C 의 팽윤과 균열발생 ---------------------------- 35

111

다)B4C 헬렛/피북관 상호착용 ------------------------ 40

6. B4C 제이용 재료의 노내거동 시험 ---------------------- 45

가) YY02 experiment --------------------------------- 48

나) B애-1 experiment -------------------------------- 50

다) BMV-1 experiment -------------------------------- 50

라) 때C-1-1 experiment ------------------------------ 53

마) BICM-2 experiment ------------------------------- 53

7. B4C 제어봉 재질개량연구 ------------------------------ 59

제 2 철 B4C-meta1 (Cermet)계 재료 ----------------------------- 63

1. 중성자 제어용 및 Shutdown 재료 ------------------------ 64

2. 사용후핵연료 저장조 Rack 재료 ------------------------- 64

가) Bora! -------------------------------------------- 66

나) Tetrabor ----------------------------------------- 67

3. 사용후핵연료 Shipping Cask의 중성자 차혜재 ------------- 67

제 3 장 결론 -------------------------------------------------- 71

참고문헌 ------------------------------------------------------- 73

IV

표조 측극 흐1-

표 1 로재료의 열충성자와 고숙중성자에 패한 홉수단면척 --------- 3

표 2 세계 각국의 핵체금속로용 제어용 재료 --------------------- 7

표 3 경수로 B4C 제어용 칩합체에 대한 기계척 설계 빚 재료변수 -- 9

표 4 경수로 B4C 제어봉 집합체 젤계에 척용된 변수 -------------- 10

표 5 영광 3.4 호기 제어용의 충성자 홉수재 펠렛 빛 피북관의

특성 ----------------------------------------------------- 13

표 6 PCI 특성 시험 조건 --------------------------------------- 47

표 7 YY02 조사시험 조건 및 B4C 시현의 사양 -------------‘------ 51

표 8 BCM-1 조사시 험 조건 빛 B4C 시펀의 사양 ------------------- 51

표 9 BMV-l 조사시 험 조건 빚 B4C 시현의 사양 ------------------- 55

표 10 때C-l-l 조사시 험 조건 빛 B4C 시면의 사양 ---------‘------- 56

표 11 BICM-2 조사시협 조건 빛 B4C 시면의 사양 ------------------ 56

표 12 B4CI금속 셔메트의 노외특성 ------------------------------- 62

v

二Z 림틀중흐}

그림 1 열중성자 영역에셔 중성자 홉수단변척의 변화 -------------- 4

그럼 2 고속중정자 영역에서 중성자 홉수단면척의 변화 ------------ 4

그힘 3 열중성자 영역에셔 B4C의 기체 방출율 --------------------- 끄

그림 4 경수로 제어용 집합체의 도식척 모습 ---------------------- 12

그럽 5 FFTF 제어용 집합체 빚 용의 도식척 모습 ------------------ 16

그램 6 FTR 제어봉의 온도분포 ----------------------------------- 17

그힘 7 B4C의 결정 구조 --------------’‘------------------------- 19

그림 8 온도에 따른 열천도도 변화 ------------------------------- 22

그림 9 중생자 조사 옴도 및 소결밀도에 따를 열천도도의 변화 ----- 22

그림 10 B4C 분발 제조법 빚 B/C 비에 따른 열천도도 변화 -------- 23

그림 11 B4C 의 기공율에 따른 열전도도 변화 ---------------------- 24

그림 12 연소도에 따른 열전도도 변화 ---------------------------- 24

그럽 13 600°C 에서 B4C 의 연소도에 따른 얼저항의 변화 --------- 26

그림 14 조사된 B4C의 재열처리 후 열천도도 변화 ----------------- 26

그림 15 온도에 따른 B4C의 영율 변화 ---------‘-----“----------- 28

그힘 16 운도에 따른 D4C의 꺾입 강도 ---------------------------- 29

그림 17 연소도에 따른 B4C 펠렛 내의 Li 잔유량 ------------------ 33

그림 18 연소도에 따른 He 방출거동 -----------------“----------- 34

그럼 19 조사온도에 따른 He 방출거동 ---------------------------- 34

그림 20 소결밀도에 따른 He·방출거동 ---------------------------- 36

그림 21 Ble 비에 따른 He 방출거동 ------------------------------ 36

그림 2299% 소결밀도 B4C 펠렛의 열중성자 조사시 균열 빛

반경방향 국부 연소도 분포 ----------------------------- 38

그럼 23 B4C 내에 He 잔유량에 따른 스웰링거동 ------------------- 39

Vl

그림 24 80% 소결밀도 B4C 펠렛의 혈중성자 조사시 균열 분포 ----- 41

그림 25 연소도 빛 소결밀도에 따른 스웰링거동 ------------------- 42

그립 26 띠복관 내에 탄소확산에 의한 탄소양 변화 ---------------- 44

그림 27 PCCl 특성 측정을 위한 시험용 캡슐의 도식척 모습 -------- 46

그림 28 B4C 중성자 조사시험올 위한 시험용 집합체 (VY02) 의

도식척 모습 -------------------------------------------- 49

그림 29 B4C 중성자 조사시험율 위한 시험용 캡슐 (BCM-I) 의

도삭척 모습 -------------------------------------------- 52

그림 30 B4C 중성자 조사시험을 위한 시험용 캡슐 (BMV-l) 의

도식척 모습 -------------------------------------------- 54

그림 31 B4C 충성자 조사시험올 위한 시험용 집합체 (BICM-2) 의

도식척 모습 -------------------------------------------- 58

그림 32 B4C/금속 셔메트의 비이커스경도 ------------------------- 6。

그림 33 B4C/금속 서메트의 옴도에 따른 열전도도 변화 ------------ 6。

그림 34 B4C/금속 서메트의 열피로 시험 특성 --------------------- 61

그림 35 BARC에셔 B4C 분말과 Boral Sheet의 제조 공정도 ---------- 65

그림 36 사용후핵연료 저장조의 Rack재의 단변도 ------------------ 68

그림 37 Los Alamos Scientific Lab. 의 B4C-Cu 차폐재 제조

공정도 ------------------------------------------------- 70

VB

;저1 1 걷훈 .kl 훈른

1978년 고리 1호기를 상업운천한 이래로 다가오는 2000년에는 1671의

원자로툴 가동할 우리나라의 원자력분야에서는 지난 20년간 핵연료국산화

빚 원자로 철계기솔의 자립화률 위하여 많운 투자와 노력율 기울여 상당한

성파를 얻었다. 반면， 원자력 기솔자립화률 위한 원자력 기반기술의

하나인 소재의 설계， 개발， 특성/성능 시험 빛 data base구축 관련 분야는

보조척인 역할만을 수행하여왔다. 탈 냉천후 경제체제률 근거로 기술율

블혁화하는 현시첨에셔 기술자립화는 매우중요한 과제이며， 특히，

부가가치가 른 소재분야에셔는 그 중요성이 더 놓아지리라 생각된다. 향후

원자력 기솔의 자립화라는 대명제률 이루려면， 관련소재의 개발 및

기술축척이 창기척인 안북에셔 투자되어야 한다.

이 소재틀 중의 하나인 중성자 홉수재는 원차로의 안정적 훈천，

사용후핵연료의 저장 및 운송 등파 관련된 제어 및 카폐재로셔의 그 역할이

중요하며， 경/중수로와 고속로용 제어용 빛 가연성 독봉의 중성자 홉수재，

사용후핵연료의 저장조 rack재， shipping cask용 중성자 차혜채 및

고숙로용 충성자 차폐용/판 등 다양한 용도툴 지넌다.

중정자 홉수 단면척운 일반척으로 중성자 에녀지 영역에 따라 변하며

충성차 에녀지가 증가하면 홉수 단면척윤 감소하는 경향율 나타낸다. 이

경향운 연료， 피북재， 홉수재 빚 냉각재의 열충성자와 고속 중성자로에셔

홉수 단변척율 비교한 표 1 과 중성자 에너지 영역에 따른 흡수 단변척의

연속척인 변화를 나타낸 그림 1 및 2 와 같다. 그림 1에서 보면 얼중성자

영역에셔 좋은 중성차 흡수재로 사용될 수 있는 Cd는 고솜 충성자 에녀지

영역에서는 중성차 흡수 단면척이 급격히 감소되어 그 능력을 상실하게

된다. 반면 그림 1과 2에 나타낸 붕소의 중성자 흡수 단면적의 변화는

1lA

감소경향이 단순하여 고속 중성차 에너지 영역에셔도 2"'3 bam의 홉수

단면척을 지니묘로 붕소 및 붕소 화합물는 넓은 중성자 에너지 영역에 걸쳐

중성자 홉수재로셔 척용할 수 있다.

8-10은 B-11과 같이 용소의 동위 원소로 천연에 존재하며， 제어몽

재료로의 이용운 화학척인 안정성이나 열척욕성 등의 이유로 탄화물인

B‘C가 주로 이용된다. B.e는 천연에셔 19.8%의 B-10융 갖고 있으며，

용소의 농촉도를 층가시켜 중성차 홉수 단변척올 4.5때까지 증가시킬 수

있다. 아울러 매우 안청된 화학척， 열척 특성율 지나고 있으며， 그 용도가

다양하여 제조 방법이 찰 알려져 있다 (1). 90년 현재 B.e의 비동구권

연간 생산량운 약 500 ton 정도이며， 천연 B‘C 가격윤 15 ....,17 8/kg이고，

90% B-10율 농혹시킨 B‘C의 가격윤 약 4000 -5000 8/kg이다 [2]. 따라서

B‘C는 열 빛 고속 중성자 에녀지 영역에셔 갖는 뛰어난 중성자 홉수 능력，

B-10의 농축에 따른 중성자와의 반옹성 증가， 상업척인 이용성， 용이한

제조성의 장점올 지닌 재료로 제어 및 차펴l재로 다양하게 이용되고 있다.

중성자 홉수재는 붕소의 뛰어난 중성자 홉수능력과 B‘C의 우수한 내열성

빚 기계척 성철로 인하여 B‘C 및 B‘C 서메트가 연구 및 개발 대상재료로

각광올 받고있다. 따라서 다양한 응용과 부가가치가 콘 B‘C 빛 B.C 서메트

소재의 특성규명 및 체조/성능시험 관련 연구는 향후 B‘C계 소재의 원자력

분야 옹용과 기술 자립 빚 션진화률 위한 중요한 초석이 되리라

기대되며， 이와 관련한 연구률 통한 자료 빛 know-how 의 혹척윤 타 원자력

신소재의 개발에도 그 따급효파가 매우 클것￡로 기대된다.

본 기술현황분석 보고셔에서는 B‘C 및 B.e 서메트가 중성자 홉수재로셔

경수로 빛 액체금속로용 제어몽， 사용후 핵연료 저장조의 rack , 및

shipping cask 와혜벽 등의 척용예 빛 개발현황올 분석하여 B‘C 계 중성자

홉수재의 특성 향상을 위한 연구 방향 설정에 도용을 주고자 한다.

끼/U

표 1 로재료의 열중성자와 고속중성자에 대한 홉수단면척

Isotope Nominal cra*or densi뼈ty) (c꾀 X 102‘)element (g/ LWR LMFBR

AbsorbersB-I0 2.347 3400 2.70Bnatural 2.535 670 0.54Cd 8.650 3300 0.15

CladdingStainless Steel 7.850 2.80 0.010Zr 6.440 0.16 0.015

FuelUNatural 19.00U-235 18.70 670 2.50U-238 19.00 2.90 0.40Pu-239 19.60 1300 2.20

CoolantHωn 1.000 0.664Na (at 400°C) 0.854 0.470 1.3xlO"3

* era : spectral averaged cross-section

q니

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7(뼈 I- 낀(OO:JI- !~여...-‘;:;、

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/ l~J(XX) /‘’

10

그림 1 열중성자 영역에셔 중성자 홈수단면적의 변화

30”x“

R

5

(”E

’∞)C。=U@이..”e“ 10

-90‘rJ fa‘lReado r Neutron‘are Within thl‘Ran<Jl!

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7

빠vlron (ne "lYtevl

그림 2 고속중정차 영역에서 중성자 흡수단변척의 변화

- 4 -

Z케1 2 릇훈 혼즌 중론은

제 1 절 제어용 재료

1. 개요

제어몽운 중성자 홉수재툴 이용하여 원자로의 훌혁율 조절하거나，

중대사고시 가동 충지 및 핵연료 주기동안 출력의 거시척 조철올 위하여

사용된다. 이를 위한 충성자 홉수재가 갖추어야 할 요건윤 다옴과 같다

U].

a) 원자로의 반용도 제어가 효과척으로 이루어철 청도의 중성자 포획

능력올 지녀야 한다.

b) 중성자 제어능력이 노섬의 수명과 같은 시간동안 지속되어야 한다.

c) 중성자 홉수 단변척이 충문히 커서 제어봉이 차지하는 부피를 최소화 할

수 있게 되므로 핵연료가 노섬에셔 차지하는 공간올 최대로 하여

원자로의 멸과 에너지 효율을 높일 수 있어야 한다.

d) 피복재 빚 냉각재와 양립성이 있어야 한다.

특히 고속 중성자 에너지 영역에셔는 열중성자 영역에 비하여 작동온도，

중성차숙 준위 빛 에너지 분포가 훨씬 코기 때문에 중성자 홉수재로

사용되는 물질이 제한받게 된다.

붕소계 중성차 홉수채는 넓운 에너지 영역에 걸쳐 성능이 유효하며，

AglnCd 홉수재의 경제성 처하로 척용 폭이 넓어지고 있다 [3 ], 여러

붕소계 화합물 중에셔 B‘C는 19.8 % 8-10의 천연존재， 보론의 농축에 따라

최고 4.5배 까지 증가시킬 수 있는 중성자 홉수 단변척， 매우 안정된

화학척， 열척 특성 맺 다양한 용도에 따라 원료 공급과 제조의 용이함 등의

잇점으로 제어봉의 충성자 홉수재로서 경/중수로， 비등수로 빛

FhJ

υ

액체금속로에 이용된다. 각국의 액체 금속로 제어용 재료의 이용예를 표

2에 나타내었다 [4].

B ‘C가 충성자를 홉수하면 아래와 같은 반옹에 의하여 2.79 MeV 정도의

BID + n1 • Li7 + He‘ + 2.79 MeV

혈이 발생한다. 이 열에 의한 중성자 홉수재의 옴도상숭으로 인하여

충성자 홉수재는 혈팽창이 발생되며， 이에 따라 제어봉 피북관에 과도한

융력부하률 야기시킬 수 있다. 따라셔 제어용 철계시에는 충성자 홉수재로

부터 냉각재로의 열천달이 매우 중요하며， 얼천달이 찰 되도록 훨렛/피북관

간격 빚 홉수재의 얼전도도 등이 고려되어야 한다 [5 ,6]. 한펀 핵분열

생성물로 발생되는 헬륨과 리륨운 B‘C의 치수 안정성에 영향올 미치게 되며，

특히 기체 생성물연 헬륨의 방출운 B‘C의 팽혼과 균얼발생 (cracking)올

가져오므로 B.C가 제어용 채료로 척용되는데 코게 제약을 받게 한다 [7].

이러한 B.C의 거동에 영향율 미철 인자들로는 B‘C의 밀도， 기공크기와

분포， 업자크기， stoichiometry 빚 B-10의 양 등이 었다.

본 철에셔는 원자로 제어몽의 특징울 살펴보고， 제어용 재료로

이용되는 B‘C의 핵분열 기체 생성물 방출 거동， 팽올과 균열발생，

펠렛/피북관 상호작용 등과 같운 노내 거동을 조사하고， 아울러 B‘C 펠렛의

제조법， 노내 시험법 및 개량형 제어용의 연구 현활올 살펴보아， 원차로

제어용 재료의 개발 방향철정에 도울율 추고자 한다.

2. 경수로 제어용의 특징

경수로에셔 반웅도의 초철윤 full length 제어용， soluble chemical

shim과 가연성 톡옹에 의하여 이루어진다. full length 제어봉운 로정지，

로 냉각수 온도변화에 따른 반융도 변화， 반응도의 출력계수 (power

coefficient) 에 의한 반옹도 변화， 냉각수 공공(coolant void) 에 관련된

반웅도 빚 천이 제논 반옹도 변화를 제어하기 위하여 사용되어 왔다.

- 6 -

표 2 세계 각국의 액체금속로 제어봉 재료

원 자 로 제어용채료

* 시험로 빛 실험로

EBR-II( 미) B‘cSEFOR (미) Ni반사체

BOR-60( 러) B‘cBR-5 (러) B‘cDFR (영) B‘c

Rapsodie( 불) B‘cKNK-2 (톡) B‘cPEC (이태) B‘c

* 원형로

CRBR (미) B‘cPFR (영) Ta 또는 B.CPhenix( 불) Ta 또는 B‘cSNR (독) B‘cBN-350( 러) B‘cBN-600( 러) Ta 또눈 B.C몬 츄 (일) B‘c

* 설증로

Super Phenix B‘cCDS (미) B‘cCDFR (영) B‘cSNR-II( 톡) B‘cBN-1600( 러)

一 7 -

경수로용 제어옹의 중성자 홉수재로는 AglnCd 합금이 사용되어 왔으며，

80년초만 해도 B‘C는 상업로에 적용되지 못한 상태이었다. 그러나， 운

값의 상승에 따른 AglnCd 합금 제어용의 경제성 저하로 인하여 B.C로의

대치를 고려하게 되었다. 이는 CE에 의하여 처옵 시도되었으며， CE와 B&W

빚 W의 B‘C 제어용 칩합체에 대한 젤계와 재료 변수툴을 비교하여 표 3과

4에 나타내었다 [3 ],

풍소은 혈중정자 흡수재로셔 매우 른 충성자 홉수 단변척 (3850

barns) 울 지나고 있으나， 콘 홉수 단면척으로 인하여 mean free path가

짧기 때문에 중성자가 홉수재 깊숙히까지 청투하기 어려워지므로 발생되는

self shielding effect로 인하여 조사손상이 우려된다. 실제로 조사옴도에

따른 헬륨기체 방출율의 값도 조사에 의한 균열발생， 따현형성 빛 따괴

등으로 인하여 예상치 보다 코며， 분산폭도 더 크다 (그림 3 참고) [1].

이외에도 B4C는 헬륨기체의 방출 빚 헬륨기포와 리륨 원자의 잔류에 의한

펠렛의 팽환 등의 문제점이 있으며， 이들을 고려하여 설계되어야 한다.

제어봉은 설계시 핵적 빛 안전성 관점에서는 전체 반융도 값 (total

reactivity worth) , scram 시깐 및 제어몽의 수멍을 고려하여야 하며，

얼수력 관점에서는 제어용의 중심옴도와 핵연료 안내관과 제어봉 피복관

사이의 환류 (annular flow) 영역에서 비등현상의 배제 등이 고려되어야

하고， 열척-기계척 관점에셔는 원자로 냉각재의 외부압력에 의한 옹력，

scram이나 지진 발생등에 의한 동척웅력， LOCA(loss of coolant accident)

시의 하중， PCMI(pellet-cladding mechanical interaction) 에 의한 옹력 및

헬륨 기체 방출에 의한 응력 등이 고려되어야 한다 [3].

경수로용 제어용 B.C 펠렛은 약 70-76% 의 소결밀도를 지닌 소결체를

이용하며 , 피북관으로는 316 Stainless Steel 이나 Inconel 625 합금이

이용된다. 영광 3,4 호기 및 울진 3 ， 4호기에 적용될 제어콩의 도식적

모습과 펠렛 및 피복관의 특성을 그림 4와 표 5에 각각 나타내었다 [8].

- 8 -

표 3. 경수로 B4C 제어봉 집합체에 대한 기계척 설계 및 재료 변수

Design orCombustion Babock &Wilcox

Material WestinghouseEngineering for 17x17 Plants

Parameter뻐뼈er of CAs 91 64 53 or 48Number of Absor-

5 24 24ber Rods Per CACladding Alloy

Type Inconel 6253048S, Cold 30485, Cold

worked workedI.D. em 2.072 0.958 0.967O.D. em 1.895 0.787 0.772Wall, em 0.089 0.085 0.096B4C PelletDensity, " of Tn 73 nominal 70-75 70-75Diameter , em 1. 872 0.724 0.747Leng앙1 ， 띠 5.08 1.27 1. 27Stack Leng단1， em 344 353 259AglnCd Slug attipDiameter , em 1.864 0.764Length, em 31. 75 101B4C Pellet t。

0.23 0.64 0.25Clad Gap, mm

(약-

표 4. 경수로 B4C 제어봉 집합체 설계에 척용된 변수

CombustionBabcox &Wilcox Westinghouse

Parameter Engineering(All B4C) (B4C/AgInCd)

(B4C/AgInCd)B4C Swelling Ratex LW per atx B10

burnup 0.1 - 0.08

x !J.V per l020atomsl0.15

cm3 depleted- -

Helium Release 18x (during normal34" at 1,2007

。홈ration)30" at <1 ,200~

Tritium Release- Essentially None 100"

Maximum AllowableClad Stress , psi

Based on ASHE C여e， ASHE α퍼e ， Section ASHE Code, SectionSection III III III

Maximum AllowableClad Strain Not S홈cified - 1"

Nuclear Life

(x loss 뇨1 wor단1) Not Limiting Not Limiting Not Limiting

Mechanical Life(Wear Fractors) Not Limiting Not Limiting Not Limiting

Estimated Life(Effec- tive Full

- - Indef뇨lite

Power Years)

Design Life , EFPY10

5 no shuffling12

8 wi압1 shuffl뇨19

-10-

%

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g‘ 450

‘u‘’l'Q

웅 30ex:

。 20

10

Powde rs

200 300 «1 00 500I rradialion Tem~ralure.

700 800

그립 3 열중성차 영역에셔 B‘C의 기체 방출율

- 11 -

COUPLING二二二覆윤;

Pl.UNGER

‘969-‘642S.4'mml

135.500"1344'.70mml

B4 CPELLETS

12.500"‘317 SOmm.fElT-l'에 ETAL&_REDUCEO。IA.B4CPELLETS-1500"(38 1Om,",

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tl}Jμ

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ENO FITTING

PI..ξNUM

그림 4 경수로 제어용 칩합체의 도식척 모습 (영광 3.4호71)

- 12 -

표 5 영광 3,4 호기 채어몽의 중성자 홉수재 펠렛 및 피북관의 특성

• B‘C 펠렛- Configuration- 외경， inch (em)

- 웰렛 길이， inch (em)

- end chamfer, inch- 벌도 (聊lad)

- wt. % boron, min.- 개기공도.%- 최대인창강도. 1b/inz

- 항북강도• 1b/inz

- 연신율.%- 영율. psi- 융정， °F( °e)- 열팽창율.%- 얼천도도. Btu/hr-ft- ° F

(callsec-em- ° C)at 800 of (426.7 °C)at 1000 ° F(538. 7 ° C)

• Inconel 합금 625 (Ni-Cr-Fe)- configuration- 칙경， inch (em)- 벌도， lb/in3

(맑νc떼)- 최대인장강도. lb/in l

(kg!빼)

Ri밍It cylinder(a) 0.737 ±0.001 (1.87)(b) 0.664 ±0.001 (1.69)(a) 3 (5.1)(b) 1.79 (4.5)0.007 to 0.020 반경1.8477.527NANANANA4.440 (낌48.9)

0.23% at 1000 ofirradiated unirradiated3x10aa nvt2. O( 8. 3x10·3

) 6.8( 28x10- 3)

1.9(7. 9x10· 3) 5.8( 24x10· 3

)

cylindrical bar0.816±0.002 (2.1±0.005)0.305 (8.442)120-150 (8.44-10.5)

- 13 -

3. 액체금속로 제어몽의 특징

고속중성자용 제어몽은 열중성자의 경우와 비교하여 다음과 같은

특징을 지넌다 (3J.

• 사용온도가 혈중성자의 경우에 비하여 200"'300 0 c 더 높다.

• B ‘C의 소결밀도가 이론밀도 (2.52 g/빼) 의 90% 이상이다. FFTF 의*

경우는 92±2% 이고， Phenix 나 Superphenix 는 92% 이다. 반변

LWR의 경우는 70 ......76% 의 소결밀도올 지넌 B‘C률 이용한다.

(* FFTF : Fast FItα Test Facility)

• 냉각재인 액체 나트륨과의 양립성이 경수로 보다 우수하다.

• 고속중성차숙/혈중성자속 비가 코며， 펠렛반경 방향으로 중성자숙

분포가 균일하다. 그러나 혈중성자의 경우에셔는 B-IO의 중성자

홉수단면척이 크기 때문에 self-shielding 효과에 의하여 펠렛

외혹에셔 대부분의 조사손상이 발생한다. 반면， 고속중성자의

경우에서는 중성자속 분포가 펠렛 전체에 균일하여 핵분열 생성붙인

헬용과 리륨의 분포가 균일하다. 또한 열중성자 영역보다 핵문얼에

의해 발생되는 얼이 더 많고， 펠렛 전체에서 균일하게 발생되므로

펠렛의 명균용도가 더 높다.

이러한 특징율 지넌 고속중성차용 제어용의 특정올 알아 보기 위하여 FFTF

제어용의 특징에 대하여 살며보았다 [9J.

제어방식운 centrally located position 방식 이며 , 제어묵척에 따라

3종류의 제어용 시스템이 사용된다.

- 6개의 이동가능 element : 노섬 안에 위치하여 원자로 출력조절이나

2차 출력정지 시스템으로 활용

- 3개의 elements : 가동 중 노섬 위쪽에 위치하여 1차 출력정지

시스랩으로 사용

- 고정 shim 집합체 : 노섬 반응도와 shielding 요건을 고려하여 노심

- 14 -

가장차리에 설치

이러한 제어몽 요소는 상호 호환성이 있고， 집합체와 봄의 도식척인

모습은 그림 5와 같다. 집합체 내에는 용 다발이 들어 있으며， 초기 FFTF

노섬에 사용한 제어용 elements 는 61개의 용들으로 1개의 다발율 구성하고

있다. 또한 용의 욕징운 용의 킬이가 161.623 em, 봉의 끝운 용단마개로

용첩되어 inner duet와 함께 조립되었다. 각 봉에는 기체 방훌에 대비한

plena률 양끝에 확보하고， plenum spacer와 top plenum 내에 웰렛 척충의

이동방지률 위한 스프링 철치하었다. 또한， 각 몽운 0.61 em 굵기의 선을

나선형으로 감아 놓았다.

B‘C 펠렛의 톡징은 펠렛의 코기가 내경 0.919 ± 0.001 em,

킬이 1.9 ± 0.6 em이고， 소결밀도눈 92 ± 2 % of TD이며 척충킬이 :

91.44 em이었다.

피복관의 특정운 치수가 내경 0.945 土 0.001 em, 외경 1.204 土 0.001

em인 316SUS stainless steel올 20%냉간압연 하였으며， 펠렛과 피북관

깐격은 0.025 em로 하였다.

FFTF 의 운전 조건운 hot channel 제어용의 올도분포는 그림 6과 같으며，

안정 용이나 고정 shim은 이보다 낮다.

- B‘C의 승옴숙도 : 35 '" 50 Wig

- 국부 연소도 : 60 x 1020cap/뼈

헬륨 방출에 의한 용내압 중가와 펠렛 팽환에 의한 피북관 변형으로 부터

제기되는 변형 제한치는 청상운천조건에서는 0.2%툴 념지 않으며，

비정상운전조건에서눈0.3%률 념지 않아야 한다.

4. B ‘C의 물성 및 제조법

가) B‘C의 물성

- 15 -

돼::::Do::;반R탑E

E그 O.919±0 때lem DlJ\1.9 ± 0.6 em LENG.r 92.0±2 % of π

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ABSORBER ADAFIER PLATEASSEMBLY INNER DUCT

‘ OUTER DUCT

HANDLINGSOCKET

PISfON RINGSEAL

. IFLOW STRAIGHTENERORIFICE PLAπs

BOTI뻐 없ID Aπ'ACHl1ENTTOP GRID ATIACI빠NT

ABSORBER ASSEMBLE

그림 5 FFTF 제어몽 집합체 및 몽의 도식적 모습

- 16 -

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2000

1800

SURFACE。F PELLET

1600

1400

-(앙)응급흩움좀← |4fli­--------A

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0.4 0.5 0.6 0 .7 0.8

X/L - AXIAL DISTANCE ALONG PelLET COtuMN

FTR 제어용의 옴도분포

- 17 -

0.3

그림 6

0.2o. 1600

0

B ‘C의 일반척인 물리，화학척인 성질에 대해셔 얼거하면 다옵과 같다.

(1) B ‘C의 결정 구조

봉소과 탄소의 공유결합 물질인 B‘C는 화합물이 발견된지 50년이 지난

1940년대에 들어서야 그 결정 구조가 밝혀지기 시작하여， 1950년대에

이르러 Clark 등[10] 에 의하여 정리되었다. 공간군 R3m에 속하는 탄화

풍소는 격자 상수값이 여러가지로 보고되고 있는데， 이는 탄화 용소의 제조

조건에 따라 붕소과 탄소의 비가 변하기 때문인 것으로 보고되고 있다.

일반척으로 B.C라고 표시되는 한화붕소의 단위 격자(unit cell) 는 그림

7 에 나타낸 바와 같이 12개의 용소원차들이 이루는 정20면체들이 능면체의

꼭지점에 위치하고 그 공간 대각선에 3개의 탄소원자가 들어있어

화학식으로 BuC) 라고 표시하기도 한다 [11]. 공간 대각션어1 일칙선으로

배얼된 G-C-G chain 의 중앙에 위치한 탄소원자는 다른 두개의 탄소와는

달리 단지 2개의 탄소만 결합하고 있어셔 붕소과 치환이 가능하다. 완전히

치환되었을 때에는 C-G-G chain 대신어11 C-B-G chain을 갖게 되어 B l3G2의

화학식을 갖게 된다. 이러한 치환은 원자반경이 0.77 A인 탄소원자와 0.97

A인 용소원자간의 원자반경 차이로 인한 격자의 팽창이 수반되어 비중이

감소하게 된다. 이와 같이 탄화붕소는 붕소와 탄소의 비가 다른

여러가지의 화합물이 폰재하며， 넓운 균일영역(homogeneity range) 을

나타낸다 [12-14].

(2) 확학척 성질

B‘C는 일반척으로 산과 염기 수용때에셔는 매우 안정하며， 유기물과는

천혀 반응하지 않는다. 그러나 용융.알칼리와 강한 산화제에셔는 대부분

첨식 당하게 된다. 또한 습한 공기 중에셔는 6000e 근처에서 산화되기

시작하여 표면에 H20) , HHO) 등이 형성되며， IOOOae에서는 산화반응이

매우 활발하게 진행된다 [15] • 질소기체와는 I800 0e에서 반응하여

- 18 -

그림 7 B4C의 결정 구조

- 19 -

웠뼈薦樓π낭

질화붕소 (EN) 음 생성한다.

(3) 이론 밀도 [16]

B ‘C의 이론밀도는 탄소양의 증가에 따라 식선적으로 증가하며， 다음

식에 따른다.

d (g/ 빼) =2.422 +0.0048 [f.]

여기서 [CJ 는 탄소량이고， 8.8 at. %에서 20.0 at. % 범위값을 갖는다.

측청된 탄화붕소의 이론 밀도는 B4C의 경우 2.52 , B 13C2는 2.488 이고

BID. ‘C 의 경우는 2.465 g! c깨이다.

(4) 비열과 열팽창 계수 [3J

B ‘C 의 조사전/후의 비멸과 엔탈피는 변화가 없으며， 비열은 온도에

따라서만 변한다. 여러 결과를 종합해 보면 비열은 다음식으로 표현될 수

있다.

Cp = 22.99 + 5.40 x 10- 3 T - 10.72 X 10sT- 2

여기서 T (K) 는 온도이며， 비열의 단위는 cal/mol 0 K 이다.

B ‘C 의 열팽창계수는 B‘C와 피복관의 간격을 결정하는 중요한

변수이며， 얼팽창계수는 온도에 따라서 증가한다.

Lili/L or .6J)/D = -0.362 x 10- 3 + 4.124 x 10 ‘ 6 T + L 902 X 10-9 T2

- 3.059 X 10-13 T3

여기서 T( °C) 는 온도이다.

(5) 열전도도

반응 기체 생성물에 의한 팽윤과 균열발생으로 인한. B‘C 펠렛의

파손과 함께 열웅력에 의한 따손도 펠렛/피복관 상호착용에 의한 제어봉

수명제한의 한 요인이 되고 있다. Froment등에 의하면 B-10이 중성자와

- 20 -

반옹하여 발생되는 열은 펠렛 내에 옴도구배를 약 1000°C/cm 까지

나타내게 하며， 이에 의한 열옹력은 조사된 펠렛의 따손을 가속화시켜

반경 방향으로 균열이 발생되도록 한다 [6 ], 따라셔 이 열응력에 가장 큰

영향율 미치는 B.C 펠렛의 고유 열척 특성의 하나인 열전도도에 관한

자료는 제어몽의 셜계 빛 수명 예측시 중요한 역할올 하게 된다.

온도에 따른 B‘C의 열전도도의 변화는 많운 연구 결과들이 셔로

일치하는 경향율 나타낸다. 그림 8 에 몇가지 결과틀율 나타내었다 [3 ],

그럽에셔 보면， 조사되지 않윤 B‘C 펠렛의 열전도도는 일반척으로 온도가

증가함에 따라 감소함올 알 수 있다. 이러한 경향은 소결밀도올 달리하여

열천도도 변화를 륙정한 그림 9 와 B‘C 분말의 제조법을 달리한 그립 10 의

결과에셔도 볼 수 있다 [3 ,6). 그럽에셔 보면 소결밀도가 착으면

얼천도도는 감소하나 륙정온도에 따라 감소하는 경향운 소결밀도에

무관하였으며， 소결밀도와 B-10의 농축도가 같으면 B.e 분말의 제죠법은

열전도도의 변화에 영향올 미치지 않옴을 알 수 있다. 그러나 Ble의 비가

다르면 륙정옴도에 따른 열전도도의 변화 경향은 달라진다 • B/C의 비가

8일 때에는 열전도도가 측정옹도에 따라 변화가 거의 없으며， = 3

Wim·K로 B/C가 4 일 때에 비하여 값이 낮았다. 한편 소결밀도， 즉

기공율이 열천도도에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 725°e에셔 기공율에

따른 혈천도도의 변화를 혹청하여 그림 11 에 나타내었다 [17] • 그림에셔

보면 기공율이 증가하면 열천도도는 칙선척으로 감소함을 알 수 있다.

따라셔 소결밀도와 흑정옹도률 고려한 열천도도의 변화는 다융 식으로

나타낸다 [3].

1 - φ lA = λs ().[ ]

1 + 2.2 φ (6.87 + 0.0171 T)

여기서 λ는 열전도도이고， 단위는 ca1/cm- 0 C-sec 이며， λs는 100%

- 21 -

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옴도에 따른 열전도도 변화.그림 8

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열전도도의 변화소결밀도에 따른

- 22 -

중성자 조사 온도 및그림 9

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(c)

그림 10 B‘C 분말 제조법 빚 BIC 비에 따른 열전도도 변화(a) carbothermal B‘C, (b) magnesiothemal B.C , (c) BeG

- 23 -

1.4

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그립 11 B‘C의 거공율에 따른 열전도도 변화

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그림 12 연소도에 따른 열전도도 변화

- Z4 -

치밀한 B‘C의 열천도도이다. φ는 기공율이고， T는 측정온도이다.

한편， 연소도에 따른 B‘C의 열전도도와 열저항의 변화를 살펴보면 그림

12 빛 13과 같다 [3 , 6,9,17 , 18]. 연소도가 낳으면 열전도도가 급속히

감소되나， 연소도가 5 X 1020 cap.! c펴 이상이 되면 열전도도는 일정한 값올

갖게 된다. 이러한 경향은 조사옴도에 관계없이 비슷했으나， 조사옹도가

낯을수록 얼천도도는 착았다. 조사된 시현의 온도에 따른 열전도도의

변화를 살며보면， 그림 9 에셔 볼 수 있둥이 조사온도와 소결밀도가 낮으면

혈전도도는 착았으며， 륙정용도에는 콘 영향율 받지 않는다고 생각된다.

이는 BIC 비가 다른 그림 10 (a) 와 (c) 에서도 관찰된다. 질제로

조사천에는 열천도도가 작았던 BIC 비가 8인 경우도 조사된 시현운 BIC가

4인 경우와 비슷한 값과 경향올 갖는다. 앞의 소결밀도와 륙정옹도에 따른

얼전전도 식에 조사온도툴 함께 고려하여 나타내면 다음과 같다 [3].

11- φ

λ = AS [ ] • ( ) • (0 .000759 e - 0.0464)(6.87 + 0.0171 T) 1 + 2.2 φ

여기셔 e 는 조사온도 ( ° C) 이다. 이 식은 50 X 1020 cap. / ern 이상의

연소도와 250-980°C 올도범위에서 척용될 수 있다.

조사된 시편의 혈천도도는 재열처리를 하므로 약 80 % 까지 회복되며，

이는 조사된 시펀올 1800 0 G에셔 3 시간동안 열처리 하여 흑청한 열전도도

변화툴 보면 알 수 있다 (그림 14). 이는 조사에 의해 변형된 격자가

조사전 값에 가깝게 회북되므로 열전도도 회북되었음을 의미한다 [18], 즉

Froment가 보고한 바와 같이， 연소된 시훤의 열천도도 감소는 조사로 부터

발생된 균열로 인한 전도의 감소 뿐 아니라 조사에 의한 원자의 무질서

배얼에 따른 양차산란의 증가 때문이라고 생각된다 [6 ],

(6) 기계적 성질

B4C 의 고온에서의 기계적 성질에 대한 정보는 펠렛과 피복관의 상호

- Z5 -

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BURN-UP (CAPT/cm3)잉Z<!工

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X 1021

그림 13 600°C 에서 B‘C 의 연소도에 따른 열처항의 변화

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0. 07 !400 800 1200 1600 2αm 2400 2800 3200

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0.06 L\14

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POSTI RRAO'lATIgN ANNEAL -1 10 ~)

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4200 400 600 800 lαm 1200 1400 1600 1800

TEMPERA TURf. DC

그림 14 조사된 B‘C의 재열처리 후 열전도도 변화

- 26 -

작용에 의해셔 생기는 피복관의 융력을 평가하는데 매우 중요한 인자이다.

제어재의 고온에서의 변형과 고용강도는 피복관에 미치는 응력과

칙접적인 관계가 있으며， 따괴저함성과 열응력 및 열충격저항성을

평가하는데에 B‘C의 고옹기계척 성켈은 매우 중요한 요소이다. 특히

조사가 시착되는 초기단계에셔 B‘C 펠렛 천반에 걸쳐 열척구배가 매우 코기

때문에 열충격율 견딜수 있는 고옴강도가 필요하다. B‘C의 고옹

기계척 성질 중에셔 열팽창 계수와 포아손 비 (poisson' ratio) 를

제외하고는 열옹혁에 영향율 주는 기계척 성질 (영율， 꺾입강도 등)운

시편의 기공율과 온도에 의존한다. 그러나 B‘C의 고온에서의 기계적

성질에 관한 자료는 거의 없으며， 조사된 재료의 기계척성질에 대한 자료는

전혀없는 질정이다. HEDL*[l9J 에서 햄한 B‘C의 기계척 성질에 대한 결과로

그림 15 와 16 에 옴도에 따른 영율과 꺾입강도를 나타내었다. 이 값올

근거로 영율과 꺾입강도의 온도에 따른 변화식올 구하였다.

(* HEDL : Hanford Engineering Development Lab.)

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s = (51 ,353 + 2.548 T - 2.464 X 1002 T- 2) exp (-7.123P)

여기셔 E는 영율 ( 106 psi) , S는 꺾입강도 (psi) , T는 운도이며， P는

기공율이다. B‘C는 고옴에셔도 기계척 성질의 변화가 거의 없고 비교적

높은 강도값을 가지고 있기 때문에 고온에서도 변형이 쉽게 일어나지

않는다.

나) B 4C의 분말 제조법

1850년대 급속 붕화물의 제조 중 부산물로서 처음 발견된 B‘C는 그 후

여러가지 제조 방법이 개발되었다.

- 27 -

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그림 16 옴도에 따른 B‘C의 꺾임 강도

- Z9 -

(i) Carbothermal Method [20]

이 방법은 탄소의 강한 환원력과 고옴을 이용하는 방법으로 반응식운

다음과 같다.

2 B~03 + 7 C ----) B‘C+ 6 CO (~ =1812 KJ/mole)

B~03 • 3H~0 와 탄소 혼합물을 electric-arc 로에 넣고 2200 -2500 0 C의

온도로 가열하면 B‘C가 형성된다. 쟁성된 B.C률 분쇄하고 산처리하여

최종분말올 제초한다. 이 방법윤 공업척으로 B‘C의 대량생산올 위해셔

가장 많이 사용된다.

(ii) Magnesiothermal method [21]

이 방법윤 마그네슐올 촉매로하여 제조하며， 반용식운 다옵과 같다.

2 B~03 +6 Mg +C ----) B.C +6 MgO (1000-1200°C)

최종산물 내에 존재하는 MgB~나 마그네숨올 산처리하여 제거하면 BIC가 4인

조성의 매우 미세한 (0.1-5 μm) 분말이 얻어진다.

(iii) 기체상으로 부터의 석출 [22]

Boron Halide 와 한소를 포함하는 화합물을 수소분위기에서 반응시키면

미립자의 분말율 얻율 수 있다. 이 외에 원소물절로 부터 칙접 제조할 수

있으나， 대량생산이 어렵다.

다) B‘C 소결체 제조 공정

(i) 상압소결 공정 (pressureless sintering)

B‘C를 제어채로 쓰기 위해셔는 일반 셰라믹스와 같이 상압소결공정이나

고옴가압소결 (hot pressing) 공정이 확립되어야 한다. 다른 공유결합물질과

마찬가지로 B4C 역시 자체확산계수가 매우 낮아 소결첨가제 없이

상합소결로는 고밀도의 소결체를 제조하기가 어렵다 [23]. 즉

- 30 -

상압소결로는 초기분말어 매우 미세하고 소결옹도가 고옹 (2100°C 이상)

이더라도 치밀한 소결체의 제조가 어려우며， 다른 첨가제가 있거나

액상소결일 때만 치밀한 소결체가 얻어진다[24] .

(ii) 고올가압소결 공정 (hot pressing)

고온가압소결운 간단한 혐상의 재료를 치밀하게 만드는 방법 중에셔

가장 낼리 쓰이는 방법이다. 그러나 B‘C 만으로 치밀한 소결체를

제조하려면 분말이 매우 미세하고 « 2 urn) , 순도가 높아야만 하며，

소결온도를 2100 - 2200 0 C 로 하고 동시에 30-40 MFa의 압력올 가해야

한다. 소컬첨가제로 금속울 넣어 소결하면 소결옹도와 시간운 줄일 수

있고 입자성장이나 기계척 성질의 제어가 용이하지만 소결체 내에 첨가된

금속이 불순물로 폰재하여셔 제어재로 사용하기에는 곤란하다. Wang [25]

등운 첨가제 없이 혹연 die툴 이용하여 30MPa의 압력과 2000°C이상의

고온에서 10-30분 동안 고온가압 소결하여 치밀한 소결체를 얻었다고

보고하였다.

(iii) 기타 방법

소결시 정수압올 추어셔 치밀화를 향상시키는 고옴정수압소결운

소결첨가제 없이 낮윤온도에셔 (1700 0 el 치밀한 소결체률 제조할 수

있으나 소결공정이 까다롭고 소결단가가 높아서 경제척이지 뭇하다.

최근에는 microwave툴 이용하여 2000°C 에셔 소결하여 상대밀도가

95% 이상의 소결체률 단 12분만에 얻었다는 보고가 있다. 이 방법은

고온가압소결 공정보다 경제적으로 약 18% 의 이익이 었다[26 ]，

5. B ‘C의 노내특성

B‘C가 중성자 죠사를 받으변 B-10(n , a)Li-7 반응에 의하여 헬롤기체를

- 31 -

생성한다. 헬률 기체는 B‘C 펠렛 밖￡로 방출되어 피복관 내에 남거나 B‘c

펠렛 내에 잔유하게 된다. 따라서 B‘C펠렛은 잔유된 헬륨에 의한 팽윤과

균혈생성이 발생되고， 방출된 헬륨에 의한 피복관 내압에 증가로 제어용의

건천성과 관련된 문제점이 발생한다. 아울러 러륨 원자도 Bte 펠렛의

스웰링에 영향올 미치게 된다. 연소도에 따라 펠렛 내에 잔유하는 리륨양운

그림 17과 같다. 명균 리륨잔유량운 풍소의 중성자조사반용에 의해 생성되는

이론량 (그림의 칙션)의 81% 정도임올 알 수 있다[3]， 리륨이 존재하는

화학척상태는 리륨이나 리륨화합물과 피북관간의 양립성， B‘C의 팽윤과

파펀형성에 미치는 영향 및 띠북관 파손을 가져올 피북관 부식과 관련하여

때우 중요한 인차이나 이에 대해셔는 더 많운 연구가 필요하다. 이러한

특성울 알아보기 위하여 본 항에셔는 B‘c 제어용의 노내거동 특성에 대하여

기술하고자 한다.

가) 헬톱 기체 방출

B‘C의 연소도에 따른 헬륨방출량의 변화는 그림 18과 같다 [27].

그립운 소결밀도가 92 %이고， B-I0 의 농축도가 92 %인 B‘C툴 793°e에셔

조사한 결과이다. 그림에서 보면 헬용방출속도는 낮은 연소도에셔는 매우

빠르며， "'8xl020 cap./배 연소도에셔 최고치를 나타낸다. 연소도가 더

이상 증가하면 방출량은 감소하고， 50 X 1020 cap.!c버 이상에서는

일청해진다. 측 헬륨의 연소도에 따른 방출경향은 헬륨 방출속도가 매우

빼르며， 시간에 의존하는 영역 (P(t» 과 방출속도가 늦으며 시칸에

무관하게 일정한 영억(5)의 두 부분으로 나눌 수 있다. 이를 식으로

표시하면 전체 방출량 (q)은 다옴과 같다 [28) .

t1q = I P( t) dt + 5 ( t - td

0여기서 t1은 P(t) 에 의존하는 영역이 끝나는 시간이다. 이러한 경향은

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그림 19 조사옴도에 따른 He 방출거동

- 34 -

조사온도를 달러한 결과인 그림 19 에서도 볼 수 있다. 그러나 P(t) 와

tl운 조사온도에 따라 북잡한 관계가 성립되리라 예상된다. 그림에셔

조사온도에 따른 헬륨방출량은 콘 차이는 없지만 조사옴도에 따라 대체로

증가하는 경향을 나타낸다.

B‘C입자크기가 헬홈방출에 미치는 영향을 살며보기 위하여 830°C , 72 x

1020cap.!빼 조건에셔 입자코기가 8 μm 인 B‘C와 z8 μm인 B‘C툴

연소시켰다. 그 결과 8 pm 인 경우는 헬륨방출율이 19 % 로， z8 pm 인

경우의 9 % 보다 방출량이 더 많았다. 즉 입자가 클수록 방출량운

척었으며， 이는 입계를 따라 헬롤의 방출이 급격히 이루어지며 입내확산은

방출속도를 제한하기 때문이라 생각된다. 따라셔 헬륨 방출량올 줄이기

위해셔는 콘 업자의 B‘C가 유리하다. 또한 B.C의 소결밀도도 헬륨방출에

미친다. 소결밀도가 높아지변 헬륨이 펠렛 내에 잔유되는 양이 많아지므로

방출량은 줄어든다 (그립 20 참고) (9]. 그러나 소결밀도가 90% 이상이면

방출량의 차이는 줄어들며. 95% 이상에서는 균혈이나 스웰링에 의한

펠렛의 따손 가능성이 높아진다. 이는 개기공도와도 관련이 있다.

소결밀도가 90% 이하이면 대부분의 기공이 연결되어 개기공도가 높운

반면， 소결밀도가 90% 이상이 되면 개기공도는 5% 이하로 낮아지고，

소결밀도가 95% 이상이면 개기공도는 거의 O에 가깝게 된다 [3]. 아울러

BIC의 비도 헬륨방출량에 영향율 미친다. 연소도에 따른 헬륨 방출량의

변화를 BIC 비가 셔로 다른 경우에 대하여 그림 21에 나타내었다 [27].

810 0 C, 18 X 1020cap.!빼 이상에셔는 BIC 비가 코변 헬륨 방출량이

증가하며， 65 X 1020 cap.!뼈 에셔는 BIC가 6.5 인 경우가 4.0인 경우에

비하여 5배 가량 많았다.

나) B.C의 팽윤과 균열발생

B‘C가 충성자 조사를 받는동안 치수 안정성은 제어용 설계나 특성평가

- 35 -

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- 36 -

버에 따른 He그럽 21 B/e

및 수명예측에 매우 중요한 역할을 한다. 치수 안정성은 B‘C 펠렛의

팽윤이나 균열발생에 이윤 파떤생성 (fragmentation) 을 모두 포함한

개념이다. 앞에서 언급한 헬륨 기체 방출에 의한 피복관 내압 증가가

펠렛/피북관 기계척 상호작용 (PCMI) 의 주원인이라면， 팽윤과 균열발생

및 따면생성운 펠렛/피북관 화학척 상호작용 (peel)의 주원인이 된다.

륙히 얼중성자 조사시에는 self-shielding 에 의해 원주방향의 균열이 주로

관찰되는 반면， 고속충성자 조사시에는 큰 균얼발생 빚 따면생성이 주로

관찰된다 [9], 혈중성자 조사에 의해 원추방향 균열이 관찰되는 99%

소결밀도올 지넌 B‘c 펠렛의 미셰구조를 펠렛반경 방향의 연소도 변화와

비교하여 그림 22에 나타내었다 [29]. 열중성자 조사에 의한 self

shielding 영향을 엽게 알 수 있다.

중성자 조사에 의한 B‘C의 팽윤은 그림 23에셔 보는 바와 같이 B‘c펠렛 내에 찬유하는 헬륨 양과 관련이 었다 [9 ,27]. B-10이 중성자와

반용하여 생성되는 헬륨은 웅집되어 헬륨 기포를 형성한다. 이 기포는

lenticular 모양율 하고 (111)면에 평행하게 배열한다. 따라서 격자팽창이

발생하고 펠렛운 부풀려진다. 또한 기포주변의 용력장에 의해 기포의 합체

(coalescence)는 가속화되어 펠렛의 입계 및 입내따괴를 발생시킨다

[7 ,30]. 따라셔 치수변화에 의한 부풀윤 정도의 륙정운 He 의 잔유량이

많아지변 균열발생과 파훤생성이 일어나므로 정확한 경향성올 얻기가

어려워진다. 따라셔 B.C 펠렛의 소결밀도， 즉 웰렛의 기공율은 잔유 헬륨올

수용할 수 있눈 공간과 관련하여 매우 중요하다. 특히 중성자 홉수

단변척이 콘 열중성자 영역에서는 헬륨방출량이 많고 self shielding효과가

발생하므로 고속 중성자 영역에 사용되는 경우에 비하여 소결밀도가 더

낮아야 한다. 그림 22에 나타낸 바와 같이 99% 소결밀도 펠렛은

표변근처에서 원주방향의 균열이 발생된 반면， 65-80% 소결밀도 펠렛은

self shielding 효과가 많이 줄어들며， 원주방향 뿔 아니라 반경방향의

- 37 -

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그림 22 99% 소결벌도 B‘C 웰렛의 혈중성자 조사시 균열 빛 반경방향 국부 연소도 분포

(3.5% 8-10 연소도， 463°e)

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그림 23 B‘C 내에 He 잔유량에 따틀 스웰링거동

- 39 -

균열이 고르게 관찰된다 (그림 24 참고)[29]. 일반적으로 소결체는

이론밀도의 90% 이하의 소결밀도를 지니게 되면 대부분의 기공이 서로

연결되어 콘 개기공도 값을 나타내게 되어 조사에 의한 팽윤을 감소시킬

수 있다. 따라서 열중성자 영역에셔 팽윤을 줄이기 위해서는 소결밀도을

낮추는 것이 바람칙하다. 그러나 펠렛으로 부터 기체의 방출은 피복관

내압 증가를 유발하므로 척절한 소결밀도툴 지년 웰렛이 요구된다. 표 3에

나타내었듯이 70-76% 소컬밀도의 펠렛이 경수로용으로 고려되고 있다.

영광 3,4 호기의 경우는 72.4% 밀도의 B‘C가 고려되고 었다 [8],

B‘C 펠렛의 팽윤윤 그림 25에 나타낸 바와 같이 연소도에 칙선적으로

의존하며 [5 , 7]. 1500°C이하의 옴도에셔는 조사옹도에 무관하다. 한현

B.C의 소결밀도가 85% 이상이 되면 팽폴 변화의 소결밀도 의존성이 쿄지

않다고 생각된다. 팽윤의 온도 빛 연소도 의존성을 경험척으로 수식화한

결파는 다음과 같다 [1].

~D/D (%) = C { -0.0211 + [310.2 / (9T + 100 ))}

여기셔， T는 조사온도 ( 0 C) 이고， c는 연소도이다.

다) B‘C 펠렛/피복관 상호작용 (PCl)

B‘C 펠렛이 중성자 조사를 받으면 헬륨 생성물에 의해 팽환이

발생하고， 피북관의 내압운 증가되어 제어용 피북관으로 주로 쓰이는 M316

등의 스테인래스 강에 변형이 발생된다. 따라셔 펠렛 팽윤 속도와

피복관 내의 void 팽윤 속도에 따라 펠렛과 피복관의 깐격 (gap) 이

충분치 옷하면 양자간에 기계척인 상호작용을 하게 된다. 따라셔

조사이력에 따른 펠렛의 팽환 속도변화， 피복관의 변형율 변화，

펠렛/피복관 간격 및 nl복관 코럽속도 등이 PCMI에 영향을 미치는 중요한

인자가 된다 [5 ], 이런 이유로 같은 중성자속에서 초사크립 속도가 콘

M316과 15/15/Ti M316의 웅력이 PE16 보다 작다. 따라서 PE16 에셔는

- 40 -

:r힘 24 80% 소쩔밀도 B4C 펠렛의 혈중성자 조사셔 균얼 분포

(4% 8-10 연소도， 604 °C)

- 41 -

- 42 -

PCMI에 의한 표l복관 따손이 발생되며， M316 계에서는 1. 5% 이상의

변형만이 관찰된다. M316 계 피복관도 펠렛지름의 약 10% 정도 되는

펠렛-미복관 간격이 생기면 펠렛의 따편이 relocated 되어 국부적인 PCCI가

발생되어 예측된 수명보다 바르게 파손될 수 있다 [5]. 그러나 정상척인

운전조건에셔는 816°C에셔 8500 시간동안 조사하여도 피복관 내에

반응충은 50 빼 이하로 매우 작았다. 즉 펠렛과 피북관이 칙접 접촉되지

않으변 PCI 는 콘 문제가 되지 않으리라 생각된다 [27].

펠렛과 피북관의 반융정도를 살펴보기 위하여 3000 psi의 압력올

가하며 B‘C와 스테인레스강올 칙접 접촉시킨 상태에서 590 "v1000 ° C에서

8600 시간까자 노외실험 빛 6 X 1020 cap.!c펴로 노내실험올 하였다 [9]. 이

결과에 의하면 반웅속도 (R)는

R = 9.04 X 101 exp (-19334/T)

여기셔 R의 단위는 mν년 이고 T는 온도 (K) 이다. 흑 640°C 에서

반용속도는 0.025 nmν년으로 콘 영향올 미치지 않으리라 생각된다.

한편 영광 3,4 호기와 울진 3,4 호기의 제어용 피복관운 조사시 강도，

크립 처항성 , 내부식성 , 치수 안정성등을 고려하여 Inconel 625 합금을

이용하려 하며 , 이는 316 stainless steel애 비하여 탄화물 생성이 척고，

표준설계에셔 펠렛과 피복관간의 계면온도 426.7°C 이하로 낮아 B‘C와

Inconel 625의 양립성이 좋다고 알려져 있다 [8 ],

제어용의 열전도도를 높히고， 피복관의 내압을 낯추어 고연소도에

척용하고자 하는 나트륨 결합 제어용을 개발하려는 연구가 보고되고 있다

[31]. 이를 위하여 B‘C 펠렛과 M316 , PE 16 , 1.4970 빛 1.4981 강과

나트륨의 존재 유무에 따라 양립성 실험을 하였다. 나트용이 존재하면

보론이 피북관 속으로 급속히 확산됨을 알 수 있으며， 확산에 필요한

활성화 에녀지는 약 200 KJ/mo1 이다. 조사후 시험 평가 결과에 의하면

탄소도 피복관에 침투되며 (그림 26) , 붕소와 탄소가 피복관에 침투되면

- 43 -

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그림 26 피북관 대에 탄소확산에 의한 한소양 변화

- 44 -

취화가 발생된다. 따라셔 이러한 PCCI를 방지하기 위하여 퍼복관 내변에

구리나 코톰 등올 도포하거나 B‘C 펠렛 표변에 구리나 몰리브덴을 도포하여

도포펀물질이 보론과 탄소의 용해를 방지하도록 하거나 getter의 구설을

하도록 하는 연구가 진행 중어다.

제어용의 PCCl를 증진시키기 위하여 개량혐 피복관과 B‘C간의 상호

작용율 나트륨이 존재하는 조건에셔 조사시험하여 PCCI 거동올 규명하려는

시혐의 예는 다옴과 같다.

• B‘C 펠렛의 특정

- 천연 B‘c- 소결밀도 : 88~ 93 % of Tn

- 고운가합 소결 펠렛

• 피북관의 재질 : 10 Cr Ni Mo Ti B15 15 SUS (1.4970 steel)

8 Cr Ni Mo Nb 16 16 SUS (1.4981 steel)

• 열처리 시험조건 :

- 열처리 온도 : 600 , 700, 800ae

- 열처리 시간 : 750 -- 8640 h

• 시혐의 특징

- 시험장치의 도식척인 모습 : 그림 27

- PCCI 거동 향상올 위하여 피북관 내면율 화학증확법으로 Nb 이나

전기도금법 으로 Cr올 30 土 5 tLm 가 되도록 코팅

- 나트륨운 reactor grade (B <0.2 ppm, C --15 ppm)

- 일부 캡슐에 나트륨과 함께 Li 첨가

- 캡슐 : 길이 130 -- 170 nun, 외 경 : 6.0 , 7.9 , 15.5 nun

- 시험 조건 : 표 6

6. B‘C 제어용 재료의 노내거동 시험

- 45 -

뼈쩌따

職뼈빼

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B4C 앤나ET

SOOlUtvl BONDING

CLADDING

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LOWER PLUG

그림 27 peel 특성 록정을 위한 시험용 캡슐의 도식척 모즙

- 46 -

표 6 PCI 특성 시험 조건

Temp. Duration Cladding material Bonding

873K 4320h a) 1.4970 cw

8640hNa

973K 750h b) 1.4970 cw with Nb layer

873K 4320h1.4981 a) Na

8640h b) Na + Li

1073K 4320h a) 1.4981 Nab) 1.4981 with Cr layer

- 47 -

앞에셔 B‘C는 중성자 조사에 의한 He의 방출， 스웰링， 균열발생 빛

펠렛/ 피복관 상호작용 등의 노내거동에 의해서 실제로 예측된 수명보다

짧은 시간애 제어봉이 손상을 입게 됨올 알 수 었었다. 따라셔 제어용의

설계나 새로운 채료를 개발하려변 노내특성 자료 빛 이에 대한 평가가

반드시 필요하다. 따라서 . 본 항에셔는 B‘C 제어용의 노내시험법을

살며보고， 그 특징율 서솔하고자 한다.

가) YY02 experiment [9 ,27]

질혐 목척운 헬륨 방출거동을 중심으로 B‘C의 조사거동 평가하는 것이며，

사용된 B‘C 펠렛의 특징운 소결밀도가 80 , 92 , 99% of TD 이고， B-I0

양은 20 , 50 , 92%이며， 업자크기는 --8 , 15 , 28 1J1D., B/C 비는 4.0 , 4.3 ,

6.5 , 불순불량이 <1 wlo 이었다.

고옴가압 소결 (hot pressed) 펠렛을 무심 연마 (centerless

grinding)한 후 최종 펠렛 크기는 직경 0.76cm, 높이 0.76cm로 만들었다.

조사조건 (irradiation condition)은 조사온도가 635 -- 855°C ,

연소도는 21 -- 82 x 1020cap./빼으로 EBR-II INCOT 시설올 이용하여

355 effective full power day 동안 조사하였 다.

조사창치의 도식척 모습운 그림 28에 나타내었으며， 시험 캡슐운 각

캡슐이 18개 boron carbide specimens으로 이루어져 있으며， 34cm 킬이의

로섬에 위치하고 각 시편에는 4개 펠렛이 장입되고， 제일 위쪽 펠렛운

혈컨대를 꼽올 수 있는 뻐nular형으로 제조되었다. 각 시현은 SUS316 으로

이중 encapsulated 되어 있다. 열컨대는 K-type .Q.로 시편의 제일 위쪽

뻐nular혐 펠렛에 꼽혀서 pressure tube 내를 따라 instrument box에

연결펀다. pressure tube는 직경이 0.32cm 이고， specimen holder와

instrument box를 연결한다. instrument box는 로섬에셔 9 m 위에

설치되어 있으며， pressure transduser가 내장되어 있다. pressure

- 48 -

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- 49 -

transducer는 working range 가 -15 '" +100 psi( 칙 경 방향으로 1.6cm, 길이

방향으로 1.9 em 변위 가능)이고， specimen holder는 sodium.요로 채워진

캡슐 내에 위치하였다. 연소도 측청은 전체 헬륨양으로 측정하였으며

실험시펀 및 조사조건은 표 7에 요약하였다.

나) BGM-1 experiment [18]

실험묵책옴 초기 FTR제어봉 설계에 근거한 integral control pins의

조사시험이다.

B‘C 펠렛의 특징은 소결밀도가 "'90% of TD 이고， 펠렛크기는 칙경

0.867 em, 높이 0.914 em이며， 고온가압 소결한 펠렛이었다.

n:l복관 특정운 재질이 316SUS 20 %GW 이고， 내경 0.886 em , 외경

1.105 em이었다. 전체 boron carbide 킬이는 34.29 em 이다. 조사조건운

연소도가 21 X 1020 cap.1em 까지어며， 중심부의 옴도는 538°C 또는 732°C

이었다. 조사장치의 도식적 모습을 그림 29에 나타내었으며， 캡술의

조사올도는 1차와 2차 캡슐간의 helium thermal barrier를 이용하여

조절하였다. Tantalium 조사시험을 위한 캡슐도 함쩨 설치하였다.

시험시편의 특징 빛 조사조건올 표 8에 요약하였다.

다) BMV-1 experiment [18l

실혐목적은 BIG 비와 입자크기가 팽운 빛 핵분열 생성가처l 방출에 미치는

영향에 대해 조사하였다.

BeG 웰렛의 특징은 소결밀도가 "'90% of TD여고， BIG 비는 3.9, 4.1 ,

입자르기가 10, 20 뼈이며， 펠렛크기는 칙경 0.874 em , 높이 0.914 em

이었다.

피복관의 특정윤 재질이 316SUS 20 %GW이고， 치수는 내경 0.886 em , 외경

1.105 em이며， 전처:1 boron carbide 길이는 '" 16.00 em이었다.

- 50 -

표 7 YY02 조사시험 조건 및 BeG 시면의 사양

B-10 밀도 입자 B/C Bumu Temp.Specimen Type %of 크기 Rat- (x 10

% m μm 10 cap.!뼈) ( °C)

Baseline 92 92 15 4.0 81 696(FFTF reference 92 92 15 4.0 81 729B4C) 92 92 15 4.0 66 793

92 92 15 4.0 66 821

Pellet density 92 80 13 4.0 71 73592 80 13 4.0 71 81892 99 12 4.0 82 73892 99 12 4.0 82 854

BEnrichment 20 92 12 4.0 21 635zo 92 12 4.0 21 69350 92 10 4.0 50 67150 92 10 4.0 50 763

Grain size 92 92 8 4.0 72 82992 92 28 4.0 72 73892 92 28 4.0 72 832

Stoichiometry 92 92 15 4.3 65 79192 92 14 6.5 81 76692 92 14 6.5 67 813

표 8 BCM-1 조사시험 조건 및 B‘C시면의 사양

Centerline RelativeCapsule Number T째‘(敏뾰 BDepletion

。 F) Units

BCM-1-1 1000 3BCM-1-2 1350 1BCM-1-3 1350 2BCM-1-4 1000 3BCM-1-5 1350 1BCM-1-6 1350 2BCM-1-7 1000 3BCM-1-8 1350 . 1BCM-1-9 1350 2

One depletion 뻐it = 7 x 1020captures/뼈.

All pellets have --10 % voId volume.Pellet diameter : 0.342 in.Pellet length : 0.36 in.Cladding : Type 316 SS ,20 % cold worked.Cladding i.d. : 0.349 in.Cladding o.d. : 0.435 in.Baron carbide length: 13.5 in.

- 51 -

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BORON CARBIDE SECONDARYACTIVATION SENSOR PELLETS‘ PIN _A CONTAINMENT

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(a)

He

B 4C

He

55 PRIMARY

3ECγION A-A

(b)

그림 29 B‘C 중성자 조사시험율 위한 시험용 캡슐 (BeM-1) 의

도식적 모습 ; ((1) 옆모습， (b) 단면 모습

야ω

조사조건운 연소도가 20 X 1020cap./빼이며， 중섬부 옴도는 593°C ,

760°C , 87loC , EBR-II MARK B-7A subassembly 를 이용하여 시험하였다.

시험장치의 도식척인 모습은 그림 30에 나타내었으며， 조사온도가 3종류인

점을 제외하고는 BCM-1과 유사하였다. 20개와 캡슐을 조사 시험하였으며，

실험시현의 특징 및 조사조건올 표 9에 요약하였다.

라) WDC-1-1 experiment [181

질험목척운 핵분열 기체 생성물의 kinetics 를 옴도 빛 기체압력올

측정하여 구하기 위해서 수행하였다.

펠렛의 특징운 소결밀도가 75 ,.., 99% of TD , B/C 비는 3.8 ,.., 4.2 ,

입자크기는 10 때이었다.

조사조건은 조사옴도가 538°C. 87rC 목표 연소도는 12 ,.., 30 x

1020 cap.! c뻐이다.

시험의 특징은 캡슐당 14개 sample cells 이고， 시면의 압력으로 연소도

및 방출 기처l량 운율을 계산하였다. ETR어1 cadmium & boral neutron

filter툴 장확하여 self shielding 효과를 감소시켜 사용하였다.

시험시면의 특징 및 조사조건을 표 10에 요약하였다.

마) BICM-2 experiment [28]

실험목척은 조사하는 풍안 온도 및 기체생성물 압력을 연속척으로

혹정하여， 고올에셔 시간에 따른 핵분열 기체 생성물 방출거동 관찰하였다.

또한 vent devices 의 노내거동 평가을 평가하였다.

사용된 펠렛의 특징은 소결밀도가 90 土 2 % of TD이고， B-10의

농축도는 92. 3%, 50 .4 %, 19. 8%, 입자코기는 10 ,.., 13 tLm, BIC 비는

4.1이며， 불순물양은 <0.02 %이다. 펠렛코기는 직경 0.762cm (제일 상만

pin은 0.919 em) 이다.

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표 9 BMV-l 조사시협 조건 빛 B‘C시면의 사양

Capsule Grain B/G Genter RelativeNumber Size line B

and Ratio Temp. DepletionPin Section (pm) ( of ) Units

MV-l-6T 20 4.1 1600 3MV-}-6B 20 4.1 1100 3

뻐-1-7T 20 3.9 1400 3MV-l-7B 20 4.1 1400 3

MV-1-3T 10 3.9 1400 3 -MV-1-3B 10 4.1 1400 3

MV-1-8T zo 4.1 1600 1MV-1-8B 20 4.1 끄no 1

MV-l-9T 20 3.9 1400 lMV-1-9B 20 4.1 1400 1

MV-I-1OT 10 3.9 1400 1MV-1-10B 10 4.1 1400 1

MV-I-1T 20 4.1 1400 4MV-l-lB 10 4.1 1400 4

MV-I-2T 20 3.9 1600 4에V-l-2B 20 3.9 1100 4

MV-I-4T 10 4.1 1600 4MV-I-4B 10 4.1 1100 4

MV-1-5T 10 3.9 1600 4MV-I-5B 10 3.9 1100 4

One depletion unit =5 x 1020captures/뼈.

All pellets have 10% voId volume.T =Top section of pin, B=Bottom section of pinPellet diameter : O.앓4 in.Pellet length : 0.36 in.Cladding : Type 316 5S ,2O % cold worked.Cladding i.d. : 0.349 in.Cladding o.d. : 0.435 in.Baron carbide length : --6.3 in.

- 55 -

표 10 때C-1-1 조사시험 초건 및 B4C 시현의 사양

Pellet B:C Temperature Goal BurnupDensity Ratio ( 0 F) (x 1020 captures/ c빼)

75 4.0 1600 2790 4.0 1000 1290 4.0 1600 3093 4.0 1000 2193 4.0 1600 3096 4.0 1000 1896 4.0 1600 3099 4.0 1000 1599 4.0 1600 3090 4‘ 0 1000 2190 4.0 1600 2490 3.8 1600 2490 3.8 1600 2490 4.2 1600 27

표 11 BIGM-2 조사시 험 조건 빛 B‘C 시펀의 사양

Cap- B-I0 Den- Grain Pellet B/Csule Material Enrichment sity Size Diameter Ratio Cladding# ( % ) (gI뼈) ( 1lDl) ( em)

1 B‘c 92.3 2.17 13.0 0.762 4.1 SUS 3162 B4C 92.3 2.17 13.0 0.762 4.1 w3 B‘c 92.3 2.17 13.0 0.762 4.1 w

4 M탐IB4C_싸L 50.4 2.28 13.1 0.762 4.1 SUS 3165 50.4 2.28 13.1 0.762 4.1 SUS 3166 50.4 2.28 13.1 0.762 4.1 SUS 316

7 'B4C 19.81 2.31 10.4 0.762 4.1 SUS 3168 :B‘C/ .19.81 2.31 10.4 0.752 4.1 SUS 3169 Bιl 19.81 2.31 10.4 0.762 4.1 SUS 316

15 Capi11a- NA NA NA NA NA SUS 316ry vent

16 Porous NA NA NA NA NA SUS 316Plug vent

17 B‘c 92.3 2.19 13.0 0.919 4.1 SUS 31618 B‘c 92.3 2.19 13.0 0.919 4.1 SUS 316

NA : Not applicable

- 56 -

조사조건은 연소도가 16 - 63 x 1020cap.l빼， 중심부

온도는 750 - 950°C , 조사시간운 22 ,700 MWD (-363 operating day) 이며 ,

EBR II Row 5 INGOT Facility을 사용하였다.

시험장치의 도식척인 모습운 그림 31에 나타내었다.

척충된 펠렛의 길이가 34cm인 2개의 above pins(capsu!e) 이

subassembly 의 bu!퍼lead 아래에 위치하고， 그 아래확에 2.5cm길이로 척충된

펠렛이 률어있는 3개의 캡슐이 3단으로 위치하며， 바로 아래에는

EUZ03 관련 연구를 위한 캡슐이 놓이고， subassembly 가장

아래쪽에 2개의 vent 캡슐이 위치하고 있다. subassembly 가 조사되는

로심으로 부터 약 11m 위에 중심 카얘l 빛 계장 상자 (instrument box) 가

위치하며， 계장상자에는 pressure transducers와 열전대 연결부가 들어

었다. 측청 장비들은 각 캡슐과 압력관으로 연결되어 있고， 각 계기의

출력은 국부 Data Acquisition System(DAS) 컴퓨터에 입력된다. 계장상자

바로 아래에는 250뼈 용량의 vent pressurization tanks가 2개 설치되어

있고， 각 tank는 pressure transducers , 밸료 빛 vent 캡슐에 연결되어

있고， gas 운도 측정을 위한 열전대가 설치되어 있다. 열전대는 K 와

S-type을 사용하였다.

3단 B‘C 캡슐들운 제일 위로 부터 B-10의 농축도가 92.3 %, 50 .4 %,

19.8%로 달리하었고， 같운 농축도 캡슐들 끼리는 열전달 간격 (heat

transfer gap)올 조절하여 짝각의 중심 온도가 다르도록 조절하였다.

2개의 above pins운 조사시 기체방출로 인한 몽내압 증가에 따른 피복관

따손올 측정하여 예상치와 비교하기 위한 시험용 캡슐로 온도 변화와 기체

방출을 조사하기 위하여 계장된 reference pin과 small plenum만이

존재하며 앓은(0.38mm) 피복재로 되어 피복관 파손 시험을 할 수 있는 또

다른 시험 pin으로 구성되어 있다.

시험시현의 특징 빛 조사조건을 표 끄에 요약하였다 [32].

- 57 -

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7. B‘C 제어봉 재질 개량 연구

제어몽의 내구 연한은 핵연료와 같아야 경제적인 관첩에서 바람직하다.

따라서 제어용의 수명제한 요소언 PCl를 감소시격 제어용의 수명을

연장하려는 연구가 진행 중이다. EFR의 현 제어봉 요소 설계는 펠렛

칙경이 17 nun 인 B‘C를 1 m로 척충시켜 외경이 22.66 mm , 내경이 20.46

nnn인 37개의 용을 고려하고 있다. 이 봉의 아래 250 빼에는 40% B-I0을

채우고， 위 750 mm에는 60% B-10올 채워 제어봉의 수명이 4 주기

(reactor cycle)가 되도톱 목표로 하고 있으며. 5 주기 까지

확장시키고자 한다 [5 ], 이틀 위한 제어용 수명연장 방안으로 대두되뇨 .

있는 제어몽 재질개량 연구는 B‘C 펠렛 빛 피복관 도포와 B‘CI급속 셔메트

(cennet) 빚 팽환이 척은 피북관 개발로 나위어 질 수 있다 [5 ,31 , 33]

B‘C/금속 셔메트는 B‘C 에 비하여 연성， 열전도성 및 열충격 저항성이

향상되어 열웅력에 의한 균열발생과 PCMI에 의한 제어봉 수명제한을

감소시킬 수 있￡리라 기대되는 재료이다. 서메트 제조를 위하여 첨가된

금속으로는 Ni. Zr. Mo 및 Cu-Ni 등이 있으며 , 1000-1800 0 C 온도에서

35-40 MPa의 압력으로 고옹가압 소결 (hot pressing) 하면 이론밀도의

80-90%의 소결밀도를 갖는 펠렛을 제조할 수 있다. 연성의 비교는 경도를

측정하여 조사하였으며， 열전도도는 800°C 까지 온도를 올리며 laser

flash 방법에 의하여 륙정하였다. 한현 혈충격 저항은 가열과 냉각율

주기적으로 반복하여 파괴될 때 까지의 횟수를 조사하였다. 각 셔메트와

B‘C의 경도， 열천도도， 혈충격저함성에 대한 실험결과를 그럽

32.33 ， 34에 각각 나타내었다. B‘C/Zr 과 B‘C/Mo 셔메트는 얼전도도와

얼충격저항이 B‘C어I 비하여 컸으며， 소결밀도가 높은 B‘C/Ni-Cu 서메트는

두 성젤 이외에도 연성도 뛰어나 가장 유망한 제어봉 재료로서 가능성을

지니고 있다고 판단된다. 이들의 결과를 종합하여 표 12 에 요약하였다.

그러나 실용화를 위해서는 중성자 조사시협 등을 통한 노내거동 펌가가

- 59 -

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요구된다.

이외에도 B4C의 보론과 탄소가 피복관인 스테인레스강에 침투하여

띠복관의 취화를 유발시키는 PCCl에 의한 피북관 손상을 줄이려는 연구도

진행 중 이다 [5 ,31]. 이 방법으로는 피북관 내면올 Cu , Nb , Cr의 앓운

막을 입히거나 B‘C 펠렛의 표변을 Cu나 Mo의 앓운 막으로 덮어 펠렛과

피북관의 칙첩 접록올 억제시키려는 시도가 제안되고 있다. 이는

고연소도용으로 개발하려는 vented pressureless 제어몽에 척용하려 한다.

이상에셔 원차로 제어몽의 특징， 노내외 특성， 노내시험법 빛

채질개량연구 현황에 대하여 찰며보았다. 원자로 제어용운 펠렛과

피북관을 중심으로 용단마개， spacer, 스프링 등으로 구성되어 있다.

펠렛운 2000 -2200 0 C 에셔 고옴가합하여 경수로용 펠렛은 70-76%의

소결밀도를 지니고， 액체금속로용은 90% 이상의 소결밀도를 지닌 B‘C가

사용되며， 피북관운 냉간압연된 M316 관이나 lnconel 625 합금이 사용된다.

이 제어용의 가장 큰 문제점은 펠렛의 팽윤， 헬륨 기체방출 등에 의한

피복관 손상에 의한 수명제한이다. 따라서 고온 특성이 우수한 피복관

개발이나 열적/기계적 성질이 향상된 펠렛의 개발을 동하여 제어용 수명을

연장하려는 연구가 진행 중이다. 아울러 제어용의 열전도도를 높히고，

/

피북관 내압율 낮추어 고연소도에셔도 척용할 수 있는 나트륨 결합

체어몽올 개발하려는 연구도 진행 중이다.

제 2 철 B‘C-metal (Cermet)계 재료

서메트(cermet: ceramic-metal) 이란 금속기지내에 셰라믹스를 분산시켜

만든 복합체로서 1950년대 독일에서 Alz0 3-Fe 계 서메트가 터빈날개로

사용되면서 오늘날까지 여러계통으로 발전되어 원자력 관련 재료에도

- 63 -

쓰이고 있다. 일반적으로 서메트는 고옴강도가 크고， 혈충격저항성과

고온내식성등이 우수하여， 인성과 기계적충격 저항성도 커야한다. 또한

비중이 낮을수록 좋다. 원자력관련 재료로는 주로 B‘C-metal계 서메트가

중성자 제어 빛 차혜재로 쓰이는데， 이는 금속기지의 높은강도와 높운

혈전도도 성질을 이용하고， 난소결성의 B‘C를 금속기지내에 분산시격

저옴에셔도 치밀한 소결체를 만둘수 있기 때문이다. 본 절에서는

B‘C-metal계 셔메트 재료의 원자력관련 재료로셔의 개발현황올 조사하였다.

1. 중성자 제어용 빛 shutdown 재료 (B‘C-Aluminium)

원자로의 중성자 제어 빛 shutdown 재료로셔 B‘C-Al 서메트(boral) 가

연구되고 있다. Boral은 Oak Ridge National Lab. 에서 처융 개발

되었￡며， 제조방법은 preoxidised B4C와 Al 운말을 725-750°C 의

유도가열로(induction furnace) 로 녹인후 이 융제툴 800°C 의 흑연 mold에

부어서 boral을 제조하였으나 현재는 척합한 제조 방법으로 사용하지

않는다.[34] 인도의 BARC (Bhabha Atomic Research Centre) 에서는

실험로에 쓰일 Boral의 제조방법을 연구하였다. 그림 35에 boral sheet의

제조방법올 나타내었다. 실제로 질험로에 쓰이는 Bora!운 Ring형태로

제초되었으며 조성운 B‘C-30%Al 이다. 고온가압소결로에 B‘C와 Al분말올

넣고 140-170N/nf 의 압력과 675°C의옹도로 45분간 소결하여 치밀하고

기계척 특성이 우수한 B‘C-A! 셔메트 Ring을 제조하였다. 반변 ring의

제조시 상압소결은 척합하지 않은것으로 판명되었다. [35]

2. 사용후핵연료 저장조 Rack재료

우리나라에서 사용후핵연료의 발생량이 2000년까지는 4340여톤 (PWR

- 64 -

BORIC ACID CARBON

MIXING & REDUCTIONIN ELECTRIC FURNACE 20000 C

FINE POWDER B4C FUSE~ B 4 C예;，

OXIDATION GRINDINGAl

GRADING

HOT PRESSING BLENDING

HIGH DENSITYBORAL BLOCK B

4C POWDER

Al--l

ENCASING INAl PICTURE FRAME

HOT ROLLING

BORAL SHEETS

‘ 그립 35 BARC에서 B.C 분말과 Bora! Sheet의 제조 공청도

- 65 -

6061 Ass. , CANDU 85 ,680 bundle) 에 다달을 것으로 예측되며， 각 발천소의

저장량은 1997년이면 저장용량을 초과할 것으로 예상되어， 후행 핵연료주기

정책이 확립되지 않은 우리나라의 상항에서는 사용후핵연료를 안전하고

장기적으로 또한 효율적으로 관리하기 위한 저장관리가 필요한

실정이다.[36] 사용후핵연료 저장방법에셔 최종단계인 영구처분이나

채쳐리를 위한 중간저장단계로셔 판일연료툴 저장하려면 저장조의

Rack시절이 요구된다.

사용후핵연료의 단위면척당 저장용량은 처장 Rack또는 저장용기의

중성자 홉수능에 관계되며 이러한 요구에 적합한 재료가 갖추어야할

주요인자는 다옴과 같다. [37]

• 중성자에 대한 저항성

• 내 부식성

• 기계적 안정도

• 채질의 무게

• 감속재의 소모성

• 기체 발생율

• 가동중 검사의 필요성 등.

Rack재료의 주요채질은 스텐레스 강과 알루미늄등이나 제한된 면척내에

많은 양의 사용후핵연료를 저장하기 위해셔는 중성자 흡수재가 포함되어

사용되어야 한다. 중성자 홉수재로서 사용되는 재료는 Boral , Boraflex ,

Boron steel, Tetrabor등이 상품화되어 었다. [38]

가) Boral (B4C-Al)

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상품명으로 찰 알려진 Boral은 Al과 B‘C의 복합재로 Al 또는 스텐레스

강으로 피북되여 사용되고 었다. 현재는 50% 까지 B4C의 함량을 높이고

boral 의 두께를 앓게하여 쓰고있요며， 미국의 Maine Yankee 발전소의

Rack재료로 쓰였다.[38]

나) Tetrabor

독일의 ESK사 제품인 Tetrabor는 앓은 판의 형태로 제작이 쉬우며，

제한구역내에 많운양의 사용후핵연료를 저장하기 위한 개념인 "hi힘l

density storage" 관첨에셔 B‘C툴 중성자 흡수판으로 사용한다. B‘c

plate는 B-I0의 농도 죠철과 B‘C의 고융점 및 화학척 안정성 때문에

오랜기간동안 높운 안전성과 건전성율 유지할 수 있다. Tetrabor에셔

제작된 B‘C 홉수판운 B‘C의 농도를 50vol%까지 제조하며， 제작 가능한

크기는 50αInn length 에 2unn 두께까지 가능하다. Tetrabor B4C 홉수판이

가압경수로의 사용후핵연료 저장조의 storage frame의 개략도를 그림

36에 나타내었다. 이렇게 B‘C 홉수판을 사용하게 되면 사용후핵연료의

저장양을 3-8배까지 증가시킬수 있다. 이 제품은 미국의 Hadden Neck

발전소와 Kewaunee 발전소에서 쓰였다.[38]

2. 사용후핵연료 shipping cask의 중성자 차혜재 (B‘C-Copper)

고속증식로의 사용후핵연료 shipping cask의 차혜는 용기의 무게률

최소화 시키는 것이 중요하다. 용기의 구조는 코게 3층으로 구성되어

있으며， 안쪽의 감마선 차폐는 depleted Uranium올 사용하며 바깥의 두층온

중성자 차폐충이다. 이같은 차혜층은 NRC reg. lOCFR7l에서 규정하는

기계적/열척 특성을 가져야 하며， 경제성이나 적용성이 함께 고려되여

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Fuel element bundle

Inner box

Tetrabor®absorber plate

Outer box

그림 36 사용후핵연료 저장조의 Rack재의 단연도 (Tetrabor absorber plate)

- 68 -

선정되어야 한다. BcC-금속 서메트는 이런 관점에서 사용후핵연료

shipping cask의 충성자 차며l재로서 선택되었다.

사용후핵연료 shipping cask의 중성자 차폐재는 사용후핵연료로 부터

방출되는 붕괴얼을 효과척으로 방출시켜야 하기 때문에 차폐재는 가능한한

높운 열전도도를 가져야한다. 그러나 B‘C는 낮운 열전도도틀 가지고 있기

때문에 열천도도가 좋은 금속을 기지재료로 사용하여야만 B‘C가 지닌

중성자홉수능율 감소시키지 않고 척합한 재료를 제조활수 있다. 또한

금속기지상의 융점운 cask가 1075K에셔 30분칸 견디어야하는 권고사항 (NRC

reg. , 10CFR71 Appendix B) 에 척합한 고융점을 가져야 한다. 이런관점에셔

열전도도가 좋운 알루미늄운 융점 (930K) 이 낮아셔 척합한 금속이 아니며

철의경우는 1273K이하의 온도에셔 기계척 거동의 변화가 불연숙적인 것으로

알려져 척합한 재료가 아니다. 따라셔 금속기지로 비중이 비교적 작고

융점이 높운 구리가 척합한 재료로 선택되어졌다 .[39]

B ‘C-Cu계 서메트의 제조공정은 일반적인 셰라믹스 제조공정을 사용하며

그림 37에 Los Alamos Scientific Lab. 의 B ‘C-Cu계 서메트의 제조공정도를

나타내었다.[40J 또한 미국의 Sandia National Lab. 에서는 60%B‘c-40%Cu툴 스텐레스강으로 만든 용기에 넣어 700 0 C, 100Mpa, 2-4시간동안

HIPing하여 100%의 밀도를 갖는 셔메트를 개발하였다. 이러한 B‘C-Cu

셔메트는 B‘C가 연속기지상인 eu금속내에셔 매우 균일하게 분포되어야 하고

또한 고밀도의 소결체로 제조되어야 하기때문에 일반상압소결공정 보다는

고온가압소결이나 고온 정수압소결등의 공정이 필요하다. [41J

- 69 -

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• 8.C는 열중성자 빚 고속 중성자 에너지 영역에션 뛰어난 충성자 홉수

능력울 지니고 있으며 t 8-10의 농촉에 따른 중성자와의 반용성 종가，

매우 안청훤 화학척， 혈척 륙성 및 다양한 용도에 따른 원료 공급과

제조의 용이함 등의 장점이 었으며， 제조공정이 타 셰라믹스 소재

개발에도 널리 활용될 수 있다.

• B‘C 빚 B‘C 셔메트는 중성자 홉수재로서 경/충수로와 액체금숙로용

제어용， 경수로 가연생 톡봉， 사용후 핵연료 처장조 rack 재， 사용후

핵연료 수송용 shipping cask의 중성자 차폐판， 액체금속로 중성자

차폐몽/판 등 원자혁 분야에 그 척용범위가 매우 다양하다.

• 제어용의 중성자홉수재로셔 경수로용 B‘C는 70-76%의 소결밀도를 갖고

있으며， 액체금숙로용윤 90% 이상의 소결밀도률 지년 B‘C가 사용된다.

피북관운 냉간합연된 M316 관이나 Incone1 625 합금이 사용된다.

제어용의 가장 큰 문제점은 펠렛의 팽윤， 따편혐성， 헬홈 기체방출 등에

의해 야기된 피북관 손상에 의한 수명제한이다. 따라셔 고옴 륙성이

우수한 피북환 재발이나 얼척/기계척 성질이 향상된 펠렛의 개발올

통하여 제어용 수명올 연장하려는 연구가 진행 중이다. 후보재료로

B‘C/금속 셔메트가 개발 중에 있다.

• 사용후 뼈연료 저장조 rack 채， 수송용 shipping cask의 차혜채 등의

중성자 홉수 차혜재로는 B‘C툴 금숙의 기지상에 분산시킨 B4C 셔메트가

최척재로 개발되고 었으며， 기지상으로는 Cu , A1 , Zr , Cu-Ni , 혹연 등이

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고려되고 있다.

• 따라서 B.C계 중성자 홉수재의 개발운 다양한 용도툴 지년 원차력

세라믹 소재로 제조공정이 타 소재 개발 분야의 활용 측면에서도 매우

넓기 때문에 그 중요성이 코다고 생각된다.

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서 지 정 보 양 식

수행기관보고셔번호 위탁기관보고셔번호 표준보고셔번호 INIS 주제코드

KAERI/AR-388/94

제웨부제 | B4C계 중성자 홉수재 개발

연구책입차 및 부셔명 강대캅 (청밀요업재료개발)

연 구 자 및 부서명 정충환 (정밀요업재료개발)

김션재 ( ” -박지연 ( ”

발햄지 대 전 |발행기관 l 한국원자력연구소 발햄일 1994

페이지 76 P. 유( 0) , 무( 르기 26 em.

참고사항

비밀여부 공개(0) ，대외비( )，--급비밀 보고서종류 기술현황분석보고서

연구위탁기관| 계약 번호

초룩 (300단어 내외)

중성자 홉수재료 가운데 가장 뛰어난 재료는 원자량이 10인 붕소，

B-I0 의 화합물중에셔 H4C및 이의 북합재료가 다른 소재보다 우수한 성능율

보이고 있다.

또한 제어용의 장수명화톨 고려하여 H4C/금촉 써메트가 개발 중에 었다.

본 보고셔는 충성자 홉수 빚 차혜재로셔 뛰어난 H4C의 여러 물성 및

척용가능재료툴 조사하고 이에따하 B4C계 충성자 홉수재 개발에 관한

기본방향을 제시하고자 한다.

주제명 키워드 (10단어 내외) I 중성자홉수재， 제어용재， B4C , B4C/cenn