One of the promising candidates for accident-tolerant fuel (ATF), a ceramic microcell fuel, which can be distinguished by an unusual cell-like microstructure (UO2 grain cell surrounded by a doped oxide cell wall), is being developed. This study deals with the microstructural observation of the constituent phases and the wetting behaviors of the cell wall materials in three kinds of ceramic microcell UO2 pellets: Si-Ti-O (STO), Si-Cr-O (SCO), and Al-Si-Ti-O (ASTO). The chemical and physical states of the cell wall materials are estimated by HSC Chemistry and confirmed by experiment to be mixtures of Si-O and Ti-O for the STO; Si-O and Cr-O for SCO; and Si-O, Ti-O, and Al-Si-O for the ASTO. From their morphology at triple junctions, UO2 grains appear to be wet by the Si-O or Al-Si-O rather than other oxides, providing a benefit on the capture-ability of the ceramic microcell cell wall. The wetting behavior can be explained by the relationships between the interface energy and the contact angle.

사고저항성 핵연료의 일환으로 UO2 입자가 세라믹 셀 벽으로 둘러싸인 미세구조를 갖는 세라믹 미소셀 UO2 소결체를 개발 중이다. 이는 핵분열생성물들을 UO2 펠렛 내에 포집하여 펠렛 외부로의 방출을 저감함으로써 봉내압 상승을 완화하고 응력부식균열 발생률을 낮춘다. 생성량이나 방사능 측면에서 위험한 핵분열생성물 중 하나로 여겨지는 세슘은 세라믹 미소셀 소결체 내에서 셀 물질과 화학반응 하여 포집될 수 있다. 따라서, 세슘 포집능은 해당 화학반응의 열역학적, 속도론적 특성에 의해 결정된다. 역으로, 미소셀 소결체의 조성설계 시 해당 반응에 대한 열역학적 예측이 필수적이다. 본 연구는 세라믹 현재 개발 중인 여러 미소셀 조성(Si-Ti-O, Si-Cr-O, Si-Al-O)에 대해 세슘의 포집능을 평가하는 열역학적 계산을 다룬다. 계 산에 앞서 먼저 HSC Chemistry를 이용해 세슘과 셀 물질의 물리/화학적 상태를 정의한 후, LWR 정상운전 모사환경에서 계 산된 세슘포텐셜(ΔGCs)과 산소포텐셜(ΔG02)에 근거하여 세슘포집 반응성을 평가하였다. 계산 결과에 근거하면, 세슘 포집 반응은 상기 모든 조성에서 자발적일 것으로 예상되며 이로써 조성설계의 근거를 제시함과 동시에 세슘의 포집능을 평가하는 효과적인 방법을 제공한다.

KAERI의 PRIDE 시설에서 공학규모의 전해환원용 원료물질인 UO2 다공성펠렛 제조를 위해 공정과 장치를 최적화시킨 내 용을 다루었다. UO2 분말과 별도로 attrition 밀링된 대용산화물 분말을 출발분말로, 정밀 칭량을 통해 사용후핵연료 조성을 모사하였다(Simfuel). Simfuel 분말은 각각 tumbling mixer로 혼합하여 균질화 하고, rotary press로 성형하여 furnace를 이 용해 소결하였다. 4% H2-Ar 분위기에서 1450℃ 24시간 고온 열처리하여 제조된 소결펠렛은 6.89 g·cm-3의 벌크밀도를 가 지며 이는 후속 전해환원 공정의 요구에 부합한다. 소결된 다공성펠렛의 미세구조 관찰을 통해 다공성 기지상과 함께 산화/ 금속 석출물이 관찰되어 사용후핵연료의 상이 모사됨을 확인하였다. 본 결과는 향후 공학규모 이상의 파이로 연구를 위한 UO2 다공성펠렛 제조에 중요한 기초자료로 활용 될 것이다.