JPH02221892A - 核燃料粒子並びに核燃料コンパクトを作る方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には数ミリメートル以下の大きさの核燃
料粒子、およびこのような粒子から原子炉に用いる核燃
料コンパクトを作る方法に関する。

より詳しくは、本発明は核燃料コンパクトの製造中に受
けるかもしれない高圧に耐える核分裂生成物保持被膜を
有する改良された核燃料粒子、このような核燃料コンパ
クト、および核燃料への良好な熱通路を有する核燃料コ
ンパクトを作る方法に関する。

発明の背景 熱分解炭素被膜は、原子炉核燃料粒子、即ち核分裂性物
質および／または親物質、例えば適当な化合物の形態の
ウラン、プルトニウムおよびトリウムを保護するのに用
いられている。酸化アルミニウムおよび他のセラミック
酸化物の被膜も提案されている。熱分解炭素被膜を用い
た核燃料粒子の例は１９６７年６月１３日発行の米国特
許第３゜３２５、３６３号、１９６８年１月１７日発行
の米国特許第３．２９８．９２１号および１９６８年１
月２日発行の米国特許第３，３６１，６３８号を含ム。

シリコンカーバイドやジルコニウムカーバイド等の耐火
性カーバイド材料を一層以上を含ませてさらに良好な核
分裂生成物保持特性を有する核燃料粒子を作ることも、
１９７２年３月１４日発行の米国特許第３．６４９．４
７２号に開示されているように知られている。これらの
核分裂生成物保持被膜が損傷を受けていないかぎり、重
金属燃料物質による粒子の外部への汚染および／または
被膜外への核分裂生成物の実質的な拡散は防がれる。

このような核燃料粒子は一般には、核燃料コンパクトあ
るいはその寸法に応じて核燃料エレメントと当業界で言
われるものを作る方法で互いに結合される。核分裂生成
物保持被膜の破損および／またはひび割れが、これらの
より大きいものを形成するときに生じるかもしれないこ
とが見いだされており、ここでこれらの核燃料粒子はあ
る種のマトリックス材料と一緒になっている。その結果
、このようなマトリックス材料を用いてより大きい物へ
と核燃料粒子を結合する製造方法によりうまく適した改
良された核燃料粒子の探索が続いている。

発明の簡単な要旨 核燃料粒子はほぼ回転楕円体形状の核分裂性物質または
親核燃料物質のコアで形成されており、このコアは、核
燃料の合理的な燃焼の水準で核分裂生成物の散逸を抑制
するように設計された多層核分裂生成物保持配列でもっ
て囲まれている。この核分裂生成物保持系は通常はシリ
コンカーバイド等の高温安定性耐火性カーバイドの層ま
たはシェルを含み、そして耐火性カーバイドは核分裂生
成物保持系の外側シェルを構成してもよい。元素状物質
の薄層は核分裂生成物保持配列を被覆し、そして物質が
所望の金属マトリックス材料により湿潤する特性のもの
である。その結果、粒子と金属マトリックス材料とが例
えば核燃料エレメント形成用の高圧押出を受けるとき、
核分裂生成物保持配列の一体性を保持するのみならず、
各粒子の外面を潤滑させるように燃料粒子の全面にわた
って静圧が釣り合いそして広がる。さらに、被覆物質は
、低融点の金属マトリックス材料と共融混合物を形成す
るものが好ましくは選ばれ、そしてその結果、個々の粒
子とマトリックス材料との間に良好な熱的結合が生じ、
核燃料粒子から核燃料コンパクトまたはエレメントの境
界への良好な熱通路を確保し、流れる冷媒の熱移動が通
路の表面から生じる。

非常に一般的には、核分裂性原子を合理的な水準へ燃焼
させているときに生じる実質的に全ての核分裂生成物を
コア内に保持するように設計された、−層またはそれ以
上の層の物質で囲まれた核分裂性物質または親物質の中
心コアを有する核燃料粒子を提供する。熱分解炭素やシ
リコンカーバイド等の種々の層の物質は当業界で知られ
ており、または他の相当する核分裂生成物保持物質を使
用して、原子炉のコア内で遭遇する長期間の高いレベル
の照射中に高温にさらされるときでさえ、良好な構造上
の安定性および寸法安定性と核分裂生成物の保持を与え
ることができる。被膜が与える利点により破損やひび割
れを避けるとともに核分裂性コアまたは親コアを囲む全
核分裂生成物保持被膜配列の一部として他の適当な核分
裂生成物保持物質も使用できる。

核燃料物質の中心コアの形状は異なっていてもよいが、
通常は球形であり、そして一般には球の直径は約１ミリ
メートル（１，０００ミクロン）以下であろう。通常は
核燃料は直径が約１００ミクロンないし約５００ミクロ
ンの球形であろう。

好ましくは、核分裂性燃料コアの直径は約５００ミクロ
ン以下であり、そして好ましくは、親燃料コアは直径が
約６５°Ｏミクロン以下である。このような親燃料コア
は核分裂性物質と親物質との両者の混合物、例えばウラ
ン化合物とトリウム化合物との混合物を含んでもよい。

酸化物またはカバイドあるいはこれらの混合物の形態の
コア物質を一般には使用するが、比較的高温で安定な窒
化物や珪化物等の他の適当な形態も別法として使用でき
る。好ましくは、核分裂性コアは酸化ウランと炭化ウラ
ンとの混合物から形成されるが、しかしながら酸化ウラ
ン、炭化ウランまたは炭化トリウム／ウランも使用でき
る。一方、親燃料コアは一般には適当な高温安定性トリ
ウム物質、例えば酸化トリウムまたは炭化トリウムを含
み、そして炭化トリウムと酸化トリウムとの混合物また
は酸化トリウムと酸化ウランとの混合物を使用してもよ
い。

核燃料物質は一般には高温操作中に膨張して分裂中に気
体の金属分裂生成物を生じるので、核束への暴露下で長
期間の操作を促進するために、これらの影響を調節する
ための準備をすることは周知である。コア物質の密度は
通常は池の製造方法および／または設計上の臨界条件を
考慮して決定されるので、コアは通常は比較的高密度の
物質のものであって、それ故にコア領域それ自身内でこ
のような気体の核分裂生成物の蓄積を調節することはで
きない。その結果、比較的低密度の物質の第−層をコア
の表面の近（に与えて、圧密シェルを構成している外側
被膜の内側の位置での膨張を調節し、また気体の分裂生
成物を調節する。コアを囲む層はまた、この層を付着さ
せる環境中でおよび高い中性子束の水準に適応する原子
炉内でコア物質と化学的に適合性があるべきである。あ
る拡散Ｘ線回折パターンを有する煤状無定形炭素である
スポンジ状熱分解炭素は当業界で周知であり、そしてこ
の目的のために通常用いられる。このようなスポンジ状
熱分解炭素はまた分裂の反動を減少させ、そして外層へ
の構造上の損傷を防ぎ、そして一般には２０ミクロンな
いし約１００ミクロンの厚さで使用されるようなもので
ある。

圧密シェルをつくる中間層はしばしば、比較的高密度の
等方性熱分解炭素の層と、金属分裂生成物の良好な保持
を提供するのに十分な厚さのシリコンカーバイドまたは
ジルコニウムカーバイドの層との組み合わせである。一
般には、高密度の等方性熱分解炭素は良好な寸法安定性
を有し、そしてこのようなシリコンカーバイド層のすぐ
内側と外側との両方にしばしば与えられる。熱分解炭素
の内層は通常は約２０−５０　ミクロンの厚さである。

高密度等方性炭素は気体に対する良好な不透過性と中性
子照射中の良好な寸法安定性との両者を備えており、そ
して一般にはその等方性はベーコンスケールで約１．２
以下を示すべきである。このような高密度等方性熱分解
炭素は比較的低温で、例えば１２５０ないし１４００℃
であるいは約１８００ないし２２００℃の温度で沈着で
きる。より高温では約１０体積％のメタンを含むガス混
合物を使用できるが、より低温では約２０−４０％のプ
ロパンまたはブタンの混合物を使用できる。

一般には、約２５−５０ミクロン、例えば約３５ミクロ
ンの高密度等方性熱分解炭素を金属カーバイド層の内側
に使用し、そして理論最高密度の少なくとも約８０％の
密度、例えば約１．８５ないし１．９５ｇ／ｃｍ３を有
すべきである。

一般には、約２０ミクロンないし４５ミクロンの厚さの
シリコンカーバイドまたはジルコニウムカーバイドの連
続層を用いて、金属分裂生成物の適度の封じ込めを成し
遂げるようにする。このようなシリコンカーバイドまた
はジルコニウムカーバイドの層を何れの適当な方法で与
えて、通常はカーバイド物質の理論最高密度の少なくと
も約９０％である満足のいく密度を達成する。このよう
な層は有利には、米国特許第３，２９８．９２１号等に
詳細に記載されている流動床被覆装置等で蒸気雰囲気中
で付着できる。例えば、シリコンカーバイドを水素とメ
チルトリクロロシランとの混合物から直接沈着でき、こ
れは最大理論密度の約９９％の密度を容易に作り出す。

上記の記載は、核燃料物質の周りに圧密バリヤーを与え
るのに使用できるある種の多層核分裂生成物保持被膜配
列を記述しているが、上記のとおり他の適当な核分裂生
成物保持配列も使用できる。

これらの核分裂生成物保持性核燃料粒子は、コア内に存
在する核分裂性原子および／または親原子の約３０％ま
での燃焼の一間に発生する実質的に全ての核分裂生成物
をその粒子内に保持すべきであることを意図する。非常
に一般的には、約１ミリメートルと大きい核燃料コアを
用いたとビても、被覆核燃料粒子の外側寸法は通常は３
ないし５ミリメートルの範囲を超えない。

所望により、機械的保護物質の層、例えば理論最高密度
の約６０％までの密度を有しそして約１５ないし４５ミ
クロンの厚さの熱分解炭素または酸化アルミニウムを耐
火性カーバイド層の外側にクツション層として設けるこ
とができる。しかしながら多くの場合には、このような
りッション層を含めることは必要とは考えられず、元素
状物質の被覆を、前に示したように好ましくは耐火性カ
ーバイドシェルである核分裂生成物保持配列の外面に直
接設ける。

元素状物質は金属マトリックス材料の化学的特性に基づ
いて選ばれ、そして燃料元素内で通常用いられるマトリ
ックス材料はアルミニウムである。

池の適当なマトリックス材料も使用できる。マトリック
スとシリコンとの間には好ましくは相互溶解性があるべ
きであり、そしてこのような材料は約５００℃ないし約
１４００℃の融点を有すべきである。アルミニウムが保
護マトリックス材料であるとき、元素状シリコンが核燃
料粒子を被覆する好ましい物質である。好ましくは被膜
は少なくとも約３ミクロンの厚さであり、そして一般に
は約３ないし約５ミクロンの層を使用する。１０ミクロ
ンあるいはそれ以上の厚さの被膜を使用できるが、約５
ミクロン以上の厚さの被■を用いる利点はないと思われ
る。前に述べたように、被覆物質はマトリックス材料に
よって湿潤するものであるべきであり、本明細書におい
て用語“湿潤”とは、マトリックス材料が粒子被膜の表
面に化学的に結合することを意味する。言い換えると、
マトリックス材料と被覆物質との間に化学的親和性があ
るべきであり、そのため化合物あるいは固溶体がマトリ
ックスと被覆物質との間の界面で形成する性質があるこ
とである。この親和性は共有結合はど強くてもあるいは
それより弱くてもよい。元素状ジルコニウムは、特にア
ルミニウムマトリックス材料を使用するときに被ｌに使
用できるもう一つの物質の例である。

アルミニウムマトリックス材料による湿潤することに加
えて、シリコンはアルミニウムマトリックス材料と低融
点合金あるいは共融混合物を形成する性質を有し、これ
により密着した表面接触を達成する。さらに、シリコン
はアルミニウムに僅かに可溶性であるので、そして約１
２原子％のシリコンを含む共融混合物であって純粋アル
ミニウムの融点である約６６０℃よりも約１００℃低い
約５７７℃の融点を有する共融混合物が形成されるので
、その結果、押出が純粋アルミニウムの融点より低い温
度で実施されたとしても押出物内で密着した表面接触が
達成され、これは特に有利である、何故ならばほとんど
の押出工程では熔融材料を取り扱ううえで生じる困難性
を回避するために、約６００℃以下等のアルミニウムの
融点以下に温度を維持するからである。

核分裂生成物保持配列がシリコンカーバイドの外側シェ
ルを有するときには、元素状シリコンを使用することに
より高密度シリコンカーバイド材料の外面への強力な化
学結合を作り出すもう一つの利点がある。ンリコンカー
バイド表面でのこのような結合およびマトリックス材料
との密着表面接触の結果、核燃料粒子からマトリックス
を通って熱移動が生じる境界面への非常に良好な熱通路
を確保する。同様に、ジルコニウムカーバイドの外側シ
ェルを燃料粒子上に使用すると、元素状ジルコニウムは
被覆用の好ましい物質であるかもしれない。

核分裂生成物保持性核燃料粒子と金属アルミニウムのマ
トリックスとから作られる燃料コンノくクトあるいはエ
レメント（これらの用語は本明細書では同義で使用され
ている）は、約１０，０００ｐｓｉｇあるいはそれ以上
の高い押出圧力を用いて少なくとも約４００℃の温度で
押し出すことにより作ることができる。しかしながら、
更に高い押出温度と圧力が通常は使用され、そして約５
７５ないし６００℃の温度と約１００．ＯＯＯｐｓｉｇ
の圧力で管状の燃料エレメントを押し出すことは異常で
はない。言うまでもなく、このような高い押出圧力では
、核燃料粒子の外面に作用する差圧が核分裂生成物保持
層の破損を促進するかもしれないという明確な可能性が
ある。しかしながら、マトリックス材料と被覆材料との
間の、連続的湿潤から生じる親和性は、通常はこのよう
な押出操作の一部であると思われる予想される差圧と平
衡になり、こうしてこのような破損をかなり減少させる
。

被膜とその包封用シェルとを含む被覆核燃料粒子の外径
は、コアの寸法と圧密バリヤーの厚さとに依存して変化
する。好ましくは親核燃料粒子の外径は１３００ミクロ
ンを越えず、そして核分裂性燃料コアを有する粒子の外
径は約１２００　ミクロンを越えない。これらの粒子は
通常は約４００ないし９００ミクロンの範囲である。

以下の実施例は、本明細書で一般的に記載したタイプの
核燃料粒子、並びにこのような粒子を利用した核燃料コ
ンパクトを作る好ましい方法を解説している。しかしな
がら、この例は本発明の範囲を制限するものとして理解
すべきではない。

γ貴男 酸化ウラン物質を主成分とする酸化ウランと炭化ウラン
との混合物の微小球を作った。化学量論的には、ＵＣｏ
、３０＋□の組成を有する球とみることができる。球の
粒径は約５ｏｏミクロンであり、そしてかなり十分な高
密度のものと思われる。

適当な被覆装置内でアルゴン浮遊流を用いて球を約１１
００℃の温度に加熱した。スポンジ状熱分解炭素の緩衝
被膜を、はぼ大気圧でそれぞれが約５０体積％のアセチ
レンとアルゴンとから沈着させた。アセチレンは分解し
てコア上に低密度スポンジ状炭素へと沈着し、そして約
１．１グラム／　ＣＣの密度の約４０ミクロンの層を沈
着させるのに十分な時間の間流し続けた。

次いでアセチレン流を止め、温度を約１２００℃に上昇
させた。約３体積％のプロピレンを流れに注入し、そし
て約２０分間被覆を行った。これにより約１．９グラム
／　ｃ　ｍ　３の密度のほぼ層状炭素の薄い異方性被膜
ができた。

次いで緩衝被膜コアを約１４００℃に加熱し、そして約
１２ｖ１０プロピレン、約１２ｖ１０アセチレン、約２
２　ｖ　／　ｏアルゴンからなり残りが水素である混合
物を使用して、密度が約１．９５ｇ／ｃｍ３でＢＡＦが
約１１の約３５ミクロンの厚さの等方性熱分解炭素の層
を沈着させた。

次いで温度を約１６００℃に上昇させ、そして水素のみ
を流動化用ガスとして用いて水素流の約１０体積％をメ
チルトリクロロンランの浴に吹き込んだ。これらの条件
下で約３時間牛後にシリコンカーバイドは約３５ミクロ
ンの厚さの層の形態で炭素被覆球出に一様に沈着した。

続く測定と試験により、シリコンカーバイドはこの理論
密度の約９９％である約３．１８ｇ／ｃｍ”の密度のベ
ータ相ＳｉＣであることがわかった。

シリコンカーバイド被覆コアをこの流動化条件で流動化
ガスとしてアルゴンまたは窒素と置換して維持し、そし
て温度を約７００℃に下げた。この温度で、流動化ガス
として再び水素に置き換え、そして約１体積％のテトラ
クロロシランガスをガス流に導入した。これらの条件の
結果として、元素状ノリコンがシリコンカーパイトンエ
ルの外面に沈着した。約１０分後に、約３ないし５ミク
ロンの厚さの層が沈着しそしてテトラクロロンランの導
入を終了した。流動化ガスとして水素のかわりに窒素に
して、粒子の温度を周囲温度までゆっくりと下げて被覆
操作を終了した。

これらの被覆粒子を用いて断面が円形のほぼ管状の燃料
エレメント、例えば長さが約１２フイートで外径が約４
インチ以下で環の厚さが約０．３インチの燃料エレメン
トを作った。被覆核燃料粒子約１２ｋｇを焼成ＡＩ粉末
の形態のアルミニウム約６ｋｇと配合することにより、
適当な大きさのブランクまたはスラグを最初に形成した
。適当な金型内で約１２時間の間約４００℃に加熱して
、押出に適した比較的高密度の粘着性スラグを形成した
。押出を開始する用意ができると、金属マトリックス材
料が軟化する約４００℃の温度に加熱しモして押出プレ
スに送り、アルミニウムと燃料粒子の組み合わせを約２
００．０ＯＯｐｓ　ｉｇの圧力と約４００℃の温度を用
いて押出ダイから押し出して、断面が均一で外径が約３
５インチでそして環の厚さが約０４３インチの１２フイ
ートの長さの管状エレメントを作った。この温度および
圧力で、共融混合物の溶液がマトリックス材料と燃料粒
子被膜との間の界面に生じ、これは、接触が生じたとき
に粒子が互いに破壊するのを防ぐ潤滑効果を発揮するの
みならず、このタイプの押出装置で存在するであろう差
圧を平衡にし、こうして核分裂生成物保持被膜の重大な
破損を避ける。

その後、この共融混合物の結合は燃料粒子からマトリツ
クスへの効率的な熱流を促進させる。

本発明者が現在理解している最良の様式について本発明
を述べてきたが、当業者には自明と思われる変形および
変更は、特許請求の範囲に記載した本発明の範囲から外
れることな（可能である。

例えば、アルミニウムは許容できる核特性と比較的許容
できる伝導性を備えているので、このタイプの燃料エレ
メントの好ましいマトリ・ソクス材料であるが、他の適
当な金属および合金も使用でき、例えばジルコニウムあ
るいはアルミニウムージルコニウム合金である。本発明
の特徴は特許請求の範囲にて強調されている。

（外４名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核分裂性物質または親核燃料物質を含むほぼ回転楕
   円体のコア、 前記コアを取り囲み、高温安定性耐火性 カーバイド材料の層を含む核分裂生成物保 持手段、 および 前記核分裂生成物保持手段を被覆する元 素状の物質の薄層であって、この物質は燃 料コンパクトを形成するためのマトリック ス材料によって湿潤し、それにより高圧力 およびマトリックス材料の融点以下の温度 で、前記被覆核燃料粒子とマトリックス材 料とが組み合わさって核燃料コンパクトと なり、核燃料粒子からマトリックスを通っ て燃料コンパクトの周囲へと熱移動の良好 な通路がある、薄層、 からなる核燃料粒子。 ２、前記カーバイドはシリコンカーバイドである請求項
   １記載の核燃料粒子。 ３、前記物質は元素状のシリコンである請求項２記載の
   核燃料粒子 ４、前記シリコンカーバイドは少なくとも３０ミクロン
   の厚さの層であり、そして前記核分裂生成物保持手段の
   外側シェルを形成する請求項２記載の核燃料粒子。 ５、前記被覆物質は前記シリコンカーバイド層の外面と
   接触しており、そして少なくとも約３ミクロンの厚さを
   有する請求項４記載の核燃料粒子。 ６、前記シリコンカーバイド被覆核燃料粒子は約５００
   ミクロンないし約９００ミクロンの外径を有し、そして
   前記コアを囲む低密度物質の緩衝層を含む請求項４記載
   の核燃料粒子。 ７、前記カーバイドはジルコニウムカーバイドである請
   求項１記載の核燃料粒子。 ８、前記物質は元素状ジルコニウムでありそして前記ジ
   ルコニウムカーバイド層の外面と接触している請求項７
   記載の核燃料粒子。 ９、請求項１記載の多数の粒子がほぼ一様に分散した金
   属マトリックス材料からなる核燃料コンパクト。 １０、金属マトリックス材料を含む核燃料コンパクトを
   形成する方法であって、 核分裂性物質または親核燃料物質を含む回 転楕円体の核燃料粒子を、これを取り囲む核分裂生成物
   保持手段内に形成させ、 マトリックス材料で湿潤する元素状物質の 薄層でもって前記核燃料粒子を被覆し、 前記被覆粒子と前記マトリックス材料とを 一緒にし、そして 前記の結合体を熱と圧力にかけて燃料コン パクトを形成させ、それにより前記マトリックス材料に
   よる前記被膜の湿潤を前記粒子の外面のまわりで前記圧
   力と平衡にし、そして前記粒子の前記核分裂生成物保持
   手段の破損を実質的に低下させる、 上記各工程からなる方法。 １１、前記マトリックス材料はアルミニウムである請求
   項１０記載の方法。 １２、シリコンカーバイドは前記核分裂生成物保持手段
   の前記外面を構成する請求項１１記載の方法。 １３、前記被覆物質は元素状シリコンであり、このシリ
   コンを前記シリコンカーバイド上に直接沈着させ、この
   被覆物質はシリコンカーバイドと良好な結合を形成し、
   そしてまた前記の組み合わせ工程と加熱・加圧工程の結
   果として被覆物質は前記マトリックスとも混ざって、燃
   料物質から前記コンパクトの境界面への良好な熱移動用
   通路を作る請求項１２記載の方法。 １４、前記シリコンカーバイドは少なくとも約３０ミク
   ロンの厚さである請求項１３記載の方法。 １５、前記被膜は少なくとも約３ミクロンの厚さを有す
   る請求項１４記載の方法。 １６、前記結合体を少なくとも約１０，０００ｐｓｉｇ
   の圧力と少なくとも約４００℃の温度にかける請求項１
   ５記載の方法。 １７、前記結合体を約４００℃ないし約６００℃の温度
   でダイから押し出して細長円筒状燃料コンパクトを形成
   する請求項１６記載の方法。 １８、前記被膜物質は元素状ジルコニウムである請求項
   １１記載の方法。 １９、ジルコニウムカーバイドは前記核分裂生成物保持
   手段の前記外面を構成する請求項１８記載の方法。 ２０、前記核燃料粒子の外径は約５００ミクロンないし
   約９００ミクロンである請求項１０記載の方法。