JPH02257093A - 核燃料体の製造方法およびオーバーコート被覆燃料粒子 - 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】 ［産業上の利用分野１ 本発明は核燃料体の製造方法およびオーバーコート被覆
燃料粒子に関する。さらに詳しく言うと、被覆燃料粒子
の被覆層の破損率の低い核燃料体の製造方法およびその
核燃料体を製造することのできるオーバーコート被覆燃
料粒子に関する。

［従来技術および発明が解決しようとする課題］一般に
、高温ガス炉等で使用される核燃料体には、被覆燃料粒
子が用いられている。

前記被覆燃料粒子は、通常、ウラン、トリウム、プルト
ニウム等の核燃料物質からなる燃料核に、炭化ケイ素、
炭化ジルコニウム等のセラミックスおよび熱分解炭素を
、三層以上の多層に被覆した被覆層を有する。

前記核燃料体は、通常、このような被覆燃料粒子を、黒
鉛を主成分とする黒鉛マトリックス中に分散した構造で
ある。

前記被覆燃料粒子の被覆層は、原子炉運転中に生じる核
分裂生成物の放出を防止するための障壁となっており、
高温ガス炉等で使用される核燃料体においては、核燃料
の健全性を保持する重要な構成要素である。

したがって、高温ガス炉等で使用される核燃料体におい
ては、可能な限り、前記被覆燃料粒子の被覆層の欠陥（
破損等）を減することが重要である。

また、核燃料体の黒鉛マトリックスは、被覆燃料粒子を
分散させて、核燃料体の熱出力を均一化すると共に、高
温ガス炉の運転温度によっても機械的特性が低下しない
ので、被覆燃料粒子の分散状態を一定に保持する。

従来、前記のような核燃料体は以下のような方法で製造
される。

たとえば、先ず、被覆燃料粒子に黒鉛粉末および熱硬化
性樹脂等の結合剤からなるマトリックス材をオーバーコ
ートする。次いで、このマトリックス材をオーバーコー
トしてなる被覆燃料粒子の一定量の集合体を、加圧成形
装置等に充填して加圧成形（プレス成形）し、成形の際
の加熱により結合剤を硬化させ、焼成時においても形状
が保持されるように成形体を得る。そして得られた成形
体を不活性雰囲気下または真空下で高温加熱して焼成す
る。なお、成形前に、予め被覆燃料粒子にマトリックス
材をオーバーコートするのは、被覆燃料粒子同士が直接
に接触することを可能な限り防止し、被覆燃料粒子の被
覆層の欠陥を減するためである。

しかしながら、前記のような方法では、マトリックス材
中の結合剤が熱分解してマトリックス材が収縮する一方
、被覆燃料粒子は熱膨張するので、被覆燃料粒子の被覆
層に顕著な応力が負荷されて、遂には被覆燃料粒子の被
覆層に亀裂などの破損が生ずるという問題点がある。

なお、破損した被覆燃料粒子を包含する核燃料体は、原
子炉運転時に生ずる核分裂物質を封じ込むことができず
、原子炉雰囲気を汚染することがある。

したがって、破損した被覆燃料粒子を包含する核燃料体
の使用を避けなければならず、このような核燃料体を製
造する方法の改良が望まれている。

本発明は前記の事情に基いてなされたものである。

すなわち、本発明の目的は、前記課題を解決し、製造時
において被覆燃料粒子の被覆層に亀裂などの破損が生じ
に〈〈て、被覆燃料粒子の被覆層の破損率が小さい核燃
料体の製造方法およびその核燃料体を製造することので
きるオーバーコート被覆燃料粒子を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］ 前記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、被
覆燃料粒子の表面に、黒鉛粉末および結合剤からなるマ
トリックス材でオーバーコート層を形成して、オーバー
コート被覆燃料粒子を得た後、前記オーバーコート被覆
燃料粒子をプレス成形および焼成する核燃料体の製造方
法において、前記オーバーコート層を二層構成にし、そ
の外層を形成するマトリックス材の焼成時の収縮率より
も小さい収縮率のマトリックス材で内層を形成すること
を特徴とする核燃料体の製造方法であり、 請求項２に記載の発明は、被覆燃料粒子の表面に、黒鉛
粉末および結合剤からなるマトリックス材でオーバーコ
ート層を形成してなるオーバーコート被覆燃料粒子にお
いて、前記オーバーコート層が、二層構成であり、その
外層を形成するマトリックス材の焼成時の収縮率よりも
小さい収縮率のマトリックス材で内層を形成してなるこ
とを特徴とするオーバーコート被覆燃料粒子である。

一被覆燃料粒子 本発明の使用に供される被覆燃料粒子としては、通常、
高温ガス炉等で使用する核燃料体に用いられている公知
の被覆燃料粒子を挙げることができる。

前記被覆燃料粒子は、核燃料物質からなる燃料核に、炭
化ケイ素、炭化ジルコニウム等のセラミックスや炭素（
熱分解炭素）などを被覆して被覆層を形成したものであ
り、たとえばＢＩＳＯ型、ＴＲｌ５Ｏ型のように多層の
被覆層を有するものがある。

前記燃料核は、ウラン、トリウム、プルトニウム等を含
有する核燃料物質からなり、通常、平均粒径４００〜Ｅ
ｉ００ｇｍのウラン、トリウム、ブルトニウム等の酸化
物粒子が挙げられる。

前記被覆燃料粒子の平均粒径は、通常、８００〜９００
ＪＬｍである。

前記被覆層の層厚としては、通常、　１５０〜２５０ｐ
Ｌｍである。

オーバーコート層 本発明においては、被覆燃料粒子の表面に、内側オーバ
ーコート層（内層）および外側オーバーコート層（外層
）からなる二層構成のオーバーコート層を形成する。

内側オーバーコート層および外側オーバーコート層のい
ずれのオーバーコート層においても、黒鉛粉末および結
合剤からなるマトリックス材で形成される。

前記黒鉛粉末としては、公知のものを使用することがで
き、特に制限がない。

前記黒鉛粉末の平均粒径は、通常、２０〜３Ｊｔｍであ
る。

なお、外側オーバーコート層を形成するマトリックス材
（以下、マトリックス材Ａと言うことがある。）におけ
る黒鉛粉末と、内側オーバーコート層を形成するマトリ
ックス材（以下、マトリックス材Ｂと言うことがある。

）における黒鉛粉末とは、同一の材質および平均粒径で
あるのが好ましい。

前記結合剤としては、各種のセラミックス等の成形に、
結合剤として使用されている公知の樹脂を使用すること
ができ、通常は、焼成時の寸法安定性を考慮し、熱硬化
性樹脂を使用する。

前記熱硬化性樹脂としては、たとえば、フェノール樹脂
、ユリア樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、ポリエス
テル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹
脂等を挙げることができ、通常、フェノール樹脂が採用
され、特にノボラック形フェノール樹脂が好適に採用さ
れる。

マトリックス材Ａにおいては、黒鉛粉末と結合剤との配
合比（重量比、黒鉛粉末：結合剤）は、通常、９０：１
０〜６０：４０の範囲内である。

マトリックス材Ａの結合剤として、ノボラック型フェノ
ール樹脂を採用する場合、前記配合比（重量比、黒鉛粉
末：結合剤）は、８５：１５〜７０：３０の範囲内であ
るのが好ましい。配合比が前記範囲内であることにより
、成形性、焼成によるマトリックス材の収縮、および焼
成後の機械特性を適正なものにすることができる。

本発明において重要な点の一つは、マトリックス材Ｂの
焼成時の収縮率［（焼成前の体積−焼成後の体積）／（
焼成前の体積）］が、マトリックス材Ａの焼成時の収縮
率よりも小さいことである。

前記マトリックス材Ｂの焼成時の収縮率は、通常２．５
％以下であり、　１．５％以下であるのが好ましい。

マトリックス材Ｂの焼成時の収縮率を、マトリックス材
Ａの焼成時の収縮率よりも小さくするには、たとえば、
マトリックス材Ｂ中の結合剤の配合量を、マトリックス
材Ａ中の結合剤の配合量よりも少なくする態様により行
なうことができる。

なお、マトリックス材中の黒鉛粉末は、焼成しても実質
的に収縮しないので、マトリックス材中の結合剤の配合
量を少なくすれば、マトリックス材の焼成時の収縮率を
小さくすることができる。

前記の態様においては、例えば結合剤としてノボラック
型フェノール樹脂を用いる場合、■マトリックス材Ｂ中
の結合剤の配合量は、焼成時の収縮率を小さくするため
に、通常、１５重量％未満にし、１０重量％以下にする
のがより好ましく、■マトリックス材Ａ中の結合剤の配
合量は、通常、１５重量％以上にする。

マトリックス材Ａ中の前記結合剤の配合量が１５重量％
以上であると、マトリックス材Ａがプレス成形時に充分
な流動性を有し、プレス成形により良好な成形体を得る
ことができる。

なお、マトリックス材Ａ中の結合剤の配合量が少な過ぎ
ると、プレス成形時の流動性が不充分になり、プレス成
形前のオーバーコート被覆燃料粒子同士の隙間を充分に
埋めることができず、プレス成形後の成形体は、開孔部
が多い品質の劣るものになることがある。

本発明においては、マトリックス材Ｂ中の結合剤として
、焼結時の収縮が小さい樹脂を選択するのが好ましい。

焼成時の収縮が小さい樹脂としては、焼成時に分解物が
部分融解を起こすことの少ない分子構成からなるものが
よく、芳香族環またはへテロ環を有する樹脂、シリコー
ン樹脂等の無機成分を含有する樹脂などを挙げることが
できる。これらの中でも、例えば、ビスマレイミド系熱
硬化性樹脂のコンパウンドを好適に用いることができる
。また、マトリックス材Ｂにおいて、焼成時の収縮が小
さい樹脂として、アミン系硬化剤を硬化剤とするノボラ
ック型フェノール樹脂を結合剤に用いる場合、ヘキサメ
チレンテトラミンをノボラック型フェノール樹脂の硬化
剤として用いるときは、焼成時のホルムアルデヒドの発
生量を少なくするために、ノボラック型フェノール樹脂
中のへキサメチレンテトラミンの添加量が、６重量％未
満になるようにして用いるのが好ましい。

一方、マトリックス材Ａにおいても、結合剤としてノボ
ラック型フェノール樹脂を用いる場合、アミン系硬化剤
をノボラック型フェノール樹脂の硬化剤として用いるの
が好ましいが、ヘキサメチレンテトラミンをノボラック
型フェノール樹脂の硬化剤として用いるときは、ヘキサ
メチレンテトラミンの添加量が６重量％未満であると、
プレス成形時の熱硬化速度が極端に遅くなり実用に耐え
ないことがあるので、通常、ヘキサメチレンテトラミン
の添加量を６重量％以上にして用いる。

なお、マトリックス材Ａとマトリックス材Ｂの結合剤と
して、同種のノボラック型フェノール樹脂を用いる場合
、硬化剤として用いるアミン系硬化剤の量を変えること
により、マトリックス材Ｂの焼成時の収縮率を、マトリ
ックス材Ａの焼成時の収縮率よりも小さくするともでき
る。

オーバーコート被覆燃料粒子の製造 本発明においては、被覆燃料粒子の表面に、前記マトリ
ックス材Ｂで内側オーバーコート層（内層）を形成し、
前記マトリックス材Ａで外側オーバーコート層（外層）
を形成し、オーバーコート被覆燃料粒子を得る。

前記被覆燃料粒子の表面に、前記マトリックス材Ｂで内
側オーバーコート層を形成するには、通常、前記被覆燃
料粒子を前記マトリックス材Ｂｌで転勤しながら、溶媒
を噴霧したり、または、熱を加えたりして、前記被覆燃
料粒子と前記マトリックス材Ｂとの間に付着性を付与し
て、オーバーコートする方法を採用することができる。

前記被覆燃料粒子に前記マトリックス材Ｂで内側オーバ
ーコート層を形成したものに、前記マトリックス材Ａで
外側オーバーコート層を形成するには、前記被覆燃料粒
子の表面に、前記マトリックス材Ｂをオーバーコートす
るのと同様にして行なうことができる。

このようにして、たとえば、第１図に示すような、被覆
燃料粒子２の表面に、マトリックス材Ｂで内側オーバー
コート層３ｂを形成し、マトリックス材Ａで外側オーバ
ーコート層３ａを形成してなるオーバーコート被覆燃料
粒子ｌが得られる。

オーバーコート被覆燃料粒子における前記内側オーバー
コート層の厚さと前記外側オーバーコート層の厚さとは
、製造しようとする核燃料体の寸法、被覆燃料粒子の充
填量、マトリックス材の組成により異なり一慨に規定で
きないが、各々のケースにより、成形性および本発明の
効果を考慮しながら、決定することができる。

たとえば、結合剤としてノボラック型フェノール樹脂を
用いる場合、内側オーバーコート層の厚さは、通常５０
〜２００ｐｍであり、好ましくは７５〜１００ｐ、ｍで
あり、内側オーバーコート層と前記外側オーバーコート
層とからなるオーバーコート層全体の厚さは、通常１５
０〜３５０ＪＬｍである。

プレス成形工程 次いで、このようにして得られるオーバーコート被覆燃
料粒子を、加圧成形機などにより、所望の形状にプレス
成形する。

前記のプレス成形を行なうための手段としては、たとえ
ば、ダイス内に、第２図に示すように複数のオーバーコ
ート被覆燃料粒子１を充填し、上下からパンチすること
によりおこなう手段、ラバープレス法などの等方圧成形
法による手段を挙げることができ、これらのプレス法に
おいては、温間プレスおよび冷間プレスのいずれであっ
ても良い。さらに、前記プレス成形を行なう手段として
、押出成形法による手段を採用することもできる。

これらのプレス成形を行なうだめの手段により、中実円
筒状、中空円筒状、球状、その他の任意の形状の成形体
を得ることができる。

なお、プレス成形の際の成形圧は、通常、２０〜５０ｋ
ｇ／ｃ＋ｍ２の範囲内であり、３０〜４０ｋｇ／ｃｍ２
の範囲内に設定するのが好ましい。

このようにして得られる成形体の状態は、第３図に示す
ように、被覆燃料粒子２の周囲は焼成時の収縮が低い材
質［マトリックス材Ｂ（■）］で取り囲まれており、被
覆燃料粒子粒子同士の隙間は、マトリックス材Ａ（イ）
およびマトリックス材Ｂ　（ａ）で充填された状態にな
っている。

−焼結工程− 焼結処理は、通常、得られた成形体を、窒素ガス等の不
活性雰囲気中で、昇温しながら、成形体中の熱分解生成
物の大部分を除去した後、最終的に真空中で、１６００
〜１８００℃の範囲内の温度で加熱し、焼成された核燃
料体を得る。

この時、マトリックス材Ｂは収縮が小さく、被覆燃料粒
子に作用するマトリックス材Ａの収縮応力に対し緩衝材
として作用し、被覆層に破損等は生じない。

このように、本発明の方法により製造される核燃料体は
、被覆燃料粒子の被覆層の破損率が小さいので、高温ガ
ス炉で使用される核燃料体として、好適に用いることが
できる。

［実施例］ 次いで、本発明の実施例を示し、本発明についてさらに
具体的に説明する。

（実施例１） 平均径ＢＯＯＪＬｍの二酸化ウランよりなる球状の燃料
核に、第−層として低密度炭素（層厚６０ルｍ、密度１
．１　ｇ／ｃ肩？）、第二層として高密度炭素（層厚３
３ルｍ、密度１．８２ｇ／ｃ腸２）、第三層として炭化
ケイ素（層厚３３川ｍ、密度３．２　ｇ／ｃ履２）、さ
らに第四層として高密度炭素（層厚４８１Ｌｍ、密度１
．８３ｇ／ｃ層？）を被覆し、全体として直径９３８７
Ｌｍである被覆燃料粒子を用いた。

この被覆燃料粒子に、黒鉛粉末８２．５重量％、フェノ
ール樹脂７．５重量％（ヘキサミン添加量１２重量％）
からなる粉末を厚さが８０７℃ｍとなるまで、エタノー
ルを噴霧しながら付着させて内側オーバーコート層を形
成し、次に、黒鉛粉末８０重量％、フェーノール樹脂２
０重量％（ヘキサミン添加量１２重量％）からなる粉末
を厚さ（内側オーバーコート層および外側オーバーコー
ト層の厚さ）が２ＢＯｇｍとなるまで、同様に付着させ
て外側オーバーコート層を形成し、オーバーコート被覆
燃料粒子を得た。

このようにして得られたオーバーコート被覆燃料粒子を
１３０℃に設定された外径２ＢＯｍｍのダイスに充填し
、３０ｋｇ／ｃｍ２で加圧した後、　１８０℃まで昇温
し、１０分間熱硬化せしめた後、取り出し、円筒状の成
形体を得た。

得られた成形体を、１８００℃まで昇温し、真空中で１
時間保持して焼成し、核燃料体を製造した。

製造された核燃料体を、８００℃で空気中で焙焼し、粒
子（被覆燃料粒子）得た。次いで、得られた粒子を酸浸
漬し、溶出したウランを分析し、全体のウラン量に対す
る溶出したウランの量の比率をこの核燃料体中における
被覆燃料粒子の破損率・とじた。このようにして測定し
た破損率は１．８×１０−６であり、原子炉の核燃料体
として使用するに充分に良好なものであった。

（実施例２） 実施例１と同様にして調整したオーバーコート被覆燃料
粒子を、ゴム状型材に充填し、１．０００ｋｇ／ｃ１１
２の静水圧で等方加圧し、直径８０ｍｍの球形にプレス
成形した後、　１８０℃、５分間加熱炉中で保持し成形
体を得た。

この成形体を真空中で１８００℃まで昇温し、１時間保
持し焼成することにより、核燃料体を製造した。

製造された核燃料体を、実施例１と同様の方法で、核燃
料体中における被覆燃料粒子の破損率を測定したところ
、　１．６Ｘ　１０−６であり、充分に低い破損率であ
った。

（比較例１） 実施例１で用いた被覆燃料粒子を用い、黒鉛粉末８０重
量％、ツーノール樹脂２０重量％からなる粉末を厚さ３
４０℃ｍとなるまで付着せしめ一層構成のオーバーコー
ト層を形成し、オーバーコート被覆燃料粒子を得た。

このオーバーコート被覆燃料粒子を実施例１と同様に成
形、焼成し、最終的に核燃料体を製造した。

製造された核燃料体を、実施例１と同様の方法で核燃料
体中における被覆燃料粒子の破損率を測定したところ、
　４．２Ｘ　１０−４であった。

（評価） 実施例１および実施例２から明らかなように本発明の製
造方法による核燃料体は、核燃料体中における被覆燃料
粒子の破損率が低いので、本発明は、製造時に被覆燃料
粒子の被覆層の破損が生じず、原子炉燃料として好適な
核燃料体を得ることができ、工業上の意義は大きいもの
でのが確認できる。

［発明の効果］ 本発明によると、 （１）　　製造時において被覆燃料粒子の被覆層に亀裂
などの破損が生じにくく、 （２）　　核燃料体中における被覆燃料粒子の被覆層の
破損率を低めることができる、 等の利点を奏する核燃料体の製造方法およびオーバーコ
ード被覆燃料粒子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のオーバーコート被覆燃料粒子の一例
を示す説明図である。第２図は、本発明の方法における
プレス成形前のオーバーコート被覆燃料粒子の状態の一
例を示す説明図である。 第３図は、本発明の方法における成形体の状態の一例を
示す説明図である。 １・・・オーバーコート被覆燃料粒子、２・・・被覆燃
料粒子オーバーコート被覆燃料粒子、３ａ・・・外側オ
ーバーコート層、３ｂ・・内側オーバーコート層、（イ
）・・・マトリックス材Ａ、（０）　・・・マトリック
ス材Ｂ。 第１ 第２図 第３図 ２　　（ロ） ｊ−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被覆燃料粒子の表面に、黒鉛粉末および結合剤か
   らなるマトリックス材でオーバーコート層を形成して、
   オーバーコート被覆燃料粒子を得た後、前記オーバーコ
   ート被覆燃料粒子をプレス成形および焼成する核燃料体
   の製造方法において、前記オーバーコート層を二層構成
   にし、その外層を形成するマトリックス材の焼成時の収
   縮率よりも小さな収縮率のマトリックス材で内層を形成
   することを特徴とする核燃料体の製造方法。
2. （２）被覆燃料粒子の表面に、黒鉛粉末および結合剤か
   らなるマトリックス材でオーバーコート層を形成してな
   るオーバーコート被覆燃料粒子において、前記オーバー
   コート層が、二層構成であり、その外層を形成するマト
   リックス材の焼成時の収縮率よりも小さい収縮率のマト
   リックス材で内層を形成してなることを特徴とするオー
   バーコート被覆燃料粒子。