JPH0731267B2 - 核燃料ペレットの製造法 - Google Patents

核燃料ペレットの製造法

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JPH0731267B2
JPH0731267B2 JP1285536A JP28553689A JPH0731267B2 JP H0731267 B2 JPH0731267 B2 JP H0731267B2 JP 1285536 A JP1285536 A JP 1285536A JP 28553689 A JP28553689 A JP 28553689A JP H0731267 B2 JPH0731267 B2 JP H0731267B2
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和俊 渡海
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は原子力用セラミックスの製造方法、特に結晶粒
径が大きく、かつクリープ速度の大なる核燃料ペレット
の製造法に関するものである。
(従来の技術) 高燃焼度用UO2ペレットはFP(核分裂生成物)保持性が
良好なこと及びPCMI(ペレットと被覆管の機械的相互作
用)特性が良好なこと、即ちPCMIを軽減できることが求
められ、前者に対しては結晶粒径を大きくすること、、
後者に対しては軟らかいペレットとすることが試みられ
ている。
ところで従来、かかるペレットの製造に際し二酸化ウラ
ン(UO2)燃料へ種々の添加物を添加し上記の如きペレ
ット製造を目指すことが進められ、(1)特開昭55−27
941号公報,(2)特開昭55−27942号公報,(3)特公
昭54−8837号公報,(4)特公昭63−16716号公報,お
よび(5)特開昭63−73189号公報などにその幾つかが
開示されている。
即ち、(1)特開昭55−27941号公報ではUO2に少なくと
も1種の容易に固溶せず、粒界に析出する特性のある添
加物を加えることが、また(2)特開昭55−27942号公
報ではUO2にAl2O3,BeO,CaO,MgO,SiO2,Na2O,P2O5から2
種以上を0.2〜5%添加することが、更に(3)特公昭5
4−8837号公報ではUO2に核分裂生成物不動化添加剤とし
てケイ酸アルミ,ケイ酸カルシウム,ケイ酸マグネシウ
ム,SiO2−Al2O3−MgO,SiO2−Al2O3−CaO,チタン酸アル
ミ,チタン酸ケイ素,CaO−SiO2−チタン酸塩等を加える
ことが夫々示されている。
また、(4)特公昭63−16716号公報ならびに(5)特
開昭63−73189号公報では上記UO2にAl2O3,BeO,CaO,MgO,
SiO2,Na2O,P2O5から2種以上の外、更にNb2O5,TiO2を添
加することが述べられている。
(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記の如き添加物添加の方法においてNb
2O5,TiO2等を添加したものは粒径が大きく、かつPCMI特
性も良好となるが、Nb2O5,TiO2等の残存のため、粒径の
割りにFP保持性の改善はあまり望むことが出来ない難が
あり、また、中性子経済上、物性の変化上もよくなく、
更にSiO2,Al2O3等の粒界析出特性のあるものと上記Nb2O
5,TiO2等の粒径増大効果のある添加物を組み合わせる方
法は複雑で好ましくない。
一方、ペレット製造に際し、高温長時間焼結を行うこと
は粒径は大きくなるが硬くなり、PCMI特性を低下させる
結果を招来する。
なお二酸化ウラン燃料へAl2O3やSiO2を単味で添加して
特性の改良を試みた例も従来より数多くあるが、いずれ
も望ましい結果は得られておらず、結晶粒径の粗大化に
ついて言及しているものは殆ど見当たらない。
特に上記種々の添加物を入れる場合には通常、一部を除
いて0.1%以上の添加が必要であり、多くの場合、現
在、規定されている不純物量を越えている。上記Al2O3
及びSiO2の添加についても0.1wt%かつSiO2>Al2O3が限
度である。
そこで、本発明者は上記の如き実状に対処し、その改善
を図るべく検討を重ね、その結果UO2に対するAl2O3とSi
O2の添加量を特定範囲に規定することを見出し、さらに
提案した。(特願平1−64868号)本発明は上記提案に
係る発明に更に一歩、進め、添加するAl2O3およびSiO2
の粉末の大きさと、その処理の仕方を加味することによ
り結晶粒径を大ならしめると共にやわらかいペレットの
製造を可能にし、FP保持性ならびにPCMI特性をより一層
向上せしめることを目的とするものである。
(課題を解決するための手段) 即ち、上記目的を適合する本発明の特徴は、ウラン,プ
ルトニウムの少なくとも1つの元素の二酸化物または前
記物質にガドリニアを添加した核燃料物質にAl2O3およ
びSiO2を添加し核燃料ペレットを製造するにあたり、前
記Al2O3およびSiO2の粉末を特に粒度1μm以下の超微
粉末とし、その添加量を0.005%〜0.05%,かつAl2O3
SiO2の重量比を1:1〜30:1の範囲としてそれらを混合し
た粉末を成型することであり、かつその後、水素を含む
還元雰囲気で本体雰囲気ガス流量に対して40〜70℃の飽
和水蒸気を含むキヤリヤーガスを体積率で0.1〜10%添
加し、1600〜1750℃で2〜6時間焼結することにある。
ここで成型後の雰囲気は上記の場合、水素を含む還元雰
囲気であるが、酸素濃度100ppm以下の微酸化雰囲気下例
えば酸素を微量含むCO2雰囲気下又はCO2/CO雰囲気下で
あっても差し支えなく、請求項2記載の方法はかかる場
合である。
また、請求3記載の発明は上記各方法におけるAl2O3
よびSiO2の添加の態様に係り、ケイ酸アルミニウム又は
ケイ酸アルミニウムにAl2O3を添加することによって行
うこと、請求項4記載の発明は更にその場合においてケ
イ酸アルミニウム粉末として1μm以下の超微粉末を用
いることを特徴とする。
請求項5及び6に記載した方法は更に前記発明を実施す
るに際し、適用される好ましい態様に係り、前者はAl2O
3,SiO2またケイ酸アルミニウムの混合時、カッターミル
やボールミル混合のように粉末の粉砕を含む混合を行う
ことであり、後者は粒径に影響なく密度の調整および成
型を容易にするためにPVA等の造粒剤,ステアリン酸等
の潤滑材,澱粉,U3O8,パルチミン酸等のポア形成剤を添
加することを特徴とする。
(作用) 上記の方法により核燃料ペレットを製造するときは種々
の添加物を添加することなく、簡単な方法であるにかか
わらず、現在のUO2ペレットのスペックである。
Al含有率 100ppm以下、 Si含有率 250ppm以下、 を十分満足し、かつ、粒径が通常方法による〜10μmに
対し、インターセプト法による平均結晶粒径が30〜60μ
mの大粒径ペレットで、かつクリープ速度が粒径補正を
しなくても、5×102〜103倍程度の大きなペレットを得
ることを可能ならしめる。
以下、本発明の具体的な実施例につき説明する。
(実施例1) Al2O3中のAlの含有率53%、SiO2中のSi含有率47%で、
これよりUO2のAl,Siの規格を夫々Al100ppm,Si250ppmと
すると、Al2O3の最大添加量は0.02%、SiO2の最大添加
量は0.05%である。
このため、UO2粉末へのAl2O3とSiO2の添加総量を0.01%
として下記の如き混合率、焼結条件の下に各実験を行っ
た。
(イ)混合率 (ロ)焼結条件 1750℃×4Hr,H2/N2雰囲気であるが、水(水蒸気)添加
量をキヤリヤーガス比で、ケース(1)は0.1%、ケー
ス(2)は10%とした。
これは40〜70℃の温湯から出る水蒸気にアルゴンキヤリ
ヤーガスを通して、これを含ませたものを、本体雰囲気
ガスに合流させるが、このときの合流させる体積率が0.
1〜10%になるようにアルゴンガス流量をセットして行
った。
なお、上記実験においてキヤリヤーガスとしてはアルゴ
ンガスを用いたが、勿論、これはN2又はN2/H2であって
も差し支えない。
上記による実験の結果、インターセプト法による粒径の
変化は下記の通りであった。
上表によるケース(1)のCの場合における結晶粒径を
顕微鏡観察により観察した結果を第1図に、またUO2
みのケース(1)のDの場合における結晶粒径の顕微鏡
観察結果を第3図に夫々示す。これら両図を観察するこ
とにより第1図では第3図の粒径に比して大粒径化して
いることを知見される。
また、上記ケース(1)のCの混合粉末にポア形成剤と
してパルチミン酸を0.1%加え、同様に実験を試みたと
ころ、パルチミン酸混入による粒径への影響は全く認め
られなかった。(第3図参照) (実施例2) UO2粉末にガドリア(Gd2O3)を8%添加して、これを原
料として上記実施例1と同様に実験を行ったところAl2O
3/SiO2無添加の場合の平均粒径が1〜3μm(第5図参
照)であったのに対し、Al2O3/SiO2の混合比が5の粉末
をAl2O3とSiO2の添加総量において0.01%で加えた混合
粉末を前記同様、1750℃×4Hr,H2/N2雰囲気で焼結した
ものは粒径が大きく10〜20μm(第4図参照)へ増加す
ることが認められた。
また同様にして実施例1の混合率で夫々実験を試みたと
ころ、何れもその添加により10〜20μmへ粒径が増加す
ることが確認された。
この場合、水蒸気添加による水添加の効果は明確とは云
えないが、微小粒の減少となって現れていた。
なお、PVA(ポリビニルアルコール)等の造粒剤、ステ
アリン酸等の潤滑剤、澱粉、U3O8、パルミチン酸等のポ
ア形成剤を適宜、用いたが、これらは粒径への影響なく
使用可能であった。
また、上記実施例で得られた焼結体を試料として1400
℃,45MPaの高温クリープ試験を実施したところ、何れの
場合も粒径補正を行なわなくて無添加UO2に比して5×1
02〜103倍のクリープ速度を有しており、頗るすぐれた
セラミック燃料であった。
(発明の効果) 本発明は以上のように核燃料物質にAl2O3およびSiO2
添加し核燃料ペレットを製造するに際しAl2O3およびSiO
2の粉末粒度を1μm以下とし、その添加総量を0.005%
〜0.05%、かつAl2O3とSiO2の重量比を1:1〜30:1の範囲
として成型し、焼結する方法であり、上記の如くAl2O3
とSiO2の粉末粒度および量を規定することにより不純物
スペックの範囲内のAl2O3とSiO2を添加するだけで、よ
り簡単により少量の添加物で高燃焼度UO2ペレットに要
求されるような従来製法によるUO2ペレットの結晶粒径
の3〜10倍の結晶粒径をもつ大粒径かつ大クリープ速度
のセラミック燃料を得ることが可能となり、FP保持性な
らびにPCMI特性の改善に顕著な効果を奏し、今後に関心
がもたれるような上記高燃焼度用UO2ペレットの工業的
かつ経済的製造分野にその適用が期待されるものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は二酸化ウランにAl2O3/SiO2=5の混合比の粉末
を0.01%添加した実施例1のケース(1)Cで得られた
核燃料焼結体の結晶粒径金属顕微鏡観察にて400倍の倍
率で撮影した金属組織顕微鏡写真、第2図は上記第1図
の試料にポア形成剤としてパルチミン酸を0.1加えて得
られた核燃料焼結体の結晶粒径を金属顕微鏡で400倍の
倍率で撮影した金属組織顕微鏡写真、第3図は従来の二
酸化ウランのみで得られた実施例1のケース(1)Dに
よる核燃料焼結体の結晶粒体を金属顕微鏡で400倍の倍
率で撮影した金属組織顕微鏡写真、第4図は二酸化ウラ
ンにガドリニアを8%添加したガドリニア入りUO2粉末
に更にAl2O3/SiO2=5の混合粉末を0.01%加え焼結した
ペレットの結晶粒径を前記同様、金属顕微鏡観察で400
倍の倍率で撮影した金属組織顕微鏡写真、第5図は上記
第4図におけるガドリア8%添加UO2ペレットの結晶粒
径を金属顕微鏡観察で400倍の倍率で撮影した金属組織
顕微鏡写真である。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ウラン,プルトニウムの少なくとも1つの
    元素の二酸化物または前記物質にガドリニアを添加した
    核燃料物質にAl2O3およびSiO2を添加し核燃料ペレット
    を製造するにあたり、前記Al2O3およびSiO2の粉末を粒
    度1μm以下の超微粉末とし、その添加総量を0.005%
    〜0.05%、かつAl2O3とSiO2の重量比を1:1〜30:1の範囲
    としてそれらを混合した粉末を成型し、のち、水素を含
    む還元雰囲気で本体雰囲気ガス流量に対して40〜70℃の
    飽和水蒸気を含むキヤリヤーガスを体積率で0.1〜10%
    添加し、1600〜1750℃で2〜6時間焼結を行うことを特
    徴とする核燃料ペレットの製造法。
  2. 【請求項2】ウラン,プルトニウムの少なくとも1つの
    元素の二酸化物または前記物質にガドリニアを添加した
    核燃料物質にAl2O3およびSiO2を添加し核燃料ペレット
    を製造するに際し、前記Al2O3およびSiO2の粉末を粒度
    1μm以下の超微粉末とし、その添加総量を0.005%〜
    0.05%、かつAl2O3とSiO2の重量比を1:1〜30:1の範囲と
    してそれらを混合した粉末を成型し、成型後、酸素濃度
    102ppm以下の微酸化雰囲気にて1600〜1750℃で2〜6時
    間焼結を行うことを特徴とする核燃料ペレットの製造
    法。
  3. 【請求項3】Al2O3とSiO2の添加をケイ酸アルミニウム
    またはケイ酸アルミニウムにAl2O3を添加する方法で行
    うことを特徴とする請求項1または2記載の核燃料ペレ
    ットの製造法。
  4. 【請求項4】添加するケイ酸アルミニウムの粉末粒度を
    1μm以下の超微粉末とすることを特徴とする請求項3
    記載の核燃料ペレットの製造法。
  5. 【請求項5】Al2O3,SiO2またはケイ酸アルミニウムを添
    加した後、カッターミル又はボールミルを用いて粉砕混
    合を行うことを特徴とする請求項1,2,3又は4記載の核
    燃料ペレットの製造法。
  6. 【請求項6】請求項1又は2記載の製造法において、密
    度の調整および成型を容易にするためにPVA等の造粒
    剤,ステアリン酸等の潤滑剤,澱粉,U3O8などのポア形
    成剤をさらに添加することを特徴とする核燃料ペレット
    の製造法。
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