JPH0743487A - 核燃料ペレット - Google Patents
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- JPH0743487A JPH0743487A JP5189549A JP18954993A JPH0743487A JP H0743487 A JPH0743487 A JP H0743487A JP 5189549 A JP5189549 A JP 5189549A JP 18954993 A JP18954993 A JP 18954993A JP H0743487 A JPH0743487 A JP H0743487A
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-
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】特に高燃焼時において核分裂生成ガス（ＦＰガ
ス）の放出率が抑制され、その結果ペレットのスエリン
グやペレット−被覆管相互作用（ＰＣＩ）が軽減された
核燃料ペレットを提供することを目的とする。 【構成】核分裂性物質を含む酸化物とそれよりも熱膨張
率が高くかつ平均半径が１００ｎｍ以下である物質を混
合して焼結することによって、前記熱膨張率が高くかつ
平均半径が１００ｎｍ以下である物質が前記酸化物の結
晶粒中に分散析出した核燃料ペレットが得られる。核燃
料物質の燃焼により生成するＦＰガスは、前記析出物質
と前記酸化物との界面に生じた気孔や界面結合の弱い部
分に捕獲されるので、結晶粒界に析出するガス量が低減
し、ＦＰガス放出量を低減することができる。前記熱膨
張率が高い物質としては、酸化マンガン、酸化ストロン
チウム、酸化カルシウム、コバルトフッ化物等、各種金
属の酸化物、フッ化物等が挙げられる。
ス）の放出率が抑制され、その結果ペレットのスエリン
グやペレット−被覆管相互作用（ＰＣＩ）が軽減された
核燃料ペレットを提供することを目的とする。 【構成】核分裂性物質を含む酸化物とそれよりも熱膨張
率が高くかつ平均半径が１００ｎｍ以下である物質を混
合して焼結することによって、前記熱膨張率が高くかつ
平均半径が１００ｎｍ以下である物質が前記酸化物の結
晶粒中に分散析出した核燃料ペレットが得られる。核燃
料物質の燃焼により生成するＦＰガスは、前記析出物質
と前記酸化物との界面に生じた気孔や界面結合の弱い部
分に捕獲されるので、結晶粒界に析出するガス量が低減
し、ＦＰガス放出量を低減することができる。前記熱膨
張率が高い物質としては、酸化マンガン、酸化ストロン
チウム、酸化カルシウム、コバルトフッ化物等、各種金
属の酸化物、フッ化物等が挙げられる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は核分裂性物質を含む酸化
物よりなる核燃料ペレットに関し、さらに詳しく言う
と、特に高燃焼時において、核分裂生成ガス（ＦＰガ
ス）の放出率の抑制、核燃料ペレットのスエリングの軽
減、ペレット−被覆管相互作用（ＰＣＩ）の軽減の各効
果を有する核燃料ペレットに関する。
物よりなる核燃料ペレットに関し、さらに詳しく言う
と、特に高燃焼時において、核分裂生成ガス（ＦＰガ
ス）の放出率の抑制、核燃料ペレットのスエリングの軽
減、ペレット−被覆管相互作用（ＰＣＩ）の軽減の各効
果を有する核燃料ペレットに関する。
【０００２】
【従来の技術】軽水炉では、経済性向上のため核燃料の
高燃焼度化が進められているが、燃焼の伸長にともない
種々のＦＰガスが核燃料ペレット内に蓄積し、燃料の諸
特性に様々な影響を与える。例えばガス状のＦＰガスが
ペレット外部へ放出されると燃料棒の内圧が上昇する。
また、ペレット内部に析出したＦＰガス等に起因してペ
レットのスエリングが生じ、被覆管との間に相互作用力
をおよぼす。高燃焼時の燃料においては、特にペレット
からのＦＰガス放出率の増加、およびＰＣＩが問題とな
ってくる。
高燃焼度化が進められているが、燃焼の伸長にともない
種々のＦＰガスが核燃料ペレット内に蓄積し、燃料の諸
特性に様々な影響を与える。例えばガス状のＦＰガスが
ペレット外部へ放出されると燃料棒の内圧が上昇する。
また、ペレット内部に析出したＦＰガス等に起因してペ
レットのスエリングが生じ、被覆管との間に相互作用力
をおよぼす。高燃焼時の燃料においては、特にペレット
からのＦＰガス放出率の増加、およびＰＣＩが問題とな
ってくる。
【０００３】核燃料ペレット中で生成したガス状ＦＰは
結晶粒内を拡散し、結晶粒界へ気泡として析出し、その
気泡が連結してＦＰガスが放出されると考えられてい
る。すなわち、ＦＰガス放出はＦＰガスの核燃料ペレッ
ト結晶粒内での拡散に律速される。したがって、ＦＰガ
ス放出率を低減する方法として、核燃料ペレットの結晶
粒を大きくすることで結晶粒内のＦＰガスの拡散距離を
長くする方法が考えられた。また、ＦＰガスの拡散は、
核燃料物質を含む酸化物の陽イオンの拡散と正の相関が
あるため、低原子価酸化物を核燃料ペレットに固溶させ
陽イオンの拡散係数を小さくする方法、ペレットの熱伝
導率を高くすることでペレット温度を低下させ陽イオン
の拡散係数を小さくする方法が考えられた。
結晶粒内を拡散し、結晶粒界へ気泡として析出し、その
気泡が連結してＦＰガスが放出されると考えられてい
る。すなわち、ＦＰガス放出はＦＰガスの核燃料ペレッ
ト結晶粒内での拡散に律速される。したがって、ＦＰガ
ス放出率を低減する方法として、核燃料ペレットの結晶
粒を大きくすることで結晶粒内のＦＰガスの拡散距離を
長くする方法が考えられた。また、ＦＰガスの拡散は、
核燃料物質を含む酸化物の陽イオンの拡散と正の相関が
あるため、低原子価酸化物を核燃料ペレットに固溶させ
陽イオンの拡散係数を小さくする方法、ペレットの熱伝
導率を高くすることでペレット温度を低下させ陽イオン
の拡散係数を小さくする方法が考えられた。
【０００４】以上に述べた方法は、いずれも核燃料ペレ
ットの結晶粒内でのＦＰガスの滞在時間を長くする方法
であるが、高燃焼度まで照射された核燃料ペレットでは
照射によってＦＰガスの拡散が促進されることがあり、
十分な効果が期待できない場合がある。したがって、結
晶粒内で生成されたＦＰガスが拡散せずにそのまま結晶
粒内に残留する核燃料ペレットが望まれる。
ットの結晶粒内でのＦＰガスの滞在時間を長くする方法
であるが、高燃焼度まで照射された核燃料ペレットでは
照射によってＦＰガスの拡散が促進されることがあり、
十分な効果が期待できない場合がある。したがって、結
晶粒内で生成されたＦＰガスが拡散せずにそのまま結晶
粒内に残留する核燃料ペレットが望まれる。
【０００５】そのためのＦＰガスの捕捉場所としては結
晶粒内の気孔が考えられるが、約０．０１μｍ程度の大
きさの気孔は核分裂片の衝突によってマトリックス中に
空孔として分散され、結晶粒界に拡散すると考えられて
いる。一方、比較的大きな気孔は、核分裂片が気孔を横
切った際にマトリックスの一部がスパッタされ、気孔の
表面に空孔を多く含んで付着し、その空孔が粒界に拡散
すると考えられている。その結果、１〜２μｍ以下の大
きさの気孔は照射下でほとんど消滅してしまう。
晶粒内の気孔が考えられるが、約０．０１μｍ程度の大
きさの気孔は核分裂片の衝突によってマトリックス中に
空孔として分散され、結晶粒界に拡散すると考えられて
いる。一方、比較的大きな気孔は、核分裂片が気孔を横
切った際にマトリックスの一部がスパッタされ、気孔の
表面に空孔を多く含んで付着し、その空孔が粒界に拡散
すると考えられている。その結果、１〜２μｍ以下の大
きさの気孔は照射下でほとんど消滅してしまう。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の状況
に対処してなされたもので、核燃料ペレットにおいて、
特に高燃焼時におけるＦＰガスの放出率を抑制し、ペレ
ットのスエリングを抑制することで、ＰＣＩを軽減し、
核燃料の健全性を保持することを目的とする。
に対処してなされたもので、核燃料ペレットにおいて、
特に高燃焼時におけるＦＰガスの放出率を抑制し、ペレ
ットのスエリングを抑制することで、ＰＣＩを軽減し、
核燃料の健全性を保持することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明では、核分裂性物質を含む酸化物よりなる核
燃料ペレットにおいて、燃焼中に生成するＦＰガスある
いは空孔を捕獲できる場所を核燃料ペレット内に分散さ
せるようにする。すなわち、本発明は、核分裂性物質を
含む酸化物よりなる核燃料ペレットにおいて、前記核分
裂性物質を含む酸化物よりも熱膨張率の高い物質が前記
酸化物の結晶粒中に分散析出しており、前記分散析出し
た物質の平均半径が約１００ｎｍ以下であることを特徴
とする。
め、本発明では、核分裂性物質を含む酸化物よりなる核
燃料ペレットにおいて、燃焼中に生成するＦＰガスある
いは空孔を捕獲できる場所を核燃料ペレット内に分散さ
せるようにする。すなわち、本発明は、核分裂性物質を
含む酸化物よりなる核燃料ペレットにおいて、前記核分
裂性物質を含む酸化物よりも熱膨張率の高い物質が前記
酸化物の結晶粒中に分散析出しており、前記分散析出し
た物質の平均半径が約１００ｎｍ以下であることを特徴
とする。
【０００８】
【作用】本発明の熱膨張率の高い物質が分散析出してい
るペレットは、核分裂性物質を含む酸化物とそれよりも
熱膨張率が高い物質とを混合して焼結することによって
得られる。このようにすると、焼結後に熱膨張率の違い
によって、核分裂性物質を含む酸化物と析出物質の界面
に微小な気孔あるいは界面結合の弱い部分が生成し、こ
れらの気孔あるいは界面結合の弱い部分にＦＰガスある
いは空孔を捕獲することができる。その結果、結晶粒界
へ析出するガス状ＦＰ量は低減し、したがってペレット
からのＦＰガス放出量を低減することができる。
るペレットは、核分裂性物質を含む酸化物とそれよりも
熱膨張率が高い物質とを混合して焼結することによって
得られる。このようにすると、焼結後に熱膨張率の違い
によって、核分裂性物質を含む酸化物と析出物質の界面
に微小な気孔あるいは界面結合の弱い部分が生成し、こ
れらの気孔あるいは界面結合の弱い部分にＦＰガスある
いは空孔を捕獲することができる。その結果、結晶粒界
へ析出するガス状ＦＰ量は低減し、したがってペレット
からのＦＰガス放出量を低減することができる。
【０００９】析出粒子の大きさが小さければ、それだけ
一つの結晶粒内にある析出粒子の数が多くなり、上記効
果は高くなる。析出粒子の直径は１００ｎｍ以下が好ま
しい。ただし４ｎｍ以下になると熱伝導率が著しく低下
するおそれがあるので、約４ｎｍ以上が好ましい。
一つの結晶粒内にある析出粒子の数が多くなり、上記効
果は高くなる。析出粒子の直径は１００ｎｍ以下が好ま
しい。ただし４ｎｍ以下になると熱伝導率が著しく低下
するおそれがあるので、約４ｎｍ以上が好ましい。
【００１０】また、従来の核燃料ペレットでは、微小な
気孔は核分裂の際に空孔となり、粒界へ拡散し消滅する
が、本発明の核燃料ペレットでは析出物の周りの気孔が
空孔となり、結晶粒界に達する前に他の析出物に捕獲さ
れる。
気孔は核分裂の際に空孔となり、粒界へ拡散し消滅する
が、本発明の核燃料ペレットでは析出物の周りの気孔が
空孔となり、結晶粒界に達する前に他の析出物に捕獲さ
れる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の一実施例である核燃料ペレット
の結晶粒の状態を模式的に示した図である。核分裂性物
質を含む酸化物よりなる結晶粒１の中には、平均半径で
約１００ｎｍ以下の大きさの高熱膨張率を有する物質２
が分散し、その周りに気孔３が分散している。
する。図１は、本発明の一実施例である核燃料ペレット
の結晶粒の状態を模式的に示した図である。核分裂性物
質を含む酸化物よりなる結晶粒１の中には、平均半径で
約１００ｎｍ以下の大きさの高熱膨張率を有する物質２
が分散し、その周りに気孔３が分散している。
【００１２】かかる核燃料ペレットを原子炉に装荷して
燃焼させると、核燃料物質の燃焼にともないガス状ＦＰ
あるいは空孔が生成する。しかしガス状ＦＰあるいは空
孔は結晶粒１と高熱膨張率を有する物質２との界面ある
いは気孔３によって捕獲され、結晶粒界へ析出するガス
状ＦＰ量は低減し、ＦＰガス放出率を低減することがで
きる。
燃焼させると、核燃料物質の燃焼にともないガス状ＦＰ
あるいは空孔が生成する。しかしガス状ＦＰあるいは空
孔は結晶粒１と高熱膨張率を有する物質２との界面ある
いは気孔３によって捕獲され、結晶粒界へ析出するガス
状ＦＰ量は低減し、ＦＰガス放出率を低減することがで
きる。
【００１３】核燃料ペレットの平均結晶半径をｒ
G （ｍ）、高熱膨張率を有する析出物の平均半径をｒP
（ｍ）、高熱膨張率を有する析出物の核燃料ペレット中
の容積割合をＰとすれば、ペレット断面において一つの
結晶粒内にある析出粒子の数Ｎは、 Ｎ＝Ｐ・（ｒG ／ｒP ） …(1) で近似される。例えば、ｒG ＝１０μｍ、ｒP ＝１０ｎ
ｍ、Ｐ＝０．０５とすると、ペレット断面における一つ
の結晶粒内には５０００個の析出粒子が存在する。この
場合、半径約５０ｎｍの範囲内に一つの析出粒子を含
む。析出粒子の半径が約１００ｎｍであれば、半径約
０．５μｍの範囲内に一つの析出粒子を含む。
G （ｍ）、高熱膨張率を有する析出物の平均半径をｒP
（ｍ）、高熱膨張率を有する析出物の核燃料ペレット中
の容積割合をＰとすれば、ペレット断面において一つの
結晶粒内にある析出粒子の数Ｎは、 Ｎ＝Ｐ・（ｒG ／ｒP ） …(1) で近似される。例えば、ｒG ＝１０μｍ、ｒP ＝１０ｎ
ｍ、Ｐ＝０．０５とすると、ペレット断面における一つ
の結晶粒内には５０００個の析出粒子が存在する。この
場合、半径約５０ｎｍの範囲内に一つの析出粒子を含
む。析出粒子の半径が約１００ｎｍであれば、半径約
０．５μｍの範囲内に一つの析出粒子を含む。
【００１４】本発明の核燃料ペレットを製造するには、
二酸化ウランより高熱膨張率を有する半径約１００ｎｍ
以下の大きさの粒子を二酸化ウラン粉末に均一に混合
し、成型して焼結すればよい。焼結後には熱膨張率の違
いによって、二酸化ウランと析出物質の界面に微小な気
孔あるいは界面結合の弱い部分が生成する。二酸化ウラ
ンより高熱膨張率を有する物質としては、核燃料酸化物
の焼結温度（１２００℃〜１８００℃）あるいはそれ以
上の温度範囲において融点を有する金属あるいはその化
合物が挙げられる。例えば、酸化マンガン、酸化ストロ
ンチウム、酸化カルシウム、コバルトおよびその酸化物
ならびにフッ化物、ニッケルおよびその酸化物、トリウ
ム、パラジウム、鉄およびその酸化物ならびにフッ化
物、バリウムおよびそのフッ化物、ストロンチウムフッ
化物、タングステン酸化物、リチウムアルミニウム酸化
物、リチウムタンタル酸化物、鉄チタン酸化物、ナトリ
ウムニオブ酸化物がある。このうち、核燃料酸化物の焼
結雰囲気で安定な物質として、特に、酸化マンガン、ニ
ッケル、鉄、パラジウムが望ましい。
二酸化ウランより高熱膨張率を有する半径約１００ｎｍ
以下の大きさの粒子を二酸化ウラン粉末に均一に混合
し、成型して焼結すればよい。焼結後には熱膨張率の違
いによって、二酸化ウランと析出物質の界面に微小な気
孔あるいは界面結合の弱い部分が生成する。二酸化ウラ
ンより高熱膨張率を有する物質としては、核燃料酸化物
の焼結温度（１２００℃〜１８００℃）あるいはそれ以
上の温度範囲において融点を有する金属あるいはその化
合物が挙げられる。例えば、酸化マンガン、酸化ストロ
ンチウム、酸化カルシウム、コバルトおよびその酸化物
ならびにフッ化物、ニッケルおよびその酸化物、トリウ
ム、パラジウム、鉄およびその酸化物ならびにフッ化
物、バリウムおよびそのフッ化物、ストロンチウムフッ
化物、タングステン酸化物、リチウムアルミニウム酸化
物、リチウムタンタル酸化物、鉄チタン酸化物、ナトリ
ウムニオブ酸化物がある。このうち、核燃料酸化物の焼
結雰囲気で安定な物質として、特に、酸化マンガン、ニ
ッケル、鉄、パラジウムが望ましい。
【００１５】析出粒子の大きさは小さい方が好ましい
が、析出粒子の周りに生ずる気孔の平均直径が約４ｎｍ
以下になると核燃料ペレットの熱伝導率が著しく低下す
るおそれがあるため、析出粒子の大きさとしては、約４
ｎｍ以上のものが好ましい。
が、析出粒子の周りに生ずる気孔の平均直径が約４ｎｍ
以下になると核燃料ペレットの熱伝導率が著しく低下す
るおそれがあるため、析出粒子の大きさとしては、約４
ｎｍ以上のものが好ましい。
【００１６】また、核分裂性物質を含む酸化物よりなる
結晶粒の大きさはできる限り大きい方が効果的である。
また、核分裂性物質の密度を低下させないためには、核
燃料ペレットの密度を向上させた方が好ましく、高熱膨
張率を有する物質の添加量としては核燃料ペレットの容
積分率として５％以下であることが好ましい。
結晶粒の大きさはできる限り大きい方が効果的である。
また、核分裂性物質の密度を低下させないためには、核
燃料ペレットの密度を向上させた方が好ましく、高熱膨
張率を有する物質の添加量としては核燃料ペレットの容
積分率として５％以下であることが好ましい。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
核分裂性物質の燃焼により生成したガス状ＦＰを結晶粒
内に捕獲することができるので、ＦＰガス放出率を低減
することができ、特に高燃焼時において健全なペレット
を得ることができる。
核分裂性物質の燃焼により生成したガス状ＦＰを結晶粒
内に捕獲することができるので、ＦＰガス放出率を低減
することができ、特に高燃焼時において健全なペレット
を得ることができる。
【図１】本発明の一実施例である核燃料ペレットの結晶
粒の状態を模式的に示した図。
粒の状態を模式的に示した図。
１…核分裂性物質を含む酸化物、２…核分裂性物質を含
む酸化物より熱膨張率の高い物質、３…気孔。
む酸化物より熱膨張率の高い物質、３…気孔。
Claims (1)
- 【請求項１】 核分裂性物質を含む酸化物よりなる核燃
料ペレットにおいて、前記核分裂性物質を含む酸化物よ
りも熱膨張率の高い物質が前記酸化物の結晶粒中に分散
析出しており、前記分散析出した物質の平均半径が約１
００ｎｍ以下であることを特徴とする核燃料ペレット。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5189549A JPH0743487A (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 核燃料ペレット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5189549A JPH0743487A (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 核燃料ペレット |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0743487A true JPH0743487A (ja) | 1995-02-14 |
Family
ID=16243183
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5189549A Pending JPH0743487A (ja) | 1993-07-30 | 1993-07-30 | 核燃料ペレット |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0743487A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1246203A1 (de) * | 2001-03-27 | 2002-10-02 | Framatome ANP GmbH | Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Sinterkörpers und Kernbrennstoff-Sinterkörper |
| US20130240805A1 (en) * | 2008-11-11 | 2013-09-19 | Korea Hydro & Nuclear Power Co., Ltd. | Uranium Dioxide Nuclear Fuel Containing Mn and Al as Additives and Method of Fabricating the Same |
-
1993
- 1993-07-30 JP JP5189549A patent/JPH0743487A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1246203A1 (de) * | 2001-03-27 | 2002-10-02 | Framatome ANP GmbH | Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Sinterkörpers und Kernbrennstoff-Sinterkörper |
| US6808656B2 (en) | 2001-03-27 | 2004-10-26 | Framatome Anp Gmbh | Method of producing a nuclear fuel sintered body |
| US20130240805A1 (en) * | 2008-11-11 | 2013-09-19 | Korea Hydro & Nuclear Power Co., Ltd. | Uranium Dioxide Nuclear Fuel Containing Mn and Al as Additives and Method of Fabricating the Same |
| US8989340B2 (en) * | 2008-11-11 | 2015-03-24 | Korea Atomic Energy Reseach Institute | Uranium dioxide nuclear fuel containing Mn and Al as additives and method of fabricating the same |
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