JPH11510258A - 核燃料ペレット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 混合酸化物燃料ペレットの製造方法。同方法は少なくとも２つの核分裂性元素の酸化物を使用し、かつ中性子毒物を含む燃料ペレットを製造すべく混合、粉砕、球状化処理及び焼結の工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 核燃料ペレット 本発明は核燃料ペレットの製造に関する。特に、本発明は混合酸化物（ＭＯＸ ）核燃料ペレットの製造に関する。 ＭＯＸ核燃料ペレットを加圧水型原子炉（ＰＷＲ）及び沸騰水型原子炉（ＢＷ Ｒ）等の軽水型原子炉（ＬＷＲ）のための燃料集合体内のピンまたは棒内に使用 することは、本願出願人による欧州特許出願公開第６２７，７４３号等に開示さ れている。しかし、可燃性中性子毒物をＭＯＸ燃料内へ混入することは知られて いない。可燃性中性子毒物は独立した燃料棒として含まれるか、または非ＭＯＸ 燃料の燃料ペレット内に混入されている。 中性子毒物はサーマル・ホット・スポットの制御を酸化ウラン及び混合酸化物 燃料の両者を含む混合原子炉内において特に可能にする。更に、中性子毒物は初 期反応性を抑制することによって、更に高い初期核分裂性同位元素濃縮（Higher initial fissile isotope enrichments）の使用を可能にする（原子炉からの燃 料エレメントの取出し前における燃料エレメントを使用した更に長い燃料サイク ル及び更に多くの電力の形成を可能にする）。しかし、これらの毒物を燃料に直 接加えた際、同毒物は燃料ペレットを形成する顆粒の粒径に有害な作用を有し、 かつペレット内における核分裂気体の保持に悪影響を及ぼす。 粒径に対する中性子毒物の作用を妨げる複数の工程を含む各種の燃料ペレット 製造方法が既に開示されている。しかし、従来の方法に基づいて製造された燃料 ペレットは理想的な特性を示さない。これらのペレットの機械的及び物理的特性 は不適切であり、例えば、欠け跡または亀裂によるペレットの容易な損傷を招来 し得る。ペレット材料の密度はペレット全体にわたって異なり得る。これはバー ンアップの変化を招来する。これらのペレットは不均一に分散された多くのプル トニウム集塊を含み得る。同プルトニウム集塊は硝酸内における溶解度の低下を 含む複数の問題点を招来し得る。従って、従来の再処理プロセスによる使用済み 燃料の処理が更に困難になる。 独立した中性子毒物棒を原子炉内へ配置するのとは対照的に、中性子毒物を燃 料に対して直接添加することにより、中性子毒物棒のための別の製造ラインが必 要なくなる。これは燃料バーンアップを増大するとともに、特別な燃料集合体デ ザインを必要としないことにより、更に経済的なシステムを提供する。 本発明の目的は前記の問題点を低減または解決した可燃性毒物を含有するサー マルＭＯＸ燃料ペレットの製造方法を提供することにある。 本発明に基づき、原子炉内で使用する混合酸化物燃料ペレットの製造方法であ って、前記の混合酸化物が少なくとも２つの核分裂性元素の酸化物を含む方法に おいて、 （i）燃料を形成すべく中性子毒物を混合酸化物に対して供給する工程と、 （ii）燃料パウダを形成すべく燃料を粉砕する工程と、 （iii）粉砕された燃料を球状化処理工程によって処理する工程と、 （iv）燃料ペレットを形成すべく球状化処理工程（iii）から得られた燃料を圧 縮し、かつ焼結する工程と を含む方法を提供する。 適切な粉砕工程、圧縮工程及び焼結工程は本質的に知られており、かつ本願出 願人による欧州特許第２７７，７０８号等に開示されている。 前記の方法は中性子毒物の粒径制限作用を阻害すべく１つ以上の工程を含むこ とが好ましい。この工程は本質的に知られている。 前記の方法は圧縮工程前における１つ以上の添加物の添加を含み得る。即ち、 同添加物を粉砕工程において添加し得る。添加物は粒径制限を低減すべく加えら れる。本質的に知られている前記の添加物はTi、Al、Nb、Cr及びMgのうちの１つ 以上を、例えば常には０．０１〜１重量％の範囲の最大全体濃度で含有する。こ れに代えて、またはこれに加えて、本発明の方法は加熱速度及び冷却速度の少な くとも一方を焼結の開始段階若しくは最終段階または焼結工程の一部において 制御することと、少量（例：最大で８容量％）の酸化ガス（例：湿気または二酸 化炭素）を添加することの少なくとも一方を含み得る。従来使用されている焼結 温度（例：１６００〜１７００℃）より高い焼結温度（例：２０００℃）を焼結 工程の少なくとも一部分において使用すべく、焼結温度が低下した際、前記の酸 化ガスを焼結工程中に使用する雰囲気（常には、還元雰囲気）に対して同焼結工 程の特定の部分等において加える。 これに代えて、またはこれに加えて、結晶粒成長は種結晶を圧縮工程及び焼結 工程前にパウダに対して添加することによって促進できる。この任意の工程は本 願出願人による欧州特許出願公開第４１６，７７８号に開示されている。種結晶 はUO₂であり得る。種含有量は圧縮された材料の１〜８重量パーセントを構成し 得る。 本発明はＬＷＲ内で使用するサーマルＭＯＸ核燃料ペレットの製造を可能にし 、同核燃料ペレットは従来得られなかった複数の特性を有する。従って、同ペレ ットは中性子毒物を含むことが可能になることにより、平均粒径が例えば１０〜 １５μｍより大きい満足できる粒径を維持するとともに、更に長い燃料サイクル 及び更に高いバーンアップを提供する。前記の燃料ペレットは燃料照射中におけ る更に高い核分裂気体保持能力を有することにより、燃料バーンアップを更に大 きくする。更に、従来の方法によって形成された中性子毒物を含有するペレット とは対照的に、本発明に基づくペレットは均一な密度を有することが可能である 。これにより、均一、かつ予測可能なバーンアップを実現する。この結果、燃料 エレメントを炉から取り出す必要が生じる前に同燃料エレメントから形成される 電力量を増大する。更に、本発明に基づくペレットは効果的な機械的特性を有し 、これにより遠隔操作中における同ペレットの損傷の可能性を大幅に低減する。 更に、同ペレットは硝酸内に溶解可能なため、照射後の再処理（適切な時間の経 過後）に適する。焼結プロセスを制御することにより、中性子毒物を含有するＭ ＯＸペレットの製造が可能であり、同ペレットは中性子毒物を含む一方で、満足 できるペレット品質、破砕性、耐衝撃性、粒径及び高い一定密度を有する。 しかし、前記の効果の実現に十分な量である約１〜３％の毒物を添加すること が好ましい。従って、焼結を約１６５０℃で実行するとともに、２レート・ラン ピング（Two rate ramping）を焼結プロセス中に形成するための要件が存在しな いことが最も好ましい。 ペレット密度は増孔剤の添加により制御可能であり、同増孔剤の例としては、 本願出願人が販売する製品コンポア（CONPOR：登録商標名）が挙げられる。コン ポアは本願出願人によるイギリス国特許第１４６１２６３号に開示されている。 本発明の方法において、ＭＯＸ燃料ペレットの製造に使用する核分裂性元素は ウラン及びプルトニウムを含み得る。 これらの元素は常には複数の同位元素の混合物をそれぞれ含み、同複数の同位 元素のうちの１つは核分裂性を有する。従って、製造されたペレットは酸化ウラ ン及び酸化プルトニウムを含む混合酸化物システムを有し、酸化プルトニウムは 混合酸化物システムの最大で１０重量パーセント、特には２〜６重量パーセント を構成し得る。 混合酸化物システムに含まれる中性子毒物は従来の複数の添加物のうちの任意 の１つ以上を含み得る。同複数の添加物の例としては、複数のランタニドの酸化 物及びホウ素が挙げられる。更に、前記の複数のランタニドの酸化物の例として は、ガドリニウム、エルビウム及び他の希土類元素の酸化物が挙げられる。毒物 としての添加物の全濃度は混合酸化物システム全体の０．５〜１０重量％、特に は２〜６重量％の範囲にあることが好ましい。中性子毒物の添加によって一般的 に生じる粒径の減少を最小限に抑制すべく、添加物を燃料に加えることが好まし い。ブローティング、即ち、膨張及び微視亀裂によって生じる問題点は焼結条件 及び添加物の添加の少なくとも一方を調整することによって解決できる。 本発明の方法において、粉砕工程は３．５〜７．５のボール／チャージ比（Ba ll/charge ratio）を用いて、１００回転／分で４０分間にわたってアトライタ ー・ミル（Attritor mill）内で実施することが好ましい。従来技術の場合と同 様に、０．１重量％等の少量の固体潤滑剤をチャージ粉砕前にミル内へ加え ることが可能であり、同固体潤滑剤の例としては、ステアリン酸亜鉛が挙げられ る。 本発明に基づく方法において、球状化処理工程は本願出願人による欧州特許第 ３３１，３１１号に開示する球状化処理装置（Spheroidiser）を使用して行うこ とが好ましい。 本発明に基づく方法において、圧縮工程は１〜５秒間にわたって常には２０〜 ３０トン／平方インチの圧力を使用して行うことが好ましい。 本発明の別の態様に基づき、燃料に使用する原子炉ペレットの製造方法であっ て、前記のペレットが混合酸化物システムを含み、同システムが少なくとも２つ の核分裂性元素の酸化物及び添加物を含み、同添加物が中性子毒物として作用す る方法において、バインダレス・プロセスによって自由流動性パウダ（Free flo wing powder）を形成することと、前記のバインダレス・プロセスが前記の複数 の核分裂性元素の酸化物の混合物を含むパウダを粉砕する工程を含むことと、粉 砕工程で得られた生成物をプリコンパクション及び／または造粒を行うことなく 球状化処理工程で処理することと、前記の予備焼結圧縮工程における予備焼結生 成物を加法混合工程によって混合し、かつ焼結することを含む方法を提供する。 本発明の実施の形態を複数の例に関連して以下に詳述する。例１ 本願出願人によるイギリス国特許第２０６４５０３号に開示するプロセスによ って形成された９６重量％のUO₂と、４重量％のPUO₂とを含むパウダ混合物を従 来のブレンダー、即ち混合機内で形成する。前記のUO₂／PUO₂パウダをアトライ タ・ミルへ加える前に、同アトライタ・ミルを約０．１重量％のステアリン酸亜 鉛潤滑剤パウダを加えた状態で約１分間動作させる。次いで、UO₂／PUO₂パウダ をアトライタ・ミルへ加えて粉砕する。 粉砕工程における生成物を本願出願人による欧州特許第３３１，３１１号に開 示する種類の球状化処理装置内へ移し、かつ約２０回転／分のパドル速度を使用 して約３０分間にわたって処理する。 ガドリニア濃度が約８重量％である混合物を形成すべく、ガドリニア等の中性 子毒物を球状化処理工程に続いて形成された自由流動性パウダへ添加する。本願 出願人の欧州特許出願公開第４１６，７７８号に開示されている方法に基づいて 形成された大粒径単結晶であるUO₂種結晶をガドリニア含有パウダに対して添加 し、種含有量を約２重量パーセントにする。次いで、適切なペレット体を提供す べく混合物全体をダイ内で約４Te cm^-2の圧力で圧縮する。 ペレット体を圧縮工程で処理した後、同ペレット体を焼結工程で処理する。焼 結はH₂−Ar雰囲気またはH₂−N₂雰囲気中に約５容量パーセントのH₂を含む雰囲気 内で、１６５０〜１７５０℃の最大温度で６〜１２時間にわたって行う。本願出 願人による欧州特許出願公開第６２７，７４３号等に開示されている方法に基づ く遠隔制御された操作オペレーションにより、燃料ピンを形成すべく前記のＭＯ Ｘペレットを燃料被覆（Can）内へ挿入し得る。例２ 例１と同様の粉砕工程及び球状化処理工程を実施する。但し、１０重量％のGd₂ O₃を５重量％のPUO₂及び９５重量％のUO₂に対して添加する。生成物の膨張及び 微視亀裂を防止し、かつガドリニア等の中性子毒物の添加によって生じる非常に 小さな粒径の形成を防止するための焼結条件及び必要とされる添加物は以下の通 りである。 圧縮された燃料は同燃料を２００℃／時間の速度で約１０００℃の温度まで加 熱し、次いで温度を５０℃／時間の速度で１６５０℃まで上昇させることによっ て焼結する。１６５０℃の温度は約４時間にわたって維持する。その後、温度を 室温まで徐々に低下させる。 粒径はアルミノケイ酸塩を添加することによって１０〜１５μｍまで増大させ る。例３ 本願出願人によるイギリス国特許第２０４６５０３号に開示されているプロセ スによって形成された９２重量％のUO₂と、５重量％のPUO₂と、３重量％のGd₂O₃ とを含むパウダ混合物を従来の混合機内で形成し、次いでアトライタ・ミル内で 一緒に粉砕する。ミルをウォーミングアップすべく、同ミルを３０回転／分で３ ０分間動作させる。ミルを３０回転／分で２分間動作させる間に、UO₂、PUO₂及 びGd₂O₃を以下の順序で添加する。即ち、１／２の量のUO₂、０．１重量％ステア リン酸亜鉛及び０．５重量％コンポアを最初に添加し、次いでPUO₂を添加し、さ らには残りのUO₂及びGd₂O₃を添加する。 次いで、パウダ混合物を排出前に１８０回転／分で２２分間にわたって粉砕す る。 そして、粉砕したパウダを本願出願人による欧州特許第３３１３１１号に開示 する種類の球状化処理装置内へ移す。球状化処理装置内において、パウダを別の ０．１重量％ステアリン酸亜鉛を用いて２５分間調節する。次いで、均一な自由 流動性顆粒をペレットにすべく圧縮し、さらには４％H₂：Ar雰囲気内で４時間に わたって１６５０℃の最大温度で焼結する。例４ UO₂種結晶に代えて、Ti、Al Nb、Cr及びMgのうちの１つ以上を含む粒子を０ ．０１〜１％の濃度で圧縮工程前に混合酸化物パウダに添加する点を除いて、ペ レットを例１、例２または例３と同様に製造する。例５ Ti、Al、Nb、Cr及びMgのうちの１つ以上を含む粒子を０．０１〜１％の濃度で UO₂種結晶とともに混合酸化物パウダに添加する点を除いて、ペレットを例１、 例２または例３と同様に製造する。例６ 焼結工程における焼結温度を少なくとも１８００℃とする点を除いて、ペレッ トを例１、例２または例３と同様に製造する。例７ 焼結工程において、酸化雰囲気を使用して焼結温度を最初に１４００〜１６０ ０℃の低い温度とし、次いで水素／アルゴンの焼結還元雰囲気を使用して更に高 い温度で常には１〜４時間にわたって焼結を行う点を除いて、ペレットを例１、 例２または例３と同様に製造する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．原子炉内で使用する混合酸化物燃料ペレットの製造方法であって、前記混合 酸化物が少なくとも２つの核分裂性元素の酸化物を含む方法において、 （i）燃料を形成すべく中性子毒物を前記混合酸化物に対して供給する工程と、 （ii）燃料パウダを形成すべく前記燃料を粉砕する工程と、 （iii）前記粉砕された燃料を球状化処理工程によって処理する工程と、 （iv）燃料ペレットを形成すべく前記球状化処理工程（iii）から得られた燃料 を圧縮し、かつ焼結する工程と を含む方法。 ２．前記複数の核分裂性元素はウラン及びプルトニウムを含む請求項１に記載の 方法。 ３．前記中性子毒物はガドリニアである請求項１または２に記載の方法。 ４．前記燃料ペレットの品質を高めるべく添加物を加える請求項１乃至３のいず れか一項に記載の方法。 ５．前記中性子毒物は０．５〜１０重量％存在する請求項１乃至４のいずれか一 項に記載の方法。 ６．前記中性子毒物は１〜３重量％存在する請求項１乃至５のいずれか一項に記 載の方法。 ７．第１の核分裂性元素の２０〜６０重量％を添加し、次いで第２の核分裂性元 素の全てまたはほぼ全てを添加し、次いで第１の核分裂性元素の残量及び中性子 毒物を添加する請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。 ８．前記焼結温度は１４００〜１９００℃、好ましくは１６５０〜１７５０℃で ある請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。 ９．焼結をＨ₂及び不活性ガスの混合物を含む雰囲気中で実施する請求項１乃至 ８のいずれか一項に記載の方法。 １０．H₂:Ar雰囲気またはH₂:N₂雰囲気を５％のH₂とともに使用する請求項９に記 載の方法。 １１．前記焼結温度は温度を２００℃／時間以下の速度で上昇させることによっ て達成される請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。 １２．前記温度を２００℃／時間以下の速度で１０００℃まで上昇させ、次いで 前記温度をそこから５０℃以下の速度で焼結温度まで上昇させる請求項１１に記 載の方法。 １３．請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法で製造された燃料。