JPS59125094A - 異型核燃料焼結体の製造方法 - 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】 本発明は粉末冶金法によりたる型又はたる型近似の核燃
料焼結体、即ち燃料ペレットを製造する方法に関するも
のである。

核燃料ペレットはＵＯ２粉末に適当な粘結剤を混入し充
分に粉砕混合した後、所要圧を円柱状に圧縮成形し、予
備焼結を経て１５００℃〜１７００℃の温度で加熱焼結
することにより作られており、中実円柱形状が普通であ
った。しかし、このような燃料ペレットは炉内では核燃
料要素の中心温度が高く、ペレットの表面に向かって温
度勾配をもつためペレットは半径方向に熱膨張し、膨張
率が低くなる周囲では被覆で抑制されるとき、ペレット
周辺部位には半径方向に大なるフープ応力を生起する。

そのためこのような核燃料要素内の温度差によシ円柱状
ペレットは燃焼か進むにつれてその端面部が第１図（イ
）に示すようにつづみ形に膨れてくる。

そして、このようなフープ応力が生起すると、それに反
作用して半径方向に応力差成長が生起し被覆管と接触す
る結果として被覆管に局所的な引張り応力が生じ、これ
が過大すぎると被Ｍ管が破壊し管内のペレットと核分裂
生成物が原子炉冷却材中に散逸する。

そこで、このような難点を避けるため燃料ペレットの外
形を例えば第１図（ロ）に示す形状のように面取りする
ことが一般に行なわれている。しかしガから、このよう
なペレットは、面取りする特別の工程を必要とし、製造
コスト上不利であることを免れない。

そのため、かかる燃料ペレットの欠点を改善すべく、特
開昭５２−９８８９７号公報等により複合層ペレットが
提案されている。

ところが、この複合層ペレットはその製法が小筒状仕切
体を用いる等、あまシ実際的でない外、依然として円柱
状の形態であり、焼結が進めばやはり前述した欠点傾向
を帯びて来る。

かくして以上のような事実を総合し第１図（ハ）に示す
ようなたる型のペレットが最適形状として推奨されてい
るが、このようなペレットを粉末冶金法によって製作す
ることは金型設計の上から極めて漣しく、また研磨によ
って製作することも可能であるが、これについてもセン
ター出し等の技術上の困難さがあって工業化には不適当
であり、工業的に有利な上記たる型ペレットの製作は斯
界の渇望するところである。

本発明は上述のような実情に鑑み、かつ斯界の要望に応
じて工業上有利なたる型燃料ペレットの製造方法を提供
することを目的とするものである。

殊に本発明は粉末冶金法により簡単な金型、容器等をも
って製作することが有利であることに着眼し、その方法
を見出すことを課題としてその解決を図ったものである
。

即ち、本発明の特徴とするところは、粉末冶金法により
前記足る型又はたる型近似の異型核燃料ペレットを製造
するに際し、焼結時し収縮率の小さいたる型〜たまご型
のコア体を先ず製作し、これをペレット製造時、型内中
心部に埋め込み、そのコア体周りの粉末の収縮量を前記
コア体よりも大とすることにより焼結上りのペレットの
形状をコア体にならったたる型又はその近似形状とする
点にある。

以下、これを更に詳述すると、上記本発明の基本的特徴
の１つは、予めたる型又はたまご型などたる型近似形状
のコア体を製作することである。

このコア体は、その後の焼結において周りの粉末より収
縮率が小であることが肝要であり、しかもたる型又はそ
の近似形状の形態を有することが必要である。かかるコ
ア体は一般に最終焼結密度を考慮し、成型密度を大きく
した成型体としたり（成型密度を犬きくすれば最終焼結
密度は９５％ＴＤに達するよう調整するので収縮率は小
さくなる）、仮焼結すれば既に一部収縮するので本焼結
時の収縮率が小さくなることから仮焼結成型体としたり
、更にそれ以上の焼結はきわめて少ない焼結成型体とす
ることによって製作される。

しかし、上記の条件は入手し得る粉末によって一様でな
く、工程によっても変化するが、結果として出来上がる
ペレットは同じものである。但しコア体としてボアフオ
ーム材を埋入することによって見掛は密度を下げると、
コアと鞘、即ち中心部全外側とで密度の変化したベレッ
トヲ製作することができる。

なお、一般にはたる型又は近似形状のコア体を作る場合
、パンチをダイスに衝突しないよう少し手前で止める関
係からダイスとパンチのクリアランスの存在のために側
面図の形状は第２図（ロ）のようになるが、コア体は最
終的にその周りを粉末で覆われるので問題とならない。

このコア体は通常、二酸化ウラン（ＵＯ２）粉末又°　
はＵＯ２以外の核燃料物質粉末、例えばプルトニウム（
ＰｕＯ２）　、　トリウム（Ｔｈｅ２）や、もしくは両
者の混合粉末からなり、これに適宜添加剤としてステア
リン酸を混入したものである。

そして成型密度は最終加圧時の圧力ｏ５Ｖｃｔ””　３
論に耐えられるように設定される。最終コア体の腹周囲
径は最終圧粉体の７Ｑ〜３０％、高さは９５〜５ｏ％、
その形状は第３図に示されるような種々の形状が考えら
れるがこれは粉末の流動性。

焼結性、最終ペレットの形状によって１４なり、必らず
しも基本的な問題ではない。

かくして上記コア体は例えば第４図（イ）〜（ハ）に図
示したプレス工程によって最終圧粉体中に封じ込められ
第５必（イ）のような状態となシ、外周部と共に焼結さ
れて燃料ペレットとなる。即ち、第４図。

第５図において、（１）はコア体、（２）は充填する被
筒材粉末体を示し、第４図（イ）においては予めコア体
（１）ヲ封じ込める個所をダイス（４）とパンチ（３）
ヲもって形成している状態を、そして（ロ）は被覆材粉
末（２）を充填した状態を、又、（ハ）は加圧し、第５
図（イ）に示したような最終圧粉体を得る状態を示して
いる。

ここで、前記コア体（１）ヲ包む被覆材の構成粉末は一
般にコア体構成粉末と同様なものであるが、前記コア体
（１）とコア体周りの粉末（２）の収縮率は異なり、コ
ア体周りの粉末収縮量がコア体より大とされる。従って
、第５図（イ）に示される王粉体においては両端に行く
程、焼結時の収縮率が大きくなるので焼結を行なうこと
によってその形状は最終的に第５図仲）に図示されたよ
うな滑らかな曲線金有するたる型となり、所要のたる型
ペレットが製作できる。

これを更に詳細な説明すると、一般にＵＯ２ペレットヲ
粉末冶金法、即ち粉末を加圧、成型し、その融解温度以
下の温度で焼結することによって製作する場合、通常、
焼結による寸法の収縮率を約１０〜３０％見込んで成型
全実施するが、この収縮率は粉末の性質によっても多少
の相違はあるとしても、一般に成型密度、焼結温度、焼
結時間の関数としてまとめられる。

収縮率は元来、成型密度と、焼結密度の比でも示すこと
ができるので上記各条件について焼結密度との関係をみ
ると、一般的傾向として通常、成型密度、焼結温度、焼
結時間共に動物線を画いて上昇するが、ある一定板上に
なると、最早、焼結密度は略一定となる。

これらの粉末の特性を一般に焼結特性と呼ぶが、これは
成型前の粉末の処理工程や粉砕の程度、添加物の種類及
び量等によっである程度、任意に調整することが可能で
ある。

従って先ず材料的に、コア体部分と外側被覆材部分の収
縮率は粉末の前処理、あるいは成型密度。

成型圧を変えることにより変化させることが可能である
。

一方、粉末成型法の場合、たとえ円柱状のような簡単な
成型体であっても成型体内部の圧力の伝わり具合によっ
て軸方向に密度分布ができる。この分布は粉体の流動性
即ち、金型内等、加圧雰囲気へ粉体を入れる場合、いか
に円滑に流入してくれるかに大きく影響され、これが成
型時の圧力の伝わり具合を左右し、ひいては最終的な焼
結後の形状に変化を与える。勿論、この変化量は粉末の
焼結性によって異なって来るが、前記第５図（イ）のよ
うな形状とすれば、外側の被覆材部分（２）の厚みが軸
方向で異なり、全体として両端部に行く程、多くなって
いる。

そこで、コア体との収縮率の差によって径方向の収縮量
に変化を生じ両端に行く程、収縮量が犬となり、結局、
たる型のペレットが得られるのである。

なお、本発明で使用されるコア体、最終圧粉体の圧縮成
型は公知の加圧成型法、例えば押型、パンチ及び加圧機
を用いるプレス法に限らず、静水圧加圧法など、適用可
能な各方法を適宜、利用することかできる。殊に静水圧
加圧法は熱間で行なうことによシ等方圧縮、焼結を同時
に達成することができる。

以下、更に本発明の実施例を述べる。

実施例 １７００℃Ｘ４ｈｒの焼結により９５％ＴＤ　（理論密
度）に達するＵＯ２粉末を用いて中央部径６　ｍ　。

頂部径２胴、高さ６■の両端部を切断したラグビーボー
ル型のコアを成型し、９００℃Ｘ２ｈｒ水素雰囲気中で
仮焼結を行ない、密度７０％ＴＤ（理論密度）のコア体
を製作した。このコア体を金型中央部に埋め込み、その
外側を同一性質のＵＯ２粉末で覆い、外径１　’２１１
１１１１　、高さ１２胴、平均密度６０％ＴＤ　（理論
密度）の円柱状ペレットを製作し、このペレット’４水
素雰囲気中で１７００℃Ｘ４ｈｒ焼結した。得られたも
のは中央部径９．８　冒＋高さｌｏ　ｔｉＩｎ、頂部径
７．２　ｍのたる型であり、密度は９７％ＴＤ　（水中
重量法）であった。

以上の結果から明らかなように本発明方法によねば粉末
冶金法により簡単に所要のたる型ペレットが得られるこ
とが首肯される。

以上のように、本発明方法は、たる型又はそれに準じた
たる型近似の異型ペレットを製作するにあたって、コア
体と被覆材で形成し、かつコア体を基本的にたる型とし
、焼結時収縮率を被覆材より小さくすることによって最
終製品としてたる型ペレットを得ようとする方法であり
、従来、簡単な粉末冶金法で製作が困難視されていたた
る地核燃料ペレットヲ容易に製作できるのみならず、次
の如き種々の顕著な効果が期待される。

（１）　　従来の金型法による製造ではダイス（４）に
衝突しないように少し手前で止める関係上、パンチ（３
）とダイス（４）との間にクリアランス（ト）が生じ（
第６図参照）、これにより側面部に必らず第２図（ロ）
のような段差が生じる。そのため、これを除くべく研磨
が必要とされていたが、本発明方法では、第４図のよう
にして圧粉成型体を作るため上記のようなりリアランス
はできず、従って研磨の必要は全くなくなる。

（２）　　従来の研磨法では形状のセンターを出すこと
が極めて困難であったが、本発明方法ではコア体ヲタる
型とするので少々のコア体の変形は問題とならない。又
、焼結にょシ外面寸法を出すので欠けなどがなく形状が
頗る滑らがである。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）（ロ）（ハ）は核燃料ペレットの各形状を
示す説明図、第２図（イ）（ロ）は従来法によるたる型
ペレットの形状で（イ）は全体図、（ロ）は部分拡大図
である。 又、第３図（イ）〜（ホ）は本発明方法におけるコア体
の各種形状を示す説明図、第４図ｋ）　ｂ）ゎ）は本発
明による圧粉成形体の成型工程を示す工程概要図、第５
図（イ）（ロ）は圧粉成型体及び焼結後のペレットの形
状を示す説明図、第６図は従来の金型法によるたる型ペ
レット製作概要図である。 （］、）・・・・・・・コア体、（２）・・・・・・・
被覆材粉末。 （２）・・・・・・被覆材。 特許出願人　　原子燃料工業株式会社 （−一′ 芽１回 （イ）　　　　（ロ）　　　　　（ハ）子２図 （イ）　　　　　　（ワ） 羊３目

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　たる型又はたる型近似の異型核燃料ペレットを粉
   末冶金法により製造するに際し、予め最終形状より小さ
   いたる型又はたる型近似形状に成型せしめた、核燃料物
   質を主体としたコア体全作り、該コア体を加圧型内中心
   部・に埋め込み、周りに前記コア体よりも大なる焼結時
   数縮率を有する核燃料物質を主体とした被覆材粉末を充
   填し、加圧成型により円柱状ペレットとなし、しかる後
   又は同時に焼結を行ない、収縮率差によりたる型又はた
   る型近似形状に成形することを特徴とする異型核燃料焼
   結体の製造方法。 ２、　コア体が被覆材より成型密度大なる成型体である
   特許請求の範囲第１項記載の異型核燃料焼結体の製造方
   法。 ３、　コア体が仮焼結によって一部収縮し、本焼結時の
   収縮率を小さくされた仮焼結成型体である特許請求の範
   囲第１項記載の異型核燃料焼結体の製造方法。 ４、　コア体がすでに焼結された焼結成型体である特許
   請求の範囲第１項記載の異型核燃料焼結体の製造方法。 ５、　コア体構成粉末がＵＯ２粉末である特許請求の範
   囲第１〜４項の何れかに記載の異型核燃料焼結体の製造
   方法。 ６、　コア体構成粉末がＵＯ２以外の核燃料物質又はこ
   れとＵＯ□等との混合粉末である特許請求の範囲第１〜
   ４項の何れかに記載の異型核燃料焼結体のｉＪ！！遣方
   法。 ７、　被覆材粉末がＵＱ２粉末である特許請求の範囲第
   １〜６項の何れかに記載の異型核燃料焼結体の製造方法
   。 ８、被覆材粉末がＵＯ２以外の核燃料物質又はこれとＵ
   Ｏ２との混合粉末である特許請求の範囲第１〜６項の何
   れかに記載の異型核燃料焼結体の製造方法０