JPS6129678B2 - - Google Patents

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JPS6129678B2
JPS6129678B2 JP56006292A JP629281A JPS6129678B2 JP S6129678 B2 JPS6129678 B2 JP S6129678B2 JP 56006292 A JP56006292 A JP 56006292A JP 629281 A JP629281 A JP 629281A JP S6129678 B2 JPS6129678 B2 JP S6129678B2
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JP
Japan
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sintering
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sintered
added
grain size
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JP56006292A
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English (en)
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JPS57197496A (en
Inventor
Sadaaki Ogino
Akira Tanaka
Sugio Ito
Shoji Matsumoto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Metal Corp
Original Assignee
Mitsubishi Metal Corp
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Publication date
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Publication of JPS6129678B2 publication Critical patent/JPS6129678B2/ja
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は原子炉燃料用酸化物(UO2およびU,
Puの混合酸化物)のペレツトの焼結法に関す
る。 周知のように通常の原子炉の核燃料としては、
二酸化ウランの焼結ペレツトをジルカロイ等の被
覆管に充填したものが原子燃料要素として使用さ
れている。 この場合、該ペレツトは、UO2粉末を(粗成
物)→(造粒)→(潤滑剤の添加)→成形→1600
℃ないし1700℃以上の温度での焼結の工程
(( )に入れた過程は省略されることもある)に
よつてUO2ペレツトに製造されている。 核燃料ペレツトの特性として、好ましい種々の
物理的化学的特性が要求されるが、本発明はこれ
らの特性のうち、核燃料ペレツトの焼結密度およ
び結晶粒径の改善を意図するものである。 UO2ペレツトの焼結密度は通常理論値のおよそ
95%が要求され、かつこの焼結密度において熱的
に安定であることが要求される。ここで熱的に安
定であるとは、1つの目安として焼結されたペレ
ツトを1700℃で24時間再焼結する時の緻密度化
(焼しまり)の程度が小さいことであり、通常2
%以下、好ましくは1%以下であることが望まれ
る。 この熱的に安定な95%の焼結密度を達成するた
めに少くとも1600℃以上、通常1700℃以上の温度
で焼結する必要があつた。このように1600℃ない
し1700℃以上の高温を要することはそれ自体、高
価な設備を必要とし、エネルギーコストも高く、
また耐火物を使用している炉においては、耐火物
の消耗が激しくその補修による損失(補修費、設
備稼動率)が多くその改善によるメリツトは大き
く、仮にこの焼結温度が100℃低下されても、経
済的効率は増大する。 従来UO2の焼結密度の向上と焼結温度の低下の
ために、種々の研究が行なわれてきており、例え
ば原料とするUO2粉末の活性化、焼結雰囲気の改
善、添加物による効果等の確認が行なわれてきた
が、結果的には、現段階ではこれらのいづれの方
法もその効果が小さいということで工業的に利用
されるに至つてない。また先に述べた熱的に安定
なペレツトが要求されるに至つては、焼結温度を
1700℃以上にすることが工業的に通常行なわれて
おり、低温で焼結することにより熱的に安定な90
%の焼結密度を有するペレツトの製造に関する試
みはほとんどない。 核燃料ペレツトに要求される特性として、先に
述べた熱的に安定な焼結密度以外に、最近核分裂
生成物による燃料被覆管の応力腐食割れを低減化
するために、核分裂生成物の保留能が大きなペレ
ツトが望まれている。この目的のために結晶粒を
焼結中に成長させ粗大化させることが試みられ、
そのためにUO2にNb化合物を添加して焼結する
研究が行なわれている。 このような状況のもとに本発明者等はUO2の焼
結に際して、種々の金属化合物の微量を添加する
こと試みたが、微量のLi化合物を添加しておく
と、従来よりも低い温度で焼結が進み、結晶粒度
が粗大化することを見出した。このことは、従来
よりも低い温度で高密度かつ結晶粒粗大なペレツ
トを得ることができ、その効果は製造技術上重要
である。また、微量のLi化合物を添加した粉末を
従来1600℃または1700℃以上の温度で焼結するこ
とにより、結晶粒は著しく粗大化し、その核分裂
生成物の保留能が大きくなることが期待される。 即ち、本発明によれば、UO2粉末にLi2Oまた
は加熱によつてLi2Oを生成する化合物の粉末を
Li2Oとして0.005%〜1.0重量%を混じて既知の方
法で圧粉体となし、これを非酸化性雰囲気中で焼
結することからなるUO2核燃料ペレツトの製法が
提供される。 本発明において使用される核燃料酸化物は主と
してUO2であるが、前述のように、MOXとよば
れるPuとの混合酸化物であつてもよく、そのこ
とは理論的に当業者によつて認められよう。 UO2粉末は化学量論的関係からずれていてもよ
いが、ずれている必要もなく、通常の方法によつ
て得られるものでよい。 添加するLi化合物はLi2O,LiOH,Li2CO3
LiNO3Liのハロゲン化物等のLiを含有しているも
のなら何でも使用できる。安価で好ましいものは
Li2O,LiOH等であり、その添加量はUO2に対し
てLi2Oとして0.005〜1.0重量%である。0.005%
未満では本発明の目的を達成し難く、1.0%以上
加えてもその添加の効果は飽和し、ペレツト中に
残存するLi濃度が高くなり核燃料として好ましく
ない結果をもたらすことが予想される。 本発明において、焼結する雰囲気は通常H2
スであるが、他にH2/N2混合ガスまたは真空雰
囲気であつてもその効果に特に顕著な差はなく、
いずれの雰囲気においても良好な結果が得られ
る。 圧粉体(グリーンペレツト)の成形条件に特に
制限はなく、Liを添加混合した二酸化ウラン粉末
を金型に充填し、所定の圧力で成形する方法であ
る。 焼結温度に関しては、すでに述べたように工業
的には少くとも1600℃以上、通常1700℃以上であ
る。本発明の方法において、特定の焼結密度を達
成するための焼結温度は、Liの添加量によつて異
なり、Liの添加量を増すほどその温度は低下す
る。また焼結体(焼結ペレツト)に観察される結
晶粒径も焼結密度と同様、特定の粒度を得るため
の焼結温度はLiの添加量によつて異なり、Liの添
加量を増すほどその温度は低下する。しかしなが
ら、焼結密度および結晶粒度への効果におよぼす
Li添加量の影響は、添加量の少ない時に顕著であ
り添加量が多くなるにつれて飽和する傾向にあ
る。 本発明において、このようにLiを二酸化ウラン
粉末に添加することにより、従来よりも低い温度
で焼結密度を高めることが出来、同時に結晶粒度
の粗大化が得られるが、一方Liの添加量を増すこ
とおよび焼結温度を低下することは、結果的に焼
結体中に残存するLi含有量が多くなる。UO2焼結
体中に残存するLi量が多くなることは、単に不純
物量の増加という観点から、定性的には好ましく
なく、定量的数値制限が設定し得ない現段階にお
いては、なるべく残存Li量は少ないことが好まし
い。 なお、焼結時間については特に制限はなく、経
験的または実験的に容易に定めることができる。
通常の温度条件下では約2時間程度である。 次に図面を参照して、本発明を具体的に説明す
る。以下の記載において%はすべて重量%であ
る。 第1図は平均粒径約1μ(沈降法による)の
UO2粉末に、潤滑剤として0.2%のステアリン酸
亜鉛を添加し、さらにそれぞれ、0%、0.01%、
0.05%、0.1%のLi2Oを添加したものを、金型を
用いて3t/cm2の圧力で直径10mm、高さ15mmの圧粉
体(グリーンペレツト)としたもの(重さ約7
g)を、水素気流中で種々の温度で焼結したUO2
ペレツトの焼結温度と焼結密度の関係を示す。第
2図は上記のUO2の焼結温度と平均結晶粒径の関
係を示す。 なお、Li2Oの添加量と焼結温度、焼結ペレツ
ト中のLi2O残存量の関係は次の表と第3図にま
とめて示す。
【表】 第1図から明らかなように、Li2Oの添加量が
増すにしたがつて焼結密度は増加するが、その増
加割合は比較的低い焼結温度の時に顕著であり、
例えば1150℃での焼結において、0.05%Li2Oの添
加により焼結密度は63%から91%まで高めること
が出来、その焼結促進に与えるLi2Oの効果はき
わめて優れている。しかしながら、Li2Oの添加
量を0.05%から0.1%および0.2%に増加しても焼
結密度はそれぞれ91%、93%、93.5%となり、
Li2Oの添加によるその促進効果は約0.1%付近で
飽和することが確認される。(Li2O0.2%の場合は
第1図に示されていない。) 第2図に示したように、焼結ペレツトに観察さ
れる平均結晶粒径は、いづれの焼結温度において
も、Li2Oの添加により粗大化し、その粗大化の
割合は、焼結温度が高い時に顕著である。例えば
1650℃での焼結において0.05%のLi2Oを添加する
ことにより、平均結晶粒径は約120μmとなり
Li2Oを添加しなかつた時の11μmと較べて約10
倍の増加を示す。なおLi2Oの添加量を0.05%から
0.1%に増加しても平均結晶粒径は120μmから
135μm程度と比較的小さな増加しか示さず、
Li2Oの添加による結晶粒粗大化の傾向は0.1%付
近で飽和していると云える。 図3および表1に示したようにUO2焼結体中に
残存するLi量は、Li2Oの添加量が多いほど、ま
た焼結温度が低いほど増加する。先に述べたよう
にLi残存量は少ないほど好ましいということが出
来、この点からもLi2Oの添加により期待される
効果として、焼結密度の促進、結晶粒の粗大化ま
たはこれらの両方を選択することによりLi2Oの
添加量および焼結温度を選択すべきである。 これらの図に示された結果から判断すれば、Li
化合物の添加量はLi2Oとして0.005%程度であつ
ても有意であるといえる。 これらの図から明らかなように、Li2Oを0.05%
添加した時、1350℃で理論値に対する94%の焼結
密度と約40μmの平均結晶粒径が得られ、その時
のLi残存量は70ppmである。もし1650℃焼結す
れば平均結晶粒径は120μmに達し、Li残存量は
30ppmである。 Li2Oを0.1%添加した時は1350℃で理論値に対
する95.5%の焼結密度と約45μmの平均結晶粒径
が得られ、その時のLi残存量は160ppmである。
もし1650℃で焼結すれば、平均結晶粒径は135μ
mに達し、Li残存量は45ppmである。 次に条件を変えて行つた実施例を示す。 実施例 1 平均粒径約1μmのUO2粉末に、潤滑剤として
0.2%のステアリン酸亜鉛を添加し、さらに0.01
%のLi2Oを添加したものを、金型を用いて3t/cm2
の圧力で直径10mm、高さ15mmの圧粉体としたもの
を水素気流中1650℃で2時間焼結した。得られた
UO2ペレツトの焼結密度は95.1%、平均結晶粒径
は約70μmであり、残存Li含有量は15ppmであ
つた。Li2Oを添加しない時の焼結密度および平
均結晶粒径はそれぞれ94.5%、20μmであつた。 実施例 2 Li2Oの代りにLiOHを0.1%用い、後は前記の条
件で1350℃と1650℃で焼結を行なつた。1350℃で
焼結したものは焼結密度94%、平均結晶粒径35μ
m、残存Li量95ppmであつた。1650℃で焼結し
たものは焼結密度96%、平均結晶粒径105μm、
Li残存量25ppmであつた。 実施例 3 Li2Oの代りにLiFを0.1%用い、後は前記の条
件で、1350℃と1650℃で焼結を行なつた。1350℃
で焼結したものは焼結密度94%、平均結晶粒径40
μm、残存Li量80ppmであつた。1650℃で焼結
したものは焼結密度96%、平均結晶粒径100μ
m、Li残存量20ppmであつた。 実施例 4 Li2Oの代りに酢酸リチウムを0.2%用い、後は
前記の条件で、1350℃と1650℃で焼結を行つた。
1350℃で焼結したものは焼結密度92.5%、平均結
晶粒径25μm、残存Li量60ppmであつた。1650
℃で焼結したものは焼結密度95%、平均結晶粒径
75μm、Li残存量10ppmであつた。 以上記したように、本発明によれば微量のLi化
合物の添加によつて、焼結温度の低下、焼結密度
の上昇、平均結晶粒径の増大の3種の利益を一拳
に達成することができ、本発明の効果は極めて大
であるといえる。
【図面の簡単な説明】
第1図はUO2粉末にLi2Oを添加して焼結する
際の焼結温度と焼結密度の関係を示す。第2図は
第1図と同じ場合の焼結温度と平均結晶粒径の関
係を示す。第3図は第1図および第2図と同じ場
合の焼結温度と残存Liの量の関係を示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 UO2粉末にLi2Oまたは加熱によつてLi2Oを
    生成する化合物の粉末をLi2Oとして0.005%〜1.0
    重量%を混じて既知の方法で圧粉体となし、これ
    を非酸化性雰囲気中で焼結することからなるUO2
    核燃料ペレツトの製法。 2 特許請求の範囲第1項記載の方法であつて、
    1350℃以上の温度で焼結することを特徴とする方
    法。 3 特許請求の範囲第2項記載の方法であつて、
    Li2Oを生成する化合物の粉末を0.1重量%以上混
    ずることを特徴とする方法。
JP56006292A 1981-01-21 1981-01-21 Method of making nuclear fuel pellet Granted JPS57197496A (en)

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JPS61116685A (ja) * 1984-11-10 1986-06-04 原子燃料工業株式会社 核燃料ペレツト
US4869866A (en) * 1987-11-20 1989-09-26 General Electric Company Nuclear fuel
US4869868A (en) * 1987-11-23 1989-09-26 General Electric Company Nuclear fuel

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