JP2001500619A

JP2001500619A - 核燃料焼結体とその製造方法ならびに被覆管付き燃料棒

Info

Publication number: JP2001500619A
Application number: JP10514233A
Authority: JP
Inventors: ペース、マルチン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 2001-01-16
Also published as: TW359837B; WO1998012708A2; WO1998012708A3; KR20010029512A; EP0931316A2

Abstract

(57)【要約】燃料棒の被覆管への燃焼に伴う負荷が最小となる核燃料焼結体で、ウランおよびプルトニウムの材料の少なくともいずれかと酸素との化合物よりなる核燃料焼結体が、セラモグラフィックの研磨面において、それぞれ焼結粒子に関連する第１（１）と第２（２）のミクロ組織を呈する。それぞれのミクロ組織の面において、第１のミクロ組織（１）が第１の気孔の大きさの分布（Ｉ）を、また、第２のミクロ組織（２）が第２の気孔の大きさの分布（II）をもつ。双方の気孔の大きさの分布の総和（III）は、第１（Ｍ1）と第２（Ｍ2）の最大値をもつ。同時に、この種の核燃料焼結体の製造方法、ならびに被覆管とこの種の核燃料焼結体を備えた燃料棒が提示される。

Description

【発明の詳細な説明】核燃料焼結体とその製造方法ならびに被覆管付き燃料棒本発明は、核燃料焼結体、核燃料焼結体の製造方法、ならびに被覆管付き燃料棒に関する。ウランとプルトニウムの材料のうちの少なくともいずれか一つと酸素との化合物によって形成される核燃料焼結体が、通常、原子炉に装入される。この原子炉内において、核燃料焼結体は、まずシュリンク（収縮）し、その後、燃焼の進行とともにスエリング（膨張）することとなる。原子炉において、これらの多数の核燃料焼結体は、例えばジルコニウム合金よりなる原子炉燃料要素の燃料棒の被覆管中に柱状の円柱体として上下に積層されて配される。被覆管は、まず、その外面に対する原子炉中の冷却媒体の高い圧力によって、核燃料焼結体に押しつけられる。しかしながら、被覆管は、核燃料焼結体がスエリングを始めると元の状態に広がることとなる。被覆管は、燃焼に伴って核燃料焼結体から放出される特に気体状の核分裂生成物に対する重要なバリアを形成している。したがって、燃料棒が原子炉中に装荷されている間に、被覆管が核燃料焼結体によって過大な荷重を受けないようにすることが重要である。本発明の一般的な課題は、原子炉内での燃焼に伴って核燃料焼結体を含む燃料棒の被覆管に加わる、核燃料焼結体による荷重が小さく抑えられる核燃料焼結体を形成することにある。また、核燃料焼結体の製造方法も提示されなければならない。また、その核燃料焼結体を装入した燃料棒も提示される必要がある。第一に揚げた課題は、請求項１に相当する本発明の第１の形態の核燃料焼結体を用いることによって適切に解決される。この形態は、原子炉内における核燃料焼結体のスエリングは核分裂によって生じる特に気体状の核分裂生成物が相応の容積を必要とするために起こる、との認識に基づくものである。核燃料焼結体の気孔の大きさの分布が原子炉内で局所的に異なれば、寸法変化特性も位置により大きく異なることとなる。原子炉内の燃焼に伴う核燃料焼結体の寸法変化は、気孔の大きさを局所的に異なる分布とすることによって相応に調節することができ、好ましいことに比較的小さくすることができる。第一に揚げた課題は、請求項２の本発明の第２の形態の核燃料焼結体用いることによっても適切に解決される。この形態は、原子炉内での核燃料焼結体の局所的に異なる寸法変化特性は、また、核燃料焼結体中の核分裂性同位元素の濃度が局所的に大きく異なることが原因となって起こり、これによって原子炉内の核燃料焼結体の内部で局所的に強さの異なる燃焼が起こる、との認識に基づくものである。第一に揚げた課題は、請求項５の本発明の第３の形態の核燃料焼結体用いることによっても適切に解決される。この形態は、原子炉内において増殖性の同位元素は、時間的に遅延して核燃料焼結体中で核分裂性同位元素となり、これに対応して時間的に遅延して核燃料焼結体中で局所的に異なった強さの燃焼が生じるので、原子炉内での核燃料焼結体の寸法変化の微調整に重要となる、との認識に基づくものである。なお、請求項５に記載の最初の濃度はゼロであってもよい。請求項８による別の形態は、核燃料焼結体中のアルミニウムの濃度が局所的に異なれば、原子炉内での核燃料焼結体のシュリンクの速度に局所的な差が生じることに基づくものである。なお、請求項８に記載の最初の濃度はゼロであってもよい。請求項９による別の形態は、ランタノイドやタンタルはニュートロンポイズンであり、核燃料焼結体中のこれらの濃度が局所的に異なれば燃焼の強さも局所的に異なり、原子炉内部における寸法変化の大きさも局所的に異なるという事実を利用したものである。これもまた、原子炉内部における寸法変化の微調整に有効である。なお、請求項９に記載の最初の濃度はゼロであってもよい。第二に揚げた課題は、本発明の請求項１０，１１，１２，１３または１４に提示された方策のいずれかを選択することにより解決される。請求項１０の方法によって請求項１の核燃料焼結体が、請求項１１の方法によって請求項２の核燃料焼結体が、また、請求項１２の方法によって請求項５の核燃料焼結体が製造される。請求項１３の方法によって機械的安定性の極めて優れた核燃料焼結体が得られ、また、請求項１４の方法によって得られる加圧成形品はさらに進んで割れが生じ難いものとなるので、これを用いて製作した焼結体は優れた表面特性を有することとなる。請求項１５による別の形態の方法によれば、加圧成形品を用いた核燃料焼結体で、極めて割れが生じ難いのみならず、さらに、高密度で、表面にひびの入り難い核燃料焼結体が得られることとなる。請求項１６による別の形態の方法によれば、加圧成形品を用いた核燃料焼結体で、焼結密度が高いだけでなく、微粒子の大きさの大きい核燃料焼結体が得られることとなる。微粒子の大きさが大きければ、気体状の核分裂生成物が抑制されるので、この核燃料焼結体を原子炉に用いれば、燃焼度を比較的高くすることができる。請求項１０乃至１４の方法において、粒子が一種類の場合も、また二種類の場合も、前述の粉末の酸化ウラン粉末、酸化プルトニウム粉末、あるいはウランープルトニウム混合酸化物粉末のうちの少なくとも一つが原料粉末として用いられる。上記の加圧成形品を製造する場合三種類以上の粒子を使用することもできる。したがって、本発明による核燃料焼結体のセラモグラフィックの研磨面には、種々様々な焼結粒子のミクロ組織が認められる。本発明による請求項１乃至９のいずれかに対応する核燃料焼結体を内包した被覆管付き燃料棒は好適である。本発明とその長所を、図面ならびに実施例を用いて以下に詳細に説明する。図１は、本発明による円柱状核燃料焼結体の縦断面を拡大したセラモグラフィックの研磨面を示す。図２は、図１の二種類の焼結粒子の顕微鏡写真のミクロ組織の気孔の大きさの分布と、これらの気孔の大きさの分布の総和を実例で説明するものである。図３は、原子炉燃料要素に用いる燃料棒の一部を断面で示した側面図である。図１のセラモグラフィックの研磨面をもつ核燃料焼結体は、CaF₂型の結晶構造をもつ単一相で均一なUO₂により形成されている。さらに、ミクロ組織には、比較的大きな気孔からなる少なくとも本質的に閉じた粒界３によって位置的に制限された、いくつかの粒子が認められる。図２のグラフにおいて、横軸はμｍで表した気孔の直径であり、縦軸は百分率で表した核燃料焼結体全体の体積に対する気孔の体積の微分量である。点線で描かれた曲線状の線Ｉは、図１の焼結粒子１のミクロ組織１の気孔の体積の微分量であり、点線で描かれた曲線状の線IIは、図１のもう一方の焼結粒子２のミクロ組織２の気孔の体積の微分量である。ミクロ組織１および２の気孔の大きさの分布は、そのミクロ組織１および２の表面に関連し、その気孔の体積の微分量に比例している。気孔の算出と解析は、サルチコフ（Saltykov）著「ステレオメｔリックメタログラフィー（Stereometrische Metallographie）」VEB Deutsher Ver lag fuer Grundstoffindustrie,Leipzig 1974年の特に7.7、8、９章に基づいて行われる。それぞれのミクロ組織の境界をなす粒界３の気孔は計算に含まれていない。実線で描かれた曲線状の線ＩとIIの総和の曲線IIIは、二つの最大値Ｍ1とＭ2を有している。さらに、図１のミクロ組織１、したがってその焼結粒子を第１の濃度の核分裂性同位元素Ｕ235を含むものとし、ミクロ組織２、したがってその焼結粒子を第２の濃度の核分裂性同位元素Ｕ235を含むものとしてもよい。双方の濃度は、少なくとも絶対値で約0.5wt％異なるものとする。少なくとも絶対値で約0.7wt％、あるいは少なくとも絶対値で約0.9wt％異なるものとすれば好適である。これらの核分裂性同位元素の濃度は、焼結粒子より試料を取出し、この試料を用いて質量分析器あるいはガンマ線スペクトルメーターにより測定することができる。さらに、図１のミクロ組織１、したがってその焼結粒子を第１の濃度の増殖性のトリウム同位元素を含むものとし、ミクロ組織２、したがってその焼結粒子２を第２の濃度の増殖性のトリウム同位元素を含むものとしてもよい。第２の増殖性のトリウム同位元素の濃度は、第１の増殖性のトリウム同位元素の濃度と少なくとも絶対値で約0.5wt％異なる。双方の濃度が、少なくとも絶対値で約0.7wt％、あるいは少なくとも絶対値で約0.9wt％異なるものとすれば好適である。また、第１の濃度はゼロでもよい。さらに、図１のミクロ組織１、したがってその焼結粒子を第１の濃度のアルミニウムを含むものとし、ミクロ組織２、したがってその焼結粒子を第２の濃度のアルミニウムを含むものとしてもよい。第２の濃度は、第１の濃度と少なくとも 30ppmから2000ppm異なる。また、第１の濃度はゼロとしてもよい。また、図１のミクロ組織１、したがってその焼結粒子を第１の濃度の、ランタノイドとタンタルの群のうちの成分の少なくともいずれか一つを含むものとし、ミクロ組織２、したがってその焼結粒子を第２の濃度の、上記の群のうちの成分の少なくともいずれか一つを含むものとし、第２の濃度を第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.5wt％異なるものとしてもよい。また、第１の濃度はゼロでもよい。図１に対応したセラモグラフィックの研磨面をもつ核燃料焼結体を製造する際には、第１の種類の粒子と第２の種類の粒子の混合物の加圧成形品を焼結する。いずれの種類の粒子も、酸化ウラン粉末（UO₂）、酸化プルトニウム粉末（PuO₂ ）および酸化ウランと酸化プルトニウムの混合粉末（UO₂＋PuO₂）のうちの少なくともいずれか一つよりなる原料粉末を、別個に造粒することにより形成される。核燃料焼結体へと焼結した状態において気孔の大きさの分布が異なるように、二種類の粒子と加圧成形品中のそれぞれの量が選定される。第１の種類の粒子は、例えば、UF₆を水蒸気、水素および窒素が存在する条件下で乾燥置換し、この際の中間生成物である弗化ウラニル（UO₂F₂）から得た酸化ウラン粉末を造粒することによって得られる。一方、第２の種類の粒子は、UF₆ を加湿置換する際の中間生成物より得た酸化ウラン粉末を、別途造粒することによって得られる。ＡＵＣ法ではこの中間生成物はアンモニウムウラニルカーボネート（ＡＵＣ）であり、ＡＤＵ法ではアンモニウムジウラネート（ＡＤＵ）である（“Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie U Uran，Erga enzungsban d A3,Technologie,Verwendung”1981年の特に2.1.4.1,2.1.4.2,および2.1.6章を参照のこと）。第１の種類の粒子用にはＡＵＣを、また第２の種類の粒子用にはＡＤＵを用い、これらを“か焼”（カルシネイト）して生成して得た酸化ウラン粉末により造粒される。第１の種類の粒子と第２の種類の粒子は、UO₂を得るための前述の中間生成物の弗化ウラニル、ＡＵＣ、あるいはＡＤＵのいずれかを“か焼”して得た酸化ウラン粉末の二つのチャージを別個に造粒することによっても得られる。第１のチャージの“か焼”パラメーターのうち少なくとも一つを、第２のチャージの対応する“か焼”パラメーターとは異なるものとする。“か焼”パラメーターとしては、例えば“か焼”温度、“か焼”時間、さらに“か焼”ガスの水素と水蒸気の量ならびにその割合が間題となる。第１の種類の粒子と第２の種類の粒子は、酸化ウラン粉末の造粒操作を異なるものとすることによっても得られる。異なる造粒操作とは、二つの粉末チャージを別個に造粒し、その際、一方の粉末チャージの造粒操作のパラメーターの少なくとも一つを、もう一方の粉末チャージの造粒操作の対応するパラメーターと異なるものとすることを意味する。造粒操作のパラメーターは、例えば、粉砕時間、粉砕の細かさ、造粒操作前の酸化ウラン粉末を予め加圧する際の圧力、造粒操作により得られた粒子の密度、造粒操作により製造された粒子の大きさ、さらには、造粒操作前に酸化ウラン粉末に加えられた添加物の量と種類である。これらの添加物は、ステアリン酸亜鉛やステアリン酸アルミニウムのような潤滑剤、ポリビニルアルコールのような可塑剤、U₃O₈のような気孔形成物、さらには炭酸アンモニウムや蓚酸ジアミドのようなアゾジカルボン酸ジアミドである。その他、核燃料焼結体を研削する際にUO₂から生じた研削片が添加物として用いられることも可能である。なお、UO₂粉末、PuO₂粉末、および(U,Pu)O₂粉末（すなわち、酸化ウラン粉末、酸化プルトニウム粉末、およびウランープルトニウム混合物酸化物）の少なくともいずれか一つから、二種類の粒子を製造する方法は、いつでも実験によって確認することができ、これに伴って、これらの一つを焼結して製造した核燃料焼結体の圧縮成形品が、焼結した状態において異なった大きさの気孔分布をもつことを確認することができる。 UO₂粉末の第１のチャージを得るために、転換温度550℃による乾燥転換によってUF₆から弗化ウラニルを形成し、“か焼”温度650℃で“か焼”した。このUO₂ 粉末にはU₃O₈粉末とステアリン酸亜鉛が添加されており、30wt％のU₃O₈粉末と0. 3wt％のステアリン酸亜鉛を含んでいた。この第１のチャージを造粒して、密度が５g/cm³の第１の種類の粒子を得た。これらの粒子の平均直径は0.65mmである。 UO₂粉末の第２のチャージは、６５０℃の転換温度においてUF₆を弗化ウラニルへと乾燥転換し、引き続いてこの弗化ウラニルを“か焼”温度700℃で“か焼”することにより得た。このUO₂粉末には200ppmのアルミニウムが含まれていたが、U₃O₈粉末とステアリン酸亜鉛は全く含まれていなかった。このUO₂粉末を造粒することによって、密度3.8g/cm³の第２の種類の粒子が得られた。これらの粒子の平均直径は0.85mmである。二つのUO₂粉末のチャージから形成された第１の種類の粒子と第２の種類の粒子を同一割合で混合し、混合物を密度６g/cm³の加圧成形品へと圧縮した。この加圧成形品を焼結して最終的に核燃料焼結体を得た。焼結温度は1680℃で、水素よりなる焼結雰囲気中の酸素分圧は、焼結中は10^-12atmであり、室温へと冷却する際には10^-20atmである。このようにして得られた核燃料焼結体の密度は10.51g/cm³であり、微粒子の平均の大きさは12μｍであった。40000MWd/tUの燃焼後に、この核燃料焼結体の体積は約2.8％増大した。これに対して、密度６g/cm³の加圧成形品を上記と同様の焼結条件で焼結して得た核燃料焼結体で、かつ第１の種類の粒子のみを用いたものは、微粒子の平均の大きさがわずか7.8μｍであった。同様に40000MWd/tUの燃焼後に、この核燃料焼結体の体積は約3.8％増大した。図３に見られる燃料棒４は原子炉燃料要素用として指定されたもので、ジルコニウム合金よりなる被覆管５を有している。この被覆管５の内部には、本発明に基づいて形成され、円柱の軸が被覆管５の長さ方向の軸と一致するように柱状に配された核燃料焼結体７がある。この被覆管５は、管の両端部において、被覆管５に溶接された同じくジルコニウム合金製の栓６により封止されている。

Claims

【特許請求の範囲】１．酸素と、ウランおよびプルトニウムの材料のうちの少なくともいずれか１つとの化合物によって形成された基材を備える核燃料焼結体で、その基材がセラモグラフィックの研磨面において、それぞれ焼結粒子に関連する第１（１）と第２（２）のミクロ組織を呈し、二つのミクロ組織（１，２）の粒界（３）に形成された気孔を計算に含まないとき、このうちの第１のミクロ組織（１）が、第１のミクロ組織（１）の面において第１の気孔の大きさの分布（Ｉ）を、また、第２のミクロ組織（２）が、第２のミクロ組織（２）の面において第１の気孔の大きさの分布と異なる第２の気孔の大きさの分布（II）を有し、双方の気孔の大きさの分布の総和が、第１（Ｍ1）と第２（Ｍ2）の最大値をもつ核燃料焼結体。２．酸素と、ウランおよびプルトニウムの材料のうちの少なくともいずれか１つとの化合物によって形成された基材を備える核燃料焼結体で、その基材がセラモグラフィックの研磨面において、それぞれ焼結粒子に関連する第１（１）と第２（２）のミクロ組織を呈し、このうちの第１のミクロ組織（１）が第１の濃度の核分裂性同位元素を有し、また、第２のミクロ組織（２）が、第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.5wt％異なる第２の濃度の核分裂性同位元素を有する核燃料焼結体。３．核分裂性同位元素の第２の濃度が、第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.7w t％異なることを特徴とする請求項２記載の核燃料焼結体。４．核分裂性同位元素の第２の濃度が、第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.9w t％異なることを特徴とする請求項３記載の核燃料焼結体。５．酸素と、ウランおよびプルトニウムの材料のうちの少なくともいずれか１つとの化合物によって形成された基材を備える核燃料焼結体で、その基材がセラモグラフィックの研磨面において、それぞれ焼結粒子に関連する第１（１）と第２（２）のミクロ組織を呈し、このうちの第１のミクロ組織（１）が第１の濃度の増殖性同位元素、特にトリウム同位元素を有し、第２のミクロ組織（２）が、第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.5wt％異なる第２の濃度の増殖性同位元素、特にトリウム同位元素を有する核燃料焼結体。６.増殖性同位元素の第２の濃度が、第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.7wt％異なることを特徴とする請求項５記載の核燃料焼結体。７.増殖性同位元素の第２の濃度が、第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.9wt％異なることを特徴とする請求項６記載の核燃料焼結体。８．第１のミクロ組織（１）が第１の濃度のアルミニウムを有し、また、第２のミクロ組織（２）が、第１の濃度と少なくとも30ppm乃至2000ppm異なる第２の濃度のアルミニウムを有する請求項１乃至７のいずれか１つに記載の核燃料焼結体。９．第１のミクロ組織（１）が第１の濃度のランタノイドおよびタンタルからなる群の成分の少なくともいずれか１つを有し、また、第２のミクロ組織（２）が第１の濃度と少なくとも絶対値で約0.5wt％異なる第２の濃度の上記の群の成分の少なくともいずれか１つを有する請求項１乃至８のいずれか１つに記載の核燃料焼結体。１０．酸化ウラン粉末、酸化プルトニウム粉末、およびウランープルトニウム混合物酸化物粉末のうちの少なくともいずれか１つを含む原料粉末を別個に造粒して第１の種類の粒子と第２の種類の粒子を形成し、これらの二種類の粒子の混合物によって形成した圧縮成形品を焼結する核燃料焼結体の製造方法において、核燃料焼結体に焼結した状態で異なる気孔の大きさの分布を持つように、双方の種類の粒子を選択する核燃料焼結体の製造方法。１１．酸化ウラン粉末、酸化プルトニウム粉末、およびウランープルトニウム混合物酸化物粉末のうちの少なくともいずれか１つを含む原料粉末を別個に造粒して第１の種類の粒子と第２の種類の粒子を形成し、これらの二種類の粒子の混合物によって形成した圧縮成形品を焼結する核燃料焼結体の製造方法において、第１の種類の粒子が、第２の種類の粒子とは異なる核分裂性同位元素を有する核燃料焼結体の製造方法。１２．酸化ウラン粉末、酸化プルトニウム粉末、およびウランープルトニウム混合物酸化物粉末のうちの少なくともいずれか１つを含む原料粉末を別個に造粒して第１の種類の粒子と第２の種類の粒子を形成し、これらの二種類の粒子の混合物によって形成した圧縮成形品を焼結する核燃料焼結体の製造方法において、第１の種類の粒子が、第２の種類の粒子とは異なる濃度の増殖性同位元素、好ましくはトリウム同位元素を有する核燃料焼結体の製造方法。１３．酸化ウラン粉末、酸化プルトニウム粉末、およびウランープルトニウム混合物酸化物粉末のうちの少なくともいずれか１つを含む原料粉末を別個に造粒して第１の種類の粒子と第２の種類の粒子を形成し、これらの二種類の粒子の混合物によって形成した圧縮成形品を焼結する核燃料焼結体の製造方法において、第１の種類の粒子が第１の濃度のアルミニウムを含み、第２の種類の粒子が、第１の濃度とは異なる第２の濃度のアルミニウムを含む核燃料焼結体の製造方法。１４．酸化ウラン粉末、酸化プルトニウム粉末、およびウランープルトニウム混合物酸化物粉末のうちの少なくともいずれか１つを含む原料粉末を別個に造粒して第１の種類の粒子と第２の種類の粒子を形成し、これらの二種類の粒子の混合物によって形成した圧縮成形品を焼結する核燃料焼結体の製造方法において、第１の種類の粒子が、第１の濃度の、ランタノイドおよびタンタルからなる群の少なくともいずれか１つの成分を含み、第２の種類の粒子が、第１の濃度とは異なる第２の濃度の前記の群の少なくともいずれか１つの成分を含む核燃料焼結体の製造方法。１５．平均直径が0.05mm乃至２mmの範囲の値の粒子を有する圧縮成形品が用いられていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１つに記載の核燃料焼結体の製造方法。１６．粒子を圧縮して密度を1.9g/cm³乃至５g/cm³に調整した圧縮成形品が用いられていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１つに記載の核燃料焼結体の製造方法。１７．密度が５g/cm³乃至6.7g/cm³の圧縮成形品が用いられていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１つに記載の核燃料焼結体の製造方法。１８．前記焼結体が、1000℃乃至1800℃の焼結温度、酸素分圧が10^-8atm乃至10^- ²⁸ atmの焼結雰囲気において焼結されていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれか１つに記載の核燃料焼結体の製造方法。１９．請求項１乃至９のいずれか１つに対応する核燃料焼結体（７）を少なくとも１個備えた被覆管（５）付き燃料棒。