JP2006038793A - Method for manufacturing fuel kernel particle - Google Patents

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Kazuhisa Nishimura
一久 西村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a fuel kernel particle having large strength and high sphericity without generating any gaps or cracks inside and without deforming the particle. <P>SOLUTION: In the method for manufacturing the fuel kernel particles, ammonium diuranate particles are calcinated for obtaining uranium oxide particles expressed by an expression UO<SB>2+X</SB>(however, x is an integer or a decimal for satisfying 0<x≤1). Then, the uranium oxide particles are reduced at 400-700°C at least for two hours before sintering. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、燃料核粒子の製造方法に関し、さらに詳しくは、大きな強度と高い真球度とを有する燃料核粒子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing fuel core particles, and more particularly, to a method for manufacturing fuel core particles having high strength and high sphericity.

高温ガス炉の燃料を投入する炉心は、熱容量が大きく、高温健全性に優れた黒鉛により形成されている。この高温ガス炉においては、冷却ガスとして、高温下でも化学反応を起こすことがなく、安全性の高いヘリウムガスなどの気体が用いられているので、出口温度が高い場合でも、冷却ガスを安全に取り出すことができる。したがって、炉心の温度が900℃程度まで上昇したとしても、高温に加熱された前記冷却ガスは、発電はもとより、水素製造装置、その他の化学プラントなど、幅広い分野において、安全な熱利用を可能としている。   The core into which the fuel of the high-temperature gas reactor is charged is formed of graphite having a large heat capacity and excellent high-temperature soundness. In this high-temperature gas furnace, a gas such as helium gas that does not cause a chemical reaction even at high temperatures and has high safety is used as the cooling gas, so even if the outlet temperature is high, the cooling gas can be safely used. It can be taken out. Therefore, even if the temperature of the core rises to about 900 ° C., the cooling gas heated to a high temperature can be used safely in a wide range of fields such as power generation, hydrogen production equipment, and other chemical plants. Yes.

また、この高温ガス炉に投入される高温ガス炉用燃料は、一般的に、燃料核とこの燃料核の周囲を被覆する被覆層とを備えて成る。燃料核は、例えば、二酸化ウランをセラミックス状に焼結して成る直径約350〜650μmの微粒子である。   Moreover, the fuel for a high temperature gas reactor to be charged into the high temperature gas reactor generally includes a fuel core and a coating layer that covers the periphery of the fuel core. The fuel core is, for example, fine particles having a diameter of about 350 to 650 μm formed by sintering uranium dioxide into a ceramic form.

前記被覆層は、4層構造をなし、燃料核表面側より、第一層、第二層、第三層および第四層を有している。第一層は、密度約1g/cmの低密度熱分解炭素により形成され、ガス状の核分裂生成物(FP)のガス溜めとしての機能を有すると共に、燃料核のスウェリングを吸収するバッファとしての機能をも有している。第二層は、密度約1.8g/cmの高密度熱分解炭素により形成され、ガス状FPの保持機能を有している。第三層は、密度約3.2g/cmの炭化珪素(SiC)により形成され、固体FPの保持機能を有し、被覆層の主要な強度部材である。また、第四層は、密度約1.8g/cmの高密度熱分解炭素により形成され、ガス状FPの保持機能を有すると共に、第三層の保護層としての機能をも有している。これら被覆層を形成する被覆粒子の直径は、通常は、約500〜1500μmである。 The coating layer has a four-layer structure, and has a first layer, a second layer, a third layer, and a fourth layer from the fuel core surface side. The first layer is formed of low-density pyrolytic carbon having a density of about 1 g / cm 3 , functions as a gas reservoir for gaseous fission products (FP), and serves as a buffer for absorbing fuel nuclear swelling. It also has the function of The second layer is formed of high-density pyrolytic carbon having a density of about 1.8 g / cm 3 and has a function of holding a gaseous FP. The third layer is formed of silicon carbide (SiC) having a density of about 3.2 g / cm 3 , has a function of holding a solid FP, and is a main strength member of the coating layer. The fourth layer is formed of high-density pyrolytic carbon having a density of about 1.8 g / cm 3 and has a function of holding a gaseous FP and also a function of a protective layer of the third layer. . The diameter of the coated particles forming these coating layers is usually about 500 to 1500 μm.

前記燃料核表面に前記4層の被覆層を形成して成る被覆燃料粒子は、黒鉛マトリックス中に分散され、一定形状の燃料コンパクトの形態に成型加工され、さらにこの燃料コンパクトは、黒鉛により形成された筒に一定数量収容され、上下に栓をして、燃料棒の形態とされる。最終的には、この燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックが有する複数の挿入口に入れられ、この六角柱型黒鉛ブロックを多数個、ハニカム状に配列し、複数段重ねることによって炉心が形成される。   The coated fuel particles formed by forming the four coating layers on the surface of the fuel core are dispersed in a graphite matrix and formed into a fixed shape of a fuel compact. The fuel compact is formed of graphite. A certain amount is accommodated in the cylinder and plugged up and down to form a fuel rod. Ultimately, this fuel rod is inserted into a plurality of insertion holes of the hexagonal column type graphite block, and a core is formed by arranging a plurality of the hexagonal column type graphite blocks in a honeycomb shape and stacking a plurality of stages. The

このような高温ガス炉用燃料は、一般的に、以下のような工程を経ることによって製造することができる。まず、酸化ウラン粉末を硝酸に溶解して硝酸ウラニル溶液を調製する。次いで、この硝酸ウラニル溶液に増粘剤水溶液を加えて混合し、重ウラン酸アンモニウム粒子製造用原液(以下、単に「原液」ということがある。)を調製する。増粘剤は、後記のアンモニア水溶液中に滴下される原液である硝酸ウラニルの液滴の粘度を調整するために添加される物質である。   Such a HTGR fuel can generally be manufactured through the following steps. First, a uranium nitrate solution is prepared by dissolving uranium oxide powder in nitric acid. Next, an aqueous solution of thickener is added to the uranyl nitrate solution and mixed to prepare a stock solution for producing ammonium biuranate particles (hereinafter sometimes simply referred to as “stock solution”). A thickener is a substance added to adjust the viscosity of a droplet of uranyl nitrate, which is a stock solution dropped into an aqueous ammonia solution described later.

前記増粘剤としては、例えば、ポリビニルアルコール、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズなどを挙げることができる。このようにして調製された原液は、所定の温度に冷却された後、原液滴下器が有する細径の原液滴下ノズルから、このノズルを振動させることによってアンモニア水溶液貯槽内のアンモニア水溶液中に滴下される。   Examples of the thickener include polyvinyl alcohol, a resin that has a property of solidifying under alkaline conditions, polyethylene glycol, and metroses. The stock solution prepared in this manner is cooled to a predetermined temperature, and then dropped from the small-diameter original droplet lower nozzle of the original droplet lowering device into the aqueous ammonia solution in the ammonia aqueous solution storage tank by vibrating the nozzle. The

アンモニア水溶液中に滴下される液滴には、アンモニア水溶液表面に達するまでの空間において、アンモニアガスが吹きかけられる。このアンモニアガスによって液滴表面がゲル化して被膜が形成されるので、ゲル被膜が形成された液滴粒子は、アンモニア水溶液表面に落下する際の衝撃による変形が防止され、アンモニア水溶液貯槽内のアンモニアと反応して重ウラン酸アンモニウム粒子が形成される。形成された重ウラン酸アンモニウム粒子が、アンモニア水溶液貯槽内の下部に堆積していく。形成された重ウラン酸アンモニウム粒子が堆積した状態のままにしておくと、重ウラン酸アンモニウム粒子の堆積における上部に位置する重ウラン酸アンモニウム粒子の荷重により下の重ウラン酸アンモニウム粒子が変形してしまう。そこで、重ウラン酸アンモニウム粒子の堆積により下部に位置する重ウラン酸アンモニウム粒子に変形が生じないように、換言すると重ウラン酸アンモニウム粒子が堆積したままにならないように、アンモニア水溶液貯槽内のアンモニア水溶液においては、アンモニア水溶液貯槽の下側から上側に向かう液流が形成されている。   The droplets dropped into the aqueous ammonia solution are sprayed with ammonia gas in the space up to the surface of the aqueous ammonia solution. Since the surface of the droplet gels by this ammonia gas and a film is formed, the droplet particles on which the gel film is formed are prevented from being deformed by impact when falling onto the surface of the aqueous ammonia solution, and the ammonia in the aqueous ammonia solution storage tank To form ammonium deuterated uranate particles. The formed ammonium heavy uranate particles are deposited in the lower part of the ammonia aqueous solution storage tank. If the formed ammonium heavy uranate particles are left in the deposited state, the lower ammonium heavy uranate particles are deformed by the load of the ammonium heavy uranate particles located in the upper part of the deposition of ammonium heavy uranate particles. End up. Therefore, the aqueous ammonia solution in the aqueous ammonia solution storage tank is so formed that the ammonium heavy uranate particles are not deformed by the deposition of ammonium heavy uranate particles, in other words, the ammonium heavy uranate particles do not remain deposited. , A liquid flow is formed from the lower side to the upper side of the ammonia aqueous solution storage tank.

アンモニア水溶液貯槽において形成された重ウラン酸アンモニウム粒子は、アンモニア水溶液貯槽に続設された後処理装置に移送される。この重ウラン酸アンモニウム粒子の後処理装置への移送は、通常は、アンモニア水溶液貯槽と後処理装置とを繋ぐ配管の弁を開放し、自重によりアンモニア水溶液と共に落下させることによって行われる。この後処理装置は、後処理槽を回転させながら、加熱により粒子の中心まで完全に硝酸ウラニルとアンモニアとを反応させて重ウラン酸アンモニウムを生成させる処理(熟成処理)、温水などにより重ウラン酸アンモニウム粒子を洗浄する処理(洗浄処理)および乾燥する処理(乾燥処理)を施す装置である。   The ammonium heavy uranate particles formed in the ammonia aqueous solution storage tank are transferred to a post-treatment device that is connected to the ammonia aqueous solution storage tank. The transfer of the heavy ammonium uranate particles to the post-treatment device is normally performed by opening a valve of a pipe connecting the ammonia aqueous solution storage tank and the post-treatment device and dropping it together with the aqueous ammonia solution by its own weight. In this post-treatment device, while rotating the post-treatment tank, by heating, the uranyl nitrate and ammonia are completely reacted to the center of the particles to produce ammonium heavy uranate (ripening treatment), heavy uranic acid with hot water, etc. It is an apparatus that performs a process for cleaning ammonium particles (cleaning process) and a process for drying (drying process).

熟成、洗浄および乾燥処理された重ウラン酸アンモニウム粒子は、大気中で焙焼され、三酸化ウラン粒子となる。さらに、この三酸化ウラン粒子は、還元および焼結することにより、高密度のセラミックス状の二酸化ウラン粒子となる。このようにして形成された二酸化ウラン粒子は分級され、所定の粒子径を有する燃料核微粒子として得られる。   Aged, washed and dried ammonium heavy uranate particles are roasted in air to form uranium trioxide particles. Further, the uranium trioxide particles are reduced and sintered to become high-density ceramic-like uranium dioxide particles. The uranium dioxide particles thus formed are classified and obtained as fuel core fine particles having a predetermined particle diameter.

このようにして得られた燃料核微粒子は、流動床に装荷され、被覆用ガスを熱分解することによって被覆が施される。例えば、前記第一層は、約1400℃でアセチレンを熱分解することによって形成することができ、前記第二層および第四層は、約1500℃でプロピレンを熱分解することによって形成することができる。また、例えば、前記第三層は、約1600℃でメチルトリクロロシランを熱分解することによって形成することができる。通常の燃料コンパクトは、被覆燃料粒子を黒鉛粉末および粘結剤などから成る黒鉛マトリックス材と共に中空円筒状または中密円筒状にプレス成型またはモールド成型した後、焼成して製造することができる。(非特許文献1および2参照)。
「原子炉材料ハンドブック」p221−p247,昭和52年10月31日発行、日刊工業新聞社発行 「原子力ハンドブック」p161−p169,平成7年12月20日発行、株式会社オーム社
The fuel core particles obtained in this way are loaded onto a fluidized bed and coated by thermally decomposing the coating gas. For example, the first layer can be formed by pyrolyzing acetylene at about 1400 ° C., and the second and fourth layers can be formed by pyrolyzing propylene at about 1500 ° C. it can. For example, the third layer can be formed by thermally decomposing methyltrichlorosilane at about 1600 ° C. A normal fuel compact can be manufactured by press-molding or molding coated fuel particles into a hollow cylindrical shape or a medium-density cylindrical shape together with a graphite matrix material composed of graphite powder, a binder, and the like, followed by firing. (See Non-Patent Documents 1 and 2).
"Reactor Material Handbook" p221-p247, published October 31, 1977, published by Nikkan Kogyo Shimbun "Nuclear Power Handbook" p161-p169, issued on December 20, 1995, Ohm Corporation

このような高温ガス炉用燃料の製造工程のうち、後処理(熟成、洗浄および乾燥処理)を終えた重ウラン酸アンモニウム粒子を、焙焼して、式UO2+X(ただし、xは、0<x≦1を満たす整数または小数である。)で表される酸化ウラン粒子(以下、「三酸化ウラン粒子等」ということがある。)を得、この三酸化ウラン粒子等を還元処理して二酸化ウラン粒子を得、次いで、この二酸化ウラン粒子を焼結処理して燃料核微粒子を製造する工程において、
従来は、
(1)室温から焼結温度である1200℃以上まで昇温する過程で、還元処理および焼結処理する方法(この方法の還元処理および焼結処理における温度と時間との関係を図1に示す。)
または、
(2)800〜1200℃の範囲に温度を保持して還元処理し、続いて昇温して1200℃以上で焼結処理する方法(この方法の還元処理および焼結処理における温度と時間との関係を図2に示す。)
が採用されていた。
In such a HTGR fuel manufacturing process, the ammonium heavy uranate particles that have been post-treated (ripening, washing and drying) are roasted to obtain the formula UO 2 + X (where x is 0 < uranium oxide particles (hereinafter sometimes referred to as “uranium trioxide particles, etc.”) represented by the following formula: In the process of obtaining uranium particles and then producing the fuel core fine particles by sintering the uranium dioxide particles,
conventionally,
(1) Reduction process and sintering process in the process of raising the temperature from room temperature to a sintering temperature of 1200 ° C. or higher (the relationship between temperature and time in the reduction process and sintering process of this method is shown in FIG. .)
Or
(2) A method in which the reduction treatment is performed while maintaining the temperature in the range of 800 to 1200 ° C., and then the temperature is raised and the sintering treatment is performed at 1200 ° C. or higher (the temperature and time in the reduction treatment and the sintering treatment of this method) The relationship is shown in FIG.
Was adopted.

ところが、このような還元処理および焼結処理をすると、製造される燃料核粒子の内部に空隙、割れおよび/または変形を生じるという問題があった。   However, when such reduction treatment and sintering treatment are performed, there is a problem in that voids, cracks and / or deformations are produced inside the produced fuel core particles.

図3は、前記の内部に空隙を生じた燃料核粒子の断面を表す顕微鏡写真である。図4は、前記の変形した燃料核粒子の断面を表す顕微鏡写真である。図3および図4において、1は燃料核粒子を、2は空隙を、3は変形部を示す。   FIG. 3 is a photomicrograph showing a cross section of the fuel core particle having voids formed therein. FIG. 4 is a photomicrograph showing a cross section of the deformed fuel core particle. 3 and 4, 1 is a fuel core particle, 2 is a void, and 3 is a deformed portion.

内部に空隙を生じた燃料核粒子は、強度の低下を招き、前記4層の被覆層により被覆する際、破壊する可能性が高くなる。また、変形した燃料核粒子は、前記4層の被覆層により被覆する際、均一な被覆層を形成することができない。したがって、実用上、核燃料には供し得ない燃料核粒子となる。   The fuel core particles having voids inside cause a decrease in strength, and the possibility of destruction when coated with the four coating layers increases. Further, when the deformed fuel core particles are coated with the four coating layers, a uniform coating layer cannot be formed. Therefore, it becomes a fuel core particle which cannot be provided for nuclear fuel in practical use.

この発明は、このような従来の問題を解消し、内部に空隙または割れを生じることがなく、しかも粒子に変形を来たすことのない、大きい強度と高い真球度とを有する燃料核粒子の製造方法を提供することをその課題とする。   The present invention eliminates such conventional problems, and produces fuel core particles having high strength and high sphericity without causing voids or cracks in the interior and without causing deformation of the particles. The problem is to provide a method.

本発明者は、前記課題を解決するために、二酸化ウラン粒子の焼結処理に先立ち、三酸化ウラン粒子等を完全に還元処理する条件について検討した結果、比較的低温の還元温度で特定時間以上、還元処理することによって前記課題が解決できるということを見出し、この知見に基づいてこの発明を完成するに到った。   In order to solve the above problems, the present inventor has examined the conditions for completely reducing the uranium trioxide particles and the like prior to the sintering treatment of the uranium dioxide particles. The inventors have found that the above problem can be solved by reduction treatment, and have completed the present invention based on this finding.

すなわち、この発明の前記課題を解決するための手段は、
重ウラン酸アンモニウム粒子を焙焼処理して、式UO2+X(ただし、xは、0<x≦1を満たす整数または小数である。)で表される酸化ウラン粒子を得た後、前記酸化ウラン粒子を、400〜700℃において、少なくとも2時間の還元処理を施し、次いで、焼結処理することを特徴とする燃料核粒子の製造方法
である。
That is, the means for solving the problems of the present invention are:
After calcining ammonium deuterated uranium particles to obtain uranium oxide particles represented by the formula UO 2 + X (where x is an integer satisfying 0 <x ≦ 1), the uranium oxide is obtained. A method for producing fuel core particles, wherein the particles are subjected to a reduction treatment at 400 to 700 ° C. for at least 2 hours and then subjected to a sintering treatment.

この発明の燃料核粒子の製造方法は、還元と焼結とが同時に進行することを回避するために、二酸化ウラン粒子の焼結処理に先立ち、前記酸化ウラン粒子を前記条件下に完全に還元処理する方法であることから、製造される燃料核粒子の内部に空隙または割れを生じることがなく、大きい強度を有する燃料核粒子を製造することができるという効果を奏する。また、三酸化ウラン粒子等が完全に還元処理されているため、還元処理時に発生する水蒸気によって、二酸化ウラン粒子の焼結処理が阻害されることがない。よって、製造される燃料核粒子が変形することがなく、高い真球度を有する燃料核粒子を製造することができるという効果を奏する。   In order to avoid the simultaneous reduction and sintering of the fuel core particle manufacturing method of the present invention, the uranium oxide particles are completely reduced under the above conditions prior to the uranium dioxide particle sintering process. Therefore, there is an effect that the fuel core particles having a large strength can be manufactured without generating voids or cracks in the manufactured fuel core particles. In addition, since the uranium trioxide particles and the like are completely reduced, the sintering process of the uranium dioxide particles is not hindered by water vapor generated during the reduction treatment. Therefore, there is an effect that the fuel core particles to be manufactured can be manufactured without deformation and the fuel core particles having high sphericity can be manufactured.

さらに、この発明の燃料核粒子の製造方法により製造された燃料核粒子は、前記のとおり大きい強度を有し、高い真球度を有することから、被覆層により被覆する際、破壊することがなく、均一な被覆層を形成することができるという効果をも奏する。   Furthermore, since the fuel core particles manufactured by the fuel core particle manufacturing method of the present invention have a high strength and a high sphericity as described above, they are not destroyed when covered with the coating layer. There is also an effect that a uniform coating layer can be formed.

この発明に用いる重ウラン酸アンモニウム粒子は、例えば、次のようにして製造することができる。まず、酸化ウランを硝酸に溶解して、硝酸ウラニル溶液を調製する。このときの調製条件に制限はないが、硝酸(HNO)/ウラン(U)のモル比を、通常は、2.1〜2.6、好ましくは、2.3〜2.5とし、通常は、90〜140℃、好ましくは、95〜130℃で、撹拌、混合することにより調製される。 The ammonium heavy uranate particles used in the present invention can be produced, for example, as follows. First, uranium oxide is dissolved in nitric acid to prepare a uranyl nitrate solution. The preparation conditions at this time are not limited, but the molar ratio of nitric acid (HNO 3 ) / uranium (U) is usually 2.1 to 2.6, preferably 2.3 to 2.5. Is prepared by stirring and mixing at 90 to 140 ° C, preferably 95 to 130 ° C.

このようにして調製された硝酸ウラニル溶液と増粘剤水溶液とを混合処理して、重ウラン酸アンモニウム粒子製造用原液(以下、単に「原液」ということがある。)を調製する。次いで、この原液をアンモニア水溶液中に滴下することによって、重ウラン酸アンモニウム粒子が形成される。   The uranyl nitrate solution thus prepared and the aqueous solution of the thickener are mixed to prepare a stock solution for producing ammonium heavy uranate particles (hereinafter sometimes simply referred to as “stock solution”). Then, this undiluted solution is dropped into an aqueous ammonia solution, whereby ammonium deuterated uranate particles are formed.

前記酸化ウランは、予め、不純物を除去した後に、硝酸に溶解することが好ましい。また、前記増粘剤は、アンモニア水溶液中に滴下される原液である硝酸ウラニルの液滴の粘度を調整するために添加される物質であり、例えば、ポリビニルアルコール、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズなどを挙げることができる。   The uranium oxide is preferably dissolved in nitric acid after removing impurities in advance. The thickener is a substance added to adjust the viscosity of uranyl nitrate droplets, which is a stock solution dripped in an aqueous ammonia solution. For example, polyvinyl alcohol has a property of solidifying under alkaline conditions. Resin, polyethylene glycol, and metroses.

アンモニア水溶液中で形成された重ウラン酸アンモニウム粒子は、その後、熟成処理、洗浄処理および乾燥処理が施されて、このこの発明に用いられる重ウラン酸アンモニウム粒子となる。   The ammonium heavy uranate particles formed in the aqueous ammonia solution are then subjected to aging treatment, washing treatment and drying treatment to become ammonium heavy uranate particles used in the present invention.

この発明の燃料核粒子の製造方法においては、まず、前記重ウラン酸アンモニウム粒子を焙焼処理して、式UO2+X(ただし、xは、0<x≦1を満たす整数または小数である。)で表される酸化ウラン粒子を得る。 In the method for producing fuel core particles according to the present invention, first, the ammonium heavy uranate particles are roasted to obtain the formula UO 2 + X (where x is an integer or decimal that satisfies 0 <x ≦ 1). Uranium oxide particles represented by

前記焙焼処理に特に制限はないが、通常は、開放容器に前記重ウラン酸アンモニウム粒子を収容し、大気雰囲気中で焙焼処理される。焙焼温度に制限はないが、通常は400〜600℃、である。焙焼に要する熱源に制限はない。   Although there is no restriction | limiting in particular in the said roasting process, Usually, the said heavy ammonium uranate particle | grains are accommodated in an open container, and it roasts in an air atmosphere. Although there is no restriction | limiting in roasting temperature, Usually, it is 400-600 degreeC. There is no restriction on the heat source required for roasting.

このように重ウラン酸アンモニウム粒子を焙焼処理することによって、式UO2+X(ただし、xは、0<x≦1を満たす整数または小数である。)で表される酸化ウラン粒子が得られる。この酸化ウラン粒子としては、原料である酸化ウランに由来する、三酸化ウラン(UO)、五酸化二ウラン(U)、八酸化三ウラン(U)、九酸化四ウラン(U)およびこれらの混合物を挙げることができる。 By calcination of ammonium heavy uranate particles in this way, uranium oxide particles represented by the formula UO 2 + X (where x is an integer or a decimal number satisfying 0 <x ≦ 1) are obtained. Examples of the uranium oxide particles include uranium trioxide (UO 3 ), diuranium pentoxide (U 2 O 5 ), triuranium octoxide (U 3 O 8 ), and uranium tetraoxide derived from uranium oxide as a raw material. Mention may be made of (U 4 O 9 ) and mixtures thereof.

この発明の燃料核粒子の製造方法は、このようにして得られた前記酸化ウラン粒子を、400〜700℃において、少なくとも2時間、還元処理して二酸化ウラン(UO)粒子とし、次いで、前記二酸化ウラン粒子を焼結処理する方法である。 In the method for producing fuel core particles according to the present invention, the uranium oxide particles thus obtained are subjected to reduction treatment at 400 to 700 ° C. for at least 2 hours to obtain uranium dioxide (UO 2 ) particles. This is a method of sintering uranium dioxide particles.

本発明者は、前記従来の方法(1)および前記従来の方法(2)の還元処理および焼結処理の方法において、一部の三酸化ウラン粒子等および二酸化ウラン粒子に、還元と焼結とが同時に進行する現象が生じることについて考察したところ、還元温度が比較的高く、この還元温度が焼結温度に近接していること、またはこの還元温度が焼結温度と一部重複することがあることに起因するものであろうと推測した。   In the reduction method and the sintering treatment method of the conventional method (1) and the conventional method (2), the present inventor reduced and sintered some uranium trioxide particles and the like and uranium dioxide particles. As a result of considering that the phenomenon of simultaneous progress occurs, the reduction temperature is relatively high, the reduction temperature is close to the sintering temperature, or the reduction temperature may partially overlap the sintering temperature. I guessed it was due to this.

前記のような比較的高い還元温度条件が、従来、採用された根拠については定かでないが、還元処理と焼結処理とをより迅速に効率よく行うことを企図したものと思われる。   Although the reason why such a relatively high reduction temperature condition has conventionally been used is not clear, it seems that the reduction treatment and the sintering treatment were intended to be performed more quickly and efficiently.

そこで、二酸化ウラン粒子の焼結処理に先立ち、三酸化ウラン粒子等を完全に還元処理する条件、殊に温度条件について検討を重ねたところ、1200℃以上の焼結温度に対し、400〜700℃という大きく低温領域にある温度条件を選択した結果、三酸化ウラン粒子等を完全に還元処理できるということが判明した。   Thus, prior to the sintering of the uranium dioxide particles, the conditions for completely reducing the uranium trioxide particles and the like, in particular, the temperature conditions, were repeatedly investigated. As a result, the sintering temperature of 1200 ° C. or higher was 400 to 700 ° C. As a result of selecting a temperature condition in a large low temperature region, it was found that uranium trioxide particles and the like can be completely reduced.

ここに、三酸化ウラン粒子等を完全に還元処理する態様としては、例えば、可及的に三酸化ウラン粒子等の全粒子が還元されていることおよび個々の三酸化ウラン粒子等の表層から内部までが、未還元部分を残すことなく還元されていることを挙げることができる。   Here, as a mode for completely reducing the uranium trioxide particles and the like, for example, all particles such as uranium trioxide particles are reduced as much as possible, and from the surface layer of individual uranium trioxide particles etc. It can be mentioned that the process is reduced without leaving an unreduced part.

前記還元処理は、還元雰囲気下に実施される。この還元雰囲気下としては、水素ガス雰囲気下または水素ガスを含む雰囲気下を挙げることができるが、三酸化ウラン粒子等を還元することができる限り、前記水素ガス雰囲気下または水素ガスを含む雰囲気下に拘束されることはない。   The reduction treatment is performed in a reducing atmosphere. Examples of the reducing atmosphere include a hydrogen gas atmosphere or an atmosphere containing hydrogen gas. However, as long as uranium trioxide particles and the like can be reduced, the hydrogen gas atmosphere or an atmosphere containing hydrogen gas is used. You will not be bound by

この発明においては、還元処理を、400〜700℃、好ましくは500〜600℃で、少なくとも2時間、通常は2〜10時間、好ましくは3〜7時間で実施する。還元処理温度が400℃未満では、還元反応速度が低下したり、還元反応が促進されないことがあり、還元処理温度が700℃を越えると、焼結温度に近接することになり、還元と焼結とが同時に進行する恐れが生じる。また、還元処理時間が2時間未満では、還元反応が完結しないことがある。   In the present invention, the reduction treatment is carried out at 400 to 700 ° C., preferably 500 to 600 ° C., for at least 2 hours, usually 2 to 10 hours, preferably 3 to 7 hours. If the reduction treatment temperature is less than 400 ° C, the reduction reaction rate may be reduced or the reduction reaction may not be promoted. If the reduction treatment temperature exceeds 700 ° C, it will be close to the sintering temperature. May occur at the same time. Further, when the reduction treatment time is less than 2 hours, the reduction reaction may not be completed.

前記還元処理の条件を採用することによって、前記還元と焼結とが同時に進行することを回避することができ、製造される燃料核粒子の内部に空隙または割れを生じることがない。また、三酸化ウラン粒子等が完全に還元処理されているため、還元処理時に発生する水蒸気によって、二酸化ウラン粒子の焼結処理が阻害されることがない。よって、製造される燃料核粒子が変形することがなく、高い真球度を有する燃料核粒子を製造することができる。   By adopting the conditions for the reduction treatment, it is possible to avoid the reduction and sintering from proceeding at the same time, and no voids or cracks are produced in the produced fuel core particles. In addition, since the uranium trioxide particles and the like are completely reduced, the sintering process of the uranium dioxide particles is not hindered by water vapor generated during the reduction treatment. Therefore, the fuel core particles to be manufactured are not deformed, and the fuel core particles having high sphericity can be manufactured.

還元処理を終えて得られた二酸化ウラン粒子には、焼結処理が施される。この焼結処理は、通常は1200〜1800℃、好ましくは1400〜1700℃で、通常は1〜5時間、加熱することによって実施される。焼結に要する熱源に制限はない。この発明の燃料核微粒子の製造方法の還元処理および焼結処理における温度と時間との関係を図5に示す。   The uranium dioxide particles obtained after finishing the reduction treatment are subjected to a sintering treatment. This sintering treatment is usually carried out by heating at 1200 to 1800 ° C., preferably 1400 to 1700 ° C., usually for 1 to 5 hours. There is no restriction on the heat source required for sintering. FIG. 5 shows the relationship between temperature and time in the reduction treatment and sintering treatment of the method for producing fuel core fine particles of the present invention.

このように焼結処理されて得られたセラミックス状の二酸化ウラン粒子は、その後、分級され、所定の粒子径を有する燃料核微粒子として取得することができる。図6は、この発明の燃料核微粒子の製造方法によって製造された燃料核粒子の断面を表す顕微鏡写真である。図6から、この発明の燃料核微粒子の製造方法によって製造された燃料核粒子1は、その内部に空隙または割れがなく、しかも粒子に変形がなく、高い真球度を有する粒子であることが分る。   The ceramic-like uranium dioxide particles obtained by sintering in this way are then classified and can be obtained as fuel core fine particles having a predetermined particle diameter. FIG. 6 is a photomicrograph showing a cross section of the fuel core particles manufactured by the method for manufacturing fuel core fine particles of the present invention. From FIG. 6, the fuel core particle 1 manufactured by the method for manufacturing fuel core fine particles according to the present invention is a particle having no voids or cracks therein, no deformation of the particle, and high sphericity. I understand.

なお、前記燃料核粒子の真球度は、ある粒子について、任意の方向から燃料核粒子の直径を測定し、下記式によって求める。
真球度=(測定中の最大直径)/(測定中の最小直径)
燃料核粒子の真球度は、その粒子がどの程度、真球に近いかを表す指数であり、真球に近いほど、1.00に近づく。
The sphericity of the fuel core particle is obtained by measuring the diameter of the fuel core particle from an arbitrary direction with respect to a certain particle and using the following equation.
Sphericality = (maximum diameter during measurement) / (minimum diameter during measurement)
The sphericity of the fuel core particle is an index representing how close the particle is to the true sphere, and the closer to the true sphere, the closer to 1.00.

以下、実施例を挙げて、この発明をさらに具体的に説明するが、この実施例によって、この発明はなんら限定されることはない。
(実施例)
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the examples.
(Example)

〔重ウラン酸アンモニウム粒子の製造例〕
酸化ウラン粉末を硝酸に溶解し、100℃で1.5時間、撹拌して硝酸ウラニル溶液(0.76mol−U/L)を調製した。この硝酸ウラニル溶液に増粘剤(ポリビニルアルコール水溶液)を添加して撹拌し、さらにテトラヒドロフルフリルアルコールおよび水を加えて、重ウラン酸アンモニウム粒子製造用原液(ポリビニルアルコール濃度12.5g/L)を調製した。この原液の粘度は、20℃で53×10−3P・s(53cP)であった。
[Production Example of Ammonium Heavy Uranate Particles]
Uranium oxide powder was dissolved in nitric acid and stirred at 100 ° C. for 1.5 hours to prepare a uranyl nitrate solution (0.76 mol-U / L). A thickener (polyvinyl alcohol aqueous solution) was added to this uranyl nitrate solution and stirred, and tetrahydrofurfuryl alcohol and water were further added to prepare a stock solution for producing ammonium biuranate particles (polyvinyl alcohol concentration 12.5 g / L). Prepared. The viscosity of this stock solution was 53 × 10 −3 P · s (53 cP) at 20 ° C.

次いで、前記のようにして調製された原液24Lを、原液送液ポンプによって原液流量調整弁を介して原液流量240cm/分で原液滴下器に供給した。この原液滴下器に供給された原液を、振動数75Hzで振動させた原液滴下ノズルから、アンモニアガスを通過させながら液滴として、28%アンモニア水溶液を貯留する槽中に滴下させて、重ウラン酸アンモニウム粒子を形成させた。 Next, the stock solution 24L prepared as described above was supplied to the stock droplet lowering device at a stock solution flow rate of 240 cm 3 / min via a stock solution flow rate adjustment valve by a stock solution feed pump. The undiluted solution supplied to the original droplet lowering device is dropped as a droplet from a nozzle under the original droplet vibrated at a vibration frequency of 75 Hz into a tank storing a 28% aqueous ammonia solution while passing ammonia gas. Ammonium particles were formed.

続いて、前記のようにして形成された重ウラン酸アンモニウム粒子を後処理槽に収容し、この後処理槽を回転させながら、80℃で1時間、熟成処理した後、80℃の水によって洗浄処理し、さらに、100℃で3時間、乾燥処理して、乾燥重ウラン酸アンモニウム粒子を製造した。
〔重ウラン酸アンモニウム粒子の焙焼処理〕
Subsequently, the ammonium heavy uranate particles formed as described above are accommodated in a post-treatment tank, and the post-treatment tank is rotated and aged at 80 ° C. for 1 hour, and then washed with 80 ° C. water. Then, it was further dried at 100 ° C. for 3 hours to produce dry ammonium biuranate particles.
[Roasting of heavy ammonium uranate particles]

前記の乾燥重ウラン酸アンモニウム粒子を、大気中、550℃で3時間、焙焼処理して、三酸化ウラン粒子を製造した。
〔三酸化ウラン粒子の還元処理〕
The dried ammonium ammonium uranate particles were roasted at 550 ° C. for 3 hours in the air to produce uranium trioxide particles.
[Reduction treatment of uranium trioxide particles]

前記三酸化ウラン粒子を、水素ガス雰囲気下、600℃で3時間、還元処理して、二酸化ウラン粒子を製造した。
〔二酸化ウラン粒子の焼結処理〕
The uranium trioxide particles were reduced at 600 ° C. for 3 hours in a hydrogen gas atmosphere to produce uranium dioxide particles.
[Sintering of uranium dioxide particles]

前記の二酸化ウラン粒子を、1500℃で1時間、焼結処理して、セラミックス状の二酸化ウラン粒子を製造した。
〔二酸化ウラン粒子の分級処理および評価〕
The uranium dioxide particles were sintered at 1500 ° C. for 1 hour to produce ceramic-like uranium dioxide particles.
[Classification and evaluation of uranium dioxide particles]

前記二酸化ウラン粒子を分級(真球度選別)処理して、図6に示す平均真球度1.05の燃料核粒子を得た。この燃料核粒子の一軸破壊強度は2.5kgfであった。
(比較例1)
The uranium dioxide particles were classified (sphericity selection) to obtain fuel core particles having an average sphericity of 1.05 shown in FIG. The uniaxial fracture strength of the fuel core particles was 2.5 kgf.
(Comparative Example 1)

〔前記従来の方法(1)による燃料核粒子の製造例〕
室温から500℃まで、時間かけて昇温し、還元処理および焼結処理をした以外は、実施例と同様にして燃料核粒子を製造した。この燃料核粒子は、図3に示すように、内部に空隙を有していた。この平均真球度は1.05であったが、一軸破壊強度は1.0kgfであった。
(比較例2)
[Example of production of fuel core particles by the conventional method (1)]
Fuel core particles were produced in the same manner as in Example except that the temperature was raised from room temperature to 500 ° C. over 4 hours, and reduction treatment and sintering treatment were performed. The fuel core particles had voids inside as shown in FIG. The average sphericity was 1.05, but the uniaxial fracture strength was 1.0 kgf.
(Comparative Example 2)

〔前記従来の方法(2)による燃料核粒子の製造例〕
三酸化ウラン粒子の還元処理における還元温度を、900℃とし、還元時間を時間とした以外は、実施例と同様にして、燃料核粒子を得た。この燃料核粒子は、図4に示すように、変形を来たしていた。
[Example of production of fuel core particles by the conventional method (2)]
Fuel core particles were obtained in the same manner as in Example except that the reduction temperature in the reduction treatment of uranium trioxide particles was 900 ° C. and the reduction time was 1 hour. The fuel core particles had been deformed as shown in FIG.

従来の方法(1)の還元処理および焼結処理における温度と時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature and time in the reduction | restoration process and sintering process of the conventional method (1). 従来の方法(2)の還元処理および焼結処理における温度と時間との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature and time in the reduction process and sintering process of the conventional method (2). 内部に空隙を生じた燃料核粒子の断面を表す顕微鏡写真である。It is a microscope picture showing the cross section of the fuel core particle which produced the space | gap inside. 変形した燃料核粒子の断面を表す顕微鏡写真である。It is a microscope picture showing the cross section of the deformed fuel core particle. この発明の方法の還元処理および焼結処理における温度と時間との関係を図5に示す。FIG. 5 shows the relationship between temperature and time in the reduction treatment and sintering treatment of the method of the present invention. この発明の方法によって製造された燃料核粒子の断面を表す顕微鏡写真である。It is a microscope picture showing the cross section of the fuel core particle manufactured by the method of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料核粒子
2 空隙
3 変形部
1 Fuel core particle 2 Void 3 Deformation part

Claims (1)

重ウラン酸アンモニウム粒子を焙焼処理して、式UO2+X(ただし、xは、0<x≦1を満たす整数または小数である。)で表される酸化ウラン粒子を得た後、前記酸化ウラン粒子を、400〜700℃において、少なくとも2時間の還元処理を施し、次いで、焼結処理することを特徴とする燃料核粒子の製造方法。
After calcining ammonium deuterated uranium particles to obtain uranium oxide particles represented by the formula UO 2 + X (where x is an integer satisfying 0 <x ≦ 1), the uranium oxide is obtained. A method for producing fuel core particles, wherein the particles are subjected to a reduction treatment at 400 to 700 ° C. for at least 2 hours and then subjected to a sintering treatment.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103910385A (en) * 2013-01-08 2014-07-09 中核四0四有限公司 Denitrated uranium trioxide hydration and activation technology

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