JP2018025527A - 分光光度計を用いたウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度分析方法 - Google Patents

分光光度計を用いたウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度分析方法 Download PDF

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Abstract

【課題】核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の製造過程において、ウラン酸化物の焼結密度を事前予測および分析する簡単でかつ信頼性の高い方法を提供する。
【解決手段】測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度を分光光度計で測定する段階と、測定した色度のデータ値を、標準的な重ウラン酸アンモニウム粉末の色度グラフの値と比較する段階と、前記比較を介して、予想ウラン酸化物焼結密度を計算して得る段階とを含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、核燃料製造工程において、ウラン酸化物（ＵＯｘ）の前駆体である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）の色度を分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）で測定することにより、焼結工程の前にウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度を予測計算または分析する方法に関する。
核燃料製造工程は、六フッ化ウラン（ＵＦ６）からウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末を製造した後、これを圧粉、焼結して得た焼結体を燃料棒に装入し、組み立てて核燃料集合体を作る工程である。
この工程の中でも、六フッ化ウラン（ＵＦ６）からウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末を製造する工程を再変換工程というが、これはさらに乾式再変換工程と湿式再変換工程に分けることができる。乾式再変換工程は六フッ化ウラン（ＵＦ６）を気体状態で反応させて直接ウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末を生産し、湿式再変換工程は前駆体である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）または炭酸ウラニルアンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｕｒａｎｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）を経てウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末を生産するなど、これらの再変換工程は過程上の相違がある。
再変換工程を介して生産されたウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度の分析は、核燃料を製造する過程において必要不可欠な技術である。今までは焼結密度の分析をウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末状態で行うことができなかったため、焼結工程まですべて経た後、焼結体サンプル（Ｓａｍｐｌｅ）を製造して焼結密度を測定した。この際、電気的バランス（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｂａｌａｎｃｅ）測定装備を用いて次の式に基づいて焼結密度（Ｓｉｎｔｅｒｅｄ Ｄｅｎｓｉｔｙ）を算出した。
しかし、このような焼結密度の分析は、焼結工程を行った後に焼結体の品質検査目的で行われるものなので、もし焼結密度が核燃料製造の仕様範囲に含まれない値が出てくる場合は、さらに後続の処理工程を経なければならないというリスク要素を持っている。さらに、このような測定方法は、電気的バランス（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｂａｌａｎｃｅ）と水を用いた体積変化を利用する密度測定方法なので、前後の処理過程が非常に厄介で、分析者によっては誤差発生率が高いことがあるという欠点があった。
本発明者らは、このような従来の欠点を克服して、焼結工程の前にウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度を予測計算または分析する方法を考案して、実際に測定することができることを見出し、本発明を完成した。
本発明の目的は、核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の製造過程において、ウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度を事前予測および分析する簡単でかつ信頼性の高い方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の製造工程において、（１）測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度を分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）で測定する段階と、（２）前記測定した色度のデータ値を、標準的な重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度グラフの値と比較する段階と、（３）前記比較を介して、測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の予想ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結密度を計算して得る段階とを含んでなる、核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の焼結密度計算方法を提供する。
好ましくは、色度のデータ値はＬ＊ａ＊ｂ＊表色系を使用する。
好ましくは、色度のデータ値はＬ＊ａ＊ｂ＊ 表色系のＬ＊値を使用する。
上述したような本発明によれば、従来の分析方法の問題点、すなわち、焼結体で生産された製品に対してのみ分析が可能であり、分析結果に応じて後続処理工程を経なければならないというリスク要素を除去することができる。これに加え、ウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末を製造する前に、前駆体である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）の色度を分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）で測定して、製造されるウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度を予測することにより、平均分析時間を既存の方法の１３時間（焼結体製造工程を含む）に比べ約２．５％水準である２０分前後に短縮させる効果がある。
したがって、本発明によって導出された分析データは、焼結体製造工程の全段階において焼結密度を分析及び予測することにより、最適な焼結体の製造に寄与することができる。
ウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末の焼結密度計算過程を示すフローチャートである。 重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ） 粉末の写真である。 ウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末の写真である。 分光光度計で測定した色度値Ｌ＊と焼結密度との相関関係を示すグラフである。 分光光度計で測定した色度値ａ＊と焼結密度との相関関係を示すグラフである。 分光光度計で測定した色度値ｂ＊と焼結密度との相関関係を示すグラフである。 分光光度計で測定した色度値と焼結密度との相関関係から焼結密度を予測するグラフである。
以下、本発明を詳細に説明する。
従来の方法の問題点を解決するために、本発明は、湿式再変換工程中の沈澱／濾過／乾燥工程で生成された重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）の色度を分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）で測定することにより、焼結体製造工程に投入される前にウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度を分光光度計を用いて予測計算及び分析したが、このような方法は予測力に優れることを確認した。
本発明の分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）を活用した分析は、最近、化学、生命科学、環境、製薬分野などで最も多く活用している分析方法である。この原理は、物質の種類に応じて、光エネルギーを吸収して電子遷移および回転などの様々な分子運動を起こしながら現れる固有の吸収スペクトルを測定することである。このとき、物質ごとに発生する吸収スペクトル及びエネルギー値の差はＬ＊ａ＊ｂ＊表色系で表現される。このような分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）を活用した分析方法は、有機または無機化合物の定量・定性分析にまで広範囲に活用されている。
具体的には、核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の製造工程において、（１）測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度を分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）で測定する段階；（２）前記測定した色度のデータ値を、標準的な重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度グラフの値と比較する段階と、（３）前記比較を介して、測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の予想ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結密度を計算して得る段階とを含む、核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の焼結密度計算方法を提供する。
前記色度のデータ値はＬ＊ａ＊ｂ＊表色系を使用することが好ましい。
前記色度のデータ値はＬ＊ａ＊ｂ＊表色系のＬ＊値を使用することが好ましい。
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。これらの実験例が、本発明を例示するためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものと解釈されないことは、当業分野における通常の知識を有する者にとって自明であろう。
実施例１：標準的な重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度グラフの決定
ウラン酸化物（ＵＯｘ）の前駆体である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末サンプルの色度値を分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）で測定してウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度を予測計算及び分析するためには、まず標準データによるグラフを決定することが必要である。
実験によれば、湿式再変換工程中における、重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）を製造する段階である沈殿単位工程で、一部の操業変数であるｐＨおよびＮＨ３／空気（Ａｉｒ）の比率がウラン酸化物（ＵＯｘ）の焼結密度と関連しており、かつ、この操業変数が重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）の色度（本願の実験ではＬ＊ａ＊ｂ＊表色系で表現）とも関連していることが分かる。
これにより、他の変因を統制し当該操業変数を異ならせて、十分な数の重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末サンプルを製造し、それぞれのサンプル色度を測定した後、これを同一の条件で焙焼／還元してウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末を製造し、再びそれぞれの焼結密度を測定すると、実際の工程運営中に使用可能な標準データによるグラフを得ることができ、これを図式化または数式化すると、測定すべきサンプルに対しても使用することができる。
図２Ａと図２Ｂに示すような重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）とウラン酸化物（ＵＯｘ）粉末を、沈殿／濾過／乾燥過程の操業変数である最終ｐＨおよびＮＨ３／空気（Ａｉｒ）の比率を異ならせて製造し、重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）の測定色度値Ｌ＊ａ＊ｂ＊と焼結密度との相関関係数式をグラフを用いて求める。
具体的には、５つの重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）を各ガラスセル（Ｇｌａｓｓ ｃｅｌｌ）に適量投入した後、分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）でキャリブレーション（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）を行い、標準サンプル（Ｓａｍｐｌｅ）を測定する。この際、測定色度値で表現されるＬ＊（またはａ＊、ｂ＊）表色系データと実際焼結体の焼結密度データに基づいて５つの標準サンプル（Ｓａｍｐｌｅ）間の趨勢線（Ｘ軸：Ｌ＊またはａ＊またはｂ＊、Ｙ軸：焼結密度）を導出して重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）に対する標準サンプル（Ｓａｍｐｌｅ）公式を得る。
さらに具体的には、下記表のような値を得た。
図３に示すように、Ｌ＊値と焼結密度は一定の曲線（２次関数で表現できる）の数式で表すことができることを確認した。Ｒ２値は０．９６１８であって信頼性が高いことを確認した。
これに対し、図４に示すように、ａ＊値と焼結密度も一定の曲線（２次関数で表現できる）の数式で表すことができるが、Ｒ２の値は０．４０３４であって信頼性が高くないことを確認した。図５に示すように、ｂ＊値と焼結密度も一定の曲線（２次関数で表現できる）の数式で表すことができるが、Ｒ２値は０．６３７４であって信頼性が高くないことを確認した。
つまり、Ｌ＊値を基準に、焼結密度を高い信頼性で算出することができることを確認した。
実施例２：測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度測定及び焼結密度の計算
実際のウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の製造工程運営中には、製造された重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末のサンプルを採取してガラスセル（Ｇｌａｓｓ ｃｅｌｌ）に適量投入した後、分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）でキャリブレーション（Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ）を行って測定することにより、このような過程を介して色度値としてＬ＊ａ＊ｂ＊表色系を使用するデータを得る（図１のＳ１００段階）。
次いで、実施例１で得た標準色度グラフの値と比較し（図１のＳ２００段階）、Ｌ＊値を基準に公式に入れて答えを求めると、当該サンプルがウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体になったときの焼結密度値を予測計算及び分析（図１のＳ３００段階）することができる。
図６ではＬ＊値に基づいて焼結密度を計算する事例を見ることができる。Ｌ＊値が７９であるので、焼結密度予測値は１０．３５となり、実際焼結後の測定値と同じことを確認した。
以上、本発明の内容の特定部分を詳細に述べたが、このような具体的記述が、好適な実施様態に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではないことは、当該分野における通常の知識を有する者にとって明白であろう。よって、本発明の実質的な範囲は添付された請求の範囲とそれらの等価物によって定められるというべきである。

Claims (2)

  1. 核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の製造工程において、
    （１）測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度を分光光度計（Ｓｐｅｃｔｒｏｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ）で測定する段階と、
    （２）前記測定した色度のデータ値を、標準的な重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の色度グラフの値と比較する段階と、
    （３）前記比較を介して、測定対象である重ウラン酸アンモニウム（ａｍｍｏｎｉｕｍ ｄｉｕｒａｎａｔｅ）粉末の予想ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結密度を計算して得る段階とを含んでなる、核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の焼結密度計算方法。
  2. 前記色度のデータ値はＬ＊ａ＊ｂ＊表色系を使用することを特徴とする、請求項１に記載の核燃料用ウラン酸化物（ＵＯｘ）焼結体用粉末の焼結密度計算方法。
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