JP2645463B2 - 核燃料体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、改善された機械的性質を有する核燃料体に
関するものである。本発明の一側面に従えば、二酸化ウ
ランとアルミノケイ酸塩とから成る特定組成の圧縮体を
焼結することにより、特定の顕微鏡組織を有する核燃料
が製造される。

現在設計され、建設され、かつ運転されている原子炉
においては、板状、管状、棒状などの様々な幾何学的形
状を持った燃料要素中に核分裂性物質すなわち核燃料が
含まれている。かかる核燃料は、通例、耐食性、非反応
性かつ熱伝導性の容器すなわち被覆の中に封入されてい
る。このように核燃料と被覆とを合体したものが燃料要
素と呼ばれる。かかる燃料要素を冷却材チャネル内にお
いて一定の間隔で格子状に組立てることによって燃料集
合体が形成される。次いで、十分な数の燃料集合体を組
合わせることによって持続核分裂反応の可能な核分裂連
鎖反応系すなわち炉心が形成される。このような炉心は
原子炉容器内に収容され、そしてその中に冷却材が流さ
れる。

上記のごとき被覆は２つの主たる目的に役立つ。第１
の目的は、核燃料と冷却材または（減速材の存在時に
は）減速材あるいはそれら両者との接触および化学反応
を防止することである。第２の目的は、気体状のものを
含む放射能の強い核分裂生成物が核燃料から冷却材また
は減速材あるいはそれら両者中に放出されるのを防止す
ることである。被覆として常用される材料は、ステンレ
ス鋼、アルミニウムおよびその合金、ジルコニウムおよ
びその合金、ニオブ、ある種のマグネシウム合金などで
ある。核燃料中におけるガス圧または温度の上昇あるい
は有害な核分裂生成物による被覆の腐食のために被覆の
破損が起こると、冷却材や減速材および関連蒸気系統が
強い放射能を持った長寿命の核分裂生成物で汚染され、
そのために発電所の運転が妨げられることもある。

現時点で入手可能な理論的および実験的情報によれ
ば、二酸化ウラン核燃料の粒度が大きくなると核分裂気
体の放出速度が低下することが知られている。このよう
な効果は、燃料棒中に存在する空隙の減少または核燃料
の設計燃焼寿命の延長をもたらす点で望ましいものであ
る。しかし残念ながら、粒度の増大に伴って核燃料の高
温クリープ速度が低下するのであって、これは原子炉の
出力上昇に際して被覆により大きなひずみをもたらすた
めに望ましくない。このように核燃料が誘起する被覆の
ひずみは、ペレット・被覆相互作用（PCI）として知ら
れる機構を介して被覆の破損をもたらすことがある。そ
れ故、粒度の増大とクリープ速度の上昇とを共に示すよ
うな核燃料に関心が向けられている。本発明はこのよう
な核燃料を提供するものである。

本発明の核燃料は、被覆の破損を回避するのに有用な
顕微鏡組織を有している。詳しく述べれば、本発明の核
燃料は少なくとも約20ミクロンの平均粒度を有する二酸
化ウラン粒子をガラス状のアルミノケイ酸塩相で包囲し
て成る焼結体である。一般に約1000℃以上にも達する高
温下では、かかるガラス相が焼結体のクリープ速度すな
わち塑性を二酸化ウラン単独の場合よりも顕著に高いレ
ベルにまで増大させるのである。

添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を考察す
れば、本発明は当業者にとって一層良く理解されよう。

二酸化ウラン焼結体を製造するための本発明方法は、
簡単に述べれば、（ａ）核分裂性物質を含有する焼結性
の二酸化ウラン粉末を用意し、（ｂ）約10〜60（重量）
％のAl₂O₃と残部のSiO₂とから成る組成を有する焼結剤
を用意し、（ｃ）前記二酸化ウラン粉末と前記焼結剤と
を混合することにより、二酸化ウランと焼結剤との合計
量を基準として約0.1〜約0.8（重量）％の割合で前記焼
結剤を含有する混合物を調製し、（ｄ）前記混合物を成
形して圧縮体とし、（ｅ）前記焼結剤が液相を成すよう
な焼結温度、すなわち約1500℃を越えかつSiO₂の顕著な
蒸発が起こらない温度に至るまでの範囲内の焼結温度で
前記圧縮体を焼結して焼結生成物を得、次いで（ｆ）前
記焼結生成物を冷却する諸工程から成る結果として、二
酸化ウラン粒子が少なくとも約20ミクロンの平均粒度を
有しかつ前記二酸化ウラン粒子全体の少なくとも約99
（容量）％を占める二酸化ウラン粒子の各々が露出部分
をほとんど残さずにガラス状のアルミノケイ酸塩相で被
覆されているような二酸化ウラン焼結体が得られること
を特徴とするものである。

ここで言う「ガラス相」または「ガラス状のアルミノ
ケイ酸塩相」とは、非晶質のアルミノケイ酸塩相を意味
する。

本発明方法の実施に際しては、核燃料として有用な焼
結体を製造するために有効な量の核分裂性物質を含有す
る焼結性の二酸化ウラン粉末が用意される。かかる核分
裂性物質の代表例としては、²³⁵Uのごときウランおよび
²³⁹Puのごときプルトニウムが挙げられる。通例、二酸
化ウラン粉末は核分裂性のウラン同位体を含有してお
り、しかもかかる同位体の濃縮が施されている場合が多
い。このような粉末は当業界において公知であって、二
酸化ウラン粉末の全量を基準として約0.1〜約５（重
量）％の割合で核分裂性のウラン同位体を含有している
のが通例である。かかる二酸化ウラン粉末中に含まれる
全酸素と全ウランとの原子比（O/U比）は約1.7〜2.25の
範囲内、多くの場合には約2.00を越えて約2.15に至るま
での範囲内にあるが、その値は主として処理条件に依存
する。

一般に、本発明方法において使用される二酸化ウラン
粉末は約２〜12m²/g好ましくは約４〜8m²/gの範囲内の
比表面積を有している。このような粉末を使用すれば、
本発明の焼結温度における焼結を適度な長さの時間内に
達成することができる。それよりも小さい比表面積を有
する二酸化ウラン粉末は、実用的と言えないほどに高い
焼結温度が必要となるばかりでなく、SiO₂の蒸発を防止
するために特別の対策を講じる必要もあるために有用で
ない。他方、それよりも大きい比表面積を有する二酸化
ウラン粉末は化学反応性が大きいために取扱いが難し
い。

本発明方法において使用される焼結剤は、約10〜60
（重量）％のAl₂O₃と残部のSiO₂とから成っている。実
施の一態様に従えば、本発明の焼結剤は約10〜約20（重
量）％のAl₂O₃を含有する一方、別の実施の態様に従え
ば、それは約20（重量）％を越えて約60（重量）％に至
るまでのAl₂O₃を含有する。多くの場合、本発明の焼結
剤は約40〜約55（重量）％のAl₂O₃と残部のSiO₂とから
成っている。

本発明の焼結剤は様々な形態のものであってよい。た
とえば、それはAl₂O₃粉末とSiO₂粉末との混合物および
（または）アルミノケイ酸塩であり得る。かかるアルミ
ノケイ酸塩は天然物質であってもよいし、あるいはAl₂O
₃粉末とSiO₂粉末との混合物の融解または固相焼結のご
とき各種の技術によって製造されたものであってもよ
い。上記の天然物質は、好ましくは本発明の焼結剤を主
成分とする粘土または鉱物であればよい。かかる天然物
質の代表例としては、ベントナイトおよびタイルクレー
が挙げられる。詳しく述べれば、上記の天然物質は焼成
を受けた場合（ただし焼結温度に到達する以前）におい
てアルミノケイ酸塩と約10（重量）％未満の不純物とか
ら成る焼成組成物を与えるような物質であればよい。か
かる焼成組成物中に残留する不純物は本発明の核燃料に
対して顕著な悪影響を及ぼすものであってはならない。

上記のごとき焼結剤は、二酸化ウランと焼結剤との合
計量を基準として約0.1〜約0.8（重量）％の割合で使用
される。焼結剤の使用量は実験的に決定することができ
るが、それは主として所望の焼結体の性質に依存する。
多くの場合、本発明の焼結剤は二酸化ウランと焼結剤と
の合計量を基準として約0.2〜約0.6（重量）％、あるい
は約0.25〜約0.5（重量）％の割合を占める。実施の一
態様に従えば、本発明の焼結剤は二酸化ウランと焼結剤
との合計量を基準として約0.1（重量）％から約0.5（重
量）％未満まで、あるいは約0.1または0.2（重量）％か
ら約0.4（重量）％までの割合を占める。

上記のごとき二酸化ウラン粉末と焼結剤および（また
は）それの原料物質とを混合するためには各種の常用技
術を使用することができる。その際には、焼結剤が二酸
化ウラン粉末中に少なくとも顕著もしくは実質的に一様
に分散して成る混合物を調製することが好ましい。上記
のごとき焼結剤および（または）それの原料物質は微粒
状のものであって、それらの粒度は所望の混合物を与え
るのに十分なものでありさえすればよいが、通例は約20
ミクロン未満である。

所望ならば、焼結体に所望の気孔率を付与するのを容
易にするために気孔形成剤を添加してもよい。かかる目
的のためには通常の気孔形成剤を使用することができる
が、それらの実例としてはシュウ酸アンモニウム、ポリ
メチルメタクリレート、および焼結温度より低い温度で
加熱した際に揮発消失するその他の物質が挙げられる。
かかる気孔形成剤は常法に従って有効量で使用すればよ
い。一般に、気孔形成剤の使用量は二酸化ウラン、焼結
剤および気孔形成剤の合計量を基準として約0.1〜約２
（重量）％の範囲内にあればよい。

上記のごとき混合物を成形または圧縮して圧縮体を得
るためには各種の常用技術を使用することができる。た
とえば、押出し、射出成形、型圧縮または等圧圧縮によ
って所望形状の圧縮体を製造することができる。混合物
の成形を容易にするために滑剤、結合剤または類似の物
質を使用する場合、それらは圧縮体または最終の焼結体
に対して顕著な悪影響を及ぼすものであってはならな
い。このような成形助剤は、比較的低い温度（好ましく
は500℃以下の温度）で加熱した際に蒸発して残留物を
ほとんど生じないような種類のものであることが好まし
い。こうして得られた圧縮体は、焼結時における高密度
化を促進するために約60％未満の気孔率を有することが
好ましく、また約50％未満の気孔率を有すれば一層好ま
しい。

上記の圧縮体は、たとえばペレット、円柱、板または
立方体のごとき任意所望の形状を有するものであってよ
い。なお、かかる圧縮体は円柱（特に直円柱）の形状を
有するのが通例である。

次に、本発明の焼結体を生み出するような条件下で上
記の圧縮体が焼結される。圧縮体の焼結を行う際の雰囲
気は、個々の製造プロセスに応じて様々に変化し得る。
なお、かかる雰囲気は常温またはその付近の温度および
大気圧またはその付近の圧力を有することが好ましい。
上記のごとき圧縮体の焼結は、二酸化ウラン核燃料の製
造に際して単独の二酸化ウランを焼結するために有用で
あることが知られている雰囲気中において行うことがで
きる。とは言え、真空中における焼結はSiO₂を蒸発させ
る傾向があるために有用でない。一般的に述べれば、水
素、好ましくは約20℃の露点を有する湿性水素、平衡状
態において二酸化ウランの酸素／ウラン原子比を所望の
値に維持するのに十分な酸素分圧を与えるような気体混
合物、およびそれらの組合せから成る群より選ばれた雰
囲気中において圧縮体の焼結が行われる。平衡状態にお
いて所望の酸素分圧を与えるような気体混合物の代表例
としては、本発明の場合と同じ譲受人に譲渡されたカー
ター（Carter）の米国特許第3927154号明細書中に開示
されたような二酸化炭素と一酸化炭素との混合物が挙げ
られる。

上記のごとき圧縮体の焼結は、焼結剤が二酸化ウラン
の存在下で液相を生成し、それによって本発明の液相焼
結体の製造が可能となるような温度において行われる。
一般に、焼結剤のSiO₂含量が高くなるほど、液相が生成
される温度は低くなる。本発明の焼結温度は、約1500℃
を越えかつSiO₂の顕著な蒸発が起こらない温度に至るま
での範囲内にあればよい。このような焼結温度は、一般
に約1500℃を越えて約2000℃まで、好ましくは約1540〜
1750℃、また一層好ましくは約1600〜約1700℃の範囲内
にある。

焼結剤が約10〜約20（重量）％のAl₂O₃を含有する場
合には、焼結温度において固体の二酸化ウランおよび液
相のみが存在する。冷却後には、上記の液相がガラス状
のアルミノケイ酸塩相のみを生成する。一般に、このよ
うなガラス状のアルミノケイ酸塩相の組成は焼結剤の組
成と同じか、あるいはそれとほとんど違わない。また、
それの存在量も焼結剤の使用量と同じか、あるいはそれ
とほとんど違わない。

しかるに、焼結剤が約20（重量）％を越えるAl₂O₃を
含有する場合には、約20（重量）％のAl₂O₃と約80（重
量）％のSiO₂とから成るガラス相および柱状の結晶質ム
ライト相が焼結体中に生成される。本発明のこのような
実施の態様においては、一般に、生成されるガラス相お
よびムライト相の合計量は焼結剤の使用量と同じか、あ
るいはそれとほとんど違わない。詳しく述べれば、ガラ
ス相とムライト相との合計量は一般に焼結体の全重量を
基準として約0.1〜約0.8（重量）％の範囲内にあり、そ
してガラス相成分は焼結体の全重量を基準として少なく
とも約0.05（重量）％の量で存在しており、またムライ
ト相成分は少なくとも検出可能な量（すなわち、透過電
子顕微鏡試験法および特定領域電子回折法によって検出
し得る量）で存在している。通例、焼結剤のAl₂O₃含量
が増加するのに伴い、焼結体中に存在するムライト相の
量は増加する。

焼結剤が約20（重量）％を越えるAl₂O₃を含有する場
合、それは焼結温度で完全に液相を成すこともあれば、
そうでないこともある。それが完全に液相を成す場合、
液相の冷却に伴って多少のムライトが析出する。その結
果、被覆された二酸化ウラン粒子間のポケット内に位置
するガラス相中にムライトが存在するような焼結体が得
られることになる。しかるに、より低い焼結温度および
（または）より高いAl₂O₃含量の下では、焼結剤が焼結
温度において液相と多少のムライトとを生成する場合が
ある。その結果、被覆された二酸化ウラン粒子間のポケ
ット内に位置するガラス相中に小さいムライト柱状晶が
存在すると共に、被覆された二酸化ウラン粒子中に大き
いムライト柱状晶が突入しているような焼結体が得られ
ることになる。二酸化ウラン粒子中に突入しているムラ
イト柱状晶は、ガラス相中に位置するムライト柱状晶よ
りも顕著に長い（通例少なくとも約20％だけ長い）もの
である。一般に、二酸化ウラン粒子中に突入しているム
ライト柱状晶の量は焼結体中に存在するムライト相の全
量を基準として約50（容量）％未満である。

かかる焼結に際しては、本発明の焼結体を製造するた
めに必要な時間にわたって圧縮体が焼結温度に保持され
る。焼結温度での保持時間は実験的に決定することがで
きるが、それは主として所望の焼結体の性質に依存す
る。一般に、焼結体中における二酸化ウランの粒度は焼
結温度、焼結温度での保持時間、および焼結剤によって
決定される。通例、焼結温度が高くなるほど、かつ（あ
るいは）焼結温度での保持時間が長くなるほど、二酸化
ウラン粒子は大きくなる。また、焼結剤中のAl₂O₃含量
が高くなるほど二酸化ウラン粒子は大きくなる。

焼結温度への加熱速度は、主として、焼結以前におけ
る副生ガスの除去速度によって制限される。一般に、こ
れは炉内におけるガス流量およびそれの均一性並びに炉
内に存在する物質の量に依存する。一般的に述べれば、
副生ガスが炉外に除去されるまでは毎時約50〜約300℃
化の加熱速度が使用されるが、それは常法によって実験
的に決定すればよい。その後、所望ならば加熱速度を毎
時約300〜500℃の範囲内、そして更には毎時800℃にま
で上昇させることができるが、焼結体が割れるほどに速
くすべきではない。

焼結の完了後、焼結生成物を冷却することによって本
発明の焼結体が得られる。通例、それは室温または室温
付近の温度（一般に約20〜約30℃）にまで冷却される。
焼結生成物の冷却速度は特に重要でないが、焼結体が割
れるほどに速くすべきではない。詳しく述べれば、かか
る冷却速度は商業的な焼結炉において通例使用される冷
却速度と同じであればよい。すなわち、かかる冷却速度
は毎時約100〜約800℃の範囲内にあればよい。焼結生成
物の冷却は、焼結時に使用したものと同じ雰囲気あるい
は焼結生成物または焼結体に対して顕著な悪影響を及ぼ
さない別種の雰囲気中において行うことができる。

実施の一態様に従えば、本発明の焼結体は結晶質の二
酸化ウラン粒子および約10〜約20（重量）％のAl₂O₃と
残部のSiO₂とから成るガラス状の非晶質アルミノケイ酸
塩相から成っている。この実施の態様においては、ガラ
ス相は焼結体の全重量を基準として約0.1〜約0.8（重
量）％の割合を占める。多くの場合、それは焼結体の全
重量を基準として約0.2〜約0.6（重量）％、あるいは約
0.25〜約0.5（重量）％、あるいは0.1（重量）％から約
0.5（重量）％未満まで、あるいは約0.1または0.2（重
量）％から約0.4（重量）％までの割合を占める。

別の実施の態様に従えば、本発明の焼結体は結晶質の
二酸化ウラン粒子、約20（重量）％のAl₂O₃と残部のSiO
₂とから成るガラス状のアルミノケイ酸塩相、およびム
ライト相から成っている。この場合、ガラス相は焼結体
の全重量を基準として少なくとも約0.05（重量）％の量
で存在しており、またムライト相は少なくとも検出可能
な量で存在している。この実施の態様においては、一般
に、ガラス相とムライト相との合計量は焼結剤の使用量
と同じか、あるいはそれとほとんど違わない。詳しく述
べれば、ガラス相とムライト相との合計量は焼結体の全
重量を基準として約0.1〜約0.8（重量）％、あるいは約
0.2〜約0.6（重量）％、あるいは約0.25〜0.5（重量）
％、あるいは約0.1（重量）％から約0.5（重量）％未満
まで、あるいは約0.1または0.2（重量）％から約0.4
（重量）％までの範囲内にある。多くの場合、ガラス相
成分は焼結体の全重量を基準として約0.05（重量）％を
越え、あるいは約0.1（重量）％を越え、あるいは約0.2
（重量）％を越える量で存在している。やはり多くの場
合、ムライト相成分は焼結体の全重量を基準として少な
くとも約0.01（重量）％、あるいは少なくとも約0.1
（重量）％、あるいは少なくとも約0.2（重量）％の量
で存在している。

焼結剤の量が約0.1（重量）％未満である場合には、
本発明の焼結体が得られないことがある。他方、焼結剤
の量が約0.8（重量）％を越える場合には、過剰量のガ
ラス相および（または）ムライト相が生成する。それら
は顕著な利益をもたらさないばかりでなく、二酸化ウラ
ンが占めるべき空間を無駄に占めることになる。

一般に、焼結体中のガラス相は二酸化ウランを含んで
いない。とは言え、場合によっては、現時点で利用可能
とは考えられない特異な分析法によって検出し得る少量
の二酸化ウランがガラス相中に存在することもあり得
る。そのような場合においても、ガラス相中における二
酸化ウランの存在量は通例約0.5（重量）％以下であろ
う。

本発明の焼結体中におけるガラス相は連続相を成して
いる。かかるガラス相により、焼結体中に存在する二酸
化ウラン粒子全体の少なくとも約99（容量）％好ましく
は99.5（容量）％以上を占める二酸化ウラン粒子の各々
が露出部分をほとんど残さずに被覆されている、なお、
全ての二酸化ウラン粒子が露出部分をほとんど残さずに
被覆されていれば最も好ましい。ここで言う「露出部分
をほとんど残さずに二酸化ウランを被覆したガラス相」
とは、該粒子を少なくとも実質的に完全に被覆した被膜
を意味する。詳しく述べれば、上記のガラス相は各々の
二酸化ウラン粒子上に連続した密着性の薄い被膜を形成
しているのであって、その厚さは一般に約５〜約20オン
グストロームの範囲内にある。好適な実施の態様におい
ては、かかるガラス相は焼結体中に存在する二酸化ウラ
ン粒子全体の少なくとも約99（容量）％好ましくは99.5
（容量）％以上を占める二酸化粒子の各々を完全に被覆
（または包囲）している。一層好ましくは、かかるガラ
ス相は全ての二酸化ウラン粒子を完全に包囲している。
かかるガラス相はまた、被覆された二酸化ウラン粒子間
の空隙（すなわち、３粒子間および４粒子間の空隙）内
にもある程度まで存在している。かかる空隙がガラス相
によって充填されている程度は、主として、焼結体中に
存在する。焼結剤の量に依存する焼結体の顕微鏡組織
は、ガラス状のアルミノケイ酸塩相が焼結温度において
液体であったことを示している。

焼結体中の二酸化ウラン粒子は、約20〜約100ミクロ
ン、好ましくは約30〜約80ミクロン、多くは約40〜約70
ミクロン、そして一層多くは約45〜約60ミクロンの範囲
内の平均粒度（すなわち平均粒径）を有している。本発
明の実施の一態様においては、二酸化ウラン粒子の粒度
に顕著な差は存在しない。

平均粒度は常法に従って測定することができる。本発
明においては、標準的な直線交差法が使用された。詳し
く述べれば、研摩および腐食を施した焼結体の断片の顕
微鏡写真上に直線を引き、特定の長さの直線と交わる粒
界を計数し、そしてその数で直線の長さを割ることによ
り、粒子が切り取る線分の平均長さがミクロン単位で求
められた。次に、その値に1.5を掛けることによって平
均粒度が求められた。

本発明の焼結体は、液相焼結を受けたものとしての外
観を有していた。研摩断片中に観察される二酸化ウラン
粒子のかど部はしばしば丸くなっていて、かかるかど部
にはガラス相のポケットが存在している。換言すれば、
それらは液相焼結を受けたセラミックの外観を有してい
るのである。一般に、二酸化ウラン粒子は等軸または実
質的に等軸の結晶から成っている。

本発明の焼結体は、Al₂O₃およびSiO₂の結晶質相を含
まないのが普通である。

本発明の焼結体は常に多少の気孔を含んでいて、それ
らの気孔は一般に閉鎖気孔（すなわち、互いに独立した
気孔）である。かかる気孔は焼結体全域にわたって分布
しているが、それらは少なくとも顕著もしくは実質的に
一様に分布していることが好ましい。一般に、かかる焼
結体の気孔率は焼結体の全体積を基準として約２（容
量）％から約10（容量）％未満までの範囲内にあるが、
それは主として原子炉の構造に依存する。なお、かかる
気孔率は多くは焼結体の全体積を基準として約４〜約８
（容量）％、一層多くは約４〜約６（容量）％、そして
最も多くは約５（容量）％である。かかる気孔の孔径は
約１ミクロンを越えて約20ミクロンまでの範囲内にある
ことが好ましく、また約５〜約20ミクロンの範囲内にあ
れば一層好ましい。

通例、本発明の焼結体の寸法は焼結中に起こる収縮
（すなわち高密度化）の分だけ未焼結体と違っている。

本発明の範囲外にあるアルミノケイ酸塩は、本発明の
焼結体を製造するための焼結剤として有用でない。一般
に、約90（重量）％を越えるSiO₂を含有するアルミノケ
イ酸塩の場合には、得られる焼結体の粒度が小さ過ぎ
る。他方、約60（重量）％を越えてムライト［すなわ
ち、少なくとも約71.5（重量）％のAl₂O₃を含有する結
晶質のアルミノケイ酸塩］の組成に至るまでの量でAl₂O
₃を含有するアルミノケイ酸塩は、大部分の焼結剤が結
晶質のムライトとして存在するために所望のガラス相の
量が過少となるから有用でない。

ムライトは焼結剤として有用でない。なぜなら、焼結
体中に結晶質のムライト相を生成するのみで、本発明に
おいて必要とされるガラス状のアルミノケイ酸塩相を生
成しないからである。

単独のSiO₂も焼結剤として有用でない。なぜなら、得
られる焼結体の粒度が小さ過ぎると共に、生成されるガ
ラス相は焼結体全域にわたって一様に分布していないか
らである。同様に、単独のAl₂O₃は焼結体中に結晶質のA
l₂O₃を生成するので望ましくない。結晶質相は二酸化ウ
ラン焼結体に対して高温での塑性を付与することがない
ため、単独の二酸化ウランの場合よりも顕著に大きい塑
性を持った二酸化ウラン焼結体は得られないのである。

本発明の焼結体は核燃料として有用である。それは、
通例、二酸化ウラン粉末中に存在する量と同じ量の核分
裂性物質を含有している。本発明の焼結体は大きい粒度
を有するため、核分裂気体の放出速度が顕著な低下を示
すことになる。また、二酸化ウラン粒子を被覆するガラ
ス相が焼結体に対して十分な塑性またはクリープ速度を
付与するため、本発明の核燃料は被覆に顕著な持続的応
力を及ぼすことなしに性能を発揮し得ることにもなる。

以下の実施例によって本発明を一層詳しく説明する。
これらの実施例中においては、特に記載のない限り、下
記の手順が使用された。

二酸化ウラン粉末としては、各分裂性のウラン同位体
を含有しかつ約20より大きい酸素／ウラン原子比を有す
るサブミクロンの焼結性二酸化ウラン粉末を使用した。

焼結剤としては微粒状のものを使用した。

強熱前におけるベントナイトの典型的な分析結果は、
重量百分率で表わして、シリカ2.45％、二酸化第二鉄1.
21％、酸化アルミニウム15.47％、酸化カルシウム1.97
％、酸化マグネシウム1.69％、強熱減量6.76％、酸化ナ
トリウム0.23％、酸化カリウム0.06％、硫黄0.032％お
よび酸化チタン0.33％であった。

強熱前におけるタイルクレーの典型的な分析結果は、
重量百分率で表わして、シリカ46.04％、酸化第二鉄0.8
1％、酸化アルミニウム38.80％、酸化カルシウム0.52
％、酸化マグネシウム0.43％、強熱減量13.0％、酸化ナ
トリウム0.09％、酸化カリウム0.12％、硫黄0.041％お
よび二酸化チタン1.33％であった。

常法に従い、二酸化ウラン粉末と焼結剤とを撹拌下で
混合することによって実質的に均質な混合物を調製し
た。

鋼製の型を用いて二酸化ウラン粉末と焼結剤との混合
物を型圧縮することにより、ペレット状の未焼結体（す
なわち、約50％の気孔率を有する概して等軸円柱状の圧
縮体）を形成した。

焼結雰囲気は水素であった。

焼結雰囲気は大気圧またはその付近の圧力を有してい
た。

密度は、常法に従い、焼結体の重量および寸法の測定
値から求めた。

焼結体の気孔率は、焼結体の組成に基づいてそれの理
論密度を算出し、次いで下記の式に従って測定密度と比
較することによって求めた。

焼結体中の二酸化ウラン粒子の平均粒度は、前述のご
とき直線交差法によって求めた。

焼結体の特性は幾つかの標準技術に従って評価した。

別の分析結果に基づけば、焼結体は約2.00の酸素／ウ
ラン原子比を有することが判明した。

焼結体のクリープ速度は、94％のArと６％のH₂とから
成る雰囲気中において高温下で直円柱状の試験片の軸方
向に一定の荷重を加えることによって測定した。かかる
定常クリープ速度は第１表中に示されている。

実施例１ 使用したタイルクレーのアルミノケイ酸塩成分は、約
45（重量）％のAl₂O₃と約55（重量）％のSiO₂とから成
っていた。このタイルクレーを空気中において750℃で
一定重量になるまで焼成した。99.75（重量）％の二酸
化ウラン粉末および0.25（重量）％の焼成タイルクレー
粉末［アルミノケイ酸塩成分の量は二酸化ウランとアル
ミノケイ酸塩との合計量を基準として約0.24（重量）
％］を、（二酸化ウラン粉末とタイルクレー粉末との混
合物を基準として）２（重量）％の一時結合剤および0.
8（重量）％の気孔形成剤と共に、アルミナ粉砕媒体を
含む振動ミル内において混合した。こうして得られた混
合物を圧縮することによって5.35g/cm³の未焼結密度
（約52％の気孔率）を有するペレットを形成し、次いで
それらを（25％のN₂と75％のH₂とから成りかつ約10℃の
露点を有する）湿性分解アンモニア雰囲気中において約
1650℃で約４時間にわたり焼結した。なお、結合剤およ
び気孔形成剤は1000℃以下で分解して揮発消失した。

こうして得られた焼結体の一部について顕微鏡組織を
調べたところ、ガラス相は二酸化ウラン粒子の粒界に実
質的に一様に分布していることが判明した。二酸化ウラ
ン粒子の平均粒度は約27〜33ミクロンであった。かかる
焼結体は約５（容量）％の気孔率を有していて、それら
の気孔は焼結体中に分布した閉鎖気孔から成っていた。
かかる焼結体は核燃料として有用なものであった。

同様な焼結体について行った化学分析の結果に基づけ
ば、ガラス相はアルミノケイ酸塩相であって、それの組
成および量は焼結剤中のアルミノケイ酸塩成分の組成お
よび量とほとんど違わないことが判明した。別の試験結
果に基づけば、ガラス相は連続し、相互に連結した相を
成しており、かつ二酸化ウラン粒子全体の99（容量）％
以上を占める二酸化ウラン粒子の各々が露出部分をほと
んど残さずに該ガラス相で被覆されていることも判明し
た。

上記のごとき焼結体をジルコニウム合金（ジルカロイ
−２）製の被覆管内に装填することによって第１の燃料
棒を形成した。

比較のため、二酸化ウランのみから成る標準的な核燃
料も製造した。詳しく述べれば、二酸化ウラン粉末を圧
縮することによって5.10〜5.18g/cm³の未焼結密度（約5
5％の気孔率）を有するペレットを形成し、次いでそれ
らを（25％のN₂と75％のH₂とから成りかつ約10℃の露点
を有する）湿性分解アンモニア雰囲気中において約1780
℃で約４時間にわたり焼結した。こうして得られた焼結
体は約15〜17ミクロンの平均粒度を有していた。かかる
二酸化ウランのみの焼結体をジルコニウム合金（ジルカ
ロイ−２）製の被覆管内に装填することにより、第１の
燃料棒と実質的に同様な第２の燃料棒を形成した。

各々の燃料棒を原子炉内において実質的に同じ低出力
条件下で照射し、次いで計器を装着した。それにより、
以後の照射中における伸び特性を出力の関数として測定
した。

こうして得られた結果を第２図に示す。すなわち、0.
25（重量）％のタイルクレーを含有する本発明の核燃料
および二酸化ウランのみから成る標準的な核燃料に関す
る燃料棒の伸びが時間の関数として示されている。ま
た、燃料棒の出力レベル（kW/m単位）も示されている。
核燃料の出力レベルが上昇すると燃料棒は伸びるが、次
いで経時的に収縮することがわかる。第２図に示される
通り、高い出力レベルにおいては、本発明の燃料棒は各
回の出力上昇後に顕著な収縮を示す。これは、本発明の
核燃料が大きな変形速度を有していて、そのために被覆
中の応力の急速な緩和が生じることを示している。

それに対し、標準的な核燃料を含む燃料棒はペレット
・被覆相互作用機構によって52kW/mで破損した。これ
は、被覆が核燃料によって誘起された大きい持続応力に
耐えられなかったためである。第２図中においては、破
損点は燃料棒の特徴的な急速収縮によって示されてい
る。

上記の結果から推測される通り、本発明の核燃料の大
きな変形速度が被覆中の応力の急速な緩和をもたらす結
果、本発明の核燃料を使用した燃料棒はペレット・被覆
相互作用に対する抵抗性の増大を示すことがわかる。

実施例２ 本実施例では、納入されたままのタイルクレーを焼結
剤として使用した。それのアルミノケイ酸塩成分は約46
（重量）％のAl₂O₃と約54（重量）％のSiO₂とから成っ
ていた。

0.5（重量）％の上記タイルクレーを二酸化ウラン粉
末と混合することにより、二酸化ウランと焼結剤との合
計量を基準として約0.435（重量）％の焼結剤を含有す
る混合物を調製した。

上記の混合物を圧縮することにより、ほぼ同じ寸法を
有する数個の圧縮体を形成した。これらの圧縮体を水素
中において約1650℃で同時に焼結した。その際には、圧
縮体を約４時間にわたって焼結温度に保持した後、室温
にまで炉内冷却した。

こうして得られた焼結体は約23ミクロンの平均粒度を
有していた。また、かかる焼結体は約３（容量）％の気
孔率を有していて、それらの気孔は焼結体中に分布した
閉鎖気孔から成っていた。

２個の焼結体についてクリープ速度を測定したが、そ
の結果は第１表中に実施例2Aおよび2Bとして示されてい
る。詳しく述べれば、実施例2Aにおいては、焼結体が15
00℃の温度および2000psiの応力下で2.60×10^-3hr^-1の
クリープ速度を有していた。この値は、二酸化ウランの
みから成りかつ約15ミクロンの平均粒度を有する焼結体
を同じ温度および応力条件下で測定した場合に得られる
文献記載のクリープ速度の約30倍に相当する。また、実
施例2Bにおいては、焼結体が1500℃の温度および4000ps
iの応力下で5.7×10^-3hr^-1のクリープ速度を有してい
た。この値は、二酸化ウランのみから成りかつ約15ミク
ロンの平均粒度を有する焼結体を同じ温度および応力条
件下で測定した場合に得られる文献記載のクリープ速度
の約30倍に相当する。

別途に行った一連の実験によれば、焼結体は結晶質の
二酸化ウラン粒子、ガラス相および結晶質ムライト相か
ら成り、またガラス相は約20（重量）％のAl₂O₃と約80
（重量）％のSiO₂とから成るアルミノケイ酸塩であるこ
とが判明した。また、別の試験結果に基づけば、焼結体
中におけるガラス相とムライト相との合計量は焼結剤中
のアルミノケイ酸塩成分の量とほとんど違わず、しかも
ガラス相およびムライト相は実質的に等しい量で存在し
ていることも判明した。更にまた、別の試験結果に基づ
けば、ガラス相は連続相を成しており、かつ二酸化ウラ
ン粒子全体の99（容量）％以上を占める二酸化ウラン粒
子の各々が露出部分をほとんど残さずに該ガラス相で被
覆されていることも判明した。更にまた、別の試験結果
に基づけば、ムライト相は二酸化ウラン粒子間の空隙内
に柱状晶として存在していることも判明した。

実施例３ 本実施例で使用した焼結剤は、45（重量）％のAl₂O₃
粉末と55（重量）％のSiO₂粉末とから成っていた。

上記の焼結剤を二酸化ウラン粉末と混合することによ
り、混合物の全重量を基準として約0.5（重量）％の焼
結剤を含有する実質的に均質な混合物を調製した。

上記の混合物を圧縮することによって圧縮体を形成し
た。これらの圧縮体を約1640℃で７時間にわたり焼結し
た後、ほぼ室温にまで炉内冷却した。

こうして、得られた焼結体の研摩断片を光学顕微鏡下
で検査した。それは二酸化ウラン粒子、ガラス相および
ムライト相から成っていた。ムライト相は二酸化ウラン
粒子間に位置するガラス相のポケット内に柱状晶として
存在していた。別の試験結果に基づけば、ガラス相は約
20（重量）％のAl₂O₃と約80（重量）％のSiO₂とから成
るアルミノケイ酸塩であり、焼結体中におけるガラス相
とムライト相との合計量は焼結剤の使用量とほとんど違
わず、またガラス相およびムライト相は実質的に等しい
量で存在していることも判明した。また、別の試験結果
に基づけば、ガラス相は連続相を成しており、かつ二酸
化ウラン粒子全体の99（容量）％以上を占める二酸化ウ
ラン粒子の各々が露出部分をほとんど残さずに該ガラス
相で被覆されていることも判明した。

二酸化ウラン粒子の粒度に顕著な差は見られず、また
それらの平均粒度は約37ミクロンであった。

第１表中に示される点を除き、実施例３の場合とほぼ
同様にして実施例４および６を行った。

また、第１表中および下記に示される点を除き、実施
例６の場合とほぼ同様にして実施例７を行った。実施例
７においては、0.125（重量）％の焼成タイルクレー
［アルミノケイ酸塩成分の量は二酸化ウランとアルミノ
ケイ酸塩との合計量を基準として約0.12（重量）％］を
使用した。実施例７の焼結体の断片を機械的に薄くし、
イオンエッチングを施し、次いで透過電子顕微鏡によっ
て検査した。こうして得られた透過電子顕微鏡写真を第
１図に示すが、それによれば薄い粒間ガラス相が認めら
れる。また、二酸化ウラン粒子間のポケット内に位置す
るガラス相中には柱状のムライト相も認められた。

更にまた、第１表中および下記に示される点を除き、
実施例２の場合とほぼ同様にして実施例８を行った。使
用したベントナイトのアルミノケイ酸塩成分は、約18
（重量）％のAl₂O₃と約82（重量）％のSiO₂とから成っ
ていた。実施例８においては、納入されたベントナイト
を融解し、凝固させ、次いで粉砕することにより、−32
5メッシュ（米国標準ふるい）の粒度を有する粉末を生
成した。こうして得られたベントナイト粉末を0.125
（重量）％の割合［アルミノケイ酸塩成分の量は二酸化
ウランとアルミノケイ酸塩との合計量を基準として約0.
118（重量）％］で使用した。実施例８の焼結体の断片
を機械的に薄くし、イオンエッチングを施し、次いで透
過電子顕微鏡によって検査した。透過電子顕微鏡写真中
には、実施例７において得られた第１図の透過電子顕微
鏡写真の場合と同様な薄い粒間ガラス相が認められた。

実施例２〜８を第１表中に要約して示す。

第１表中においては、「平均粒度」とは焼結体の二酸
化ウラン粒子の平均粒度である。また、焼結体の相組成
は「二酸化ウラン以外の相」として示されている。

実施例２〜８において得られた焼結体は核燃料として
有用なものである。詳しく述べれば、第１表中に示され
た実施例２の焼結体のクリープ速度は、二酸化ウランの
みから成りかつより小さい平均粒度を有する同様な焼結
体に関して文献中に報告されたクリープ速度よりも実質
的に大きい。このように変形速度が大きい結果、本発明
の核燃料は被覆に顕著な応力を及ぼすことなしに性能を
発揮し得ることになる。

また、本発明の焼結体はより大きい粒度を有している
結果、核分裂気体の放出速度が顕著な低下を示すことに
もなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焼結体の金属組織を示す研摩断片の透
過電子顕微鏡写真（倍率1,584,000×）であって、ガラ
ス状のアルミノケイ酸塩相は実質的に真直ぐな明るい線
として示されている。 第２図は、原子炉内における試験に際し、出力の段階的
上昇（最下部のグラフ）に応答して生じた本発明の核燃
料を含む燃料棒の伸び（グラフ）および従来の核燃料
を含む燃料棒の伸び（グラフ）を示す線図である。第
２図中においては、図示の都合上、グラフおよびは
伸び目盛上において200ミクロンだけずらしてある。な
お、本発明の核燃料は0.25（重量）％のタイルクレーを
用いて製造されたのに対し、従来の核燃料は二酸化ウラ
ンのみから成っていた。

フロントページの続き (72)発明者 ハーマン・ソロモン・ローゼンバウム アメリカ合衆国、カリフォルニア州、フ レモント、ケンシントン・ドライブ、 917番 (72)発明者 ジョン・ハリス・デビーズ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サ ン・ホゼイ、ナンキャロウ・ウェイ、 1311番 (72)発明者 ミッキィ・オービル・マーロウ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、フ レモント、アロエ・コート、46915番 (56)参考文献 特開 昭55−27942（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−197496（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−87089（ＪＰ，Ａ) 「原子炉材料ハンドブック」（日刊工 業新聞社昭和52年10月31日発行）第143, 144，160〜166頁

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】結晶質の二酸化ウラン粒子とアルミノケイ
   酸塩の非晶質ガラス相とから成っていて、前記二酸化ウ
   ラン粒子が20〜80ミクロンの範囲内の平均粒度を有し、
   前記ガラス相が連続し、相互に連結した相を成してお
   り、前記二酸化ウラン粒子全体の少なくとも99（容量）
   ％を占める二酸化ウラン粒子の各々が露出部分をほとん
   ど残さずに前記ガラス相で被覆されており、前記ガラス
   相が核燃料体の全重量を基準として0.1〜0.8（重量）％
   の割合を占め、前記ガラス相が10〜20（重量）％のAl₂O
   ₃と残部のSiO₂とから成り、かつ核燃料体の全体積を基
   準として２（容量）％以上10（容量）％未満までの範囲
   内の気孔率を有することを特徴とする核燃料体。
2. 【請求項２】結晶質の二酸化ウラン粒子、10〜20（重
   量）％のAl₂O₃と残部のSiO₂とから成る非晶質ガラス
   相、および柱状の結晶質ムライト相から成っていて、前
   記二酸化ウラン粒子が20〜80ミクロンの範囲内の平均粒
   度を有し、前記ガラス相が連続し、相互に連結した相を
   成しており、前記二酸化ウラン粒子全体の少なくとも99
   （容量）％を占める二酸化ウラン粒子の各々が露出部分
   をほとんど残さずに前記ガラス相で被覆されており、前
   記ガラス相と前記ムライト相との合計量が核燃料体の全
   重量を基準として0.1〜0.8（重量）％の割合を占め、前
   記ガラス相が核燃料体の全重量を基準として少なくとも
   0.05（重量）％の量で存在し、前記ムライト相が少なく
   とも検出可能な量で存在し、かつ核燃料体の全体積を基
   準として２（容量）％以上10（容量）％未満までの範囲
   内の気孔率を有することを特徴とする核燃料体。