JP3339536B2 - 二酸化ウラン粉末の製造方法 - Google Patents

二酸化ウラン粉末の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、原子炉燃料の製造に適
した二酸化ウラン(UO2)粉末を六フッ化ウラン(U
6)の変換により製造する方法に関する。更に詳しく
は結晶粒径の大きな核燃料ペレットを製造するに適した
二酸化ウラン粉末の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の製造方法として、湿式法
と乾式法が知られており、湿式法の中ではADU(重ウ
ラン酸アンモニウム)法が最も多く用いられている。A
DU法は、UF6ガスを気液反応で加水分解してウラニ
ルイオン含有液とし、この含有液にアンモニア水溶液を
添加して重ウラン酸アンモニウムを沈殿させ、これを濾
過し、乾燥し、焙焼・還元して二酸化ウラン粉末を得る
方法である。しかしこの方法では、アンモニア水が目的
とする中間生成物であるADUの沈殿反応の他に、上記
加水分解において副生するHFとも反応するために、本
来目的とする量より過剰のアンモニア水を必要とし、か
つ上記アンモニアの添加によってNH4Fが副生し、こ
れが上記濾過工程で濾液中に移行する等の問題点があ
る。
【0003】これらの問題点を解決する方法として特開
昭62−197318号公報による二酸化ウランを製造
する方法が提案されている。この方法はUF6ガスと水
蒸気の気相反応によりUO22粒子とHFガスに分離
し、このUO22粒子を水に溶解してUO22水溶液を
生成させ、これにアンモニア水溶液を添加して重ウラン
酸アンモニウムを沈殿させ、これを濾過し、乾燥させ、
乾燥した重ウラン酸アンモニウムを焙焼・還元してUO
2粉末を得ることを特徴とする。一方、近年の原子力発
電における技術革新の試みのひとつとして、原子炉燃料
をより長期間使用する、いわゆる高燃焼度化の計画が検
討されている。この高燃焼度化に伴って燃料からの核分
裂生成ガス(FPガス)の放出が増大し、これによる燃
料棒内の内圧上昇及びペレット−被覆管ギャップの熱伝
導度の低下が起こり、燃料の健全性が低下する可能性が
あるため、高燃焼度化を実現するにはFPガスのペレッ
ト外への放出を低減することが必要である。このFPガ
スの保持効果を高めるためには、ペレットの結晶粒径を
大きくするのが有効であることが判っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし上記特開昭62
−197318号公報に示される方法では従来のADU
法に比べてアンモニア水の使用量及び副生NH4Fの発
生量を減少させることは可能であるが、得られるUO2
粉末のハンドリング性(成形性)及び焼結特性が不十分
であり、結晶粒径の更に大きな核燃料ペレットを製造す
るには限界がある等の問題点が残されている。本発明の
目的は、ハンドリング性及び焼結特性に優れ、かつ結晶
粒径の大きな核燃料ペレットの製造に適したUO2粉末
を得ることができる二酸化ウラン粉末の製造方法を提供
することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の二酸化ウラン粉末の製造方法はUF6ガス
と水蒸気とを反応させてUO22粒子を生成する工程
と、このUO22粒子とアンモニウム塩とを水相中で反
応させてウラン酸アンモニウム塩を生成する工程と、生
成したウラン酸アンモニウム塩を固液分離する工程と、
固液分離されたウラン酸アンモニウム塩を焙焼・還元し
てUO2粉末を生成する工程とを含むことを特徴とす
る。本発明において、水相中でのUO22粒子とアンモ
ニウム塩との反応がアンモニウム塩水溶液へのUO22
粒子の混合添加により行われるか、又はUO22粒子を
水に溶解して生成したUO22水溶液とアンモニウム塩
水溶液との混合により行われることが望ましい。
【0006】アンモニウム塩は炭酸アンモニウム及び有
機酸のアンモニウム塩のいずれか又は双方であることが
望ましく、この場合有機酸のアンモニウム塩は酢酸アン
モニウム、シュウ酸アンモニウム又はコハク酸アンモニ
ウムのいずれかを包含する。従って、生成するウラン酸
アンモニウム塩は好ましくは炭酸ウラニルアンモニウ
ム、酢酸ウラニルアンモニウム、シュウ酸ウラニルアン
モニウム及びコハク酸ウラニルアンモニウムからなる群
から選ばれた1種又は2種以上の化合物である。
【0007】次に本発明の二酸化ウラン粉末の製造方法
の一例を図1に示す装置に基づいて説明する。図1に示
すように、UF6ガスは導入管10を通じて、また水蒸
気は導入管11を通じてそれぞれ流動層反応装置12内
に導入され、この内部で反応してUO22粒子を生成す
る。流動層反応装置12の好ましい操作温度は200〜
500℃である。流動層反応装置12で副生するHFガ
スは凝縮器13によってHF水溶液として回収され、容
器14に受けられる。
【0008】生成したUO22粒子は反応装置12の流
動層からオーバーフローして排出され、溶解装置16に
導入し、そこに導管17から導入される水によって溶解
される。溶解装置16で生成したUO22水溶液は反応
容器18に送られ、そこに導管19から導入されるアン
モニウム塩水溶液と反応してウラン酸アンモニウム塩の
沈殿を生成する。ウラン酸アンモニウム塩の沈殿を含む
液体は濾過装置21に移送されて、沈殿と濾液に分離さ
れ、濾別された沈殿は乾燥装置22に送られて乾燥され
る。乾燥されたウラン酸アンモニウム塩は焙焼・還元装
置23に送られ、導管24より導入される水素ガス、窒
素ガス及び水蒸気よりなる混合ガスと反応して、焙焼・
還元され、UO2を生成し、製品の二酸化ウランとして
容器26に受容される。なお27は排気処理系である。
【0009】次に本発明の二酸化ウラン粉末の製造方法
の別の例を図2に示す装置に基づいて説明する。図2に
示すように、UF6ガスは導入管10を通じて、また水
蒸気は導入管11を通じてそれぞれ流動層反応装置12
内に導入され、この内部で反応してUO22粒子を生成
する。流動層反応装置12の好ましい操作温度は200
〜500℃である。流動層反応装置12で副生するHF
ガスは凝縮器13によってHF水溶液として回収され、
容器14に受けられる。
【0010】生成したUO22粒子は流動層反応装置1
2の流動層からオーバーフローして排出され、アンモニ
ウム塩水溶液が収納されている反応容器31に送られ
る。このアンモニウム塩水溶液は導管32を通じて反応
容器31に導入される。反応容器31内において、UO
22粒子はアンモニウム塩水溶液に添加され、撹拌器3
3で混合されてウラン酸アンモニウム塩の沈殿を生成す
る。ウラン酸アンモニウム塩の沈殿を含む液体は濾過装
置21に移送されて、沈殿と濾液に分離され、濾別され
た沈殿は乾燥装置22に送られて乾燥される。乾燥され
たウラン酸アンモニウム塩は焙焼・還元装置23に送ら
れ、導管24より導入される水素ガス、窒素ガス及び水
蒸気よりなる混合ガスと反応して、焙焼・還元され、U
2を生成し、製品の二酸化ウラン粉末として容器26
に受容される。なお27は排気処理系である。
【0011】
【作用】UO22粒子とアンモニウム塩との水相中での
反応によって生成したウラン酸アンモニウム塩は固液分
離された後の流動性が良好であるため、このウラン酸ア
ンモニウム塩を焙焼・還元すると、ハンドリング性及び
焼結特性に優れたUO2粉末が得られる。
【0012】
【実施例】次に本発明の具体的態様を示すために、本発
明の実施例を図1及び図2の装置に基づいて説明する。 <実施例1>上述のように構成された図1の装置を下記
の操作条件で操作してUO2粉末を製造した。 流動層反応装置12の操作温度 : 300℃ UF6ガスの供給速度 : 200g/分 水蒸気供給速度 : 70g/分 UO22粒子の生成速度 : 167g/分 UO22粒子と水との混合比(重量) : 0.13 アンモニウム塩 : 炭酸アンモニウム アンモニウム塩水溶液の濃度 : 20% UO22水溶液とアンモニウム塩水溶液 の混合比(NH3/Uモル比) : 5 ウラン酸アンモニウム塩 : 炭酸ウラニルアンモニウム 焙焼・還元装置23の操作温度 : 650℃ 水素ガス及び水蒸気 よりなる混合ガスの混合比(容量) : H2/水蒸気=1/1 <実施例2>アンモニウム塩として炭酸アンモニウムの
代わりに酢酸アンモニウムを用いた以外は実施例1と実
質的に同じ操作を繰返してUO2粉末を製造した。
【0013】<実施例3>上述のように構成された図2
の装置を下記の操作条件で操作してUO2粉末を製造し
た。 流動層反応装置12の操作温度 : 300℃ UF6ガスの供給速度 : 200g/分 水蒸気供給速度 : 70g/分 UO22粒子の生成速度 : 167g/分 アンモニウム塩 : 炭酸アンモニウム UO22粒子の添加速度 : 167g/分 アンモニウム塩水溶液の濃度 : 20% UO22粒子とアンモニウム塩水溶液 の混合比(NH3/Uモル比) : 5 ウラン酸アンモニウム塩 : 炭酸ウラニルアンモニウム 焙焼・還元装置23の操作温度 : 650℃ 水素ガス及び水蒸気 よりなる混合ガスの混合比(容量) : H2/水蒸気=1/1 <実施例4>アンモニウム塩として炭酸アンモニウムの
代わりにシュウ酸アンモニウムを用いた以外は実施例3
と実質的に同じ操作を繰返してUO2粉末を製造した。
【0014】<比較例>反応容器31内において、UO
22粉末とアンモニウム塩水溶液とを反応させる代わり
に流動層反応装置12で生成したUO22粉末を水に溶
解してUO22水溶液を調製し、このUO22水溶液を
反応容器31に導入し、かつアンモニア水溶液を導管3
2から反応容器31に導入して重ウラン酸アンモニウム
(ADU)の沈殿を生成させ、このADU沈殿を濾過装
置21及び乾燥装置22を経由して焙焼・還元装置23
に移送し、ここで焙焼・還元した。それ以外は実施例3
と実質的に同じ操作を繰返してUO2粉末を製造した。
【0015】<評価>実施例1〜実施例4及び比較例か
ら製造したUO2粉末の代表的物性及びこれらのUO2
末から同一条件でペレットを製造したときのペレットの
結晶粒径を表1に示す。
【0016】
【表1】
【0017】表1から明らかなように、比較例と比べて
実施例1〜4は成形性及び焼結特性に優れ、かつ結晶粒
径の大きなペレットが得られることが判った。
【0018】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、U
6ガスと水蒸気とを反応させてUO22粒子を生成さ
せ、このUO22粒子とアンモニウム塩とを水相中で反
応させてウラン酸アンモニウム塩を生成させ、生成した
ウラン酸アンモニウム塩を固液分離し、固液分離された
ウラン酸アンモニウム塩を焙焼・還元してUO2粉末を
生成させるようにしたから、成形性及び焼結特性に優
れ、かつ結晶粒径の大きなペレットの製造に適したUO
2粉末を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法の一例を実施するのに用いる装置
の構成図。
【図2】本発明の方法の別の例を実施するのに用いる装
置の構成図。
【符号の説明】
10 UF6ガスの導入管 11 水蒸気の導入管 12 流動層反応装置 13 HFガスの凝縮器 14 容器 16 溶解装置 17 水の導管 18,31 反応容器 19,32 アンモニウム塩水溶液の導管 21 濾過装置 22 乾燥装置 23 焙焼・還元装置 24 混合ガスの導管 26 二酸化ウランの容器 27 排気処理系 33 撹拌器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 橋本 知彦 茨城県那珂郡那珂町大字向山字六人頭 1002番地の14 三菱マテリアル株式会社 那珂エネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−197318(JP,A) 特開 昭58−176129(JP,A) 特開 昭58−74526(JP,A) 特開 昭53−149195(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01G 43/025 G21C 3/62

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 UF6ガスと水蒸気とを反応させてUO2
    2粒子を生成する工程と、 前記UO22粒子とアンモニウム塩とを水相中で反応さ
    せてウラン酸アンモニウム塩を生成する工程と、 前記ウラン酸アンモニウム塩を固液分離する工程と、 前記固液分離されたウラン酸アンモニウム塩を焙焼・還
    元してUO2粉末を生成する工程とを含む二酸化ウラン
    粉末の製造方法。
  2. 【請求項2】 水相中でのUO22粒子とアンモニウム
    塩との反応がアンモニウム塩水溶液へのUO22粒子の
    混合添加により行われる請求項1記載の二酸化ウラン粉
    末の製造方法。
  3. 【請求項3】 水相中でのUO22粒子とアンモニウム
    塩との反応がUO22粒子を水に溶解して生成したUO
    22水溶液とアンモニウム塩水溶液との混合により行わ
    れる請求項1記載の二酸化ウラン粉末の製造方法。
  4. 【請求項4】 アンモニウム塩が炭酸アンモニウム及び
    有機酸のアンモニウム塩のいずれか又は双方である請求
    項1ないし3いずれか記載の二酸化ウラン粉末の製造方
    法。
  5. 【請求項5】 有機酸のアンモニウム塩が酢酸アンモニ
    ウム、シュウ酸アンモニウム又はコハク酸アンモニウム
    のいずれかである請求項4記載の二酸化ウラン粉末の製
    造方法。
  6. 【請求項6】 ウラン酸アンモニウム塩が炭酸ウラニル
    アンモニウム、酢酸ウラニルアンモニウム、シュウ酸ウ
    ラニルアンモニウム及びコハク酸ウラニルアンモニウム
    からなる群から選ばれた1種又は2種以上の化合物であ
    る請求項1ないし3いずれか記載の二酸化ウラン粉末の
    製造方法。
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