JP3919929B2 - 核燃料ペレットと、その製造方法と、その燃料要素および燃料集合体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｇｄ2 Ｏ3 等の核的毒物を含有する核燃料ペレットおよびその製造方法、ならびにその核燃料ペレットを装填した燃料要素およびその燃料要素を組み込んだ燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、軽水炉用核燃料では中性子吸収材としてＧｄが使用されており、軽水炉用核燃料の高燃焼度化に伴なってＧｄの添加濃度が増大する傾向にある。通常、Ｇｄを添加したＵＯ2 核燃料ペレットはＵＯ2 粉末とＧｄ2 Ｏ3 粉末を機械的に混合し、これを圧粉成形したのち、焼結して得られる。
【０００３】
ＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との混合酸化物はＵＯ2 に比べ焼結性が低く、同一焼結条件下では、その焼結核燃料ペレットの密度、結晶粒径は共にＵＯ2 焼結核燃料ペレットよりも小さくなることが一般に知られている。さらにＧｄの添加濃度が高い場合には、焼結中に微細な割れ（マイクロクラック）が容易に発生することが知られている。
【０００４】
結晶粒径が小さいと核分裂生成ガス（ＦＰガス）の拡散距離が小さくなり、燃焼中のＦＰガス放出およびスエリング量が大きくなる欠点がある。また、マイクロクラックが存在すると、核燃料ペレットの実効的な熱伝導率を低下させ、ひいては燃焼中のＦＰガス放出およびスエリング量を増大させる。
【０００５】
Ｇｄ2 Ｏ3 を添加した焼結核燃料ペレットの結晶粒径を増大させ、マイクロクラックを発生させないためには、ＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との固溶状態を良くする必要があると考えられており、従来、均一な組織を有する核燃料ペレット、すなわちＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との固溶状態が良い核燃料ペレットを製造する方法が検討されてきた。
【０００６】
そのうち、共沈法によって製造したＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を使用する方法は、溶液状態でＵとＧｄを混合し、同時に沈殿させるため、非常に均一に混合されたＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得ることができ、焼結核燃料ペレット中のＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との固溶状態が極めて良好で、均一な組織を持った核燃料ペレットが得られる。
【０００７】
しかしながら、この方法は、非常に工程が複雑で費用が高くなる上、沈殿時に核燃料物質で汚染された多量の放射性廃液が発生するという欠点がある。
そこで、機械的に混合されたＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を用いて固溶状態の良い燃料ペレットを得る製造方法（例えば特開平５−11088 号公報，特開平１−193691号公報，特開平２−242195号公報）が提唱されている。
【０００８】
これらの方法では、焼結助剤を添加して焼結する方法が採用されている。また、酸素ポテンシャルを高くし、カチオンの拡散を促進することにより、より良い固溶状態が得られることも知られている。
【０００９】
一方、ＵＯ2 にＧｄが固溶すると、Journal of Nuclear Materialsの第 105巻（1982年）の 201頁以降に報告されているように、ＵＯ2 中の不純物濃度が上昇することによって熱伝導率が低下することが知られている。
【００１０】
この熱伝導率の低下は、燃料中心温度の増大、その結果としてＦＰガス放出およびスエリング量、ペレット被覆管相互作用（ＰＣＩ）の増大を招く。このため、燃料集合体を構成する燃料要素のうち、Ｇｄ2 Ｏ3 添加核燃料ペレットを装填した燃料要素が経験する最大出力は、通常低目に設計されている。
【００１１】
そこで、Ｇｄの固溶を抑えることにより、ペレットの熱伝導率の低下を低減する方法（例えば特開昭59−90082 号公報，特開昭60−231195号公報）が提唱されている。特開昭59−90082 号公報には、硼化タングステンで被覆した１μｍ〜20μｍのＧｄ2 Ｏ3 粒子を添加することにより、焼結中におけるＵＯ2 粒子とＧｄ2 Ｏ3 粒子の接触を避けてＧｄを固溶させない方法が示されている。
【００１２】
特開昭60−231195号公報には、１mm以上のＧｄ2 Ｏ3 粒子を添加することにより、焼結中におけるＵＯ2 粒子とＧｄ2 Ｏ3 粒子の接触面積を少なくしてＧｄの固溶を抑える方法が示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭60−231195号公報の方法では、焼結中にＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との反応を完全に避けることはできず、焼結中にＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との反応界面で、体積変化を伴う相変化が起こり続けるために、界面近傍に気孔やクラックが発生する。これらの気孔やクラックは、密度の減少および熱伝導率の低下ならびにＦＰガスの放出経路の増加を招くことになり、期待した効果が得られない。
【００１４】
同様の概念を応用した例が、国際会議（International Atomic Energy Agency,Technical Committee Meeting on Advances in Pellet Technology for Improved Performance at High Burnup,Tokyo,Japan,28 October-1 November 1996,Paper No.2-1 ）で報告されており、Ｇｄ2 Ｏ3 の小球を熱処理してＵＯ2 粉末に混合し焼結することによりＧｄ2 Ｏ3 小球分散型核燃料ペレットを得ている。
【００１５】
しかし、この核燃料ペレットには、マイクロクラックは観測されなかったが、Ｇｄ2 Ｏ3 小球の周りに気泡郡が集まり、一部連結している。このことから、熱伝導率の向上は小さいものと推察される。
【００１６】
また、特開昭59−90082 号公報の方法では、工程が複雑で費用が高くなり工業的でない上、硼化タングステンとＵＯ2 の熱膨張率が異なること等により界面近傍にクラックが発生し、熱伝導率の低下を招くことが予想され、やはり期待した効果が得られない。
【００１７】
本発明はかかる問題に対処してなされたもので、Ｇｄ2 Ｏ3 等の核的毒物を含有する酸化物焼結核燃料ペレットに係り、さらに詳しくは、核燃料ペレット内にＧｄ等の核的毒物の核燃料ペレット平均濃度よりも高い濃度の領域を存在させることにより、Ｇｄ等の核的毒物濃度が核燃料ペレット平均で同一の従来の核燃料ペレットに比べて熱伝導率の低下を抑えたことを特徴とするＧｄ2 Ｏ3 添加焼結核燃料ペレットおよびその製造方法ならびにその核燃料ペレットを装填した燃料要素およびその燃料要素を組み込んだ燃料集合体を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、核燃料ペレットにおいて、ＵＯ2の核燃料にＧｄ2Ｏ3の核的毒物が添加されて焼結した核燃料ペレットにおいて、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して焼結体を形成することにより、前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となることを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明は、前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内に分散する高核的毒物濃度領域を構成するＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であることを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、核燃料ペレットの製造方法において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末を成形し、これにＵＯ2から成る核燃料粉末を所定の混合比で混合した後、圧縮成形して圧縮成形体とし、次に１６００℃〜１８００℃の範囲内の焼結温度で、ＵＯ2母相内に分散された高核的毒物濃度領域が蛍石型結晶構造または立方晶構造となり得る酸素分圧を有する焼結ガス中で前記圧縮成形体を焼結することを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、前記高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量は最大でも６０ｗｔ％であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明は、前記焼結ガスはＣＯとＣＯ2混合ガスであることを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明は、燃料要素において、複数個の焼結した核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填し、前記被覆管の両端を封入してなる核燃料要素において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して核燃料ペレットを形成することにより、前記核燃料ペレットはそのペレット内のＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっているとともに、前記核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であるものからなることを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明は、燃料集合体において、複数個の焼結した核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填し、前記被覆管の両端を封入してなる燃料要素等が組み込まれた燃料集合体において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して核燃料ペレットを形成することにより、前記燃料要素は前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっているとともに、前記核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であるものからなる複数の核燃料ペレットが前記被覆管内に装填されたもので構成されていることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る核燃料ペレットは、ペレット平均濃度よりも低い濃度の核的毒物を含む母相または核的毒物を含まない母相とペレット平均よりも高濃度の核的毒物を含む高核的毒物分散相から構成され、共に蛍石型結晶構造またはそれに近い立方晶構造を有している。
【００３０】
本発明に係る核燃料ペレットによれば、マイクロクラックを有しないため、核的毒物固溶による熱伝導率低下が少なく熱伝導率が高い母相のペレット内における含有割合が高くなり、同一のペレット平均核的毒物濃度を持つ従来型の均一固溶の核燃料ペレットよりも実効的な熱伝導率が高くなる。
【００３１】
本発明に係る核燃料ペレットの製造方法は、ＵＯ2 等の核燃料にＧｄ2 Ｏ3 等の核的毒物が添加されて焼結した核燃料ペレットの製造方法において、前記核燃料ペレット平均濃度より高い核的毒物を含み、かつ焼結後に蛍石型結晶構造または立方晶構造をとるような組成からなる造粒または凝集粒子粉末と核燃料粉末を所定の混合比で混合し、これを圧縮成形して圧縮成形体とし、1600℃〜1800℃の範囲内の焼結温度で、高核的毒物濃度部分が蛍石型結晶構造または立方晶構造となり得る酸素分圧を有する焼結ガス中で前記圧縮成形体を焼結して核燃料ペレットを製造する。
【００３２】
本発明に係る核燃料ペレットの製造方法によれば、高濃度の核的毒物を含有する領域においても母相と同じ蛍石型結晶構造または非常に構造の近い立方晶構造をとるように焼結するため、結晶構造の著しく異なり、マイクロクラックの発生や結晶粒成長の妨げとなる別相の発生を抑止することができ、マイクロクラックがなく結晶粒が十分に成長した高濃度の核的毒物を含む核燃料ペレットを得ることができる。
【００３３】
例えばＧｄ2 Ｏ3 添加核燃料ペレットにおいて、焼結雰囲気ガス中の酸素分圧を調整すると、焼結過程において、焼結ガス中から高濃度のＧｄ2 Ｏ3 を含む領域が蛍石型結晶構造となるために必要な酸素が供給され、核燃料ペレットは相境界を持たない構造となる。
【００３４】
そのために、焼結後にはマイクロクラック等の欠陥が存在することがなく、かつ核燃料ペレット平均のＧｄ2 Ｏ3 濃度よりも遥かに低い濃度のＧｄ2 Ｏ3 しか含有しない領域を多量に有する核燃料ペレットが得られる。このように製造された核燃料ペレットを用いることにより、マイクロクラックによる熱伝導率の低下を避けることができる。
【００３５】
また、Ｇｄ固溶による熱伝導率低下が少なく熱伝導率が高い母相の割合が高くなり、同一の核燃料ペレット平均核的毒物濃度を持つ従来の均一固溶型核燃料ペレットよりも実効的な熱伝導率が高くなることにより、燃料中心温度の増大が低減され、その結果としてＦＰガス放出およびスエリング量が低減できる。
【００３６】
このような核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填して燃料要素を構成し、この燃料要素を組み込んで燃料集合体を構成することにより、核的毒物を含有する燃料要素の出力を従来に比べて高く設定することができる。
【００３７】
図１は本発明に係る核燃料ペレットの第１の実施の形態を示すもので、この核燃料ペレット１はＵＯ2 母相中にＵＯ2 −30wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散相を有する半分散型である。図２は同じく第２の実施の形態を示すもので、この核燃料ペレット２はＵＯ2 母相中にＵＯ2 −50wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散相を有する半分散型である。
【００３８】
図１および図２中Ｖは体積を表わし、図２中、ＶＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 はＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 部の体積、Ｖtotal は全体の体積を表わし、図２のＶＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 ／Ｖtotal ＝0.228 は全体に対するＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 部の体積の割合が0.228 であることを示している。図１についても同様である。
【００３９】
図３は従来の核燃料ペレット３を示し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 均一固溶型である。なお、図１から図３ともに核燃料ペレット１〜３を模写し、模型的に拡大して示す透視図である。
【００４０】
表１は本発明に係る核燃料ペレットと従来の核燃料ペレットのＵＯ2 に対する相対熱伝導率を示している。なお、表中の本発明ペレットＡはＵＯ2 −60wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散型核燃料ペレットであり、本発明ペレットＢは第１の実施の形態の核燃料ペレット１に対応し、従来ペレットは図３に示したほぼ完全にＧｄが固溶したＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 核燃料ペレット３に対応している。
【００４１】
これらの値は、Journal of Nuclear Materialsの第 231巻（1996年）の29頁以降に示されているＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 ペレット（固溶体）の熱伝導率のＧｄ2 Ｏ3 濃度依存性の式、およびHigh Temperature -High Pressuresの第13巻（1981年）の 649頁以降に示されている熱伝導率が異なる粒子がマトリクスに分散している場合の熱伝導率の式を用いて計算した値である。
【００４２】
【表１】
表１から明らかなように、本発明に係る核燃料ペレットの熱伝導率は、従来ペレットよりも10％〜50％大きいことが認められる。
【００４３】
次に、本発明に係る核燃料ペレットおよびその製造方法の実施例１〜10について、図４および図５を参照しながら説明する。
［実施例１］
図４に示すように、Ｇｄ2 Ｏ3 濃度が30wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５とをボールミルで混合６し、均一な混合粉末を得、これを2.2t／cm2 でプレスして圧縮予備成形７した後、粉砕・篩分け８して約50μｍ以上のＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 造粒粉末９を得る。
【００４４】
この造粒粉末９をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粉末９が粉砕されないＶブレンダで30分間混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 でプレスして圧縮成形11し、理論密度に対する相対密度が約53％の成形体12を得た後、露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約94％、結晶粒径が約８μｍの焼結体15を得た。
この焼結体15はＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散相とＵＯ2 母相とで構成された核燃料ペレットとなっていた。
【００４５】
［実施例２］
実施例１と同様にして、Ｇｄ2 Ｏ3 濃度が30wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５と微量のアルミナシリカ混合粉末16をボールミルで混合６し、均一な混合粉末を得、これを2.2t／cm2 でプレスして圧縮予備成形７した後、粉砕・篩分け８して約50μｍ以上の造粒粉末９を得る。この造粒粉末９をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粉末９が粉砕されないＶブレンダで30分間混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 で圧縮成形11して、理論密度に対する相対密度が約52％の成形体12を得た後、露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約94％、結晶粒径が約20μｍの焼結体15を得た。
【００４６】
［実施例３］
実施例１と同様にＧｄ2 Ｏ3 濃度が30wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５とをボールミルで混合６し、均一な混合粉末を得、これを0.5t／cm2 でプレスして圧縮予備成形７した後、粉砕・篩分け８して60μｍ以上の造粒粉末９を得る。この造粒粉末９をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粉末９が粉砕されないＶブレンダで30分間混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 で圧縮成形11して成形体12を得た後、この成形体12を露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約94％、結晶粒径が約10μｍの焼結体15を得た。
【００４７】
［実施例４］
図５に示すように、Ｇｄ2 Ｏ3 濃度が50wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５とをそれぞれ硝酸に溶解17し、ゾルゲル法による滴下・沈殿・熟成19および焙焼・還元・篩分け20を経て約50μｍ以上の均一な凝集粒子21を得る。この凝集粒子21をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、凝集粒子21が粉砕されないＶブレンダで混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 で圧縮成形11して成形体12を得た後、この成形体12を40wt％ＣＯ＋60％ＣＯ2 雰囲気中において1740℃で焼結して焼結体15とし、本発明に係る焼結核燃料ペレットを得る。
【００４８】
なお、60wt％以上のＧｄ2 Ｏ3 を含むＵＯ2 粉末について焼結雰囲気と結晶構造の関係を調べたところ、ＵＯ2 が別の結晶構造を持つＵ4 Ｏ9 相を形成しないような条件下では、Ｇｄ2 Ｏ3 高濃度部分が蛍石型結晶構造にならないことが分かった。
また、図４および図５において、圧縮成形11する前の混合10の工程で必要に応じて潤滑剤23を加えるが、焼結14の前に成形体12を脱脂13する。
【００４９】
［実施例５］
図５に示した実施例４において、ボールミル混合＋プレスおよびゾルゲル法により製造した造粒粉末および凝集粒子を用いたが、粉末が均一に混合される他の混合方法により混合され造粒された粉末でも、また、あらかじめ焼結により固溶体とした後それを粉砕して得られる粒子を用いることもできる。
【００５０】
［実施例６］
実施例１〜４において、核的毒物としてＧｄ2 Ｏ3 の例で説明したが、Ｅｒ，Ｄｙ等の他の核的毒物でも同様の効果が期待でき、またこれらはＧｄと化学的性質が類似しているため類似の発想で焼結条件等を決定できる。
【００５１】
［実施例７］
実施例１〜４において、核的毒物の濃度の高い領域の構成元素としてＧｄ，Ｕ，Ｏ，Ａｌ，Ｓｉのみの例で説明したが、焼結中に母相と同程度の焼きしまりを生じ、かつ結晶構造が著しく異ならないような凝集粒子を用いることにより、焼結途中でマイクロクラックや結晶粒成長を阻害するような反応相の形成、連続気孔の形成などが避けることができる。
【００５２】
例えばＺｒＯ2 においてＹ2 Ｏ3 を添加することにより、室温から高温にわたって安定に立方晶を保つことができるように、Ｇｄ2 Ｏ3 等の核的毒物を高温においても安定に立方晶として保つことのできる添加物を加えることにより、実施例１〜４と同様の効果が得られる。
【００５３】
［実施例８］
実施例１〜４においては、焼結時の雰囲気ガスとしてＣＯ−ＣＯ2 混合ガスやＨ2 Ｏを添加したＮ2 ＋13％Ｈ2 ガスの例で説明したが、焼結挙動は焼結時に固相と平衡になる雰囲気ガスの酸素ポテンシャルにより影響されるので、同様の酸素ポテンシャルを有する他の雰囲気ガスを用いることにより同様の効果が得られる。
【００５４】
［実施例９］
実施例１〜４においては、最高50wt％までのＧｄ2 Ｏ3 を含む混合凝集粒子粉末を使用する例で説明したが、より高濃度のＧｄ2 Ｏ3 を含む混合凝集粒子粉末を用いても、成形、焼結時の基本的な挙動が同一であるため、本発明と同様の効果が得られる。
【００５５】
ただし、60wt％以上のＧｄ2 Ｏ3 を含むＵＯ2 粉末について焼結雰囲気と結晶構造の関係を調べたところ、ＵＯ2 が別の結晶構造を持つＵ4 Ｏ9 相を形成しないような条件下では、Ｇｄ2 Ｏ3 高濃度部分が蛍石型結晶構造にならないことが認められた。
【００５６】
［実施例10］
実施例１〜４においては、母相を構成する原料粉末としてＵＯ2 粉末の例で説明したが、ＵＯ2 ，ＰｕＯ2 ，ＴｈＯ2 のいずれか１種類あるいはこれらの混合物、さらにはペレット平均濃度よりも低い核的毒物を含む粉末を使用することができる。この実施例によれば、粉末の成形時挙動や焼結挙動の基礎現象に変わりはなく、また、熱伝導率も従来例より高くなることから、実施例１〜４と同様の効果が得られる。
【００５７】
次に上記実施例１〜10と対比するための参考例１〜３を以下に説明する。
［参考例１］
図４に準じてＧｄ2 Ｏ3 粉末５を1500℃で仮焼して高温で安定な単斜晶とし、つぎに3.1t／cm2 でプレスして圧縮予備成形し、粉砕・篩分けした後、球状化処理22を施したものをＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粒子９が粉砕されないＶブレンダで混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。
【００５８】
これを2.2t／cm2 でプレスし圧縮成形11して、理論密度に対する相対密度が約53％の成形体12を得た後、露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約95％、結晶粒径が約15μｍの焼結体15を得た。
【００５９】
しかしながら、この参考例として得られた焼結体15、つまり核燃料ペレットのＧｄ2 Ｏ3 領域とＵＯ2 領域の境界には多数の連続した気孔や長細い形状の気孔が存在し、好ましい組織が得られなかった。これは、成形圧力を1.3t／cm2 とした場合も、焼結密度は約95％で、組織は同様であった。
【００６０】
［参考例２］
上記参考例１に準じて、ＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５を混合する際に、微量のアルミナシリカ混合粉末16を加え、同様の条件で焼結したところ、理論密度に対する相対密度が約93％で結晶粒径が約20μｍの焼結体15が得られた。しかしこの焼結体15、つまり核燃料ペレットのＧｄ2 Ｏ3 領域とＵＯ2 領域の境界には、さらに多数の連続した気孔や長細い形状の気孔が存在し、好ましい組織が得られなかった。
【００６１】
［参考例３］
Ｇｄ2 Ｏ3 粉末をプレス、粉砕し、球状化処理した後、1700℃で熱処理し単斜晶としたものを用いて、球状化処理したもの、しないもの、微量アルミナシリカ混合粉末を加えたものについて焼結体を作製したが、いずれもＧｄ2 Ｏ3 領域とＵＯ2 領域の境界には、さらに多数の連続した気孔が存在し、好ましい組織が得られなかった。
【００６２】
つぎに図６（ａ）により本発明に係る燃料要素の実施の形態を説明する。
図６（ａ）は本発明に係る燃料要素24の実施の形態の一例を一部切断した斜視図で示し、図６（ｂ）は燃料要素24を組み込んだ燃料集合体25の一例を斜視図で示している。
【００６３】
図６（ａ）に示した燃料要素24はジルコニウム基長尺円筒状燃料被覆管26内に複数個の核燃料ペレット27が積層して装填されており、燃料被覆管26の上下両端部には上部端栓28と下部端栓29で密封されている。
【００６４】
上部端栓28と核燃料ペレット27の上端との間にはプレナムスプリング30が設けられており、プレナムスプリング30により核燃料ペレット27の上下動を防止している。
【００６５】
ここで、核燃料ペレット27は実施例１〜10によって製造されたものと同様のもので、つぎのように構成されている。
すなわち、ＵＯ2 等の核燃料にＧｄ2 Ｏ3 等の核的毒物が添加されて焼結した核燃料ペレットにおいて、核燃料ペレット内に核的毒物濃度が局所的に高い組成からなる領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっている。
【００６６】
また、核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物の平均直径または相当直径が50μｍ以上である。さらに、核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域を構成する元素のうち、核的毒物がＧｄ2 Ｏ3 であり、前記高核的毒物濃度領域のＧｄ2 Ｏ3 含有量が最大でも60wt％である。
【００６７】
本実施の形態は係る燃料要素によれば、同出力で比較した場合、従来例と比較して燃料温度を低減できる。言い換えると、同一燃料温度まで燃料温度の上昇を許した設計、すなわち、燃料挙動を同等に保った設計をする場合、より高い出力を許容することができる。
【００６８】
例えば実施例１によって製造された核燃料ペレットを燃料被覆管26内に装填して燃料要素24を構成した場合、核燃料ペレット27の表面から燃料中心までの温度上昇は同一出力で比較した場合、従来例に比較して10％以上低減することができる。換言すると、10％以上出力を上昇させることができる。
【００６９】
次に図６（ｂ）により本発明に係る燃料集合体の実施の形態を説明する。
図６（ｂ）に示した燃料集合体25は図６（ａ）に示した燃料要素24の上下両端を上部タイプレート31および下部タイプレート32に組み込み固定し、複数本の燃料要素24の間隔をスペーサ33で保持したものである。この燃料集合体25の外側は角筒状チャンネルボックス（図示せず）によって包囲される。図６（ｂ）中符号34はチャンネルファスナで下部タイプレート32と下部端栓29によって固定されている。
本実施の形態によれば、図６（ａ）における燃料要素24を組み込むことにより低熱伝導率に起因する出力抑制を緩和することができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明に係るＧｄ2 Ｏ3 等の核的毒物添加燃料ペレットによれば、マイクロクラックによる熱伝導率の低下を避けることができ、またＧｄ等の核的毒物の固溶による熱伝導率の低下を低減できることにより、照射中における燃料温度の増大が低減され、その結果としてＦＰガス放出およびスエリング量が低減できる。また、従来例と同等の燃料挙動を許容した場合、出力を従来例よりも高く設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る核燃料ペレットの第１の実施の形態を模写して模型的に示す透視図。
【図２】本発明に係る核燃料ペレットの第１の実施の実施の形態を模写して模型的に示す透視図。
【図３】従来の核燃料ペレットを模写して模型的に示す透視図。
【図４】本発明に係る核燃料ペレット製造方法の第１の実施の形態を説明するための工程図。
【図５】本発明に係る核燃料ペレット製造方法の第２の実施の形態を説明するための工程図。
【図６】（ａ）は本発明に係る燃料要素の一実施例を説明するための一部断面で示す斜視図、（ｂ）は本発明に係る燃料集合体の一実施例を説明するための斜視図。
【符号の説明】
１，２…本発明の核燃料ペレット、３…従来の核燃料ペレット、４…ＵＯ2 粉末、５…Ｇｄ2 Ｏ3 粉末、６…混合、７…圧縮予備成形、８…粉砕・篩分け、９…造粒粉末、10…混合、11…圧縮成形、12…成形体、13…脱脂、14…焼結、15…焼結体、16…アルミナシリカ混合粉末、17…溶解、18…混合、19…滴下・沈殿・熟成、20…焙焼・還元・篩分け、21…凝集粒子、22…球状化処理、23…潤滑剤、24…燃料要素、25…燃料集合体、26…燃料被覆管、27…核燃料ペレット、28…上部端栓、29…下部端栓、30…プレナムスプリング、31…上部タイプレート、32…下部タイプレート、33…スペーサ、34…チャンネルファスナ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｇｄ2 Ｏ3 等の核的毒物を含有する核燃料ペレットおよびその製造方法、ならびにその核燃料ペレットを装填した燃料要素およびその燃料要素を組み込んだ燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、軽水炉用核燃料では中性子吸収材としてＧｄが使用されており、軽水炉用核燃料の高燃焼度化に伴なってＧｄの添加濃度が増大する傾向にある。通常、Ｇｄを添加したＵＯ2 核燃料ペレットはＵＯ2 粉末とＧｄ2 Ｏ3 粉末を機械的に混合し、これを圧粉成形したのち、焼結して得られる。
【０００３】
ＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との混合酸化物はＵＯ2 に比べ焼結性が低く、同一焼結条件下では、その焼結核燃料ペレットの密度、結晶粒径は共にＵＯ2 焼結核燃料ペレットよりも小さくなることが一般に知られている。さらにＧｄの添加濃度が高い場合には、焼結中に微細な割れ（マイクロクラック）が容易に発生することが知られている。
【０００４】
結晶粒径が小さいと核分裂生成ガス（ＦＰガス）の拡散距離が小さくなり、燃焼中のＦＰガス放出およびスエリング量が大きくなる欠点がある。また、マイクロクラックが存在すると、核燃料ペレットの実効的な熱伝導率を低下させ、ひいては燃焼中のＦＰガス放出およびスエリング量を増大させる。
【０００５】
Ｇｄ2 Ｏ3 を添加した焼結核燃料ペレットの結晶粒径を増大させ、マイクロクラックを発生させないためには、ＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との固溶状態を良くする必要があると考えられており、従来、均一な組織を有する核燃料ペレット、すなわちＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との固溶状態が良い核燃料ペレットを製造する方法が検討されてきた。
【０００６】
そのうち、共沈法によって製造したＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を使用する方法は、溶液状態でＵとＧｄを混合し、同時に沈殿させるため、非常に均一に混合されたＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得ることができ、焼結核燃料ペレット中のＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との固溶状態が極めて良好で、均一な組織を持った核燃料ペレットが得られる。
【０００７】
しかしながら、この方法は、非常に工程が複雑で費用が高くなる上、沈殿時に核燃料物質で汚染された多量の放射性廃液が発生するという欠点がある。
そこで、機械的に混合されたＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を用いて固溶状態の良い燃料ペレットを得る製造方法（例えば特開平５−11088 号公報，特開平１−193691号公報，特開平２−242195号公報）が提唱されている。
【０００８】
これらの方法では、焼結助剤を添加して焼結する方法が採用されている。また、酸素ポテンシャルを高くし、カチオンの拡散を促進することにより、より良い固溶状態が得られることも知られている。
【０００９】
一方、ＵＯ2 にＧｄが固溶すると、Journal of Nuclear Materialsの第 105巻（1982年）の 201頁以降に報告されているように、ＵＯ2 中の不純物濃度が上昇することによって熱伝導率が低下することが知られている。
【００１０】
この熱伝導率の低下は、燃料中心温度の増大、その結果としてＦＰガス放出およびスエリング量、ペレット被覆管相互作用（ＰＣＩ）の増大を招く。このため、燃料集合体を構成する燃料要素のうち、Ｇｄ2 Ｏ3 添加核燃料ペレットを装填した燃料要素が経験する最大出力は、通常低目に設計されている。
【００１１】
そこで、Ｇｄの固溶を抑えることにより、ペレットの熱伝導率の低下を低減する方法（例えば特開昭59−90082 号公報，特開昭60−231195号公報）が提唱されている。特開昭59−90082 号公報には、硼化タングステンで被覆した１μｍ〜20μｍのＧｄ2 Ｏ3 粒子を添加することにより、焼結中におけるＵＯ2 粒子とＧｄ2 Ｏ3 粒子の接触を避けてＧｄを固溶させない方法が示されている。
【００１２】
特開昭60−231195号公報には、１mm以上のＧｄ2 Ｏ3 粒子を添加することにより、焼結中におけるＵＯ2 粒子とＧｄ2 Ｏ3 粒子の接触面積を少なくしてＧｄの固溶を抑える方法が示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開昭60−231195号公報の方法では、焼結中にＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との反応を完全に避けることはできず、焼結中にＵＯ2 とＧｄ2 Ｏ3 との反応界面で、体積変化を伴う相変化が起こり続けるために、界面近傍に気孔やクラックが発生する。これらの気孔やクラックは、密度の減少および熱伝導率の低下ならびにＦＰガスの放出経路の増加を招くことになり、期待した効果が得られない。
【００１４】
同様の概念を応用した例が、国際会議（International Atomic Energy Agency,Technical Committee Meeting on Advances in Pellet Technology for Improved Performance at High Burnup,Tokyo,Japan,28 October-1 November 1996,Paper No.2-1 ）で報告されており、Ｇｄ2 Ｏ3 の小球を熱処理してＵＯ2 粉末に混合し焼結することによりＧｄ2 Ｏ3 小球分散型核燃料ペレットを得ている。
【００１５】
しかし、この核燃料ペレットには、マイクロクラックは観測されなかったが、Ｇｄ2 Ｏ3 小球の周りに気泡郡が集まり、一部連結している。このことから、熱伝導率の向上は小さいものと推察される。
【００１６】
また、特開昭59−90082 号公報の方法では、工程が複雑で費用が高くなり工業的でない上、硼化タングステンとＵＯ2 の熱膨張率が異なること等により界面近傍にクラックが発生し、熱伝導率の低下を招くことが予想され、やはり期待した効果が得られない。
【００１７】
本発明はかかる問題に対処してなされたもので、Ｇｄ2 Ｏ3 等の核的毒物を含有する酸化物焼結核燃料ペレットに係り、さらに詳しくは、核燃料ペレット内にＧｄ等の核的毒物の核燃料ペレット平均濃度よりも高い濃度の領域を存在させることにより、Ｇｄ等の核的毒物濃度が核燃料ペレット平均で同一の従来の核燃料ペレットに比べて熱伝導率の低下を抑えたことを特徴とするＧｄ2 Ｏ3 添加焼結核燃料ペレットおよびその製造方法ならびにその核燃料ペレットを装填した燃料要素およびその燃料要素を組み込んだ燃料集合体を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、核燃料ペレットにおいて、ＵＯ2の核燃料にＧｄ2Ｏ3の核的毒物が添加されて焼結した核燃料ペレットにおいて、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して焼結体を形成することにより、前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となることを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明は、前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内に分散する高核的毒物濃度領域を構成するＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であることを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、核燃料ペレットの製造方法において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末を成形し、これにＵＯ2から成る核燃料粉末を所定の混合比で混合した後、圧縮成形して圧縮成形体とし、次に１６００℃〜１８００℃の範囲内の焼結温度で、ＵＯ2母相内に分散された高核的毒物濃度領域が蛍石型結晶構造または立方晶構造となり得る酸素分圧を有する焼結ガス中で前記圧縮成形体を焼結することを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、前記高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量は最大でも６０ｗｔ％であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明は、前記焼結ガスはＣＯとＣＯ2混合ガスであることを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明は、燃料要素において、複数個の焼結した核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填し、前記被覆管の両端を封入してなる核燃料要素において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して核燃料ペレットを形成することにより、前記核燃料ペレットはそのペレット内のＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっているとともに、前記核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であるものからなることを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明は、燃料集合体において、複数個の焼結した核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填し、前記被覆管の両端を封入してなる燃料要素等が組み込まれた燃料集合体において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して核燃料ペレットを形成することにより、前記燃料要素は前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっているとともに、前記核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であるものからなる複数の核燃料ペレットが前記被覆管内に装填されたもので構成されていることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明に係る核燃料ペレットは、ペレット平均濃度よりも低い濃度の核的毒物を含む母相または核的毒物を含まない母相とペレット平均よりも高濃度の核的毒物を含む高核的毒物分散相から構成され、共に蛍石型結晶構造またはそれに近い立方晶構造を有している。
【００３０】
本発明に係る核燃料ペレットによれば、マイクロクラックを有しないため、核的毒物固溶による熱伝導率低下が少なく熱伝導率が高い母相のペレット内における含有割合が高くなり、同一のペレット平均核的毒物濃度を持つ従来型の均一固溶の核燃料ペレットよりも実効的な熱伝導率が高くなる。
【００３１】
本発明に係る核燃料ペレットの製造方法は、ＵＯ2 等の核燃料にＧｄ2 Ｏ3 等の核的毒物が添加されて焼結した核燃料ペレットの製造方法において、前記核燃料ペレット平均濃度より高い核的毒物を含み、かつ焼結後に蛍石型結晶構造または立方晶構造をとるような組成からなる造粒または凝集粒子粉末と核燃料粉末を所定の混合比で混合し、これを圧縮成形して圧縮成形体とし、1600℃〜1800℃の範囲内の焼結温度で、高核的毒物濃度部分が蛍石型結晶構造または立方晶構造となり得る酸素分圧を有する焼結ガス中で前記圧縮成形体を焼結して核燃料ペレットを製造する。
【００３２】
本発明に係る核燃料ペレットの製造方法によれば、高濃度の核的毒物を含有する領域においても母相と同じ蛍石型結晶構造または非常に構造の近い立方晶構造をとるように焼結するため、結晶構造の著しく異なり、マイクロクラックの発生や結晶粒成長の妨げとなる別相の発生を抑止することができ、マイクロクラックがなく結晶粒が十分に成長した高濃度の核的毒物を含む核燃料ペレットを得ることができる。
【００３３】
例えばＧｄ2 Ｏ3 添加核燃料ペレットにおいて、焼結雰囲気ガス中の酸素分圧を調整すると、焼結過程において、焼結ガス中から高濃度のＧｄ2 Ｏ3 を含む領域が蛍石型結晶構造となるために必要な酸素が供給され、核燃料ペレットは相境界を持たない構造となる。
【００３４】
そのために、焼結後にはマイクロクラック等の欠陥が存在することがなく、かつ核燃料ペレット平均のＧｄ2 Ｏ3 濃度よりも遥かに低い濃度のＧｄ2 Ｏ3 しか含有しない領域を多量に有する核燃料ペレットが得られる。このように製造された核燃料ペレットを用いることにより、マイクロクラックによる熱伝導率の低下を避けることができる。
【００３５】
また、Ｇｄ固溶による熱伝導率低下が少なく熱伝導率が高い母相の割合が高くなり、同一の核燃料ペレット平均核的毒物濃度を持つ従来の均一固溶型核燃料ペレットよりも実効的な熱伝導率が高くなることにより、燃料中心温度の増大が低減され、その結果としてＦＰガス放出およびスエリング量が低減できる。
【００３６】
このような核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填して燃料要素を構成し、この燃料要素を組み込んで燃料集合体を構成することにより、核的毒物を含有する燃料要素の出力を従来に比べて高く設定することができる。
【００３７】
図１は本発明に係る核燃料ペレットの第１の実施の形態を示すもので、この核燃料ペレット１はＵＯ2 母相中にＵＯ2 −30wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散相を有する半分散型である。図２は同じく第２の実施の形態を示すもので、この核燃料ペレット２はＵＯ2 母相中にＵＯ2 −50wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散相を有する半分散型である。
【００３８】
図１および図２中Ｖは体積を表わし、図２中、ＶＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 はＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 部の体積、Ｖtotal は全体の体積を表わし、図２のＶＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 ／Ｖtotal ＝0.228 は全体に対するＵＯ2 −50ｗｔ％Ｇｄ2 Ｏ3 部の体積の割合が0.228 であることを示している。図１についても同様である。
【００３９】
図３は従来の核燃料ペレット３を示し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 均一固溶型である。なお、図１から図３ともに核燃料ペレット１〜３を模写し、模型的に拡大して示す透視図である。
【００４０】
表１は本発明に係る核燃料ペレットと従来の核燃料ペレットのＵＯ2 に対する相対熱伝導率を示している。なお、表中の本発明ペレットＡはＵＯ2 −60wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散型核燃料ペレットであり、本発明ペレットＢは第１の実施の形態の核燃料ペレット１に対応し、従来ペレットは図３に示したほぼ完全にＧｄが固溶したＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 核燃料ペレット３に対応している。
【００４１】
これらの値は、Journal of Nuclear Materialsの第 231巻（1996年）の29頁以降に示されているＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 ペレット（固溶体）の熱伝導率のＧｄ2 Ｏ3 濃度依存性の式、およびHigh Temperature -High Pressuresの第13巻（1981年）の 649頁以降に示されている熱伝導率が異なる粒子がマトリクスに分散している場合の熱伝導率の式を用いて計算した値である。
【００４２】
【表１】
【００４３】
次に、本発明に係る核燃料ペレットおよびその製造方法の実施例１〜10について、図４および図５を参照しながら説明する。
［実施例１］
図４に示すように、Ｇｄ2 Ｏ3 濃度が30wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５とをボールミルで混合６し、均一な混合粉末を得、これを2.2t／cm2 でプレスして圧縮予備成形７した後、粉砕・篩分け８して約50μｍ以上のＵＯ2 −Ｇｄ2 Ｏ3 造粒粉末９を得る。
【００４４】
この造粒粉末９をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粉末９が粉砕されないＶブレンダで30分間混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 でプレスして圧縮成形11し、理論密度に対する相対密度が約53％の成形体12を得た後、露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約94％、結晶粒径が約８μｍの焼結体15を得た。
この焼結体15はＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 の小球分散相とＵＯ2 母相とで構成された核燃料ペレットとなっていた。
【００４５】
［実施例２］
実施例１と同様にして、Ｇｄ2 Ｏ3 濃度が30wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５と微量のアルミナシリカ混合粉末16をボールミルで混合６し、均一な混合粉末を得、これを2.2t／cm2 でプレスして圧縮予備成形７した後、粉砕・篩分け８して約50μｍ以上の造粒粉末９を得る。この造粒粉末９をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粉末９が粉砕されないＶブレンダで30分間混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 で圧縮成形11して、理論密度に対する相対密度が約52％の成形体12を得た後、露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約94％、結晶粒径が約20μｍの焼結体15を得た。
【００４６】
［実施例３］
実施例１と同様にＧｄ2 Ｏ3 濃度が30wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５とをボールミルで混合６し、均一な混合粉末を得、これを0.5t／cm2 でプレスして圧縮予備成形７した後、粉砕・篩分け８して60μｍ以上の造粒粉末９を得る。この造粒粉末９をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粉末９が粉砕されないＶブレンダで30分間混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 で圧縮成形11して成形体12を得た後、この成形体12を露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約94％、結晶粒径が約10μｍの焼結体15を得た。
【００４７】
［実施例４］
図５に示すように、Ｇｄ2 Ｏ3 濃度が50wt％になるように所定量のＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５とをそれぞれ硝酸に溶解17し、ゾルゲル法による滴下・沈殿・熟成19および焙焼・還元・篩分け20を経て約50μｍ以上の均一な凝集粒子21を得る。この凝集粒子21をＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、凝集粒子21が粉砕されないＶブレンダで混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。これを2.2t／cm2 で圧縮成形11して成形体12を得た後、この成形体12を40wt％ＣＯ＋60％ＣＯ2 雰囲気中において1740℃で焼結して焼結体15とし、本発明に係る焼結核燃料ペレットを得る。
【００４８】
なお、60wt％以上のＧｄ2 Ｏ3 を含むＵＯ2 粉末について焼結雰囲気と結晶構造の関係を調べたところ、ＵＯ2 が別の結晶構造を持つＵ4 Ｏ9 相を形成しないような条件下では、Ｇｄ2 Ｏ3 高濃度部分が蛍石型結晶構造にならないことが分かった。
また、図４および図５において、圧縮成形11する前の混合10の工程で必要に応じて潤滑剤23を加えるが、焼結14の前に成形体12を脱脂13する。
【００４９】
［実施例５］
図５に示した実施例４において、ボールミル混合＋プレスおよびゾルゲル法により製造した造粒粉末および凝集粒子を用いたが、粉末が均一に混合される他の混合方法により混合され造粒された粉末でも、また、あらかじめ焼結により固溶体とした後それを粉砕して得られる粒子を用いることもできる。
【００５０】
［実施例６］
実施例１〜４において、核的毒物としてＧｄ2 Ｏ3 の例で説明したが、Ｅｒ，Ｄｙ等の他の核的毒物でも同様の効果が期待でき、またこれらはＧｄと化学的性質が類似しているため類似の発想で焼結条件等を決定できる。
【００５１】
［実施例７］
実施例１〜４において、核的毒物の濃度の高い領域の構成元素としてＧｄ，Ｕ，Ｏ，Ａｌ，Ｓｉのみの例で説明したが、焼結中に母相と同程度の焼きしまりを生じ、かつ結晶構造が著しく異ならないような凝集粒子を用いることにより、焼結途中でマイクロクラックや結晶粒成長を阻害するような反応相の形成、連続気孔の形成などが避けることができる。
【００５２】
例えばＺｒＯ2 においてＹ2 Ｏ3 を添加することにより、室温から高温にわたって安定に立方晶を保つことができるように、Ｇｄ2 Ｏ3 等の核的毒物を高温においても安定に立方晶として保つことのできる添加物を加えることにより、実施例１〜４と同様の効果が得られる。
【００５３】
［実施例８］
実施例１〜４においては、焼結時の雰囲気ガスとしてＣＯ−ＣＯ2 混合ガスやＨ2 Ｏを添加したＮ2 ＋13％Ｈ2 ガスの例で説明したが、焼結挙動は焼結時に固相と平衡になる雰囲気ガスの酸素ポテンシャルにより影響されるので、同様の酸素ポテンシャルを有する他の雰囲気ガスを用いることにより同様の効果が得られる。
【００５４】
［実施例９］
実施例１〜４においては、最高50wt％までのＧｄ2 Ｏ3 を含む混合凝集粒子粉末を使用する例で説明したが、より高濃度のＧｄ2 Ｏ3 を含む混合凝集粒子粉末を用いても、成形、焼結時の基本的な挙動が同一であるため、本発明と同様の効果が得られる。
【００５５】
ただし、60wt％以上のＧｄ2 Ｏ3 を含むＵＯ2 粉末について焼結雰囲気と結晶構造の関係を調べたところ、ＵＯ2 が別の結晶構造を持つＵ4 Ｏ9 相を形成しないような条件下では、Ｇｄ2 Ｏ3 高濃度部分が蛍石型結晶構造にならないことが認められた。
【００５６】
［実施例10］
実施例１〜４においては、母相を構成する原料粉末としてＵＯ2 粉末の例で説明したが、ＵＯ2 ，ＰｕＯ2 ，ＴｈＯ2 のいずれか１種類あるいはこれらの混合物、さらにはペレット平均濃度よりも低い核的毒物を含む粉末を使用することができる。この実施例によれば、粉末の成形時挙動や焼結挙動の基礎現象に変わりはなく、また、熱伝導率も従来例より高くなることから、実施例１〜４と同様の効果が得られる。
【００５７】
次に上記実施例１〜10と対比するための参考例１〜３を以下に説明する。
［参考例１］
図４に準じてＧｄ2 Ｏ3 粉末５を1500℃で仮焼して高温で安定な単斜晶とし、つぎに3.1t／cm2 でプレスして圧縮予備成形し、粉砕・篩分けした後、球状化処理22を施したものをＧｄ2 Ｏ3 濃度が10wt％になるようにＵＯ2 粉末４に加え、造粒粒子９が粉砕されないＶブレンダで混合10し、ＵＯ2 −10wt％Ｇｄ2 Ｏ3 混合粉末を得る。
【００５８】
これを2.2t／cm2 でプレスし圧縮成形11して、理論密度に対する相対密度が約53％の成形体12を得た後、露点10℃のＮ2 ＋13％Ｈ2 雰囲気中において1740℃で４時間焼結14した。その結果、理論密度に対する相対密度が約95％、結晶粒径が約15μｍの焼結体15を得た。
【００５９】
しかしながら、この参考例として得られた焼結体15、つまり核燃料ペレットのＧｄ2 Ｏ3 領域とＵＯ2 領域の境界には多数の連続した気孔や長細い形状の気孔が存在し、好ましい組織が得られなかった。これは、成形圧力を1.3t／cm2 とした場合も、焼結密度は約95％で、組織は同様であった。
【００６０】
［参考例２］
上記参考例１に準じて、ＵＯ2 粉末４とＧｄ2 Ｏ3 粉末５を混合する際に、微量のアルミナシリカ混合粉末16を加え、同様の条件で焼結したところ、理論密度に対する相対密度が約93％で結晶粒径が約20μｍの焼結体15が得られた。しかしこの焼結体15、つまり核燃料ペレットのＧｄ2 Ｏ3 領域とＵＯ2 領域の境界には、さらに多数の連続した気孔や長細い形状の気孔が存在し、好ましい組織が得られなかった。
【００６１】
［参考例３］
Ｇｄ2 Ｏ3 粉末をプレス、粉砕し、球状化処理した後、1700℃で熱処理し単斜晶としたものを用いて、球状化処理したもの、しないもの、微量アルミナシリカ混合粉末を加えたものについて焼結体を作製したが、いずれもＧｄ2 Ｏ3 領域とＵＯ2 領域の境界には、さらに多数の連続した気孔が存在し、好ましい組織が得られなかった。
【００６２】
つぎに図６（ａ）により本発明に係る燃料要素の実施の形態を説明する。
図６（ａ）は本発明に係る燃料要素24の実施の形態の一例を一部切断した斜視図で示し、図６（ｂ）は燃料要素24を組み込んだ燃料集合体25の一例を斜視図で示している。
【００６３】
図６（ａ）に示した燃料要素24はジルコニウム基長尺円筒状燃料被覆管26内に複数個の核燃料ペレット27が積層して装填されており、燃料被覆管26の上下両端部には上部端栓28と下部端栓29で密封されている。
【００６４】
上部端栓28と核燃料ペレット27の上端との間にはプレナムスプリング30が設けられており、プレナムスプリング30により核燃料ペレット27の上下動を防止している。
【００６５】
ここで、核燃料ペレット27は実施例１〜10によって製造されたものと同様のもので、つぎのように構成されている。
すなわち、ＵＯ2 等の核燃料にＧｄ2 Ｏ3 等の核的毒物が添加されて焼結した核燃料ペレットにおいて、核燃料ペレット内に核的毒物濃度が局所的に高い組成からなる領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっている。
【００６６】
また、核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物の平均直径または相当直径が50μｍ以上である。さらに、核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域を構成する元素のうち、核的毒物がＧｄ2 Ｏ3 であり、前記高核的毒物濃度領域のＧｄ2 Ｏ3 含有量が最大でも60wt％である。
【００６７】
本実施の形態は係る燃料要素によれば、同出力で比較した場合、従来例と比較して燃料温度を低減できる。言い換えると、同一燃料温度まで燃料温度の上昇を許した設計、すなわち、燃料挙動を同等に保った設計をする場合、より高い出力を許容することができる。
【００６８】
例えば実施例１によって製造された核燃料ペレットを燃料被覆管26内に装填して燃料要素24を構成した場合、核燃料ペレット27の表面から燃料中心までの温度上昇は同一出力で比較した場合、従来例に比較して10％以上低減することができる。換言すると、10％以上出力を上昇させることができる。
【００６９】
次に図６（ｂ）により本発明に係る燃料集合体の実施の形態を説明する。
図６（ｂ）に示した燃料集合体25は図６（ａ）に示した燃料要素24の上下両端を上部タイプレート31および下部タイプレート32に組み込み固定し、複数本の燃料要素24の間隔をスペーサ33で保持したものである。この燃料集合体25の外側は角筒状チャンネルボックス（図示せず）によって包囲される。図６（ｂ）中符号34はチャンネルファスナで下部タイプレート32と下部端栓29によって固定されている。
本実施の形態によれば、図６（ａ）における燃料要素24を組み込むことにより低熱伝導率に起因する出力抑制を緩和することができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明に係るＧｄ2 Ｏ3 等の核的毒物添加燃料ペレットによれば、マイクロクラックによる熱伝導率の低下を避けることができ、またＧｄ等の核的毒物の固溶による熱伝導率の低下を低減できることにより、照射中における燃料温度の増大が低減され、その結果としてＦＰガス放出およびスエリング量が低減できる。また、従来例と同等の燃料挙動を許容した場合、出力を従来例よりも高く設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る核燃料ペレットの第１の実施の形態を模写して模型的に示す透視図。
【図２】本発明に係る核燃料ペレットの第１の実施の実施の形態を模写して模型的に示す透視図。
【図３】従来の核燃料ペレットを模写して模型的に示す透視図。
【図４】本発明に係る核燃料ペレット製造方法の第１の実施の形態を説明するための工程図。
【図５】本発明に係る核燃料ペレット製造方法の第２の実施の形態を説明するための工程図。
【図６】（ａ）は本発明に係る燃料要素の一実施例を説明するための一部断面で示す斜視図、（ｂ）は本発明に係る燃料集合体の一実施例を説明するための斜視図。
【符号の説明】
１，２…本発明の核燃料ペレット、３…従来の核燃料ペレット、４…ＵＯ2 粉末、５…Ｇｄ2 Ｏ3 粉末、６…混合、７…圧縮予備成形、８…粉砕・篩分け、９…造粒粉末、10…混合、11…圧縮成形、12…成形体、13…脱脂、14…焼結、15…焼結体、16…アルミナシリカ混合粉末、17…溶解、18…混合、19…滴下・沈殿・熟成、20…焙焼・還元・篩分け、21…凝集粒子、22…球状化処理、23…潤滑剤、24…燃料要素、25…燃料集合体、26…燃料被覆管、27…核燃料ペレット、28…上部端栓、29…下部端栓、30…プレナムスプリング、31…上部タイプレート、32…下部タイプレート、33…スペーサ、34…チャンネルファスナ。
Claims (7)
- ＵＯ2の核燃料にＧｄ2Ｏ3の核的毒物が添加されて焼結した核燃料ペレットにおいて、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して焼結体を形成することにより、前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となることを特徴とする核燃料ペレット。
- 前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内に分散する高核的毒物濃度領域を構成するＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１記載の核燃料ペレット。
- ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末を成形し、これにＵＯ2から成る核燃料粉末を所定の混合比で混合した後、圧縮成形して圧縮成形体とし、次に１６００℃〜１８００℃の範囲内の焼結温度で、ＵＯ2母相内に分散された高核的毒物濃度領域が蛍石型結晶構造または立方晶構造となり得る酸素分圧を有する焼結ガス中で前記圧縮成形体を焼結することを特徴とする核燃料ペレットの製造方法。
- 前記高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量は最大でも６０ｗｔ％であることを特徴とする請求項３記載の核燃料ペレットの製造方法。
- 前記焼結ガスはＣＯとＣＯ2混合ガスであることを特徴とする請求項３又は４記載の核燃料ペレットの製造方法。
- 複数個の焼結した核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填し、前記被覆管の両端を封入してなる核燃料要素において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して核燃料ペレットを形成することにより、前記核燃料ペレットはそのペレット内のＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっているとともに、前記核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であるものからなることを特徴とする燃料要素。
- 複数個の焼結した核燃料ペレットを燃料被覆管内に装填し、前記被覆管の両端を封入してなる燃料要素等が組み込まれた燃料集合体において、ＵＯ2粉末とＧｄ2Ｏ3粉末を混合し圧縮予備成形した後、粉砕、篩分けして得た平均直径が５０μｍ以上のＵＯ2−Ｇｄ2Ｏ3造粒粉末に、ＵＯ2粉末を加えて圧縮成形した後、焼結して核燃料ペレットを形成することにより、前記燃料要素は前記核燃料ペレットのＵＯ2母相内にＵＯ2を含みかつＧｄ2Ｏ3濃度が局所的に高い組成からなる高核的毒物濃度領域が分散し、かつどの組成においても蛍石型結晶構造または立方晶構造となっているとともに、前記核燃料ペレットの母相内に分散する高核的毒物濃度領域のＧｄ2Ｏ3含有量が最大でも６０ｗｔ％であるものからなる複数の核燃料ペレットが前記被覆管内に装填されたもので構成されていることを特徴とする燃料集合体。
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