JP4614540B2 - 酸化物基材の核燃料要素の製造方法および酸化物基材の核燃料要素に焼結されるように適合された物質 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景および先行技術）
本発明は、酸化物基材の核燃料（ｎｕｃｌｅａｒ ｆｕｅｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｏｘｉｄｅ ｂａｓｅ）を酸化クロムと混合し、焼結して固体にする、酸化物基材の核燃料要素の製造方法に関する。また、本発明は、酸化物基材の核燃料および酸化クロムを含む、核燃料要素に焼結されるように適合された酸化物基材の物質（ｍａｔｅｒｉａｌ）に関する。
【０００２】
前述のタイプの方法および物質は、核エネルギーの適用分野において既に知られている。酸化物基材の核燃料には、ＵＯ₂、ＴｈＯ₂、ＰｕＯ₂、またはそれらの混合物が含まれていてもよく、粉末として提供される。
【０００３】
先行技術によると、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｖ₂Ｏ₅およびＭｇＯのような別の類似の追加酸化物が、それらの焼結に関連してそれらの結晶粒度（ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ：粒子サイズ）を増加させるために、酸化物基材の核燃料に添加されてきた。なぜなら、それらの添加物は、焼結中に核燃料の結晶粒の成長を活性化させるからである。
【０００４】
増大した結晶粒度は、操作中に燃料を使用するとき、結晶粒中のガス密閉物が、核燃料から、粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄｒｉｅｓ）におよびこれらを通って、拡散するのに、長時間を要することとなる。従って、核燃料要素の外部のそのようなガス、核分裂ガスの量は、核燃料の増大した結晶粒度のために、通常の操作条件中に減少する。
【０００５】
また、増大した耐腐食性は、核燃料の増大した結晶粒度から結果として生じると考えられる。なぜなら、腐食は、好ましくは粒界で始まり、そして、全粒界領域と核燃料要素の体積との間の関係が低減する、すなわち、結晶粒度が増大するとき、全粒界領域は減少するからである。核燃料は、取り囲むクラッディング管（ｃｌａｄｄｉｎｇ ｔｕｂｅ：被覆管）の損傷の結果として操作中に水蒸気または水と接触するかもしれないので、良好な耐腐食性が望ましい。腐食生成物はプラントの中にさらに広がるかもしれないが、それはそれ自体知られている理由のために避けなければならない。
【０００６】
前述の添加物は、核燃料のより大きな結晶粒度およびそれに伴う利点を生じるという事実に加えて、それらの少なくともある種のものは、核燃料要素の容積に関連して、真の核燃料、例えば、Ｕ、ＴｈまたはＰｕの重量に関連する、核燃料要素の密度の増大に寄与する。それ故、核燃料の一定の容積からさらに多くの効率（ｐｏｗｅｒ）が得られることがある。
【０００７】
また、前記添加物の少なくともある種のものは、焼結された核燃料要素の可塑性を増加させることにもなる。これは、操作中の急速な効率増加において取り囲むクラッディング管の損傷の危険およびそれに伴う核燃料要素の容積変化となる。なぜなら、別の方法よりも小さい効率を持つ燃料要素はクラッディング管に作用するからである。
【０００８】
Ｃｒ₂Ｏ₃は極めて顕著な結果を与える前述の添加物である。そのために、先行技術は、前述の効果を得るために、主として核燃料の結晶粒度を増加させるために、好ましくはＣｒ₂Ｏ₃を使用した。しかし、Ｃｒ₂Ｏ₃は、Ｃｒが比較的大きな中性子の吸収断面積を有し、それが中性子の回転において核燃料要素の効率にマイナスの影響を有するので、このような状況に置いては悪影響を与えるものとして考えなければならない。そのようなことが本発明者によって理解された。先行技術によれば、前述の効果を得るために、酸化物基材の核燃料、例えばＵＯ₂の量に対して、１０００〜５０００ｐｐｍのＣｒが、（別個にまたはＣｒ₂Ｏ₃として）添加された。
【０００９】
（発明の概要）
本発明の目的は、核燃料要素中のＣｒの存在のマイナスの結果を考慮しながら、同時に、追加の酸化物、好ましくは酸化クロムを、加える酸化クロムの量を調節して、酸化物基材の核燃料に添加することにより得られる効果によって利益を得る方法を提供することである。
【００１０】
この目的を得るために前述で定義した方法は、添加するＣｒの量は、添加される酸化物基材の核燃料の量に対して、≧５０ｐｐｍおよび＜１０００ｐｐｍであることを特徴とする。添加する酸化クロムのそのような量は、核燃料要素の焼結に関連してＵＯ₂のような酸化物基材の別の核燃料の著しく増大した結晶粒度となり、同時に、Ｃｒの量を前よりも低いレベルに保ち、従って、比較的高い中性子の吸収断面積にも関わらず、操業中に核燃料要素の効率についてマイナスの影響を減少させる。なお、Ｃｒの量に関するさらに好ましい間隔は、１００〜７００ｐｐｍである。
【００１１】
本発明方法の好ましい態様によれば、また、少なくとも１種の追加の酸化金属を含む粉末が添加される。その金属は、Ｃｒよりも実質的に小さい中性子の吸収断面積を有し、焼成時に核燃料に対する酸化クロムの結晶粒拡大効果に著しく貢献するような量が添加される。追加の酸化金属は、好ましくは、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯのいずれでもよい。前記添加物は、単独であるか、または酸化クロムによって得られる効果を得るために不十分であるが酸化クロムの補助剤として優れた機能を有するお互いの組み合わせ物である。酸化クロムは、好ましくはＣｒ₂Ｏ₃である。
【００１２】
本発明方法のさらに好ましい態様によれば、追加の酸化金属はＡｌ₂Ｏ₃を含み、添加するＡｌの量は≧２０ｐｐｍであり、そして好ましくは≦３００ｐｐｍである。２０ｐｐｍ未満においては、添加したＡｌ₂Ｏ₃の効果は急速に減少する。３００ｐｐｍより多いと、Ａｌ₂Ｏ₃の更なるプラスの効果は、当該酸化クロムの割合と限界になる。
【００１３】
本発明方法のさらに好ましい態様によれば追加の酸化金属はＭｇＯを含み、添加するＭｇの量は≧２０ｐｐｍであり、そして好ましくは≦３００ｐｐｍである。２０ｐｐｍ未満においては、酸化物基材の核燃料に対するＭｇＯのプラスの効果は急速に減少する。Ｍｇが３００ｐｐｍより多いと、ＭｇＯの更なるプラスの効果は当該酸化クロムの割合と限界になる。
【００１４】
さらに本発明の目的は、核燃料要素に焼結されるように適合された酸化物基材の物質を提供することであり、それは、予め決められた酸化クロムの含量により、かつその組成物の結果として、前述の前記追加酸化物の添加により生じるより高い密度、より大きい核燃料の結晶粒およびより良好な可塑性（柔軟性）の形態における利益を生むこととなり、同時に、核燃料要素のためのできるだけ低い中性子の断面積となる。
【００１５】
この目的は、酸化物基材の核燃料の量に対してＣｒの量が≧５０ｐｐｍおよび＜１０００ｐｐｍであることを特徴とする前述で定義したタイプの物質により得られる。
【００１６】
また、好ましい態様により、酸化物基材の物質は、少なくとも１種の追加の酸化金属を含み、その金属は、Ｃｒよりも実質的に小さい中性子吸収断面積を有し、かつ前記物質の焼結時に酸化物基材の核燃料に対する酸化クロムの結晶粒拡大効果に著しく貢献する量が存在する。追加の酸化金属は、すでに前述したＮｂ₂Ｏ₅、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯのいずれでもよい。また、これらの酸化物のいくつかを一緒にして前記物質中に存在させることも可能である。追加の金属酸化物（単数または複数）は、核燃料要素の全中性子吸収断面積を著しく増加させることなしに、酸化クロムに関して補助的目的を有する。
【００１７】
さらに好ましい態様によると、前記酸化金属は、Ａｌ₂Ｏ₃の形態における酸化アルミニウムを含み、その量は、核燃料の量に対して、≧２０ｐｐｍおよび好ましくは≦３００ｐｐｍである。２０ｐｐｍ未満においては、添加されたＡｌ₂Ｏ₃の効果は減少する。Ａｌが３００ｐｐｍより多いと、Ａｌ₂Ｏ₃の更なるプラスの効果は、当該酸化クロムの割合と限界となる。
【００１８】
さらに好ましい態様によると、前記酸化金属は、ＭｇＯの形態における酸化マグネシウムを含み、Ｍｇの量は、核燃料の量に対して、≧２０ｐｐｍおよび好ましくは≦３００ｐｐｍである。ＭｇＯの量は、Ａｌ₂Ｏ₃に関する理由と同じ理由で限定される。
【００１９】
本発明による方法および物質のなおいっそうの利点および特徴は、次の詳細な説明および特許請求の範囲の記載からさらに明白であろう。
【００２０】
（態様の詳細な説明）
本発明方法の好ましい態様により、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯを含む粉末の１種または複数を酸化物基材の核燃料（このケースにおいてはＵＯ₂）を含む粉末に添加する。
【００２１】
添加するＣｒ₂Ｏ₃の量は、Ｃｒが５０〜１０００ｐｐｍの範囲（ＵＯ₂の重量に関する重量割合）であり、Ａｌ₂Ｏ₃の形態において添加するＡｌの量は２０〜３００ｐｐｍの範囲であり、そしてＭｇＯの形態で添加するＭｇの量は、２０〜３００ｐｐｍの範囲である。接着剤および潤滑剤は、分けて添加し、またはそれ自体既に知られているように前記粉末のいずれかの一部として添加する。
【００２２】
次いで、それらの粉末を、均質な混合が得られるように既知方法で混合する。
【００２３】
次いで、均質な粉末混合物を、２００〜７００ＭＰａの圧力によって一種またはいくつかの未処理体に加圧する。
【００２４】
その後、未処理体（単数または複数）を、ＣＯ₂を０．１〜５．０％添加した水素雰囲気中で焼結し、または別法として、ＣＯ₂の添加なしの湿った水素中でのみ焼結する。焼結は１４００〜１８００℃の温度において大気圧下で１〜６時間続ける。それにより、理論的な密度に極めて近接する密度が得られる。初めに１０μｍのオーダーの結晶粒度を有していたＵＯ₂の結晶粒は、焼結中に≧２５μｍに生成した。すなわち、結晶粒はかなり大きくなった。
【００２５】
焼結中に、添加された酸化物Ｃｒ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃およびＭｇＯは、焼結されそして冷却された物質の中に、すなわち形成された燃料要素の中に、焼結体中に存在するＵＯ₂粒子を取り囲むようにマトリックスを形成する液体層を形成した。
【００２６】
もちろん、説明した好ましい態様をいろいろと変えることは当業者にとって明らかであろう。しかし、本発明についての記載によって支持されている特許請求の範囲によって定義された保護の範囲には限定されないであろう。
【００２７】
本発明による方法および物質は、中性子の照射によって活性化された核分裂により核エネルギーを取り出すための圧縮水リアクターおよび沸騰水型原子炉に使用され、そしてクラッディング管の中に位置している燃料ペレットの形態での核燃料要素の製造によく適している。
【００２８】
前述されたｐｐｍ値は、金属の重量／酸化物基材の核燃料の重量に基づくものであり、例えばＣｒ重量／ＵＯ₂重量を示している。

Claims (7)

1. 酸化物基材の核燃料を酸化クロムと混合し焼結して固体にする、酸化物基材の核燃料要素の製造方法であって、Ｃｒを、酸化剤基材の核燃料に、酸化剤基材の核燃料の量に対して≧５０ｐｐｍおよび＜１０００ｐｐｍの部分を添加し、しかも、酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムからなる群から選択される少なくとも１種の追加の酸化金属を、前記追加の酸化金属の金属が≧２０および≦３００ｐｐｍの量で添加されていることを特徴とする、前記の酸化物基材の核燃料要素の製造方法。
2. 酸化クロムがＣｒ₂Ｏ₃であることを特徴とする、請求項１の方法。
3. 焼結を、１４００〜１８００℃の温度において実施することを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 酸化物基材の核燃料が、ＵＯ₂、ＴｈＯ₂およびＰｕＯ₂の少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 酸化物基材の核燃料および酸化クロムを含み、Ｃｒの量が、酸化物基材の核燃料の量に対して、≧５０ｐｐｍおよび≦１０００ｐｐｍである核燃料要素に焼結されるように適合された酸化物基材の物質であって、それが酸化アルミニウム及び酸化マグネシウムからなる群から選択される少なくとも１種の追加の酸化金属を含み、前記追加の酸化金属の金属が≧２０および≦３００ｐｐｍの量で添加されていることを特徴とする、前記の酸化物基材の物質。
6. 酸化クロムがＣｒ₂Ｏ₃であることを特徴とする、請求項５に記載の物質。
7. 酸化物基材の核燃料が、ＵＯ₂、ＴｈＯ₂およびＰｕＯ₂の少なくとも１種を含むことを特徴とする、請求項５又は６に記載の酸化物基材の物質。