JP4700806B2 - 核燃料ペレット - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、原子炉用の燃料ペレットの製造に関する。
【０００２】
燃料燃焼度を得るために濃縮レベルを高めた酸化ウラン燃料を使用する傾向が増している。このような傾向の結果、炉中の任意の所定の燃料ピンの滞留時間が増加する。それゆえ、保全性における信頼度が向上された燃料ピンを製造することが必要である。
【０００３】
酸化ウラン粉末からプレスし、引き続き、時間、温度および雰囲気の制御された条件下で焼結した燃料ペレットは公知である。このような燃料ペレットは通常、概ね真円筒であり、円筒および多くのこのようなペレットは、例えば、ジルカロイ（Ｚｉｒｃａｌｏｙ）（商標）、ジルコニウム合金の金属チューブ中に軸方向に配置して充填される。このチューブは、通常、「クラッド（燃料被膜）」と呼ばれ、充填されたチューブは「燃料ピン」と呼ばれる。多数の燃料ピンは、一緒に、しばしば平行配列した径方向のアレイとしてグループにまとめられ、燃料要素または燃料アッセンブリーを形成する。
【０００４】
使用時、燃料要素が炉中に装填され、発電する場合、２つの明確な現象が起こる。「ペレットクラッディング相互作用」（ＰＣＩ：pellet cladding interaction）と理想的には、ペレット酸化物内に保持され、クラッドチューブ中に放出されてはならない核分裂ガスの生成、それゆえに「核分裂ガスの保持」（ＦＧＲ:fission gas retention）である。双方を下記にさらに詳細に説明する。
【０００５】
原子炉の運転時に発生する高温度の結果、酸化物燃料ペレットは膨張し、ペレットの外表面はクラッドの内表面と接触し、機械的ストレス （ＰＣＩ）を生じさせる。核反応時の核分裂生成物としてヨウ素が生成し、機械的ストレスはさらに悪化する。機械的ストレスおよびクラッディング材料の領域を攻撃する応力腐食剤として作用するヨウ素の組み合わせは、極端なケースではクラッドの破裂を引き起こす。一般に、小さい粒径では、表面で酸化物ペレットのクリープ（ひずみ）を促進し、応力除去効果を得るのに有益である。
【０００６】
核反応時に起こる第２の効果は、上記のヨウ素を含む多くの異なる種類の核分裂ガス生成物の生成である。粒界に拡散し、そこで核形成する原子として、核分裂ガス生成物は酸化物構造内で作られる。最終的にガス泡が生成し、泡はお互いに合一し、最終的に放出され、「核分裂ガス放出」として認識される。核分裂ガスが放出されるのは望ましくなく、燃料ペレットは一般に核分裂ガスの保持（ＦＧＲ）を促進するために、大粒径で製造される。核分裂ガス原子は、核形成しうる粒界に達する前に、その構造の中をさらに拡散しなければならないことから、大粒径が核分裂ガスの保持を促進する。
【０００７】
気が付かれるように、クリープを最適化し、ペレットクラッディング相互作用（ＰＣＩ）を低減するための小粒径によって応力除去を促進することと、また核分裂ガスの保持（ＦＧＲ）を最大化するための大粒径は相反する。
【０００８】
欧州特許出願８２３０５２６０．０号（欧州特許００７６６８０号）には、二酸化ウランまたはアンモニウムジウラネートを、前駆体として、ニオブを含む元素の選ばれた群の一つによりドーピング（不純物制御）して、大粒径を生成させることが記述されている。同様に、日本特開平４−０７０５９４号には、Ｎｂ（ＩＶ）酸化物による酸化ウランのドーピングが記述され、日本特開平３−１０２２９２号には、ニオブ酸化物を含む金属間化合物または酸化物による酸化ウラン のドーピングが記述されている。
【０００９】
英国特許出願８５１７１１０号（英国特許２１７７２４９号）には、本質的に単結晶材料からなる種結晶材料（seed material）を用いる大粒径材料の製造が記述されているが、ニオビアドーピングは言及されていない。英国特許出願２３７９１１７８号（英国特許１６００１６９号）には、金属ニオブを含む群から選ばれるゲッター材料による核燃料ペレットのコーティングが開示されているが、ペレット材料のドーピング（不純物制御）はそれ自身示唆されていない。
【００１０】
ペレットクラッディング相互作用（ＰＣＩ）を最少にするための小粒径を有する外側環状領域、および、核分裂ガスの保持（ＦＧＲ）を最大にするための大粒径を有する内側コア領域２つの明確な領域を有する燃料ペレットを製造する提案がなされた。このような構造は日本特願平１−３１１９３６号、日本特願昭６２−２６２６５２号および８３ＳＵ−６００６４５号に記述されている。このペレットは、一般に外側環と分離した内側コアコンポーネントをプレスし、２つを一緒に嵌め合わせ、次に燒結することにより作製される。燒結時、外側環はコアに向って収縮し、２つのコンポーネントの拡散結合が起こるように、プレス条件は制御される。
【００１１】
共同所有の英国特許公報２０２０６４１号には、（これ以降「ニオビア」と呼ぶ） 酸化ウラン燃料ペレット中での五酸化ニオブのドーパント（不純物制御）しての使用が記述されている。ニオビアの効果は、燒結時拡散速度を増大させ、ペレット中で大粒径の生成を増進させるものと言われる。ニオビアにより生じる増加した拡散速度は、また、結晶粒内の核分裂ガス生成物の拡散速度に実質的に影響しないとも言われている。かくして、核分裂ガス生成物の拡散速度を増加させる明白なマイナスの影響なしに、大粒径が得られる。しかしながら、ニオビアの存在は、核分裂ガスの拡散速度にマイナスに影響することが見出された。
【００１２】
ペレットクラッディング相互作用（ＰＣＩ）を最少にするために、表面で改良されたクリープ応力緩和性を有し、またコア中で改良された核分裂ガスの保持（ＦＧＲ）を有する機能的に等級付けされた酸化ウラン燃料ペレットを提供することが本発明の目的である。
【００１３】
本発明は、内側領域と内側領域のまわりの外側領域とからなり、上記外側領域の少なくとも一部の酸化ウランが内側領域に比べてニオビアに富む酸化ウラン燃料ペレット提供する。本発明の他の特徴および利点を、次の説明および参照される添付のクレームに概述する。
【００１４】
本明細書においては、「ニオビア」という語が使用される。この添加物は、通常、ニオブ五酸化物の形で作製されるが、焼結等の加工時に組成は、還元雰囲気または交互に還元性／酸化性となる雰囲気の影響によって変化し、炉中でこのように製造された、あるいは生成した最終材料中の「ニオビア」は五酸化ニオブではない。かくして、本発明で使用される「ニオビア」という語は、使用する形、あるいは生成するすべての形のニオブおよびニオブ酸化物を含む。
【００１５】
それにもかかわらず、従来技術の教える所に反して、ニオビアの添加により促進され、増加した拡散速度のために大粒径を有する酸化ウラン燃料材料は、ペレットクラッディング相互作用（ＰＣＩ）を低減させる小粒径の材料よりも実際には大きいクリープ速度を有することを見出した。
【００１６】
また、同一材料中の小粒径に比較して、ペレットのコア領域中の大粒径は核分裂ガスの保持（ＦＧＲ）にそれ自体有益である一方、我々の発見によれば、構造内で核分裂ガスの拡散速度を増加させるニオビア添加によるドーピング（不純物制御）以外の方法によって、大粒径を生成させることが好ましいことも見出された。構造中で大粒径を得るこのような方法の一つは、粉末の主バルクを形成する酸化ウラン（ＵＯ₂）結晶子の集塊を除外して所望のサイズ範囲の酸化ウラン（ＵＯ₂）結晶粒を持つ粉末をプレスに使用する種入れ（seeding）である。焼結ペレット中の約１０から１５μｍの平均粒径は、核分裂ガスの保持（ＦＧＲ）に関して許容し得る特性を生じるが、約２５μｍ以上の平均粒径は、核分裂ガスの保持（ＦＧＲ）に関して向上した特性を生じることが見出された。
【００１７】
表面領域におけるニオビア含量は、約０．１から０．５重量パーセントの範囲であり、約０．３重量パーセントが好ましい。
【００１８】
従来技術を引用して上述したように、明確な環およびコア領域を有する従来技術のいわゆる「二重」ペレットの平均粒径は、通常約０．２５から２．５μｍである。本発明のペレットにおいては、表面領域における平均粒径は、約２５μｍ以上であり、通常、約３５から５０μｍの範囲である。この明細書において平均粒径を測定する方法は線形切片法（linear intercept method）による。
【００１９】
明確な外側環および明確なコアを持つ二重構造を有する、上述のような本発明によるペレットが作製される。このペレットは、２段プレスにより、および上述のような組み立てにより、あるいは国際特許出願番号ＷＯ９３／１８８７８号に記述されている型のプレスでの複合ダイ配置における多段プレスの段階からなる一体構造としての組み立てにより作製される。
【００２０】
外側および内側領域を構成する２つの粉末組成物によるプレス操作によって製造される２つの明確な領域を有するペレットが作製されるが、ニオビア含量の増大した表面領域を有する均一ペレットは、本発明の発明の概念の内に入る。
【００２１】
二重型構造においては、環およびコア領域はそれぞれ、例えば、全ペレット容積の約５０容積％を含んでなる。
【００２２】
本発明をさらに充分に理解するために、添付図面を参照しながら、実施例を単に例示として記述する。
【００２３】
図１および図２は、ペレット１０を示す。ペレットは、ニオビア添加物を含む組成物を有する外側領域１２および実質的にニオビアを含まないコア１４を含んでなる。使用時の軸方向の膨張を吸収し、また、高温で応力下のクリープ緩和のためのスペースを設けるために、ペレットの軸方向の端面は、往々にして若干皿形になった形で提供されるが、これは明瞭にするために示さなかった。
【００２４】
製造の一つの方法として、環領域１２およびコア領域１４は、公知の手法により別々にプレスされる。この２つのコンポーネントは、一緒に組み立てられ、水素と湿気を含有する雰囲気下で約１７００／１７５０℃で約４〜５時間の公知の条件下で焼結される。プレスされた環のグリーン（未焼結体）の性質により環はコアよりも収縮して、その結果、焼結条件下で環はコアをしっかりつかみ、２つは一緒に拡散焼結される。
【００２５】
図３を参照して、集積ダイアセンブリーで二重ペレットをプレスする９段階を示す製造の別法を例示する。ダイアセンブリーは、例えば、機械的プレスの油圧制御マトリックスによりコンポーネントが独立に動くことが可能となっている、内側パンチアセンブリーを持つ単一外側ダイ２０を含んでなる。ステップ１で、ダイ（鋳型）２０は、外側パンチ２２およびステップ付きの外側パンチ２４を有し、ステップ２に示されるように、粉末２８による充填用のキャビティ２６を形成する。第３のパンチ構成要素３０は、粉末２８を圧縮して、ステップ３に示されるように、自己支持性のグリーン圧縮物３２を形成する。パンチ構成要素３０を引き出し、ステップ４に示されるように、ステップを付けた外側パンチ構成要素２４をグリーン圧縮物３２の最下範囲３４以下の位置迄下げる。ステップ４で形成され、ステップ５に示されるコア空隙に粉末３６を充填する。同軸のトップパンチ３８と一緒に外側パンチ３０を置き換え、パンチ３８および２４をお互いに前進させて、ステップ６および７に示されるように、コア粉末充填物３６を圧縮して、ステップ８に示されるように、圧縮された外側環３２および圧縮された内側コア４２を含んでなる一体化されたグリーンの圧縮物４０を作る。上部パンチ３０および３８を引き出し、パンチ２０および２４を同時に前進させて、ダイからグリーンの圧縮物４０を排出する。次に、グリーンの圧縮物４０を焼結する。
【００２６】
本発明による焼結燃料ペレットの第１の例として、コア領域１４は １２〜１５μｍの平均粒径を有し、実質的にニオビアを含まず、それに対して、２５μｍを超える粒径からなる環部１２は、０．３重量％のニオビアの添加物を有していた。
【００２７】
本発明による焼結燃料ペレットの第２の例として、コア領域１４は、ＵＯ₂ 結晶によるシーディングにより生成した２５μｍを超える粒径を有し、環部１２は２５μｍを超える粒径を有し、０．３重量％のニオビアの添加物を有していた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による燃料ペレットの軸方向および径方向の断面の概略図を示す。
【図２】 それぞれ本発明による燃料ペレットの軸方向および径方向の断面の概略図を示す。
【図３】 集積ダイアセンブリーで本発明による燃料ペレットを作製するプレスのシーケンスの概略図を示す。

Claims (9)

1. 内側領域と、内側領域のまわりの外側領域とを含み、該外側領域の少なくとも一部分にある酸化ウランが内側領域に比べてニオビアに富む酸化ウラン燃料ペレットであって、
   前記内側領域の酸化ウランが、酸化ウラン結晶粒を種晶として使用し、前記内側領域において２５μｍより大きい粒径を生成しており、
   上記部分におけるニオビア含量が０．１から０．５重量パーセントである酸化ウラン燃料ペレット。
2. 上記部分におけるニオビア含量が０．３重量パーセントである請求項１に記載の燃料ペレット。
3. ペレットの内側領域がニオビアを含まない請求項１または２に記載の燃料ペレット。
4. 上記部分が、上記に定義されるように、２５μｍより大きい平均粒径を有する請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料ペレット。
5. 上記部分が全外側領域である請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料ペレット。
6. ペレットが円筒形であり、内側領域と外側領域が同軸円筒形領域である請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料ペレット。
7. 外側領域が明確な環からなる請求項５または請求項６に記載の燃料ペレット。
8. 内側領域および外側領域が個別に製造され、一緒に焼結された請求項１ないし７のいずれかに記載の燃料ペレット。
9. 外側領域および内側領域が各々ペレット容積の５０容積％を占める請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料ペレット。

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