JP7289808B2 - 合金のマトリックス中に分散したセラミック核燃料 - Google Patents
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Description
在来型の原子力発電所も追加の需要の一部を満たすかもしれない。しかし、在来型の原子力発電所は、技術上かつ社会一般に受け入れられるために克服すべき多くの障害を伴っている。新しいタイプの核燃料も必要とされるだろう。
燃料棒)を製造するために、遠隔射出鋳造プロセスを用いることができる。燃料の定常状態、過渡状態(transient)および安全性能についての極めて広範囲にわたる照射のデー
タベースが存在する。3元合金のリサイクルピンは高度に放射性の場合があり、それらの製造のために1500~1600℃の温度において遮蔽の後ろで遠隔操作を用いる技術は十分に確立されている。
6号明細書、および米国特許出願公開第2011/0206173号明細書はそれぞれ、
それらの全体が引用文献として本明細書に取り込まれる。
LWR-SNF粒子を金属の高速炉燃料と合体させることができる:
1.下注ぎ鋳造(bottom pour casting)燃料スラッグ。環状(または円柱状)の燃料の
スラッグの下注ぎ鋳造を行う前に、溶融した金属燃料の仕込み原料にSNF燃料粒子を添加することができる。二重の周波数を用いて仕込み原料を誘導加熱することができ、周波数の変化が溶融物の中でのSNF粒子の混合をもたらすだろう。
2.中実燃料スラッグの射出鋳造(injection casting)。中実で円柱状の燃料スラッグ
の射出鋳造を行う前に、溶融した金属燃料の仕込み原料にSNF燃料粒子を添加することができる。仕込み原料は1で説明したようにして加熱されるだろう。
3.粉末冶金プロセス。粉末冶金プロセスによって製造された金属燃料の粒子とSNF燃料粒子を合体(混合)することができる。
短時間の照射の後、いずれの製造プロセスを用いたかに関わらず、燃料のミクロ組織を、粉砕したセラミック粒子を含まない場合の射出鋳造した燃料のミクロ組織と同一、実質的に同一、および/または機能上同一にすることができる。従って、SNF粒子を含まない場合の射出鋳造した燃料についての広範囲にわたるデータベースは、予想される照射処理能についての優れた指針となるだろう。
特定の装置において、鋼クラッド燃料ピンの中に挿入するためのスラッグを製造するために下注ぎ鋳造技術を用いることができる。スラッグは、環状のジルコニウム(Zr)シース(sheathed)スラッグとすることができる。照射を行うと、製造したままのピンを、元々の射出鋳造の製造プロセスによって生成される慣用の形態(traditional morphology)へと迅速に再構築することができ、そのため、そのような燃料ピンのための現行の広範囲にわたる性能のデータベースが引き続き適用される。
ピンのスラッグを製造することができる。環状の燃料ピンのスラッグを鋳型から取り出して、締り嵌めされる鋼のクラッドの中に挿入することができる。エンドキャップ(end cap)を溶接することができる。このようなピンの束を組み立てて、複数のピンの燃料集合
体にすることができる。
は、溶融した金属相の中にセラミック粒子が均一に混合するのに役立つだろう。ウラン(
U)/プルトニウム(Pu)/ジルコニウム(Zr) およびウラン(U)/ジルコニウム(Zr) の誘導加熱は現行の射出鋳造プロセスによって知られていて、周波数を調整することによって乱流動様式を形成することができることも知られている。
射出鋳造
特定の装置において、鋼被覆燃料ピンの中に挿入するための中実の(すなわち、非環状の)スラッグを製造するために公知の射出鋳造技術が用いられてきた。スラッグは中実の燃料スラッグとすることができ、これは、隙間嵌めされる鋼のクラッドとナトリウムの中に挿入され、スラッグと被覆との間で良好な熱伝導性が得られるようにナトリウムに接合される。照射を行うと、製造したままのピンを、射出鋳造の製造プロセスによって生成される慣用の核分裂気体で満たされた多孔質の形態へと迅速に再構築することができ、これに対しては、現行の広範囲にわたる性能のデータベースが適用される。
ク粒子が均一に混合するのに役立つだろう。
金属相として存在するだろう。照射を行うと、燃料ピンが(核分裂気体が浸透した)金属燃料の連続したマトリックスを生成することによって十分な熱伝導性が確保されるように、金属燃料とセラミックの比率を選択することができる。特定の態様において、分散したセラミック粒子は、約90%を超える酸化ウランと約6%の核分裂性生成物および約1.5%の超ウラン元素の組成を有するだろう。これらの射出鋳造操作は遠隔操作で行うことができ、これは典型的に、軽水炉使用済み核燃料を用いて製造を行う場合に必要とされる。
粉末冶金はサーメットの燃料組成物の製造を容易にし、これによれば、金属相のマトリックスの中にセラミック粒子を埋め込むことができる。これの能力は、下注ぎ鋳造および射出鋳造によるサーメット燃料ピンの製造方法と同様に、軽水炉使用済み核燃料のような粉砕したセラミックの燃料を選択することを可能にし、そして高速炉をベースとする発電所を維持する閉じた燃料サイクルの中に粉砕したセラミック燃料を導入する。これは、困難な軽水炉使用済み核燃料の処分の問題を処理するための有効な解決策を提供するだろう。セラミック相の体積分率を制限することによって、以前の燃料性能のデータベースの適用可能性を維持することが可能であろう。
三つの全ての態様において、金属燃料に関する以前のデータベースの適用可能性を維持し、熱伝導性の許容範囲を維持し、そして核分裂密度の必要なレベルを達成するために、確保しなければならないセラミックの体積分率の範囲が存在するだろう。濃縮したU/Z
rの初期の燃料充填について、セラミックの体積分率は、連続した金属のマトリックスが存在するようにされるだろう。U/Pu/Zrのリサイクル燃料充填について、セラミックの重量分率はおよそ10重量%であろう(これは、燃焼した重金属の重量分率を回復するのにちょうど十分な量である)。
ピンにおいて、不純物による少量のセラミックの混入が、従来は見いだされた。ぬれ性は、これらのプロセスによって達成できるだろう。
燃料粒子の富化はおよそ1~2%であり、一方、金属のマトリックスにおける富化はおよそ10%よりも大きいであろうから、粒子の凝集による燃料中での高い核分裂密度の「ホットスポット」の形成は起こりえないからである。凝集は局所的な「クールスポット」を形成させるかもしれないが、それは性能の問題を提起しない。製造プロセスが完全な均質さを決してもたらさないものであるとしても、ホットスポットの問題は起こらないだろう。
のピンについては中心の穴に、射出鋳造したピンについては燃料スラッグと被覆材の間の間隙に、そして粉末冶金によって製造した燃料においては開放気孔に存在する。金属のマトリックスの流れは埋め込まれたセラミック粒子を同伴し、それにより粒子どうしの平均の分離距離が増大するだろう。凝集は誘起されないだろう。
粉砕した軽水炉使用済み核燃料粒子を合金の燃料ピンの中に導入することは、核不拡散の利益をもたらすだろう。この利益は特に、ウランが20%未満で濃縮されていて(それ自体では非放射性の)超ウラン元素を含まない最初の炉心充填について有利であろう。初期の炉心については、照射を行った後、生じる燃料の組成はPu239に富むプルトニウムを含んでいるけれども、Pu240およびPu241による実質的な汚染がなく、一方、それとは反対に、リサイクルの炉心は、兵器に使用するためには魅力のないプルトニウムの同位元素の混合物を形成するだろう。従って、最初の充填に粉砕したLWR-SNF
を添加することにより、幾つかの核不拡散の利益を提供することができる。
れは原子炉に運航する間は放射線の場によって保護されていないのである。
rによって「吸収(gettered)」されるだろう。)従って、新たに増殖したPu239は、原子炉内でほんの短時間曝露されると、Pu240およびPu241で汚染されることになり、このことは、それを核兵器において用いることを魅力的でないものにするだろう。
40%であろう。一方、複数回のリサイクルの後に得られる、対応する高速炉の漸近的な組成物の割合は、約25%になるだろう。
中の13重量%の核分裂性物質(fissile))×(核分裂性物質(fissile)中の1/10P
u) =0.00845の寄与となるだろう。
中の40%の240+241) =0.00845の寄与となるだろう。
(239+240+241)の比率は、例えば、およそ(0.0021)/(0.008
45+0.0021)=0.199であろう。これは、漸近的な数値としてすでに変性したものと考えられてもよい。同位体の混合は、燃料ピンの温度と温度勾配、強い放射線の場、およびこれらの条件に曝される時間の長さを考慮して行うことができる。セラミックと金属の境界面にまたがる同位体の移動は、増殖したPu239を伴う均一な混合を生じさせるだろう。従って、最初の燃料充填についてさえも、かなりの本質的な変性が得られるだろう。その影響はリサイクル燃料充填について少なくなるだろう。何故ならば、セラミックの重量分率は約8~10重量%まで低下するが、しかし、そのときまでにはPuはすでに変性していて、リサイクル燃料はリサイクルのプロセスにおいて保持された放射性の核分裂生成物とともに充填することができるからである。
[1]サーメット金属燃料マトリックス核燃料ピンを製造する方法であって、次の各工程:
1種以上の金属核燃料の原料を溶解し、それにより溶融した金属の溶融物を形成させること;
溶融した金属の溶融物の中にセラミック粒子を添加し、それにより混合物を形成させること;
混合物を激しく攪拌すること;
混合物を鋳型の中に下注ぎすること;および
混合物を鋳型の中で凝固させ、それによりサーメット金属燃料マトリックス核燃料ピンを形成すること;
を含む前記方法。
[2]攪拌することは、混合物を撹乱させ、それにより粒子の実質的に均一な分布状態を達成することを含む、[1]に記載の方法。
[3]セラミック粒子には、粉砕した軽水炉使用済み核燃料、酸化トリウム、酸化アメリシウム、およびこれらの組み合わせが含まれる、[1]に記載の方法。
[4]セラミック粒子には、酸化トリウム、酸化アメリシウム、およびこれらの組み合わせが含まれる、[1]に記載の方法。
[5]鋳型は円柱状の穴を有し、この円柱状の穴のほぼ中心に棒がある、[1]に記載の方法。
[6]得られるサーメット金属燃料マトリックス核燃料ピンは、環状のサーメット金属燃料マトリックス核燃料ピンである、[5]に記載の方法。
[7]鋳型は、この鋳型の中の穴の中にぴったり合うように据え付けられた1つ以上のジルコニウム管を含む、[1]に記載の方法。
[8]得られる燃料ピンは、ジルコニウムシースサーメット金属燃料マトリックス核燃料ピンである、[7]に記載の方法。
[9]サーメット金属燃料マトリックスの中のセラミック粒子の分布は、混合物を急速冷却によって凝固させた後にも均一なままである、[1]に記載の方法。
[10]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランを含む、[1]に記載の方法。
[11]1種以上の金属核燃料の原料は、(i)ウラン、および(ii)ジルコニウムまたはモリブデンを含む、[1]に記載の方法。
[12]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランと超ウラン元素の混合物を含む、[1]に記載の方法。
[13]サーメット金属燃料マトリックス核燃料ピンを製造する方法であって、次の各工程:
1種以上の金属核燃料の原料を溶解し、それにより溶融した金属の溶融物を形成させること;
溶融した金属の溶融物の中にセラミック粒子を添加し、それにより混合物を形成させること;
混合物を激しく攪拌すること;
混合物を鋳型の中に射出鋳造すること;および
混合物を鋳型の中で凝固させ、それによりサーメット金属燃料マトリックス核燃料ピンを形成すること;
を含む前記方法。
[14]攪拌することは、溶融した金属の溶融物を撹乱させ、それにより溶融した金属の溶融物の中でのセラミック粒子の均一な混合を達成することを含む、[13]に記載の方法。
[15]粉砕したセラミック粒子は、軽水炉使用済み核燃料を含む、[13]に記載の方法。
[16]粉砕したセラミック粒子は、酸化トリウムを含む、[13]に記載の方法。
[17]混合物を凝固させることは、冷却させることによる、[13]に記載の方法。
[18]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランを含む、[13]に記載の方法。
[19]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランとジルコニウムを含む、[13]に記載の方法。
[20]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランと超ウラン元素の混合物を含む、[13]に記載の方法。
[21]金属核燃料ピンを製造する方法であって、次の各工程:
粒状の金属核燃料の原料を添加すること;
粒状の金属核燃料の原料にセラミック粒子を添加すること;
粒状の金属核燃料の原料に対して粉砕したセラミック粒子を混合し、それにより均一な混合物を形成させること;および
混合物を鋼の被覆の中に入れて固めること;
を含む前記方法。
[22]セラミック粒子には、粉砕した軽水炉使用済み核燃料が含まれる、[21]に記載の方法。
[23]粉砕したセラミック粒子には、酸化トリウム、酸化アメリシウム、およびこれらの組み合わせが含まれる、[21]に記載の方法。
[24]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランの粒子を含む、[21]に記載の方法。
[25]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランとジルコニウムの粒子を含む、[21]に記載の方法。
[26]1種以上の金属核燃料の原料は、ウランと超ウラン元素の粒子の混合物を含む、[21]に記載の方法。
Claims (13)
- セラミック粒子と金属燃料の連続したマトリックスとからなる核燃料ピンを製造する方法であって、次の各工程:
1種以上の金属核燃料の原料を誘導炉の中で溶解し、それにより溶融した金属の溶融物を形成させること;
セラミック粒子を溶融した金属の溶融物の中に混合すること;
誘導炉の周波数を調整することにより混合物を撹乱させ、それにより粒子の均一な分布を生成すること;
混合物を鋳型の中に下注ぎすること;および
混合物を鋳型の中で冷却することにより、凝固した前記核燃料ピンを形成すること;
を含み、
前記セラミック粒子は、90%を超える酸化ウランまたは酸化トリウム、6%の核分裂性生成物、及び1.5%の超ウラン元素を含み、超ウラン元素は酸化アメリシウムを含む、前記方法。 - 鋳型は円柱状の穴を有し、この円柱状の穴のほぼ中心に棒がある、請求項1に記載の方法。
- 前記核燃料ピンは、環状の核燃料ピンである、請求項2に記載の方法。
- 鋳型は、この鋳型の中の穴の中にぴったり合うように据え付けられた1つ以上のジルコニウム管を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記核燃料ピンは、ジルコニウムのシースに覆われている核燃料ピンである、請求項4に記載の方法。
- 前記均一な分布は、冷却の後にも均一なままである、請求項1に記載の方法。
- 1種以上の金属核燃料の原料は、ウランを含む、請求項1に記載の方法。
- 1種以上の金属核燃料の原料は、(i)ウラン、および(ii)ジルコニウムまたはモリブデンを含む、請求項1に記載の方法。
- 1種以上の金属核燃料の原料は、ウランと超ウラン元素の混合物を含む、請求項1に記載の方法。
- セラミック粒子と金属燃料の連続したマトリックスとからなる核燃料ピンを製造する方法であって、次の各工程:
1種以上の金属核燃料の原料を誘導炉の中で溶解し、それにより溶融した金属の溶融物を形成させること;
セラミック粒子を溶融した金属の溶融物の中に混合すること;
誘導炉の周波数を調整することにより混合物を撹乱させ、それにより粒子の均一な分布を生成すること;
混合物を鋳型の中に射出鋳造すること;および
混合物を鋳型の中で冷却することにより凝固した前記核燃料ピンを形成すること;
を含み、
前記セラミック粒子は、90%を超える酸化ウラン、6%の核分裂性生成物、及び1.5%の超ウラン元素を含む前記方法。 - 1種以上の金属核燃料の原料は、ウランを含む、請求項10に記載の方法。
- 1種以上の金属核燃料の原料は、ウランとジルコニウムを含む、請求項10に記載の方法。
- 1種以上の金属核燃料の原料は、ウランと超ウラン元素の混合物を含む、請求項10に記載の方法。
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