JPH01136094A - セラミック核燃料ペレットの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミック核燃料ペレットの製造に関する。

本発明によれば、二酸化ウラン粉末よりなる未焼成ペレ
ット（ｇｒｅｅｎ　ｐ’ｅｌｌｅｔｓ　）を形成させ、
これらのペレットを高速焼成を行う加熱ゾーンに導入す
ることよりなる、セラミック核燃料ペレットを製造する
方法において、該粉末が少なくとも１ｍ″／ｇの比表面
積を有し、六フッ化ウランと水蒸気及び水素との反応に
よって誘導されたセラミック等級粉末（ａ　ｃｅｒａｍ
ｉｃ　ｇｒａｄｅ　ｐｏｗｄｅｒ　）よりなり、該高速
焼成を少なくとも１９００℃の焼結温度で行って理論帯
の９０％を越える高密度化を焼結のみによって達成する
。

米国特許４５６２０１７はＵＯ□もしくはＵＯ□／Ｐｕ
Ｏ□粉末の未加熱の予め成形したペレットをヘリウム−
水素雰囲気で２５００℃まで、１２００℃までは３０℃
／ｓｅｃより遅い速度で、１２００℃を越えたら３０℃
／ｓｅｃより速い速度で加熱し；加熱ペレットを急速に
型に移し；２〜３ミリ秒（ａ　ｆｅｗ　ｍ１ｌｌｉｓｅ
ｃｏｎｄｓ　）以内で目的とする寸法（ｄｉｍｅｎｓｉ
ｏｎｓ）に圧縮し；ついで放出する（ｅｊｅｃｔｅｄ）
ことによって、酸化物形態の核分裂性物質及び／または
親物質を含有するセラミック燃料ペレットの製法を開示
している。この特許はもっとも小さい可能な焼結活性（
ｓｍａｌｌｅｓｔ　ｐｏｓｓｉｂｌｅ　ｓｉｎｔｅｒｉ
ｎｇａｃｔｉｖｉｔｙ　）を有する粉末の使用を推奨し
、特に粉砕した焼結スクラップ（ｇｒｏｕｎｄ　５ｉｎ
ｔｅｒｅｄ　５ｃｒａｐ　）及び硝酸ウラニルもしくは
硝酸ウラニル−硝酸プルトニウムの熱分解によって製造
した粉末に関する。

これに対し、本発明は六フッ化ウランと水蒸気及び水素
との反応から導かれたセラミック等級粉末を用いる。か
かる粉末の使用により、理論密度（ＴＤ）の９０％を十
分越えるペレット密度を加熱ペレットをダイス圧縮する
（　ｄｉｅ　ｐｒｅｓｓｉｎｇ　）煩雑さに訴えること
なく高速焼成によって達成することができることが見い
出された。すなわち高密度化は焼結のみによって達成さ
れる。

本発明で用いられる粉末には１つのもしくは複数の添加
剤、例えばシュウ酸アンモニウム等の一時的孔形成剤（
ａ　ｆｕｇａｔｉｖｅ　ｐｏｒｅ　ｆｏｒｍｅｒ　）　
　（さらに詳しくは我々の先行英国特許１４６１２６３
及び１４６１２６４参照）を加えてもよい。添加剤はま
た高速焼成により、熱ペレットの型圧縮を要せずに、９
０％ＴＤを越える焼結ペレット密度を達成することがで
きる適当なセラミック特性を有する二酸化プルトニウム
（例えば２０重量％程度の量で）を含めることができる
。

未焼成ペレットは本質的に単一結晶で二酸化ウランより
なることができるシート結晶を含有する（　１ｎｃｌｕ
ｄｅ　）ことができる。高速焼成は１９００〜２５００
℃、好ましくは２０００〜２２００℃の温度域で１０分
より長くなく、好ましくは５０〜５００秒、典型的には
２００〜５００秒行うことができる。

六フッ化ウランと水蒸気及び水素との反応によって誘導
される粉末を用いる核燃料ペレットの製造の常法におい
ては、焼成プロセスは約１７００℃で３〜４時間もしく
はより長時間行われる。

本発明においては、焼結プロセスは３〜４時間と比較し
てより急速に、例えば１０分より短い時間行われるが、
この際焼結の温度と時間は目的生成物が９０％ＴＤより
高い密度、好ましくは少なくとも９４％ＴＤの密度に焼
結されるように、かつ焼結ペレットを水素雰囲気中１７
００℃で２４時間焼結したときの密度変化が２％程度も
しくはそれ以下、好ましくは１％以下となるように選択
する。

高速焼成工程は真空中または非酸化雰囲気、例えば還元
環境中で行う。還元雰囲気は好ましくはいくらかの水分
を含有する水素雰囲気、例えば９９％水素および１％水
分であることができ、かかる雰囲気は水素含有雰囲気に
ＣＯｚを添加することによってつくり出せる。

焼成は炉を通してペレットを、例えば連続的に、輸送さ
せながら行ってもよいし、バッチ炉中で行うてもよい。

本発明の方法で用いられる出発粉末は好ましくは我々の
先行英国特許１３２０１３７または２０６４５０３に記
述した方法によって調製する。

これらの文献の記載を参考としてここに加入する。

出発粉末は好ましくは２〜３ｒｄ／ｇの比表面積を有す
る。

ＵＯ□出発粉末をシュウ酸アンモニウム等の一時的孔形
成剤（典型的には１重量％まで程度の量で）または未焼
成ペレットの圧縮を助ける潤滑剤（１ｕｂｒｉｃａｎｔ
　）と組み合わせる場合には、ペレットを比較的低い温
度、例えば潤滑剤の性質によって２５０〜８００℃でゆ
っくりと予備加熱して孔形成剤または潤滑剤を分解し、
追い出し、ついで少なくとも１９００℃で１３００℃／
ｍｉｎまでの速度での焼成に付すことができる。

多くの場合かかる予備処理は不要である。加熱速度は３
００〜ｂ 例えば３００〜ｂ ｂ ロセスを温度を少なくとも１９００℃、典型的には２０
００〜２２００℃に維持したオーブン中でペレットを連
続的に輸送することによって行う場合には、ペレットの
移動速度は、ペレットがオーブン中の高温ゾーン（ｈｏ
ｔ　ｚｏｎｅ　）中の高速焼成温度にさらされる時間が
９０％ＴＤを越える密度及び２％より好ましくは１％程
度の前記条件下での再焼結時の密度変化を達成するのに
十分であるような速度である。

行われた実験において、ＵＦ、と水蒸気及び水素との反
応によって誘導されたＵ　Ｏｚ粉末を造粒し、ダイス壁
潤滑下３．１　ｔｏｎ／　ｃｒＡの圧力で圧縮して未焼
成ペレットを製造する。ペレットを室温から種々の焼結
温度まで急速に３００〜ｂｍｉｎの速度で加熱し、その
選択した焼結温度で各場合とも２００秒保持した。

以下の密度が得られた。

１７００　　　９５．４　　　　９９．３　　　　３．
９１８００　　　９６．７　　　　９９．３　　　　２
．６１９００　　　９７．３　　　　９９．４　　　　
２．１２０００　　　９７．８　　　　９９．２　　　
　１．４２１００　　　９８．１　　　　９９．０　　
　　０．９１９００℃の焼結温度で再焼結による密度変
化は２％ＴＤ程度（実際は２．１％ＴＤ）であったが、
いくつかの適用について許容し得るレベルである。

以下の実施例に示すごとく、未焼成ペレットのシーディ
ング（ｓｅｅｄｉｎｇ　）は例えば粒径を増加させる利
点を有していた。

実施例 二酸化ウランの前駆体焼成ペレット（約直径１１ｍ１＋
Ｘ長さ１１龍）を乾燥水素環境下に２１００℃まで２０
℃／ｍｉｎで加熱し、その温度で１時間保持した。つい
でペレットを２１００℃と４５０℃の間で２０℃／ｍｉ
ｎで冷却し、ついで周囲温度まで自然冷却させた。冷却
中にペレットは崩壊して粉末となり、これを篩分して３
７μより小さい両分を回収した（　ｗｅｒｅ　ｒｅｔａ
ｉｎｅｄ　）　、このものは本質的に単一結晶シートで
あった。シートを２％及び５％はどマトリックス二酸化
ウラン粉末に加えた（例えばシート２ｇ及びマトリック
ス粉末９８ｇ）。混合粉末を造粒し、造粒物をダイス壁
潤滑下４ｔｏｎ／ｃｏ！でペレットに圧縮した。

ペレットを還元環境、すなわち水素＋１％ＣＯＺ下周囲
温度から約２１００℃の焼結温度まで高速焼成した。加
熱速度は６００℃／ｍｉｎと７００℃／ｍｉｎの間であ
った。ペレットを焼結温度でＯ及び５００秒の間保持し
、ついで２１００℃及び１６００℃の間に８５０℃／ｍ
ｉｎ及び１０００℃／ｍｉｎの間の速度で急速冷却した
。得られた結果を以下の表に示す。

密度は液体として水を用いる浸漬技術によって求めた。

粒径はＡＳＴＭ平均直線切片法（ｔｈｅ　ＡＳＴＭ　ｍ
ｅａｎｌｉｎｅａｒ　ｉｎ　ｔｅｒｃｅｐｔ　ｍｅｔｈ
ｏｄ　）によって求めた。

再焼結は高速焼成物質の熱安定性を評価するために水素
環境下１７００℃で２４時間行った。

シート結晶使用の効果は表から、特に比較的大きな粒径
が得られた番号３及び４がら明らがである。

シート結晶の使用に関するさらなる情報は英国特許２１
７７２４９Ａから得られる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、二酸化ウラン粉末よりなる未焼成ペレットを形成し
   、該ペレットを高速焼成を行う加熱ゾーンに導入するこ
   とよりなるセラミック核燃料ペレットの製造方法であっ
   て、該粉末が少なくとも１ｍ＾２／ｇの比表面積を有す
   るセラミック粉末よりなり、かつ六フッ化ウランと水蒸
   気及び水素との反応によって得られ、高速焼成を少なく
   とも１９００℃の焼結温度で行って理論密度の９０％を
   越える高密度化を焼結のみで達成することを特徴とする
   方法。 ２、二酸化ウラン粉末を添加剤と組み合わせる請求項１
   記載の方法。 ３、添加剤が二酸化プルトニウムを含有する請求項２記
   載の方法。 ４、二酸化ウラン粉末が２〜３ｍ＾２／ｇの比表面積を
   有する請求項１〜３のいずれかに記載の方法。 ５、焼結を１９００〜２５００℃の温度範囲で行う請求
   項１〜４のいずれかに記載の方法。 ６、焼結を２０００〜２２００℃の温度範囲で行う請求
   項５記載の方法。 ７、高速焼成を１０分までの時間間隔の間行うことを特
   徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。 ８、高速焼成を５０〜５００秒行う請求項７記載の方法
   。 ９、高速焼成を２００〜５００秒行う請求項７記載の方
   法。 １０、未焼成ペレットの加熱速度が　３００〜１３００
   ℃／ｍｉｎである請求項１〜９のいずれかに記載の方法
   。 １１、加熱速度が３００〜４００℃／ｍｉｎである請求
   項１０記載の方法。 １２、加熱速度が６００〜７００℃／ｍｉｎである請求
   項１０記載の方法。 １３、高速焼成を行う前に、その中の一時的孔形成剤及
   び潤滑剤を分解し、追い出すために未焼成ペレットを２
   ５０〜８５０℃でゆっくりと予備加熱する請求項１０記
   載の方法。 １４、未焼成ペレットが本質的に単一結晶からなるシー
   トを含有する先行請求項のいずれかに記載の方法。 １５、単一結晶が二酸化ウランよりなる請求項１４記載
   の方法。 １６、シート結晶が、二酸化ウランよりなる未焼成前駆
   体を還元環境下で約２１００℃に加熱し、その温度に約
   １時間前駆体ペレットを保持し、前駆体ペレットを２１
   ００℃と４５０℃の間で約２０℃／ｍｉｎで、ついで自
   然に４５０℃〜周囲温度に冷却することによって前駆体
   ペレットを崩壊させ、崩壊ペレットから３７μより小さ
   な本質的に単一の結晶からなるシートを選択することに
   よって得られる請求項１５記載の方法。 １７、該シートと二酸化ウランよりなるマトリックス粉
   末とを混合して未焼成ペレットを形成させることを包含
   する請求項１４〜１６のいずれかに記載の方法。 １８、該シートを未焼成ペレットの約５重量％まで含有
   させる請求項１７記載の方法。 １９、高速焼成後ペレットを急速冷却する先行請求項の
   いずれかに記載の方法。 ２０、ペレットを２１００℃と１６００℃の間８５０〜
   １０００℃／ｍｉｎの速度で冷却する請求項１９記載の
   方法。 ２１、高速焼成をペレットを加熱ゾーン中でたえず移動
   させながら行う先行請求項のいずれかに記載の方法。 ２２、先行請求項のいずれかに記載の方法によって製造
   され、理論密度の９０％を越える密度を有する核燃料ペ
   レット。