JPH01184497A - 核燃料焼結体の製造方法 - Google Patents
核燃料焼結体の製造方法Info
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- JPH01184497A JPH01184497A JP63008109A JP810988A JPH01184497A JP H01184497 A JPH01184497 A JP H01184497A JP 63008109 A JP63008109 A JP 63008109A JP 810988 A JP810988 A JP 810988A JP H01184497 A JPH01184497 A JP H01184497A
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Tunnel Furnaces (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、核燃料焼結体の製造方法に関する。
原子炉に使用されている核燃料は、二酸化ウラン、酸化
プルトニウム入り二酸化ウラン等の成分から構成され、
通常はこれら酸化物を成形、焼結して得られる焼結ペレ
ットとして用いられる。また、上記核燃料構成成分とし
ては、さらに、中性子吸収物質として酸化ガドリニウム
（Ｇｄ２０３）等の希土類酸化物が添加される。
プルトニウム入り二酸化ウラン等の成分から構成され、
通常はこれら酸化物を成形、焼結して得られる焼結ペレ
ットとして用いられる。また、上記核燃料構成成分とし
ては、さらに、中性子吸収物質として酸化ガドリニウム
（Ｇｄ２０３）等の希土類酸化物が添加される。
ところで、このような核燃料粉末を成形し焼結する場合
、通常、１６００〜１８００℃の還元雰囲気（たとえば
Ｈ２）が使用される。焼結速度は焼結温度に比例するの
で、１８００℃以上の温度で焼結すれば、それだけ短時
間で焼結が完了する。
、通常、１６００〜１８００℃の還元雰囲気（たとえば
Ｈ２）が使用される。焼結速度は焼結温度に比例するの
で、１８００℃以上の温度で焼結すれば、それだけ短時
間で焼結が完了する。
ところが、現在一般的に使用されている核燃料酸化物焼
結用の炉は、モリブデンを発熱体とし、アルミナレンガ
を断熱材とした連続式トンネル炉が主流である。したが
って、耐熱性の観点から１８００℃以上の高温度を維持
することは困難であり、したがって１８００℃以下の焼
結温度で長時間の焼結が必要となる。このようにモリブ
デン発熱体、アルミナレンガ断熱材で構成される連続式
トンネル炉は、１８００℃以上の高温度にできないこと
と、輻射および熱伝導により周囲から成形体に熱が供給
される為にエネルギーのロスが大きいこと、の２つが欠
点である。
結用の炉は、モリブデンを発熱体とし、アルミナレンガ
を断熱材とした連続式トンネル炉が主流である。したが
って、耐熱性の観点から１８００℃以上の高温度を維持
することは困難であり、したがって１８００℃以下の焼
結温度で長時間の焼結が必要となる。このようにモリブ
デン発熱体、アルミナレンガ断熱材で構成される連続式
トンネル炉は、１８００℃以上の高温度にできないこと
と、輻射および熱伝導により周囲から成形体に熱が供給
される為にエネルギーのロスが大きいこと、の２つが欠
点である。
本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、エネ
ルギーコストの低減化が図られた核燃料焼結体の製造方
法を提供することを目的としている。
ルギーコストの低減化が図られた核燃料焼結体の製造方
法を提供することを目的としている。
本発明に係る核燃料焼結体の製造方法は、核燃料原料粉
末を成形し、焼結する方法において、原料粉末の成形体
を予め、１８００℃以下、好ましくは１６００〜２００
０℃の還元雰囲気で予備加熱した後、１８００℃以上、
好ましくは１８００〜２０００℃以上の還元性雰囲気中
において短時間に焼結する工程を含むことを特徴として
いる。
末を成形し、焼結する方法において、原料粉末の成形体
を予め、１８００℃以下、好ましくは１６００〜２００
０℃の還元雰囲気で予備加熱した後、１８００℃以上、
好ましくは１８００〜２０００℃以上の還元性雰囲気中
において短時間に焼結する工程を含むことを特徴として
いる。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
成形体の製造
本発明で用いられる核燃料粉末としては、二酸化ウラン
その他の酸化ウラン、酸化プルトニウム、酸化トリウム
等の１種または２種以上に、さらに中性子吸収物質とし
て酸化ガドリニウムを加えた混合物が用いられ得る。こ
れら原料粉末の粒径は、混合前において、約１０〜１５
００μｍ程度の範囲が好ましい。
その他の酸化ウラン、酸化プルトニウム、酸化トリウム
等の１種または２種以上に、さらに中性子吸収物質とし
て酸化ガドリニウムを加えた混合物が用いられ得る。こ
れら原料粉末の粒径は、混合前において、約１０〜１５
００μｍ程度の範囲が好ましい。
また、上記原料粉末には、成形性その他の性状を向上さ
せるために、必要に応じてバインダーを添加してもよい
。
せるために、必要に応じてバインダーを添加してもよい
。
次いで、上記原料粉末を常法に従い、所望形状の成形機
の金型中に装入し、例えば０．５〜５ｔｏｎ／ｃＪ程度
の圧力で成形して、４０〜６０％ＴＤ（理論密度の４０
％〜６０％、理論密度は二酸化ウランの場合１０．９５
ｇ／ｃＪ）の成形体を得る。
の金型中に装入し、例えば０．５〜５ｔｏｎ／ｃＪ程度
の圧力で成形して、４０〜６０％ＴＤ（理論密度の４０
％〜６０％、理論密度は二酸化ウランの場合１０．９５
ｇ／ｃＪ）の成形体を得る。
焼結
本発明においては、上記原料粉末の成形体を予め、１８
００℃以下、好ましくは１６００〜１８００℃の還元性
雰囲気で予備加熱した後、１８００℃以上、好ましくは
１′８００〜２０００℃以上の還元性雰囲気中において
短時間に焼結する工程を含むことを特徴としている。
′本発明における焼結工程は、予備加熱ゾーンと高
温焼結ゾーンとから構成される連続焼結炉によって行な
われ得る。
００℃以下、好ましくは１６００〜１８００℃の還元性
雰囲気で予備加熱した後、１８００℃以上、好ましくは
１′８００〜２０００℃以上の還元性雰囲気中において
短時間に焼結する工程を含むことを特徴としている。
′本発明における焼結工程は、予備加熱ゾーンと高
温焼結ゾーンとから構成される連続焼結炉によって行な
われ得る。
第１図に、このような連続トンネル焼結炉の一例を概略
図で示す。すなわち、本図に示すように焼結炉は、基本
的には、予備加熱もしくは昇温ゾーンＡと高温焼結ゾー
ンＢならびに降温ゾーンＣから構成され、昇温ゾーンＡ
および降温ゾーンＣには、加熱手段としてたとえばモリ
ブデンヒーター１が設けられ、高温焼結ゾーンＢには加
熱源としてキセノンランプ２が設けられている。成形体
３は、スキッド４に搭載されて炉内を連続的に移動する
。
図で示す。すなわち、本図に示すように焼結炉は、基本
的には、予備加熱もしくは昇温ゾーンＡと高温焼結ゾー
ンＢならびに降温ゾーンＣから構成され、昇温ゾーンＡ
および降温ゾーンＣには、加熱手段としてたとえばモリ
ブデンヒーター１が設けられ、高温焼結ゾーンＢには加
熱源としてキセノンランプ２が設けられている。成形体
３は、スキッド４に搭載されて炉内を連続的に移動する
。
このように、高温焼結ゾーンＢは、加熱源がキセノンラ
ンプからなり、昇温ゾーンＡで予備加熱された成形体を
該高温焼結ゾーンＢ中で、好ましくは１８００〜２００
０℃の温度下において、好ましくは、１０〜３０分間焼
結する。このときの焼結温度の限定理由は次の通りであ
る。
ンプからなり、昇温ゾーンＡで予備加熱された成形体を
該高温焼結ゾーンＢ中で、好ましくは１８００〜２００
０℃の温度下において、好ましくは、１０〜３０分間焼
結する。このときの焼結温度の限定理由は次の通りであ
る。
通常の還元雰囲気炉では１８００℃までしか温度を上げ
ることができない。この理由は使用しているアルミナレ
ンガがこれ以上の温度に耐えることができないからであ
る。本発明では成形体のみを加熱する方法であるので１
８００℃以上の高温度で焼結可能となる。１８００℃以
上の高温度であるならば、本発明の目的は達せられるが
、２０００℃以上の温度になるとＵＯ３の蒸発が激しく
なり、好ましくない。
ることができない。この理由は使用しているアルミナレ
ンガがこれ以上の温度に耐えることができないからであ
る。本発明では成形体のみを加熱する方法であるので１
８００℃以上の高温度で焼結可能となる。１８００℃以
上の高温度であるならば、本発明の目的は達せられるが
、２０００℃以上の温度になるとＵＯ３の蒸発が激しく
なり、好ましくない。
前記予備加熱ゾーン中においては、原料成形体を予め１
６００〜１８００℃に加熱する三とが好ましい。また、
この場合の昇温速度は、１０〜１５度／分の範囲が好ま
しい。１０℃未満では、プッシャー形式の焼結炉である
ため、予備加熱域に滞在する時間が長くなり、予備加熱
としては過剰なエネルギーを与えることになる。したが
って、本発明の目的であるエネルギーコストの低減化の
ためには好ましくない。一方、１５℃を超える温度で焼
結することは、被処理物に与える熱衝撃が多きく、微細
組織中にクラック等が発生し、このため製品に悪影響を
与える結果となる。
６００〜１８００℃に加熱する三とが好ましい。また、
この場合の昇温速度は、１０〜１５度／分の範囲が好ま
しい。１０℃未満では、プッシャー形式の焼結炉である
ため、予備加熱域に滞在する時間が長くなり、予備加熱
としては過剰なエネルギーを与えることになる。したが
って、本発明の目的であるエネルギーコストの低減化の
ためには好ましくない。一方、１５℃を超える温度で焼
結することは、被処理物に与える熱衝撃が多きく、微細
組織中にクラック等が発生し、このため製品に悪影響を
与える結果となる。
次いで、上記焼結後、焼結体を、降温ゾーンＣで徐々に
冷却するが、このときの降温速度は、１０〜１５度／分
が好ましい。
冷却するが、このときの降温速度は、１０〜１５度／分
が好ましい。
第２図は、上記の様な焼結温度プロファイルの一例を示
すグラフである。
すグラフである。
得られた焼結体は、例えば所望の直径に研削し、これを
燃料被覆管中に装填し不活性ガスに置換して封入し燃料
棒としそれらを集めて燃料集合体として原子炉の運転に
供する。
燃料被覆管中に装填し不活性ガスに置換して封入し燃料
棒としそれらを集めて燃料集合体として原子炉の運転に
供する。
ところで、従来の方法においては、１８００℃以上の温
度に連続式トンネル炉全体を維持するためには、炉の超
耐熱設計が必要となる。本発明のように、焼結対象ペレ
ットのみに熱エネルギーを集中することができれば、こ
のような超耐熱設計が不要となる。本発明においては、
ペレットを平板上に並べて、上下部よりキセノンランプ
等を使用したイメージ形式により、ペレットに熱エネル
ギーを集中させるこにより上記短時間高温焼結を実施す
ることができる。平板上には多数列にわたってペレット
が並んでいるので、列数に合わせたキセノンランプ等を
焼結炉の上下部に取り付け、エネルギーがペレット上に
集中されるように、それぞれのランプに反射鏡を取り付
けることもてきる。また、上述したように、このイメー
ジ形式部分の前後は通常のモリブデン発熱体を使用した
連続式トンネル炉で構成され得る。
度に連続式トンネル炉全体を維持するためには、炉の超
耐熱設計が必要となる。本発明のように、焼結対象ペレ
ットのみに熱エネルギーを集中することができれば、こ
のような超耐熱設計が不要となる。本発明においては、
ペレットを平板上に並べて、上下部よりキセノンランプ
等を使用したイメージ形式により、ペレットに熱エネル
ギーを集中させるこにより上記短時間高温焼結を実施す
ることができる。平板上には多数列にわたってペレット
が並んでいるので、列数に合わせたキセノンランプ等を
焼結炉の上下部に取り付け、エネルギーがペレット上に
集中されるように、それぞれのランプに反射鏡を取り付
けることもてきる。また、上述したように、このイメー
ジ形式部分の前後は通常のモリブデン発熱体を使用した
連続式トンネル炉で構成され得る。
本発明によれば、１６００〜１８００℃の還元雰囲気で
長時間を必要とした核燃料酸化物の焼結を、１８００〜
２０００℃の温度において短時間で行なうことにより省
エネルギーを促進し、製品のコストダウンをはかること
ができる。焼結温度を上げることにより機器固有の定常
時運転電力は増加するが、焼結時間としては非常に短く
なるので、総合的に見ると、Ｕ Ｏ２の単位重量あたり
の供給エネルギーの低減化を図ることができる。
長時間を必要とした核燃料酸化物の焼結を、１８００〜
２０００℃の温度において短時間で行なうことにより省
エネルギーを促進し、製品のコストダウンをはかること
ができる。焼結温度を上げることにより機器固有の定常
時運転電力は増加するが、焼結時間としては非常に短く
なるので、総合的に見ると、Ｕ Ｏ２の単位重量あたり
の供給エネルギーの低減化を図ることができる。
たとえば、モリブデン発熱体を使用した従来の連続式ト
ンネル炉による焼結法と、上記本発明の方法に従った連
続式トンネル炉の単位Ｕ Ｏ２ｆｆｉあたりの消費電力
量を比較すると以下の通りである。
ンネル炉による焼結法と、上記本発明の方法に従った連
続式トンネル炉の単位Ｕ Ｏ２ｆｆｉあたりの消費電力
量を比較すると以下の通りである。
まず従来法による連続式トンネル炉の定常運転時の電気
容量を８０ ｋｗｈとし、焼結温度を１７００℃とする
。まず、核燃料酸化物成形体（以下、ＵＯ２を主体にし
たものとする）の焼結は、構成原子のうち、主として陽
イオンの拡散により支配される。したがって、ＵＯ２の
焼結はＵの内部拡散に支配される。１７００℃（１９７
３Ｋ）時のＵの拡散係数は、約９ Ｘ １０−１６ｃＪ
／ｓｅｅである［Ｒｅｉｍａｎｎ、Ｄ、に、 、Ｌｕｎ
ｄｙ、Ｔ、Ｓ、 ：Ｊ、Ａｍ。
容量を８０ ｋｗｈとし、焼結温度を１７００℃とする
。まず、核燃料酸化物成形体（以下、ＵＯ２を主体にし
たものとする）の焼結は、構成原子のうち、主として陽
イオンの拡散により支配される。したがって、ＵＯ２の
焼結はＵの内部拡散に支配される。１７００℃（１９７
３Ｋ）時のＵの拡散係数は、約９ Ｘ １０−１６ｃＪ
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Ｃｅｒａｍ、Ｓｏｃ、、５２．５１１（１９６９） ）
ｏこの場合、通常１７００℃の温度で４時間保持され
て焼結が完了する。この時のＵの拡散距離は約５ Ｘ
１０’ｃｍとなる〔「固体内の拡散」笛木和雄、北沢宏
−共沢（コロナ社）〕。
ｏこの場合、通常１７００℃の温度で４時間保持され
て焼結が完了する。この時のＵの拡散距離は約５ Ｘ
１０’ｃｍとなる〔「固体内の拡散」笛木和雄、北沢宏
−共沢（コロナ社）〕。
一方、２０００℃（２２７３Ｋ）でこれと同程度の拡散
距離を得る為には、２０００℃でのＵの拡散係数が約２
Ｘ １０ ” ｃ−／ ｓｅｅより０． ２時間とな
る。これらのことを考慮すると、スキッド１枚あたりに
積みこみ可能なＵ Ｏ２の量は、通常の容器の１／２と
なるが、焼結時間が短時間であるので、単位時間あたり
のスキッドの搬出数は通常の４倍となる。したがって、
焼結ＵＯ２ｆｉｌは単位時間あたり２倍となる。新考案
の連続式トンネル炉の定常運転時の電気容量は１２０
ｋｗｈ程度（モリブデンヒータ一部に６０にν、イメー
ジ形式部分に６０ｋｖ使用する）であるので同一処理量
時間あたり現在炉と比較して１時間あたり２０ｋｗの削
減となる。
距離を得る為には、２０００℃でのＵの拡散係数が約２
Ｘ １０ ” ｃ−／ ｓｅｅより０． ２時間とな
る。これらのことを考慮すると、スキッド１枚あたりに
積みこみ可能なＵ Ｏ２の量は、通常の容器の１／２と
なるが、焼結時間が短時間であるので、単位時間あたり
のスキッドの搬出数は通常の４倍となる。したがって、
焼結ＵＯ２ｆｉｌは単位時間あたり２倍となる。新考案
の連続式トンネル炉の定常運転時の電気容量は１２０
ｋｗｈ程度（モリブデンヒータ一部に６０にν、イメー
ジ形式部分に６０ｋｖ使用する）であるので同一処理量
時間あたり現在炉と比較して１時間あたり２０ｋｗの削
減となる。
実施例Ｉ
ＵＯ２粉末を２ ｔｏｎ ／ｃｄ （成形体密度 ５．
３ｇ ／ ｃｃ）で成形後、従来方法（１７００℃ Ｈ
２雰囲気中 ４時間焼結）と本発明（１９５０℃、Ｈ２
雰囲気中２０分焼結）とで焼結を実施した結果、両者と
も９６．０％ＴＤの焼結密度を得て、ペレット中の微細
組織も従来方法と同様のものが得られた。
３ｇ ／ ｃｃ）で成形後、従来方法（１７００℃ Ｈ
２雰囲気中 ４時間焼結）と本発明（１９５０℃、Ｈ２
雰囲気中２０分焼結）とで焼結を実施した結果、両者と
も９６．０％ＴＤの焼結密度を得て、ペレット中の微細
組織も従来方法と同様のものが得られた。
第１図は本発明の用いる焼結炉の一例を示す断面概念図
、第２図は焼結温度プロファイルの一例を示すグラフで
ある。 １・・・モリブデンヒーター、２・・・キセノンランプ
、３・・・成形体、４・・・スキッド。 ｊ！９．結Ｆ％藺（時間） 第２図
、第２図は焼結温度プロファイルの一例を示すグラフで
ある。 １・・・モリブデンヒーター、２・・・キセノンランプ
、３・・・成形体、４・・・スキッド。 ｊ！９．結Ｆ％藺（時間） 第２図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、核燃料原料粉末を成形し、焼結する方法において、
原料粉末の成形体を１８００℃以下の還元性雰囲気予備
加熱ゾーンで加熱した後、１８００℃以上の還元性雰囲
気高温焼結ゾーン中において短時間に焼結する工程を含
むことを特徴とする、核燃料焼結体の製造方法。 ２、予備加熱ゾーンと高温焼結ゾーンとから構成される
連続焼結炉によって焼結が行なわれる、請求項１の方法
。 ３、前記予備加熱ゾーン中で、原料成形体を予め１６０
０〜１８００℃に加熱する、請求項２の方法。 ４、前記高温焼結ゾーンは加熱源がキセノンランプから
なり、予備加熱ゾーンで予備加熱された成形体を該高温
焼結ゾーン中で、１８００〜２０００℃の温度下におい
て短時間で焼結する、請求項２の方法。 ５、焼結終了後、焼結体を徐々に冷却する、請求項２の
方法。 ６、前記高温焼結ゾーンでの加熱時間が、 １０〜３０分である、請求項２の方法。 ７、高温焼結ゾーンでは成形体のみを加熱する、請求項
２の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63008109A JPH0652318B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | 核燃料焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63008109A JPH0652318B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | 核燃料焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01184497A true JPH01184497A (ja) | 1989-07-24 |
| JPH0652318B2 JPH0652318B2 (ja) | 1994-07-06 |
Family
ID=11684127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63008109A Expired - Fee Related JPH0652318B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | 核燃料焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0652318B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010190717A (ja) * | 2009-02-18 | 2010-09-02 | Japan Atomic Energy Agency | 高速増殖炉サイクルにおける高速増殖炉用核燃料ペレットの製造方法 |
| JP2010190719A (ja) * | 2009-02-18 | 2010-09-02 | Japan Atomic Energy Agency | 高速増殖炉用核燃料ペレットの製造方法 |
-
1988
- 1988-01-18 JP JP63008109A patent/JPH0652318B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010190717A (ja) * | 2009-02-18 | 2010-09-02 | Japan Atomic Energy Agency | 高速増殖炉サイクルにおける高速増殖炉用核燃料ペレットの製造方法 |
| JP2010190719A (ja) * | 2009-02-18 | 2010-09-02 | Japan Atomic Energy Agency | 高速増殖炉用核燃料ペレットの製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0652318B2 (ja) | 1994-07-06 |
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