JPH01201190A - 二酸化ウラン焼結体の製造方法及び核燃料体 - 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】 明の場合と同じ譲受人に譲渡された、「核燃下ｉ」と称
するしイ（Ｌａｙ）等の同時序属米国特許出願第１２３
６１６一−号明細書中には、−酸化ウランとアルミノケ
イ酸塩焼結剤との混合物から形成された圧縮体を焼結す
ることにより、−二酸化ウラン粒子が少なくとも約２０
ミクロンの平均粒度を有しかつそれらの粒子がガラス状
のアルミノケイ酸塩相で被覆されて成る核燃料を製造し
得ることが開示されている。

本発明は、改善された機械的性質を有する核燃料体の製
造に関するものである。本発明の一側面に従えば、二酸
化ウランとケイ酸マグネシウムとから成る特定組成の圧
縮体を焼結することにより、特定の顕微鏡組織を有する
核燃料が製造される。

現在設計され、建設され、かつ運転されている原子炉に
おいては、板状、管状、棒状などの様々な幾何学的形状
を持った燃料要素中に核分裂性物質すなわち核燃料が含
まれている。かかる核燃料は、通例、耐食性、非反応性
かつ熱伝導性の容器すなわち被覆の中に封入されている
。このように核燃料と被覆とを合体したものが燃料要素
と呼ばれる。かかる燃料要素を冷却材チャネル内におい
て一定の間隔で格子状に組立てることによって燃料集合
体が形成される０次いで、十分な数の燃料集合体を組合
わせることによって持続核分裂反応の可能な核分裂連鎖
反応系すなわち炉心が形成される。このような炉心は原
子炉容器内に収容され、そしてその中に冷却材が流され
る。

上記のごとき被覆は２つの王たる目的に役立つ、第１の
目的は、核燃料と冷却材または（減速材５）存在時には
）減速材あるいはそｔ、ら両者との接触および化学反応
を防止することである。第２の目的は、気体状のものを
含む放射能の強い核分裂生成物が核燃料から冷却材また
は減速材ある１・はそれら両者中に放出されるのを防止
することである。

被覆として常用される材料は、ステンレス鋼、アルミニ
ウムおよびその合金、ジルコニウムお上ひその合金、ニ
オブ、ある種のマグネシウム台金などである。核燃料中
におけるガス圧または温度の上昇あるいは有害な核分裂
生成物による被覆、′）腐食のために被覆の破損が起こ
ると、冷却月や減速材および関連蒸気系統が強い放射能
を持った長寿命の核分裂生成物で汚染され、そのために
発電所の運転が妨げられることもある。

現時点で入手可能な理論的および実験的情報によれば、
二酸化ウラン核燃料の粒度が大きくなると核分裂気体の
放出速度が低下することが知られている。このような効
果は、燃料棒中に存在する空隙の減少または核燃料の設
計燃焼寿命の延長をもたらす点で望ましいものである。

しかし残念ながら、粒度の増大に伴って核燃料の高温ク
リープ速度が低下するのであって、これは原子炉の出力
上昇に際して被覆により大きなひずみをもたらすＣＩ）
として知られる機構を介して被覆の破損をもたらすこと
がある。それ故、粒度の増大とクリープ速度の上昇とを
共に示すような核燃料に関心が向けられている。本発明
はこのような核燃料を提供するものである４ 本発明の核燃料は、被覆の破損を回避するのに有用な顕
微鏡組織を有している。詳しく述べれば、本発明の核燃
料は少なくとも約２０ミクロンの平均粒度を有する二酸
化ウラン粒子をガラス状のケイ酸マグネシウム相で包囲
して成る焼結体である。

一般に約１０００℃以上にも達する高温下では、かかる
ガラス相が焼結体のクリープ速度すなわち塑性を二酸化
ウラン単独の場合よりも順著に高いレベルにまで増大さ
せるのである。

添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を考察すれ
ば、本発明は当業者にとって一層良く理解されよう。

二酸化ウラン焼結体を製造するための本発明方法は、簡
単に述べれば、（ａ）核分裂性物質を含有する焼結性の
二酸化ウラン粉末を用意し、（ｂ）約１０〜約５５（重
量）％（７）ＭｇＯと残部（７）　Ｓ　ｉｏ　２　トか
ら成る組成を有する焼結剤、または後記焼結温度より低
い温度で熱分解するそれの前駆物質を用意し、（ｃ）前
記二酸化ウラン粉末と前記焼結剤またはそれの前駆物質
とを混合することにより、二酸化ウランと焼結剤との合
計量を基準として約０゜１〜約１（重量）％の割合で前
記焼結剤を含有する混合物を調製し、（ｄ）前記混合物
を成形して圧縮体とし、（ｅ）前記焼結剤が液相を成す
ような焼結温度、すなわち約１５００℃を越えかつＳｉ
ｎ、の順著な蒸発が起こへない温度に至るまでの範囲内
の焼結温度で前記圧縮体を焼結して焼結生成物を得、次
いで（ｆ）前記焼結生成物を冷却する諸工程から成る結
果として、二酸化ウラン粒子が少なくとも約２０ミクロ
ンの平均粒度を有しかつ前記二酸化ウラン粒子全体の少
なくとも約９９（容量）％を占める二酸化ウラン粒子の
各々が露出部分をほとんど残さずにガラス状のケイ酸マ
グネシウム相で被覆されているような二酸化ウラン焼結
体が得られることを特徴とするものである。

ここで言う「ガラス相」または「ガラス状のケイ酸マグ
ネシウム相」とは、非晶質のケイ酸マグネシウム相を意
味する。

本発明方法の実施に際しては、核燃料として有用な焼結
体を製造するために有効な量の核分裂性物質を含有する
焼結性の二酸化ウラン粉末が用意される。かかる核分裂
性物質の代表例としては、２３５　Ｕのごときウランお
よび２３１１　ｐ　、のごときプルトニウムが挙げられ
る０通例、二酸化ウラン粉末は核分裂性のウラン同位体
を含有しており、しかもかかる同位体の濃縮が施されて
いる場合が多い。

このような粉末は当業界において公知であって、二酸化
ウラン粉末の全量を基準として約０．１〜約５（重量）
％の割合で核分裂性のウラン同位体を含有しているのが
通例である。かかる二酸化ウラン粉末中に含まれる全酸
素と全ウランとの原子比（０／Ｕ比）は約１，７〜約２
．２５の範囲内、多くの場合には約２．００を越えて約
２．１５に至るまでの範囲内にあるが、その値は主とし
て処理条件に依存する。

一般に、本発明方法において使用される二酸化ウラン粉
末は約２〜１２ｍ”／ｇ好ましくは約４〜８　ｍ”　／
　ｇの範囲内の比表面積を有している。このような粉末
を使用すれば、本発明の焼結温度における焼結を適度な
長さの時間内に達成することができる。それよりも小さ
い比表面積を有する二酸化ウラン粉末は、実用的と言え
ないほどに高い焼結温度が必要となるばかりでなく、Ｓ
ｉＯ２の蒸発を防止するために特別の対策を講じる必要
もあるために有用でない。他方、それよりも大きい比表
面積を有する二酸化ウラン粉末は化学反応性が大きいた
めに取板いが難しい。

本発明方法において使用される焼結剤は、約１０〜約５
５（重量）％のＭｇＯと残部のＳｉＯ２とから成ってい
る。実施の一態様に従えば、本発明の焼結剤は約１０〜
約４０（重量）％のＭｇＯを含有する一方、別の実施の
態様に従えば、それは約４０（重量）％を越えて約５５
（重量）％に至るまでのＭｇＯを含有する。

本発明の焼結剤は様々な形態のものであってよい。たと
えば、それはＭｇＯ粉末とＳｉＯ２粉末との混合物およ
び（または）ケイ酸マグネシウムであり得る。かかるケ
イ酸マグネシウムは天然物質であってもよいし、あるい
はＭｇＯ粉末とＳｉＯ２粉末との混合物の融解または固
相焼結のごとき各種の技術によって製造されたものであ
ってもよい。

上記の天然物質は、好ましくは本発明の焼結剤を主成分
とする鉱物であればよい、かかる天然物質の代表例とし
てはタルクが挙げられる。詳しく述べれば、上記の天然
物質は焼成を受けた場合（ただし焼結温度に到達する以
前）においてケイ酸マグネシウムと約１０（重量）％未
満の不純物とから成る焼成組成物を与えるような物質で
あればよい。

かかる焼成組成物中に残留する不純物は本発明の核燃料
に対して顕著な悪影響を及ぼすものであってはならない
。

所望ならば、焼結剤またはそれの一部を生成するような
微粒状の前駆物質を使用することもできる。ただし、か
かる前駆物質は焼結温度より低い高温で完全に熱分解し
て焼結剤またはそれの一部を生成すると共に、副生ガス
に由来する有害な残留物をほとんど生じないようなもの
でなければならない。酸化マグネシウムの有用な前駆物
質としては、炭酸マグネシウムおよび硝酸マグネシウム
が挙げられる。

上記のごとき焼結剤は、二酸化ウランと焼結剤との合計
量を基準として約０．１〜約ｌ（重量）％の割合で使用
される。焼結剤の使用量は実験的に決定することができ
るが、それは主として所望の焼結体の性質に依存する。

多くの場合、本発明の焼結剤は二酸化ウランと焼結剤と
の合計量を基準として約０．１〜約０．８（重量）％、
あるいは約０．２〜約０．６（重量）％、あルイは約０
．２５〜約ｏ、５（重量）％の割合を占める。実施の一
態様に従えば、本発明の焼結剤は二酸化ウランと焼結剤
との合計量を基準として約０，１（重量）％から約０．
５（重量）％未満まで、あるいは約０．１またはｏ、２
（重量）％から約０．４（重量）％までの割合を占める
。

上記のごとき二酸化ウラン粉末と焼結剤および（または
）それの原料物質とを混合するためには各種の常用技術
を使用することができる。その際には、焼結剤が二酸化
ウラン粉末中に少なくとも顕著もしくは実質的に一様に
分散して成る混合物を調製することが好ましい。上記の
ごとき焼結剤および（または）それの原料物質は微粒状
のものであって、それらの粒度は所望の混合物を与える
のに十分なものでありさえすればよいが、通例は約２０
ミクロン未満である。

所望ならば、焼結体に所望の気孔率を付与するのを容易
にするために気孔形成剤を添加してもよい。かかる目的
のためには通常の気孔形成剤を使用することができるが
、それらの実例としてはシュウ酸アンモニウム、ポリメ
チルメタクリレート、および焼結温度より低い温度で加
熱した際に揮発消失するその他の物質が挙げられる。か
かる気孔形成剤は常法に従って有効量で使用すればよい
。

一般に、気孔形成剤の使用量は二酸化ウラン、焼結剤お
よび気孔形成剤の合計量を基準として約０゜１〜約２（
重量）％の範囲内にあればよい。

上記のごとき混合物を成形または圧縮して圧縮体を得る
ためには各種の常用技術を使用することができる。たと
えば、押出し、射出成形、型圧縮または等圧圧縮によっ
て所望形状の圧縮体を製造することができる。混合物の
成形を容易にするために滑剤、結合剤または類似の物質
を使用する場合、それらは圧縮体または最終の焼結体に
対して顕著な悪影響を及ぼすものであってはならない。

このような成形助剤は、比較的低い温度（好ましくは５
００　’Ｃ以下の温度）で加熱した際に蒸発して残留物
をほとんど生じないような種類のものであることが好ま
しい、こうして得られた圧縮体は、焼結時における高密
度化を促進するために約６０％未満の気孔率を有するこ
とが好ましく、また約５０％未満の気孔率を有すれば一
層好丈しい。

上記の圧縮体は、たとえばベレット、円柱、板または立
方体のごとき任意所望の形状を有するものであってよい
。なお、かかる圧縮体は円柱（特に直円柱）の形状を有
するのが通例である。

次に、本発明の焼結体を生み出するような条件下で上記
の圧縮体が焼結される。圧縮体の焼結を行う際の雰囲気
は、個々の製造プロセスに応じて様々に変化し得る。な
お、かかる雰囲気は常温またはその付近の温度および大
気圧またはその付近の圧力を有することが好ましい。上
記のごとき圧縮体の焼結は、二酸化ウラン核燃料の製造
に際して単独の二酸化ウランを焼結するために有用であ
ることが知られている雰囲気中において行うことができ
る。とは言え、真空中における焼結はＳｉＯ２を蒸発さ
せる傾向があるために有用でない。

一般的に述べれば、水素、好ましくは約２０℃の露点を
有する湿性水素、平衡状態において二酸化ウランの酸素
／ウラン原子比を所望の値に維持するのに十分な酸素分
圧を与えるような気体混合物、およびそれらの組合せか
ら成る群より選ばれた雰囲気中において圧縮体の焼結が
行われる。平衡状態において所望の酸素分圧を与えるよ
うな気体混合物の代表例としては、本発明の場合と同じ
譲受人に譲渡されたカーター（Ｃａｒｔｅｒ）の米国特
許第３９２７１５４号明細書中に開示されたような二酸
化炭素と一酸化炭素との混合物が挙げられる。

上記のごとき圧縮体の焼結は、焼結剤が二酸化ウランの
存在下で液相を生成し、それによって本発明の液相焼結
体の製造が可能となるような温度において行われる。一
般に、焼結剤の５ｉｎ２含量が高くなるほど、液相が生
成される温度は低くなる。本発明の焼結温度は、約１５
００℃を越えかつＳｉＯ２の顕著な蒸発が起こらない温
度に至るまでの範囲内にあればよい。このような焼結温
度は、好ましくは約１６００−約１７００℃の範囲内に
ある。

焼結剤が約１０〜約４０（重量）％のＭｇｏ　　を含有
する場合には、焼結温度において固体の二酸化ウランお
よび液相のみが存在する。冷却後には、上記の液相はガ
ラス状のゲイ酸マグネシウム相のみを生成するのが普通
である。一般に、このようなガラス状のケイ酸マグネシ
ウム相の組成は焼結剤の組成と同じか　あるいはそれと
ほとんど違わない。また、それの存在量も焼結剤の使用
量と同じか、あるいはそれとほとんど違わない。

しかるに、焼結剤が約４０（重量）％を越えるＭｇＯを
含有する場合には、約３５〜約４５（重量）％［多くは
約４０（重量）％］のＭ（Ｏと残部の５ｉｎ２とから成
るガラス相および多少の結晶質ケイ酸マグネシウム相が
焼結体中に生成されるのが普通である０本発明のこのよ
うな実施の態様においては、一般に、生成されるガラス
相および結晶質ケイ酸マグネシウム相の合計量は焼結剤
の使用量と同じか、あるいはそれとほとんど違わない。

詳しく述べれば、ガラス相と結晶質ケイ酸マグネシウム
相との合計量は一般に焼結体の全重量を基準として約０
．１〜約１（重量）％の範囲内にあり、そしてガラス相
成分は焼結体の全重量を基準として少なくとも約０．０
５　（重量）％の量で存在しており、また結晶質ケイ酸
マグネシウム相成分は少なくとも検出可能な量（すなわ
ち、透過電子顕微鏡試験法および特定領域電子回折法に
よって検出し得る量〉で存在している。通例、焼結剤の
ＭｇＯ含量が増加するのに伴い、焼結体中に存在する結
晶質ケイ酸マグネシウム相の量は増加する６焼結剤が約
４０く重量）％を越えるＭｇＯを含有する場合、それは
焼結温度で完全に液相を成すこともあれば、そうでない
こともある。それが完全に液相を成す場合、液相の冷却
に伴って多少の結晶質ケイ酸マグネシウムが析出する。

その結果、被覆された二酸化ウラン粉子間のボクソト内
に位置するガラス相中に結晶質ケイ酸マグネシウム粒子
が存在するような焼結体が得られることになる。

しかるに、より低い焼結温度および（または）より高い
ＭｇＯ含量の下では、焼結剤が焼結温度において液相と
多少の結晶質ケイ酸マグネシウムとを生成する場合があ
る。その結果、被覆された二酸化ウラン粒子間のポケッ
ト内に位置するガラス相中に小さい結晶質ケイ酸マグネ
シウム粒子が存在すると共に、被覆された二酸化ウラン
粒子中に大きい結晶質ケイ酸マグネシウム粒子が突入し
ているような焼結体が得られることになる。二酸化ウラ
ン粒子中に突入している結晶質ケイ酸マグネシウム粒子
は、ガラス相中に位置する結晶質ケイ酸マグネシウム粒
子よりも顕著に大きい（通例少なくとも約２０％だけ大
きい）ものである。−最に、二酸化ウラン粒子中に突入
している結晶質ゲイ酸マグネシウム粒子の量は焼結体中
に存在する結晶質ゲイ酸マグネシウム相の全量を基準と
して約５０（容量〉％未満である。なお、かかる結晶質
ケイ酸マグネシウム相はＭｇ５ｉＯｉ、Ｍ　ｇ２ｓ　ｉ
ｏ　４およびそれらの混合物から成る群より選ばれたも
のである。

かかる焼結に際しては、本発明の焼結体を製造するため
に必要な時間にわたって圧縮体が焼結温度に保持される
。焼結温度での保持時間は実験的に決定することができ
るが、それは主として所望の焼結体の性質に依存する。

一般に、焼結体中における二酸化ウランの粒度は焼結温
度、焼結温度での保持時間、および焼結剤によって決定
される。

通例、焼結温度が高くなるほど、かつ（あるいは）焼結
温度での保持時間が長くなるほど、二酸化ウラン粒子は
大きくなる。また、焼結剤中のＭｇＯ含量が高くなるほ
ど二酸化ウラン粒子は大きくなる。

焼結温度への加熱速度は、主として、焼結以前における
副生ガスの除去速度によって制限される。

一般に、これは炉内におけるガス流量およびそれの均−
性並びに炉内に存在する物質の量に依存する。一般的に
述べれば、副生ガスが炉外に除去されるまでは毎時約５
０〜約３００℃の加熱速度が使用されるが、それは常法
によって実験的に決定すればよい、その後、所望ならば
加熱速度を毎時的３００〜５００℃の範囲内、そして更
には毎時８００℃にまで上昇させることができるが、焼
結体が割れるほどに速くすべきではない。

焼結の完了後、焼結生成物を冷却することによって本発
明の焼結体が得られる０通例、それは室温または室温付
近の温度（一般に約２０〜約３０℃）にまで冷却される
。焼結生成物の冷却速度は特に重要でないが、焼結体が
割れるほどに速くすべきではない。詳しく述べれば、か
かる冷却速度は商業的な焼結炉において通例使用される
冷却速度と同じであればよい、すなわち、かかる冷却速
度は毎時約１００〜約８００℃の範囲内にあればよい。

焼結生成物の冷却は、焼結時に使用したものと同じ雰囲
気あるいは焼結生成物または焼結体に対して顕著な悪影
響を及ぼさない別種の雰囲気中において行うことができ
る。

実施の一態様に従えば、本発明の焼結体は結晶質の二酸
化ウラン粒子および約１０〜約４０（重量）％のＭｇＯ
と残部のＳｉＯ２とから成るガラス状の非晶質ケイ酸マ
グネシウム相から成っている。

この実施の態様においては、ガラス相は焼結体の全重量
を基準として約０．１〜約１（重量）％の割合を占める
。多くの場合、それは焼結体の全重量を基準として約０
．１〜約０．８（重量）％、あるいは約０．２〜約０．
６（重量）％、あるいは約０．２５〜約０゜５（重量）
％、あるいは約０．１（重量）％から約０．５（重量）
％未満まで、あるいは約０．１または０．２（重量）％
から約０．４（重量）％までの割合を占める。

別の実施の態様に従えば、本発明の焼結体は結晶質の二
酸化ウラン粒子、約３５〜約４５（重量）％［多くは約
４０（重量）％］のＭｇＯと残部のＳｉＯ２とから成る
ガラス状のケイ酸マグネシウム相、および結晶質ケイ酸
マグネシウム相から成っている。この場合、ガラス相は
焼結体の全重量を基準として少なくとも約０．０５（重
量）％の量で存在しており、また結晶質ケイ酸マグネシ
ウム相は少なくとも検出可能な量で存在している。この
実施の態様においては、一般に、ガラス相と結晶質ケイ
酸マグネシウム相との合計量は焼結剤の使用量と同じか
、あるいはそれとほとんど違わない。

詳しく述べれば、ガラス相と結晶質ケイ酸マグネシウム
相との合計量は焼結体の全重量を基準として約０．１〜
約１（重量〉％、あるいは約０．１〜約０゜８（重量）
％、あるいは約０．２〜約０．６（重量）％、あるいは
約０．２５〜約０．５（重量）％、あるいは約０．１（
重量）％から約０．５（重量）％未満まで、あるいは約
０１または０．２（重量）％から約０．４（重量）％ま
での範囲内にある。多くの場合、ガラス相成分は焼結体
の全重量を基準として約０．０５　（重量）％を越え、
あるいは約０．１（重量）％を越え、あるいは約０．２
（重量）％を越える量で存在している。

やはり多くの場合、結晶質ケイ酸マグネシウム相成分は
焼結体の全重量を基準として少なくとも約０．０１（重
量）％、あるいは少なくとも約０．１（重量）％、ある
いは少なくとも約０．２（重量）％の量で存在している
。

焼結剤の量が約０．１（重量）％未満である場合には、
本発明の焼結体が得られないことがある。他方、焼結剤
の量が約１（重量）％を越える場合には、過剰量のガラ
ス相および（または）結晶質ケイ酸マグネシウム相が生
成する。それらは顕著な利益をもたらさないばかりでな
く、二酸化ウランが占めるべき空間を無駄に占めること
になる。

−ｉに、焼結体中のガラス相は二酸化ウランを含んでい
ない、とは言え、場合によっては、現時点で利用可能と
は考えられない特異な分析法によって検出し得る少量の
二酸化ウランがガラス相中に存在することもあり得る。

そのような場合においても、ガラス相中における二酸化
ウランの存在成している。かかるガラス相により、焼結
体中に存在する二酸化ウラン粒子全体の少なくとも約９
９（容量）％好ましくは９９．５　＜容量）％以上を占
める二酸化ウラン粒子の各々が露出部分をほとんど残さ
ずに被覆されている。なお、全ての二酸化ウラン粒子が
露出部分をほとんど残さずに被覆されていれば最も好ま
しい、ここで言う「露出部分をほとんど残さずに二酸化
ウラン粒子を被覆したガラス相」とは、該粒子を少なく
とも実質的に完全に被覆した被膜を意味する。詳しく述
べれば、上記のガラス相は各々の二酸化ウラン粒子上に
連続した密着性の薄い被膜を形成しているのであって、
その厚さは一般に約５〜約２０オングストロームの範囲
内にある。好適な実施の態様においては、かかるガラス
相は焼結体中に存在する二酸化ウラン粒子全体の少なく
とも約９９（容量）％好ましくは９９．５　（容量）％
以上を占める二酸化粒子の各々を完全に被覆くまたは包
囲）している。−層好ましくは、かかるガラス相は全て
の二酸化ウラン粒子を完全に包囲している。かかるガラ
ス相はまた、被覆された二酸化ウラン粒子間の空隙（す
なわち。

３粒子問および４粒子間の空隙）内にもある程度まで存
在している９かかる空隙がガラス相によって充填されて
いる程度は、主として、焼結体中に存在する焼結剤の量
に依存する。焼結体の顕微鏡組織は、ガラス状のケイ酸
マグネシウム相が焼結温度において液体であったことを
示している。

焼結体中の二酸化ウラン粒子は、約２０〜約１００ミク
ロン、好ましくは約３０〜約８０ミクロン、多くは約４
０〜約７０ミクロン、そして−層多くは約４５〜約６０
ミクロンの範囲内の平均粒度（すなわち平均粒径）を有
している０本発明の実施の一態様においては、二酸化ウ
ラン粒子の粒度に顕著な差は存在しない。

平均粒度は常法に従って測定することができる。

本発明においては、標準的な直線交差法が使用された。

詳しく述べれば、研摩および腐食を施した焼結体の断片
の顕微鏡写真上に直線を引き、特定の長さの直線と交わ
る粒界を計数し、そしてその数で直線の長さを割ること
により、粒子が切り取る線分の平均長さがミクロン単位
で求められた。

次に、その値に１．５を掛けることによって平均粒度が
求められた。

本発明の焼結体は、液相焼結を受けたものとしての外観
を有していた。研摩断片中に観察される二酸化ウラン粒
子のかど部はしばしば丸くなっていて、かかるかど部に
はガラス相のポケットが存在している。換言すれば、そ
れらは液相焼結を受けたセラミックの外観を有している
のである。−般に、二酸化ウラン粒子は等軸または実質
的に等軸の結晶から成っている。

本発明の焼結体は、ＭｇＯおよびＳｉｏ２の結晶質相を
含まないのが普通である。

本発明の焼結体は常に多少の気孔を含んでいて、それら
の気孔は一般に閉鎖気孔（すなわち、互いに独立した気
孔）である。かかる気孔は焼結体全域にわたって分布し
ているが、それらは少なくとも顕著もしくは実質的に一
様に分布していることが好ましい。一般に、かかる焼結
体の気孔率は焼結体の全体積を基準として約２（容量）
％がら約１０（容量）％未満までの範囲内にあるが、そ
れは主として原子炉の構造に依存する。なお、かかる気
孔率は多くは焼結体の全体積を基準として約４〜約８（
容量）％、−層多くは約４〜約６（容量）％、そして最
も多くは約５（容量）％である。かかる気孔の孔径は約
１ミクロンを越えて約２０ミクロンまでの範囲内にある
ことが奸才しく、丈な約５〜約２０ミクロンの範囲内に
あれば一層好ましい。

通例、本発明の焼結体の寸法は焼結中に起こる収縮（す
なわち高密度化）の分だけ未焼結体と違っている。

本発明の範囲外にあるケイ酸マグネシウムは、本発明の
焼結体を製造するための焼結剤として有用でない。一般
に、約９０（重量）％を越えるＳｉＯ２を含有するケイ
酸マグネシウムの場合には、得られる焼結体の粒度が小
さ過ぎる。他方、約５５（重量）％を越える量のＭｇＯ
を含有するケイ酸マグネシウムは、大部分の焼結剤が結
晶質ケイ酸マグネシウムとして存在するために所望のガ
ラス相の量が過少となるから有用でない。

単独の５ｉｎ２は焼結剤として有用でない、なぜなら、
得られる焼結体の粒度が小さ過ぎると共に、生成される
ガラス相は焼結体全域にわたって一様に分布していない
からである。　同様に、単独のＭｇＯは焼結体中に結晶
質のＭｇＯを生成するので望ましくない、結晶質相は二
酸化ウラン焼結体に対して高温での塑性を付与すること
がないため、単独の二酸化ウランの場合よりも顕著に大
きい塑性を持った二酸化ウラン焼結体は得られないので
ある。

本発明の焼結体は核燃料として有用である。それは、通
例、二酸化ウラン粉末中に存在する量と同じ量の核分裂
性物質を含有している０本発明の焼結体は大きい粒度を
有するため、核分裂気体の放出速度が顕著な低下を示す
ことになる。また、二酸化ウラン粒子を被覆するガラス
相が焼結体に対して十分な塑性またはクリープ速度を付
与するため、本発明の核燃料は被覆に顕著な持続的応力
を及ぼすことなしに性能を発揮し得ることにもなる。

以下の実施例によって本発明を一層詳しく説明する。こ
れらの実施例中においては、特に記載のない限り、下記
の手順が使用された。

二酸化ウラン粉末としては、核分裂性のウラン同位体を
含有しかつ約２．１６の酸素／ウラン原子比を有するサ
ブミクロンの焼結性二酸化ウラン粉末を使用した。

焼結剤としては微粒状のものを使用した。

常法に従い、二酸化ウラン粉末と焼結剤とを攪拌下で混
合することによって実質的に均質な混合物を調製した。

鋼製の型を用いて二酸化ウラン粉末と焼結剤との混合物
を型圧縮することにより、ペレット状の未焼結体（すな
わち、約５０％の気孔率を有する概して等軸内柱状の圧
縮体）を形成した。

焼結雰囲気は、大気圧またはその付近の圧力を有する水
素であった。

密度は、常法に従い、焼結体の重量および寸法の測定値
から求めた。

焼結体の気孔率は、焼結体の組成に基づいてそれの理論
密度を算出し、次いで下記の式に従って測定密度と比較
することによって求めた。

焼結体中の二酸化ウラン粒子の平均粒度は、前述のごと
き直線交差法によって求めた。

焼結体の特性は幾つかの標準技術に従って評価した。

別の分析結果に基づけば、焼結体は約２．０Ｏの酸素／
ウラン原子比を有することが判明した。

実施例１ 使用した焼結剤は、３５（重量）％のＭｇＯ粉末と６５
（重量）％のＳｉＯ２粉末とから成っていた。

上記の焼結剤を二酸化ウラン粉末と混合することにより
、混合物の全重量を基準として０．１（重量）％の焼結
剤を含有する実質的に均質な混合物を調製した。

上記の混合物を圧縮することによって圧縮体を形成した
。この圧縮体を約１６４０℃で７時間にわたり焼結した
後、はぼ室温にまで炉内冷却した。

こうして得られた焼結体の断片を機械的に薄くし、イオ
ンエツチングを施し、次いで透過電子盟微鏡によって検
査した。その結果、焼結体は二酸化ウラン粒子と薄い粒
間ガラス相とから成っていた。

得られた透過電子■微鏡写真を添付の図面に示すが、そ
の中には薄い粒間ガラス相が認められる。

別の試験結果に基づけば、ガラス相は約３５（重量）％
のＭｇＯと約６５（重量）％のＳｉＯ２とから成るケイ
酸マグネシウムであり、そして焼結体中におけるガラス
相の全量は焼結剤の使用量とほとんど違わないことが判
明した。また、別の試験結果に基づけば、ガラス相は連
続相を成しており、かつ二酸化ウラン粒子全体の９９（
容量）％以上を占める二酸化ウラン粒子の各々が露出部
分をほとんど残さずに該ガラス相で被覆されていること
も判明した。

上記の焼結体は約２．６（容量）％の気孔率を有してい
て、それらの気孔は焼結体中に分布した閉鎖気孔から成
っていた。

二酸化ウラン粒子の粒度に顕著な差は見られず、またそ
れらの平均粒度は約２２ミクロンであった。

上記の焼結体は核燃料として有用なものである。

詳しく述べれば、かかる焼結体のクリープ速度は応力と
共に急速に増大し、しかも二酸化ウランのみから成りか
つより小さい平均粒度を有する同様な焼結体に関して文
献中に報告されたクリープ速度よりも実質的に大きいこ
とが判明している。このように変形速度が大きい結果、
本発明の核燃料は被覆に顕著な持続的応力を及ぼすこと
なしに性能を発揮し得ることになる。

また、本発明の焼結体はより大きい粒度を有している結
果、核分裂気体の放出速度が顕著な低下を示すことにも
なる。

４、図面の簡単な説明　　　　　ｔａｔ□熾、□図面は
本発明の焼結体の研摩断片へ透過電子盟微鏡写真（倍率
１．０５０．０００　Ｘ　）であって、ガラス状のケイ
酸マグネシウム相は実質的に真直ぐな明るい線として示
されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料として有用な二酸化ウラン焼結体の製造方法
   において、（ａ）核分裂性物質を含有する二酸化ウラン
   粉末を用意し、（ｂ）約１０〜約５５（重量）％のＭｇ
   Ｏと残部のＳｉＯ＿２とから成る組成を有する焼結剤、
   または後記焼結温度より低い温度で熱分解するそれの前
   駆物質を用意し、（ｃ）前記二酸化ウラン粉末と前記焼
   結剤またはそれの前駆物質とを混合することにより、二
   酸化ウランと焼結剤との合計量を基準として約０．１〜
   約１（重量）％の割合で前記焼結剤を含有する混合物を
   調製し、（ｄ）前記混合物を成形して圧縮体とし、（ｅ
   ）酸素／ウラン原子比が約１．７〜約２．２５の範囲内
   にあるような条件下において、前記焼結剤が液相を成す
   ような焼結温度、すなわち約１５００℃を越えかつＳｉ
   Ｏ＿２の顕著な蒸発が起こらない温度に至るまでの範囲
   内の焼結温度で前記圧縮体を焼結して焼結生成物を得、
   次いで（ｆ）前記焼結生成物を冷却する諸工程から成る
   結果として、二酸化ウラン粒子が少なくとも約２０ミク
   ロンの平均粒度を有し、前記二酸化ウラン粒子全体の少
   なくとも約９９（容量）％を占める二酸化ウラン粒子の
   各々が露出部分をほとんど残さずにガラス状のケイ酸マ
   グネシウム相で被覆されており、かつ約２（容量）％か
   ら約１０（容量）％未満までの範囲内の気孔率を有する
   二酸化ウラン焼結体が得られることを特徴とする方法。 ２、前記酸素／ウラン原子比が約２．００〜約２．１５
   の範囲内にある請求項１記載の方法。 ３、前記焼結体の気孔率がそれの全体積を基準として約
   ４〜約８（容量）％の範囲内にある請求項１記載の方法
   。 ４、前記二酸化ウラン粉末が約２〜約１２ｍ＾２／ｇの
   範囲内の比表面積を有する請求項１記載の方法。 ５、前記焼結剤が二酸化ウランと焼結剤との合計量を基
   準として約０．１〜約０．８（重量）％の割合を占める
   請求項１記載の方法。 ６、前記焼結剤が二酸化ウランと焼結剤との合計量を基
   準として約０．２〜約０．６（重量）％の割合を占める
   請求項１記載の方法。 ７、前記焼結剤が二酸化ウランと焼結剤との合計量を基
   準として約０．１（重量）％から約０．５（重量）％未
   満までの割合を占める請求項１記載の方法。 ８、前記焼結剤が約１０〜約４０（重量）％のＭｇＯと
   残部のＳｉＯ＿２とから成る請求項１記載の方法。 ９、前記焼結剤が約４０（重量）％を越えて約５５（重
   量）％までのＭｇＯと残部のＳｉＯ＿２とから成る請求
   項１記載の方法。 １０、前記焼結温度が約１５４０〜１８００℃の範囲内
   にある請求項１記載の方法。 １１、前記前駆物質が炭酸マグネシウムである請求項１
   記載の方法。 １２、前記焼結工程が湿性水素雰囲気中において実施さ
   れる請求項１記載の方法。 １３、前記焼結工程が二酸化炭素と一酸化炭素との混合
   物から成る気体雰囲気中において実施される請求項１記
   載の方法。 １４、前記二酸化ウラン粒子の平均粒度が約３０〜約７
   ０ミクロンの範囲内にある請求項１記載の方法。 １５、結晶質の二酸化ウラン粒子とケイ酸マグネシウム
   の非晶質ガラス相とから成っていて、前記二酸化ウラン
   粒子が約２０〜約１００ミクロンの範囲内の平均粒度を
   有し、前記ガラス相が連続し相互に連結した相を成して
   おり、前記二酸化ウラン粒子全体の少なくとも約９９（
   容量）％を占める二酸化ウラン粒子の各々が露出部分を
   ほとんど残さずに前記ガラス相で被覆されており、前記
   ガラス相が核燃料体の全重量を基準として約０．１〜約
   １（重量）％の割合を占め、かつ核燃料体の全体積を基
   準として約２（容量）％から約１０（容量）％未満まで
   の範囲内の気孔率を有することを特徴とする核燃料体。 １６、前記ガラス相が約１０〜約４０（重量）％のＭｇ
   Ｏと残部のＳｉＯ＿２とから成る請求項１５記載の核燃
   料体。 １７、前記気孔率が核燃料体の全体積を基準として約４
   〜約８（容量）％の範囲内にある請求項１５記載の核燃
   料体。 １８、前記二酸化ウラン粒子の平均粒度が約３０〜約８
   ０ミクロンの範囲内にある請求項１５記載の核燃料体。 １９、前記ガラス相が核燃料体の全重量を基準として約
   ０．１（重量）％から約０．５（重量）％未満までの割
   合を占める請求項１５記載の核燃料体。 ２０、結晶質の二酸化ウラン粒子、ケイ酸マグネシウム
   の非晶質ガラス相、および結晶質ケイ酸マグネシウム相
   から成っていて、前記二酸化ウラン粒子が約２０〜約１
   ００ミクロンの範囲内の平均粒度を有し、前記ガラス相
   が連続し相互に連結した相を成しており、前記二酸化ウ
   ラン粒子全体の少なくとも約９９（容量）％を占める二
   酸化ウラン粒子の各々が露出部分をほとんど残さずに前
   記ガラス相で被覆されており、前記ガラス相と前記結晶
   質ケイ酸マグネシウム相との合計量が核燃料体の全重量
   を基準として約０．１〜約１（重量）％の割合を占め、
   前記ガラス相が核燃料体の全重量を基準として少なくと
   も約０．０５（重量）％の量で存在し、前記結晶質ケイ
   酸マグネシウム相が少なくとも検出可能な量で存在し、
   かつ核燃料体の全体積を基準として約２（容量）％から
   約１０（容量）％未満までの範囲内の気孔率を有するこ
   とを特徴とする核燃料体。 ２１、前記結晶質ケイ酸マグネシウム相が被覆された前
   記二酸化ウラン粒子間のポケット内に位置する前記ガラ
   ス相中に存在する請求項２０記載の核燃料体。 ２２、前記結晶質ケイ酸マグネシウム相が被覆された前
   記二酸化ウラン粒子間のポケット内に位置する前記ガラ
   ス相中に存在し、かつ被覆された前記二酸化ウラン粒子
   中にも突入している請求項２０記載の核燃料体。 ２３、前記ガラス相が約３５〜約４５（重量）％のＭｇ
   Ｏと残部のＳｉＯ＿２とから成る請求項２０記載の核燃
   料体。 ２４、前記結晶質ケイ酸マグネシウムがＭｇＳｉＯ＿３
   、Ｍｇ＿２ＳｉＯ＿４およびそれらの混合物から成る群
   より選ばれる請求項２０記載の核燃料体。 ２５、前記気孔率が核燃料体の全体積を基準として約４
   〜約８（容量）％の範囲内にある請求項２０記載の核燃
   料体。 ２６、前記二酸化ウラン粒子の平均粒度が約３０〜約８
   ０ミクロンの範囲内にある請求項２０記載の核燃料体。 ２７、前記ガラス相が核燃料体の全重量を基準として約
   ０．０５（重量）％を越える量で存在し、かつ前記結晶
   質ケイ酸マグネシウム相が核燃料体の全重量を基準とし
   て少なくとも約０．０１（重量）％の量で存在する請求
   項２０記載の核燃料体。