JPH01201191A - 核燃料 - 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】 １９８７年１１月セ名日−に提出されかつ本発明の場合
と同じ譲受人に譲渡された、「核燃料」と称するレイ（
Ｌａｙ）等の同時係属米国特許出願第７２３６１６　　
号明細書中には、二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。

１９８７年１１月２１Ｊ日嬢に提出されかつ本発明の場
合と同じ譲受人に譲渡された、「核燃料」と称するレイ
（Ｌａｙ）等の同時係属米国特許出願第１２１’２ｇ　
　号明細書中には、二酸化ウランとケイ酸マグネシウム
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ケイ酸
マグネシウム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
化ウランとアルミノ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。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つの主たる目的に役立つ。

第１の目的は、核燃料と冷却材または（減速材の存在時
には）減速材あるいはそれ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
たは減速材あるい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、ジルコニウムおよびその合金、ニ
オブ、ある穐のマグネシウム合金などである。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
生成物による被覆の腐食のために被覆の破損が起こると
、冷却材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ために
望ましくない、このように核燃料が誘起すレヅ る被覆のひずみは、ぺ一哄ト・被覆相互作用（ＰＣＩ）
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。

本発明の核燃料は、被覆の破損を回避するのに有用なま
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盟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）第１図中の多角形Ａ
ＢＣＤ　（ただし線分ＡＢおよびＣＤを除く）の範囲内
に含まれ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、（ｃ）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
５ｉ０２の詔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アル
ミノ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「ガラス状のアルミノケ
イ酸マグネシウム相」とは、非晶質のアルミノケイ酸マ
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、２３ｓＵのごときウランおよ
び２３９　ｐ　ｕ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扮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の範囲内にあるが、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。

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
ｉＯ□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
めに取扱いが難しい。

本発明の焼結剤は、第１図中の多角形ＡＢＣＤ（ただし
線分ＡＢおよびＣＤを除く）の範囲内に含まれる組成を
有する。

第１図中の特定の点が表わす組成を下記第１表中に重量
百分率で示す。

Ａ　　　　５５　　　　　　　　４５ Ｃ１０９０ Ｄ　　　　　　　　　７０　　　４０ Ｅ　　　　４０　　　　　　　　６０ Ｆ　　　　　　　　　２０　　　８０ Ｇ　　　　５０　　　　　　　　５０ Ｈ３０７０ Ｉ　　　　　　　　　３０　　　７０ 第１図中の多角形ＡＢＣＤ　（ただし線分ＡＢおよびＣ
Ｄを除く）の範囲内に含まれる組成は、約４０〜約９０
（重量）％の５ｉ０２と残部のＭｇＯおよびＡｌ２Ｏ３
とから成っている。本発明の焼結剤の最大ＭｇＯ含量は
約５５（重量）％であり、また最大Ａ　Ｉ２０３含量は
約６０（重量）％未満である。

本発明の焼結剤中には、ＭｇＯおよびＡ１□０３は常に
少なくとも検出可能な量（すなわち、化学分析によって
検出し得る量）で存在している。多くの場合、ＭｇＯお
よびＡ１□０．のそれぞれは焼結剤の全重量を基準とし
て少なくとも０．０１（重量）％あるいは少なくとも約
０１（重量）％の量で存在している。

本発明の焼結剤は１種のアルミノケイ酸マグネシウムと
しての組成を有するが、それは様々な形態のものであっ
てよい。たとえば、それはアルミノケイ酸マグネシウム
、ＭｇＯとＡ　Ｉ２０３とＳｉＯ２との混合物、アルミ
ノケイ酸塩とＭｇＯとの混合物、ケイ酸マグネシウムと
Ａｌ２Ｏ３との混合物、アルミン酸マグネシウムとＳｉ
Ｏ２との混合物、およびそれらの組合せから成る群より
選ぶことができる。

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。

また、所望ならば、ＪＯ，ＡＩ□０３および５１０２の
粉末混合物の融解または固相焼結のごとき各種の技術に
よって本発明の焼結剤を予め製造することもできる。

更にまた、所望ならば、本発明の焼結剤の少なくとも一
部が好ましくは本発明の焼結剤を主成分とする天然物質
から成っていてもよい、たとえば、アルミノケイ酸塩を
与える天然物質としてはベントナイトおよびクレーを使
用することができ、またケイ酸マグネシウムを与える天
然物質としてはタルクを使用することができる。詳しく
述べれば、かかる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）において所望の焼結剤または
それの一部と約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
ま著な悪影響を及ぼすものであってはならない８ 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１（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）％、あるいは約０
．２５〜約０．５（重量）５！ｇの割合と占める。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０
．２（！ＩＥＪＬ）％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貫的に一様に
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−）で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６００１２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
一層好ましい。

上記の圧縮体は、たとえばペレット、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）の形状含有
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旧記
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・ラー′７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５ｉ０２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’Ｃ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Ｋ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（こおいて行われる。

一般に、焼結剤のＳ　ｉ　Ｏ２ｔ　ｉ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１５００’Ｃを越えか一つ５１０２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。

実施の一態様に従えば、本発明の焼結剤は第１１４中の
多角形ＨＢＣ（ただし線分ＨＢおよび点Ｃを除く）の範
囲内に含まれる組成、すなわち約７０〜約９０（重量）
％の５ｉ０２と残部のＭｇｏおよびＡｌ２Ｏ３とから成
る組成を有する。この場合には、はぼ同じ組成を有する
ガラス相が焼結体中に生成されるのが普通である。

別の実施の態様に従えば、本発明の焼結剤は第１図中の
多角形ＥＢＣＦ　（ただし線分ＥＢおよびＣＦを除く）
の範囲内に含まれる組成、すなわち約６０〜約９０（重
量）％の５ｉｎ２と残部のＩＪＯおよびＡｌ２Ｏ３とか
ら成る組成を有する。かかる実施の態様に基づく焼結剤
を用いた場合、−ｉに、焼結温度においては固体の二酸
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ケイ酸マグネシウム相のみを生成す
るのが普通である。とは言え、線分ＥＦに近接した組成
し一般に線分ＥＦ上またはそれから５（重量）％までの
範囲内の組成］を有する本発明の焼結剤を小さい冷却速
度（実験的に決定可能）で冷却した場合には、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
中に多少の結晶質ケイ酸塩相が析出することもある。−
収約に述べれば、上記のガラス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。やはり一
般的に述べれば、ガラス相の存在量（あるいは結晶質ケ
イ酸塩相が生成する場合にはガラス相と結晶質ケイ酸塩
相との合計量）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。

更に別の実施のＲ様に従えば、本発明の焼結剤は第１図
中の多角形ＡＥＦＤ　（ただし線分Ａ　Ｅ、ＥＦおよび
ＦＤを除く〉の範囲内に含まれる組成、すなわち約４５
（重量）％から約８０（重量）％未満までのＳｉＯ２と
残部のＭｇＯおよびＡ１□Ｏ９とから成る組成を有する
。この場合には、焼結体中にガラス相および結晶質ケイ
酸塩相が生成されるのが普通である。かかる実施のＢ様
においては、生成されるガラス相は第１図中の多角形Ｇ
ＨＣＩくただし線分ＧＨおよびＣＩを除く）の範囲内に
含まれる組成、すなわち約５０〜約９０（重量）％の５
ｉ０２と残部のＭｇＯおよびＡ１□Ｏ９とから成る組成
を有する。かかる実施の態様においてはまた、−ｉ的に
述べれば、生成されるガラス相および結晶質ケイ酸塩相
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。

結晶質ケイ酸塩相を含有する本発明の焼結体においては
、ガラス相と結晶質ケイ酸塩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゜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成分は少なく
とも検出可能な量（すなわち、透過電子詔微鏡試験法お
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。

焼結剤が第１図中の多角形ＡＥＦＤ（ただし線分ＡＥ−
ＥＦおよびＦＤを除く）の範囲内に含まれる組成を有す
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
の結晶質ケイ酸塩が析出するのが普通である。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
るガラス相中に結晶質ケイ酸塩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および（または）Ａ
Ｉ□０３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塩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塩粒子が存在す
ると共に、被覆された二酸化ウラン粒子中に大きい結晶
質ケイ酸塩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
ケイ酸塩粒子は、ガラス相中に位置する結晶質ケイ酸塩
粒子よりも順著に大きいく通例少なくとも約２０％だけ
大きい）ものである。一般に、二酸化ウラン粒子中に突
入している結晶質ケイ酸塩粒子の量は焼結体中に存在す
る結晶質ケイ酸塩相の全量を基準として約５０（容量）
％未満である。

本発明の焼結体中に結晶質ケイ酸塩相が存在する場合、
それはＭｇＳｉＯ３、Ｍｇ２ＳｉＯ４，ムライト、アル
ミノケイ酸マグネシウム（たとえばコージーライト）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
。本発明の焼結剤の組成が線分ＥＦから線分ＡＤに向が
って移動するのに伴い、焼結体中における結晶質ケイ酸
塩相の含量は増加する。一般に、結晶質ケイ酸塩相の組
成は焼結剤の組成によって決定される。たとえば、第１
図中の多角形ＡＥＦＤの範囲内の組成の場合、線分ＡＥ
に近接した部分は一般に結晶質ケイ酸マグネシウムを生
成するのに対し、線分ＤＦに近接した部分は一般にムラ
イトを生成する。また、多角形Ａ　Ｅ　Ｆ　Ｄの中心部
分に位置する組成の焼結剤は結晶質ケイ酸マグネシウム
とムライトとの混合物および（または）結晶質アルミノ
ケイ酸マグネシウムを生成する。

かかる焼結に際しては、本発明の焼結体を製造するなめ
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かて′
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層は焼結
温度、焼結温度での保持時間、おとイ焼結剤によって決
定される。

通例、焼結温度が：高てなるほど、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および（または
＞Ａｌ２Ｏ３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。

−ｉ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。−収約に
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。通例、それは室温または室温付
近の温度（一般に約２０〜約３００）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。詳しく述べれは、か
かる冷却速ｒで（′、商業的な焼結炉におい゛Ｃ通例使
用される冷却速度と同じであればよい６すなわち、かか
る冷却速度は毎時的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、二同じ雰囲気！、るいは焼結生成物または焼結体に
付して順箸な悪影響を及ぼさない別種の雰囲気中におい
て行う二とが′７′へる。

実施の−５様・：ｔイえば、本発明の焼結体は結晶ｗ５
．’−＋−酸化ウラン粒子＋”　ｌびガラス状の非晶質
アルミノケイ酸マゲ東Ｓ／ウム相から成っていて、後６
のガラス相は第１　’ｇＡ　ｔ＋１′７′多角形ＥＢＣ
Ｆ　（ただ−線分ＥＢおよび（Ｆを除く）の範囲内の組
成を有している。こ力実施（−７）Ｑ様においては、ガ
面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０２　約０．６（重量）０≦、あるいは約０．
２５〜約０，５（重量）％、あるいは約０．１１重量〉
％から約０．５（重量）％未満まで、あるいは約Ｏ１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、ガラス状のアルミノケイ酸マグネシウ
ム相、および結晶質ケイ酸塩相かへ成っていて、ガラス
相は焼結体の全重量を基準と１て少なくとも約０．０５
　（重量）％の量で存在１−です二つ、また結晶質ケイ
酸塩相は少なくとも検出が晒な量で存在している。この
実施の態様におけるｆｊ　”ｔス相は、第１図中の多角
形ＧＨＣＩ（ただ１７線９ＧＨおよびＣＩを除く）の範
囲内の組成を有（ている。この実施の態様においては、
一般りこ、ガラス相と結晶質ケイ酸塩相との合計量は焼
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塩相との
合計量は焼結体の全重量を基準として約・′）１〜約１
（重量）％、あるいは約０．１〜約０８（重量）０コ、
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ｉ）％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
、結晶質ケイ酸塩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０２（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１
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）結晶質ケイ酸塩相が生成する。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。

−ａ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、現時点て゛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Ｍ
（ヒラランの存在量は通例約０５（重量）％以下°であ
ろう。

本発明の焼結体中におけるガラス相は連続相を成してい
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９９（容量）９≦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ｊとは、該粒子を少なくとも実質的に完≦＝
に被覆した被膜を意味する。詳しく述べれば、上記のガ
ラス相は各りのｍ−酸化つラン粒子Ｅに連続した密着性
の薄い被膜を升′成しているのであって、その厚さは一
般に約５〜約２０オンクス）・ローノ、の範囲内にある
。好適な実施Ｃ）態様ζ、：おいてはかかるガラス相は
焼結体中に存在する一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（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
、３ｆつ子問および４粒子間の空隙）内にもある程度ま
で存在している。かかる空隙がガラス相によ−・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、ガラス相が
焼結温度において液体であう５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。本発明の実施の一態様においては、二酸化ウ
ラン粒子の粒度に非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、研京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　特定め長さの直線と交わ
る粒界を計数し、そしてそく７〕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
子のかど部はしはし３ば丸くなっていて、かかるかど部
にはガラス相のボプ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、Ａ１□Ｏ１、ＭｚＯ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
の気孔は一般に開銀気孔（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
７ているか、それらは少なくとも顕著（＋　Ｌｅ　＜は
実質的に一様に分布していることか好まｉ−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）％から約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）９６、−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好ましく、また約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！（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焼結剤は、本発明の焼結体を製造
するためには有用でない。−最に、約９０（重量）％を
越える５ｉ０２を含有する焼結剤の場合には、得られる
焼結体の粒度が小さ過ぎる。他方、規定量を越えるＭｇ
ＯおよびＡ１□０３を含有する焼結剤は、大部分の焼結
剤が結晶質ケイ酸塩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Ｓ　ｉ　Ｏ２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Ａ１□Ｏ９またはＭ
　ｇＯは焼結体中に結晶質のＡｌ２Ｏ３またはＭｇＯを
それぞれ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。そ内にある
。かかる焼結体は、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。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
覆に叩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。

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な。

別の分析結果に基づけば、焼結体は約２，００の酸素／
ウラン原子比を有することが判明した。

実施例１ 本実施例においては、Ｍ　ｇ　（Ｎ　Ｏ３）２・６Ｈ２
０、Ａ１□Ｏ８および５ｉ０２の粉末を使用した。それ
らの使用量は、焼結温度より低い温度でＭ　ｇ（Ｎ　Ｏ
３）２６Ｈ２０が熱分解してＭｇＯを生成した場合、約
５（重り１％のＭｇＯ、約１７（重量）％のＡ１□Ｏ８
および約７８（重量）％のの５ｉ０２から成る焼結剤を
生み出すようなものであった。

上記３種の粉末を常法に従って二酸化ウラン粉末と攪拌
混合することにより、Ｍｇ（ＮＯ３）２・６Ｈ２０が熱
分解した場合、二酸化ウランと焼結体との合計量を基準
として約０．１２５　（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。

鋼製の型を用いて上記の混合物を型圧縮することにより
、ペレット（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。

大気圧またはその付近の圧力を有する水素雰囲俄中にお
いて上記の圧縮体を約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研摩断片を光学順微鏡下で検
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。

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甜著な差は見られず、またそ
れらの平均粒度は約２１ミクロンであった。

かかる実施例１を第２表中に要約して示す。更に、第２
表中に示された点を除き、実施例１の場合と同様にして
実施例２−６を行った。いずれの実施例においても、Ｍ
ｇＯの前駆物質としてＭ　ｇ（Ｎ（）３）２・６Ｈ２０
を使用した９第２表中においては、焼結剤の量は一酸化
ウランと焼結剤との合計量を基準とした重量百分率で表
わされている。

１　　　５　　１７　　　′７８０．１２５　２１２．
６２　　　５　　１７　　７８０．２５０　２１　　〜
３　　　５　　１７　　７８　０．５００　２４　　−
−−４　　　　　　　　　５　　　　　　　４３　　　
　　　　　５’シ　　　　　０．１２５　　　　　　　
”、（）　　　　　　　−一５　　　５　　４３　　５
２　０．２５０　２６　　−６　　　５　　４３　　５
２　０．５００　２７　　−第２表中に示されたいずれ
の実施例も本発明を例示するものであって、得られた焼
結体はいずれも核燃料として有用なものである。実施例
３および６の焼結体の研摩断片を光学顕微鏡下で検査し
た。その結果、これらの焼結体は二酸化ウラン粒子と粒
間ガラス相どか１″、成っていた。

別の試験結果に基づけば、実施例１−３の焼結体中に存
在するガラス相は第１図中の多角形Ｅ　１（ＣＦの範囲
内の組成を有するアルミノケイ酸マグネシウムであるこ
とが判明した。

別の試験結果に基づけば、実施例４〜６の焼結体中に存
在するガラス相は第１図中の多角形ＧＨＣＩ（ただし線
分ＧＨおよびＣＩを除く）の範囲内の組成を有するアル
ミノケイ酸マグネシウムであり、かつ検出可能な量の結
晶質ケイ酸マグネシウム（恐らくはムライト）が存在す
ることが判明した。

また、別の試験結果に基づけば、各焼結体中に存在する
ガラス相の量あるいは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ｊ７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。

別の試験結果に基づけば、第２表中の全ての焼結体のク
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原著な持続
的応勾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ｍ著な低Ｔ”を示すことに
もなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ□およびＭｇＯから成る
三元系中における本発明の焼結剤の組成範囲を示す三角
座標である。第１図中の各軸は重量５分率で目盛られて
いる。ｆ方の軸はＡｌ２Ｏ３の重量百分率を表わし、左
側の軸はＭｇＯの重１自分率を表わし、そして右側の軸
はＳｉＯ２の重量百分率を表わしている。本発明の焼結
体の組成は、第１図中の多角形ＡＢＣＤ　（ただし線分
ＡＢおよびＣＤを除く）の範囲内に含まれる。

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）第１図中の多角形ＡＢＣＤ（ただ
   し線分ＡＢおよびＣＤを除く）の範囲内に含まれる組成
   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ＳｉＯ＿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
   ラス状のアルミノ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、前記焼結剤が第１図中の多角形ＥＢＣＦ（ただし線
   分ＥＢおよびＣＦを除く）の範囲内に含まれる組成を有
   する請求項１記載の方法。 ９、前記焼結剤が第１図中の多角形ＡＥＦＤ（ただし線
   分ＡＥ、ＥＦおよびＦＤを除く）の範囲内に含まれる組
   成を有する請求項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アルミノケイ酸マグ
   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、前記ガラス相が第１図中の多角形ＧＢＣＩ（ただ
   し線分ＧＢおよびＣＩを除く）の範囲内に含まれる組成
   を有する請求項１５記載の核燃料体。 １７、前記ガラス相が第１図中の多角形ＨＢＣ（ただし
   線分ＨＢおよび点Ｃを除く）の範囲内に含まれる組成を
   有する請求項１５記載の核燃料体。 １８、前記ガラス相が第１図中の多角形ＥＢＣＦ（ただ
   し線分ＥＢおよびＣＦを除く）の範囲内に含まれる組成
   を有する請求項１５記載の核燃料体。 １９、前記ガラス相が第１図中の多角形ＧＨＣＩ（ただ
   し線分ＧＨおよびＣＩを除く）の範囲内に含まれる組成
   を有し、かつ少なくとも検出可能な量の結晶質ケイ酸塩
   相が含有される請求項１５記載の核燃料体。 ２０、結晶質の二酸化ウラン粒子、アルミノケイ酸マグ
   ネシウムの非晶質ガラス相、および結晶質ケイ酸塩相か
   ら成っていて、前記二酸化ウラン粒子が約２０〜約１０
   ０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
   ケイ酸塩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、前記結晶質ケイ酸塩相が少な
   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、前記結晶質ケイ酸塩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、前記結晶質ケイ酸塩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、前記ガラス相が第１図中の多角形ＧＨＣＩ（ただ
   し線分ＧＨおよびＣＩを除く）の範囲内に含まれる組成
   を有する請求項２０記載の核燃料体。 ２４、前記結晶質ケイ酸塩がＭｇＳｉＯ＿３、Ｍｇ＿２
   ＳｉＯ＿４、ムライト、アルミノケイ酸マグネシウムお
   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
   質ケイ酸塩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。