JPH02296189A - 核燃料ペレットおよびその製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ウラン酸化物等を原料とする核燃料ペレット
及びその製造方法に係り、特に被覆管の応力腐食割れ感
受性を低く抑えることに好適な核燃料ペレット及びその
製造方法に関する。

［従来の技術］ 発電炉として稼働中の軽水炉１重水炉あるいは高速炉に
用いられる核燃料要素は、ジルコニウム合金やステンレ
ス鋼から成る被覆管内に、核分裂性物質であるウラン、
プルトウニム、トリウム等の酸化物の核燃料ペレットを
積層充填して構成されている。軽水炉の場合では、核燃
料ペレットは核分裂性物質の”ｓＵが約３％濃縮された
二酸化ウランの焼結体ペレットが用いられている。

２３ＳＵの核分裂により、約２個の核分裂片が形成され
る。１個の”ｓＵが分裂すると平均１９５　Ｍ　ｅ　Ｖ
のエネルギーが放出され、そのエネルギーは核分裂片に
運動エネルギーとして与えられる。この運動エネルギー
を得た核分裂片の飛程は固体内では約１０μｍであるが
、気体内では約数■に達する。

従って、燃料ペレットの中央部で発生した核分裂片は燃
料ペレット内に留まるが、燃料ペレットの外表面近傍で
発生した核分裂片は約２００μｍの燃料ペレットと被覆
管とのギャップを越えて被覆管内に打ち込まれる。飛程
の短い核分裂片が被覆管に与える損傷の程度は中性子に
比べて大きい。

すなわち、被覆管の内面から肉厚方向に深さ１０μｍま
での範囲の硬化量が大きい。

軽水炉では、使用中に被覆管が応力腐食割れを起こすこ
とが懸念されている。被覆管の応力腐食割れは熱膨張し
た燃料ペレットによって被覆管が受ける応力に、上記の
ようにヨウ素等の核分裂片の化学的作用が加わって生じ
ると考えられている。

上述のとおり、燃料ペレット表面で形成された核分裂片
が被覆管内に打ち込まれると、その部分が硬化する。ま
た、応力腐食割れを誘発するヨウ素等が直接打ち込まれ
る等の理由により、被覆管の応力腐食割れ感受性が高く
なる。

現在、燃料をさらに長期間使用することが考えられてお
り　２３５　Ｕの濃縮度はさらに増加する傾向にある。

従って被覆管が受ける損傷も増加する傾向にある。

被覆管の応力腐食割れを防止する対策として、被覆管の
内側に銅をメツキする方法や特開昭５４−２５３９７号
公報に記載されているように、燃料ペレットの外表面を
金属膜で包む方法等がある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術では次のような課題があった。まず、第一
に挙げた被覆管内面に銅をメツキする等して内張すする
方法は長尺の被覆管に均一に内張すすることの製造技術
上の困難があった。また、被覆管に燃料ペレットを装填
する組立作業中に内張り層が剥離する等の作業上の難点
もあった。

次に第二に挙げた金属膜等で燃料ペレットを包む方法で
は膜の強度を損なわないように膜厚を確保すれば、燃料
ペレット１個当りの核燃料物質の量を大幅に減少するこ
と、また、製造工程が複雑になる等の問題点があった。

そこで、本発明の目的は、上記のような問題を生じるこ
となく、被覆管が核分裂片から受ける損傷を確実に防止
し、かつその製作工程が容易である燃料ペレット及びそ
の製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明に係る核燃料ペレット
の構成は、核燃料物質の酸化物粉末を小円柱体状に焼結
してなり、核燃料被覆管内に積層充填して燃料要素を構
成する核燃料ペレットにおいて、該核燃料ペレットの外
周表面に、共存性と耐熱性のすぐれた非核分裂性物質か
らなる被膜を。

１０〜２０μｍ厚さに形成してなるようにしたことであ
る。

また、上記課題を解決するための本発明に係る核燃料ペ
レットの製造方法として、核燃料物質の酸化物粉末を圧
粉成型した後、高温で焼結する核燃料ペレットの製造方
法において、該核燃料ペレットを圧粉成型した後、該核
燃料ペレットの外周表面に、共存性と耐熱性のすぐれた
非核分裂性物質を、１０〜２０μｍ厚さに塗布すること
により皮膜層を形成した後、高温で焼結を行なうように
したことである。

［作用］ 本発明の燃料ペレットでは、使用中に２３５Ｕの核分裂
により生じた核分裂片が外層内に留まるので核分裂片に
よる被覆管の損傷を低減できる。

すなわち、核燃料物質を含有するペレットを加圧成形し
た後、その外周に非核分裂性物質から成る外層を核分裂
片の飛程以上の厚さに形成させて一体で焼結するように
する。

外層の物質としては、ペレットを形成する二酸化ウラン
等の核燃料物質と共存性が良く、一体で焼結できる酸化
部を用いることが好ましい。

このようにして製作された燃料ペレットは燃料ペレット
を被覆管に装填する組立工程において、使用時の被覆管
の保護のために形成させた外層が剥離する等の問題は生
じない、また、外層の厚さは核分裂片の飛程以上、すな
わち１０〜２０μｍであれば良く、燃料ペレット全体に
対して外層郡部の占める体積は、０．２〜０．４％程度
である。

従って、外層を設けることにより、燃料ペレット全体の
核燃料物質が減少し過ぎて核分裂反応に支障を生ずると
いうような問題は生じない。

［実施例コ 以下、本発明の核燃料ペレットに係る１実施例を、第１
図を用いて説明する。

第１図は１本発明に係る軽水炉用の二酸化ウランペレッ
トの縦断面略示図である。

第１図において、１は、”’Ｕ等からなる核原料物質ペ
レット、２は、１の外周に形成された皮膜層である。す
なわち、２３５Ｕ等の核原料′物質ペレット１の外周に
約１０〜２０μｍの非核分裂性物質から成る皮膜層２が
形成され、それらが一体となって焼結されている。皮膜
Ｎ２の物質としてはＡ１よ０．、　Ｎ　ｉ　Ｏ，、Ｚ　
ｒ　Ｏ□等のような二酸化ウランとの共存性が良く、か
つ耐熱性がすぐれ一体で焼結できるものが良い。また、
皮膜層２の物質として、濃縮ウランを作る時に廃棄物と
して出る劣化ウラン（２３ｓＵの濃度が０．２％程度）
を用いても被覆管に打ち込まれる核分裂片の量を１／１
０以下に減少させることができる。この場合、核原料物
質１と皮膜層との共存性は極めて良好である。

さらに、逐次、地上に蓄積される劣化ウランの減少化に
も有効な利用方法である。

つぎに、本発明の核燃料ペレットの製造方法の１実施例
を、第２図を用いて説明する。

第２図の樋成は、１１は、核原料物質ＵＯ，などの粉末
、１２は、粉末成型用の潤滑剤、１３は、混合工程、１
４は、圧粉成型工程、１５は、圧粉成型されたグリーン
ペレット、１６は、グリーンペレットの脱脂工程、１７
は、本発明に係る非核分裂性物質を、ペレット外周部に
塗布して皮膜層を形成する工程、１８は、上記ペレット
を酸化性雰囲気中で加熱する工程、１９は、還元性雰囲
気中にて焼結する工程、２０は、最終製品の核燃料焼結
ペレットである。

以下に、核燃料ペレットの製造方法をさらに詳細に説明
する。

第２図において、二酸化ウラン粉末もしくは混合酸化物
燃料粉末に、ケイ化チタン、ケイ化クロム、ケイ化マグ
ネシウム等の金属ケイ化物粉末またはオルトケイ酸ナト
リウム等の金属ケイ酸塩を潤滑剤１２と共に加えて混合
し１３、圧粉成型１４してグリーンペレット１５を成型
する。

つぎに、このグリーンペレットの脱脂工程１６を経た後
に、成型加工後に核分裂片が被覆管内に打ち込まれるこ
とを防止する皮膜層を、燃料ペレットの外表面に塗布１
７する。引続き、該ペレットを酸化性雰囲気中、１６０
０℃以下の温度で加熱する１８゜この加熱処理により金
属ケイ化物は金属酸化物と酸化ケイ素とに分解する。次
にこれを還元性雰囲気中、１６００℃以上の温度で焼結
する１９゜以上の工程により核燃料の焼結ペレット２０
が得られる。なお、上記において脱脂工程は省略しても
よい。

皮膜層を形成させる方法としては、皮膜層物質の粉末の
懸濁液を噴射等により塗布する方法や、皮膜層物質の粉
末あるいは懸濁液中で、成型加工した核原料物質のペレ
ットを回転させること等が考えられる。

皮膜層を形成させた後に焼結作業を行うことにより、使
用条件下においても皮膜層が剥離することがない、また
、燃料ペレットの濃縮度ごとに、皮膜層物質の色を変え
るようにすれば、色の識別によって燃料ペレットの濃縮
度管理が容易になる。

［発明の効果］ 本発明によれば、つぎのような効果が期待できる。

（１）燃料被覆管が、２３５　Ｕの核分裂片から直接受
ける損傷を、大幅に軽減することができるので、被覆管
の応力腐食割れの感受性を低く抑えることになる。

（２）皮膜層の形成には、ペレットとの共存性がよく、
耐熱性がすぐれたＡ１□Ｏ，、ＮｉＯ２，２ｒｏ□を用
いることにより、被覆管の応力腐食割れを防止すると共
に、より簡便で安価な製造方法を提供することができる
。

（３）核燃料ペレット製造の中間工程に、非核分裂性物
質を塗布するという比較的単純な作業工程を挿入するこ
とにより、燃料被覆管の応力腐食割れを防止できる製造
方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の１実施例の核燃料ペレットの縦断面
略示図、第２図は１本発明の核燃料ペレットの製造方法
の工程図である。 く符号の説明〉 １・・・核原料物質ペレット、２・・・皮膜層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料物質の酸化物粉末を小円柱体状に焼結してな
   り、核燃料被覆管内に積層充填して燃料要素を構成する
   核燃料ペレットにおいて、該核燃料ペレットの外周表面
   に、共存性と耐熱性のすぐれた非核分裂性物質からなる
   保護皮膜を、１０〜２０μｍ厚さに形成してなることを
   特徴とする核燃料ペレット。 ２、核燃料ペレットの外周表面に形成する保護皮膜が、
   Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＮｉＯ＿２またはＺｒＯ＿２であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の核燃料ペレット。 ３、核燃料物質の酸化物粉末を圧粉成型した後、高温で
   焼結する核燃料ペレットの製造方法において、該核燃料
   ペレットを圧粉成型した後、該核燃料ペレットの外周表
   面に、共存性と耐熱性のすぐれた非核分裂性物質を、１
   ０〜２０μｍ厚さに塗布することにより皮膜層を形成し
   た後、高温で焼結を行なうことを特徴とする核燃料ペレ
   ットの製造方法。