JPH03146895A

JPH03146895A - 核燃料ペレットの製造法

Info

Publication number: JPH03146895A
Application number: JP1285536A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Tokai; 和俊渡海; Kiyoshi Kasai; 清河西
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1991-06-21
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPH0731267B2

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）本発明は原子力用セラ旦ツクスの製造方法、特に結晶粒
径が大きく、かつクリープ速度の大なる核燃料ペレット
の製造法に関するものである。

（従来の技術）高燃焼度用ＵＯ２ペレットはＦＰ　（核分裂生成物）保
持性が良好なこと及びＰＣＭＩ　（ペレットと被覆管の
機械的相互作用）特性が良好なこと、即ちＰＣＭＩを軽
減できることが求められ、前者に対しては結晶粒径を太
き（すること、後者に対しては軟らかいペレットとする
ことが試みられている。

ところで従来、かかるベレットの製造に際し二酸化ウラ
ン（ＵＯ２）燃料へ種々の添加物を添加し上記の如きペ
レット製造を目指すことが進められ、Ｔｌ）特開昭５５
−２７９４１号公報、（２）特開昭５５−２７９４２号
公報、（３）特公昭５４−８８３７号公報、（４）特公
昭６３−１６７１６号公報、および（５）特開昭６３−
７３１８９号公報などにその幾つかが開示されている。

即ち、（１）特開昭５５−２７９４１号公報ではＵＯ，
に少なくとも１種の容易に固溶せず、粒界に析出する特
性のある添加物を加えることが、また（２）特開昭５５
２７９４２号公報ではＵＯＺ　ニＡ　Ｉ　Ｊ３＋　Ｂｅ
０１　ＣａＯＩＭｇｏ、５ｔｏ２．１Ｊａ２０　＋ＰＺ
Ｏ５から２種以上を０．２〜５％添加することが、更に
（３）特公昭５４−８８３７号公報ではＵＯ□に核分裂
生成物不動化用添加剤としてケイ酸アルξ、ケイ酸カル
シウム、ケイ酸マグネシウム、　ＳｉＯ２ＡｌｚＯｚ　
　ＭｇＯ，ＳｉＯ２　　　ＡｌＡｌ２Ｏｓ　　ＣａＯ，
チタン酸アルご、チタン酸ケイ素、ＣａＯ−５ｉｎ２−
チタン酸塩等を加えることが夫々示されている。

また、（４）特公昭６３−１６７１６号公報ならびに（
５）特開昭６３−７３１８９号公報では上記ＵＯ，にＡ
ｌｚ０３＋　ＢｅＯ、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＳｉＯ２　＋Ｎ
ａｚＯｌＰ２Ｏ５から２種以上の外、更ニＮｂｚｏｓ　
、’ｒｔｏ□を添加することが述べられている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上記の如き添加物添加の方法においてＮ
ｂｚＯｓ　、Ｔｉ０ｚ等を添加したものは粒径が大きく
、かつＰＣＭＩ特性も良好となるが、ＮｂｚＯｓ　、Ｔ
ｉＯ２等の残存きため、粒径の割りにはｐｐ保持性の改
善はあまり望むことが出来ない難があり、また、中性子
経済上、物性の変化上もよくなく、更にＳｔＯ□、Ａｊ
！ｚ（ｈ等の粒界析出特性のあるものと上記ＮｂｔＯｓ
　、Ｔｉ０ｚ等の粒径増大効果のある添加物を組み合わ
せる方法は複雑で好ましくない。

一方、ベレット製造に際し、高温長時間焼結を行うこと
は粒径は大きくなるが硬くなり、ＰＣＭ　Ｉ特性を低下
させる結果を招来する。

なお二酸化ウラン燃料へＡＩ！ｚＯ３やＳｉｎｇを単味
で添加して特性の改良を試みた例も従来より数多くある
が、いずれも望ましい結果は得られておらず、結晶粒径
の粗大化について言及しているものは殆ど見当たらない
。

特に上記種々の添加物を入れる場合には通常、一部を除
いて０．１％以上の添加が必要であり、多くの場合、現
在、規定されている不純物量を越えている。上記Ａ　ｌ
　ｚＯｓ及びＳｉＯ□の添加についても０．１ｗｔ％か
つＳｉＯ２＞　Ａ　１　ｚｏ＋が限度である。

そこで、本発明者は上述の如き実状に対処し、その改善
を図るべく検討を重ね、その結果ＵＯ□に対するＱ　ｌ
　ｚＯｓとＳｉｎｇの添加量を特定範囲に規定すること
を見出し、さらに提案した。（特願平１６４８６８号）
本発明は上記提案に係る発明を更に一歩、進め、添加す
るＡ　１２２０３およびＳｉＯ□の粉末の大きさと、そ
の処理の仕方を加味することにより結晶粒径を大ならし
めると共にやわらかいベレットの製造を可能にし、ＦＰ
保持性ならびにＰＣＭ　Ｉ特性をより一層向上せしめる
ことを目的とするものである。

（課題を解決するための手段）即ち、上記目的に適合する本発明の特徴は、ウラン、プ
ルトニウムの少なくとも１つの元素の二酸化物または前
記物質にガドリニアを添加した核燃料物質にＡ　Ａ　２
０３およびＳｉＯ２を添加し核燃料ペレットを製造する
にあたり、前記ＡＩｔ　ｚｏ＋およびＳｉｎｇの粉末を
特に粒度１μｍ以下の超微粉末とし、その添加＆８量を
０．００５％〜０．０５％、かつＡ　Ａ　ｚｏｓとＳｉ
ｎｇの重量比を１：１〜３０：１の範囲としてそれらを
混合した粉末を成型することであり、かつその後、水素
を含む還元雰囲気で本体雰囲気ガス流量に対して４０〜
７０℃の飽和水蒸気を含むキャリヤーガスを体積率で０
．１〜１０％添加し、１６００〜１７５０℃で２〜６時
間焼結することにある。

ここで成型後の雰囲気は上記の場合、水素を含む還元雰
囲気であるが、酸素濃度１１００ｐｐ以下の微酸化雰囲
気下例えば酸素を微量含むＣＯ□雰囲気下又はＣＯ□／
ＣＯ雰囲気下であっても差し支えなく、請求項２記載の
方法はかかる場合である。

また、請求３記載の発明は上記各方法におけるＡ　ｊ！
　ｚｏ３およびＳｉＯ２の添加の態様に係り、ケイ酸ア
ルミニウム又はケイ酸アルミニウムにＡ７！ｚｏ□を添
加することによって行うこと、請求項４記載の発明は更
にその場合においてケイ酸アルミニウム粉末として１μ
ｍ以下の超微粉末を用いることを特徴とする請求項５及び６に記載した方法は更に前記発明を実施す
るに際し、適用される好ましい態様に係り、前者はＡＡ
ｚＯ３，ＳｉＯ２またはケイ酸アルミニウムの混合時、
カッターミルやボールミル混合のように粉末の粉砕を含
む混合を行うことであり、後者は粒径に影響なく密度の
調整および底型を容易にするためにＰＶＡ等の造粒剤、
ステアリン酸等の潤滑材、澱粉、υ、０８．バルチごン
酸等のポア形成剤を添加することを特徴とする。

（作用）上記の方法により核燃料ペレットを製造するときは種々
の添加物を添加することなく、簡単な方法であるにかか
わらず、現在のＵＯ２ペレットのスペックである。

Ａｌ含有率　　　１ｏｏｐｐｍ　　以下、Ｓｉ含有率　
　　２５０ｐｐｍ　　以下、を十分満足し、かつ、粒径
が通常方法による〜１０μｍに対し、インターセプト法
による平均結晶粒径が３０〜６０μｍの大粒径ペレット
で、かつクリープ速度が粒径補正をしなくても、５Ｘ１
０２〜１０３倍程度大きなペレットを得ることを可能な
らしめる。

以下、本発明の具体的な実施例につき説明する。

（実施例１）八”　２０３中のＡＮの含有率５３％、ＳｉＯ□中のＳ
ｉ含有率４７％で、これよりＵＯ２のＡＡ’、Ｓｉ　の
規格を夫々ＡＡｌ１００ｐｐ、Ｓｉ　２５０ｐｐｍとす
ると、／ｌｊ！ｚ（ｈの最大添加量は０．０２％、Ｓｉ
Ｏ□の最大添加量は０．０５％である。

このため、ＵＯ２粉末へのＡ　ｌ　２０３とＳｉＯ□の
添加総量を０．０１％として下記の如き混合率、焼結条
件の下に各実験を行った。

（イ）混合率（ロ）焼結条件ｌ７５０℃Ｘ４Ｈｒ１１　ｚ　／Ｎ　ｚ雰囲気であるが、水（水蒸気）添加量をキャリヤーガス比で、ケース（１）
は０．１％　、ケース（２）は１０％とした。

これは４０〜７０℃の温湯から出る水蒸気にアルゴンキ
ャリヤーガスを通して、これを含ませたものを、本体雰
囲気ガスに合流させるが、このときの合流させる体積率
が０．１〜１０％になるようにアルゴンガス流量をセッ
トして行った。

なお、上記実験においてキャリヤーガスとしてはアルゴ
ンガスを用いたが、勿論、これはＮ２又はＮｚ／Ｈｚで
あっても差し支えない。

上記による実験の結果、インターセプト法による粒径の
変化は下記の通りであった。

上表によるケース（１）のＣの場合における結晶粒径を
顕微鏡観察により観察した結果を第１図に、まタＵＯ２
のみのケース（１１のＤの場合における結晶粒径の顕微
鏡観察結果を第３図に夫々示す。これら両図を観察する
ことにより第１図では第３図の粒径に比し大粒径化して
いることが知見される。

また、上記ケース（１）のＣの混合粉末にポア形成剤と
してパルチミン酸を０．１％加え、同様に実験を試みた
ところ、パルチミン酸混入による粒径への影響は全く認
められなかった。（第３図参照）（実施例２）［０２粉末にガドリニア（Ｇｄ２０３）を８％添加して
、これを原料として上記実施例１と同様に実験を行った
ところＡ　Ｉｔ　ｚ（ｈ／ＳｉＯ２無添加の場合の平均
粒径が１〜３μｍ　（第５図参照）であったのに対し、
Ａ　ｌ　ｚｏ３／ＳｉＯ□の混合比が５の粉末をＡ　Ｉ
ｔ　２０３とＳｉＯ□の添加総量において０．０１％で
加えた混合粉末を前記同様、１７５０℃Ｘ　４１１ｒ　
、　ｌｌｚ／Ｎｚ雰囲気で焼結したものは粒径が太きく
１０〜２０μｍ　（第４図参照）へ増加することが認め
られた。

また同様にして実施例１の混合率で夫々実験を試みたと
ころ、何れもその添加により１０〜２０μｍ１へ粒径が増加することが確認された。

この場合、水蒸気添加による水添加の効果は明確とは云
えないが、微小粒の減少となって現れていた。

なお、ＰＶＡ　　（ポリビニルアルコール）等の造粒剤
、ステアリン酸等の潤滑材、澱粉、Ｕ３Ｏ８、パルミチ
ン酸等のポア形成剤を適宜、用いたが、これらは粒径へ
の影響なく使用可能であった。

また、上記実施例で得られた焼結体を試料として１４０
０℃、　４５ＭＰａの高温クリープ試験を実施したとこ
ろ、何れの場合も粒径補正を行なわなくて無添加００２
に比して５Ｘ１０２〜１０３倍のクリープ速度を有して
おり、頗るすぐれたセラミック燃料であっ　ゾこ。

（発明の効果）本発明は以上のように核燃料物質にＡ　Ａｌ２Ｏ３およ
びＳｉＯ□を添加し核燃料ペレットを製造するに際しＡ
　ｌ　ｚ（ｈおよびＳｉＯ□の粉末粒度を１μｍ以下と
し、その添加総量を０．００５％〜０．０５％、かつＡ
　ｌ　２０３とＳｉＯ□の重量比を１：１〜３０：１の
範囲　２− として底型し、焼結する方法であり、上記の如く１’ｌ
　ｊ２２０３とＳｉＯ２の粉末粒度および量を規定する
ことにより不純物スペックの範囲内のＡ　！ｌ　２０３
とＳｉＯ□を添加するだけで、より簡単により少量の添
加物で高燃焼度ＵＯ□ペレットに要求されるような従来
製法によるＵＯ□ペレットの結晶粒径の３〜１０倍の結
晶粒径をもつ大粒径かつ大クリープ速度のセラミック燃
料を得ることが可能となり、ＦＰ保持性ならびにＰＣＭ
Ｉ特性の改善に顕著な効果を奏し、今後に関心がもたれ
る上記高燃焼度用ＵＯ□ベレットの工業的かつ経済的製
造分野にその適用が期待されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は二酸化ウランにＡ　７！２０３１５１０２　＝
　５の混合比の粉末を０．０１％添加えた実施１のケー
ス（１）　Ｃで得られた核燃料焼結体の結晶粒径金属顕
微鏡観察にて４００倍の倍率で撮影した金属組織顕微鏡
写真、第２図は上記第１図の試料にポア形成剤としてパ
ルチミン酸を０．１加えて得られた核燃料焼結体の結晶
粒径を金属顕微鏡で４００倍の倍率で撮影３した金属組織顕微鏡写真、第３図は従来の二酸化ウラン
のみで得られた実施例１のケース（１）Ｄによる核燃料
焼結体の結晶粒体を金属顕微鏡で４００倍の倍率で撮影
した金属ｍｅｉ顕微鏡写真、第４図は一酸化ろランにガ
ドリニアを８％添加したガドリニア入りＵＯ□粉末に更
にＡ　ｅ　２０３／ＳｉＯ□−５の混合粉末を０．０１
％加え焼結したペレットの結晶粒径を前記同様、金属顕
微鏡観察で４００倍の倍率で撮影した金属組織顕微鏡写
真、第５図は上記第４図におけるガドリニア８％添加Ｕ
Ｏ□ペレットの結晶粒径を金属顕微鏡観察で４００倍の
倍率で撮影した金属組織顕微鏡写真である。 ■ 第１図第２図第３閏第４図

Claims

【特許請求の範囲】１、ウラン、プルトニウムの少なくとも１つの元素の二
酸化物または前記物質にガドリニアを添加した核燃料物
質にＡｌ＿２Ｏ＿３およびＳｉＯ＿２を添加し核燃料ペ
レットを製造するにあたり、前記Ａｌ＿２Ｏ＿３および
ＳｉＯ＿２の粉末を粒度１μｍ以下の超微粉末とし、そ
の添加総量を０．００５％〜０．０５％、かつＡｌ＿２
Ｏ＿３とＳｉＯ＿２の重量比を１：１〜３０：１の範囲
としてそれらを混合した粉末を成型し、のち、水素を含
む還元雰囲気で本体雰囲気ガス流量に対して４０〜７０
℃の飽和水蒸気を含むキャリヤーガスを体積率で０．１
〜１０％添加し、１６００〜１７５０℃で２〜６時間焼
結を行うことを特徴とする核燃料ペレットの製造法。２、ウラン、プルトニウムの少なくとも１つの元素の二
酸化物または前記物質にガドリニアを添加した核燃料物
質にＡｌ＿２Ｏ＿３およびＳｉＯ＿２を添加し核燃料ペ
レットを製造するに際し、前記Ａｌ＿２Ｏ＿３およびＳ
ｉＯ＿２の粉末を粒度１μｍ以下の超微粉末とし、その
添加総量を０．００５％〜０．０５％、かつＡｌ＿２Ｏ
＿３とＳｉＯ＿２の重量比を１：１〜３０：１の範囲と
してそれらを混合した粉末を成型し、成型後、酸素濃度
１０＾２ｐｐｍ以下の微酸化雰囲気にて１６００〜１７
５０℃で２〜６時間焼結を行うことを特徴とする核燃料
ペレットの製造法。３、Ａｌ＿２Ｏ＿３とＳｉＯ＿２の添加をケイ酸アルミ
ニウムまたはケイ酸アルミニウムにＡｌ＿２Ｏ＿２を添
加する方法で行うことを特徴とする請求項１または２記
載の核燃料ペレットの製造法。４、添加するケイ酸アルミニウムの粉末粒度を１μｍ以
下の超微粉末とすることを特徴とする請求項３記載の核
燃料ペレットの製造法。５、Ａｌ＿２Ｏ＿３、ＳｉＯ＿２またはケイ酸アルミニ
ウムを添加した後、カッターミル又はボールミルを用い
て粉砕混合を行うことを特徴とする請求項１、２、３又
は４記載の核燃料ペレットの製造法。６、請求項１又は２記載の製造法において、密度の調整
および成型を容易にするためにＰＶＡ等の造粒剤、ステ
アリン酸等の潤滑材、澱粉、Ｕ＿３Ｏ＿８などのポア形
成剤をさらに添加することを特徴とする核燃料ペレット
の製造法。