JPH03170898A - 核燃料セラミックの製造方法 - 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） 本発明は核燃料セラミックの製造方法に係り、詳しくは
改善されたＦＰガス保持性及びＰＣＭｔ特性をもつ高燃
焼度用ガドリニア入り二重構造の核燃料ペレットの製造
方法に関するものである。

（従来の技術） 沸騰水型原子炉用燃料では炉内出力分布を均質化するた
め、また加圧水型原子炉用燃料では高燃焼度燃料の初期
反応度を抑制するために従来、ガドリニア（ＧｄｚＯｉ
）を入れたペレットが製造されている。

このガドリニア人りペレットは二酸化ウラン（Ｄｏｇ）
に中性子吸収物質であるガドリニウム（Ｇｄ）の酸化物
であるガドリニア（ＧｄｚＯ３）を添加したべレフトで
、沸騰水型原子炉では広く、また加圧水型原子炉用でも
近時、高燃焼度用として実施ないしは予定されているペ
レットであるが、高燃焼度？ＧｄｚＯｓ入りロＯｚペレ
フトとしてＦＰガス保持性及びＰＣＭＩ特性が良好なペ
レットが望まれるに及び、前者に対しては結晶粒径を大
きくすること、後者に対しては柔らかいペレットとする
ことが検討されている。

ところで、上記従来製造されて来たＧｄ２０３人り［０
２ペレットは通常、ガドリニアがペレット全体に均一に
添加されていて、そのクリープ速度はＵＯ■と比べて同
一粒径だと小さい傾向を示すが、結晶特性上、大粒径化
が困難で、結晶粒径が小さくなるため、粒径の二乗に反
比例するクリープ速度の増加の方が効いて結果的にＵ（
ｈペレットよりクリープ速度は大きくなるという長所を
有している。

しかし、反面、上記従来におけるＧｄ！０３人りペレッ
トは、その形態として一般にＧｄ！０１がペレット全体
に均一に添加されているため、一方において燃料設計で
燃料中心温度が安全上、制限され、出来る限り中心温度
を下げる必要があるに拘らずＵＯ２ペレットに比べて熱
伝導が悪く、そのため、ガドリニウム（Ｇｄ）のバーナ
ブルボイズン（Ｂ，Ｐ，可燃性毒物）としての効果がな
くなった時点で中心温度が同一出力ではυ０！ペレット
に比し高くなり、ＦＰガス（核分裂生威物ガス）放出率
が上昇し、燃料棒内圧が上昇し易くなって了う欠点があ
る。

また、前述の如く結晶特性上、結晶粒径が小さくなるた
めクリープ速度が大きく、柔らかいペレットとなってＰ
ＣＭＩ　（ペレットと被覆管の機械的相互作用）特性面
では有利であるが、ＦＰガス保持性の面においては小粒
径のため保持性能が低下することとなって必らずしも高
燃焼度用ペレットとしては充分とは云えない面がある。

しかも、ペレット製造にあたり、高温長時間焼結を行え
ば粒径は大きくなるとしても硬くなり、ＰＣＭＩ特性を
低下させる結果を招く。

本発明者は上述の如き実情に鑑み、これに対処し、さき
にＦＰガス保持性の向上をはかり、かつＰＣＭＩ特性の
向上を達成することを目的として、内側部と外側部の組
或を異ならしめ、内側部をＵＯ２とし、外側部にＵＯ！
にＧｄ！Ｏｆｆを添加したＧｄ２０３入りＵＯ．を配し
た二重ペレット構或を提案し、併せて内側部を低濃度Ｇ
ｄ　ｚｏ　ｚ入りペレット，外側部を高濃度ＧｄｔＯｚ
入りペレットの二重構造とすること、内側部ペレットの
粒径を外側部に比し比較的大粒径化せしめることなどを
提案した。

そして、これと同時にそれら内外両領域よりなる二重ペ
レットの製造方法として焼結後の中空ペレットと細径ペ
レットを組み合わせるＬＯＷＩ法や、あるいは戒型時に
中空の圧粉成型体で焼結前のグリーンペレットを外側に
配し、内側に細径成型体を配して両者を組み合わせ、再
或型した後、この共コンパクトを焼結し、一体化する共
コンパクト法によって二重ペレットが容易に製造される
ことを開示した。

この場合、一般的な方法として、焼結は通常、Ｈ２又は
Ｈｚ／Ｎｚ中で、ｌ６００〜１８００″Ｃの高温還元焼
結法で行われており、従って、ＬＯＷＩ法は特殊な原料
粉／焼結法を採用することにより外側と内側ペレットの
粒径を変えることが容易であるが、共コンパクト法では
収縮率が同じである関係から同？特性の原料ＵＯｔを使
用する必要があり、外側と内側で粒径を変えることは困
難で、通常、粒径は共に５〜１０μ鴎である。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は上述の如き諸事実に鑑み、二重ペレットの内、
特に中心部ｕｏｇの粒径を大きくしてＦＰガス保持性を
更に向上せしめた二重ペレットを共コンパクト法により
製造するための方法を提供せんとするものである。

ｃｔｉｚｏｉ入りＵＯＺペレットの製造、特に焼結方法
に関し、例えば特公昭６０−５４６３５号公報ではＧｄ
２０３人りＵＯ■においても酸化雰囲気条件にてｔｔｏ
ｏ’ｃ前後での焼結は可能であることが示されている．
但し、この場合、Ｇｄ！ＯｔをＵＯ■中に充分固溶させ
るには１４００℃、望ましくは１７００″Ｃ前後での加
熱が必要であると同時に得られたペレットの粒径は〜１
０μｍにとどまっている。一方、ＵＯ２のみの場合は特
開昭５８−８２１８９号公報に示されるように第１段階
にて１１００’Ｃ，酸化雰囲気加熱により９５％ＴＤ以
上の焼結を行った後、第２段階と？て同一温度にて還元
雰囲気加熱を行い、０／ロ＝２．００に揃える方法で粒
径が粗大化したＵＯｔを得ることが可能となっている。

ところで、本発明者の追試によれば上記後者の方法はＫ
ＷＵ製のＡＵＣ法によるｔｌ０２粉末にのみ適用でき、
それとＵＯ２生産工程を異にするＡＤＵ法（ＡＤＯ−＋
Ｕ３０ｓ→ｕｏｚ）ｕｏ■粉末ではそのまま適用するこ
とは不可であることを確認した。

このため、本発明者はＡＤＵ法粉末の場合、成型体を予
備加熱する方法（特開昭６４−５３１９２号）あるいは
２５％以上のＵ３０ｓを添加する方法などを先に提案し
た。

そして、このような方法を採用することにより焼結条件
を前記特開昭５８−８２１８９号公報に示されたのと同
じような条件に設定し、結晶粒径の増大化をはかること
が可能であることを知見した。

本発明は上記の如き知見にもとづいて見出されたもので
あり、これによって前記内側が大粒径Ｕ０２、外側が通
常粒径のＧｄ２０，入りＵＯ■となる高燃？度利用に適
した二重ペレットを効率的に製造することを目的とする
。

（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方法の特徴は外側にＧ
ｄｚＯ：＋入りＵＯ２ペレット、内側にＵＯ２ペレット
を配した二重構造で、かつ、内側のＵＯ■ペレット部を
大粒径の結晶組織とした二重ペレットを製造するにあた
り、先ず、共コンパクト法により外側に”ｂｕｓ／　Ｕ
ＯＺ，内側にυ０■成型体を配した二重ペレット成型体
を製作することから始まる。

但し、この場合、原料粉としてＡＵＣ法ＵＯｔの場合は
そのまま処理の必要はないが、ＡＤＵ法ＵＯｔの場合は
２５〜４５％のり３０８粉を内側ＵＯ２成型体製作時に
添加混合することが肝要である。

勿論、外側Ｇｄ，０１／　ＵＯ２に混合することも差し
支えないが、内側ＵＯ２の場合のような粒径粗大化の効
果は得られない。

そして、次に上記の如く製造した共コンパクト成型体に
対し、次いで焼結処理を施すが、これは該成型体を微酸
化性雰囲気、通常、ｃｏ２，ｃｏ■／ＣＯ．ＣＯｚ／Ｏ
ｘ又はＮｚ／Ａｉｒ，Ｎｚ／Ｏｚ等、酸素濃度が１０−
”　〜５００ｐｐｍ．好ましくは１０−”〜３００ｐｐ
ｍの範囲の雰囲気中で１０００℃〜１４００″Ｃ１望ま
しくは１１００℃前後で１５分〜３時間焼結した後、水
を微量添加した水素又は水蒸気を含む還元雰囲気中で１
６５０〜１８００’Ｃにて１時間〜４時間、好ましくは
１７５０Ｘ３時間で加熱還元し、Ｏ／Ｍ＝２．ＯＯとす
ると同時にＧ（ｈｃｌ＋をＵＯ．へ十分固溶させる方法
である。

なお、上記方法においてＡＵＣ法の場合、Ｕ，０，は２
０％以下の添加にて密度調整のため使用可であり、一方
ＡＤＵ法にてＵ，０８を添加する場合は添加するＵ３０
ｌＩの粒径で密度調整を行う。また、共コンパクト前後
の各密度は原料粉の焼結特性によって決まるもので粉末
特性によって適宜変化する。

請求項２記載の発明は上記方法を更に内側中心部を中空
にした中空二重構造のべレフトに適用することを特徴と
する。勿論、上記中空ペレットを含め内外両部分のＧｄ
ｚＯｓ濃度を異ならしめ、内側を低濃度Ｇｄ３Ｏ５とし
た場合に対しても適用することは可能であるが、上記内
側をＧｄ２０３なしとする？合がより有効である。

（作用） 上記の如く内側をｕＯ■ペレット、外側をＧｄ，０，入
りペレットとすることにより、得られる燃料ペレットの
特性が改善され、中心部における燃料中心温度は低くな
り、ペレット全体としてＦＰガス保持性は向上し、同時
に外側はＧｄｚＯｓ入りのため結晶粒径が小さく、クリ
ープ速度が大きく柔らかくなって、ＰＣＭＩ特性も有利
となる。

そして、上記本発明方法により上記の如き二重構造ペレ
ットであっても共コンパクト法による製造にあたり、焼
結条件として同じような条件を設定して一回の焼結で製
造が可能となる。

次に本発明の実施例を掲げる。

（実施例ｌ） ＡＵＣ法ＵＯｔ粉末を用い、外側成型体として、Ｇｄｚ
Ｏ，ｍ度８ｗｔ％とした混合粉末により外径１０ｍｍ，
内径６ｍｍ，高さＬ２ｍｎ＋，戒型密度４．８ｇ／ｃ＋
１１，内側成型体としてロ０！粉のみで外径５．９ｍｍ
，高さ１２隠，成型体密度４．９ｇ／ｃＪを製作した後
、両者を組み？わせ、外径１０．１ｍｍ，高さ１０　＠
ｎ，戒型密度５．８ｇ／　ｃｆｆ１０共コンパクト成型
体となした。

そして、この成型体を先ず酸素を５０ｐｐｍ含むＣＯ，
中にて１１００℃Ｘ２時間の焼結を行った後、１７５０
’Ｃ×３時間，水添加３　Ｈ，／Ｎ．中での加熱を行い
、焼結体とした。

この焼結体の平均寸法密度はｃｄｚｏａｌ度５％のペレ
ットの理論密度の９５％程度であり、結晶粒の分布は外
側約２１Ｉｎは５〜１０，ｃｚｍ，内側約４１Ｔｌ［Ｉ
Ｉは２０〜３０μｍであった。Ｇｄ２０よ／　００■と
ＵＯ■の境界部に空隙はなく、Ｇｄｚ０３／　ｕｏ２部
からＵＯ■側へのＧｄ２０，の移動，固溶が数１００μ
ｍ認められた。

熱天秤によって各部のＯ／Ｕ又は０／Ｍを測定したとこ
ろ、何れの部分（境界部を除く）も２．００（　ＩＩ（
ｈ”’ｉ？はＯ　／　Ｕ　，　　ＧｄｚＯｉ／　００！
　テはＯ／Ｍ）−？！あることを確認した。

（実施例２） ＡＤＵ法ＵＯ，粉末を用い、外側成型体として、Ｇｄｚ
Ｏ＊　８　ｗｔ％とした混合粉末により外径１０ｒｍ　
，内径６ｍｍ，高さ１２ｍｍ，或型密度４．９ｇ／ｃ値
，内側或？体としてＵＯ２粉末にＵ３０８粉末を３５％
添加した混合粉を用い、外径５．９＋ｎ＋ｎ，高さ１２
印，成型体密度４．９　ｇ／ｃｎの成型体を製作した後
、両者を組み合わせ、外径ＩＱ．ｌｍｍ，高さ１０　ｍ
ｍ　，或型密度５．９　ｇ／ｃｆｆ１０共コンパクト成
型体となした。

そして、この成型体を先ず、酸素１００ｐｐｍを含むＮ
２中にて１１００’Ｃ　Ｘ　３時間，水添加を行った３
Ｈｚ／Ｎｚ中で加熱を行い、焼結体とした。この焼結体
は平均密度がＧｄ　ｚｏ　３濃度５％のペレットの理論
密度の９５％程度であり、粒径はやはり外側２閣程度が
５〜７μｍで、内側４　ｍｍ程度は２５〜３５μｍであ
った。

また、境界及びＯ／Ｕ，０／Ｍは実施例１と同様であっ
た。

なお、上記両実施例は、何れも内側が中実の戊型体であ
ったが、内側中心部を中空にした二重ペレットに対して
も同様、有効な結果を確認した。

（発明の効果） 以上のように本発明は外側にＧｄ２０３人りｔｌｏｚペ
レット、内側にＧｄｚＯｉなしのＵＯ■ペレットを配し
た二重ペレットで、内側ペレット部を大粒径の結？組織
とした核燃料ペレットを共コンパクト法で製造する方法
に関し、特に内側ＵＯ，部分の原料粉末としてＡＵＣ法
の場合はそのまま、ＡＤＵ法の場合は２５〜４５％のり
，０，粉を添加したものを用いることにより、同じよう
な焼結条件に設定しても内側ＵＯｔの結晶粒径の増大化
をはかることが可能となり、内側が大粒径ＵＯ■，外側
が通常粒径のＧｄ２０，／　ＵＯ２となる高燃焼度利用
に適した二重構造の核燃料ペレットを一回の焼結にて製
造することができ、従来、困難視されていた共コンパク
ト法により内外異なる粒径の二重ペレットの製造を容易
ならしめ、ＦＰガス保持性及びＰＣＭＩ性の向上を図り
、原料燃料の特性の向上．安全性の確保に寄与する高燃
焼度用ペレットの製造に顕著な効果を奏する。

請求項２記載の発明は更に燃料中心温度を下げる中空ペ
レットに適用し、その実効を高める効果がある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外側がガドリニア入りＵＯ＿２ペレット、内側がガ
   ドリニアなしのＵＯ＿２ペレットで、かつ、内側のＵＯ
   ＿２ペレット部を大粒径の結晶組織とした二重構造核燃
   料ペレットを製造するにあたり、前記内側ＵＯ＿２ペレ
   ットの原料粉末としてＡＵＣ法ＵＯ＿２の場合はそのま
   ま、ＡＤＣ法ＵＯ＿２の場合は２５〜４５％のＵ＿３Ｏ
   ＿５粉を添加した混合粉末を用いて共コンパクト法によ
   り内側成型体と外側成型体を組み合わせた共コンパクト
   成型体を製作し、次いで上記共コンパクト成型体を１０
   ００℃〜１４００℃、酸素を１０＾−＾３ｐｐｍ〜５０
   ０ｐｐｍ含むＣＯ＿２、Ｎ＿２、Ａｒ又はＨｅガスもし
   くはこれらの混合ガス中で１５分〜３時間焼結し、その
   後、水を微量添加した水素を含む還元雰囲気中で１６５
   ０℃〜１８００℃にて１時間〜４時間加熱還元処理する
   ことを特徴とする核燃料セラミックの製造方法。 ２、二重構造核燃料ペレットが内側ＵＯ＿２ペレットの
   中心部を中空にした中空二重ペレットである請求項１記
   載の核燃料セラミックの製造方法。