JPH0368898A - 核燃料ペレットの製造方法 - 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］ 本発明は核燃料ペレット製造方法に係り、さらに詳しく
は、原子炉運転中のＦＰガス放出率が小さい核燃料ペレ
ットの製造方法に関する。

［従来の技術］ 現在実用化されている発電用原子炉の多くは、酸化物系
の燃料ペレットをジルコニウム合金製被覆管内に密封し
た構造の核燃料要素が使用されている。第２図にこのよ
うなタイプの核燃料要素の概略縦断面図を示す。図にお
いて、１はジルコニウム合金製被覆管、２は二酸化ウラ
ン焼結ペレット、３は上部端栓、４は下部端栓、５は空
間（プレナム）、６はペレットを押さえるスプリング、
７はゲッター、８はペレット２と被覆管１とのギャップ
であり、ヘリウムが充填されている。

二酸化ウランペレット２は、従来、次のようにして製造
していた。まず濃縮工場の製品であるＵＦ６　（六フッ
化ウラン）を加熱して気体とし、これをアンモニア水な
どに注入してＡＤＵ　（重ウラン酸アンモニウム）など
の化合物にして沈殿させる。これをろ過洗浄した後、乾
燥焙焼してＵ３Ｏ８の形にし、これを水素還元すること
でＵＯ２粉末を得る。次にこのＵＯ２粉末に結合剤を加
え、２ｔ／ｃＪ前後の圧力を加えてグリーンぺレッドに
成形し、これを結合剤除去の予備焼結復水素気流中にお
いて１６００〜１８００℃で加熱して得られている。

ところで、従来の製造方法で得られた燃料ベレットは、
原子炉中で燃焼させるとクリプトン（Ｋｒ）、キセノン
（Ｘｅ）、　　ヨウ（１□）、セシウム（Ｃｓ）などの
核分裂生成物（Ｆ　Ｐ）を生成し、これらが燃料ペレッ
ト内に蓄積する。燃料ペレット内に蓄積したＦＰのうち
、気体状核分裂生成物（ＦＰガス）は燃料ペレットのマ
トリックス中には殆ど固溶せずに結晶粒界に拡散し、そ
こで気泡を形成する。さらに粒界に拡散したＦＰガスは
やがてベレット外に放出され、燃料棒内圧を上昇させる
と共に被覆管に応力腐食割れを生じさせる原因となる。

このためベレットの特性としては、ＦＰガスの放出率の
小さいことが望ましい。

酸化物燃料ベレットのＦＰガス放出特性は、ベレットの
結晶粒径とＦＰガスの拡散係数に依存するが、その放出
率Ｆは、結晶粒径ａに反比例し、ＦＰガスの拡散係数り
の平方根に比例することが知られている。また拡散係数
りは酸素対金属原子比（０／Ｍ比）に大きく依存し、０
７Ｍ比が小さなベレットはど小さい。

したがって、結晶粒径が大きなベレットあるいは０７Ｍ
比が小さなベレットを用いれば、ＦＰガスの放出率を小
さくすることが可能である。かかる点を改良するものと
して、従来次のような提案がなされている。

すなわち、Ｎｂ２Ｏ，あるいはＴｆＯ□を加えて焼結ベ
レットの結晶粒径を大きくすることによってＦＰガス放
出率の低い酸化物燃料を製造する方法（特開昭５９−２
２０６７７号）、焼結雰囲気を調整して焼結ペレットの
結晶粒径を大きくすることによってＦＰガス放出率の低
い酸化物燃料を製造する方法（特開昭５６−４８５１１
２号）、また、Ｃａ　Ｃ１゜Ｃｏｏ、Ｃｕｂ、Ｎｉｐ、
Ｃｒ２Ｏ，。

Ｆｅ２Ｏ３等の原子価が２または３である金属の酸化物
を添加しＦＰガス放出率の低い酸化物燃料を製造する方
法（特開昭５５−１１７９９３号）が提案されている。

しかしながら、上記特開昭５９−２２Ｈ７７号の方法に
よると、結晶粒径は大きくなるが、ベレットのマトリッ
クス内でのＦＰガスの拡散係数も大きくなるという欠点
がある。また、特開昭５６−４８５８２号の方法では、
原料粉末の特性によらず焼結後の結晶粒径を一定の大き
さにすることが困難である。

さらに特開昭５５−８７９９３号の方法では、添加物の
原子価が２あるいは３価で安定なものは、焼結が抑圧さ
れ結晶粒径が小さ（なるため、逆にＦＰガスの放出率が
大きくなる可能性がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記情況に鑑みてなされたもので、本発明の目
的は、ベレットの結晶粒径を小さくすることなくマトリ
ックス内の０７Ｍ比を減少させ、それにより従来の酸化
物燃料ペレットに比べはるかにＦＰガスの放出率が小さ
い酸化物燃料を提供することである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、二酸化ウラン粉末と酸化第二セリウム粉末
を機械混合し、この混合粉末を圧縮成形し、酸化性雰囲
気中において焼結したのち還元性雰囲気において還元す
ることにより遠戚される。

上記酸化性雰囲気としては、例えば二酸化炭素、−酸化
炭素と二酸化炭素の混合ガス、水素と二酸化炭素の混合
ガス、アルゴンと酸素の混合ガス。

窒素ε酸素の混合ガスなどが用いられ、これらの気流中
１４００〜１８００℃で１時間以上焼結する。また還元
性雰囲気としては水素気流が用いられ、還元温度および
時間はそれぞれ１４００〜１８００℃、０．５時間以上
である。

［作　用］ 通常、二酸化ウランは不定比組成ＵＯ２，Ｘで安定に存
在する。一方、酸化第二セリウムは二酸化ウランと同様
に蛍石型結晶構造をもつが、還元性雰囲気で不定比組ｒ
ｌＪ、　Ｃｅ　Ｏ２４をとる。このため上記した本発明
の製造方法によると、酸化第二セリウムは容易に二酸化
ウランに固溶し、かつ焼結ペレットの０７Ｍ比は２以下
となる。したがって、ＦＰガスの拡散係数が小さくなり
、ＦＰガスの放出率が小さい酸化物燃料が製造される。

［実施例］ 本発明の酸化第二セリウム入り酸化物燃料ペレットの製
造方法の一実施例を第１図により説明する。

第１段階では、二酸化ウラン粉末と酸化第二セリウム粉
末を機械混合し、さらに結合剤を加え、圧縮成形し、い
わゆるグリーンペレットを作る。

第２段階では、これを予備焼結する。第３段階では二酸
化炭素と一酸化炭素の混合ガス気流中にて１４００〜１
８００℃の温度で２時間焼結した後、水素気流中にて１
４００〜１８００℃の温度で還元する。

本実施例により製造したＣｅＯ，を１重量％含有するＵ
Ｏ２ペレットと従来法により製造したＵＯ２ペレットの
断面組織を光学顕微鏡で観察した。その結果、本発明の
ペレットと従来法のペレットの結晶粒径の大きさには殆
ど差がないことが分かった。このような本発明のペレッ
トを用いれば、原子炉運転中におけるＦＰガス放出率を
小さくすることができる。

なお、上記実施例では、酸化性雰囲気として二酸化炭素
と一酸化炭素との混合ガスを用いたが、水素と二酸化炭
素、アルゴンと酸素、あるいは窒素と酸素との混合ガス
を用いてもよい。また、予備焼結は、省略してもよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、ペレット結晶粒径を小さくすることな
くマトリックス内の０７Ｍ比を減少させ、従来の酸化物
燃料ペレットに比べはるかにＦＰガスの放出率が小さい
酸化物燃料を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を説明する核燃料ペレットの
製造工程図、第２図は従来の核燃料要素の縦断面図であ
る。 １−被覆管　　　　２−燃料ペレット ３−上部端栓　　　４−下部端栓 ５−プレナム　　　６−スブリング ７−ゲツター　　　８−ギャップ 第１図 第２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）二酸化ウランと酸化第二セリウムの混合粉末を圧
   縮成形し、これを酸化性雰囲気中で焼結したのち還元性
   雰囲気中において還元することを特徴とする核燃料ペレ
   ットの製造方法。
2. （２）上記焼結時の酸化性雰囲気が、二酸化炭素、一酸
   化炭素と二酸化炭素の混合ガスまたは水素と二酸化炭素
   の混合ガスの気流中の雰囲気である請求項１記載の核燃
   料ペレットの製造方法。
3. （３）焼結工程を１４００〜１８００℃で１時間以上行
   ない、還元工程を１４００〜１８００℃で０．５時間以
   上行なう請求項１記載の核燃料ペレットの製造方法。