JPH04335188A - 核燃料ペレットおよびその製造方法 - Google Patents

核燃料ペレットおよびその製造方法

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JPH04335188A
JPH04335188A JP3105510A JP10551091A JPH04335188A JP H04335188 A JPH04335188 A JP H04335188A JP 3105510 A JP3105510 A JP 3105510A JP 10551091 A JP10551091 A JP 10551091A JP H04335188 A JPH04335188 A JP H04335188A
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JP
Japan
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nuclear fuel
pellet
beryllium oxide
pellets
porosity
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JP3105510A
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English (en)
Inventor
Shinji Ishimoto
慎二 石本
Mutsumi Hirai
睦 平井
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Original Assignee
Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)

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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高密度で熱伝導度の高い
核燃料ペレットに関し、さらに該ペレットの製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】軽水炉では、経済性向上のため、核燃料
の高燃焼度化が進められている。高燃焼時の燃料におい
ては、核燃料ペレット中心温度の上昇,核燃料棒内の核
分裂生成ガス(FPガス)放出量の増加,および核燃料
ペレットと被覆管間の相互作用(PCI)が主要な問題
となってくる。このうち、ペレット中心温度の上昇は、
FPガス拡散係数の増加によるFPガス放出量の増加,
核燃料ペレットの熱膨張の増加によるPCIの増加など
、燃料挙動に影響を及ぼす。
【0003】従来、熱伝導度が低く脆性を有する酸化物
の場合には、延性を付加し熱伝導度を高くするために、
延性に富み熱伝導度の高い金属を添加して焼結体中に析
出させ、いわゆるサーメット材料とすることが行われて
いる。核燃料ペレットにおいては、核燃料ペレットを構
成するセラミック中に金属繊維や酸化ベリリウム繊維お
よびウィスカーを析出させたものが知られている(特開
昭53− 16198号公報参照)。しかし、二酸化ウ
ラン粉末と繊維状物質のような形状の異なるものを焼結
してペレットを製作した場合、ペレットの密度を高くす
ることは困難であると考えられ、また、両者の熱膨張率
の差に起因してクラックが形成される可能性がある。ペ
レット密度の低下は、核分裂性物質密度の低下を招くた
め、高燃焼度化には好ましくない。また、クラックの形
成は熱伝導度の低下を招くため、ペレット中心温度の低
下が期待できない。
【0004】また、二酸化ウラン粉末にモリブデンのよ
うな金属粉末を添加してペレットを作製することも提案
されているが、この場合においても、酸化物と金属の濡
れ性が悪いことに起因して、ペレット密度の低下,クラ
ックの形成が予想される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の状況
に対処してなされたもので、核燃料ペレットの中心温度
を低下させ、FPガスの放出量を低減させ、PCIを軽
減させるために、高密度で熱伝導度の高い核燃料ペレッ
トならびにその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、核燃料ペ
レットに酸化ベリリウムを分散析出させ、その核燃料ペ
レットの気孔率を1〜5%とすることによって達成され
る。すなわち、本発明は、核分裂性物質を含む焼結体よ
りなる核燃料ペレットにおいて、その核燃料ペレット内
に酸化ベリリウムが分散析出し、その核燃料ペレットの
気孔率が1〜5%であることを特徴とする核燃料ペレッ
トに関し、さらにその製造方法として、核分裂性物質を
含有する粉末に酸化ベリリウム粉末を添加して成型し、
酸素ポテンシャルが−400kJ/mol 以上となる
温度ならびに雰囲気で焼結することを特徴とする核燃料
ペレットの製造方法に関する。
【0007】
【作用】本発明の核燃料ペレットは、高熱伝導度を有す
る酸化ベリリウムをペレット中に析出させることにより
熱伝導度を向上させた。また、気孔率を所定範囲に限定
してペレットを高密度化したことにより熱伝導度がさら
に向上し、かつ高燃焼度化に対応できるようになった。 かかる高密度化された核燃料ペレットは、酸素ポテンシ
ャルが−400kJ/mol 以上となる温度および雰
囲気で焼結することによって得られる。この高密度化に
より、酸化ベリリウムの添加による核分裂性物質密度の
減少を防止し、あるいは核分裂性物質密度をさらに増加
させることができる。
【0008】以上の結果、本発明の核燃料ペレットは、
従来の線出力と同一線出力において核燃料ペレットの中
心温度が低下し、またペレット内の温度分布が従来の核
燃料ペレットに比べ小さくなる。その結果、FPガス放
出量の低減やPCIの軽減を達成することができる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図1は、本発明の一実施例である核燃料ペレット
の断面を示す図である。すなわち、二酸化ウラン粉末に
酸化ベリリウム粉末を添加し混合した粉末を成型した後
、窒素−水素混合ガス中、1700℃または1800℃
で2時間加熱して焼結することによって、図に示す断面
を有するペレットを製造した。この場合、分散析出した
酸化ベリリウムの平均粒径は3μm 以下である。すな
わち、酸化ベリリウム粉末の粒径は数μm 以下であれ
ばクラックは生成しない。
【0010】図2は、酸化ベリリウムの添加量とペレッ
トの気孔率の変化を示す図である。酸化ベリリウムの添
加量とペレットの気孔率の変化については次のような実
験を行った。
【0011】(1) 核燃料ペレットの重量分率で 0
.3〜 1.5wt%(核燃料ペレットの体積分率で約
 1.1〜5.2vol%)の酸化ベリリウム粉末を二
酸化ウラン粉末に添加し混合した粉末を成型した後、窒
素−水素混合ガス中、1800℃で2時間加熱する。こ
の場合、気孔率が 1.2〜 1.6%の高密度のペレ
ットが得られた。 (2) 核燃料ペレットの重量分率で 0.3〜 1.
2wt%(核燃料ペレットの体積分率で約 1.1〜4
.2vol%)の酸化ベリリウム粉末を二酸化ウラン粉
末に添加し混合した粉末を成型した後、窒素−水素混合
ガス中、1700℃で2時間加熱した場合においては、
気孔率が 1.7〜 2.3%の高密度ペレットが得ら
れた。 (3) 核燃料ペレットの重量分率で0.02wt%(
核燃料ペレットの体積分率で約 0.07vol%)の
酸化ベリリウム粉末を二酸化ウラン粉末に添加し混合し
た粉末を成型した後、窒素−水素混合ガス中、1700
℃で2時間加熱した場合においては、気孔率が 3.2
%の高密度ペレットが得られた。また、1800℃で2
時間加熱した場合においては、気孔率が 2.5%の高
密度ペレットが得られた。 (4) 核燃料ペレットの重量分率で13.6wt%(
核燃料ペレットの体積分率で約 36.4vol%)の
酸化ベリリウム粉末を二酸化ウラン粉末に添加し混合し
た粉末を成型した後、窒素−水素混合ガス中、1700
℃で2時間加熱した場合においては、気孔率が 2.8
%の高密度ペレットが得られた。
【0012】上記実験等により、本発明の製造方法によ
れば、核燃料ペレットの通常の工業的焼結温度である1
650〜1800℃のいずれの温度においても、酸化ベ
リリウム粉末の二酸化ウラン粉末への添加量が0.02
〜13.6wt%の範囲で、気孔率が1〜5%の高密度
の核燃料ペレットが得られることがわかった。
【0013】また、酸化ベリリウム粉末を二酸化ウラン
粉末および二酸化プルトニウム粉末からなる粉末に添加
し混合した粉末を成型した後、窒素−水素混合ガス中で
加熱した場合においても、気孔率が1〜5%である核燃
料ペレットが得られる。
【0014】さらに、酸化ベリリウム粉末を二酸化ウラ
ン粉末および酸化ガドリニウム粉末からなる粉末に添加
し混合した粉末を成型した後、窒素−水素混合ガス中で
加熱した場合、あるいは酸化ベリリウム粉末を二酸化ウ
ラン粉末および二酸化プルトニウム粉末および酸化ガド
リニウム粉末からなる粉末に添加し混合した粉末を成型
した後、窒素−水素混合ガス中で加熱した場合において
も、気孔率が1〜5%である核燃料ペレットが得られる
。また、雰囲気ガスとして、窒素−水素混合ガスの他、
水素ガス,アルゴンガスなどの不活性ガス,一酸化炭素
−二酸化炭素混合ガスなどを用いてもよい。焼結中の酸
素ポテンシャルとして−400kJ/mol 以上であ
れば微細クラック等の熱伝導度を低下させる欠陥が生成
せず、良好なペレットが得られる。軽水炉に用いられて
いる通常の核燃料ペレットの気孔率は4〜5%であるか
ら、本実施例で製造した核燃料ペレットの気孔率が約1
〜3%であるということは、本発明において、酸化ベリ
リウムの添加による核分裂性物質密度の低下を抑えるこ
とができたか、あるいは逆に核分裂性物質密度を増加さ
せたことを意味している。
【0015】さらに、核分裂性物質密度を低下させない
ためには、酸化ベリリウムの添加量として 1.2wt
%(約4 vol%)以下であればよいことが分る。
【0016】ペレットの気孔率と熱伝導度の関係は次式
で与えられる。
【0017】
【数1】
【0018】ここで、λp :気孔率Pの物質の熱伝導
度λ0 : 100%TD(TD:理論密度)の物質の
熱伝導度α:係数(1<α<4) P:気孔率 である。すなわち、気孔率が低いほど熱伝導度は高くな
る。αの値を1000Kで2にとると、例えば1%の気
孔率の減少に対してλp は約2%高くなる。軽水炉に
用いられている通常の核燃料ペレットの気孔率は4〜5
%であるから、本実施例の核燃料ペレット(気孔率1〜
3%)では、高密度化のみの効果で1000Kで2〜9
%熱伝導度が上昇する。
【0019】二酸化ウランペレット中に、球状の酸化ベ
リリウムが析出したときのペレットの熱伝導度λM は
、次式で与えられる。
【0020】
【数2】
【0021】ここで、VB :酸化ベリリウムの体積分
率λU :二酸化ウランの熱伝導度 λB :酸化ベリリウムの熱伝導度 である。
【0022】図3は、二酸化ウランペレット中に球状の
酸化ベリリウムが析出したペレットの1000Kにおけ
る熱伝導度と酸化ベリリウム濃度の関係を示した図で、
 (2)式により計算した値である。ここで、ペレット
の気孔率は (1)式を用いて2%とした。
【0023】また、λM は二酸化ウランペレット中に
球状の酸化ベリリウムが析出したペレットの熱拡散率α
m ,密度ρm ,及び比熱Cm を用いて次式で表せ
る。
【0024】
【数3】
【0025】本実施例の 0.3〜 1.5wt%の酸
化ベリリウムを添加した二酸化ウランペレットのαm 
、ρm を測定し、Cm の文献値を用い、 (3)式
によりλM を求め、さらに(1)式を用いて同一気孔
率(2%)に規格化した値は、図3に一致した。
【0026】本実施例の核燃料ペレットは、酸化ベリリ
ウムの析出により、例えば1000Kで、 0.3wt
%の酸化ベリリウムを含むペレットで同一気孔率の二酸
化ウランペレットに比べ約2%、 1.5wt%の酸化
ベリリウムを含むペレットで同一気孔率の二酸化ウラン
ペレットに比べ約12%、熱伝導度が上昇する。
【0027】したがって、高密度化の効果を含めると、
本実施例では、例えば1000Kで、 0.3wt%の
酸化ベリリウムを含むペレットで気孔率が4〜5%の二
酸化ウランペレットに比べ約4〜11%、 1.5wt
%の酸化ベリリウムを含むペレットで気孔率が4〜5%
の二酸化ウランペレットに比べ約14〜21%、熱伝導
度が上昇する。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
核燃料ペレットの熱伝導度を向上させることができるの
で、核燃料ペレットの中心温度を低下させ、FPガスの
放出量を低減させ、PCIを軽減させることができる。 さらに、本発明によれば、核燃料ペレットの密度を高く
することができるので、酸化ベリリウムの添加による核
分裂性物質密度の減少を補うか、あるいは逆に従来以上
に核分裂性物質密度を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の核燃料ペレットの断面を示す図。
【図2】酸化ベリリウムの添加量とペレットの気孔率の
変化を示す図。
【図3】二酸化ウランペレット中に球状の酸化ベリリウ
ムが析出したペレットの1000Kにおける熱伝導度と
酸化ベリリウム濃度の関係を示した図。
【符号の説明】
1…二酸化ウラン、2…酸化ベリリウム。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  核分裂性物質を含む焼結体よりなる核
    燃料ペレットにおいて、その核燃料ペレット内に酸化ベ
    リリウムが分散析出し、その核燃料ペレットの気孔率が
    1〜5%であることを特徴とする核燃料ペレット。
  2. 【請求項2】  核分裂性物質を含有する粉末に酸化ベ
    リリウム粉末を添加して成型し、酸素ポテンシャルが−
    400kJ/mol 以上となる温度ならびに雰囲気で
    焼結することを特徴とする核燃料ペレットの製造方法。
JP3105510A 1991-05-10 1991-05-10 核燃料ペレットおよびその製造方法 Pending JPH04335188A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2481657C2 (ru) * 2010-02-25 2013-05-10 Акционерное общество "Ульбинский металлургический завод" Таблетка ядерного топлива

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2481657C2 (ru) * 2010-02-25 2013-05-10 Акционерное общество "Ульбинский металлургический завод" Таблетка ядерного топлива

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