JPH0493695A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、酸化物燃料ペレットの製造方法に係り、酸化
物燃料粉末に焼結剤を添加してペレットの結晶粒を改善
した、信頼性の高い核燃料ペレットの製造方法に関する
。

［従来の技術］ 軽水炉あるいは高速増殖炉に装荷される核燃料ペレット
は、発電炉において経験された最も高い燃焼度までその
健全性が確認されている。しかし、現在計画されている
燃料の高燃焼度化に伴って、結晶粒界に析出したＦＰ（
核分裂生成物）ガスによる気泡スエリングの増加に伴う
ペレットと被覆管の機械的相互作用（ＰＣＩ）の増大、
燃料からの核分裂生成ガス放出による燃料棒内の内圧上
昇が起こり、燃料の健全性が失われる可能性があり、現
在使用されているペレットを改善する必要がある。そこ
で、従来では、ペレットからの核分裂生成ガス放出率が
核分裂生成ガスのペレット結晶粒内の拡散に律速される
と考え、ペレットの結晶粒径を大きくすることによって
、核分裂生成ガスの放出率を抑える方法が試みられてき
た。しかし、結晶粒径を大きくするとペレットのクリー
プ速度が低下し、ＰＣＩに悪影響を生せしめる可能性が
ある。一方、ペレットのクリープ速度を向上させる方法
として、二酸化ウラン粉末にアルミニウム酸化物とケイ
素酸化物からなる焼結剤を添加し、結晶粒界に軟質第二
相を析出せさる方法が考えられた。（特開平１−１９３
６９１号公報）この結晶粒界に軟質相を析出させる方法
として、天然に存在する粘土鉱物を添加する方法、ある
１１は高純度のケイ素酸化物、アルミニウム酸化物等の
粉末を任意の組成で混合し、添加する方法が考えられる
。これらの焼結剤を添加し焼結することにより、液相焼
結メカニズムによって二酸化ウラン粉末間の表面反応を
促進し、結晶粒の成長を助長すると共に、アルミナシリ
ケートのガラス相が粒界に析出しペレットが軟質化する
。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記の方法では可燃性毒物であるＧｄ。

０３を含む核燃料ペレットを製作する場合には、不適当
であることが分った。以下にその理由を述へる。

一般に、Ｇｄ２Ｏ３とＵＣ２との混合酸化物はＵＣ２に
比へ焼結性が低く、同一焼結条件下では、その結晶ペレ
ットの密度、結晶粒径は共にＵ○２焼結ペレットよりも
小さくなることが知られている。また、水素気流中で焼
結を行なった場合には、ペレットに多くのマイクロクラ
ックが発生する問題が生じる。そこで上記問題点を解決
するために、ｃｄ、Ｏ，添加ＵＯ２は、通常湿性水素雰
囲気あるいは二酸化炭素と一酸化炭素との混合物からな
る気体雰囲気下において比較的高温（１７００℃以上）
で焼結される。一方、アルミニウム酸化物とケイ素酸化
物からなる焼結剤は、上記焼結条件下では有効に作用せ
ず、ペレット内に粗大気孔（おそらくはケイ素酸化物の
蒸発による）を生成し、ペレットの密度を小さくしてし
まうことがわがった。

さらにＧｄ２Ｏ，添加ＵＯ２ペレットに対して粒の成長
促進効果がほとんど無いこともわかった。

一方、燃料の高焼結度化に伴って、Ｇｄ、Ｏ，添加ペレ
ットの燃料に占める割合およびその添加量も増加する傾
向にある。従って、Ｇｃｌ、○、添加Ｕ○２燃料につい
てもＵ○２燃料と同様に、ＦＰガスの放出を減少させる
効果を有し、かつクリープ特性が優れたペレットの開発
が必要とされる。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもの
であり、酸化物燃料ペレットの結晶粒径を粗大化し、結
晶粒界に析出第２相を生成するようにしたものである。

［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の核燃料ペレットの製
造方法の構成は、二酸化ウラン粉末もしくはＧｄ２Ｏ３
等を含む混合酸化物粉末を、圧縮成形した後焼結する核
燃料ペレットの製造方法において、二酸化ウランもしく
は上記混合酸化物に、ＣａＯとＡｇ２Ｏ３からなる焼結
剤を加えて混合し、圧粉成形してグリーンペレットを製
造し、脱脂工程をへて、１，５００〜１，８００℃の焼
結温度で焼結するようにしたことである。

［作用］ 二酸化ウランもしくはＧｄ２Ｏ３等を含む混合酸化物に
約２５〜６５　ｗ　ｔ％のＣａＯと残部Ａ　ｆ１２０３
とから成る組成を有する焼結剤、又１家後記焼結温度（
１，５００℃）より低νＡ温度で熱分解するそれの前駆
物質（例えばＣａＣ０，）を混合すことしこより二酸化
ウランもしくは混合酸化物と焼結剤との合計量を基準と
して約０．１〜約１．０ｗｔ％の割合で前記焼結剤を含
有する混合物を調整し、これを成形して圧縮体とし、前
記焼結剤カス液相を成すような温度、すなわち約り５０
０℃〜約１８００℃の範囲内の焼結温度で前記圧縮体を
焼結すれば、焼結中に上記焼結剤は一液相の共融体とな
り、液相焼結メカニズムによって核燃料粉末間の表面反
応を促進し、結晶粒の成長を助長する。この結晶粒の成
長によってＦＰガスの結晶粒界への拡散距離が増加し、
ペレットからのＦＰガス放出律が低下する。

また、上記焼結剤の一部は、焼結中に蒸発し、ペレット
外に放出さするが、一部は核燃料の結晶マトリクスに固
溶し、他は結晶粒界しこ第二相として析出する。この析
出相は比較的低シ１融、仁を有するたの、軟化温圧か低
（、ペレットのクリープ速度を向上させ、耐ＰＣＩ性を
向上させる。

［実施例］ 以下本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。

第１図は、本発明の核燃料ペレットの製造方法を示す工
程図である。

第１図の構成は、１は、Ａｌ２２０３．２は、ＣａＯ１
３は粗混合、４は、焼結剤、５は、二酸化ウラン粉末、
６は、酸化ガドリニウム粉末、７は、混合１．８は、混
合■、９は、潤滑剤、１０は、圧粉成形、１１は、脱脂
、１２は、焼結である。

以下に、第１図の動作につき説明する。

まず、酸化アルミニウム（ＡＱｚＯ，）１，５０ｗｔ％
と酸化カルシウム（Ｃａｂ）２．５０ｗｔ％とを粗混合
３し、これを８％−Ｈ２／Ｎ２混合ガス気流中１５５０
℃まで加熱して溶融させた後冷却し、均質なアルミン酸
カルシウムを得た。これを粉砕して均一な粉末とした。

この混合粉末を焼結剤として工程に従い、核燃料ペレッ
トを製造した。すなわち、二酸化ウラン（ＵＣ２）粉末
５に上記焼結剤４を混合７（混合Ｉ）した後、酸化ガト
リウニム（Ｇｄ２０．）粉末６を添加し、さらに潤滑剤
９を加えて混合８（混合■）し、圧粉成形１０したグリ
ーンペレットとした。

上記焼結剤４及びＧｄ２Ｏ３の添加量はＵＣ２、Ｇｄ２
Ｏ、および上記焼結剤４の合計量を基準としてそれぞれ
０．２５ｗｔ％および１０ｗｔ％とした。

ここにＧｄ２Ｏ，粉末（最大１０ｗｔ％）を添加したの
は、Ｇｃ１２０３が加わると結晶粒の成長促進にマイナ
スの効果があることが公知のために、あえてこれを添加
して、本発明の効果を立証するものである。

次に、このグリーンペレットを脱脂工程１１に付した後
、湿性水素雰囲気中で１７６０℃、５時間焼結１２した
。

なお、第］−図に示した工程中、潤滑剤９の混合および
脱脂１１工程は省略してもよい。

上記実施例では、焼結雰囲気ガスとして湿性水素ガスを
用いたが、−酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスを用いて
もよい、また、焼結剤として酸化アルミニウム（ＡＱ、
○、）粉末と酸化カルシウム（ＣａＯ）粉末の混合粉末
あるいは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ．、）粉末と水酸
化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）２）または炭酸カルシウム
（Ｃａ　ＣＯ，）粉末との混合粉末を用いてもよい。

第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明および従来法
によって製造した核燃料ペレット断面の顕微鏡組織写真
図である。

すなわち、第２図（ａ）は、上記本実施例の方法により
製造した核燃料ペレット（焼結剤はアルミン酸カルシウ
ム）の、同（ｂ）は、焼結剤として均一なアルミナシリ
ケートを用いて製造した核燃料ペレットの、同（ｃ）は
、焼結剤を使用せず製造した核燃料ペレット断面の顕微
鏡組織写真図である。

第２図（ａ）におけるペレットの結晶粒径は、約５０μ
ｒｎであり、他の２つ（ｂ）、（ｃ）Ｉｃおけるペレッ
トの結晶粒径よりも明らか大きいことがわかる。

また、第２図（ａ）においては、結晶粒界が太くなって
いる個所が認められ、これらを走査型電顕による解析に
かけると、アルミン酸カルシウム相が確認された。

本実施例の方法により、二酸化ウランの他に、酸化ガド
リウムが混在した場合にも、核燃料ペレットの結晶粒の
粗大化を促進することができることが認められた。

口発明の効果コ 本発明によれば、混合酸化物核燃料ペレットの大粒径化
と結晶粒界の軟質化によるクリープ特性の向上を同時に
達成させることができ、ＦＰガス放出率低減と耐ＰＣＩ
性能向上の効果を達成することができ、核燃料ペレット
開発の将来性について見通しをえることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による核燃料ペレット製造方法の一実施
例を示す工程図、第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発
明による核燃料ペレット断面と従来方法による核燃料ペ
レット断面とを比較した顕微鎖組織写真図である。 く符号の説明〉 １−Ａｇ２Ｏ３，２−・ＣａＯ、３・・・粗混合、４焼
結剤、５・・・二酸化ウラン粉末、６・・・酸化ガドリ
ニウム粉末、７・・・混合Ｉ、８・・・混合■、９・・
潤滑剤、１０・・・圧粉成形、１１・・・脱脂、１２・
・・焼結。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、二酸化ウラン粉末もしくはＧｄ＿２Ｏ＿３等を含む
   混合酸化物粉末を、圧縮成形した後焼結する核燃料ペレ
   ットの製造方法において、二酸化ウランもしくは上記混
   合酸化物に、ＣａＯとＡｌ＿２Ｏ＿３からなる焼結剤を
   加えて混合し、圧粉成形してグリーンペレットを製造し
   、脱脂工程をへて、１，５００〜１，８００℃の焼結温
   度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。 ２、請求項１記載の核燃料ペレットの製造方法において
   、二酸化ウランもしくは混合酸化物に加える焼結剤は、
   ＣａＯ２５〜６５ｗｔ％と残部Ａｌ＿２Ｏ＿３からなる
   組成を有することを特徴とする核燃料ペレットの製造方
   法。 ３、請求項１および２記載の核燃料ペレットの製造方法
   において、焼結剤は、ＣａＯ粉末とＡｌ＿２Ｏ＿３粉末
   との混合物またはＣａＯ粉末とＡｌ＿２Ｏ＿３粉末との
   混合物の融解または固相焼結のような方法により製造さ
   れたものであることを特徴とする核燃料ペレットの製造
   方法。 ４、請求項１記載の焼結剤ＣａＯの前駆物質が炭酸カル
   シウムまたは水酸化カルシウムであることを特徴とする
   核燃料ペレットの製造方法。 ５、請求項１記載の核燃料ペレットの製造方法において
   、焼結工程は、湿性水素雰囲気中で実施することを特徴
   とする核燃料ペレットの製造方法。 ６、請求項１記載の核燃料ペレットの製造方法において
   、焼結工程は、二酸化炭素を一酸化炭素との混合気体雰
   囲気中で実施することを特徴とする核燃料ペレットの製
   造方法。 ７、請求項１記載の核燃料ペレットの製造方法において
   、混合酸化物は、９０ｗｔ％以上の二酸化ウランからな
   ることを特徴とする核燃料ペレットの製造方法。