JPH05297186A - 核燃料ペレットの成型装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】成型体の成型を行うプレス加工に際して、成型
体内部における密度分布の差を少なくし、焼結による焼
結体の寸法変化と変形が少なく、寸法精度が高く研削工
程を不要とする核燃料ペレットの成型装置を提供する。 【構成】核燃料粉末をプレス加工して円柱状の核燃料ペ
レットの成型体を成型する成型装置において、円柱状の
貫通孔を明けたダイスと前記貫通孔の上部と下部から嵌
合するパンチからなり、このパンチが内部に加圧媒体を
封入した底面が可撓の空円筒部と前記加圧媒体を加圧す
る駆動部からなることを特徴とする。またパンチにおけ
る空円筒部内に封入する加圧媒体として空気等の気体、
シリコン油等の液体を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核燃料要素に装填して用
いる核燃料ペレットの製造に係り、特に核燃料物質の粉
末から成型体を製造する核燃料ペレットの成型装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】核燃料物質、例えば二酸化ウランペレッ
トは従来、図６の製造工程図に示す工程で製造されてい
る。すなわち、六沸化ウラン（ＵＦ₆ ）を加熱して気体
にし、アンモニア水等に注入して重ウラン酸アンモン
（ＡＤＵ）等の化合物とし、沈澱させて、ろ過洗浄す
る。この後に乾燥、焙焼して八酸化ウラン（Ｕ₃ Ｏ₈ ）
の形にし、水素還元して二酸化ウラン（ＵＯ₂ ）粉末に
する。

【０００３】この二酸化ウラン粉末に結合剤を加えた後
に、プレスしてグリーンペレットと呼ばれる成型体に成
型する。この成型体を予備焼結して結合剤を除去した後
に、水素気流中で1600〜1800℃に加熱して数時間の本焼
結を行う。これにより93〜97％TD（TD：理論密度）の二
酸化ウランペレット素材が得られる。この二酸化ウラン
ペレット素材は、外周面を研削して所定寸法とした後に
洗浄・乾燥して製品としての二酸化ウランペレットが完
成する。

【０００４】以上の工程の内でグリーンペレットに成型
するプレス成型については、例えば、特開昭58−156894
号公報にも開示されているように、従来は、図７の縦断
面図に示すように円柱状の貫通孔１を明けたダイス２に
おいて、前記貫通孔１に対して下部から下パンチ３を嵌
合した後に、上部から所定量の二酸化ウラン粉末を投入
する。

【０００５】さらに上パンチ４を嵌合して加圧し、プレ
ス成型した後に下パンチ３を押し上げて成型体を取り出
すことにより行われている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】プレス成型された成型
体は、これを焼結、研削することによって最終製品とす
るのであるから、仕上り製品に近い寸法形状でその形を
崩さない、ある程度の強度を持った成型体を作らねばな
らない。従って、その性質、特に密度および密度分布が
焼結後の寸法と形状精度に大きく影響する。

【０００７】具体的な例としては、前記従来技術により
製造された二酸化ウラン粉末ペレットの成型体にはエン
ドキャッピングと呼ばれる上端部の剥離現象がしばしば
生じることが知られている。これはペレットの上端が帽
子を脱いだように剥落するもので、これが生じたペレッ
トは不良品として回収、除去しなければならない。

【０００８】また従来技術において製造された成型体中
の密度分布は中心部に比べて、円柱状の底面と側面の端
部を面取りしたチャンファー部近傍の方が相対的に高密
度となる。この成型体における密度は、低密度である
程、焼結時における収縮量が大きくなることから、成型
体内にこのような粗密差の大きい密度分布があると、図
５の成型体の斜視図（ｂ）に示すように、焼結前の成型
体５に比べて焼結後の焼結体５ａは、中心部の方が大き
く収縮して、ペレットとしての形状が砂時計形状となる
アワーグラス現象を起こす。

【０００９】このようなペレット製造において問題とな
っているアワーグラス、エンドキャップの他にも焼結に
際しての応力分布の差によるクラックを引き起こす等の
不具合がある。この成型体５中の密度分布および応力分
布が生じる主な要因としては、プレスによる成型時にお
けるパンチおよびダイスと粉体との摩擦力であると考え
られる。

【００１０】従って、従来は成型体５中の密度分布の差
が大きいことにより、焼結した際に焼結体５ａの直径が
変動し、その変動量が製品仕様を満足しないほど大きい
ため、最終的に所定の形状寸法にするために研削工程を
経なければならなかった。また、この研削工程および、
それに伴う廃液処理は製造コストの観点からも少なから
ぬ割合を占めており、生産性上の大きな課題となってい
た。

【００１１】本発明の目的とするところは、成型体の成
型を行うプレス加工に際して、成型体内部における密度
分布の差を少なくし、焼結による焼結体の寸法変化と変
形が少なく、寸法精度が高く研削工程等を不要とする核
燃料ペレットの成型装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】核燃料粉末をプレス加工
して円柱状の核燃料ペレットの成型体を成型する成型装
置において、円柱状の貫通孔を明けたダイスと前記貫通
孔の上部および下部から嵌合するパンチからなり、この
パンチが内部に加圧媒体を封入した底面が可撓の空円筒
部と前記加圧媒体を加圧する駆動部からなることを特徴
とする。またパンチにおける空円筒部内に封入する加圧
媒体として空気等の気体、シリコン油等の液体を使用す
る。

【００１３】

【作用】ダイスの円柱状の貫通孔に投入された核燃料の
粉末は、上パンチの空円筒部の降下により一旦、予備プ
レスにより成型された後、さらに駆動部により前記空円
筒部内の加圧媒体に圧力が加わるため、空円筒部の可撓
性のある薄肉の底面部が、凸状に変形して核燃料粉末の
成型体の中心部を凹ませる。これにより成型体内の密度
分布が略均等になり、従って、ダイスから取り出した成
型体を焼結して焼結体とした場合に、その寸法変化と変
形が少なく、寸法精度が高く得られるため、研削や洗浄
および乾燥工程が不要にできる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。なお、上記した従来技術と同じ構成部分については
同一符号を付して詳細な説明を省略する。図１の構成を
示す縦断面図にあるように、円柱状の貫通孔１を明けた
ダイス２の貫通孔１において、この下部からは円柱状の
下パンチ３が嵌合される。また上部には上パンチ10が、
摺動自在に嵌合される。

【００１５】なお、上パンチ10は内部にシリコン油ある
いは窒素、空気等の加圧媒体11が充填される空円筒部12
と、軸方向に摺動自在に嵌合されたピストンの駆動部13
により形成されている。また前記上パンチ10の空円筒部
12における下パンチ３と対峙する底面部11ａは薄肉で可
撓性を持ち、前記加圧媒体11を介した駆動部13からの加
圧により若干の変形をするようにして構成されている。

【００１６】次に上記構成による作用について説明す
る。図２の成型時を示す縦断面図にあるように、ダイス
２に明けた貫通孔１内に下部より下パンチ３を嵌合、挿
入し、所定量の二酸化ウラン粉末を投入する。次いで上
パンチ10を挿入、下降させて貫通孔１内の二酸化ウラン
粉末を加圧、圧縮して、一旦、円柱状にプレス成型す
る。

【００１７】この後に続いて駆動部13を下降作動させ
る。これにより空円筒部12内のシリコン油等の加圧媒体
11が加圧され、空円筒部12における可撓性を持つ薄肉の
底面部12ａが球面状に突出して湾曲変形する。この底面
部12ａの球面状変形により二酸化ウラン粉末の成型体14
における上面は中心部により大きく加圧されて凹面状に
成型される。

【００１８】前記空円筒部12の底面部12ａにおける変形
の程度は、例えば、球面状の縁の部分から頂部までの高
さが約１mmとなるように駆動部13の加圧を調整する。こ
れにより成型体14の中心部の密度を周囲のチャンファー
部と同程度にすることができる。なお、プレス加工に際
して上パンチ10の摺動性を良好として作業性を向上する
ために、上パンチ10の空円筒部12の側面は変形が少ない
ように比較的厚く、しかし底面部12ａは薄くすると良
い。

【００１９】図３は二酸化ウラン粉末による成型体の内
部における密度分布比較特性図で、本発明により成型し
たものの特性を実線15で、従来技術で成型したものを点
線16で示しているが、実線15で示した本発明では、成型
体の端部(A) と中心部(C) との密度差（％TD）が極めて
小さくすることが明らかである。なお、成型体14を焼結
した実験結果によれば、成型体14の中心部の密度とチャ
ンファー部密度の差を 0.5％TD以下になるようにすれ
ば、焼結後の研削を省いても現在の実用中の核燃料ペレ
ットの寸法仕様を満たすことが分かっている。

【００２０】このような構成の成型装置を用いると成型
体14中の密度分布を均質に近くすることが容易にできる
ので、焼結時にペレットの形状が砂時計形状となるアワ
ーグラス現象を低減でき、焼結後における研削作業を施
すことなく所定寸法の製品が得られる。

【００２１】すなわち、本発明による成型体14は図５の
成型体の斜視図の（ａ）に示すように、焼結した後の焼
結体14ａにおいて、その形状が円筒状で所定寸法の製品
が得られるので、図４の製造工程図に示すように、上記
した図６の従来技術の場合と異なり、成型体14を焼結し
た後の焼結体14ａに対する研削と洗浄および乾燥の工程
が不要とすることができる。

【００２２】また上記一実施例では、上パンチ10のみを
成型体14の中心部により大きく加圧して実施するように
説明したが、必要に応じて下パンチあるいは上下のパン
チについて実施しても良い。なお、本発明の実施態様と
して、前記上パンチ10における空円筒部12内に封入する
加圧媒体11として、空気等の気体、シリコン油等の液体
を使用する核燃料ペレットの成型装置。

【００２３】

【発明の効果】以上本発明によれば、核燃料の粉末を円
柱状の成型体にプレス成型する際に、一般に密度が低下
し易い成型体の中心部を特に加圧することにより、中心
部とチャンファー部との密度を同程度にする。これによ
りペレット成型体中の密度分布を均質に近くすることが
できるので、焼結によるペレットの形状がアワーグラス
やエンドキャップおよびクラック現象が低減でき、仕上
げ研削を施すことなく所定の寸法の核燃料ペレット製品
が得られ、研削工程および、これに伴う廃液処理等にか
かる製造コストを大幅に低減でき、生産性が向上する効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施例の構成を示す縦断面図。

【図２】本発明に係る一実施例の成型時を示す縦断面
図。

【図３】成型体内部の密度分布比較特性図。

【図４】本発明に係る二酸化ウランのペレットの製造工
程図。

【図５】成型体の焼結処理前後を示す斜視図（（ａ）は
本発明、（ｂ）は従来技術）。

【図６】従来の二酸化ウランのペレットの製造工程。

【図７】従来の核燃料ペレットの成型装置の構成を示す
縦断面図。

【符号の説明】

１…貫通孔、２…ダイス、３…下パンチ、10…上パン
チ、11…加圧媒体、12…空円筒部、12ａ…底面部、13…
駆動部、14…成型体、14ａ…焼結体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核燃料粉末をプレス加工して円柱状の核
   燃料ペレットの成型体を成型する成型装置において、円
   柱状の貫通孔を明けたダイスと前記貫通孔の上部および
   下部から嵌合するパンチからなり、このパンチが内部に
   加圧媒体を封入した底面が可撓の空円筒部と前記加圧媒
   体を加圧する駆動部からなることを特徴とする核燃料ペ
   レットの成型装置。