JPH0652318B2 - 核燃料焼結体の製造方法 - Google Patents
核燃料焼結体の製造方法Info
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- JPH0652318B2 JPH0652318B2 JP63008109A JP810988A JPH0652318B2 JP H0652318 B2 JPH0652318 B2 JP H0652318B2 JP 63008109 A JP63008109 A JP 63008109A JP 810988 A JP810988 A JP 810988A JP H0652318 B2 JPH0652318 B2 JP H0652318B2
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- nuclear fuel
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
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- Tunnel Furnaces (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、核燃料焼結体の製造方法に関する。
原子炉に使用されている核燃料は、二酸化ウラン、酸化
プルトニウム入り二酸化ウラン等の成分から構成され、
通常はこれら酸化物を成形、焼結して得られる焼結ペレ
ットとして用いられる。また、上記核燃料構成成分とし
ては、さらに、中性子吸収物質として酸化ガドリニウム
（Ｇｄ２Ｏ３）等の希土類酸化物が添加される。
プルトニウム入り二酸化ウラン等の成分から構成され、
通常はこれら酸化物を成形、焼結して得られる焼結ペレ
ットとして用いられる。また、上記核燃料構成成分とし
ては、さらに、中性子吸収物質として酸化ガドリニウム
（Ｇｄ２Ｏ３）等の希土類酸化物が添加される。
ところで、このような核燃料粉末を成形し焼結する場
合、通常、１６００〜１８００℃の還元雰囲気（たとえ
ばＨ２）が使用される。焼結速度は焼結温度に比例する
ので、１８００℃以上の温度で焼結すれば、それだけ短
時間で焼結が完了する。ところが、現在一般的に使用さ
れている核燃料酸化物焼結用の炉は、モリブデンを発熱
体とし、アルミナレンガを断熱材とした連続式トンネル
炉が主流である。したがって、耐熱性の観点から１８０
０℃以上の高温度を維持することは困難であり、したが
って１８００℃以下の焼結温度で長時間の焼結が必要と
なる。このようにモリブデン発熱体、アルミナレンガ断
熱材で構成される連続式トンネル炉は、１８００℃以上
の高温度にできないことと、輻射および熱伝導により周
囲から成形体に熱が供給される為にエネルギーのロスが
大きいこと、の２つが欠点である。
合、通常、１６００〜１８００℃の還元雰囲気（たとえ
ばＨ２）が使用される。焼結速度は焼結温度に比例する
ので、１８００℃以上の温度で焼結すれば、それだけ短
時間で焼結が完了する。ところが、現在一般的に使用さ
れている核燃料酸化物焼結用の炉は、モリブデンを発熱
体とし、アルミナレンガを断熱材とした連続式トンネル
炉が主流である。したがって、耐熱性の観点から１８０
０℃以上の高温度を維持することは困難であり、したが
って１８００℃以下の焼結温度で長時間の焼結が必要と
なる。このようにモリブデン発熱体、アルミナレンガ断
熱材で構成される連続式トンネル炉は、１８００℃以上
の高温度にできないことと、輻射および熱伝導により周
囲から成形体に熱が供給される為にエネルギーのロスが
大きいこと、の２つが欠点である。
本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、エネ
ルギーコストの低減化が図られた核燃料焼結体の製造方
法を提供することを目的としている。
ルギーコストの低減化が図られた核燃料焼結体の製造方
法を提供することを目的としている。
本発明に係る核燃料焼結体の製造方法は、核燃料原料粉
末を成形し、焼結する方法において、原料粉末の成形体
を予め、１８００℃以下、好ましくは１６００〜２００
０℃の還元性雰囲気中において短時間に焼結する工程を
含むことを特徴としている。
末を成形し、焼結する方法において、原料粉末の成形体
を予め、１８００℃以下、好ましくは１６００〜２００
０℃の還元性雰囲気中において短時間に焼結する工程を
含むことを特徴としている。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
成形体の製造 本発明で用いられる核燃料粉末としては、二酸化ウラン
その他の酸化ウラン、酸化プルトニウム、酸化トリウム
等の１種または２種以上に、さらに中性子吸収物質とし
て酸化ガドリニウムを加えた混合物が用いられ得る。こ
れら原料粉末の粒径は、混合前において、約１０〜１５
００μｍ程度の範囲が好ましい。
その他の酸化ウラン、酸化プルトニウム、酸化トリウム
等の１種または２種以上に、さらに中性子吸収物質とし
て酸化ガドリニウムを加えた混合物が用いられ得る。こ
れら原料粉末の粒径は、混合前において、約１０〜１５
００μｍ程度の範囲が好ましい。
また、上記原料粉末には、成形性その他の性状を向上さ
せるために、必要に応じてバインダーを添加してもよ
い。
せるために、必要に応じてバインダーを添加してもよ
い。
次いで、上記原料粉末を常法に従い、所望形状の成形機
の金型中に装入し、例えば０．５〜５ton/cm2程度の圧
力で成形して、４０〜６０％ＴＤ（理論密度の４０％〜
６０％、理論密度は二酸化ウランの場合１０．９５ｇ／
cm2）の成形体を得る。
の金型中に装入し、例えば０．５〜５ton/cm2程度の圧
力で成形して、４０〜６０％ＴＤ（理論密度の４０％〜
６０％、理論密度は二酸化ウランの場合１０．９５ｇ／
cm2）の成形体を得る。
焼結 本発明においては、上記原料粉末の成形体を予め、１８
００℃以下、好ましくは１６００〜１８００℃の還元性
雰囲気で予備加熱した後、１８００℃以上、好ましくは
１８００〜２０００℃以上の還元性雰囲気中において短
時間に焼結する工程を含むことを特徴としている。
００℃以下、好ましくは１６００〜１８００℃の還元性
雰囲気で予備加熱した後、１８００℃以上、好ましくは
１８００〜２０００℃以上の還元性雰囲気中において短
時間に焼結する工程を含むことを特徴としている。
本発明における焼結工程は、予備加熱ゾーンと高温焼結
ゾーンとから構成される連続焼結炉によって行なわれ得
る。
ゾーンとから構成される連続焼結炉によって行なわれ得
る。
第１図に、このような連続トンネル焼結炉の一例を概略
図で示す。すなわち、本図に示すように焼結炉は、基本
的には、予備加熱もしくは昇温ゾーンＡと高温焼結ゾー
ンＢならびに降温ゾーンＣから構成され、昇温ゾーンＡ
および降温ゾーンＣには、加熱手段としてたとえばモリ
ブデンヒーター１が設けられ、高温焼結ゾーンＢには加
熱源としてキセノンランプ２が設けられている。成形体
３は、スキッド４に搭載されて炉内を連続的に移動す
る。
図で示す。すなわち、本図に示すように焼結炉は、基本
的には、予備加熱もしくは昇温ゾーンＡと高温焼結ゾー
ンＢならびに降温ゾーンＣから構成され、昇温ゾーンＡ
および降温ゾーンＣには、加熱手段としてたとえばモリ
ブデンヒーター１が設けられ、高温焼結ゾーンＢには加
熱源としてキセノンランプ２が設けられている。成形体
３は、スキッド４に搭載されて炉内を連続的に移動す
る。
このように、高温焼結ゾーンＢは、加熱源がキセノンラ
ンプからなり、昇温ゾーンＡで予備加熱された成形体を
該高温焼結ゾーンＢ中で、好ましくは１８００〜２００
０℃の温度下において、好ましくは、１０〜３０分間焼
結する。このときの焼結温度の限定理由は次の通りであ
る。
ンプからなり、昇温ゾーンＡで予備加熱された成形体を
該高温焼結ゾーンＢ中で、好ましくは１８００〜２００
０℃の温度下において、好ましくは、１０〜３０分間焼
結する。このときの焼結温度の限定理由は次の通りであ
る。
通常の還元雰囲気炉では１８００℃までしか温度を上げ
ることができない。この理由は使用しているアルミナレ
ンガがこれ以上の温度に耐えることができないからであ
る。本発明では成形体のみを加熱する方法であるので１
８００℃の高温度で焼結可能となる。１８００℃以上の
高温度であるならば、本発明の目的は達せられるが、２
０００℃以上の温度になるとＵＯ２の蒸発が激しくな
り、好ましくない。
ることができない。この理由は使用しているアルミナレ
ンガがこれ以上の温度に耐えることができないからであ
る。本発明では成形体のみを加熱する方法であるので１
８００℃の高温度で焼結可能となる。１８００℃以上の
高温度であるならば、本発明の目的は達せられるが、２
０００℃以上の温度になるとＵＯ２の蒸発が激しくな
り、好ましくない。
前記予備加熱ゾーン中においては、原料成形体を予め１
６００〜１８００℃に加熱することが好ましい。また、
この場合の昇温速度は、１０〜１５度／分の範囲が好ま
しい。１０℃未満では、プッシャー形式の焼結炉である
ため、予備加熱域に滞在する時間が長くなり、予備加熱
としては過剰なエネルギーを与えることになる。したが
って、本発明の目的であるエネルギーコストの低減化の
ためには好ましくない。一方、１５℃を超える温度で焼
結することは、被処理物に与える熱衝撃が多きく、微細
組織中にクラック等が発生し、このため製品に悪影響を
与える結果となる。
６００〜１８００℃に加熱することが好ましい。また、
この場合の昇温速度は、１０〜１５度／分の範囲が好ま
しい。１０℃未満では、プッシャー形式の焼結炉である
ため、予備加熱域に滞在する時間が長くなり、予備加熱
としては過剰なエネルギーを与えることになる。したが
って、本発明の目的であるエネルギーコストの低減化の
ためには好ましくない。一方、１５℃を超える温度で焼
結することは、被処理物に与える熱衝撃が多きく、微細
組織中にクラック等が発生し、このため製品に悪影響を
与える結果となる。
次いで、上記焼結後、焼結体を、降温ゾーンＣで徐々に
冷却するが、このときの降温速度は、１０〜１５度／分
が好ましい。
冷却するが、このときの降温速度は、１０〜１５度／分
が好ましい。
第２図は、上記の様な焼結温度プロファイルの一例を示
すグラフである。
すグラフである。
得られた焼結体は、例えば所望の直径に研削し、これを
燃料被覆管中に装填し不活性ガスに置換して封入し燃料
棒としそれらを集めて燃料集合体として原子炉の運転に
供する。
燃料被覆管中に装填し不活性ガスに置換して封入し燃料
棒としそれらを集めて燃料集合体として原子炉の運転に
供する。
ところで、従来の方法においては、１８００℃以上の温
度に連続式トンネル炉全体を維持するためには、炉の超
耐熱設計が必要となる。本発明のように、焼結対象ペレ
ットのみに熱エネルギーを集中することができれば、こ
のような超耐熱設計が不要となる。本発明においては、
ペレットを平板上に並べて、上下部よりキセノンランプ
等を使用したイメージ形式により、ペレットに熱エネル
ギーを集中させることにより上記短時間高温焼結を実施
することができる。平板上には多数列にわたってペレッ
トが並んでいるので、列数に合わせたキセノンランプ等
を焼結炉の上下部に取り付け、エネルギーがペレット上
に集中されるように、それぞれのランプに反射鏡を取り
付けることもできる。また、上述したように、このイメ
ージ形式部分の前後は通常のモリブデン発熱体を使用し
た連続式トンネル炉で構成され得る。
度に連続式トンネル炉全体を維持するためには、炉の超
耐熱設計が必要となる。本発明のように、焼結対象ペレ
ットのみに熱エネルギーを集中することができれば、こ
のような超耐熱設計が不要となる。本発明においては、
ペレットを平板上に並べて、上下部よりキセノンランプ
等を使用したイメージ形式により、ペレットに熱エネル
ギーを集中させることにより上記短時間高温焼結を実施
することができる。平板上には多数列にわたってペレッ
トが並んでいるので、列数に合わせたキセノンランプ等
を焼結炉の上下部に取り付け、エネルギーがペレット上
に集中されるように、それぞれのランプに反射鏡を取り
付けることもできる。また、上述したように、このイメ
ージ形式部分の前後は通常のモリブデン発熱体を使用し
た連続式トンネル炉で構成され得る。
本発明によれば、１６００〜１８００℃の還元雰囲気で
中時間を必要とした核燃料酸化物の焼結を、１８００〜
２０００℃の温度において短時間で行なうことにより省
エネルギーを促進し、製品のコストダウンをはかること
ができる。焼結温度を上げることにより機器固有の定常
時運転電力は増加するが、焼結時間としては非常に短く
なるので、総合的に見ると、ＵＯ２の単位重量あたりの
供給エネルギーの低減化を図ることができる。
中時間を必要とした核燃料酸化物の焼結を、１８００〜
２０００℃の温度において短時間で行なうことにより省
エネルギーを促進し、製品のコストダウンをはかること
ができる。焼結温度を上げることにより機器固有の定常
時運転電力は増加するが、焼結時間としては非常に短く
なるので、総合的に見ると、ＵＯ２の単位重量あたりの
供給エネルギーの低減化を図ることができる。
たとえば、モリブデン発熱体を使用した従来の連続式ト
ンネル炉による焼結法と、上記本発明の方法に従った連
続式トンネル炉の単位ＵＯ２量あたりの消費電力量を比
較すると以上の通りである。
ンネル炉による焼結法と、上記本発明の方法に従った連
続式トンネル炉の単位ＵＯ２量あたりの消費電力量を比
較すると以上の通りである。
まず従来法による連続式トンネル炉の定常運転時の電気
容量を８０kwhとし、焼結温度を１７００℃とする。ま
ず、核燃料酸化物成形体（以下、ＵＯ２を主体にしたも
のとする）の焼結は、構成原子のうち、主として陽イオ
ンの拡散により支配される。したがって、ＵＯ２の焼結
はＵの内部拡散に支配される。１７００℃（１９７３
Ｋ）時のＵの拡散係数は、約９×１０−１６cm2/secで
ある〔Reimann,D.K.,Lundy,T.S.：J.Am.Ceram,Soc.,52,
511(1969)〕。この場合、通常１７００℃の温度で４時
間保持されて焼結が完了する。この時のＵの拡散距離は
約５×１０−６cmとなる〔「固体内の拡散」笛木和雄、
北沢宏一共沢（コロナ社）〕。
容量を８０kwhとし、焼結温度を１７００℃とする。ま
ず、核燃料酸化物成形体（以下、ＵＯ２を主体にしたも
のとする）の焼結は、構成原子のうち、主として陽イオ
ンの拡散により支配される。したがって、ＵＯ２の焼結
はＵの内部拡散に支配される。１７００℃（１９７３
Ｋ）時のＵの拡散係数は、約９×１０−１６cm2/secで
ある〔Reimann,D.K.,Lundy,T.S.：J.Am.Ceram,Soc.,52,
511(1969)〕。この場合、通常１７００℃の温度で４時
間保持されて焼結が完了する。この時のＵの拡散距離は
約５×１０−６cmとなる〔「固体内の拡散」笛木和雄、
北沢宏一共沢（コロナ社）〕。
一方、２０００℃（２２７３Ｋ）でこれと同程度の拡散
距離を得る為には、２０００℃でのＵの拡散係数が約２
×１０−１４cm2/secより０．２時間となる。これらの
ことを考慮すると、スキッド１枚あたりに積みこみ可能
なＵＯ２の量は、通常の容器の1/2となるが、焼結時間
が短時間であるので、単位時間あたりのスキッドの搬出
数は通常の４倍となる。したがって、焼結ＵＯ２量は単
位時間あたり２倍となる。新考案の連続式トンネル炉の
定常運転時の電気容量は１２０kwh程度（モリブデンヒ
ーター部に６０kw、イメージ形式部分に６０kw使用す
る）であるので同一処理量時間あたり現在炉と比較して
１時間あたり２０kwの削減となる。
距離を得る為には、２０００℃でのＵの拡散係数が約２
×１０−１４cm2/secより０．２時間となる。これらの
ことを考慮すると、スキッド１枚あたりに積みこみ可能
なＵＯ２の量は、通常の容器の1/2となるが、焼結時間
が短時間であるので、単位時間あたりのスキッドの搬出
数は通常の４倍となる。したがって、焼結ＵＯ２量は単
位時間あたり２倍となる。新考案の連続式トンネル炉の
定常運転時の電気容量は１２０kwh程度（モリブデンヒ
ーター部に６０kw、イメージ形式部分に６０kw使用す
る）であるので同一処理量時間あたり現在炉と比較して
１時間あたり２０kwの削減となる。
実施例１ ＵＯ２粉末を２ton/cm2（成形体密度 ５．３ｇ／cc）
で成形後、従来方法（１７００℃、Ｈ２雰囲気中 ４時
間焼結）と本発明（１９５０℃、Ｈ２雰囲気中２０分焼
結）とで焼結を実施した結果、両者とも９６．０％ＴＤ
の焼結密度を得て、ペレット中の微細組織も従来方法と
同様のものが得られた。
で成形後、従来方法（１７００℃、Ｈ２雰囲気中 ４時
間焼結）と本発明（１９５０℃、Ｈ２雰囲気中２０分焼
結）とで焼結を実施した結果、両者とも９６．０％ＴＤ
の焼結密度を得て、ペレット中の微細組織も従来方法と
同様のものが得られた。
第１図は本発明の用いる焼結炉の一例を示す断面概念
図、第２図は焼結温度プロファイルの一例を示すグラフ
である。 １…モリブデンヒーター、２…キセノンランプ、３…成
形体、４…スキッド。
図、第２図は焼結温度プロファイルの一例を示すグラフ
である。 １…モリブデンヒーター、２…キセノンランプ、３…成
形体、４…スキッド。
Claims (7)
- 【請求項１】核燃料原料粉末を成形し、焼結する方法に
おいて、原料粉末の成形体を１８００℃以下の還元性雰
囲気予備加熱ゾーンで加熱した後、 １８００℃以上の還元性雰囲気高温焼結ゾーン中におい
て短時間に焼結する工程を含むことを特徴とする、核燃
料焼結体の製造方法。 - 【請求項２】予備加熱ゾーンと高温焼結ゾーンとから構
成される連続焼結炉によって焼結が行なわれる、請求項
１の方法。 - 【請求項３】前記予備加熱ゾーン中で、原料成形体を予
め１６００〜１８００℃に加熱する、請求項２の方法。 - 【請求項４】前記高温焼結ゾーンは加熱源がキセノンラ
ンプからなり、予備加熱ゾーンで予備加熱された成形体
を該高温焼結ゾーン中で、１８００〜２０００℃の温度
下において短時間で焼結する、請求項２の方法。 - 【請求項５】焼結終了後、焼結体を徐々に冷却する、請
求項２の方法。 - 【請求項６】前記高温焼結ゾーンでの加熱時間が、１０
〜３０分である、請求項２の方法。 - 【請求項７】高温焼結ゾーンでは成形体のみを加熱す
る、請求項２の方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63008109A JPH0652318B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | 核燃料焼結体の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63008109A JPH0652318B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | 核燃料焼結体の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01184497A JPH01184497A (ja) | 1989-07-24 |
| JPH0652318B2 true JPH0652318B2 (ja) | 1994-07-06 |
Family
ID=11684127
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63008109A Expired - Fee Related JPH0652318B2 (ja) | 1988-01-18 | 1988-01-18 | 核燃料焼結体の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0652318B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4863313B2 (ja) * | 2009-02-18 | 2012-01-25 | 独立行政法人日本原子力研究開発機構 | 高速増殖炉サイクルにおける高速増殖炉用核燃料ペレットの製造方法 |
| JP4863315B2 (ja) * | 2009-02-18 | 2012-01-25 | 独立行政法人日本原子力研究開発機構 | 高速増殖炉用核燃料ペレットの製造方法 |
-
1988
- 1988-01-18 JP JP63008109A patent/JPH0652318B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01184497A (ja) | 1989-07-24 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |