JPH0731266B2

JPH0731266B2 - 核燃料焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH0731266B2
Application number: JP1082581A
Authority: JP
Inventors: 和俊渡海; 清河西
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1995-04-10
Anticipated expiration: 2010-04-10
Also published as: JPH02259596A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は核燃料焼結体における結晶粒度および結晶密
度の調整方法を含む核燃料焼結体の製造方法に関する。

［従来技術および発明が解決しようとする課題］原子炉の核燃料物質として用いられる核燃料焼結体であ
る二酸化ウラン系核燃料焼結体は軽水炉の普及とともに
広く使用されるに至っている。

この二酸化ウラン系核燃料焼結体は、平均結晶粒径が５
〜10μｍ程度であるが、小粒径結晶の核燃料焼結体であ
ると、核分裂生成ガス（FPガス）の放出が多いと考えら
れており、FPガスの放出を抑制するためには、平均結晶
粒径が20〜60μｍ程度の大粒径の核燃料焼結体であるの
が望まれる。

従来、大粒径二酸化ウラン系核燃料焼結体の製造方法と
しては、KWU社（西独）の低温酸化雰囲気焼結法があ
り、この場合、二酸化ウランスクラップを焼結して得ら
れた八酸化三ウラン（U₃O₈）と二酸化ウラン（UO₂）原
料粉末とを混合して焼結することがある。

前記製造方法においては、混合する八酸化三ウランの量
の調節は主に焼結体密度の調節や焼きしまりの調節のた
めに実施されており、結晶粒径の調節は、焼結温度等の
特定の条件を設定することにより、大粒径の核燃料焼結
体を製造している。

しかしながら、前記のような製造方法では、大粒径であ
ると共に、一定の密度［93〜98％TD］の核燃料焼結体を
製造するには、混合する八酸化三ウランの量の設定範囲
や焼結温度の条件が特定の設定範囲に限られると言う問
題点を有する。

この発明は前記の事情に基いてなされたものである。

すなわち、この発明の目的は、前記問題点を解決し、所
望結晶粒径および所望結晶密度を有する核燃料体を容易
に製造することができる、核燃料体の結晶粒度および結
晶密度の調整方法を含む核燃料焼結体の製造方法を提供
することにある。

［前記課題を解決するための手段］前記課題を解決するためのこの発明は、二酸化ウラン原
料粉末75〜55重量％と八酸化三ウラン25〜45重量％とを
混合した混合粉末から成型して得られる成型体を、酸化
雰囲気中で1,100〜1,400℃の温度にて焼結した後、還元
雰囲気中で1,100〜1,400℃の温度にて加熱して、酸素・
金属比（O/U）を1.98〜2.02に調整した核燃料焼結体を
製造する核燃料焼結体の製造方法において、核燃料焼結体の結晶粒度の調整を、二酸化ウランを焙焼して前記八酸化三ウランを製造す
る際の焙焼温度による調整、および、前記二酸化ウラン原料粉末に混合する前記八酸化三ウ
ランの量による調整、の少なくとも一種の調整により行ない、核燃料焼結体の焼結体密度の調整を、二酸化ウランを焙焼して前記八酸化三ウランを製造す
る際の焙焼温度による調整、前記二酸化ウラン原料粉末に混合する前記八酸化三ウ
ランの量による調整、および、前記八酸化三ウランの混合時期を前記と後期とに分
け、後期混合時の前記八酸化三ウランの粒度による調
整、の少なくとも一種の調整により行なうことを特徴とする
核燃料焼結体の製造方法である。

第１図は、この発明の方法の一例を示す説明図である。

第１図に示すように、この発明の方法は、たとえば、二
酸化ウラン原料粉末、および、例えば二酸化ウランスク
ラップ等を焙焼して得られる八酸化三ウランを混合する
混合処理と、成型処理と、酸化雰囲気中での焼結処理
と、還元雰囲気中での還元処理とを、この順に行なって
二酸化ウラン系核燃料焼結体を製造する際の、核燃料燒
結体の結晶粒度および結晶密度の調整方法である。

以下、二酸化ウラン原料粉末、八酸化三ウラン、混合処
理、成型処理、焼結処理、還元処理の順に詳述する。

二酸化ウラン原料粉末この発明の方法において使用に供される二酸化ウラン原
料粉末は、二酸化ウランを含有する。

前記二酸化ウランとしては、たとえば、重ウラン酸アン
モン（ADU）、炭酸ウラニルアンモニウム）AUC）等を焙
焼および還元して得られた二酸化ウランを挙げることが
できる。

前記核燃料粉末中の前記二酸化ウランの含有率は、通
常、100重量％である。

ただし、この発明の方法においては、前記二酸化ウラン
原料粉末が前記二酸化ウランとともに他の酸化物を含有
する混合酸化物系核燃料粉末を好適に使用することもで
きる。

前記混合酸化物系核燃料粉末としては、たとえばUO₂とP
uO₂との混合酸化物［（U,Pu）O₂］、UO₂とGdO₂との混合
酸化物［（U,Gd）O₂］などが挙げられる。

八酸化三ウランこの八酸化三ウランとしては、たとえば二酸化ウラン核
燃料焼結体（UO₂ペレット）の製造工程において生じる
研磨くずや不良ペレットなどの二酸化ウラン核燃料焼結
体スクラップ（UO₂スクラップ）あるいは成型体等の未
加熱UO₂などを焙焼して得られる八酸化三ウランを挙げ
ることができる。

なお、たとえばUO₂スクラップを室温から徐々に加熱す
ると、U₄O₉、U₃O₇を経てU₃O₈げ得られ、このU₃O₈を酸素
中で500℃以下の温度で加熱すると、UO₃が得られことが
ある。

したがって、この発明の方法において使用に供される前
記八酸化三ウランとしては、八酸化三ウラン（U₃O₈）粉
末の他に、たとえば九酸化四ウラン（U₄O₉）粉末、七酸
化三ウラン（U₃O₇）粉末、三酸化ウラン（UO₃）粉末な
どを含有することもある。

さらに、この発明の方法において、前記二酸化ウラン原
料粉末が前記混合酸化物系核燃料粉末を含有する場合、
すなわち、例えば、前記二酸化ウラン原料粉末が（U,P
u）O₂粉末である場合には、前記ウラン酸化物粉末とし
て（U,Pu）₃O₈粉末を用いることもできるし、前記核燃
料粉末が（U,Gd）O₂粉末である場合には、前記ウラン酸
化物粉末として（U,Gd）₃O₈粉末を用いることもでき
る。

この発明においては、八酸化三ウランの製造時の焙焼温
度を変化させることにより、核燃料燒結体の結晶密度お
よび結晶粒度が所望の値に調整される。

八酸化三ウランの製造時の焙焼温度は、通常、300℃以
上であるが、第２図に示すように、350〜650℃の範囲内
の温度を適宜に選択することにより、核燃料結晶密度を
93〜98％TDの範囲にすることができるし、また、第３図
に示すように、焙焼温度を350〜650℃の範囲内の適宜の
温度を選択することにより、核燃料燒結体の平均結晶粒
径を20〜60μｍの範囲内にすることができる。

なお、この焙焼温度の範囲を前記範囲に特に選定しなく
ても、後述する八酸化三ウランの粒度を選定し、および
／または八酸化三ウランの二酸化ウランに配合する時期
および量の選定によっても、核燃料燒結体の結晶粒度お
よび結晶粒径の調節を実行することができる。

混合処理前記焙焼温度の範囲内の焙焼温度で二酸化ウランを焙焼
して得られる八酸化三ウランの平均粒度は、通常30〜50
0μｍの範囲内である。

この発明においては、前記粒度範囲にある八酸化三ウラ
ンと二酸化ウランとを混合してから、得られる混合物を
成形処理に供してよい。

また、更に粒度調整が必要な場合、前記八酸化三ウラン
の粒度の調整するか、第１図に示すように、前記焙焼に
より得られる八酸化ウランと二酸化ウランとを先ず混合
し、次いで、得られるこの混合物Ａと所定粒度の八酸化
三ウランＢとを混合することによっても、核燃料燒結体
の結晶密度および結晶粒度を調整することができる。こ
の場合、初めの混合処理は、前記二酸化ウラン原料粉末
に前記八酸化三ウランを粉砕混合する処理であり、後の
混合処理は均一混合する処理である。

混合処理においては、二酸化ウラン原料粉末と八酸化三
ウランとの混合物中の八酸化三ウランの混合量が25〜45
重量％、特に30〜40重量％になる割合で、二酸化ウラン
原料粉末と八酸化三ウランとを混合するのが好ましい。
このような条件で八酸化三ウランを混合することによ
り、核燃料燒結体の結晶粒度および結晶密度の調整を図
ることができる。

前記混合物中の八酸化三ウランの配合量が大きくなる
と、具体的には八酸化三ウランの配合量を40重量％より
大きく45重量％以下で配合すると、核燃料燒結体の大孔
径のボア（空孔）が形成されるようになり、前記混合物
中の八酸化三ウランの配合量の配合量が少ないと、具体
的には八酸化三ウランの配合量が25重量％以上30重量％
未満で配合すること、粒径分布が極めて不均一になる傾
向がある。

前記混合処理には、たとえばＶ型プレンダー等の公知の
混合器あるいはボールミル、ミキサーミルなどの混合粉
砕器を使用することができる。

また、この発明の方法においては、八酸化三ウランの配
合時期の選択として、前記焙焼により製造された八酸化
三ウランを一旦二酸化ウランに粉砕混合してから、得ら
れるその混合物に、前記八酸化三ウランのうちの平均粒
径が250〜500μｍにあるものを、前記混合物に対して５
〜10重量％になる割合で、混合することにより、核燃料
燒結体の密度を調整することができる。

焼結体の結晶粒度や密度の調整のための八酸化三ウラン
の添加量や粒度は、二酸化ウラン原料粉末のロットによ
って微妙に変化するが一例として焼結体密度（ρ％TD）
と添加量との関係として次の関係が得られる。

ρ＝ρ_０−0.3×x₁−0.1×x₂ ［ただし、＊八酸化三ウラン添加量０％のときの焼結体密度：ρ_０％TD ＊八酸化三ウラン添加量の総量:x₁％＊後期混合で添加した八酸化三ウラン添加量:x₂％（八酸化三ウランの平均粒径:250〜350μｍ）とする。］一方、焼結体の結晶粒度は添加する八酸化三ウランの総
量および／または焙焼温度によって決めることができ
る。

成型処理この発明の方法においては、次いで、前記混合処理で得
られた調整混合物を圧縮成型して成型体とする。

圧縮成形の際の成形圧は、通常、〜5t/cm^２の範囲であ
り、好ましくは1.4〜2.8t/cm^２の範囲である。この成形
圧が1t/cm^２未満であると、得られる成形体が崩れ易く
なる。一方、5t/cm^２を超えると、得られる成形体や核
焼結ペレットにき裂が発生し易くなる。

焼結処理この発明の方法においては、次いで、酸化雰囲気中、特
に微酸化雰囲気中で前記成形体の焼結処理を行なう。

前記酸化雰囲気は、たとえば二酸化炭素、窒素と酸素と
の混合ガス、二酸化炭素と一酸化炭素との混合ガスなど
を存在させることにより実現する。特に好ましい雰囲気
としては、不活性ガス中に濃度１×10^-3〜２×10^-2容量
％の酸素ガス含有ガス雰囲気である。

前記焼結処理における焼結温度は、通常1,100〜1,400℃
の範囲内に設定するのが良い。

焼結温度が1,100℃によりも低いと、得られる二酸化ウ
ラン核燃料焼結体の焼結密度が低下することがあり、ま
た、前記温度範囲において、例えば焼結時間を２時間と
した場合、低温側の温度たとえば1,100〜1,150℃の範囲
で燒結すると、核燃料燒結体の粒度分布が大きくなり、
一方、前記温度範囲において、高温側の温度たとえば1,
200〜1,250℃の範囲で燒結すると核燃料燒結体の粒度分
布が小さくなる傾向にある。

したがって、この燒結温度を調節することによっても核
燃料燒結体の平均粒度分布を調整することができる。

焼結に要する時間は、通常、10分間〜４時間である。

還元処理この発明の方法においては、前記焼結を行なった後、還
元雰囲気中で加熱して還元処理を行なう。

すなわち、この還元処理により前記焼結処理を経た前記
成型体を還元する。

前記還元雰囲気は、たとえば水素、水素と窒素との混合
ガス、水素とアルゴンとの混合ガス、あるいはこれらと
水蒸気とを共存させたガスなどを存在させることにより
実現する。

前記還元処理における加熱温度は、通常1,100〜1,400℃
の範囲にする。

加熱温度が1,000℃よりも低いと、この発明の方法によ
り得られる二酸化ウラン核燃料焼結体のO/U比を1.98〜
2.02の範囲にするためには後述する加熱時間が著しく長
くなる。一方、1,400℃より高くしてもそれに見合った
効果は奏されず、エネルギー効率の面で不利である。な
お、加熱条件は、通常、炉の設計およびバランスを考慮
して焼結条件と同じに設定される。

すなわち、加熱時間は、通常、10分〜３時間である。

この発明の方法においては、以上の処理を行なって、得
られる二酸化ウラン核燃料焼結体のO/U比を1.98〜2.02
の範囲に調整し、得られる二酸ウラン核燃料焼結体の密
度を93〜98％TDの範囲に調整する。

このO/U比および密度が前記の範囲を外れると、得られ
る二酸化ウラン核燃料焼結体の融点や強度の低下を招い
て、設計値を逸脱する恐れがあり、燃料設計上、好まし
くないことがある。

以上のようにして、平均粒径が20〜60μｍの範囲内およ
び平均結晶密度が93〜98％TDの範囲内で任意の平均粒径
および平均結晶密度を有する核燃料燒結体を製造するこ
とができ、この核燃料燒結体は、たとえば軽水炉の核燃
料物質として好適に用いることができる。

［実施例］次いで、この発明の実施例を示し、この発明についてさ
らに具体的に説明する。

この実施例は、第１図に示すような方法で行なった。

（実施例１） O/U比が2.12である二酸化ウラン原料粉末70重量％と、4
00℃で焙焼した八酸化三ウラン（平均粒径125μｍ）30
重量％とを混合する混合処理により得られた混合物を成
型し、微酸化雰囲気中で1,100℃、3.5時間の焼結処理を
行ない、次いで還元雰囲気中で加熱して還元処理を行な
い、二酸化ウラン系燃料焼結体を製造した。

この二酸化ウラン系核燃料焼結体の密度、O/U比はそれ
ぞれ次のとおりであった。

密度:97.4％T.D. O/U比:2.00 また、金属顕微鏡により観察したところ、第４図に示す
ような平均粒径30μｍの大粒径部と平均粒径２μｍの小
粒径部とが、ほぼ均一に分布した金相を有する健全な二
酸化ウラン系核燃料焼結体であるのを確認した。

（実施例２）前記実施例１において、400℃で焙焼して得られた八酸
化三ウランを使用する代りに600℃で焙焼した八酸化三
ウランを用いた以外は、実施例１と同様にして二酸化ウ
ラン系核燃料焼結体を製造した。

密度:95.3％T.D. O/U比:2.00 また、金属顕微鏡により観察したところ、第５図に示す
ような平均粒径25μｍの大粒径部が大部分を占めるが、
小粒径部も若干量ある金相を有する健全な二酸化ウラン
系核燃料焼結体であるのを確認した。

（実施例３）前記実施例１における混合処理の代りに、前記実施例１
で製造した八酸化三ウラン29重量％（二酸化ウランと八
酸化三ウランとを混合して得られる最終混合物を100と
した場合の％）と二酸化ウラン６重量％（二酸化ウラン
と八酸化三ウランとを混合して得られる最終混合物を10
0として場合の％）とを混合して得られる混合物に、平
均粒度350μｍの八酸化三ウラン４重量％（二酸化ウラ
ンと八酸化三ウランとを混合して得られる最終混合物を
100とした場合の％）を混合する混合処理をした他は、
前記実施例１と同様に実施して二酸化ウラン系核燃料焼
結体を製造した。

密度:95.7％T.D. O/U比:2.00 また、金属顕微鏡により観察したところ、第６図に示す
ような粒径50μｍ以上の大粒径部が大部分を占める平均
粒径60μｍの金相を有する健全な二酸化ウラン系核燃料
焼結体であるのを確認した。

（実施例４）前記実施例１における焙焼温度を500℃にみ、焼結温度
をおよび時間を1100℃および２時間にした他は前記実施
例１と同様に実施した以外は、実施例１と同様にして二
酸化ウラン系統核燃料焼結体を製造した。

密度:94.5％T.D. O/U比:2.00 また、金属顕微鏡より観察したところ、第７図に示すよ
うな平均粒径が約20μｍの均質な金相を有する健全な二
酸化ウラン系核燃料焼結体であるのを確認した。

（実施例５）前記実施例１における焙焼温度を450℃にし、得られる
八酸化三ウランの配合量を35重量％にし、焼結温度およ
び焼結時間を1200℃および２時間にした他は前記実施例
１と同様に実施して二酸化ウラン系核燃料焼結体を製造
した。

密度:95.0％T.D. O/U比:2.00 また、金属顕微鏡により観察したところ、第８図に示す
ような平均粒径20μｍの金相を有する健全な二酸化ウラ
ン系核燃料焼結体であるのを確認した。

（評価）実施例１および実施例２とにより焙焼温度を変化させる
ことにより、核燃料焼結体の密度および粒径分布を変化
させることができ、実施例１と実施例３とにより、八酸
化三ウランの添加時期を変えることによっても、核燃料
燒結体の密度および粒径分布を変化させることができる
ことが理解される。

［発明の効果］この発明によると、二酸化ウランに添加する八酸化三ウランの粒径、その添
加時期および八酸化三ウランを製造する際の二酸化ウラ
ンの焙焼温度の少なくともいずれか一つを調整すること
により、核燃料燒結体の結晶密度を93〜98％TDおよび結
晶粒径を20〜60μｍの範囲内の所望の値に調節すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の方法の一例における概略を示す流れ
図である。第２図は八酸化三ウランの焙焼温度と二酸化
ウラン系核燃料焼結体の密度（％TD）との関係の一例を
示すグラフである。第３図は八酸化三ウランの焙焼温度
と八酸化三ウランの粒径との関係の一例を示すグラフで
ある。第４図は実施例１において得られた二酸化ウラン
系核燃料焼結体を金属顕微鏡観察にて100倍の倍率で撮
影してなる図面代用写真である。第５図は実施例２にお
いて得られた二酸化ウラン系核燃料焼結体を金属顕微鏡
観察にて100倍の倍率で撮影してなる図面代用写真であ
る。第６図は実施例３において得られた二酸化ウラン系
核燃料焼結体を金属顕微鏡観察にて100倍の倍率で撮影
してなる図面代用写真である。第７図は実施例４におい
て得られた二酸化ウラン系核燃料焼結体を金属顕微鏡観
察にて200倍の倍率で撮影してなる図面代用写真であ
る。第８図は実施例７において得られた二酸化ウラン系
核燃料焼結体を金属顕微鏡観察にて100倍の倍率で撮影
してなる図面代用写真である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】二酸化ウラン原料粉末75〜55重量％と八酸
化三ウラン25〜45重量％とを混合した混合粉末から成型
して得られる成型体を、酸化雰囲気中で1,100〜1,400℃
の温度にて焼結した後、還元雰囲気中で1,100〜1,400℃
の温度にて加熱して、酸素・金属比（O/U）を1.98〜2.0
2に調整した核燃料焼結体を製造する核燃料焼結体の製
造方法において、核燃料焼結体の結晶粒度の調整を、二酸化ウランを焙焼して前記八酸化三ウランを製造す
る際の焙焼温度による調整、および、前記二酸化ウラン原料粉末に混合する前記八酸化三ウ
ランの量による調整、の少なくとも一種の調整により行ない、核燃料焼結体の焼結体密度の調整を、二酸化ウランを焙焼して前記八酸化三ウランを製造す
る際の焙焼温度による調整、前記二酸化ウラン原料粉末に混合する前記八酸化ウラ
ンの量による調整、および、前記八酸化三ウランの混合時期を前期と後期とに分
け、後期混合時の前記八酸化三ウランの粒度による調
整、の少なくとも一種の調整により行なうことを特徴とする
核燃料焼結体の製造方法。