JPH09502260A - ウラン含有核燃料焼結体、ウラン含有核燃料焼結体を有する原子炉燃料集合体及びウラン含有核燃料焼結体の処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＵＯ、₂（Ｕ、Ｐｕ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｔｈ）Ｏ₂、（Ｕ、ＲＥ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｐｕ、Ｔｈ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｐｕ、ＲＥ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｔｈ、ＲＥ）Ｏ₂及び（Ｕ、Ｐｕ、Ｔｈ、ＲＥ）Ｏ₂（ＲＥ＝希土類）を有するウラン含有核燃料焼結体は少なくとも８０容量％までのホウ素化合物ＵＢ_X又は（Ｕ、．．．）Ｂ_X（Ｘ＝２、４、６又は１２）からなる焼結体表面層を有し、一方この焼結体の残りはホウ素化合物を最大でも５容量％しか含んでいない。原子炉燃料集合体は外皮管内に熱中性子用燃焼性吸収材としてホウ素を有するこのようなウラン含有核燃料焼結体を含んでいる燃料棒を有する。ホウ素化合物を有する焼結体表面層はホウ素又はホウ素含有化合物を有する核燃料焼結体を相応する高い処理温度で処理することにより得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 ウラン含有核燃料焼結体、ウラン含有核燃料焼結体を有する 原子炉燃料集合体及びウラン含有核燃料焼結体の処理方法 本発明は請求項１ないし８の１つに記載の核燃料焼結体、請求項１４記載の原 子炉燃料集合体及び請求項１５記載のウラン含有核燃料焼結体の処理方法に関す る。 欧州特許出願公開第０２３９８４３号明細書からＵＯ₂、（Ｕ、Ｐｕ）Ｏ₂又は （Ｕ、Ｔｈ）Ｏ₂からなる核燃料焼結体は公知である。この核燃料焼結体の焼結 マトリックス中には中性子毒物としてホウ素がＵＢ_X（Ｘ＝２、４及び／又は１ ２）及び／又はＢ₄Ｃの化合物の形で組み込まれている。この公知の核燃料焼結 体は酸化ウラン粉末又はウラン混合酸化物粉末とホウ化ウラン粉末又は炭化ウラ ン粉末とからなる混合物を製造し、これをプレス成形物に圧縮し、引続き焼結炉 内の還元作用をする焼結雰囲気中で核燃料焼結体に焼結することにより得られる 。従ってこの核燃料焼結体中にはホウ素が焼結マトリックス全体に均一に分散さ れている。 ウラン含有核燃料焼結体中のホウ素は中性子の物理的作用により燃焼すること のできる中性子吸収材であり、これは原子炉内でこの核燃料焼結体を一定期間使 用した後熱中性子吸収材としてのその特性を失う。 ウラン含有核燃料焼結体を含む燃料棒を有する原子炉燃料集合体は原子炉内で 例えば４つの連続する通常同じ長さの燃料集合体サイクル中に使用される。それ ぞれの燃料集合体サイクルの終わりにその都度原子炉内の原子炉燃料集合体の一 部は新しい朱照射の原子炉燃料集合体と取り替えられる。 新しい未照射の原子炉燃料集合体は原子炉内で照射済みの原子炉燃料集合体に 比べて比較的高い反応度を生じることになろう。しかしこの新しい未照射の原子 炉燃料集合体の核燃料焼結体中のホウ素は初めに中性子を吸収することによって まずこの原子炉燃料集合体により生じさせられた反応度を減衰する。 新しい未照射の原子炉燃料集合体の核燃料は原子炉内で核分裂によりに漸次燃 焼していくが、しかし同時に核燃料申に存在する可燃性の中性子吸収材も中性子 の物理的作用により漸次燃焼し、その結果この中性子吸収材は最終的に全く又は ごく僅かにしか熱中性子を吸収しなくなる。このようにして原子炉中に新たに入 れられた未照射の原子炉燃料集合体もその全耐用期間中に原子炉内で原子炉内の 燃料集合体サイクルを既に経過した原子炉燃料集合体とほぼ同様の反応度を生じ ることとなる。 核燃料中の中性子吸収材としてのホウ素は燃料集合体サイクルが比較的長い場 合、即ち例えば１２カ月以上の場合希土類のような他の可燃性の中性子吸収材に 比べて有利である。それというのもホウ素で核燃料中の熱の停滞が回避されるか らである。 本発明は、この核燃料焼結体が未照射の状態で新たにこの原子炉内に入れられ た場合に原子炉の始動時に反応度が急速かつ高度に上昇し過ぎないように公知の ウラン含有核燃料焼結体を改善することを課題とする。 原子炉内では燃料棒の外皮管内のウラン含有核燃料焼結体の表面は外皮管の外 側を流れる冷却剤により残りの焼結体よりも著しく低い温度に比較的恒常的に保 持されているが、しかし他方本発明によるウラン含有核燃料焼結体ではホウ素の 大部分は表面層内にあり、この表面層においてＵＢ_XとＵＯ₂との間にごく僅かな 化学反応が生じるだけなので、ホウ素は本発明によるウラン含有核燃料焼結体か ら抜け出すことはなく、従って反応度の速度及び程度が減衰された反応度の上昇 が保証される。 請求項９ないし１３は請求項１ないし８に記載のウラン含有核燃料焼結体の有 利な実施態様を記載するものである。請求項１４は有利な方法で形成された原子 炉燃料集合体に関するものである。 請求項１５に記載の本発明方法により処理されるウラン含有核燃料焼結体は所 望のホウ素を高度に含有する表面層を有するものである。請求項１６〜２５はこ の方法の有利な実施態様を記載するものである。 本発明方法及びその利点を実施例に基づき以下に詳述する。 Ａｌ₂Ｏ₃からなる舟形小容器内の例えばＮＨ₄、Ｃｌ、ＢａＦ₂及び／又はＫＢ Ｆ₄の物質の少なくとも１つを触媒材として添加されて含んでいてもよいＺｒ Ｂ₂からなる粉末床上に直径９．１１ｍｍ、高さ１０ｍｍの完全円筒形のＵＯ₂か らなる複数個のセラミックス核燃料焼結体を円筒柱に成形し並列に配設した。そ れらの核燃料焼結体はそれぞれ１０．３８〜１０．４４ｇ／ｃｍ³の焼結密度を 有した。更にそれらの核燃料焼結体は同様に例えばＮＨ₄Ｃｌ、ＢａＦ₂及び／又 はＫＢＦ₄を触媒材として添加されて含有していてもよいＺｒＢ₂からなる粉末で 完全に覆われた。 核燃料焼結体を有する舟形小容器はＡｌ₂Ｏ₃からなる管内に配設され、この管 内の電気的に加熱された管状炉中でＨ₂５％及びＨｅ９５％からなる処理雰囲気 中で３時間１４００℃に加熱された。 冷却後Ｘ線回折計による核燃料焼結体の測定はそれらの核燃料焼結体が核燃料 焼結体間のそれぞれ柱の端部にある限りその外套面下に実質１００容量％のＵＢ₄ 及びＵＢ₂からなる表面層を有することを明らかにした。この表面層の厚さは遊 動顕微鏡で核燃料焼結体の横及び縦の平滑面で平均して１２μｍと測定された。 この厚さの最大値と最小値の偏差は６μｍであった。焼結体の残りは実質的にホ ウ素含有は認められず変化しないＵＯ₂によってのみ構成されていた。 粉末床としてＺｒＢ₂からなる粉末の代わりにホウ素からなる粉末を使用した 場合実質的に１００容量％のＵＢ₂及びＵＢ₄からなる表面層が厚さ２１μｍ±５ μｍの核燃料焼結体の外套面下に結果として生じた。この場合も焼結体の残りは 実際にホウ素含有を認められず変化しないＵＯ₂で構成されていた。 もう１つの実施例では電気により加熱された管状炉中に長手軸を水平にして配 設されたＡｌ₂Ｏ₃管が使用された。同じく１０．３８〜１０．４４ｇ／ｃｍ³の 焼結密度のＵＯ₂からなる１２個のセラミックス核燃料焼結体が入れられたこの Ａｌ₂Ｏ₃管の空容量の２／３はＺｒＢ₂粉末で満たされていた。それらの核燃料 焼結体は同様に直径９．１１ｍｍ及び高さ１０ｍｍの完全円筒の形を有した。Ａ ｌ₂Ｏ₃管は１分間に付き１回転でその長手軸を中心に回転させられ、そのため粉 末は核燃料焼結体とともに回転させられた。その際粉末及び核燃料焼結体は３時 間１４００℃の処理温度にＨ₂５％及びＨｅ９５％からなる管状炉内の環境雰囲 気中で加熱された。 核燃料焼結体は冷却後その全表面下に実質１００容量％までのＵＢ₂及びＵＢ₄ からなる表面層を有した。この表面層は核燃料焼結体の外套面に１６μｍ±４μ ｍの層厚をまた両端面に７μｍ±３μｍの層厚を有した。残りの焼結体はホウ素 の含有は認められず、変化しないＵＯ₂で構成されていた。 この実施例の変形では同様に直径９．１１ｍｍ及び高さ１０ｍｍの完全円筒形 を有するＵＯ₂からなる１５個のセラミックス核燃料焼結体がＡｌ₂Ｏ₃管中に粉 末床を形成することなく貯蔵され、この管は同様に管状炉の水平な長手軸を中心 に１回転に付き１分で回転された。両端を気密に封鎖された管中にブッシングを 介してジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）及び水素（Ｈ₂）からなるガス混合物を管の内部空間 に導入し、もう１つのブッシングを介して再び取り出された。その組成が９９． ９モル％のＨ₂と０．１モル％のＢ₂Ｈ₆のガス混合物の貫流量は１０リットル／ 分であった。この場合ＵＯ₂からなる核燃料焼結体は管状炉山で９０分間１０５ ０℃の温度に保持された。 冷却後ＵＯ₂からなるそれらの核燃料焼結体はその全表面下に１００重量％ま でのＵＢ₂及びＵＢ₄からなる厚さ８μｍの表面層を有した。焼結体の残りはホウ 素含有は認められずＵＯ₂に変化はなかった。 ＵＢ₂又はＵＢ₄を含む表面層はＵＯ₂からなる核燃料焼結体中で、この核燃料 焼結体を溶融状態のホウ素又はホウ素含有化合物中に入れることにより形成して もよい。 使用されたホウ素中又は使用されたホウ素含有化合物中にホウ素の同位体Ｂ₁₀ が天然のホウ素の同位体組成と比べて濃縮されていると有利である。これは公知 のように、例えばサイクロトロン、拡散又はノズル分離濃縮法により達成可能で ある。この同位体Ｂ₁₀は実際に熱中性子を吸収する。ウラン含有核燃料焼結体の 表面層中にあるホウ素の濃縮によりこの表面層の厚さは比較的薄く選択すること ができる。 同様にして（Ｕ、Ｐｕ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｔｈ）Ｏ₂、（Ｕ、ＲＥ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｐ ｕ、Ｔｈ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｐｕ、ＲＥ）Ｏ₂、（Ｕ、Ｔｈ、ＲＥ）Ｏ₂及び（Ｕ、Ｐ ｕ、Ｔｈ、ＲＥ）Ｏ₂の化合物の少なくとも１つを有するウラン含有セラミック ス核燃料焼結体も処理可能である。それというのも他の重金属はウランのように これらの混合酸化物中ですべて同じか又は類似して構造化されたホウ化物を形 成するからである。希土類ＲＥは特にガドリニウム、サマリウム、ユウロビウム 、エルビウム及びジスプロシウム（これらはすべて中性子毒物である）であって もよいが、しかしこれらは場合によってはホウ素とは異なる他の申性子物理学的 燃焼挙動を示し、従ってホウ素と共同で有利なことに原子炉中の反応度を制御す ることができる。 燃料棒の通常ジルコニウム合金又はステンレス鋼からなる外皮管に本発明によ るウラン含有核燃料焼結体を入れ、この外皮管を密封すると有利である。この燃 料棒が原子炉用原子炉燃料集合体の構成要素であると有利である。このような原 子炉燃料集合体は有利には軽水炉用に、特に加圧水型原子炉又は沸騰水型原子炉 用に用いられる。 原子炉中での条件で模擬実験したこのような外皮管での実験は、ウラン含有核 燃料焼結体のホウ素含有表面層がこの核燃料焼結体の結晶構造中に単に確実に固 定されているばかりでなく、それどころかこのホウ素を５００℃以上の温度でも この表面層から逃さないことを明らかにした。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｇ２１Ｃ 21/02 8924−4Ｇ Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｈ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＫＲ，ＵＳ (72)発明者 グラーデル、ゲルハルト ドイツ連邦共和国 デー‐91301 フオル ヒハイム ポツクスドルフアー シユトラ ーセ ２ (72)発明者 ロペルト、アルフオンス ドイツ連邦共和国 デー‐91301 フオル ヒハイム フインケンヴエーク ６アー (72)発明者 オルトリープ、エルハルト ドイツ連邦共和国 デー‐90562 カルヒ ロイト エルレンシユトラーセ ５ (72)発明者 パーキンス、リチヤード エイ アメリカ合衆国 99336 ワシントン ケ ネウイツク エヌ ネバタ ストリート 600

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物ＵＢ_X（Ｘは２、４及び１２の数 群の少なくとも１つの数である）からなる焼結体表面層と、一方この焼結体の残 りがこのホウ素化合物を最大でも５容量％しか含んでいないＵＯ₂を有するウラ ン含有核燃料焼結体。 ２．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物（Ｕ、Ｐｕ）Ｂ_X（Ｘは２、４及 び１２の数群の少なくとも１つの数である）からなる焼結体表面層を有し、一方 この焼結体の残りがこのホウ素化合物を最大でも５容量％しか含んでいない（Ｕ 、Ｐｕ）Ｏ₂を有するウラン含有核燃料焼結体。 ３．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物（Ｕ、Ｔｈ）Ｂ_X（Ｘは４及び６ の数群の少なくとも１つの数である）からなる焼結体表面層とを有し、一方この 焼結体の残りがこのホウ素化合物を最大でも５容量％しか含んでいない（Ｕ、Ｔ ｈ）Ｏ₂を有するウラン含有核燃料焼結体。 ４．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物（Ｕ、ＲＥ）Ｂ_X（Ｘは２、４及 び１２の数群の少なくとも１つの数であり、ＲＥは希土類である）からなる焼結 体表面層を有し、一方この焼結体の残りがこのホウ素化合物を最大でも５容量％ しか含んでいない（Ｕ、ＲＥ）Ｏ₂を有するウラン含有核燃料焼結体。 ５．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物（Ｕ、Ｐｕ、Ｔｈ）Ｂ_X（Ｘは２ 、４、６及び１２の数群の少なくとも１つの数である）からなる焼結体表面層を 有し、一方この焼結体の残りがこのホウ素化合物を最大でも５容量％しか含んで いない（Ｕ、Ｐｕ、Ｔｈ）Ｏ₂を有するウラン含有核燃料焼結体。 ６．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物（Ｕ、Ｐｕ、ＲＥ）Ｂ_X（Ｘは２ 、４、６及び１２の数群の少なくとも１つの数であり、ＲＥは希土類である）か ら なる焼結体表面層を有し、一方この焼結体の残りがこのホウ素化合物を最大でも ５容量％しか含んでいない（Ｕ、Ｐｕ、ＲＥ）Ｏ₂を有するウラン含有核燃料焼 結体。 ７．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物（Ｕ、Ｔｈ、ＲＥ）Ｂ_X（Ｘは４ 及び６の数群の少なくとも１つの数であり、ＲＥは希土類である）からなる焼結 体表面層を有し、一方この焼結体の残りがこのホウ素化合物を最大でも５容量％ しか含んでいない（Ｕ、Ｐｕ、ＲＥ）Ｏ₂を有するウラン含有核燃料焼結体。 ８．少なくとも８０容量％までのホウ素化合物（Ｕ、Ｐｕ、Ｔｈ、ＲＥ）Ｂ_X（ Ｘは４及び６の数群の少なくとも１つの数であり、ＲＥは希土類である）からな る焼結体表面層を有し、一方この焼結体の残りがこのホウ素化合物を最大でも５ 容量％しか含んでいない（Ｕ、Ｐｕ、ＲＥ）Ｏ₂を有するウラン含有核燃料焼結 体。 ９．ホウ素化合物を焼結体表面内に少なくとも９０容量％及び残りの焼結体に最 大でも２容量％しか含んでいない請求項１ないし８の１つに記載のウラン含有核 燃料焼結体。 １０．ホウ素化合物を焼結体表面内に少なくとも９８容量％及び残りの焼結体に 最大でも１容量％しか含んでいない請求項９記載のウラン含有核燃料焼結体。 １１．残りの焼結体に確認し得るホウ素を含んでいない請求項９又は１０記載の ウラン含有核燃料焼結体。 １２．２〜４０μｍの厚さのホウ素含有焼結体表面層を有する請求項１ないし１ １の１つに記載の核燃料焼結体。 １３．５〜２０μｍの厚さのホウ素含有焼結体表面層を有する請求項１２記載の 核燃料焼結体。 １４．ホウ素化合物のホウ素の同位体Ｂ₁₀が天然の同位体存在度に比べて濃縮さ れている請求項１ないし８の１つに記載の核燃料焼結体。 １５．外皮管内に請求項１ないし１４の１つに記載のウラン含有核燃料焼結体を 含んでいる燃料棒を有する原子炉燃料集合体。 １６．ホウ素又はホウ素含有化合物を有するウラン含有核燃料焼結体を、核燃料 焼結体の表面層中にウラン含有ホウ化物が形成されるほど高い処理温度で処理す る方法。 １７．処理が水素含有不活性ガスの存在下に行われる請求項１６記載の方法。 １８．不活性ガスとして少なくともヘリウム、アルゴン及び窒素の群からの気体 の１つを使用する請求項１７記載の方法。 １９．ウラン含有核燃料焼結体がホウ素及び／又はホウ素含有化合物中に埋込ま れる請求項１６記載の方法。 ２０．触媒材を混入されているホウ素又はホウ素含有化合物を使用する請求項１ ９記載の方法。 ２１．ホウ素又はホウ素含有化合物を粉末の形で使用する請求項１９記載の方法 。 ２２．粉末を回転させる請求項２１記載の方法。 ２３．ホウ素又はホウ素含有化合物を融解して使用する請求項１９記載の方法。 ２４．ホウ素含有化合物として少なくともホウ化水素、ハロゲン化ホウ素及びア ルキルホウ素の群からの気体の１つを使用する請求項１６記載の方法。 ２５．粉末として炭化ホウ素、ホウ化ケイ素及び金属ホウ化物、有利には二ホウ 化ジルコニウムの群からの物質の少なくとも１つを使用する請求項２１記載の方 法。 ２６．処理温度が８５０〜１６００℃、有利には１１００〜１４５０℃である請 求項請求項１６記載の方法。 ２７．処理時間が１０分〜６時間、有利には１〜４時間である請求項２６記載の 方法。