JPH10510506A - セラミック品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 粒子材料からなる素地を形成する工程と、素地を同素地の両端から圧縮する工程と、素地を焼結する工程とを含むセラミック品の製造方法において、素地は異なる粒子嵩密度を有する複数の粒子材料層から圧縮前に形成される方法。セラミック品は核燃料ペレット等のほぼ円筒状をなすセラミック・ペレットを有し得る。

Description

【発明の詳細な説明】 セラミック品の製造方法 本発明はセラミック品の製造、より詳細には核燃料ペレット等のセラミック・ ペレットの製造に関する。しかし、本発明は核燃料ペレット等のセラミック・ペ レットの製造に限定されない。 一般的に、粒子材料をダイ内で圧縮した際、複数の粒子間の摩擦と、ダイ壁及 び粒子の間の摩擦とにより、粒子材料からなる素地（Ｂody of particulate mat erial）に加わる圧力は同素地上の位置によって異なる。この結果、圧縮された 素地は不均一な圧縮密度を有する。成形体の不均一な圧縮密度は次に行われる焼 結において同成形体の異なる収縮率を招来する。このため、焼結によって得られ たセラミック品に変形が生じる。焼結において収縮が生じない場合であっても、 焼結された構成品は不均一な密度を有し、同不均一な密度は弱さの源になる。 核燃料ペレットはほぼ円筒状のソリッド・セラミック体または中空セラミック 体であり、同セラミック体の主成分または全成分はウランの酸化物、特にＵＯ₂ である。この種のペレットは燃料棒または燃料ピンを形成するシースに使用され る。この種の燃料棒または燃料ピンの組立体は原子炉内の活性エレメントとして 使用される。 核燃料ペレットを製造する従来の方法では、欧州特許第０２７７７０８号に開 示されている方法等に基づいて形成されたウラン酸化物パウダーはダイまたはモ ールド内において締固め、即ち圧縮され、さらには１５００〜１８００℃等の高 温下にある還元雰囲気中で少なくとも数時間にわたって常には焼結される。 直円柱をなすペレットを形成することが望ましい。製品仕様はこの種の形状を 常には要求している。しかし、ペレットの成形に使用するダイまたはモールドの キャビティが完全な直円柱形をなす場合であっても、前記の従来の方法で 製造されたペレットは直円柱形を焼結後に有さない。ペレットは麦束状のプロフ ィール（Ｗheatsheaf-like profile）を有する腰部を備えた形状をなす。即ち、 ペレットの長さに沿った複数の位置における横断面（ペレットの軸に直交する方 向に延びる断面）を測定した場合、ペレットの中央部付近の横断面はペレットの 端部付近の横断面より小さい。ペレットの切削は同ペレットを製品仕様に適合さ せるべく焼結後に常には必用とされる。この種の切削は時間を要するうえ、製品 のコストを引き上げる。 本発明の目的は焼結後におけるペレットの切削工程の必要性を低減または削除 することにある。 本発明は粒子材料からなる素地を形成する工程と、素地を同素地の両端から圧 縮する工程と、素地を焼結する工程とを含むセラミック品の製造方法において、 素地は異なる粒子嵩密度を有する複数の粒子材料層から圧縮前に形成される方法 を提供する。 セラミック品はほぼ円筒状をなすセラミック・ペレットを含み得る。 セラミック・ペレットは核燃料ペレットを含み、粒子材料は核燃料材料を含み 得る。 本願の出願人は端部よりも内部の方が低い密度を有するグリーン・ペレットを 焼結した際に、従来の麦束状のプロフィールが得られることを実験分析により確 認している。この異なる密度プロフィールは以下の方法で形成される。パウダー を圧縮してグリーン・ペレットを形成する通常の方法において、パウダーは直円 柱をなすダイ・キャビティ内に案内される。次いで、パウダーを両端から圧縮す る。パウダーからなる素地内に生じる摩擦作用により、同素地の異なる領域にお いて加わる負荷に差が生じる。そして、ペレットは中央部付近において僅かに樽 状に膨れる。同一数量の粒子が更に広い体積を占めるため、樽状領域の密度はペ レットの端部領域の密度より低い。 本発明に基づき、異なる密度を圧縮前に有する複数の粒子材料領域を使用する ことにより、圧縮後の樽状領域の形成によって生じる密度の減少が補償され る。そして、更に均一な密度分布を有する成形体が形成される。これは更に均一 な横断面形状を有する焼結ペレットを焼結後に形成する。 本発明の方法において、粒子材料からなる素地は核燃料材料のパウダーまたは 粒子をほぼ直円柱形をなすモールド・キャビティまたはダイ・キャビティ内に案 内することによって形成される。 圧縮前の素地は異なる密度をそれぞれ有する複数の不連続層を含む。そして、 複数の層はほぼ平坦な界面を素地の軸に直交する方向に延びる平面内に有する。 これに代えて、複数の層の界面は適切な密度プロフィールを提供すべく凸面ま たは凹面等、平坦でない形状を有し得る。 更に、密度は素地の長さの少なくとも一部に沿って圧縮前の素地内において徐 々に変化させ得る（例えば、密度を距離の変化に伴って直線状に変化させる）。 圧縮前の素地の端部領域は同素地の中央部付近の内部領域の密度より低い密度 を有することが望ましい。 素地内の異なる密度は粒子材料を複数の供給源からそれぞれダイ・キャビティ またはモールド・キャビティ内に案内することによって実現され、複数の供給源 は異なる嵩密度を形成する異なる粒子材料をそれぞれ有する。２つの供給源から の材料の供給は素地内に所定の密度プロフィールを形成すべく制御される。異な る粒子材料は同一組成を有する一方で、異なる処理が施されているか、または異 なる粒子形状を有する材料を含み得る。異なる粒子タイプの例としては、（ａ） 一種類のパウダーから形成される一方で、異なる密度を備えた複数の顆粒を形成 すべく異なる圧力を用いて予備圧縮された粒子と、（ｂ）粉砕された同一パウダ ーまたは粉砕されていない同一パウダーからなる粒子と、（ｃ）板状または球状 をなす粒子と、（ｄ）前記の異なる複数の種類の粒子を組み合わせた粒子とのい ずれか１つを含む。 異なる密度を有する顆粒を形成すべく造粒を行う場合、１つまたは複数の異な る密度を有する顆粒を形成すべく従来の各種の造粒方法を使用し得る。例えば、 ダイ内における予備圧縮（pre-compaction）と、続いて行われる篩を通し て行われる破壊とを使用し得る。これに代えて、ロール・コンパクション（Ｒol l compaction）を使用し得る。 前記の方法のうちの１つに基づいて形成された粒子材料からなる素地は二酸化 ウランを含み得る。更に、二酸化ウランは任意にて混合酸化物（ＭＯＸ）燃料ペ レットを形成すべくニオビア（Ｎiobia）若しくはガドリニア（Ｇadolinia）等 の添加物または二酸化プルトニウム（最大で６重量パーセント）を含み得る。更 に、粒子は素地を形成するパウダーを処理すべく予備処理プロセスまたは圧縮工 程において１重量パーセント未満等の少量のステアリン酸亜鉛等の固体潤滑剤で 被覆し得る（予備圧縮された粒子として直接的または間接的に）。 本発明の方法における予備圧縮工程及び焼結工程は従来使用されている予備圧 縮工程及び焼結工程同様に行い得る一方、圧縮工程における圧力は６〜７トン／ ｃｍ²等の最大圧力まで時間の経過にともなって徐々に増大させ得る。 最大圧縮圧力は１〜１０トン／ｃｍ²であり得る。焼結工程は不活性ガス雰囲 気または還元雰囲気中において従来の方法で実施し得る。還元雰囲気の例として は、水素と、水素及び不活性ガスの混合物とのいずれか一方が挙げられ、前記の 混合物は最大で９９重量％の水素を含有し得る。焼結工程は１５００〜１８００ ℃の温度の下で少なくとも１時間、好ましくは少なくとも数時間（例えば、５時 間以上）実施し得る。１気圧を越す圧力を焼結工程中に加えることが好ましい。 本発明は従来の方法において焼結直後に得られる側部よりも真っ直ぐな側部を有 する核燃料ペレット等のセラミック・ペレットの形成を可能にしている。これに より、コストを上昇させる焼結後の研削を低減または削除し得る。 本発明は真っ直ぐな縦断面を示す側部を形成する核燃料ペレット等のセラミッ ク・ペレットの製造を主な目的とする。しかし、本発明を使用することにより、 曲面内に溝を有するペレット、または特定の用途に必用とされる樽形ペレットを 形成できる。 本発明に基づいて形成されるペレットは全て実質的にソリッドであり得る。 これに代えて、ペレットは同ペレットを軸方向に貫通して延びる孔を有し得る。 ペレットの端部は平坦であるか、または凸面等の曲面をなし得る。ペレットを燃 料棒または燃料ピンの組立体に用いる特定の原子炉（例：ＡＧＲ、即ち改良型ガ ス冷却炉またはＬＷＲ、即ち軽水型原子炉）に使用するペレットの正確な形状は 常には指定されている。 本発明の実施の形態を図面に基づいて以下に詳述する。 図１は従来の方法で形成されたグリーン（予備焼結）ペレットのプロフィール を示す側面図である。 図２は従来の方法で形成された焼結ペレットのプロフィールを示す側面図であ る。 図３は本発明の方法で形成されたペレットのプロフィールを示す側面図である 。 図４及び図５は従来の方法及び本発明の方法でそれぞれ形成された２つのペレ ットの実測プロフィールをそれぞれ示すグラフである。 図１に示す樽形１のペレット・プロフィールは同質ＵＯ₂パウダーまたはＵＯ₂ をベースとしたパウダーを直円柱形の断面を有するダイ・キャビティまたはモー ルド・キャビティ内において前記の従来の方法で圧縮することによって形成され た。圧縮されたペレットを焼結した後、図２に示す麦束形２のペレットが形成さ れる。約６ｍｍの直径及び約１０ｍｍの長さを有するペレットの場合、形状２の 腰部における直径はペレット端部の直径より例えば５０μｍ（即ち、各側部にお いて２５μｍ）常には短い。 図３は本発明の方法に基づいて形成されたペレット・プロフィールを示す。直 円柱ペレット素地形状３は３つの領域５，６，７を形成するＵＯ₂パウダーまた はＵＯ₂をベースとしたパウダーを圧縮することによって形成される。領域５， ７において、ペレット素地の端部における粒子の密度はｄ₁である。更に、領域 ６において、ペレット素地の中央部における粒子の密度はｄ₂である。圧縮圧力 が２トン／ｃｍ²である際、等しい深さを有する領域５，６，７における密度ｄ₂ はｄ₁の３倍である。 図３に示すペレットを以下に示す方法等の従来の方法で焼結した際、焼結され たペレットは形状３と実質的に同一のプロフィールを有する。 以下の例は従来の方法と比べた本発明の効果を示す。 本願出願人が製造したセラミック・グレード二酸化ウラン・パウダー（Ｃeramic grade uranium dioxide powder）を実験に使用した。同一のＵＯ₂パウダーから ２種類の顆粒、即ちタイプＡ及びタイプＢを以下の方法で準備した。 タイプＡ：約１ｃｍの厚さを有するディスク形パウダー成形体を形成すべく、 パウダーを２．５４ｃｍの直径を有するスチール・ダイ内に注入し、さらには０ ．２５トン・ｃｍ^-2の圧力で加圧した。次いで、成形体は顆粒を形成すべく１． ２ｍｍの孔径を有するナンバー１４メッシュの篩（＃14 mesh sieve）を通して 破壊した。これによって形成された顆粒をガラス・ジャー内に配置し、０．２重 量パーセントのステアリン酸亜鉛を加えた。ステアリン酸亜鉛はダイのプレス中 に潤滑剤として機能する。次いで、顆粒の流動性を改善し、ステアリン酸塩をよ く混ぜ合わせるべくジャーをローラー上に配置し、かつ１０分間にわたって転が した。 タイプＢ：これらの顆粒は０．７５トン・ｃｍ^-2の圧力で圧縮された点を除け ばタイプＡと同様に準備された。 次いで、顆粒を以下の要領でペレットに加工した。 実験１（従来技術）：８ｇのタイプＢの顆粒を１１ｍｍの直径を有する直円柱 ダイ・キャビティ内に注入し、さらには２トン・ｃｍ^-2の圧力で圧縮した。次い で、これによって得られた成形体を以下の条件の下で焼成した。即ち、成形体を ５℃／分の加熱速度で３００℃まで加熱し、さらには２０℃／分の加熱速度で１ ７５０℃まで加熱した。そして、成形体を１７５０℃で５時間加熱した後、２０ ℃／分の速度で冷却した。使用した雰囲気は０．５容量％の二酸化炭素をともな う純粋酸素であり、同雰囲気を１０リットル／分の流速で炉に通した。焼成中に 圧力は加えなかった。次いで、焼成ペレットの側部プロフィールをスタ イラス・プロフィール測定装置（Ｓtylus profile measuring device）で測定し た。図４は測定結果を示しており、前記の“麦束”形を確認し得る。図４におい て、垂直軸はペレットの一方の側部において測定された任意のデータ値からのペ レット半径の変化を示す。そして、水平軸はペレットの同一側部において測定さ れた任意の点からのペレットの長さを示す。 実験２（本発明）：タイプＡの顆粒３ｇをダイ・キャビティ内に最初に配置し 、次いで顆粒表面を水平に均すべくダイを軽く叩いた。タイプＢの顆粒２ｇをタ イプＡの顆粒上に配置し、次いでダイを再び叩いた。そして、タイプＡの顆粒３ ｇをタイプＢの層の上に配置した。次いで、顆粒を圧縮し、さらには焼成した。 そして、実験１と同様の測定を実施した。図５は、これによって得られた焼成ペ レットのプロフィールを示す。この焼成ペレットのプロフィールは図４に示す従 来の方法で形成されたペレットのプロフィールと比べて改善されている。図５に 示すように、垂直軸はペレット半径の変化を示す一方、水平軸はペレットに沿っ た距離を示す。これらはペレットの一方の側部において測定された。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．粒子材料からなる素地を形成する工程と、前記素地を同素地の両端から圧縮 する工程と、前記素地を焼結する工程とを含むセラミック品の製造方法において 、前記素地は異なる粒子嵩密度を有する複数の粒子材料層から圧縮前に形成され る方法。 ２．前記セラミック品はほぼ円筒状をなすセラミック・ペレットを含む請求項１ に記載の方法。 ３．前記セラミック・ペレットは核燃料ペレットを含み、前記粒子材料は核燃料 材料を含む請求項２に記載の方法。 ４．前記粒子材料からなる素地は粒子材料のパウダーまたは粒子をほぼ直円柱形 をなすモールド・キャビティまたはダイ・キャビティ内に案内することによって 形成される請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。 ５．前記圧縮前の素地は異なる密度を備えた複数の不連続層を有する請求項１乃 至４のいずれか一項に記載の方法。 ６．前記複数の層はほぼ平坦な界面を素地の軸に直交する方向に延びる平面内に 有する請求項５に記載の方法。 ７．前記複数の層の界面は平坦でない請求項５に記載の方法。 ８．前記密度は素地の長さの少なくとも一部に沿って圧縮前の素地内において徐 々に変化する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。 ９．前記圧縮前の素地は同素地の中央付近の内部領域の密度より低い密度を備え た領域を素地の端部に有する請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。 １０．前記素地内の異なる密度は粒子材料を複数の供給源からそれぞれダイ・キ ャビティまたはモールド・キャビティ内に案内することによって実現され、前記 複数の供給源は異なる嵩密度を形成する異なる粒子材料をそれぞれ有する請求項 １乃至９のいずれか一項に記載の方法。 １１．前記異なる粒子材料は同一組成を有する一方で、異なる処理が施されてい るか、または異なる粒子形状を有する材料を含む請求項１乃至１０のいずれか一 項に記載の方法。 １２．請求項１の方法であって、複数の実施例のいずれか１つと同一の方法。