JPS593937B2 - 焼結性の優れた二酸化ウラン粉末の乾式製造法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は三酸化ウラン、特に硝酸ウラニルを流動層を用
いて熱分解して得られた三酸化ウランを出発原料として
核燃料用二酸化ウランペレットに適した粉末を製造する
方法に関するものである。

流動層を用いて硝酸ウラニルを熱分解して三酸化ウラン
とする方法は、再処理施設の後処理工程として世界的に
広く行われている方法であり、これらの三酸化ウランは
ウラン中に含まれているＵ−２３５を濃縮し、核燃料用
原料として用いられるために、弗化処理をした後濃縮工
場に回されることが一般的である。

しかしながら近年、高速炉や新型転換炉等の新型炉の開
発がすすむにつれて、この三酸化ウランを特に濃縮する
ことなくこれらの新型炉用燃料に使用される可能性がで
てきた。

この新型炉用燃料に適した二酸化ウラン粉末に三酸化ウ
ランを加工するためには、従来の確立された技術をもっ
て行おうとすると、この三酸化ウランを硝酸に溶解し、
アンモニア等を添加し、重ウラン酸アンモニウム等の沈
澱を生成し、その沈澱物を焙焼・還元するいわゆる湿式
法によることとなる。

この湿式法は、添加物を必要とすること、廃液の量の多
く、その処理が繁雑なことおよび装置が大型となり工程
数が多くなること等の短所を有する。

特に湿式法の場合、硝酸ウラニル溶液を流動層で三酸化
ウランを固体化したものを再溶解するという無駄な工程
が含まれる。

したがって流動層で熱分解して得られた三酸化ウランを
再溶解、沈澱等の工程を経ることなく乾式法で二酸化ウ
ラン用ペレットの原料粉末が製造できることが望ましい
。

硝酸ウラニルを流動層を用いて熱分解して得られた三酸
化ウランは平均粒径が約５０μ（透気法による）と大き
く活性に乏しい粉末であり、この三酸化ウランを還元し
二酸化ウランとしても、その粉末の平均粒径は湿式法に
よる粉末と較べて大きく、そのままでは金型を用いてペ
レットに成形し、焼結しても十分高密度な二酸化ウラン
焼結体を得ることはできない。

たとえばこの成形したペレットを１７００℃にて４時間
焼結しても理論密度に対して９０％を越えることは難か
しい。

高密度な焼結体が必要な理由は現在商業規模で使用され
ている軽水炉燃料を例にとると、その二酸化ウランペレ
ットの密度は、理論密度に対し９５％以上あることが要
求され、高速増殖炉、新型転換炉等の燃料についても同
様の仕様が適用されることである。

従ってこの密度の要求を満たす焼結性の優れた二酸化ウ
ラン粉末の乾式製造法の確立が望まれる。

本発明者等は上記三酸化ウランを種々の粉砕機で粉砕し
た後、粉砕された三酸化ウランを還元し二酸化ウラン粉
末を得る方法と、上記原料三酸化ウランを粉砕すること
なく還元し、還元した二酸。

化ウランを種々の粉砕機で粉砕し、二酸化ウラン粉末を
得る方の三方法を検討した。

その結果、三酸化ウランを粉砕した後還元して二酸化ウ
ラン粉末を得る方法は、後者の方法に較べて得られる二
酸化ウラン粉末の平均粒径が大きく、十分高密度な焼結
ペレットが得られなかった。

即ち、三酸化ウランは二酸化ウランに較べて粉砕されに
くく、従って本発明の骨子の１つは、三酸化ウランを還
元し、二酸化ウランとして粉砕することにある。

次に上記の三酸化ウランを還元し、得られる二酸化ウラ
ンを種々に粉体処理して、焼結性の優れた二酸化ウラン
粉末が得られないかを検討した。

即ち自動乳鉢、ボールミル、振動ミル、ノλンマーミル
、ジェットミル（流体エネルギーミル）等を使用し、種
々の条件を設定して実験を行ったところ、ジェットミル
による粉砕のみが好結果を得ることが判明した。

自動乳鉢とボールミルでは、工業的に採用可能な時間内
で平均粒径１μ以下に二酸化ウランを粉砕することはで
きなかった。

振動ミルおよびハンマーミルでは、所望の粒径にまで粉
砕すると、ボールまたはハンマーからの不純物の混入が
避けられないこと、粉砕部に近接して、モーター等の駆
動部を有し、保守・保修が頻繁に必要であること、また
粉砕の際に発熱することから、空気等の雰囲気では二酸
化ウラン粉末が過度に酸化されるために、窒素やアルゴ
ンガス等の保護ガスが必要になる等の欠点を有する。

一方、ジェットミルは後述するように粉砕能力が優れ、
粉砕粉の過度な酸化が防げられるだけでなく、モーター
等の駆動部がないことから、保守・保修がほとんど不要
となり、さらに本装置の採用は、粉砕−回収工程の連続
化、自動化にも好都合である。

このため、上記要件を満足する二酸化ウラン粉末の製造
は、ジェットミルを採用によってのみ可能であることが
判明した。

即ち本発明によれば、核燃料用二酸化ウランペレットの
原料粉末の製造方法において：硝酸ウラニルを流動層熱
分解して得た三酸化ウラン粉末を５００℃〜９００℃の
温度で水素雰囲気中で還元して二酸化ウラン粉末に転化
した後、該二酸化ウラン粉末を、粉砕機としてジェット
ミル粉砕機を使用し、搬送ガスとして空気を用い、これ
を超音速で噴出させて摩砕することを特徴とする二酸化
ウラン粉末の製造方法が提供される。

本発明の方法は主として硝酸ウラニルの流動層熱分解に
よって得られる三酸化ウランに適用されるが、それのみ
に限定されるものではない。

通常該三酸化ウランは水素または水素と不活性気体（通
常窒素）の混合ガスを用いて５００℃〜９００℃の温度
範囲で還元し、その二酸化ウランジェットミルで粉砕し
、分級し、粗粉を再粉砕し、微粉を回収する。

三酸化ウランを還元する際、還元温度が５００℃以下で
は還元に長時間を要し、また完全に還元されない。

また還元温度が９００℃を越えると二酸化ウラン粒子の
焼結が進行し、粉砕されにくくなる。

上記二酸化ウランを粉砕するジェットミルには、大別し
て２種類あり、１つは主として粉末同志の衝突により粉
砕するタイプであり、他は主として粉末を衝撃板に衝突
させて粉砕するタイプである。

いずれのタイプにおいても二酸化ウランは細かく粉砕さ
れ、得られる粉末の特性にも大きな差はなＧ）。

ジェットミルでは被粉砕粉をノズルから高速で噴出する
気体に搬送させるが、本発明方法の場合搬送気体として
空気を使用することが好ましい。

その理由は非酸化性ガスを使用すると、粉砕された粉末
を空気中にとり出した時に急に酸化され、過度に酸化さ
せるおそれがあるためである。

一方搬送ガスとして空気を使用しても、ノズルから空気
が噴出する際に断熱膨張するので温度が下り、従って被
粉砕粉の温度も下るために粉砕された二酸化ウランが微
粉にもかかわらず過度に酸化されることなく、二酸化ウ
ラン粉末は適度に酸化されその酸素／ウラン比（原子比
）が約２．０５〜２．１２の範囲に保たれ、不活性ガス
を用いた場合よりも粉砕後の空気中での安定性の極めて
良好な粉末が得られる。

この酸素／ウランの比は粉砕にかける前の粉末の粒径、
還元温度、粉砕中の粒子の衝突速度、粉砕後の粉末の粒
径等によっである程度変化するが、ジェットミルで空気
を搬送気体として粉砕する場合には、いずれの条件でも
、得られる粉末は酸素／ウラン比が２．０５〜２．１２
の範囲に入る安定な二酸化ウラン粉末であることが判明
した。

搬送気体（空気）の噴出速度は音速以上であると効果的
な粉砕が期待できる。

また前期ノズルおよび衝撃板は二酸化ウランおよび気体
により摩耗し、これにより二酸化ウランに有害不純物が
混入することになるが、この問題は、ノズルおよび衝突
板にアルミナ焼結体を使用することによって解決できる
ことがわかった。

アルミナの混入さえも避けなければならない場合には、
摩耗の激しい衝撃板に二酸化ウラン焼結体を用うること
によって不純物の混入は完全に避けられる。

比較例 硝酸ウラニルを流動層で熱分解し、三酸化ウランとする
。

この三酸化ウランを衝撃板型ジェットミル粉砕機（日本
ニューマチツク工業■製ＰＪＭ−１−１，５型）で粉砕
し、サイクロン型分級器で分級し、微粉を回収した。

この三酸化ウラン粉末を水素を用いて７００℃で還元し
、二酸化ウラン粉末とする。

この二酸化ウランの平均粒径は約２μ（透気法による）
であり、そのＢＥＴ比表面積は約４ｒｒｔ／１１であっ
た。

この粉末を直径１０ｍｍの金型を用いて３ｔ／ｃＩｉＬ
で成型し、得られたグリーンペレットを水素雰囲気中に
て１７００℃、４時間焼結した。

この焼結体の密度は理論密度に対し、９１％であった。

実施例 硝酸ウラニルを流動層で熱分解し、得られた三酸化ウラ
ンを流動層式還元炉により水素を用いて７００℃で還元
し、二酸化ウランとする。

この二酸化ウランの平均粒径は約４５μ（透気法による
）であり、そのＢＥＴ比表面積は１．２ｍ／ｇである。

この二酸化ウランを衝撃板型ジェットミル粉砕機（比較
例で使用したものと同じ）で搬送ガスとして空気を用い
て粉砕し、サイクロン型分級器で分級し、微粉を回収し
た。

この二酸化ウラン粉末の平均粒径は約０．４μ（透気法
による）であり、そのＢＥＴ比表面積は約３ｒｒｌ／ｇ
であった。

また粉末の酸素／ウランの比は、２．０８であり、空気
中での粉末の取り扱いにおいても極めて安定であった。

この粉末を直径１０酊の金型を用いて３ｔΔ耐で成形し
、得られたペレットを水素雰囲気にて１７００℃、４時
間焼結した。

この焼結体の密度は、理論密度に対して９７．５％であ
った。

同粉末を１５５０℃、４時間焼結することにより９６％
の密度が得られた。

以上の比較例と実施例より、二酸化ウラン粉末をジェッ
トミル粉砕機を用いて粉砕することにより、粉砕された
粉末の平均粒径は１μ以下となり、その粉末を成形し、
１５５０℃以上の温度で焼結することにより、容易に理
論密度の９５％以上の密度の焼結体が得られることがわ
かった。

このことより本発明の効果を下記のようにまとめること
ができる。

三酸化ウランを還元し、二酸化ウランとなし、その二酸
化ウランをジェットミル粉砕機で粉砕するという簡単な
工程からなる完全な乾式プロセスにより、湿式法等の他
の製法により得られたものと比較して同等またはそれ以
上の焼結性を示す二酸化ウラン燃料用粉末を製造するこ
とができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核燃料用二酸化ウランペレットの原料粉末の製造方
   法において二硝酸ウラニルを流動層熱分解して得た三酸
   化ウラン粉末を５００℃〜９００℃の温度で水素雰囲気
   中で還元して二酸化ウラン粉末に転化した後、該二酸化
   ウラン粉末を、粉砕機としてジェットミル粉砕機を使用
   し、搬送ガスとして空気を用い、これを超音速で噴出さ
   せて摩砕することを特徴とする二酸化ウラン粉末の製造
   方法０ ２、特許請求の範囲第１項に記載の二酸化ウラン粉末の
   製法であって：アルミナ焼結体製のノズルおよび衝撃板
   を使用することを特徴とする方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の二酸化ウラン粉末の
   製法であって二二酸化ムラン焼結体製のノズルおよび衝
   撃板を使用することを特徴とする方法。 ４ 特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかの項
   に記載の二酸化ウラン粉末の製造法であって、衝撃板型
   ジェットミルを使用することを特徴とする方法。