JPS63179288A - 核燃料ペレツト及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は核燃料ペレット及びその製造方法に係り、特に
高燃焼度領域にあって気体核分裂生成物の放出及びペレ
ットスウェリングの低減を図ることにより性能の向上を
図るものに関する。

（従来の技術） 例えば沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲという）で使用され
る燃料棒は第５図に示すような構成となっている。図中
符号１は円筒状をなす被覆管であり、この被覆管１はジ
ルカロイ−２から構成されている。ここにジルコニウム
合金の一種であるジルカロイ−２を使用するのは、高温
状態における力学的強度が十分であること、冷却材との
反応が小さく安定であること、及び熱中性子の吸収が小
さいこと等の理由による。上記被覆管１内には二酸化ウ
ラン（ＵＯ２）を焼き固めた核燃料ペレット２が複数積
層された状態で収容されている。

また上記被覆管１の上部開口はブレナムスプリング３を
介して上部端栓４により閉塞されており、また下部開口
は下部端栓５により閉塞されている。

上記被覆管１と核燃料ペレット２との間には適切な隙間
が形成されており、また上記ブレナムスプリング３の部
分は上部ブレナム６となっている。

これによって核燃料ペレット２から放出される気体状核
分裂生成物を収容する。尚第６図は上記核燃料ペレット
２の平面図であるとともに、第７図は正面図である。

ところで上記核燃料ペレット２は従来以下の工程により
製造されている。

■まず六フッ化ウラン（ＵＦｓ）を加熱して気体にし、
アンモニア水等に注入し、重ウラン酸アンモン（ＡＤＵ
）等の化合物として沈澱させ、ｌｌＩｌ流過する。

■次に乾燥焼結してハ酸化ウラン（Ｕ３０ｅ　）に形に
する。そして水素還元して二酸化ウラン（ＵＯ２）の粉
末にする。

■上記粉末に結合剤を加えた後、プレスして円柱状のグ
リーンペレットを成形し、これを予備焼結して結合剤を
除去し、その後水素気流中で１６００〜１８００℃に加
熱して数時間の本焼結を行なう。

以上■乃至■の工程を経て９３〜９７％ＴＯ（ＴＤ　：
理論密度）の核燃料ペレット２を得る。

上記工程を経て製造されたペレット２はその組成が全体
に均質であり、そのため線出力密度を上げようとすると
、ペレット２の中心部温度も上昇する。このように燃料
中心温度が高いと、ペレット２内に蓄積したクリプトン
（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ヨウ素（Ｉ２）などの核
分裂生成物がペレット２とその被覆管１との隙間に多量
に放出される。このように気体状核分裂生成物であるク
リプトンあるいはキセノンの放出量が多いと、被覆管１
内の内圧が上昇する。それとともに気体状核分裂生成物
の熱伝導度が予め封入されているヘリウムより低いので
核燃料温度も上昇する。かがる内圧上昇及び温度上昇は
安全上好ましいことではない。さらにヨウ素が多量に放
出されるとジルコニウム合金の一種であるシルカ０イー
２からなる被覆管１の応力腐蝕割れという事態を引起こ
すことも予想される。

ところで、ペレット２はその結晶粒径が大きくなると、
気体状核分裂生成物の放出量が少なくなるとともにクリ
ープ速度も小さくなる。逆に結晶粒径が小さくなると気
体状核分裂生成物の放出量が増大してクリープ速度が大
きくなる。ペレット２と被覆管１との相互作用を緩和す
るにはクリープ速度が大きい方が良く、そのためペレッ
ト２の外周部はクリープ速度が大きい方が望ましい。し
たがって上記相互作用の緩和の観点からすれば、ペレッ
ト２の結晶粒径は小さい方がよい。また上述したように
気体状核分裂生成物の放出量は少ない方が望ましいので
この点では逆に結晶粒径は大きい方が良い。しかしなが
ら従来のペレット２の場合にはその組成が均一であり、
又結晶粒径も一様であるので、クリープ速度の増大及び
気体状核分裂生成物放出量の減少の両方を満足させるこ
とはできなかった。

さらにペレット２の密度が高いと熱伝導率が良好となり
、ペレット２の温度が低下して気体状核分裂生成物の放
出量が減少する。その反面ペレット２内のボイド空間が
小さくなり、特に高温ベレブト２中心部のスエリングが
大きくなってペレット２及び被覆管１の相互作用上問題
となる。

（発明が解決しようとする問題点） このように従来のペレットにあっては、クリープ速度及
び気体状核分裂生成物放出量の減少の両方を満足させる
ことができないこと、及びペレット中心部におけるスエ
リングの問題があり、本発明はこのような点に基づいて
なされたものでその目的とするところは、上述した問題
を解決し得る核燃料ペレットを提供するとともに、その
ような核燃料ペレットを製造する核燃料ペレット製造方
法を提供することにある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） すなわち本発明による核燃料ペレットは、ペレット中心
部領域及びこのペレット中心部領域の外周のペレット外
周部領域とからなり、上記ペレット中心部領域における
結晶粒径及び開気孔率はペレット外周部領域の結晶粒径
及び開気孔率より大きいことを特徴とするものである。

また本発明による核燃料ペレットの製造方法は、ペレッ
トダイス間に配置され二重管構造をなす挿入管の中心部
にペレット中心部領域に装荷されるＵＯ２粉末を挿入す
るとともに外周部にペレット外周部領域に装荷されるＵ
Ｏ２粉末を充填する工程と、上記挿入管を撤去してペレ
ットダイス間にＵＯ２粉末を置く工程と、ペレットダイ
スによりプレスして非均質二重構造グリーンペレットを
成形する工程と、上記非均質二重構造焼結ペレットを焼
結して非均質二重構造焼結ペレットを成形する工程とを
具備したことを特徴とするものである。

（作用） つまり第１の発明による核燃料ペレットは、核燃料ペレ
ットを中心部領域及び外周部領域からなる二重構造とし
、中心部領域における結晶粒径及び開気孔率を外周部領
域のそれより大きくすることにより、まず中心部領域で
は大きな結晶粒径により気体状核分裂生成物の放出が低
減されるとともに気孔が大きくなったのでスウェリング
が効果的に吸収される。一方外周部領域では結晶粒径及
び気孔が小さいので、十分なりリープ速度及び高い熱伝
導率を得ることができる。

又第２の発明による核燃料ペレットの製造方法は上述し
た構成の核燃料ペレットを信頼性轟くかつ容易に製造せ
んとするものである。

〈実施例） 以下第１図乃至第４図を参照して本発明の一実施例、を
説明する。第１図は本実施例による核燃料ペレット１０
１の斜視図であり、図中符号１０２はペレット中心部領
域のＵＯ２であり、又符号１０３はペレット外周部領域
のＵＯ２である。

このように本実施例による核燃料ペレット１０１は二重
構造となっている。上記ペレット中心部領域のＵＯ２粉
末１０２は以下の構成のものである。

■まずＯ／Ｕは２．１０〜２．３０の範囲内で調整され
る。

■つぎにＬ１０２粉末に添加物として結晶粒径増大材、
例えばＴ　ｉｏ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒｚ　Ｏ：１等を約
０．１５ｗｔ％程度で添加する。

■ＬＪＯ２粉末の比表面積を３〜８（ｊ／ｃｍ３の範囲
で調整する。

一方ペレット外周領域のＵＯ２１０３は以下の構成から
なる。

■まずＯ／Ｕを２．００〜２．１０の範囲で調整する。

■ＵＯ２粉末に添加物として焼結密度上昇材例えば、Ａ
Ｊ２（ＯＨ）３又はＡＲを添加する。

■ＵＯ２粉末の比表面積を３ｑ／ＣｌＲ３以下に調整す
る。

かかる構成としたのは、まず中心部領域では結晶粒径及
び開気孔率を大きくすることにより気体状核分裂生成物
の放出を低減させるとともに、スウェリングを効果的に
吸収せんとするものである。

これに対して外周部領域にあっては、結晶粒径及び開気
孔率を小さくすることにより十分なりリープ速度及び高
い熱伝導度を得るものである。

次に上記構成をなす核燃料ペレット１０１の製造方法に
ついて第２図乃至第４図を参照して説明する。

■まず第２図に示す二重置型であって両端開放の挿入管
１０４の内管１０４ａ内に前記ペレット中心部領域に装
填されるＵＯ２粉末１０２を挿入するとともに、上記内
管１０４ａ及び外管１０４ｂとの間にペレット外周部領
域に装填されるＬ＋０２粉末１０３を装填する。尚その
際上記挿入管１０４は予めペレットダイス１０５の間に
配置されている。父上記ペレットダイス１０５は円筒面
を有する側部ダイス１０５ａ、底部に位置する底部ダイ
ス１０５ｂ、及び底部ダイス１０５ｂの上方から降下す
る図示しない可動ダイスとから構成されている。

■次に第３図に示すように挿入管１０４を撤去する。そ
の状態でペレットダイス１０５の可動ダイスを降下させ
てプレスし、非均質二重構造グリーンペレットを成形す
る。

■そして酸化性雰囲気、例えばＣＯ２／ＣＯ＞１の混合
ガス中もしくはアルゴンガスに少量の酸素ガスを加えた
ガス中において焼結を施す。それによって非均質二重構
造焼結ペレットを成形する。

尚第４図に以上の工程を順に示す。

以上本実施例によると以下のような効果を奏することが
できる。まず本実施例による核燃料ペレット１０１によ
ると、ペレット中心部領域では結晶粒径が大きいため気
体核分裂生成物の放出が少なくなり、又気孔が大きいた
めペレットのスウェリングが効果的に吸収される。一方
外周部領域では結晶粒径が小さくかつ気孔が小さいので
、十分なりリープ速度及び高い熱伝導率が得られる。し
たがってこのような核燃料ペレット１０１を装荷して燃
料棒を構成した場合に、燃料棒の被覆管の内圧上昇及び
温度上昇は効果的に抑制されるとともに、被覆管の応力
腐蝕割れも防止される。このように従来の問題を全て効
果的に解消することができ、信頼性の高い燃料を提供し
、それによって燃料はもとよりそれを使用するプラント
の信頼性を大幅に向上させることができる。

また本実施例による核燃料ペレットの製造方法によれば
、上述した高性能の核燃料ペレット１０１を容易にかつ
高い信頼性で製造することができる。特に二重管構造を
なす挿入管１０４の使用により核燃料ペレット１０１の
二重構造は容易に形成されるものである。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明による核燃料ペレット及びそ
の製造方法によると、燃料としての性能が大幅に向上す
るとともに、そのような燃料性能が高い非均質組成の核
燃料を容易に提供することができる等その効果は大であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４因は本発明の一実施例を示す図で、第１
図は核燃料ペレットの斜視図、第２図及び第３図は製造
工程を説明するための断面図、第４図は製造工程を示す
図、第５図は燃料棒の断面図、第６図は核燃料ペレット
の平面図、第７図は核燃料ペレットの正面図である。 １０１・・・核燃料ペレット、１０２・・・ペレット中
心部領域のＵＯ２，３・・・ペレット外周部領域のＵＯ
３，１０４・・・挿入管、１０５・・・ペレットダイス
。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第３図 第４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）ペレット中心部領域及びこのペレット中心部領域
   の外周のペレット外周部領域とからなり、上記ペレット
   中心部領域における結晶粒径及び開気孔率はペレット外
   周部領域の結晶粒径及び開気孔率より大きいことを特徴
   とする核燃料ペレット。
2. （２）上記ペレット中心部領域のＵＯ＿２粉末はＯ／Ｕ
   を２．１０〜２．３０、添加物として結晶粒径増大材を
   混入し、比表面積を３〜８ｇ／ｃｍ＾３とするとともに
   、ペレット外周部領域のＵＯ＿２粉末はＯ／Ｕを２．０
   ０〜２．１０、添加物として焼結密度上昇材を混入し、
   比表面積を３ｇ／ｃｍ＾３とするものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の核燃料ペレット。
3. （３）上記結晶粒径増大材は、ＴｉＯ＿２又はＮｂ＿２
   Ｏ＿５又はＣｒ＿２Ｏ＿３であり、上記焼結密度上昇材
   は、Ａｌ（ＯＨ）＿３又はＡｌであることを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載の核燃料ペレット。
4. （４）ペレットダイス間に配置され二重管構造をなす挿
   入管の中心部にペレット中心部領域に装荷されるＵＯ＿
   ２粉末を挿入するとともに外周部にペレット外周部領域
   に装荷されるＵＯ＿２粉末を充填する工程と、上記挿入
   管を撤去してペレットダイス間にＵＯ＿２粉末を置く工
   程と、ペレットダイスによりプレスして非均質二重構造
   グリーンペレットを成形する工程と、上記非均質二重構
   造グーンペレットを焼結して非均質二重構造焼結ペレッ
   トを成形する工程とを具備したことを特徴とする核燃料
   ペレッの製造方法。
5. （５）ＣＯ２＿／ＣＯ＞１の混合ガス中、又はアルゴン
   ガスに少量の酸素ガスを加えた雰囲気中にて焼結するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の核燃料ペレ
   ットの製造方法。