JPS63214693A - 核燃料焼結体の製造方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、燃料特性にすぐれた核燃料焼結体の製造方法
に関する。

〔発明の背景〕

一般に、原子炉に使用される核燃料は、酸化ウラン（Ｕ
Ｏ２）、あるいは酸化ガドリニウム等の金属酸化物を構
成成分として、これら粉末を粉砕、造粒あるいは混合後
、成形し、更に還元性雰囲気で焼結し、焼結体ベレット
として使用される。

また、従来、気孔形成剤あるいは成形用結合助剤として
、特定の有機物質を、核燃料酸化物粉末に混合してから
、成形、焼結を行う方法も知られている。しかしながら
、上記気孔形成剤あるいは成形用結合助剤の様に焼結工
程において、分解、除去が困難な物質を添加する場合、
気孔形成効果または結合助剤効果をある程度犠牲にして
その添重量を少量に制限したり、あるいは特別の添加物
除去炉を用いて上記金属酸化物成形体の焼結が始まる迄
に添加物の完全な除去を行う必要がある。

このように、従来の方法においては、気孔形成剤や結合
助剤を用いて焼結体の製造を行なう場合にあっては、満
足のいく燃焼特性を存する焼結体を得るためには、種々
の制限があり、製造工程上も問題があった。

〔発明の概要〕

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、上
記の様な製造上の種々の制限を排し、しかも燃焼特性に
すぐれた核燃料焼結体を製造する方法を提供することを
目的としている。

更に具体的には、本発明は有機添加物を混合した核燃料
酸化物成形体の焼結において、同時に添加される酸化状
態の高い核燃料用金属化合物の働きにより、有機添加物
の添加量の制限を排除し、或は特別の添加物除去炉を用
いることなく、通常の還元雰囲気で焼結して正常な微細
構造を得ることを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係る核燃料用
金属酸化物は、（イ）核燃料用金属酸化物粉末、（ロ）
炭素と、窒素、酸素および水素の少なくとも１種から構
成される有機物質添加物、および（ハ）前記（イ）より
も酸化状態の高い核燃料用金属酸化物粉末、からなる核
燃料原料粉末を成形し、次いでこの成形体を還元性雰囲
気中で焼結することを特徴としている。

〔発明の詳細な説明〕

本発明を更に詳細に説明する。以下の記載において量を
表わす「％」は特に断らない限り重量基準である。

核燃料用金属酸化物 本発明で用いられる核燃料用粉末としては二酸化ウラン
粉末（ＵＯ２）があげられ、この金属酸化物と酸化ガド
リニウム（Ｇｄ２０３）等の中性子吸収物質との混合物
として用いられる核燃料用粉末の粒径は混合前において
約１０〜１５００μｍ程度の範囲が好ましい。

有機物質添加物 本発明で用いられる有機物質としては、炭素と酸素、水
素および窒素の少なくとも１種から構成される有機化合
物が用いられ、具体的には、コハク酸、マレイン酸、フ
マル酸、アジピン酸等が好ましく用いられる。上記添加
物は、焼結体に微小な気孔を形成させる目的の気孔形成
剤として、あるいは、成形体の強度を増加させてカケや
ワレ等の欠損を減少させる結合助剤として作用させる目
的で添加する。

酸化状態の高い核燃料用金属酸化物 本発明で用いられる、酸化状態の高い核燃料用金属酸化
物粉末としては、へ三酸化ウラン粉末（Ｕ３０８）が用
いられ、また、酸化ガドリニウム粉末が混合されたＵ　
Ｏ２粉末原料に対しては、（Ｇｄ、Ｕ）　３０８で表わ
される化合物が用いられ得る。このような酸化状態の高
い核燃料用金属酸化物の添加量は、通常５〜２０％の範
囲が好ましい。また、その粒径は、１５０μｍ以下、で
きれば４４μｍ以下であることが好ましい。

上記の様な酸化物と前記有機物質添加物とを複合的に添
加することによって、前述した従来技術の問題点が解決
できる理由は必ずしも明らかではないが、次の様に考え
ることができる。

すなわち、本発明者らの知見によれば、有機物質を添加
した核燃料用金属酸化物粉末の成形体を還元雰囲気連続
炉で焼結すると、成形体の焼結が開始する迄に大部分の
添加物は分解蒸発して成形体中から除去されるが、シュ
ウ酸アンモニウムあるいは重炭酸アンモニウム等の一部
の添加物を除き、その添加物の一部は分解蒸発しにくい
炭化水素化合物となって成形体中に残留し更に焼結の進
行に伴ってこの残留物に起因して焼結体中に大気孔が生
成したり、結晶粒の成長が阻害されたりして、健全な微
細構造を有する焼結体が得られない場合が多い。ところ
が、上記有機物質に加えてへ三酸化ウラン（Ｕ３０８）
を添加することにより、続く２つの過程によって、残留
炭化水素が二酸化炭素と水に酸化分解して成形体の焼結
が開始する前に添加物が成形体より完全に除去されて上
記微細購造上の問題を解消することが可能となる。一方
、添加したＵ３Ｏ８は還元されてＵＯ２となる。

ここで、Ｕ　３０８の効能としては、Ｕ３Ｏ８が高温で
炭化水素と接触することによりＵ３Ｏ８がＵＯ２となる
ことにより炭化水素が酸化される過程と、更に、Ｕ３Ｏ
８が高温で雰囲気ガス中の水素と反応してＵ３Ｏ８がＵ
０２と成り、また水素はＨＯと成り、このＵ２０が炭化
水素と反応して二酸化炭素を生成する過程を含むものと
考えられる。

製造工程 第１図の工程図に示す様に、まず、所定粒径の核燃料粉
末と有機物添加剤及び酸化状態の高い核燃料粉末を混合
する。この混合は、従来公知のボールミル、ブレンダー
等の乾式混合装置を用いて行なわれ得る。次いで、得ら
れた混合粉末（核燃料原料粉末）を、常法に従い、所望
形状の成形体の金型中に装入し、例えば１〜４ｔｏｎ／
ｃ−程度の圧力で成形して二酸化ウランの理論密度であ
る１　０、　９５　ｇ／ｃｄの４０％ＴＤ〜６０％ＴＤ
の成形体を得る。

次いで、このようにして得られた成形体を、水素または
分解アンモニアガス等の還元性ガス雰囲気中で、例えば
約１６００℃〜１８００℃で約１〜１０時間焼結する。

得られた焼結体は、例えば所望の直径に研削し、これを
燃料被覆管中に充填し、不活性ガスに置換して封入し燃
料棒としてそれらを集めて燃料集合体として原子炉の運
転に供する。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこ
れら実施例に限定されるものではない。

〔実施例〕

まず、有機物添加剤であるマレイン酸をハンマーミルで
粉砕し、その後１００メツシユふるいを通過させておく
。また、Ｕ３Ｏ８も必要ならば粉砕し、１００メツシユ
ふるいを通過させておく。

次に、マレイン酸１．６％とＵ３０８１０％をＵＯ２粉
末に添加し、１５分間混合する。この混合粉末は、成形
圧１．５〜２．０ｔｏｎ／ｃシで加圧成形し、成形体を
モリブデン製の耐熱ボートに装入し、アンモニア分解ガ
ス雰囲気中で１７００〜１８００℃、４時間加熱焼結す
る。この方法で製造したベレットは、有機物添加物の添
加による微細構造や焼結密度への悪影響、即ち、結晶粒
の成長阻害はなくまた大気孔生成による焼結密度の極端
な低下は認められなかった。

上記方法で製造したベレットは金相上の問題もなく、ま
た焼結密度としては９５．３％ＴＤ（ＴＤ−理論密度）
であったのに対し、上記方法と同一の方法でＵ３Ｏ８の
添加だけを省略した方法で製造したベレットはベレット
中心部に大気孔が形成され、焼結密度としては８８．８
％ＴＤである。

このように、Ｕ３Ｏ８添加により有機物添加物の焼結時
におけるベレット金相あるいは焼結密度への悪影響を除
去できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る方法の製造工程を示すフローチャ
ートである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（イ）核燃料用金属酸化物粉末、（ロ）炭素と、窒
   素、酸素および水素の少なくとも１種から構成される有
   機物質添加物、および（ハ）前記（イ）よりも酸化状態
   の高い核燃料用金属酸化物粉末、からなる核燃料原料粉
   末を成形し、次いでこの成形体を還元性雰囲気中で焼結
   することを特徴とする、核燃料焼結体の製造方法。 ２、前記（イ）の核燃料用金属酸化物が ＵＯ＿２およびＧｄ＿２Ｏ＿３から選ばれる、特許請求
   の範囲第１項の製造方法。 ３、前記（ロ）の有機物質添加物が、コハク酸、マレイ
   ン酸、フマル酸、アジピン酸から選ばれる、特許請求の
   範囲第１項の製造方法。 ４、前記（ハ）の核燃料用金属酸化物粉末が、Ｕ＿３Ｏ
   ＿８、（Ｇｄ、Ｏ）＿３Ｏ＿８から選ばれる、特許請求
   の範囲第１項の製造方法。