JPS6323518B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、核燃料ペレツトを調製しそして工程
中生じたスクラツプ二酸化ウランを繰返し使用の
為再循環する為の改善された方法に関するもので
あり、特にはマイクロ波誘導炉におけるマイクロ
波放射を使用することによる二酸化ウランの加工
処理及び再循環用処理方法に関係する。 二酸化ウラン（UO₂）は現在の動力原子炉にお
いてもつとも一般的に使用される燃料であり、
UO₂は一般に焼結ペレツトの形態をとり、これら
ペレツトは燃料棒と呼ばれる細長い中空金属管に
装填されそして密封される。原子炉の炉心内で核
分裂反応の持続を支持するに充分の濃度において
の核分裂性物質の集積を確立するのはこのような
燃料棒の多数の群集体である。 核燃料ペレツトを製造する為の多数の技術が開
発されてきたが、そのうちもつとも一般的なもの
は、粉末UO₂をペレツト状に冷間プレスし、そし
て生成ペレツトを耐火型炉内で水素中約1700℃の
温度において約３〜６時間焼結することである。
代表的に、プレス後、成形ペレツトは移送ボート
と呼ばれるきわめて耐熱性の移送容器内に置かれ
そして高耐火性のブロツクで内張りされた耐熱焼
結炉を通して押進或いは歩進され、ここでペレツ
トは焼結されて高密度な安定した最終製品に形成
される。しかしながら、このような処理は操業及
び保守に多額の費用を要する特殊な電気加熱式炉
を必要としそしてそのような「プツシヤー」及び
「ウオーキングビーム」型炉の温度範囲は工業技
術の限界にある或いはそれに近いように思われ
る。追加的に、このような炉は、固有に、核燃料
の再処理及び再生に必要とされる遠隔操作型式に
修正するに不適であつた。 核燃料ペレツト調製工程中、かなりの量の、基
準に合わない不甲格焼結UO₂ペレツト及びスクラ
ツプUO₂粉末が発生し、これらは繰返し物として
再循環に供せられる。再循環の為UO₂回収の代表
的な先行技術の方法は、これら材料を大気中で
UO₂がU₃O₈に変換するよう加熱しそしてU₃O₈と
して繰返し材料を再循環に供する即ち核燃料ペレ
ツト調製工程の初期段階において清浄なUO₂及び
有機結合剤粉末に戻して混合することである。
U₃O₈はUO₂とは異つた結晶構造を有しそしてそ
れがUO₂から形成される時構造上の差異は初期構
造を剥離及び崩壊せしめる。再循環の為の先行技
術のUO₂→U₃O₈転換作業は一般的に従来型式の
大気炉において為されそして材料が加熱される時
炉はU₃O₈の崩壊による粉砕を助成するべく揺動
される。 本発明の目的は、核燃料ペレツト調製工程にお
いて使用された耐火型耐熱焼結炉及びUO₂→
U₃O₈転換再循環工程において使用された揺動器
−大気炉組合せ装置をマイクロ波誘導炉に置換え
ることである。これまで、マイクロ波誘導は、加
熱機構として、マイクロ波放射への水分子の感受
作用（サスセプタンス）にほとんど全面的に依存
して使用されてきただけであつた。即ち、材料加
熱の為のマイクロ波の使用はマイクロ波が水分子
に持つ効果に主に依拠してきた。マイクロ波は水
分子の極性に急速な変化をもたらし、それにより
熱を発生する。ここで記載する発明は、UO₂から
U₃O₈の化学量論式を持つ酸化ウランがマイクロ
波放射に感受作用を示し従つてUO₂ペレツトとス
クラツプUO₂粉末が直接マイクロ波放射を感受し
て熱を発生しうることを開示する。従つて、上述
した耐火型焼結炉や大気炉は、はるかに小さなマ
イクロ波誘導炉により代替されうる。 本発明は、先行技術の耐火型焼結炉に伴う燃料
処理の欠点の多くを、焼結時間を減少し、温度の
より迅速な確立を可能ならしめ、一層高い温度の
実現を可とし、エネルギー消費量及び空間占有要
件を軽減し、耐火炉材の磨損を減少若しくはその
必要性を排除し、遠隔位置でのモジユール化運転
に容易に適応たらしめ（モジユール化運転とは一
つのモジユールの損失或いはその損傷が運転全体
を休止しないようなものを云う）、そして一層改
善された高密化及び多孔特性の焼結生成物をもた
らすことにより克服する。追加的に、本発明は、
先行技術の揺動器−大気炉組合せと関連する再循
環工程の欠点の多くを、UO₂をその酸化温度に昇
温する為の昇温時間を短縮し、焼結UO₂ペレツト
の静的な崩壊による粉砕化を可能ならしめ以つて
繰戻して混合の為のU₃O₈粉末を一層効率的に生
成することにより克服する。 本発明は、マイクロ波誘導炉におけるマイクロ
波放射による加熱の概念を利用して核燃料ペレツ
トを調製しそして二酸化ウランを再循環する為の
改善方法に関係する。代表的に、ペレツト調製工
程中、二酸化ウランと有機結合剤粉末は混合され
そして後プレスされたペレツト突固め体の形態へ
と成形されそしてプレスされる。プレス突固め体
はその後、マイクロ波誘導炉において還元雰囲気
下で加熱され、焼結されそして焼結温度に保持さ
れ、その後焼結体は還元雰囲気条件を継続したま
ま室温に冷却される。冷却後、焼結体は所望され
る仕上げ二酸化ウランペレツト生成物に研磨され
る。ペレツト調製中発生する、或る量のスクラツ
プ二酸化ウラン粉末と不甲格焼結二酸化ウランペ
レツトは繰返し再使用の為マイクロ波誘導炉に置
かれ、ここで繰返し材料は酸化性雰囲気中で加熱
される。炉において、再循環二酸化ウランは
U₃O₈粉末に酸化されそして後核燃料ペレツト調
製工程の初期段階において二酸化ウランと有機結
合剤粉末との混合の為戻して移送される。 以下、本発明について具体的に説明する。 原子炉の燃料として作製される核燃料ペレツト
は、二酸化ウラン（UO₂）粉末（化学量論的出発
粉末はUO_2.05〜2.15として表わしうるけれども斯界
ではUO₂が採用された）を出発材としそしてそれ
を市販入手しうる有機結合剤粉末と混合すること
により製造される。有機結合剤の量は臨界的では
ないが、混合物の約0.1〜0.3重量％の範囲とすべ
きであり、残部が99.7〜99.9％のUO₂である。こ
の量で成形及びプレス中粉末を互いに保持するに
充分である。混合時間は均質な混合物を生成する
に充分とすべきである。混合後、混合物は生ペレ
ツト突固め体へと成形されそして冷間プレスされ
る。プレス力は粉末をその理論混合物密度の約50
％に突固めるに充分のものとされ、その決定は突
固め体の長さ、直径及び重量に基く。その後、突
固め体は、マイクロ波誘導炉において実質上窒素
（N₂）及び水素（H₂）ガス混合物特定すれば約
75％H₂−25％N₂ガス混合物から成る還元性雰囲
気において加熱されそして焼結される。しかし、
任意の還元性雰囲気が使用しうる。焼結温度は約
1600〜1800℃の範囲にありそして突固め体は理論
密度の約95％の突固め焼結密度を実現するべくそ
の焼結温度において２〜６時間還元雰囲気下でマ
イクロ波炉内に保持される。還元性雰囲気中での
焼結は、超化学量論的出発粉末UO_2.05〜2.15をUO₂
に還元する。焼結後、突固め体はほぼ室温に冷却
され、冷却も還元性雰囲気で実施される。冷却
後、焼結体は所望のUO₂仕上げペレツト生成物へ
と研削・研磨される。 上記核燃料ペレツト製造工程はまた、成形及び
プレス段階後しかし焼結段階前に追加的工程段階
を含んでも実施されうる。しかし、追加段階を使
用すると、上記プレス力は粉末をその理論混合物
密度の約44％まで突固めるに充分のものとなる。
追加段階としては、突固め体をスクリーンを通し
て粗砕して粗砕物（granulate）を形成しそして
後それを冷間プレスしてプレスペレツト突固め体
を形成することが含まれ、その場合粗砕物プレス
力は理論密度の約50％まで粗砕物を突固めるに充
分のものである。追加的に、U₃O₈粉末が燃料調
製工程の第１段階においてUO₂及び有機結合剤粉
末と混和されうる。U₃O₈粉末添加量は、混合物
の約５重量％であり、残部は約0.1〜0.3％結合剤
及び約94.7〜94.9％UO₂である。ペレツト突固め
体のU₃O₈成分は、還元雰囲気中での焼結に際し
てUO₂に変換される。 化学量論式UO₂〜U₃O₈を持つ酸化ウランは約
2450MHzにおけるマイクロ波放射（標準台所型マ
イクロ波オーブンの周波数）に直接感受性を持
ち、非常に高温の赤熱温度にまで急速に昇温する
ことが認められた。上記周波数の従来型式のマイ
クロ波オーブンがその入手容易性の故にここでの
使用の為に選択されたが、異つた周波数で作動す
る他のマイクロ波誘導炉も、従来型式であれ、そ
れでないにしろ、使用可能であることを理解すべ
きである。アルミナ、シリカ、ニオビア、リチア
及びグラフアイトを含む他のセラミツク材料は
2450MHzにおけるマイクロ波放射に容易には感受
性を示さない。 化学量論式UO₂〜U₃O₈を持つ酸化ウランがマ
イクロ波放射に直接的感受作用を示すことを確認
する為の試験が、生プレスUO₂ペレツト突固め体
をアルミナ管内に置き、管を従来型式の2450MHz
マイクロ波オーブン内に装入し、還元性雰囲気を
管内に導入する為の手段を設け、管両端を耐火断
熱材で栓蓋しそして管をペレツト突固め体と共に
オーブン内でN₂及びH₂ガス混合物の還元性雰囲
気において加熱することにより実施された。加熱
は最初20の電力設定値において２分間（これはオ
ーブン出力の100％がその時間の20％送られたこ
とを意味する）実施された。20の初期電力設定値
は、僅かに収蔵される湿分の大半を除去するに充
分であり、その後30の電力設定値に増大されそし
て５分間保持されて、残存水分を除去した。その
後電力は、70の設定値に10分間増大されそして後
100設定値に追加15分増加された。アルミナ管自
体はマイクロ波放射に対して透過性であり、マイ
クロ波放射の通過を許容しそして突固め体の通常
の耐火炉に固有の外から内ではなく内から外への
加熱を許容する。1370℃への加熱は僅か15分後に
実現された。管内からの明滅する白熱は70電力設
定値に入つて約５分で始まりそして白熱状態は
100の最大出力設定値において一定となり、1620
℃の焼結温度が管の外表面において測定された。
100の電力設定値が追加15分間保持されそして後
突固め体はオーブン内でほぼ室温まで冷却され、
その間還元雰囲気が連続的に維持された。突固め
体の密度測定が為された。結果は次の通りであ
る：

【表】 追加的な試験が、核燃料ペレツト調製において
もつとも一般的に見られる寸法のUO₂ペレツト突
固め体について実施された。焼結時間が４時間ま
で増大されそして突固め体が約0.3cmの内径を有
したことを除いて試験は上述したようにして実施
された。突固め密度測定が為され、結果は次の通
りである：

【表】 アルミナが発生する高温に耐えることができし
かもマイクロ波場と相互作用しないが故に、アル
ミナが焼結室における使用の為選択された。金属
部材はそれらがマイクロ波を反射するから考慮し
えない。核燃料調製工程中、突固め体はアルミナ
管内に密封される必要はなく、アルミナボート、
容器或いはマイクロ波放射に透過性の他の材料の
ものがマイクロ波誘導炉内で突固め体に対する支
持手段として使用されうる。二酸化ウランと有機
結合剤とのそして二酸化ウラン及びU₃O₈と有機
結合剤との試験突固め体はすべてマイクロ波放射
に感受作用を示し、斯くしてマイクロ波誘導焼結
炉が耐火型焼結炉に好都合に代替しうることを示
す。 スクラツプ二酸化ウランの繰返し循環使用も核
燃料調製工程の重要な付属作業である。ペレツト
調製中、繰返し使用に供しうる或る量の焼結二酸
化ウランペレツト及び二酸化ウラン粉末が発生す
る。仕様に合わない焼結ペレツト及び焼結体研磨
段階中発生する二酸化ウラン研削屑或いは粉末
が、アルミナボート容器或いはマイクロ波透過性
の材料のものに載せて、マイクロ波誘導炉に搬入
されて、そこで再処理及び再循環に供される。追
加的に、任意の他のスクラツプ二酸化ウランが添
加しえそしてこの態様で処理されうる。マイクロ
波炉において少くとも200℃のその酸化温度への
材料の加熱は、酸化雰囲気（一般には空気）中で
のマイクロ波放射により達成され、ここでUO₂は
U₃O₈粉末に酸化される。特定の加熱時間及び温
度は臨界的でないが、加熱は材料を細い黒色粉末
に変換するに充分の期間行わねばならず、それは
材料の量に依存するが一般に400〜500℃のおおよ
その温度範囲において約20〜40分で達成される。
炉において、ペレツトは外側ペレツト表面が
U₃O₈に酸化しそしてUO₂内部ペレツトからUO₂
とU₃O₈間の密度差（UO₂の方が大きい密度を持
つ）により剥離する点にまで加熱される。新しい
未酸化表面が次々と露呈されるので、酸化過程
は、ペレツト全体が黒色U₃O₈粉末に酸化される
まで続行される。二酸化ウラン粉末或いは研削屑
は既に粉状形態にあり従つて炉内での酸化性雰囲
気においての加熱に際して、屑粉は迅やかに
U₃O₈粉末に変換されよう。炉を離れる酸化生成
物は細いU₃O₈粉末であり、これは冷却後核燃料
ペレツト調製工程において二酸化ウラン及び有機
結合剤粉末に繰返して混合するに好適である。 再循環用炉内での加熱は、連続的にも或いは間
欠的にも行いうる。しかし、ペレツトの酸化は、
電力出準を交互に変える、即ち電力オンと続いて
のオフサイクル下でのマイクロ波加熱により向上
される。或る期間電力をオンにして続いて或る期
間オフにした後、マイクロ波放射が再開される時
UO₂ペレツトはきわめて急速に昇温する。焼結ペ
レツトは、ペレツトが酸化されている間マイクロ
波源をオン及びオフに単に切換えることにより完
全に粉砕化された。UO₂材料が酸化温度を越えた
時、マイクロ波放射に対するその感受性は非常に
高い。マイクロ波放射が中断される時、材料は冷
え始めるがまだ尚酸化しつつある。マイクロ波放
射が再導入されると、材料は迅やかに白熱温度に
戻る。急速な昇温と冷却はペレツト構造中に多大
の熱応力を生起せしめる。この熱応力は、UO₂と
U₃O₈との間の密度差により導入される応力と相
俟つて静的な状況下でペレツトの破砕をもたら
す。冷却サイクル毎に新しい表面が露出され、酸
化を完了時まで継続せしめる。 研究室での試験は、従来型式の2450MHzマイク
ロ波オーブン内に置かれたUO₂粉末のサンプルが
酸化性雰囲気中でマイクロ波放射に直接的に感受
性を示すことを確立した。約５ｇの重さのUO₂粉
末サンプルは、１分以内に赤熱して輝きそして酸
化は空気と接触している表面すべてにおいて起つ
ている。試験の結果、マイクロ波場に置かれた焼
結ペレツトが約１〜２分以内にマイクロ波を感受
しそして酸化が進行するにつれペレツトが砕けて
いくこともわかつた。ペレツトの酸化は、電力水
準を50の電力設定値に設定することにより向上さ
れる。ペレツトは、マイクロ波がオンとオフを繰
返すに際しての誘起熱応力と密度差に由り崩壊す
る。オン／オフ即ち間欠的マイクロ波放射を提供
する減少せる電力設定は、熱応力と密度差を創生
してペレツトを崩壊せしめ、次々と酸化に供され
る新しいUO₂面を増大することにより酸化を向上
した。 以上、本発明について説明したが、本発明の精
神内で多くの改変が為しうることを銘記された
い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (a) 所定量の二酸化ウランと有機結合剤粉末
   を混合する段階と、 (b) 混合物をプレスされたペレツト突固め体に成
   形しそしてプレスする段階と、 (c) マイクロ波誘導炉において還元雰囲気下で突
   固め体を加熱しそして焼結する段階と、 (d) 突固め体を該還元雰囲気において焼結温度に
   所定の時間保持する段階と、 (e) 還元雰囲気を維持したまま焼結体をほぼ室温
   まで冷却する段階と、 (f) 焼結体を所望の仕上りペレツト生成物に研削
   する段階と を包含する核燃料ペレツトを調製する方法。 ２ プレスが約50％の理論突固め密度を実現する
   に充分である特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ プレスが約44％の理論突固め密度を実現する
   に充分である特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 段階(b)と(c)との間で、突固め体がスクリーン
   を強送されて粗砕物を形成しそして粗砕物プレス
   されたペレツト突固め体にプレスされる特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ５ プレスが約50％の理論突固め密度を実現する
   に充分である特許請求の範囲第４項記載の方法。 ６ 突固め体が約1600〜1800℃の範囲における温
   度においてマイクロ波誘導炉内で焼結される特許
   請求の範囲第１項記載の方法。 ７ 還元雰囲気がN₂＋H₂ガス混合物から成る特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ８ ガス混合物が約75％H₂−25％N₂である特許
   請求の範囲第７項記載の方法。 ９ 段階(a)の二酸化ウラン及び有機結合剤粉末の
   量がそれぞれ約99.7〜99.9％及び0.1〜0.3％（重
   量％）である特許請求の範囲第１項記載の方法。 １０ 段階(d)の保持時間が約２〜６時間である特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 １１ 段階(a)の二酸化ウラン及び有機結合剤との
   混和の為所定量のU₃O₈粉末が添加される特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 １２ U₃O₈粉末が混合物の約５重量％である特
   許請求の範囲第１１項記載の方法。 １３ 核燃料ペレツトの調製中発生する不甲格焼
   結二酸化ウランペレツト及びスクラツプ二酸化ウ
   ラン粉末を繰返し使用の為再循環する方法であつ
   て、 焼結二酸化ウランペレツト、スクラツプ二酸化
   ウラン粉末或いはその組合せをマイクロ波誘導炉
   に搬入する段階と、 マイクロ波誘導炉内の搬入材料を酸化雰囲気中
   で加熱して二酸化ウランをU₃O₈粉末に酸化する
   段階と、 核燃料ペレツト調製工程において二酸化ウラン
   及び有機結合剤粉末との混合のためU₃O₈を移送
   する段階とを包含する前記再循環方法。 １４ マイクロ波誘導加熱炉内の加熱が連続的で
   ある特許請求の範囲第１３項記載の方法。 １５ マイクロ波誘導炉内の加熱が間欠的である
   特許請求の範囲第１３項記載の方法。