JP2014529738A5

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Publication number: JP2014529738A5
Application number: JP2014526481A
Authority: JP
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2032-08-21

Description

本発明は、ウラン、必要に応じてプルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーアクチニドを含んでいる多孔性核燃料を製造するための方法であって、これらの構成要素の粉末化合物に関与しない工程を実現する方法に関する。

この方法は、上述の燃料中に上記のマイナーアクチニドを組み込むことによって、マイナーアクチニドをリサイクルするのにおいて特に適用を見出し得、これは、上記マイナーアクチニド元素の変換の機構を特にさらによく理解するために核変換実験を行うことを視野に入れて、原子炉用の核燃料棒を構成するか、または核変換標的の構成の一部となるように用いることを意図している。

この詳細な説明の残りにおいて、マイナーアクチニドとは、標準的な燃料の核による中性子の連続的な捕獲によって炉内で形成される、ウラン、プルトニウムおよびトリウム以外のアクチニド元素を意味しており、マイナーアクチニドは、アメリシウム、キュリウムおよびネプツニウムであることが指摘されよう。

操作において、ウランベースの燃料で作動する加圧水型原子炉は、核***生成物を生じ、そのいくつかは、ガスの形態、および重金属元素：マイナーアクチニドである。後者は、燃料の核の連続的な中性子捕獲によって形成され、主には、ネプツニウム、アメリシウムおよびキュリウムの同位体である。それらは、強力なα放射の供給源であり、かなりの量のヘリウムガスの放出である。安全性の目的のためには、従って、新しいウランベースの燃料は、内因的に、それらの製造から統合される燃料の使用の間に、または貯蔵の間に生じるこれらの現象に起因して、燃料の物理的な分解なしに崩壊からこれらの核***ガスおよびヘリウムを排出することを可能にする、照射下で安定なレベルの空隙率である、無視できない量のマイナーアクチニドを有することが好ましい。

使用後、マイナーアクチニドを含んでいる燃料は現在、以下のような公知の２つの別々の経路によってリサイクルされる：
−不均一リサイクル；および
−均一リサイクル。

不均一リサイクルの場合には、マイナーアクチニドが、消費燃料の処理の間に、ウランおよびプルトニウムから分離され、次いで、原子炉の標準的な核***性の燃料要素から分けられて、高レベルで核原料の（ｆｅｒｔｉｌｅ）燃料要素に組み込まれる。マイナーアクチニドを含んでいるこの燃料要素は、例えば、原子炉の炉心の周囲上に配置されたカバー構成要素から構成されてもよい。このリサイクル経路によって、具体的には、材料の流量の低下に対するこれらのアクチニドによって生じるリサイクルの問題に集中することにより、マイナーアクチニドを組み込んでいる非標準的な燃料によって原子炉の炉心の特徴を悪化させることを回避することが可能になる。

均一リサイクルの場合は、マイナーアクチニドが低レベルで混合され、原子炉の標準的な燃料要素の全体において、準一様の方式で分配される。そうするために、消費された燃料の処理の間、ウラン、プルトニウムおよびマイナーアクチニドを一緒に処理して、酸化物を形成し、次いで、これをこのような燃料の製造に用いる。

原子炉心について意図される燃料中のマイナーアクチニドの導入は、マイナーアクチニドが使用の間に生じる燃料についてと同じ方法で、これらの燃料内で、核***ガスのかなりの放射、および強力なα放射を、生じる。安全上の理由により、照射下で安定なレベルの多孔性を有する微細構造を有する燃料であって、さらに、燃料の物理的な分解なしに崩壊から核***ガスおよびヘリウムを排出することを可能にする燃料を提供することが必要である。このような燃料について推奨される多孔性のレベルは、生成されるヘリウムの放出を促進して、マイナーアクチニドの生成によって誘発される自己照射の後の燃料の膨張の現象を回避することを容易にするように、多孔性が開放気孔率でなければならないのと同じように、１４〜１６％程度の大きさでなければならない。

このようなレベルにアプローチするか、または獲得さえするように試みるには、前述の酸化物の混合／破砕の工程の間に、燃料前駆体中にかなりの量の有機の多孔質の剤を組み込むことが公知である。それにもかかわらず、マイナーアクチニドの存在によって生成される高レベルのα放射を想定すれば、有機の多孔性の剤の耐久性は保証されない。実際上、現在用いられる多孔性剤（例えば、アゾジカルボンアミド）は、その多孔性を極めて急速に失い、これによってマイナーアクチニドの存在のせいで管理することが困難な、かなりの棄却率が生じ得る。従って、燃料を構成することを意図した前駆体混合物を貯蔵できないこと、および多孔性剤の分解のせいで、燃料ペレットのフリッティングの前の膨潤のリスクが燃料の構成へ加わることが考えられる。従って、多孔性が制御されている燃料を得ることは不可能である。

従って、本発明は、ウラニウム、必要に応じてプルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーアクチニドを含む多孔性燃料を製造するための方法であって、以下の一連の工程：
ａ）二酸化ウランＵＯ_２の形態で酸化ウラン、必要に応じて酸化プルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物を含んでいる第一の種類の凝集体、ならびに八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態で酸化ウラン、必要に応じて酸化プルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物を含んでいる第二の種類の凝集体を含んでいる混合物を圧縮する工程と；
ｂ）八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の全てまたは一部を二酸化ウランＵＯ_２に還元するために、還元媒体中でこの圧縮混合物を還元する工程と、
を包含する、方法に関する。

上述のとおり、上記圧縮工程は、二酸化ウランＵＯ_２の形態で酸化ウラン、必要に応じて酸化プルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物を含んでいる第一の種類の凝集体、ならびに八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態で酸化ウラン、必要に応じて酸化プルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物を含んでいる第二の種類の凝集体を含んでいる混合物に対して行われる。

上記第一の種類の凝集体または第二の種類の凝集体のいずれについても、酸化マイナーアクチニドは、酸化アメリシウム、例えば、ＡｍＯ_２、Ａｍ_２Ｏ_３、酸化キュリウム、例えば、ＣｍＯ_２、Ｃｍ_２Ｏ_３、酸化ネプツニウム、例えば、ＮｐＯ_２およびそれらの混合物であってもよい。

第二の種類の凝集体に関して、以下の一連の操作の実施によって、これらが有利に調製され得る：
ｉ）水酸化硝酸ウラニルの錯体の形態でウランおよび必要に応じてプルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドを硝酸プルトニウムの形態でおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドの硝酸塩を含む硝酸溶液を含んでいる荷電溶液を調製するという操作と；
ｉｉ）この溶液を、カルボン酸基を含む陽イオン交換樹脂を通過させるという操作であって、この樹脂が、カルボン酸基を含んでいる陽イオン交換樹脂のビーズから構成されており、その結果、ウラニル型のウランおよび必要に応じてプルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドが陽イオン型で該樹脂に固定されたままである、操作と；
ｉｉｉ）酸素を含んでいる媒体中でのこの樹脂の熱処理の操作であって、それによってこの第二の種類の凝集体（すなわち、さらに具体的には、八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態で酸化ウラン、必要に応じて酸化プルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーのアクチニド酸化物を含んでいる球状の凝集体）を得る操作。

この荷電溶液は、これがさらにプルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドを硝酸プルトニウム（例えば、Ｐｕ（ＩＩＩ））および／または少なくとも１つのマイナーアクチニドの硝酸塩の形態で含む場合、以下の方式で調製されてもよい：
−このアクチニドの硝酸塩および／またはプルトニウム元素を含んでいる第一の硝酸溶液の調製と；
−所定の量の酸化ウランＵＯ_３または必要に応じてＵ_３Ｏ_８の、上記第一の溶液への導入であって、この量は、式ＵＯ_２（ＮＯ_３）_２−ｘ（ＯＨ）_ｘ（ここでｘ≦１である）という水酸化された硝酸ウラニルの錯体、例えば、式ＵＯ_２（ＮＯ_３）_１．５（ＯＨ）_０．５という２５％の割合まで水酸化された硝酸ウラニルの錯体を形成するように固定されている；導入と
−得られた溶液を、好ましくは環境温度で混合する工程であって、必要に応じてその後に濾過する工程が続く工程。

最終的に、樹脂を、酸素を含む媒体中で、熱処理の操作に供して、それによって、八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態で酸化ウラン、必要に応じて酸化プルトニウム、および／または少なくとも１つのマイナーアクチニドの酸化物を含んでいる球状の凝集体を得る。

この熱処理操作は従来は、八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８、必要に応じて酸化プルトニウム、および／または少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物の形成を得るために十分な温度および期間、行われる。この効率的な温度および期間は、所望の相が得られるまで、単純な試験によって当業者によって容易に決定され得、これらの相は、Ｘ線回折のような単純な分析技術によって検出できる。

上記第一の種類の凝集体に関して、それらは、八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態で酸化ウランを、必要に応じて酸化プルトニウム、および少なくとも１つのマイナーアクチニドの１つ以上の酸化物と会合して含んでいる凝集体の還元によって調製されてもよく、この凝集体は、上記で定義されるような一連の操作ｉ）、ｉｉ）およびｉｉｉ）の実行によって予め調製され得る。

この還元は、第一の種類の凝集体、すなわち、二酸化ウランＵＯ_２の形態で酸化ウラン、必要に応じて酸化プルトニウム、および必要に応じて少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物を含んでいる凝集体を得るために、凝集体に有効な温度および期間を加えることから構成され得る。この効率的な温度および期間は、所望の相が得られるまで単純な試験によって当業者によって容易に決定され得、これらの相は、Ｘ線回折のような単純な分析技術によって検出できる。

Claims

ウランを含んでいる、多孔性燃料を製造するための方法であって、以下の一連の工程を包含する方法。：
ａ）二酸化ウランＵＯ_２の形態で酸化ウランを含んでいる第一の種類の凝集体、ならびに八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態で酸化ウランを含んでいる第二の種類の凝集体を含んでいる混合物を圧縮する工程と；
ｂ）八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の全てまたは一部を二酸化ウランＵＯ_２に還元するために、還元媒体中でこの圧縮混合物を還元する工程であって、
前記第二の種類の凝集体が、以下の一連の操作によって前記圧縮工程の前に調製される工程：
ｉ）水酸化硝酸ウラニルの錯体の形態でウランを含む硝酸溶液を含んでいる荷電溶液を調製する操作と；
ｉｉ）該溶液を、カルボン酸基を含む陽イオン交換樹脂を通過させるという操作であって、該樹脂が、カルボン酸基を含んでいる陽イオン交換樹脂のビーズから構成されており、その結果、ウランがウラニル型で該樹脂に固定されて残存する、操作と；
ｉｉｉ）酸素を含んでいる媒体中での該樹脂の熱処理の操作であって、それによって該第二の種類の凝集体を得る操作。
ウラン並びにプルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドを含んでいる、請求項１に記載の多孔性燃料を製造するための方法であって、以下の一連の工程を包含する方法。：
ａ）二酸化ウランＵＯ _２の形態で酸化ウラン並びに酸化プルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物を含んでいる第一の種類の凝集体、ならびに八酸化三ウランＵ _３Ｏ _８の形態で酸化ウラン並びに酸化プルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニド酸化物を含んでいる第二の種類の凝集体を含んでいる混合物を圧縮する工程と；
ｂ）八酸化三ウランＵ _３Ｏ _８の全てまたは一部を二酸化ウランＵＯ _２に還元するために、還元媒体中でこの圧縮混合物を還元する工程であって、
前記第二の種類の凝集体が、以下の一連の操作によって前記圧縮工程の前に調製される工程：
ｉ）水酸化硝酸ウラニルの錯体の形態でウラン並びにプルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドを硝酸プルトニウムの形態でおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドの硝酸塩を含む硝酸溶液を含んでいる荷電溶液を調製する操作と；
ｉｉ）該溶液を、カルボン酸基を含む陽イオン交換樹脂を通過させるという操作であって、該樹脂が、カルボン酸基を含んでいる陽イオン交換樹脂のビーズから構成されており、その結果、ウランがウラニル型で並びにプルトニウムおよび／または少なくとも１つのマイナーアクチニドが陽イオン型で該樹脂に固定されて残存する、操作と；
ｉｉｉ）酸素を含んでいる媒体中での該樹脂の熱処理の操作であって、それによって該第二の種類の凝集体を得る操作。
前記第一の種類の凝集体が、球状を有する、請求項１または２に記載の多孔性燃料を製造するための方法。
前記第二の種類の凝集体が、球状を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料を製造するための方法。
前記第一の種類の凝集体が、前記圧縮工程の前に調製される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料を製造するための方法。
請求項５に記載の燃料を製造する方法であって、前記第一の種類の凝集体が、八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態での酸化ウランを含んでいる凝集体の還元によって製造される、方法。
請求項６に記載の燃料を製造する方法であって、前記凝集体に含まれる八酸化三ウランＵ _３Ｏ _８の形態での酸化ウランが、酸化プルトニウムと会合した八酸化三ウランＵ _３Ｏ _８の形態での酸化ウランである、方法。
請求項６または７に記載の燃料を製造する方法であって、前記凝集体が、さらに少なくとも１つのマイナーアクチニドの１つ以上の酸化物を含んでいる、方法。
請求項６〜８のいずれか１項に記載の方法であって、前記八酸化三ウランＵ_３Ｏ_８の形態での酸化ウランを含んでいる前記凝集体が、請求項１で定義されたｉ）、ｉｉ）およびｉｉｉ）の一連の操作に由来する、方法。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法であって、前記第二の種類の凝集体が、５０μｍを超える平均直径を有している球体の形態である、方法。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法であって、前記第二の種類の凝集体が、１００〜１２００μｍの平均直径を有している球体の形態である、方法。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法であって、さらに、前記第一の種類の凝集体および前記第二の種類の凝集体の乾燥混合の工程を包含し、該混合工程が、前記圧縮工程の前に実行される、方法。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法であって、前記還元工程ｂ）が、１〜１２時間におよぶ期間、６００〜１０００℃におよぶ温度で還元ガスを含んでいる流れの通過によって行われる、方法。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法であって、前記工程ｂ）の後に、焼結工程を包含する、方法。
請求項１４に記載の方法であって、前記焼結工程が、１〜１２時間におよぶ期間、１０００〜１９００℃におよぶ温度で加熱することによって行われる、方法。