JP2020508437A

JP2020508437A - 焼結した核燃料ペレット、燃料棒、核燃料集合体、および焼結した核燃料ペレットの製造方法

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Publication number: JP2020508437A
Application number: JP2019536883A
Authority: JP
Inventors: サイモンミドルバーグ; ラースハルスタディウス; マティアスプイデ
Original assignee: ウェスティングハウスエレクトリックスウェーデンアーベー
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-01-15
Also published as: SI3364418T1; WO2018153572A1; TW201838952A; TWI746754B; EP3364418B1; JP7113828B2; EP3364418A1; US20200234833A1; ES2879654T3

Abstract

焼結した核燃料ペレット（１０）、燃料棒、核燃料集合体、および核燃料ペレットの製造方法を、開示する。ペレットは、ＵＯ２のマトリックス（２０）と、マトリックス中に分散された粒子（２１）とを含む。粒子は、ウラン含有材料を含む。粒子の各々は、金属コーティングによって封入される。ウラン含有物質は、ＵＯ２のウラン密度よりも高いウラン密度を有する。金属コーティングは、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、ＶおよびＮｂの群から選択される少なくとも１つの金属からなる。【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、原子炉、例えば、沸騰水型原子炉ＢＷＲおよび加圧水型原子炉ＰＷＲのような軽水炉を含む水冷却炉に使用するのに適した焼結した核燃料ペレットに関する。焼結した燃料ペレットはまた、次世代原子炉、高速炉、例えば鉛高速炉、およびサーマルリアクター、例えば小さいモジュール炉の両方に使用するのに適している。

特に、本発明は、請求項１の序文に記載の焼結した核燃料ペレットに関する。本発明はまた、原子炉で使用するための燃料棒および核燃料集合体に関する。さらに、本発明は、焼結した核燃料ペレットの製造方法に関する。

今日使用される主要な核燃料は、二酸化ウラン、ＵＯ_２の焼結した核燃料ペレットを含む。二酸化ウランは、２８６５℃の融点を有する優れた核燃料である。しかし、ある点では改善が求められている。ウラン密度の増加は、燃料の経済性を改善するであろう。熱伝導率の増加は、ペレットの原子炉中挙動を改善し、したがって、いわゆる事故耐性燃料ｌ、ＡＴＦを受け入れることができる属性を提供して、ペレットを次世代原子炉により適したものにする。

いくつかの非伝統的なウラン含有材料に関する１つの課題は、それらがＵＯ_２よりも水との反応性が高いことである。これは、特に水冷却炉において、ウラン含有材料を水の浸透からさらに保護する必要性を生じる。

特許文献１は、窒化ウランを含む核燃料に言及する。この先行技術文献の図１には、コーティングが施された窒化ウランの粒子が開示されている。コーティングは、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、または酸化ケイ素などの酸化膜、グラファイトなどの炭素コーティング、またはＳｉＣなどの炭素化合物を含む膜、または金属膜とすることができる。先行技術文献の図５には、ＵＯ_２のマトリックスと、マトリックス中に分散されたコーティングされたＵＮ粒子とを含む核燃料ペレットが開示されている。

別の問題は、特定のウラン含有材料を二酸化ウランと一緒に焼結する能力がかなり低いことである。これらのウラン含有物質は、例えばＨ_２Ｏ／ＣＯ_２とのＨ_２のような、通常の焼結炉条件下では二酸化ウランと相溶性ではない。

特開平１１−２０２０７２号公報

本発明の目的は、高いウラン密度および高い熱伝導率、特に従来の二酸化ウランよりも高いウラン密度および高い熱伝導率を有する改良された核燃料ペレットを提供することである。さらなる目的は、高密度ウラン含有材料の使用に関する上記の問題を克服することである。

この目的は、最初に定義した焼結した核燃料ペレットであって、金属コーティングが、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、ＶおよびＮｂの群から選択される少なくとも１つの金属からなることを特徴とする前記焼結した核燃料ペレットによって達成される。

これらの金属コーティングによって、（焼結炉または酸化物自体からの）粒子への水および他の酸化剤などの攻撃的な種の浸透を、効率的に防止することができる。水または蒸気が燃料ペレットに到達することを可能にする欠陥燃料被覆の場合にも、水は、粒子および封入されたウラン含有材料に到達することができない。金属コーティングは、原子炉の通常運転中および欠陥燃料棒の場合に、封入されたウラン含有材料がマトリックスの二酸化ウランとのあらゆる接触から分離されることを確実にする。

これらの金属は、粒子上にコーティングとして適用される場合、粒子および二酸化ウラン粉末が一緒に圧縮されて未焼結のペレットになり、圧縮された未焼結のペレットが焼結されて、適切な機械的強度を有する核燃料ペレットになることを可能にする。

金属コーティングは、金属Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、およびＮｂのうちの１つ、またはこれらの金属のうちの２つ以上の合金、例えばＭｏ−Ｃｒ、Ｍｏ−Ｗ、Ｃｒ−Ｗ、もしくはＣｒ−Ｍｏ−Ｗによって形成することができる。これらの金属および合金はすべて、高い融点を有する。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの金属は、粒子上に堆積した原子層である。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの金属は、粒子上に電気めっきされる。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの金属は、ゾル−ゲル技術を介して粒子上に堆積し、続いて加熱処理を行う。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、ケイ化ウラン、窒化ウラン、およびホウ化ウランのうちの少なくとも１つを含む。これらのウラン含有材料は、全て、二酸化ウランよりも高いウラン密度を有することができ、したがって、二酸化ウランの標準的な核燃料ペレットと比較して、核燃料ペレットの燃料経済性を改善することに寄与することができる。これらのウラン含有材料はまた、二酸化ウランよりも高い熱伝導率を有することができ、したがって、二酸化ウランの標準的な核燃料ペレットと比較して、原子炉の運転中の核燃料ペレットの熱輸送効率を改善することができる。

二酸化ウランと比較してウラン含有材料の水との反応性が増大するという問題は、前記金属Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、ＶおよびＮｂの少なくとも１つによる粒子の金属コーティングによって、的確な方法で解決される。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＳｉ、Ｕ_３Ｓｉ、Ｕ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３、ＵＮおよびＵＢ_２のうちの少なくとも１つを含むかまたはそれからなる。これらのウラン含有材料はすべて、高いウラン密度および高い熱伝導率という上述の基準を満たす。これらはすべて、前記金属の少なくとも１つの金属コーティングを適用して、カプセル化された粒子を生成することを可能にする。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、ＵＮおよびＵ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３の少なくとも１つを含み、ウラン含有材料の窒素は、天然のＮよりも高い割合の同位体^１５Ｎ、例えば、同位体^１５Ｎの少なくとも６０、７０、８０、または９０質量％を含有するように濃縮される。

本発明の一実施形態によれば、粒子はまた、中性子吸収体を含む。中性子吸収体を有する粒子を含む燃料ペレットは、例えば、原子炉の核燃料集合体のいくつかにおける燃料棒のいくつかにおいて、例えば、燃料サイクルの間に、原子炉の反応性を経時的に制御するために、有利に使用され得る。

本発明の一実施形態によれば、中性子吸収体は、ＺｒＢ_２を含む。ＺｒＢ_２は、３２４６℃という極めて高い融点を有し、したがって、ペレットの動作温度に容易に耐えることができた。例えば、粒子は、ＵＮおよびＺｒＢ_２の混合物、またはＵ_３Ｓｉ_２およびＺｒＢ_２の混合物を含み得る。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、ＵＢ_Ｘ、とりわけＵＢ_２を含み、前記ＵＢ_Ｘのホウ素は、前記中性子吸収体を形成する。

本発明の一実施形態によれば、ホウ素は、天然のＢよりも高い割合の同位体^１０Ｂ、例えば、少なくとも２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０または９０重量％の同位体^１０Ｂを含有するように濃縮される。

本発明の一実施形態によれば、粒子は、１００ミクロン〜２０００ミクロンの範囲にある最大伸長を有する。粒子は、任意の形状、例えば、ボール形状または球形状を有することができ、最大伸長は、粒子の直径である。

この目的は、複数の焼結した核燃料ペレットを包囲する被覆管を含む、最初に定義した燃料棒によっても達成される。

この目的は、複数の燃料棒を含む、最初に定義した核燃料集合体によっても達成される。

この目的は、最初に定義した製造方法であって、以下のステップ：
ウラン含有材料の粉末を提供するステップ、
前記ウラン含有材料を焼結して複数の粒子を形成するステップ、
前記粒子上に金属コーティングを施して複数の被覆した粒子を形成するステップ、
二酸化ウランの粉末を提供するステップ、
二酸化ウランの粉末と前記被覆した粒子とを混合して混合物を提供するステップ、
前記混合物を圧縮して未焼結体を形成するステップ、
前記未焼結体を焼結した核燃料ペレットに焼結するステップ
を含む、前記方法によっても達成される。

この方法の結果、上述の目的を達成する焼結した核燃料ペレットが得られる。

本発明の一実施形態によれば、適用ステップは、原子層堆積によって粒子上に金属コーティングを適用することを含む。

本発明の一実施形態によれば、適用ステップは、電気めっきによって粒子上に金属コーティングを適用することを含む。

ここで、本発明を、種々の実施形態の説明によって、および本明細書に添付した図面を参照して、より閉鎖的に説明する。

図１は、原子炉用の核燃料集合体の縦断面図を概略的に開示する。図２は、図１の核燃料集合体の燃料棒の縦断面図を概略的に開示する。図３は、第１の実施形態による核燃料ペレットの縦断面図を概略的に開示する。図４は、図３のペレットに含まれる粒子の断面図を概略的に開示する。図５は、第２の実施形態による核燃料ペレットの縦断面図を概略的に開示する。

図１は、原子炉、特に沸騰水型原子炉、ＢＷＲ、または加圧水型原子炉、ＰＷＲなどの水冷却軽水炉、ＬＷＲで使用するための核燃料集合体１を開示する。核燃料集合体１は、底部部材２と、頂部部材３と、底部部材２と頂部部材３との間に延在する複数の細長い燃料棒４とを備えている。燃料棒４は、複数のスペーサ５によってその位置に維持される。さらに、核燃料集合体１は、例えば、ＢＷＲで使用される場合、破線６で示され、燃料棒４を取り囲む流路または燃料箱を備えることができる。

図２は、図１の核燃料集合体１の燃料棒４の１つを開示している。燃料棒４は、複数の焼結した核燃料ペレット１０の形態の核燃料と、核燃料ペレット１０を取り囲む被覆管１１とを含む。燃料棒４は、被覆管１１の下端を密封する底部プラグ１２と、燃料棒４の上端を密封する頂部プラグ１３とを含む。核燃料ペレット１０は、被覆管１１内にパイル状に配置されている。したがって、被覆管１１は、燃料ペレット１０およびガスを封入する。核燃料ペレット１０のパイルと頂部プラグ１３との間の上部プレナム１５内には、ばね１４が配置されている。ばね１４は、核燃料ペレット１０の堆積物を底部プラグ１２に対して押し付ける。

核燃料ペレット１０の１つの第１の実施形態を、図３により詳細に開示する。核燃料ペレット１０は、二酸化ウラン、ＵＯ_２のマトリックス２０と、マトリックス２０内に、好ましくは均一かつ無秩序に分散された複数の粒子２１とを含む。

各核燃料ペレット４内の粒子２１の数は、非常に多くてもよい。粒子／マトリックスの体積比は、約１００ｐｐｍの低濃度の粒子２１から充填画分までであってもよい。

図４において、粒子２１は球形である。しかし、粒子２１は、任意の形状の形態であってもよい。

粒子２１のサイズを変化させてもよい。好ましくは、粒子２１は、１００ミクロン〜２０００ミクロンの範囲にある延長部、例えば、図４の球形の例における直径ｄを有することができる。

粒子２１は、ＵＯ_２のウラン密度よりも高いウラン密度を有するウラン含有材料２２を含むか、またはそれからなる。特に、ウラン含有材料２２は、ケイ化ウラン、窒化ウラン、およびホウ化ウランの少なくとも１つを含むか、またはそれらからなる。

より具体的には、ウラン含有材料２２は、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＳｉ、Ｕ_３Ｓｉ、Ｕ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３、ＵＮおよびＵＢ_２のうちの少なくとも１つを含むか、またはそれらからなる。これらのウラン含有材料２２の各々のウラン密度は、二酸化ウランのウラン密度である９．７ｇ／ｃｍ^３より高い。また、熱伝導率はより高く、一般に温度と共に増加する。

したがって、各粒子２１のウラン含有材料２２は、これらの物質のうちの単一の１つ、またはこれらの物質のうちの２つ以上の組合せを含むか、またはそれらからなることができる。

マトリックス２０およびウラン含有材料２２中のウランを、天然ウランよりも高い割合の核***性同位体^２３５Ｕを含有するように濃縮することができる。

粒子２１の各々は、粒子２１を完全に包囲し、取り囲む金属コーティング２３によって封入されている。したがって、ウラン含有材料２２は、マトリックス２０の二酸化ウランとのいかなる接触からも完全に分離される。

金属コーティング２３は、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、ＶおよびＮｂの群から選択される少なくとも１つの金属からなる。これらの金属は、ウラン含有材料２２の確実な保護を保証する。それらは全て高い融点を有し、従って、ＬＯＣＡ、冷却剤喪失事故のような事故の場合にもペレット操作温度を乗り切るであろう。Ｍｏの融点は２６２２℃、Ｃｒ１９０７℃、Ｗ３４１４℃、Ｖ１９１０℃、Ｎｂ２４７７℃である。

金属コーティング２３は、金属Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｖ、およびＮｂのうちの１つによって形成されてもよい。金属コーティング２３は、これらの金属のうちの２つ以上の合金によって形成されてもよい。好ましい合金は、Ｍｏ−Ｃｒ、Ｍｏ−Ｗ、Ｃｒ−ＷまたはＣｒ−Ｍｏ−Ｗである。

金属コーティング２３の厚さは、好ましくは薄く、例えば１ミクロン未満の程度である。

金属コーティング２３は、上述したように、ウラン含有材料２２の外面全体を覆うことができる。

金属コーティング２３を、電気めっきするか、原子層堆積させるか、またはゾル−ゲル技術によって堆積させることができる。

粒子２１はまた、中性子吸収体を含んでもよい。中性子吸収体は、ＺｒＢ_２を含むかまたはそれからなってもよい。次いで、粒子２１の各々またはいくつかは、ウラン含有材料２０および中性子吸収体のうちの少なくとも１つ、例えば、ＵＮ／ＺｒＢ_２、Ｕ_３Ｓｉ_２／ＺｒＢ_２、ＵＳｉ／ＺｒＢ_２、Ｕ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３／ＺｒＢ_２およびＵ_３Ｓｉ／ＺｒＢ_２の混合物を含み得る。

粒子２１のウラン含有材料２２はまた、上述のようにＵＢ_Ｘ、とりわけＵＢ_２を含んでもよく、ＵＢ_Ｘのホウ素は、中性子吸収体を形成する。他のホウ化ウラン化合物、例えばＵＢ_４、ＵＢ_１２等も考えられる。次いで、ホウ化ウランを、上述の化合物Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＳｉ、Ｕ_３Ｓｉ、Ｕ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３、およびＵＮのうちの少なくとも１つと任意の好適な比率で混合して、ウラン含有材料のウラン密度が二酸化ウランの場合よりも高いことを確実にしてもよい。

図５は、焼結した核燃料ペレット１０がウラン含有粒子２１および吸収粒子２５を含み、吸収粒子２５が中性子吸収体を含むかまたはそれからなる第２の実施形態を開示する。中性子吸収体はまた、この場合ではＺｒＢ_２を含むかまたはそれからなってもよい。

上記の例では、中性子吸収体はホウ素を含み、それは次いで、天然のホウ素よりも高い割合の同位体^１０Ｂを含有するように濃縮されてもよい。例えば、この百分率は、同位体^１０Ｂの少なくとも２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０または９０重量％であり得る。

上述のように、ウラン含有材料２２は、ＵＮおよびＵ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３のうちの少なくとも１つを含むかまたはそれからなってもよい。これらの例では、ウラン含有材料２２の窒素は、天然のＮよりも高い割合の同位体^１５Ｎを含むように濃縮されてもよい。例えば、この百分率は、同位体^１５Ｎの少なくとも６０、７０、８０または９０重量％であり得る。

金属コーティング２２は、核燃料ペレット１０が、以降のステップによって、標準的な焼結炉内で焼結されることを可能にする。

ウラン含有材料の粉末を提供する。粉末を、未焼結の粒子に形成してもよい。次いで、ウラン含有材料の未焼結粒子を焼結して、複数の粒子を形成する。

その後、金属コーティング２３を粒子２１上に適用して、複数の被覆した粒子２３を形成する。金属コーティング２３の適用を、原子層堆積によって行うことができる。

あるいは、金属コーティング２３の適用を、電気めっきによって行ってもよい。

さらに別の代替例によれば、金属コーティング２３の適用を、ゾル−ゲル法によって行うことができ、金属が含浸されたゲルを、粒子２１に適用する。次に、熱処理を行ってゲルを焼き払い、金属コーティング２３を粒子２１中に残す。

さらに、二酸化ウランの粉末を提供する。

二酸化ウランの粉末と被覆した粒子とを混合して、混合物を提供する。次いで、混合物を好適な型で圧縮して未焼結体を形成する。

最後に、未焼結体を、焼結炉内で好適な雰囲気中で焼結した核燃料ペレット１０に焼結する。

本発明は、上記の実施形態および例に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内で変更および修正することができる。

Claims

ＵＯ_２のマトリックス（２０）および前記マトリックス中に分散した粒子（２１）を含み、
前記粒子（２１）がウラン含有材料（２２）を含み、
前記粒子（２１）の各々が金属コーティング（２３）によって封入され、
前記ウラン含有材料（２２）がＵＯ_２のウラン密度より高いウラン密度を有し、
前記金属コーティング（２３）がＭｏ、Ｗ、Ｃｒ、ＶおよびＮｂの群から選択される少なくとも１つの金属からなることを特徴とする、焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記ウラン含有材料（２２）が、ケイ化ウラン、窒化ウランおよびホウ化ウランの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記ウラン含有材料（２２）が、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＳｉ、Ｕ_３Ｓｉ、Ｕ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３、ＵＮおよびＵＢ_２のうちの少なくとも１つを含む、請求項１または２に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記ウラン含有材料（２２）が、ＵＮおよびＵ_２０Ｓｉ_１６Ｎ_３のうちの少なくとも１つを含み、前記ウラン含有材料（２２）の窒素が、天然のＮよりも高い割合の同位体^１５Ｎを含有するように濃縮される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記粒子（２１）は、中性子吸収体も含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記焼結した核燃料ペレット（１０）は、中性子吸収体を含む吸収粒子（２５）を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記中性子吸収体がＺｒＢ_２を含む、請求項５または６に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記ウラン含有物質（２２）がＵＢ_Ｘ、とりわけＵＢ_２を含み、前記ＵＢ_Ｘのホウ素が中性子吸収体を形成する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記ホウ素が、天然のホウ素よりも高い割合の前記同位体^１０Ｂを含有するように濃縮されている、請求項７または８に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
前記粒子（２１）が、１００ミクロン〜２０００ミクロンの範囲にある延長部を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の焼結した核燃料ペレット（１０）。
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複数の焼結した核燃料ペレット（１０）を封入する被覆管（１１）を含む、燃料棒（４）。
請求項１１に記載の複数の燃料棒（４）を含む、原子炉において使用するための核燃料集合体（１）。
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の焼結した核燃料ペレットの製造方法であって、以下のステップ：
ウラン含有材料の粉末を提供するステップ、
前記ウラン含有材料を焼結して複数の粒子を形成するステップ、
前記粒子上に金属コーティングを施して複数の被覆した粒子を形成するステップ、
二酸化ウランの粉末を提供するステップ、
前記二酸化ウランの粉末と前記被覆した粒子とを混合して混合物を提供するステップ、
前記混合物を圧縮して未焼結体を形成するステップ、
前記未焼結体を焼結した核燃料ペレットに焼結するステップ。
を含む、前記方法。
前記適用ステップが、原子層堆積によって前記粒子上に前記金属コーティングを適用することを含む、請求項１３に記載の方法。
前記適用ステップが、電気めっきによって前記粒子上に前記金属コーティングを適用することを含む、請求項１４に記載の方法。