JP4099529B2 - 核燃料ペレットおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、軽水炉および高速増殖炉に用いられる核燃料ペレットおよびその製造方法に関する。

沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲという。）、加圧水型原子炉（以下、ＰＷＲという。）等の軽水炉および高速増殖炉の炉心には、核燃料ペレットとして酸化物燃料ペレットが装荷される。核燃料ペレットは燃料ピン内に充填されて使用される。

従来の酸化物燃料ペレットの製造には、特許文献１に示す製造方法が採用されていた。

この燃料ペレットの製造では、図４に示すように、^２３５Ｕを数％程度に微濃縮したウラン酸化物（ＵＯ_２）粉末に、アルミニウム酸化物とケイ素酸化物からなる焼結剤を混合させて冷間圧縮成形してグリーンペレットを生成する。続いて得られたグリーンペレットをＮ_２あるいはＨ_２の還元雰囲気下の焼結炉内で加熱し、焼結処理することにより、核燃料ペレットである焼結ペレット（ＵＯ_２燃料ペレット）を製造している。

これにより製造された酸化物燃料ペレットは、酸素ポテンシャル調整が行なわれて酸素対金属比（Ｏ／Ｍ比）が約２．０に調整されると共に、使用時に燃料ペレットの熱伝導度が向上し、燃料温度を下げることができるメリットがある。
特開平５−１１０８８号公報

従来の酸化物燃料ペレットの製造では、上記従来技術以外にも酸化物燃料ペレットの酸素ポテンシャル調整のために、焼結炉内でグリーンペレットを焼結した後、同じ炉内を還元雰囲気下にセットして熱処理工程を行う技術がある。

しかし、これら従来の酸化物燃料ペレットの製造では、酸素ポテンシャル調整のために、ペレット焼結後に熱処理工程が必要であったり、また、上記いずれの技術であっても技術的困難さから低Ｏ／Ｍ比化に下限が生じてしまうという課題があった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、原料粉末である酸化物粉末に金属ウラン（Ｕ）顆粒の添加量を調節して焼結ペレットのＯ／Ｍ比を従来よりも低くなるよう制御し、加えてペレット焼結後の熱処理工程を不要にした核燃料ペレットおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る核燃料ペレットは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、核燃料物質を含む酸化物粉末に、所要の等価球直径の金属ウラン顆粒を添加して混合させる工程と、この混合酸化物粉末を圧縮成形してグリーンペレットを生成する工程と、得られたグリーンペレットを、不活性ガス雰囲気下の焼結炉内で、１１３２℃〜１７００℃の焼結温度で１〜１０時間かけて焼結する工程とを有することを特徴とする製造方法である。

また、本発明に係る核燃料ペレットは、上述した課題を解決するために、請求項２に記載したように、核燃料物質を含む酸化物粉末に、所要の等価球直径の金属ウラン顆粒を添加して混合し、混合酸化物粉末を圧縮成形した後不活性ガス雰囲気下で１１３２℃〜１７００℃の焼結温度で１〜１０時間かけて焼結し、かつ、軽水炉または高速増殖炉の炉心に装荷される燃料ピンの内径に応じて円柱形状に成形されたことを特徴とするものである。

本発明に係る核燃料ペレットおよびその製造方法は、核燃料物質を含む酸化物粉末に添加して混合させる金属ウラン顆粒の量を調整し、混合酸化物粉末を不活性ガス雰囲気下で１１３２℃〜１７００℃の焼結温度で１〜１０時間かけて焼結させるだけで、焼結後のペレットの低Ｏ／Ｍ比化を図ることができるために、ペレット焼結後の熱処理工程が不要となり、核燃料ペレットの製造工程が簡素化され、製造コストの低減を図ることができ、特にＵＯ_２燃料の場合には、燃料ペレットの熱伝導度を向上させて燃料温度の低減を図ることができる。

本発明に係る核燃料ペレットおよびその製造方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。

本発明に係る核燃料ペレットは、ＢＷＲやＰＷＲの軽水炉の炉心または高速増殖炉の炉心に装架される燃料ピン内に充填されて使用される。核燃料ペレットのペレット寸法（高さ対直径比）は、使用される燃料ピンの内径に応じて適宜設定される。核燃料ペレットのペレット寸法は、ＢＷＲやＰＷＲの軽水炉用には、直径８ｍｍ〜１２ｍｍφ、高さ１０数ｍｍ程度、例えば直径１０ｍｍφ、高さ１５ｍｍ、高速増殖炉には例えば直径５ｍｍ〜７ｍｍφ、高さ１０ｍｍ程度の円柱状の酸化物（ＵＯ_２，ＭＯＸ）燃料ペレットが用いられる。

［核燃料ペレットのＯ／Ｍ比調整］
図１に示すように、核燃料ペレットとしての酸化物燃料ペレットでは、Ｏ／Ｍ比調整のために、金属ウラン（Ｕ）顆粒が添加される。この核燃料ペレットは、ＵＯ_２酸化物粉末に金属ウラン顆粒を添加して混合させることにより、従来のように、Ｏ／Ｍ比調整のためのペレット焼結後の熱処理工程が不要となる。金属ウラン顆粒を添加して混合させる原料粉末調整段階で、ペレット焼結後のＯ／Ｍ比を制御可能としたものである。

このため、ペレット焼結前の原料粉末調整工程で、Ｏ／Ｍ比を調整するＯ／Ｍ比制御因子、例えば金属ウラン顆粒を導入したものである。

酸化物燃料ペレットである焼結ペレットのＯ／Ｍ比は、焼結ペレットに含有される金属物質量（Ｕ）と酸素量により決まることに着目し、

酸化物粉末に、Ｏ／Ｍ比制御因子として金属ウラン顆粒を添加することにより、焼結ペレットのＯ／Ｍ比を（１）式から制御できることを知見した。また、（１）式から、金属ウランと酸化物との化学的両立性が維持できる範囲、すなわち、酸化物燃料ペレット、例えばＵＯ_２ペレットとして機能する範囲で、Ｏ／Ｍ比を変化させることができることが推察される。

酸化物燃料ペレットがＵＯ_２ペレットである場合、原料粉末として、核燃料物質である酸化物（ＵＯ_２）粉末にＯ／Ｍ比制御因子である金属ウラン（Ｕ）顆粒を添加させ、加熱炉（焼結炉）内において不活性ガス雰囲気下で焼結させると、焼結ペレットは低いＯ／Ｍ比のＵＯ_２−ｘペレットが得られることを知見した。

この核燃料ペレットの製造では、低いＯ／Ｍ比のＵＯ_２−ｘペレットを得るために、原料粉末調整段階で原料粉末核燃料物質を含む数μｍ程度の酸化物粉末に金属ウラン顆粒を添加したものである。その際、金属ウランの等価球直径は１０μｍ〜１５０μｍ、好ましくは数１０μｍ〜１００μｍであり、この金属ウラン顆粒を添加した酸化物粉末を、２〜４ｔｏｎ／ｃｍ^２の成形圧力で冷間圧縮成形した。この圧縮成形は、ポンチおよびダイスを用いたプレス成形で行なわれる。

酸化物粉末を冷間圧縮成形して所要形状・大きさの円柱状のグリーンペレットを生成し、得られたグリーンペレットを不活性ガス雰囲気で１１００℃〜１７００℃、好ましくは１１００℃〜１５００℃で所要時間焼結した。この焼結時間は１〜１０時間程度であり、焼結温度が高ければ１〜２時間と短い時間で、焼結温度が低ければ、長い焼結時間が必要となる。焼結温度が低くても、焼結時間が１０時間を超えると、実用性がなくなる。

核燃料物質を含む数μｍオーダの酸化物微粉末に等価球直径１５０μｍ以下の金属ウラン顆粒を添加して不活性ガス、例えばＨｅ，Ａｒ雰囲気下で焼結させることにより、核燃料ペレットとして、Ｏ／Ｍ比の低い酸化物燃料ペレットが得られた。この酸化物燃料ペレットとしてＵＯ_２−ｘペレットが得られた。酸素欠乏条件（２−ｘ）は、１．９０〜１．９９、好ましくは１．９８〜１．９９である。

酸化物燃料ペレットを酸素欠乏条件（２−ｘ＝１．９０〜１．９９）を満たした状態で生成すると、金属ウランが析出することで核燃料ペレットの熱伝導度が向上し、燃料温度を下げることが可能となる。

［金属ウラン顆粒の大きさ］
核燃料ペレットである酸化物（ＵＯ_２，ＭＯＸ）燃料ペレットに、欠け割れ等の欠損の無い形状安定性の高い焼結ペレットを得るためには、ペレット焼結前の粉体内の化学的特性が均質で、バラツキのないことが必要である。原料粉末としての酸化物粉末は数μｍオーダの微粉末で不定形状であることに着目し、この酸化物粉末との混合時の親和性の高い（優れた混合性）形状が球状であることを知見した。この球状は、真球である必要がなく、楕円球や長円球でもよいことが分かった。

また、混合時の酸化物粉末の均質性を保持できる金属ウランの大きさを確認したところ、等価球直径換算で１０μｍ〜１５０μｍの粒径を有する金属ウラン顆粒が好ましいことも知見した。金属ウラン顆粒が１０μｍ以下の微小径の等価球直径であると、互いに付着し合いだまが生成され、得られただまにより、体積密度が小さくなって好ましくない。金属ウラン顆粒が１０μｍ以上１５０μｍ以下ではだまが生成されずに混合時の均質性が保持された。金属ウラン顆粒が１５０μｍを超えると、焼結ペレット内に大きな金属領域が形成され、均質性が損なわれ、好ましくない。

［焼結雰囲気の制御］
核燃料物質を含む酸化物粉末に所要径の金属ウラン顆粒を添加して混合し、この混合粉末を圧縮成形してグリーンペレットを生成する。このグリーンペレットの生成後に焼結炉に収容されて焼結される。

このグリーンペレットの焼結時に、金属ウラン顆粒が周辺雰囲気から酸素の供給を受けて酸化すると、酸素ポテンシャル抑制効果が低減され、核燃料ペレットは焼結後の酸素ポテンシャルの制御性に不確実性が生じてしまう。例えば、核燃料ペレットとしての酸化物燃料ペレットは、例えばＵＯ_２＋ｘペレットとなって酸素リッチ条件となり好ましくない。

このため、本発明に係る核燃料ペレットの製造では、ペレット焼結中に金属ウラン顆粒の酸化の抑制・防止を図るため、酸素含有しない不活性ガス、例えばＨｅ，Ａｒがスを焼結炉内に循環させ、焼結炉内を不活性ガス雰囲気にすることで、金属ウラン顆粒の酸化を抑制・防止し、酸化物燃料ペレットが、ＵＯ_２−ｘペレット（２−ｘ＝１．９０〜１．９９）となって、酸素欠乏条件（酸素プア条件）が満たされるように制御している。

［焼結条件］
グリーンペレットの焼結は、不活性ガス雰囲気下の焼結炉内で行なわれ、その焼結温度は金属ウランの溶融温度以上である１１００℃〜１７００℃、好ましくは１１００℃〜１５００℃で、焼結時間は１時間〜１０時間の範囲で行なわれる。一般的には、焼結温度が高いと焼結時間は短くてよく、焼結温度が低いと焼結時間は長くなる。

次に、本発明に係る核燃料ペレットの製造方法を図１により説明する。

初めに、原料粉末として核燃料物質を含む数μｍオーダの酸化物粉末を用意する。

用意される酸化物粉末に混合される所要径の金属ウラン顆粒を製造する。製造された金属ウラン顆粒は、大きさが等価球直径換算で１０μｍ以上１５０μｍ以下、好ましくは、だまが生成されない等価球直径、例えば数１０μｍ（２０μｍ〜３０μｍ）の大きさに製造される。

次に、ウラン酸化物（ＵＯ_２）粉末あるいはウラン・プルトニウム混合酸化物粉末に所要径の金属ウラン顆粒を添加して混合させ、混合酸化物粉末を生成する。

この混合酸化物粉末をダイスとポンチを用いて冷間圧縮成形し、グリーンペレットを生成する。ダイスやポンチの大きさ・形状は、燃料ピンの内径あるいは焼結時の焼き締まりを考慮して決定される。

得られたグレーンペレットは続いて焼結炉に移送され、この焼結炉内を不活性ガス雰囲気にセットし、不活性ガス雰囲気中で焼結温度１１００℃〜１７００℃、焼結時間１時間〜１０時間かけて焼結させる。グリーンペレットの焼結は、例えばＨｅ循環雰囲気中で焼結温度１７００℃以下の所要温度で焼結時間２時間かけて行なわれる。

また、酸化物燃料ペレットとしてのＵＯ_２ペレットは、金属ウラン顆粒の添加量により酸素欠乏状態を調節制御できる。したがって、熱伝導度を向上させた酸化物燃料ペレットを製造することができる。

図１に示される製造手順で製造された核燃料ペレットである焼結燃料ペレット（ＵＯ_２ペレット）は、酸素欠乏状態（ＵＯ_２−ｘ）のウラン酸化物燃料ペレットである。

ウラン酸化物の平衡状態図は、図２に示されるように表わされる。このウラン酸化物のＵ−Ｏ系平衡状態図において、単体のウランにはα，β，γ（いずれも立方晶）の３相があり、固相の状態で酸素の固溶度は殆どなく、ウランの融点（１１３２℃）でも極僅かである。Ｏ／Ｕ比（Ｒａｔｉｏ）が２以下で比較的温度の低い領域ではＵＯ_２が唯一の化合物で、ＵとＵＯ_２の共存領域を形成する。ウランの融点以上、例えば１２００℃以上ではＵＯ_２−ｘの亜定比化学量論的化合物、すなわち、酸素欠乏状態のウラン酸化物（ＵＯ_２−ｘ）が表われる。

また、核燃料ペレットとしての酸化物燃料ペレット（ＵＯ_２ペレット）の成形密度（圧粉密度）と焼結密度の関係は、図３に示すように滑らかな曲線で表わされ、核燃料ペレットは焼結時の焼き締まりによりペレット仕様は変化する。この焼き締まり防止対策としてＵＯ_２圧粉体内に添加剤として揮発性の造孔剤を添加し、焼結後のＵＯ_２ペレット内の気孔分布を制御してもよい。ＵＯ_２ペレットの焼結特性は初期の原料粉末の性質や焼結条件によって左右されるが、造孔剤を添加しない条件下での気孔率と結晶粒径との間に相関性があることは知られている。

なお、本発明の実施形態の説明では、酸化物燃料ペレットとしてＵＯ_２燃料ペレットの製造を主に説明したが、同様にして、ウラン・プルトニウム混合酸化物（ＭＯＸ）燃料ペレットの製造の場合にも同様に適用することができる。ただ、ＭＯＸ燃料ペレットはＵＯ_２燃料ペレットより使用温度が高い。

本発明に係る核燃料ペレットおよびその製造方法の一実施形態を示すフローチャート図。 ウラン酸化物燃料におけるＵ−Ｏ系相平衡を示す平衡状態図。 ウラン酸化物燃料炉ペレットの成形密度と焼結密度の関係を示す図。 従来の核燃料ペレットの製造手順を示すフローチャート図。

Claims (2)

1. 核燃料物質を含む酸化物粉末に、所要の等価球直径の金属ウラン顆粒を添加して混合させる工程と、
   この混合酸化物粉末を圧縮成形してグリーンペレットを生成する工程と、
   得られたグリーンペレットを、不活性ガス雰囲気下の焼結炉内で、１１３２℃〜１７００℃の焼結温度で１〜１０時間かけて焼結する工程と
   を有することを特徴とする核燃料ペレットの製造方法。
2. 核燃料物質を含む酸化物粉末に、所要の等価球直径の金属ウラン顆粒を添加して混合し、
   混合酸化物粉末を圧縮成形した後不活性ガス雰囲気下で１１３２℃〜１７００℃の焼結温度で１〜１０時間かけて焼結し、かつ、
   軽水炉または高速増殖炉の炉心に装荷される燃料ピンの内径に応じて円柱形状に成形されたことを特徴とする核燃料ペレット。

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