JPH01248092A

JPH01248092A - 核燃料ペレットの製造法

Info

Publication number: JPH01248092A
Application number: JP63074954A
Authority: JP
Inventors: Noboru Fujiwara; 昇藤原; Yoshihisa Tamaki; 喜久田巻; Motokazu Yoshikawa; 吉川　元和; Shinichi Hasegawa; 伸一長谷川
Original assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd
Priority date: 1988-03-29
Filing date: 1988-03-29
Publication date: 1989-10-03

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】〔産業上の利用分野〕この発明は、原子炉燃料用酸化物（ＵＯ３およびＵ、Ｐ
ｕの混合酸化物等）のペレットａ造法に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

通常の原子炉用燃料としては、二酸化ウランの焼結ペレ
ットをジルカロイ等の被覆管に充填したものが原子燃料
要素として使用されている。

この場合、上記ペレットは１通常Ｕ０２粉末に潤滑剤を
加えて混合し、圧粉体に成形後、温度＝１７００℃以上
の還元性雰囲気中で焼結することによりＵ○２ペレット
が製造されている。

上記二酸化ウランの焼結ペレットをジルカロイ等の被覆
管に充填してなる凰子燃料要素は、核***を行なうと、
核***によってキセノンおよびクリプトン等の核***生
成ガス（Ｆｉｓｓｉｏｎ　ＰｒｏｄｕｃｔＧａｓ、以下
ＦＰガスという）が発生し、かかるＦＰＰ２Ｏ被覆管内
部に発生すると、高いガス圧が生成し、被覆管が破損す
る危険が生じる。そのため原子燃料要素の早期交換を必
要とし、このような原子燃料要素の早期交換は、原子炉
を用いた原子力発電の経済性をそこなうものである。

このため、核燃料ペレットから発生する上記ＦＰガス放
出抑制のための手段が、従来からいろいろとなされてき
たが、その主な方法は１次のようなものがある。

（１１ＵＯ２セラミックス燃料の結晶粒を焼結中に成長
させ、粗大化することによりＦＰガス保有能力を焼結体
ペレットに付与する方法。

（２）ＦＰＰ２Ｏ化学的な方法で不動化しまたはビン止
めして、ＦＰＰ２Ｏ放出を抑制する方法。

上記（１）の方法は、Ｕ０２ペレットの結晶粒径が粗大
化すると、結晶粒径が大きいため１粒内で生成したＦＰ
Ｐ２Ｏ拡散速度の大きくなる粒界まで達するのに比較的
長時間を要し、その結果ＦＰＰ２Ｏ放出が抑制される物
理的抑制法であって、上記（１）の方法を示す公知文献
としては、特開昭５４−１４８９９６号公報、特開昭５
８−４４３９４号公報および特公昭６１−３４０７９号
公報などがあり、また上記（２）の方法を示す公知文献
としては、特公昭５０−５２０３号公報、特公昭５１−
３４０７９号公報、特公昭５４−８８３７号公報がるる
。

上記（１）の方法を示す公知文献の特開昭５４−１４８
９９６号には、Ｓを２０〜１，０００ｐｐｍ含んだ活性
Ｕ０２粉末を用いて平均粒径：５０μｍ以上の結晶粒径
をもつペレットを作成し、ＦＰガス放出を抑制する方法
が記載されており、上記特開昭５８−４４３９４号公報
には、ＵＯ２にＬ１化合物をＬｌとして２０〜５０００
　ｐｐｍ添加し。

温度：１２００℃以上での低温焼結で大結晶粒径ペレッ
トを作成し、ＦＰガス放出を抑制する方法が記載されて
おシ。

上記特公昭６１−２９６７８号公報には、ＵＯ２にＬ１
２０としてＯ，ＯＯ５〜１．Ｏｗｔ％添力１ル、低温焼
結することにより大結晶粒径のペレットを作成してＦＰ
ガス放出を抑制する方法が記載されている。

その他に、　ＵＯ２粉末にＮｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ，等を
添加して大きな結晶粒径をもつペレットを製造する方法
も知られている。

さらに、上記（２）の方法を示す公知文献である上記特
公昭５０−５２０３号公報には、００２粒子をＡ！２０
３等で被覆した高温ガス炉燃料に関するものであり。

上記特公昭５１−３４０’７９号公報には、　、Ｕ２Ｏ
５：Ｏ，１５〜３，７ｗｔ％を添加し、結晶中にＡＡ　
２０３を微細粒子で分散せしめ、ＦＰＰ２Ｏ放出抑制（
ガスのビン止め）を行なう方法が記載されており。

上記特公昭５４−８８３７号公報には、Ｕ０２粉末に、
ケイ酸アルミニウム、シリカ−アルミナ−マグネシア、
シリカ−アルミナ−カルシア、チタン酸アルミニウム等
を添加して、ＦＰＰ２Ｏ不動化を行ない、その放出を抑
制する方法が記載されている。

その他に上記（１）および（２）以外の俵燃料ペレット
製造技術として、特開昭５５−２’７９４２号公報およ
び特開昭５５−１０４７９１号公報があるが上記公報に
は、Ｕ○２粉末に、０゜２〜０．５重量−のＭ２Ｏ３を
含む酸化物ｔ−添加またけペレット外殻に配し、ペレッ
トの硬度金工げ、セラミック核燃料素子として金属被覆
管との熱膨ｔ＆率の差に起因して起こる機械的相互作用
の低減をはかる方法が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の技術（１）の特開昭５４−１４８９９６号公
報の８を含んだ活性ＵＯ２粉末を用いて大結晶粒径Ｒレ
ツ）ｋ作成する方法は、　ＵＯ２粉末が活性であるため
に取扱いが無しく、また成形性に問題があった。また、
上記特開昭５８−４４３９４号公報および特公昭６１−
２９’６’７８号公報記載のＬ１０２等のＬ１化合物ｋ
ｍ加して大結晶粒径ペレットを作成する方法は、焼結さ
れたペレット中に熱中性子吸収断面積の大きいＬｉ（中
性子吸収断面積ニアＱ、’７バーン）が残留する可能性
があるために好ましくなく、さらに、上記Ｎｂ２Ｏ５，
Ｃｒ２Ｏ３等を添加する場合には、０．２〜１重量ｓ程
度の多量に添加する必要があり、Ｕ○２ペレットの融点
を下げる等の問題点があった。

上記従来の技術（２）の方法では、ＦＰガスを化学的に
不動化またはビン化めするために＆Ａ！２０３．ＡＭ酸
アルミニウム、チタン酸アルミニウム等を大量に添加し
なければ効果があがらず、大量添加によりＵ○２核燃料
ペレットの融点も下がり、純度も低下するので好ましく
ない。

〔課題を解決するための手段〕

そこで１本発明者等は、熱中性子吸収断面積が小さく、
Ｕ０２ペレットの融点に影響を与えずかつ不純物として
許容される程度の微ｉ添加でもＵＯ３ペレットの結晶粒
径を大きくすることができる金属化合物を棟々調査研究
を行なったところ。

酸化アルミニウム、水酸化アルミニウム、脂肪酸のアル
ミニウム塩のうち１種または２種以上をＭとして０．０
０１〜０．０７重量％添加し、既知の方法で混合および
圧粉体となし、これを還元性雰囲気中、温度：ｌ、７０
０〜１，８００℃にて焼結すると大結晶粒径の核燃料ペ
レットヲ製造することができるという知見を得たのであ
る。

この発明でいう核燃料とは、主としてＵＯ２であるが、
ウランとプルトニウムの混合酸化物で。

ＭＯＸとよばれるものであってもよく、そのことは理論
的に当業者によって認められよう。

この発明において、添加するＡｔ２０３．　ＡＭ（Ｏｆ
（）３゜脂肪酸のアルミニウム塩の添加で結晶粒径に与
える影響を確認したところ、これらアルミニウム化合物
の化学的形態にあ″！ｆ！ｌｌ影響を受けず、添加する
Ａ１１ｉｉによることがわかった。

上記Ｍ化合物の添加は、ＡＩとしてＯ，ＯＯ１重量％（
ｌｏｐｐｍ）未満ではＵＯ２焼結ペレットの結晶粒の粗
大化は起らず、Ａ１として０００１重童チ（ｌ　Ｏｐｐ
ｍ　）添加すると結晶粒の粗大化が始まり。

Ｍとして０．００３重量％（３０ｐｐｍ）添加するとＵ
ｏ２焼結ペレットの平均結晶粒径は３０〜４０μｍとな
り、ＡＬとして０．０７重量％（γＯＯｐｐｍ　）　’
ｆｒ越えて添加しても、それ以上に結晶粒径は大きくな
らず、かえって、０．０７重量％（）ＯＯｐｐｍ　）を
越える添加は、　ＵＯ２焼結核燃料ペレットの融点を下
げ、純度も低下するので好ましくない。したがって、ｆ
ｉＪ、化合物のＭとしての添加’ｉｉ　Ｑ、　ＯＯｌ〜
０、０７　恵ｆｋ％　（ｌ　Ｏｐｐｍ　〜）ＯＯｐｐｍ
　）と定めた。

特にＭ化合物のＭとしての添加は、Ｕ０２焼結ペレット
の平均結晶粒径が３０〜４０μｍとなる０、００３重童
％（３０ｐｐｍ）を下限とし、ＡＳＴＭにおけるＵ０２
バレットの不純物使用がＭの含有上限を２５０　ｐｐｍ
としていることから５Ｍ化合物のＭとしての添加は、０
．００３〜０．０２５重量％（３０〜２５０ｐｐｍ）の
範囲とすることが特に好ましい。

ＵＯ２粉末へのＭ化合物の添加は＊　”２ｏ３　、　ｕ
（ｏＨ）３の他に脂肪酸のアルミニウム塩を添加するこ
とができる。上記脂肪酸のアルミニウム塩は、ステアリ
ン酸アルミニウム、オレイン酸アルミニウム。

バルミチン酸アルミニウムが主として用いられる。

これら脂肪酸のアルミニウム塩は、　ＵＯ２粉末に圧粉
体成形時の潤滑剤として添加することができ。

ＡＭの供給と同時に潤滑剤としての機能もはたすために
好都合である。

従来、Ｕｏ２粉末圧粉体を作成するために、上記Ｕ０２
粉末に添加する潤滑剤として、一般にステアリン酸亜鉛
が知られているが、上記Ａ！２０ｓ　、ＡＭ（ＯＨ）３
ｍおよび／または脂肪酸のアルミニウム塩とともに。

上記公知のステアリン酸亜鉛を潤滑剤として添加して圧
粉体を成形し焼結する方法も、この発明の方法に含まれ
る。

上述のようにＭ２Ｏ３を添加または被覆したＵ○２セラ
ミック核燃料については、上記従来の技術（２）で述べ
た特公昭５０−５２０３号公報や特公昭５１−３４０７
９号公報により知られている。

しかしながら、上記公知の特公昭５０−５２０３号公報
や特公昭５１−３４０７９号公報では。

Ａｌ２Ｏ３の添加量が０．１５電ｉ％以上と多く、　Ｆ
Ｐガスを化学的な方法で不動化し、その放出が抑制され
ているのに対し１本願発明は１Ｍとして０，０７１に童
−以下（Ａ１２０３を添加した場合は０．１３２重１ｊ
ｔｔｓ以下）の添加でＵＯ２−！ｌ’レットの結晶粒径
を大きくシ、結晶内部で生成したＦＰガスが拡散により
粒界に到達するまでの時間を長びかせることによりＦＰ
ガスの放出を抑制するものであシ、技術思想が相違する
。

また、特開昭５５−２７９４２号公報および特開昭５５
−１０４７９１号公報に述べられている方法は１Ｍ２０
３を０．５重量％以上の多量に添加しペレットの硬度を
下けて、セラミック核燃料素子と金属被覆管との熱膨張
の差に起因して起こる機械的相互作用を低減するもので
あるから１本願発明とは目的、構成および効果を全く異
にするものである。

〔実施例〕

つぎに、この発明を実施例にもとづいて具体的に説明す
る。

平均粒径：０．９７ｐｍのＵＯ２粉末。

平均粒径：０．５０μｍのＭ２Ｏ３粉末。

平均粒径：０．６１μｍのｆｉＪ、（ＯＨ）３粉末。

を用意し、さらにステアリン酸アルミニウム、パルミチン酸アルミニウム
、オレイン酸アルミニウム、およびステアリン酸亜鉛を
用意し、第１表の実施例１〜１０および比較例１〜４に
示される配合組成となるように配合し友ものを混合し、
上記混合したものを金型に充填し、３ｔ／ｃ１１Ｌ２の
圧力でプレスして直径：１０顛×高さ：１５ｕの圧粉体
を成形した。

これら圧粉体を水素気流中、温度：ｌ、７５０℃で５時
間焼結し、得られたＵ０２ペレットの平均結晶粒径およ
び焼結密度を測定し、これらの測定結果を第１表に示し
た。この実施例では脂肪酸のアルミニウム塩としてステ
アリン酸アルミニウム。

パルミチン酸アルミニウムおよびオレイン酸アルミニウ
ムについて実施したが、脂肪酸のアルミニウム塩は、こ
れらに限定されるものではない。

〔発明の効果〕

上記実施例の結果から、この発明において。

Ｕ○２粉末に微量のアルミニウム化合物を添加混合する
ことによシ、従来の製造方法で容易に結晶粒径ノ大キい
Ｕ○２ベレツ２トを得ることができ、かっこの方法で得
られたＵ０２ペレットはＭの添加量が１ａｌｋなことか
ら、００２にレットに要求される熱的特性および核的特
性にも悪い影響を与えない。

出願人　　三菱原子燃料株式会社

Claims

【特許請求の範囲】１、二酸化ウランまたは二酸化ウランとプルトニウムの
混合酸化物にアルミニウム化合物を添加して混合したも
のを圧粉体とし、上記圧粉体を還元性雰囲気中で焼結す
ることにより核燃料ペレットを製造する方法において、上記アルミニウム化合物をアルミニウムに換算して０．
００１〜０．０７重量％（１０〜７００ｐｐｍ）添加す
ることを特徴とする核燃料ペレットの製造法。２、上記アルミニウム化合物をアルミニウムに換算して
０．００３〜０．０２５重量％（３０〜２５０ｐｐｍ）
添加することを特徴とする請求項１記載の核燃料ペレッ
トの製造法。３、上記アルミニウム化合物は、酸化アルミニウムであ
ることを特徴とする請求項１または２記載の核燃料ペレ
ットの製造法。４、上記アルミニウム化合物は、水酸化アルミニウムで
あることを特徴とする請求項１または２記載の核燃料ペ
レットの製造法。５、上記アルミニウム化合物は、脂肪酸のアルミニウム
塩であることを特徴とする請求項１または２記載の核燃
料ペレットの製造法。６、上記アルミニウム化合物は、酸化アルミニウム、水
酸化アルミニウム、脂肪酸のアルミニウム塩のうち２種
以上であることを特徴とする請求項１または２記載の核
燃料ペレットの製造法。７、上記脂肪酸のアルミニウム塩は、圧粉体成形時の潤
滑剤として添加することを特徴とする請求項５または６
記載の核燃料ペレットの製造法。