(57)【要約】【課題】マイクロ波加熱によって作製される脱硝体を粉砕して得られる核燃料ペレット製造用粒子において、従来技術よりも高焼結密度のペレットを製造するために、平均粒径をサブミクロンレベルとし、さらに最大粒径を小さく規定することによって粒度分布の幅を狭くした粉砕粒子及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムとの混合溶液を脱硝容器に収納しマイクロ波加熱によって脱硝体とし、該脱硝体を粉砕して得られる核燃料ペレット製造用粒子であって、体積平均粒径が１μｍ以下で、体積最大粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする。本発明の核燃料ペレット製造用粒子は、脱硝容器の少なくとも底面に、前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材を配置してマイクロ波加熱を行うことによって製造される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムとの混合溶液を脱硝容器に収納しマイクロ波加熱によって脱硝体とし、該脱硝体を粉砕して得られる核燃料ペレット製造用粒子であって、
該核燃料ペレット製造用粒子は、体積平均粒径が１μｍ以下で、体積最大粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする核燃料ペレット製造用粒子。
【請求項２】
請求項１に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法であって、
硝酸ウラニル溶液あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムとの混合溶液を脱硝容器に収納しマイクロ波加熱によって脱硝体とする工程と、該脱硝体を焙焼・還元して焙焼還元体を得る工程と、該焙焼還元体を粉砕する工程とを有し、
前記マイクロ波加熱は、マイクロ波吸収が前記の硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液よりも小さく、且つ、耐熱性及び耐硝酸性を有する材質からなる脱硝容器の少なくとも底面に、前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材を配置して行うことを特徴とする核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【請求項３】
前記焙焼還元体を粉砕する工程が、転動造粒装置の駆動軸に取り付けられた複数の回転羽根を用いて行われることを特徴とする請求項２に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【請求項４】
前記脱硝容器を構成する材質が、セラミックスであることを特徴とする請求項２又は３に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【請求項５】
前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材が、ガラス、プラスチック及びセラミックスの群からなる少なくとも一つの材質からなることを特徴とする請求項２〜４の何れかに記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【請求項６】
前記ガラスがガラス繊維であることを特徴とする請求項５に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【請求項７】
前記プラスチックがフッ素樹脂であることを特徴とする請求項５に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【請求項８】
前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材は、厚さが１０〜１２０ｍｍで配置されることを特徴とする請求項２〜７に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【請求項９】
前記焙焼還元体の粉砕時間は、少なくとも３分以上であることを特徴とする請求項２〜８に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電などの燃料に用いられる核燃料ペレット製造用粒子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電などの燃料には、二酸化ウラン燃料や二酸化ウランに酸化プルトニウムを混合したＭＯＸ燃料が用いられる。これらの核燃料は、二酸化ウラン粉末などの原料粉末をペレットに成形して還元雰囲気下で焼結し、この焼結ペレットを燃料棒に封入し、多数の燃料棒を束ねた燃料集合体として使用される。
【０００３】
二酸化ウランなどの核燃料粉末を製造する方法としてマイクロ波加熱を利用した方法が知られている。この製造方法は、硝酸にウランを溶解させた硝酸ウラニル溶液などをマイクロ波によって加熱脱硝し、ウラン酸化物（主成分：ＵＯ３）の脱硝体とし、粉砕、造粒して所定の粒子を製造し、これを焙焼・還元することによって、揮発性不純物を除去すると共に、酸化度を調整して二酸化ウラン（ＵＯ２）を主成分とした焙焼還元体とし、この焙焼還元体から焼結ペレットの原料となる核燃料粉末を製造している。（特許文献１〜５）ここで、脱硝後に粉砕、造粒して所定の粒子を製造し焙焼・還元する工程は、脱硝体を焙焼・還元しその後に粉砕、造粒することも可能である。
【０００４】
ただ、いずれも粉砕後の粒子径が平均で３〜７μｍのミクロンオーダーの粉砕粒子となり、この粉砕粒子によって転動造粒を行うと平均粒子径が１７０〜４４０μｍの転動造粒粒子（以下、造粒粒子、造粒粒子径と称する。）となる。本発明者らの研究によると、マイクロ波脱硝加熱において脱硝容器に窒化ケイ素製を使用すると、図７に示すように粉砕後の平均粒子径が０．９５１、１．４８８、０．９０８および０．７４０μｍであっても、その粉砕粒子径のばらつきが大きく（図７の左図の粒子分布では、目視で０．１〜４０μｍ）、転動造粒後に焼結を行ったペレットの断面金相には図７の右図のように数百μｍの粒子構造と空隙が混在し、均質なペレットにはならないことが判明した。この結果、その後のペレット製造における焼結密度は、図７の例で、９３．４、９３．０、９２．９、９２．６％であり、高焼結密度のペレットを製造することには限界があった。
【０００５】
粉砕粒子の粒度分布の幅が０．１〜４０μｍと非常に大きなことの要因として、脱硝のためのマイクロ波加熱時に、マイクロ波の吸収エネルギー分布の不均一性等により、温度上昇が不均一となった結果、十分な粉砕が困難である硬い未反応物が残存し、さらにはマイクロ波加熱によって脱硝容器の内面に、フレーク状の脱硝体が強固に付着し、この付着物が十分粉砕されずに、核燃料ペレット製造用粒子に混入するという知見がある。
【０００６】
すなわち、ウラン含有硝酸溶液がマイクロ波加熱されて沸騰している段階では、全体が液体であるために、マイクロ波の吸収特性に偏りがなく、また、液体全体が流動して混合されるために均一な加熱となる。脱硝反応が進み、中間生成物を経てウラン酸化物である脱硝体が生じる過程においては、まだ液として残存している部分、反応途中である中間生成物の部分及び反応が終了した脱硝体の部分が併存する。これらのマイクロ波吸収特性はそれぞれ異なるため、均一な加熱が困難となり、特に熱が逃げ易くて加熱が弱い脱硝容器底や縁の部分において、剥離性が悪く粉砕が困難である硬い未反応物が残存する。これらの原因により、不均一なばらつきの大きい粒子となるとの知見を有している。
【０００７】
一方、その粒子製造装置にあっては、粉砕と造粒を一台の装置で行うために、特許文献４に記載のように粉砕羽根と混練羽根とがその各取付軸を中心に自転を行うと同時に、脱硝容器に沿った公転運動を行い、スクレーパも脱硝容器に沿った公転運動を行うという複雑な構成の設備となっていた。そのような構成では、装置部品の点数も多く、かつ形状も複雑で、部品表面の凹凸や部品間の隙間等に放射性物質が滞留しやすくなる。この結果、前記粒子製造に使用する装置のメンテナンスに関しては、放射性物質が付着した装置を取り扱う必要があるため、被ばく防止等を含めた大きな労力を要する結果となっていた。また、装置自体も混合、混練、造粒といった用途を想定して設計されており、脱硝体の粉砕のために設計されたものではないため、必ずしも脱硝体を効率的に粉砕できるものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−００４８８３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９０７１８号公報
【特許文献３】特開２０１０−１９０７１９号公報
【特許文献４】特開２０１０−１９０７２０号公報
【特許文献５】特開２０１２−１６６９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、従来技術で記載した問題点に鑑み、マイクロ波加熱によって作製される脱硝体を粉砕して得られる核燃料ペレット製造用粒子において、従来技術よりも高焼結密度のペレットを製造するために、サブミクロンレベルの平均粒径を有し、最大粒径を規定することによって調整された粒度分布の幅の狭い粉砕粒子を提供することにある。さらに、平均粒径と最大粒径の小さな核燃料用ペレット用粒子を製造するために、均等な加熱によって均質かつ粉砕が容易な脱硝体あるいは焙焼還元体を得ることと、その均質な脱硝体あるいは焙焼還元体を簡素な粉砕方法によって粉砕して、粒径と最大粒径を所望の範囲に調整できる核燃料ペレット製造用粒子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以下の構成からなる核燃料ペレット製造用粒子及びその製造方法に関する。
［１］硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムとの混合溶液を脱硝容器に収納しマイクロ波加熱によって脱硝体とし、該脱硝体を粉砕して得られる核燃料ペレット製造用粒子であって、該核燃料ペレット製造用粒子は、体積平均粒径が１μｍ以下で、体積最大粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする核燃料ペレット製造用粒子。
［２］前記［１］に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法であって、硝酸ウラニル溶液あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムとの混合溶液を脱硝容器に収納しマイクロ波加熱によって脱硝体とする工程と、該脱硝体を焙焼・還元して焙焼還元体を得る工程と、該焙焼還元体を粉砕する工程とを有し、前記マイクロ波加熱は、マイクロ波吸収が前記の硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液よりも小さく、且つ、耐熱性及び耐硝酸性を有する材質からなる脱硝容器の少なくとも底面に、前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ吸収部材を配置して行うことを特徴とする核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
［３］前記焙焼還元体を粉砕する工程が、転動造粒装置の駆動軸に取り付けられた複数の回転羽根を用いて行われることを特徴とする前記［２］に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
［４］前記脱硝容器を構成する材質が、セラミックスであることを特徴とする前記［２］又は［３］に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
［５］前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材が、ガラス、プラスチック及びセラミックスの群からなる少なくとも一つの材質からなることを特徴とする前記［２］〜［４］の何れかに記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
［６］前記ガラスがガラス繊維であることを特徴とする前記［５］に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
［７］前記プラスチックがフッ素樹脂であることを特徴とする前記［５］に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
［８］前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材は、厚さが１０〜１２０ｍｍで配置されることを特徴とする前記［２］〜［７］に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
［９］前記焙焼還元体の粉砕時間は、少なくとも３分以上であることを特徴とする前記［２］〜［８］に記載の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明による核燃料ペレット製造用粒子は、サブミクロンオーダーの小さな体積平均粒径を有するだけでなく、体積最大粒径を１０μｍ以下に規定して粒度分布の幅を狭くすることによって、従来方法よりも高焼結密度のペレットを製造することができる。具体的には、従来比で２％以上の向上が図れることから、原子力発電の効率向上に直接的に寄与する。
【００１２】
本発明による核燃料ペレット製造用粒子の製造方法は、まず、マイクロ波加熱時に、脱硝容器の少なくとも底面に接してマイクロ波吸収部材を配置して前記マイクロ波加熱を行うことによって加熱の均一性が改善され、脱硝容器の底部分や縁において発生する剥離性が悪く粉砕が困難である硬い未反応物の塊の生成を抑制することができ、剥離性及びハンドリング性の向上や、生産の安定化を図ることができる。それによって、体積平均粒径だけでなく、体積最大粒径も小さくできるため、狭い粒度分布を有する核燃料ペレット製造用粒子の製造が可能となる。
【００１３】
また、本発明の製造方法によれば、ウラン含有硝酸溶液をマイクロ波加熱して、高品質かつ均一性に優れるサブミクロンオーダーのペレット製造用の粉砕粒子を製造できるため、焼結密度の高いペレットを安定して得ることができる。これにより、焼結密度が低い規格外品が少なくなり、歩留まりが向上することで製造コストを低減することができる。
【００１４】
また、本発明の製造方法は、マイクロ波脱硝の時間を短縮する効果が得られるため、製造時間の短縮ならびに製造コストの低減を図ることができる。
【００１５】
さらに、本発明の製造方法によれば、脱硝容器の底部分や縁において発生する剥離性が悪く粉砕が困難である硬い未反応物の塊の生成を抑制することができるため、粉砕羽根の回転機構の簡略化ができ、簡素で安価な装置とすることができる。同時に、同装置のメンテナンスを簡略化できるため、作業員の放射線被ばく量を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明を含む核燃料ペレット製造の製造工程の一実施例を示す。
【図２】本発明の脱硝容器とマイクロ波吸収部材の一実施例を示す。
【図３】本発明で使用する転動造粒装置の回転羽根の形状の一例を示す。
【図４】本発明のマイクロ波加熱による脱硝体の温度変化を示した図である。
【図５】本発明のマイクロ波加熱脱硝と粉砕による平均粉砕粒子径分布の測定結果の一実施例を示す。
【図６】本発明の粉砕による平均粉砕粒子径の再現性の一実施例を示す。
【図７】従来例の粉砕による平均粉砕粒子径の分布とその焼結後の表面状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明者等の検討によれば、核燃料ペレット製造用粒子の焼結密度を高めるためには、従来から検討されているように粉砕粒子の平均粒径を小さくするだけでは効果が小さく、同時に粒度分布の幅を小さくすることによって大きな効果が得られることが分かった。さらに、粉砕粒子の粒度分布が小さくなっても、最大粒径の大きな粒子が残存する場合は、図７に示すように、大きな粒子構造の存在と空隙の混在によって焼結ペレットの高密度化が阻害される場合がある。本発明の核燃料ペレット製造用粒子は、従来技術では明らかにできなかった前記の知見に基づいてなされたものであり、体積平均粒径がサブミクロン領域である１μｍ以下で、体積最大粒径が１０μｍ以下である点に大きな特徴を有する。本発明においては体積平均粒径を小さくすることによって、粒度分布の幅を狭くできるという効果も合わせて得ることができる。
【００１８】
本発明において、平均粒径及び最大粒径は、核燃料ペレット製造用粒子の焼結密度との相関性が良いことから、湿式のレーザ粒度分布計を用いて、体積平均粒径及び体積最大粒径として測定する。本発明において、体積平均粒径及び体積最大粒径のどちらかがそれぞれ１μｍ及び１０μｍを超えると、焼結ペレットの高密度化の効果がほとんど得られない。本発明の効果を奏するためには、体積最大粒径を１０μｍ以下で規定することが必要であり、好ましくは５μｍ以下である。体積最大粒径が５μｍ以下であれば、焼結ペレットの密度を従来比で２％を超え、３％近く高めることができる。なお、体積平均粒径及び体積最大粒径の下限値については、現状の製造方法及び製造装置で達成できる能力の範囲内で決めることができる。
【００１９】
本発明による核燃料ペレット製造用粒子を用いて、核燃料ペレットを製造するための工程の一実施例を図１に示す。図１には、マイクロ波加熱による脱硝からペレット製造までの一連の全体の工程フローチャートを示している。本発明の核燃料ペレット製造用粒子の製造工程は、主に脱硝体を焙焼・還元し、その後に粉砕、造粒する工程に含まれるものであり、図１において「粉砕」後の「ペレット製造用粒子」を製造するまでに至る工程である。また、脱硝体の状態を明確にするため、マイクロ波加熱した直後のものを脱硝体、焙焼・還元したものを焙焼還元体として表す。粉砕後の各工程の内容については特許文献１〜４にも記載されており、本発明においてもその工程系列を用いる。
【００２０】
図１に示すように、本発明の核燃料ペレット製造用粒子の製造方法は、硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液を脱硝容器に収納しマイクロ波加熱によって脱硝体とする工程と、該脱硝体を焙焼・還元して得られる焙焼還元体を得る工程と、該焙焼還元体を粉砕する工程からなり、前記マイクロ波加熱は、マイクロ波吸収が前記の硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液よりも小さく、且つ、耐熱性及び耐腐食性を有する材質からなる脱硝容器の少なくとも底面に、前記脱硝容器と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材を配置して行うことにより、硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液を前記脱硝体とする核燃料ペレット製造用粒子の製造方法である。
【００２１】
図１に示す本発明の脱硝工程で行うマイクロ波加熱について、図２を用いて説明する。本発明では、サブミクロンオーダーで、且つ、最大粒径を小さくした核燃料ペレット製造用粒子を製造するために、図２の（ａ）に示すように、脱硝容器１の開口部以外の部分、いわゆる脱硝容器底面部と脱硝容器側面部を、脱硝容器１と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有するマイクロ波吸収部材２を配置して覆うことが大きな特徴である。脱硝容器１の全体を囲むことによって、マイクロ波加熱を行うときに、不均一加熱を抑制することができる。また、本発明においては、図２の（ｂ）に示すように、マイクロ波吸収体２を脱硝容器１の底部に設置するだけでも良い。マイクロ波吸収部材２を接触面積の大きな底面に配置するだけでも、脱硝体又は硝酸ウラニル溶液３の不均一加熱に対して、ある程度の抑制効果が得られる。
【００２２】
図２に示す脱硝容器１は、マイクロ波を吸収する一方で、マイクロ波吸収が硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液よりも小さく、且つ耐熱性（約４００℃）及び耐硝酸性を有する材質で構成する。その材質としては、セラミックスが好ましく、均一加熱を行うためにセラミックスにおいて熱伝導性が相対的に高い窒化ケイ素がより好ましい。金属は、耐熱性があるもののマイクロ波が反射されるため、脱硝体又は硝酸ウラニル溶液３の加熱時間が長くなる等の課題があり、使用に適さない。また、マイクロ波吸収が硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液と同じか、若しくは大きい場合は、脱硝容器１が先に加熱されるだけで、脱硝体又は硝酸ウラニル溶液３のマイクロ波吸収がスムーズに進まず、マイクロ波加熱時間が長くなったり、不均一加熱が起こりやすくなる。脱硝容器１の厚さは、作業性及びマイクロ波加熱による上昇温度と昇温速度に応じて決められるが、通常は３〜５０ｍｍである。
【００２３】
脱硝容器１の周りに配置するマイクロ波吸収部材２は、マイクロ波のエネルギーを適度に吸収させ発熱させることによって、硝酸ウラニル溶液、あるいは硝酸ウラニルと硝酸プルトニウムの混合溶液の加熱、昇温を促進させるために使用する。また、同時に放熱を抑制して、熱エネルギーを効率良く利用することが必要である。そのために、マイクロ波の影響を受けない、いわゆるマイクロ波を透過し、かつ、硝容器１と同等若しくはそれよりも小さい熱伝導率を有し、保温効果の高い材料を使用する。
【００２４】
本発明で使用するマイクロ波吸収部材２としては、例えば、ガラス、プラスチック及びセラミックスの群からなる少なくとも１つの材質からなる材料が好ましい。さらに、脱硝容器１の周りに配置して使用するために、マイクロ波加熱時の加熱温度（約４００℃）に耐える耐熱性のガラス又はセラミックスが適当である。プラスチックとしては耐熱性と耐久性を有するポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル等のフッ素樹脂がより好ましい。ガラスとしては、通常のガラス板やガラス皿の他にも、ガラス繊維で集成、固形化したものを使用することができる。ガラス繊維は、マイクロ波吸収部材２の形状に成形加工することが容易であるだけでなく、内部に熱伝導率の低い空気を有することから、保温性の向上が図れる。
【００２５】
本発明において脱硝容器１としてセラミックスを使用する場合、前記のガラス及びプラスチックは熱伝導率がセラミックスよりも低いため、マイクロ波吸収部材２の材質として好適である。因みに、ガラス及びプラスチックの熱伝導率は１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下がほとんどであり、セラミックスの熱伝導率（２〜２００Ｗ／（ｍ・Ｋ））よりも小さい。また、マイクロ波吸収部材２としてセラミックスを使用する場合は、熱伝導率が脱硝容器１より小さいものを組み合わせて用いる。例えば、脱硝容器１が窒化ケイ素（熱伝導率が２７Ｗ／（ｍ・Ｋ）である場合は、マイクロ波吸収部材２として熱伝導率が２〜５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるムライト、コージライト又はジルコニア等を使用する。
【００２６】
本発明においては、脱硝容器１と同じ熱伝導率を有する材質のものをマイクロ波吸収部材２として使用しても良い。例えば、脱硝容器１が窒化ケイ素である場合に、マイクロ波吸収部材２として熱伝導率が同じ窒化ケイ素を使用しても、脱硝容器１とマイクロ波吸収部材２の間に薄い空気層ができるため放熱抑制効果を得ることができる。また、マイクロ波吸収部材２を脱硝容器１と組み合わせて使用する場合、両者の厚さが脱硝容器１の単独の場合よりも厚くなるため、結果的に熱容量が増えることとなり、放熱を抑制する効果が生まれる。
【００２７】
前記のマイクロ波吸収部材２の厚みは１０〜１２０ｍｍが好ましい。厚みが１０ｍｍ未満では、放熱抑制効果をほとんど得ることができない。また、厚みが１２０ｍｍを超えると、放熱抑制効果は飽和する傾向にあるだけで、加工性や重量増大による取扱い性等の低下を招く。本発明においては、熱エネルギーのより効率的な利用を図るため、厚みは１０〜５０ｍｍがより好ましい。
【００２８】
本発明においては、マイクロ波吸収部材２の材質ごとにマイクロ波の吸収特性や熱伝導特性等が異なるため、断熱材に応じた厚みや形状を選定することが必要である。さらに、脱硝容器と断熱材の組み合わせは、接着剤による一体化、あるいは脱硝容器にマイクロ波吸収部材を物理的に組み合わせてもよく、その際、放熱抑制効果を高めるために、両者を組み合わせるための若干の隙間があってもよい。
【００２９】
本発明において焙焼還元体の粉砕は、通常の粉砕法によって行うことができる。例えば、複数の羽を有するロータの回転を利用するロータ回転式粉砕機（粉砕効率を上げるためにグラインダを備えるものを含む）、ハンマーのスイングや回転を利用するハンマー式粉砕機、圧縮空気と遠心力を利用する衝撃式粉砕機、衝撃力とせん断による摩砕力を利用する超遠心粉砕機、及びボールを内包する容器を回転撹拌するボールミル粉砕機の何れかを用いる。本発明は、微粉砕が容易であり、核燃料ペレット製造用粒子の体積平均粒径と体積最大粒径を小さくする効果が得やすいことから、転動造粒装置の駆動軸に取り付けられた複数の回転羽根を用いて行うことが好ましい。さらに、複数の回転羽根は、一軸の回転機構からなる簡単な構成とすることがより好ましい。
【００３０】
本発明の製造方法で使用する転動造粒装置の回転羽根の構造の一例を図３に示す。図３の（ａ）に示すように、回転羽根は、1本の駆動軸に３〜４枚の回転羽根を配置する。回転羽根は、図３の（ｂ）〜（ｃ）に示す他、断面形状が少なくとも脱硝体と衝突する面が平面であるプロペラ形状のものを用いることができる。
【００３１】
本発明を実施例によって説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３２】
〔実施例１−２、比較例１〕
図２に示すマイクロ波吸収部材２の有無によるマイクロ波加熱脱硝の温度上昇とその履歴による放熱抑制効果の試験結果について説明する。試験サンプルと試験条件は下記の表１に示すが、脱硝対象溶液は、硝酸ウラニル溶液で濃度は３２０ｇ−Ｕ／Ｌ、硝酸濃度は４Ｎ、硝酸ウラニル溶液量は８４０ｍＬとした。脱硝容器１およびマイクロ波吸収部材２については、図２の（ａ）に示すように、脱硝容器１は内径２００ｍｍ、深さ３６ｍｍの窒化ケイ素製浅皿とし、マイクロ波吸収部材２はガラスウールを集成・固形化したもので、厚みは試料Ｎｏ．１では１０ｍｍ、試料Ｎｏ．２では５０ｍｍおよび試料Ｎｏ．３ではマイクロ波吸収部材なしの３種類とした。ここで、試料Ｎｏ．１、試料Ｎｏ．２及び試料Ｎｏ．３を、それぞれ実施例１、実施例２及び比較例１として試験を行った。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
これらの３種類の試料について、１．６５〜１．７５ＫＷのマイクロ波を照射し、脱硝体の温度上昇経過を確認した。図４に示す脱硝工程のマイクロ波加熱時の発熱曲線から観測された結果を、脱硝容器への粉砕粒子の付着結果と合わせて表１の下段に示す。
【００３５】
図４に示すように、マイクロ波加熱脱硝の脱硝過程は、マイクロ波加熱直後の温度上昇、１００℃前後の水分蒸発時間、高温下での脱硝時間の３つより構成されている。マイクロ波の印加直後からの温度上昇速度は、マイクロ波吸収部材を施した実施例１及び２は、マイクロ波吸収部材なしの比較例１に比べて温度上昇が遅くなる。これはマイクロ波吸収部材を付加することで脱硝容器全体の熱容量が増し、脱硝容器の温度上昇のために比較的長い時間が必要になり温度上昇速度が遅くなったためと考えられる。
【００３６】
その後、水が蒸発を始める時点から水が全て蒸発し脱硝が始まる時点までを水分蒸発時間として表示しているが、この水分蒸発時間は１００℃程度のままで水分蒸発が完了するまで温度は安定推移する。この水分蒸発時間は、比較例１（試料Ｎｏ．３）のマイクロ波吸収部材が無い場合には約３０分かかるのに対し、実施例１及び２（試料Ｎｏ．１及び２）のマイクロ波吸収部材を施した場合は、断熱材の厚みに関係なく約２０分となり、水分蒸発時間を３０％程度短縮できることが分かった。これは、脱硝容器側面及び底面の放熱が抑制されたことで、エネルギーを効率良く利用できたことに起因するものと推測する。
【００３７】
また、全体のマイクロ波加熱脱硝時間（水分蒸発時間は内数である）で見ても、比較例１（試料Ｎｏ．３）のマイクロ波吸収部材なしでは４６分かかるのに対して、実施例１及び２（試料Ｎｏ．１及び２）のマイクロ波吸収部材ありではそれぞれ４０．０分、４１．０分で完了しており、約５分程度の時間短縮を図ることができた。
【００３８】
さらに、図７で示したように、従来技術で観測された大きな粒子の塊の要因となる脱硝体の脱硝容器への付着を見ると、比較例の試料Ｎｏ．３ではフレーク状の付着物として固化、付着し大きな塊となっていたが、実施例１の試料Ｎｏ．１では一部に付着は見られるが、付着物の結合力が弱く、微小な力を加えることで剥離できるものであり、転動造粒装置に取り付けたプロペラ形状の回転羽根で十分粉砕できることが分かった。さらに、実施例２の試料Ｎｏ．２については、放熱抑制効果がより高くなるため、付着物の発生はなかった。
【００３９】
〔実施例３、比較例２〕
実施例３として、実施例２と同じ条件で行ったマイクロ波加熱脱硝工程の後の粉砕試験結果について説明する。
【００４０】
実施例３は、図２の（ａ）に示す窒化ケイ素製の脱硝容器（内径２００ｍｍ、深さ３６ｍｍ）１の底面、側面に、ガラスウール製の板厚５０ｍｍのマイクロ波吸収部材２を貼り付けた。この脱硝容器１に硝酸ウラニル溶液３（２８５〜３２０ｇＵ／Ｌ）を８４０ｍＬ入れ、出力１．６５〜１．７５ｋＷのマイクロ波を４０分間照射して、ＵＯ３を主成分とする脱硝体３を製造した。つぎに、脱硝体３を脱硝容器１に入れたまま、電気炉で６５０℃まで加熱し、空気雰囲気で１時間焙焼した後、還元雰囲気で１時間還元し、粉砕用の焙焼還元体を製造した。
【００４１】
粉砕用の焙焼還元体を、図３に示すように、単純な一軸に３枚の回転羽根を配置したプロペラ状羽根で、４試料（試料（ａ）、試料（ｂ）、試料（ｃ）、試料（ｄ））として粉砕を行った。その時のプロペラ状羽根の回転数は１，５００ｒｐｍで、粉砕時間を３分とした。
【００４２】
粉砕後の体積平均粒径及び体積最大粒径は、湿式のレーザ粒度分布計（島津製作所製ＳＡＬＤ−２１００）によって測定した。測定結果を図５に示す。なお、従来技術の図７に記載したように、放熱抑制効果を有するマイクロ波吸収部材を使用せずに窒化ケイ素製の脱硝容器だけでマイクロ波脱硝加熱を行ったものをまとめて比較例２とした。実施例３の試料（ａ）〜（ｄ）と比較例２との粉砕粒子の体積平均粒径及び体積最大粒径を下記の表２に示す。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
表２から、粉砕粒子の体積平均粒径は、比較例２が０．７４０〜１．４８８μｍであるのに対して、実施例３では、それぞれ０．６４０μｍ、０．５６６μｍ、０．６３０μｍ、０．６０７μｍの粒子となっており、いずれもサブミクロンオーダの粒子とすることができていることが確認できた。さらに、粉砕粒子の体積最大粒子径は、比較例が１３〜４０μｍであるのに対して実施例３では３μｍ以下と大きな粒子が存在しない粉砕が実現できている。それによって、本発明は、粉砕粒子の粒度分布の幅が狭くなることを確認できた。
【００４５】
つぎに、前記試料（ａ）〜（ｄ）の粉砕粒子をペレット製造用粒子として、図１に示す工程フローにおいて、下流工程である成形、焼結を行い、焼結密度を測定した。ここで、焼結密度は、理論密度を１００％とした場合としたときの実測値を比率で表し、密度の尺度を意味する物理量である。この値が高いほど、理論値に近い焼結密度を得ることができる。密度測定の結果、表２の下段に示すように、試料（ａ）〜（ｄ）の焼結密度はそれぞれ９４．９％以上、９６．０％以上、９６．０％以上、９４．９％以上であり、平均焼結密度で９５．５％以上の焼結密度のペレットが製造できることを確認した。一方、図７に示す従来技術によって製造されたペレットは平均焼結密度が９３．０％であることから、本発明により製造されたペレットの平均焼結密度は、従来技術による平均焼結密度よりも２．０％向上することができ、最も効果がある場合で３％近く高めることができる。この平均焼結密度の向上は、原子力発電の効率向上に直接的に結びつくものである。
【００４６】
さらに、平均粉砕粒子径の再現性について、粉砕時間と平均粉砕粒子径との関連性を確認した。試料は、実施例２の条件と同一で、粉砕時間のみを変化させた。その結果を図６に示す。粉砕時間が１分では平均粒子径が２μｍ、３分では０．７μｍ、５分では０．５μｍとなり、粉砕時間を３分以上とすることによってサブミクロンオーダーの粉砕粒子を再現性良く製造できることが確認できた。
【００４７】
また、焙焼還元体を粉砕したウラン粉末の物性を確認した結果、酸化度（Ｏ／Ｕ比）は２．１６、比表面積（ｍ２／ｇ）は３．８８、結晶形態はＵＯ２が主体となっており、核燃料ペレットの原料としての品質を十分満足することが確認できた。
【００４８】
［実施例４］
本実施例では、図２の（ａ）に示すマイクロ波吸収体２としてフッ素樹脂であるポリテトラフルオロエチレンを厚み５０ｍｍで配置した脱硝容器１を用いた以外では、実施例１−２と同様の条件にて硝酸ウラニル溶液を脱硝して粉砕用の脱硝体を製造した。乾固体である脱硝体の剥離性は良好であり、容易に全量が回収できた。該脱硝体を水素雰囲気下６５０℃で還元してＵＯ２粉末とし、該粉末からペレットを成形した。粉砕後の粉末粒子は、体積平均粒径及び体積最大粒径がそれぞれ１μｍ未満及び５μｍ未満であることが確認された。続いて約１７００℃で焼成した焼成ペレットを製造した。本実施例で製造されたペレットは均一なものが得られ、焼結密度が９３．８％と、従来技術による平均焼結密度よりは高い値を有することが分かった。
【００４９】
以上のように、本発明による核燃料ペレット製造用粒子は、サブミクロンの小さな体積平均粒径を有するだけでなく、体積最大粒径を小さくすることによって粒度分布の幅が狭くなり、従来方法よりも高焼結密度のペレットを製造することができる。高焼結密度のペレットは、原子力発電の効率向上に直接的に大きな寄与をする。また、本発明による核燃料ペレット製造用粒子の製造方法によれば、マイクロ波加熱時に、脱硝容器の少なくとも底面に接して放熱抑制効果を有するマイクロ波吸収部材を配置することによって加熱の均一性が改善され、脱硝容器の底部分や縁において発生する剥離性が悪く粉砕が困難である硬い未反応物の塊の生成を抑制することができ、剥離性及びハンドリング性の向上や、生産の安定化を図ることができる。それによって、粉砕後の粒子の体積平均粒径及び体積最大粒径を小さくできる製造法の確立が可能になる。
【００５０】
また、本発明の製造方法によれば、高品質かつ均一性に優れるサブミクロンオーダーのペレット製造用の粉砕粒子を製造できるため、焼結密度の高いペレットを安定して得ることができる。これにより、焼結密度が低い規格外品が少なくなり、歩留まりが向上することで製造コストを低減することができる。加えて、マイクロ波脱硝の時間が短縮かされるため、製造時間の短縮ならびに製造コストの低減を図ることができる。
【００５１】
さらに、脱硝容器の底部分や縁において発生する剥離性が悪く粉砕が困難である硬い未反応物の塊の生成が抑制され、粉砕羽根の回転機構の簡略化ができ、簡素で安価な装置を得ることができる。同時に、同装置のメンテナンスを簡略化できるため、作業員の放射線被ばく量を低減できるという効果が得られるため、その有用性は極めて高い。
【符号の説明】
【００５２】
１…脱硝容器
２…マイクロ波吸収部材
３…脱硝体あるいは硝酸ウラニル溶液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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