(57)【要約】【課題】酸化物核燃料ペレットの組織の評価を、経済的に優れ、制御が容易、さらに再現性も高く行う。【解決手段】不活性雰囲気ガスの炉内で酸化物核燃料ペレットの研磨された表面を熱エッチングする熱エッチング方法であって、保持温度もしくは最高温度に向けて３０００℃／ｈｒ以上の速度で炉内温度を昇温することを特徴とする熱エッチング方法。不活性雰囲気のガスとして、アルゴン、ヘリウム、窒素のいずれか１種、またはこれらの混合ガスを使用する熱エッチング方法。これらの方法で得られた酸化物核燃料ペレットを画像処理して、結晶粒子径または気孔径を評価する酸化物核燃料ペレットの評価方法。【選択図】なし。【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性雰囲気ガスの炉内で酸化物核燃料ペレットの研磨された表面を熱エッチングする熱エッチング方法であって、
保持温度もしくは最高温度に向けて３０００℃／ｈｒ以上の速度で炉内温度を昇温することを特徴とする熱エッチング方法。
【請求項２】
前記不活性雰囲気のガスとして、アルゴン、ヘリウム、窒素のいずれか１種、またはこれらの混合ガスを使用することを特徴とする請求項１に記載の熱エッチング方法。
【請求項３】
前記保持温度を、１２００℃以上としていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱エッチング方法。
【請求項４】
前記酸化物核燃料ペレットの昇温、保持温度の維持のための炉として赤外炉を用いていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の熱エッチング方法。
【請求項５】
前記酸化物核燃料ペレットの研磨された表面に、最高温度においても前記酸化物核燃料ペレットと反応せず、かつ熱的に不活性な材料の面を合わせることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の熱エッチング方法。
【請求項６】
前記酸化物核燃料ペレットは、ＭＯＸ燃料またはウラン燃料のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱エッチング方法。
【請求項７】
前記請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱エッチング方法で得られた酸化物核燃料ペレットを画像処理して、結晶粒子径または気孔径を評価することを特徴とする酸化物核燃料ペレットの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は酸化物核燃料ペレットの熱エッチング方法および評価方法に関し、特に酸化物核燃料ペレットの組織評価を経済的に行うため急速に昇温する熱エッチング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、軽水炉には、燃料として酸化ウラン（ＵＯ２、厳密には２酸化ウランであるが、慣行に従がって酸化ウランと記載する。プルトニウムについても、同じである）ペレットが用いられている。このため、酸化ウランペレットの組織を正確に評価すること、特に粒子径や気孔径を正しく評価することは、軽水炉の安全運転の確保のために必要不可欠である。
【０００３】
また将来は、天然ウランや劣化ウランの酸化物に酸化プルトニウム（ＰｕＯ２）を配合したＭＯＸ燃料（混合酸化物燃料）が主として使用される予定である。しかし、酸化ウランと酸化プルトニウムでは、核分裂に際して発生する中性子の個数やエネルギーやフィッションに相違があるだけでなく、熱伝導率などの物性値も相違する。酸化ウランペレットの場合と同様に、燃料組織は照射挙動に影響するために、ＭＯＸ燃料の組織を正確に評価する必要もある。
【０００４】
従来、酸化物核燃料ペレットの組織評価方法として、化学エッチング法と熱エッチング法が実用化されている。化学エッチング法は、結晶方位や結晶欠陥等のエッチング液に対する反応速度の相違を利用して、ペレットの表面に結晶の粒界等に対応した幾何学的な凹凸を生じさせる方法である。そして、この生じた凹凸が、即ち結晶粒界での幾何学的変化が光の反射率の相違等を生じさせ、これにより光学顕微鏡等による観察時に粒子判別が可能となる。しかし、化学エッチング法は、溶液を用いるため廃液が生じる。特に、ＭＯＸ燃料では放射性の廃液を生じる。また、酸の蒸気が設備を腐食する。これらのため、次に説明する熱エッチング法に比較すると、大きな技術的、経済的不利益を伴う。
【０００５】
一方、熱エッチング法は、特殊な雰囲気ガスの下で、酸化物核燃料のペレットの研磨面をその組成物の熱拡散が有意となる温度まで昇温し、熱による物質の拡散により結晶粒界や結晶の欠陥について、それらに沿って凹凸あるいは溝を形成させて、顕在化する方法である。しかし、熱エッチング法では、試料を所定の時間、所定の高温に保持するだけでなく、併せて酸素ポテンシャルを精度よく制御する必要があり、経済的な面から問題があった。
【０００６】
具体的には、例えば以下の特許文献１に開示されている発明では、酸素の化学ポテンシャルを−７５〜−１２５ＫＪ／ｍｏｌに保持して９００〜１５００℃／ｈｒの速度で昇温し、さらに１２５０〜１４５０℃に１５〜３０分保持する必要がある。
あるいは、以下の非特許文献１には、炭酸ガス雰囲気中で、１２５０℃〜１３００℃で１時間保持する研究が記載されている。
【特許文献１】特開平１１−２３１０８５号公報
【非特許文献１】Ｊ．ｏｆ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ２０９（１９９４）  ２８０−２８５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
熱エッチング法の場合、熱エッチング時にＵＯ２が安定な領域より高い酸素ポテンシャルに曝されるとＵＯ２が高次の酸化物に変化するため、適切なエッチングができない。また、完全に還元雰囲気にすると、表面拡散係数が低下して溝の形成が不十分になるため、やはり適切なエッチングができない。以上より、炉内の雰囲気としては、微酸化性雰囲気が適切な雰囲気とされている。
【０００８】
次に、適切な微酸化性雰囲気とする手段として、水−水素（Ｈ２）系や炭酸ガス（ＣＯ２）−一酸化炭素（ＣＯ）系の化合物気体の解離平衡を利用した酸素分圧の制御が採用されている。
このような解離平衡を利用しなければ、雰囲気ガス内の酸素分圧に依存した酸素ポテンシャルとなり、雰囲気ガスの酸素ポテンシャルは室温に近づくほどが高くなるため、昇温、降温時に試料の表面が酸化されてしまう。しかし、たとえ解離平衡を利用しても、熱エッチング法は上記の様に解離ガスの調整、高い温度の維持等の困難な制御、操作が必要であり、経済的にも問題があった。
【０００９】
このため、酸化物核燃料ペレットの組織を、経済的に優れ、制御が容易であり、さらに再現性も高く評価することが可能な熱エッチング方法の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以上の課題を解決するために、熱エッチング方法において、保持温度もしくは最高温度への昇温を高速に行い、試料への悪影響を低減するようにしたものである。
以下、各請求項の発明を説明する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
不活性雰囲気ガスの炉内で酸化物核燃料ペレットの研磨された表面を熱エッチングする熱エッチング方法であって、
保持温度もしくは最高温度に向けて３０００℃／ｈｒ以上の速度で炉内温度を昇温することを特徴とする熱エッチング方法である。
【００１２】
本請求項の発明においては、高速で不活性雰囲気ガスの炉内温度を昇温するため、例えば雰囲気ガス中の不純物酸素による高酸素ポテンシャルに暴露される等の雰囲気ガスからの悪影響に曝される時間が短縮化され、試料に各種の悪影響が生じないようにすることができる。
また、不活性雰囲気（不純物としての酸素が存在するため、結果的に微酸化性雰囲気となっている場合を含む）を使用するため、還元性ガスを使用する場合と異なり、保持温度は比較的低く、保持時間も少なくなる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、前記の熱エッチング方法であって、
前記不活性雰囲気のガスとして、アルゴン、ヘリウム、窒素のいずれか１種、またはこれらの混合ガスを使用することを特徴とする熱エッチング方法である。
【００１４】
本請求項の発明においては、前記不活性雰囲気のガスとして、アルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）のいずれか１種、またはこれらの混合ガスを使用するため、入手が容易である。また、従来使用されていた水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）等の危険物の場合に必要な安全性確保のための設備も不要となる。
なお、これらの不活性雰囲気のガスは通常、空気等から分離して製造されるため、試料に悪影響を及ぼす他の不純物ガス、例えば窒化酸素やオゾン等は、空気からの分留時に排除され、含まれていない。ただし、工業純度のものには１００分の１から１０万分の１程度の酸素が含まれているため、微酸化性ガスとなっている場合も本発明に含まれる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記の熱エッチング方法であって、
前記保持温度を、１２００℃以上としていることを特徴とする熱エッチング方法である。
【００１６】
熱エッチング時の炉内の雰囲気ガスとして工業純度の不活性雰囲気ガスを用いた場合には、保持温度を比較的低くすることができる。
ここに、１２００℃以上としているのは熱エッチングの進行を早めるためである。
なお、本来の組織が変化してしまう恐れが全くない面からは１６００℃以下が好ましく、処理時間の短縮等の面からは、１７００℃程度で実施するのが好ましい。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記の熱エッチング方法であって、
前記酸化物核燃料ペレットの昇温、保持温度の維持のための炉として赤外炉を用いていることを特徴とする熱エッチング方法である。
【００１８】
本請求項の発明においては、赤外炉を用いるため、雰囲気の制御や操作が容易になる。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、前記の熱エッチング方法であって、
前記酸化物核燃料ペレットの研磨された表面に、最高温度においても前記酸化物核燃料ペレットと反応せず、かつ熱的に不活性な材料の面を合わせることを特徴とする熱エッチング方法である。
【００２０】
本請求項の発明においては、酸化物核燃料ペレットの研磨された表面に、同じく研磨されたそして熱的に不活性な材料、例えばアルミナ、からなる面を合わせるため、試料表面は不活性ガス雰囲気になる。
また、同じく昇降温に際しては、低温時の酸素の悪影響が排除される。
特に、工業純度のアルゴン、ヘリウム、窒素を用いた場合、不純物酸素濃度が高くなることがあるため、本請求項の意義は大きい。
なおここに、熱的に不活性な材料とは、試料とは反応せず、蒸気圧が低く、昇華や溶融や大きな相変化をしない材料をいう。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、前記の熱エッチング方法であって、
前記酸化物核燃料ペレットは、ＭＯＸ燃料またはウラン燃料のいずれかであることを特徴とする熱エッチング方法である。
【００２２】
本請求項の発明は、文献による研究報告が比較的あるウラン燃料のみならず、原理上ＭＯＸ燃料についても適用可能となる。即ち、ウラン、プルトニウムともアクチノイドであるだけでなく原子番号と原子質量もほぼ同じであり、このため酸化ウラン、酸化プルトニウムとも結晶構造は共に立方晶であり、密度は共に１１ｇ／ｃｍ３前後であり、融点は前者が約２８８０℃、後者が２３９０℃と各種の物性が似ていること、アルミナ等の覆いによる低温時の不活性雰囲気ガスや不純物酸素の遮断の効果に試料の種類による相違がないことによる。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、
前記請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の熱エッチング方法で得られた酸化物核燃料ペレットを画像処理して、結晶粒子径または気孔径を評価することを特徴とする酸化物核燃料ペレットの評価方法である。
【００２４】
本請求項の発明においては、熱エッチングした試料を、光学顕微鏡、電子顕微鏡等を使用して視覚的に観察する。この際、ハード的、ソフト的な処理がなされ、また所定の数値処理、演算をして、結晶粒子径や気孔径を中心に必要なデータを得ることとなる。この際、粒子間の顕在化や再現性が優れているので、処理が容易となり、優れたデータも得易い。
【発明の効果】
【００２５】
本発明においては、熱エッチング時の昇温を高速に行うため、不活性雰囲気ガスやその不純物による試料への悪影響を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００２７】
（第１の実施の形態）
試料は、通常のＰＷＲ用の酸化ウランペレットを使用した。この酸化ウランペレットは、直径９ｍｍ、密度は理論値の９５％であり、これを薄く切削後、その表面を段階的に小さな粒径の研磨紙を使用して研磨し、最終的には粒径が１μｍのダイヤモンドペーストで仕上げの研磨をした。なお、各段階の研磨時においては、試料の固定にはアラルダイトを使用し、研磨終了後には超音波洗浄を行った。また、熱エッチング時に試料を酸化性ガスから保護するためのアルミナ製の覆いもほぼ同様に研磨して作製した。
その後、研磨が終了した試料に、同じく研磨したアルミナを上から被せ、赤外炉中にセットした。なお、試料の直径は６ｍｍ程度、厚さは１ｍｍ程度であり、アルミナの直径は７ｍｍ程度、厚さは１ｍｍ程度である。
【００２８】
この状態で、一般実験用のアルゴンガス（不純物濃度は、１０万分の１から100万分の１）を５０ｍｌ／ｍｉｎで流し、室温から１３００℃まで１５０００℃／ｈｒの速度で昇温し、１３００℃で１０分保持した。その後、室温まで急速に降温した。なお、降温速度は、昇温時と同じとした。
なお、圧力は１ａｔｍに保持していた。
試料の中央部の電子顕微鏡による観察結果を、図１に示す。図１より明らかな通り、気孔および結晶粒子を明瞭に観察可能である。
【００２９】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、保持温度を１５００℃で３分とした他は、第１の実施の形態と同じである。保持時間が第１の実施の形態より短いのは、保持温度が高いためである。電子顕微鏡による観察結果を、図２に示す。図２より明らかな通り、気孔および結晶粒子を明瞭に観察可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】第１の実施の形態において、得られた試料の電子顕微鏡写真である。
【図２】第２の実施の形態において、得られた試料の電子顕微鏡写真である。
【図１】
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【図２】
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