(57)【要約】【課題】  酸化物核燃料の表面を化学処理し、その表面を光学的に観察する工程からなる容易かつ短時間で実施できる結晶粒子判別方法であって、同一相内の結晶粒子の判別を、より高精度に実施する酸化物核燃料の結晶粒子判別方法を提供する。【解決手段】  酸化物核燃料の研磨された表面を、酸化剤溶液と接触させて該表面を化学処理し、該表面上に酸化化合物膜を形成する工程、及び該酸化化合物膜の光学的干渉により生ずる結晶粒子像を得る工程、を有することを特徴とする酸化物核燃料の結晶粒子判別方法。  【選択図】      図１
2006003243.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化物核燃料の研磨された表面を、酸化剤溶液と接触させて該表面を化学処理し、該表面上に酸化化合物膜を形成する工程、及び該酸化化合物膜の光学的干渉により生ずる結晶粒子像を得る工程、を有することを特徴とする酸化物核燃料の結晶粒子判別方法。
【請求項２】
上記酸化化合物膜を形成する工程及び結晶粒子像を得る工程を、さらに１度以上繰返すことを特徴とする請求項１に記載の酸化物核燃料の結晶粒子判別方法。
【請求項３】
酸化剤溶液が、過酸化水素を含有する溶液であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の酸化物核燃料の結晶粒子判別方法。
【請求項４】
前記結晶粒子像を、色彩画像の３刺激値を利用して画像処理す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酸化物核燃料の結晶粒子判別方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力分野で用いられる酸化物核燃料の結晶粒子判別方法に関する。より詳細には、酸化剤を用いて酸化物核燃料の表面に酸化化合物膜を形成し、該表面化合物膜を光学的に観察することにより、容易に、結晶粒子の判別を行うことを特徴とする、酸化物核燃料の結晶粒子判別方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力分野において、酸化物核燃料の、結晶粒子の判別等による組織評価は、該燃料の評価や、製造条件の最適化、さらには核燃料の改良のために必要である。
【０００３】
従来より、酸化物核燃料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知られている。熱エッチング法は、酸化物核燃料ペレットの研磨された表面を、物質の拡散が有意となる温度まで昇温することによって、結晶粒界に溝（グルーブ）を形成させ、結晶粒界を顕在化して光学顕微鏡等で観察する方法である。しかし熱エッチング法では、試料を熱処理する必要があり、該熱処理等に長時間を必要とし、経済的な観点からは問題がある。
【０００４】
化学エッチング法は、酸化物核燃料ペレットの研磨された表面に、該表面を腐食させるエッチング液を作用させて、結晶方位によるエッチング液に対する反応速度の違いを利用して幾何学的な凹凸を生じさせ、光学的に観察する方法である。結晶粒界に生じた幾何学的な凹凸の変化を、光学顕微鏡等により観察することにより、結晶粒子の判別が可能となる。しかし、この方法で得られる情報は、結晶粒界の情報のみであり、結晶方位に関する情報は得られない。又、結晶粒界を判別しづらい場合もある。
【０００５】
酸化物核燃料ペレツトの組織評価法としては、さらに、カラーエッチングが知られている。例えば、Ｈ．Ｈａｍｍｅｒｓｃｈｍｉｄｔ，Ｓ．Ｓａｉｇｅｒ，Ｊ．Ｎｕｃｌ．Ｍａｔｅｒ．，８１〈１９７９）１５３−１５８（非特許文献１）は、ガドリニア添加二酸化ウランペレツトにおいて、ガドリニウム固溶相とガドリニウム非固溶相を区別するためにカラーエッチングを用いる方法を開示している。この方法は、該ペレットを化学的に処理し、各相で生じる色が異なることを利用して、各相間を区別するものである。ガドリニア添加二酸化ウランペレツトの場合は、遊離ガドリニアが白色、遊離二酸化ウランが青色、固溶部分が茶色を呈するので、この色の相違により各相間の結晶の判別が可能となる。
【０００６】
また、特開平２−２４３９４１号公報（特許文献１）は、酸化物核燃料ペレツト内に、局所的に析出する、添加物としての金属酸化物相を検出する方法として、該ペレツトを、強酸性エッチング液及び弱酸性酸化液で化学処理し、光学顕微鏡で観察する方法を開示している。化学処理により、添加物としての金属酸化物結晶と二酸化ウラン結晶の粒子とでは、異なった色を呈することを利用して、該金属酸化物の析出状態を検出する方法である。
【０００７】
しかし、これらの方法は、異なった相の結晶の判別をする方法であり、金属元素が一様に分布する領域、すなわち同一相内の結晶粒子を判別する方法ではなかった。又、この方法においては、遊離二酸化ウラン相の部分は青色を呈し、同相内の結晶粒子間でわずかにその色の濃淡が見られる部分もあるが、色の濃淡が不十分な部分も多く、この色の濃淡を利用して同一相内の結晶粒子を正確に判別する方法は考えられていなかった。
【特許文献１】特開平２−２４３９４１号公報
【非特許文献１】Ｈ．Ｈａｍｍｅｒｓｃｈｍｉｄｔ，Ｓ．Ｓａｉｇｅｒ，Ｊ．Ｎｕｃｌ．Ｍａｔｅｒ．，８１〈１９７９）１５３−１５８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、酸化物核燃料の、同一相内の組織評価を、短時間でより高精度に実施する技術を提供することにある。より詳細には、酸化物核燃料の表面を化学処理し、その表面を光学的に観察する工程からなり、容易かつ短時間で実施できる結晶粒子判別方法であって、同一相内の結晶粒子の判別を、より高精度に実施する酸化物核燃料の結晶粒子判別方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、検討の結果、予め表面を研磨した酸化物核燃料ペレットを、酸化剤を含む溶液と接触させて化学処理し、該ペレット表面に安定な固相（酸化物化合物相）を形成すると、結晶方位の相違により異なった色を呈すること、そして、この色を光学的に観察して得られる結晶粒子像により、結晶粒界や結晶方位等の判別を容易に行うことができることを見出し、本発明を完成した。さらに、本発明者は、上記の工程を２回以上繰り返し、１回目と２回目以後で得られた結晶粒子像を共に用いることにより、さらに精度の高い結晶判別を容易に行うことができることを見出した。
【００１０】
本発明は、酸化物核燃料の研磨された表面を、酸化剤溶液と接触させて該表面を化学処理し、該表面上に酸化化合物膜を形成する工程、及び該酸化化合物膜の光学的干渉により生ずる結晶粒子像を得る工程、を有することを特徴とする酸化物核燃料の結晶粒子判別方法を提供するものである（請求項１）。
【００１１】
本発明の結晶粒子判別方法が適用される酸化物核燃料とは、二酸化ウラン、二酸化プルトニウム、これらの混合物、これらに他の金属酸化物を添加剤として含有させたもの等が挙げられる。このように本発明は、多相からなる酸化物核燃料にも適用されるが、その測定は、同一相の結晶間の判別を目的とするものである。例えば、二酸化ウラン結晶と酸化アルミニウム等の他の金属酸化物の結晶が混合している領域における、二酸化ウラン結晶間の判別にも適用される。
【００１２】
本発明が適用される酸化物核燃料は、通常、円柱状の核燃料ペレットの形状を有し、その少なくとも１つの表面が研磨、ラッピングされたものである。
【００１３】
研磨された表面は、酸化剤溶液と接触され、該表面は酸化剤により化学処理される。接触の方法は、特に限定されない。例えば、酸化物核燃料ペレットを、該酸化剤溶液中に浸漬することにより行われる。酸化剤溶液の量は、エッチング中を通して、その平均濃度が大きく変わらないような量であることが好ましい。
【００１４】
化学処理とは、酸化物核燃料の酸化剤による酸化であり、その結果、酸化物が溶け出すと共に溶出イオンが過飽和となり該表面上に析出し、安定な固相（酸化化合物膜）が形成される。
【００１５】
この反応の速度は、該表面の結晶方位に依存する。反応性の高い結晶方位の粒子は溶出速度が大きくなると共に、該酸化化合物の膜の厚みも大きくなると考えられる。その結果、結晶方位の異なった結晶粒子間で、厚みの異なった化合物膜が形成される。
【００１６】
酸化化合物の膜の形成後、該表面は光学的に観察され、結晶粒子像が得られる。ここで、光学的に観察とは、光学的干渉により生ずる該酸化化合物膜の色を、光学的手段を用いて観察することを言う。光学的手段としては、金属顕微鏡等の光学顕微鏡が例示される。具体的には、光源からの光を該表面で反射させ、その際に光学的干渉により生ずる色を、光学顕微鏡により観察する方法が例示される。
【００１７】
上記のように、結晶粒子の相違（結晶方位の相違）により化合物膜の厚みは異なっているので、光源の下でこれら表面を観察すると、化合物膜の厚みに依存して、光学的な干渉により異なった色を呈する結晶粒子像が得られる。従って、この結晶粒子像により、結晶粒界とともに、結晶方位の違いも判別することができる。
【００１８】
結晶の判別を明確に行うためには、化学処理の時間は、１０秒から１０分程度で干渉色の色変化が生ずるように酸化剤の濃度及び溶液の温度を調節することが望ましい。又、上記の化学処理の時間を長くすると、化合物膜の厚みは増加し、それに伴い、光学的な干渉により呈する色も、黄、橙、紫、青、黄と順に変化する。この色の変化を利用すれば、結晶粒子の判別をより正確に行うことが可能となる。
【００１９】
すなわち、異なる化学処理時間を適用することにより、同一部分についても、異なる着色からなる結晶粒子像を得ることができ、その結果、１つの粒子像では明確でなかった粒子界が、他の粒子像によれば明確になる等、結晶粒子の判別をより高い精度で行なうことが可能となる。化学処理時間の異なる複数の結晶粒子像を得る方法としては、前記の方法により結晶粒子像を得た後、さらに化学処理を行い、再度光学的な観察を行う方法が挙げられる。
【００２０】
請求項２は、この好ましい態様に該当し、上記の酸化物核燃料の結晶粒子判別方法であって、上記酸化化合物膜を形成する工程及び結晶粒子像を得る工程を、さらに１度以上繰返すことを特徴とする酸化物核燃料の結晶粒子判別方法を提供するものである。
【００２１】
すなわち、上記の化学処理及び光学的な観察の工程を２度以上繰返し、複数の光結晶粒子像を得て、これらを使用することを特徴とする方法であり、その結果より精度の高い結晶粒子の判別を達成するものである。なお、上記の化学処理及び光学的な観察の工程を２度以上繰返す方法は、異なる相間の結晶粒子の判別にも適用でき、同一相の場合と同様、より精度の高い結晶粒子の判別を達成する。
【００２２】
本発明の酸化物核燃料の結晶粒子判別方法に、用いられる酸化剤溶液としては、過酸化水素を含有する水溶液や、過マンガン酸を含有する水溶液等が例示される。酸化剤溶液としては、酸化化合物膜の形成速度、すなわち酸化物核燃料の表面を酸化して溶解し溶出したイオンを析出させる速度が大きいものが好ましく、この観点からは、過酸化水素を含有するものが好ましい。
【００２３】
請求項３は、この好ましい態様に該当し、上記の酸化物核燃料の結晶粒子判別方法であって、酸化剤溶液が、過酸化水素を含有する溶液であることを特徴とする酸化物核燃料の結晶粒子判別方法を提供するものである。過酸化水素を含有する溶液としては、過酸化水素水が例示されるが、過酸化水素水に硫酸等を添加した酸化剤溶液も用いることができる。
【００２４】
光学的な観察により得られた結晶粒子像を用いて、結晶の判別を行う具体的な方法は特に限定されない。光学的な観察の結果（結晶粒子像）を写真として記録し、この写真に基づいて、目視で結晶粒子の状態を判別することもできる。又、結晶粒子像から得られる色情報を、色彩画像の３刺激値を利用して画像処理して、効率的に粒子判別をする方法も好ましく挙げられる。３刺激の代表としては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）色情報が挙げられる。３刺激値を利用して画像処理することにより、モノクロ情報により画像処理する場合に比べ、情報量が多い分だけ、正確さが増す。
【００２５】
請求項４は、この好ましい態様に該当し、上記の酸化物核燃料の結晶粒子判別方法であって、前記結晶粒子像を、色彩画像の３刺激値を利用して画像処理することを特徴とする酸化物核燃料の結晶粒子判別方法を提供するものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の酸化物核燃料の結晶粒子判別方法は、酸化物核燃料の表面を化学処理し、その表面を光学的に観察する工程からなり、容易かつ短時間で実施できる方法であり、かつ酸化物核燃料内の、同一相内の結晶粒子の判別を、より高精度に実施することができる。特に、化学処理及び光学観察の工程を２度以上繰り返す方法を用いれば、より高精度の判別を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
次に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により説明するが、この形態は本発明の一例であり、本発明の範囲はこの形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわないかぎり、各種の変更が可能である。
【００２８】
実施例
直径約１０ｍｍの二酸化ウランのペレットの表面を研磨し、その表面を、約５０℃の硫酸（９５％）＋過酸化水素（３０％）の水溶液に１２０秒浸漬した。その後、該表面に白色光を照射しその反射光を、光学顕微鏡で２００倍にて観察して、結晶粒子像の写真を得た。このようにして得られた写真を図１に示す。図１に示される結晶粒子像では、結晶粒子ごとに異なる色を呈しており、粒界や結晶方位を判別することができる。
【００２９】
同一試料に対して、さらに、上記と同じ硫酸＋過酸化水素の水溶液中への浸漬を１２０秒間追加し、その後、上記と同様にして、光学顕微鏡により該表面を観察して、結晶粒子像の写真を得た。このようにして得られた写真を図２に示す。
【００３０】
図２に示される結晶粒子像においても、結晶粒子ごとに異なる色を呈しており、粒界や結晶方位を判別することができる。又、図１に示す粒子像と図２に示す粒子像とでは、結晶粒子ごとの色変化が大きく異なっていることが判る。そこで、両者を利用することにより、酸化物核燃料の結晶粒子に関するより精度の高い情報を得ることが可能となる。
【００３１】
例えば、図１中の円で示した部分では、粒子界や各粒子の色変化は、目視ではややあいまいであるが、図２中の円で示した部分では、粒子界や各粒子の色変化は、目視で十分に明確である。このように、異なる時間化学処理した画像を複数枚用いることにより、粒子判別の精度を向上させていくことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】１２０秒化学処理した酸化物核燃料表面の光学顕微鏡写真。
【図２】２４０秒化学処理した酸化物核燃料表面の光学顕微鏡写真。
【図１】
2006003243.tif 000003
【図２】
2006003243.tif 000004