(57)【要約】本発明は、二酸化ウラン（ＵＯ２）を含む核燃料ペレットを被包しているエポキシ系及び／またはフェノール系ポリマーを除去するための方法であって、（ａ）前記ポリマーを還元性雰囲気中で熱分解するステップと、（ｂ）前記ステップ（ａ）の前記熱分解で生じた炭素系残渣を、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む雰囲気中で１０００℃を超える温度で選択的に酸化するステップとを含む方法を提供する。本発明の方法は、Ｕ３Ｏ８が生成されることによる放射能汚染の危険性を回避または制限しつつ、核燃料ペレットを被包しているエポキシ系及び／またはフェノール系ポリマーを除去することを可能にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化ウラン（ＵＯ２）を含む核燃料ペレットを被包しているエポキシ系及び／またはフェノール系ポリマーを除去するための方法であって、
（ａ）前記ポリマーを還元性雰囲気中で熱分解するステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）の前記熱分解で生じた炭素系残渣を、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む雰囲気中で１０００℃を超える温度で選択的に酸化するステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記還元性雰囲気が、アルゴンまたは水素を含む不活性ガスを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、
前記還元性雰囲気の体積の０．５％ないし１０％を水素が占めることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法であって、
前記熱分解を６００℃を超える温度で行うようにしたことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法であって、
前記酸化を、一酸化炭素（ＣＯ）をさらに含む雰囲気中で行うようにしたことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法であって、
前記ペレットが二酸化プルトニウム（ＰｕＯ２）をさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核燃料処理の分野に関する。
【０００２】
特に、本発明は、金属組織学的実験による特性評価の目的でポリマー内に被包された核燃料ペレットの、照射前または照射後の処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
金属組織学的実験では、核燃料ペレットの微細構造は、光学顕微鏡法または電子顕微鏡法などの技術を用いて測定される。
【０００４】
このような実験では、核燃料ペレットをエポキシ系及び／またはフェノール系ポリマー及び／またはポリエステルなどのポリマーで被包する必要がある。
【０００５】
前記実験の実施後に、前記パレット表面に前記ポリマーが残っていると、前記ポリマーは核燃料から放出されたイオン化放射線の照射を受ける。イオン化放射線の照射を受けた前記ポリマーは放射線分解反応によって分解され、水素、酸素またはメタンなどの爆発性ガスが生成される。
【０００６】
そのため、燃料パレットを輸送、貯蔵及び／倉庫に保管する際は、爆発の危険性を抑制するため、被包されたペレットにより構成される廃棄物の体積を減少させるため、及び、前記ペレットを核燃料として再使用する場合にポリマーによる中性子減速効果を避けるために、燃料パレットの全体または一部を被包しているポリマーを除去する必要がある。
【０００７】
原子力の分野外では、ポリマーの除去には様々な方法が利用可能である。例えば、プラスチック処理の分野では、射出成形に使用される母材（matrix）の一部を覆っているポリマーは、酸化気体の存在下で熱分解させる熱処理によって除去される。
【０００８】
この熱分解により、後ほど補助オーブン内で燃焼させることによって容易に除去することができる揮発性の副産物が生成される。また、この熱分解により、除去するためには空気酸化の追加的なステップを必要とする固形残渣も生成される。
【０００９】
この熱分解処理を二酸化ウラン（ＵＯ２）を含む核燃料ペレットに対して適用した場合、前記ポリマーをほぼ完全に除去することができるかもしれないが、熱分解によって生成された固形残渣がパレットの表面に付着して残るため、前記固形残渣が放射線分解されて揮発性ガスを発生する恐れがある。
【００１０】
また、熱分解ステップと酸化ステップとを組み合わせた処理には、二酸化ウラン（ＵＯ２）が酸化して酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）が生成されるという欠点がある。この変換は、焼結パレットが許容することができない、結晶格子の体積の大幅な増加（約３６％）を伴う。前記体積増加はパレットの大きなひび割れ及びパレットの大幅な膨張を引き起こし、それにより、パレットの破壊及び酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）粉末の生成がもたらされる。
【００１１】
粉末形態の酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）は、空気中に拡散して、核燃料パレットに最初から含まれている核分裂ガス（例えばクリプトン８５）を全て放出させ、放射能汚染の危険性を増大させるという欠点を有している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的の１つは、二酸化ウラン（ＵＯ２）を含む核燃料ペレットを被包しているポリマー（またはポリマーから生じた残渣）を除去するための方法であって、放射能汚染源となるＵ３Ｏ８粉末の生成を避けるまたは強く制限することができる方法を提供することにある。
【００１３】
したがって、本発明の主要目的は、二酸化ウラン（ＵＯ２）を含む核燃料ペレットを被包しているエポキシ系及び／またはフェノール系ポリマーを除去するための方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の方法は、次の連続的なステップを含む。
（ａ）前記ポリマーを還元性雰囲気中で熱分解するステップ。
（ｂ）前記ステップ（ａ）の前記熱分解で生じた炭素系残渣を、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む雰囲気中で１０００℃を超える温度で選択的に酸化するステップ。
【００１５】
本明細書を通じて、「残渣（residues）」は、エポキシ系及び／またはフェノール系ポリマーの熱分解反応で生じた任意の産物を意味する。一般的に、残渣は固形残渣であり、酸素原子または水素原子と結合され得る炭素を少なくとも８０重量％含むので「炭素系残渣」と呼ばれる。
【００１６】
「熱分解」という用語は、酸素非存在下で行われる酸素熱処理を指す。
【００１７】
還元性雰囲気は、アルゴンや水素などの不活性ガス（存在する化学種に対して化学的に不活性なガス）を含むことが好ましい。還元性雰囲気の体積の０．５％ないし１０％を水素が占めることが好ましく、還元性雰囲気の体積の約５％を水素が占めることがより好ましい。
【００１８】
残渣及び残渣水素の量を減少させるために、熱分解を６００℃を超える温度（通常は６００℃〜１７００℃の範囲で）で行うことが望ましい。
【００１９】
酸化ステップ（ｂ）では、ＵＯ２のＵ３Ｏ８への酸化を避けるか、または強く制限しつつ、熱分解ステップ（ａ）の熱分解で生じた炭素系残渣を酸化させることができるという点で選択的である。またこのステップは、適切な場合には、一酸化炭素（ＣＯ）をさらに含む雰囲気中で行われる。一酸化炭素は、Ｕ３Ｏ８の生成を防止するという利点を有している。
【００２０】
一般的に、本発明に従った方法によって処理される核燃料ペレットは、主に二酸化ウラン（ＵＯ２）から構成されている。しかし、ＭＯＸ（混合酸化物燃料）型の核燃料ペレットの金属組織学的研究を行う場合、二酸化プルトニウム（ＰｕＯ２）をさらに含む核燃料ペレットを被包しているポリマーを除去するために本発明の方法を用いることもできる。
【００２１】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付された図１及び図２を参照した非限定的な実施例によりなされる以下の説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】エポキシ系ポリマーで被包されたＵＯ２ペレットをアルゴンＵ下で熱分解させ、続いて空気中で酸化さたときの経時的な質量変化を表すグラフである。
【図２】同じペレットをアルゴンＵの存在下で熱分解させ、続いて二酸化炭素（ＣＯ２）下で様々な温度で酸化させたときの経時的な質量変化を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の詳細な説明は、二酸化ウラン（ＵＯ２）のパレットを被包しているエポキシ系ポリマーの除去に関するものである。
【００２４】
フェノール系ポリマーに対して行った同様の実験（ここでは図示しない）でも、同様の結果が得られた。
【００２５】
１．密封されたパレットサンプルの製造
【００２６】
「湿式法」によって得られた二酸化ウラン（ＵＯ２）を圧縮した後に還元性雰囲気下で焼結することによって密度が１０．９６ｇ／ｃｍ３のパレットを得た。
【００２７】
パレットをモールド内に配置した後、エポキシ系ポリマー（ＤＧＥＢＡポリマー：ビスフェノールＡジグリシジルエーテル。STRUERS社からEPOFIXとして市販されている）を流し込んでパレットを被包した。
【００２８】
前記ポリマーを硬化させた後、被包されたペレットをワイヤーソー（線鋸）によって切断し、顕微鏡観察を可能とするために、ペレットの切断面の一方を精密研磨（鏡面仕上げ）した。
【００２９】
パレットは、直径８ｍｍ、厚さ３ｍｍである。パレットは、１．０５ｇの二酸化ウラン（ＵＯ２）と、０．２３ｇのエポキシ系ポリマーとから作製した。
【００３０】
被包されたパレットのサンプルを、制御された雰囲気下で予め定められた温度に曝されたサンプルの体積変化の継続的に監視することができる熱天秤（NETZSCH社製のSTA 409 C型）内に配置した。
【００３１】
２．被包されたペレットサンプルの処理
【００３２】
上述にようにして作製したサンプルを被包しているエポキシ系ポリマーを除去するために、様々な方法を実施した。
【００３３】
２．１．本発明の方法の実施
【００３４】
本発明による方法のこの例示的な実施形態では、本発明の熱分解ステップによって提供される利点を、酸化条件下での熱分解に対して比較した形で明確に示す。
【００３５】
対照として、工業グレードのアルゴン（アルゴンＵ。表１に列記した不純物を含有する。不純物は体積ｐｐｍで表されている）を含む低酸化性雰囲気下で、第１のサンプルを６００℃で２時間熱分解させた。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
その後、第１のサンプルを二酸化炭素からなる雰囲気下で、１０００℃で１時間酸化させた。
【００３８】
第２のサンプルは、本発明の方法に従って処理した：水素を５重量％含有するアルゴンからなる還元性雰囲気下で６００℃で２時間熱分解させた後、二酸化炭素雰囲気下で、１０００℃で１時間の酸化させた（第１のサンプルと同じ酸化条件下で酸化させた）。
【００３９】
これらの処理後、両サンプルは残渣を含んでおらず、かつ、物理的完全性を維持していた。
【００４０】
本発明の方法に従って還元性雰囲気下で熱分解させた第２のサンプルは、大幅な質量増加を示さなかった。このことは、二酸化ウラン（ＵＯ２）の酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）への酸化が緩やかだったことを示す。このような質量増加（熱分解されたサンプルの質量に対する質量パーセントで表される）は、０．１％というごくわずかなものであった（対照的に、アルゴンＵ下で熱分解させた第１のサンプルの質量増加は０．５％であった）。
【００４１】
２．２．酸化ステップ
【００４２】
本発明による酸化ステップにより得られる利点を説明するために、２つの互いに異なる処理を行った。なお、これらの処理は、熱分解ステップを還元性雰囲気下で行わないという点が、本発明の方法とは異なる。
【００４３】
２つのサンプルに対して、低酸化性条件下で同じ熱分解（アルゴンＵ下で６００℃で２時間）を行った後に、次のような互いに異なる条件下で酸化させた。
・第１のサンプルは、再構成空気（体積で、酸素２０％、窒素８０％）からなる雰囲気下で、６００℃で４５分間酸化させた。
・第２のサンプルは、本発明の方法に従って、二酸化炭素からなる雰囲気下で、１１００℃または１２００℃または１３５０℃で、１時間酸化させた。
【００４４】
図１は、第１のサンプルの経時的な質量変化と、経時的な適用温度（破線）を示す。
【００４５】
図２は、第２のサンプルについての経時的な質量変化を示す。なお、アルゴンＵ下で行った熱分解ステップは、図１に示したのと同一であるので示していない。したがって、質量変化は、サンプルをアルゴンＵ下で熱分解させた後のものである。
【００４６】
図１及び図２を分析して、空気下の酸化と二酸化炭素（ＣＯ２）下の酸化との間の以下のような差異が明らかとなった。
【００４７】
図１から明らかなように、アルゴンＵ下での熱分解は、ポリマーを高い割合で除去する（被包パレットの質量損失は約１７％であった）。
【００４８】
その後、残渣を空気中で酸化させると、処理時間が２００分に達するまで、質量損失は緩やかな割合で継続する。しかし、その質量損失は、熱分解前のサンプル質量に対して３．２％と推定される質量増加によって素早く補償される。これは、二酸化ウラン（ＵＯ２）から、より高分子量の酸化物である酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）への逐次酸化に起因する。この所見は、サンプルの外観が完全な粉末状になることにより確認される。
【００４９】
前述したように、熱分解残渣を空気中で酸化させると、それと同時に生じる、二酸化ウラン（ＵＯ２）焼結ペレットの酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）粉末への変換は避けられない。
【００５０】
酸化ステップを二酸化炭素（ＣＯ２）中で行った場合（図２参照）、全ての設定温度で、残渣の酸化に関連する質量損失が生じる（１００分後）。他の温度で行った実験（ここでは図示せず）は、酸化を完了させるためには１０００℃を超える温度が必要であることを示す。また、１０００℃を超える温度は、二酸化ウラン（ＵＯ２）の酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）に対する安定性を強化するという利点を有する。
【００５１】
質量損失が生じた後、酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）粉末の形成をもたらす二酸化ウラン（ＵＯ２）パレットの酸化に起因する質量増加が生じる（１５０分後）。
【００５２】
しかし、酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）粉末の質量分率は、上述した値よりもずっと小さく、熱分解後のサンプル質量に対して、１１００℃で１．７％、１２００℃で２．１％、１３５０℃で１．４％である。こららの値は、焼結パレットの物理的完全性を損なうのには不十分である。つまり、空気中の酸化処理ではサンプルは完全に粉末に変換されるが、二酸化炭素中の酸化処理ではサンプルは粉末に変換されない。
【００５３】
空気雰囲気下での酸化処理と二酸化炭素雰囲気下での酸化処理とを比較すると、本発明の酸化ステップ、すなわち、二酸化炭素（ＣＯ２）雰囲気下での１０００℃での酸化は、酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）粉末の形成を強く制限しながら、残渣を完全に酸化させることができる。
【００５４】
上述したように、本発明の方法は、酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）粉末の生成による放射能汚染の危険性を抑止しさらには回避しつつ、二酸化ウラン（ＵＯ２）を含む核燃料パレットを被包しているエポキシ系及び／またはフェノール系ポリマーを除去することを可能にする。
【図１】
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【図２】
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【手続補正書】
【提出日】平成23年4月4日(2011.4.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化ウラン（ＵＯ２）を含む核燃料ペレットを被包しているエポキシ系及び／またはフェノール系ポリマーを除去するための方法であって、
（ａ）前記ポリマーを還元性雰囲気中で熱分解するステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）の前記熱分解で生じた炭素系残渣を、二酸化炭素（ＣＯ２）を含む雰囲気中で１０００℃を超える温度で選択的に酸化するステップとを含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記還元性雰囲気が、アルゴンまたは水素を含む不活性ガスを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
前記還元性雰囲気の体積の０．５％ないし１０％を水素が占めることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法であって、
前記熱分解を６００℃を超える温度で行うようにしたことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法であって、
前記酸化を、一酸化炭素（ＣＯ）をさらに含む雰囲気中で行うようにしたことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法であって、
前記ペレットが二酸化プルトニウム（ＰｕＯ２）をさらに含むことを特徴とする方法。
【国際調査報告】
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