(57)【要約】【課題】低温かつ短時間で核燃料粉末を焼結し、高密度の核燃料を製造する。【解決手段】核分裂物質を含む粉末を導電性容器１内に収納し、導電性容器内の粉末にミリ波帯電磁波５を照射して粉末を焼結させる。導電性容器は、例えば、電磁波を導く導波管であって、粉末は導波管内に充填される。焼結の前に、導波管に電磁波が出入りする導波管端部に、粉末に密着して誘電体板を配置するものとし、誘電体板の面に凹凸を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核分裂物質を含む粉末を導電性容器内に収納する収納工程と、前記導電性容器内の粉末にミリ波帯電磁波を照射して前記粉末を焼結させる焼結工程と、を有すること特徴とする核燃料製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の核燃料製造方法において、前記導電性容器は前記電磁波を導く導波管であって、前記収納工程で前記粉末は前記導波管内に充填されること、を特徴とする核燃料製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の核燃料製造方法において、前記焼結工程の前に、前記導波管に前記電磁波が出入りする導波管端部に、前記粉末に密着して誘電体板を配置する工程をさらに有し、前記誘電体板の内面または外面の少なくとも一方の面には凹凸が形成されていること、を特徴とする核燃料製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載の核燃料製造方法において、前記収納工程の後で前記焼結工程の前に、前記導波管内の前記粉末に圧力を加えて、前記導波管に前記電磁波が出入りする導波管端部の前記粉末の表面に凹凸を形成するプレス工程をさらに有すること、を特徴とする核燃料製造方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載の核燃料製造方法において、前記凹凸の寸法が前記ミリ波帯電磁波の波長の１／４ないし１／２であることを特徴とする核燃料製造方法。
【請求項６】
請求項２ないし４のいずれかに記載の核燃料製造方法において、前記収納工程は、前記粉末を充填した前記導波管を上下に振動させる工程を含むこと、を特徴とする核燃料製造方法。
【請求項７】
請求項２ないし６のいずれかに記載の核燃料製造方法において、前記導波管は、核燃料を使用する際に当該核燃料を収納する被覆管であること、を特徴とする核燃料製造方法。
【請求項８】
請求項２ないし７のいずれかに記載の核燃料製造方法において、前記収納工程の後の前記焼結工程を行なった後に、再び前記収納工程および前記焼結工程を繰返し行なうこと、を特徴とする核燃料製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は核燃料製造方法に関し、特に、核燃料粉末を加熱し焼結させることによって核燃料を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の核燃料製造方法では、核燃料粉末をプレス成形し、電気炉等の加熱炉に装填して加熱し焼結させることにより、ペレット状のセラミックにするものであった。核燃料は原子炉内において燃焼させると放射性物質が生成されるため、被覆管に装填し密封状態で使用される。この被覆管内に直接、振動充填法により核燃料粉末を充填することによって核燃料を製造する方法も考案された。
【０００３】
ところで、ジャイロトロンなどによって生成される２０ＧＨｚ以上のミリ波帯電磁波を用いると、緻密なセラミックス焼結を低温で短時間に生成できることが、非特許文献１および２によって知られている。ここで、ジャイロトロンとは大電力ミリ波発振管であって、磁場中に置かれた真空管内で旋回電子ビームを引き出し、これを磁力線で空胴共振器内に導き、空胴共振器内でミリ波帯電磁波を共振作用によって発生させ、増幅する。このようにして生成された電磁波を導波管などの管内伝送系で伝送し、真空管外へ導く。電磁波の周波数が１００ＧＨｚ帯以上であれば、レーザビームのようにビーム状にしてミラーで反射させつつ伝送させることもできる。ただし、上記文献には、核燃料製造についての開示や示唆はない。
【０００４】
【非特許文献１】
佐藤元泰著、「セラミックスのマイクロ波燒結の基礎と応用」、東北大学電気通信研究所主催、第３０回シンポジウム論文集「真空電子デバイスの極限を探る」、１９９３年１１月、Ｐ．１９７
【非特許文献２】
Ｈ．Ｄ．キメリー（Ｋｉｍｅｒｅｙ）等著，「マイクロ波を用いたセラミック焼結技術（Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ｆｏｒ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｅｎｅｒｇｙ）」、第１２回国際会議要旨（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  １２ｔｈ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．）、「赤外線およびミリ波（Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ａｎｄ  Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ  ｗａｖｅｓ）」，米国フロリダ（Ｆｌｏｒｉｄａ），  １９８７年１２月１４−１８日，  Ｐ．１３６
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
酸化ウランなどの核燃料粉末を焼結させて製造される核燃料は、一般に高密度であることが望まれている。このため、その製造においてはプレス成形された核燃料粉末を高温下で長い時間（例えば、１４００〜１８００℃の温度で約５〜１０時間）をかけて焼結させるプロセスが必要である。
【０００６】
また、前記振動充填法によって直接、被覆管内に核燃料粉末を充填する方法では、焼結できないため、燃料密度を高められないという欠点があった。さらに、このような振動充填法による被覆管への充填方法では、原子炉内で燃焼させる際に焼結され、燃料粉末の位置や密度が変位する課題があった。
【０００７】
本発明はこのような従来の課題点を解決するためになされたものであり、低温かつ短時間で高密度の核燃料焼結体を製造できる核燃料製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、核分裂物質を含む粉末を導電性容器内に収納する収納工程と、前記導電性容器内の粉末にミリ波帯電磁波を照射して前記粉末を焼結させる焼結工程と、を有すること特徴とする核燃料製造方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る核燃料製造方法の第１の実施の形態を説明する。この実施の形態では、初めに燃料粉末をペレット状にプレス成形し、この成形された核燃料粉末４を図１に示すように、導電性容器１内に置かれたトレイ３上に複数個配置する。核燃料粉末４は、例えば、ウランまたはプルトニウム等の酸化物、窒化物、炭化物または硼化物である。導電性容器１には、導波管２を介してジャイロトロン７が接続されている。
【００１０】
次に、ジャイロトロン７によってミリ波帯電磁波５を生成し、このミリ波帯電磁波５を導波管２より導電性容器１内に入射する。ミリ波帯電磁波５の周波数は、好ましくは２０ＧＨｚ以上であって、例えば２８ＧＨｚが選ばれる。ミリ波帯電磁波５は導電性容器１内の壁面等で反射を繰り返し、プレス成形された核燃料粉末４を均一に加熱し焼結させる。
【００１１】
導電性容器１内は、窒素またはアルゴンなどの不活性ガス雰囲気としてもよいし、真空排気装置６を用いて真空状態にしてもよい。また焼結体の高い均一性を得るために、トレイ３を回転させてもよい。また、核燃料粉末を均一に加熱し焼結させるために、導電性容器１内に、図示しない回転する導電性のプロペラ状のものを設置し、ミリ波帯電磁波を乱反射させてもよい。
【００１２】
この方法によれば、低温で焼結でき、しかも焼結時間は従来法の数分の１から十数分の１程度に短縮される。焼結温度が低いと結晶粒子の巨大化が起こらず、微細粒子で緻密度の高く、欠陥のほとんどない焼結体が得られる利点もある。
【００１３】
次に、本発明に係る核燃料製造方法の第２の実施の形態を説明する。この実施の形態では、図２に概念的に示すように、初めに、ミリ波帯電磁波を伝送できる導波管１０内に核燃料粉末１１を充填し、その後、導波管入口端部２０よりミリ波帯電磁波５を入力する。核燃料粉末１１の組成や、ミリ波帯電磁波５の生成方法および周波数などは第１の実施の形態と同様である。
【００１４】
ミリ波帯電磁波５は導波管１０内を伝播し、核燃料粉末１１を加熱して焼結させる。電力が減衰したミリ波帯電磁波５は導波管出口端部２１より外部へ伝播していく。核燃料粉末１１をより均一に加熱し焼結させるために、図２中のミリ波帯電磁波２の進行方向を逆にしてもう１度加熱してもよい。この場合は入口端部と出口端部が逆になる。
【００１５】
図３は図２の実施の形態をより具体的に示したもので、導波管１０内に核燃料粉末１１を充填し、その両側にモスアイ（蛾の目）窓１２を核燃料粉末１１に密着させるように設置する。すなわち、空気２３と核燃料粉末１１の間にモスアイ窓１２が介在することになる。モスアイ窓１２は、誘電体板の両面に凹凸を施したものである。一般に誘電率の異なる媒質の境界面で電磁波は反射させられるが、媒質境界面を凹凸にすれば、境界面近傍で誘電率が実効的に緩やかに変化する。したがってこのようなモスアイ窓１２を設置することにより、ミリ波帯電磁波が核燃料粉末１１の端面での反射を抑制ないし防止することができる。
【００１６】
モスアイ窓１２は、例えば、図４に示す高さｈ（電磁波の進行方向）が、入力するミリ波帯電磁波５の波長の半分程度、底辺の長さｐ（電磁波の進行方向に垂直な方向）が波長の１／４程度であるピラミッド形状（四角錐）を隈なく配列させることによって凹凸とする。
【００１７】
ミリ波帯電磁波５は、図３の左端よりテーパ導波管１３を伝播して導波管入口端部２０から導波管１０内に導かれ、核燃料粉末１１を加熱し焼結させて導波管出口端部２１より出て行く。導波管出口端部２１に、電力が減衰したミリ波帯電磁波５を吸収する導波管終端器１５を設け、電磁波が環境に放出されることを防止・抑制してもよい。導波管１０の周囲には冷却ジャケット１４を設置し、導波管１０やモスアイ窓１２を水等で冷却してもよい。導波管１０へのミリ波帯電磁波５の入力方法として、左端のテーパ導波管１３にビーム状のミリ波帯放射電磁波を入力してもよい。
【００１８】
図５は、図３に示すモスアイ窓１２を設置する代りに、導波管１０内に充填した核燃料粉末１１の両端部３２、３４をプレス成形することにより図３と同様な凹凸にしたものを示す．これにより、図３の場合と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
図２〜４に示した実施の形態において、導波管１０に核燃料粉末１１を充填する際に、図６のように、導波管１０を鉛直に立て、下部にモスアイ窓１２を設置したうえで、上下に振動させながら核燃料粉末１１を充填させてもよい。このようにすれば、核燃料粉末１１の充填密度を高められる。
【００２０】
図２〜６に示した実施の形態において、導波管１０を、燃料を収納する被覆管としてもよい。この場合、導波管１０として使用された被覆管をそのまま原子炉内に装荷することができる。また、他の例として、導波管１０内で核燃料粉末１１を焼結して燃料ができた後に、この燃料を導波管１０から取り出して別の被覆管に詰め替えてもよい。
【００２１】
以上説明した方法により導波管（または被覆管）１０内に充填した核燃料粉末１１をミリ波帯電磁波５で加熱し焼結させる場合において、核燃料粉末１１を充填した導波管１０が長い場合、ミリ波帯電磁波５が導波管１０内を伝播する途中で大きく減衰し、焼結が不均一になることが考えられる。これに対応する方法として、導波管１０内へ核燃料粉末１１を充填する工程と、電磁波照射により焼結する工程を少量ずつ複数回繰り返すこともできる。
【００２２】
すなわち、図７（ａ）に示すように、まず、導波管１０に核燃料粉末１１の一部を振動充填法等を用いて充填し、その後、その上端部３０を凹凸形状にプレス成形して、ミリ波帯電磁波５を入力することによって焼結させる。そしてその後、図７（ｂ）に示すように、その上端部３０の上に新たな核燃料粉末１１ａを充填し、その後、またプレス成形とミリ波帯電磁波５による焼結を繰り返す。このようなミリ波帯電磁波５による核燃料粉末の焼結処理を、導波管１０の一方または両方の端部だけに施して、振動充填法によって被覆管に充填された核燃料粉末を被覆管に固定してもよい。
【００２３】
以上説明した本発明の実施の形態によれば、ミリ波帯電磁波で核燃料粉末を焼結させることにより、低温かつ短時間で高密度の核燃料焼結体を製造でき、核燃料の製造コストを低減することができる。また、振動充填法によって直接、被覆管に充填された核燃料粉末の密度を焼結によって高めることができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低温かつ短時間で核燃料焼結体を製造でき、核燃料の製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る核燃料製造方法の第１の実施の形態の焼結工程を示す模式的斜視図。
【図２】本発明に係る核燃料製造方法の第２の実施の形態の焼結工程における導波管付近を示す模式的縦断面図。
【図３】図２の導波管付近をより具体的に示す模式的拡大縦断面図。
【図４】図３の電磁波入口側のモスアイ窓付近の模式的拡大縦断面図。
【図５】図２の導波管付近をより具体的に示す例であって、図３とは異なる例を示す模式的拡大縦断面図。
【図６】本発明に係る核燃料製造方法の第２の実施の形態の粉末充填工程を示す模式的縦断面図。
【図７】本発明に係る核燃料製造方法の第２の実施の形態の変形例を説明する縦断面図であって、（ａ）は焼結工程を示し、（ｂ）は（ａ）の工程の後の充填工程を示す。
【符号の説明】
１…導電性容器、２…導波管、３…トレイ、４…プレス成形された核燃料粉末、５…ミリ波帯電磁波、６…真空排気装置、７…ジャイロトロン、１０…導波管、１１…核燃料粉末、１１ａ…核燃料粉末、１２…モスアイ窓、１２ａ…モスアイ窓、１３…テーパ導波管、１４…冷却ジャケット、１５…導波管終端器、２０…導波管入口端部、２１…導波管出口端部、２３…空気、３０…上端部、３２…端部、３４…端部。
【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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