(57)【要約】【課題】  ＭＯＸ燃料を低温で焼結しても高密度化でき、Ｎｐ／Ａｍ含有ＭＯＸ燃料でも高均質化でき、高精度でＯ／Ｍを調整できるようにする。【解決手段】  ＭＯＸ燃料の成形体を、１５００〜１６００℃の温度で、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が０．０５〜飽和水蒸気圧の範囲で加湿した還元性ガス中で焼結することにより９３％ＴＤ以上に高密度化する低温焼結工程と、調整目標とするＯ／Ｍと平衡となる酸素分圧をつくる温度（但し、焼結温度よりも低温）と酸素分圧下で５時間以上熱処理し燃料中のＯ／Ｍを調整する熱処理工程とを具備している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＸ燃料の成形体を、１５００〜１６００℃の温度で、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が０．０５〜飽和水蒸気圧の範囲で加湿した還元性ガス中で焼結することにより９３％ＴＤ以上に高密度化する低温焼結工程と、調整目標とするＯ／Ｍと平衡となる酸素分圧をつくる温度（但し、焼結温度よりも低温）と酸素分圧下で５時間以上熱処理し燃料中のＯ／Ｍを調整する熱処理工程とを具備していることを特徴とするＭＯＸ燃料ペレットの製造方法。
【請求項２】
ＭＯＸ燃料の成形体を、１５００〜１６００℃の温度で、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が０．０８〜飽和水蒸気圧の範囲で加湿したＡｒ／５％Ｈ2 ガス中で焼結することにより９５％ＴＤ以上に高密度化する低温焼結工程と、水分量を１０ｐｐｍ以下に抑えて、１３５０℃で１０時間の熱処理により燃料中のＯ／ＭをＯ／Ｍ＝１．９５に調整する熱処理工程とを具備していることを特徴とするＭＯＸ燃料ペレットの製造方法。
【請求項３】
ＭＯＸ燃料が、Ｎｐ及び／又はＡｍを含むＭＡ含有ＭＯＸ燃料である請求項１又は２記載のＭＯＸ燃料ペレットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高密度のＭＯＸ燃料（ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料）ペレットを低温で高密度焼結し、Ｏ／Ｍ（酸素／金属比）を調整できる方法に関するものである。この技術は、拡散が遅い元素（Ｎｐ）あるいは蒸気圧の高い元素（Ａｍ）などを含むＭＡ（マイナーアクチニド元素）を含有するＭＯＸ燃料の製造に特に有効である。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＸ燃料に関しては、原子炉での照射中に燃料の温度分布に起因してＰｕ（プルトニウム）やＯ／Ｍの再分布が生じることが知られている。Ｏ／Ｍの変化は、ＭＯＸ燃料の融点、熱伝導度、拡散係数などの種々の物性値を大きく変化させるため、原子炉内の照射挙動に様々な影響を及ぼす。
【０００３】
従来、ＭＯＸ燃料の製造は、１７００℃程度の高温において、還元性ガス中（〜１０％Ｈ2 を含む不活性ガス中）で焼結し、同時に焼結密度、Ｏ／Ｍ（１．９８〜１．９６）などを調整することにより行っている。しかし、この方法では、高燃焼度化のために検討されている低Ｏ／Ｍ（Ｏ／Ｍ≒１．９５）のＭＯＸ燃料については、安定したＯ／Ｍ調整が行えない。また高温での焼結となるため、特に蒸気圧の高い元素（Ａｍ）を含有するＭＯＸ燃料の場合、その蒸発により組成が不均一になる。低温で焼結すると、蒸発による組成不均一の問題は解消できるが、焼結密度が上がらない。更に、拡散の遅い元素（Ｎｐ）を含有するＭＯＸ燃料の場合には、組成が不均一になる問題が残る。
【０００４】
上記のうち、Ｏ／Ｍ調整の問題に関しては、ＭＯＸ燃料焼結ペレットを所定雰囲気、所定温度で熱処理することによりＯ／Ｍを調整し確認する方法が提案されている（特許文献１参照）。しかし、高密度化と高均質化については、解決方法は見出されていない。
【０００５】
最近、先進高速炉燃料の候補としてＭＡ含有低除染燃料が考えられており、燃料開発の一環としてＮｐ／Ａｍ含有ＭＯＸ燃料ペレットの照射試験が計画されている。この照射燃料は、例えば約２％ずつのＮｐとＡｍを含んでおり、Ｏ／Ｍ＝１．９５の低Ｏ／Ｍ燃料である。このようなＮｐ／Ａｍ含有ＭＯＸ燃料ペレットを高密度化・高均質化する方法が、現在、鋭意研究されている。
【特許文献１】特開２００２−７１８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、ＭＯＸ燃料を低温で焼結したのでは高密度化が難しい点、Ｎｐ／Ａｍ含有ＭＯＸ燃料の高均質化が難しい点、高精度でのＯ／Ｍの調整が難しい点、などである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ＭＯＸ燃料の成形体を、１５００〜１６００℃の温度で、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が０．０５〜飽和水蒸気圧の範囲で加湿した還元性ガス中で焼結することにより９３％ＴＤ以上に高密度化する低温焼結工程と、調整目標とするＯ／Ｍと平衡となる酸素分圧をつくる温度（但し、焼結温度よりも低温）と酸素分圧下で５時間以上熱処理し燃料中のＯ／Ｍを調整する熱処理工程とを具備していることを特徴とするＭＯＸ燃料ペレットの製造方法である。
【０００８】
ここで、ＭＯＸ燃料の成形体を、１５００〜１６００℃の温度で、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が０．０８〜飽和水蒸気圧の範囲で加湿したＡｒ／５％Ｈ2 ガス中で焼結することにより９３％ＴＤ以上に高密度化する低温焼結工程と、水分量を１０ｐｐｍ以下に抑えて、１３５０℃で１０時間の熱処理により燃料中のＯ／ＭをＯ／Ｍ＝１．９５に調整する熱処理工程とを具備している構成が好ましい。本発明方法は、ＭＯＸ燃料がＮｐ及び／又はＡｍを含むＭＡ含有ＭＯＸ燃料の場合に特に有効である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るＭＯＸ燃料ペレットの製造方法では、水分加湿量が高い状態で低温焼結することにより、高密度化でき、且つＭＡを含有していても高均質化できる。また、雰囲気中の酸素分圧と熱処理時間の制御により、低Ｏ／Ｍ燃料でも安定してＯ／Ｍ調整を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
Ｎｐ及び／又はＡｍを含むＭＡ含有ＭＯＸ燃料の成形体を、１５００〜１６００℃の温度で、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が０．０８〜飽和水蒸気圧の範囲で加湿したＡｒ／５％Ｈ2 ガス中で低温焼結を行うことで焼結密度を９５％ＴＤ以上とし、次いで水分量を１０ｐｐｍ以下に抑えて、１３５０℃で１０時間の熱処理を行い、それによって燃料中のＯ／ＭをＯ／Ｍ＝１．９５に調整する。
【実施例】
【００１１】
本発明は、高密度・高均質のＭＯＸ燃料を得る低温焼結工程と、高精度にＯ／Ｍを調整する熱処理工程とを具備しているＭＯＸ燃料の製造方法である。典型的な処理パターンの例を図１に示す。この実施例では、低温焼結工程１０と熱処理工程１２との２段階の処理工程からなる。
【００１２】
原料としては、ＵＯ2 、（Ｎｐ0.12Ｐｕ0.3 Ｕ0.58）Ｏ2+X 及び（Ａｍ0.08Ｐｕ0.92）Ｏ2 の粉末を用い、（Ｎｐ0.02Ａｍ0.02Ｐｕ0.3 Ｕ0.66）Ｏ2±X となるように秤量し、機械的混合法により原料粉末を調製した。そして、その原料粉末を円柱状に成形した。
【００１３】
１段目の熱処理は、焼結を目的とするものであり、Ａｒ／５％Ｈ2 ガスに水分を水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）で０．０５以上となるように加湿することによって、焼結温度を１６００℃以下に低くしている。ここでは、１５００〜１６００℃で、例えば３時間の焼結処理を行っている。２段目の熱処理は、Ｏ／Ｍを制御するために、焼結温度以下の所定の温度及び時間、所定の酸素分圧で行う。例えば３０％Ｐｕ−ＭＯＸ燃料の場合、Ｏ／Ｍ＝１．９５のペレットを安定して得るためには、水分量を１０ｐｐｍ以下に抑え、酸素がペレット中を移動して平衡に達するために１３５０℃×１０時間の熱処理が必要である。Ｏ／Ｍ調整のための熱処理を１段目の焼結温度よりも低温で行うことにより、ペレットの寸法変化は生じず、そのため１段目の焼結工程だけで密度及び寸法の制御を行うことになる。
【００１４】
図２に、Ｎｐ／Ａｍ含有ＭＯＸ燃料をＡｒ／５％Ｈ2 ／Ｈ2 Ｏガス中で焼結した場合の水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）と焼結密度の関係を示す。焼結温度が１５００〜１６００℃の低温焼結では、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が高いほど焼結密度が高くなり、９３％ＴＤ以上の高密度のペレットが得られている。焼結温度が低いほど、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）の増加によりる焼結密度上昇の効果が大きい。特に、１５００℃での焼結では、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）＝０．０８で焼結密度９５％ＴＤが得られている。しかし、従来の１７００℃の焼結では、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）が高いほど焼結密度が逆に低くなる結果が得られており、焼結密度の点では水分加湿は好ましくないことが分かる。
【００１５】
図３は、１６００℃で焼結したＮｐ／Ａｍ含有ＭＯＸ燃料ペレット断面のＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナリシス）による分析結果である。各図において、横軸はペレット中心部の任意の場所での距離、縦軸は各元素の含有率である。水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）＝０．００３及び０．０３の条件では、各元素（Ｐｕ、Ａｍ、Ｎｐ）とも濃度が高い領域が存在し、濃度変化が大きく不均一になる傾向があることが分かる。しかし、水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）＝０．８の条件では、各元素とも均質であることが確認できた。これは、水分加湿量を高くすることによって雰囲気中の酸素分圧が高くなり、均質性がよくなるためと考えられ、またデータは添付しないが、結晶粒径も水分量が多いほど大きくなっている。
【００１６】
これらの結果から、低温（１５００〜１６００℃）で焼結するためには水分／水素分圧比（ＰH2O ／ＰH2）を０．０５以上（より好ましくは０．０８以上）にすることが必要であり、それによってＭＯＸ燃料ペレットを高密度化（９５％ＴＤ以上）でき、且つ高均質化できることが判明した。
【００１７】
上記の焼結工程によって高密度・高均質のＮｐ／Ａｍ含有ＭＯＸ燃料ペレットを得、次にＯ／Ｍを調整するために２段目の熱処理を行う。この２段目の熱処理は、目標とするＯ／Ｍと平行となる酸素分圧を作る温度と酸素分圧下で５時間以上の熱処理を施し、Ｏ／Ｍを調整する。ここでは前記の焼結ペレットを、Ａｒ／５％Ｈ2 ／１０ｐｐｍＨ2 Ｏ混合ガス中で、１３５０℃×１０時間の熱処理を施した。微細組織を観察した結果、通常のＭＯＸ燃料と同様の良好なペレットが得られていた。
【００１８】
このように、本発明の低温焼結と熱処理を、拡散が遅い元素（Ｎｐ）や蒸気圧の高い元素（Ａｍ）を含有するＭＯＸ燃料ペレットの製造に適用することで、Ｏ／Ｍ＝１．９５の高密度で高均質のペレットを製造することができた。
【００１９】
なお本発明において、水分の加湿は雰囲気中の酸素分圧を高くする目的で行っており、水素／水分系のガス以外でも、ＣＯ2 ／ＣＯ系のガスなどでも同じ酸素分圧になるように混合することによって、水素／水分系のガスと同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る製造方法の熱処理プログラムの説明図。
【図２】焼結温度と水分／水素分圧比に対する焼結密度の関係を示すグラフ。
【図３】ペレット断面での線分析結果を示す説明図。
【符号の説明】
【００２１】
１０  低温焼結工程
１２  熱処理工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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