(57)【要約】【課題】ＭＯＸ燃料中の酸素との反応を低減させ、昇温停滞時の熱曲線の不安定性を低減させて融点測定に対する信頼性を向上させる。特に燃料設計等の観点から重要性の高いＰｕ濃度が３０％以下のＭＯＸ燃料において、Ｏ／Ｍ＝２．００〜１．９８付近の融点の信頼性の高い測定が行えるようにする。【解決手段】ＭＯＸ燃料を封入してサーマルアレスト法により融点を測定するための試料容器であって、全体がタングステン−レニウム合金からなるＭＯＸ燃料の融点測定用試料容器である。ここで典型的には、測定試料となるＭＯＸ燃料はＰｕ濃度が約３０％でＯ／Ｍ＝２．００〜１．９５のＵ−Ｐｕ混合酸化物であり、容器構成材であるタングステン−レニウム合金がタングステン９０％−レニウム１０％からなる。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＸ燃料を封入してサーマルアレスト法により融点を測定するための試料容器であって、全体がタングステン−レニウム合金からなることを特徴とするＭＯＸ燃料の融点測定用試料容器。
【請求項２】
測定試料となるＭＯＸ燃料は、Ｐｕ濃度が約３０％でＯ／Ｍ＝２．００〜１．９５のＵ−Ｐｕ混合酸化物であり、容器構成材であるタングステン−レニウム合金がタングステン９０％−レニウム１０％である請求項１記載のＭＯＸ燃料の融点測定用試料容器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーマルアレスト法によりＭＯＸ燃料の融点を測定するための耐熱試料容器に関し、更に詳しく述べると、全体がタングステン−レニウム合金からなる融点測定用試料容器に関するものである。本発明は、特に高Ｐｕ富化度で高Ｏ／ＭのＵ−Ｐｕ混合酸化物の融点測定に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−２９６２０６号公報
【０００３】
高速増殖炉ではＭＯＸ燃料（ウラン−プルトニウム混合酸化物）が用いられている。これは、酸化ウラン（ＵＯ２  ）と酸化プルトニウム（ＰｕＯ２  ）の固溶体である。酸化ウラン（ＵＯ２  ）と酸化プルトニウム（ＰｕＯ２  ）は同じ結晶構造を持ち、全組成範囲にわたって固溶する。また、混合酸化物では、ＭＯ２±ｘ  （Ｍ＝Ｐｕ＋Ｕ）が可能であり、広い単相領域が存在する。ここで酸素と重金属の比はＯ／Ｍ（＝２±ｘ）と呼ばれており、化学量論比２．０からのずれの程度に依存して物性が変化する。ＭＯＸ燃料として用いられているのは、Ｏ／Ｍ＝１．９９〜１．９５が多いとされている。
【０００４】
ところで、酸化ウラン（ＵＯ２  ）の溶融温度は２８４０℃前後、酸化プルトニウム（ＰｕＯ２  ）の溶融温度は２３９０℃前後であり、混合酸化物の場合には組成に応じて両者の間の値をとる。またＯ／Ｍによっても溶融温度は変化する。更に、燃焼が進むと、核分裂生成物（ＦＰ）の蓄積に伴う融点の低下が生じる。このようなことから分かるように、融点の正確な測定は、核燃料の開発・製造に極めて重要である。
【０００５】
従来、核燃料物質の融点測定にはサーマルアレスト（熱停留）法が用いられている。これは、測定試料を封入した容器を加熱炉内に設置し、温度計測しながら試料を昇温していき、試料が溶融する際の潜熱（融解吸熱）により昇温が停滞する熱曲線の変化を読み取ることで試料の融点を求める方法である。変曲点の読み取り誤差を極力低く抑えるために、試料の温度計測と同時に試料容器の温度を計測し、容器温度データをリファレンスとして、リファレンスと試料温度データとの差分をプロットし、プロットした示差熱曲線の変曲点を読み取ることで試料の融点を求める方法も提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
ところで、融点を測定する試料となる核燃料物質の中には、前記のように、融点が２８００℃を超えるものもある。そのために試料容器としては、従来、タングステン製の容器が用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＭＯＸ燃料について融点測定を行おうとすると、熱曲線の形状が非常に悪く不安定となり解析が困難になるという問題があった。特に、Ｐｕ濃度が約３０％のＭＯＸ燃料について、燃料設計等で必要となってくるＯ／Ｍ＝２．００〜１．９８付近では融点の測定を行っても、信頼性の高い正確なデータを得ることは困難であった。このように従来方法において、熱曲線の形状が非常に悪く不安定となり解析が困難になる原因については、解明されていなかった。
【０００８】
本発明の目的は、ＭＯＸ燃料中の酸素と試料容器との反応を抑え、昇温停滞時の熱曲線の不安定性を低減させてＭＯＸ燃料の融点測定に対する信頼性を向上させることができる融点測定用試料容器を提供することである。本発明の他の目的は、特に燃料設計等の観点から重要性の高いＰｕ濃度が３０％以下のＭＯＸ燃料において、Ｏ／Ｍ＝２．００〜１．９８付近のＵ−Ｐｕ混合酸化物の融点の正確な信頼性の高い測定が行える融点測定用試料容器を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
タングステン製試料容器にＭＯＸ燃料（Ｕ−Ｐｕ混合酸化物）を封入して、サーマルアレスト法によって融点測定を行った後、試料の金相観察を行った結果、試料中にタングステンが多く混入していることが判明した。試料中にタングステンが混入する原因は、ＭＯＸ燃料中に含まれる酸素と試料容器の構成材であるタングステンとが反応するためであり、ＭＯＸ燃料とタングステン製試料容器の酸素ポテンシャル（酸化のし易さの目安）がタングステン製試料容器の方が高いために起こるものと考えられる。
【００１０】
このようなＭＯＸ燃料と試料容器構成材であるタングステンとにおける酸素のやりとりが測定に影響している可能性があり、これが測定の不安定性を大きくしていたものと推測された。そこで鋭意研究を続けた結果、本発明者等は、従来技術において熱曲線の形状が非常に悪く解析が困難になってしまう原因は、Ｕ−Ｐｕ混合酸化物中に含まれる酸素と試料容器の構成材であるタングステンとが反応し、その反応の際に発生する熱が、試料溶融の際の融解吸熱と同時に起こることによって昇温停滞の熱曲線が不安定なものになってしまうためであることを見出した。これはタングステン製試料容器を使用してＰｕ濃度が約３０％でＯ／Ｍが２．００付近のＵ−Ｐｕ混合酸化物の融点測定を行う場合に必ず生じる現象である。本発明は、かかる熱曲線形状悪化のメカニズムの知得に基づきなされたものである。
【００１１】
Ｕ−Ｐｕ混合酸化物中の酸素とタングステン製試料容器との反応は、Ｏ／Ｍを下げることにより低減できることが分かっている。具体的には、Ｐｕ濃度が約３０％のＵ−Ｐｕ混合酸化物において、上記の現象が見られなくなるＯ／Ｍはおおよそ１．９４以下である。しかし、それでは燃料設計等で必要となってくるＯ／Ｍ＝２．００〜１．９８付近の融点の予測は不可能である。そのため、何らかの対策が必要となる。
【００１２】
このような課題を解決できる本発明は、ＭＯＸ燃料を封入してサーマルアレスト法により融点を測定するための試料容器であって、全体がタングステン−レニウム合金からなるＭＯＸ燃料の融点測定用試料容器である。ここで典型的には、測定試料となるＭＯＸ燃料はＰｕ濃度が約３０％（例えば３０〜２９％程度）でＯ／Ｍ＝２．００〜１．９５のＵ−Ｐｕ混合酸化物であり、容器構成材であるタングステン−レニウム合金はタングステン９０％−レニウム１０％からなる。一般的にはＰｕ濃度３０〜０％を測定範囲としており、それに応じて本発明は３０％Ｐｕ以下のＭＯＸ燃料の融点測定に使用できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
融点の測定方法は、基本的には従来技術と同様であってよく、測定試料を封入した容器を加熱炉内に設置し、温度計測しながら試料を昇温していき、試料が溶融する際の潜熱（融解吸熱）により昇温が停滞し、溶融が終了した時点で再び昇温が継続される熱曲線を得て、この熱曲線の解析から試料の融点を求めるサーマルアレスト法である。
【００１４】
酸化ウラン（ＵＯ２  ）をタングステン製試料容器に封入して測定した結果の一例を図１に示す。酸化ウランの場合には、容器構成材であるタングステンとの反応は生じない。また、酸化ウランの場合には、固相温度と液相温度が１点（同一の温度）として観測されるため、昇温の停滞を明確に認定することができる。従って、模式的には図２に示すような熱曲線が得られる。具体的な解析法は、サーマルアレスト開始直前までの熱曲線とサーマルアレストが現れている間の熱曲線の交点を求め、それを融点とする。
【００１５】
ところが、ＭＯＸ燃料の場合、固相温度と液相温度とが２点（異なる温度）として観測されるため、昇温の停滞は必ずしも明確であるとは限らない。理想的な場合の熱曲線を模式的に表したのが図３である。従って、このような場合も、基本的には熱曲線の変曲点から融点を求めることができる。
【００１６】
【実施例】
図４は本発明に係る融点測定用試料容器の一実施例を示す断面図である。試料容器は、円筒部１０の下端に底蓋１２を嵌め込み、所定量の試料を入れ、上端に上蓋１４を嵌め込み、溶接等により封入する構造である。なお、底蓋中央の凹部１６は放射温度計の測定部分である。本発明では、これら円筒部１０、底蓋１２、及び上蓋１４の全てがタングステン−レニウム合金によって製作されており、その点に特徴がある。典型的な組成は、タングステン９０％−レニウム１０％である。
【００１７】
このようなタングステン−レニウム合金製試料容器を用いたＵ−Ｐｕ混合酸化物の熱曲線の一例を図５に示す。試料のＰｕ濃度は２９．９％、Ｏ／Ｍ＝２．００である。また比較のために、従来のタングステン製試料容器を用いたＵ−Ｐｕ混合酸化物の熱曲線の例を図６に示す。試料のＰｕ濃度は２９．５％、Ｏ／Ｍ＝２．００である。
【００１８】
両者を対比すると、明らかな相違が認められる。Ｕ−Ｐｕ混合酸化物では、前述のように（図３参照）固相温度と液相温度の２点がある。まず固相温度に着目すると、図５のタングステン−レニウム合金製試料容器（本発明品）を用いての測定では変曲点が分かるが、図６のタングステン製試料容器（従来品）を用いての測定では、固相温度が本当にあるのかどうかが分からないほど微妙な変化となっている。また液相温度については、図５のタングステン−レニウム合金製試料容器（本発明品）での測定の方が４０℃程度低く液相温度が観測されており、これも試料容器の構成材を変更し試料容器との反応による熱曲線変化を除去した成果である。
【００１９】
融点測定後の試料の金相観察結果を図７に示す。Ａはタングステン−レニウム合金製試料容器（本発明品）による融点測定試料であり、Ｂはタングステン製試料容器（従来品）による融点測定試料である。白色の部分が反応により容器構成材が混入した箇所を示している。明らかにタングステン−レニウム合金製試料容器（本発明品）を用いた場合は試料容器構成材の混入が殆ど生じていないことが分かる。
【００２０】
本発明で用いるタングステン−レニウム合金は、従来用いられていたタングステンよりも若干融点が低いが、Ｕ−Ｐｕ混合酸化物を測定する上では、タングステン９０％−レニウム１０％であれば特に問題はない。なお、本発明に係る試料容器は、Ｕ−Ｐｕ混合酸化物（Ｐｕ濃度が３０％程度のもの）と同程度以上の酸化力のある高融点材料の融点測定にも使用可能であることはいうまでもない。また、タングステン−レニウム合金製試料容器はタングステン製試料容器に比べて高価であるから、試料の性状に応じて使い分けることが望ましい。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は上記のように、タングステン−レニウム合金製の融点測定用試料容器であるから、試料がＵ−Ｐｕ混合酸化物（例えばＰｕ濃度：３０％程度、Ｏ／Ｍ：２．００付近）であっても、容器構成材との酸化反応が低減し、そのため熱曲線の形状が安定化し且つ良好になり、熱曲線の解析が行い易くなる。その結果、燃料設計の観点から重要性の高いＯ／Ｍ＝２．００〜１．９８付近の融点の従来方法よりも正確な信頼性の高い測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】酸化ウランのサーマルアレスト法による測定結果の一例を示すグラフ。
【図２】酸化ウランを試料とする場合の理想的な熱曲線を示す模式図。
【図３】Ｕ−Ｐｕ混合酸化物を試料とする場合の理想的な熱曲線を示す模式図。
【図４】融点測定用試料容器の一例を示す断面図。
【図５】本発明品を用いたＵ−Ｐｕ混合酸化物の熱曲線を示すグラフ。
【図６】従来品を用いたＵ−Ｐｕ混合酸化物の熱曲線を示すグラフ。
【図７】融点測定後の試料の金相観察結果を示す図。
【符号の説明】
１０  円筒部
１２  底蓋
１４  上蓋
１６  凹部
【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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