(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液(10)をマイクロ波により加熱脱硝して核燃料物質の酸化物粉末(12)を作製する工程(11)と、
前記酸化物粉末(12)を粉砕する工程(13)と、
前記粉砕された酸化物粉末(14)に液体バインダ(16)を添加混合して造粒粉末(18)を作製する工程(17)と、
前記造粒粉末(18)を焙焼還元する工程(19)と
を含む核燃料粒子の製造方法。
【請求項２】
液体バインダ(16)が核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液(10)であって、前記水溶液を前記核燃料物質に含まれる金属量が粉砕された酸化物粉末(14)の重量に対して０．１〜１０重量％の割合で粉砕された酸化物粉末(14)に添加混合する請求項１記載の核燃料粒子の製造方法。
【請求項３】
液体バインダ(16)が水又は６Ｎ以下の硝酸であって、前記水又は硝酸を粉砕された酸化物粉末(14)に対して０．１〜１５重量％の割合で添加混合する請求項１記載の核燃料粒子の製造方法。
【請求項４】
請求項２に記載した液体バインダ(16)を用いて造粒した粉末(18)を焙焼還元した後に、焙焼還元された粉末(21)を焼結して焼結粒子(23)を作製する工程(22)を更に含む核燃料粒子の製造方法。
【請求項５】
請求項３に記載した液体バインダ(16)を用いて造粒した粉末(18)を焙焼還元した後に、焙焼還元された粉末(21)をペレットに成形する工程(24)と、このペレットを焼結して焼結体ペレット(26)を作製する工程(25)を含む核燃料ペレットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウラン(U)、プルトニウム(Pu)、トリウム(Th)、ネプツニウム(Np)、アメリシウム(Am)、キュリウム(Cm)等の核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液から核燃料粉末又は核燃料ペレットを製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、核燃料、例えばＭＯＸ燃料（プルトニウム・ウラン混合酸化物の燃料）のペレットを製造する場合には、硝酸ウラニル水溶液と硝酸プルトニウム水溶液を用意し、これらを所定の割合で混合し、この混合物をマイクロ波により加熱、脱硝してＵＯ3とＰｕＯ2の粉末を作製し、これを粉砕する。次いで粉砕した粉末を焙焼還元してＵＯ2とＰｕＯ2の粉末を作製し、造粒した後、ペレットに成形し、最後に焼結してＭＯＸ燃料ペレットを得ていた。
しかしこのＭＯＸ燃料中のウラン、プルトニウムの濃度調整やプルトニウムの富化度調整はＵＯ2のような酸化物粉末を製造工程の途中で添加混合することにより実施されるため、核燃料の組成測定や計量が非常に煩雑であった。
【０００３】
これを改善するために原料の硝酸ウラニル水溶液と硝酸プルトニウム水溶液の段階でウラン、プルトニウムの濃度調整やプルトニウムの富化度調整を行うプロセスが提案されている（液混合プロセス）。この液混合プロセスでは、原料溶液の段階でプルトニウムの濃度調整やプルトニウムの富化度調整を行った後、上記方法と同様に、マイクロ波により加熱、脱硝してＵＯ3とＰｕＯ2の粉末を作製し、これを粉砕する。次いで粉砕した粉末を焙焼還元してＵＯ2とＰｕＯ2の粉末を作製し、造粒した後、ペレットに成形し、最後に焼結してＭＯＸ燃料を得ていた。この液混合プロセスによれば、製造工程途中での組成測定や計量の回数を減らすことができ、またＵＯ2粉末の混合が不要となる利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記２つの従来の方法とも、焙焼還元工程以降の造粒工程を含む製造工程においては核燃料物質の臨界安全管理の観点から、水を用いない乾式工程であることが製造設備設計上望ましいため、ステアリン酸粉末をバインダとする乾式で造粒した後、ＵＯ2とＰｕＯ2の粉末を圧縮して成形体を作製し、これを解砕、分級して造粒粉末とする工程が採用される。
しかし、これらの方法でマイクロ波脱硝で得られたＵＯ3とＰｕＯ2の粉末はサブミクロン級の非常に細かい粒子が凝集したものであるため、製造工程中、特に造粒工程でダスティング（微粉末の飛散）を生じ、核燃料物質の飛散や粉末の歩留りが低下する不都合がある。
【０００５】
本発明の目的は、焙焼還元工程以降を乾式にして臨界安全管理上、製造設備の設計を容易にし、かつ造粒工程でダスティングを生じず、粉末の歩留りを低下させない核燃料粒子及び核燃料ペレットの製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液１０をマイクロ波により加熱脱硝して核燃料物質の酸化物粉末１２を作製する工程１１と、この酸化物粉末１２を粉砕する工程１３と、粉砕された酸化物粉末１４に液体バインダ１６を添加混合して造粒粉末１８を作製する工程と、造粒粉末１８を焙焼還元する工程１９とを含む核燃料粒子の製造方法である。
マイクロ波脱硝により作製された核燃料物質の酸化物粉末を粉砕した後、液体バインダを添加混合して湿式で造粒粉末を作製することにより、造粒工程でのダスティングを防止でき、粉末の歩留りが低下しない。また湿式造粒した後、焙焼還元して乾式で核燃料粒子を製造するため、臨界安全管理上、製造設備の大きさや形状に制約を受けなくて済む。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、液体バインダ１６が核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液１０であって、この水溶液を核燃料物質に含まれる金属量が粉砕された酸化物粉末１４の重量に対して０．１〜１０重量％の割合で粉砕された酸化物粉末１４に添加混合する核燃料粒子の製造方法である。
造粒時に核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液を使用すると、この水溶液が造粒時に乾燥されて核燃料物質の塩を生じ、この塩がバインダとして作用する。また水溶液の量を制御することにより造粒粉末の強度を調節できる。また焙焼還元工程以降でこの塩は原料粉末と同一の酸化物となるため、従来のバインダと異なり他元素の混入がない。
【０００８】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、液体バインダ１６が水又は６Ｎ以下の硝酸であって、この水又は硝酸を粉砕された酸化物粉末に対して０．１〜１５重量％の割合で添加混合する核燃料粒子の製造方法である。
造粒時に水を使用した場合には、マイクロ波脱硝された酸化物粉末は残留物として硝酸根を含んでいるため、水が硝酸根と反応して請求項２に係る発明の場合と同様に核燃料物質の塩を生じ、この塩がバインダとして作用する。また水の量を制御することにより造粒粉末の強度を調節できる。液体バインダとして６Ｎ以下の硝酸を使用した場合には、この硝酸が酸化物粉末の一部を溶解させ、この溶解物がバインダとして作用する。また硝酸の量を制御することにより造粒粉末の強度を調節できる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、請求項２に記載した液体バインダ１６を用いて造粒した粉末１８を焙焼還元した後に、焙焼還元された粉末２１を焼結して焼結粒子２３を作製する工程２２を更に含む核燃料粒子の製造方法である。
核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液をバインダとして用いて造粒した後、焙焼還元した粉末をそのまま焼結して得られる焼結粒子は、粒子の強度が比較的高く、振動充填型核燃料粒子に適する。
【００１０】
請求項５に係る発明は、請求項３に記載した液体バインダ１６を用いて造粒した粉末１８を焙焼還元した後に、焙焼還元された粉末２１をペレットに成形する工程２４と、このペレットを焼結して焼結体ペレット２６を作製する工程２５を含む核燃料ペレットの製造方法である。
水又は６Ｎ以下の硝酸をバインダとして用いて造粒した後、焙焼還元した粉末は、粉末の強度は高くなく、この粉末はペレットに成形し易く、この粉末を焼結して得られる焼結体は核燃料ペレットに適する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明において、核燃料物質はウラン(U)、プルトニウム(Pu)、トリウム(Th)、ネプツニウム(Np)、アメリシウム(Am)、キュリウム(Cm)等である。この核燃料物質を含む硝酸塩水溶液は、硝酸ウラニル（ＵＯ2(ＮＯ3)3），硝酸プルトニウム（Ｐｕ(ＮＯ3)4），硝酸トリウム（Ｔｈ(ＮＯ3)4），硝酸ネプツニウム（Ｎｐ(ＮＯ3)4），硝酸アメシウム（Ａｍ(ＮＯ3)3），硝酸キュリウム（Ｃｍ(ＮＯ3)3）等の硝酸塩を単独で又は混合して水溶液にして用いられる。
本発明で使用される液体バインダは請求項２に記載した核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液及び請求項３に記載した水又は６Ｎ以下の硝酸以外にもポリビニルアルコールや澱粉等の水溶液も使用できる。ポリビニルアルコールや澱粉等をバインダとして用いた場合には、これらのバインダは焙焼還元の工程で揮発又は燃焼により造粒粉末から除去されるが、有機物であるため、排気側に有機物のトラップを設けて後で取除く必要がある。
【００１２】
請求項２に係る発明において、液体バインダとして用いられる核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液の使用量が、この核燃料物質に含まれる金属量が酸化物粉末の重量に対して０．１重量％未満に相当する量の場合には造粒粉末の強度が不十分となり、１０重量％に相当する量を超えると焙焼還元後の粉末の焼結性が劣るため好ましくない。上記水溶液のより好ましい使用量は１〜５重量％である。
請求項３に係る発明において、液体バインダとして用いられる硝酸の濃度が６Ｎを超えると原料の酸化物粉末の溶解が不均一となり造粒が困難となる。また水又は硝酸の添加量が酸化物粉末に対して０．１重量％に満たない場合には造粒が困難となり、１５重量％を超えて添加しても造粒の効果が変らず、かえって造粒工程の乾燥時に熱エネルギーを多く必要とし不経済となる。特に硝酸を多量に添加すると酸化物粉末の溶解量が増えるため好ましくない。水又は硝酸のより好ましい使用量は１〜５重量％である。
【００１３】
粉砕された酸化物粉末に液体バインダを添加混合して造粒粉末を作製する場合には、例えば図２に示すような造粒機が用いられる。
図２に示すように造粒機本体３０の内部には密閉されたチャンバ３１が設けられる。チャンバ３１の内底部の近傍には撹拌羽根３２が設けられ、撹拌羽根３２はチャンバ３１の外側に設けられたモータ３３により回転する。造粒機本体３０の上部にはマイクロ波脱硝された後粉砕された核燃料物質の酸化物粉末１４を収容するホッパ３４が設けられ、造粒機本体３０の別の上部には液体バインダ１６を収容するタンク３６が設けられる。酸化物粉末１４は開閉弁３７を切換えることによりホッパ３４からチャンバ３１内で回転する撹拌羽根３２上に供給され、液体バインダ１６はタンク３６からスプレーノズル３８によりチャンバ３１内で回転する撹拌羽根３２上に噴霧されるようになっている。
【００１４】
このように構成された造粒機において、先ず撹拌羽根３２を回転させながら撹拌羽根３２上に酸化物粉末１４を供給して酸化物粉末１４を撹拌する。次いで撹拌を続けながら液体バインダ１６を撹拌されている酸化物粉末１４に噴霧する。その結果、酸化物粉末１４と液体バインダ１６の混合物は撹拌羽根３２により渦巻き状の循環流を起して転動作用を与えられて１０〜１５００μｍの粒径となるように造粒される。
【００１５】
【実施例】
次に本発明の具体的態様を示すために、本発明の実施例を比較例とともに説明する。
【００１６】
＜実施例１＞
ウラン濃度が３００ｇＵ／Ｌの硝酸ウラニル水溶液をアルミナ皿に入れてマイクロ波で加熱脱硝して原料粉末となるＵＯ3粉末を生成した。この原料粉末のＵＯ3粉末を粉砕した後、図２に示す造粒機のホッパに入れた。造粒機のタンクに液体バインダとしてマイクロ波加熱脱硝したものと同一のウラン濃度が３００ｇＵ／Ｌの硝酸ウラニル水溶液を貯えた。撹拌羽根で撹拌しながら原料粉末のＵＯ3粉末に対して金属量で５重量％となるようにノズルから硝酸ウラニル水溶液を噴霧し、硝酸ウラニル水溶液とＵＯ3粉末とを混合することにより造粒した。得られた造粒粉末と原料粉末の物性を表１に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
上記造粒粉末を以下の３群の篩（Ａ〜Ｃ）を使用して３種類の粒度に篩分した後、水素雰囲気中において６００℃で２時間焙焼還元し、ＵＯ2粉末を生成した。このＵＯ2粉末を水素雰囲気中において１６００℃で５時間焼結し、焼結粒子を作製した。焼結粒子の理論密度に対する密度（％）を液浸法により測定した。その結果を表２に示す。
【００１９】
なお、Ａ群の篩は篩番号＃１２〜＃１６（篩の目開き：１４１０μｍ〜１０００μｍ）の篩から構成され、Ｂ群の篩は篩番号＃１００〜＃１５０（篩の目開き：１４９μｍ〜１０５μｍ）の篩から構成され、Ｃ群の篩は篩番号＃２７０〜＃４００（篩の目開き：５３μｍ〜３７μｍ）の篩から構成されている。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
＜実施例２＞
液体バインダとして３Ｎの硝酸を原料粉末に対して０．５重量％の割合で添加混合して造粒したことを除いては実質的に実施例１の方法を繰返して実施例２の造粒粉末を得た。得られた造粒粉末と原料粉末の物性を表３に示す。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
上記造粒粉末を上記の３群の篩（Ａ〜Ｃ）を使用して３種類の粒度に篩分した後、篩群Ａの篩を通過した粒径１０００μｍ以下の造粒粉末を水素雰囲気中において６００℃で２時間焙焼還元してＵＯ2粉末を生成した。このＵＯ2粉末を金型に入れて３トン／ｃｍ2の圧力でプレス成形して、直径１１ｍｍ、長さ１４ｍｍのペレットに成形した。この成形したペレットを水素雰囲気中において１６００℃で５時間焼結し、焼結体ペレットを作製した。得られた焼結体ペレットの理論密度に対する密度（％）は９５．５％ＴＤであり、焼結体ペレットの組織も均一であることが確認された。
【００２４】
＜比較例１＞
原料粉末に液体バインダとしてウラン濃度が３００ｇＵ／Ｌの硝酸ウラニル水溶液を粉砕粉末に対して金属量で１２重量％となるように添加混合して造粒したことを除いては実質的に実施例１の方法を繰返して比較例１の造粒粉末を得た。得られた造粒粉末と原料粉末の物性を表４に示す。
【００２５】
【表４】
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【００２６】
以後の工程は実質的に実施例１の方法を繰返して比較例１の焼結粒子を作製した。焼結粒子の理論密度に対する密度（％）を液浸法により測定した。その結果を表５に示す。
【００２７】
【表５】
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【００２８】
＜比較評価＞
実施例１の表２に示した密度、実施例２で述べた密度及び比較例１の表５に示した密度の各値から明らかなように、実施例１の焼結粒子及び実施例２の焼結体ペレットはいずれも理論密度に対して９５％以上の密度が得られるが、比較例１の焼結粒子は理論密度に対して９１〜９３％程度の低い焼結密度しか得られないことが判る。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液をマイクロ波により加熱脱硝して核燃料物質の酸化物粉末を作製し、これを粉砕した酸化物粉末に液体バインダを添加混合して造粒粉末を作製した後、造粒粉末を焙焼還元するようにしたので、焙焼還元工程以降を乾式にすることができ、臨界安全管理上、製造設備の設計が容易になる。また湿式造粒のため造粒工程でダスティングを生じず、従来の乾式造粒と比較して粉末の歩留りを低下させない。
本発明で製造された焼結粒子又は焼結体ペレットは簡単な工程で理論密度に対して９５％以上の高密度になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の核燃料粒子及び核燃料ペレットの製造工程を示す図。
【図２】本発明の造粒機の構成図。
【符号の説明】
１０  核燃料物質の硝酸塩を含む水溶液
１１  マイクロ波加熱脱硝工程
１２  酸化物粉末
１３  粉砕工程
１４  粉砕された酸化物粉末
１６  液体バインダ
１７  造粒工程
１８  造粒粉末
１９  焙焼還元工程
２１  還元された酸化物粉末
２２  焼結工程
２３  焼結粒子
２４  ペレット成形
２５  焼結工程
２６  焼結体ペレット
【図１】
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【図２】
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