(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウラン、プルトニウム、トリウム、ガドリニウムの単独または混合酸化物粉末を用いて成形、焼結することにより核燃料ペレットを製造する方法において、酸化物粉末を造粒処理することにより、造粒処理前の酸化物粉末を圧力Ｐで成形した場合の成形密度より大きな密度を持ち、かつ、造粒粒子の９０重量パーセント以上が１００μｍ以下の粒子径である凝集粒子とし、この凝集粒子を成形圧力Ｐにて成形することを特徴とする核燃料ペレットの製造方法。
【請求項２】
請求項１の核燃料ペレットの製造方法において、予備成形および粉砕により核燃料粉末を造粒処理し、その予備成形の圧力と本成形圧力との比（予備成形圧力／本成形圧力）を１以上３．５以下とすることを特徴とする核燃料ペレットの製造方法。
【請求項３】
請求項１の核燃料ペレットの製造方法において、振動ミルを用いて凝集粒子を作製することを特徴とする核燃料ペレットの製造方法。
【請求項４】
請求項１の核燃料ペレットの製造方法において、製造された成形体を１３００℃以上１８００℃以下の温度で、かつ、−６００ｋＪ／ｍｏｌ以上−２５０ｋＪ／ｍｏｌ以下の酸素ポテンシャルの雰囲気中で焼結することを特徴とする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、例えば軽水炉や高速増殖炉などの核分裂炉に装荷される核燃料ペレットの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
商業炉に装荷される核燃料ペレットは、核燃料粉末を乾式の一軸成形装置により成形し、成形体を高温にて焼結し、最後に焼結によって得られた焼結体の周辺部を研削し直径を均一化することにより製造されている。本製造工程の最後の製造工程である研削工程においては、核燃料である研削スクラップが発生するため、できるだけその研削量を低減することが望まれている。特にプルトニウム混合酸化物燃料ペレットでは、研削スクラップの回収工程が必要となり、研削工程を排除することが望まれている。
【０００３】
焼結体の研削量は、焼結体間の平均直径変動量及び１個の焼結体内の直径変動量に依存し、両者が小さいほど研削量を少なくすることができる。前者の変動量は、成形体間の密度変動を抑えることにより低減することができる。
【０００４】
一方、後者の変動は、一軸成形装置により成形された円柱状の核燃料成形体が焼結後に、図３に示す焼結体１１Ａが砂時計状に変形するアワグラスと呼ばれる現象に起因しており、核燃料粉末の活性化及び成形圧力の高圧化に伴い増加する傾向にある。砂時計状の焼結体１１Ａを切削して円柱形状の核燃料ペレット１１にする。よって焼結体１１Ａの研削量を低減するためには、この砂時計状の変形量（以下アワグラスと称す）を小さくすることが必要である。
【０００５】
焼結体１１Ａのアワグラスを小さくする方法としては、核燃料粉末に内部潤滑剤を添加する方法や、粉末の活性度を低減する方法が採用されてきた。しかし、どちらの方法においてもアワグラスの低減効果は小さく、根本的解決方法にはなっていない。
【０００６】
これらの方法に対し、特公昭５５−１２５５７号公報、特開昭６２−９８２９２号公報、特開平４−２８５８９１号公報などに述べられている製造方法は、焼結体１１Ａのアワグラスを効果的に低減できる製造方法である。これらの方法は、粉末成形の前に、本成形圧力よりも高い圧力にて核燃料粉末を予備成形することを特徴とした焼結体１１Ａの製造方法である。
【０００７】
この方法によって焼結体１１Ａのアワグラスを小さくできるのは、予備成形によって形成された造粒粒子が高い密度を持ち、破壊強度が大きく本成形時に造粒粒子が壊れにくくなるため、単位面積当たりの粉末粒子どうしの接触点数が小さくなり、成形圧力が成形体内に均一に伝わりやすくなり、成形体内の密度変動を低減できるためと考えられる。
【０００８】
しかし、上記公知例の方法では、予備成形により形成された造粒粒子の粒径が１００〜６００μｍ、（特公昭６２−９８２９２号公報、特開平４−２８５８９１号公報）、５０〜４００μｍ（特公昭５５−１２５５７号公報）と大きく、本成形後に巨大な面状の気孔が成形体に残存することになる。このような成形体を焼結して得られる焼結体は開放気孔率が大きく、原子炉内の炉心に装荷されて核燃料ペレットからの核分裂ガス（ＦＰガス）の放出率が大きくなることが懸念される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
焼結ペレット内の残存気孔径が大きいことは、その破壊強度の低減をも招き、核燃料ペレット製造工場での取り扱い時にペレットが容易に割れてしまうことも懸念される。また、上記の製造方法により製造された核燃料ペレットは、面状化した気孔を多く含むため、ペレットの熱拡散率が低く、原子炉内での照射中に核分裂を生じている燃料ペレット中心温度の増加を招き、ＦＰガス放出率の増大などの好ましくない挙動を引き起こすと考えられる。また、上記方法では、核燃料ペレット製造工程での中間製造物である成形体の強度が低く、核燃料ペレット製造工場での成形体取り扱い時の成形体の欠陥発生頻度が高くなり、生産歩留まりの低下を引き起こす可能性がある。
【００１０】
本発明の目的は、核燃料ペレットの照射性能を改善でき、焼結体の研削量を低減できる核燃料ペレットの製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決する本発明の核燃料ペレットの製造方法は、ウラン、プルトニウム、トリウム、ガドリニウムの単独または混合酸化物粉末を用いて成形、焼結することにより、核燃料ペレットを製造する方法において、酸化物粉末を造粒処理することにより、造粒処理前の酸化物粉末を圧力Ｐで成形した場合の成形密度より大きな密度を持ち、かつ造粒粒子の９０重量パーセント以上が１００μｍ以下の粒子径である凝集粒子とし、この凝集粒子を成形圧力Ｐにて成形することを特徴とする。
【００１２】
即ち、前述したように、高密度の造粒粒子は破壊強度が大きく本成形時に破壊しにくい特徴を持つが、本成形前の粉砕工程において造粒粒子を細かく破壊することにより、成形体内に残存する気孔径を低減できる。その結果として、成形体および焼結体の強度、ペレットの熱拡散率を保持でき、焼結密度の低下、開放気孔率の増大を最小化することができる。よって、造粒粒子径を制御することにより、核燃料ペレットの製造性および原子炉内性能を低下させることなく核燃料ペレット製造時のアワグラスを低減できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下、本発明の実施例である核燃料ペレットの製造方法を図１により説明する。
【００１４】
ＢＥＴ比表面積（単位重量当りの粉末比表面積）が３．４，５．６及び８．３ｍ2／ｇである３種類のＵＯ2粉末毎に図１の工程で焼結体を製造した。先ず、予備成形工程１において、ＵＯ2粉末は油圧式乾式一軸成形機を用いて成形した。予備成形工程で用いる油圧式乾式一軸成形機としては０．５〜５．２ｔ／ｃｍ2の範囲の成形圧力が得られものを用いた。
【００１５】
次に混合された造粒粒子は、本成形工程５において油圧式乾式一軸成形機によって成形された。この油圧式乾式一軸成形機としては、１．５〜７．０ｔ／ｃｍ2の範囲の成形圧力が得られものを用いた。造粒粒子はふい分け工程３において、１００μｍ以下、１００〜５００μｍおよび５００〜８５０μｍの粒度を有する
粒子にそれぞれ分級される。分級された各粒度の造粒粒子は、混合工程４において、所定の割合混合される。１００μｍ以下の造粒粒子が９０重量％以上含まれる。余った１００μｍより大きな造粒粒子は粉砕工程２で再粉砕されて、再利用される。
【００１６】
本成形工程５で得られた成形体は、燃結工程６で燃結されてＵＯ2燃結体になる。即ち、その成形体の温度で水素８％、窒素９２％の乾燥混合ガス気流中で２時間焼結した。焼結後、ＵＯ2燃結体側面が切削されて核燃料ペレットが得られる。尚、１００μｍ以下の造粒粒子のみを用いて、本成形工程５で成形する場合には、混合工程が省略される。
【００１７】
本発明者等はＢＥＴ比表面積が３．４，５．６及び８．３ｍ2／ｇの３種類のＵＯ2粉末に対して、予備成形圧力と本成形圧力との比（予備成形圧力／本成形圧力比）、混合工程４での１００μｍ以下の造粒粒子の混合割合を変えて、種々のＵＯ2燃結体を製造した。これらの燃結体に対して、密度及び開放気孔率を液浸法により測定し、アワグラス（ＨＧ）を下式により評価した。
【００１８】
【数１】
ＨＧ＝（ＤＴAV＋ＤＢAV）／２−ＤＣAV
ここで、ＤＴAV、ＤＢAVはそれぞれＵＯ2焼結体ペレットの上端、下端での平均直径であり、ＤＣAVはＵＯ2焼結体ペレットの高さ１／２の位置での平均直径である。各々のＵＯ2焼結体を円盤状にスライスし、ＵＯ2焼結体の破壊強度を２軸曲げ試験により、熱拡散率をレーザーフラッシュ法により４００〜１６００℃の温度範囲にて評価した。なお、標準試料として予備成形工程１及び粉砕工程２の造粒処理を施していない上記３種類のＵＯ2粉末（以下、未造粒粉末）を用いた同様の試験も実施した。
【００１９】
その結果、本成形工程５を用いられる造粒粒子のが１００μｍ以下の造粒粒子を９０重量％以上含んでいれば、予備成形造粒による焼結密度の低下効果が無視できる。しかし、１００μｍ以上の造粒粒子が９０重量％未満である混合造粒粒子を用いた場合には、ＵＯ2焼結体の密度が低下した。ＵＯ2焼結体の密度低下は、原子炉への核燃料の装荷量を低減させ、燃料サイクルコストを増加させるため好ましくない。よって、核燃料ペレットの高密度化の観点から、１００μｍ以下の粒子径を持つ造粒粒子が少なくとも９０重量％以上含まれることが望ましい。
【００２０】
図２にＵＯ2焼結体のＨＧの測定例を示す。本成形及び粉砕の工程を経て作られたＵＯ2焼結体（造粒粒子製焼結体）のＨＧは、予備成形圧力と本成形圧力との比に依存しており、予備成形圧力と本成形圧力との比を１以上とすることにより、予備成形工程を経て作られた造粒粒子の密度を高め、本成形工程において破壊されないようにすることにより、ＨＧを顕著に低減できる。このため、図１に示す予備成形工程１と本成形工程５の成形圧力の比（予備成形圧力／本成形圧力比）が１以上になるように、各成形圧力が設定される。
【００２１】
予備成形圧力と本成形圧力との比が１未満である場合には、予備成形工程１を経て作られた造粒粒子の密度が、未造粒粉末を本成形５の成形圧にて作製した場合の成形密度よりも低く、本成形工程で造粒粒子が破壊されるためにアワグラス（ＨＧ）低減効果は極めて小さい。その比が１以上になるとアワグラス（ＨＧ）低減効果は著しく増加する。予備成形圧力と本成形圧力との比が３．５を超える範囲では、造粒粒子の強度が大きくなりすぎ、ＵＯ2焼結体の密度の著しい減少を引き起こすため、上記成形圧比を３．５より大きく設定することは好ましくない。このため、上記成形圧比が１〜３．５にすることが望ましい。特に成形圧比が１〜３．５の範囲においても、その圧力比が２．０以上の場合はアワグラスが著しく小さいなる。
【００２２】
ＵＯ2焼結体の開放気孔率は、造粒粒子径の増加と共に、増加する傾向があったが、９０重量％以上が１００μｍ以下である造粒粒子により作製された焼結ペレットでは、未造粒粉末により作製したＵＯ2焼結体の場合とほぼ同等であった。
【００２３】
また２軸曲げ試験により評価したＵＯ2焼結体の強度は、１００μｍより大きい造粒粒子の混合比率が大きくなるほど小さくなり、１００μｍ以下の造粒粒子が９０重量％以上の場合には、未造粒粉末により作製したＵＯ2焼結体と同等の強度が得られた。ＵＯ2焼結体はセラミックスであり、その強度は気孔径が大きいほど低下する。従って、造粒粒子径を小さくしてＵＯ2焼結体内の気孔径を小さくするほどＵＯ2焼結体の強度が大きくなる。本実施例は１００μｍ以下の造粒粒子が９０重量％以上を用いるので、ＵＯ2焼結体の強度が１００μｍより大きい造粒粒子の比率が１０％を超える場合に比べて大きくなる。
【００２４】
造粒粒子で成形された焼結前の成形体（単に成形体という）内のすべての気孔は開放気孔である。成形体の焼結によって、それぞれの気孔が収縮し、ほとんどの気孔が消滅する。しかし、一部の気孔は、開放気孔（気孔同士の連結によりＵＯ2焼結体の表面に通じる気孔）及び閉気孔（ＵＯ2焼結体内に閉じ込められた気孔）として残存する。この開放気孔の生成には、成形体内の気孔径が大きく影響する。即ち、成形体内の気孔は、その径が大きいほど焼結時に消滅しにくいため、焼結時に気孔同士の連結が切れにくい。この結果、焼結体の開放気孔率が大きくなる。
【００２５】
本実施例は、成形体を形成するために用いられる造粒粒子が、１００μｍ以下の造粒粒子が９０重量％以上含んでいるので、成形体内の気孔径を小さくできる。このため、本実施例はＵＯ2焼結体の開放気孔率を低減できる。
【００２６】
また、造粒粒子により作製されたＵＯ2焼結体の熱拡散率は、９０重量％以上の造粒粒子が１００μｍ以下である場合を除いて、造粒処理を施していない粉末により作製されたＵＯ2焼結体の場合と比較して数パーセント低いことがわかった。
【００２７】
粒径の大きな造粒粒子から製作されたＵＯ2焼結体は、開放気孔率が大きいだけでなく、クラックのような形状の気孔を有する。これは成形体内の大きな造粒粒子間に存在する扁平状の大気孔が焼結後にも存在するためである。このような形状の気孔は、核燃料ペレットの熱拡散率の低下を招く。この結果、原子炉内に装荷された核燃料ペレットの温度が上昇し、ＦＰ放出率が増加し、好ましくない。本実施例では、１００μｍ以下の造粒粒子を９０重量％以上含む造粒粒子を用いて成形体を製作し、ＵＯ2焼結体を作成するので、クラックのような形状を有する気孔がＵＯ2焼結体内にほとんど残存しない。このため、熱拡散率を増加できる。
【００２８】
本実施例によれば、予備成形圧力と本成形圧力との比を１から３．５の範囲内に設定することにより、造粒粒子の密度は未造粒粒子を用いた場合の成形密度より大きくし、造粒粒子の９０重量パーセント以上の粒径を１００μｍ以下とすることにより、核燃料ペレットの密度、開放気孔率、強度および熱拡散率を前述の各特許公報に記載の方法で製造された核燃料ペレットより改善し、かつ、焼結体ペレットのアワグラスを低減する。
【００２９】
（実施例２）
実施例１と同様のＵＯ2粉末を用いて、振幅７ｍｍ、振動数９６０ｒｐｍの条件にて９０分間振動ミル処理を施した。その後、実施例１と同様条件にて振動ミル処理粉末をふるい分けし、１００μｍ以下の凝集粒子を成形し、成形体内の粉末充填状態を走査型電子顕微鏡にて観察した。その結果、成形体内には、多数の破壊されていない１００μｍ以下の凝集粒子が観察された。また、凝集粒子の見かけの密度を水銀ポロシメータにより測定したところ、振動ミル処理により形成された１００μｍ以下の凝集粒子は、末処理粉末を用いて本成形圧にて作製される成形体より高い密度を持つことがわかった。
【００３０】
上記振動ミル処理済の１００μｍ以下の凝集粒子を用いて実施例１の条件にて成形、焼結し、焼結体の特性を評価した。その結果、焼結ペレットの密度、開気孔率、破壊強度、熱拡散率は、無処理のＵＯ2粉末を用いた場合とほぼ同等の値を示し、ＨＧは、無処理のＵＯ2粉末を用いた場合の１／４から１／５に低減することがわかった。本結果より本実施例の条件でのＵＯ2粉末の振動ミル処理は高密度の凝集粒子の作製方法として有効であり、作製されたＵＯ2粉末をふるい分けして成形焼結することにより、ＵＯ2焼結体のＨＧを低減し、かつ、その他のペレット特性を保持できることがわかる。
【００３１】
前述の各実施例では、焼結炉を１７５０℃、水素８％及び窒素９２％の乾燥気流の条件にて２時間焼結を実施したが、１３００℃以上１８００℃以下の温度で、かつ、−６００ｋＪ／ｍｏｌ以上−２５０ｋＪ／ｍｏｌ以下の酸素ポテンシャルの雰囲気中で焼結した場合も、ＵＯ2焼結体の砂時計状の変形の要因が成形工程にあるため、上記実施例と同等の本発明の効果が得られる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、核燃料ペレットの性能を低下させることなく、焼結体の研削量を低減できるため、核燃料研削スクラップを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である核燃料ペレットの焼結体の製造方法のうち製造工程を示したフローチャート。
【図２】ＵＯ2焼結体の予備成形圧力／本成形圧力との関係を示す特性図。
【図３】従来の核燃料ペレットの製作工程の一部を示す説明図。
【符号の説明】
１…予備成形工程、２…粉砕工程、３…ふるい分け工程、４…混合工程、５…本成形工程、６…焼結工程。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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