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技術 核燃料ペレット及びその製造方法並びに核燃料要素及び核燃料集合体

出願人 株式会社日立製作所株式会社東芝日本核燃料開発株式会社
発明者 梁井康市細川隆徳大内敦平井睦天谷政樹大越由巳水谷千尋
出願日 1999年4月7日 (21年10ヶ月経過) 出願番号 1999-099705
公開日 2000年10月20日 (20年3ヶ月経過) 公開番号 2000-292576
状態 特許登録済
技術分野 原子炉燃料及び部品の製造
主要キーワード 硼化タングステン 酸化物凝集体 単斜晶構造 限界出力 カドリニウム ガドリニウム濃度 焼結体作製 核分裂炉
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この項目の情報は公開日時点(2000年10月20日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (2)

課題

ペレット内に高濃度ガドリニウム酸化物が分散しており、ペレット内にガドリニウムが均一に固溶したペレットと比較して熱伝導率が高い核燃料ペレットを提供する。

解決手段

ウランプルトニウムトリウムの単独または混合酸化物中に高濃度のガドリニウム酸化物領域が分散している核燃料ペレットにおいて、前記核燃料ペレットの高濃度ガドリニウム酸化物領域の平均直径を50〜300μmとし、高濃度ガドリニウム酸化物領域のガドリニウム酸化物濃度を60wt%以上とした。

概要

背景

現在商業炉では、出力の安定化を目的として核的毒物であるガドリニウム酸化物が添加されたペレットが使用されている。このガドリニウム酸化物はウラン酸化物と混合された後成形、焼結することにより製造されている。

ガドリニウム酸化物の混合が不十分な場合にはガドリニウム酸化物とウランなどの核燃料酸化物との固溶反応が不十分となり、焼結後のペレットにマイクロクラックが発生したり、結晶粒径が著しく小さくなることが知られている。そこで、ガドリニウム酸化物とウラン酸化物との固溶性改善のために、機械的に混合された混合酸化物焼結助剤を添加する方法(特開平05−11088、特開平01一193691、特開平02−242195号公報)が提案されている。

概要

ペレット内に高濃度のガドリニウム酸化物が分散しており、ペレット内にガドリニウムが均一に固溶したペレットと比較して熱伝導率が高い核燃料ペレットを提供する。

ウラン、プルトニウムトリウムの単独または混合酸化物中に高濃度のガドリニウム酸化物領域が分散している核燃料ペレットにおいて、前記核燃料ペレットの高濃度ガドリニウム酸化物領域の平均直径を50〜300μmとし、高濃度ガドリニウム酸化物領域のガドリニウム酸化物濃度を60wt%以上とした。

目的

本発明は、上記状況に対処してなされたものであり、その目的とするところは、ペレット内に高濃度のガドリニウム酸化物が分散しており、ペレット内にガドリニウムが均一に固溶したペレットと比較して熱伝導率が高いこの種の核燃料ペレットおよびその製造方法、ならびにそのペレットを用いた核燃料要素および核燃料集合体を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

ウランプルトニウムトリウムの単独または混合酸化物中に高濃度ガドリニウム酸化物領域が分散している核燃料ペレットにおいて、前記高濃度のガドリニウム酸化物領域の平均直径が50〜300μmであり、かつ高濃度ガドリニウム酸化物領域のガドリニウム酸化物濃度が60wt%以上であることを特徴とする核燃料ペレット。

請求項2

ウラン、プルトニウム、トリウムの単独または混合酸化物中に高濃度のガドリニウム酸化物領域が分散している核燃料ペレットの製造方法において、前記高濃度のガドリニウム酸化物凝集粒子に1000℃以下の温度にて分解あるいは蒸発する物質被覆した後に核燃料酸化物粉末と混合し、成形焼結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

前記高濃度のガドリニウム酸化物凝集粒子の理論密度に対する相対密度が、成形体の平均の相対密度より大きいものである請求項2記載の核燃料ペレットの製造方法。

請求項4

前記ガドリニウム酸化物および核燃料酸化物の混合粉末圧粉成形体を、モリブデンモリブデン酸化物平衡酸素ポテンシャルより低い酸素ポテンシャル雰囲気中で焼結するようにした請求項2記載の核燃料ペレットの製造方法。

請求項5

核燃料ペレットを金属被覆管内に封入した燃料要素において、核燃料物質の酸化物中に高濃度のガドリニウム酸化物領域が分散しており、高濃度ガドリニウム酸化物領域の平均直径が50〜300μmであり、高濃度ガドリニウム酸化物領域のガドリニウム酸化物濃度が60wt%以上である核燃料ペレットを用いることを特徴とする核燃料要素

請求項6

核燃料要素等からなる核燃料集合体において、核燃料物質の酸化物中に高濃度のガドリニウム酸化物領域が分散しており、高濃度ガドリニウム酸化物領域の平均直径が50〜300μmであり、高濃度ガドリニウム酸化物領域のガドリニウム酸化物濃度が60wt%以上である核燃料ペレットを用いた核燃料要素を用いることを特徴とする核燃料集合体。

技術分野

0001

本発明は、例えば軽水炉高速増殖炉などの核分裂炉装荷される核燃料ペレット、核燃料ペレットの製造方法、核燃料要素および核燃料集合体に関するものである。

背景技術

0002

現在商業炉では、出力の安定化を目的として核的毒物であるガドリニウム酸化物が添加されたペレットが使用されている。このガドリニウム酸化物はウラン酸化物と混合された後成形、焼結することにより製造されている。

0003

ガドリニウム酸化物の混合が不十分な場合にはガドリニウム酸化物とウランなどの核燃料酸化物との固溶反応が不十分となり、焼結後のペレットにマイクロクラックが発生したり、結晶粒径が著しく小さくなることが知られている。そこで、ガドリニウム酸化物とウラン酸化物との固溶性改善のために、機械的に混合された混合酸化物焼結助剤を添加する方法(特開平05−11088、特開平01一193691、特開平02−242195号公報)が提案されている。

発明が解決しようとする課題

0004

これらの方法によれば、均一な微細組織を持ち、ペレット製造時にマイクロクラックなどの欠陥が発生しない健全なペレットを製造することができる。一方、ウラン酸化物にガドリニウム酸化物を添加し、均一な固溶体とした場合には、ペレットの熱伝導度が低下することが知られている(Journal of Nuclear Materlals l05(1982)201)。

0005

ペレットの熱伝導度が低下すると、原子炉内でのペレット温度が上昇し、結果としてペレットのスウェリングによるペレット被覆管相互作用PCI)の増大、核分裂生成物放出率の増加を引き起こすため、ガドリニウム酸化物を添加したペレットの限界出力はガドリニウム酸化物を添加していないペレットの場合よりも低く設定している。

0006

そこで、ガドリニウム酸化物のウラン酸化物への固溶を抑制することによりペレット熱伝導率の低下を防止する方法が提案されている(特開昭59−90082号公報、特開昭60−231195号公報、Proc.lnternatlonaIAtomicAgency・ TechnicaICommitteeMeeting on Advances 1n Pellet Technology for lmproved Performance at High Burnup Tokyo Japan (1996)No.2−1、特願平10−91113号)。

0007

また、特開昭59−90082号公報には、硼化タングステン被覆したガドリニウム酸化物粒子を添加することにより焼結中のウラン酸化物との接触を避けて固溶させない方法が示されているが、この方法では、タングステンを使用するため、製造コストの増大を招く。

0008

また、特開昭60−231195号公報には、1mm以上のガドリニウム酸化物粒子を添加することにより焼結中のウラン酸化物との接触面積を小さくし固溶反応を抑制することが示されているが、ガドリニウム酸化物の粒径が大きいため、焼結中のガドリニウム酸化物凝集体とウラン酸化物の収縮率が大きく異なり、焼結体内のクラックの発生または焼結後のガドリニウム酸化物/ウラン酸化物界面の空隙の発生を引き起こし、密度、熱伝導度の低下を引き起こす。

0009

PIoc.lnternationaI Atomic Agency TechnlcaI Commlttee Meetlng on Advances in Pellet Technology for lmproved Performance at High Burnup Tokyo Japan (1996)No.2−1には、熱処理を施したガドリニウム酸化物をウラン酸化物に混合し焼結することによりガドリニウム酸化物分散型のペレットを製造する方法が示されているが、この方法により製造されたペレットでは、ガドリニウム酸化物/ウラン酸化物界面に気泡が連結しており、熱伝導率向上効果が小さいと考えられる。

0010

また、特願平10−91113号では、最大60wt%のガドリニウム酸化物を含む高ガドリニウム濃度領域が分散されたペレットが示されているが、低熱伝導率高濃度ガドリニウム領域が占める体積割合が大きく、顕著な熱伝導率の向上効果が期待できない。

0011

本発明は、上記状況に対処してなされたものであり、その目的とするところは、ペレット内に高濃度のガドリニウム酸化物が分散しており、ペレット内にガドリニウムが均一に固溶したペレットと比較して熱伝導率が高いこの種の核燃料ペレットおよびその製造方法、ならびにそのペレットを用いた核燃料要素および核燃料集合体を提供することにある。

課題を解決するための手段

0012

上記目的は、高濃度のガドリニウム酸化物領域が分散した核燃料ペレットにおいて、高濃度ガドリニウム酸化物領域の粒径を最適化すること、および焼結過程において高濃度ガドリニウム酸化物領域の結晶構造がウラン酸化物との固溶反応により単斜晶から立方晶系へ変化しないガドリニウム酸化物濃度とすることにより急激な体積変化を防止し、ペレット製造時の高濃度ガドリニウム酸化物領域とその他の領域との境界における密着性を改善し、高濃度ガドリニウム酸化物領域のガドリニウム濃度を高くすることにより、ペレットの熱伝導率向上効果を大きくすることにより達成される。

0013

具体的には、核燃料酸化物中に高濃度のガドリニウム酸化物領域が分散しており、高濃度ガドリニウム酸化物領域の平均直径が50〜300μmであり、高濃度ガドリニウム酸化物領域のガドリニウム酸化物濃度が60wt%以上である核燃料ペレットを用いる。

0014

この濃度範囲における単斜晶の結晶構造を持つ高濃度ガドリニウム酸化物の結晶構造は、U409相を形成しないような条件下にて熱処理および焼結を実施しても変化しないことが確認された。また上記ペレットの製造は、単体にて高焼結密度が得られ、平均粒径が50〜300μmである高濃度のガドリニウム酸化物凝集粒子を作製し、高濃度のガドリニウム酸化物凝集粒子に有機化合物などの1000℃以下の温度にて分解あるいは蒸発する物質を被覆した後に核燃料酸化物粉末と混合し、成形、焼結することにより達成される。

0015

また、これらの核燃料ペレットを金属製被覆管内に装荷することにより燃料要素組立て、さらにその燃料要素を燃料集合体を構成する燃料要素の一部あるいは全部に用いることにより達成できる。

0016

すなわち、本発明の核燃料ペレットは、高濃度のガドリニウム酸化物の領域とガドリニウム酸化物を含まない領域とから構成されるため、ペレット内にガドリニウム酸化物が均一に固溶している場合と比較して熱伝導率が高くなる。さらに、高濃度ガドリニウム酸化物領域におけるガドリニウム酸化物濃度を60wt%以上とすることにより焼結中のガドリニウム酸化物の核燃料酸化物との固溶反応による単斜晶から立方晶系への結晶構造の変化に起因する急激な体積変化を防止し、その領域の粒径を50μm以上とすることにより、ガドリニウム酸化物の核燃料酸化物への固溶量を小さくし、ガドリニウム酸化物を含まない領域の体積分率を大きくすることができ、ガドリニウム添加によるペレット熱伝導率の低下を小さくすることができる。

0017

また、本発明の製造方法に示されているように、高濃度ガドリニウム酸化物凝集粒子を有機化合物などの1000℃以下の温度にて分解あるいは蒸発する物質により被覆することにより、成形体の焼結過程での高濃度ガドリニウム酸化物領域とガドリニウム酸化物を含まない領域の収縮率の差異を吸収でき、さらに高濃度ガドリニウム酸化物領域の凝集粒子の平均径を300μm以下とすることにより成形体の焼結過程での高濃度ガドリニウム酸化物領域とガドリニウム酸化物を含まない領域の収縮率の差異をこの被覆層で充分吸収できる量に抑え、結果として両相の境界における密着性が良好となり、焼結に発生する引つ張り応力によるクラックの発生を防止できる。

0018

また、このような核燃料ペレットを燃料要素ならびに燃料集合体に用いることにより、ガドリニウム酸化物が均一に固溶した核燃料ペレットを用いた場合と比較して、ガドリニウム酸化物を含有する燃料要素の限界出力を低く設定できる。

発明を実施するための最良の形態

0019

〔実施例1〕高純度酸化ガドリニウム粉末を1400℃にて熱処理し、単斜晶構造とした後、振動ミルにより充分粉砕することにより一次粒子径サブミクロンオーダーである高活性の単斜晶酸化ガドリニウム粉末を作製した。その粉末を約lt/cm2の圧力にて予備成形し、粉砕、い分けにより平均粒径が約250μmである酸化ガドリニウム凝集粒子を得た。

0020

その後、酸化ガドリニウム凝集粒子とステアリン酸亜鉛粉末粉末混合器を用いて混合し、酸化ガドリニウム凝集粒子の周りステアリン酸亜鉛を被接した。このときに形成されるステアリン酸亜鉛の膜厚は混合するステアリン酸亜鉛の添加率を制御することにより調整することができる。

0021

この被覆層は、焼結初期および中期において、ウラン酸化物に比べて収縮遅れる高カドリニウム酸化物とその周りのウラン酸化物との収縮率差に伴い発生する応力を緩和し、焼結後期における両者の密着性を向上する効果を持つ。このステアリン酸亜鉛により被覆された酸化ガドリニウム凝集粒子と酸化ウラン粉末とを酸化ガドリニウムが10wt%となる比率にて、凝集粒子が破壊しないように回転容器を用いてソフトに混合し、この混合粉末を2〜3t/cm2の圧力にて圧縮成形し、酸化ガドリニウム凝集粒子が分散した成形体を作製した。

0022

この成形体を1750℃の温度において、H20を添加したH2とN2混合ガス気流を用いて約−350KJ/molの酸素ポテンシャル雰囲気中で4時間焼結した(図1参照)。その結果、得られた焼結体の密度は96.5%TD以上の高密度であり、走査型電子顕微鏡観察から酸化ガドリニウムであった部分と酸化ウランであった部分との境界における密着性が良好であり、境界に沿つた大気孔は見られない健全なべレットであることがわかった。

0023

また、本試作ペレットの熱拡散率を評価した結果、ガドリニウム酸化物が酸化ウラン中に均一に固溶したペレットより大きな値を示すことが分かった。

0024

〔応用例1〕上記実施例1では、ガドリニウム酸化物を被覆する物質としてステアリン酸亜鉛を用いたが、成形体の焼結過程において、核燃料酸化物あるいはガドリニウム酸化物の焼結が開始する前に分解あるいは蒸発する他の有機化合物(例えぱステアリン酸ラウリン酸、べへン酸、インステアリン酸、アミド系化合物等)を用いた場合でも、実施例1と同様の焼結挙動が得られるので、上記実施例と同等の本発明の効果が得られる。

0025

〔応用例2〕上記実施例1では、ガドリニウム酸化物を被覆する物質としてステアリン酸亜鉛を用いた例で説明したが、カーボンブラックをガドリニウム酸化物に被覆する物質として使用した場合も、カーボンブラックがC02として蒸発できる条件にて焼結を実施すれば、ステアリン酸亜鉛と同様に1000℃以下にて蒸発しその後の焼結挙動に影響を及ぼさないので、実施例1と同様の効果が得られると考えられる。

0026

〔応用例3〕上記実施例1では、ガドリニウム酸化物としてガドリニウム酸化物粉末の凝集粒子を用いた例で説明したが、ガドリニウム酸化物として、理論密度に対する相対密度で95%TD以上の密度を持つ焼結球を用い、その周りにウラン酸化物が焼結することによる収縮量に相当する厚さのステアリン酸亜鉛被覆層を形成させた後にウラン酸化物と混合しペレットを製造することにより、ガドリニウム酸化物とウラン酸化物との密着性の良好なペレットが得られるので、実施例1と同様の効果が得られると考えられる。

0027

〔応用例4〕上記実施例1では、高濃度ガドリニウム酸化物凝集粒子として100%ガドリニウム酸化物粉末を用いた例で説明したが、ガドリニウム酸化物粉末に最大40wt%までのウラン酸化物を混合した凝集粒子粉末を用いて、U409相を形成しないような条件下にて凝集粒子の熱処理および焼結を実施しても、凝集粒子の結晶構造は、実施例1と同様に熱処理によって単斜晶となり、焼結によって結晶構造が変化しないことが確認された。

0028

このことから、高濃度ガドリニウム酸化物凝集粒子として最大40wt%までのウラン酸化物を混合した凝集粒子粉末を用いても、実施例1と同様の成形、焼結挙動が得られ、同様の焼結密度、焼結体微細構造が得られると考えられる。

0029

〔応用例5〕上記実施例1では、核的毒物としてガドリニウム酸化物を用いたが、Gdと化学的性質が類似するErDy等の他の核的毒物でも同様の効果が期待できる。

0030

〔応用例6〕上記実施例1では、焼結時の雰囲気ガスとして、H20を添加したH2とN2の混合ガスを用いたが、酸化物燃料の焼結挙動が雰囲気の酸素ポテンシャルに依存することを考慮し、同様の酸素ポテンシャルとなるような他の雰囲気ガスを用いても同様の効果が得られると考えられる。

0031

〔応用例7〕上記実施例および応用例により得られた核燃料ペレットを金属製被覆管に装荷し、核燃料要素となすことにより、同出力にて比較した場合に従来のガドリニウム酸化物が核燃料酸化物中に固溶した核燃料ペレットを用いた場合と比較して燃料中心温度を低減できる核燃料要素を得ることができる。したがって、同一燃料中心温度を許容した設計の場合、より高い出力を許容することができる。

0032

〔応用例8〕本発明の核燃料ペレットは、従来から用いられているガドリニウム酸化物添加ペレットと比較して熱伝薄率が高いため、同一の出力履歴にて比較した場合に燃料中心温度が低く、核燃料ペレットからの核分裂生成物の放出率が小さいと考えられる。このような燃料挙動踏まえ、本発明の核燃料ペレットを装填した金属被覆管のスタック長さに対する自由体積の比を従来よりも小さく設定した燃料要素を用いた燃料集合体を用いることができる。

発明の効果

0033

以上説明してきたように本発明によれば、熱伝導率が高くなるので燃料ペレットの中心温度を低減でき、核分裂生成物の放出率低減、原子炉出力制限の緩和を図ることができる。また、従来と同一の運転条件にて本発明の核燃料ペレットを装填した燃料要素を持つ燃料集合体を使用する場合に、スタック長さに対する自由体積を低減することができる。また、ペレットスウェリング量を低減できるため、燃料ペレットと被覆管との相互作用を軽減でき、燃料の長寿命化が可能となる。

図面の簡単な説明

0034

図1Gd203粒子が分散したU02焼結体作製の流れを示す図である。

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