JPS6236589A - 酸化ガドリニウム入り核燃料焼結体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、核燃料に関し、特に、燃焼特性ならびに機械
的特性にすぐれた酸化ガドリニウム入り核燃料焼結体の
製造方法に関する。

〔発明の技術的背景〕

原子炉に使用されている核燃料は、二酸化ウラン、酸化
プルトニウム入り二酸化ウラン等の成分から構成され、
通常はこれら酸化物を成形、焼結して得られる焼結ベレ
ットとして用いられる。また、上記核燃料構成成分とし
ては、通常、中性子吸収物質として酸化ガドリニウム（
Ｇｄ２０３）が添加される。

ところで、一般に二酸化ウラン粉末に金属酸化物を混合
し、焼結すると、結晶粒径が変化することが知られてい
る。たとえば二酸化ウランに酸化ガドリニウムを混合し
、成形、焼結すると、４価のウランの一部分が６価のウ
ランに変化し、また焼結体は固溶体を作り複雑な様相を
示し、結晶粒径もＵＯ２のみを焼結した場合に比べ小さ
くなる。

たとえば、ＵＯ２のみの焼結体の結晶粒径は１０〜２０
μｍ程度であるが、従来法で得られたＧｄ　　Ｏ入りＬ
Ｊ　Ｏ２焼結体の結晶粒径は、通常２〜３μｍにまで小
さくなる。

結晶粒が小さいと、結晶粒界までの空孔の平均自由行程
が短くなり、したがって粒界を通って消失するボアの量
が増加し、そのため照射時のデンシフィケーションが大
きくなるという問題が生ずる（たとえば、１７００℃、
２４時間試験で、Ｕ　Ｏ２ベレツトの場合は１％ＴＤ内
外であるが、Ｇ　ｄ　２０３入りＵ０２ベレットの場合
は２％ＴＯ近くまで増大する）。デンシフイケーション
の増大はベレットと被覆管のギャップが増大することを
意味し、これはベレットの中心温度の上昇へとつながる
。また、ベレット温度が上昇することは、ＦＰガスの放
出が活発になることを意味する。すなわち、焼結ベレッ
トの結晶粒が小さいとＦＰガスの放出が増大するという
問題が生ずる。さらに、従来の方法においては、ガドリ
ニウムの濃度が高くなるにつれて、焼結後にベレット表
面にクラックが発生しやすいという欠点がある。

〔発明の概要〕

本発明は上述した点に鑑みてなされたものであり、原子
炉内での燃焼初期におけるデンシフイケーションの軽減
、ＦＰガス放出量の軽減が図られ、さらにクラック等の
欠陥が生じないような酸化ガドリニウム入り核燃料焼結
体の製造方法を提供すること、を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の酸化ガドリニウム入
り核燃料焼結体の製造方法は、（イ）核燃料酸化物粉末
、（ロ）酸化ガドリニウム粉末、および（ハ）前記（イ
）と（ロ）の混合物の焼結温度よりも低い温度で溶融す
るか、または前記（イ）もしくは（ロ）と共晶反応を起
こす金属酸化物粉末、からなる原料粉末を成形し、焼結
することを特徴とする。

また、前記（ハ）の全８Ｍ化物は、酸素原子と金属原子
の化合比（０／Ｍ比）が２以上であることが、クラック
発生を防止する上で特に好ましい。

〔発明の詳細な説明〕

以下、本発明をさらに詳細に説明する。以下の記載にお
いて、量を表わす「％」は、特に断らない限り重量基準
である。

本発明で用いられる核燃料粉末としては、二酸化ウラン
その他の酸化ウラン、酸化プルトニウム、酸化トリウム
等の１種または２種以上に、さらに中性子吸収物質とし
て酸化ガドリニウムを加えた混合物が用いられる。

粉末の粒径は、混合前において、約１０〜１５００μｍ
程度の範囲が好ましい。

本発明では、焼結時における結晶粒成長を促進するため
に、特定の金属酸化物を添加する。この金属酸化物とし
ては、核燃料酸化物粉末と酸化物粉末との混合物の焼結
温度よりも低い温度で溶融するか、または共晶反応を起
こす金属酸化物が用いられ、特に、酸素原子と金属原子
の化合比（Ｏ／Ｍ）が２以上の化合物が好ましく用いら
れる。

このような金ａｍ化物としては、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔ　ｉ　
ＯＭ　ｏ　Ｏａ、ＷＯ２等の遷移金ｆｉ酸化物２ゝ が好ましく用いられ得るが、特に、Ｎｂ２Ｏ３、ＴｉＯ
２が好ましい。

上記のような金属酸化物を添加することによって結晶粒
成長が促進される理由は必ずしも明らかではないが、次
の様に考えることができる。すなわち、ＵＯとＧ　ｄ　
２０３の混合物にさらに上記酸化物を添加すると、焼結
途中において、Ｕ　Ｏ２とＧｄ２Ｏ３との固溶体の結晶
粒の周囲が溶融した上記金属酸化物で囲繞され、これに
よって結晶粒をいわば浮遊の状態にして結晶粒成長が促
進されるものと考えられる。このためには、上記金属酸
化物は、ＵＯとＧ　ｄ　２０３との混合物の焼結温度（
通常１７００℃以上）よりも低い融点を有しているか、
または、該焼結温度よりも高温度の融点を有する金属酸
化物の場合は、ＵＯ２またはＧ　ｄ　２０　ａと共晶反
応を起こし、その共晶温度は、上記焼結温度よりも低温
度でなければならない。

このような条件を満足する金属酸化物としては、たとえ
ば、Ｎ　ｂ　２０５　（融点１５００℃）、Ｔｉ０２（
共晶温度１５００℃）がある。

なお、添加づる金属酸化物の条件としては、上記融点、
共晶温度の他に、中性子吸収断面積も適宜考慮される。

さらに、上記金属酸化物は、酸素原子と金属原子の化合
比（０／Ｍ比）が２以上であることが、クラック発生を
防止する上で好ましい。０／Ｍ比が２．０以下では、Ｇ
ｄ２Ｏ３の濃度が高くなるにつれて焼結侵にペレット表
面にクラックが生じやすくなる。

Ｎｂ２０５（０／Ｍ＝２．５）を添加した場合、反応は
次の様に進み、これにより理論的には０／Ｍ＝２．０の
ベレン１−をつくることができ、クラックの発生を有効
に防止することができる。

Ｇｄ１．５＋ＵＯ２＋Ｎｂ２０５− （Ｇｄ、Ｎｂ、Ｕ）０２ ０／Ｍ比を２．０以上にすることによってクラックの発
生が防止できる理由は必ずしも明らかではないが、次の
ように考えることができる。

Ｇｄ２Ｏ３がＵＯ３に固溶する場合は置換型固溶体を形
成する。Ｇｄ　Ｏ固溶によるＵＯ２結晶体の欠陥方程式
は以下のように表現できる。

ここで Ｇｄ’　　：Ｇｄ原子がＵ原子と置換した状態Ｏ′　　
：ＵＯ３の結晶体の酸素格子点にある酸素原子 Ｖ″　　：ＵＯ２結晶体の酸素格子点から酸素がぬけて
空孔になった状ｆ！ 上記の欠陥方程式はＧｄ　　Ｏ分子がＵＯ２２分子と置
換固溶するたびに酸素空孔（Ｖ″）が１個形成されるこ
とを示している。

この空孔は焼結時には還元雰囲気のため安定であるか、
焼結炉内から出て周囲の空気に触れると酸素を吸収しよ
うとして不安定となる。これがクラックの発生の一因と
考えることができる。

すなわち、Ｇ　ｄ　２０　ａ濃度が高くなるほど、酸素
空孔（Ｖ”）１１度が高くなりクラックが発生しやすく
なると考えられる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は
これら実施例に限定されるものではない。

まず、下表に示す組成の酸化ガドリニウム入り核燃料焼
結体原料を用意し、第１図に示す製造工程のフローチャ
ートに従って核燃料焼結体を作成した。

Ｔｆ０２１５よびＮ　ｂ　２０５のいずれも含有しない
組成物を比較例とした。

表 上記組成の原料を、常法に従って機械混合し、予備成形
を行なって造粒した。その後、成形を行ない、該成形体
を耐熱ボートに入れ、所定の温度、時間で焼成した。焼
結雰囲気は水素である。

上記表の結晶粒径の測定結果から明らかなように、本発
明の実施例に係るベレットは比較例に比べて、いずれも
結晶粒成長が見られた。また、結晶粒成長におよぼす効
果は、ＴｉＯ２の方がＮ　ｂ　２０５よりも大きかった
。さらに、Ｎ　ｂ　２０５の場合は、結晶粒成長効果の
他に、クラック発生防止効果が顕著に認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の製造工程を示すフローチャートであ
る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（イ）核燃料酸化物粉末、（ロ）酸化ガドリニウム
   粉末、および（ハ）前記（イ）と（ロ）の混合物の焼結
   温度よりも低い温度で溶融するか、または前記（イ）も
   しくは（ロ）と共晶反応を起こす金属酸化物粉末、から
   なる原料粉末を成形し、焼結することを特徴とする、酸
   化ガドリニウム入り核燃料焼結体の製造方法。 ２、前記（ハ）の金属酸化物が、酸素原子と金属原子の
   化合比２以上の化合物である、特許請求の範囲第１項に
   記載の方法。 ３、前記（ハ）の金属酸化物が、ＴｉＯ＿２またはＮｂ
   ＿２Ｏ＿５である、特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の方法。