JPS6034078B2 - 原子炉用燃料要素 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料物質および／または増殖燃料物質（以下
、燃料物質と略す）が熱分解炭素および／または炭化珪
素で被覆され、重金属酸化物より造られた微粒子核の形
で存在している原子炉用、殊に高温原子炉または冷却高
速増殖原子炉用の燃料要素（これは増殖燃料要素も含め
た燃料要素を云う、以下同じ）に関する。

この種の原子炉用の燃料要素の場合、燃料物質を燃料要
素に多量に負荷させることおよび高度の特別の能力を得
ることが努められている。

燃料要素において高い経済を得る為には、多量の燃料装
荷および燃料物質の最大限の燃焼損失のもとでの高い能
力が必要である。しかしながら、約１２５００Ｃにある
高い運転温度の場合、燃料物質の燃料要素中への装荷が
、生ずるべき能力の関係で望まれる程に多くてはならな
いことが伴っている。燃料要素中への燃料物質の含有密
度が増加するにつれて、燃料中の運転温度およびそれと
共に燃料要素中の温度勾配が増加しその結果、微粒子の
酸化物と熱分解炭素との間の相互作用の為に、被覆部の
崩解がもたらされ、そして燃料要素が原子炉中において
更に用いるのに不適当に成る。被覆された微粒子の崩解
には２つの原因が在る。即ち、この崩解は、燃料粒子の
被覆層の厚さが、燃料要素の使用の間に所々で減少し、
結果として被覆層が崩解するという現象に基づいている
。このことには、特にガス状の核分裂生成物をもはや保
留し得ないという結果をもたらす。

この現象は、粒子状の燃料物質が燃焼損失される際に生
ずる熱の搬出をいまいま不均一に行なうことによって生
ずる。この現象はアメーバ効果という名称で知られてお
り、被覆層厚が粒子内部の温度勾配に依存して変化する
結果をもたらす。その際、粒子中に生ずるこの欠陥は、
装荷量および燃料要素の能力に依存して増加する燃料粒
子の温度が高く成ればなる程より速やかに形成される。
更に、被覆された粒子の炭素と燃料物質の酸化物との反
応の際に形成される酸化炭素のガス圧が原子炉中で使用
する間に、被覆層に著しい歪をもたらす程に著しく高ま
る。

これは上記ガス圧が、核分裂工程のもとで粒子核中に形
成されるガス状の核分裂生成物の圧に加わる為である。
酸化炭素のガス圧の持分は、前述のように、燃料物質粒
子の被覆層の機械的な全負荷の約５０％までに成り得る
。ＣＯのガス圧の高さは、前述のように、粒子核の燃料
物質に対する酸素量の割合に依存している。確認されて
いるように、ＣＯのガス圧は原子炉の嫁動に適する温度
のもとで酸素／金属酸化物の割合に依存して著しく変化
する。

燃料の燃焼損失によって酸素／金属−割合が高まるので
、ＣＯガス圧も高まる−しかも急激に高まる−。この場
合このガス圧は原子炉中における一般的な運転温度にお
いて３００気圧まで非常に順調に高めることが出来るこ
とが伴った。確かにＣＯの形成は、燃料酸化物の代りに
燃料炭化物を用いることによって避けることができる。

しかるに、被覆された燃料粒子の核として燃料炭化物を
用いた場合にもアメーバ効果として知られている被覆層
厚の変化が生ずることが伴った。この効果の原因は、炭
化物を用いた場合には炭化物相における炭素の、温度に
依存する色々な溶解性にある。・本発明の課題は、燃料
酸化物の使用下に製造され且つ熱分解炭素および／また
は炭化珪素によって被覆されている核を含有している燃
料要素の能力を１２５０ｏＣ以上ある温度において高め
ること、その際特にアメーバ効果の不利な影響を回避し
そして更に酸化物の酸素と被覆層の炭素との間の反応の
際に形成されるＣＯのガス圧の不利な影響も、それが実
質的に度外視され得る程度に減少させることにある。

本発明は燃料酸化物と燃料炭化物との混合物より成る被
覆された燃料粒子の核を、燃焼損失の間にも上記炭化物
に対する上記酸化物の量比が規定の範囲内にあるように
形成するならば、アメーバ効果を生じず且つ更に原子炉
中において燃料要素を用いる間に形成されるＣＯの不利
益な著しい圧力増加を起さないという驚ろくべき知見か
ら出発している。

本発明の課題は、この知見から出発して、さきに述べた
種類の燃料要素において、燃料粒子中の酸化物を、この
ものと重金属の炭化物との混合割合が撚焼損失の間に規
定の範囲内においてのみ変化するような割合で存在させ
ることによって解決される。

尚、核燃焼損失は燃料要素の有効燃料成分含有量が多い
程多く且つ核燃焼の進行について炭化物含有量が増加す
る。酸化物と炭化物との混合物中における燃料炭化物の
成分が約３〜２０％に成るような場合が特に合目的であ
ることが伴った。例えば核がウラン酸化物とウラン炭化
物とより成り７重量％の炭化物成分を有している混合物
である粒子を有する燃料要素の場合には、アメ−バ効果
の不利益な結果もガス圧によって燃焼損失の間にあるい
は生ずるＣＯ−またはＣ０２−ガスも発生しない。炭化
物の割合が、２０％より多い場合には所望の効果が減少
してしまい、もはやアメーバ効果の発生を効果的に回避
し得ない。そして３％の下限値は、核燃料粒子の製造方
法において製浴し得る最低限の割合である。ウラン酸化
物とウラン炭化物とより成る混合物の代りに、ウランー
トリウム一酸化物とウラン−トリウム−炭化物とより成
る混合物またはウランープルトニウム一酸化物とウラン
ープルトニウム−炭化物とより成る混合物も同様に合目
的であることが伴った。

本発明に従う燃料要素の更に非常に有利な形成は、被覆
された粒子の核中においてその微粒子核の内部における
炭化物含有量がその周囲部におけるそれよりも多いこと
にある。被覆された燃料粒子の構造を有する燃料要素は
、燃料炭化物を用いる際に望ましくない影響を生じない
こと、粒子の内部における重金属の蒸気圧の高まりによ
って燃料物質が粒子の外側に沈析するという長所を有し
ている。本発明に従う燃料要素を好都合に製造する方法
は、焼結可能の燃料酸化物粉末をステアリン酸アルミニ
ウムまたはその類似物の如き粘結物質と混合し、その混
合物を漉練し、次いで羊占結された非常に小さい粉末粒
子に細分化し、更にその粘結せられた粉末粒子からドラ
ム式顎粒状化装置により顎粒状化することによって球状
の表面を有した燃料微粒子を形成しそして次いでその燃
料微粒子をふるいによって分級し、その後に粘結物質を
取り除き、次いで焼結し、更にそれを被覆しそして弛ん
だ推積物としてまたは結合体として金属またはグラフア
ィトより成る被覆物中に導入するかまたはグラフアイト
より成るマトリックス中に埋め込むものある。

この場合、炭化物を造る為に粘結せられている粉末粒子
を炭素含有量が予め規定されている炭化物成分に相当す
る様な量のグラフアィト粉末と混合し、更にそうして造
られた燃料粒子を焼結させる。

微粒子核内部の炭化物含有量がその周辺部のそれより多
いように燃料粒子を形成するべき場合には、上述の方法
の場合においては、粘結せられた粉末粒子を炭化物を形
成する為に炭素含有量が予め規定されている炭化物割合
に相当する様な量のグラフアィト粉末と混合することお
よび次いで、顎粒状化の際に形成される燃料微粒子の予
め規定された平均径が予め規定された寸法に達し次第、
燃料酸化物粉末を含有し半占結されている粉末粒子をド
ラム式顎粒状化装置中に装填し、更にそうして形成され
た燃料粒子を炭化物を造る為にアルゴン−水素−雰囲気
中において焼結しそして次いで焼結された微粒子状の燃
料酸化物を粒子核中に含まれるグラフアィトと反応させ
ることがより有利であることが伴った。この場合、もし
核平均径がｌｏｏＯＡｍであるべき場合には、顎粒状化
の際にまだ燃料酸化物粉末だけを含有している粉末粒子
を加える時の平均径が約５００〜６３０〆ｍであるのが
好ましい。粒子核内部における炭化物含有量がその周辺
部におけるそれよりも大きい本発明による燃料要素を製
造する為の他の変法は、用いられる燃料酸化物をまず最
初に水和化し、得られた水和物をコロイド化しそしてそ
の際に形成されるゾルを球状微粒子にゲル化し、更にそ
の際に形成されるゲル粒子を何度も洗浄し、その後に緊
密な粒子に暁結することおよびその後に、競結した微粒
子を弛し、推蹟状態でまたは結合体として金属またはグ
ラファィトより成る被覆物中に詰込むかまたはグラフア
ィトより成るマトリックス中に埋め込むことより成って
いる。

この場合コロイド化によって形成されるゾルに、微粒子
の予め規定された炭化物成分の炭素含有量に相当する量
のカーボンを混入し、更に洗浄したゲル粒子を水素含有
の雰囲気中において焼結しそして次いで焼結された微粒
子の燃料酸化物を微粒子中に含まれるカーボンと反応さ
せる。実施例１ ０．５そのＵ０２（Ｎ０３）２ １モル溶液、１．３そ
のＨＮ０３ １モル溶液および０．２〆の（ＮＨ２）２
ＣＯＯ．５モルの溶液を一緒にして水溶液状態とする。

山２０３と５重量％のＰｔとの粒状化混合物（５０〜１
００一ｍの粒度を有している）より成る触媒を加えた後
に、その溶液を導入される日２−ガスで還元する。この
還元反応は約２時間後に終了する。その後には触媒は炉
去する。還元された溶液に１３．８ｇの純粋な蟻酸およ
び、９モルのＮＨ３の水溶液と１．５モルのＮ２比の水
溶液との等しい量の混合物を順次添加する。還元された
溶液のｐＨ−値が約７〜７．５に高まり次第、ＮＨ３と
Ｎ２日４とよりなる溶液混合物の添加を終了する。その
際に形成されるＵ０２水和物の沈澱物を吸引炉過によっ
て溶液から分離し、イオンがもはや検出できなく成るま
で約１０その蒸留水で洗浄する。そのＵ０２−水和物を
０．５その蒸留水中で損拝し、窒素ガス雰囲気下で一定
の縄梓をしながら０．１その１モルＨＮ０３水溶液を加
えることによってコロイド化する。得られる黒色のＵ０
２ーゾルを、開始時に２０〜３０Ｔｏｍのアルゴンガス
雰囲気圧を保持している容器中において５０〜６０００
で縄梓下に２モル濃度になるまで濃縮する。このように
して準備されたＵ０２−ゾル中に４．雌のカーボンを、
均一に成るまで混入雛拝する。この炭素含有ゾルを０〜
１０ｑ０のもとでｌｏｇの装入量にて０．５〜１泌の１
モルのへキサメチレンーテトラミン溶液と混合し、９０
〜９５ｑｏの温度を有するパラフィンーオィルを含有し
ているゲル化用カラム中に滴加する。その際に行われる
ゲル化によって上記ゾルから粒子を形成する。

次いで石油エーテルでの周知の洗浄工程において付着し
ているパラフィン油をこの粒子から取り去る。その後に
このゲル状粒子を濃厚なＮＨ３水溶液中に加えそして約
２時間そのままにしておく。次いで吸引炉過によってＮ
Ｈ３一水溶液を分離する。４容量％水素を含むアルゴン
より成る雰囲気下に有る管状炉過中において、まだ湿っ
ている粒子を、毎時５０ｑＣだマナ段階的に１２００〜
１４００００まで高められた温度で焼結して緊密なＵ０
２−核にする。

炉雰囲気に水素を含有させることにより、ウラン酸化物
を化学量論的にＵＣ２に環元し、更にそれによって、こ
の核の、炭素を含有してない外側球状領域を得る。

この処理に続いて１８００〜１９５０ｑ０の温度で１０
‐２Ｔｏｎの減圧状態においてタンタル製るつぼ中にお
いて１〜４時間白熱する。この実施例によって製造され
た粒子核は平均１５重量％のウラン炭化物成分を有して
いる。実施例２ ０．１その１モルＵ０２（Ｎ０３）２溶液と０．４その
１モルＴｈ（Ｎ０３）４溶液とより成る混合物を燭拝し
がら１そのＮＨ３溶液に加える。

この共通沈澱処理によって生ずる（Ｕ，ＴＨ）０２水和
物を吸引炉過し、約１０その蒸留水にてイオンを含まな
いように洗浄する。この後に０．７その蒸留水中に混入
蝿拝しそして０．１〜０．２その１モルＨＮ０３水溶液
を添加することによって一定の縄梓下にコロイド化する
。その際に形成される暗赤色の（Ｕ，Ｔｈ）０２ーゾル
を９０００で容器中において２モルの濃度まで濃縮する
。このように準備された（Ｕ，Ｔｈ）０２−ゾル中に０
．７ｇのカーボンを均一に成るまで混入蝿拝する。

このゾルのその後の処理は実施例１に挙げられている実
施工程に相当する。この微粒子核は、Ｕ０２−Ｔｈｏ２
−混合結晶とこれら重金属の混合炭化物との混合物によ
り成っている。炭化物成分は平均３．５重量％である。
本発明は特許請求の範囲に記載の原子炉用燃料−および
／または増殖燃料要素に関するものであるが、実施の態
様として以下も包含する。

‘１） 特許請求の範囲１に記載の燃料要素において、
酸化物−炭化物−混合物中の燃料炭化物の成分が約３〜
２０％である上記燃料要素。

■ 特許請求の範囲１および上記第‘１｝‘こ記載の燃
料要素において、混合物が二酸化ウランとウラン炭化物
とより成る上記燃料要素。

（３｝ 特許請求の範囲１および上記第｛１ー項に記載
の燃料要素において、混合物がウランートリウム酸化物
とウランートリゥム炭化物とより成る上記燃料要素。

｛４）特許請求の範囲１および上記第ｍ項に記載の燃料
要素において、混合物がウランープルトニウム酸化物と
ウランープルトニウム炭化物とより成る上言己燃料要素
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱分解炭素、炭化珪素またはこれらの混合物で被覆
   され重金属酸化物より造られた微粒子核の状態の燃料物
   質が存在している、原子炉用の殊に高温原子炉用のまた
   は冷却高速増殖原子炉用の燃料要素において、ウラン酸
   化物、ウラン／トリウム−酸化物および／プルトニウム
   −酸化物より成る群のうち１の重金属酸化物がそれぞれ
   に相応する重金属炭化物と共に、上記燃料要素の核燃焼
   損失に依存して重金属炭化物の割合が約３〜２０％の範
   囲内で変化する混合物として存在することを特徴とする
   、上記原子炉用燃料要素。 ２ 粒子核の内部における炭化物含有量がその周辺部に
   おける炭化物含有量より多いことを特徴とする、上記請
   求の範囲１に従う原子炉用燃料要素。