本発明は、一般に、原子炉、例えば、沸騰水型原子炉BWRおよび加圧水型原子炉PWRのような軽水炉を含む水冷却炉に使用するのに適した焼結した核燃料ペレットに関する。焼結した燃料ペレットはまた、次世代原子炉、高速炉、例えば鉛高速炉、およびサーマルリアクター、例えば小さいモジュール炉の両方に使用するのに適している。

特に、本発明は、請求項1の序文に記載の焼結した核燃料ペレットに関する。本発明はまた、原子炉で使用するための燃料棒および核燃料集合体に関する。さらに、本発明は、焼結した核燃料ペレットの製造方法に関する。

今日使用される主要な核燃料は、二酸化ウラン、UO₂の焼結した核燃料ペレットを含む。二酸化ウランは、2865℃の融点を有する優れた核燃料である。しかし、ある点では改善が求められている。ウラン密度の増加は、燃料の経済性を改善するであろう。熱伝導率の増加は、ペレットの原子炉中挙動を改善し、したがって、いわゆる事故耐性燃料l、ATFを受け入れることができる属性を提供して、ペレットを次世代原子炉により適したものにする。

いくつかの非伝統的なウラン含有材料に関する1つの課題は、それらがUO₂よりも水との反応性が高いことである。これは、特に水冷却炉において、ウラン含有材料を水の浸透からさらに保護する必要性を生じる。

特許文献1は、窒化ウランを含む核燃料に言及する。この先行技術文献の図1には、コーティングが施された窒化ウランの粒子が開示されている。コーティングは、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、または酸化ケイ素などの酸化膜、グラファイトなどの炭素コーティング、またはSiCなどの炭素化合物を含む膜、または金属膜とすることができる。先行技術文献の図5には、UO₂のマトリックスと、マトリックス中に分散されたコーティングされたUN粒子とを含む核燃料ペレットが開示されている。

別の問題は、特定のウラン含有材料を二酸化ウランと一緒に焼結する能力がかなり低いことである。これらのウラン含有物質は、例えばH₂O/CO₂とのH₂のような、通常の焼結炉条件下では二酸化ウランと相溶性ではない。

特開平11−202072号公報

本発明の目的は、高いウラン密度および高い熱伝導率、特に従来の二酸化ウランよりも高いウラン密度および高い熱伝導率を有する改良された核燃料ペレットを提供することである。さらなる目的は、高密度ウラン含有材料の使用に関する上記の問題を克服することである。

この目的は、最初に定義した焼結した核燃料ペレットであって、金属コーティングが、Mo、W、Cr、VおよびNbの群から選択される少なくとも1つの金属からなることを特徴とする前記焼結した核燃料ペレットによって達成される。

これらの金属コーティングによって、(焼結炉または酸化物自体からの)粒子への水および他の酸化剤などの攻撃的な種の浸透を、効率的に防止することができる。水または蒸気が燃料ペレットに到達することを可能にする欠陥燃料被覆の場合にも、水は、粒子および封入されたウラン含有材料に到達することができない。金属コーティングは、原子炉の通常運転中および欠陥燃料棒の場合に、封入されたウラン含有材料がマトリックスの二酸化ウランとのあらゆる接触から分離されることを確実にする。

これらの金属は、粒子上にコーティングとして適用される場合、粒子および二酸化ウラン粉末が一緒に圧縮されて未焼結のペレットになり、圧縮された未焼結のペレットが焼結されて、適切な機械的強度を有する核燃料ペレットになることを可能にする。

金属コーティングは、金属Mo、W、Cr、V、およびNbのうちの1つ、またはこれらの金属のうちの2つ以上の合金、例えばMo−Cr、Mo−W、Cr−W、もしくはCr−Mo−Wによって形成することができる。これらの金属および合金はすべて、高い融点を有する。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも1つの金属は、粒子上に堆積した原子層である。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも1つの金属は、粒子上に電気めっきされる。

本発明の一実施形態によれば、少なくとも1つの金属は、ゾル−ゲル技術を介して粒子上に堆積し、続いて加熱処理を行う。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、ケイ化ウラン、窒化ウラン、およびホウ化ウランのうちの少なくとも1つを含む。これらのウラン含有材料は、全て、二酸化ウランよりも高いウラン密度を有することができ、したがって、二酸化ウランの標準的な核燃料ペレットと比較して、核燃料ペレットの燃料経済性を改善することに寄与することができる。これらのウラン含有材料はまた、二酸化ウランよりも高い熱伝導率を有することができ、したがって、二酸化ウランの標準的な核燃料ペレットと比較して、原子炉の運転中の核燃料ペレットの熱輸送効率を改善することができる。

二酸化ウランと比較してウラン含有材料の水との反応性が増大するという問題は、前記金属Mo、W、Cr、VおよびNbの少なくとも1つによる粒子の金属コーティングによって、的確な方法で解決される。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、U₃Si₂、USi、U₃Si、U₂₀Si₁₆N₃、UNおよびUB₂のうちの少なくとも1つを含むかまたはそれからなる。これらのウラン含有材料はすべて、高いウラン密度および高い熱伝導率という上述の基準を満たす。これらはすべて、前記金属の少なくとも1つの金属コーティングを適用して、カプセル化された粒子を生成することを可能にする。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、UNおよびU₂₀Si₁₆N₃の少なくとも1つを含み、ウラン含有材料の窒素は、天然のNよりも高い割合の同位体¹⁵N、例えば、同位体¹⁵Nの少なくとも60、70、80、または90質量%を含有するように濃縮される。

本発明の一実施形態によれば、粒子はまた、中性子吸収体を含む。中性子吸収体を有する粒子を含む燃料ペレットは、例えば、原子炉の核燃料集合体のいくつかにおける燃料棒のいくつかにおいて、例えば、燃料サイクルの間に、原子炉の反応性を経時的に制御するために、有利に使用され得る。

本発明の一実施形態によれば、中性子吸収体は、ZrB₂を含む。ZrB₂は、3246℃という極めて高い融点を有し、したがって、ペレットの動作温度に容易に耐えることができた。例えば、粒子は、UNおよびZrB₂の混合物、またはU₃Si₂およびZrB₂の混合物を含み得る。

本発明の一実施形態によれば、ウラン含有材料は、UB_X、とりわけUB₂を含み、前記UB_Xのホウ素は、前記中性子吸収体を形成する。

本発明の一実施形態によれば、ホウ素は、天然のBよりも高い割合の同位体¹⁰B、例えば、少なくとも20、30、40、50、60、70、80または90重量%の同位体¹⁰Bを含有するように濃縮される。

本発明の一実施形態によれば、粒子は、100ミクロン〜2000ミクロンの範囲にある最大伸長を有する。粒子は、任意の形状、例えば、ボール形状または球形状を有することができ、最大伸長は、粒子の直径である。

この目的は、複数の焼結した核燃料ペレットを包囲する被覆管を含む、最初に定義した燃料棒によっても達成される。

この目的は、複数の燃料棒を含む、最初に定義した核燃料集合体によっても達成される。

この目的は、最初に定義した製造方法であって、以下のステップ: ウラン含有材料の粉末を提供するステップ、 前記ウラン含有材料を焼結して複数の粒子を形成するステップ、 前記粒子上に金属コーティングを施して複数の被覆した粒子を形成するステップ、 二酸化ウランの粉末を提供するステップ、 二酸化ウランの粉末と前記被覆した粒子とを混合して混合物を提供するステップ、 前記混合物を圧縮して未焼結体を形成するステップ、 前記未焼結体を焼結した核燃料ペレットに焼結するステップ を含む、前記方法によっても達成される。

この方法の結果、上述の目的を達成する焼結した核燃料ペレットが得られる。

本発明の一実施形態によれば、適用ステップは、原子層堆積によって粒子上に金属コーティングを適用することを含む。

本発明の一実施形態によれば、適用ステップは、電気めっきによって粒子上に金属コーティングを適用することを含む。

ここで、本発明を、種々の実施形態の説明によって、および本明細書に添付した図面を参照して、より閉鎖的に説明する。

図1は、原子炉用の核燃料集合体の縦断面図を概略的に開示する。

図2は、図1の核燃料集合体の燃料棒の縦断面図を概略的に開示する。

図3は、第1の実施形態による核燃料ペレットの縦断面図を概略的に開示する。

図4は、図3のペレットに含まれる粒子の断面図を概略的に開示する。

図5は、第2の実施形態による核燃料ペレットの縦断面図を概略的に開示する。

図1は、原子炉、特に沸騰水型原子炉、BWR、または加圧水型原子炉、PWRなどの水冷却軽水炉、LWRで使用するための核燃料集合体1を開示する。核燃料集合体1は、底部部材2と、頂部部材3と、底部部材2と頂部部材3との間に延在する複数の細長い燃料棒4とを備えている。燃料棒4は、複数のスペーサ5によってその位置に維持される。さらに、核燃料集合体1は、例えば、BWRで使用される場合、破線6で示され、燃料棒4を取り囲む流路または燃料箱を備えることができる。

図2は、図1の核燃料集合体1の燃料棒4の1つを開示している。燃料棒4は、複数の焼結した核燃料ペレット10の形態の核燃料と、核燃料ペレット10を取り囲む被覆管11とを含む。燃料棒4は、被覆管11の下端を密封する底部プラグ12と、燃料棒4の上端を密封する頂部プラグ13とを含む。核燃料ペレット10は、被覆管11内にパイル状に配置されている。したがって、被覆管11は、燃料ペレット10およびガスを封入する。核燃料ペレット10のパイルと頂部プラグ13との間の上部プレナム15内には、ばね14が配置されている。ばね14は、核燃料ペレット10の堆積物を底部プラグ12に対して押し付ける。

核燃料ペレット10の1つの第1の実施形態を、図3により詳細に開示する。核燃料ペレット10は、二酸化ウラン、UO₂のマトリックス20と、マトリックス20内に、好ましくは均一かつ無秩序に分散された複数の粒子21とを含む。

各核燃料ペレット4内の粒子21の数は、非常に多くてもよい。粒子/マトリックスの体積比は、約100ppmの低濃度の粒子21から充填画分までであってもよい。

図4において、粒子21は球形である。しかし、粒子21は、任意の形状の形態であってもよい。

粒子21のサイズを変化させてもよい。好ましくは、粒子21は、100ミクロン〜2000ミクロンの範囲にある延長部、例えば、図4の球形の例における直径dを有することができる。

粒子21は、UO₂のウラン密度よりも高いウラン密度を有するウラン含有材料22を含むか、またはそれからなる。特に、ウラン含有材料22は、ケイ化ウラン、窒化ウラン、およびホウ化ウランの少なくとも1つを含むか、またはそれらからなる。

より具体的には、ウラン含有材料22は、U₃Si₂、USi、U₃Si、U₂₀Si₁₆N₃、UNおよびUB₂のうちの少なくとも1つを含むか、またはそれらからなる。これらのウラン含有材料22の各々のウラン密度は、二酸化ウランのウラン密度である9.7g/cm³より高い。また、熱伝導率はより高く、一般に温度と共に増加する。

したがって、各粒子21のウラン含有材料22は、これらの物質のうちの単一の1つ、またはこれらの物質のうちの2つ以上の組合せを含むか、またはそれらからなることができる。

マトリックス20およびウラン含有材料22中のウランを、天然ウランよりも高い割合の核分裂性同位体²³⁵Uを含有するように濃縮することができる。

粒子21の各々は、粒子21を完全に包囲し、取り囲む金属コーティング23によって封入されている。したがって、ウラン含有材料22は、マトリックス20の二酸化ウランとのいかなる接触からも完全に分離される。

金属コーティング23は、Mo、W、Cr、VおよびNbの群から選択される少なくとも1つの金属からなる。これらの金属は、ウラン含有材料22の確実な保護を保証する。それらは全て高い融点を有し、従って、LOCA、冷却剤喪失事故のような事故の場合にもペレット操作温度を乗り切るであろう。Moの融点は2622℃、Cr 1907℃、W 3414℃、V 1910℃、Nb 2477℃である。

金属コーティング23は、金属Mo、W、Cr、V、およびNbのうちの1つによって形成されてもよい。金属コーティング23は、これらの金属のうちの2つ以上の合金によって形成されてもよい。好ましい合金は、Mo−Cr、Mo−W、Cr−WまたはCr−Mo−Wである。

金属コーティング23の厚さは、好ましくは薄く、例えば1ミクロン未満の程度である。

金属コーティング23は、上述したように、ウラン含有材料22の外面全体を覆うことができる。

金属コーティング23を、電気めっきするか、原子層堆積させるか、またはゾル−ゲル技術によって堆積させることができる。

粒子21はまた、中性子吸収体を含んでもよい。中性子吸収体は、ZrB₂を含むかまたはそれからなってもよい。次いで、粒子21の各々またはいくつかは、ウラン含有材料20および中性子吸収体のうちの少なくとも1つ、例えば、UN/ZrB₂、U₃Si₂/ZrB₂、USi/ZrB₂、U₂₀Si₁₆N₃/ZrB₂およびU₃Si/ZrB₂の混合物を含み得る。

粒子21のウラン含有材料22はまた、上述のようにUB_X、とりわけUB₂を含んでもよく、UB_Xのホウ素は、中性子吸収体を形成する。他のホウ化ウラン化合物、例えばUB₄、UB₁₂等も考えられる。次いで、ホウ化ウランを、上述の化合物U₃Si₂、USi、U₃Si、U₂₀Si₁₆N₃、およびUNのうちの少なくとも1つと任意の好適な比率で混合して、ウラン含有材料のウラン密度が二酸化ウランの場合よりも高いことを確実にしてもよい。

図5は、焼結した核燃料ペレット10がウラン含有粒子21および吸収粒子25を含み、吸収粒子25が中性子吸収体を含むかまたはそれからなる第2の実施形態を開示する。中性子吸収体はまた、この場合ではZrB₂を含むかまたはそれからなってもよい。

上記の例では、中性子吸収体はホウ素を含み、それは次いで、天然のホウ素よりも高い割合の同位体¹⁰Bを含有するように濃縮されてもよい。例えば、この百分率は、同位体¹⁰Bの少なくとも20、30、40、50、60、70、80または90重量%であり得る。

上述のように、ウラン含有材料22は、UNおよびU₂₀Si₁₆N₃のうちの少なくとも1つを含むかまたはそれからなってもよい。これらの例では、ウラン含有材料22の窒素は、天然のNよりも高い割合の同位体¹⁵Nを含むように濃縮されてもよい。例えば、この百分率は、同位体¹⁵Nの少なくとも60、70、80または90重量%であり得る。

金属コーティング22は、核燃料ペレット10が、以降のステップによって、標準的な焼結炉内で焼結されることを可能にする。

ウラン含有材料の粉末を提供する。粉末を、未焼結の粒子に形成してもよい。次いで、ウラン含有材料の未焼結粒子を焼結して、複数の粒子を形成する。

その後、金属コーティング23を粒子21上に適用して、複数の被覆した粒子23を形成する。金属コーティング23の適用を、原子層堆積によって行うことができる。

あるいは、金属コーティング23の適用を、電気めっきによって行ってもよい。

さらに別の代替例によれば、金属コーティング23の適用を、ゾル−ゲル法によって行うことができ、金属が含浸されたゲルを、粒子21に適用する。次に、熱処理を行ってゲルを焼き払い、金属コーティング23を粒子21中に残す。

さらに、二酸化ウランの粉末を提供する。

二酸化ウランの粉末と被覆した粒子とを混合して、混合物を提供する。次いで、混合物を好適な型で圧縮して未焼結体を形成する。

最後に、未焼結体を、焼結炉内で好適な雰囲気中で焼結した核燃料ペレット10に焼結する。

本発明は、上記の実施形態および例に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲内で変更および修正することができる。