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Fabrication and characterization of silicon nitride-based inert matrix fuels sintered with magnesium silicates

マグネシウム含有ケイ酸塩を用いたイナートマトリックス用窒化ケイ素の作製と特性

臼杵 俊之 ; 吉田 克己*; 矢野 豊彦*; 三輪 周平  ; 逢坂 正彦  

Usuki, Toshiyuki; Yoshida, Katsumi*; Yano, Toyohiko*; Miwa, Shuhei; Osaka, Masahiko

長寿命核種であるマイナーアクチニド(以下MA)を安定核種に変換する技術の一つに、MAを不活性母材(イナートマトリックス)で固定化し、原子炉内で核変換するという方法がある。窒化ケイ素セラミックスは、高い熱伝導率、及び中性子照射に対する耐性を持つため、イナートマトリックスの候補材料に挙げられている。本研究ではMAの模擬材としてCeO$$_{2}$$窒化ケイ素セラミックスを作製した。資源の有効利用の観点から、焼結助剤にはアスベスト廃材の主成分であるマグネシウム含有ケイ酸塩(フォルステライト,エンスタタイト,ステアタイト)を用いた。フォルステライトを焼結助剤とした試料では、1723Kの焼結で相対密度90%以上の焼結体が得られた。また、どの試料においても、1923Kの焼結体では、34W/m K以上の高い熱伝導率を示し、良好な熱特性を示した。

The effects of sintering additives of magnesium silicates, i.e. enstatite (MgSiO$$_{3}$$), steatite (MgSiO$$_{3}$$) and forsterite (Mg$$_{2}$$SiO$$_{4}$$), on the fabrication properties and characteristics of the silicon nitride ceramics based inert matrix fuels were experimentally investigated. CeO$$_{2}$$ was selected as simulating element of AmO$$_{2}$$. Sintered pellets were characterized in term of their densities, thermal conductivities and solubility to nitric acid. The densifications of sintered bodies were enhanced by using additives of magnesium silicates at relative low sintering temperature. The relative density of silicon nitride ceramics based inert matrix fuels with forsterite were achieved above 90% at 1723 K. The thermal conductivities of silicon nitride ceramics based inert matrix fuels varied according to sintering temperature, and those sintered at 1923 K were above 34 W/m K. The grain boundary phases in Silicon nitride ceramics based inert matrix fuels found to be dissolved into HNO$$_{3}$$.

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分野:Nuclear Science & Technology

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