Experimental evaluation of solid solubility of lanthanide and transuranium nitrides into ZrN matrix

ZrN母材中へのランタノイド及び超ウラン元素窒化物の固溶度に関する実験的評価

高野 公秀 

Takano, Masahide

ZrNとランタノイド又は超ウラン元素(TRU)窒化物の固溶体生成に関して、窒化物混合物の粉末冶金法と、酸化物混合物の同時炭素熱還元法により実験を行った。ZrN(溶媒)中へのこれら窒化物(溶質)の固溶度を粉末X線回折測定により定め、溶媒に対する溶質の格子定数の相対差(RLPD)の関数として整理した。粉末冶金法で得られた結果から、1773から1973Kの温度範囲において、全率固溶体が得られるRLPD値の上限値は8.6から8.9%の範囲となり、これよりRLPD値が大きい範囲では固溶度が急激に減少することを明らかにした。一方、同時炭素熱還元法で調製した際には固溶度が小さく、生成物に炭化窒化物として不可避的に残る炭素が固溶を妨げていると推測される。得られた結果を用い、TRU窒化物とZrNから成るマイナーアクチノイド核変換用窒化物燃料に関して種々の組成を想定し、単相の窒化物固溶体が得られるTRU組成範囲を、Am又はCmの含有率をパラメータとして評価した。

The solid solution formation between ZrN and some lanthanide/transuranium (TRU) nitrides were examined by powder metallurgy of the nitride mixtures and simultaneous carbothermic nitridation of the oxide mixtures. Their solid solubility into ZrN matrix was determined by powder X-ray diffraction measurements as a function of relative lattice parameter difference (RLPD). The upper limit of RLPD value for the complete solid solubility is evaluated to be 8.6-8.9% in the temperature range of 1773-1973 K from the results of powder metallurgy. The solid solubility into ZrN decreases sharply at the greater RLPD value range. The solid solubility into ZrN in the products by carbothermic nitridation was lower, according to the influence of dissolved carbon impurity. The TRU composition limits for (Zr,TRU)N single-phase solid solution formation were simulated for the basis of fuel design works.