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Sintering experiments of Dy$$_{0.3}$$Zr$$_{0.7}$$N under a variety of milling conditions

種々の粉砕条件における模擬窒化物燃料の焼結実験

高木 聖也; 原田 誠; 高野 公秀 

Takaki, Seiya; Harada, Makoto; Takano, Masahide

マイナーアクチノイド(MA)核変換用窒化物燃料では、燃焼時のスエリング緩和を目的とした低密度燃料の技術開発が必要である。緻密な組織を有しつつ焼結体の密度を低下させるために、適切なポリマー微粒子をポアフォーマ材として用いることが想定されている。本研究では、ポアフォーマ添加による焼結密度制御のための基礎的な知見を得るために、様々な粉砕条件のもとDy$$_{0.3}$$Zr$$_{0.7}$$N模擬窒化物燃料の焼結実験を行った。粉砕には遊星ボールミルを用い、ボール及び粉砕容器の材質として、タングステンカーバイド製(WC)と窒化ケイ素製(Si$$_{3}$$N$$_{4}$$)の2種類を用いた。粉砕時間は10分$$sim$$150分の間とし、焼結試験は窒素気流中1903K及び1973Kで6時間加熱を行った。粉砕粉末の性状分析の結果、焼結密度への影響が懸念される不純物酸素・炭素濃度の試料間での大きな差異は見られず、比表面積は粉砕時間に比例して増大した。WC製のボール及び粉砕容器を用いた場合、Si$$_{3}$$N$$_{4}$$を用いた場合と比較して到達する比表面積は大きくなるが、到達する焼結体密度は小さいことがわかった。これはWCを用いた粉砕では粉末粒子内の歪みの程度が高く、結晶粒成長を阻害していることがX線回折測定により示唆された。

It is necessary to control the pellet densities for the purpose of securing margin against swelling for nitride fuel for transmutation of minor actinide (MA). Appropriate polymer particles will be applied as a pore former in order to decrease the density. This study aimed to investigate the influence of various milling parameters on the densities of sintered Dy$$_{0.3}$$Zr$$_{0.7}$$N solid solution as surrogate nitride fuel in order to obtain fundamental knowledge for controlling sintered density with pore former. The sintered pellet densities are studied under various milling time (from 10 to 150 min) and employing either tungsten carbide (WC) or silicon nitride (Si$$_{3}$$N$$_{4}$$) milling cup and balls. The measurement of specific surface area clarifies that finer powder can be obtained with WC. However, the achieved densities of the sintered pellets, as a function of specific surface area of the milled powder, show that the denser pellets can be obtained with Si$$_{3}$$N$$_{4}$$ in spite of the smaller specific surface area. These results suggest that the distortion in the powder particles influences the behaviour of grain growth during the sintering.

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