Application of pore former for density control of TRU nitride pellets

気孔形成剤を用いたTRU含有窒化物ペレットの焼結密度制御

高木 聖也  ; 音部 治幹  ; 高野 公秀 

Takaki, Seiya; Otobe, Haruyoshi; Takano, Masahide

ZrNを不活性母材としたマイナーアクチノイド(MA)核変換用窒化物燃料ペレットでは、スウェリング対策として緻密な組織を有しつつ、理論密度の85 %程度に焼結密度を制御する必要がある。その方法の一つとして、気孔形成剤(PF)を用いた焼結密度制御技術があげられ、材料に適したPFの選定と密度コントロールの再現性が求められる。本研究では、MAを希土類Dyで模擬した(Dy,Zr)Nを用いたPF選定と、NpやPuを用いた(TRU,Zr)Nホット実証試験によりPFを用いた焼結密度制御の技術的成立性を評価する。遊星ボールミルにより微粉砕した(Dy,Zr)N粉末に、ステアリン酸(A)、ポリエステル(B)、低密度ポリエチレン(c)、それぞれのポリマー微粒子を所定量添加し、混合した粉末を成型し焼結体を作製する。焼結体ペレットの組織観察及び酸素及び炭素不純物濃度の測定を行い、窒化物への適合性確認とPF添加量依存性を評価した結果、B, Cを窒化物へのPF候補剤として選定した。選定したPFを(TRU,Zr)N粉末へ添加して、混合粉末を成型焼結した後、組織観察やPF添加濃度依存性を確認した。その結果、(Dy,Zr)Nの試験結果と同様に、相対密度はPF添加濃度に対して直線的に低下すること、ペレット内組織は健全であったことから、選定したPFはTRUを含有した窒化物燃料に対しても十分に適用可能であり、技術的に成立し得ることが明らかとなった。

Nitride fuel with ZrN inert matrix has been studied as a candidate for the transmutation fuel of minor actinides (MA) in an accelerator-driven system (ADS). The pellet densities were designed to be about 85 % of the theoretical density to ensure a margin against swelling, but a dense microstructure is required. One of promising method of controlling the sintering density is by using a pore former (PF). This study aims to investigate the appropriate PF using (Dy,Zr)N as a surrogate nitride fuel with MA and evaluate its technical feasibility through sintering tests of (TRU,Zr)N (TRU: Np, Pu). Three types of polymer particles (A: stearic acid, B: polyester, C: polyethylene) as PF were mixed with (Dy,Zr)N powder respectively, and then the mixed powder was compacted and sintered to obtain the pellets. The dependence of oxygen and carbon impurity concentrations on PF type and concentration was not clear, whereas the pellets mixed with A had numerous cracks formed perpendicular to the direction of compaction. From the above, B and C were used as candidate PFs in the demonstration tests of (TRU,Zr)N. The sintered pellets were prepared using (TRU,Zr)N powder mixed with selected PFs. The sintered density of the pellets decreased linearly with PFs addition concentration as in the (Dy,Zr)N tests, and the almost no clacks occurred in the pellets. We can therefore conclude that B and C are fully applicable to control the sintering density of MA-containing pellets for ADS.