１．研究開発の背景とねらい

　本事業では、高速炉用燃料の焼結に対する放電プラズマ焼結（Spark Plasma Sintering, SPS）法の適用性を評価する。SPS法は通電パルス利用する焼結法であり、原料粉末の接触部に集中した局所的な電圧・電流によって高温プラズマが発生し、粉体表面が活性化することで著しく焼結温度と焼結時間が低減されることが知られている。SPS装置の概略図と特徴を図1に示す。 　高速炉では非常に高い燃焼度が設定されており、FPによる燃料物性と形状の変化が顕著になる。低除染であることから工程を簡略化することが望ましく、またAmなど蒸気圧の高いMAの蒸発を防ぐ必要がある。ここでは酸化物、金属、窒化物燃料に対してペレット試料作成を試み、焼結体微細構造の制御を試みるとともに、焼結体の物性測定を行い本焼結技術の適用性を評価する。

２．研究開発成果

　試料粉末の接触部で局所的な溶融が起こるため、酸化物・金属燃料では微粉末からミリメートルレベルの粗い粉末まで、出発物質の形状を反映した微細構造をもつ焼結体を作成することができた。また窒化物燃料としてUN粗粉末についての焼結を行ったところ、表1に示すように従来の常圧焼結法に比べ焼結温度と焼結時間を著しく減少させることができた。また、試料の密度は焼結温度と加圧力に強く依存した。ここでは特にこのUN焼結体の結果について述べる。 　出発物質としては平均粒径80 μmほどのUN粉末を用いており、粉砕処理は行っていない。UNをはじめとする窒化物は粉砕処理によって活性が高くなるため、SPS法の適用により工程が短縮されるとともに取扱いが簡便になる。またAm等いくつかのマイナーアクチニドは高温での蒸発が懸念されているが、このような焼結温度・時間の低減によってこれを大きく低減できる可能性がある。
　図2に加圧軸に垂直な面についての試料表面の気孔分布を示す。従来法で作成した試料では気孔が成長し、比較的粒界に多く分布しているのに対し、SPS試料では作成時から含まれていた粒内の微細な気孔がそのまま残っていることがわかる。SPSによる低温、短時間焼結のため、このように微細構造に大きな違いが見られた。
　また加圧焼結であるため圧縮方向への気孔形状の変化があると考え、断面方向についても観察を行ったが、気孔形状の変化はとくに見られなかった。 　燃料物性として比熱容量、熱拡散率、熱膨張率、弾性定数を評価した。比熱や熱膨張率については従来法で作成した試料とほぼ同じ値が得られている。図3、4にそれぞれ室温で測定した熱伝導率とヤング率を過去の文献値とともに示す。なお、熱伝導率については密度の補正を行っている。不純物(UO₂)が検出された試料を除き、Hayesらによる結果より高い値をとる傾向が見られた。熱伝導率は気孔分布の変化による粒界散乱の差とも考えられるが、音速から求めたヤング率の変化はこの差からは説明できない。そこで、加圧による粒の配向が起こったのではないかと考えた。図5に示すように、電子状態計算によればUNのヤング率は[100]方向に著しく高い値を持つ。EBSP測定による逆極点図の結果から、わずかではあるが加圧軸方向について[100]方向への偏りが見られており、高いヤング率はこの配向のためと思われる。ただスパッタ効果による粒界不純物の減少などの影響も考えられるため、今後の検討が必要といえる。
　UNの他にも、加速器駆動核変換システムにおいて窒化物燃料の希釈材として考えられているTiNとZrN、またFPやMAの模擬材としてNdNとDyNについても焼結を行ったところ、いずれも粉砕処理、焼結助剤の添加なしに比較的低い焼結温度で90 %T.D.以上の高い試料密度が得られている。SPS法は加圧による粒の配向がわずかに起こるものの、物性をほぼ保ちつつ容易に高密度試料を得ることができる焼結法であり、この特徴から特に窒化物燃料の焼結に適していることが確かめられた。

３．今後の展望

　本事業においてSPS法により著しく焼結温度と焼結時間を低減できることが確かめられた。本手法はホットプレスと同様に量産性に乏しいため、今後、実用化に向けたより生産性を高めた設備の検討が必要である。

４．参考文献

[1] 平成14・15年度「窒化物燃料と乾式再処理に基づく核燃料サイクル関する技術開発 成果報告書」