JP2005233878A

JP2005233878A - 被覆核燃料用原料の投入方法

Info

Publication number: JP2005233878A
Application number: JP2004045982A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yasuda; 淳安田
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2004-02-23
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】燃料核に被覆を施すために原料である燃料核を反応管に投入する時に、流動ガスによって燃料核が投入用のホッパーからこぼれたり、ホッパー内で摩耗、破損したりすることがなく、原料を流動床に有効に到達することができるようにする。
【解決手段】燃料核に被覆を施す反応管１６内の流動床に流動ガスを上向きに吹き込みながら反応管の上蓋の原料投入部に取付けられたホッパーに球状燃料核を注入して流動床に原料を投入する際に、ホッパー４２に原料投入部４０の内径よりも小さい外径を有する原料導入管４４が接続されており、この原料導入管４４の下端４４Ｌが反応管１６の内部に入り込むようにして原料導入管４４を原料投入部４０に差し込んで流動ガスＦ１を原料導入管４４と原料投入部４０との隙間から逃しつつ原料Ｍをホッパー４２から反応管１６内に落下させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、例えば、黒鉛を減速材とする高温ガス炉と称される原子炉に用いられるウラン燃料を製造する工程で反応管内の流動床に被覆燃料用の原料である燃料核を投入する方法の改良に関するものである。

高温ガス炉は、燃料を含む炉心構造を熱容量が大きく高温で健全性を維持する黒鉛で構成しており、炉心を冷却するために、高温下でも化学反応が起こることがないヘリウムガスを冷却ガスとして用いているので、固有の安全性が高く、約９００℃の高い出口温度のヘリウムガスを回収して、この高温熱を発電、水素製造、化学プラント等の広い分野で利用することができる。

高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミック状に焼結した直径が約３５０−６５０ミクロンの燃料核の周囲に４層の被覆を施して形成されている。第一層は、密度が約１ｇ／ｃｍ^３の低密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状の核分裂生成物（fission product＝ＦＰ）のガス溜めとしての機能と燃料核のスウェリングを吸収するバッファとしての機能とを併せ持っている。第二層は、密度が約１．８ｇ／ｃｍ^３の高密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状ＦＰの保持機能を有する。第三層は、密度が約３．２ｇ／ｃｍ^３の炭化珪素（ＳｉＣ）の被覆であり、これは、固体ＦＰの保持機能を有すると共に、被覆の主要な補強部材としての機能を有する。最後に、第四層は、第二層と同様に、密度が約１．８ｇ／ｃｍ^３の高密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状ＦＰの保持機能と第三層の保護層としての機能を有する。

このようなウラン燃料の一般的な被覆粒子は、約５００−１０００ミクロンの直径を有する。この被覆粒子は、黒鉛マトリックス中に分散させ一定形状の燃料コンパクトの形態に成型加工され、このコンパクトの一定数量を黒鉛筒に入れ、上下を栓で密封して燃料棒とされる。この燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に差し込まれ、多数個の六角柱型黒鉛ブロックをハニカム配列に多段に重ねて炉心を構成している。

高温ガス炉の燃料は、一般的には、次のようにして製造される。まず、酸化ウランの粉末を硝酸に溶かして硝酸ウラニル原液とし、この硝酸ウラニル原液に純水、増粘剤を添加し攪拌して滴下原液を作る。増粘剤は、滴下された硝酸ウラニル原液の滴液が落下中にそれ自体の表面張力で真球状になるように作用する。このような増粘剤としては、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、例えば、ポリビニールアルコール樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズ等を使用することができる。このように調製された滴下原液は、所定の温度に冷却されて粘度が調整された後、細径の滴下ノズルを振動させる等の方法を用いてアンモニア水中に滴下される。

滴液は、アンモニア水溶液表面に着水するまでの空間でアンモニアガスを吹きかけて表面をゲル化させることによって着水時の変形が防止される。硝酸ウラニルは、アンモニア水中でアンモニアと充分に反応させ、重ウラン酸アンモニウムの粒子となる。この粒子は、大気中で焙焼され三酸化ウラン粒子となり、更に還元焼結されて高密度のセラミック状二酸化ウランの燃料核となる。

この燃料核に被覆を施すために、燃料核は、流動床に装荷され、この流動床内で被覆ガスが供給されて熱分解される。第一層の低密度熱分解炭素は、約１４００℃でアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を熱分解して被覆される。第二層及び第四層の高密度熱分解炭素は、約１４００℃でプロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）を熱分解して被覆される。第三層のＳｉＣは、約１６００℃でメチルクロロシラン（ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３）を熱分解して被覆される。一般的な燃料コンパクトは、被覆核燃料粒子を黒鉛粉末、粘結剤等から成る黒鉛マトリックス材と共に中空円筒形又は円筒形にプレス成型又はモールド成型した後、焼結して得られる。

被覆燃料を形成するために、反応管内の流動床に原料である粒子状の燃料核を投入するが、この投入工程が図６乃至図９に示されている。

ウラン燃料の燃料核粒子（原料）は、図６の反応管１１６の上蓋１１８を開いてその投入部（ホッパー差込口）１４０にホッパー１４２をセットし固定した後（図７参照）、ホッパー１４２内に燃料核原料Ｍを注入し（図８参照）、ホッパー１４２から反応管１１６内を落下して流動床１２５に移送して投入される（図９参照）。一方、この原料投入時に、流動ガスＦ１が供給管１３４から供給され、この流動ガスＦ１は、黒鉛ノズル１２２から流動床１２５に上向きに吹き上げられる。すべての原料が投入された後、ホッパー１４２が取り外され、上蓋１１８を閉じて反応管１１６が密封される。流動ガスＦ１は、供給管１３４から反応管１１６内に供給され続けて燃料核粒子の原料を流動状態にし、その後供給管１３４から順次上記の反応ガスを送り込んでその熱分解によって燃料核粒子の表面に第一層乃至第四層の被覆を施し、粒子状の被覆燃料物質を得る。

しかし、この方法で原料を投入する場合に、流動ガスＦ１がホッパー１４２内に入り込んで上昇するため、このためホッパー１４２内に微少な燃料核を注入する際にガスの強い吹き抜けによって燃料核粒子が舞い上がり、原料がホッパー１４２からこぼれる虞があった。

また、ホッパー１４２内を流動ガスＦ１が吹き抜けると、ホッパー１４２内で原料である粒子が相互に激しく接触し、粒子表面に摩耗、破損を引き起こし、更に微少な燃料核は、反応管１１６内を落下中に流動ガスの影響で反応管の内壁に付着したり、排ガス配管１３６へ押し込まれたりしてすべての原料を流動床１２５に到達させることができない欠点があった。

本発明が解決しようとする課題は、被覆燃料用の原料である燃料核の投入時に、流動ガスによって燃料核が投入用のホッパーからこぼれたり、ホッパー内で摩耗、破損したりすることがなく、原料を流動床に有効に到達することができるようにした被覆核燃料用原料の投入方法を提供することにある。

本発明の課題解決手段は、高温ガス炉用の核燃料を製造する際に反応管内に黒鉛ノズルから流動床に流動ガスを上向きに吹き込みながら反応管の上蓋の原料投入部に取付けられたホッパーに原料である球状燃料核を注入して流動床に原料を投入する方法において、ホッパーは、その出口に接続され原料投入部の内径よりも小さい外径の原料導入管を有し、この原料導入管の下端が反応管の内部に入り込むようにして原料導入管を原料投入部に差し込んで流動ガスを原料導入管と原料投入部との隙間から逃しつつ原料を反応管内に導入するようにしたことを特徴とする被覆核燃料用原料の投入方法を提供することにある。

本発明の課題解決手段おいて、ホッパーの内径は１００乃至１６０ｍｍであり、且つその傾斜壁の角度が８０乃至１２０°とするのが好ましい。また、上蓋の原料投入部の内径が４０乃至１００ｍｍである場合、原料導入管の外径は、１０乃至３０ｍｍとすることができ、更に、原料導入管の反応管内に入り込んでいる長さが５００乃至１５００ｍｍとするのが好ましい。

本発明によれば、ホッパーがその出口に接続され上蓋の原料投入部の内径よりも小さい外径の原料導入管を有し、原料導入管を原料投入部に差し込んで流動ガスを原料導入管と原料投入部との隙間から逃しつつ原料を反応管内に導入するようにするので、ホッパー内に流動ガスの吹き抜けが集中することがなく、ホッパー内の流動ガスの吹き抜けが緩和され、従って被覆核燃料用の原料である燃料核の投入時に、流動ガスによって燃料核が投入用のホッパーからこぼれたり、ホッパー内で摩耗、破損したりすることがなくなる。

また、ホッパーに接続された原料導入管の下端が反応管の内部に入り込むようにしているので、原料は原料導入管を通して反応管内を落下するため、流動ガスの影響を受けることなく、従って原料が反応管の内壁に付着したり、排気ダクトへ押し流されたりすることなく、原料を流動床に有効に到達させることができる。

本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、図１乃至図４は、本発明に係わる被覆核燃料用原料の投入方法を実施する方法を示し、被覆燃料製造装置は、燃料核である原料を受け取って被覆反応を行う流動床装置１２を備え、この流動床装置１２は、外壁１４で囲まれた黒鉛製の反応管１６と、反応管１６の上端開口を開閉自在に閉じる上蓋１８と、外壁１４の下端開口から延びこの下端開口を気密に閉じる銅ノズル２０と、この銅ノズル２０の上部に同心的に設けられた黒鉛ノズル２２とを備え、黒鉛ノズル２２の上端は、反応管１６の下端を閉じる皿状の形態を有する。この黒鉛ノズル２２の皿状の上端は、反応管１６の下端開口を閉じて流動床として機能する。反応管１６の内径は、２００乃至３００ｍｍに設定される。

黒鉛ノズル２２の下端にはガス配管２８が設けられ、このガス配管２８の下端にはサンプル回収バルブ３０を介してサンプル回収容器３２が設けられ、またこのガス配管２８の途中から分岐して図示しないバルブを介して流動ガス及び反応ガスが供給されるガス供給管３４が設けられている。反応管１６の上端付近には反応によって生じた廃ガスを排出する廃ガス導出管３６が設けられている。

アルゴンガスの如き流動ガスＦ１は、図示しないガス供給源からガス供給管３４、ガス配管２８、銅ノズル２０、黒鉛ノズル２２を介して反応管１６内に供給され、反応管１６内を上昇して排ガス導出管３６から排出される。この流動ガスＦ１は、反応管１６内の流動床に投入された燃料核粒子を流動状態にする。この流動ガスの流量は、１００乃至３００リットル／分の範囲とする。

上蓋１８は、図５に示すように、鍔４０Ｆを有する原料投入部４０を有し、この原料投入部４０は、後に述べるように、原料投入用のホッパー４２を取付けて原料を反応管１６内に導入する機能を有する。原料投入部４０の投入口４０Ｈの内径は、４０乃至１００ｍｍに設定される。この原料投入口４０Ｈは、通常では図示しない栓で閉じられている。

本発明の原料投入方法に用いられるホッパー４２は、その出口に接続され上蓋１８の原料投入部４０の投入口４０Ｈの内径よりも小さい外径の原料導入管４４を有する。この原料導入管４４は、原料投入部４０の上記の投入口４０Ｈに対して１０乃至３０ｍｍに設定される。このホッパー４２の筒状部分の内径は、１００乃至１６０ｍｍであり、またホッパー４２の傾斜低壁は、８０乃至１２０°の傾斜角度ＡＧを有するのが好ましい。なお、この原料導入管４４は、鍔４４Ｆを有し、この鍔４４Ｆは、後に述べるように、原料投入部４０の鍔４０Ｆに係合してホッパー４２を原料投入部４０に保持している。また、図５には詳細に示されていないが、鍔４４Ｆは、内周に沿って設けられた複数のガス抜き孔（図５の点線参照）を有するか、原料投入部４０の鍔４０Ｆに隙間を介して乗るように鍔４４Ｆの下面に周方向に間隔をあけて設けられたスペーサを有し、これらのガス抜き孔又は隙間は、流動ガスＦ１を逃がす機能を有する。

原料を投入する際には、ホッパー４２は、原料導入管４４の下端４４Ｌが反応管１６の内部に入り込み、且つホッパー４２の本体と原料投入部４０との間に間隔をあけるようにして原料導入管４４を原料投入部４０に差し込み、原料投入部４０の鍔４０Ｆに原料投入管４４の鍔４４Ｆを係合して保持し固定される。原料導入管４４が反応管１６内に入り込む長さは、５００乃至１５００ｍｍとするのが好ましい。

次に、本発明の方法を図２乃至図４を参照して述べると、まず図１の流動床装置１２の上蓋１８の原料投入部４０の栓を外し、ホッパー４２の原料導入管４４を原料投入部４０の投入口４０Ｈに差し込んでホッパー４２の底と原料投入部４０との間に間隔をあけるようにしてホッパー４２を適宜の手段で固定する（図２参照）。なお、この間隔は、既に述べたように、原料投入部４０の鍔４０Ｆと原料導入管４４の鍔４４Ｆとの係合によって保持される。

次いで、粒子状の燃料核である原料Ｍを収納した容器４６からホッパー４２内に原料Ｍを注入すると（図３参照）、原料Ｍは、ホッパー４２の底から原料導入管４４を経て反応管１６内を落下し、流動床に達する（図４参照）。使用される原料Ｍは、直径が０．３５乃至０．６５ｍｍであり、真球度１．２以下であり、１バッチ当たりの投入量は５．５ｋｇ以下である。

この際、反応管１６内を上昇する流動ガスＦ１の大部分は、原料導入管４４と原料投入部４０の投入口４０Ｈとの隙間及び原料導入管４４の鍔４４Ｆのガス抜き孔又は鍔４０Ｆと４４Ｆとの隙間を通して外部に逃げるので、原料導入管４４内を上昇する流動ガスＦ１の量は僅かである。

従って、流動ガスＦ１の吹き抜けがホッパー４２に集中することがなく、ホッパー４２内の流動ガスＦ１の吹き抜けが緩和され、原料Ｍである燃料核を容器４６からホッパー４２に注入する際に、流動ガスＦ１によって燃料核がホッパー４２からこぼれたり、ホッパー４２内で燃料核の相互の衝突によって摩耗したり、破損したりすることがない。

また、ホッパー４２に接続された原料導入管４４の下端４４Ｌが反応管１６の内部に入り込んでいるので、原料Ｍは、流動ガスＦ１の影響を受けることがない原料導入管４４を通して反応管１６内を落下し、従って原料Ｍが反応管１６の内壁に付着したり、排気ダクト３６へ押し流されたりすることがない。

図１の形態の流動床装置１２において、黒鉛製の反応管１６は、約２００ｍｍの内径を有し、上蓋１８の原料投入部４０は、内径が５０ｍｍの投入口４０Ｈを有していた。ホッパー４２は、１６０ｍｍの内径と２３０ｍｍの高さとを有し、ホッパー４２の傾斜低壁の傾斜角度は、約１００°であった。またこのホッパー４２に接続された原料導入管４４の外径は２０ｍｍでその全長は約８００ｍｍであり、この原料導入管４４の反応管１６に入り込んでいる長さは、６００ｍｍであった。原料Ｍは、平均直径が０．６ｍｍ、真球度が１．２以下の燃料核粒子であり、これを容器４６内に３．９ｋｇ用意した。流動ガスＦ１としてアルゴンガスを用い、この流動ガスＦ１を１５０リットル／分の流量で流動床に供給した。

このようにして、流動床装置１０にホッパー４２をセットし、流動ガスＦ１を流しながら、容器４６からホッパー４２に原料Ｍをゆっくりと注入し、ホッパー４２から原料導入管４４を経て原料Ｍを流動床に落下させた。

この際、原料Ｍは、ホッパー４２の外部へこぼれることがなく、また反応管１６の内壁に付着することなく、すべての原料Ｍをホッパー４２から流動床に数分で投入することができた。また、原料Ｍには粒子の破損が認められなかった。

本発明の被覆燃料用原料の投入方法は、原料である燃料核の投入時に、流動ガスによって燃料核が投入用のホッパーからこぼれたり、ホッパー内で摩耗、破損したりすることがなく、原料を流動床に有効に到達することができるので、高温ガス炉用原子燃料の被覆工程に有効に利用することができる。

本発明の方法が適用される流動床装置の概略断面図である。図１の流動床装置において本発明の原料投入方法を実施するために反応管にホッパーを取付けた状態の概略断面図である。図２の状態から原料をホッパーに注入している状態の概略断面図である。図３の状態から反応管内に原料が落下した状態の概略断面図である。図１の装置に用いられる原料投入部の拡大断面図である。従来技術の流動床装置の概略断面図である。図６の流動床装置において原料を投入するために反応管にホッパーを取付けた状態の概略断面図である。図７の状態から原料をホッパーに注入している状態の概略断面図である。図８の状態から反応管内に原料が落下した状態の概略断面図である。

符号の説明

１２流動床装置
１４外壁
１６反応管
１８上蓋
２０銅ノズル
２２黒鉛ノズル
２８ガス配管
３２サンプル回収容器
３４ガス供給管
３６排ガス導出管
４０原料投入部
４０Ｆ鍔
４０Ｈ投入口
４２ホッパー
４４原料導入管
４４Ｆ鍔
４４Ｌ下端
４６容器

Claims

高温ガス炉用の核燃料を製造する際に反応管内に黒鉛ノズルから流動床に流動ガスを上向きに吹き込みながら前記反応管の上蓋の原料投入部に取付けられたホッパーに球状燃料核である原料を注入して流動床に原料を投入する方法においいて、前記ホッパーは、その出口側に接続され前記原料投入部の内径よりも小さい外径の原料導入管を有し、前記原料導入管の下端が前記反応管の内部に入り込むようにしたことを特徴とする被覆核燃料用原料の投入方法。
請求項１に記載の被覆核燃料用原料の投入方法であって、前記ホッパーの内径は１００乃至１６０ｍｍであり、且つその傾斜壁の角度が８０乃至１２０°としたことを特徴とする被覆核燃料用原料の投入方法。
請求項１又は２に記載の被覆核燃料用原料の投入方法であって、前記原料投入部の内径が４０乃至１００ｍｍであり、前記原料導入管の外径が１０乃至３０ｍｍであることを特徴とする被覆核燃料用原料の投入方法。
請求項１乃至３のいずれかに記載の被覆核燃料用原料の投入方法であって、前記原料導入管の前記反応管内に入り込んでいる長さが５００乃至１５００ｍｍであることを特徴とする被覆核燃料用原料の投入方法。