JP2006112838A

JP2006112838A - 高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法

Info

Publication number: JP2006112838A
Application number: JP2004298335A
Authority: JP
Inventors: Toru Izumitani; 徹泉谷
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】燃料コンパクトを所定の形状通り高い効率で得ることができること。
【解決手段】計量カップの内のオーバーコート粒子が計量カップに付着するのを防止するようにこの計量カップに振動を付与し(Ｓ５)、プレス金型に離型剤を塗布し(Ｓ６)、プレス成型は、温間プレスで行い（Ｓ７）、計量されたオーバーコート粒子は予熱されながらプレス金型投入位置まで搬送される(Ｓ８)。温間プレスと予熱搬送とは、オーバーコート粒子内の粘結剤を軟化したままオーバーコート粒子を成型して金型からの離型を容易にする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温ガス炉用燃料コンパクトを製造する方法に関し、特に高い生産性で燃料コンパクトを製造することができる燃料コンパクトの製造方法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、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。

この高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径が約３５０−６５０ミクロンの燃料核の周囲に炭素又は炭化珪素等のセラミックス層を被覆して形成された被覆燃料粒子を基本構造としている。

高温ガス炉に用いられる一般的にＴＲＩＳＯと称される被覆燃料粒子は、４層の被覆層を有している。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（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。

一般的な被覆燃料粒子は、約５００−１０００ミクロンの直径を有する。この被覆燃料粒子は、黒鉛マトリックス中に分散させた後、一定形状の燃料コンパクトの形態に成型加工され、この燃料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て高温ガス炉の燃料となる。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、添加剤を添加し攪拌して滴下原液を作る。添加剤は、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するために添加される。このような添加剤としては、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付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(ＡＤＵ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二酸化ウランの燃料核となる。

燃料核の粒径や真球度は、被覆燃料粒子の製造条件に大きく影響するため、燃料核は、篩による粒径選別や真球度選別を行った後、被覆工程にリリースされる。

この燃料核は、流動床に装荷され、この流動床内に供給される反応ガス（被覆ガス）が熱分解されて燃料核の上に被覆が施される。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℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３）を熱分解して被覆される。このように4層の被覆が施されて被覆粒子燃料が得られる。

被覆燃料粒子の粒径や真球度は、オーバーコート粒子の製造条件に大きく影響することから、被覆燃料粒子は、篩による粒径選別や真球度選別を行った上でオーバーコート工程にリリースされる。

オーバーコート粒子は、被覆燃料粒子の表面に黒鉛粉末、粘結剤等から成る黒鉛マトリックス材を被覆して形成される。

オーバーコート粒子の粒径は、燃料コンパクトの製造条件に大きく影響することから、オーバーコート粒子は、篩による粒径選別を行った上でコンパクトプレス工程にリリースされる。

燃料コンパクトは、オーバーコート粒子をプレス金型内で中空円筒形又は円筒形にプレス成型して形成される。このようにして得られた燃料コンパクトは、黒鉛マトリックス材中に含まれる粘結剤を除去するために予備焼成され、更に黒鉛マトリック材を黒鉛化するために焼成される。

粘結剤は、オーバーコート粒子をプレス成型して得られた燃料コンパクトの形状を保つために必要不可欠の成分である。

既に述べたように、燃料コンパクトは、オーバーコート粒子をプレス金型に投入しプレス成型して得られるが、プレス金型にオーバーコート粒子を投入する前に、燃料コンパクトの形成量を確認するために、オーバーコート粒子を計量カップの如き計量容器で計量し、この計量容器からプレス金型へオーバーコート粒子を投入している。

しかし、オーバーコート粒子は、粘結剤を含む黒鉛マトリックス材を表面に有するために、計量容器からプレス金型内にオーバーコート粒子を投入する際に、計量容器内に粘結剤によってオーバーコート粒子が残存し、計量された全てのオーバーコート粒子がプレス金型内に投入されないでプレス成型されることになる。

また、プレス金型内でオーバーコート粒子がプレス成型された後、燃料コンパクトは金型から取り出されるが、この際にも、黒鉛マトリック材中の粘結剤によって燃料コンパクトが金型から円滑に離型されないため、生産性が低く、また燃料コンパクトの一部が金型に付着したままとなり、設計通りの形状の燃料コンパクトを得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、燃料コンパクトを所定の形状通り高い生産性で得ることができる高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法を提供することにある。

本発明の課題解決手段は、被覆燃料粒子の表面に黒鉛粉末を粘結剤と共に被覆して形成されたオーバーコート粒子を計量容器で計量する工程と、計量容器からオーバーコート粒子をプレス金型に投入する工程と、このプレス金型をプレスして燃料コンパクトを形成する工程と、プレス金型から燃料コンパクトを取り出す工程とを備えた高温ガス炉用燃料コンパクトを製造する方法において、計量容器の内部のオーバーコート粒子が計量容器に付着するのを防止するようにこの計量容器に振動を付与する工程と、プレス金型に離型剤を塗布する工程とを更に備え、プレス金型による成型は、加温しながら行い、且つ計量されたオーバーコート粒子は予熱されながらプレス金型投入位置に搬送されることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法を提供することにある。

本発明の課題解決手段において、プレス金型のプレス温度及びオーバーコート粒子の搬送温度は、粘結剤の軟化温度に設定されるのが望ましい。

このように、計量容器に振動を付与すると、その内部のオーバーコート粒子が計量容器に付着するのが防止されるので、計量容器内の全てのオーバーコート粒子をプレス金型内に投入することができ、またプレス金型に離型剤を塗布すると、燃料コンパクトを金型から円滑に離型することができ、従って高い生産性で燃料コンパクトを製造することができる。

また、プレス成型は、加温しながら行い、且つ計量されたオーバーコート粒子は予熱されながらプレス金型投入位置に搬送されると、粘結剤が軟化したまま燃料コンパクトが得られるので、金型からの離型が一層容易に行われ、従って設計通りの形状の高品質の燃料コンパクトを得ることができる。

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は、本発明に係わる高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法を工程順に示し、本発明の方法は、通常のように、先ず、図２に示すように被覆燃料粒子の表面に黒鉛粉末を粘結剤と共に被覆して形成されたオーバーコート粒子１を計量カップ１２の如き計量容器で計量する工程（図１のＳ１参照）と、この計量カップ１２からオーバーコート粒子１をプレス金型１４に投入する工程(図１のＳ２参照)と、このプレス金型１４をプレスして燃料コンパクト２を形成する工程（図１のＳ３参照）と、プレス金型１４から燃料コンパクト２(図３参照)を取り出す工程（図１のＳ４参照）とを備えている。

本発明の方法は、計量カップ１２の内部のオーバーコート粒子１が計量カップ１２に付着するのを防止するように適宜の手段によってこの計量カップ１２に振動を付与する工程(図１のＳ５参照)と、プレス金型にオーバーコート粒子１を投入する前にプレス金型１４に離型剤を塗布する工程(図１のＳ６参照)とを更に備えている。

計量カップ１２に振動を付与する手段は、例えば、図４に示すように、計量カップ１２を計量手段からプレス金型１４に搬送するコンベヤ１６上に搭載された小型バイブレータ１８とすることができる。このようにすると、計量カップ１２の搬送中、計量カップ１２は、常に、振動が付与されるので、オーバーコート粒子１が計量カップ１２に付着するのが防止される。なお、この振動付与工程では、バイブレータ以外の種々の方法で計量カップ１２に振動を付与することができ、例えば、オーバーコート粒子１を計量カップ１２からプレス金型１４に投下する際に計量カップを反転させた後に小型ハンマーの如き治具にて計量カップ１２に振動を付与してもよいし、計量カップ１２の反転後にこの計量カップ１２をアームに保持し、このアームの運動によって計量カップ１２に振動を付与してもよい。

離型剤は、粘結剤がフェノール樹脂である場合には、ステアリン酸亜鉛が好ましいことが実験の結果判明したが、粘結剤の種類に応じて適宜選択される。この離型剤は、刷毛塗りその他の適宜の手段によって塗布されるが、金型に直接器具が触れることがない上に製品に不純物が混入することがないスプレー等の吹付け手段が好ましい。この離型剤は、燃料コンパクト２を金型１４から取り出す際に、燃料コンパクト２が金型１４から容易に離型するのに用いられる。この離型剤は、燃料コンパクト２の予備焼成工程で粘結剤と共に製品から取り除かれる。

また、プレス成型する工程は温間プレスにて行われるが、この温間方法としては、例えば、プレス金型１４をヒータにて加温する方法がある（図１のＳ３参照）。この温間プレスは、オーバーコート粒子１の内部の粘結剤が軟化したままオーバーコート粒子１をプレスして燃料コンパクト２を成型するので、燃料コンパクト２は、離型剤の作用と共にプレス金型１４から容易に離型される。

温間プレスを促進するために、計量カップ１２内のオーバーコート粒子１は予熱されながらプレス金型１４に搬送される(図１のＳ７参照)。この予熱は、例えば、計量カップ１２内にヒータを内蔵して計量カップ１２と共に搬送するか、あるいは搬送ラインをヒータにて加温することによって達成される。

温間プレスするためのプレス金型のプレス温度及びオーバーコート粒子の搬送時の予熱温度は、粘結剤の軟化温度に設定されるが、粘結剤がフェノール樹脂から成っている場合には、その軟化温度６０−１２０℃であるので、プレス温度及び予熱温度は、同様に、６０-１２０℃に設定される。

このように、計量カップ１２に振動を付与すると、その内部のオーバーコート粒子１が計量カップ１２に付着するのが防止されるので、計量カップ１２内の全てのオーバーコート粒子１をプレス金型１４内に投入することができる。また、プレス金型１４に離型剤を塗布すると、燃料コンパクト２を金型１４から円滑に離型することができるので、燃料コンパクトを効率よく製造することができる。

また、プレス成型は、加温しながら行い、且つ計量されたオーバーコート粒子１は予熱されながらプレス金型１４まで搬送されるので、オーバーコート粒子１内の粘結剤が軟化したまま燃料コンパクト２が得られるため、金型１４からの離型が一層容易に行われ、従って高品質の燃料コンパクト２を得ることができる。

本発明によれば、計量されたオーバーコート粒子が全てプレス金型内に投入され、また燃料コンパクトは確実にプレス金型から離型されるので、設計通りの高品質の燃料コンパクトを得ることができ、高温ガス炉用の燃料コンパクトの製造に有益に利用することができる。

本発明の燃料コンパクトの製造方法の工程のブロック図である。本発明の方法に用いられるプレス金型の概略断面図である。本発明の方法によって得られた燃料コンパクトの斜視図である。計量カップに振動を付与する手段の一例を示す説明図である。

符号の説明

１オーバーコート粒子
２燃料コンパクト
１２計量カップ
１４プレス金型
１６コンベヤ（搬送ライン）
１８小型バイブレータ

Claims

被覆燃料粒子の表面に黒鉛粉末を粘結剤と共に被覆して形成されたオーバーコート粒子を計量容器で計量する工程と、計量されたオーバーコート粒子をプレス金型に投入する工程と、前記プレス金型をプレスして燃料コンパクトを形成する工程と、前記プレス金型から前記燃料コンパクトを取り出す工程とを備えた高温ガス炉用燃料コンパクトを製造する方法において、前記計量容器の内部のオーバーコート粒子が前記計量容器に付着するのを防止するように前記計量容器に振動を付与する工程と、前記プレス金型に離型剤を塗布する工程とを更に備え、前記プレス金型による成型は、加温しながら行い、且つ前記計量されたオーバーコート粒子は予熱されながら前記プレス金型投入位置に搬送されることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
請求項１に記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記プレス金型のプレス温度及び前記オーバーコート粒子の搬送温度は、前記粘結剤の軟化温度に設定されることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。