JP2006145103A - 高温ガス炉の燃料コンパクト製造用熱処理炉 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱処理炉のヒータ表面に熱処理すべきグリーンコンパクトからのフェノール樹脂成分が付着することがなく、炉内のクリーニングが容易となり、燃料コンパクトの品質を低下することがない。
【解決手段】 高温ガス炉用の燃料コンパクトを製造する過程でプレス成型して形成されるグリーンコンパクト１６内にバインダーとして含まれる樹脂成分を炭化するためのものであり、グリーンコンパクト１６を装填し不活性ガス雰囲気が維持されるチャンバー２０とこのチャンバー２０の外側に配置されたヒータ２２とから成り、チャンバー２０は、平滑な内面２０ＷＦを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、高温ガス炉用燃料コンパクトを製造する過程でプレス成型して形成されるグリーンコンパクト内にバインダーとして含まれるフェノール樹脂の如き樹脂成分を炭化するためにグリーンコンパクトを熱処理する高温ガス炉の燃料コンパクト製造用熱処理炉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、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（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、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。

この燃料核は、流動床に装荷され、この流動床内で反応ガス（被覆ガス）が供給されて熱分解されて被覆が施される。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。

燃料コンパクトは、一般的には、被覆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料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てグリーンコンパクトとし、このグリーンコンパクトをその中にバインダーとして含まれるフェノール樹脂を炭化させたり、コンパクト内に含まれるガス成分を除去したりするために熱処理して得られる。

フェノール樹脂は、Ｃ．Ｏ．Ｈから成っているが、その炭化は、黒鉛マトリックス材料の良好な熱伝導率を得るために行われる。この熱処理は、グリーンコンパクトの酸化を防止するために、窒素等の不活性ガス雰囲気で行われる。グリーンコンパクト内のフェノール樹脂を完全に炭化させるためには約７００−１０００℃に加熱する必要がある。

このように、グリーンコンパクト内のフェノール樹脂を炭化する目的で使用されている従来技術の熱処理炉は、グリーンコンパクトを直接加熱するように配置されたヒータを備えているので、グリーンコンパクトから揮発、分解したフェノール樹脂成分がヒータに付着し、燃料コンパクトの濃縮度を管理する目的で行われる炉内クリーニング等の作業の効率が悪く、ヒータ表面の溝等に残留するフェノール樹脂成分が濃縮度の切り替え後の再昇温時に揮発し、コンパクトに付着するため、燃料コンパクトの品質が低下し、またヒータ自体の劣化が促進される欠点があった。

本発明が解決しようとする課題は、グリーンコンパクトの加熱処理時にグリーンコンパクトからヒータ表面にバインダー樹脂成分が付着することがなく、従って炉内のクリーニングが容易であり、且つ燃料コンパクトの品質を低下することがない高温ガス炉の燃料コンパクト製造用熱処理炉を提供することにある。

本発明の課題解決手段は、高温ガス炉用の燃料コンパクトを製造する過程でプレス成型して形成されるグリーンコンパクト内にバインダーとして含まれる樹脂成分を炭化するためにグリーンコンパクトを熱処理する高温ガス炉の燃料コンパクト製造用熱処理炉において、グリーンコンパクトを装填し不活性ガス雰囲気が維持されるチャンバーとこのチャンバーの外側に配置されたヒータとから成り、チャンバーは、平滑な内面を有することを特徴とする高温ガス炉の燃料コンパクト製造用熱処理炉を提供することにある。

このように、グリーンコンパクトを熱処理するための加熱用のヒータをチャンバーの外側に配置すると、グリーンコンパクトから揮発、分解する樹脂成分は、チャンバーの平滑な内面に付着するだけであるので、チャンバーのクリーニングが容易となり、また従来のようにヒータに付着していてクリーニング後に残存する樹脂成分によって次に処理すべきグリーンコンパクトにこの樹脂成分が戻り付着することがなく、従って濃縮度の切り替え後であっても品質の良好な燃料コンパクトを得ることができる。

更に、ヒータは、従来生じていた樹脂成分の付着による劣化を起こすことがなく、処理炉のメインテナンスが容易である。

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の燃料コンパクト製造用熱処理炉１０の１つの形態を示し、この熱処理炉１０は、正面に蝶番１２Ｈによって開閉自在に取り付けられた開閉蓋１２を有する炉本体１４を備え、この炉本体１４は、熱処理すべきグリーンコンパクト１６を装填し不活性ガス雰囲気が維持されるチャンバー２０と、このチャンバー２０の壁２０Ｗの外側に配置されたヒータ２２とを有する。

図示の態様では、炉本体１４は、２つ割りの立方体の形態を有し、チャンバー２０は、この炉本体１４内を長手方向に延びる円筒の形態を有する。チャンバー２０を構成する円筒壁２０Ｗは、２つ割りの炉本体部分１４Ｄ１、１４Ｄ２の間に配置され、これらの２つ割の炉本体１４Ｄ１、１４Ｄ２の接合によって炉本体１４の内部に閉じ込められている。

グリーンコンパクト１６は、図示のように、多段の処理棚１８に搭載されており、この処理棚１８は、チャンバー２０の円筒形内面に沿って滑り込ませてチャンバー２０内に保持されている。

ヒータ２２は、チャンバー２０を構成する円筒壁２０Ｗの外面に設けられ、このヒータ２２と炉本体１４の壁(炉壁)１４Ｗとの間には断熱材２４（図２参照）が設けられている。図１は、ヒータ２２が炉本体１４の壁１４Ｗの端面まで延びているように示しているが、これは、ヒータ２２とチャンバー壁２０Ｗとの関係を示すために便宜的に表示したことによるものであり、実際には、図２に示すように、ヒータ２２は、炉本体１４及びチャンバー壁２０Ｗの端面よりも内側に引っ込んだ位置で終わっており、従って、図１に示すように、開閉蓋１２が開いた状態でヒータ２２が露呈して見えることはない。

チャンバー２０の壁２０Ｗは、チャンバー２０内のクリーニングを容易にするために、平滑な内面２０ＷＦを有する。

図１の熱処理炉１０の使用状態を述べると、処理すべき多数のグリーンコンパクト１６を処理棚１８に搭載し、開閉蓋１２を開いて処理棚１８を炉本体１４内のチャンバー２０内に装填する。開閉蓋１２を閉じ、ヒータ２２を通電して約７００−１０００℃の温度で所要時間グリーンコンパクト１６を加熱処理する。

この熱処理によってグリーンコンパクト１６内にバインダーとして含まれるフェノール樹脂を炭化させてコンパクトの所定の熱伝導率を得ると共にグリーンコンパクト１６内のガス成分を除去するが、この処理の間にフェノール樹脂の一部が揮発、分解する。ヒータ２２は、チャンバー２０の内側にはないので、このように揮発、分解したフェノール樹脂成分は、ヒータ２２には付着することがなく、チャンバー２０の壁２０Ｗの内面に付着する。

グリーンコンパクト１６の所定の熱処理を終了した後、ヒータ２２の通電を停止し、開閉蓋１２を開いて処理棚１８をチャンバー２０から取り出し、燃料コンパクトの製造を終了する。

熱処理炉１０は、例えば、濃縮度を切り替える際に、チャンバー２０の壁２０Ｗの内面をクリーニングすることによって壁２０Ｗに付着したフェノール樹脂成分を除去して、再生される。

このように、グリーンコンパクト１６を熱処理するための加熱用のヒータ２２がチャンバー２０の外側に配置されていると、グリーンコンパクト１６から揮発又は分解するフェノール樹脂成分は、チャンバー２０の壁２０Ｗの平滑な内面に付着するだけであり、従って、熱処理炉のクリーニングが容易となる。

また、従来のようにヒータ２２にフェノール樹脂成分が付着することがなく、ヒータに付着することによりクリーニング後に残存するフェノール樹脂成分によって次に処理すべきグリーンコンパクトにフェノール樹脂成分が戻り付着することもない。もし、フェノール樹脂成分がヒータに残存したまま、濃縮度の切り替え後、ヒータを再昇温度すると、異なった濃縮度のコンパクトにフェノール樹脂成分が付着することになるが、本発明のように、ヒータにフェノール樹脂成分が付着することがないと、フェノール樹脂樹脂成分の戻り付着を生ずることがなく、品質の良好な燃料コンパクトを得ることができる。

また、ヒータ２２にフェノール樹脂成分が付着することがないと、従来生じていたフェノール樹脂成分の付着による劣化を起こすことがなく、処理炉のメインテナンスが容易となる。

なお、上記実施の形態では、チャンバー２０は、円筒形であったが、円筒形以外の形態であってもよく、例えば、立方体又は直方体であってもよい。

本発明によれば、グリーンコンパクトの加熱処理時にグリーンコンパクトからヒータ表面にフェノール樹脂成分が付着することがなく、従って炉内のクリーニングが容易となり、また燃料コンパクトの品質を低下することがないので、高温ガス炉用の燃料コンパクトを製造する熱処理炉に有益に利用することができる。

本発明の１つの形態による高温ガス炉の燃料コンパクト製造用の熱処理炉の概略斜視図である。 図１の装置の一部の縦断面図である。

符号の説明

１０ 高温ガス炉用燃料コンパクトの熱処理炉
１２ 開閉蓋
１２Ｈ 蝶番
１４ 炉本体
１４Ｄ１、１４Ｄ２ ２つ割りの炉本体部分
１４Ｗ 炉本体の壁
１６ グリーンコンパクト
１８ 処理棚
２０ チャンバー
２０Ｗ チャンバーの壁
２０ＷＦ 壁の内面
２２ ヒータ
２４ 断熱材

Claims (1)

1. 高温ガス炉用の燃料コンパクトを製造する過程でプレス成型して形成されるグリーンコンパクト内にバインダーとして含まれる樹脂成分を炭化するために前記グリーンコンパクトを熱処理する高温ガス炉用燃料コンパクト製造用熱処理炉において、前記グリーンコンパクトを装填し不活性ガス雰囲気が維持されるチャンバーと前記チャンバーの外側に配置されたヒータとから成り、前記チャンバーは、平滑な内面を有することを特徴とする高温ガス炉の燃料コンパクト製造用熱処理炉。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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