JP2006208206A - ペブルベッド型燃料要素の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コアのまわりに黒鉛粉末を圧縮成形する際にコアをゴム型内の中心位置に保持してコア同心度が良好なペブルベッド型燃料要素を製造する。
【解決手段】 コア１をゴム型１０内の中心に位置決めするために、下ゴム型１０Ｌに複数の黒鉛製支え棒２０を取付け、コア１は、これらの支え棒２０の先端に載るようにして下ゴム型１０Ｌ内の中心位置に保持され、中ゴム型１０Ｍを下ゴム型１０Ｌの上に載せ、この中ゴム型１０Ｍに設けられた粉末充填口１４から黒鉛粉末２を投入し、コア１とゴム型１０との隙間にこの黒鉛粉末２を充填し、中ゴム型１０Ｍの上に上ゴム型１０Ｕを載せ、ゴム型１０全体をプレス機械等で加圧して黒鉛粉末２を圧縮成形してペブルベッド型燃料要素を製造する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高温ガス炉に用いられるペブルベッド型燃料要素の製造方法に関し、更に詳細に述べると、ペブルベッド型燃料要素の無燃料領域の厚さを均一にしてペブルベッド型燃料要素を製造する方法に関するものである。

高温ガス炉の燃料は、一般に、直径が０．５〜１ｍｍの燃料被覆粒子(以下単に「被覆粒子」と称する)の集団である燃料要素から成っている。被覆粒子は、直径が０．２〜０．６ｍｍの燃料核に低密度炭素、高密度等方性炭素及び炭化珪素を多重に被覆して形成された粒子であり、燃料要素は、これらの被覆粒子の集団を黒鉛粉末及び焼結材によって固めて形成され、ペブルベッド型燃料要素は、黒鉛マトリックスに被覆粒子を分散させて形成されているが、外周には被覆粒子が充填されていない無燃料領域がある。従って、ペブル型燃料要素は、燃料要素が燃料体として機能し、無燃料領域は、減速材としての機能と燃料要素保護機能とを有する。通常、ペブル型燃料要素は、燃料体が５０ｍｍの直径を有し、無燃料領域は５ｍｍの厚みを有して全体としては６０ｍｍの直径を有している。

このペブル型燃料要素は、通常、下記の工程を経て製造されている。
（ａ）燃料核に低密度炭素層、高密度等方性炭素層、炭化珪素層などの被覆を施して被覆粒子を形成し、これに黒鉛粉末を付着させてオーバーコート粒子とする。
（ｂ）黒鉛粉末に多数のオーバーコート粒子を混合し、この混合物をシリコンゴム製のモールド（ゴム型）の内部に充填し圧縮成形してコアを形成する。
（ｃ）このコアの表面に黒鉛粉末の無燃料領域を付着し、これらをシリコンゴム製のモールド（ゴム型）の内部に充填し圧縮成形してペブル基材を形成する。
（ｄ）このペブル基材の表面を研削した後、熱処理してペブル型燃料要素を完成する。

高温ガス炉にペブル型燃料要素を装荷して燃焼する際に、無燃料領域に厚さの偏りがあると、減速材である無燃料領域の黒鉛の量が周面位置によって異なることになるので、減速作用に偏重が生じて所定の性能を満足することができないし、燃料要素自体の機械的強度が低下する問題がある。

従って、コアはペブル型燃料要素の中心に位置してペブル型燃料要素とコアとが高い同心度を確保することが望ましい。従来技術では、この同心度を確保するために、コアをゴム型内にセットする際に、コアの台座として機能する所定量の黒鉛粉末を予めゴムモールドに充填し、手作業又はロボットによってコアをこの黒鉛粉末台座の上に置き、この状態で更に黒鉛粉末を充填し、圧縮成形していた。

しかし、この従来技術の方法は、次のような問題点があった。
（１）黒鉛粉末台座は、圧縮成形によって他の黒鉛粉末と共に押し固められるが、この押し固められる程度は、黒鉛粉末のロットの違いや黒鉛粉末を台座として充填した時の表面状態によって変化するので、コアをゴム型内の中心位置にセットする機能が低く、ゴム型内のコアのセット位置に正確性に欠ける欠点があった。
（２）コアのまわりに黒鉛粉末を充填する際に充填密度を高めるためにゴム型に振動を付与することが必要であるが、この振動によってコアがゴム型内で変位する虞があり、従って台座によってコアをゴム型の中心にセットしたとしても、圧縮成形時には、コアがゴム型内の中心には位置しなくなる欠点があった。

本発明が解決しようとする課題は、ゴム型内の中心位置に確実にセットすることができ、且つその後黒鉛粉末を充填する際にゴム型に振動を付与してもその位置がずれることがなく、コアの同心度が良好なペブルベッド型燃料要素を製造することができる方法を提供することにある。

本発明の課題解決手段は、ゴム型にペブルベッド型燃料要素のコアを配置し、このゴム型内でコアのまわりに黒鉛粉末を充填し、ゴム型内の黒鉛粉末を圧縮成形するペブル型燃料要素の製造方法において、ゴム型内に予め複数の支え棒を取付けてコアを支え棒によってゴム型内の中心位置に保持した状態で黒鉛粉末を充填することを特徴とするペブルベッド型燃料要素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、支え棒は、ゴム型に設けられた貫通孔を通して外側から差し込まれてゴム型の内部に突出し、黒鉛粉末の充填後、このゴム型から取り外してもよいし、あるいは支え棒は、黒鉛製とし、この黒鉛製の支え棒は、ゴム型の型窪の内表面に取付けられて黒鉛粉末と共に圧縮成形してもよい。前者の場合には、支え棒は、ゴム型のゴムよりも硬度が高いゴムから作られているのが好ましい。

このように、ゴム型内に予め複数の支え棒を取付けてコアをこれらの支え棒によってゴム型内の中心位置に保持した状態で黒鉛粉末を充填すると、コアは、支え棒によって確実にゴム型の中心位置に保持することができるので、従来技術の黒鉛粉末台座に比べてコアの位置決め精度が向上し、またその後、黒鉛粉末を充填する際にゴム型に振動を付与してもコアが中心位置からずれることがなく、コア同心度の良好なペブルベッド型燃料要素を製造することができる。

支え棒がゴム型のゴムよりも硬質のゴムから成っていると、支え棒の差込及び抜き出しを容易に行うことができ、また支え棒が硬く固められた黒鉛から成っていると、黒鉛粉末と一緒に圧縮成形されてペブルベッド型燃料要素の一部として使用されるので、支え棒の抜き出しを必要とすることがなく、工程が簡略化されて望ましい。

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及び図２は、本発明の1つの実施の形態によるペブルベッド型燃料要素の製造方法の要部を示し、コア１は、従来と同様にして、燃料核に低密度炭素層、高密度等方性炭素層、炭化珪素層などの被覆を施して被覆粒子を形成し、これに黒鉛粉末を付着させてオーバーコート粒子とし、このオーバーコート粒子を黒鉛粉末に混合し、この混合物をシリコンゴム製のモールド（ゴム型）の内部に充填し圧縮成形して作られる。このコア１の外径は、５０ｍｍである。

次いで、このコア１をゴム型１０内の中心に位置決めするために、下ゴム型１０Ｌに複数の支え棒２０を取付ける。図１の形態では、この支え棒２０は、例えば、下ゴム型１０Ｌのゴムよりも硬度が高い硬質ゴムから作られて下ゴム型１０Ｌに設けられた貫通孔１２を通して外側から差し込まれてゴム型の内部に突出するようにセットされる。コア１は、これらの支え棒２０の先端に載るようにして下ゴム型１０Ｌ内の中心位置に保持される。支え棒２０の数は、通常では、少なくとも３つであるが、コアの質量が大きくて支え棒２０に加わる荷重が大きくなる場合には、この荷重を低減するために４つ又はそれ以上とすることができる。

その後、図２に示すように、中ゴム型１０Ｍを下ゴム型１０Ｌの上に載せ、この中ゴム型１０Ｍに設けられた粉末充填口１４から黒鉛粉末２を投入し、コア１とゴム型１０との隙間にこの黒鉛粉末２を充填する。黒鉛粉末２を充填する際に、その充填密度を高めるために、ゴム型１０に僅かな振動を付与するが、コア１は、硬い支え棒２０によって支持されているので、振動が付与されても、コア１の位置がずれることがなく、コア１は、ゴム型１０内の中心位置から外れることがない。

このようにして所定量の黒鉛粉末が充填された後、中ゴム型１０Ｍの上に上ゴム型１０Ｕを載せ、下ゴム型１０Ｌから支え棒２０を抜き出し、ゴム型１０全体をプレス機械等で加圧して黒鉛粉末２を圧縮成形し、コア１の上に黒鉛の無燃料領域３を有するペブルベッド型燃料要素４を製造する（図４参照）。

支え棒２０を抜き出すと、貫通孔１２を通してゴム型１０の外部に黒鉛粉末２が流出する懸念があるが、圧縮成形時には、ゴム型１０全体がプレス機械の鋼鉄製の円筒と上下のパンチで覆われるために、ゴム型１０の外部に黒鉛粉末２が流出することはない。なお、ゴム型１０の貫通孔１２に入り込んだ黒鉛粉末は、圧縮成形後に、圧縮成形体の表面突起となるが、この突起は、後の研削工程で容易に除去することができる。

本発明の他の実施の形態が図３に示されており、この実施の形態では，支え棒２０は、黒鉛製で有り、この黒鉛製の支え棒２０は、下ゴム型１０Ｌの型窪１６の内表面に設けられた差込孔１６Ｈに差し込んで取付けられている。この黒鉛製の支え棒２０は、硬く固めて高い強度で作られているので、従来技術の黒鉛粉末の台座とは異なってコア１を確実に位置保持することができる。

この実施の形態では、支え棒２０は、黒鉛粉末２の充填後、下ゴム型１０から抜き取ることなく、黒鉛粉末２と一緒にそのまま圧縮成形される。また、この場合も、支え棒２０は、圧縮成形体の表面から突起として突出するが、これも後の研削工程で除去されるので支障がない。

本発明によれば、コアをゴム型内の中心位置に確実に保持される上に、黒鉛粉末を充填する際にゴム型に振動を付与してもコアが変位することがなく，従って良好なコア同心度を有するペブルベッド型燃料要素を製造することができ、産業上の利用性が向上する。

本発明の１つの実施の形態によるペブルベッド型燃料要素の製造方法でコアをゴム型内に配置する工程を説明するためのゴム型の断面図である。 図１のコア配置工程の次に行われる黒鉛粉末充填工程を説明するゴム型の断面図である。 本発明の他の形態によるペブルベッド型燃料要素の製造方法でコアを支持する状態で黒鉛粉末を充填する状態を説明するゴム型の断面図である。 本発明の製造方法によって製造されたペブルベッド型燃料要素の拡大断面図である。

符号の説明

１ コア
２ 黒鉛粉末
３ 無燃料領域（被覆層部分）
４ ペブルベッド型燃料要素
１０ ゴム型
１０Ｌ 下ゴム型
１０Ｍ 中ゴム型
１０Ｕ 上ゴム型
１２ 貫通孔
１４ 粉末充填口
１６ 型窪
１６Ｈ 差込孔
２０ 支え棒

Claims (4)

1. ゴム型にペブルベッド型燃料要素のコアを配置し、前記ゴム型内で前記コアのまわりに黒鉛粉末を充填し、前記ゴム型内の黒鉛粉末を圧縮成形するペブル型燃料要素の製造方法において、前記ゴム型内に予め複数の支え棒を取付けて前記コアを前記支え棒によって前記ゴム型内の中心位置に保持した状態で前記黒鉛粉末を充填することを特徴とするペブル型燃料要素の製造方法。
2. 請求項１に記載のペブルベッド型燃料要素の製造方法であって、前記支え棒は、前記ゴム型に設けられた貫通孔を通して外側から差し込まれて前記ゴム型内部に突出し、前記黒鉛粉末の充填後前記ゴム型から取り外すことを特徴とするペブルベッド型燃料要素の製造方法。
3. 請求項２に記載のペブルベッド型燃料要素の製造方法であって、前記支え棒は、前記ゴム型のゴムよりも硬度が高いゴムから作られていることを特徴とするペブルベッド型燃料要素の製造方法。
4. 請求項１に記載のペブルベッド型燃料要素の製造方法であって、前記支え棒は、黒鉛製であり、前記黒鉛製の支え棒は、前記ゴム型の型窪の内表面に取付けられて前記黒鉛粉末と共に圧縮成形されることを特徴とするペブルベッド型燃料要素の製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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