JP2006225233A - Apparatus for manufacturing ammonium diuranate particle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for producing ammonium heavy uranate particles.
非特許文献1〜5によると、高温ガス炉用燃料は、一般的に以下のような工程を経て製造される。まず、酸化ウランの粉末を硝酸に溶かして、硝酸ウラニル溶液とする。次に、この硝酸ウラニル溶液に純水及び増粘剤等を添加し、攪拌して硝酸ウラニル含有原液とする。調製された硝酸ウラニル含有原液は、所定の温度に冷却され、粘度を調製した後、細径の滴下ノズルを用いてアンモニア水溶液に滴下される。
According to
このアンモニア水溶液に滴下された液滴は、アンモニア水溶液表面に達するまでの間に、アンモニアガスを吹きかけられる。このアンモニアガスによって、液滴表面がゲル化され、これにより、アンモニア水溶液表面到達時における変形が防止される。アンモニア水溶液中における硝酸ウラニルは、アンモニアと十分に反応し、重ウラン酸アンモニウム粒子(以下、「ADU粒子」と略する場合がある。)となる。 The droplets dropped on the aqueous ammonia solution are sprayed with ammonia gas before reaching the surface of the aqueous ammonia solution. The surface of the droplet is gelled by the ammonia gas, thereby preventing deformation when reaching the surface of the aqueous ammonia solution. Uranyl nitrate in the aqueous ammonia solution sufficiently reacts with ammonia to form ammonium heavy uranate particles (hereinafter sometimes abbreviated as “ADU particles”).
この重ウラン酸アンモニウム粒子は、乾燥された後、大気中で焙焼され、二酸化ウランよりも酸素を多く含み、酸素:ウランのモル比が2を超える酸化ウラン、例えば、三酸化ウランとなり、さらに還元及び焼結されることにより、高密度のセラミックス状の二酸化ウラン粒子となる。この二酸化ウラン粒子を篩い分け、すなわち分級して、所定の粒子径を有する燃料核を得る。 The ammonium deuterated uranium particles are dried and then roasted in the atmosphere to contain more oxygen than uranium dioxide, resulting in uranium oxide having an oxygen: uranium molar ratio greater than 2, eg, uranium trioxide, Reduction and sintering result in high-density ceramic-like uranium dioxide particles. The uranium dioxide particles are sieved, that is, classified to obtain fuel nuclei having a predetermined particle size.
この燃料核を流動床に装荷し、被覆ガスを熱分解させることにより被覆を施す。被覆層は、燃料核表面から第一層、第二層、第三層、および第四層を被覆することにより形成されている。第一層の低密度炭素の場合は、約1400℃でアセチレン(C2H2)を熱分解して得られる。第二層および第四層の高密度熱分解炭素の場合は、約1400℃でプロピレン(C3H6)を熱分解して得られる。第三層のSiCの場合は約1600℃でメチルトリクロロシラン(CH3SiCl3)を熱分解して得られる。 The fuel nuclei are loaded onto a fluidized bed, and coating is performed by thermally decomposing the coating gas. The coating layer is formed by coating the first layer, the second layer, the third layer, and the fourth layer from the fuel core surface. In the case of the first layer of low density carbon, it is obtained by pyrolyzing acetylene (C 2 H 2 ) at about 1400 ° C. In the case of the high density pyrolytic carbon of the second layer and the fourth layer, it is obtained by pyrolyzing propylene (C 3 H 6 ) at about 1400 ° C. In the case of SiC of the third layer, it is obtained by thermally decomposing methyltrichlorosilane (CH 3 SiCl 3 ) at about 1600 ° C.
一般的な燃料コンパクトは、以上のようにして得られた被覆燃料粒子を黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材とともに、中空円筒形状または円筒形状にプレス成型またはモールド成型した後、焼成して得られる。 In general fuel compacts, the coated fuel particles obtained as described above are pressed or molded into a hollow cylindrical shape or cylindrical shape together with a graphite matrix material made of graphite powder, binder, etc., and then fired. Obtained.
一方、ウランなどの核燃料物質を使用して核燃料を製作する場合、臨界事故を防ぐための方法としては、一般的に、取り扱うウラン量を臨界質量以下とする「質量制限」と、ウラン量には関係なく臨界が生じない形状・寸法内でウランを取り扱う「形状制限」とが挙げられる。 On the other hand, when manufacturing nuclear fuel using nuclear fuel materials such as uranium, as a method to prevent criticality accidents, in general, the "mass limit" that the amount of uranium handled is less than the critical mass, and the amount of uranium is Regardless of the shape and dimensions that do not cause criticality, the “shape restriction” handles uranium.
「質量制限」の場合には、濃縮度10%以下のウランに対する取扱最大量は、9.6kgであり、濃縮度20%以下のウランに対する取扱最大量は、4.0kgである。したがって、各製造工程におけるバッチサイズは、これらの値以下にする必要がある。さらに、安全性の観点から、誤って2重装荷した場合を考慮すると、各製造工程におけるバッチサイズは、これらの値の1/2以下にする必要がある。そのため、核燃料の生産性は悪くなり、量産設備に対する臨界管理方法として適しているとはいえない。 In the case of “mass restriction”, the maximum handling amount for uranium having a concentration of 10% or less is 9.6 kg, and the maximum handling amount for uranium having a concentration of 20% or less is 4.0 kg. Therefore, the batch size in each manufacturing process needs to be below these values. Further, from the viewpoint of safety, considering the case of double loading by mistake, the batch size in each manufacturing process needs to be 1/2 or less of these values. Therefore, the productivity of nuclear fuel deteriorates and it cannot be said that it is suitable as a criticality management method for mass production facilities.
一方、「形状制限」の場合には、ウランの濃縮度や形状によって規定される大きさも異なってくる。例えば、濃縮度10%以下のウランに対する収納設備の大きさが、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で19.8cm以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで8.3cm以下である。 On the other hand, in the case of “shape restriction”, the size defined by the enrichment and shape of uranium varies. For example, the size of the storage facility for uranium with a concentration of 10% or less, when the storage facility is cylindrical, the diameter of the cylinder is 19.8 cm or less, and the storage facility is flat, The thickness of the flat plate is 8.3 cm or less.
また、濃縮度20%以下のウランに対する収納設備の大きさが、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で17.4cm以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで6.7cm以下である。 In addition, the size of the storage facility for uranium with a concentration of 20% or less is when the shape of the storage facility is a cylindrical shape, the diameter of the cylinder is 17.4 cm or less, and the shape of the storage facility is a flat plate shape, The thickness of the flat plate is 6.7 cm or less.
これらの収納設備で取り扱うウランの量には制限がないため、「形状制限」は、量産設備に対する臨界管理方法としては好ましい。しかしながら、上記したように、高濃縮度のウランになるに従い、「形状制限」での寸法制限値は小さくなるため、燃料核を製造する設備は、細長い円筒形状や薄い平板状にならざるを得ない。 Since there is no limit to the amount of uranium handled in these storage facilities, “shape limitation” is preferable as a criticality management method for mass production facilities. However, as described above, since the dimensional limit value in the “shape limit” becomes smaller as the uranium becomes highly enriched, the facility for manufacturing the fuel core must be an elongated cylindrical shape or a thin flat plate shape. Absent.
例えば、調製された硝酸ウラニル含有原液をアンモニア水溶液に滴下する工程において、アンモニア水溶液中で、アンモニアと硝酸ウラニルが十分に反応し、ADU粒子が生成される。ここで、生成されたADU粒子は、上側にADU粒子が積載されていくため、変形を起こす。そのため、ADU粒子の真球度が悪くなるという問題点があった。 For example, in the step of dropping the prepared uranyl nitrate-containing stock solution into an aqueous ammonia solution, ammonia and uranyl nitrate sufficiently react in the aqueous ammonia solution to generate ADU particles. Here, the generated ADU particles are deformed because the ADU particles are stacked on the upper side. Therefore, there is a problem that the sphericity of ADU particles is deteriorated.
このADU粒子の真球度が悪くなるという問題点を解決するために、アンモニア水溶液中で循環流を発生させることにより、ADU粒子をアンモニア水溶液中で、流動させ、ADU粒子同士が重なり合うことのないようにする技術が提案されている。 In order to solve the problem that the sphericity of the ADU particles is deteriorated, the ADU particles are caused to flow in the aqueous ammonia solution by generating a circulating flow in the aqueous ammonia solution so that the ADU particles do not overlap each other. Techniques for doing so have been proposed.
しかしながら、高濃度のウランを原料とする場合には、収納設備が細長い円筒形状や薄い平板状にならざるを得ないので、この上昇流を発生させる技術を適用しようとしても、ADU粒子を十分に流動させることができない。したがって、ADU粒子が変形することにより真球度が悪くなるという問題は解決されていない。 However, when high concentration uranium is used as a raw material, the storage equipment must be in the shape of an elongated cylinder or a thin flat plate. It cannot be flowed. Therefore, the problem that the sphericity deteriorates due to the deformation of the ADU particles has not been solved.
また、従来の重ウラン酸アンモニウム粒子の製造は、バッチ方式で行われていた。連続運転可能なADU粒子製造装置は開発されておらず、ADU粒子を量産することは困難であった。 In addition, the conventional production of ammonium heavy uranate particles has been performed in a batch system. An ADU particle production apparatus capable of continuous operation has not been developed, and it has been difficult to mass-produce ADU particles.
本発明は、前記問題を解決すべく、高濃度のウラン原料から真球度の高いADU粒子を製造することのできる重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置を提供することを、その課題とする。 In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an apparatus for producing ammonium heavy uranate particles capable of producing ADU particles having high sphericity from a high concentration uranium raw material.
本発明の前記課題を解決するための手段は、硝酸ウラニルを高濃度に含有する硝酸ウラニル含有原液をアンモニア水溶液中に滴下する滴下ノズルと、前記アンモニア水溶液を貯留し、前記アンモニア水溶液中に存在する粒子を排出する傾斜部を備えて成る臨界安全形状の反応槽と、前記傾斜部に対向する位置に設けられ、前記アンモニア水溶液に前記傾斜部に進行する波を発生させる造波器とを有することを特徴とする重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置である。 Means for solving the problems of the present invention are a dropping nozzle for dropping a uranyl nitrate-containing stock solution containing uranyl nitrate at a high concentration into an aqueous ammonia solution, storing the aqueous ammonia solution, and existing in the aqueous ammonia solution. A critically safe reaction tank comprising an inclined portion for discharging particles, and a wave generator that is provided at a position facing the inclined portion and generates a wave traveling in the inclined portion in the aqueous ammonia solution. An ammonium heavy uranate particle producing apparatus characterized by
本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置は、高濃度のウラン原料から真球度の高いADU粒子を製造することができる。造波器を設けることにより、アンモニア水溶液中で液滴を上下動させる。液滴は上下動を繰り返しながらアンモニア水溶液中を下降していき、やがて反応槽の底面に達する。したがって、液滴が反応槽の底面に達するまでに、液滴とアンモニア水溶液との接触時間を長くすることができ、硝酸ウラニルとアンモニアとを十分に反応させることができる。反応槽の底面に傾斜部を設けることにより、反応槽内のアンモニア水溶液の量を一定に保つことができる。 The apparatus for producing ammonium heavy uranate particles of the present invention can produce ADU particles with high sphericity from a high concentration of uranium raw material. By providing a wave maker, droplets are moved up and down in an aqueous ammonia solution. The droplet descends in the aqueous ammonia solution while repeating vertical movement and eventually reaches the bottom of the reaction vessel. Therefore, the contact time between the droplet and the aqueous ammonia solution can be increased until the droplet reaches the bottom surface of the reaction vessel, and uranyl nitrate and ammonia can be sufficiently reacted. By providing the inclined portion on the bottom surface of the reaction tank, the amount of the aqueous ammonia solution in the reaction tank can be kept constant.
以下、本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置(以下、「ADU粒子製造装置」と称する場合がある。)を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the ammonium heavy uranate particle production apparatus of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “ADU particle production apparatus”) will be described with reference to the drawings.
本発明のADU粒子製造装置を図1に示す。なお、本発明のADU粒子製造装置は、図1に示されるものに限られることはない。 The ADU particle production apparatus of the present invention is shown in FIG. In addition, the ADU particle manufacturing apparatus of this invention is not restricted to what is shown by FIG.
図1に示されるADU粒子製造装置1は、反応槽2、滴下ノズル3、造波器4およびアンモニア水溶液供給部5を備えてなる。
The ADU
前記反応槽2には、アンモニア水溶液が貯留されている。この反応槽2の上方に配置された滴下ノズル3から前記アンモニア水溶液に硝酸ウラニル含有原液が滴下される。アンモニア水溶液中でアンモニアと硝酸ウラニルとが反応し、アンモニア水溶液中に滴下された液滴bの表面から内部に向けて徐々に重ウラン酸アンモニウムが形成され、液滴bはADU粒子aになる。
The
前記反応槽2は、耐熱性および耐腐食性を有する槽であればよく、矩形の鉛直方向断面を有する。前記反応槽2の深さ寸法は小さく、反応槽2の底面に傾斜部6が設けられ、前記傾斜部6に連続するように排出路7が設けられている。
The
前記反応槽2は、その深さ寸法を小さくすることにより、臨界安全形状を維持している。前記深さ寸法は、濃縮度10%以下のウランを取り扱う場合は、8.3cm以下、濃縮度20%以下のウランを取り扱う場合は、6.7cm以下にしなければならない。
The
前記反応槽2は傾斜部6を有しているので、アンモニア水溶液中で形成されたADU粒子aをアンモニア水溶液の波とともに、容易に反応槽2外に排出することができ、反応槽2から流出したアンモニア水溶液は、アンモニア水溶液供給部5より供給されるため、反応槽2におけるアンモニア水溶液の量を一定に維持することができる。
Since the
図1に示されるADU粒子製造装置1においては、反応槽2の上部は開口しているが、滴下ノズル3が配置される箇所に対応する部分のみ開口した密閉型の反応槽であってもよい。
In the ADU
前記傾斜部6における斜面6aの勾配の角度θは、5〜30度であるのが好ましい。また、前記反応槽2の底面に対する傾斜部6の頂点の高さは、形状制限から決まる寸法制限値以下で粒子を反応槽2の外に排出するために必要な高さ、例えば、1cmを考慮して決定されなければならない。
The inclination angle θ of the
前記滴下ノズル3は、前記反応槽2の上方に配置される。滴下ノズル3の一端開口部は反応槽2に貯留されたアンモニア水溶液の表面に対向するように配置される。そして、他端開口部は原液供給路(図示せず)に接続し、前記原液供給路は原液貯留槽(図示せず)に接続している。原液貯留槽に貯留された硝酸ウラニル含有原液は、原液供給路を通って滴下ノズル3に至り、滴下ノズル3の一端開口部からアンモニア水溶液中へ滴下される。
The dripping
前記滴下ノズル3の形状および大きさとしては、特に制限はないが、通常、断面円形のノズルが用いられる。前記滴下ノズル3の断面が円形である場合、その内径は、0.2〜3mmであるのが好ましい。
Although there is no restriction | limiting in particular as a shape and a magnitude | size of the said
また、前記滴下ノズル3は、一本であっても複数本であってもよい。硝酸ウラニル含有原液を滴下する際には、振動器(図示せず)を滴下ノズル3に取り付けて、滴下ノズル3を硝酸ウラニル含有原液の滴下方向および/または滴下方向に対する直交方向に振動させるようにすることもできる。
Moreover, the dripping
前記造波器4は、前記反応槽2の傾斜部6に対向する位置に設けられ、反応槽2内のアンモニア水溶液に前記傾斜部6に進行する波を発生させる。前記造波器4で発生する波の振幅は、50〜200cmであるのが好ましく、その周波数は、0.5〜2Hzであるのが好ましい。
The
このような波をアンモニア水溶液に発生させることにより、アンモニア水溶液中に滴下された液滴がアンモニア水溶液中で上下動しながら徐々に反応槽2の傾斜部6に移動する。すなわち、アンモニア水溶液と液滴bとの接触時間を長くすることができ、液滴bの内部までアンモニアと硝酸ウラニルとを十分に反応させることができるとともに、ADU粒子aが積載され、上部側のADU粒子aの重量で下部側のADU粒子aが変形し、真球度が悪化するという問題を解決することができる。
By generating such a wave in the aqueous ammonia solution, the droplet dropped in the aqueous ammonia solution gradually moves to the inclined portion 6 of the
また、排出路7から排出され、ADU粒子aと分別して回収したアンモニア水溶液は、アンモニア水溶液供給部5により、反応槽2の内部へ戻される。
Further, the aqueous ammonia solution discharged from the
ここで、アンモニア水溶液供給部5は、排出路7と、反応槽2の造波器4の設置された側とを液体を供給可能に接続されてなる。具体的には、アンモニア水溶液供給部5は、供給路5Aと、循環ポンプ5Bとを備えてなる。供給路5Aは、排出路7と反応槽2の造波器4の設置された側とを接続する配管である。また、循環ポンプ5Bは、供給路5Aの途中に設けられ、供給路5A内のアンモニア水溶液を、排出路7から反応槽2の造波器4の設置された側へと供給する。
Here, the aqueous ammonia solution supply unit 5 is connected to the
このようにすれば、ADU粒子製造装置1のアンモニア水溶液を有効に利用することができ、ADU粒子製造装置1から排出されるアンモニア水溶液の量を減らすことができるので、環境への負荷を軽減することができる。
In this way, the aqueous ammonia solution of the ADU
また、アンモニア水溶液供給部5には、アンモニア水溶液を貯留するアンモニア水溶液貯留槽(図示せず)を介して設けられていてもよい。 Further, the aqueous ammonia solution supply unit 5 may be provided via an aqueous ammonia solution storage tank (not shown) for storing the aqueous ammonia solution.
このようにすれば、排出路7から排出され、ADU粒子aと分別して回収したアンモニア水溶液は、アンモニア水溶液供給部5により、反応槽2の内部へ戻される際に、前記アンモニア水溶液貯留槽(図示せず)によって、アンモニア水溶液の濃度を調節することができる。そうすると、反応槽2における反応によって希薄になったアンモニア水溶液を所定の濃度にして、供給路5Aから反応槽2へ導入することができるので、反応により消費されたアンモニア量に相当する量を補うことができ、反応槽2内のアンモニア水溶液濃度を一定に維持することができて、都合がよい。
In this way, when the aqueous ammonia solution discharged from the
前記排出路7から排出されたADU粒子aとアンモニア水溶液とは、それぞれ分別回収される。分別回収されたADU粒子aは、乾燥工程、焙焼工程および焼結工程を経て燃料核になる。
The ADU particles a and the aqueous ammonia solution discharged from the
本発明のADU粒子製造装置1を用いて、以下のようにADU粒子aを製造することができる。
Using the ADU
原液貯留槽に硝酸ウラニル含有原液を投入する。 The stock solution containing uranyl nitrate is put into the stock solution storage tank.
前記硝酸ウラニル原液は、酸化ウランと硝酸とを混合して得られる硝酸ウラニルに水溶性ポリマーを添加し、次いで純水を添加することにより粘度を調節して調製される。 The uranyl nitrate stock solution is prepared by adjusting the viscosity by adding a water-soluble polymer to uranyl nitrate obtained by mixing uranium oxide and nitric acid, and then adding pure water.
前記酸化ウランとしては、二酸化ウラン、三酸化ウランまたは八酸化三ウラン等を挙げることができ、特に八酸化三ウランが好ましい。 Examples of the uranium oxide include uranium dioxide, uranium trioxide, and triuranium octoxide, and uranium trioxide is particularly preferable.
前記水溶性ポリマーとしては、ポリビニルアルコール(以下、PVAと略する。)、ポリアクリル酸ナトリウム及びポリエチレンオキシド等の合成ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、及びエチルセルロース等のセルロース系ポリマー、可溶性でんぷん、及びカルボキシメチルでんぷん等のでんぷん系ポリマー、デキストリン、及びガラクタン等の水溶性天然高分子等を挙げることができる。 Examples of the water-soluble polymer include polyvinyl alcohol (hereinafter abbreviated as PVA), synthetic polymers such as sodium polyacrylate and polyethylene oxide, cellulose polymers such as carboxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, methyl cellulose, and ethyl cellulose, soluble starch, And starch-based polymers such as carboxymethyl starch, water-soluble natural polymers such as dextrin, and galactan.
これら各種の水溶性ポリマーは、その一種を単独で使用されても、また、それらの二種以上が併用されていても良い。これらの中でも、水溶性ポリマーとして前記合成ポリマーが好ましく、特にポリビニルアルコールが好ましい。 One of these various water-soluble polymers may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Among these, the synthetic polymer is preferable as the water-soluble polymer, and polyvinyl alcohol is particularly preferable.
まず、反応槽2に所定濃度、所定量のアンモニア水溶液を収容する。そして造波器4を作動させ、反応槽2内のアンモニア水溶液に傾斜部6の方向への流れを生じさせる。次に、滴下ノズル3に所定の硝酸ウラニル含有原液を流通させ、反応槽2内でアンモニア水溶液に、滴下ノズル3より硝酸ウラニル含有原液の液滴bを滴下する。
First, a predetermined concentration and a predetermined amount of aqueous ammonia solution are stored in the
なお、図示は略すが、滴下された各々の液滴bに対して、適宜アンモニアガスを吹きかけるようにしてもよい。このようにすれば、液滴bの表面ではゲル化が進み、アンモニア水溶液表面に衝突する際の液滴bの変形を抑制することができる。 In addition, although illustration is abbreviate | omitted, you may make it spray ammonia gas suitably with respect to each dropped droplet b. In this way, gelation proceeds on the surface of the droplet b, and deformation of the droplet b when colliding with the ammonia aqueous solution surface can be suppressed.
アンモニア水溶液中に滴下された各液滴bは、反応槽2内のアンモニア水溶液中を浮遊し、このアンモニア水溶液より、アンモニアを吸収する。そして、各液滴bは、表面だけでなく、内部までもゲル化が進み、ADU粒子aへと反応が進む。
Each droplet b dropped into the aqueous ammonia solution floats in the aqueous ammonia solution in the
なお、反応槽2から排出され、アンモニア水溶液と分別されたADU粒子aは、乾燥して、その後、所定の条件で焙焼、還元・焼結の各工程を経て、二酸化ウラン粒子となる。
The ADU particles a discharged from the
本発明におけるADU粒子製造装置1は、図1に示される装置に限られることはなく、本発明の目的を達成することができる範囲内において、適宜、設計変更等が可能である。
The ADU
1 ADU粒子製造装置
2 反応槽
3 滴下ノズル
4 造波器
5 アンモニア水溶液供給部
5A 供給路
5B 循環ポンプ
6 傾斜部
6a 斜面
7 排出路
a ADU粒子
b 液滴
DESCRIPTION OF
Claims (1)
A critically safe shape comprising a dropping nozzle for dropping a uranyl nitrate-containing stock solution containing uranyl nitrate at a high concentration into an aqueous ammonia solution, and an inclined portion for storing the aqueous ammonia solution and discharging particles present in the aqueous ammonia solution. And a wave generator that is provided at a position facing the inclined portion and generates a wave that travels to the inclined portion in the aqueous ammonia solution.
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