JP2006284487A - 金属燃料製造用モールド及び該モールドを用いた金属燃料の製造法 - Google Patents

Abstract

【課題】 モールドを破損することなく、モールド内に鋳込まれた金属ウラン燃料が容易に取り出せる金属燃料製造用モールドを得る。
【解決手段】 一端が閉塞された管状本体部の他端の開口部を真空中でるつぼ内の溶融金属燃料中に浸し、Ａｒガスで加圧して鋳型を金属燃料で満たして冷却固化する金属燃料製造用モールドにおいて、前記モールド本体部が、前記閉塞された一端を含む第１本体部と、前記他端の開口部を含む第２本体部とに分割されてなるもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、原子炉用金属燃料要素の製造に関する。特に、射出成型法によって金属燃料を得る際の製造用モールドに関するものである。

図４は射出成型法による金属燃料製造の工程を示す説明図である。図５は従来型モールドの構成を示す説明図である。金属燃料要素は、燃料用合金を円柱形状に成型した金属燃料をナトリウムと共に被覆管内に収容し、上部端栓と下部端栓とで被覆管内を密封したものである（例えば、特許文献１参照）。この金属燃料の製造には幾つかの方法がある。その中でも射出成型法と呼ばれる方法による金属燃料の製造工程を図４に示す。

この射出成型法で金属燃料を製造する場合に、金属ウラン単体では原子炉にて照射された際にスエリングと呼ばれる体積膨張が発生し、燃料が封入されている被覆管と呼ばれる燃料装荷管と燃料とが干渉し、内包されている燃料あるいは被覆管が損傷する。被覆管が損傷するとウランの核分裂によって生じた核分裂生成物が原子炉外へ放出されるためにこのスエリングを抑える必要があった。

このため、このスエリングを抑える成分としてジルコニウムを添加し、ウラン−ジルコニウム合金として燃料を製造・成型している。このジルコニウムの添加量は、燃料を装荷する炉心特性、燃料照射期間及び装荷位置等の条件によって異なり、概ね重量比として数パーセントから十数パーセントである。

本方法は以下のａ）〜ｈ）の工程に分類される。
ａ）燃料となる金属ウラン及びジルコニウムを装置本体内のるつぼ４１に装荷する。
ｂ）装荷した金属ウランを高周波加熱によって溶解する（図４のａ図）。
ｃ）溶解を確認した後、本体内を真空とする。真空引き終了後、モールドホルダー４２に組み込んだモールド（鋳型）４３を上方から下降させて、その先端を溶解した金属ウラン４４ａ上面に着湯させる（図４のｂ図）。

ｄ）着湯を確認した後、本体内部をＡｒガス等により加圧し、溶解した金属ウラン４４をモールド４３内に鋳込む（図４のｂ図）。
ｅ）金属燃料が鋳込まれたモールド４３を上昇させ、冷却する（図４のｃ図）。
ｆ）冷却後、装置本体からモールドホルダー４２を取り出し、さらに本ホルダー４２からモールド４３を取り外す。

ｇ）鋳込まれた金属燃料４４をモールドから取り出す（脱モールドする）。
ｈ）取り出された金属燃料を規定された製造仕様に合わせる為に上下端を切断し、全長を調整した後、燃料とする。

以上のように、製造工程においては、溶解した金属ウランにモールドを着湯させ、Ａｒガス加圧により金属ウランをモールド内に鋳込み、鋳込まれた金属ウランが固まるタイミングを見計らってモールドを上昇させ、モールド内に鋳込まれた金属燃料を得ている。ここで、上記の工程に述べた様に予めモールドを含めて容器全体の真空引きを行い、着湯後のモールド内は真空状態となっている為に、容器内のＡｒ加圧によって溶解した金属ウランがモールド内に鋳込まれる。

図５に示す通り、一方で金属ウランを鋳込むモールド４３はモールドホルダー４２に組み込むために上端につば５１を設けている。また、Ａｒガス加圧によって溶解状態の金属ウランを鋳込むために着湯後のモールド４３内の真空を保つ目的及びガス加圧時に溶解金属ウランがモールドより飛び出させない目的でこのつばを有する上端は閉じている。従って、鋳込まれた金属燃料が自重によってモールド先端より出ている部分があれば治具或いはぺンチ等で挟み、モールドを上方へ持ち上げることもしくは成型された燃料を引き抜くことによってモールドを破損させることなく金属燃料を取り出せる。

また、モールド先端から金属燃料が出ていない場合は、モールドの上端が閉じているために鋳込まれた金属燃料の先端をモールドより出すことを目的としてモールドに振動を与え、金属燃料の先端部をモールドより出した後に治具にて引き抜いているが、必ずしも金属燃料がモールド先端から出てくる訳ではなく、出てこない場合はモールドを破壊することにより成型された金属燃料を取り出している。さらに、モールドに振動を与える際にも金属燃料の先端がモールドより出てくる前にモールドを破損させることがある。破損したモールドは核燃料物質を扱ったものである為に放射性廃棄物となり、製造工程によって発生する放射性廃棄物量を増加させることになる。更に、金属燃料の先端をモールドより出す作業は一連の製造工程を遅らせることとなる。

ここで破損しなかったモールドは次回の製造工程に供することが可能なため、モールドを破損させないことは製造に必要な資材の節約となると共に発生する放射性廃棄物の低減につながる。
特開平１１−３２６５７１号公報

以上のように、金属燃料を射出成型法によって製造した場合、従来の方法では鋳込まれた金属燃料を取り出すためにはモールド先端から自重によって出ている金属燃料部分を治具にて掴み、引き抜いている。

その一方でモールド先端から金属燃料が出ていない場合は、モールドに振動を与えて先端部をモールドより出した後に治具にて引き抜いているが、必ずしも金属燃料がモールド先端から出てくる訳ではなく、出てこない場合はモールドを破壊することにより成型された金属燃料を取り出している。一方、モールドに振動を与える際にもモールドを破損させることがある。

ここで、金属燃料を取り出すためにモールドに振動を与えることは製造工程を遅らせることになる。また、燃料の取り出しのために破壊・破損したモールドは核燃料物質を扱った物品である故に放射性廃棄物となり、燃料製造上好ましくない。

本発明は、モールドを破壊することなく得られた金属燃料を取り出すことができ、上述した問題の解決を図ることを目的とする。

前述の通り、従来技術では、モールド先端から金属燃料が出ていない場合は、モールドに振動を与えて先端部をモールドより出した後に治具にて引き抜いているが、必ずしも金属燃料がモールド先端から出てくる訳ではなくモールドから金属ウラン燃料を容易に取り出せないために製造工程が滞り、また取り出す際にモールドが破損することがあるために、必要以上の放射性破棄物が発生していた。

そこで、請求項１に記載された発明に係る金属燃料製造用モールドは、一端が閉塞された管状本体部の他端の開口部を真空中でるつぼ内の溶融金属燃料中に浸し、Ａｒガスで加圧して鋳型を金属燃料で満たして冷却固化する金属燃料製造用モールドにおいて、
前記モールド本体部が、前記閉塞された一端を含む第１本体部と、前記他端の開口部を含む第２本体部とに分割されてなることを特徴とするものである。

閉塞された一端を含む第１本体部と、前記他端の開口部を含む第２本体部とに分割することにより、モールドを破損することなく、モールド内に鋳込まれた金属ウラン燃料が容易に取り出せる。

本発明のモールドは、従来のモールドは石英ガラスを用いていたためにネジ構造に加工することが非常に難しく、モールドに必要となる加工性、耐熱衝撃性及びウランとの反応性の観点からジルコニウム系金属製が好ましい。しかしながら、ネジ構造に加工できるのであれば、石英ガラス製のモールドでも可能である。また、モールドの他の素材としては、ウラン−ジルコニウム合金の溶解温度がおおよそ１２００℃以上であることから、高融点金属のうちタンタル及びタングステン等の金属も使用可能であると考えられる。

本発明のモールドとしては、第１本体部と第２本体部との分割が、金属燃料を鋳込む際に一体となり、引き抜く際に分割される構造であればよい。例えば、摺り合わせ状態の部材同士を摺り合わせ、別途の結合手段によって摺り合わせ構造を固定する構成にしても良いが、金属燃料を成型する際には、Ａｒガス加圧時に加圧ガスがモールド外部よりモールド内部へ進入することを防がなければならない。そのため、加圧ガスがモールド外部よりモールド内部へ進入することを防ぐ密閉性向上手段を備えても良いが、例えば石英性ガラス製のモールドにそのような手段としての部材を追加することはモールドの脆弱性を招くおそれがある。従って、加圧ガスの進入を防ぐ観点からも第１本体部と第２本体部との分割の連結部はしっかりとした密閉性を保持しつつ簡略な構成とする必要がある。

そこで、好ましい態様としては、請求項２に記載された発明に係る金属燃料製造用モールドは、請求項１に記載の分割された第１本体部と第２本体部とが、雄ネジと雌ネジとの螺合によって着脱可能に連結されていることを特徴とするものである。

雄ネジと雌ネジとの螺合によって連結部がしっかりとした密閉性を有するため、加圧ガスが進入することを防ぐことができ、構成としても簡略な構成である。尚、加圧ガスの進入を防ぐ観点からも、更に好ましくは、モールドの螺合部に設ける雄ネジと雌ネジとのピッチは小さく、尚且つ、ピッチ高さはより高くして、連結部をより密着させて密閉性を高めることが好ましい。

また、加圧ガスがモールド外部よりモールド内部へ進入することに対して高い密閉性を備えるためには、第１本体部と第２本体部との螺合部の全長は長いほど好ましいが、ネジ加工を施す螺合部を長くするとモールドの加工費の上昇につながり、燃料製造コストの上昇へつながる。従って、より好ましい態様としては螺合部の長さは加圧ガスの進入を防ぐことが可能と思われる長さとする。一例を挙げるならば、通常の金属燃料を製造するモールドとしては、１０ｍｍ以上とする。

従って、請求項３に記載された発明に係る金属燃料製造用モールドは、請求項２に記載の雄ネジと雌ネジとの螺合長さが１０ｍｍ以上であることを特徴とするものである。

本発明では、前述のモールドを用いて金属燃料を製造する際の工夫も検討した。即ち、請求項４に記載された発明に係る金属燃料製造用モールドを用いた金属燃料の製造法は、請求項１〜３の何れか１項に記載の金属燃料製造用モールドの開口部を真空中でるつぼ内の溶融金属燃料中に浸し、Ａｒガスで加圧してモールド内に金属燃料を満たしてこれを冷却固化した後、金属燃料を前記モールドから取り出す金属燃料の製造法において、
前記金属燃料をモールドから取り出す操作が、閉塞された一端を含む第１本体部と他端の開口部を含む第２本体部とを分割して、第１本体部が取り除かれた後に表出する金属燃料の一端部を掴んで第２本体部から引き抜く操作、又は、閉塞された一端を含む第１本体部と他端の開口部を含む第２本体部とを分割して、第１本体部が取り除かれた後に表出する金属燃料の一端部を他端部側へ押出して第２本体部の他端部側へ表出させた金属燃料の他端部を掴んで第２本体部から引き抜く操作を含むことを特徴とするものである。

これにより、スムーズに金属燃料を引き抜くことができ、モールドから金属燃料を容易に取り出せることで、モールドからの取り出しによる製造工程の滞りが解消される。更に、モールドの破損が無くなり放射性廃棄物が減量される。更に、押し出し用治具を併用することによって、得られた金属燃料の全長に関係なく金属燃料を取り出せることになり、製造工程の短縮化が可能となる。

本発明の製造法としては、固化した金属燃料を引き抜く際に、容易にするための措置を実施することを否定しない。例えば、請求項５に記載された発明に係る金属燃料製造用モールドを用いた金属燃料の製造法は、請求項４に記載のモールド内に金属燃料を満たす前に予めモールド内面にジルコニア粉末をコーティングしておくことを特徴とするものである。尚、ジルコニア粉末以外にも金属燃料に不純物として混入されても燃料性能を阻害せず、金属燃料の引き抜きを容易にする他の粉末でも良い。

本発明では、モールド上端部を外した後に、製造した金属ウランの上端部を燃料を引き抜く為の治具によって、十分につかむことが必要であり、この長さとしては２０ｍｍ以上が必要である。そのため、請求項６に記載された発明に係る金属燃料製造用モールドを用いた金属燃料の製造法は、請求項４又は５に記載の分割された第１本体部と第２本体部とが、雄ネジと雌ネジとの螺合によって着脱可能に連結され、前記雄ネジと雌ネジとの螺合開始位置が前記第１本体部の閉塞壁内面から２０ｍｍ以上であるモールドを用いることを特徴とするものである。

本発明は以上説明した通り、従来技術では、モールドから金属ウラン燃料を容易に取り出せないために製造工程が滞り、また取り出す際にモールドが破損することがあるために、必要以上の放射性破棄物が発生していたことに鑑み、モールドを破損することなく、モールド内に鋳込まれた金属ウラン燃料が容易に取り出せる効果を奏する。

また、モールドから金属燃料を容易に取り出せることで、モールドからの取り出しによる製造工程の滞りはなくなり、更に、モールドの破損が無くなり、同じモールドを再使用出来るために放射性廃棄物が減量される。更に、押し出し用治具を併用することによって得られた金属燃料の全長に関係なく金属燃料を取り出せることになり、製造工程の短縮化が可能となったという効果がある。

図１は本発明の金属燃料製造用モールドの一例の構成を示す説明図である。図２は図１の金属燃料製造用モールドの取り出し法を説明する説明図である。図３はモールドホルダーにモールドを束ねる工程を示す説明図である。

本発明においては、前述の問題を解決するためには、得られた金属燃料を治具でつかめればよく、金属燃料の端部がモールドから出せる構造ヘと変更する。この端部をつかむ為にモールドにネジ構造による分割部を設けて、モールドを上下に分割できる構造にすればよい。ここで、従来のモールドは石英ガラスを用いていたためにネジ構造に加工することが非常に難しく、モールドに必要となる加工性、耐熱衝撃性及びウランとの反応性の観点からジルコニウム系金属の適用が検討された。ジルコニウム系金属によるモールドとした場合、その本体部にネジ切り加工が可能となる。

図１に示す通り、一端が閉塞され、他端が開口された管状のモールド１１はジルコニウム系金属製である。管状のモールド１１は、閉塞された一端を含み端部に鍔部１２を含む第１本体部１３と、斜めに切断されたような先端開口部１４を含む第２本体部１５とに分割可能である。

図２のａ図に示す通り、分割構造としては、第１本体部１３には雌ネジ１６が形成され、第２本体部１５には雄ネジ１７が形成されており、これら雌ネジ１６と雄ネジ１７とが螺合して一体化可能である。このように、モールド１１の上下分割が可能となり、金属燃料の端部がつかめることによってモールドを破損することなく金属燃料を取り出せる。

また、モールド内部に挿通可能な太さの燃料押し出し用治具３１を第１本体部１３を取り除いた開口へ挿入し、金属燃料３０を先端開口部１４側へ押出す状態を示しているｂ図に示す通り、得られた金属燃料の全長が短く、その上端がモールドの螺合部までに達していなかった場合でも、第２本体部１５の先端開口部１４又は第１本体部１３を取り去った後の開口部から挿通して内部の金属燃料を他の開口部側へ押出す燃料押し出し用治具３１よってモールドを破損することなく得られた金属燃料を取り出すことが可能である。

図３のａ図に示す通り、このモールド１１をモールドホルダー２１に組み込む。モールドホルダー２１の第１ホルダー円板部２２及び第２ホルダー円板部２３には、モールド１１が挿通される挿通孔２４が放射状に形成されている。これら挿通孔２４にモールド１１の先端開口部１４側を挿通して多数本のモールド１１を束ねる。ｂ図及びｃ図に示す通り、第１ホルダー円板部２２には、ホルダー上部蓋２５が被せられ、鋳込み時のガス加圧によってもモールドホルダー２１から外れないように保持される。

即ち、製造効率の観点から一度に複数のモールドを用いて金属燃料を製造しており、数本のモールドをモールドホルダーに挿入して製造されている。ここで、モールドホルダー２１には鋳込み時のガス加圧によってモールドが上下運動をしてモールドホルダーから外れない様に上部蓋２５が取り付けられている（図３）。

ここで、モールド内面にはジルコニア粉末をコーティングしているためにモールドと金属ウランが反応することはなく、得られた金属ウランは容易に抜くことが出来る。

尚、本発明によるモールドの螺合部には次の点を考慮する必要がある。
ａ）ネジのピッチ・高さ
本方法によって金属燃料を成型するには、Ａｒガス加圧時に加圧ガスが外部よりモールド内部へ進入することを防がなければならない。一方で、モールド本体を分割する構造とするとその連結部から加圧ガスが進入する恐れがある。従って、加圧ガスの進入を防ぐ観点からもモールド螺合部に設けるネジのピッチは小さく、高さは高くして、連結部をより密着させることが好ましい。

ｂ）螺合部の長さ
先に述べた様に本方法によって金属燃料を成型するには、Ａｒガス加圧時に加圧ガスが外部よりモールド内部に進入することを防がなければならない。一方で、モールド本体を分割する構造とするとその連結部から加圧ガスが進入する恐れがある。螺合部より加圧ガスが進入することを防ぐためには、そのネジの螺合部の全長は長いほど好ましいが、ネジ加工される螺合部を長くするとモールドの加工費の上昇につながり、燃料製造コストの上昇へつながる。従って、ネジの螺合部の長さは加圧ガスの進入を防ぐことが可能と思われる１０ｍｍ以上とする。

ｃ）螺合部を設ける位置
モールド上端部を外した後に、製造した金属ウランの上端部を燃料を引き抜く為の治具によって、十分につかむことが必要であり、この長さとしては２０ｍｍ以上が必要と考える。また金属燃料製造時には、製造する金属燃料の上端がモールド第１本体部の閉塞内壁面までに達する圧力にて加圧するため、概ねモールド上端まで金属燃料は鋳込まれると考える。従って、螺合部を設ける位置としてはネジ螺合部の長さ１０ｍｍ及びジグにてつかむための金属燃料上部長を２０ｍｍとして、第１本体部の閉塞内壁面より下方へ３０ｍｍよりも下側から上方に向かってネジ螺合部を設け、第１本体部の閉塞内壁面より下方２０ｍｍ程度の部分までネジ螺合部とする（図２のａ図）。

ここで、製造上の不都合によって得られた金属燃料の上端がモールドの螺合部より下方であっても別途に準備する燃料押し出し用治具によって、金属燃料を下方に押し出し、その押し出された部分を治具にて掴み、燃料を引き抜けばよい。

材質をジルコニウム系金属とし、内面にジルコニア粉末をコーティングした図１に示すモールドを作製し、金属燃料の製造を目的とした射出試験を実施した。具体的には、図３に示す複数のモールド１１をモールドホルダー２１に装着し、先端開口部１４を真空中でるつぼ内の溶融金属燃料中に浸し、Ａｒガスで加圧してモールド内に金属燃料を満たしてこれを冷却固化した。固化後、モールド１１の第１本体部１３を取り除いた後、金属燃料３０をモールド１１から取り出した。

その結果、モールドを破損することなく、従来通りの金属燃料が成型出来ること及び取り出し用治具によってモールドを破損することなく金属ウラン燃料が容易に取り出せることが確認された。また、一度使用したモールドを再利用した同様の製造試験を行って、モールドの再利用性を確認した。

本発明の金属燃料製造用モールドの一例の構成を示す説明図である。 図１の金属燃料製造用モールドの取り出し法を説明する説明図である。 モールドホルダーにモールドを束ねる工程を示す説明図である。 射出成型法による金属燃料製造の工程を示す説明図である。 従来型モールドの構成を示す説明図である。

符号の説明

１１…モールド、
１２…鍔部、
１３…第１本体部、
１４…先端開口部、
１５…第２本体部、
１６…雌ネジ、
１７…雄ネジ、
２１…モールドホルダー、
２２…第１ホルダー円板部、
２３…第２ホルダー円板部、
２４…挿通孔、
２５…ホルダー上部蓋、
３０…金属燃料、
３１…燃料押し出し用治具、

Claims (6)

1. 一端が閉塞された管状本体部の他端の開口部を真空中でるつぼ内の溶融金属燃料中に浸し、Ａｒガスで加圧して鋳型を金属燃料で満たして冷却固化する金属燃料製造用モールドにおいて、
   前記モールド本体部が、前記閉塞された一端を含む第１本体部と、前記他端の開口部を含む第２本体部とに分割されてなることを特徴とする金属燃料製造用モールド。
2. 前記分割された第１本体部と第２本体部とが、雄ネジと雌ネジとの螺合によって着脱可能に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の金属燃料製造用モールド。
3. 前記雄ネジと雌ネジとの螺合長さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の金属燃料製造用モールド。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の金属燃料製造用モールドの開口部を真空中でるつぼ内の溶融金属燃料中に浸し、Ａｒガスで加圧してモールド内に金属燃料を満たしてこれを冷却固化した後、金属燃料を前記モールドから取り出す金属燃料の製造法において、
   前記金属燃料をモールドから取り出す操作が、閉塞された一端を含む第１本体部と他端の開口部を含む第２本体部とを分割して、第１本体部が取り除かれた後に表出する金属燃料の一端部を掴んで第２本体部から引き抜く操作、又は、閉塞された一端を含む第１本体部と他端の開口部を含む第２本体部とを分割して、第１本体部が取り除かれた後に表出する金属燃料の一端部を他端部側へ押出して第２本体部の他端部側へ表出させた金属燃料の他端部を掴んで第２本体部から引き抜く操作を含むことを特徴とする金属燃料製造用モールドを用いた金属燃料の製造法。
5. 前記モールド内に金属燃料を満たす前に予めモールド内面にジルコニア粉末をコーティングしておくことを特徴とする請求項４に記載の金属燃料製造用モールドを用いた金属燃料の製造法。
6. 前記分割された第１本体部と第２本体部とが、雄ネジと雌ネジとの螺合によって着脱可能に連結され、
   前記雄ネジと雌ネジとの螺合開始位置が前記第１本体部の閉塞壁内面から２０ｍｍ以上であるモールドを用いることを特徴とする請求項４又は５に記載の金属燃料製造用モールドを用いた金属燃料の製造法。
   

Images