JP2006300639A

JP2006300639A - 高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法

Info

Publication number: JP2006300639A
Application number: JP2005120907A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yasuda; 淳安田
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】高温ガス炉用ウラン燃料の製品不良分を従来より簡便に再利用可能状態とすることができる方法の提供。
【解決手段】高温ガス炉用燃料から被覆燃料粒子を回収する方法であって、燃料を酸溶液中に浸漬した状態で陽極とし、金属電極からなる陰極との間に電圧を印可することにより電気分解で該燃料を解砕する電気解砕工程と、電気解砕工程で得られた解砕物をろ過、洗浄した後乾燥する洗浄乾燥工程と、乾燥後の解砕物を予め定められたメッシュの篩に掛けて所定粒径範囲内の被覆燃料粒子を篩分ける篩選別工程と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温ガス炉用被覆燃料粒子を製品不良分から回収する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健全性の良好な黒鉛で形成し、ヘリウム等の高温下でも化学的反応の起こらないガス冷却材を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度のヘリウムガスを取り出すことの可能な原子炉であり、得られる約９００℃の高温熱は、発電はもちろんのこと水素製造や化学プラント等幅広い分野での熱利用を可能にするものである。

このような高温ガス炉の燃料は、通常、ウランを含む溶液を出発原料として製造した二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径約３５０〜６５０μｍの燃料核を基本構造とし、この燃料核の外表面に複数の被覆層を形成してなる被覆燃料粒子を用いたものである。

高温ガス炉で一般的な被覆燃料粒子は、例えば、第１被覆層として密度約１g/cm^３の低密度熱分解炭素層を形成し、第２被覆層として密度約１．８g/cm^３の高密度熱分解炭素層を形成し、さらに第３被覆層として炭化珪素（ＳｉＣ）層を、また第４被覆層として密度約１．８g/cm^３の高密度熱分解炭素層を形成した計４層の被覆を施されたものが挙げられる。

第１被覆層は、ガス状の核分裂生成物のガス留めとしての機能及び燃料核の変形を吸収する緩衝部としての機能を併せ持つものである。また第２被覆層はガス状核分裂生成物の保持機能を有し、第３被覆層は固体状核分裂生成物の保持機能を有すると共に、被覆層の主要な強度部材である。第４被覆層は、第２被覆層と同様のガス状核分裂生成物の保持機能と共に第３被覆層の保護層としての機能も持っている。

被覆燃料粒子の一般的なものは直径約５００〜１０００μｍである。被覆燃料粒子は黒鉛母材中に分散させ一定形状の燃料コンパクトの形に成型加工され、さらに黒鉛でできた筒にコンパクトを一定数量入れ、上下に栓をした燃料棒の形にされる。最終的に燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に入れられ、この六角柱型黒鉛ブロックを多数個、ハニカム配列に複数段重ねて炉心を構成している。

被覆燃料粒子となる被覆前の燃料核は一般的に以下のような工程で製造されており、大量形成が可能な方法として振動滴下によりゲル状の粒子を得る外部ゲル化法が多く用いられている。具体的には、まず酸化ウランの粉末を硝酸に溶かし硝酸ウラニル原液とし、この硝酸ウラニル原液に純水、添加剤を加え撹拌することにより滴下原液とする。添加剤は、滴下された硝酸ウラニルの液滴が落下中に自身の表面張力により真球状になるようにする増粘剤であると同時にアンモニウムとの接触により原液をゲル化せしめるために添加されるものであり、例えばポリビニルアルコール樹脂、アルカリ条件下でゲル化する性質を持つ樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズなどを挙げることができる。

上記のように調製された滴下原液は所定の温度に冷却され粘度を調整した後、細径の滴下ノズルを振動させることによりアンモニア水溶液中に滴下される。アンモニア水溶液中へ液滴となって入った原液は、硝酸ウラニルがアンモニアと十分に反応させられると同時に前記添加剤がゲル化され、重ウラン酸アンモニウム（ＡＤＵ）を含むゲル状の粒子となる。

なお、滴下の際にアンモニア水溶液表面に着水するまでの空間において液滴にアンモニアガスを噴射することによって表面をゲル化させておけば、着水時の変形を防止することができる。得られたＡＤＵゲル粒子は、大気中で焙焼され、水分および添加剤が除去されて三酸化ウラン粒子となり、さらに還元・焼結されることにより高密度のセラミックス状二酸化ウランからなる球状の燃料核となる。

この燃料核を用いた被覆燃料粒子の製造工程としては、燃料核を流動床の反応容器内に投入し、その燃料核を流動させるための流動ガスとしても機能する被覆層の原料ガスをガス導入管を介して反応容器底部まで送り、該底部に開口するガス噴出ノズルから反応容器内上方へ噴出させ、ここで熱分解させることにより被覆を施す方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。

例えば、第１被覆層の低密度炭素層の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を熱分解して被覆を施し、第２および第４被覆層の高密度熱分解炭素層の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）を熱分解して行う。第３被覆層のＳｉＣ層の場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ_３SiCl_３）を熱分解することにより被覆を実施する。

以上のようにして得られた被覆燃料粒子は、一般的にその表面に黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材をコーティングしてオーバーコート粒子を得る。さらに、これらオーバーコート粒子を、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または円筒形にプレス成型またはモールド成型した後、焼成して燃料コンパクトやペブルが得られる。

特開平５−２７３３７４号公報

しかしながら、上記のような流動床を用いて製造した被覆燃料粒子を用いて形成した燃料コンパクトやペブルのなかで、外観、寸法、ウラン量等の不備により製品不良分が発生することもある。従来は、これらの製品不良分はすべてスクラップとして処理し、製品中のウランを回収して原料粉末（Ｕ３０８）に戻していた。このように高温ガス炉用ウラン燃料の製品不良分からウランを再利用できるまでには煩雑な処理工程を必要とし、非常に手間がかかっていた。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、高温ガス炉用ウラン燃料の製品不良分を従来より簡便に再利用可能状態とすることができる方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法では、二酸化ウラン燃料核を有する被覆燃料粒子を黒鉛マトリックス中に分散させて成型してなる高温ガス炉用燃料から前記被覆燃料粒子を回収する方法であって、前記燃料を酸溶液中に浸漬した状態で陽極とし、金属電極からなる陰極との間に電圧を印可することにより電気分解で該燃料を解砕する電気解砕工程と、前記電気解砕工程で得られた解砕物をろ過、洗浄した後乾燥する洗浄乾燥工程と、乾燥後の解砕物を予め定められたメッシュの篩に掛けて所定粒径範囲内の被覆燃料粒子を篩分ける篩選別工程と、を備えたものである。

また、請求項２に記載の発明に係る高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法では、請求項１に記載の高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法において、前記篩選別工程で選別された被覆燃料粒子から予め定められた真球度のものを選別する真球度選別工程をさらに備えたものである。

さらに、請求項３に記載の発明に係る高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法では、請求項１または請求項２に記載の高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法において、前記電気解砕工程で用いる酸溶液として、硝酸あるいは硫酸の溶液を用いることを特徴とするものである。

本発明の方法によれば、従来スクラップとして処理して原料粉末に戻すしかなかった不良製品分の高温ガス炉用燃料から簡便に被覆燃料粒子を回収できるため、この回収された被覆燃料粒子を再度製造に使用することができ、結果として高温ガス炉用燃料製造における製品歩留まりを向上させることができるという効果がある。

本発明による高温ガス炉用燃料の不良製品から被覆燃料粒子を回収する方法では、まず、電気解砕工程にて前記燃料を酸溶液中に浸漬した状態でこの燃料を陽極とし、陰極との間に電圧を印可することによって該燃料を電気分解で解砕するものである。即ち、電気分解では、陽極側より水素が、陰極側から酸化物が発生し、この酸化物が陽極の燃料に作用して燃料中の結合バインダーである黒鉛マトリックスとして主に含まれる無定形炭素を酸化し、燃料の結合を解離させる。これによって燃料中のマトリックス材がバラバラになって燃料は解砕される。

本発明では、この電気解砕工程で得られた解砕物をろ過、洗浄した後乾燥し、この乾燥した解砕物を篩に掛けて予め定められた粒径範囲内の被覆燃料粒子を篩分けて回収するものである。前記電気解砕工程では、酸溶液中で電気分解によりバラバラになった燃料は、被覆燃料粒子と黒鉛とが大雑把に分けられる。これら解砕物をろ過・洗浄して乾燥すると、被覆燃料粒子と燃料成型時に母材として用いた黒鉛のスクラップとが得られる。従って、これら被覆燃料粒子と黒鉛スクラップとを予め定められたメッシュの篩に掛ければ、そのメッシュに応じた必要な粒径範囲の被覆燃料粒子を篩い分けることができる。

このときその粒径範囲から外れた粒子はスクラップとして分別できる。また篩選別工程は、一サイズメッシュでの一度の篩い分け作業によるものに限らず、異なるメッシュの篩を用いて段階的に行っても良い。この篩選別の粒径範囲は、回収後に使用される目的の燃料に応じて適宜設定すれば良いが、被覆燃料粒子として一般的に使用されている全粒径範囲のもの、例えば粒径５００〜１０００μｍの範囲内のものを回収できるようにするのが利用効率が高く好ましい。

以上の工程に従えば、不良製品の燃料コンパクトやペブル等の高温ガス炉用ウラン燃料から効率的に被覆燃料粒子を回収することができ、回収された被覆燃料粒子を再度燃料製造に使用できる。従って、従来の不良性品をスクラップ処理して原料粉末に戻してウランを回収していた場合に比べて、格段にウランの回収、再利用のための作業効率が向上し、結果として高温ガス炉用燃料の製品歩留まりを向上させることができる。

なお、被覆燃料粒子の真球度は、次のオーバーコート粒子製造条件やその後のコンパクト製造条件に大きく影響することから、より真球度の良い被覆燃料粒子を選別することが望まれるが、例えば、一般的にオーバーコート前の被覆燃料粒子の選別の基準と同様に、真球度１．２以下のものを選別することが好適である。

なお、真球度とは、粒子直径の長軸に対する短軸の比で、その値が１．０に近いほど真球に近く、離れるほど楕円もしくは異形であることを示すものである。この真球度の選別法としては、従来から用いられている方法を用いれば良い。例えば、図３に示すような回転モータと傾斜角を調整可能な天板とで構成される真球度選別機がある。

この真球度選別機１０は、所定角度α傾斜させた天板１２を、モータ１１の回転軸に連結するクランクの運動によってＸ軸方向とＺ軸方向とに所定距離ずつ往復する楕円軌道を描くように回動運動させるものであり、この楕円軌道で回動する天板１２上の上流側から選別対象の粒子が供給されるものである。

粒子は、天板１２上を上流側から下流側へ転がり落ちるが、真球に近い粒子２０は天板の楕円運動に影響されることなくほぼ直線的な軌道を取って落下していくが、楕円形状もしくは表面がいびつで歪んだ粒子２１は落下中に天板１２の楕円運動による影響を受けてモータ１１と逆のＸ軸方向に押し出されるように斜め方向の軌道をとって落下していく。従って、天板１２の下流側で真球に近い粒子２０の落下軌道上に良品用回収容器１３を設置し、前記斜め方向の軌道上の天板下流領域に不良品用回収容器１４を設置するだけで、真球に近い粒子２０と楕円形または異形の粒子２１とを分別回収することができる。

以上のような真球度選別機を用いる場合、選別する真球度は、天板の傾斜角度αとモータ回転数による天板の楕円運動速度を適宜設定することによって決定することができる。

本発明の一実施例として、被覆燃料粒子を黒鉛マトリックス中に分散させて成型してなる燃料コンパクトから被覆燃料粒子を回収した例を以下に示す。この回収作業の操作手順は、図１のフローチャートに示す通りである。なお、本実施例では、直径約２６ｍｍ、高さ約３９ｍｍ、４９ｇの燃料コンパクトを用いた。この燃料コンパクト中には、平均粒径９００μｍで重量２２ｇ分の被覆燃料粒子が含まれるものである。

この燃料コンパクトを用いてまず電気解砕（１００）を行う。即ち、図２に示すように、容積５００ｃｍ^３の電解容器１内に濃度約４０％の硝酸溶液２（濃硝酸６０％と純水を２：１の割合で混合したもの）を充填し、燃料コンパクト４を陽極として、この硝酸溶液２中に浸漬状態とする。一方、陰極として白金電極３の一端側を硝酸溶液２中に入れ、両電極間に電圧を印可して１０Ａ電圧を４〜５時間流して電気分解を行った。

この電気分解では、陽極側より水素が発生し、陰極側から窒素酸化物が発生するが、この窒素酸化物が陽極の燃料コンパクト４に作用して、主に結合バインダー炭化物（黒鉛マトリックス）として燃料コンパクト４に含まれる無定形炭素を酸化し、燃料コンパクト４の結合を解離させる。これにより燃料コンパクト４はマトリックス材がバラバラになって被覆燃料粒子が分離した解砕物となる。

この解砕物をろ過・水洗し、アルコールで乾燥すると、乾燥解砕物として、被覆燃料粒子＋マトリックス材からなる黒鉛スクラップ５が得られた。これら（被覆燃料粒子＋黒鉛スクラップ）５を、篩選別（１０１）に掛けることによって、必要な粒径範囲を被覆燃料粒子のみを篩い分ける。本実施例では、粒径範囲０．８５〜１．００ｍｍのもののみを選択的に分級した。篩い分けで分級した被覆燃料粒子は１７ｇであり、この粒径範囲を超えるものは全てスクラップ７として２６ｇであった。

上記分級した被覆燃料粒子は、図３に示した真球度選別機１０を用いて、真球度選別（１０２）を行った。本実施例では、天板１２の傾斜角αを３度とし、モータ１１の回転数を６０Ｈｚとすることによって、真球度１．２以下のものを良品として選別した。この真球度選別によって回収された被覆燃料粒子６は１５ｇであり、当初の燃料コンパクト４中に含まれていた被覆燃料粒子２２ｇに対して６８％の回収率であった。

以上のように、本実施例の方法によれば、高い回収率で燃料コンパクトから真球度の良い被覆燃料粒子が回収でき、これら回収被覆燃料粒子を燃料製造に再利用することができる。従って、本発明では不良製品の燃料からの再利用可能ウランの回収を、従来のようにスクラップとして処理して原料粉末に戻してから行う必要なく、より簡便に再利用可能な被覆燃料粒子の状態で良好に回収できるため、結果として高温ガス炉用燃料製造における製品歩留まりを向上させることができる。

本発明の一実施例としての高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法の操作手順を示すフローチャート図である。本発明の被覆燃料粒子回収方法における電気解砕工程を示す説明図である。一般的な真球度選別機を示す概略構成図である。

符号の説明

１：電解容器
２：硝酸溶液
３：白金電極
４：燃料コンパクト
５：被覆燃料粒子＋黒鉛スクラップ
６：回収被覆燃料粒子
７：スクラップ
１０：真球度選別機
１１：モータ
１２：天板
α：天板傾斜角度
２０：真球に近い粒子
２１：楕円形あるいは異形の粒子
１３：良品用回収容器
１４：不良品用回収容器

Claims

二酸化ウラン燃料核を有する被覆燃料粒子を黒鉛マトリックス中に分散させて成型してなる高温ガス炉用燃料から前記被覆燃料粒子を回収する方法であって、
前記燃料を酸溶液中に浸漬した状態で陽極とし、金属電極からなる陰極との間に電圧を印可することにより電気分解で該燃料を解砕する電気解砕工程と、
前記電気解砕工程で得られた解砕物をろ過、洗浄した後乾燥する洗浄乾燥工程と、
乾燥後の解砕物を予め定められたメッシュの篩に掛けて所定粒径範囲内の被覆燃料粒子を篩分ける篩選別工程と、
を備えたことを特徴とする高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法。
前記篩選別工程で選別された被覆燃料粒子から予め定められた真球度のものを選別する真球度選別工程をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法。
前記電気解砕工程で用いる酸溶液として、硝酸あるいは硫酸の溶液を用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高温ガス炉用燃料からの被覆燃料粒子回収方法。