JP2007108056A - 被覆燃料粒子等のオーバーコート装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 オーバーコート容器の未臨界状態を確保して高濃縮度の燃料を高い効率で製造することができるようにする。
【解決手段】 オーバーコート容器は、未臨界状態を確保することができる形状制限寸法を有する樋型細長傾斜容器２０ＶＥから成り、この容器は、粒子が順次移行するように相互に折り返し配置された複数の傾斜容器部分２１１乃至２１９を含み、被覆燃料粒子は、最上段の傾斜容器部分２１１から投入されて順次下方の傾斜容器部分に移行し、各傾斜容器部分内で傾斜に沿って転動しながら粘結剤と黒鉛粉末との供給を受けながらオーバーコートされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、高温ガス炉用のコンパクト燃料又はペブルベッド型燃料の原料である被覆燃料粒子の表面上に黒鉛マトリックス粉末をコーティングするオーバーコート装置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ており、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。

高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミック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。この燃料核の粒径や真球度は、被覆燃料粒子の製造条件に大きく影響するため、燃料核は、粒径選別と真球度選別との工程を経て次の被覆工程にリリースされる。

被覆工程では、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。この被覆燃料粒子の粒径や真球度は、その後のオーバーコートの工程条件に大きく影響するため、被覆燃料粒子は、粒径選別と真球度選別を経て被覆燃料粒子の表面にオーバーコートしてオーバーコート粒子を製造するオーバーコート工程にリリースされる。

オーバーコート工程では、被覆燃料粒子に黒鉛粉末と粘結剤とから成る黒鉛マトリックス材をコーティングして行われる。このようにして形成されたオーバーコート粒子の粒径は、その後のコンパクト条件に大きく影響するため、オーバーコート粒子は、粒径選別を行った後、コンパクトプレス工程にリリースされる。

燃料コンパクトは、オーバーコート粒子を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た後、焼結して得られる。

従来技術のオーバーコート装置は、図８に示すように、盥型の回転容器２０から成っていたが、このような構造の容器は、被覆燃料粒子の回転時に対面寸法が大きくなるため、燃料の未臨界状態を保つことができないので、濃縮度が１０％を越えるような高濃縮度の燃料を製造することができなかった。もし、この容器で高濃縮度の燃料を製造しようとすると、装置に投入される被覆燃料粒子の質量を制限しなければならないが、これは製造効率を低下し好ましくない。なお、図８において、符号４１０は、黒鉛粉末供給系統、符号４２０は、粘結剤（アルコール）供給系統、符号５０Ｍは、容器２０を斜めにして回転する電動モータを示す。

本発明が解決しようとする課題は、高濃縮度の燃料を効率よく製造することができる被覆燃料粒子等のオーバーコート装置を提供することにある。

本発明の課題解決手段は、被覆燃料粒子を受け入れてこの被覆燃料粒子を回転することができるようにした容器とこの容器に黒鉛粉末と粘結剤とを供給する供給手段とを備えた被覆燃料粒子等のオーバーコート装置において、この容器が未臨界状態を確保することができる形状制限平板寸法を有する樋型容器から成っていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置を提供することにある。

樋型容器は、その中に投入された被覆燃料粒子が回転することができるように成っており、１つの形態では、樋型容器は、粒子に回転を付与するために傾斜しており、特に、その傾斜が折り返し傾斜であると、傾斜距離が長くなって好ましい。また、この場合、多段の樋型容器の途中又は最下段の下方に粒径選別用メッシュを有することができ、更に、この粒径選別用メッシュから選別された半処理粒子を回収して最上段の樋型容器に再投入する再投入手段を備えているのが好ましい。

他の形態では、樋型容器は、円形に接続された円形容器であり、この円形の樋型容器は、回転源に接続されて円形の中心軸線を中心に回転して粒子に回転を付与することができる。この場合、回転源は、複数の円形樋型容器を同時に回転するようにすることができ、これは、オーバーコート処理量を増大させるので好ましい。

更に他の形態では、樋型容器は、螺旋状とすることができ、このようにすると、回転処理領域が増大して好ましいが、この螺旋状の樋型容器をその螺旋の中心軸線を中心にして回転させると、粒子の回転が一層増大し、処理量が更に増大するので一層好ましい。また、この場合も、螺旋状の樋型容器の下方に粒径選別用メッシュを有することができ、更に、この粒径選別用メッシュから選別された半処理粒子を回収して最上段の樋型容器に再投入する再投入手段を備えているのが好ましい。

黒鉛粉末と粘結剤とを供給する供給手段は、樋型容器の底面に設けられてこれらの黒鉛粉末と粘結剤とを供給する供給孔から成っているものとすることができる。

なお、本発明は、被覆燃料粒子に黒鉛マトリックスをオーバーコートする以外に、燃料コンパクトにオーバーコート処理を施すのにも適用することができる。

本発明によれば、被覆燃料粒子を受け入れる容器が未臨界状態を確保することができる形状制限寸法を有する樋型容器から成っているので、ウランの存在領域を形状制限化しオーバーコート工程の臨界の安全性を確保することができる。

また、樋型容器を傾斜したり、円形にしたり、螺旋状にしたりすると、被覆燃料粒子の回転数を確保することができるので、オーバーコーティングを効率よく行うことができる。

特に、樋型容器の傾斜が折り返し傾斜であると、傾斜距離が長くなって被覆燃料粒子の回転数を一層多く確保することができ、この場合、多段の樋型容器の途中又は最下段の下方に粒径選別用メッシュを設けて粒径の選別を行ったり、その結果、粒径選別用メッシュから選別された半処理粒子を回収して最上段の樋型容器に再投入して、オーバーコート処理を一層確実に行うことができる。

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及び図２は、本発明に係わる被覆燃料粒子等のオーバーコート装置１０の１つの形態を示し、この装置１０は、被覆燃料粒子を受け入れてこの被覆燃料粒子を回転することができるようにした容器２０と、この容器２０に黒鉛粉末と粘結剤とを供給する供給手段４０とを備えている。

容器２０は、基本的には、未臨界状態を確保することができる形状制限平板寸法Ｓ（図２参照）を有し、その中に投入された被覆燃料粒子Ｐが回転することができる樋型容器２０Ｖから成っている（図３参照）。

図１及び図２の形態では、この樋型容器２０Ｖは、粒子Ｐに回転を付与するために傾斜が付与された細長の容器２０ＶＥから成っており、特に、この傾斜は、図１に示すように、折り返し傾斜であるのが好ましい。更に詳細に述べると、図１の形態では、容器２０ＶＥは、左から右に向けて下向きに傾斜する最上段の傾斜容器部分２１１と、右から左に向けて下向きに傾斜する次の段の傾斜容器部分２１２と、以下同様にして左から右へ、右から左へと交互に下向きに傾斜する傾斜容器部分２１３乃至２１９から成っている。

これらの傾斜容器部分２１１乃至２１９は、隣り合う上段の傾斜容器部分２１１乃至２１８の下流端から落下する被覆燃料粒子Ｐが直ぐ下段の傾斜容器部分２１２乃至２１９の上流端に受け入れられるように配置されている。

図示の形態では、最下段の傾斜容器部分２１９は、粒径選別用メッシュの形態を有し、このメッシュ型の容器部分２１９は、被覆燃料粒子に黒鉛粉末のシェルが施されて形成された一次球の粒径を選別する機能を有し、所定の粒径以下の粒子（半処理粒子）は、メッシュを通して後に述べる再投入手段３０の粒子受け入れ部３２に回収される。

最下段のメッシュ型の傾斜容器部分２１９の下流端の下方には粒子回収容器２２０が配置され、メッシュ型の傾斜容器部分２１９上に残っている良品の一次球であるオーバーコート粒子は、この粒子回収容器２２０に回収される。

供給手段４０のうち、黒鉛粉末供給系統４１０は、黒鉛粉末が投入されるホッパー４１２と、このホッパー４１２から導管４１４を経て分岐して容器２０の各傾斜容器部分２１３乃至２１９の上流端に黒鉛粉末を供給するノズル４１６とから成っている。

供給手段４０のうち、粘結剤（例えばアルコール）を供給する粘結剤供給系統４２０は、各傾斜容器部分２１１乃至２１８の上方にこれらの容器部分の傾斜に沿って平行に配置され容器部分内の被覆燃料粒子にアルコールを噴霧する多数の噴霧口を有するノズル４２１から成っている。

従って、最上段の傾斜容器部分２１１に供給された被覆燃料粒子は、容器部分２１１の傾斜に沿って転動しながらの容器部分２１１の上流端から下流端に向けて下降するが、その過程で被覆燃料粒子に粘結剤供給系統４２０のノズル４２１からアルコールが噴霧される。

最上段の傾斜容器部分２１１を下降してその間にアルコールによって濡らされた被覆燃料粒子が最下流端に達すると、これらの粒子は、次の段の傾斜容器部分２１２に移され、同様にしてアルコールが噴霧される。

このようにして、アルコールによって充分に濡らされた被覆燃料粒子は、三段目の傾斜容器部分２１３に移されてこの容器部分を下降する間に黒鉛粉末供給系統４１０から黒鉛粉末が振りかけられて被覆燃料粒子の表面に黒鉛粉末が被覆されてオーバーコートされる。以下、同様にして、粒子は、黒鉛粉末のコーティングが施されながら傾斜容器部分２１４乃至２１９上を順次移動して粒径が大きくなってオーバーコートが施される。

既に述べたように、良品のオーバーコート粒子は、粒子回収容器２２０に回収されるが、半処理粒子は、最下段のメッシュ型傾斜容器部分２１９のメッシュを透過して再投入手段３０の粒子受け入れ部３２に回収される。

再投入手段３０は、詳細に図示していないが、粒子受け入れ部３２に順次配置される小型容器（図示せず）とこれらの小型容器をこの粒子受け入れ部３２から最上段の傾斜容器部分２１１の上流端まで搬送するコンベヤとから成っている。コンベヤは、スクリューコンベヤ、ベルトコンベヤのいずれでもよい。

被覆燃料粒子を受け入れる容器２０が未臨界状態を確保することができる形状制限平板寸法Ｓを有する樋型容器２０Ｖから成っていると、ウランの存在領域を形状制限化しオーバーコート工程の臨界の安全性を確保しつつ粒子を転動してオーバーコートすることができるが、この寸法Ｓは、例えば、濃縮度２０％以下の燃料を製造する場合には、５０ｍｍ以下とする。

なお、被覆燃料粒子のコーティングが進行すると、粒子の比重が小さくなるため、転動による下降速度が低下するので、各傾斜容器部分に振動を付与する振動付与機構を備えることが好ましく、また黒鉛粉末供給系統４１０及びアルコール供給系統４２０は、噴出位置に応じて散布量を調節することができるようにするのが好ましい。

本発明の他の形態の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置１０が図４乃至図６に示されており、この装置１０は、樋型容器２０Ｖである円形に形成された円形容器２０ＶＣと、この樋型円形容器２０ＶＣをその円形の中心軸線を中心に回転するように容器２０ＶＣに接続された回転源５０とから成っている。円形容器２０ＶＣの形状制限寸法ｄは、濃縮度２０％以下の燃料を製造する場合には、１３５ｍｍ以下である。

図４及び図５の形態では、回転源５０は、電動モータ５０Ｍから成っており、この電動モータ５０Ｍは、支持枠５２に取付けられ、樋型円形容器２０ＶＣは、この電動モータの回転軸に支持されている。

供給手段４０は、図１の形態と同様に、黒鉛粉末供給系統４１０と粘結剤供給系統４２０とから成り、それぞれの供給系統は、図１の供給系統と同じ構造を有するので、その詳細な説明は省略する。なお、黒鉛粉末ノズル４１６とアルコール噴霧ノズル４２１は、樋型円形容器の内周開口を通して樋内に指向されている。

粒子回収容器２２０は、樋型円形容器２０ＶＣの下半部を囲むように配置された半円形の容器であり、この容器は、樋型円形容器２０ＶＣの断面と同様の樋の形態を有する。樋型円形容器２０ＶＣは、その一部に図示しない開口を有し、被覆燃料粒子にオーバーコートが施されて形成された製品（一次球）は、この開口が粒子回収容器２２０に下向きに対向したとき、粒子回収容器２２０に回収される。

図４及び図５の装置１０は、１つの樋型円形容器２０ＶＣから成っているが、図６の装置１０は、２つの樋型円形容器２０ＶＣから成り、これらの樋型円形容器２０ＶＣは、電動モータ５０Ｍに共通に接続されている。なお、図６の装置では、２つの円形容器２０ＶＣに共通する粒子回収容器２２０を有し、また共通の黒鉛粉末供給系統４１０及び粘結剤供給系統４２０を有し、ノズル４１６、４２１は、各円形容器毎に分岐して各円形容器２０ＶＣに指向されている。また、図６の装置において、隣り合う円形容器２０ＶＣの間隔は、臨界安全を考慮して決定する必要がある。

図４乃至図６の装置１０では、円形容器２０ＶＣに投入されて供給された被覆燃料粒子は、図１の装置１０の樋型容器２０Ｖの傾斜による転動ではなく、円形容器２０ＶＣが電動モータ５０Ｍによる回転によって回転することを除いて図１の装置の動作と同じである。樋型円形容器２０ＶＣは、電動モータ５０Ｍによってゆっくりと回転し、この回転によって被覆燃料粒子は、樋型円形容器２０ＶＣ内で回転して姿勢が換えられながら、アルコールで濡らされ、黒鉛粉末が付着されてオーバーコートが施される。

樋型円形容器２０ＶＣが１回転の直前でその開口が下向きとなると、オーバーコートされて形成された製品がこの開口を通して粒子回収容器２２０に回収される。

図７は本発明の更に他の形態による装置１０を示し、この装置１０は、樋型容器２０Ｖが螺旋状に形成された螺旋容器２０ＶＳであることを除いて図１乃至図３の装置と実質的に同じである。樋型螺旋容器２０ＶＳは、螺旋の上端から下端まで傾斜しながら下降するので、材料である被覆燃料粒子はこの傾斜によって自重で転動し、従って螺旋容器２０ＶＳは必ずしも回転を付与する必要はないが、図示の形態では、電動モータ５０Ｍである回転源５０によって回転を付与すると、粒子自体の転動と回転源５０による回転とによって粒子の姿勢が頻繁に変化し、オーバーコート処理を一層効率よく行うことができるので好ましい。なお、図７において、符号２５は、螺旋容器２０ＶＳの下流端に設けられてオーバーコートが施された製品（オーバーコート粒子）を粒子回収容器２２０に入れるための開口である。

開口２５から粒子回収容器２２０に落下した粒子は、想像線で示された粒子径分別ふるい２３０Ｆによって分別され、製品粒子径に満たない粒子は、再投入手段２３０によって回転スクリューによって上昇し、再投入口２３０Ｇから装置に再投入するようにしてもよい。

図７の装置も図１、図２及び図４乃至図６の装置と同様に、黒鉛粉末供給系統４１０及び粘結剤供給系統４２０を有するが、図面ではこれらの系統は省略されている。

なお、上記の実施の形態では、黒鉛粉末と粘結剤とは、樋型容器２０Ｖの上方の開口から供給しているが、樋型容器の底面に供給孔を設けてこの供給孔を経て黒鉛粉末と粘結剤とを供給するようにしてもよい。

また、上記の実施の形態では、本発明の装置は、被覆燃料粒子にオーバーコートを施す場合について説明したが、本発明の装置は、高温ガス炉用の燃料コンパクトにオーバーコートを施すのにも利用することができる。

本発明によれば、被覆燃料粒子を受け入れる容器が未臨界状態を確保することができる形状制限寸法を有する樋型容器から成り、ウランの存在領域を形状制限化しオーバーコート工程の臨界の安全性を確保することができるので、産業上の利用性が向上する。

本発明の１つの形態による被覆燃料粒子等のオーバーコート装置の概略側面図である。 図１の装置の正面図である。 図１の装置の樋型容器の一部分の拡大断面図である。 本発明の他の形態による被覆燃料粒子等のオーバーコート装置の概略側面図である。 図４の装置の正面図である。 本発明の更に他の形態による被覆燃料粒子等のオーバーコート装置の概略側面図である。 本発明の更に他の異なる形態による被覆燃料粒子等のオーバーコート装置の概略側面図である。 従来技術による被覆燃料粒子のオーバーコート装置一部を断面で示す概略側面図である。

符号の説明

１０ 被覆燃料粒子等のオーバーコート装置
２０ 被覆燃料粒子の容器
２０Ｖ 樋型容器
２０ＶＥ 樋型細長傾斜容器
２０ＶＣ 樋型円形容器
２０ＶＳ 樋型螺旋容器
２５ 螺旋容器２０ＶＳの開口
３０ 再投入手段
３２ 粒子受け入れ部
４０ 黒鉛粉末と粘結剤とを供給する供給手段
５０ 回転源
５０Ｍ 電動モータ
５２ 支持枠
２１１乃至２１９ 傾斜容器部分
２２０ 粒子回収容器
２３０ 再投入手段
２３０Ｆ 粒子径分別ふるい
２３０Ｂ 再投入口
４１０ 黒鉛粉末供給系統
４１２ 黒鉛粉末が投入されるホッパー
４１４ 導管
４１６ 黒鉛粉末を供給するノズル
４２０ 粘結剤（例えばアルコール）を供給する粘結剤供給系統
４２１ 被覆燃料粒子にアルコールを噴霧する多数の噴霧口を有するノズル
Ｐ 被覆燃料粒子
Ｓ 未臨界状態を確保することができる形状制限平板寸法

Claims (12)

1. 被覆燃料粒子を受け入れて前記被覆燃料粒子を回転することができるようにした容器と、前記容器に黒鉛粉末と粘結剤とを供給する供給手段とを備えた被覆燃料粒子等のオーバーコート装置において、前記容器が未臨界状態を確保することができる形状制限平板寸法を有する樋型容器から成っていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
2. 請求項１に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記樋型容器は、その中に投入された被覆燃料粒子が回転しながら転動するように傾斜していることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
3. 請求項２に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記樋型容器は、多段に折り返しながら傾斜していることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
4. 請求項３に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記多段の樋型容器の途中又は最下段の下方に粒径選別用メッシュを有することを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
5. 請求項４に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記粒径選別用メッシュから選別された半処理粒子を回収して最上段の樋型容器に再投入する再投入手段を備えていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
6. 請求項１に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記樋型容器は、円形に接続された円形容器であり、前記円形の樋型容器は、その中心軸線を中心に回転して粒子に回転を付与する回転源に接続されていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
7. 請求項６に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、複数の円形樋型容器が共通の回転源に接続されていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
8. 請求項１に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記樋型容器は、螺旋状に形成されていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
9. 請求項８に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記螺旋状の樋型容器は、螺旋の中心軸線を中心に回転する回転源に接続されていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
10. 請求項９に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記螺旋状の樋型容器の下方に粒径選別用メッシュを有することを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
11. 請求項１０に記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記粒径選別用メッシュから選別された半処理粒子を回収して最上段の樋型容器に再投入する再投入手段を備えていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の被覆燃料粒子等のオーバーコート装置であって、前記供給手段は、前記樋型容器の底面に設けられ前記黒鉛粉末と粘結剤とを供給する供給孔から成っていることを特徴とする被覆燃料粒子等のオーバーコート装置。
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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