JP2007147450A - ペブルベッド型燃料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 モールド内で一次球が同心状に保持されるようにしてそのまわりに黒鉛粉末を装填して高い品質のペブルベッド型燃料を製造すること。
【解決手段】 一次球１Ｃをモールド下半部１２Ｌに下部位置決め治具で位置決めしつつ下部位置決め治具を通してモールド下半部１２Ｌ内に黒鉛粉末１Ｂを装填し、この下部位置決め治具を取り外した後、モールド上半部１２Ｕをモールド下半部１２Ｌに組み付け、モールド下半部１２Ｌ内の一次球１Ｃをモールド上半部１２Ｕに設けられた上部位置決め治具１６で位置決めしつつこの上部位置決め治具１６を通してモールド上半部１２Ｕ内に黒鉛粉末１Ｂを装填し、この上部位置決め治具１６を取り外し上蓋１２Ｃを閉じて一次球１Ｃをモールド１２内に同心状に維持した状態でモールドを加圧する。
【選択図】 図１０

Description

本発明は、高温ガス炉に用いられる球形燃料を製造する方法に関し、更に詳細に述べると、ペブルベッド型燃料の製造過程である二次プレス前の準備作業を改善することができるペブルベッド型燃料の製造方法に関するものである。

高温ガス炉の燃料の１つの形態であるペブルベッド型燃料は、炭素層や炭化珪素層が被覆された被覆ウラン燃料粒子がウランの核分裂を持続させるのに必要な中性子減速材である黒鉛マトリックス中に含有されて形成されている。このペブルベッド型燃料を製造する一般的な方法が図１乃至図３に示されている。

まず、図１に示すように、硝酸ウラニルと添加材とを混合した溶液を振動滴下方法によってアンモニア水溶液中に滴下し、洗浄−乾燥−焙焼−焼結の工程を経てＵＯ_２燃料核を製造する。

このようにして得られた燃料核は、図２に示すように、低密度炭素の第１被覆層、高密度等方性炭素の第２被覆層、炭化ケイ素の第３被覆層及び高密度等方炭素の第４被覆層を順次被覆して燃料粒子を製造する。第１被覆層は、ＵＯ_２燃料核の変形を吸収すると共に、ガス状核分裂生成物（ＦＰ）の放出を防止する機能を有し、第２及び第４被覆層は、ガス状ＦＰを粒子内に留めると共に、第３被覆層の形状を保ち、被覆燃料粒子の強度を保つ機能を有し、また第４被覆層は、燃料の照射によってウランから発生する固体状ＦＰが粒子外に放出するのを防止する機能を有する。

このようにして多層被覆が施された燃料粒子は、図３に示すように、オーバーコート工程に送られて、粒子の表面にバインダによって黒鉛粉末が被覆されて被覆燃料粒子が完成される。この被覆燃料粒子は、中性子減速材となる黒鉛材内に包含させるため、一次プレス工程に送られる。この工程では、黒鉛粉末と被覆燃料粒子を混合した状態で球状モールド内に装填し、この球状モールドをプレスして一次球（コア）１Ｃ（図４参照）が形成される。

二次プレス工程は、一次プレスで得られた一次球（コア）１Ｃと黒鉛粉末を二次モールド内に装填し、この二次モールドを一次プレスよりも高い圧力でプレスしてコアの外側にシェルが形成され一次球よりも直径が大きい球状燃料を形成し、その後、球状燃料を真球にするために表面研削工程に送られ、更に、予備焼成、本焼成等の熱処理工程を経てペブルベッド型燃料１Ｐ（図５参照）が得られる。なお、図４及び図５において符号１ＢＬは、黒鉛マトリックスを示し、また符号１Ｓは、一次球１Ｃのまわりに黒鉛粉末によって形成されたシェルを示す。

ペブルベッド型燃料１Ｐは、ウラン燃料を均一に燃焼することができるように、コアである一次球１Ｃがぺブルベッド型燃料の中心に位置し、その周りの黒鉛粉末によって形成されるシェル１Ｓの厚さが均一であることが要求される。

しかし、一次球１Ｃとそのシェル１Ｓとなるべき黒鉛粉末とは著しく異なる密度を有するために、一次球１Ｃをモールド内の中心に位置決めすることが難しく、一次球１Ｃをモールド下半部内の左右にずれることなくその中心部に位置させることが難しく、またモールド下半部の中心に位置させることができたとしても、その後モールド上半部内に黒鉛粉末を装填する際に一次球１Ｃがモールド内で上下に変位し、このため一次球がペブルベッド型燃料の中心から外れ、シェル１Ｓの厚みが足りない部分が発生する(図１２（Ｂ）（Ｃ）参照)。

このように、一次球１Ｃがペブルベッド型燃料１Ｐの中心から外れると、均一な燃焼を行うことができなくなり、またシェル１Ｓの厚みが足りない部分が発生すると、このシェル部分はプレスの圧力に耐えることができないでシェル１Ｓが破損し、燃料を成型することができない場合が生ずる。

燃料の成型ができない場合が生ずると、ペブルベッド型燃料の生産効率が低下し、またシェル１Ｓが破損しないとしてもシェル１Ｓの厚みが不均一であると、燃料を照射した時に、燃料内で燃焼が集中する箇所が生じ、燃料を健全に照射することができないため、所定の炉心設計に基づいた出力を得ることができなくなる。

本発明が解決しようとする課題は、一次球をモールド内の中心に確実に位置させて一次球が燃料の中心に位置し、従ってシェルの厚みが均一な良質のペブルベッド型燃料を得ることができるペブルベッド型燃料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は、モールド下半部とモールド上半部と上蓋とを着脱自在に組み合わせて形成されるモールド内に一次球を配置しこの一次球のまわりに黒鉛粉末を装填した後モールドを加圧してペブルベッド型燃料を製造する方法において、一次球をモールド下半部に下部位置決め治具で位置決めしつつ下部位置決め治具を通してモールド下半部内に黒鉛粉末を装填し、この下部位置決め治具を取り外した後、モールド上半部をモールド下半部に組み付け、モールド下半部内の一次球をモールド上半部に設けられた上部位置決め治具で位置決めしつつ上部位置決め治具を通してモールド上半部内に黒鉛粉末を装填し、この上部位置決め治具を取り外し上蓋を閉じて一次球をモールド内に同心状に維持した状態でモールドを加圧することを特徴とするペブルベッド型燃料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、下部位置決め治具は、モールド下半部の開口面に支持される保持枠の形態を有し、一次球は、保持枠の枠内に懸吊して保持されるのが好ましく、この保持枠は、多角形の枠体とすることができ、またこの多角形の枠体は、ヒンジで相互に連結された複数の棒から形成することができる。

また、本発明の課題解決手段において、上部位置決め治具は、モールド上半部の開口部に懸吊して支持されるスケルトンの形態を有し、このスケルトンは、モールド下半部内の一次球に係合するリング部材とこのリング部材をモールド上半部に保持する保持部材とを含んでいるのが好ましい。この場合、スケルトンは、モールド上半部と一次球との間の隙間がモールド下半部と一次球との間の隙間に相応する所定の隙間を発生するように、モールド上半部に支持され、またこのスケルトンは、モールド下半部の通常では傾斜している開口面に係止する係止フックを有するのが好ましい。

本発明は、上記のように、モールド下半部の開口面に保持された下部位置決め治具によってモールド下半部に一次球を同心状に保持し、黒鉛粉末を下部位置決め治具を通してモールド下半部に装填し、またモールド下半部内の一次球をモールド上半部に支持される上部位置決め治具によって上下のモールド半部に対して同心状に維持しつつモールド上半部内に黒鉛粉末を装填するので、黒鉛粉末の装填時に、一次球が左右上下に変位することがなく、一次球が確実に心合わせされたペブルベッド型燃料を得ることができる。

また、一次球が心合わせされた状態で加圧されると、燃料のシェルの厚みが均一になるので、プレス中にシェルが破損することがなく、燃料の生産効率を向上することができる。

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６乃至図１１は、本発明に係わるペブルベッド型燃料の製造方法を示し、モールド１０は、既に述べたように、相互に組み付けられるモールド下半部１２Ｌとモールド上半部１２Ｕと上蓋１２Ｃとから成っている。上下のモールド半部１２Ｕ、１２Ｌの接合部は、雌雄の噛み合い構造１３を有している。

本発明の製造方法は、基本的には、モールド下半部１２Ｌ内に一次球１Ｃが心合わせされるように位置させるために、モールド下半部１２Ｌの開口面(モールドエッジ)１２ＬＯに保持枠１４Ｆの形態の下部位置決め治具１４が支持され、一次球１Ｃは、この保持枠１４Ｆによってモールド下半部１２Ｌに同心状に保持され、黒鉛粉末１Ｂ(図９参照)は、保持枠１４Ｆを通してモールド下半部１２Ｌに装填される。なお、図６及び図７から解るように、保持枠１４Ｆは、その上に保持される一次球１Ｃが型窪１２ＬＶに同心状になるように、上下左右の中心線ＣＬに対して所定の位置に支持される。

保持枠１４Ｆは、図７に示すように、図示の形態では正四角形(格子状)である多角形の枠体から成っており、この正四角形の枠体は、図８に示すように、３つのヒンジ１４Ｈで相互に連結されたほぼ同じ長さの４つの棒１４Ｒから成っている。なお、この保持枠１４Ｆは、三角形又は五角形以上の多角形とすることができ、その場合ヒンジの数は、（Ｎ−１）（Ｎは３又は５以上）となる。

この保持枠１４Ｆは、図６及び図７から解るように、その正四角形の頂点がモールド下半部１２Ｌのリング状開口面１２ＬＯに載るようにしてモールド下半部１２Ｌに保持されている。従って、モールド下半部１２Ｌの型窪１２ＬＶ内には、開口面１２ＬＯの内側と保持１４Ｆの棒１４Ｒと一次球１Ｃとの間の隙間を通して黒鉛粉末１Ｂを装填することができる。

このようにして、一次球１Ｃがモールド下半部１２Ｌの型窪１２ＬＶ内に心合わせされた状態で一次球１Ｃのまわりの型窪１２ＬＶ内に黒鉛粉末１Ｂが装填され、その後保持枠１４Ｆは、ヒンジ１４Ｈで広げられてモールド下半部１２Ｌから取り外される（図９の下半部参照）。なお、図９から解るように、このとき、一次球１Ｃは、モールド下半部１２Ｌの型窪１２ＬＶ内に装填された黒鉛粉末１Ｂの上に乗っている状態で型窪１２ＬＶに心合わせして保持されている状態となる。

その後、モールド下半部１２Ｌの上にモールド上半部１２Ｕを組み付けるが、この際、予めモールド上半部１２Ｕの開口面１２ＵＯに一次球１Ｃをモールド下半部１２Ｌに中心位置決めするスケルトンの形態の上部位置決め治具１６を設置しておく。

このスケルトンの形態の位置決め治具１６は、図１０に示すように、一次球１Ｃの上部に係合するリング部材１６Ｒとこのリング部材１６Ｒがモールド上半部１２Ｕの開口部から吊下がるようにリング部材１６Ｒを保持する保持部材１６Ｈとから成っている。図示の形態では、保持部材１６Ｈは、周方向に間隔をあけて配置された縦棒１６Ｈ１とリング部材１６Ｒと同形で縦棒１６Ｈ１を縦方向に間隔をあけて固定する複数のリング１６Ｈ２とから成っている。なお、図示の例では、３つのリング１６Ｈ２を有するが、縦棒１６Ｈ１が充分な強度で固定することができれば、縦棒１６Ｈ１の下端に固定されるリング部材１６Ｒの上端にのみ固定される１つのリング１６Ｈ２だけでもよい。

このスケルトンの形態の位置決め治具１６は、モールド上半部１２Ｕと一次球１Ｃとの間にモールド下半部１２Ｌと一次球１Ｃとの間の隙間Ｌに相応する所定の隙間Ｌを発生するようにモールド上半部１２Ｕの開口面１２ＵＯに支持されている。図示の形態では、開口面１２ＵＯは、中心に向けて下向きに傾斜しているので、スケルトン位置決め治具１６は、モールド上半部１２Ｕの傾斜開口面１２ＵＯに係止する係止フック１６Ｆを有し、スケルトン位置決め治具１６は、この係止フック１６Ｆを傾斜開口面１２ＵＯに係止して吊り下げ状態で支持されている。この係止フック１６Ｆによってリング部材１６Ｒがコアに接触した時にモールド上半部１２ＵＶとコア表面との間の隙間Ｌが一定に保たれることになり、シェル１Ｓの厚さが一定となる。なお、この隙間Ｌは、モールド１２の型窪１２Ｖの内径１２ＶＲと一次球１Ｃの直径との差の半分の値である。

このスケルトン位置決め治具１６が設置されたモールド上半部１２Ｕをモールド下半部１２Ｌに組み付けると、モールド下半部１２Ｌの型窪１２ＬＶに黒鉛粉末１Ｂを介して同心状に保持された一次球１Ｃがスケルトン位置決め治具１６のリング部材１６Ｒで上下左右方向に拘束された状態でモールド上半部１２Ｕがモールド下半部１２Ｌに組み合わせられる（図１０参照）。

この状態で、モールド上半部１２Ｕと一次球１Ｃとの間にはスケルトン位置決め治具１６の保持部材１６Ｈの開放部分を通して黒鉛粉末１Ｂが装填され、この装填後、スケルトン位置決め治具１６を上方に抜いて取り外し、上蓋１２Ｃで上部モールド半部１２Ｕの開口を閉じてモールド１２の型窪とこの型窪に同心状に保持された一次球１Ｃとの間に黒鉛粉末１Ｂが装填された状態のモールド１２が形成される（図１１参照）。

その後、このモールド１２は、図示しないプレスにセットされて加圧されて二次球（ペブルベッド型燃料となるもの）が得られる。既に述べたように、黒鉛粉末１Ｂは、保持枠１４Ｆ及びスケルトン位置決め治具１６によって一次球１Ｃがモールド１２の型窪内で左右上下に拘束されて同心状に保持されながらモールド１２のモールド半部１２Ｌ、１２Ｕに装填されるので、プレスで加圧して得られる二次球は、図１２（Ａ）に示すように、一次球１Ｃの周りに一定の厚みのシェル（黒鉛被覆層）１Ｓを有し、従って一次球１Ｃは、二次球内に同心状に位置するが、これは、本発明の方法によって製造されたペブルベッド型燃料をＸ線観察写真で実際に撮影して確認することができた。

この二次球は、その後、これを真球にするために表面研削工程に送られ、更に、予備焼成、本焼成等の熱処理工程を経てペブルベッド型燃料１Ｐ（図５参照）が得られる。

本発明によれば、モールド下半部には下部位置決め治具によって一次球を同心状に保持して黒鉛粉末をこのモールド下半部に装填し、モールド上半部には上部位置決め治具によって一次球をモールド上下の半部に同心状に位置決めしつつ黒鉛粉末をモールド上半部に装填するので、黒鉛粉末の装填時に一次球がモールド内で変位することがなく、一次球が同心状に確実に位置合わせされたペブルベッド型燃料を得ることができ、産業上の利用性が向上する。

燃料核を製造する工程を示す工程図である。 被覆燃料粒子を製造する工程を示す工程図である。 ペブルベッド型燃料を製造する工程を示す工程図である。 一次球の拡大断面図である。 二次球の拡大断面図である。 本発明の方法によってモールド上半部に下部位置決め治具である保持枠によって一次球を同心状に保持する状態を示すモールドの分解断面図である。 図６のモールド下半部に保持枠を支持した状態の上面図である。 図６及び図７のモールドに用いられる保持枠の開放状態の図である。 本発明の方法によってモールド上半部にスケルトンの形態である上部位置決め治具によって一次球を同心状に保持する状態を示す分解断面図である。 図９のモールドの組立状態の正面図である。 図１０の状態で黒鉛粉末を装填した後、上蓋を施した状態の正面図である。 本発明の方法及び従来技術の方法で製造されたペブルベッド型燃料の一次球の配置を示す説明図である。

符号の説明

１Ｃ 一次球
１Ｐ 二次球
１Ｂ 黒鉛粉末
１ＢＬ 黒鉛マトリックス
１Ｓ シェル
１０ モールド
１２Ｌ モールド下半部
１２ＬＯ 開口面
１２Ｕ モールド上半部
１２ＵＯ 開口面
１２Ｃ 上蓋
１２ＬＶ モールド下半部の型窪
１２ＵＶ モールド上半部の型窪
１３ モールド上下半部の接合部
１４ 下部位置決め治具
１４Ｆ 保持枠
１４Ｈ ヒンジ
１４Ｒ 棒
１６ 上部位置決め治具
１６Ｒ リング部材
１６Ｈ 保持部材
１６Ｈ１ 縦棒
１６Ｈ２ リング
１６Ｆ 係止フック

Claims (7)

1. モールド下半部とモールド上半部と上蓋とを着脱自在に組み合わせて形成されるモールド内に一次球を配置し前記一次球のまわりに黒鉛粉末を装填し前記モールドを加圧してペブルベッド型燃料を製造する方法において、前記一次球を前記モールド下半部に下部位置決め治具で位置決めしつつ前記下部位置決め治具を介して前記モールド下半部内に黒鉛粉末を装填し、前記下部位置決め治具を取り外した後、前記モールド上半部を前記モールド下半部に組み付け、前記一次球を前記モールド上半部に設けられた上部位置決め治具で位置決めしつつ前記上部位置決め治具を介して前記モールド上半部内に黒鉛粉末を装填し、前記上部位置決め治具を取り外して前記上蓋を閉じて前記一次球を前記モールド内に同心状に維持した状態で前記モールドを加圧することを特徴とするペブルベッド型燃料の製造方法。
2. 請求項１に記載のペブルベッド型燃料の製造方法であって、前記下部位置決め治具は、モールド下半部の開口面に支持される保持枠の形態を有し、前記一次球は、前記保持枠の枠内に懸吊して保持されることを特徴とするペブルベッド型燃料の製造方法。
3. 請求項２に記載のペブルベッド型燃料の製造方法であって、前記保持枠は、多角形の枠体から成っていることを特徴とするペブルベッド型燃料の製造方法。
4. 請求項３に記載のペブルベッド型燃料の製造方法であって、前記多角形の枠体は、ヒンジで相互に連結された複数の棒から成っていることを特徴とするペブルベッド型燃料の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のペブルベッド型燃料の製造方法であって、前記上部位置決め治具は、前記モールド上半部の開口部に懸吊して支持されるスケルトンの形態を有し、前記スケルトンは、前記モールド下半部内の一次球に係合するリング部材と前記リング部材を前記モールド上半部に保持する保持部材とを含んでいることを特徴とするペブルベッド型燃料の製造方法。
6. 請求項５に記載のペブルベッド型燃料の製造方法であって、前記スケルトンは、前記モールド上半部と前記一次球との間の隙間が前記モールド下半部と一次球との間の隙間に相応する所定の隙間を発生するように前記モールド上半部に支持されていることを特徴とするペブルベッド型燃料の製造方法。
7. 請求項６に記載のペブルベッド型燃料の製造方法であって、前記スケルトンは、前記モールド下半部の傾斜開口面に係止する係止フックを有することを特徴とするペブルベッド型燃料の製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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