JP2007147546A - ペブルベッド燃料の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 単純な球形の型窪を有するモールドを用いて黒鉛マトリックス密度や微小粒子の分布が均一である良質のペブルベッド燃料を製造すること。
【解決手段】 オーバーコート粒子と黒鉛マトリックスとの混合物Ｍが充填される型窪１０Ｃを有する弾性のモールド１０を加圧してペブルベッド燃料を製造するが、モールド１０は、球形の型窪１０Ｃと正六面の外表面１０Ｓを有し、このモールド１０の外表面１０Ｓの一部である複数の外表面１０Ｓ１と１０Ｓ２、１０Ｓ３と１０Ｓ４、１０Ｓ５と１０Ｓ６を順次加圧しつつすべての外表面を加圧、圧縮してペブルベッド燃料を製造する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、高温ガス炉用ペブルベッド燃料の製造方法に関し、特にオーバーコート粒子と黒鉛マトリックスとの混合物を圧縮する工程を改良したペブルベッド燃料の製造方法に関するものである。

高温ガス炉燃料は、一般に、直径が０．５〜１．０ｍｍの被覆燃料粒子、これらの集団である燃料要素及び燃料体から構成されている。被覆燃料粒子は、直径が０．２〜０．６ｍｍの燃料核に低密度炭素、高密度等方性炭素、炭化ケイ素等を多重被覆して形成された微小粒子であり、燃料要素は、これらの被覆粒子集団を黒鉛粉末と焼結材を含む黒鉛マトリックスにより固めて形成され、ペブルベッド燃料は、燃料要素そのものが燃料体としての機能を有している。

ペプルベッド燃料の直径は、約６０ｍｍであるが、被覆粒子は、直径が５０ｍｍの黒鉛マトリックスに分散して配置されており、ペブルベッド燃料の外周部は、被覆燃料粒子を充填していない厚さ５ｍｍの無燃料領域である。

ペブルベッド燃料は、一般に、次のような工程で製造される。
（１）燃料核に低密度炭素層、高密度等方性炭素層、炭化ケイ素層等を多重に被覆して被覆燃料粒子を形成し、これに黒鉛粉末を被覆してオーバーコート粒子を形成する。
（２）黒鉛マトリックス（黒鉛粉末と粘結剤との混合物）とオーバーコート粒子とを混合した状態でシリコンゴム製の弾性モールド内部に充填した後に、モールドを圧縮成形してコアを形成する。
（３）このコアに無燃料領域を付着させた状態でシリコンゴム製のモールドに充填し、このモールドを圧縮成形してグリーンペブルベッド燃料を形成する。
（４）最後に、このグリーンペブルベッド燃料の表面を研削した後、熱処理してペブルベッド燃料とする。

このペブルベッド燃料を高温ガス炉に装荷して燃焼させる場合に、微小粒子が偏在して分布していると、局所的な温度上昇が生ずるために、所定の性能を満足することができないし、ペブルベッド燃料の黒鉛マトリックス密度に偏りがあると、燃料要素自体の機械的強度が低下するので、黒鉛マトリックス密度や微小粒子の分布は均一であることが望ましい。

従来技術のペブルベッド燃料の製造方法では、図６に示すように、円柱状のゴム製モールド１０Ａが用いられ、黒鉛マトリックスとオーバーコート粒子の混合物Ｍをこの円柱状のゴム製モールド１０Ａ内に充填した後、この円柱形状のゴム製モールド１０Ａを金属製の筒４０に入れてモールド１０Ａが水平な半径方向に変形するのを拘束した状態で図示しないダイス内に装填し上下から図示しないパンチによって等方圧加圧してペブルベッド燃料を製造している。この等方圧加圧は、冷間又は熱間のいずれかで行われる。

しかし、この従来技術の製造方法は、次のような問題点がある。
（１）モールドは、上下のみから圧縮するので、縦方向の圧下率が大きくなる傾向にあり、予めモールド内の球状型窪を縦方向に長く伸ばしたものにする必要があるため、モールドは、これに対応するように設計する必要があり、設計が面倒である。
（２）理想的な等方圧加圧法は、湿式冷間等方圧加圧法であるが、この方法は、ゴム製モールドを液体中に浸漬する必要があるため、プレスから取り出し後に、ゴム製モールドの外表面に付着した液体が製品に付着しないように処理しなければならないが、その処理が困難である。

本発明が解決しようとする課題は、単純な球形の型窪を有するモールドを用いて黒鉛マトリックス密度や微小粒子の分布が均一である良質のペブルベッド燃料を面倒な処理を必要とすることなく製造することができる方法を提供することにある。

本発明の課題解決手段は、オーバーコート粒子と黒鉛マトリックスが充填される型窪を有する弾性のモールドを加圧してペブルベッド燃料を製造する方法において、モールドは、球形の型窪と正六面の外表面を有し、このモールドの複数の外表面毎に順次加圧しつつすべての外表面を加圧し圧縮することを特徴とするペブルベッド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、モールドの加圧を圧下率が次第に大きくなるように段階的に行い、またモールドは、プレス内で向きを変えつつ外表面を順次加圧するのが好ましく、モールドは、２組の相対する外表面を複数の方向から同時に加圧することができる。更に、モールドの外表面の隅部が面取りされていてもよい。

このように、モールドを複数の方向から順次加圧、圧縮すると、すべての方向の圧下率がほぼ等しくなるので、球形の型窪でも均一な黒鉛マトリックス密度と微小粒子の均一な分布を得ることができ、従ってモールドの型窪の設計が容易となり、種々の寸法の製品を容易に得ることができる。

また、モールドを液体中に浸漬する必要がなく、理想に近い等方的な圧縮成形を行うことができ、液体が製品に付着することがないように処理する必要がなく作業性が向上する。

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に示すように、本発明に係わるペブルベッド燃料の製造方法は、オーバーコート粒子と黒鉛マトリックスとの混合物Ｍが充填される型窪１０Ｃを有するシリコンゴムの如き弾性材料から作られたモールド１０をダイス２０内でパンチ３０Ｕ、３０Ｄによって加圧してペブルベッド燃料を製造することにある。

本発明に用いられるモールド１０は、図２に示すように、球形の型窪１０Ｃと正六面の外表面１０Ｓとを有し、本発明は、このモールド１０の外表面１０Ｓの一部である複数の外表面を加圧位置に向けて順次位置換えしつつ加圧、圧縮し、この操作を繰り返してすべての外表面を加圧、圧縮することにある。図示の形態では、モールド１０は、上下の２つのモールド半部１０Ｕ、１０Ｄから成っており、これらのモールド半部１０Ｕ、１０Ｄは、上下対称的に同じ寸法を有して形成され、これらの上下のモールド半部１０Ｕ、１０Ｄが接合されて正六面の外表面１０Ｓを形成している。従って、モールド１０の型窪１０Ｃも各モールド半部１０Ｕ、１０Ｄ毎にそれぞれ符号１０ＣＵ、１０ＣＤで示すように半球状に形成されている。

このように、モールド１０は、正六面の外表面を有すると、モールド１０を２つの相対する外表面を加圧方向に向けて位置させることができ、従って２つの相対する外表面の３つの組み合わせを有する。

本発明の方法を図１及び図３を参照して詳細に述べると、先ず、図２のモールド半部１０Ｕ、１０Ｄの型窪１０ＣＵ、１０ＣＤの間に、オーバーコート粒子と黒鉛マトリックスとの混合物Ｍを装填した後、これらのモールド半部１０Ｕ、１０Ｄを接合して閉じ、このモールド１０を正六面の１つの相対する外表面１０Ｓ１、１０Ｓ２（図３参照）が加圧面となるようにダイス２０にセットする。

次いで、ダイス２０に上下のパンチ３０Ｕ、３０Ｄを上下から挿入してモールド１０の相対する外表面１０Ｓ１、１０Ｓ２を加圧する。その後、パンチ３０Ｕ、３０Ｄを抜き出して次の相対する外表面１０Ｓ３、１０Ｓ４が加圧面となるようにダイス２０内に向きを換えてセットし、これらの外表面１０Ｓ３、１０Ｓ４をパンチ３０Ｕ、３０Ｄで加圧し、またパンチ３０Ｕ、３０Ｄを抜き出して最後の相対する外表面１０Ｓ５、１０Ｓ６が加圧面となるようにダイス２０内に向きを換えてセットし、これらの外表面１０Ｓ５、１０Ｓ６をパンチ３０Ｕ、３０Ｄで加圧する。

上記のように、モールド１０を位置換えしつつモールド１０の相対する２つの外表面１０Ｓを順次加圧面として加圧、圧縮する操作を最終的な所望の圧下率になるまで所定の回数繰り返す。混合物Ｍが所定の圧下率まで加圧された後、モールド１０をダイス２０から取り出し、モールド１０から成型品(ペブルベッド型燃料となるべき球形燃料)を取り出す。

この段階的な加圧によるモールド１０の圧下率は、徐々に大きくしていくことが望ましい。即ち、初期の加圧・圧縮工程では規定寸法の成型体を得るために必要となる圧下率の数分の一程度とし、加圧・圧縮を繰り返すにつれて圧下率が徐々に大きくなり、最終の加圧・圧縮工程で所望の圧下率で圧縮する。このようにすると、加圧・圧縮後の成型品のマトリックス密度等の偏りを最小限にすることができる。

図６を参照して既に述べたように、従来技術の製造方法では、１つの相対する外表面に対してのみ上下の一方向から加圧、圧縮するので、ゴム製のモールド１０Ａを用いて等方的に圧縮しようとしても、ダイス又はパンチとモールドとの摩擦によってモールド１０Ａの変形が拘束される。即ち、圧縮初期に最初にモールドがダイスと接触した箇所で摩擦によってモールドの変形が拘束されたり、パンチと接触しているモールド外表面の変形量は、他のモールド外表面に比較して小さくなったりすることが予想される。その結果、成型品のマトリックス密度に偏りが生じる。これに対して、本発明のように、モールド１０に向きを異にして多方向から繰り返し圧縮荷重を負荷すると、従来の一方向から加圧、圧縮した場合に見られるマトリックス密度の偏りが相殺され、マトリックス密度が均一である良質の成型品を得ることができる。

上記の実施の形態では、一回の加圧・圧縮が垂直な一方向のみであったが、図４に示すように、ダイス２０が左右の水平方向のパンチ３０Ｌ、３０Ｒが挿入することができる開口を有し、２組の相対する外表面１０Ｓ１乃至１０Ｓ４にパンチ３０Ｕ、３０Ｄ、３０Ｌ、３０Ｒを同時に加圧する多方向の加圧、圧縮を施してもよく、また図５に示すように、モールド１０の正六面の外表面の隅部を面取りして、図４と同様に多方向の加圧、圧縮を行ってもよい。

また、上記実施の形態では、圧縮成型すべき材料として黒鉛マトリックスとオーバーコート粒子の混合物を用いたが、オーバーコート粒子の表面に黒鉛粉末を付着したものを用いてもよい。

本発明の一実施例を述べると、モールド１０は、図２に示すように、シリコンゴム製の正六面体とし、この正六面体の一辺の長さは、１３０ｍｍ、型窪の内径は、８０ｍｍとした。パンチ３０Ｕ、３０Ｄは、鋼製で一辺が１３０ｍｍの正方形断面形状を有し、汎用プレスに取り付けた。ダイス２０も鋼製であり、同様に一辺が１３０ｍｍの正方形水平断面を有し、汎用プレスに取り付けた。

モールド１０の内部に黒鉛粉末とオーバーコート粒子との混合物Ｍを充填した後、このモールド１０をダイス２０に収納し、パンチ３０Ｕ、３０Ｄにより上下方向からモールド１０を加圧、圧縮した。一回圧縮する毎に、モールド１０をダイス２０から取り出し、モールド１０を順次２つの異なる方向に９０度回転させて再びダイス２０内に収納し、同様の操作でモールド１０を加圧、圧縮した。モールド１０の圧下率は、各操作毎に２％づつ増カロさせた。このようにして得られた成型品(球形燃料)は、均一なマトリックス密度を有していたことが確認された。なお、モールド１０、ダイス２０、パンチ３０Ｕ、３０Ｄの寸法は、成型すべきペブルベッド型燃料の外径に応じて変更されるのはもちろんである。

本発明によれば、ペブルベッド燃料の材料を充填したモールドを複数の異なる方向から順次加圧、圧縮するので、すべての方向の圧下率がほぼ等しくなるように成型することができ、従って球形の型窪でも均一な黒鉛マトリックス密度と微小粒子の均一な分布を得ることができ、モールドの型窪の設計が容易となり、種々の寸法の製品を容易に得ることができ、産業上の利用性が向上する。

本発明のペブルベッド燃料の製造方法の１つの実施の形態を説明するためこの方法に用いられるモールドとダイスとパンチとの関係を示す垂直断面図である。 本発明の方法に用いられるモールドの分解斜視図である。 本発明の方法によってモールドを加圧、圧縮する順序を説明するためのモールドの斜視図である。 本発明の方法の他の実施の形態を説明するためのモールドとダイスとパンチとの関係を示す垂直断面図である。 本発明の方法の更に他の実施の形態を説明するためのモールドとダイスとパンチとの関係を示す垂直断面図である。 従来技術によるペブルベッド燃料の製造方法を説明するためこの方法に用いられるモールドの斜視図である。

符号の説明

１０、１０Ａ モールド
１０Ｓ、１０Ｓ１乃至１０Ｓ６ 外表面
１０Ｕ、１０Ｄ モールド半部
１０Ｃ 型窪
１０ＣＵ、１０ＣＤ 型窪半部
２０ ダイス
３０Ｕ、３０Ｄ、３０Ｌ、３０Ｒ パンチ
Ｍ 黒鉛マトリックスとオーバーコート粒子との混合物

Claims (5)

1. オーバーコート粒子と黒鉛マトリックスが充填される型窪を有する弾性のモールドを加圧してペブルベッド燃料を製造する方法において、前記モールドは、球形の型窪と正六面の外表面を有し、前記モールドの複数の外表面毎に順次加圧しつつすべての外表面を加圧、圧縮することを特徴とするペブルベッド燃料の製造方法。
2. 請求項１に記載のペブルベッド燃料の製造方法であって、前記モールドの加圧を圧下率が次第に大きくなるように段階的に行うことを特徴とするペブルベッド燃料の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載のペブルベッド燃料の製造方法であって、前記モールドは、プレス内で向きを変えつつ外表面を順次加圧することを特徴とするペブルベッド燃料の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のペブルベッド燃料の製造方法であって、前記モールドは、２組の相対する複数の外表面を同時に加圧することを特徴とするペブルベッド燃料の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載のペブルベッド燃料の製造方法であって、前記モールドの外表面の隅部が面取りされていることを特徴とするペブルベッド燃料の製造方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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