JP2007218818A - 高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温ガス炉用燃料コンパクトを材料に荷重を掛けることなく成形することができる方法を提供すること。
【解決手段】 ポリビニールアルコール（ＰＶＡ）水溶液中に黒鉛粉末を分散させて調製されたマトリックス原液と被覆燃料粒子とをコンパクト形成容器に装填し、この容器内で凍結した後、凍結燃料コンパクトを容器から取り出し、その後この凍結燃料コンパクトを冷却されたアセトン中に浸漬してＰＶＡ水溶液をゲル化して湿潤ゲル状燃料コンパクトを形成し、この湿潤ゲル状燃料コンパクトを乾燥し、仮焼し、最後に焼結して製品燃料コンパクトを製造する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法に関し、特に被覆燃料粒子に荷重をかけることがなく製造することができるようにした高温ガス炉用燃料コンパクトの製造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で健全性を維持する黒鉛で構成し、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。

この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、上下を栓で閉じて燃料棒とされる。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。

この燃料核は、流動床に装荷され、この流動床内に供給される反応ガス（被覆ガス）が熱分解されて燃料核の上に被覆が施される。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。このように４層の被覆が施されて被覆燃料粒子が得られる。

被覆燃料粒子の粒径や真球度は、オーバーコート粒子の製造条件に大きく影響することから、被覆燃料粒子は、篩による粒径選別及び真球度選別を行った上でオーバーコート工程にリリースされる。

この被覆燃料粒子は、その表面に黒鉛粉末、粘結剤等から成る黒鉛マトリックス材を表面にコーティングしてオーバーコート粒子とする。オーバーコート粒子は、中空円筒形又は円筒形に温間でプレス成型され、燃料コンパクトとなる。この燃料コンパクトは、マトリックス材中に含まれる粘結剤等を除去するために予備焼成され、更にマトリックス材から脱ガスするために焼成される。

被覆燃料粒子の表面に黒鉛マトリックス材をコーティングするオーバーコート工程は、従来、主に、次の２つの目的を達成するために、行われていた。
（１）プレス成型時の圧力によって被覆燃料粒子が破損をすることを防ぐこと。
（２）燃料コンパクト内に被覆燃料粒子を均一に分散させ、燃焼時に被覆燃料粒子が熱的、機械的に破損するのを防ぐこと。

コンパクトプレス時に被覆燃料粒子の被覆層が破損するのを防止するために、オーバーコート層は、被覆層のクッション材として働くので、厚い方が好ましいが、燃料コンパクトの体積は予め決まっているので、燃料コンパクト中のマトリックス材の量が増加すれば、燃料コンパクト中に含まれる被覆燃料粒子の個数が逆に減少し、１個当たりの燃料コンパクトに含まれるウラン量が少なくなることになる。従来の燃料コンパクトでは、被覆粒子の体積／コンパクトの体積で定義される被覆粒子充填率の値は、３５％程度であった。

高温ガス炉用燃料を高燃焼度化するために１個当たりの燃料コンパクトに含まれるＵ２３５の量を増加させる必要があり、そのためには、ウランの濃縮度を高くするか、１個当たりの燃料コンパクトに含まれるウラン量を多くすることが必要である。１個当たりの燃料コンパクトに含まれるウラン量を多くするためには、コンパクト中にできる限り多くの被覆燃料粒子を入れる必要があるが、マトリックス材の量が少なくなると、プレス成型時の圧力によって被覆燃料粒子が破損をすることを防ぐことが困難になるという問題点があった。

本発明が解決しようとする課題は、被覆燃料粒子に荷重が加わることがなく、従ってオーバーコート工程を必要とすることなく成形することができる燃料コンパクト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、水溶性高分子樹脂化合物の水溶液中に黒鉛粉末を分散させてマトリックス原液を調整する工程と、このマトリックス原液と被覆燃料粒子とのコンパクト材料をコンパクト形成容器に装填する工程と、コンパクト材料が装填されたコンパクト形成容器を凍結させることにより凍結燃料コンパクトを形成する工程と、高分子樹脂化合物水溶液と接触すると反応して高分子樹脂化合物をゲル化させるゲル化用液体を冷却し、このゲル化液体の中に凍結燃料コンパクトを浸漬して黒鉛粉末と被覆燃料粒子とが分散状に担持された湿潤ゲル状燃料コンパクトを形成する工程と、この湿潤ゲル状燃料コンパクトをゲル化用液体から取り出した後乾燥して乾燥ゲル状燃料コンパクトを得る工程と、この乾燥ゲル状燃料コンパクトを仮焼して高分子樹脂化合物が除去された燃料コンパクトを得る工程と、この仮焼燃料コンパクトを焼結する焼結工程を備えた高温ガス炉用燃料コンパクト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、水溶性高分子樹脂化合物は、ポリビニールアルコールとすることができ、またゲル化用液体は、−１０℃〜−４０℃に冷却されたアセトンとすることができる。

また、本発明の課題解決手段において、マトリックス原液を調製する滴下原液中の前記高分子樹脂化合物の含有率が０．５〜１５重量％の範囲内であるのが好ましい。

更に、乾燥ゲル状燃料コンパクトを仮焼する工程が４００〜８００℃の不活性ガス中で行われ、燃料コンパクトが５０％以上の粒子充填率を有するように被覆燃料粒子を充填するのが望ましい。

本発明によれば、燃料コンパクトは、プレス成型ではなく、マトリックス原液と被覆燃料粒子とのコンパクト材料をコンパクト容器内に充填して凍結した後この凍結燃料コンパクトを容器から取り出しゲル化して成形されるので、プレス成型時のように被覆燃料粒子に荷重がカロわることが ないため、被覆燃料粒子の被覆層が破損することがない。

また、被覆燃料粒子に荷重が加わるととがないため、オーバーコート層が不要になり、被覆燃料粒子の充填率を極限まで高めることができ、高燃焼度化できる燃料コンパクトを得ることができる。

本発明の燃料コンパクトの製造方法は、下記の工程から成っている。
（１）燃料コンパクト１個分の被覆燃料粒子を計量する。
（２）この被覆燃料粒子をコンパクト成形容器内に装填する。
（３）ポリビニールアルコールの如き水溶性高分子樹脂化合物の水溶液中に黒鉛粉末を一定の割合で分散させてマトリックス原液を調整する。
（４）このマトリックス原液を（２）で被覆燃料粒子が装填されたコンパクト成形容器に装填する。
（５）このようにして被覆燃料粒子とマトリックス原液とから成るコンパクト材料が装填されたコンパクト形成容器の蓋を閉じてロックする。なお、コンパクト成形容器は、製造すべき燃料コンパクトの形状に相応する内部形状（型窪）を有する。
（６）このようにしてコンパクト材料が装填されたコンパクト形成容器を凍結させ凍結燃料コンパクトを形成する。
（７）コンパクト形成容器から凍結燃料コンパクトを取り出す。
（８）凍結燃料コンパクト中の高分子樹脂化合物水溶液と接触すると反応して高分子樹脂化合物をゲル化させるゲル化用液体を用意してこれを冷却する。この冷却されたゲル化用液体としては、凍結用液体と同じ約―１０℃〜−４０℃にされたアセトンが用いられる。
（９）この冷却されたゲル化用液体中に凍結燃料コンパクトを浸漬して原液中の高分子樹脂化合物を脱水させて黒鉛粉末と被覆燃料粒子とが分散状に担持された湿潤ゲル状燃料コンパクトを形成する。
（１０）この湿潤ゲル状燃料コンパクトをゲル化用液体から取り出した後加温乾燥して乾燥ゲル状燃料コンパクトを形成する。
（１１）この乾燥ゲル状燃料コンパクトを仮焼して高分子樹脂化合物が除去された燃料コンパクトを形成する。この仮焼温度は、４００℃〜８００℃の不活性ガス雰囲気中で行われる。
（１２）最後に、この仮焼燃料コンパクトを焼結することによってマトリックス中に含有するガス成分を除去して製品燃料コンパクトを完成する。

本発明の燃料コンパクトの製造方法の具体的実施例を述べると、コンパクト１個分の被覆燃料粒子の充填率は約６０％とした。コンパクト容器は、円筒形とし、その内径及び高さは、燃料コンパクトの製品寸法に等しくした。これは、乾燥・仮焼・焼結工程を経ても、燃料コンパクトの寸法がほぼ稠密に充填された被覆燃料粒子によって変化しないためである。

水溶性高分子樹脂化合物であるポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を水に溶かして約１０重量％のＰＶＡ水溶液とした。このＰＶＡを水に溶かす際は、加熱・撹拝しながら行い、溶解後、これを室温まで冷却した。これに粘結剤を除いた黒鉛マトリックスを一定割合で混合させてマトリックス原液を調製した。この混合割合は、燃料コンパクト中に黒鉛マトリックスが占める部分の体積及び最終的な燃料コンパクトのマトリックス密度から決めた。

マトリックス原液と被覆燃料粒子とのコンパクト材料が装填されたコンパクト成形容器を約−３０℃まで冷却しコンパクト材料を凍結し、これをコンパクト形成容器から取り出してコンパクト形成容器の内部形状に相応する凍結燃料コンパクトを形成した。

その後、この凍結燃料コンパクトを同じく約−３０℃まで冷却したアセトン（ゲル化用液体）に約５時間浸漬してこのアセトンにより原液中に含まれる ＰＶＡを脱水し原液をゲル化して湿潤ゲル状燃料コンパクトを形成した。

この湿潤ゲル状燃料コンパクトを大気中で約４０℃に加温して水分を除去して乾燥ゲル状燃料コンパクトを得た。この乾燥ゲル状燃料コンパクトを約６５０℃の窒素雰囲気中で仮焼して高分子樹脂化合物を除去した燃料コンパクトとした。仮焼温度は、既に述べたように、４００〜８００℃で充分であり、ＰＶＡを充分に除去することができ、加熱時の雰囲気はマトリックス材の黒鉛が酸化しないことが必要であり、本実施例では、窒素ガス雰囲気で乾燥した。最後に、仮焼された燃料コンパクトを１８００℃の真空中で１時間焼結することにより、マトリックス中に含まれるガス成分を除去し、製品燃料コンパクトを得た。

本実施例で得られた燃料コンパクトを検査し、ＳｉＣ被覆層の破損率及び貫通破損率（露出ウラン率)を測定したところ、コンパクト製造に起因する被覆燃料粒子の破損は認められなかった

本発明によれば、燃料コンパクトは、材料をコンパクト容器内で凍結し、この凍結燃料コンパクトを容器から取り出しゲル化して成形されるので、プレス成型時のように被覆燃料粒子に荷重がカロわることがないため、被覆燃料粒子の被覆層が破損することがなく、オーバーコート層が不要になり、被覆燃料粒子の充填率を極限まで高めることができるので、燃料コンパクトの燃焼の高度化に確実に対応することができ、産業上の利用性が向上する。

Claims (6)

1. 水溶性高分子樹脂化合物の水溶液中に黒鉛粉末を分散させてマトリックス原液を調整する工程と、前記マトリックス原液と被覆燃料粒子とのコンパクト材料をコンパクト形成容器に装填する工程と、前記コンパクト材料が装填されたコンパクト形成容器を凍結させることにより凍結燃料コンパクトを形成する工程と、前記高分子樹脂化合物水溶液と接触すると反応して前記高分子樹脂化合物をゲル化させるゲル化用液体を冷却し、前記ゲル化用液体の中に前記凍結燃料コンパクトを浸漬して前記黒鉛粉末と前記被覆燃料粒子とが分散状に担持された湿潤ゲル状燃料コンパクトを形成する工程と、前記湿潤ゲル状燃料コンパクトを前記ゲル化用液体か ら取り出した後乾燥して乾燥ゲル状燃料コンパクトを得る工程と、前記乾燥ゲル状燃料コンパクトを仮焼して前記高分子樹脂化合物が除去された燃料コンパクトを得る工程と、前記仮焼燃料コンパクトを焼結する焼結工程を備えた高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法
2. 請求項１に記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記水溶性高分子樹脂化合物がポリビニールアルコールであることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記ゲル化用液体が−１０℃〜−４０℃に冷却されたアセトンであることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記マトリックス原液を調製する滴下原液中の前記高分子樹脂化合物の含有率が０．５〜１５重量％の範囲内であることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記乾燥ゲル状燃料コンパクトを仮焼する工程が４００〜８００℃の不活性ガス中で行われることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記燃料コンパクトが５０％以上の粒子充填率を有するように前記被覆燃料粒子を充填することを特徴とした高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。