JP3717403B2 - 核燃料のマイクロ波焼結方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
この発明は、核燃料をマイクロ波加熱炉において焼結する方法及びそのためのマイクロ波加熱炉に関する。
【０００２】
マイクロ波加熱炉の工業的利用は、現時点では、物体或いは材料の乾燥、滅菌（例えば食料品）、ゴムの重合化、プラスチックの硬化及び中くらいの温度で行われる同様なプロセスに限られている。セラミック産業では、焼結のためにマイクロ波を使用することに関心を持っているが、その使用は今まで殆ど実験室規模に限られていた。というのは、従来の経験によれば、確かに比較的短い焼結時間で足りるが、巷間言われるように、比較的高い温度が必要であり、従って炉の磨耗が大きく、全体としてかなり大きなエネルギー損失が生ずるからである。しかしながら、あるいはより良い材料特性、例えばセラミック構造における微細粒子が得られるかも知れないという期待もある。今までは、しかしながら、概して満足の行く品質を持つ製品をマイクロ波で作成することはできなかった。
【０００３】
しかし、未公開のＰＣＴ／ＥＰ出願９７／０４５１３号明細書には、非焼結の核燃料から圧縮されているスラッグを焼結し、その形状も、またその密度及び機械的及び／又は化学的性質も原子炉における使用に対して要求を満足する核燃料焼結体に仕上げる方法が記載されている。その場合、同じ所要時間であるにもかかわらず、従来の方法よりも低い温度しか必要とせず、これによりその保守も簡素化され、またエネルギー損失も減少する。勿論、そこに記載されている、経験的な方法で設計された構成を最適化することは容易ではない。燃料内の均質な温度分布、温度損失の低減及び炉部品の熱負荷の減少が求められているが、これを達成するのは難しく、また必ずしも再現性がない。
【０００４】
セラミック核燃料に固有の特徴は、マイクロ波に充分によくなじむ、即ち低温においても導電性になることもなく、マイクロ波電界からエネルギーを吸収できることにある。しかしながら、比較的高温において導電性が増大し、それにつれて燃料は益々金属のような振る舞いをするようになる。従って、局所的な過熱、電弧の発生或いはマイクロ波電界の歪みが生ずる。例えば、既に充分に焼結した導電性の部分が、燃料の隣接個所へのマイクロ波の進入を妨げることがある。その結果、不規則に焼結され、部分的に溶解され、また形の歪んだタブレットが生ずることになる。従って、局所的に現れる鋭い最大値のない、エネルギー及び温度のできるだけ均一な分布を達成することに努力が払われている。
【０００５】
この先行の提案によれば、マイクロ波はマグネトロン或いは同様な電気部品（例えば、クライストロン）により発生され、共振体として形成されている、即ちマイクロ波を反射する金属製の壁で全面が遮蔽されている炉空間（作業空間）に導波管を通して送り込まれる。その場合、マグネトロンはマイクロ波電界の唯一の発生源として、核燃料はこの電界の吸収部として、そして共振器空洞を備えた導波管は単に損失を伴うマイクロ波の伝達部として見なされるので、共振器空洞と導波管の配置は、経験的に、熱損失が最小となるように、即ち核燃料によってこの電界からできるだけ多くのエネルギーを取り出せるように選択される。さらに、作業空間における導波管の位置を変えることによって、できるだけ均一な温度分布が燃料に設定される。必要な出力を調達するために、その一端でその全断面が共振器空洞に移行しているそれぞれ１つの導波管を介して複数のマグネトロンが設けられ、個々のマグネトロンは個々に制御されて、それらによって得られたマイクロ波電界を重畳することによってできるだけ均質な温度分布になるようにされている。
【０００６】
均一な品質は、その場合、焼結ガスが貫流し、共振器空洞全体を通して直角方向に延びているセラミック管を通して焼結材を押し込むことによってしか達成できない。マイクロ波電界及び温度分布に不可避の局所的な非均質性があると、その場合、燃料の全範囲が同一の局所的環境を通過するので、最終的には燃料の全ての試料が、その受ける温度に関して同じ履歴を持つことになる。このための前提は、マイクロ波電界が比較的大きな時間的変動を受けないことである。焼結のために使用される温度、焼結時間、焼結雰囲気並びに有効な装置、例えば燃料を焼結ガスの通流する管に導入するためのガスロックやマイクロ波による焼結装置のその他の詳細に関して、この文献は、本発明にとっても適用可能な、多くの開示を含んでいる。この文献の内容は、従って、作業空間（共振器空洞）へのマイクロ波の入力を改善しようとする本発明の内容でもある。
【０００７】
本発明の課題もまた、原子炉での使用に必要な品質を持つ核燃料を焼結する方法及びそのためのマイクロ波加熱炉を提供することにある。なおここで「核燃料」とは、酸化ウラン単体だけでなく、他の酸化物、特にプルトニウムやトリウムのような超ウランやまた酸化ガドリニウムのような吸収材との混合物をも意味する。特にこの発明は、燃料の圧縮成形体、いわゆる「スラッグ」を焼結して対応の焼結成形体（通常、円筒状タブレット、いわゆる「ペレット」）にすることを指向している。しかしながらこの発明は、粉末或いは顆粒をそれに応じた焼結温度で処理するためにもまた適している。本発明者の経験によれば、少なくとも原子炉での使用に適した材料においてマイクロ波を使用することにより、焼結温度及び熱損失の低下を期待することができる。
【０００８】
この発明は、その場合、高温において上昇する核燃料の導電性は焼結結果の悪化だけでなく、電界中での不安定な状態にもつながるという知見から出発している。何となれば、燃料はその非均質な加熱に応じてマイクロ波放射に対する非均質な吸収部になるだけでなく、その電気的特性自体に基づいて「送信器」と同様に作用し、その結果マグネトロン及びそれにより与えられる電磁波に対して不安定な帰還部となる。このような帰還は、炉空間（共振器空洞）をただマグネトロン（発振源）と核燃料（吸収部）との間の電磁波仲介体として見做す構成では、その損失に関しては最適化されているとしても、確実には制御できない。
【０００９】
この発明は、寧ろ先ず、マイクロ波を反射する金属製の壁で全面が閉塞し、そして安定したマイクロ波電界（定常波）を形成するために、その寸法が使用されるマイクロ波に整合しているアンテナ空洞を利用する。通常、マイクロ波技術において、マグネトロン或いはクライストロンは、９１５ＭＨｚ或いは２．４５ＧＨｚの周波数を得るために使用される。一般に、０．４〜３０ＧＨｚの間の周波数が適している。この周波数に整合された、損失の少ない導波管の寸法は研究され、公知でありまた記述されている。これらの導波管が、その両端において反射性の壁（いわゆる「短絡閉塞体」）によって閉塞されると、導波管は、このような周波数を定常波に導く共振器になる。
【００１０】
特にこの発明では、このようなアンテナ空洞の各々に個々にマグネトロン又はクライストロンを設けるが、これを定常波の中に配置するのではなく、寧ろ、その他端がアンテナ空洞に連通する導波管の一端にあるようにするのがよい。
【００１１】
このようにして安定化されたアンテナ空洞の電界から、焼結に必要なエネルギーがアンテナ空洞の壁の多数の幅狭い開口を介して取り出され、共振器空洞に入力される。特にスリットとして形成されるこれらの開口は、アンテナ空洞の壁の面に比して、それらがアンテナ空洞における定常波の形成に殆ど影響せず、電気的閃絡も発生させず、しかし充分に出力を放射する程度に小さい。これによりマイクロ波のアンテナ空洞への帰還も最小になる。
【００１２】
このような「スロットアンテナ」は、以前から通信技術の分野において既に提案されている。これにおいては、その対応する電界を殆ど無限の周囲に放射し、それからは僅かな反射しか帰って来ない。これにより放射面にわたって均一に分布された放射出力を出す安定した、面形の発振器が成立することになる。
【００１３】
このような「スロットアンテナ」の技術は、ウェルナ・リュッゲベルグ（Werner Ruggeberg） により「高出力マイクロ波加熱システムのための複数スリットを備えた導波管アンテナ (A Multislotted Waveguide Antenne for High-Powered Microwave Heating System) 」、工業的応用についてのＩＥＥＥトランザクション、Ｖｏｌ．ＩＡ−１６、Ｎｏ．６、１９８８年１１月／１２月、第８０９〜８１３頁に記載されている。この文献には、放射出力が所望の平面的な分布となるように、放射される出力並びにスリットの数及び配置を決定する方法及び公式が記載されている。その場合、放射を受ける物材は、大きなエネルギーを放射されるが、放射されたエネルギーを反射しない無限空間と見做される。従って、また吸収体の位置における低温しか考察されていない。しかしながら、金属製の物体（これは反射及び吸収に関して高温に加熱された核燃料をシミュレートする）を外部からスリットの近くに持って来ると、リュッゲベルグによれば、定常波はマグネトロンも配置されているアンテナ空洞において崩壊し、電弧が生じてアンテナの壁そしてまたマグネトロンならびに反射器に多大な損害を来す。このようなリュッゲベルグによるスロットアンテナをＰＣＴ／ＥＰ出願９７／０４５１３の構成に組み込んだ場合、このような損害は、アンテナ出力が絞られ、また核燃料における平均温度がまだ焼結温度に達していないにも係わらず発生した。
【００１４】
それにもかかわらず、この発明においては、マイクロ波発振器により給電されるアンテナ空洞は、少なくとも１つの狭い開口、望ましくは複数のスリットを、マイクロ波を核燃料を含む共振器空洞に送り込むために備えている。しかしながらこれらのスリットは、アンテナ空洞への帰還が核燃料における反射によっては最早乱されないように設定されている。スリットの配置を変えることにより、寧ろ核燃料の温度分布が制御され、調整される。
【００１５】
この発明によれば、複数のこのようなスロットアンテナが、共振器空洞に核燃料の焼結のために必要なエネルギーを供給する目的で有利に利用される。そして共振器空洞はアンテナ空洞とほぼ同じ長さを持ち、アンテナ空洞は共振器空洞の長側面に配置されている。最も簡単な場合には、アンテナ空洞は直接共振器空洞に配置され、その結果両方の空洞は狭い開口或いはスリットを有する共通の壁によって隔てられている。
【００１６】
高温に加熱された燃料の前述の金属的な挙動を考慮すると、焼結材は、それにより強烈な吸収体となるだけでなく、また「送信体」或いは少なくとも１つの反射体にもなり、アンテナ空洞における定常波への帰還を無視できない。寧ろ、アンテナ空洞における共振状態は核燃料からの帰還によって著しく歪められる。
【００１７】
この帰還を回避しようとするなら、スリットの数及び／又は面積を減少することが考えられよう。これにより帰還されるエネルギーが減少するが、同時に核燃料によって吸収され、焼結に寄与するエネルギーも減少するので、燃料が実際上必要な焼結温度にまで加熱されない。この方法はそれ故実施できない。
【００１８】
寧ろ、このシステムは帰還システムとして考察する必要があり、スリットを備えたアンテナ空洞は、予め、歪んだ関係に設定する必要がある。このことは、アンテナ空洞の長さを移動可能な金属製の閉鎖体によって変え、かつアンテナ空洞の壁におけるスリットの位置を変えることにより経験的に簡単に実現可能である。このような変更により、共振器空洞における温度及び電界の著しく均質な分布を達成し、上述の損害を回避することができる。
【００１９】
この発明の方法、核燃料を焼結するためのマイクロ波加熱炉並びにその幾つかの有利な改良例は請求項に記載されている。
【００２０】
以下、９つの図及び幾つかの実施例を参照してこの発明を詳細に説明する。
【００２１】
図１のマイクロ波加熱炉１において、側面壁２及び上面壁３の部分は、直方体状の共振器空洞２０の内部を見えるようにするために破断してある。共振器空洞２０はその側面において前述の側面壁２、これに平行な側面壁５、上面壁３及び対向する底面壁６によって、そして背面に向かっては背面壁４によって閉鎖されている。背面壁に対向する正面壁７は固くねじ締め可能な扉として形成され、これらの壁の全ては３ｍｍの厚さの鋼板で作られている。一般的には、この材料としてマイクロ波を反射し、少なくとも８００℃までの温度に耐え、共振器空洞２０の換気状態においても、また焼結のために使用される焼結ガスを充填した際にも化学的に耐性があり、特にスケールを形成しない限り、如何なる材料（特に金属）も考慮される。内面壁は、マイクロ波の反射を容易にするために、研磨或いは鏡面化されるのがよい。
【００２２】
内面には、マイクロ波に対して充分に透過性のある熱絶縁体８が内張りされている。この材料としてはセラミック材、特に多孔性状態の酸化アルミニウムが挙げられる。図１ではこの熱絶縁体も同様に大きく破断して示しているので、部分的にのみ図示する保持装置１０、１１、１２が見えており、この上に核燃料が３段に導入され、保持されている。さらに、焼結ガス（例えば、１０^-8気圧或いはそれ以下の酸素分圧を持つ乾燥した水素）をこの空間に導入もしくはこれから排出するために、ガス供給管１５とガス排出管１６とが設けられている。
【００２３】
壁２〜７により遮蔽された共振器空洞２０には、その背面壁４から、それぞれ対応のアンテナ空洞２１及び２２により作られたマイクロ波が供給される。このアンテナ空洞２１、２２も全面に向かって同様な壁によって遮蔽され、それぞれ１つのマグネトロン２３がアンテナ空洞の閉塞された端部に設けられている。さらに、マグネトロンから出る電磁波及び反射波を測定して、絞り、例えばアンテナ空洞に変更可能に配置された３つの反射板からなる市販の装置により反射波を抑制するために、マイクロ波技術において通常使われる装置のためのケース２５、２６が示されている。
【００２４】
さらに、アンテナ空洞２１の他端は短絡スライド２８によって閉塞され、このスライドは、この空洞を調整のため変更するために、アンテナ空洞の中にその長さを変更可能な状態で突入していることが判る。
【００２５】
なお、特徴的なことは、アンテナ空洞２１及び２２と共振器空洞２０との間の隔壁がそれぞれ幅の狭い開口３０を備えており、この開口がアンテナ空洞と共振器空洞との間の共通の面のほんの僅かな部分を占めていることである。
【００２６】
扉が開放した状態で、粉末或いは顆粒状の核燃料を１つ或いは複数の層として炉の中に挿入し、次いでこの炉を閉鎖し、所定の処理のために必要なガスを供給する。この炉は、先ず第一に、比較的出力の小さい方法に対する、例えば粉末の乾燥或いは少量での実験室研究のためのものである。特に、大量の粉末を高温において焼結するため、なかんづく圧縮成形されたスラッグを焼結するためには、図１とは異なり、マグネトロン並びに測定器具や絞りのような上述の計装機器を、そこに形成された定常波による危険に曝されているアンテナ空洞自体に配置するのではなく、導波管に配置するのがより有利である。直方体状の共振器空洞（幅５０ｃｍ、高さ３０ｃｍ、長さ６０ｃｍ）の寸法もまた最適化されていない。しかしながら、特に特徴的なことと認められるのは、マイクロ波の入力が、共振器空洞への開口においてマイクロ波に対して殆ど妨げとならず、そして殆ど反射しない導波管によってではなく、長く延びた共振器空洞がその両側の端面において閉鎖され、マイクロ波を取り出すために特に長手方向に配列されている側面のスリット２９を備えていることである。
【００２７】
特に共振器空洞へのマイクロ波の進入方向に対し垂直な断面は、得られるマイクロ波の空気中における波長の少なくとも４分の１、最高でも４倍の稜の長さを持つ。この場合、この限界値により定まる直方体状の共振器空洞とほぼ面積の等しい断面を持つ限り、円筒状の共振器空洞も可能である（但し最適化は困難）。
【００２８】
アンテナ空洞の長手方向において、スリット間の距離をマグネトロンの周波数（２．４５ＧＨｚ）もしくはそれに対応する定常波に整合させ、固定的に設定することができる。しかしながら各アンテナ空洞の中心からの距離は、スリットを通して放射される出力を決定し、例えば経験的に調整することができる。図２は共振器空洞から隔壁４３によって隔てられている直方体状のアンテナ空洞の一部を示している。この隔壁４３は複数の薄板から構成され、幅ｄ’を持っている。この隔壁には窓４０が形成され、この窓は壁の中に保持されたスライド板４１によりほぼ覆われている。このスライド板４１には縦スリット４２が形成され、前述の壁の中心線からの距離ｄはそれ故変更可能である。
【００２９】
スリットを通して放射されるエネルギーの取り出しは図３のようにも行える。この場合、壁にはスリット４５を備えた回転円板４４が設けられている。そのスリットの向きは、それ故、対応の窓４８の中で変更可能である。その場合、放射されたエネルギーはスリットの長手方向の投影像にほぼ比例し、従ってその向きが長手方向に一致するとき最大のエネルギーが与えられる。これらのスリットは既に炉の設計の際に運転条件における対応の経験的実験により確定し、炉の設計において取り入れることができる。しかしながら、温度分布の変更には炉の運転の際にスリットをそれに応じて適当に変更する必要のあることが分かっている。この目的のため、図３においては、円板４４の駆動輪４６をサーボモータ４７によって駆動し、スリットの位置を運転状況に応じて変更している。
【００３０】
図４は、特に圧縮成形された核燃料スラッグを焼結して原子炉における使用に適した燃料焼結体とするために設計された加熱炉を概略的に示す。
【００３１】
この加熱炉５０の中枢部は、長く延びた直方体状の共振器空洞５１で、この共振器空洞の対向する２つの側面に、共通の壁（隔壁）によって隔てられた各１個のアンテナ空洞５３が接している。この共通の壁５２には、それぞれ複数の縦スリット５４が形成され、その配置はここでは先ず任意に示されている。これらのアンテナ空洞５３も同様に直方体状であるが、共振器空洞５１の断面よりやや小さく、直角に折れ曲がって共振器空洞に連通している導波管５５の断面と一致する断面を持つ。各１個のマグネトロン５６の電気端子並びに向きは矢で示され、このマグネトロン５６はそれぞれ導波管５５の閉じた端部に入り込んでいる。マグネトロン５６と、導波管がアンテナ空洞に入り込む接続位置との間には、流出するマイクロ波と戻って来るマイクロ波を別々に検出する測定器具と、従来のこの種導波管に使用されてきた絞り装置のための基台５７が設けられている。
【００３２】
符号５８は、空洞が図示しない熱絶縁体で内張りされ或いは殆ど満たされている個所を示している。この熱絶縁体は使用するマイクロ波に対して充分に透過性である。反射性の壁によって包囲された空間の中に配置された、このような絶縁は如何なる場合も、共振器空洞（少なくともそのスリットのない壁）に対して有利である。これにより、壁材料が加熱された核燃料の熱放射から保護されるからである。アンテナ空洞に関してはこのような熱放射を懸念する必要がなく、内壁を研磨し、鏡面化し或いは他の方法で反射を大きくしかつ吸収を少なくするだけで充分である。というのは、熱絶縁のための通常の材料、例えば酸化アルミニウムは、温度が上昇するだけでマイクロ波を吸収し始めるからである。それ故、アンテナ空洞には、マイクロ波に対して酸化アルミニウムより低いマイクロ波吸収率を持つ材料を使用するか或いは熱絶縁を断念するのが有利である。
【００３３】
さらに、図４ではセラミック管５９が共振器空洞の全長にわたり延びている。このセラミック管５９は、一方では、この管を通して押し込まれる焼結材、即ちスラッグを収納するためであり、他方、このセラミック管５９を通して焼結ガスも、特に焼結材の運動方向に対して逆方向に導かれる。
【００３４】
図４には、セラミック管５９が共振器空洞の外部において、一方ではこの共振器空洞に焼結材及び焼結ガスを充填及び排出することを可能にするそれぞれ１つのガスロックに移行していることは示されていない。このようなガスロックは前述のＰＣＴ／ＥＰ出願９７／０４５１３号明細書に記載されている。このガスロック（見易くするため図示は省略）の位置は矢６０で示されている。その場合、焼結材は共振器空洞に入る前に及びこれを離れた後に共振器空洞の端面壁に形成された金属管６１を通過するようにすると有利である。なお、この金属管はセラミック管５９の延長として或いは同心の被覆管として形成可能である。このような金属管は、この管の内部のマイクロ波電界が、焼結材の供給及び排出時に崩壊して外部に漏出しないように作用している。他方、共振器空洞の端面壁に接しているこのようなマイクロ波のない領域は、有利なことに、核燃料の加熱もしくは冷却区間ともなる。即ち、核燃料を左前面に見える正面壁側から炉に導入し、セラミック管５９を通して搬送し背面側の端部で取り出す場合、矢６２で示すガス流は先ず低い温度を持っているので、背面側の端部から出て行く高温の焼結された核燃料を冷却し、炉の中で高温燃料と接触して加熱され、正面側の端部から導入される低温の燃料を加熱する。
【００３５】
図５は図４とほぼ同じ炉を示す。相違点は、スリットの配置（これについてはなお詳述する）の他に、ここではスリット７０から出るマイクロ波が焼結材を搬送するためのセラミック管７１に直接、その間に他の絶縁材料なしに向いている点である。寧ろ、共振器空洞７２と両アンテナ空洞７３の１つとの間の隔壁の熱絶縁は、ここでは共振器空洞７２の金属製の壁の外側に配置された絶縁層７４により実現されている。隔壁として、この場合それ故僅かな間隔で配置された、互いに平行な個々の壁が利用される。アンテナ空洞７３から放射されるマイクロ波の、共振器空洞の両側のスリット７０への供給は、それ自体絶縁材料からなるパッケージ７６により取り囲まれる管状の接続管で行われている。
【００３６】
しかし共振器空洞７２の内部には、スリットのない縦壁に、側面壁の加熱を阻止し、従ってまた過熱された部分に人体が接触するのを防止する働きも兼ねる絶縁物製の内張り７８を備えている。さらに、ガスロックが各共振器空洞の外部の正面側及び背面側のケース７７に設けられている。特に共振器空洞の金属製の壁は、この正面側及び背面側では絶縁されず、寧ろこの絶縁はこのガスロックのケース７７に設けられているので、このケース７７は殆どマイクロ波による作用を受けない加熱域及び冷却域を形成している。
【００３７】
図５による絶縁は、特に使用される焼結温度の上部範囲（凡そ１８００〜１８５０℃）で操作せねばならず、そして市販の、高多孔質の酸化アルミニウムからなるセラミック体が、直接スリットから出るマイクロ波にあまりに強く結合し、それによる熱負荷に長時間にわたり耐えられない場合にのみ使用される。
【００３８】
或いはまた、これに代わって、高多孔質の固体でなくて、例えばそれに対応した繊維材を使用することを試みることもできる。
【００３９】
図４による炉の共振器空洞５１及びアンテナ空洞５３の金属製の壁の断面を図６に示す。共振器空洞５１の断面は、その場合、当該導波管に対するマイクロ波技術において知られており、「Ｒ２２」と称する寸法とされ、他方アンテナ空洞５３の断面は「Ｒ２６」と称する導波管断面に一致する。共振器空洞の寸法はａ＝１０８ｍｍ、ｂ＝５４ｍｍが選ばれ、アンテナ空洞についてはｃ＝８６ｍｍ及びｄ＝４３ｍｍが選ばれている。
【００４０】
３ｍｍ厚の鋼アングルを溶接した壁８０は、ボルト８０’を用いて固く締めつけられており、このボルトはまた１ｍｍの厚さを持つインコネルからなる薄板を保持している。そしてこの薄板の、アンテナ空洞と共振器空洞との間の隔壁には前述のスリットが形成されている。
【００４１】
さらに図６は、アンテナ空洞５１の断面が、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）からなり、張り合われされた２つの高多孔質セラミックブロック８０ａ、８０ｂでほぼ満たされており、これらの真ん中に前述のセラミック管５９のための空所８０ｃを持つことを示している。この空所８０ｃには幾つかの位置に管５９を支えるための支え８０ｄが設けられている。
【００４２】
アンテナ空洞の断面は、それぞれ一端においてアンテナ空洞に連通し、他端でこのアンテナ空洞側のマイクロ波発振器を担持している導波管の断面に一致している。図４のこの発振器の出力はそれぞれ１．２５ｋＷである。この出力でペレットを約１２００℃のＣＯ₂雰囲気において、もしくは１３００℃のＨ₂雰囲気において焼結した。そのとき、ペレットは焼結の際に約１４０Ｗを受け取り、８０〜１５０Ｗが焼結ガスにより吸収されて分配され、２００Ｗが反射にて発振器に帰還された。
【００４３】
より高い温度とそれに応じた高い出力（各２ｋＷ）でより速く焼結するため、共振器空洞の高さｂをｂ＝１００ｍｍに選択し、その他の寸法はそのままにした。アンテナ空洞及び共振器空洞の長さ及びマグネトロンと対応のアンテナ空洞への入口との間のマイクロ波の波長はそれぞれ約１．１ｍであった。
【００４４】
この長さでセラミック管５９（図７）を一体に作った。この場合、スラッグ８１を前述のＰＣＴ／ＥＰ出願９７／０４５１３号明細書に開示された装置を介して順次セラミック管に押し込み、焼結された状態で他端から集めるだけで充分である。
【００４５】
それぞれアンテナ空洞８２に供給する２つのマグネトロン（図７にはスリットを通って出るマイクロ波８３だけが示されている）によりそれぞれ２ｋＷを給電することによって、共振器空洞８４には、核燃料の複数の層を焼結するために、充分に出力が提供される。しかも、処理量をこのように数倍にすることによっても熱損失を著しく高めることはない。
【００４６】
なおその場合、核燃料は共振器空洞の中心軸の回りに、ほぼ中心に位置してその断面にわたって配分するのがよい。これに対応する保持装置を図８に示す。この場合、共振器空洞８５内において、３つのペレット柱８６がそれぞれ１つの狭い管８７内に通されている。
【００４７】
ここに記載したマイクロ波加熱炉は、正面側から管に押し込まれ、背面側から取り出される圧縮成形されたスラッグの適用に限定されない。核燃料を、例えばボート或いは他の搬送具の形で炉の中に導入すること、例えば、正面側から導入し、再び正面側から取り出すことも可能である。しかしながら、このような場合にも、共振器空洞全体を焼結ガスで充填せず、従って共振器の壁を侵食性の雰囲気に曝すことなく、焼結ガスをそれ相当の気密セラミック管、例えば図８に示す複数の別々の燃料の層の保持体を包囲する管８８の中に通すのが有利である。
【００４８】
スリットを備えた壁に対し垂直な共振器空洞の断面については寸法ａ＝３０ｃｍ、ｂ＝２０ｃｍが選択されている。その場合、例えば、６つの核燃料保持体を設け、その配置を、例えば断面の中心点の回りに配置した正六角形の角に対応するようにするのも有利である。さらに付加して、中心軸自体にも１つの核燃料保持体を設け、それにより７つの層の核燃料を同時に焼結することもできる。
【００４９】
管内の燃料の搬送速度を上げてその処理量を上げるには、炉の長さを長くする必要がある。この場合、前述のように構成した共振器空洞を２つ相前後して配置し、これにより、２つの部分共振器空洞から構成され、一貫した燃料保持体を備えた共振器空洞とする。この両部分空洞は、最も簡単には、絞りを介して互いに接続し、両部分空洞のマイクロ波電界の結合を解くようにする。しかしまた、両部分空洞を互いに遮蔽する絞りを設けずに、稼働させてもよい。その場合、唯一の、それに応じて長いセラミック管を核燃料保持体として働かせる。しかし、管を互いに突き合わせ、これを接続スリーブに嵌め込んで使用してもよい。
【００５０】
マイクロ波をアンテナ空洞に形成された定常波から分離するために、開口の中心点と開口の縁部との間の最小距離が波長の約４％より大きくならないようにするのがよい。ここで使用する２．４５ＧＨｚの周波数に対しては、約５ｍｍ（いかなる場合にも１０ｍｍ以下）のスリットの幅が選ばれた。他の方向には開口をそれより拡げることができる（ただし、波長の約半分まで）。このような条件の下でスリットには金属製のスリット縁部の間に閃絡は観察されなかった。これら開口の中心点間の距離は少なくとも波長の半分であるのがよい。従って、アンテナ空洞の隔壁に開口が占める面積の割合は５％以下に制限される。長く延びたアンテナ空洞に対し、スリットは縦方向にはアンテナ空洞の側壁の中心線上にではなく、この中心線に対しずれて配置される。スリットは、例えば交互に中心線の両側にずれて配置される。その場合、スリットを縦方向に均一に配分するのでなく、マイクロ波発振器から与えられるマイクロ波の入力がアンテナ空洞の一端の近くにおいて行われ、スリットが他端から長さにわたって（好ましくは、長さの約半分から４分の３まで）延びているのがよいことが判った。個々のスリットの中心線からの距離ｄは、燃料内のできるだけ均一な温度分布を考慮し、図２に記載の方法に従って、約１５ｍｍの均一距離から初めて最適化された。
【００５１】
なお、図２から図９に示された個々の実施例の詳細は他の実施例に対しても適用できることを付言しておく。
【００５２】
図９は、得られた温度分布とスリットの配置とを示す。図において、９１は一方の導波管がそれに対応するアンテナ空洞に連通しているおよその場所を示す。他方、９２はアンテナ空洞と共振器空洞との間の壁に設けられたスリットの形状及び縦位置を示す。これに応じて、他方の導波管と他方のアンテナ空洞との連通位置を９３で、他方のアンテナ空洞と共振器空洞との間の壁のスリット位置及び形状を９４で示す。なお、ここでは、図７の炉を利用した。一方のアンテナ空洞に属するスリット９２は、その場合、全て一方の側に、他方のアンテナ空洞に属するスリット９４は、その場合、全て共振器空洞の後ろ半分の１つの側に、そして他方のアンテナ空洞に属するスリット９４はこれに対して直径方向反対側に配置されている。
【００５３】
核燃料は通常の酸化ウランのペレットからなり、毎分４．４ｍｍの速度で、その全長が１．１ｍである炉を通して押し込まれた。図示の温度分布は比較的短い加熱時間後では時間的に殆ど一定であった。ペレットの焼結密度は充分に均質であり、１０．２〜１０．６ｇ／ｃｍ³の実用可能な範囲にあった。ここで使用した温度は、従来の炉において同じ密度の焼結体を得るために必要な温度より明らかに低い。何となれば、マイクロ波焼結においては、燃料は高温ガスとの接触或いは輻放射の面吸収によっては、燃料の表面から内部に向かって進行するようにして、僅かな程度でしか加熱されず、マイクロ波を全体量で吸収することによって加熱されるからである。従って、焼結時間が短縮され及び／又は遙かに低い温度で処理される。それ故、セラミックのマイクロ波焼結において比較的高い温度が必要であるとするのは、恐らく誤った測定方法に帰せられるべきであり（測定センサはそれ自体マイクロ波によって加熱される）、大きなエネルギー損失は不充分な技術を示すものである。
【００５４】
それ故、これにより、あまりにも大きな実験的経費を要することなく、核燃料を高温でマイクロ波により工業的規模で熱処理するための方法及び炉を定めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による方法を実施するためのマイクロ波加熱炉の第一の実施例を示す。
【図２】マイクロ波を取り出すための可変スリットを備えたアンテナ空洞の一例の部分図。
【図３】マイクロ波を取り出すための可変スリットを備えたアンテナ空洞の異なる例の部分図。
【図４】この発明によるマイクロ波加熱炉の第二の実施例を示す。
【図５】この発明によるマイクロ波加熱炉の異なる実施例を示す。
【図６】図４によるマイクロ波加熱炉の断面図を示す。
【図７】この発明によるマイクロ波加熱炉の側面図の一例を示す。
【図８】この発明によるマイクロ波加熱炉の側面図の異なる例を示す。
【図９】図７の炉において得られた温度分布を示す。
【符号の説明】
１ マイクロ波加熱炉
２、５ 側面壁
３ 上面壁
４ 背面壁
６ 底面壁
７ 正面壁（出入口）
８ 熱絶縁体
１０、１１、１２ 燃料保持体
１５ ガス供給部
１６ ガス排気部
２０ 共振器空洞
２１、２２ アンテナ空洞
２３ マイクロ波発振器
２５、２６ 測定器具ケース
２８ アンテナ空洞のスライド蓋
２９ スリット
３０ 開口
４０ 窓
４１ スライド板
４２、４５ スリット
４３ 側面壁
４４ 回転円板
４６ 駆動輪
４７ サーボモータ
４８ 窓
５０ マイクロ波加熱炉
５１ アンテナ空洞
５２、５３ 共振器空洞
５４ 接続開口
５５ 導波管
５６ マイクロ波発振器
５７ 計装機器又は絞りの基台
５８ 熱絶縁体
５９ セラミック管
６０ ガスロック
６１ 金属製の管
６２ 焼結ガスの流れ
７０ スリット
７１ セラミック管
７２ 共振器空洞
７３ アンテナ空洞
７４ 絶縁層
７５ 接続管
７６ 絶縁材パッケージ
７７ ケース
７８ 絶縁材内張り
８０ 壁
８０’ ボルト
８０ａ、８０ｂ セラミックブロック
８０ｃ 空所
８１ 燃料
８２ アンテナ空洞
８３ 焼結ガスの流れ
８４、８５ 共振器空洞
８６ 燃料（ペレット）
８７ 管
９１、９３ 導波管とアンテナ空洞との連通位置
９２、９４ スリット

Claims (41)

1. 核燃料を共振器空洞（５１）に挿入し、この共振器空洞に、マイクロ波発振器（５６）によってアンテナ空洞（５３）に供給されるマイクロ波をこのアンテナ空洞（５３）から多数の幅狭い接続開口（５４）を介して供給し、前記アンテナ空洞（５３）に定常波を維持することを特徴とするマイクロ波加熱炉（１）において核燃料を処理する方法。
2. アンテナ空洞（５３）に定常波を維持し、マイクロ波をマイクロ波発振器（５６）から導波管（５５）を介し、共振空洞と接続開口を経て接続されたアンテナ空洞（５３）に供給することを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 核燃料を焼結ガス（６２）を充填した管（５９）に保持し、マイクロ波によって平均温度が１４００〜１８００℃である２０〜２２００℃の間の温度に加熱することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 核燃料を加熱炉（１）の一方の側から導入し、この炉を通して搬送する間に焼結し、他方の側から取り出し、そして焼結ガス（６２）を核燃料の搬送方向と反対方向に核燃料を取り囲むセラミック管（５９）内で共振器空洞（５１）を通して導くことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
5. 長く延びた、特に直方体状の共振器空洞（５１）を使用し、幅の狭い開口（５４）をその長手方向に互いにずらすことを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
6. 幅の狭い開口としてスリット（５４）を使用することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の方法。
7. 幅の狭い接続開口（４２、５４）を共振器空洞（５１）もしくはアンテナ空洞（５２）の１つの壁（４３）の、この壁（４３）の他の部分に可動に保持されている部分（４１）に形成し、この接続開口の位置を変えることにより核燃料に特定の温度分布を設定することを特徴とする請求項１から６の１つに記載の方法。
8. マイクロ波発振器（５６）の周波数に適合した断面を持つ、長く延びたアンテナ空洞（５３）と、これに平行に配置され、これとほぼ同じ長さでかつより大きい断面を持つ共振器空洞（５１）とを使用することを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
9. 共振器空洞（５１）に核燃料（８６）を備えた複数の保持位置を配置することを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
10. 核燃料（８６）を共振器空洞（５１）の中心軸の回りにほぼ対称配置でこの共振器空洞（５１）の断面にわたって分布させて配置することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
11. 第二のマイクロ波発振器（５６）からマイクロ波を第二のアンテナ空洞（５３）に供給し、このアンテナ空洞から複数の幅の狭い接続開口を介して同様にマイクロ波を共振器空洞（５１）に入射させることを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の方法。
12. 最多でも４つのアンテナ空洞からマイクロ波を共振器空洞（５１）に供給することを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. ０．４〜３０ＧＨｚの間の周波数を持つマイクロ波を発生させることを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の方法。
14. 核燃料をそれぞれ１つの金属製の管（６１）を通して共振器空洞（５１）に導入し、この共振器空洞（５１）から排出することを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の方法。
15. 核燃料を高温の焼結ガスを充填した、殆どマイクロ波が存在しないケース（７７）を通して共振器空洞（５１）に送り込み、殆どマイクロ波が存在しない低温の焼結ガスで充填したケース（７７）を通して共振器空洞（５１）から排出することを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の方法。
16. 核燃料を共振器空洞（５１）の内部に配置し、輻射熱を絶縁する絶縁体（８０ａ、８０ｂ）を通して導くことを特徴とする請求項１から１５の１つに記載の方法。
17. 長く延びた共振器空洞（５１）と、該空洞の外側の長側面に沿って延びる長く延びたアンテナ空洞（５３）と、導波路（５５）とを備え、
    該導波路は一端でアンテナ空洞に開口しそして他端で閉鎖されており、この他端にマイクロ波発振器（５６）を備え、前記アンテナ空洞は共振器空洞から隔壁（５２）により分離されており、かつこの共振器空洞の長手方向に互いにずれて配置されたこの隔壁の複数のスリット（５４）を通して共振器空洞（５１）と連通しており、更に共振器空洞（５１）が１つの口で加工品を導入・排出するための全面でマイクロ波を反射する壁をより遮蔽されており、しかも
    核燃料からなり形状を与えるべくプレスしたスラッグの焼結により核燃料焼結体を製造すべく、焼結ガス内で、１２００〜１８００℃の間の平均温度で加熱するマイクロ波加熱炉において、
    給気及び排気システム（１５、１６）と、共振器空洞（５１）内の加工材としてのスラッグのための長く延びたホルダ（５９）を備え、
    長く延びた中空通路がスリットを備えた隔離板でその一端面において閉鎖されて矩形状のアンテナ空洞を形成し、
    該空洞は、導波管の開口部そして隔壁内のスリット迄隔壁（５２）内において全面をマイクロ波を反射する壁で遮蔽されており、定常波を形成すべく調整されているマイクロ波加熱炉。
18. アンテナ空洞（２１）の、隔壁（４）によって形成された１つの側面の少なくとも９５％が共振器空洞（２０）との接続部として形成され、最大で５％がスリット（５４）として形成されたことを特徴とする請求項１７記載の加熱炉。
19. 導波管（５５）が少なくとも開放された端部において、マイクロ波発振器の周波数に整合した矩形断面を持つ直線的な通路部片を形成していることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
20. 導波管（５５）におけるマイクロ波発振器（５６）とアンテナ空洞（５３）への接続口との間に絞り（５７）が配置されていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
21. マイクロ波発振器（５６）の周波数が９１５ＭＨｚ或いは２．４５ＧＨｚであることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
22. マイクロ波発振器（５６）が、１〜４ｋＷの出力のマグネトロン又はクライストロンであることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
23. アンテナ空洞（２１）の長さが、マイクロ波を反射する表面を持つスライド蓋（２８）によって変更可能であることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
24. 共振器空洞（５１）がスリット（５４）を介して少なくとももう１つのアンテナ空洞（５３）に接続され、このアンテナ空洞（５３）にもう１つのマイクロ波発振器（５６）を担持する別の導波管（５５）が連通していることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
25. 共振器空洞が互いに相前後して配置された２つの部分空洞からなり、それらの部分空洞に、それぞれマイクロ波発振器により給電される少なくとも１つのアンテナ空洞が複数のスリットを介して接続され、燃料の保持装置が両方の部分空洞を通して延びていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
26. 導波管（５５）とアンテナ空洞（５３）とが同一の断面積を持っていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
27. 共振器空洞（５１）がアンテナ空洞（５３）より大きな断面積を持つことを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
28. 共振器空洞（５１）の断面の側辺がマイクロ波の空気中における波長の少なくとも４分の１、最高でも４倍であることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
29. 共振器空洞（５１）に、マイクロ波透過性の熱絶縁体（３０ａ、３０ｂ）が核燃料と壁との間に位置して設けられていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
30. 共振器空洞及び／又はアンテナ空洞の壁が鏡面化又は研磨されていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
31. 共振器空洞（８５）にそれぞれ核燃料（８６）の１つの層のための複数の保持装置（８７）が配置されており、核燃料（８６）が層状に共振器空洞（８５）の長軸を中心にほぼ対称的に配置されていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
32. 保持装置が、共振器空洞（８４、８５）のほぼ真ん中に配置され、燃料を取り囲み、この共振器空洞（８４、８５）全体を通して延びるセラミックの管（８８、５９）を含むことを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
33. 給気及び排気システム（６２）が管（５９）の内部に連通していることを特徴とする請求項３２記載の加熱炉。
34. 給気及び排気システムが、同時に共振器空洞（５１）への出入口を形成する少なくとも１つのガスロック（７７）を備えることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
35. 挿入及び排出のための出入口が共振器空洞（５１）の外部に配置された金属性の管（６０、６１）を含み、これを通して燃料が搬送されることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
36. 少なくとも１つのスリット（４２、４５）が壁の中において、可動であることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
37. スリット（９２、９４）が共振器空洞（５１）の長手方向に互いにずれていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
38. アンテナ空洞の隔壁に設けられたスリット（９２）が全て、この隔壁の長手方向に関して、１つの側面に配置されていることを特徴とする請求項３７記載の加熱炉。
39. 隔壁によって形成されるアンテナ空洞（５３）の側面の最高でも５％がスリットによって形成されることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
40. スリットの幅が最高でもマイクロ波の空気中の波長の８％であることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。
41. 共振器空洞（５１）の互いに対向して配置されている壁に２つのアンテナ空洞がスリットを介して共振器空洞（５１）に接続され、各１つの隔壁によって隔てられ、これらのスリットが両隔壁の互いに対向していない範囲に配置されていることを特徴とする請求項１７又は１８記載の加熱炉。

Images