JP4283823B2 - 使用済み核燃料の空気酸化炉 - Google Patents

Description

本発明は、使用済み核燃料のリサイクルのための均質な粉末を供給する装置に関し、より詳細には、装置の規模は小さいながらも大容量の処理が可能であり、装置を垂直系列化して重力によって粉末の排出を容易にし、酸化時間を短縮させることができる使用済み核燃料の空気酸化炉に関する。

核燃料とは、原子炉内に装入して核分裂を連鎖的に起こし、利用可能なエネルギーを得ることができる物質を意味し、使用済み核燃料とは、核分裂を起こした後に残った物質を意味する。

使用済み核燃料の管理には、大きく分けて二つの方法がある。一つの方法は、使用済み核燃料を地下５００メートル以上の岩盤に入れ、人間生態系と徹底して隔離させる方法である。これを永久処分と称する。もう１つの方法は、使用済み核燃料からリサイクル物質を分離して、核燃料物質は再利用し、高放射性物質は永久処分する方法である。

従来の方式によると、原子力発電所で燃焼させた使用済み核燃料集合体は、これ以上の処理が不可能な状態で水槽に保管・保存されている。しかし、原子力発電を稼動する期間が長くなる程、使用済み核燃料棒の量が次第に累積するため、膨大な保存空間が必要となる。また、このように累積した核廃棄物を処理すべきであるという必要性およびこの未処理核廃棄物の危険性が継続して指摘されている。

従って、固体形態の使用済み核燃料のリサイクルのための管理技術の開発が急がれている実情がある。これに対しては、使用済み核燃料を粉末化し、これを酸化させて後続工程に送る一部工程装置が開発されている。

しかし、従来の装置は小容量であり、水平あるいは傾斜して置かれているため、粉末化が完了した後、粉末を次の工程に移送する時に別の装置が必要となるという問題点がある。また、固体の使用済み核燃料の酸化には１３時間以上要され、空気中の酸素と反応して酸化した粉末が固まるという特性によりメッシュ網（ｍｅｓｈ）を通過することができず、メッシュ上にそのまま残留するという問題点がある。

また、他の問題点としては、粉末を混合する混合用羽根が刃状で構成されているため、固体の使用済み核燃料を投入した時、回転する混合用羽根と衝突が起きて刃が損傷し、究極的には破損するという問題点がある。これは、装置の破損によって使用済み核燃料の黒鉛が割れ、放射性有毒ガスが漏れて環境汚染を引き起こすという問題が発生するおそれがある。

従って、本発明は、上述した問題点を解決するためのものであって、使用済み核燃料のリサイクルのために後続工程に均質な粉末を提供して反応効率を向上させることができる使用済み核燃料の空気酸化炉を提供することを目的とする。

また、構造が比較的単純かつ小型でありながら大容量の使用済み核燃料を処理することができる使用済み核燃料の空気酸化炉を提供することを更に他の目的とする。

また、空気酸化炉を垂直系列化して重力によって粉末を容易に排出することができるようにし、円滑に均質な使用済み核燃料の粉末を供給し、大容量の粉末を処理することができる使用済み核燃料の空気酸化炉を提供することを更に他の目的とする。

また、メッシュ網が回転および上下方式で動くことができるため粉末の円滑な排出を援助し、酸化時間を短縮して作業者が核燃料に触れるおそれのある時間を減らし、環境汚染の危険性を減少させることができる使用済み核燃料の空気酸化炉を提供することを更に他の目的とする。

前記のような本発明の目的を達成するために、本発明による使用済み核燃料の酸化炉は、反応部、駆動部および排出部を含む。前記反応部は、使用済み核燃料が投入されて酸化し、前記駆動部は、前記反応部と連結して前記反応部に投入された使用済み核燃料を回転および逆回転させる。また、前記排出部は、前記反応部で反応された使用済み核燃料を集積して後続工程に案内する。

前記反応部は、内部に一定空間を形成する反応容器と、前記反応容器を囲むヒータと、前記反応容器と連結して前記使用済み核燃料を前記反応容器に投入する試料投入チューブと、前記反応容器と連結して空気を前記反応容器に吸入する空気吸入口と軸を上下に動かす空気シリンダから構成されたチューブモジュールとを含む。また、前記反応容器中、直径が狭まる部分にコーン型で形成されて装着され、微細な穴が形成されて空気が隙間なく広がるようにするメタルフィルタを更に含むのが好ましい。

前記反応容器は、内側に突出した混合固定羽根が一定間隔で複数形成され、回転する前記使用済み核燃料と衝突するようにして反応速度を増進させるのが好ましい。

前記駆動部は、前記反応容器の内部を貫通しながら前記反応容器の下端に形成された排出穴を上下に移動して選択的に開閉することができる回転軸と、前記回転軸を回転させる回転駆動ユニットと、前記回転軸を上下に駆動させる上下駆動ユニットとを含む。前記回転軸に円周方向に装着され、四角穴が複数形成されたメッシュ網が装着され、前記メッシュ網は、半型形態の第１メッシュ部と、前記第１メッシュ部と相接しており、半円形態を有する第２メッシュ部と、前記第１および第２メッシュ部と前記回転軸を連結する複数のリンクとを含み、前記回転軸の上下移動に伴って前記リンクが動いて前記第１および第２メッシュ部を折りたたんだり広げたりできる。

前記排出部は前記反応部の下端に位置し、酸化した使用済み核燃料が下降して保管される粉末容器と、前記粉末容器の上端に位置し、前記使用済み核燃料の出入りを統制する開閉バルブとを含み、前記粉末容器は逆じょうご状であって脱着可能に装着されるのが好ましい。

本発明によると、使用済み核燃料のリサイクルのために後続工程に均質な粉末を提供して反応効率を向上させることができる使用済み核燃料の空気酸化炉を提供するという優れた効果がある。

また、構造が比較的単純かつ小型でありながら大容量の使用済み核燃料を処理することができるという効果がある。

また、空気酸化炉を垂直系列化して重力によって粉末を容易に排出することができるようにし、円滑に均質な使用済み核燃料の粉末を供給することができるという効果がある。

さらに、メッシュ網が回転および上下方式で動くことができるため粉末の円滑な排出を援助し、酸化時間を短縮して作業者が核燃料に触れるおそれのある時間を減らし、環境汚染の危険性を減少させることができるという効果がある。

以下、添付の図面を参照して発明を実施するための最良の形態を詳細に説明するが、本発明の技術的範囲が発明を実施するための最良の形態の記載によって制限されるものでもなく、限定されることがないことはいうまでもない。

図１は、本実施形態に係る使用済み核燃料の酸化炉を示した斜視図である。図２は、本実施形態に係る使用済み核燃料の酸化炉を一部切開して示した切開斜視図である。図３は、本実施形態に係る使用済み核燃料の酸化炉を一部切開後に分解して示した分解斜視図である。
図１に示すように、酸化炉１０は、反応部１００、駆動部２００および排出部３００を含む。

反応部１００は、内部に一定空間を有するドーナツ状のヒータ１１０内に挿入され、ヒータ１１０の上側部には、使用済み核燃料などの試料が投入される試料投入チューブ１２０が装着される。また、ヒータ１１０の上側には、空気をヒータ１１０内部に流入させるように空気吸入口１３５（図２参照）を有する空気シリンダ１３０が装着される。空気シリンダ１３０は、メイン軸を上下に動かしてメッシュを開閉させる役割と、メイン軸で反応容器１４０（図２参照）の排出口を開閉させる役割を担う。

図２に示すように、ヒータ１１０の上部および下部は開放されており、ヒータ１１０の内部空間には反応容器１４０が挿入されている。試料は、試料投入チューブ１２０を介して投入されて反応容器１４０の内部に入るようになり、反応容器１４０は、その下面に排出穴１４１が形成されており、試料が酸化した後に排出部３００に排出されるようになる。

図４に示すように、ヒータ１１０の内部に挿入される反応容器１４０は、反応容器１４０の形状がじょうご（漏斗）状であり、その上部は一定の半径を有する円筒形であり、下部は、下方に行く程その直径が狭まる逆円錐形である。反応容器１４０において、直径が狭まる部分には、その内部にコーン型メタルフィルタ（ｃｏｎｅ ｔｙｐｅ ｍｅｔａｌ ｆｉｌｔｅｒ）１５０が装着される。空気が反応容器１４０中に隙間なく広がるように、形成コーン型メタルフィルタ１５０の側面には、微細な穴が形成されていることが好ましい。図４は、反応容器およびメッシュ網を示した切開斜視図である。

反応容器１４０は、その内部に、約１０〜３０Ｋｇの使用済み核燃料の粉末を投入することができる程度の大きさで製作するのが好ましく、ヒータ１１０は約４００〜６００度で加熱することができ、施設のコンプレッサを用いて反応容器１４０に流入する空気の量は約１０〜２０Ｌ／ｍであるのが好ましい。

駆動部２００（図２参照）は、反応部１００（図２参照）から投入された使用済み核燃料を回転および上下に移動させて酸化反応を援助する役割を担う。
以下、駆動部２００の詳細について説明する。

図２に示すように、駆動部２００は、反応容器１４０の内部に挿入され、反応容器１４０に形成された排出穴１４１を選択的に開閉させることができる回転軸２１０を備える。回転軸２１０は、その一端が排出穴１４１を閉鎖させることができるように大きさが拡張した開閉部２１１が形成され、その他端は駆動ユニット２２０に連結して回転軸２１０が回転可能に構成される。

駆動ユニット２２０は、回転力を伝達する回転モータ２２１と、回転モータ２２１および回転軸２１０と連結したベベルギア１２２とで構成される。回転モータ２２１が回転すると、その回転力がベベルギア１２２を介して回転軸２１０に伝達され、回転軸２１０が回転するようになる。回転モータ２２１はモータ装着台２２２に固定され、モータ装着台２２２から突出形成されたガイド棒２２３によって回転モータ２２１が保護される。ガイド棒２２３は回転可能に構成することができ、回転モータ２２１の分離時に妨害されないように構成することができる。

また、駆動ユニット２２０は、反応部１００を上下に移動可能なように駆動することができるが、反応部１００の下部に位置したプレート２５０と連結した駆動軸２５１が提供され、駆動軸２５１は上下移動モータ２５２と連結している。また、プレート２５０は、ベアリング２６１によって案内柱２６０と連結している。上下に移動するメカニズムを説明すると、上下移動モータ２５２が駆動すると、例えば、スクリューが形成された駆動軸２５１によってプレート２５０が上下に移動するようになり、プレート２５０上に結合された反応部１００が移動するようになる。この時、プレート２５０は、ベアリング２６１によって案内柱２６０を移動しながら安定的な移動を援助するようになる。反応部１００が移動しながらその内部に位置したメッシュ網２３０が折りたたまれたり広げられたりできるが、これに関する詳しい説明は後述することにする。

図４に示すように、回転軸２１０には、円周方向にメッシュ網（ｍｅｓｈ）２３０が結合されている。メッシュ網２３０は、四角穴が複数形成され、半円形態の第１メッシュ部２３１と、第１メッシュ部２３１と相接しており、半円形態を有する第２メッシュ部２３２とから構成される。第１メッシュ部２３１および第２メッシュ部２３２は、回転軸２１０と複数のリンク２３５によってヒンジ結合しており、まるで傘の骨のように形成されて、第１メッシュ部２３１および第２メッシュ部２３２が下方に折りたたまれるように動作することができる。このような様子を図５に示した。図５は、メッシュ部が折りたたまれた様子を示した斜視図である。

図４に示すように、回転軸２１０が回転することによって、メッシュ網２３０上にある試料が回転するようになるが、この時、試料は、反応容器１４０の内側に突出した混合固定羽根１４５と衝突する。混合固定羽根１４５は複数からなり、一定の間をおきながら反応容器１４０の内周面に位置する。混合固定羽根１４５は試料を混ぜる役割をし、これによって試料の混合および空気の注入が円滑になされるようにする。

図２に示すように、排出部３００は、反応容器１４０の排出穴１４１に装着され、酸化が完了した使用済み核燃料の出入りを統制する開閉バルブ３１０と、排出穴１４１に連結して酸化が完了した使用済み核燃料を保管する粉末容器３２０とから構成される。開閉バルブ３１０は、電子的または機械的なあらゆるバルブを含み、一般的な２方バルブ（２−ｗａｙ ｖａｌｖｅ）であることがある。

粉末容器３２０は、上側は反応容器１４０の排出穴１４１と連結し、内部には酸化が完了した粉末形態の使用済み核燃料を保管することができる空間を有する。粉末容器３２０は、全体的にじょうご状をなしており、酸化炉１０から脱着可能に装着される。従って、酸化がすべて完了すると、粉末容器３２０を酸化炉１０から分離して後続工程に移動する。または、連続工程で設計して、粉末容器３２０の下側を開放し、酸化した使用済み核燃料の粉末が粉末容器３２０の下側を介してチューブなどで後続工程に移送されるようにすることもできる。

粉末容器３２０は、底板４００上に固定装置４１０を介して固定される。固定装置４１０は、粉末容器３２０と結合する複数のカラム４２０などから構成される。

以下、本実施形態に係る酸化炉１０の作動方式および効果を説明すると次のようになる。

試料投入チューブ１２０を介して使用済み核燃料を反応容器１４０内に投入し、図示しないコンプレッサを用いて空気を流入させる。この時、前記使用済み核燃料は、メッシュ網２３０上に置かれるようになる。ヒータ１１０を約５００度前後で加熱しながら空気を約１４Ｌ／ｍで供給すると、供給された使用済み核燃料が酸化しながら粉末化過程が進行するようになる。
なお、試料投入チューブは、使用済み核燃料を反応容器に投入し、空気は別のチューブにより反応容器に供給する構成としても良い。

酸化速度を速くするために回転モータ２２１を作動すると、回転軸２１０が約３〜５ｒｐｍで回転するようになり、これによってメッシュ網２３０およびその上に置かれた使用済み核燃料が回転しながら反応容器１４０の内側に突出した混合固定羽根１４５と衝突するようになる。また、コーン型メタルフィルタ１５０で空気が隙間なく広がるようにすることで、酸素と使用済み核燃料との接触面積を広げて酸化速度を増進させるようになる。

使用済み核燃料の酸化が終了すると、空気シリンダ１３０を上方に引く。この時、回転軸２１０が上昇しながらメッシュ網２３０が下方に折りたたまれ、回転軸２１０の下端が上昇しながら酸化した使用済み核燃料の粉末が粉末容器３２０に移送されるようになる。粉末容器３２０に集められた粉末は、次の工程に移送される。

このように構成され、酸化炉１０を垂直系列化して重力によって粉末を容易に排出することができるようにし、円滑に均質な使用済み核燃料の粉末を供給し、大容量の粉末を処理することができるだけでなく、メッシュ網２３０が回転および上下方式で動くことができるため粉末の円滑な排出を援助し、酸化時間を短縮して作業者の危険露出時間を減らし、環境汚染の危険性を減少することができる。また、使用済み核燃料のリサイクルのために後続工程に均質な粉末を提供して反応効率を向上させる。

上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。
すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。

本発明の使用済み核燃料の空気酸化炉を示した斜視図である。 本発明の使用済み核燃料の空気酸化炉を一部切開して示した切開斜視図である。 本発明の使用済み核燃料の酸化炉を一部切開後に分解して示した分解斜視図である。 反応容器およびメッシュ網を示した切開斜視図である。 メッシュ網の移動の様子を示した切開斜視図である。

符号の説明

１００ 反応部
１１０ ヒータ
１３０ 空気シリンダ
１４０ 反応容器
１５０ コーン型メタルフィルタ
２００ 駆動部
２１０ 回転軸
２２０ 駆動ユニット
２３０ メッシュ網
２３５ リンク
２５０ プレート
２６０ 案内柱
３００ 排出部
３１０ 開閉バルブ
３２０ 粉末容器

Claims (21)

1. 使用済み核燃料を酸化させる反応部と、
   前記反応部と連結し、前記反応部内の使用済み核燃料を上下および回転移動させる駆動部と、
   前記反応部で酸化された使用済み核燃料を集積して後続工程に案内する排出部と、
   を備えることを特徴とする使用済み核燃料の酸化炉。
2. 前記反応部は、
   内部に一定空間を形成する反応容器と、
   前記反応容器を加熱するヒータと、
   前記反応容器と連結して前記使用済み核燃料を前記反応容器に投入する試料投入チューブと、
   前記反応容器と連結して空気を前記反応容器に吸入する空気吸入口を備えたチューブモジュールと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
3. 前記反応容器は、
   じょうご状であって、その上側は円筒状であり、その下側は円錐状であることを特徴とする請求項２に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
4. 前記反応容器内に、円錐状のコーン型メタルフィルタを備え、
   前記反応容器内に、空気が隙間なく広がるように、前記コーン型メタルフィルタの側面に微細な穴が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
5. 前記反応容器は、
   内側に突出した混合固定羽根が一定間隔で複数形成され、
   この混合固定羽根が、前記駆動部により回転させられる使用済み核燃料と衝突することを特徴とする請求項２に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
6. 前記駆動部は、
   前記反応容器内を上下に移動して前記反応容器の下端に形成された排出穴を選択的に開閉させることができる回転軸と、
   前記回転軸を回転させる回転駆動ユニットと、
   前記回転軸を上下に駆動させる上下駆動ユニットと、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
7. 前記回転軸の円周方向に装着され、四角穴が複数形成されたメッシュ網を備えることを特徴とする請求項６に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
8. 前記メッシュ網は、
   半円形の第１メッシュ部と、
   前記第１メッシュ部と相接する半円形の第２メッシュ部と、
   前記第１メッシュ部および前記第２メッシュ部と前記回転軸とを連結する複数のリンクとを含み、
   空気シリンダによる前記回転軸の上下移動に伴って前記リンクが動き、前記第１メッシュ部および前記第２メッシュ部を折りたたんだり広げたりできることを特徴とする請求項７に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
9. 前記回転駆動ユニットは、回転力を発生させる回転モータと、
   前記回転モータと回転軸とを連結するギアユニットと、
   を備えることを特徴とする請求項６に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
10. 前記ギアユニットは、ベベルギアであり、
    前記回転モータは、前記反応部側面に突出したモータ装着台上に安着し、前記モータ装着台からガイド棒が前記回転モータの周囲に複数突出形成されたことを特徴とする請求項９に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
11. 前記上下駆動ユニットは、
    前記反応部を搭載したプレートと、
    垂直方向に形成されて前記プレートと連結した駆動軸と、
    垂直方向に形成されてベアリングによって前記プレートと連結した案内柱と、
    前記駆動軸を上下に移送する上下移動モータと、
    を備えることを特徴とする請求項６に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
12. 前記排出部は、
    前記反応部の下端に位置し、酸化した使用済み核燃料が下降して保管される粉末容器と、
    前記粉末容器の上端に位置し、前記使用済み核燃料の出入りを規制する開閉バルブと、
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
13. 前記粉末容器は、
    じょうご状であり、脱着可能に装着されたことを特徴とする請求項１２に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
14. 底板と、
    前記底板上に脱着可能に装着された粉末容器と、
    前記粉末容器の上側に位置し、使用済み核燃料を酸化させて前記粉末容器に排出する反応容器と、
    前記反応容器を囲んで前記反応容器に熱を供給するヒータと、
    前記反応容器に使用済み核燃料および空気を注入する注入チューブと、
    前記反応容器内に挿入される回転軸と、
    前記回転軸に円周方向に装着され、前記使用済み核燃料がその上に落ちるメッシュ網と、
    前記回転軸を回転および上下に駆動させる駆動ユニットと、
    を備えることを特徴とする使用済み核燃料の酸化炉。
15. 前記反応容器は、
    じょうご状であり、その上側は円筒状であり、その下側は円錐状であり、前記反応容器内に空気が隙間なく広がるように、側面に微細な穴が形成されたコーン型メタルフィルタが前記反応容器に装着されたことを特徴とする請求項１４に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
16. 前記反応容器は、内側に突出した混合固定羽根が一定間隔で複数形成され、前記回転軸を回転させることにより回転する使用済み核燃料と衝突することを特徴とする請求項１４に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
17. 前記メッシュ網は、
    半円状の第１メッシュ部と、
    前記第１メッシュ部と相接する半円状の第２メッシュ部と、
    前記第１メッシュ部および前記第２メッシュ部と前記回転軸とを連結する複数のリンクとを含み、前記回転軸の上下移動に伴って前記リンクが動き、前記第１メッシュ部および前記第２メッシュ部を折りたたんだり広げたりすることができることを特徴とする請求項１４に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
18. 前記駆動ユニットは、
    回転力を発生させる回転モータと、
    前記回転モータと前記回転軸とを連結するギアユニットと、
    を備えることを特徴とする請求項１４に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
19. 前記駆動ユニットは、
    前記反応部を搭載したプレートと、
    垂直方向に形成されて前記プレートと連結した駆動軸と、
    垂直方向に形成されて前記プレートとベアリングによって連結した案内柱と、
    前記駆動軸を上下に移送させる上下移動モータと、
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
20. 前記底板および前記プレート間に形成され、前記プレートの上下方向の移動をガイドする案内柱を更に備えることを特徴とする請求項１９に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
21. 前記粉末容器はじょうご状であり、その入口に前記使用済み核燃料の出入りを規制する開閉バルブが装着したことを特徴とする請求項１４に記載の使用済み核燃料の酸化炉。
    
    

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