JP4354903B2 - 高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置である流動床において炭化珪素層の原料であるメチルトリクロロシランを安定且つ効率的に流動床内に送ることを特徴とする製造装置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健全性が良好な黒鉛で構成すると共に、冷却ガスとして高温下でも化学反応が起こらないＨｅガス等を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度のＨｅガスを取出すことが可能であり、約９００℃の高温熱は、発電はもちろんのこと水素製造や化学プラント等、幅広い分野での熱利用を可能にするものである。

図３は高温ガス炉の燃料の構成を示す説明図である。図に示す通り、高温ガス炉の燃料３１は、二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径３５０〜６５０μｍの燃料粒子３２の周囲に４層の被覆層を施したものである。

４層の被覆層の内、第１被覆層３３は密度約１ｇ／ｃｍ^３ の低密度熱分解炭素で、ガス状の核分裂生成物（ＦＰ）のガス溜めとしての機能及び燃料粒子のスウェリングを吸収するバッファとしての機能を併せ持つものである。第２被覆層３４は密度約１．８ｇ／ｃｍ^３ の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能を有する。

第３被覆層３５は密度約３．２ｇ／ｃｍ^３ の炭化珪素（以下、ＳｉＣと称す）で固体ＦＰの保持機能を有するとともに、被覆層の主要な強度部材である。第４被覆層３６は、第２被覆層３４と同様の密度約１．８ｇ／ｃｍ^３ の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能とともに第３被覆層３５の保護層としての機能も持っている。

一般的な被覆粒子３１の直径は５００〜１０００μｍである。つぎに、被覆粒子３１は黒鉛マトリックス中に分散させた後、一定形状を持つ燃料コンパクトに成型加工される。更に、燃料コンパクトは黒鉛でできた筒に一定数量入れられ、上下に栓をし、燃料棒となる。最終的に燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に入れられ、高温ガス炉の燃料となる。また、この六角柱型黒鉛ブロックを多数個、ハニカム配列に複数段重ねて高温ガス炉の炉心を構成している。

高温ガス炉の燃料は、一般的に以下のような工程を経て製造される。まず、酸化ウラン粉末を硝酸に溶解し、硝酸ウラニル原液とする。この硝酸ウラニル原液に純水、増粘剤を加えて撹拌することにより滴下原液とする。増粘剤は、滴下された硝酸ウラニルの液滴が落下中に自身の表面張力により真球状になるように添加される。

増粘剤としては、例えばポリビニルアルコール樹脂、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズなどを挙げることができる。上記のように調整された滴下原液は所定の温度に冷却され粘度を調整した後、細径の滴下ノズルを振動させることによりアンモニア水中に滴下される。

また、液滴は、アンモニア水溶液に着水するまでの空間でアンモニアガスを吹きつけて表面をゲル化させることにより、着水時の変形が防止される。アンモニア水中で硝酸ウラニルは重ウラン酸アンモニウムの粒子となる。重ウラン酸アンモニウム粒子は、大気中で焙焼され、三酸化ウラン粒子となり、さらに還元・焼結されることにより高密度のセラミックス状二酸化ウランからなる燃料粒子３２となる。

この燃料粒子を流動床に装荷し、被覆ガスを熱分解させることにより被覆を施す。第１被覆層３３の低密度炭素の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を、第２被覆層３４及び第４被覆層３６の高密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）を、第３被覆層３５のＳｉＣの場合は約１６００℃で炭化珪素源となるメチルトリクロロシラン（ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３）を熱分解する。

図４は高温ガス炉用燃料粒子の製造装置の概要を示す説明図である。図４に示す通り、メチルトリクロロシランはメチルトリクロロシランタンク４５に充填されており、配管４６より水素ガスが数リットル／分の低流量で流され、水素ガスをキャリアーとして配管４７を通って集合管４４または配管４９に運ばれる。

一方、ガス混合系４３としての配管４８には被覆粒子を流動させることを主目的とする数百リットルの水素が流され、メチルトリクロロシランを含む水素ガスと集合管４４または配管４９で集合し、配管４９から流動床４１の流入孔４２から流動床内に流入する。

一般的な燃料コンパクトは、被覆燃料粒子３１を黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材とともに中空円筒形または円筒形にプレス成型またはモールド成型した後、焼成して得られる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２８４０８４号公報

炭化珪素源となる有機珪素化合物であるメチルトリクロロシランは、一定温度に保たれたメチルトリクロロシランタンク内に水素ガスを吹き込んで水素ガスをキャリアーにして流動床内に送られる。このとき、流動床に送られる配管の途中にガス集合管と呼ばれる高流量の水素ガス（被覆粒子の流動用の水素ガス）との混合設備を備えていることもある。

従来、炭化珪素源となる有機珪素化合物であるメチルトリクロロシランを封入しているタンクは、タンクにヒーターを巻き付けて加熱するタンクの温度調節を実施しており、タンクの上限温度と下限温度の差が大きかった。有機珪素化合物の供給量は有機珪素化合物の温度に依存するため、上限温度と下限温度の温度差が大きいことは、有機珪素化合物の供給量の不安定化に繋がるという課題があった。また、タンクを直接加熱しているため、ヒーターの過加熱等による安全性に問題があった。

本発明は、これら高温ガス炉燃料の中の被覆燃料粒子を製造する装置で、二酸化ウラン燃料粒子に第１被覆層の低密度炭素層から第４被覆層の高密度熱分解炭素層までを連続被覆する流動床において第３被覆層であるＳｉＣ層の原料の炭化珪素源となる有機珪素化合物を安定且つ効果的に送ることが出来る製造装置に関するものである。

請求項１に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置は、二酸化ウランを焼結した燃料粒子の表面に、低密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物のガス溜め及び燃料粒子のスウェリングを吸収するバッファとしての機能を有する第１被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、炭化珪素からなり固体核分裂生成物の保持機能と被覆層の主な強度部材としての機能とを有する第３被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能と第３被覆層の保護層としての機能とを有する第４被覆層との計４層の被覆層を施す流動床反応管内に被覆ガスを供給する流動床用ガス供給装置において、
前記第３被覆層の形成時に前記流動床反応装置内に供給される第３被覆ガスを発生させる蒸発ガス発生槽の温度を調整する槽温度調整手段を備え、
前記槽温度調整手段が、
炭化珪素源となる有機珪素化合物を封入する液タンクと、
前記液タンク内に吹き込まれる流動ガスの吹き込み手段と、
前記液タンク内の有機珪素化合物に、所定の温度の熱媒体液を間接接触させる熱媒体液循環手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置は、請求項１に記載の熱媒体液循環手段は、
前記熱媒体液を所定の温度に調節する加熱手段又は加熱及び冷却手段と、
加熱手段又は加熱及び冷却手段の熱媒体液循環槽内に槽内温度を一定にする撹拌手段とを備えたことを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置は、請求項１又は２に記載の熱媒体液として、シリコンオイルを用いることを特徴とするものである。

本発明は以上説明した通り、メチルトリクロロシランの被覆中における温度差によるメチルトリクロロシランの供給量の不安定化がなくなり、真球度が良好で厚さが均一な被覆燃料粒子を製造することが可能となるという効果がある。

図１は本発明の高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置の槽温度調整系統の説明図である。本発明においては、第３被覆層の形成時に前記流動床反応装置内に供給される第３被覆ガスを発生させる蒸発ガス発生槽の温度を調整する槽温度調整手段を備える。槽温度調整手段としては、炭化珪素源となる有機珪素化合物を封入する液タンクと、この液タンク内に吹き込まれる流動ガスの吹き込み手段と、液タンク内の有機珪素化合物に、所定の温度の熱媒体液を間接接触させる熱媒体液循環手段とを備える。この熱媒体液循環手段により、第３被覆層の形成時の温度差による炭化珪素源となる有機珪素化合物の供給量の不安定化がなくなる。

本発明での熱媒体としては、所定の温度に保温された熱媒体であって、液タンク内の有機珪素化合物に、間接接触させることにより、熱媒体と液タンク内の有機珪素化合物との温度を同じ温度とするものであれば良く、熱安定性があり、万一間接接触ではなく、直接接触しても有機珪素化合物と化学的な反応を引き起こし難い液体が選ばれる。例えば、熱媒体液として、シリコンオイルを用いることが良好である。

本発明の熱媒体液循環手段は、液タンク内の有機珪素化合物に、所定の温度の熱媒体液を間接接触させるものであれば良く、好ましくは、熱媒体液を所定の温度に調節する加熱手段又は加熱及び冷却手段と、加熱手段又は加熱及び冷却手段の熱媒体液循環槽内に槽内温度を一定にする撹拌手段とを備える。

より具体的には、図１に示す通り、炭化珪素源となる有機珪素化合物としては、液タンク１３内で液体の状態であり蒸発して第３被覆ガスとなるものであり、メチルトリクロロシランが主として用いられている。このメチルトリクロロシランは第３被覆ガスを発生する蒸発ガス発生装置１１の液タンク１３内に充填されており、液タンク１３内の残液量が少なくなったときに補充タンク１２から補充される。また、液タンク１３には水素ガスが吹き込まれ（図示せず）、この水素ガスをキャリアーとしたメチルトリクロロシランは、配管１０を通って、反応装置である流動床に供給される。

メチルトリクロロシランの温度（タンク内の温度）調節は、シリコンオイルタンク１５内のシリコンオイルをヒ−ター１６で加熱し、このシリコンオイルを配管１９からメチルトリクロロシランタンクの外周部のシリコンオイル循環槽１４に循環することにより行われる。

また、この温度調整系統に加えて、ヒーターにより加熱されるシリコンオイルタンクを冷却する為の冷却器１７及びシリコンオイルタンク１５の外周部の冷却媒循環槽１８を設置することにより更にメチルトリクロロシランの温度を安定にすることができる。これは、シリコンオイルの冷却系統を加えることでヒーターが過加熱したときの温度上昇を抑えることが可能となり、シリコンオイルの上限温度と下限温度の温度差を小さくすることが可能となるため、メチルトリクロロシランの温度差が小さくなり、メチルトリクロロシランの供給量を安定することが可能となる。

一方、シリコンオイルタンク及び冷却媒循環槽には槽内の温度を一定にするため、撹拌機を設置すると更に温度調節が安定する。

シリコンオイルの下限温度を３２．０℃としてヒーターに通電する設定にてメチルトリクロロシランの温度調整を行った。従来の方法では、メチルトリクロロシランタンクの温度は最高温度４３℃、最低温度３０℃であり、温度差は１３℃と大きかった。

一方、本発明のうち、冷却系統及び槽内に撹拌機を導入した温度調整系統では、メチルトリクロロシランタンクの温度は最高温度２９．７℃、最低温度２９．５℃であり、温度差は０．２℃と非常に小さかった。

また、本発明の冷却系統を導入した温度調整系統を使用して被覆燃料粒子を製造した結果、被覆燃料粒子は図２の通りに真球度が良好であり、また、メチルトリクロロシランを原料とする第３層の厚さは５バッチの製造において５０粒子の平均で２９．５〜２９．６μｍと非常に安定していた。

高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置の槽温度調整系統の説明図である。 本発明の製造設備により製造した被覆燃料粒子の外観写真である。 高温ガス炉の燃料の構成を示す説明図である。 高温ガス炉用燃料粒子の製造装置の概要を示す説明図である。

符号の説明

１０…メチルトリクロロシラン配管、
１１…蒸発ガス発生装置、
１２…補充タンク、
１３…液タンク、
１４…シリコンオイル循環槽、
１５…シリコンオイルタンク、
１６…ヒ−ター、
１７…冷却器、
１８…冷却媒循環槽、
１９…シリコンオイル配管、

Claims (3)

1. 二酸化ウランを焼結した燃料粒子の表面に、低密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物のガス溜め及び燃料粒子のスウェリングを吸収するバッファとしての機能を有する第１被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、炭化珪素からなり固体核分裂生成物の保持機能と被覆層の主な強度部材としての機能とを有する第３被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能と第３被覆層の保護層としての機能とを有する第４被覆層との計４層の被覆層を施す流動床反応管内に被覆ガスを供給する流動床用ガス供給装置において、
   前記第３被覆層の形成時に前記流動床反応装置内に供給される第３被覆ガスを発生させる蒸発ガス発生槽の温度を調整する槽温度調整手段を備え、
   前記槽温度調整手段が、
   炭化珪素源となる有機珪素化合物を封入する液タンクと、
   前記液タンク内に吹き込まれる流動ガスの吹き込み手段と、
   前記液タンク内の有機珪素化合物に、所定の温度の熱媒体液を間接接触させる熱媒体液循環手段とを備えたことを特徴とする高温ガス炉用燃料粒子の製造装置。
2. 前記熱媒体液循環手段は、
   前記熱媒体液を所定の温度に調節する加熱手段又は加熱及び冷却手段と、
   加熱手段又は加熱及び冷却手段の熱媒体液循環槽内に槽内温度を一定にする撹拌手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の高温ガス炉用燃料粒子の製造装置。
3. 前記熱媒体液として、シリコンオイルを用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の高温ガス炉用燃料粒子の製造装置。