JP4415272B2 - 高温ガス炉用燃料粒子の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は例えば被覆工程で使用する流動床設備への第３被覆層(ＺｒＣ層）に使用する流動ガス・被覆ガス供給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の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的反応の起こらないヘリウムガスなどの気体を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度のヘリウムガスを取り出すことが可能であり、約９００℃の高温熱は、発電は勿論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。

高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径約３５０〜６５０ミクロンの燃料核の周囲に計４層の被覆層を施している。第１被覆層は密度約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核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被覆層は密度約１．８ｇ／ｃｍ^３ の高密度分解炭素でガス状ＦＰの保持機能を有する。

第３被覆層は密度約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共に、被覆層の主要な強度部材である。第４被覆層は、第２被覆層と同様の密度約１．８ｇ／ｃｍ^３ の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能と共に第３被覆層の保護層としての機能も持っている。

一般的な被覆燃料粒子の直径は約５００〜１０００ミクロンである。被覆燃料粒子は黒鉛マトリックス中に分散させ一定形状の燃料コンパクトの形に成形加工され、さらに黒鉛でできた筒にコンパクトを一定数量入れ、上下に栓をした燃料棒の形にされる。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、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、酸化ウランの粉末を硝酸に溶か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。液滴は、アンモニア水溶液表面に着水するまでの空間においてアンモニアガスを掛け、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、アンモニアと十分に反応させ、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状二酸化ウランからなる燃料核となる。

この燃料核を流動床に装荷し、被覆ガスを熱分解させることにより被覆を施す。第１被覆層の低密度炭素の場合は、約１４００℃でアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）を熱分解する。第２、４被覆層の高密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）を熱分解する。第３被覆層のＳｉＣの場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３；以下、ＭＴＳと記す）を熱分解する。

一般的な燃料コンパクトは、被覆燃料粒子を黒鉛粉末、増結剤からなる黒鉛マトリックス材と共に中空円筒形又は円筒形にプレス成型又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）。

図３は従来の流動床−被覆ガス，流動ガスの供給装置の構成を示す説明図である。図３に示す通り、流動床本体へ供給される被覆ガスＢ−１〜３，流動ガスＡ−１〜２は、開閉弁と流量計でそれぞれ独立に制御することができる。第１，２，４被覆層は、流動ガスＡ−１に被覆ガスＢ−１，Ｂ−２を混合させて使用する。第３被覆層は、流動ガスＡ−２と流動ガスＡ−２をＭＴＳ蒸発ガス発生槽に通し得られた被覆ガスＢ−３を混合させて使用する。各種ガスは、開閉弁Ｃ−１−１を通過し、流動床本体へ供給される。

第１被覆層の被覆を行う際は、最初に流動ガスＡ−１を操作する。即ち、開閉弁Ａ−１−１，Ａ−１−３を開とし、流量計Ａ−１−２で調整する。次に被覆ガスＢ−１を操作する。開閉弁Ｂ−１−１，Ｂ−１−３を開とし、流量計Ｂ−１−２で調整する。

第２，４被覆層の被覆を行う際は、最初に流動ガスＡ−１を操作する。即ち、開閉弁Ａ−１−１，Ａ−１−３を開とし、流量計Ａ−１−２で調整する。次に被覆ガスＢ−１，Ｂ−２を操作する。開閉弁Ｂ−１−１，Ｂ−１−３，Ｂ−２−１，Ｂ−２−３を開とし、流量計Ｂ−１−２，Ｂ−２−２で調整する。

第３被覆層の被覆を行う際は、最初に流動ガスＡ−２を操作する。即ち、開閉弁Ａ−２−１，Ａ−２−３を開とし、流量計Ａ−２−２で調整する。次に被覆ガスＢ−３を操作する。即ち、開閉弁Ｂ−３−１，Ｂ−３−３，Ｂ−３−４を開とし、流量計Ｂ−３−２で調整する。
特開２０００−２８４０８４号公報

しかしながら、第３被覆層はＳｉＣ層以外に耐高温性能、ＦＰ耐食性が高く高燃焼化に期待されているＺｒＣ層（密度約６．５９ｇ／ｃｍ^３ ）がある。しかし、従来法は液体であるＭＴＳを使用し、比較的低温でガス供給することしか考慮していないため、粉末を使用し、比較的高温（３００〜５００℃）でガス供給を行う必要のあるＺｒＣ被覆を行うことはできない。

そこで、本発明は、従来の設備を大幅に改善する必要がなく、且つ、安価にＺｒＣ被覆を適用できる装置を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係る高温ガス炉用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、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、ガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、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、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装置と、該反応装置内に被覆ガスを供給する流動床用ガス供給装置とを備えた高温ガス炉用燃料粒子の製造装置において、
前記第３被覆層が、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽で昇華させたハロゲン化ジルコニウムガスと、メタンガスと、水素ガスとからなる被覆ガスを熱分解させて得られたＺｒＣ被覆層であり、
前記ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽内にハロゲン化ジルコニウムを装荷する１段以上の棚段と、各々の棚段の直上から棚段内のハロゲン化ジルコニウムへ流動ガスを供給する流動ガス供給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燃料粒子の製造装置は、請求項１に記載のハロゲン化ジルコニウムガス発生槽内が、温度調節を２００〜６００℃の範囲、精度±１℃で調整可能な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燃料粒子の製造装置は、請求項１又は２に記載の燃料粒子が、直径範囲０．４〜０．７ｍｍ、真球度１．２以下、１バッチ当たりの投入量を５．５ｋｇ以下であることを特徴とするものである。

本発明は、従来よりＭＴＳを使用する既に確立された設備を利用することができるため、ＺｒＣ被覆層を備えた被覆燃料粒子を安価に製造することができるという効果がある。具体的には、第３被覆層のみＳｉＣ被覆層からＺｒＣ被覆層に変更する場合に、メタンガスＢ−３配管及びハロゲン化ジルコニウムガス発生槽を追加すること、更に好ましくは、ハロゲン化ジルコニウムガス出口経路の加熱・保温を追加することにより、達成することができる。

ＺｒＣ層被覆を行う場合は、金属ジルコニウム（Ｚｒ）と臭素（Ｂｒ_２ ）とメタンガス（ＣＨ_４ ）と水素ガス（Ｈ_２ ）とを使用する方法と、ハロゲン化ジルコニウム（ＺｒＣｌ_４ ）とメタンガス（ＣＨ_４ ）と水素ガス（Ｈ_２ ）とを使用する方法があり、本発明は、後者の方法を利用したＺｒＣ被覆ガス供給装置である。

即ち、本発明では、二酸化ウランを焼結した燃料粒子の表面に、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、ガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、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、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装置と、該反応装置内に被覆ガスを供給する流動床用ガス供給装置とを備えた高温ガス炉用燃料粒子の製造装置において、第３被覆層が、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽で昇華させたハロゲン化ジルコニウムガスと、メタンガスと、水素ガスとからなる被覆ガスを熱分解させて得られたＺｒＣ被覆層であり、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽内にハロゲン化ジルコニウムを装荷する１段以上の棚段と、各々の棚段の直上から棚段内のハロゲン化ジルコニウムへ流動ガスを供給する流動ガス供給手段とを備えるものである。これにより、従来よりＭＴＳを使用する既に確立された設備を用いて、第３被覆層のみＳｉＣ被覆層からＺｒＣ被覆層に変更する場合に、ＺｒＣ被覆層を備えた被覆燃料粒子を安価に製造することができる。

本発明のハロゲン化ジルコニウムは、ＺｒＣｌ_４、ＺｒＢｒ_４の何れかが望ましく、設定温度はＺｒＣｌ_４、ＺｒＢｒ_４の昇華点を基準に調節することが望ましい。尚、ＺｒＣｌ_４ の昇華点は、約３５０℃である。

本発明の好ましい実施態様としては、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽内が、温度調節を２００〜６００℃の範囲、精度±１℃で調整可能なものが好ましくは選ばれる。２００℃より下回ると昇華されたハロゲン化ジルコニウムが析出するためであり、好ましくは、設定温度は用いるハロゲン化ジルコニウムの昇華点を基準に調節することが望ましく、例えば、ＺｒＣｌ_４ の昇華点は、約３５０℃であるため、３５０℃以上とする。また、６００℃を上回る場合には、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽、配管の構成材料を耐熱性の材料で構成する必要があるためである。

また、好ましくは、本発明のハロゲン化ジルコニウムガス発生槽の出口部分から流動床反応装置までの配管表面温度を加熱及び／又は保温する配管温度調整手段を更に備える。これにより、配管温度調整手段を追加したのみで安価に被覆燃料粒子を製造することができる。尚、この配管温度調整手段での好ましい温度調節は、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽内と同様に、温度調節を２００〜６００℃の範囲、精度±１℃で調整可能なものが選ばれる。２００℃より下回ると一旦昇華されたハロゲン化ジルコニウムが析出するためであり、また、６００℃を上回る場合には、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽、配管の構成材料を耐熱性の材料で構成する必要があるためである。

この配管温度調整手段としては、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽の出口部分から流動床反応装置までの配管表面温度を加熱及び／又は保温するものであればよい。具体的には、配管表面に加熱材や保温材等を配して、配管の表面全体を加熱・保温でき、より好ましくは、発生槽の設定温度と同様に温度制御ができることが望ましい。これにより、予め定められた設定温度により昇華して発生したハロゲン化ジルコニウムガスが配管内を流れる間に冷却され、固体化（再結晶化）するのを防ぐためである。

また、本発明で用いる燃料粒子としては、好ましくは、直径範囲０．４〜０．７ｍｍ、真球度１．２以下であり、流動床反応装置での被覆は、好ましくは、１バッチ当たりの投入量を５．５ｋｇ以下である。

図１は本発明の流動床−被覆ガス，流動ガスの供給装置の構成を示す説明図である。図１に示す通り、図３に示す従来の流動床装置の一部を改良して流動ガス・被覆ガス供給システムを付けた。流動ガスＡ−１はアルゴンガス（Ａｒ）、流動ガスＡ−２は水素ガス（Ｈ_２）とした。被覆ガスＢ−１はアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）、被覆ガスＢ−２はプロピレンガス（Ｃ_３Ｈ_６）、被覆ガスＢ−３はメタンガス（ＣＨ_４）とした。

流動床装置本体１１へ供給される被覆ガスＢ−１〜３，流動ガスＡ−１〜２は、従来法と同様に開閉弁と流量計でそれぞれ独立に制御することができる。第１，２，４被覆層は、従来法と同様に流動ガスＡ−１に被覆ガスＢ−１，Ｂ−２を混合させて使用する。

第３被覆層は、従来法と異なり、ハロゲン化ジルコニウムガスと流動ガスＡ−２（Ｈ_２）と被覆ガスＢ−３（ＣＨ_４）とを混合したものを用いる。この場合、ハロゲン化ジルコニウムガスは、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽１０内に保持されたハロゲン化ジルコニウム１２をヒータ１４で加熱して昇華されたガスを流動ガスＡ−１（Ａｒ）で流動させる。各種ガスは、開閉弁Ｃ−１−１を通過し、流動床装置本体１１へ供給される。

第１被覆層の被覆を行う際は、最初に流動ガスＡ−１を操作する。即ち、開閉弁Ａ−１−１，Ａ−１−３を開とし、流量計Ａ−１−２で調整する。次に被覆ガスＢ−１を操作する。開閉弁Ｂ−１−１，Ｂ−１−３を開とし、流量計Ｂ−１−２で調整する。

第２，４被覆層の被覆を行う際は、最初に流動ガスＡ−１を操作する。即ち、開閉弁Ａ−１−１，Ａ−１−３を開とし、流量計Ａ−１−２で調整する。次に被覆ガスＢ−１，Ｂ−２を操作する。開閉弁Ｂ−１−１，Ｂ−１−３，Ｂ−２−１，Ｂ−２−３を開とし、流量計Ｂ−１−２，Ｂ−２−２で調整する。

第３被覆層の被覆を行う際は、最初に流動ガスＡ−２(Ｈ_２ )を操作する。即ち、開閉弁Ａ−２−１，Ａ−２−３を開とし、流量計Ａ−２−２で Ｈ_２流動ガスの流量を調整する。次に、この Ｈ_２流動ガスに、被覆ガスＢ−３（ＣＨ_４ ）及びハロゲン化ジルコニウムガスの各々の流量を調整しつつ混合する。被覆ガスＢ−３（ＣＨ_４ ）は、開閉弁Ｂ−３−１，Ｂ−３−３を開とし、流量計Ｂ−３−２でＣＨ_４ ガスの流量を調整する。ハロゲン化ジルコニウムガスは、開閉弁Ｂ−４−１、Ｂ−４−２、Ｂ−４−４を開とし、流量計Ｂ−４−２で流動ガスＡ−１（Ａｒ）の流量を調整し、ハロゲン化ジルコニウムガスを調整する。

図１及び図２に示すとおり、ハロゲン化ジルコニウム発生槽１０内部は、流動ガスＡ−２が流れ、尚且つ、棚構造をした棚（中空パイプ）１７と、ＺｒＣｌ_４ 粉末１２が保持されるバット１６がある。棚段は、温度の均熱領域が保持できれば特に制限はない。本実施例では棚段を中空パイプで構成し、流動ガスＡ−２から分岐され、バット面に対向した多数のガス穴からバット面上に流れ込むようにした。

尚、流動ガスはバット面に対して垂直に上方から下方に向けてＺｒＣｌ_４ 粉末１２に当てられることが望ましい。更に、このガス穴は一定間隔で数が多いほどよく、粉末も均等にバット１６内に敷き詰めた方がよいというのは言うまでもない。

このような状態にあるＺｒＣｌ_４ 粉末１２は、これをヒータ１４で加熱して得られた昇華ガスと、メタンガス（ＣＨ_４ ）と水素ガス（Ｈ_２ ）とが混合される。混合ガスは、開閉弁Ｃ−１−１を通過し、流動床装置本体１１へ供給される。

ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽１０には、槽内のガス発生温度を２００〜６００℃の範囲、精度±１℃で温度調整することのできる温度調整手段として、ヒータ１４と槽外部を覆う断熱材１３を備える。また、ガス発生槽１０の出口部分から流動床反応装置１１までの配管１５の表面温度を２００〜６００℃の範囲に加熱・保温する配管温度調整手段として、リボンヒータを配し、その外部に断熱材を配する。

ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽１０の内部に保持されるハロゲン化ジルコニウムは、ＺｒＣｌ_４、ＺｒＢｒ_４の何れかが望ましく、設定温度はＺｒＣｌ_４、ＺｒＢｒ_４の昇華点を基準に調節することが望ましい（尚、ＺｒＣｌ_４ の昇華点は、約３５０℃である）。

また、加熱・保温材は、配管の表面全体を加熱・保温でき、且つ層の設定温度と同様の温度制御ができることが望ましい。これは、ある設定温度により昇華して発生したハロゲン化ジルコニウムガスが配管内を流れる間に冷却され、固体化（再結晶化）するのを防ぐためである。

具体的な一実施例としては、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽１０には、ヒータ１４の制御によって、設定温度３５０℃、制度±１℃で制御した。また、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽１０の出口から流動床反応装置１１に至るハロゲン化ジルコニウムガス配管経路１４には、リボンヒータを全体に付与し、配管表面温度が全て３００℃以上になるように調整した。

以上のような条件によって、平均直径０．６ｍｍの燃料粒子３．８ｋｇを反応管（内径約２００ｍｍ）上部より流動ガスＡｒ１５０Ｌ／ｍｉｎ中に投入した。その後、約１４００℃で被覆ガスＣ_２Ｈ_２により１層被覆（平均被覆層厚さ０．０６ｍｍ±０．０１ｍｍ、平均被覆層密度１．１ｇ／ｃｍ^３ ）、約１４５０℃で流動ガスＣ_３Ｈ_６により２層被覆（平均被覆層厚さ０．０３ｍｍ±０．００２ｍｍ、平均被覆層密度１．８５ｇ／ｃｍ^３ ）、約１５００℃で流動ガスＨ_２ ：３８０Ｌ／ｍｉｎ、被覆ガス用のＣＨ_４ ガス２Ｌ／ｍｉｎ、Ａｒガス７Ｌ／ｍｉｎをＺｒＣｌ_４ ガス−発生槽へ供給し槽温度約３００℃で３層被覆（平均被覆層厚さ０．０３ｍｍ±０．００１ｍｍ、平均被覆層密度６．６ｇ／ｃｍ^３ ）を行った。約１４５０℃で流動ガスＡｒ：１７０Ｌ／ｍｉｎ、被覆ガスＣ_３Ｈ_６：３０Ｌ／ｍｉｎにより４層被覆（平均被覆層厚さ０．０４ｍｍ±０．００４ｍｍ、平均被覆層密度１．８５ｇ／ｃｍ^３ ）を行い、平均直径０．９２ｍｍの被覆燃料粒子とした。

これを約１００℃まで冷却後、製品取出容器へ製品粒子を移した。製品粒子は、傷・被覆層の破損等は見られず、被覆層密度・厚さ共に良好であった。

本発明の流動床−被覆ガス，流動ガスの供給装置の構成を示す説明図である。 図１のハロゲン化ジルコニウムガス発生槽の構成を示す説明図である。 従来の流動床−被覆ガス，流動ガスの供給装置の構成を示す説明図である。

符号の説明

１０…ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽、
１１…流動床装置本体、
１２…ハロゲン化ジルコニウム、
１３…断熱材、
１４…ヒータ、
１５…配管、
１６…バット
１７…棚（中空パイプ）、

Claims (3)

1. 二酸化ウランを焼結した燃料粒子の表面に、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、ガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、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、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装置と、該反応装置内に被覆ガスを供給する流動床用ガス供給装置とを備えた高温ガス炉用燃料粒子の製造装置において、
   前記第３被覆層が、ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽で昇華させたハロゲン化ジルコニウムガスと、メタンガスと、水素ガスとからなる被覆ガスを熱分解させて得られたＺｒＣ被覆層であり、
   前記ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽内にハロゲン化ジルコニウムを装荷する１段以上の棚段と、各々の棚段の直上から棚段内のハロゲン化ジルコニウムへ流動ガスを供給する流動ガス供給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. 前記ハロゲン化ジルコニウムガス発生槽内が、温度調節を２００〜６００℃の範囲、精度±１℃で調整可能な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. 前記燃料粒子が、直径範囲０．４〜０．７ｍｍ、真球度１．２以下、１バッチ当たりの投入量を５．５ｋｇ以下であ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。
   

Images