JP4450814B2

JP4450814B2 - 高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置

Info

Publication number: JP4450814B2
Application number: JP2006250979A
Authority: JP
Inventors: 真樹本田
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: JP2008070311A

Description

本発明は、例えば高温ガス炉被覆燃料粒子の製造装置に関するものであり、詳しくは、化学蒸着による被覆層形成用の反応容器へ液体原料をガス化して供給するための手段に関する。

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形成すると共に、ヘリウム等の高温下でも化学的反応の起こらないガス冷却材を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度でヘリウムガスを取り出すことが可能であり、得られる約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。

このような高温ガス炉の燃料には、通常、ウランを含む溶液を出発原料として製造した二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径約３５０〜６５０μｍの真球粒子状の燃料粒子を基本構造とし、この燃料粒子の外表面に複数の被覆層を形成してなる被覆燃料粒子が用いられる。

この被覆燃料粒子は、例えば第１被覆層にはガス状の核分裂生成物のガス留めとしての機能及び燃料粒子の変形を吸収する緩衝部としての機能を併せ持つものとして密度約１ｇ／ｃｍ^３の低密度熱分解炭素層を形成し、第２被覆層にはガス状核分裂生成物の保持機能を有するものとして密度約１．８ｇ／ｃｍ^３の高密度熱分解炭素層を形成し、さらに第３被覆層には固体状核分裂生成物の保持機能を有すると共に被覆層の主要な強度部材として密度約３．２ｇ／ｃｍ^３炭化珪素（ＳｉＣ）層を、また第４被覆層には第２被覆層と同様のガス状核分裂生成物の保持機能と共に第３被覆層の保護層として密度約１．８ｇ／ｃｍ^３の高密度熱分解炭素層を形成した計４層の被覆を施されたものが一般的となっている。

このようにして得られた被覆燃料粒子は、その粒径や真球度がオーバーコート粒子製造条件に大きく影響することから、篩による粒径選別および真球度選別を行った上でオーバーコート工程へ供される。被覆燃料粒子の表面に黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材をコーティングしてなるオーバーコート粒子は、さらに篩による粒径選別等を行った上で、コンパクトプレス工程にて黒鉛母材中に分散させ、中空円筒形や円筒形等の一定形状にプレス成形あるいはモールド成形され、焼結後に燃料コンパクトとなる。

これら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。

従来から、上記のような被覆燃料粒子は、高密度のセラミックス状二酸化ウランからなる球状の燃料粒子を流動床からなる反応容器内に装荷し、この反応容器内で被覆層となる原料ガスを熱分解させて化学蒸着による被覆層が形成されて製造されている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、第１被覆層の低密度炭素層の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）を熱分解して被覆を施し、第２および第４被覆層の高密度熱分解炭素層の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ₃Ｈ₆）を熱分解して行う。第３被覆層のＳｉＣ層の場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ₃ＳｉＣｌ₃）を熱分解して被覆層を形成している。

特開平５−２７３３７４号公報

上記のような被覆燃料粒子の製造工程においては、燃料粒子をサンプリングする場合、反応容器の上蓋に設置されたサンプリング用開閉窓から容器内に、柄杓状のサンプリング用容器付ステンレス棒を差し入れて、流動中の燃料粒子をサンプリング容器内に掬い入れて取り出していた。

このため、サンプリング用窓を開放する際に、作業者が非常に高温の熱気を浴びる危険があり、これを防止するためにはサンプリング毎に工程を中断し、反応容器内を冷却するなどの措置が必要であり、実質的に第１から第４被覆層までの形成工程を連続的に行うことができなかった。また、流動ガスとしてのアルゴンガスの流入により燃料粒子を流動させたままの状態でサンプリングを行っているため、被覆により生じた煤や燃料粒子から研削されたウランを含む埃等が同時に舞い上がり、その煤や埃等が装置外へ放出される危険性もあった。

これを解決するために反応容器底部のノズル孔を通して燃料粒子を落下させて、ノズル孔直下に配置したサンプル受けに燃料粒子を取り出す方法も考えられるが、通常ノズル孔の下方には、被覆原料ガス供給配管からのガス導入路が設けられており、サンプリング用の燃料粒子落下経路がこのガス導入路と一部でも重なることによって、燃料粒子が被覆原料ガス供給配管側に進入する危険性もあり、より安全で確実なサンプリング機構が求められている。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来より効率よく確実であると同時に安全に被覆反応中の燃料粒子をサンプリングすることができる高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置は、二酸化ウラン燃料粒子を収容した反応容器内にガス噴出ノズル装置のノズル孔を介して被覆原料ガスを噴出供給してその噴流で燃料粒子を流動させながら加熱することにより原料ガスの熱分解によって燃料粒子の表面に被覆原料分子の蒸着層を形成するための被覆反応を行う高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置において、被覆反応中に反応容器内の燃料粒子を外部のサンプル容器へ導出するサンプリング機構を備え、前記ガス噴出ノズル装置は、少なくとも一部のノズル孔が燃料粒子の通過を許容する内径で反応容器底部に貫設されており、前記サンプリング機構は、前記ノズル孔の下部に鉛直方向に沿って配置され、被覆原料ガスの噴出が停止された状態でノズル孔を通過してくる燃料粒子を自然落下により外部へ導出するためのサンプル導出配管と、該サンプル導出配管から落下してくる燃料粒子を収容するサンプル容器と、サンプル導出配管に設けられた開閉弁装置とを備えており、前記サンプル導出配管には、前記開閉弁装置の上方位置にて、被覆原料ガス供給用の配管が下向きのガス導入方向となる傾斜角度で接続されているものである。

また、請求項２に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置は、請求項１に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置において、前記原料ガス供給配管のサンプル導出配管に対する傾斜角度が、ノズル方向から３０°以上、６０°以下であることを特徴とするものである。

本発明の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置では、サンプリング機構においてガス停止状態にて自重で反応容器内からノズル孔を通過させた燃料粒子をサンプル導出配管によって自然落下でサンプル容器へ導出するものであるため、反応容器の上蓋窓を開けることなく反応容器内の燃料粒子を外部に取り出すことができ、作業者が高温の熱気を浴びたりウランを含む煤や埃が外部に放出される危険も回避されるのでより高い安全性も確保できると共に、被覆原料ガス供給配管をサンプル導出配管に対して特定の傾斜角度で接続することによって落下する燃料粒子の被覆原料ガス供給配管への進入を防止し、より確実で効率的なサンプリングを可能にするという効果がある。

本発明の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置では、反応容器内の燃料粒子を外部のサンプル容器へ導出するサンプリング機構として、反応容器内に被覆原料ガスを噴出供給するガス噴出ノズル装置の少なくとも一部のノズル孔を燃料粒子の通過を許容する内径で反応容器底部に貫設されたものとして利用し、該ノズル孔の下方に配置されたサンプル導出配管によって、被覆原料ガスおよび流動ガスの噴出停止状態にて前記ノズル孔を通過した燃料粒子を自然落下させてサンプル容器へ導出するものである。

従って、本発明においては、反応容器内へのガス噴出を停止するだけで、燃料粒子をその自重で前記ノズル孔を通過させ、サンプル導出配管内を自然落下させるという過程で自動的にサンプル容器まで取り出すことができるため、作業者が高温の熱気を浴びたりウランを含む煤や埃が外部に放出される危険もなく、安全な燃料粒子のサンプリングが行えると共に、容器内を冷却するなどの中断を必要とせず、直ちに次の被覆層形成のための条件設定に移行できるので、実質的に第１から第４被覆層までの形成工程を連続的に進めることができ、被覆燃料粒子の製造工程の効率が向上する。

しかも本発明においては、サンプル導出配管には、被覆原料ガス供給用の配管が下向きのガス導入方向となる傾斜角度で接続されているため、この接続部より上方のサンプリング導出配管が被覆原料ガス導入経路としてサンプリング経路と重なるものであっても、自然落下する燃料粒子にとって被覆原料ガス供給配管は上斜め方向に延びており、該配管内に誤って進入することはなくなり、燃料粒子のサンプリングは確実で効率的に行える。

なお、被覆原料ガス供給配管のサンプル導出配管に対する接続傾斜角度は、ノズル孔方向から３０°以上、６０°以下の範囲とすることが、燃料粒子の進入防止とガス供給のための設計上望ましい。即ち、この角度範囲を越えた大きい角度では燃料粒子が被覆原料ガス供給配管内に進入する可能性が生じ、またこの角度範囲より小さい鋭角の場合はサンプル導出配管と被覆原料ガス供給配管とが互いに干渉してしまうため配管の配置設計が困難となってしまう。

以上のような本発明のサンプリング機構では、ガス噴出停止時の燃料粒子のノズル孔からの落下によってサンプリングが可能となるものであるため、サンプリング量は、燃料粒子通過可能なノズル孔の数や大きさとガス噴出停止時間を調整することによってサンプリング量を容易に制御することができる。

なお、サンプル容器内に収容された燃料粒子は、サンプル容器から直接取り出して解析に供してもよいが、サンプル容器をサンプル導出配管の端部に着脱可能に装着されるものとすれば、サンプル容器ごとサンプル用燃料粒子を移動でき、扱いが簡便となる。このサンプル容器をサンプル導出配管端部に装着する機構としては、例えばクランプ機構など、簡単に着脱できる方式のものであれば広く採用可能であり、特に限定されるものではない。

また、サンプル導出配管には、開閉弁装置が設けられているため、このようにサンプル容器がサンプル導出配管に着脱されるものである場合、通常は開閉弁を閉めておくことで、燃料粒子のサンプリングの際にサンプル容器の装着を忘れてしまったとしても問題ない。

さらに、本発明においては、サンプル導出配管の被覆原料ガス供給配管との接続部から開閉弁装置までの長さをサンプル導出配管の内径以上の寸法とすることが好ましい。例えば、サンプル導出配管の内径が１５ｍｍであった場合、該寸法を１５ｍｍ以上とする。このある程度の長さに亘って被覆原料ガスが充満している領域は、意図しない一時的な被覆原料ガスの供給停止による燃料粒子落下時のバッファとして機能し、約１秒間のガス供給停止に備えることができ、緊急時導入ガス切替に充分対応可能となる。なお、これ以上の長いガス供給停止時間となった場合には、開閉弁装置を開けることによりサンプル容器に燃料粒子を落下回収させることが可能である。

さらに、１４００℃以上の反応容器内から落下してくる燃料粒子も高熱を持つため、サンプル導出配管やサンプル容器は、例えばステンレス等の耐熱性素材からなるものとすることが望ましい。さらに、サンプル導出配管を自然落下していく燃料粒子がサンプル容器に達するまでの間に冷却されるのに充分な長さに設定するか、またはサンプル容器内で燃料粒子を自然冷却すれば良い。

また、ノズル孔の直下でサンプル導出配管の上端にノズル孔を通過してくる燃料粒子を一旦受け入れるサンプル受けを設けても良い。このようなサンプル受けを介してからサンプル導出配管内へ自然落下させる構成とすることによって、比較的多量の燃料粒子が一度にノズル孔を通過してきた場合に、サンプル導出配管の上端部で詰まることがない。

本発明の一実施例による高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のサンプリング機構を図１に示す。図１は、装置本体の下方領域を示す概略構成図である。装置本体１は二重構造を持ち、内側に流動床となる反応容器２を備え、反応容器２の周縁に電熱ヒータ等の加熱手段（不図示）が設置されており、容器底部に設けられたガス噴出ノズル装置３に該容器底部を貫通するように形成されている複数のノズル孔３ｘから流動ガスおよび被覆原料ガスが反応容器２内へ連続的に噴出供給され、反応容器２上部の廃ガス排出口から排気されるものである。

このような本実施例による装置では、反応容器２内に投入された燃料粒子は、ノズル孔３ｘから噴出供給されるガスの噴流によって流動され、この流動状態にて原料ガスが加熱分解されることによって燃料粒子表面に原料分子が蒸着して被覆層が形成されていく。

本実施例におけるサンプリング機構は、ノズル孔３ｘのうちの少なくとも一つが、燃料粒子の通過を許容する内径を備えたサンプリング兼用ノズル孔とし、このノズル孔下方に設置されたサンプル受け４と、該サンプル受け４の下方から鉛直方向に沿って装置１の外部に亘って配設されたサンプル導出配管５と、このサンプル導出配管５の端部に設置されサンプル容器６とから主に構成されている。

サンプル容器６は、クランプ７によってサンプル導出配管５の端部に着脱可能に装着されるものである。また、サンプル導出配管５には、端部近くに開閉弁装置８を備えた。通常はこの開閉弁装置８によってサンプル導出配管５を閉鎖しておくことにより、サンプル容器６の装着を忘れてサンプリング作業を開始してしまっても、サンプル受け４から自然落下してくる燃料粒子はこの閉鎖部分で止まり、外に放出されてしまう恐れがない。

さらに、本実施例においては、流動ガスおよび被覆燃料ガスが流動ガスと共に供給される被覆原料ガス供給配管９が、サンプル導出配管５に対して、ノズル孔方向から３０°〜６０°の傾斜角度で接続されている。従って、流動ガス供給時および被覆反応中の被覆原料ガス供給時には、ガスは、サンプル導出配管５へ下向きに導入され、該接続部から上方のサンプル導出配管５をガス導入経路としてノズル孔３ｘへ導入され、反応容器２内へ供給される。

以上の如き構成のサンプリング機構において、サンプリング用ノズル孔３ｘの内径をφ約４ｍｍ、サンプル受け４の大きさをφ約２５ｍｍ×約１５ｍｍ、サンプル導出配管５の内径φ約１５ｍｍで長さ約８００ｍｍ、サンプル容器６の大きさをφ約５０×１００ｍｍとし、さらに、サンプル導出配管５に対する被覆原料ガス供給配管９の傾斜角度αを６０°とした被覆燃料粒子製造装置にて、第１被覆層から第４被覆層までの被覆反応工程中のうち、第１被覆層形成後および第２被覆層形成後にそれぞれサンプリングを行った場合を以下に示す。

まず、サンプル容器６をクランプ７でサンプル導出配管５の端部に装着し、開閉弁装置８を閉状態にしたことを確認してから、反応容器２内に平均直径約０．６ｍｍの二酸化ウラン燃料粒子を約３．８ｋｇ投入して第１被覆原料ガスとしてのアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）ガスの噴出供給により燃料粒子を流動状態として反応容器２内を約１４００℃の加熱条件下に調整することで被覆原料ガスの熱分解による、低密度炭素からなる第１被覆層の形成工程を開始した。

この形成工程の条件を所定時間維持した後の第１被覆層の形成が完了した時点で、開閉弁装置８を開放状態とし、被覆原料ガスの噴出を８秒間停止し、続いて開閉弁装置８を閉じた後、第２被覆層形成温度となるまで流動ガスを流入し、被覆粒子を流動させる。このときガス噴出を停止した８秒間に容器底部に沈降したうちから一部の第１被覆層形成済の燃料粒子がノズル孔３ｘから落下してサンプル受け４に受け入れられ、さらにサンプル導出配管５内を自然落下してサンプル容器６内に収容された。この取り出された第１被覆層形成済燃料粒子のサンプルは、５分間サンプル容器６内で冷却されてから、配管５から取り外されたサンプル容器６ごと観察工程へ移動される。このときのサンプリング工程では、約６０ｇの燃料粒子サンプルを取り出すことができた。

一方、残りの第１被覆層形成済燃料粒子を流動状態として反応容器２内を約１４５０℃の加熱条件下とした後、第２被覆原料ガスであるプロピレン（Ｃ_３Ｈ_６）を噴出することにより高密度熱分解炭素による第２被覆層の形成工程を行った。この第２被覆層形成工程が完了するまでに、新たに空のサンプリング容器６をサンプル導出配管５の端部に装着しておく。

所定時間の後、第２被覆層の形成が完了した時点で、開閉弁装置８を開放状態にした後、被覆原料ガスの噴出を４秒間停止し、続いて開閉弁装置８を閉じた後、第３被覆層形成温度となるまで流動ガスを流入し、被覆粒子を流動させる。このとき、４秒間のガス噴出停止状態で容器底部に沈降したうちから一部の第２被覆層形成済の燃料粒子がノズル孔３ｘから落下してサンプル受け４に受け入れられ、さらにサンプル導出配管５内を自然落下してサンプル容器６内に収容された。

この取り出された第２被覆層形成済燃料粒子のサンプルは、５分間サンプル容器６内で冷却されてから、サンプル導出配管５から取り外されたサンプル容器６ごと観察工程へ移動される。このときのサンプリング工程においては、約１０ｇの燃料粒子サンプルを取り出すことができた。

上記のサンプリング工程にて得られた第１被覆層形成済燃料粒子および第２被覆層形成済燃料粒子の両サンプルには、いずれも外観に割れや欠け等の破損は無く、良好であった。また、被覆原料ガス供給配管９の内部を確認したところ、燃料粒子の残留はみ止まられなかった。従って、通常の被覆燃料粒子の製造工程においては、このようなサンプリングを行いながらも、さらに連続的に第３被覆層形成工程、第４被覆層形成工程と滞りなく進めることができる。

以上のように本実施例による高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置では、熱気だけでなくウランを含む埃や煤の外部放出という危険を伴う容器窓の開放をすることなく安全に各被覆層形成直後の燃料粒子を被覆原料ガス供給配管への進入を生じることなく確実にサンプリングすることができ、実質的に第１被覆層から第４被覆層までの形成工程を効率的に進めることができる。

本発明の一実施例による高温ガス炉用燃料粒子製造装置に備えられたサンプリング機構を説明する装置下方領域の概略構成図である。

符号の説明

１：装置本体
２：反応容器
３：ガス噴出ノズル装置
３ｘ：ノズル孔
４：サンプル受け
５：サンプル導出配管
６：サンプル容器
７：クランプ
８：開閉弁装置
９：被覆原料ガス供給配管

Claims

二酸化ウラン燃料粒子を収容した反応容器内にガス噴出ノズル装置のノズル孔を介して被覆原料ガスを噴出供給してその噴流で燃料粒子を流動させながら加熱することにより原料ガスの熱分解によって燃料粒子の表面に被覆原料分子の蒸着層を形成するための被覆反応を行う高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置において、
被覆反応中に反応容器内の燃料粒子を外部のサンプル容器へ導出するサンプリング機構を備え、
前記ガス噴出ノズル装置は、少なくとも一部のノズル孔が燃料粒子の通過を許容する内径で反応容器底部に貫設されており、
前記サンプリング機構は、前記ノズル孔の下部に鉛直方向に沿って配置され、被覆原料ガスの噴出が停止された状態でノズル孔を通過してくる燃料粒子を自然落下により外部へ導出するためのサンプル導出配管と、該サンプル導出配管から落下してくる燃料粒子を収容するサンプル容器と、サンプル導出配管に設けられた開閉弁装置とを備えており、
前記サンプル導出配管には、前記開閉弁装置の上方位置にて、被覆原料ガス供給用の配管が下向きのガス導入方向となる傾斜角度で接続されていることを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置。
前記原料ガス供給配管のサンプル導出配管に対する傾斜角度が、ノズル方向から３０°以上、６０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置。