JP4583104B2 - メチルトリクロロシランガス発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温ガス炉用微小粒子を製造する際に用いられる第３被覆層用のメチルトリクロロシランガス発生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の良好な黒鉛で構成するとともに、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等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。

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ミクロンの微小粒子の周囲に計４層の被覆を施した粒子（以下、「被覆粒子」という）で構成している。第１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（以下「ＦＰ」という）のガス溜めとしての機能およ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層は密度約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層は密度約３．２ｇ／ｃｍ^３ の炭化珪素（以下「ＳｉＣ」と記す）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層は第２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の保持機能とともに第３層の保護層としての機能も持っている。

一般的な被覆粒子の直径は約５００〜１０００ミクロンである。被覆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型加工され、さらに黒鉛でできた筒に燃料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及び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、メトローズ等をあげることができる。

前述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（以下「ＡＤＵ粒子」という）となる。

ＡＤＵ粒子は乾燥された後、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粒子とし、これをふるい分けして定められた粒径の微小粒子を得る。

この微小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層の低密度炭素の場合は約１４００℃でアセチレンを熱分解する。第２、４層の高密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でプ口ピレンを熱分解する。第３層のＳｉＣの場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ_２ＳｉＣｌ_２；以下、ＭＴＳと記す）を熱分解する。

一般的な燃料コンパクトは、被覆粒子を黒鉛粉末、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）。

微小粒子にＳｉＣを被覆する場合、液体状のＭＴＳ中にキャリアガスとして水素ガスをバブリングし、水素ガス中にＭＴＳを混合させて流動床ヘ導入し、熱分解させて被覆する方法が一般的である。

図３はＭＴＳ中への水素ガスのバブリング法の説明図である。図に示す通り、液体状のＭＴＳ３０中に水素ガス３４をバブリングする方式の装置としては、ａ図の通り、ＭＴＳ３０を収納するタンク３１（以下「ＭＴＳタンク」という）の下部に水素ガス３４を導入するための配管３２（以下「水素導入管」という）を接続し、水素導入管３２と接続されているＭＴＳタンク３１下部に複数の貫通孔（図示せず）を設け、水素ガスをその貫通孔からバブリングさせることによって、水素とＭＴＳとの混合ガス３５を混合ガス配管３３から抜出す方式や、ｂ図の通り、ＭＴＳタンク３１上部から水素導入管３２を導入、ＭＴＳ３０に浸漬した状態で、水素ガス３４をバブリングさせることによって、水素とＭＴＳとの混合ガス３５を混合ガス配管３３から抜出す方式が用いられている。
特開２０００−２８４０８４号公報

しかしながら、図３の方法には次のような問題点があった。
(1) ａ図、ｂ図の方法では、水素ガスをバブリングするための貫通孔の場所および数に制限があり、水素ガスがＭＴＳタンク内の限られた場所からしかバブリングされないとともに、導入する水素ガスの量も制限され、大量の混合ガスを取り出すことができず、大量生産を行うことに対して不利である。

(2) ａ図の方法では、水素導入管がＭＴＳタンク下部で接続されているので、溶接により接続されている場合は溶接部腐食あるいは割れ等により、フランジにより接続されている場合はボルト締結の緩みあるいはシールの劣化等によりＭＴＳが漏洩し、火災および人体に悪影響を与える危険性がある。

本発明は、高温ガス炉用微小粒子を製造する工程の内、微小粒子を流動床に装荷し、ＭＴＳを熱分解させることによりＳｉＣ層の被覆を施す工程において、キャリアガスである水素にＭＴＳを効率よく混合させるＭＴＳガス発生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ＭＴＳガス発生装置は、内部に液体状のＭＴＳを貯留するタンクと、該タンク内の液中に水素ガスを導入する水素導入管と、水素ガスとＭＴＳガスとの混合物を排出する混合ガス排出管とを備えたＭＴＳガス発生装置において、
前記水素導入管がタンク内の液中に浸漬された泡発生手段を備えていることを特徴とするものである。

即ち、本発明においては、ＭＴＳタンクの下部に水素導入管を接続しているＭＴＳタンク下部に１つ又は複数の貫通孔を設け、水素ガスをその貫通孔から噴き出させて水素ガスとＭＴＳとを混合していた従来の方式とは相違させて、ＭＴＳタンクの下部に水素ガスをバブリングするための泡発生手段を配置し、これに水素導入管を接続し、貫通孔から水素ガスを噴出させて水素ガスとＭＴＳとを混合するようにしている。

本発明の泡発生手段としては、スポンジ状の連続気泡体に水素導入管を連通させて、連続気泡体の表層の個々の孔から泡を発生させても良いが、水素導入管と導通された中空容器であって、この中空容器の表面に多数の貫通孔を備えたものがメンテナンス等の点から好ましい。

従って、好ましい発明に係るＭＴＳガス発生装置は、前記泡発生手段が、前記水素導入管に連通する中空容器を含み、
該中空容器の表面に多数の貫通孔が設けられていることを特徴とするものである。

本発明の表面に多数の貫通孔を備えた中空容器の形状は、ＭＴＳタンク内に浸漬されていればどのような形状でも水素とＭＴＳとの混合ガスが発生する。しかしながら、好ましくはＭＴＳタンクの断面形状に沿った平板状のものの方が効率的に混合ガスを取り出すことができ、更に好ましくは平板状の中央部が表裏で繋がったリング状の外形を有するものが、より効率的に混合ガスを取り出すことができる。

従って、好ましい発明に係るＭＴＳガス発生装置は、前記中空容器がリング状であることを特徴とするものである。

ところで、ＭＴＳは湿気に触れた際に塩酸ガスが発生する。よって、本発明の水素導入管と泡発生手段である中空容器は、腐食することを防止するため、耐塩素ガス性に優れたものとする必要がある。このため、好ましい態様としては、請求項２に記載された発明に係るＭＴＳガス発生装置は、請求項１に記載の水素導入管及び／又は泡発生手段の表面が塩素ガスに対する耐食樹脂からなることを特徴とするものである。

本発明では、高温ガス炉用微小粒子を製造する工程の内、微小粒子を流動床に装荷し、ＭＴＳを熱分解させることによりＳｉＣ層の被覆を施す工程において、キャリアガスである水素にＭＴＳを効率よく混合させるＭＴＳガス発生装置を得ることができる。

本発明の形態では、従来のＭＴＳタンクの下部に接続されていた水素導入管を、ＭＴＳタンクの上部から導入、ＭＴＳ溶液中に浸漬する。これにより、接続部の欠陥（溶接により接続されている場合は溶接部腐食あるいは割れ等、フランジにより接続されている場合はボルト締結の緩みあるいはシールの劣化等）により接続部からＭＴＳ溶液が漏洩、火災を発生させたり人体に悪影響を与える危険性がなくなる。

次に、ＭＴＳ溶液中に浸漬した水素導入管先端に泡発生手段としての多数の貫通孔を設けたタンク（以下「バブリングタンク」という）を配置した。バブリングタンクはその形状を平板状あるいはリング状とする。これにより、ＭＴＳタンク内の広範囲に亘つて水素ガスをバブリングすることができ、効率的に水素ガスにＭＴＳを混合できるとともに、ＭＴＳタンク内にバブリングする水素ガス量を増加させることができる。

副次的な効果として、ＭＴＳタンクの下部に水素導入管を接続する従来の方法と比較すると、本発明では、水素導入管の導入場所を比較的容易に変更できるので、工場内の他の設備との取り合いに自由度が大きい。

なお、水素導入管およびバブリングタンクは、フッ素樹脂（例えば、テフロン（商品名））等の樹脂製とするか、金属表面にテフロン等のフッ素樹脂をコーティングする。これは、ＭＴＳが湿気に触れた際に発生する塩酸ガスによつて、水素導入管およびバブリングタンクが腐食することを防止するためである。

図１は本発明の高温ガス炉燃料用水素バブリングによるＭＴＳガス発生装置の概要を示す説明図であり、図２は図１の具体的な構成を示す説明図である。図に示す通り、液体状のＭＴＳ１０を収納するＭＴＳタンク１１はステンレス製とし、ＭＴＳから発生する塩酸ガスによる腐食を防止するため、タンク内側表面には、フッ素樹脂コーティング（テフロンコーティング）を施した。

水素導入管１２及びバブリングタンク１６はフッ素樹脂製（テフロン製）とした。バブリングタンク１６と水素導入管１２との接合部にかかる応力を緩和するため、バブリングタンク１６をフッ素樹脂製（テフロン製）のサポー卜ロッド１７でも保持する構造とした。

バブリングタンク１６は製作性を考慮して角型リング形状とし、上面に約６０個の貫通孔１８を設けた。水素導入管１２から水素ガス１４をバブリングタンク１６へ導入し、その貫通孔１８からバブリングさせることによつて、水素とＭＴＳとの混合ガス１５を混合ガス配管１３から抜出す。

図に示した装置を用いて、１分間あたり１０リットルの水素ガスをＭＴＳタンク内にバブリングし、取り出した混合ガスを流動床に導入して微小粒子にＳｉＣを被覆した。その結果、ＳｉＣを被覆した微小粒子を流動床から取り出し、断面を観察したところ、良好なＳｉＣ層が形成されていることが確認できた。

なお、本実施例ではバブリングタンクの上面に貫通孔を設けたが、貫通孔の場所は特定されない。ＭＴＳタンクあるいはバブリングタンク形状により、バブリングタンクの側面や底面に設けることもできる。

本発明は次の通りの効果を奏する。
(1) 水素ガスをバブリングするための貫通孔をＭＴＳタンク内の任意の位置に設置できるため、水素ガスバブルの流動を考慮した上で、最適な場所に設置することができる。
(2) 水素ガスをバブリングするための貫通孔の数を増加できるため、導入する水素ガス量を増加することができ、大量の混合ガスを取り出すことができる。

(3) (1) 及び(2) より、効率的に混合ガスを取り出すことができるため、大量生産に対して有利である。
(4) ＭＴＳタンクと水素導入管との接合を必要としないので、接合部からのＭＴＳの漏洩を防止することができ、火災および人体への悪影響を防止できる。
(5) ＭＴＳタンクと水素導入管との接合を必要としないので、設備のレイアウ卜に自由度が大きい。

本発明の高温ガス炉燃料用水素バブリングによるＭＴＳガス発生装置の概要を示す説明図である。 図１の具体的な構成を示す説明図である。 従来のＭＴＳ中への水素ガスのバブリング方式の説明図である。

符号の説明

１０…液体状のＭＴＳ、
１１…ＭＴＳタンク、
１２…水素導入管、
１３…混合ガス配管、
１４…水素ガス、
１５…水素とＭＴＳとの混合ガス、
１６…バブリングタンク、
１７…サポー卜ロッド、
１８…貫通孔、
３０…液体状のＭＴＳ、
３１…ＭＴＳタンク、
３２…水素導入管、
３３…混合ガス配管、
３４…水素ガス、
３５…水素とＭＴＳとの混合ガス、

Claims (2)

1. 内部に液体状のメチルトリクロロシランを貯留するタンクと、該タンク内の液中に水素ガスを導入する水素導入管と、水素ガスとメチルトリクロロシランガスとの混合物を排出する混合ガス排出管とを備えたメチルトリクロロシランガス発生装置において、
   前記水素導入管がタンク内の液中に浸漬された泡発生手段を備えており、
   前記泡発生手段が、前記水素導入管に連通する中空容器を含み、
   該中空容器の表面に多数の貫通孔が設けられ、
   前記中空容器がリング状であることを特徴とするメチルトリクロロシランガス発生装置。
2. 前記水素導入管及び／又は泡発生手段の表面が塩素ガスに対する耐食樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載のメチルトリクロロシランガス発生装置。

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