JP4729344B2 - 重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法及び連続製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法及び連続製造装置に関し、詳しくは、真球度の良好な重ウラン酸アンモニウム粒子を効率良く製造することのできる連続製造方法及び連続製造装置に関する。

通常、軽水炉用酸化ウラン燃料は、３％程度に濃縮された濃縮ウランの硝酸ウラニル溶液から重ウラン酸アンモニウムケーキ又は粉末を製造し、これを焙焼、還元して二酸化ウラン粉末とし、さらにペレット化して製造する。一方、高温ガス炉用燃料は、二酸化ウランをそのままペレット化せず、まず被覆燃料粒子を製造して、これから燃料ペレットを製造している。そのため、高温ガス炉用燃料製造工程は重ウラン酸アンモニウム製造工程から軽水炉用酸化ウラン燃料製造工程とは異なっており、通常は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、純水及び粘度調節用増粘剤等を添加して硝酸ウラニル溶液を作る。この硝酸ウラニル溶液を細径の滴下ノズルを用いてアンモニア水溶液中に滴下する。液滴はアンモニア水溶液表面に達するまでの間に、アンモニアガスを吹きかけられ、液滴表面がゲル化し硬化して、アンモニア水溶液表面への落下時に衝撃による変形が防止される。アンモニア水溶液中で硝酸ウラニル含有原液の液滴はアンモニアと十分に反応した後、洗浄、乾燥され重ウラン酸アンモニウム粒子となる。ここでは均質で真球度の良好な球状二酸化ウランが求められる。真球度の良好な球状二酸化ウランの製造方法は種々検討されており、特許文献１には、硝酸ウラニル溶液から数１０〜１，０００μｍ径の真球度の良好な球状二酸化ウランの製造方法が開示されている。

この重ウラン酸アンモニウム粒子は、大気中で焙焼され、さらに還元及び焼結されることにより、高密度の二酸化ウラン粒子となる。この二酸化ウラン粒子を分級して直径３５０〜６５０μｍの粒子径に調整し、炭素源となる炭化水素ガス等の熱分解装置中に導入して被覆層を形成し被覆燃料粒子とする。被覆層は、低密度炭素層、高密度炭素層、ＳｉＣ層、及び高密度炭素層の順に被覆される。一般的な高温ガス炉用の燃料コンパクトは、上述の被覆燃料粒子を黒鉛粉末、粘結剤等のマトリックス材とともに、中空円筒形状又は円筒形状に成型し焼成して得られる。

ところで、ウランなどの核燃料物質を取り扱う場合、臨界安全管理と放射線防護の課題には常に注意しなければならない。放射線防護の問題については放射線遮蔽材と管理区域の設定等により解決を図っている。一方、臨界安全管理の方法としては取り扱う核燃料物質量を臨界質量以下とする「質量制限」と、ウラン量には関係なく臨界が生じない形状・寸法内で核燃料物質を取り扱う「形状制限」とが挙げられる。臨界ハンドブック等によれば、通常使用される３％濃縮ウランの場合「質量制限」としては、１０質量％以下のウラン溶液に対する最大取扱可能量は、９．６ｋｇであり、２０質量％以下のウラン溶液に対しては、４．０ｋｇである。したがって、各製造工程を回分式とし、処理槽等におけるバッチサイズはこれらの値以下にする必要がある。さらに、安全性の観点から誤って２重装荷した場合を考慮すると、各処理槽等におけるバッチサイズはこれらの値の１/２以下にする必要がある。

「形状制限」は、ウランの濃縮度や形状によって制限される大きさが異なってくるが、例えば、通常使用される３％濃縮ウランの場合１０質量％以下のウラン溶液に対する収納設備の大きさは、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で１９．８ｃｍ以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで８．３ｃｍ以下である。また、２０質量％以下のウラン溶液に対する収納設備の大きさが、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で１７．４ｃｍ以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで６．７ｃｍ以下となる（非特許文献１参照）。

特開２００４−２１９１９５号公報 原子炉材料ハンドブック 長谷川正義他監修 昭和５２年１０月３１日 日刊工業新聞社発行 ３２３〜３２５頁

上述のように、ウランなどの核燃料物質を臨界安全管理制限内で取り扱う場合、質量制限を遵守して回分式製造装置による核燃料を生産するには、非常に少量づつ取り扱うため大量生産や効率的生産という面からは課題があった。また、回分式製造装置による重ウラン酸アンモニウム粒子製造の場合に十分に反応固化していない粒子が堆積して自重で変形を起こしやすいという問題があった。一方、形状制限の範囲内の設備で取り扱うウランの量には制限がないため、連続処理が可能であるが小規模の、又は特殊形状の収納容器を組み合わせた設備によらざるを得ず、量産設備に対する臨界管理方法として有効に活用し難かった。本発明は、ウラン化合物が本質的に抱えている臨界安全管理の問題を解決しながら連続的に均質で真球度の良好な二酸化ウラン燃料用重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法及び燃料用重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造装置を提供することを目的としている。

製造方法に関する本発明の手段として、
請求項１は、原液滴下装置から滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴を、一方向に流動するアンモニア水溶液に浸漬することにより固形粒子を形成し、流動する前記アンモニア水溶液と共に前記固形粒子が一方向に移動する第一工程と、前記第一工程で形成され、かつ前記第一工程から連続的に送り込まれて来る前記固形粒子を、一方向に流動する洗浄液で洗浄し、前記固形粒子が流動する前記洗浄液と共に流通する洗浄工程、及び、前記洗浄工程から連続的に送り込まれて来る洗浄後の固形粒子を一方向に搬送しつつ乾燥する乾燥工程を連続的に行う第二工程とを有する重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法であり、
請求項２は、前記第一工程が、前記固形粒子をアンモニア水溶液に接触させることにより固形粒子の中心部にまで重ウラン酸アンモニウムにする熟成工程を含む請求項１に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法であり、
請求項３は、原液滴下装置から滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴を、一方向に流動するアンモニア水溶液に浸漬することにより固形粒子を形成し、流動する前記アンモニア水溶液と共に前記固形粒子が一方向に移動する反応手段と、前記反応手段で形成され、かつ前記反応手段から連続的に送り込まれて来る固形粒子を、一方向に流動する洗浄液で洗浄し、前記固形粒子が流動する前記洗浄液と共に流通する洗浄手段と、前記洗浄手段から連続的に送り込まれて来る洗浄後の固形粒子を一方向に搬送しつつ乾燥する乾燥手段とを備えることを特徴とする重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置であり、
請求項４は、反応手段、洗浄手段、および乾燥手段は、固形粒子を通過させる部位における隔壁および/またはウラン元素存在帯域内に中性子吸収材を配した請求項３に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置であり、
請求項５は、反応手段、洗浄手段、および乾燥手段は、それら各手段中の装置形状を核燃料物質の臨界安全管理上の形状制限範囲内とする請求項３又は４に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置である。

本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法は、均質で真球度の良好な重ウラン酸アンモニウム粒子の製造に適している。また、重ウラン酸アンモニウム粒子を連続的に大量に製造しても製造設備を臨界安全管理上の形状制限内で設計しておけば、製造中に質量制限を考慮することなく容易に臨界安全管理をすることができる。さらに、中性子遮蔽材を用いれば処理量が多くなり、好適な連続生産方法となる。本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置に本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法を適用すれば、設備の運転操作が簡略化でき誤作動や放射線被爆の危険性も軽減される。

本発明につきその好適例を中心にして以下に詳述する。

（重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法）
本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法は、従来臨界安全管理上容易と考えられていた回分式製造方法に代えて連続式製造方法としたものである。

まず、第一工程として硝酸ウラニル含有原液からアンモニアにより重ウラン酸アンモニウムを含有する固形粒子を生成させる工程がある。原料となる硝酸ウラニル含有原液の調製においては酸化ウランを硝酸に溶解し、純水、及び増粘剤等を加えて硝酸ウラニル濃度及び粘度を調節する。原料酸化ウランは、すでに核燃料用に放射性同位元素が濃縮された二酸化ウラン、三酸化ウラン又は八酸化三ウラン等、好ましくは八酸化三ウランを用いればよい。溶解時には硝酸溶液を加温にして攪拌すれば容易に溶解する。原料硝酸ウラニルの濃度は通常１〜４ｍｏｌＵ／ｌ、好ましくは２〜４ｍｏｌＵ／ｌとすることが望ましい。濃度が高すぎると臨界安全管理上の形状制限が厳しくなり、濃度が低すぎると真球度の良好な、高密度の重ウラン酸アンモニウム粒子の生成が難しくなる。

硝酸ウラニル含有原液の粘度は滴下する硝酸ウラニル含有原液の液滴の大きさ、真球度、アンモニア水溶液上への衝突時の耐変形性に大きく作用するので慎重に制御する必要がある。ただし、硝酸ウラニル含有原液の粘度は硝酸ウラニルの濃度や温度により変化するので、実際の操作条件での粘度に注意せねばならない。硝酸ウラニル含有原液の液滴生成及び初期の重ウラン酸アンモニウム化反応を室温〜５０℃で行う場合は、通常、処理温度での粘度で０．１〜１００ｍＰａ・ｓ、好ましくは３０〜９０ｍＰａ・ｓとすればよい。

増粘剤としては、水溶性ポリマー等を用いる。例えばポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと略する。）、ポリアクリル酸ナトリウム及びポリエチレンオキシド等の合成ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、及びエチルセルロース等のセルロース系ポリマー、可溶性でんぷん、及びカルボキシメチルでんぷん等のでんぷん系ポリマー、デキストリン、及びガラクタン等の水溶性天然高分子等を挙げることができる。これらの中でも、前記合成ポリマーが好ましく、特にポリビニルアルコールが好ましい。これら各種の水溶性ポリマーは、その一種を単独で使用されても、また、それらの二種以上が併用されていても良い。

なお、硝酸ウラニル含有原液の製造、及びその貯蔵にあたっては、放射線防護及び臨界安全管理状の制限を守って実施することが大切である。

硝酸ウラニル含有原液は第一工程における原液滴下装置に導入される。通常、原液滴下装置は下部に管状の細い液滴形成部を設けた容器を有する。液滴形成部の内径は０．０１〜２ｍｍ、好ましくは０．１〜１．５ｍｍが望ましい。通常、形成する液滴の大きさは均一な１００〜５０００μｍの直径が望ましい。液滴形成部は、肉厚が一定である中央管部と、前記中央管部の外周面から先端部に向かって傾斜面となって先端部に到り、先端部において前記傾斜面が内周面に到達して成るテーパ部とを有して成る断面楔状の形状を備えることが、好ましい。このような形状を有する液滴形成部は、硝酸ウラニル含有原液の液滴の切れがよく、真球度の良好な重ウラン酸アンモニウム粒子を形成するのに好適である。均一な大きさの液滴を形成して落下させるには、液滴形成部に微振動を与えるのが良い。微振動を付与するには加振装置が用いられる。所望の液滴径にするには、硝酸ウラニル含有原液の粘度、液滴形成部の形状、微振動の振動数などを制御してやればよい。液滴径は生成重ウラン酸アンモニウム粒子の直径に直接影響するので重要な制御因子である。なお、大量生産時は液滴形成部には、断面楔形状をした複数の液滴形成部が配置される。断面楔形状をした液滴形成部が複数個の場合には、特にその先端形状及び振動状態をそろえることが望ましい。

原液滴下装置の設計、操作にあたっても、放射線防護及び臨界安全管理上の制限を守って実施することが大切である。

硝酸ウラニル含有原液の液滴はアンモニア雰囲気中で滴下されるのが好ましく、そして落下しながら液滴表面に存在する硝酸ウラニルがアンモニアガスと反応すること、すなわち重ウラン酸アンモニウム化反応により液滴表面の一部が固化する。反応式は、
２ＵＯ_２（ＮＯ_３）_２+６ＮＨ_３＋３Ｈ_２Ｏ→（ＮＨ_４）_２・Ｕ_２Ｏ_７＋４ＮＨ_４ＮＯ_３
で表される。表面の一部が固化した硝酸ウラニル含有原液の液滴はアンモニア水溶液中に落下する。硝酸ウラニル含有原液の液滴はアンモニア水溶液表面上への落下の衝撃により破壊や大きな変形がない程度に表面が反応固化していることが望ましい。落下した硝酸ウラニル含有原液の液滴は、硝酸ウラニル含有原液の液滴中の硝酸ウラニルとアンモニアとの反応を進行させつつアンモニア水溶液中を沈下していく。前記反応を円滑に進行させるためにはアンモニア水溶液の温度は５〜１００℃好ましくは１０〜５０℃が望ましい。また、固形粒子のアンモニア水溶液中での滞留時間は１０〜１８０分、好ましくは２０〜１２０分が望ましい。なお、前記滞留時間というときの「滞留」は固形粒子がアンモニア水溶液中で堆積された状態を意味するのではなく、固形粒子がアンモニア水溶液に接触する状態が継続していることを意味する。アンモニア水溶液のアンモニア濃度は１０〜４０重量％、好ましくは１５〜３５重量％が望ましい。硝酸ウラニル含有原液の液滴は、アンモニア水溶液中でさらに上記重ウラン酸アンモニウム化反応が進んで重ウラン酸アンモニウムを含んだ固形粒子となる。なお、アンモニア水溶液は反応に伴いアンモニア含有量が減少し、副生成物が生成するので、アンモニア水溶液の一部を新しいアンモニア水溶液と置き換えて純度を保つのが、好ましい。

この際、アンモニア水溶液槽の設計、使用にあたっても、放射線防護及び臨界安全管理上の制限を守って実施することが大切である。装置運転中、硝酸ウラニル含有原液の液滴及び重ウラン酸アンモニウム粒子がアンモニア水溶液中の一部分に滞留したり高密度状態になったりしないようにする。そのためには、アンモニア水溶液槽にデッドスペースがない構造とすることが望ましい。特に硝酸ウラニル含有原液の液滴及び重ウラン酸アンモニウムを含有する固形粒子が沈殿して流動しなくなる空間を造らない構造、換言すると、アンモニア水溶液が一方向に流動していてその流動するアンモニア水溶液と共に固形粒子が一方向に移動して行く構造にするのが好ましい。硝酸ウラニル含有原液の液滴、及び十分に反応固化していないが重ウラン酸アンモニウムを含有する固形粒子が堆積すると変形してしまって球状でなくなる場合もあり問題である。このような問題を回避するために、前記したように例えば、前記液滴又は固形粒子が一方向に流動する構造を採用するのが良い。

アンモニア水溶液は攪拌や循環により粒子を流動状態に保ち得る。もっとも、アンモニア水溶液中に分散する固形粒子が撹拌手段における撹拌翼、製造槽の内壁等に激突することにより前記固形粒子が破損し、又は変形することを避けることが、望ましい。

生成した少なくとも表面を固化した重ウラン酸アンモニウム粒子は固形粒子としてアンモニア水溶液容器の下部に落下してくる。落下してきた固形粒子は滞留させることなく、つまり連続的にアンモニア水流等により次工程に移送する。第一工程において、重ウラン酸アンモニウム化反応が不十分な場合は、固形粒子をさらにアンモニアと反応させて固形粒子の中心部にまで重ウラン酸アンモニウムとする熟成工程を設けることが望ましい。固形粒子の中心部にまで重ウラン酸アンモニウム化反応を進行させておくと、後に二酸化ウラン焼結体を製造した場合に緻密な高品質の焼結体が得られる。熟成工程は固形粒子を新鮮なアンモニア水溶液に移送してアンモニア水の循環、攪拌等により固形粒子を分散状態にした状態で重ウラン酸アンモニウム化反応を進める。この場合、反応温度は３０〜１００℃、好ましくは４０〜８０℃が望ましい。また、固形粒子の滞留時間は１０〜１８０分、好ましくは２０〜１２０分が望ましい。アンモニア水溶液のアンモニア濃度は、通常の場合、５〜４０重量％、好ましくは１０〜３０重量％が望ましい。熟成工程においても上述と同様に固形粒子を流動化するようにすることが、また堆積しないようにすることが、望ましい。

第一工程においては、このようにして少なくとも硝酸ウラニル含有原液の液滴表面を重ウラン酸アンモニウムとして固化した固形粒子をアンモニア水溶液から分離して第二工程に移送する。

第二工程に固形粒子を移送するためには、固形粒子を滞留させることなく連続的に固液分離するのが、好ましい。固液分離は通常用いられるどのような方法でもよいが、寸法臨界状態又は形状臨界状態を維持したまま固形粒子を固液分離するのが好ましい。好適な方法としては回転ドラム式フィルター、メッシュ製ベルトコンベアー、メッシュ製バケットコンベアー、液体サイクロンなどの固液分離手段の採用が挙げられる。固液分離手段としてバッチ式フィルター分離法又はデカンテーション法を採用する場合には形状臨界状態又は寸法臨界状態を維持することが好ましい。連続的に固形粒子を次の工程に移送しつつ固液分離可能な固液分離手段として、固形粒子の落下を防ぐじゃま板付きのメッシュ製ベルトコンベアーを挙げることができる。なお、固液分離は完全であることを要しない。つまり、固液分離により濡れた状態の固形粒子をアンモニア水溶液から分離しても良い。固液分離された固形粒子がアンモニア水溶液で濡れていても次の工程で固形粒子を洗浄するからである。また、分離されたアンモニア水溶液は回収アンモニア水溶液として再度第一工程に導いて循環使用することが好ましい。回収アンモニア水溶液を循環再利用することは、経済性のみならず、第一工程で形成された固形粒子をアンモニア水溶液中に分散した状態を維持しつつ固形粒子を連続的に次の工程に移送するためにアンモニア水溶液を循環流動させることが容易になるからである。

第二工程においては、このようにして固液分離した固形粒子は洗浄工程に導かれる。洗浄工程は通常純水洗浄槽と有機溶媒洗浄槽とを持つ。純水洗浄槽では固形粒子に付着しているアンモニア、未反応硝酸ウラニル、及び増粘剤などを除去する。洗浄条件として、通常の場合、洗浄温度が５〜１２０℃、好ましくは１０〜１００℃が望ましい。また、固形粒子の洗浄水、例えば純水との接触時間は、通常の場合、１０〜２４０分、好ましくは２０〜２００分が望ましい。有機溶媒洗浄槽では固形粒子に付着している水分や残留増粘剤など有機物を除去する。有機溶媒として、水よりも蒸発容易なエタノール、メタノール、アセトンのような安価な水溶性溶媒が好ましい。有機溶媒洗浄温度は５〜１００℃、好ましくは１０〜８０℃が望ましい。また、固形粒子の、有機溶媒との接触時間は、通常の場合、１０〜２４０分、好ましくは２０〜２００分が望ましい。洗浄後の固液分離は上述の固液分離と同様にすればよい。なお、有機溶媒洗浄槽での洗浄は省略してもよい。洗浄工程においても上述と同様固形粒子の偏在を防ぎ臨界安全管理上の配慮をせねばならない。

第二工程においては、洗浄が終わった固形粒子が乾燥工程に移送される。乾燥工程ではどのような方法で乾燥してもよいが、通常ベルトコンベアーで移送されている固形粒子に温風又は熱風を吹き付ける温風乾燥処理がなされる。流動床式乾燥機や自然乾燥でも問題はないが臨界安全管理、放射線防護管理の点から制御の容易なベルトコンベアー上で温風乾燥又は加熱乾燥が好ましい。なお、ベルトコンベアー上に固形粒子を載せる場合は、形状臨界状態又は寸法臨界状態を維持することが好ましい。通常は洗浄槽等と同じ幅のベルトコンベアーとしてベルトコンベアーの移動速度を調節して固形粒子の管理をする。遅すぎると滞留量が増加するので注意する。乾燥工程が終了した固形粒子は重ウラン酸アンモニウム粒子として取り出される。

（重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置）
本発明の一例である重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置（以下において、「連続製造装置」と略称することがある。）は、原液滴下装置から滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴を、一方向に流動するアンモニア水溶液に浸漬することにより固形粒子を形成する反応手段と、前記反応手段で形成され、かつ前記反応手段から連続的に送り込まれて来る固形粒子を、一方向に流動する洗浄液で洗浄する洗浄手段と、前記洗浄手段から連続的に送り込まれて来る洗浄後の固形粒子を一方向に搬送しつつ乾燥する乾燥手段とを有する。

臨界安全性を高めるために、連続製造装置は、「形状制限」されていることが、好ましい。上述のように形状制限はウラン濃度及び容器形状等により複雑な計算が必要なので、上述のように簡単に数値化は出来ないが、臨界ハンドブック等の公知の管理マニュアルにしたがって容器等の具体的設計をすることができる。大量生産をする為には容器形状を薄板状にすれば形状制限を満足しながら所望の設備設計が可能である。すなわち、ウラン含有溶液や懸濁液の流通方向に対し直角な面を長方形又はこれに近い形状とし、例えば横長の長方形の縦方向を形状制限内に納めれば横方向は大きく取っても問題はない。これにより流通断面は大きくなり流通量は大きくできる。このような中空薄板状の容器や配管を組み合わせて装置全体を組み立てていけばよい。あるいは複数の形状制限内の細管を多数本用いて一つの流路とした配管や容器を活用する方法もある。この場合各細管を中性子遮蔽板で被覆すれば接近させることもできる。

別の臨界安全管理の方法は中性子吸収材を含んだ中性子遮蔽材を利用する方法である。処理容器や配管を中性子遮蔽材で被覆しておくと、隣接する処理容器や配管への中性子の影響を防止することができる。また、中性子遮蔽材を処理容器や配管中に配置してウラン存在空間を小領域に分割し、いわゆる「形状制限」における寸法制限値内とすることも実際的な臨界安全管理の方法である。すなわち上記の複数の形状制限内の細管を多数本用いて一つの流路とした配管や容器と同じ効果が得られる。このようにすれば、生産設備の大型化やコンパクト化が容易に図れる。中性子吸収材を構成する物質としては、ホウ素、カドミウム、キセノン、ガドリウム、ハフニウム等を含むものであればよい。

図１（ａ）に本発明の連続製造装置の一例を模式的に示した。

図１（ａ）に示される連続製造装置は、最上段である１段目及び最上段から２段目に位置する反応手段Ａと、３段目及び４段目に配置されている洗浄手段Ｂと、最下段である５段目に配置されている乾燥手段Ｃとを有する。この連続製造装置は、１段目から５段目までの縦方向に配設しているので、連続製造装置の底面積を小さく取ることができる。したがって、工程の長さの割に小型の連続製造装置にすることができて、場所を取らずに経済的である。

前記反応手段Ａは、重ウラン酸アンモニウム含有の固形粒子を形成する固形粒子形成手段６と、重ウラン酸アンモニウム含有の固形粒子の芯まで重ウラン酸アンモニウムにする重ウラン酸アンモニウム化反応を完成させる熟成手段８とを有する。

固形粒子形成手段６は、硝酸ウラニルを含有する硝酸ウラニル含有原液の液滴２を滴下する原液滴下装置１、アンモニア水溶液を貯留する固形粒子生成槽３、アンモニア水溶液から固形粒子を分離してこれを移送する第１固形粒子移送装置４、アンモニア水溶液を吸引吐出する第１循環ポンプ５からなっている。通常、原液滴下装置１は、下部に複数の細い液滴形成部を有する。液滴形成部の内径は０．０１〜２ｍｍ、好ましくは０．１〜１．５ｍｍが望ましい。先端は小液滴が落下しやすいよう鋭く尖った、断面が楔状となった形状が好ましい。断面が楔状に形成された形状を有する液滴形成部は、液滴の切れが良好であるからである。均一な大きさの液滴を形成して等間隔で落下させるには、液滴形成部に微振動を与えて液滴が落下しやすいよう加振器を、換言すると振動付与装置を備えるとよい。

前記固形粒子生成槽３は、図１（ａ）に示されるように、前記液滴形成部の直下に開口する第１縦状生成槽３ａ、この第１縦状生成槽３ａの下部から斜め上方向に延在形成された第１斜め生成槽３ｂ、この第１斜め生成槽３ｂの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第２縦状生成槽３ｃ、この第２縦状生成槽３ｃの下部から斜め上方向に延在する第２斜め生成槽３ｄ、この第２斜め生成槽３ｄの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第３縦状生成槽３ｅ、この第３縦状生成槽３ｅの下部から斜め上方向に延在形成された第３斜め生成槽３ｆ、この第３斜め生成槽３ｆの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第４縦状生成槽３ｇ、およびこの第４縦状生成槽３ｇの下部から斜め上方向に延在形成された第４斜め生成槽３ｈで形成された第１ジグザグ流通路と、前記第４斜め生成槽３ｈの下部からアンモニア水溶液を導出し、第１循環ポンプ５により前記第１縦状生成槽３ａ、前記第２縦状生成槽３ｃ及び前記第３縦状生成槽３ｅそれぞれの底部から前記第１斜め生成槽３ｂ、前記第２斜め生成槽３ｄ及び前記第３斜め生成槽３ｆの内部に向かって斜め方向にアンモニア水溶液を噴出させることにより、循環流を形成する第１アンモニア水溶液循環路５ａとを有する。前記第４斜め生成槽３ｈの上端には縦方向に延在する第１連絡路７が取り付けられている。前記第４斜め生成槽３ｈには、第４斜め生成槽３ｈの下方に移動して来た固形粒子を第４斜め生成槽３ｈの上部から前記第１連絡路７へ移送する第１固形粒子移送装置４が配設される。この第１固形粒子移送装置４は、例えばじゃま板付きのメッシュ製ベルトコンベアーで形成することができる。

前記第１縦状生成槽３ａの開口より上方には、原液滴下装置１が配置される。原液滴下装置１にはノズル（図示せず。）があり、このノズルから前記第１縦状生成槽３ａの開口まではアンモニア雰囲気に調製される。アンモニア雰囲気に調製されることにより、ノズルから滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴の表面が、硝酸ウラニルとアンモニアとの反応により形成された重ウラン酸アンモニウムにより、固化して皮膜が形成される。皮膜を形成した液滴は、第１縦状生成槽３ａに貯留されているアンモニア水溶液の液面に衝突しても、その衝撃力により液滴の変形、破損、歪み等を生じることがない。前記ノズルの前記開口からの高さ位置は、通常の場合、前記開口から１０〜１００ｃｍ、好ましくは１２〜５０ｃｍである。

原液滴下装置１から滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴が第１ジグザグ流通路に貯留されたアンモニア水溶液に浸入すると、液滴が、第１ジグザグ流通路を流通していく。第１ジグザク流通路内のアンモニア水溶液中を液滴が流通していくうちに、液滴中の硝酸ウラニルとアンモニアとの反応が進行し、重ウラン酸アンモニウム含有量の多い固形粒子が形成される。また、第１ジグザグ流通路においては、第１〜３縦状生成槽３ａ、３ｃ、３ｅの底部から第１〜３斜め生成槽３ｂ、３ｄ、３ｆの内部に向かって斜め方向にアンモニア水溶液を噴出させているので、生成する固形粒子が第１〜３縦状生成槽３ａ、３ｃ、３ｅの底部に滞留し、また堆積することがない。これによって固形粒子が変形し、破損し、歪になることがなく、これによって真球度の良好な重ウラン酸アンモニウム粒子の形成が促される。

この第１ジグザグ流通路内に貯留されたアンモニア水溶液のアンモニア濃度は、通常の場合、１０〜３０重量％である。またこの第１ジグザグ流通路内のアンモニア水溶液に固形粒子が浸漬している時間は、通常の場合、２０〜６０分であり、このような時間となるように、アンモニア水溶液の水流速度を決定するのが良い。

なお、図示してはいないが、アンモニア水溶液は重ウラン酸アンモニウム化反応に伴いアンモニアの濃度が減少し、またアンモニア水溶液自体もその量が減少していくので、新鮮なアンモニア水溶液を前記第１ジグザグ流通路内に供給するアンモニア水補給装置を設置することが、好ましい。

第１ジグザグ流通路を流通していく固形粒子は、前記第１固形粒子移送装置４により、アンモニア水溶液から固液分離されて次の熟成手段８に、供給される。

前記熟成手段８は、前記第１連絡路７の下方に形成された第１縦状熟成槽８ａ、この第１縦状熟成槽８ａの下部から斜め上方向に延在形成された第１斜め熟成槽８ｂ、この第１斜め熟成槽８ｂの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第２縦状熟成槽８ｃ、この第２縦状熟成槽８ｃの下部から斜め上方向に延在する第２斜め熟成槽８ｄ、この斜め第２斜め熟成槽８ｄの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第３縦状熟成槽８ｅ、この第３縦状熟成槽８ｅの下部から斜め上方向に延在形成された第３斜め熟成槽８ｆ、この第３斜め熟成槽８ｆの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第４縦状熟成槽８ｇ、およびこの第４縦状熟成槽８ｇの下部から斜め上方向に延在形成された第４斜め熟成槽８ｈで形成された第２ジグザグ流通路と、前記第４斜め熟成槽８ｈの下部からアンモニア水溶液を導出し、第２循環ポンプ１２により前記第１縦状熟成槽８ｃ、前記第２縦状熟成槽８ｃ及び前記第３縦状熟成槽８ｅそれぞれの底部から前記第１斜め熟成槽８ｂ、前記第２斜め熟成槽８ｄ及び前記第３斜め熟成槽８ｆの内部に向かって斜め方向にアンモニア水溶液を噴出させることにより、循環流を形成する第２アンモニア水溶液循環路１３とを有する。前記第４斜め熟成槽８ｈの上端には縦方向に延在する第２連絡路１４が取り付けられている。前記第４斜め熟成槽８ｈには、第４斜め熟成槽８ｈの下方に移動して来た固形粒子を第４斜め熟成槽８ｈの上部から前記第２連絡路１４へ移送する第２固形粒子移送装置１５が配設される。この第２固形粒子移送装置１５は、例えばじゃま板付きのメッシュ製ベルトコンベアーで形成することができる。

前記第１連絡路７から落下してきた固形粒子は、第２ジグザグ流通路に貯留されたアンモニア水溶液に浸入すると、固形粒子が第２ジグザグ流通路を流通していく。第２ジグザク流通路内のアンモニア水溶液中を固形粒子が流通していくうちに、固形粒子の芯に向かって硝酸ウラニルとアンモニアとの反応がさらに進行し、固形粒子の中心部までが重ウラン酸アンモニウムとなった固形粒子が形成される。また、第２ジグザグ流通路においては、第１〜３縦状熟成槽８ａ、８ｃ、８ｅの底部から第１〜３斜め熟成槽８ｂ、８ｄ、８ｆの内部に向かって斜め方向にアンモニア水溶液を噴出させているので、生成する固形粒子が第１〜３縦状熟成槽８ａ、８ｃ、８ｅの底部に滞留し、また堆積することがない。これによって固形粒子が変形し、破損し、歪になることがなく、これによっても真球度の良好な重ウラン酸アンモニウム粒子の形成が促される。

この第２ジグザグ流通路内に貯留されたアンモニア水溶液のアンモニア濃度は、通常の場合、１０〜３０質量％であり、また、この第２ジグザグ流通路内のアンモニア水溶液に固形粒子が浸漬している時間は、通常の場合、１０〜１２０分が好ましく、また第２ジグザグ流通路内のアンモニア水溶液の温度は、通常の場合、２０〜６０℃である。

なお、前記固形粒子形成手段により、芯まで重ウラン酸アンモニウムに変換した固形粒子を形成することができるのであれば、前記熟成手段８を省略することができる。

第２ジグザグ流通路を流通していく固形粒子は、前記第２固形粒子移送装置１５により、アンモニア水溶液から固液分離されて次の洗浄手段Ｂに、供給される。

洗浄手段Ｂは、３段目の水洗浄手段１６と４段目のアルコール洗浄手段１７とを含む。

前記水洗浄手段１６は、前記第２連絡路１４の下方に形成された第１縦状水洗浄槽１６ａ、この第１縦状水洗浄槽１６ａの下部から斜め上方向に延在形成された第１斜め水洗浄槽１６ｂ、この第１斜め水洗浄槽１６ｂの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第２縦状水洗浄槽１６ｃ、この第２縦状水洗浄槽１６ｃの下部から斜め上方向に延在する第２斜め水洗浄槽１６ｄ、この斜め第２斜め水洗浄槽１６ｄの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第３縦状水洗浄槽１６ｅ、この第３縦状水洗浄槽１６ｅの下部から斜め上方向に延在形成された第３斜め水洗浄槽１６ｆ、この第３斜め水洗浄槽１６ｆの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第４縦状水洗浄槽１６ｇ、およびこの第４縦状水洗浄槽１６ｇの下部から斜め上方向に延在形成された第４斜め水洗浄槽１６ｈで形成された第３ジグザグ流通路と、前記第４斜め水洗浄槽１６ｈの下部から水特に純水を導出し、第３循環ポンプ３０により前記第１縦状水洗浄槽１６ｃ、前記第２縦状水洗浄槽１６ｃ及び前記第３縦状水洗浄槽１６ｅそれぞれの底部から前記第１斜め水洗浄槽１６ｂ、前記第２斜め水洗浄槽１６ｄ及び前記第３斜め水洗浄槽１６ｆの内部に向かって斜め方向に水特に純水を噴出させることにより、循環流を形成する水流循環路１８とを有する。前記第４斜め水洗浄槽１６ｈの上端には縦方向に延在する第３連絡路１９が取り付けられている。前記第４斜め水洗浄槽１６ｈには、第４斜め水洗浄槽１６ｈの下方に移動して来た固形粒子を第４斜め水洗浄槽１６ｈの上部から前記第３連絡路１９へ移送する第３固形粒子移送装置２０が配設される。この第３固形粒子移送装置２０は、例えばじゃま板付きのメッシュ製ベルトコンベアーで形成することができる。

前記第２連絡路１４から落下してきた固形粒子は、第３ジグザグ流通路に貯留された水特に純水に浸入すると、固形粒子が第３ジグザグ流通路を水流と共に流通していく。第３ジグザク流通路内の水流中を固形粒子が流通していくうちに、固形粒子中の硝酸等の不純物が水中に移動して不純物含有量の少ないか殆どない固形粒子が形成される。また、第３ジグザグ流通路においては、第１〜３縦状水洗浄槽１６ａ、１６ｃ、１６ｅの底部から第１〜３斜め水洗浄槽１６ｂ、１６ｄ、１６ｆの内部に向かって斜め方向に水特に純水を噴出させているので、固形粒子が第１〜３縦状水洗浄槽１６ａ、１６ｃ、１６ｅの底部に滞留し、また堆積することがない。これによって固形粒子が変形し、破損し、歪になることがなく、これによっても真球度の良好な重ウラン酸アンモニウム粒子の形成が促される。

この第３ジグザグ流通路内に貯留された水特に純水に固形粒子が浸漬している時間は、通常の場合、２０〜３４０分が好ましく、また第３ジグザグ流通路内の水特に純水の温度は、通常の場合、５０〜９０℃である。

前記アルコール浄手段１７は、前記第３連絡路１９の下方に縦長に形成された第１縦状アルコール洗浄槽１７ａ、この第１縦状アルコール洗浄槽１７ａの下部から斜め上方向に延在形成された第１斜めアルコール洗浄槽１７ｂ、この第１斜めアルコール洗浄槽１７ｂの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第２縦状アルコール洗浄槽１７ｃ、この第２縦状アルコール洗浄槽１７ｃの下部から斜め上方向に延在する第２斜めアルコール洗浄槽１７ｄ、この第２斜めアルコール洗浄槽１７ｄの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第３縦状アルコール洗浄槽１７ｅ、この第３縦状アルコール洗浄槽１７ｅの下部から斜め上方向に延在形成された第３斜めアルコール洗浄槽１７ｆ、この第３斜めアルコール洗浄槽１７ｆの上端部から下方に向かって縦方向に延在形成された第４縦状アルコール洗浄槽１７ｇ、およびこの第４縦状アルコール洗浄槽１７ｇの下部から斜め上方向に延在形成された第４斜めアルコール洗浄槽１７ｈで形成された第４ジグザグ流通路と、前記第４斜めアルコール洗浄槽１７ｈの下部からアルコール例えばエタノール、又はアルコール水溶液を導出し、第４循環ポンプ３１により前記第１縦状アルコール洗浄槽１７ｃ、前記第２縦状アルコール洗浄槽１７ｃ及び前記第３縦状アルコール洗浄槽１７ｅそれぞれの底部から前記第１斜めアルコール洗浄槽１７ｂ、前記第２斜めアルコール洗浄槽１７ｄ及び前記第３斜めアルコール洗浄槽１７ｆの内部に向かって斜め方向にアルコール又はアルコール水溶液を噴出させることにより、アルコール又はアルコール水溶液の循環流を形成するアルコール流循環路２１とを有する。前記第４斜めアルコール洗浄槽１７ｈの上端には縦方向に延在する第４連絡路２２が取り付けられている。前記第４斜めアルコール洗浄槽１７ｈには、第４斜めアルコール洗浄槽１７ｈの下方に移動して来た固形粒子を第４斜めアルコール洗浄槽１７ｈの上部から前記第４連絡路２２へ移送する第４固形粒子移送装置２３が配設される。この第４固形粒子移送装置２３は、例えばじゃま板付きのメッシュ製ベルトコンベアーで形成することができる。

前記第３連絡路１９から落下してきた固形粒子は、第４ジグザグ流通路に貯留されたアルコール又はアルコール水溶液に浸入すると、固形粒子が第４ジグザグ流通路をアルコール流と共に流通していく。第４ジグザク流通路内のアルコール又はアルコール水溶液中を固形粒子が流通していくうちに、固形粒子に含まれる水がアルコール又はアルコール水溶液に移動して水含有量の少ないか殆どない固形粒子が形成される。また、第４ジグザグ流通路においては、第１〜３縦状アルコール洗浄槽１７ａ、１７ｃ、１７ｅの底部から第１〜３斜めアルコール洗浄槽１７ｂ、１７ｄ、１７ｆの内部に向かって斜め方向にアルコール又はアルコール水溶液を噴出させているので、固形粒子が第１〜３縦状アルコール洗浄槽１７ａ、１７ｃ、１７ｅの底部に滞留し、また堆積することがない。これによって固形粒子が変形し、破損し、歪になることがなく、これによっても真球度の良好な重ウラン酸アンモニウム粒子の形成が促される。

この第４ジグザグ流通路内に貯留されたアルコールとしてはメタノール又はエタノールを挙げることができる。アルコールとしてアルコール水溶液を採用する場合、メタノール水溶液が好ましい。アルコール水溶液におけるアルコール濃度は適宜に決定される。第４ジグザグ流通路内に貯留されるアルコール又はアルコール水溶液の温度は、通常、室温である。

第４ジグザグ流通路を流通していく固形粒子は、前記第４固形粒子移送装置２３により、第４連絡路２２を通じて、乾燥手段Ｃに、供給される。

乾燥手段Ｃは、第４連絡路２２の下端部下方に水平に配置された第５固形粒子移送装置９と温風送風機（図示せず。）とを備える。この第５固形粒子移送装置９は、例えば、第４連絡路２２から落下して来る固形粒子を受け取り、受け取った固形粒子を一方向に搬送し、排出口１０から固形粒子を排出することができるような、例えばコンベアを有して形成される。前記コンベア上に落下して来る固形粒子を衝撃なくコンベア上に受けるために、コンベアの表面に緩衝部材が配置されているのが、良い。また、コンベア上に移送された固形粒子が、他の部位に落下しないように、枠体がコンベア上に形成されていることも、好ましい。前記温風送風機は、コンベアで移送される固形粒子に所定温度のエアーを吹き付けることができるように、形成される。送風されるエアーの温度は適宜に決定される。

上記構造を有する連続製造装置においては、固形粒子が、反応手段Ａにおける固形粒子生成槽３から熟成手段８へ、ついで洗浄手段Ｂにおける水洗浄手段１６からアルコール洗浄手段１７へ、そして最後に乾燥手段Ｃへと、連続的に移送されていくので、ウランを含んだ固形粒子が大量に滞留することがない。したがって、この連続製造装置により大量の、重ウラン酸アンモニウムの固形粒子を製造することができる。

そして、更に大量の重ウラン酸アンモニウムの固形粒子を製造しようとする場合には、
この連続製造装置全体を形状制限にすることが求められる。定量的には一義的に定義できないが、流路に対する直角断面の形状を例えば縦長の長方形とすれば、上述したようにウラン濃度が１０質量％以下であるときには前記長方形の厚みを８．３ｃｍ以下にし、また、ウラン濃度が２０質量％以下であるときには前記長方形の厚みを６．７ｃｍ以下にすると形状制限を実現することができる。このような形状制限に連続製造装置全体を構成すると、図１（ｂ）に示されるように、厚みの薄い連続製造装置とすることができる。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示される連続製造装置を横方向から見た形状を示す。図１（ａ）及び図１（ｂ）に示される薄い連続製造装置の場合、図１（ａ）において、中性子吸収材例えばホウ素含有部材で形成された背面板と正面板とで挟んだ構造とするのが良い。また、ウランを含有する固形粒子が移動して行くジグザグ流通路等の移動通路を構成する床面、側壁面、天井面等の面を中性子吸収材を有する部材で形成することにより、臨界状態を回避して大量の固形粒子を流通させることができ、重ウラン酸アンモニウムの固形粒子の大量生産をすることができる。

図１は、本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置の一例を示し、（ａ）は正面から見た説明図であり、（ｂ）は側面から見た説明図である。

符号の説明

Ａ 反応手段
Ｂ 洗浄手段
Ｃ 乾燥手段
１ 原液滴下装置
２ 液滴
３ 固形粒子生成槽
３ａ 第１縦状生成槽
３ｂ 第１斜め生成槽
３ｃ 第２縦状生成槽
３ｄ 第２斜め生成槽
３ｅ 第３縦状生成槽
３ｆ 第３斜め生成槽
３ｇ 第４縦状生成槽
３ｈ 第４斜め生成槽
４ 第１固形粒子移送装置
５ 第１循環ポンプ
５ａ 第１アンモニア水溶液循環路
６ 固形粒子形成手段
７ 第１連絡路
８ 熟成手段
８ａ 第１縦状熟成槽
８ｂ 第１斜め熟成槽
８ｃ 第２縦状熟成槽
８ｄ 第２斜め熟成槽
８ｅ 第３縦状熟成槽
８ｆ 第３斜め熟成槽
８ｇ 第４縦状熟成槽
８ｈ 第４斜め熟成槽
９ 第５固形粒子移送装置
１０ 排出口
１２ 第２循環ポンプ
１３ 第２アンモニア水溶液循環路
１４ 第２連絡路
１５ 第２固形粒子移送装置
１６ 水洗浄手段
１６ａ 第１縦状水洗浄槽
１６ｂ 第１斜め水洗浄槽
１６ｃ 第２縦状水洗浄槽
１６ｄ 第２斜め水洗浄槽
１６ｅ 第３縦状水洗浄槽
１６ｆ 第３斜め水洗浄槽
１６ｇ 第４縦状水洗浄槽
１６ｈ 第４斜め水洗浄槽
１７ アルコール洗浄手段
１７ａ 第１縦状アルコール洗浄槽
１７ｂ 第１斜めアルコール洗浄槽
１７ｃ 第２縦状アルコール洗浄槽
１７ｄ 第２斜めアルコール洗浄槽
１７ｅ 第３縦状アルコール洗浄槽
１７ｆ 第３斜めアルコール洗浄槽
１７ｇ 第４縦状アルコール洗浄槽
１７ｈ 第４斜めアルコール洗浄槽
１８ 水流循環路
１９ 第３連絡路
２０ 第３固形粒子移送装置
２１ アルコール流循環路
２２ 第４連絡路
２３ 第４固形粒子移送装置
３０ 第３循環ポンプ
３１ 第４循環ポンプ

Claims (5)

1. 原液滴下装置から滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴を、一方向に流動するアンモニア水溶液に浸漬することにより固形粒子を形成し、流動する前記アンモニア水溶液と共に前記固形粒子が一方向に移動する第一工程と、
   前記第一工程で形成され、かつ前記第一工程から連続的に送り込まれて来る前記固形粒子を、一方向に流動する洗浄液で洗浄し、前記固形粒子が流動する前記洗浄液と共に流通する洗浄工程、及び、前記洗浄工程から連続的に送り込まれて来る洗浄後の固形粒子を一方向に搬送しつつ乾燥する乾燥工程を連続的に行う第二工程とを有する重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法。
2. 前記第一工程が、前記固形粒子をアンモニア水溶液に接触させることにより固形粒子の中心部にまで重ウラン酸アンモニウムにする熟成工程を含む請求項１に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子の連続製造方法。
3. 原液滴下装置から滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴を、一方向に流動するアンモニア水溶液に浸漬することにより固形粒子を形成し、流動する前記アンモニア水溶液と共に前記固形粒子が一方向に移動する反応手段と、前記反応手段で形成され、かつ前記反応手段から連続的に送り込まれて来る固形粒子を、一方向に流動する洗浄液で洗浄し、前記固形粒子が流動する前記洗浄液と共に流動する洗浄手段と、前記洗浄手段から連続的に送り込まれて来る洗浄後の固形粒子を一方向に搬送しつつ乾燥する乾燥手段とを備えることを特徴とする重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置。
4. 反応手段、洗浄手段、および乾燥手段は、固形粒子を通過させる部位における隔壁および/またはウラン元素存在帯域内に中性子吸収材を配した請求項３に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置。
5. 反応手段、洗浄手段、および乾燥手段は、それら各手段中の装置形状を核燃料物質の臨界安全管理上の形状制限範囲内とする請求項３又は４に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子連続製造装置。

Images