JP5548689B2 - 核燃料の被覆管除去方法と被覆管変形による破砕装置 - Google Patents

Description

本発明の主題は、核燃料の被覆管からの除去方法と、被覆管を変形することによる、圧縮状態の燃料の破砕装置である。

核燃料の処理または再利用は、一般に、被覆管の除去を含み、除去により放出された燃料および≪ハル≫として知られる除去された被覆管の一部に留まり残る燃料の硝酸への溶解を可能とする。

非放射MOX、RNRまたはLWR燃料の被覆管に関しては、事前に、被覆管の燃料内容物を空にして被覆管と燃料とを分離することが望ましいが、これは、燃料のハルつきでの溶解が容易ではなく、また、酸の作用に対する表面面積を増して溶解処理を向上するために、ペレット形態の燃料が溶解処理前に破砕される必要があるためである。

従来の核燃料の被覆管除去の一手法は、ツールで被覆管を開き、続いて燃料が抜け出すことができるように被覆管を傾けることを含む。しかしながら、多くの場合において、特に、核燃料が被覆と被覆除去との間に膨張して、または、核燃料が欠けて脱落した欠片が被覆管内でペレットを詰まらせて、核燃料と被覆管とにほとんど隙間がない場合（約0.2mm未満）、問題が生じる。この結果、ペレットは、被覆管を傾けても放出できなくなる。

他の被覆管除去方法が、特許されている。特許文献１（特許文献２の要約で利用可）、特許文献２、特許文献３、または特許文献４が該当する。それらの幾つかは、接触圧力を生じるために、ローラーを用いて被覆管に塑性変形を与え、その厚みを低減し、その直径を相関的に増加するために、被覆管材料の破砕をもたらす。これらの特許によれば、圧縮状態の燃料の隙間が増え、これにより燃料の放出が可能となる。しかしながら、これらの方法は、第一に、被覆管内での圧縮状態のペレットの隣接した存在に依存し、第二に、被覆管の厚みを低減するために要求される回転圧力作用下での、ペレットの圧縮状態（完全なペレット）の維持に依存する。従って、これらの方法は、直径が不均一な、および／または被覆時に欠片となった脆弱なペレットの存在下では不十分であり、これにより、これらの点での低減された被覆管の厚みの崩壊または破損と、従って被覆管の直径の期待された増加の停止と、不規則な被覆管形状とにつながり、これにより、詰まりが原因で、燃料放出のさらなる障害となる。

これらの方法を正しく行うための他の重要な条件は、燃料の放出を可能とする、被覆管を開けるための切断が、この開口部で回転圧力がペレットの放出を妨げる径の縮小を生じないために、第一の燃料ペレットに水平に行われる必要があることである。この縮小は、開口部と燃料の端部との間の距離が、0.5または1mmに過ぎなくても、確認されている。この開口部は、一般に、燃料から、接触した際に切断ツールを損傷する可能性のある距離を隔てて作られ、いずれにせよ、燃料の端部は、決定するのが困難である。従って、縮小が生じ、これが燃料の取り出しを妨げる。

特許文献５は、極めて接近して横たわるローラー対の間の燃料被覆管の通過と、これによる、燃料破砕のための被覆管の非常に強い楕円変形、すなわち、標準形状のペレットに分割される圧縮状態から、ペレットが小片または粉末に崩れた崩壊状態へ変えるための楕円変形の発生を記載している。この手法の一つの欠点は、最後のローラー対により生じる楕円変形が決定的であり、従って、崩壊が不十分である場合に、燃料の放出を危うくする可能性があることである。

本発明は、被覆管の変形を伴う核燃料の被覆管除去方法を改善することであり、変形の程度は、初期圧縮状態の燃料を破砕するのに十分なものである。本発明の特徴は、被覆管の部位の変形が確定的でなく、反対に、被覆管の元の円形が、少なくともかなりの程度で回復されるように、最終ステップで変形が低減されることにある（処理後の被覆管の直径の変化は、0.05mm以下）。この２つの創意工夫は、燃料除去が従来方法に比べて大いに改善されていることを保証するのに役立つ。

従って、本発明の一面は、円形被覆管からの核燃料の除去方法であって、前記燃料は圧縮状態にあり、前記被覆管の塑性変形を伴う多数の周期に亘る繰り返し実施される楕円変形により前記被覆管を変形させる装置への前記被覆管の挿入から成るステップを含み、前記多数の周期に亘る前記被覆管の楕円変形により、前記燃料を破砕して、その後前記被覆管を元の円形に修復するように、前記楕円変形の変形の程度が、ある周期から他の周期で次第に強くなり、続いて次第に弱まること、を特徴とすることである。

楕円変形は、平坦化により、当初円形の部位を楕円形に変形することである。楕円変形の周期は、（一定回転下にある）被覆管の半回転に相当し、ローラーにより変形される被覆管の部位の各点は、一周期に亘るローラーにより作られる規定の楕円形の最大径および最小径となる。強い程度の楕円変形は、被覆管の部位のより強い平坦化に相当する。次第に程度が強くなる楕円変形は、被覆管の同一部位が、ローラー間を進む際に、ある周期から他の周期で次第により強く平坦化されることに相当し、相互に次第に程度が弱まる楕円変形は、ある周期から他の周期で次第により弱く平坦化されることに相当する。一周期内での最大楕円変形は、部位の一点が、楕円形の最大径または最小径を経ることとして規定可能である。楕円変形は、楕円形の最大径と最小径との間、あるいは、これらの径の一つと変形前の円形の元の径との間の差異または比を表す、どのような尺度を用いても、測定可能である。

楕円変形は、良好な破砕を保証するため、燃料を破砕するのに十分な力で、少なくとも40周期に亘って行われることが好ましい。

楕円変形は、圧縮状態のペレットの直径と比べた場合、燃料径で少なくとも3%の低減を可能にする程度で行われ得る。

本発明は、また、本手法を実施可能な、核燃料被覆管の変形を行う装置にも関する。装置は、その間を被覆管が通過する対向ローラー一対と、ローラーを回転するモータとを含む。ローラーは、誘導部位および導出部位を備えた周辺端部を含み、これら2つの部位双方はローラーの中央部に向かって延びることを特徴とするとともに、ローラーは、装置を通る被覆管の進行方向に基本的に平行な回転軸を有し、ローラーの端部の前記部位全ては、被覆管の変形に寄与することを特徴とする。このローラー構造は、被覆管の十分な変形を次第に強く行って燃料を破砕し、続いて、変形を次第に弱くして、被覆管を元の円形に修復する。

本発明のローラーの特徴的な形状は、中央部が厚く、端部が先細り、従って凸状であり、本発明のローラーとは異なり、被覆管方向と垂直な軸を有する、特許文献５のローラーの凹形状とは区別される。

誘導部位および導出部位は、被覆管への２つ続く楕円変形を課すのに十分な幅と厚みであり、単に端部であり圧力を与えないローラーの端面とは区別される。

中央部は、十分な数の楕円変形に亘り最大の変形を行うために、円筒形であることが有利である。従って、しばしば相当に幅広い部位である。

他の改良によれば、装置を通る被覆管の進行方向に基本的に平行な回転軸のローラーは、前記方向に対して傾くとはいえ、傾斜角度は、その方向に対して、場合により2°以下である。ローラーによる変形は、被覆管の回転のみを伴うものではなく、被覆管の各部位がローラー間の隙間を通過する前に所望の楕円変形数が可能な、十分に遅い速度での進行をも伴う。

装置は、水平方向で（装置の組立状態で）傾く被覆管ガイドを含み、破砕時に燃料を被覆管から除去可能とする利点がある。長さの長い被覆管でも、効果的な燃料除去が良好に保証される。

本発明は、図面に関連して説明される。

装置の斜視図である。 装置の側面図である。 装置の俯瞰図である。 楕円変形を図示する。 全楕円変形サイクルを図示する。

装置は、ギア付きモータ２と一対の対向ローラー３とが取り付けられたフレームを含む。各ローラーは、一対のベアリング５で回転し、一端にピニオン６が備えられた各シャフト４に配置される。ギアつきモータ２も、外部ピニオン７を含む。チェーン８が２つのピニオン６とピニオン７との間に張られ、各シャフト４および各ローラー３に、同等の回転を同じ方向で課す。各ローラー３は、その各端部９に、誘導部位１０（被覆管１６が最初に到達）、中央部位１１、および導出部位１２（これを介して被覆管がローラー３を離れる）を含み、これらは直径の変化なく互いにつながり、誘導部位１０および導出部位１２は、中央部位１１に対して扇形に広がり、従ってこれはローラー３の最も幅広部を形成する（これらの円錐形状は、図３の図では誇張されている）。二対のベアリング５は、各調整ネジ１４によりフレームに連結された各台１３に取り付けられており、その回転が台１３の間の距離とローラー３の間の隙間の変化とを可能とするように、配列されている。最後に、装置は、さらに、核燃料を収容するとともに、本被覆管除去方法を適用するために、被覆管１６の一端が切断される他のプロセスを用いて事前に切断された、被覆管１６を受け支えるために、台１３の間のフレーム１に取り付けられた、被覆管ガイド１５を含む。被覆管ガイド１５の開口部１７は、装置において被覆管１６の挿入を可能とする。

被覆管１６のある切断プロセスは、開口部での縮小をもたらす可能性があり、これが燃料取り出しを妨げる可能性があるが、この部分は被覆管１６の端部のフライス加工により、除去可能であることに留意されたい。

装置は、以下のように動作する。ギア付きモータ２が作動を開始し、被覆管１６が、開口部１７を通じて、被覆管ガイド１５に挿入される。被覆管は、被覆管１６の直径に応じて間隔が選択されたローラー３間に挟まれ、誘導部位１０により徐々に変形され、中央部位１１により変形が維持され、続いて導出部位１２を介して修復された円形で放出される。被覆管１６の周期的な楕円変形が生じ、被覆管１６が誘導部位１０、中央部位１１、そして導出部位１２を通過する際に、楕円変形の程度はまず強くなり、続いて安定し、続いて弱くなり、装置を離れる際の被覆管の修復された円形を損なうことなく、圧縮燃料を破砕する。

図4および５に対して、説明を行う。被覆管１６の各部分は、被覆管の変形を生じるローラー３の間を通過した際、長円、略楕円形状であるとする。楕円形状の最大半径をＲ、最小半径をｒとし、これは、被覆管の対象部分でのローラー３の間の距離に依存する。被覆管の任意の点Ｃは、半径ｒ_ｘである。図５は、被覆管１６が回転しながらローラー３の間を進む場合の、点Ｃの半径ｒ_ｘの時間的な変化を示す。非変形状態における被覆管１６の半径ｒ_０に対応する平坦部分から、曲線は、誘導部位１０を通る第一のステップで漸増振動を描き（考慮する点Ｃが属する被覆管の該当部分の通過に対応）、続いて、該当部分が中央部位１１を通過する際は等しい振動を描き、続いて、導出部位１２を通過する際は漸減振動を描き、該当部分がローラー３を離れる際は、点Ｃの半径は、再びｒ_０に近い安定値になり、ほぼ円形に修復される。曲線の上側の包絡線は最大半径Ｒを、下側の包絡線は最小半径ｒを通過する。楕円変形の周期Ｚは、被覆管１６の半回転および点Ｃの最大半径Ｒから最小半径ｒへの転換、または図５における曲線の完全な振動に対応する。この曲線は、被覆管１６の全部分の全点で連続して観察される。周期Ｚで達する楕円変形は、例えば、楕円形が最小半径である点での、円形の元の半径ｒ_０の減少、すなわち（ｒ_０−ｒ）／ｒ_０として規定可能であり、楕円変形０が円形に対応し、大きい楕円変形は非常に平坦化された形に対応する。

各ローラー３の軸は、基本的に被覆管１６の進行方向と平行である。しかしながら、被覆管が被覆管ガイド１５の配列により規定される進行路に挿入された際、各ローラーの軸は、被覆管１６の進行方向に対して傾斜し、一方が被覆管１６の前面に対して、他方が後面に対して傾斜し、各ローラー３は被覆管を直接前進させる並進運動を行い、これにより、ローラー３の間に被覆管１６を進行させる。これらの傾斜角度を、図３に示す。同様に（図２参照）、ローラーの各軸ＸおよびＸ´は、ローラー３の中央を通過し被覆管１６に平行な平面に対して、反対の角度＋Ｂおよび−Ｂを成す。

フレームが水平からある角度にある場合、またはより一般的に、被覆管１６が開口部１７をある角度で通過して被覆管挿入開口部１７が被覆管を下方に向ける場合、破砕された燃料は被覆管１６から直ちに放出され、下方のホッパー（図示せず）に落下する。

より具体的な情報を用いて、通常状態での本発明の説明を行う。被覆管１６は、約300rpmで回転を始める。ローラーの中央部位１１による楕円変形は、被覆管１６の外径の5%から15%の低減を生じ、この楕円変形値で最も狭まる点で被覆管１６の内径が燃料の直径より約0.3から0.6mm小さい場合、効果的な破砕を生じ、被覆管１６を最後に円形に修復することが可能である。ローラー３の回転軸の傾斜角度±Ｂは、略1から2°であってもよい。この小さい角度と、中央部位１１の十分な幅とで、各角度点Ｃで２０回転、すなわち、総計４０回nに亘る楕円変形で、被覆管の各部位とその内容物の最大の楕円変形を行うことができる。この値は、標準的で十分に細かい燃料の破砕を提供できる。被覆管ガイド１５の傾斜角度は、水平に対して15°から90°の間であってもよい（図２の角度Ａ）。中央部位１１の幅は、略10mmであってもよい。誘導部位１０は、過度の引き込みなしに、被覆管１６を次第に変形する効果を有し、導出部位１２は、弱い塑性変形を次第に働かせる特性を有し、被覆管が元の円形に次第に修復される。

上述したパラメータで、直径7.2mmで長さ10.1mmの非照射酸化ウランペレットが詰まった被覆管に対して、本装置で得られた、崩壊され粉末となった燃料ペレットに対し、下記粒子サイズの分布が確認された。

HU-A-48046 XP 002 469 759 EP-A-0 169 129 FR-A-1 452 479 JP-A-63 182 559

Claims (8)

1. 円形被覆管からの核燃料の除去方法であって、
   前記燃料は圧縮状態にあり、
   前記被覆管の塑性変形を伴う多数の周期に亘る繰り返し実施される楕円変形により前記被覆管を変形させる装置への前記被覆管の挿入から成るステップを含み、
   前記多数の周期に亘る前記被覆管の楕円変形により、前記燃料を破砕して、その後前記被覆管を元の円形に修復するように、前記楕円変形の変形の程度が、ある周期から他の周期で次第に強くなり、続いて次第に弱まること、
   を特徴とする。
2. 前記燃料が、少なくとも40周期に亘り、破砕されること、
   を特徴とする請求項１に記載の核燃料の被覆管除去方法。
3. 前記楕円変形が、圧縮状態での前記燃料の直径を少なくとも3%低減させること、
   を特徴とする請求項１または２に記載の核燃料の被覆管除去方法。
4. 燃料被覆管（１６）の変形を行う装置であって、対向するローラー（３）一対と、前記ローラーを回転するモータ（２）とを含み、
   前記ローラーは、誘導部位（１０）と、中央部位（１１）と、導出部位（１２）とを備えた周辺端部（９）を含み、前記誘導部位（１０）および前記導出部位（１２）は、前記ローラーの前記中央部位（１１）が前記誘導部位（１０）と前記導出部位（１２）との間に位置するように前記中央部位（１１）に接するとともに、前記ローラーにおける前記誘導部位（１０）の直径は、前記中央部位（１１）と接する側の直径よりも前記中央部位（１１）と接する側とは反対側の直径が小さく形成され、前記ローラーにおける前記導出部位（１２）の直径は、前記中央部位（１１）と接する側の直径よりも前記中央部位（１１）と接する側とは反対側の直径が小さく形成され、前記ローラーは、前記装置を通る前記被覆管の進行方向に基本的に平行で、該進行方向に対して傾斜可能な回転軸を有し、前記ローラーの前記周辺端部（９）の前記誘導部位（１０）、前記中央部位（１１）、前記導出部位（１２）全ては、前記被覆管の変形に寄与すること、を特徴とする。
5. 前記中央部位が円筒形であること、
   を特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記被覆管の進行方向に基本的に平行な前記ローラーの前記回転軸が、前記被覆管の挿入時に、前記被覆管の進行方向に対して傾くこと、
   を特徴とする請求項４または５に記載の装置。
7. 前記各ローラーが、前記方向に対して、わずか2°しか傾かないこと、
   を特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 装置が、水平方向に対して傾く被覆管ガイドを含むこと、
   を特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の装置。