JPS5843714B2 - タンシツカクネンリヨウタイ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、炭質核燃料体に関し、さらに詳細には、複数
の離散核燃料体を含んでいる核燃料要素、特に高温ガス
冷却形原子炉に使用するようにした燃料要素を製造する
方法に関する。

米国特許第３２７４０６８号および同第 ３４１３１９６号は、高温ガス冷却形原子炉に使用する
のに適する燃料要素の異なった設計を示しており、超耐
熱性材料（通常は、緻密なグラファイト）のブロックか
らつくられた燃料要素を使用し、これには核分裂性およ
び／または親核燃料材料を含んでいる複数の燃料チャン
バがある。

後者の特許は、大きな六角形のブロック、たとえば高さ
１５〜１６インチ（３８，１〜４０．６ＣｒＩＬ）で平
面の直径が約１４インチ（３５，６ｃｒｒＬ）の寸法の
燃料要素を示している。

これらの六角形の燃料要素のそれぞれは、たとえば、約
９０の冷却材の孔と２４０の燃料チャンバを含み得て、
燃料チャンバの直径は、１／２〜３／４インチ（１，２
７〜１．９１インチ）である。

このような燃料チャンバは、被覆された核燃料粒子の充
填されたベッドで満たされるか被覆された燃料粒子と炭
素マトリックス材料（たとえばコールタールピッチ）と
の混合物からなるペーストで満たされるかあるいは燃料
チャンバと適合する個々の燃料コンパクトすなわちボデ
ーで満たされている。

この通常形式の核燃料体を製造する一つの方法は、米国
特許第３５５８７５０号明細書に示されており、ここで
は、型キャビティが、核燃料の被覆粒子で満たされ、次
に炭質結合材料の成形混合物が加圧下で型キャビティに
注入される。

成形混合物は、適当な有機ポリマー樹脂、たとえばフェ
ノールホルムアルデヒド樹脂を、充填材たとえばグラフ
ァイトまたは木炭粉末と共に含み得る。

これら燃料要素に使用される燃料体は被覆粒子内の核分
裂生成物の良好な保持と、燃料体に対し熱交換関係で通
る冷却材流への外方向・＼の核分裂の熱の良好な熱伝達
との両者を与えることが重要であると考えられる。

これら燃料要素特性の改良が常に求められている。

本発明の目的は、微粒核燃料材料を含んでいる炭質燃料
体を製造するための改良された成形混合物を提供するこ
とである。

本発明のもう１つの目的は、良好な伝熱および核分裂生
成物の良好な保持を発揮するチャンバ内に配置された複
数の核燃料要素を製造するための方法を提供することで
ある 本発明のもう一つの目的は、被覆核燃料粒子を有した、
グリーン核燃料体の配合のための成形混合物を提供する
ことであり、これは核燃料要素チャンバ内の原位置で燃
やされ得て改良された作業特性を有する燃料要素を与え
る。

さらにもう一つの目的は、被覆核燃料粒子を含んでいる
グリーン燃料体を成形する方法を提供することであり、
このグリーン体は燃料要素チャンバ内の原位置で燃焼す
るのに好適であって、向上した原子炉性能を有する炭質
核燃料を与える。

成形混合物が製造され、これは被覆核燃料粒子と組合さ
れたとき、燃料体を製造するのに使用され得、この燃料
体は高温原子炉に使用するのに好適であることが明らか
とされた。

ピッチおよび微細炭素材料、たとえばグラファイト粉末
、からなる通常の成分に加え、コークス減少添加剤（ｃ
ｏｋｅ−ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｖｅ）があり
、コークス減少添加剤は、これとピッチとの終局的な分
解と炭化とにより、約２５％Ｗよりは多くない残留物を
残す（成形された初期材料の重さから燃料粒子と微粒炭
素を除いたものに基づく）。

コークス減少添加剤は、３つの種類の有機材料から選択
される。

第１のクラスの材料は、分子量約５００〜１，０００，
０００を有するスチレン−ブタジェンコポリマーおよび
ポリスチレンがあり、この種類はコークス生成量の独自
的制御が可能であるばかりでなく、広い温度幅にわたっ
てばらつきのない粘度を確立することが可能なため）好
ましい。

適当なスチレン−ブタジェンコポリマーはモル比１０：
１〜１：１のモノマーを含んでいる。

第２の種類は、分子量７５〜３００の芳香族化合物（好
ましくは炭化水素）であり、たとえば樟脳、ナフタレン
、アントラセン、フェナントレンおよびジメチルテレフ
タレートなどの化合物が上げられる。

これら化合物の１種以上の混合物も使用され得る。

材料の第３の種類は、分子量約５，０００〜１，０００
，０００の飽和炭化水素ポリマーであり、およびポリプ
ロピレンおよびこれらの混合物である。

従って本発明は、核燃料要素製造用の核燃料粒子・＼加
えるための微粒炭素とピッチとを含んでいる改良された
成形混合物を提供することであり、得られる燃料体の最
終的コークス生成量を減少させるのに効果的なコークス
減少添加剤の組込みを含んでおり、該添加剤が（ｉ）分
子量約５００〜１．０００，０００のポリスチレンおよ
びスチレン−ブタジェンコポリマー、（１１）分子量７
５〜３００の芳香族化合物および１ｉｉ）分子量約５，
０００〜１．０００，０００の飽和炭化水素ポリマー、
からなる群から選択されることを特徴としている。

本発明は、熱分解炭素などの外側被膜を有する核燃料粒
子に使用するために特に有利であると考えられる。

さらに詳細には、本発明は、グリーン燃料棒の成形のた
めに設計されたものであり、グリーン燃料棒は、型から
除去された後、耐火材料燃料要素の燃料チャンバ内の原
位置で燃焼させられる。

燃料棒と、燃料チャンバの内面との間に単に小さなギャ
ップを設けて、燃料から冷却材流（この流れは燃料要素
ブロック内の冷却材通路を通るかまたはブロックの外面
の直ぐ外側を流れる）へ向う伝熱を最少限度とすること
によって燃料温度を可能な限り低く保つことが好ましい
。

しかしながら外側燃料棒寸法が燃料チャンバの内部寸法
に近ずくと、両者の間に局所的結合が起こる傾向が増大
する。

また燃料棒と、燃料要素チャンバの内壁との間に結合を
起こさせることは好ましくない。

成形組成物中へのレリース剤（ｒｅｌｅａｓｅａｇｅｎ
ｔ）の組込みによる燃料燃料棒のコークス生成を減少さ
せることにより、燃焼中に起こるこのような結合はかな
り減少させられる。

適当なレリース剤は、炭素鎖長１２〜３０のアルコール
（飽和または不飽和のもの）、炭素鎖長１２〜３０の脂
肪酸（飽和または不飽和のもの）炭素鎖長１２〜３０の
第一アミン（飽和および不飽和のもの）および分子量範
囲３５０〜１４００の石油から得られる飽和炭化水素で
ある。

しＩＪ−ス剤がアミンの場合、アミンは、好ましくは、
炭素原子１２〜２６を有する。

さらに好ましくは、アルコール、脂肪酸およびアミンは
１２〜２０個の炭素原子を有する。

適当なレリース剤の例は、１−オクタデカノール、１−
ヘキサデカノール、オレイン酸、ステアリン酸、１−オ
クタデシルアミンおよび石油およびこれらの混合物であ
る。

多分最も重要なことは、照射中の燃焼燃料棒の性能であ
る。

減少されたコークス生成は、燃料粒子被膜と、マトリッ
クスとの間の実質的に弱い結合をもたらし、放射下のマ
トリックス材料の終局的な収縮が起こったとき燃料粒子
被膜の応力の発生および潜在的亀裂を避ける。

さらに詳細には、主に問題になる燃料要素は、無数の微
粒子（それぞれは、現在公知のそれ自身核分裂生成物保
持外側被膜を有している）を使用する燃料要素である。

適当な大きさの被覆燃料粒子が使用され得る；しかしな
がら、好ましくは、２５０５０ミフロン〜１，００クロ
ンの範囲にある燃料粒子が通常、使用される。

燃料粒子被覆は、熱分解炭素および超耐熱カーバイドた
とえば炭化珪素および炭化ジルコニウムの一連の個々の
被膜からなり得て、全体が、微小圧力容器として働らき
燃料寿命を通じて起こる核分裂反応中に生成するガス状
核分裂生成物の蓄積を収容するであろう。

使用される微粒炭素は、活性炭素、木炭またはカーボン
ブラックでもよいが、好ましくは、グラファイト粉末が
使用される。

通常、微粒炭素は、成形混合物の２０〜５０％からなり
、通常、大きさは４５ミクロンよりは小さいであろう。

通常、４０ミクロンより小さな大きさのグラファイト粉
末が使用される。

使用されるピッチは、石炭、石油および木材の分解蒸留
から得られる残留物であってもよい。

通常、使用サレルヒッチハ、３０００Ｆ（１４９°Ｃ）
よりは低い軟化点で、インストロン細管流動計で測定し
た粘度が、剪断速度１００ｓｅｃ−’ １７５０Ｃで
、１００ポアズ〜１０００ポアズである。

通常ピッチは、成形混合物の２０〜７５％ｗ、好ましく
は、３０〜５０饅Ｗである。

通常、レリース剤２〜３０％Ｗ（好ましくは５〜１０φ
）が使用され、これは、グリーン体がつくられる型から
のグリーン体の除去を使用し、かつ燃焼中の燃料チャン
バの内部への燃料棒の結合傾向をかなり減少させる。

前記したように、超耐熱材料の多孔性ブロック内の原位
置でグリーン燃料棒を燃焼させることを意図している。

通常、ブロックは、原子炉の意図される作業高温条件で
構造強度と寸法安定性とを保ち、比較的良好な熱伝達性
を有し、かつ中性子減速特性と、低中性子捕獲断面積を
有している適当な超耐熱材料からつくられている。

好ましくは、稠密グラファイトが用いられる。

密度的１．７ｇ／ｄ〜１．９，９／ｉの商業的に入手可
能な人工グラファイトが、グリーン燃料棒の原位置炭化
を使用する燃料要素製造に適すると考えられる。

ピットとコークス減少添加剤との組合せは、成形混合物
に対し重要である。

ピッチは、グリーン燃料棒に必要な結合強度と寸法安定
性とを与える；しかしながら、もしピッチだけが使用さ
れたなら、個々の燃料粒子被膜とマトリックスとの間に
形成される結合がたびたび強すぎることが確認された。

このような強い結合は、原子炉の炉心での照射中に起こ
るマトリックスの収縮からくる燃料粒子被膜中の好まし
くない応力の発生をもたらし得る。

コークス減少添加剤を加えることは、燃料粒子被膜とマ
トリックスとの間の結合を弱める効果を有するのでマト
リックスの照射収縮が起こったとき、同様な大きさの応
力は燃料粒子被膜には生じない。

代りに、マトリックスと被膜との間の結合の断絶が生ず
る。

加えて、コークス減少添加剤の添加は、原位置燃焼の間
燃料孔の壁と燃料棒との間の再現性がありかつかなり小
さなギャップの形成を確実にする効果を有する。

ピッチの性質は、いくらかの膨張がグリーン燃料棒の初
期燃焼中に起こり燃料体を生じ、高温が達成されると、
燃料孔壁からいくらか収縮し去る性質を有している。

コークス減少添加剤を含まないと、燃料棒の外面と、燃
料チャンバの内壁との間の最終ギャップは、グリーン燃
料と、チャンバ壁との間の初期ギャップの約７５係とな
ろう。

しかしながら、コークス減少添加剤の添加は、添加しな
いときよりは少なくかつ再現可能な収縮をもたらし、こ
の結果、燃料棒の外面と燃料チャンバ壁の内面との間の
最終ギャップが、グリーン燃料棒と、チャンバ壁との間
のギャップの２５俤までに保たれることが明らかとされ
た。

コークス減少添加剤の使用は、燃料棒とチャンバ壁との
間に好ましくない結合を生ずることなく一定したベース
で最終ギャップを狭くすることを可能ならしめる。

この好ましい効果を得るためには、コークス減少添加剤
は、好ましくは、５〜５０φＷの量で成形混合物中に含
有させる。

さらに、ピッチの効果と、コークス減少添加剤の効果と
の相互関係のために、コークス減少添加剤は。

ピッチの８〜２００％ｗの量で混合物中に与えられる。

通常は、型は被覆燃料粒子で満たされ、次に、これに成
型混合物が注入される。

この場合、成形混合物の粘度は、かなり重要であり、ポ
リスチレンまたはスチレン−ブタジェンコポリマーの使
用によって与えられる制御はかなり有利である。

別法として、成形混合物が製造され、前もって適轟に粉
砕され、次に被覆燃料粒子と、成形混合物とからなる混
合物がつくられて成形組成物ができ上る。

いずれの場合も、成形混和物が適当な温度まで加熱され
て流体となる。

この温度は使用されるピッチの性質によって、通常、定
められる。

通常、成形温度は、約１００〜３００℃の範囲であろう
。

混和物が使用されるのなら、混和物は、適当な圧力の下
に型の中で圧縮され型が満たされるのを確実にする。

型は、通常、適轟な、強力な、金属製材料、たとえばス
テンレス鋼、からつくられている。

以下の例によって本発明をさらに説明する。

例１ 成形混合物６０ＣＢｌｉ’バツチを石炭タールピッチ（
Ａｓｈｌａｎｄ Ｏｉ Ｉ ＡＡ ２４０ ） ４５％
ｗ ：グラファイト粉末３０φＷ；レリース剤としての
オクタデカノール５ ％ ｗ ：およびコークス減少剤
としての樟脳２０％ｗから製造する。

グラファイト粉は、粒子寸法０．４ミクロン〜４０ミク
ロンである。

混合物を、シグマブレードミキサーで３０分間、２００
℃、混合速度約１０Ｏｒ、ｐ、ｍ、で混合する。

混合後、バッチを冷却し、次に粉砕して４．７ｎ〜０．
７間の粒子となるようにする。

塩シリンダ形状で直径０．６２０インチ（１，５７ｃｒ
ｒＬ）のキャビティを有するステンレス鋼からなる型を
核燃料の粒子で満たす。

核燃料粒子は、多孔性、スポンジ状熱分解炭素の第１層
と、緻密な等方性熱分解炭素の外層とで被覆されたウラ
ニウム−トリウムカーバイドの芯を含んでいる。

被覆燃料粒子は、寸法が１１５０〜３５０ミクロンであ
る。

次にそれぞれの型は、被覆核燃料粒子２０．９で満たさ
れ、これは深さ約２１／２インチ（６，３５ｃｒｒＬ：
となる。

グラファイト添加成形混合物を１７５℃〜２０００Ｃの
温度まで加熱してピッチを流動化させ、圧力１２００
ｐ、ｓ、 ｉ （８４ｋｙ／Ｃ１？Ｌ）で粒子充填型キ
ヤビテイ中へ注入する。

注入完了後、型を室温まで冷却してマトリックス材料を
固化させて、次にグリーン棒を型から押出す。

グラファイトシリンダは、外径０．８７５インチ（２，
２２ＣｒｒＬ）を有し、直径０．６２５インチ（１，５
９ｃｒｒＬ）の中央口を有し、長さ３０インチ（７，６
２ＣｒｒＬ）となるように製造される。

各シリンダは、長さ２１／２インチ（６，３５ｃＩｒＬ
）ノブリーン燃料棒１２個で満たされ、次にグラファイ
トシリンダを燃焼させて十分な時間１８００’Ｃの温度
に達しせしめてピッチ、コークス減少剤およびレリース
剤を炭化させる。

冷却後、試験は、グリーン燃料が十分炭化していること
を示す。

グリーン棒の平均ギャップは、燃料体の外径（０，６２
０インチ＝１．５７ＣｒｆＬ）と燃料チャンバの内径（
０，６２５インチ＝１．５９ＣｒＩＬ）との距離の１／
２すなわち初期的に０．００２５インチ（０，０６３５
ｃｆｒＬ）になった。

燃焼後、ギャップは約０．００１２５インチ（０，０３
１８ＣｒｆＬ）に変る。

炭化燃料体の秤量と試験は、被覆核燃料粒子またはグラ
ファイト粉末に関し重量変化がなかったという前提で、
ピッチ、コークス減少添加剤およびレリース剤から初期
的に構成される部分は、これら３つの材料の初期重量の
約２３係を構成することを示している。

模倣原子炉条件下の照射は、このようにして製造された
燃料要素は優れた性能を発揮することを示す。

従ってこのような燃料要素は、高温ガス冷却原子炉に使
用するのに好適である。

例■ 例Ｉの方法が、樟脳の代りにナフタレン２０％Ｗを使用
して繰返される。

炭化後、ギャップは、グリーンギャップの約２５〜５０
φで、コークス生成は、ピッチ、オクタデカノールおよ
びナフタレンの初期重量の約２５俤である。

このような燃料要素は、高温原子炉運転に十分受は入れ
られる。

例■ 例■の方法が、樟脳の代りにアントラセン２０％ｗを使
用して繰返される。

燃焼後、ギャップが測定され、グリーンギャップの２５
〜５０多であることが確認される。

得られるコークス残留物は、初期成形材料中のピッチ、
アントラセン、オクタデカノールの約２０％ｗに等しい
。

このような熱料要素は、高温原子炉運転に十分受は入れ
られる。

例■ 例１の方法が、樟脳の代りにフェナントレン２０φＷを
使用して繰返される。

燃焼後、ギャップは、グリーンギャップの２５〜５０係
であることが確認される。

コークス残留物は、ピッチ、レリース剤およびフェナン
トレンの初期重量の約２２係に等しい。

このような燃料要素は、ガス冷却形高温原子炉に使用す
るのに十分受は入れられる。

例■ 例Ｉの方法が、樟脳の代りにジメチルテレフタレー）２
０％ｗを使用して繰返される。

燃焼後。ギャップは、グリーンギャップの２５〜５０係
である。

コークス残留物は、ピッチ、レリース剤およびコークス
減少剤の初期重量の約２５係である。

このような燃料要素も、高温ガス冷却形原子炉に使用す
るのに十分受は入れられる。

例■ 例Ｉの方法が、オクタデカノール１０％ｗを使用し、ポ
リスチレン（Ｓｉｎｃｌａｉｒ−Ｋｏｐｐｅｒ Ｄｙ１
ａｒｋ）１５φＷを樟脳の代りに使用して繰返される。

ポリスチレンは粒状形態で添加され、２００℃の混合温
度で熱可塑性となり、分散する。

グリーン燃料棒の原位置炭化後、ギャップは、グリーン
ギャップの２５〜５０％であり、コークス残留物は、ピ
ッチ、オクタデカノールおよびポリスチレンの約２１俤
である。

このような核燃料要素は、高温ガス冷却原子炉に使用す
るのに好適である。

例■ 例Ｉの方法が、ピッチ３２％Ｗを使用し、オクタデカノ
ール１０％ｗおよびグラファイト粉末３８％Ｗを使用し
て繰返される。

樟脳を使用する代りに、粒状のポリスチレン（Ｄｕｐｏ
ｎｔ Ａｌａｔｈｏｎ）１５６０）が使用される。

炭化後、ギャップは、グリーンギャップの２５〜５０係
で、コークス残留物は、ピッチ、オクタデカノールおよ
びポリスチレンの初期重量の約１４係である。

このような核燃料要素は、高温ガス冷却形原子炉に使用
するのに十分受は入れられる。

例■ 例■の方法が、ピッチ３７％ｗ、オクタデカノール１０
％ｗおよびグラファイト粉末３ｓ％ｗを使用して繰返さ
れる。

樟脳を使用する代りに、粒状のポリスチレン（Ｈｅｒｃ
ｕｌｅｓ Ｐｒｏ−Ｆａｘ ６５２３）１５％Ｗが使用
される。

炭化後、ラジアルギャップは、グリーンギャップの２５
〜５０％である。

コークス残留物は、ピッチ、ヤクタデカノールおよびポ
リスチレンの初期重量の約１７φである。

このような燃料要素は、ガス冷却形高温原子炉に使用す
るのに十分受は入れられる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 核燃料要素製造用の核燃料粒子・＼加えるための微
   粒炭素とピッチとを含んでなる改良された成形混合物に
   おいて、得られる燃料体の最後コークス生成量を減少さ
   せるために効果的なコークス減少添加剤の組込みを含ん
   でおり、該添加剤が（ｉ）分子量約５００〜１，０００
   ，０００のポリスチレンおよびスチレン−ブタジェンコ
   ポリマー、（１１）分子量７５〜３００の芳香族化合物
   、および（１１０分子量約５．０００〜１，０００，０
   ００の飽和炭化水素ポリマー、からなる群から選択され
   ることを特徴とする前記改良された成形混合物。