(57)【要約】【課題】熟練を必要とするオーバーコート作業を必要とすることなく、また面倒なオーバーコート層厚み確認作業を必要とすることなく、被覆燃料粒子を均一に分布させつつ良質の燃料コンパクトを得ること。【解決手段】  黒鉛マトリックスを予め所定形状に低圧で仮成型し、この黒鉛マトリックス仮成型体１０内に被覆燃料粒子１２が均一に分布されるように黒鉛マトリックス仮成型体１０内に被覆燃料粒子１２を粒子供給管２０を介し、噴射ノズル２２を通して打ち込んで混合物を形成し、その後この混合物をプレス成型して燃料コンパクトを製造する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛マトリックス中に被覆燃料粒子を分散させて得られたた混合物をプレス成型して燃料コンパクトを製造する方法において、前記黒鉛マトリックスを予め所定形状に低圧で成型し、前記黒鉛マトリックス成型体内に前記被覆燃料粒子が均一に分布されるように前記黒鉛マトリックス成型体内に前記被覆燃料粒子を打ち込んで前記混合物を形成し、その後前記混合物をプレス成型することを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記被覆燃料粒子は、粒子供給管の先端に設けられた少なくとも１つの噴出ノズルから前記黒鉛マトリックス仮成型体に打ち込まれることを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記粒子供給管は、前噴出ノズルが前記黒鉛マトリックス仮成型体の表面に沿って順次移動するように変位することを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法であって、前記被覆燃料粒子を打ち込む際にその供給圧力を付加することを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法に関し、特に被覆燃料粒子の黒鉛マトリックス中への均一分布を容易に行いつつ製造することができるようにした燃料コンパクトの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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で健全性を維持する黒鉛で構成し、炉心を冷却するために、高温下でも化学反応が起こることがないヘリウムガスを冷却ガスとして用いているので、固有の安全性が高く、約９００℃の高い出口温度のヘリウムガスを回収して、この高温熱を発電、水素製造、化学プラント等の広い分野で利用することができる。
【０００３】
この高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミック状に焼結した直径が約３５０〜６５０ミクロンの燃料核の周囲に４層の被覆を施して形成されている。第一層は、密度が約１ｇ／ｃｍ３の低密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状の核分裂生成物（ＦＰ）のガス溜めとしての機能と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とを併せ持っている。第二層は、密度が約１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状ＦＰの保持機能を有する。第三層は、密度が約３．２ｇ／ｃｍ３の炭化珪素（ＳｉＣ）の被覆であり、これは、固体ＦＰの保持機能を有すると共に、被覆燃料粒子の主要な補強部材としての機能を有する。最後に、第四層は、第二層と同様に、密度が約１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状ＦＰの保持機能と第三層の保護層としての機能を有する。
【０００４】
一般的な被覆燃料粒子は、約５００〜１０００ミクロンの直径を有する。この被覆燃料粒子は、黒鉛マトリックス中に分散させた後、一定形状の燃料コンパクトの形態に成型加工され、この燃料コンパクトの一定数量を黒鉛筒に入れ、上下を栓で閉じて燃料棒とされる。この燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に差し込まれて高温ガス炉の燃料となる。多数個の六角柱型黒鉛ブロックをハニカム配列に多段に重ねて炉心を構成している。
【０００５】
高温ガス炉の燃料は、一般的には、次のようにして製造される。まず、酸化ウラン粉末を硝酸に溶かして硝酸ウラニル原液とし、この硝酸ウラニル原液に純水、増粘剤を添加し攪拌して滴下原液を作る。増粘剤は、滴下された硝酸ウラニル原液の滴液が落下中にそれ自体の表面張力で真球状になるように作用する。このような増粘剤としては、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、例えば、ポリビニールアルコール樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズ等を使用することができる。このように調製された滴下原液は、所定の温度に冷却されて粘度が調整された後、細径の滴下ノズルを振動させる等の方法を用いてアンモニア水中に滴下される。
【０００６】
滴液は、アンモニア水溶液表面に着水するまでの空間でアンモニアガスを吹き付けて表面をゲル化させることによって着水時の変形が防止される。硝酸ウラニルは、アンモニア水中でアンモニアと充分に反応させ、重ウラン酸アンモニウムの粒子となる。この粒子は、大気中で焙焼され三酸化ウラン粒子となり、更に還元焼結されて高密度のセラミック二酸化ウランの燃料核となる。
【０００７】
この燃料核は、流動床に装荷され、この流動床内に供給される反応ガス（被覆ガス）が熱分解されて燃料核の上に被覆が施される。第一層の低密度熱分解炭素は、約１４００℃でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を熱分解して被覆される。第二層及び第四層の高密度熱分解炭素は、約１４００℃でプロピレン（Ｃ３Ｈ６）を熱分解して被覆される。第三層のＳｉＣは、約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を熱分解して被覆される。このように４層の被覆が施されて被覆燃料粒子が得られる。
【０００８】
被覆燃料粒子の粒径や真球度は、オーバーコート粒子の製造条件に大きく影響することから、被覆燃料粒子は、篩による粒径選別及び真球度選別を行った上でオーバーコート工程にリリースされる。
【０００９】
この被覆燃料粒子は、その表面に黒鉛粉末、粘結剤等から成る黒鉛マトリックスを表面にコーティングしてオーバーコート粒子とされ、このオーバーコート粒子は、中空円筒形又は円筒形に温間でプレス成型されて燃料コンパクトとなる。この燃料コンパクトは、黒鉛マトリックス中に含まれる粘結剤等を除去するために予備焼成され、更に黒鉛マトリックスから脱ガスするために焼成される。
【００１０】
良好な品質を有する高温ガス炉用燃料コンパクトを製造するために、その製造工程において、被覆燃料粒子と共に、燃料コンパクトを形成する黒鉛マトリックス(黒鉛粉末)を所定の割合にて混合させた後、成型する必要があり、また燃料コンパクトの高温ガス炉内における燃焼特性を考慮した場合、局部的な燃焼を防ぐために、燃料コンパクト中に含まれる被覆燃料粒子は均一に分散されていることも必要である。
【００１１】
従来技術では、このように、被覆燃料粒子を黒鉛マトリックス中に均一に分布して混合させるために、高温ガス炉用燃料コンパクト製造ではオーバーコート工程が採用されている。この工程は、被覆燃料粒子の外側にフェノール樹脂等を内部に均一に含む黒鉛マトリックス粉末をコーティングする工程である。
【００１２】
しかし、現在行なわれているオーバーコート工程では、均一な厚さのオーバーコート層を有するオーバーコート粒子を得るため、高度に熟練した作業者を必要とする上に、所定レベルのオーバーコート厚さが得られたことを確認する作業が面倒で作業に多大なコストがかかる欠点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、熟練作業を必要とすることなく、また面倒な確認作業を必要とすることなく、被覆燃料粒子を均一に分布させつつ良質の燃料コンパクトを得ることができる燃料コンパクトの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の課題解決手段は、黒鉛マトリックス中に被覆燃料粒子を分散させて得られたた混合物をプレス成型して燃料コンパクトを製造する方法において、黒鉛マトリックスを予め所定形状に低圧で仮成型し、この黒鉛マトリックス仮成型体内に被覆燃料粒子を均一に分布されるように黒鉛マトリックス仮成型体内に被覆燃料粒子を打ち込んで混合物を形成し、その後この混合物をプレス成型することを特徴とする高温ガス炉用燃料コンパクトの製造方法を提供することにある。
【００１５】
本発明の課題解決手段において、被覆燃料粒子は、粒子供給管の先端に設けられた少なくとも１つの噴出ノズルから黒鉛マトリックス仮成型体に打ち込まれ、この場合、粒子供給管は、噴出ノズルが黒鉛マトリックス仮成型体の表面に沿って順次移動するように変位するのが好ましい。
【００１６】
また、本発明の課題解決手段において、被覆燃料粒子を打ち込む際にその供給圧力を付加するのが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による燃料コンパクトは、仮成型された黒鉛マトリックス成型体内に被覆燃料粒子を均一分布するように打ち込んで被覆燃料粒子と黒鉛マトリックスの混合物を得るので、被覆燃料粒子の黒鉛マトリックスをオーバーコートする工程を必要とすることがなく、従ってオーバーコート作業に要求された高度の熟練度や面倒な確認作業を必要とすることなく、被覆燃料粒子を均一に分布させつつ良質の燃料コンパクトを容易に経済的に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、図１は、本発明に係わる燃料コンパクトの製造方法を工程順に示し、本発明の方法は、工程１と工程２とによって被覆燃料粒子が均一に分散された黒鉛マトリックスの仮成型体を形成し、その後、この被覆燃料粒子が分散された黒鉛マトリックス仮成型体を工程３で本成型して燃料コンパクト成型体を形成し、次いで、この燃料コンパクト成型体を工程４及び５でそれぞれ予備焼成し、本焼成して燃料コンパクトを完成する。
【００１９】
工程１は、黒鉛マトリックスから所定形状の黒鉛マトリックス仮成型体１０を形成するが、この仮成型工程では、次の工程２で被覆燃料粒子が打ち込まれ易いようにスラリー状の黒鉛マトリックスを低圧で仮成型する。図２の形態では、所望の燃料コンパクトの形状に合わせて２つ割りの中空円筒形となっている。もちろん、仮成型体１０の形状は、最終燃料コンパクトの形状に合わせる必要はなく、中空円筒形以外の形状、例えば、板状等のように、後の打ち込み作業がし易いような適宜の形状とすることができる。
【００２０】
被覆燃料粒子１２は、所定形状の黒鉛マトリックス仮整形体１０の全表面に亘って均一に打ち込まれる。この打ち込み作業は、圧縮気体又は圧縮液体の如きキャリアによって行なうことができる。キャリアである気体、液体は、燃料コンパクトの品質に影響を与えることがなければ、任意のものを使用することができる。
【００２１】
図２の形態では、被覆燃料粒子１２は、中空円筒形の黒鉛マトリックス仮成型体１０の中心を延びる粒子供給管２０内を圧送して供給されこの粒子供給管２０の先端に設けられ水平に放射状に広がる４つの噴出ノズル２２から仮整形体１０の表面に向けて噴出して仮整形体１０内に打ち込まれる。なお、噴出ノズル２２は、１つでもよいが、打ち込み効率を高くするためには、複数の方が好ましい。
【００２２】
粒子供給管２０及びその先端の複数の噴出ノズル２２は、中空円筒形の黒鉛マトリックス仮成型体１０の中心軸線、即ち、供給管２０の中心軸線の周りを所定の速度で回転しつつ所定の速度で最下端から最上端まで垂直移動することによって被覆燃料粒子１２が仮成型体１０内に均一に打ち込まれるようにしている。従って、被覆燃料粒子１２は、仮整形体１０内に均一の分布で入り込むことができ、これによって被覆燃料粒子１２が黒鉛マトリックス内に均一に分散された混合物を得ることができる。
【００２３】
噴射ノズル２２から噴射される被覆燃料粒子１２の圧力が一定であると、打ち込み深さが一定となるので、仮成型体１０の深い位置に被覆燃料粒子１２を打ち込む際には、圧力を大きくし、浅い位置に打ち込む際には、圧力を小さくする必要があり、従って、噴射ノズル２２の動きに合わせて打ち込み圧力を時間に対して正弦波的に変化させて仮成型体１０の深さ方向に均一に打ち込まれるようにする。
【００２４】
燃料コンパクトは、その１個当たりのウラン量や被覆燃料粒子充填率等の仕様が定められており、被覆燃料粒子は、この仕様を満たすような量で黒鉛マトリックス内に打ち込まれる。
【００２５】
このようにして、被覆燃料粒子１２が打ち込まれて均一に分散された黒鉛マトリックス成型体（混合物）１０は、所定量ずつ秤量し、それぞれ所定の形状の金型内に装填しプレスして燃料コンパクト成型体を形成する（工程３参照）。
【００２６】
工程４の予備焼成は、黒鉛マトリックス内に含まれる粘結剤等を除去するために行なわれ、また工程５の本焼成は、黒鉛マトリックスを脱ガス化するために行なわれる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、黒鉛マトリックス仮成型体内に被覆燃料粒子を均一分布するように打ち込んで被覆燃料粒子と黒鉛マトリックスの混合物を得るので、被覆燃料粒子に黒鉛マトリックスをオーバーコートする工程を必要とすることがなく、従ってオーバーコート作業に要求された高度の熟練度や面倒な確認作業を必要とすることなく、被覆燃料粒子を均一に分布させつつ良質の燃料コンパクトを容易に経済的に得ることができ、産業上の利用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の燃料コンパクトの製造方法の工程図である。
【図２】本発明の要部である被覆燃料粒子の打ち込み工程の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  黒鉛マトリックス仮成型体
１２  被覆燃料粒子
２０  供給管
２２  噴射ノズル
【図１】
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【図２】
2010112822.tif 000004