(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも入口及び出口と、材料の移動方向に沿って配置されて電気的絶縁機能を発現するスリットを有する冷却坩堝と、この冷却坩堝の入口より固化体材料と潤滑剤をそれぞれ装入すべく、入口付近に配置されたそれぞれの供給装置と、これら供給装置によって冷却坩堝内に装入された固化体材料と潤滑剤を一旦溶解すべく、冷却坩堝の外周部所定位置に設置された誘導コイルと、前記冷却坩堝の出口側に設置され、冷却坩堝内において凝固成形された固化体を順次引き抜いて移動する引き抜き移動装置と、この引き抜き移動装置の下流側に配置され、連続的に移動してくる固化体を所定長さに切断する切断装置と、この切断装置で切断した後の固化体を筒状に成形する成形装置、及びこの成形装置で成形後の固化体の両端を接合する接合装置と、これら各構成要素のうち少なくとも材料を扱う構成要素を密閉するチャンバーと、このチャンバー内の脱気装置及び雰囲気調整装置並びに不活性ガス供給装置を具備したことを特徴とする収容容器の連続製造装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置を使用し、その冷却坩堝内に装入した固化体材料と潤滑剤を誘導加熱して一旦その溶融温度以上に高めた後材料を冷却し、冷却坩堝の内断面に近い形状の固化体となしつつ冷却坩堝から連続的に引き抜き、所定の長さに切断した後筒状に形成してその両端を接合することを特徴とする収容容器の連続製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、成形・加工過程において汚染された金属固化体を材料として、収容容器を連続的に製造する装置及びその装置を用いて連続的に製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、汚染された金属固化体を材料として、収容容器を連続的に製造する装置としては、米国リテック（Retech）社が開発した回転炉床式プラズマ溶融炉（以下、「ＰＡＣＴ」という）がある（Journal of the RANDEC No.9(December 1993),p65 ）。
【０００３】
ＰＡＣＴは、回転する溶融炉に処理対象物を供給し、プラズマアークによって溶融するもので、以下の特徴を有している。
▲１▼  遠心力により均一な攪拌が可能であるから、溶融固化体は均質で安定な性状が得られる。
▲２▼  材料の形態に対する自由度が大きい。
▲３▼  回転数の調整によって出湯を行うので、特殊な弁や炉の傾動等の複雑な装置を必要としない。
【０００４】
しかしながら、処理の対象が本発明が対象とするような成形・加工過程において汚染された材料の場合には、以下の欠点が顕在化してくる。
1)  溶融炉の内張りには高温壁炉の耐火物を使用しているので、定期的な交換が必要になる。特に、対象が前記汚染された材料の場合には、保守過程に於いて発生した耐火物は二次廃棄物となるので、別のプロセスで処理する必要が生じる。
【０００５】
2)  プラズマ・アークを発生させるためにAr等のキャリヤー・ガスをトーチに供給する必要があるが、キャリヤー・ガスを必要とするために排ガス処理設備を大型化する必要があると共に、ガスの顕熱として失われるエネルギーが大きい。
3)  プラズマ・トーチは消耗品なので定期的に交換する必要がある。特に汚染された材料を対象とする場合は交換操作を遠隔で行う必要があるので、装置が複雑になる。
【０００６】
以上の欠点を解消するためには、以下の公知の技術を用いれば良いとの考えも存在する。その公知の技術とは、溶解材料より低い融点を持つ材料からなる冷却坩堝内で溶解材料を溶融する一連の技術であり、この時、溶解材料は坩堝材料に汚染されることはない。この基本技術は、既に1931年にドイツで特許公告されている（ドイツ特許第518499号）。そして、これ以後、冷却坩堝に関する特許は多数出願されており、例えば仏国特許第2609655 号では、連続的に処理するための坩堝の形状が提案されている。
【０００７】
これらの技術は、▲１▼装置が簡単なので保守が容易である。▲２▼溶解炉の壁としては冷却された低温壁を用いているので、溶解材料が炉壁材料に汚染されたり、あるいは炉壁材料の消耗に起因する定期交換を必要としない。等の有利な点をもつ。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した技術には一般に成形条件に制約が存在するので、これらの技術の多くは中実体にしか適用できない。特に、中空の収容容器を製造するための方法は過去に提案されておらず、冷却壁を持つ炉では中空容器の製造は不可能と考えられていた。
【０００９】
本発明の目的は、主に金属の固化体を材料として成形加工により収容容器を連続して製造する際に、製造過程における該材料による環境汚染を最小にすると共に、製造過程の保守を容易に行える装置及びこの装置を用いた製造方法を提供する点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の収容容器の連続製造装置は、少なくとも入口及び出口と、材料の移動方向に沿って配置されて電気的絶縁機能を発現するスリットを有する冷却坩堝と、この冷却坩堝の入口より固化体材料と潤滑剤をそれぞれ装入すべく、入口付近に配置されたそれぞれの供給装置と、これら供給装置によって冷却坩堝内に装入された固化体材料と潤滑剤を一旦溶解すべく、冷却坩堝の外周部所定位置に設置された誘導コイルと、前記冷却坩堝の出口側に設置され、冷却坩堝内において凝固成形された固化体を順次引き抜いて移動する引き抜き移動装置と、この引き抜き移動装置の下流側に配置され、連続的に移動してくる固化体を所定長さに切断する切断装置と、この切断装置で切断した後の固化体を筒状に成形する成形装置、及びこの成形装置で成形後の固化体の両端を接合する接合装置と、これら各構成要素のうち少なくとも材料を扱う構成要素を密閉するチャンバーと、このチャンバー内の脱気装置及び雰囲気調整装置並びに不活性ガス供給装置を具備したことを要旨とする。
【００１１】
また、本発明の収容容器の連続製造方法は、前記した構成の本発明の連続製造装置を使用し、その冷却坩堝内に装入した固化体材料と潤滑剤を誘導加熱して一旦その溶融温度以上に高めた後材料を冷却し、冷却坩堝の内断面に近い形状の固化体となしつつ冷却坩堝から連続的に引き抜き、所定の長さに切断した後筒状に形成してその両端を接合することを要旨とする。
【００１２】
【作用】
以下、本発明の装置と方法を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の収容容器の連続製造装置の概念を正面から見た図、図２は本発明の収容容器の連続製造装置における冷却坩堝の縦断面の概念図、図３は同じく冷却坩堝の横断面の概念図である。
【００１３】
これらの図面において、１は少なくとも入口１ａ及び出口１ｂを有する冷却坩堝であり、その内部は冷却可能な構造で高温に耐えられるようになっている。その素材は一般に、熱伝導と電気伝導に優れた金属材料が使用されるが、本発明では必ずしも金属に限定されるものではない。そして、この冷却坩堝１には電気の流れに対して絶縁機能を有する複数のスリット１ｃが、固化体の引き抜き方向に沿って設けられている。このスリット１ｃの設けられる範囲は、冷却坩堝１の全長ではなく、その一部のみであるが、本発明ではその位置を限定するものではない。
【００１４】
２は冷却坩堝１の外周部所定位置において、螺旋状に多重に巻く態様に配置された誘導コイルであり、高周波発振器（図示せず）に接続される。なお、この誘導コイル２はその内部を冷却体が流通可能な構成となされている。また、冷却坩堝１は、図示省略したが、振動架台上に配置されており、必要に応じて引き抜き方向に沿った振動が付与できるようになっている。
【００１５】
３は冷却坩堝１の入口１ａ付近に配置され、貯留装置４内の固化体材料５を入口１ａから冷却坩堝１内に装入する供給装置、６は同じく冷却坩堝１の入口１ａ付近に配置され、貯留装置７内の潤滑剤８を入口１ａから冷却坩堝１内に装入する供給装置である。
【００１６】
９は冷却坩堝１の出口１ｂの下方に設置された引き抜き移動装置であり、前記冷却坩堝１内に装入され、誘導コイル２の作用により誘導加熱されて一旦溶融状態と成された固化体材料（以下、「溶融体５ａ」という）を冷却，凝固して成形された固化体５ｂを順次引き抜いて下流側に移動するものである。また、この引き抜き移動装置９の下流側には、移動されてくる固化体５ｂを所定長さに切断する切断装置１０と、この切断装置１０で切断した後の固化体５ｂを例えば円筒状に成形する成形装置１１と、この成形装置１１で成形した後の固化体５ｂの両端を接合する接合装置１２が順次設置されている。
【００１７】
図示省略したが、上記した一連の装置群の全て、あるいはその一部はチャンバー内に収納され、脱気装置，雰囲気調整装置及び不活性ガス供給装置によってチャンバー内の雰囲気ガスを脱気し，置換したり、また不活性ガスを供給したりして所定の加圧あるいは減圧の圧力条件に置けるようになされている。
【００１８】
本発明の収容容器の連続製造装置は上記したような構成であり、次にこの本発明装置を用いて金属固化体の材料から収容容器を連続して製造する過程の一例を挙げて、各装置が固化体材料に対して発現する作用について説明する。ここで、材料の素材を金属としたのは、説明を容易にするためであり、僅かであっても電気伝導度を有する素材は全て本発明による収容容器製造の対象に成りえることは言うまでも無い。
【００１９】
収容容器の製造に際しては、先ず、装置に冷却水を供給した後チャンバー内の雰囲気ガスを脱気，置換して、また場合によっては不活性ガスを常に供給して所定の処理雰囲気を造る。一般に、雰囲気調整の対象は材料を扱う装置の近傍であり、例えば高周波発振器はその対象外になることが多いが、本発明では雰囲気調整の対象を特に限定するものではない。
【００２０】
雰囲気調整後、固化体５ｂの引き抜き移動装置９に取り付けた金属材料からなる母材（図示省略）を、電磁場が最も作用する冷却坩堝１の所定位置に位置させる。
【００２１】
続いて、高周波発振器の出力を増加させる。これにより誘導コイル２によって生じる冷却坩堝１の外壁面を流れる誘導電流は、絶縁機能を持つスリット１ｃによって冷却坩堝１の内壁に導かれ、冷却坩堝１内に電磁場を発生させる。すなわち、一般には電磁場を透過しない金属材質からなる冷却坩堝１は、スリット１ｃの存在によってその内側に電磁場を透過させる作用を発現する。
【００２２】
高周波発振器の出力の増加と共に、母材に流れる誘導電流の値が増加し、誘導加熱の作用を受けて溶解し、やがて母材は溶融体５ａとなる。この時、溶融体５ａには概ね表皮深さの範囲内でその表面に垂直方向の電磁力が発生する。一般に、溶融体５ａの自由表面の形状は、電磁力と重力，表面張力，溶融体５ａの運動量等の間の力の平衡関係を満足する条件から定まるので、適正な運転条件を選択することにより溶融体５ａの自由表面の形状を冷却坩堝１から離反させ、ドーム状に上に向かって凸となるように隆起させることができる。ドーム状に隆起した溶融体５ａの部分は冷却坩堝１から離反して、伝導熱による抜熱量の低減を図る作用が現れる。また、この溶融体５ａの内部には不均一な電磁力の発生に起因して電磁攪拌の作用を受ける。
【００２３】
続いて、潤滑剤８を冷却坩堝１に供給すると、潤滑剤８は溶融体５ａに接触する部分から熱供給を受け、一旦溶融した後冷却されて凝固した溶融体（以下、「固化体５ｂ」という）の凝固時の収縮によって、固化体５ｂと冷却坩堝１の内壁との間に形成された極めて狭い間隙内に、冷却坩堝１の振動とともに所定量流入する。
【００２４】
このような状態下において、固化体材料５を冷却坩堝１に供給すると、固化体材料５は電磁攪拌を受けている溶融体５ａに到達し、電磁攪拌の作用によって熱交換が促進されて溶融する。そして、引き抜き移動装置９を駆動して前記固化体材料５の装入量に相当する分だけ冷却坩堝１から固化体５ｂを引き抜き、この引き抜き移動装置９の下流側所定位置に設置された切断装置１０で所定の長さに切断する。所定の長さに切断された固化体５ｂは、成形装置１１によって例えば円筒状に成形された後、接合装置１２によってその両端面の接合を行う。なお、引き抜き移動装置９による冷却坩堝１からの引き抜き時、図２に示すように、剥離装置１３によって必要に応じて固化体５ｂの側面に付着した潤滑剤８を剥離する。
【００２５】
なお、潤滑剤８は少なくとも以下の条件を満足することが望ましい。当然、選択すべき潤滑剤８の素材は、対象とする固化体材料５の素材によって異なることはいうまでもない。
a.  溶融温度は固化体材料５のそれよりも１００〜２００℃低い。
b.  溶融過程で分解せず、かつ気化しない。
c.  溶融体５ａと反応しない。
d.  電気伝導度と熱伝導度が固化体材料５よりも小さい。
【００２６】
添加する潤滑剤８は量的にはできるだけ少なく、かつ抜熱量の減少効果が現れることが一層望ましい。なぜなら、潤滑剤８は固化体材料５によって汚染されるので、必要とする潤滑剤８の量が多い場合には、これを処理するためにさらに別のプロセスが必要になることも考えられるからである。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。
本発明の適用例として、加圧水型原子炉の使用済み核燃料の再処理工程において発生する核燃料被覆管の素材であるジルカロイを固化体材料として収容容器の連続製造を行った。連続製造試験の安全性を高めるために、使用済みの核燃料被覆管を対象に処理する代わりに原子炉における使用前の模擬核燃料被覆管を用いた。同時に核燃料被覆管に付着しているであろうと考えられる238Pu,239Pu,240Pu,241Pu,242Pu,241Am,243Am,242Cm,244Cm 等のアクチニド系元素からなる核分裂生成物の模擬元素として下記表１に示すランタニド系酸化物を固化体材料の約１Mass％添加した。ジルカロイの組成はSn:1.5、Fe:0.1、Cr:0.1 Mass%で、残りの大部分はZrである。溶融温度は1800〜1850℃、密度は6.55g/cm3 である。また、潤滑剤としてはCaF2:75 、MgF2:25 Mass% の混合体を固化体材料の約５Mass% 添加した。
【００２８】
【表１】
0003651035.tif 000002
【００２９】
本発明による連続製造装置の実施例を図１〜図３に示す。冷却坩堝１の材質は銅であり、その内のり寸法は５０mm×１０００mm、その横断面形状は偏平な長方形である。また、冷却坩堝１の長さは３００mmで、壁の厚さは３０mmである。そして、固化体５ｂの移動方向に沿って、幅０．１mm、長さ２００mmのスリット１ｃが約２８mmの間隔で７５本配置されている。なお、この実施例では、スリット１ｃの存在しない部分が冷却坩堝１の上下端に設けられているが、この位置は冷却坩堝１の上端だけ、あるいは下端だけに設けてもよいし、あるいは存在しなくてもよい。
【００３０】
高周波発振器（図示せず）の最大出力は５００kw、周波数は３０kHz である。銅製の誘導コイル２の巻数は１０、巻高さは１００mmで、その内部は水冷可能な構造になっている。
【００３１】
収容容器を製造するに当たって、先ず、その上端が概ね誘導コイル２の上端に一致するように、鉄材質の母材を冷却坩堝１内に挿入した。次に、冷却坩堝１及び誘導コイル２に冷却水をそれぞれ５０、２５０l/min 供給した後、高周波発振器の部分を除く装置部分をチャンバー（図示せず）で密閉した。続いて、チャンバー内を脱気装置である真空ポンプで約２０分排気し、雰囲気調整装置を駆動させて雰囲気圧力を０．１Pa以下に５分維持した。この後、不活性ガス供給装置を駆動させて０．１％以下の不純物を含むArガスを１００l/min の供給速度で大気圧より５０hPa を越えない圧力でチャンバー内に供給した。
【００３２】
続いて、高周波発振器の出力を徐々に増加し、最終的に実効値１０００Ａ、周波数３０kHz の高周波電流を誘導コイル２に流した。およそ２分の通電で母材の上端が完全に溶解するとともに、溶融部はドーム状に隆起して溶融体５ａが攪拌されている状況が観察された。
【００３３】
この後、供給装置３を介して塊状の固化体材料５を冷却坩堝１に装入するとともに、母材を３mm/minの速度で下方に連続的に引き抜いた。その際、ドーム状に隆起した溶融体５ａの頂点の位置を特殊な方法で検出し、この位置がほぼ一定になるように固化体材料５の装入速度を制御した。これと同時に、供給装置６を介して潤滑剤８を冷却坩堝１内の特に溶融体５ａの表面上に供給した。
【００３４】
母材の引き抜き開始からおよそ１２００分間連続運転した後（固化体材料５の合計装入量約１２００kg）高周波電流の通電を停止したところ、冷却坩堝１の出口１ｂからは３６００mmの長さの金属の固化体５ｂが得られた。この固化体５ｂを例えば回転刃を備えた切断装置１０を用いて３１４０mmの長さに切断した後、例えば回転ロール，加重印加装置等からなる成形装置１１で高さ約１０００mm，直径約１０００mmの円筒状に成形した。そして、この円筒状に成形した固化体５ｂの両端面を例えば溶接機等の接合装置１２で接合した。
【００３５】
この様にして得られた中空容器に底板を接合すれば収容容器が完成する。なお、本発明者はこの収容容器内に保管すべき材料を入れて上蓋を閉じれば、収容容器として機能することを確認した。
【００３６】
冷却坩堝１の素材は製造した収容容器から検出されず、1800〜1850℃程度の温度においても冷却坩堝１の定期交換等の保守を必要とせず、高温運転に長時間耐えられる見通しを得た。このように交換部品が少なくて済むということは、環境に対する汚染を最小にできることを意味するので、汚染された金属の固化体を処理するプロセスとして極めて優れていることが実証できた。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡単な構成の保守が容易な装置を用いて、汚染した材料を環境から遮蔽し、かつ二次廃棄物の発生を最小限に抑えて収容容器を連続的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の収容容器の連続製造装置の概念を正面から見た図である。
【図２】本発明の収容容器の連続製造装置における冷却坩堝の縦断面の概念図である。
【図３】本発明の収容容器の連続製造装置における冷却坩堝の横断面の概念図である。
【符号の説明】
１    冷却坩堝
１ａ  入口
１ｂ  出口
１ｃ  スリット
２    誘導コイル
３    供給装置
５    固化体材料
５ａ  溶融体
５ｂ  固化体
６    供給装置
８    潤滑剤
９    引き抜き移動装置
１０  切断装置
１１  成形装置
１２  接合装置
【図１】
0003651035.tif 000003
【図２】
0003651035.tif 000004
【図３】
0003651035.tif 000005