(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆燃料粒子を対向する一対のロータリーディスク間の隙間で粉砕し、燃料核を回収せしめるにあたり、上記一対のロータリーディスク間の隙間を燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核の直径が最大となる値より大きく、被覆燃料粒子を構成する最内側被覆層の厚さと燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核に最内側被覆第１層が被覆された被覆燃料粒子の直径が最小となる値より小さく設定して粉砕することを特徴とする被覆燃料粒子より燃料核を回収する方法。
【請求項２】
一対のロータリーディスク間の隙間を燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核の直径が最大となる値以上で、かつ、被覆燃料粒子を構成する被覆層の厚さと燃料核の直径の公差を考慮したときに耐酸化性能を有する被覆層のうちの最内側被覆層が被覆された被覆燃料粒子の直径が最小となる値以下に設定して粉砕する請求項１記載の被覆燃料粒子より燃料核を回収する方法。
【請求項３】
ウランまたはプルトニウム、その他超ウラン元素を単独あるいは混合し、酸化物、炭化物、窒化物の化合物となっている燃料核の周囲を熱分解炭素，ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＴｉＮより選ばれた複数の被覆層で被覆してなる被覆燃料粒子において、被覆燃料粒子を構成する最内側被覆層の厚さと燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核に最内側被覆第１層が被覆された被覆燃料粒子の直径が最小となる値を燃料核の直径が最大となる値より大きく設定せしめたことを特徴とする回収容易な被覆燃料粒子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高温ガス炉等で使用する被覆燃料粒子、特に製造工程あるいは使用済み燃料の被覆燃料粒子から燃料核を回収する方法ならびに同回収を行うに際し、回収の容易な被覆燃料粒子の基本構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
製造工程あるいは使用済み燃料から燃料核を回収することは資源の有効利用のために重要であり、とりわけ増殖を目的とした高温ガス炉燃料では燃料回収技術は非常に重要となる。
そこで被覆燃料粒子の被覆層の破砕を容易にすることにより被覆燃料粒子が内包する燃料核からウランあるいはプルトニウム等の回収、再処理を容易にすることが考慮されている。
【０００３】
高温ガス炉は冷却材であるヘリウムガスを約７００℃〜９５０℃に加熱して発電又は化学プラント等で熱利用することを目的とした原子炉であり、燃料が高温に曝されるため炭素、セラミックス等でウラン化合物を被覆した被覆燃料粒子を用いている。
【０００４】
一般的な水炉やナトリウム冷却炉はウラン、プルトニウム等の化合物をペレット状にしてジルコニウム、ステンレス等の被覆管に挿入しており、この被覆管が核分裂生成物（以下、ＦＰと称する）の保持機能を有しているが、上記の被覆燃料粒子においては、そのＦＰ保持機能は被覆層が有している。
【０００５】
図１はこの種被覆燃料粒子の１例を示しており、図において、直径３５０〜６００μｍの燃料核１の周囲に内側より順次第１層〜第４層の計４層２，３，４，５の被覆を施している。
このうち、最内側の第１層２は密度約１ｇ／ｃｍ３の低密度熱分解炭素でガス状ＦＰのプレナムあるいは照射時の燃料核１のスウェリング吸収域の機能を有する。このため、第１層２には機械的拘束力、強度あるいは気密等は期待されておらず、オープンポアで構成しなければならない。これらの機能から第１層２はバッファ層と称される。
【０００６】
次に第１層２の外側の第２層３は密度約１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能を有している。また、第３層４は密度３．２ｇ／ｃｍ３の炭化珪素（ＳｉＣ）で固体ＦＰの保持機能を有すると共に、被覆層の主要な強度部材である。
更に第４層５は第２層３と同様の密度約１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素でガス炉ＦＰの保持機能を有すると共に第３層４の保護層としての機能も有している。
【０００７】
ところで、上記の如き被覆燃料粒子は一般的に次のような工程を経て製造される。即ち、先ず燃料核１は内部でゲル化法又は外部ゲル化法によって造粒する。
この燃料核１を流動床に装荷し、被覆ガスを熱分解して被覆を施す。第１層２の低密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を熱分解する。
第２，第４層３，５の高密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ３Ｈ６）を熱分解する。また、第３層４のＳｉＣの場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を熱分解する。
そして、上述の工程で得られた被覆燃料粒子６は、図２に示すように、これを黒鉛マトリックス材７中に保持した球状（イ）、中空円筒状（ロ）あるいは円柱状（ハ）の燃料要素８として、原子炉に装荷して使用する。
なお、上記燃料要素８は一般的に被覆燃料粒子６に粉末あるいはピッチ状の黒鉛マトリックス材７をオーバーコートあるいは混合してプレスすることにより、球型あるいは円筒型などに成型し、最終的に約１７００℃〜１８００℃で焼成して燃料要素８として製造される。
【０００８】
一般的な高温ガス炉は通常、上述のようにして得られた燃料要素を使用するが、燃料要素を使用しない場合もある。例えば被覆燃料粒子を耐熱材料でパッキングして被覆燃料粒子自身を冷却材のヘリウムガスで直冷するような高温ガス炉もある。
また材料についても、燃料核はウラン酸化物の場合が多いが、炭化物あるいは窒化物等もある。更にウランにプルトニウムや超ウラン元素のＴＲＵ（Ｎｐ，Ａｍ，Ｃｍ等）を混合する場合、又は単独で用いる場合もある。
被覆管は熱分解炭素とＳｉＣで４層に被覆する場合が多いが、ＺｒＣやＴｉＮ等を被覆する場合もある。またこれらの材料を組み合わせて５層、６層に被覆する場合もある。
ところで、上述のような燃料要素あるいは被覆燃料粒子において前述した資源の有効利用のため、製造工程あるいは使用済み燃料から燃料核を回収することが行われている。
【０００９】
図３は現在行われている上記燃料要素あるいは被覆燃料粒子から燃料核を回収する場合のフロー図であり、一般的な図１の被覆燃料粒子の場合、第３層がＳｉＣ層であるため耐酸化性能が優れており、空気中で焙焼するだけでは燃料核を回収することが出来ない。このため機械的に耐酸化層であるＳｉＣ層を少なくとも破砕する必要がある。
【００１０】
図２に示す燃料要素の場合、空気中、約９００℃で焙焼することにより黒鉛マトリックス材は主としてＣＯ２となって除去されるので、被覆燃料粒子を取り出すことが出来る。この場合、被覆燃料粒子の最外層が熱分解炭素であればこれも同時に除去できる。
【００１１】
そして、次に粉砕機を使用してＳｉＣ層を破砕する。さらにこれを再度空気中、約９００℃で焙焼することによって、ＳｉＣ層の内側の熱分解炭素層を除去する。このとき燃料核の材質がＵＯ２であれば、再度の焙焼によってＵ３Ｏ８となる。この段階での残留物は粉末状Ｕ３Ｏ８とＳｉＣ片と若干の炭素、黒鉛のアッシュである。
これらの残留物を酸侵出させることにより、粉末状Ｕ３Ｏ８を溶解して硝酸ウラニルとする。最終的に濾過して固液分離することによりＳｉＣ片等を除去し、この濾液を精製してウランを回収する。
なお、図３のフロー図は、製造時のスクラップや使用済み燃料からのウラン、プルトニウム等の回収にも適用でき、濾液から例えばＰＵＲＥＸ法により、ウラン、プルトニウムを回収することが出来る。
【００１２】
しかして従来、上述の如き燃料製造時の回収工程において被覆層を破砕する場合、粉砕機としてはジェット粉砕機やロータリープレード粉砕機を使用していた。ジェット粉砕機は超高速の気流で被覆燃料粒子を加速して、壁面あるいは粒子同士を衝突させて粉砕するものである。
ロータリーフレード粉砕機は高速回転する超硬回転刃で粒子を粉砕するものである。しかし、これらの方法の問題点は、先ず、被覆燃料粒子全量を確実に粉砕することが出来ないことである。特に使用済み燃料を回収・再処理する場合、被覆燃料粒子の数量が膨大であるため、例えば日本の高温工学試験研究炉「ＨＴＴＲ」の被覆燃料粒子数は１炉心分で約９億個であるため、粉砕効率が悪い場合の未粉砕粒子数は無視できない量となる。更に、これらの方法は、衝突エネルギーを利用して粉砕する方法であるため、多くの燃料核も同時に粉砕され、この燃料核粉砕屑が設備の汚染拡大、ＭＵＦの増加の原因となっていた。
【００１３】
また、更に上記以外の粉砕手段として図４に示すロータリーディスク粉砕機があり、これは回転するディスクで被覆燃料粒子を機械的に粉砕する方法である。
しかしながら、従来のこのロータリーディスク粉砕機は被覆層の粉砕と同時に燃料核も粉砕されていたため燃料核粉砕屑が設備の汚染拡大、ＭＵＦの増加の原因となっていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の如き従来の状況に鑑み、製造時あるいは使用済みの高温ガス燃料である燃料要素あるいは被覆燃料粒子から燃料核を回収するに際し、燃料核を粉砕することなく、被覆層だけを破砕することができる方法を見出すことを課題とし、特に効率的な粉砕手段を見出すことにより確実に被覆層だけを破砕し、粉砕機の消費動力の抑制と共に設備の汚染拡大の規制、ＭＵＦの低減をはかることを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記目的に適合する本発明の特徴とするところは、被覆燃料粒子を対向する一対のロータリーディスク間の隙間で粉砕し、燃料核を回収せしめるにあたり、上記一対のロータリーディスク間の隙間を燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核の直径が最大となる値より大きく、被覆燃料粒子を構成する最内側被覆層の厚さと燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核に最内側被覆第１層が被覆された被覆燃料粒子の直径が最小となる値より小さく設定して粉砕することにある。
なお、一対のロータリーディスク間の隙間を燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核の直径が最大となる値以上で、かつ、被覆燃料粒子を構成する被覆層の厚さと燃料核の直径の公差を考慮したときに耐酸化性能を有する被覆層のうちの最内側被覆層（図１の場合では被覆第３層）が被覆された被覆燃料粒子の直径が最小となる値以下に設定して粉砕することも場合により実施される。
【００１６】
また、本発明は上記粉砕による回収にあたり、被覆燃料粒子自体を回収し易い構成とすることも他の特徴であり、ウランまたはプルトニウム、その他超ウラン元素を単独あるいは混合し、酸化物、炭化物、窒化物の化合物となっている燃料核の周囲を熱分解炭素，ＳｉＣ，ＺｒＣ，ＴｉＮより選ばれた複数の被覆層で被覆してなる被覆燃料粒子において、被覆燃料粒子を構成する最内側被覆層の厚さと燃料核の直径の公差を考慮したときに燃料核に最内側被覆第１層が被覆された被覆燃料粒子の直径が最小となる値を燃料核の直径が最大となる値より大きく設定せしめたことを特徴とする。
【００１７】
【作用】
上記本発明回収方法を適用することにより、確実に被覆層のみが粉砕され、燃料核は粉砕されることがないため、燃料核の回収効率が良好となり、粉砕機の消費動力の抑制、設備の汚染拡大の抑制、ＭＵＦの低減が達成できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、更に添付図面を参照し、本発明の具体的態様を説明する。
【００１９】
本発明は前述した如く被覆燃料粒子の被覆層を粉砕する方法であり、同粉砕に好適な被覆燃料粒子である。
被覆燃料粒子は前記した如く通常、図１に示すように燃料核１の周囲に内側より順次低密度熱分解炭素被覆第１層２、高密度熱分解炭素被覆第２層３，ＳｉＣ被覆第３層４及び高密度熱分解炭素被覆第４層５の４層の被覆を施して被覆燃料粒子６として構成されており、第１層２はバッファ層と称され、第３層４は耐酸化層である。
そして、上記被覆燃料粒子６は図２に示すように該被覆燃料粒子６を黒鉛マトリックス材７中に保持した球型、円筒形、円柱形などの燃料要素８に成形し、原子炉に装荷して使用される。
【００２０】
本発明は上記の如き被覆燃料粒子６あるいは燃料要素８を使用後、粉砕して被覆層２〜５内部の燃料核１を回収する点に特徴を有している。
被覆燃料粒子６の被覆層を確実に粉砕する点からは図４に示すようなロータリーディスク粉砕が好ましい手段として使用される。
ここでは一対のロータリーディスク９，１０の円周上で被覆燃料粒子６を粉砕し粉砕片６′とする方式となっているが、この他に一対のロータリーディスクの平面が対向している方式であってもよい。
【００２１】
そして、粉砕機の消費動力の抑制、設備の汚染拡大の抑制、ＭＵＦの低減の観点からは、被覆燃料粒子６の少なくとも耐酸化層のＳｉＣ層４を、望ましくは全ての被覆層２〜５だけを確実に破砕して、内包する燃料核１は粉砕されない方が望ましい。
このためロータリーディスク９，１０のディスク間ギャップＬを少なくともＳｉＣ層４の外径より、望ましくは被覆第１層２の外径より小さく、かつ燃料核１の直径より大きく設定する。
これにより確実に被覆層だけが破砕され、燃料核は粉砕されないため、粉砕機の消費動力の抑制、設備の汚染拡大の抑制、ＭＵＦの低減を達成できる。
ただ、ギャップＬがＳｉＣ層４の外径より小さいが、第１層外径より大きい場合は、ＳｉＣ層４がギャップＬ内で圧迫された場合、固有の弾性により変形するのみで破壊には至らないケースが生じることもある。
そこで、上述の燃料核の回収のため被覆層の粉砕を容易にするためには、図５に示す被覆燃料粒子がギャップを設定する上で望ましい。
【００２２】
被覆燃料粒子の燃料核直径及び被覆層厚さには、必ず製造公差が設定してある。このため次の条件を満足するような被覆燃料粒子であれば上記粉砕機を使用して燃料核を粉砕せず被覆層破砕だけをより確実に可能にすることができる。
即ち、燃料核直径をＤとし、被覆第１層外径をｄとすると、Ｄｍａｘ＜ｄｍｉｎである。但し、ｍａｘは公差を考慮した最大値、ｍｉｎは公差を考慮した最小値である。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００２４】
外部ゲル化法により直径５００μｍの燃料核とした。即ち、硝酸ウラニルに高分子化合物等の増粘材を添加してアンモニア水中に滴下して、重ウラン酸アンモニウムの粒子とした。これを洗浄、乾燥させた後、空気中５００℃で焙焼してＵＯ３粒子とし、最終的に水素中、１５００℃で還元・焼結して密度９７％Ｔ．Ｄ．のＵＯ２燃料核とした。
【００２５】
次に流動床を用いて上記燃料核の周囲に熱分解炭素とＳｉＣを下記４層に被覆した。
第１層は１４００℃でアセチレンを熱分解させ、密度１．０ｇ／ｃｍ３の低密度熱分解炭素を９０μｍ被覆した。
第２層は１５００℃でプロピレンを熱分解させ、密度１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素を３０μｍ被覆した。
【００２６】
第３層は１６００℃でメチルトリクロロシランを熱分解させ、密度３．２ｇ／ｃｍ３のＳｉＣを３０μｍ被覆した。この層は耐酸化層となる。
第４層は１５００℃でプロピレンを熱分解させ、密度１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素を４０μｍ被覆した。
ここで上記被覆燃料粒子の製造仕様は表１の通りである。
【００２７】
【表１】
0003569659.tif 000002
【００２８】
引続き、表１の被覆燃料粒子を使用して、図４に示すロータリーディスク粉砕機による被覆層破砕試験を行った。
ロータリーディスクの直径はφ３００ｍｍ、材質はＳＵＳ３１６、ロータリーディスク回転数は２０ｒｐｍである。
ロータリーディスク粉砕機に投入した被覆燃料粒子６は３．５ｋｇ−Ｕ、被覆燃料粒子数に換算して約５００万個である。
【００２９】
ディスク間ギャップＬを燃料核直径の公差を考慮した最大値より大きく、第１層外径の公差を考慮した最小値より小さい場合、
燃料核の直径の公差を考慮した最大値が５２５μｍ
燃料核の直径の公差を考慮した最小値が４７５μｍ
第１層厚さの公差を考慮した最小値が７０μｍ
５２５μｍ≦ディスク間ギャップ≦（４７５＋２×７０）μｍ……（１）
ここでディスク間ギャップＬを５５０μｍに設定した場合、燃料核をほとんど壊さずに、被覆層だけを１００％粉砕することが出来た。
【００３０】
また、ディスク間ギャップＬを燃料核直径の公差を考慮した最大値より大きく、耐酸化層の第３層外径の公差を考慮した最小値より小さい場合、
燃料核の直径の公差を考慮した最大値が５２５μｍ
燃料核の直径の公差を考慮した最小値が４７５μｍ
第１層厚さの公差を考慮した最小値が７０μｍ
第２層厚さの公差を考慮した最小値が２５μｍ
第３層厚さの公差を考慮した最小値が２５μｍ
５２５μｍ≦ディスク間ギャップ≦｛４７５＋２×（７０＋２５＋２５）｝μｍ……（２）
ディスク間ギャップＬを７１５μｍに設定した場合、燃料核を壊さなかったが、被覆層粉砕率は８３．６％であった。
【００３１】
ディスク間ギャップＬをバラメータとして、同様の粉砕試験を行った結果を表２に示す。
前述の（１）式の条件を満足すれば、燃料核を殆ど粉砕することなく、被覆層だけを１００％破砕できることが分かった。
【００３２】
【表２】
0003569659.tif 000003
【００３３】
【発明の効果】
本発明は以上のように対向する一対のロータリーディスクよりなる粉砕機により被覆燃料粒子を粉砕するにあたり、ロータリーディスク間の隙間を燃料核の直径の公差を考慮した最大値以上、かつ耐酸化性能を有する被覆層のうちの最内側被覆層（図１の場合は被覆第３層）外径または被覆第１層外径の公差を考慮した最小値以下に設定するものであり、上記設定した隙間に被覆燃料粒子を供給して粉砕することにより、製造時及び使用済み燃料の被覆燃料粒子から、燃料核を回収するに際し、燃料核を粉砕することなく、被覆層だけを破砕することが出来る。
即ち、ロータリーディスク方式の粉砕機によって、機械的に粉砕するとき、ロータリーディスクのディスク間ギャップを燃料核の直径の公差を考慮した最大値より大きく、且つ少なくとも耐酸化性能を有する被覆層のうちの最内側被覆層（図１の場合は被覆第３層）の、望ましくは第１層外径の公差を考慮した最小値より小さく設定することにより、確実に被覆層だけが破砕され、燃料核は粉砕されることがないため、粉砕機の消費動力の抑制、設備の汚染拡大の抑制、ＭＵＦの低減を達成できる効果を有する。
また、このようにギャップが設定できるためには被覆燃料粒子を設計する際に、第１層外径の公差を考慮した最小値が、燃料核の直径の公差を考慮した最大値より大きく設定することにより、前述の被覆層破砕が容易な被覆燃料粒子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における被覆燃料粒子の１例を示す断面図である。
【図２】被覆燃料粒子を用いた燃料要素の形状の各例を示し、（イ）は球状、（ロ）は中空円筒状、（ハ）は円柱状である。
【図３】燃料核回収のフロー図である。
【図４】ロータリーディスク粉砕機による粉砕状況を示す説明図である。
【図５】被覆層破砕を容易にした被覆燃料粒子の１例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  燃料核
２  被覆第１層
３  被覆第２層
４  被覆第３層
５  被覆第４層
６  被覆燃料粒子
７  黒鉛マトリックス
８  燃料要素
９，１０  ロータリーディスク
Ｌ  ディスク間の隙間
Ｄ  燃料核直径
ｄ  被覆第１層外径
【図１】
0003569659.tif 000004
【図２】
0003569659.tif 000005
【図３】
0003569659.tif 000006
【図４】
0003569659.tif 000007
【図５】
0003569659.tif 000008