(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料粒子の原料粒子を異なる複数のガス雰囲気下で連続的に加熱し焼結する連続焼結炉であって、加熱手段を有する複数の筒状の炉心管を各々が軸を中心に回転するよう設置すると共に、これら炉心管を単位として、各炉心管に上記各異なる雰囲気ガスを夫々供給可能となし、これら各炉心管を、上記各雰囲気ガスを夫々の炉心管の間で遮断する雰囲気切り替え部を介して連結せしめ、かつ一端の炉心管から他端の炉心管へ上記原料粒子を順次移送せしめる移送手段を設けたことを特徴とする核燃料粒子の連続焼結炉。
【請求項２】
上記雰囲気切り替え部が、隣接する炉心管と夫々連通する前室と後室とに分割されてなり、これら各室の隔壁に、炉心管の原料粒子を後続の炉心管まで送り込むノズル状の抽送部が形成された請求項１記載の核燃料粒子の連続焼結炉。
【請求項３】
上記炉心管を回転自在に支持するベアリング部と、炉心管を傾倒自在に支持する回転軸受け部とが、炉心管と雰囲気切り替え部との間に介設されてなり、これらベアリング部と回転軸受け部とに夫々保護ガスを流す流路が形成され、雰囲気ガスの洩れや外部空気の流入を防止した請求項１または２記載の核燃料粒子の連続焼結炉。
【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される核燃料粒子の連続焼結炉に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子力発電用高温ガス炉（ＨＴＲ）等では、１ｍｍ前後の粒状に形成した二酸化ウラン等の核燃料粒子を燃料核として、その周囲に高密度炭素や低密度炭素、あるいはＳｉＣ等を多層に被覆せしめた被覆粒子燃料が使用される。また、燃料ペレットの替わりに核燃料粒子を充填した燃料棒も考えられている。
【０００３】
上記核燃料粒子は量産化はされていないので連続焼結の報告はなく、現在はバッチ型で、釜状の焼結炉内に粒子を収容する焼結皿を多段に積層したベッド方式で焼結されている。
この核燃料粒子の焼結を連続化する場合は、円柱状のペレット型燃料と同じ方式を用いるとすれば、焼結ボート内に原料粒子を入れて、この焼結ボートが複数の異なる雰囲気中を通過するように移送しながら焼結を行うことになるが、粒子同士が焼結時にボート上で固着することが考えられるため、多量の粒子をボート上で一度に処理することができない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は叙上の如き実状に対処し、新規な構成の焼結炉を開発することにより、多量の核燃料粒子を異なる雰囲気下で連続的に焼結することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、上記目的に適合する本発明の核燃料粒子の焼結炉の特徴は、核燃料粒子の原料粒子を異なる複数のガス雰囲気下で連続的に加熱し焼結する連続焼結炉であって、加熱手段を有する複数の筒状の炉心管を各々が軸を中心に回転するよう設置すると共に、これら炉心管を単位として、各炉心管に上記各異なる雰囲気ガスを夫々供給可能となし、これら各炉心管を、上記各雰囲気ガスを夫々の炉心管の間で遮断する雰囲気切り替え部を介して連結せしめ、かつ一端の炉心管から他端の炉心管へ上記原料粒子を順次移送せしめる移送手段を設けたところにある。
【０００６】
また、上記本発明の連続焼結炉において、上記雰囲気切り替え部を隣接する炉心管と夫々連通する前室と後室とに分割し、これら各室の隔壁に、炉心管の原料粒子を後続の炉心管まで送り込むノズル状の抽送部を形成することも可能である。
そしてさらに、上記炉心管を回転自在に支持するベアリング部と、炉心管を傾倒自在に支持する回転軸受け部とを、炉心管と雰囲気切り替え部との間に介設し、これらベアリング部と回転軸受け部とに夫々保護ガスを流す流路を形成して、雰囲気ガスの洩れや外部空気の流入を防止することも可能である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、焼結の対象が球状の微小粒子であり、通常軽水炉用の原子燃料として使用される円柱状のペレットと異なり、転がり易く、かつ粒子同士が衝突してもエネルギーが小さく割れにくいところに注目したものである。
【０００８】
図７は外部ゲル化法による核燃料粒子の代表的製造工程であり、アンモニア水中でゲル化して得られたＡＤＵ沈澱粒子は洗浄後、乾燥→仮焼→焼結の加熱工程を得る。これらの加熱の条件は、ゲル化助剤の量や分解特性、処理量によって異なる。
例えば、
（１）ゲル化助剤の量が多く、比較的高温で分解するもの
有機物の分解によって生じるカーボンや灰分を有効に除去するためには、空気中の加熱によって焼結することにより炉外に排出する必要がある。
（２）ゲル化助剤の量が少なく、比較的低温で分解するもの
還元雰囲気中、かつ低温では、分解した有機物はカーボン又は気化しやすい低級な有機物となる。その全体量が少なければ、通気量を多くしたり、排気までの温度を比較的高く保持することにより炉外へ排出することができる。
【０００９】
また、最後の焼結工程も通常の還元雰囲気での加熱や、酸化・還元雰囲気での加熱がある。
これらを考えると次の様な例が考えられる。
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【００１０】
（イ）はゲル化剤量が少なく、炉の排気能力に充分余裕がある場合の例であり、（ロ）はゲル化剤量が多く、焼結前に充分除去しておく必要がある場合の例である。また、（ハ）は粗大な結晶粒を有するＵＯ２  を得るための低温・酸化・還元焼結の例である。
これらの各工程を連続で実施する場合、各工程間の雰囲気の縁切り方法が重要な課題となる。現在、ＵＯ２  ペレットを連続焼結で製造するときに使用されているプッシャー型炉では、上記雰囲気の縁切り方法としては雰囲気境界にキャリヤーガスを流すガスカーテン方式がある。核燃料粒子でもこの方法は適用できるが、前述したように処理量が少量化する時などは、高速のガスを流す必要があるため、焼結ボート上においては微小粒子では吹き飛ぶ恐れがある。
【００１１】
本発明は、核燃料粒子のように流動性の高い物質を連続して異なる雰囲気で加熱処理する場合に適用できる炉についてのものである。
【００１２】
【実施例】
以下さらに添付図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
【００１３】
図１は本発明実施例の核燃料粒子の連続焼結炉を示す全体図であり、例えば異なる雰囲気での加熱が４段で行われる場合の例を示している。
【００１４】
図において、１はフィーダー、２は投入部、３は炉心管回転用駆動装置、４は回転伝達装置、５は加熱用ヒーター、６は炉心管、７は雰囲気切り替え部、８は取出し部、９は振動篩等の分級装置、１０は試料受け、１１，１２，１３はボールバルブ等の仕切り弁を夫々示している。
【００１５】
また、１４は各雰囲気切り替え部７の保護ガスの系路、１５，１６は前記各雰囲気ガスの入口と出口を夫々示している。なお、この例では上記雰囲気ガスを試料（原料粒子）の流れと逆方向に流し、後述するノズル２１の作用と合わせ、異なる炉心管６において雰囲気ガスが混合しにくいようにしている。
【００１６】
原料粒子としての試料Ｓは、前記フィーダー１から投入部２を経た後、移送手段として各々が傾斜しかつ回転する炉心管６に供給され、やがて取出し部８へ至り、分級装置９により選別されて級別に試料受け１０に入る。
【００１７】
一方、図２は雰囲気切り替え部７の構造を示す断面図であり、前段の炉心管６の後部はスペーサー１７と結合されており、このスペーサー１７を介して、後に詳述する回転軸受け部１９に回転自在に嵌合されている。１８は取外し自在な位置決めスペーサーである。
雰囲気切り替え部７は仕切り壁２７により前室２０と後室２２とに別けられている。試料Ｓは、仕切り壁２７を貫通しかつ後段の炉心管６′へ伸びる、抽送部としてのノズル２１により運ばれる。後段の炉心管６′は、回転伝達装置４と結合されたスペーサー２５と結合されており、駆動装置３により回転するようになっている。
【００１８】
この炉心管６′もまた回転軸受け部２６により回転自在に結合されている。なお、２３は前段の炉心管６の雰囲気ガスの入口であり、２４は後段の炉心管６′の雰囲気ガスの出口である。
【００１９】
他方、図３は炉心管前部の回転軸受け部１９の詳細を示す断面図であり、この回転軸受け部１９は雰囲気切り替え部７の函体に設けられた球面凹部２８と嵌合されており、後述する炉心管６の交換時に、立体的かつ制限された炉心管６の傾倒を可能とする。また、炉心管６の回転は、ベアリング部３９′によって支持されており、この実施例においては、これらのスライド面からの雰囲気ガスの洩れ、あるいは外部からの空気の流入に対して、保護ガスを入口２９より流入させるようになっている。
【００２０】
上記保護ガスはＮ２  やＡｒ等の不活性ガスからなり、回転軸受け部１９，球面凹部２８の円周にそって設けられた流路３０、３２によって、図３の矢印に示す如く軸受け前面に流れるようになっている。また、上記保護ガスは、炉心管６のスライド面に向かってあけられた１本又は複数の流路３１にそって上記スライド面に流入し、函体内及びベアリング部３９′へ流れ、雰囲気ガスの漏れや外部からの気体の流入を防ぐ。なお、実施例においては、ベアリング部等へ用いられる油膜を保護するために冷却部３３を設け、冷却水を流すようにしてある。
【００２１】
図４は炉心管６の後部における回転軸受け部を示す断面図である。
この回転軸受け部２６は、基本的には炉心管前部の回転軸受け部１９と同じであり、雰囲気切り替え部７の函体に設けられた球面凹部３４と嵌合されており、立体的で制限された炉心管６の傾倒を可能にしている。なお、炉心管６の回転はベアリング部３９により支持されている。
【００２２】
このベアリング部３９と前記ベアリング部３９′との相違は、ベアリング部３９′の場合は軸方向の圧縮加重（炉心管の傾斜による重力や熱膨張による力）を想定しなければならないときに図３に示した如く２段にする必要があるが、ベアリング部３９の場合はこれが必要ないことである。
ただし、ベアリング部３９′の場合も、軸方向の圧縮加重がない場合は、ベアリング部３９と同じ構成とすることができる。
【００２３】
上記ベアリング部３９において、保護ガスは入口３５から流入し、孔３６を経て球面軸受け部へ、さらに孔３７、３８を経てスライド部やベアリング部、函体内へ流入する。なお、図４における４０は冷却部である。
【００２４】
次に図５を参照し、上記実施例の連続焼結炉のメンテナンスとして、炉心管６の取り替えについて説明する。
Ｐｕ等の放射性物質を取り扱う装置の場合、遠隔作業が要求されることが多い。上記本発明焼結炉においても、このような場合を想定すると、炉心管の取り替えは、マジックハンド等を用いて簡便に取り替えを行えることが要求される。すなわち、通常の炉心管６の傾き（θ＝〜５°）を超えて、θを大きくとれるように回転軸受け部１９の可動範囲を立体的な炉心管の傾斜を可能として、同図のθ方向の動きが可能になる。
【００２５】
順に説明すると、まず、図２に示した着脱可能なスペーサー１８を取り外すことにより、炉心管６を図５に示す矢印Ａ方向に移動させることができ、これによって図４に示した炉心管６の上流側の結合を外すことができる。しかるのち、炉心管６を傾けて矢印Ｂ方向へ引き出すことにより、この炉心管６を取り外すことができる。
【００２６】
また、新しい炉心管６をセットする場合にはこの逆の操作を行えば良い。このような取り替え方法を考慮する場合、例えば、ヒーター部５は、上下の２分割方式にすれば作業は極めて楽になる。
【００２７】
次に、ノズル２１先端の断面形状は図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すような種々の形が考えられるが、その断面積としては、ガスの逆流を考慮すると出来るかぎり小さい方が望ましいが、試料Ｓの流れ等を考えると炉心管断面積の１／５〜１／１０程度が望ましい。また、開口部高さＨは、試料の径の１．２〜１．５倍前後が望ましい。下限の１．２倍は製品径のばらつきによって決まるが、１．５倍を超えると、試料粒子の安息角度等にもよるが、多段に積み重なり閉塞を生じやすくなる。
【００２８】
また、ノズル２１の開孔部の位置は同図のように炉心管６の下部に位置する方法もあるが、使用する雰囲気ガスの軽重・温度差・ガスの混入の許容度の違い等により上部に位置する場合もあり、それぞれのケースによって選択されるものである。
【００２９】
雰囲気ガスの流れは、図１に示す如く、それぞれの雰囲気ガスの経路１５、１６のバルブ４１等を調整することによって適正な流れを得ることができる。
【００３０】
しかして、上記本発明実施例の連続焼結炉において、例えば、図１に示す系を用いて、前記した（ロ）方式の実験を行った場合を想定した。
炉心管：内径約３０ｍｍ、加熱長各７００ｍｍ、傾きθ１〜２°、加熱段数４段、
原料：乾燥ＡＤＵ球、
ノズル断面形状：  図６（Ｂ）、炉心管との面積比  １／８、
第一段：空気中加熱５００℃、第二段：Ｈ２  ／Ｎ２  加熱５００℃、第三段：Ｏ２  ／Ｎ２  （ＰＯ２  、５０ｐｐｍ）加熱１０５０℃、第四段：Ｈ２  ／Ｎ２  加熱１０５０℃
の条件で焼結を行う場合、各炉心管内圧は：
Ｐ・第３段（酸化）＞Ｐ・第２段（還元）≒Ｐ・第１段
Ｐ・第３段（酸化）＞Ｐ・第４段（還元）
で、良好なバランスがとれるように雰囲気ガス流を調整して流す。
これは、酸化性ガスは酸化雰囲気および還元雰囲気に多少リークしても影響はないが、還元性ガスが酸化雰囲気内に混入すると焼結に影響が生じるためである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の核燃料粒子の連続焼結炉は、加熱手段を有する複数の筒状の炉心管を各々が軸を中心に回転するよう設置すると共に、これら炉心管を単位として、各炉心管に異なる雰囲気ガスを夫々供給可能となし、これら各炉心管を、上記各雰囲気ガスを夫々の炉心管の間で遮断する雰囲気切り替え部を介して連結せしめ、かつ一端の炉心管から他端の炉心管へ上記原料粒子を順次移送せしめる移送手段を設けたものであり、焼結ボートやガスカーテンを用いないことから粒子が吹き飛ぶことがなく、また回転する炉心管内で粒子の流動化を図れることから粒子同士の固着が生じず、さらに炉心管の数を調整することにより多様な雰囲気を任意の順序で設定しうる等、粒子燃料の連続焼結を問題なく行わしめるとの顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の粒子燃料の連続焼結炉を示す全体図である。
【図２】同実施例の雰囲気切り替え部を示す断面図である。
【図３】炉心管後部の連結を示す断面図である。
【図４】炉心管前部の連結を示す断面図である。
【図５】炉心管の取り外し時の状態を示す断面図である。
【図６】（Ａ）ノズルの先端部の形状を示す断面図である。
（Ｂ）ノズル先端部の他の形状を示す断面図である。
（Ｃ）ノズル先端部のさらにまた他の形状を示す断面図である。
【図７】外部ゲル化法による核燃料粒子の製造工程図である。
【符号の説明】
１  フィーダー
２  投入部
３  炉心管回転駆動装置
４  回転伝達装置
５  加熱用ヒーター
６、６′炉心管
７  雰囲気切り替え部
８  取出し部
９  分級装置
１０  試料受け
１１、１２、１３  仕切り弁
１４  保護ガスの系路
１５、２３  雰囲気ガスの入口
１６、２４  雰囲気ガスの出口
１７、２５  スペーサー
１８  位置決めスペーサー
１９、２６  回転軸受け部
２０  前室
２１  ノズル
２２  後室
２７  仕切り壁
２８、３４  球面凹部
２９、３５  保護ガスの入口
３０、３１、３２  保護ガスの流路
３３  冷却部
３４  球面凹部
３６、３７、３８  孔
３９、３９′  ベアリング部
４０  冷却部
４１  バルブ
Ｓ  試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003598158.tif 000008
【図７】
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