(57)【要約】【課題】  被覆層の厚さや密度の不均一化や、燃料核や被覆燃料粒子の破損等が生じ難く、被覆燃料粒子の直径や密度を安定化する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置を得る。【解決手段】  二酸化ウランを焼結した燃料核の表面にガス状核分裂生成物のガス溜め及び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を有する第１被覆層と、ガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、固体核分裂生成物の保持機能と被覆層の主な強度部材としての機能とを有する第３被覆層と、ガス状核分裂生成物の保持機能と第３被覆層の保護層としての機能とを有する第４被覆層とを施す流動床反応装置を備えた製造装置において、第１〜第４被覆層を形成させる被覆ガスを、流動床反応装置の反応領域に供給する前に、流動床反応装置の排熱により加熱する熱交換手段を備えたもの。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、低密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物のガス溜め及び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を有する第１被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、炭化珪素からなり固体核分裂生成物の保持機能と被覆層の主な強度部材としての機能とを有する第３被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能と第３被覆層の保護層としての機能とを有する第４被覆層との計４層の被覆層を施す流動床反応装置を備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置において、
前記第１〜第４被覆層を形成させる被覆ガスを、前記流動床反応装置の反応領域に供給する前に、前記流動床反応装置の排熱により加熱する熱交換手段を備えたことを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置。
【請求項２】
前記熱交換手段として、前記流動床反応装置の外殻部内に配備した反応領域に供給される被覆ガス配管を備えたことを特徴とする請求項１に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置。
【請求項３】
前記被覆ガス配管が、前記流動床反応装置の外殻部内で螺旋状、又は、左右又は上下にシグザグ状に配備されていることを特徴とする請求項２に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置に関し、被覆燃料粒子の製造に使用するアルゴンガスや水素ガス等の流動ガス及びアセチレンガスやプロピレンガス等の被覆原料ガスを製造装置内で加熱すると共に、ヒーターからの熱により加熱した製造装置本体の冷却を同時に可能にすることを特徴とする流動床反応装置の工夫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健全性が良好な黒鉛で構成すると共に、冷却ガスとして高温下でも化学反応が起こらないＨｅガス等を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度のＨｅガスを取出すことが可能であり、約９００℃の高温熱は、発電はもちろんのこと水素製造や化学プラント等、幅広い分野での熱利用を可能にするものである。
【０００３】
高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径３５０〜６５０μｍの燃料核の周囲に４層の被覆を施したものである。４層の被覆の内、第１層は密度約１ｇ／ｃｍ３ の低密度熱分解炭素で、ガス状の核分裂生成物（ＦＰ）のガス溜めとしての機能及び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を併せ持つものである。第２層は密度約１．８ｇ／ｃｍ３ の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能を有する。第３層は密度約３．２ｇ／ｃｍ３ の炭化珪素（以下、ＳｉＣと称す）で固体ＦＰの保持機能を有するとともに、被覆層の主要な強度部材である。第４層は、第２層と同様の密度約１．８ｇ／ｃｍ３ の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能とともに第３層の保護層としての機能も持っている。
【０００４】
一般的な被覆燃料粒子の直径は５００〜１０００μｍである。つぎに、被覆燃料粒子は黒鉛マトリックス中に分散させた後、一定形状を持つ燃料コンパクトに成型加工される。更に、燃料コンパクトは黒鉛でできた筒に一定数量入れられ、上下に栓をし、燃料棒となる。最終的に燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に入れられ、高温ガス炉の燃料となる。また、この六角柱型黒鉛ブロックを多数個、ハニカム配列に複数段重ねて高温ガス炉の炉心を構成している。
【０００５】
高温ガス炉の燃料は、一般的に以下のような工程を経て製造される。まず、酸化ウラン粉末を硝酸に溶解し、硝酸ウラニル原液とする。この硝酸ウラニル原液に純水、増粘剤を加えて撹拌することにより滴下原液とする。増粘剤は、滴下された硝酸ウラニルの液滴が落下中に自身の表面張力により真球状になるように添加される。増粘剤としては、例えばポリビニルアルコール樹脂、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、ポリエチレングリコ−ル、メトローズなどを挙げることができる。
【０００６】
上記のように調整された滴下原液は所定の温度に冷却され粘度を調整した後、細径の滴下ノズルを振動させることによりアンモニア水中に滴下される。また、液滴は、アンモニア水溶液に着水するまでの空間でアンモニアガスを吹きつけて表面をゲル化させることにより、着水時の変形が防止される。アンモニア水中で硝酸ウラニルは重ウラン酸アンモニウムの粒子となる。重ウラン酸アンモニウム粒子は、大気中で焙焼され、三酸化ウラン粒子となり、さらに還元・焼結されることにより高密度のセラミック状二酸化ウランからなる燃料核となる。
【０００７】
この燃料核を流動床に装荷し、被覆ガスを熱分解させることにより被覆を施す。第１層の低密度炭素の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を、第２層及び第４層の高密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ３Ｈ６）を、第３層の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。
【０００８】
一般的な燃料コンパクトは、被覆燃料粒子を黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材とともに中空円筒形または円筒形にプレス成型またはモールド成型した後、焼成して得られる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−２８４０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、これら高温ガス炉燃料の中の被覆燃料粒子を製造する装置で、二酸化ウラン燃料核に第１層の低密度炭素層から第４層の高密度熱分解炭素層までを連続被覆する流動床反応装置の工夫に関するものである。
【００１０】
従来の流動床反応装置では、粒子の流動用に使用されるアルゴンガスや水素ガス等の流動ガスと被覆層の原料として使用されるアセチレンガスやプロピレンガス等の被覆原料ガス（以下、流動ガス及び被覆原料ガスを総称して「被覆ガス」と記す）は、任意の流量に調整された後、被覆ガス配管を通って二酸化ウランからなる燃料核が装荷された反応領域に流入する。
【００１１】
このとき、被覆ガスが運ばれる配管や被覆ガスが貯蔵されている貯蔵容器及び貯蔵庫には温度を調節するための装置が特別に設置されておらず、外気温や貯蔵庫及び流動床が設置されている部屋の室温等の影響により、被覆ガスの温度が日毎又は季節毎に不均一である。
【００１２】
また、反応領域は、被覆原料ガスの熱分解のため、１４００〜１６００℃に加熱されており、被覆ガスと反応領域の温度差が大きい。これらにより、反応領域内の温度に影響を受ける被覆層の厚さや密度の不均一化が生じると共に、高温に加熱された燃料核や被覆燃料粒子に低温の被覆ガスが接触するために、燃料核や被覆燃料粒子の破損が生じるという課題があった。
【００１３】
本発明は、被覆層の厚さや密度の不均一化が生じることが無く、燃料核や被覆燃料粒子の破損が生じ難く、被覆燃料粒子の直径や密度を安定化することを可能とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
請求項１に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置は、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、低密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物のガス溜め及び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を有する第１被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、炭化珪素からなり固体核分裂生成物の保持機能と被覆層の主な強度部材としての機能とを有する第３被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能と第３被覆層の保護層としての機能とを有する第４被覆層との計４層の被覆層を施す流動床反応装置を備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置において、
前記第１〜第４被覆層を形成させる被覆ガスを、前記流動床反応装置の反応領域に供給する前に、前記流動床反応装置の排熱により加熱する熱交換手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１５】
請求項２に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置は、請求項１に記載の熱交換手段として、前記流動床反応装置の外殻部内に配備した前記反応領域に供給される被覆ガス配管を備えたことを特徴とするものである。
【００１６】
請求項３に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置は、請求項２に記載の被覆ガス配管が、前記流動床反応装置の外殻部内で螺旋状、又は、左右又は上下にシグザグ状に配備されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は以上説明した通り、反応領域に流入する被覆ガスを加熱し、被覆ガスの温度安定化を図ることができ、被覆層の厚さや密度の不均一化が生じることが無く、燃料核や被覆燃料粒子の破損が生じ難くなり、被覆燃料粒子の直径や密度を安定化することを可能とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置を得ることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明においては、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、低密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物のガス溜め及び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を有する第１被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能を有する第２被覆層と、炭化珪素からなり固体核分裂生成物の保持機能と被覆層の主な強度部材としての機能とを有する第３被覆層と、高密度熱分解炭素からなりガス状核分裂生成物の保持機能と第３被覆層の保護層としての機能とを有する第４被覆層との計４層の被覆層を施す流動床反応装置を備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置において、前記第１〜第４被覆層を形成させる被覆ガスを、前記流動床反応装置の反応領域に供給する前に、前記流動床反応装置の排熱により加熱する熱交換手段を備える。これにより、被覆ガスの温度安定化を図ることができ、被覆燃料粒子の直径や密度を安定化することができる。
【００１９】
本発明の熱交換手段としては、反応領域に供給される前の被覆ガスを、流動床反応装置の排熱により加熱するものであればよい。例えば、流動床反応装置から排出される熱を一旦蓄熱させて、被覆ガスを反応領域に供給する前に蓄熱させた熱量を与えて加熱するものであってもよいし、流動床反応装置内部の熱を排除する排熱系に付随させて排熱系の熱を受け渡すものであってもよいし、反応領域に供給される被覆ガスの配管自体を流動床反応装置から排出される熱で温めてもよい。後者の配管自体を工夫する構成の方が装置が簡略に済む利点がある。
【００２０】
従って、好ましい一実施態様としては、熱交換手段として、前記流動床反応装置の外殻部内に配備した反応領域に供給される被覆ガス配管を備える。即ち、被覆ガス配管は外郭部内に配備されて流動床反応装置内部の熱によって配管内部の被覆ガスが加熱されればよい。より具体的には、少なくとも流動床反応装置内部の反応領域を取り巻く外郭部に被覆ガス配管を配して、反応領域から装置外部へ排出される熱を有効利用して、冷却水等の排熱容量を低減する。
【００２１】
更に好ましい一実施態様としては、熱交換効率を上げるために、被覆ガス配管が、前記流動床反応装置の外殻部内で螺旋状、又は、左右又は上下にシグザグ状に配備されているものである。
【実施例】
【００２２】
図１は本発明における高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置を構成する流動床反応装置の一実施例の構成を示す説明図である。図に示す通り、本発明における流動床反応装置１１は、外殻部１２内に被覆ガスが流れる被覆ガス配管１３が設けられている。従来では、冷却水等により排熱されていたヒーター１４を熱源とする熱を利用して被覆ガスを加熱し、燃料核や被覆燃料粒子が装荷されている反応領域１５に供給される。また、従来では、冷却水等の排熱手段により排熱されていた熱は、被覆ガスの加熱にも使用されるため、冷却水等の排熱容量を低減できる。
【００２３】
ここで、流動床反応装置の外殻部内に設けられた被覆ガス配管１３は、被覆ガスの加熱や流動床反応装置の排熱温度分布が均一化するために、流動床外殻部内で均等且つ長距離に配置されていることが好ましく、螺旋状の配置や、左右又は上下にシグザグ状に配備されているもの等が選択可能である。
【００２４】
また、被覆ガスの流入口１６は、流動床外殻部の被覆ガス配管１３の配置や流動床外の被覆ガスの貯蔵庫やメーター類等の配置によって最適な部位に設置すれば良く、設置位置については限定しない。
【００２５】
本実施例における流動床反応装置１１を用いて二酸化ウラン燃料核に第１層から第４層までの被覆層を連続被覆し、直径のばらつきが小さい被覆燃料粒子を得た。流動床の外殻部１２に設置された被覆ガス配管１３は、内径φ２０ｍｍとし、被覆ガス配管１３間の間隔３０ｍｍで反応領域１５の全周を覆う流動床外殻部１２を螺旋状に流れる配置とした。
【００２６】
以上のように、本発明の流動床反応装置を含む高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置により、反応領域に流入する被覆ガスを加熱し、被覆ガスの温度安定化を図ることが出来、被覆燃料粒子の直径や密度を安定化することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明における高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置を構成する流動床反応装置の一実施例の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２８】
１１…流動床反応装置、
１２…外殻部、
１３…被覆ガス配管、
１４…ヒーター、
１５…反応領域、
１６…流入口、
【図１】
2006242694.tif 000003