(57)【要約】【課題】本発明は、高濃度のウラン原料から真球度の高い重ウラン酸アンモニウム粒子を製造することのできる重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置を提供することを、その課題とする。【解決手段】本発明の課題を解決するための手段は、硝酸ウラニルを高濃度に含有する硝酸ウラニル含有原液をアンモニア水溶液中に滴下する滴下ノズルと、前記アンモニア水溶液を貯留し、前記アンモニア水溶液中に存在する粒子を排出する傾斜部を備えて成る臨界安全形状の反応槽と、前記傾斜部に対向する位置に設けられ、前記アンモニア水溶液に前記傾斜部に進行する波を発生させる造波器とを有することを特徴とする重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
硝酸ウラニルを高濃度に含有する硝酸ウラニル含有原液をアンモニア水溶液中に滴下する滴下ノズルと、前記アンモニア水溶液を貯留し、前記アンモニア水溶液中に存在する粒子を排出する傾斜部を備えて成る臨界安全形状の反応槽と、前記傾斜部に対向する位置に設けられ、前記アンモニア水溶液に前記傾斜部に進行する波を発生させる造波器とを有することを特徴とする重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１〜５によると、高温ガス炉用燃料は、一般的に以下のような工程を経て製造される。まず、酸化ウランの粉末を硝酸に溶かして、硝酸ウラニル溶液とする。次に、この硝酸ウラニル溶液に純水及び増粘剤等を添加し、攪拌して硝酸ウラニル含有原液とする。調製された硝酸ウラニル含有原液は、所定の温度に冷却され、粘度を調製した後、細径の滴下ノズルを用いてアンモニア水溶液に滴下される。
【０００３】
このアンモニア水溶液に滴下された液滴は、アンモニア水溶液表面に達するまでの間に、アンモニアガスを吹きかけられる。このアンモニアガスによって、液滴表面がゲル化され、これにより、アンモニア水溶液表面到達時における変形が防止される。アンモニア水溶液中における硝酸ウラニルは、アンモニアと十分に反応し、重ウラン酸アンモニウム粒子（以下、「ＡＤＵ粒子」と略する場合がある。）となる。
【０００４】
この重ウラン酸アンモニウム粒子は、乾燥された後、大気中で焙焼され、二酸化ウランよりも酸素を多く含み、酸素：ウランのモル比が２を超える酸化ウラン、例えば、三酸化ウランとなり、さらに還元及び焼結されることにより、高密度のセラミックス状の二酸化ウラン粒子となる。この二酸化ウラン粒子を篩い分け、すなわち分級して、所定の粒子径を有する燃料核を得る。
【０００５】
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。被覆層は、燃料核表面から第一層、第二層、第三層、および第四層を被覆することにより形成されている。第一層の低密度炭素の場合は、約１４００℃でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を熱分解して得られる。第二層および第四層の高密度熱分解炭素の場合は、約１４００℃でプロピレン（Ｃ３Ｈ６）を熱分解して得られる。第三層のＳｉＣの場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を熱分解して得られる。
【０００６】
一般的な燃料コンパクトは、以上のようにして得られた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、中空円筒形状または円筒形状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。
【０００７】
【非特許文献１】Ｓ．Ｋａｔｏ  ”Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＨＴＴＲ  Ｆｉｒｓｔ  Ｌｏａｄｉｎｇ  ｆｕｅｌ”，ＩＡＥＡ-ＴＥＣＤＯＣ-１２１０，１８７  （２００１）
【非特許文献２】Ｎ．Ｋｉｔａｍｕｒａ  ”Ｐｒｅｓｅｎｔ  ｓｔａｔｕｓ  ｏｆ  ｉｎｉｔｉａｌ  ｃｏｒｅ  ｆｕｅｌ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ＨＴＴＲ”  ＩＡＥＡ−ＴＥＣＤＯＣ−９８８，３７３（１９９７）
【非特許文献３】林  君夫、”高温工学試験研究炉の設計方針、製作性及び総合的健全性評価”ＪＡＥＲＩ−Ｍ  ８９−１６２（１９８９）
【非特許文献４】湊  和生、”高温ガス炉燃料製造の高度技術の開発”ＪＡＥＲＩ−Ｒｅｓｅａｃｈ  ９８−０７０（１９９８）
【非特許文献５】長谷川正義、三島良績  監修「原子炉材料ハンドブック」昭和５２年１０月３１日発行  ２２１−２４７頁、日刊工業新聞社
【０００８】
一方、ウランなどの核燃料物質を使用して核燃料を製作する場合、臨界事故を防ぐための方法としては、一般的に、取り扱うウラン量を臨界質量以下とする「質量制限」と、ウラン量には関係なく臨界が生じない形状・寸法内でウランを取り扱う「形状制限」とが挙げられる。
【０００９】
「質量制限」の場合には、濃縮度１０％以下のウランに対する取扱最大量は、９．６ｋｇであり、濃縮度２０％以下のウランに対する取扱最大量は、４．０ｋｇである。したがって、各製造工程におけるバッチサイズは、これらの値以下にする必要がある。さらに、安全性の観点から、誤って２重装荷した場合を考慮すると、各製造工程におけるバッチサイズは、これらの値の１/２以下にする必要がある。そのため、核燃料の生産性は悪くなり、量産設備に対する臨界管理方法として適しているとはいえない。
【００１０】
一方、「形状制限」の場合には、ウランの濃縮度や形状によって規定される大きさも異なってくる。例えば、濃縮度１０％以下のウランに対する収納設備の大きさが、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で１９．８ｃｍ以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで８．３ｃｍ以下である。
【００１１】
また、濃縮度２０％以下のウランに対する収納設備の大きさが、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で１７．４ｃｍ以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで６．７ｃｍ以下である。
【００１２】
これらの収納設備で取り扱うウランの量には制限がないため、「形状制限」は、量産設備に対する臨界管理方法としては好ましい。しかしながら、上記したように、高濃縮度のウランになるに従い、「形状制限」での寸法制限値は小さくなるため、燃料核を製造する設備は、細長い円筒形状や薄い平板状にならざるを得ない。
【００１３】
例えば、調製された硝酸ウラニル含有原液をアンモニア水溶液に滴下する工程において、アンモニア水溶液中で、アンモニアと硝酸ウラニルが十分に反応し、ＡＤＵ粒子が生成される。ここで、生成されたＡＤＵ粒子は、上側にＡＤＵ粒子が積載されていくため、変形を起こす。そのため、ＡＤＵ粒子の真球度が悪くなるという問題点があった。
【００１４】
このＡＤＵ粒子の真球度が悪くなるという問題点を解決するために、アンモニア水溶液中で循環流を発生させることにより、ＡＤＵ粒子をアンモニア水溶液中で、流動させ、ＡＤＵ粒子同士が重なり合うことのないようにする技術が提案されている。
【００１５】
しかしながら、高濃度のウランを原料とする場合には、収納設備が細長い円筒形状や薄い平板状にならざるを得ないので、この上昇流を発生させる技術を適用しようとしても、ＡＤＵ粒子を十分に流動させることができない。したがって、ＡＤＵ粒子が変形することにより真球度が悪くなるという問題は解決されていない。
【００１６】
また、従来の重ウラン酸アンモニウム粒子の製造は、バッチ方式で行われていた。連続運転可能なＡＤＵ粒子製造装置は開発されておらず、ＡＤＵ粒子を量産することは困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、前記問題を解決すべく、高濃度のウラン原料から真球度の高いＡＤＵ粒子を製造することのできる重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置を提供することを、その課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の前記課題を解決するための手段は、硝酸ウラニルを高濃度に含有する硝酸ウラニル含有原液をアンモニア水溶液中に滴下する滴下ノズルと、前記アンモニア水溶液を貯留し、前記アンモニア水溶液中に存在する粒子を排出する傾斜部を備えて成る臨界安全形状の反応槽と、前記傾斜部に対向する位置に設けられ、前記アンモニア水溶液に前記傾斜部に進行する波を発生させる造波器とを有することを特徴とする重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置は、高濃度のウラン原料から真球度の高いＡＤＵ粒子を製造することができる。造波器を設けることにより、アンモニア水溶液中で液滴を上下動させる。液滴は上下動を繰り返しながらアンモニア水溶液中を下降していき、やがて反応槽の底面に達する。したがって、液滴が反応槽の底面に達するまでに、液滴とアンモニア水溶液との接触時間を長くすることができ、硝酸ウラニルとアンモニアとを十分に反応させることができる。反応槽の底面に傾斜部を設けることにより、反応槽内のアンモニア水溶液の量を一定に保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置（以下、「ＡＤＵ粒子製造装置」と称する場合がある。）を、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
本発明のＡＤＵ粒子製造装置を図１に示す。なお、本発明のＡＤＵ粒子製造装置は、図１に示されるものに限られることはない。
【００２２】
図１に示されるＡＤＵ粒子製造装置１は、反応槽２、滴下ノズル３、造波器４およびアンモニア水溶液供給部５を備えてなる。
【００２３】
前記反応槽２には、アンモニア水溶液が貯留されている。この反応槽２の上方に配置された滴下ノズル３から前記アンモニア水溶液に硝酸ウラニル含有原液が滴下される。アンモニア水溶液中でアンモニアと硝酸ウラニルとが反応し、アンモニア水溶液中に滴下された液滴ｂの表面から内部に向けて徐々に重ウラン酸アンモニウムが形成され、液滴ｂはＡＤＵ粒子ａになる。
【００２４】
前記反応槽２は、耐熱性および耐腐食性を有する槽であればよく、矩形の鉛直方向断面を有する。前記反応槽２の深さ寸法は小さく、反応槽２の底面に傾斜部６が設けられ、前記傾斜部６に連続するように排出路７が設けられている。
【００２５】
前記反応槽２は、その深さ寸法を小さくすることにより、臨界安全形状を維持している。前記深さ寸法は、濃縮度１０％以下のウランを取り扱う場合は、８．３ｃｍ以下、濃縮度２０％以下のウランを取り扱う場合は、６．７ｃｍ以下にしなければならない。
【００２６】
前記反応槽２は傾斜部６を有しているので、アンモニア水溶液中で形成されたＡＤＵ粒子ａをアンモニア水溶液の波とともに、容易に反応槽２外に排出することができ、反応槽２から流出したアンモニア水溶液は、アンモニア水溶液供給部５より供給されるため、反応槽２におけるアンモニア水溶液の量を一定に維持することができる。
【００２７】
図１に示されるＡＤＵ粒子製造装置１においては、反応槽２の上部は開口しているが、滴下ノズル３が配置される箇所に対応する部分のみ開口した密閉型の反応槽であってもよい。
【００２８】
前記傾斜部６における斜面６ａの勾配の角度θは、５〜３０度であるのが好ましい。また、前記反応槽２の底面に対する傾斜部６の頂点の高さは、形状制限から決まる寸法制限値以下で粒子を反応槽２の外に排出するために必要な高さ、例えば、１ｃｍを考慮して決定されなければならない。
【００２９】
前記滴下ノズル３は、前記反応槽２の上方に配置される。滴下ノズル３の一端開口部は反応槽２に貯留されたアンモニア水溶液の表面に対向するように配置される。そして、他端開口部は原液供給路（図示せず）に接続し、前記原液供給路は原液貯留槽（図示せず）に接続している。原液貯留槽に貯留された硝酸ウラニル含有原液は、原液供給路を通って滴下ノズル３に至り、滴下ノズル３の一端開口部からアンモニア水溶液中へ滴下される。
【００３０】
前記滴下ノズル３の形状および大きさとしては、特に制限はないが、通常、断面円形のノズルが用いられる。前記滴下ノズル３の断面が円形である場合、その内径は、０．２〜３ｍｍであるのが好ましい。
【００３１】
また、前記滴下ノズル３は、一本であっても複数本であってもよい。硝酸ウラニル含有原液を滴下する際には、振動器（図示せず）を滴下ノズル３に取り付けて、滴下ノズル３を硝酸ウラニル含有原液の滴下方向および／または滴下方向に対する直交方向に振動させるようにすることもできる。
【００３２】
前記造波器４は、前記反応槽２の傾斜部６に対向する位置に設けられ、反応槽２内のアンモニア水溶液に前記傾斜部６に進行する波を発生させる。前記造波器４で発生する波の振幅は、５０〜２００ｃｍであるのが好ましく、その周波数は、０．５〜２Ｈｚであるのが好ましい。
【００３３】
このような波をアンモニア水溶液に発生させることにより、アンモニア水溶液中に滴下された液滴がアンモニア水溶液中で上下動しながら徐々に反応槽２の傾斜部６に移動する。すなわち、アンモニア水溶液と液滴ｂとの接触時間を長くすることができ、液滴ｂの内部までアンモニアと硝酸ウラニルとを十分に反応させることができるとともに、ＡＤＵ粒子ａが積載され、上部側のＡＤＵ粒子ａの重量で下部側のＡＤＵ粒子ａが変形し、真球度が悪化するという問題を解決することができる。
【００３４】
また、排出路７から排出され、ＡＤＵ粒子ａと分別して回収したアンモニア水溶液は、アンモニア水溶液供給部５により、反応槽２の内部へ戻される。
【００３５】
ここで、アンモニア水溶液供給部５は、排出路７と、反応槽２の造波器４の設置された側とを液体を供給可能に接続されてなる。具体的には、アンモニア水溶液供給部５は、供給路５Ａと、循環ポンプ５Ｂとを備えてなる。供給路５Ａは、排出路７と反応槽２の造波器４の設置された側とを接続する配管である。また、循環ポンプ５Ｂは、供給路５Ａの途中に設けられ、供給路５Ａ内のアンモニア水溶液を、排出路７から反応槽２の造波器４の設置された側へと供給する。
【００３６】
このようにすれば、ＡＤＵ粒子製造装置１のアンモニア水溶液を有効に利用することができ、ＡＤＵ粒子製造装置１から排出されるアンモニア水溶液の量を減らすことができるので、環境への負荷を軽減することができる。
【００３７】
また、アンモニア水溶液供給部５には、アンモニア水溶液を貯留するアンモニア水溶液貯留槽（図示せず）を介して設けられていてもよい。
【００３８】
このようにすれば、排出路７から排出され、ＡＤＵ粒子ａと分別して回収したアンモニア水溶液は、アンモニア水溶液供給部５により、反応槽２の内部へ戻される際に、前記アンモニア水溶液貯留槽（図示せず）によって、アンモニア水溶液の濃度を調節することができる。そうすると、反応槽２における反応によって希薄になったアンモニア水溶液を所定の濃度にして、供給路５Ａから反応槽２へ導入することができるので、反応により消費されたアンモニア量に相当する量を補うことができ、反応槽２内のアンモニア水溶液濃度を一定に維持することができて、都合がよい。
【００３９】
前記排出路７から排出されたＡＤＵ粒子ａとアンモニア水溶液とは、それぞれ分別回収される。分別回収されたＡＤＵ粒子ａは、乾燥工程、焙焼工程および焼結工程を経て燃料核になる。
【００４０】
本発明のＡＤＵ粒子製造装置１を用いて、以下のようにＡＤＵ粒子ａを製造することができる。
【００４１】
原液貯留槽に硝酸ウラニル含有原液を投入する。
【００４２】
前記硝酸ウラニル原液は、酸化ウランと硝酸とを混合して得られる硝酸ウラニルに水溶性ポリマーを添加し、次いで純水を添加することにより粘度を調節して調製される。
【００４３】
前記酸化ウランとしては、二酸化ウラン、三酸化ウランまたは八酸化三ウラン等を挙げることができ、特に八酸化三ウランが好ましい。
【００４４】
前記水溶性ポリマーとしては、ポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと略する。）、ポリアクリル酸ナトリウム及びポリエチレンオキシド等の合成ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、及びエチルセルロース等のセルロース系ポリマー、可溶性でんぷん、及びカルボキシメチルでんぷん等のでんぷん系ポリマー、デキストリン、及びガラクタン等の水溶性天然高分子等を挙げることができる。
【００４５】
これら各種の水溶性ポリマーは、その一種を単独で使用されても、また、それらの二種以上が併用されていても良い。これらの中でも、水溶性ポリマーとして前記合成ポリマーが好ましく、特にポリビニルアルコールが好ましい。
【００４６】
まず、反応槽２に所定濃度、所定量のアンモニア水溶液を収容する。そして造波器４を作動させ、反応槽２内のアンモニア水溶液に傾斜部６の方向への流れを生じさせる。次に、滴下ノズル３に所定の硝酸ウラニル含有原液を流通させ、反応槽２内でアンモニア水溶液に、滴下ノズル３より硝酸ウラニル含有原液の液滴ｂを滴下する。
【００４７】
なお、図示は略すが、滴下された各々の液滴ｂに対して、適宜アンモニアガスを吹きかけるようにしてもよい。このようにすれば、液滴ｂの表面ではゲル化が進み、アンモニア水溶液表面に衝突する際の液滴ｂの変形を抑制することができる。
【００４８】
アンモニア水溶液中に滴下された各液滴ｂは、反応槽２内のアンモニア水溶液中を浮遊し、このアンモニア水溶液より、アンモニアを吸収する。そして、各液滴ｂは、表面だけでなく、内部までもゲル化が進み、ＡＤＵ粒子ａへと反応が進む。
【００４９】
なお、反応槽２から排出され、アンモニア水溶液と分別されたＡＤＵ粒子ａは、乾燥して、その後、所定の条件で焙焼、還元・焼結の各工程を経て、二酸化ウラン粒子となる。
【００５０】
本発明におけるＡＤＵ粒子製造装置１は、図１に示される装置に限られることはなく、本発明の目的を達成することができる範囲内において、適宜、設計変更等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明における重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    ＡＤＵ粒子製造装置
２    反応槽
３    滴下ノズル
４    造波器
５    アンモニア水溶液供給部
５Ａ    供給路
５Ｂ    循環ポンプ
６    傾斜部
６ａ    斜面
７    排出路
ａ    ＡＤＵ粒子
ｂ    液滴
【図１】
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