(57)【要約】      （修正有）【課題】高温ガス炉用被覆燃料粒子において、それぞれ第三層及び第四層の密度測定方法を提供する。【解決手段】高温ガス炉用被覆燃料粒子を機械的に破壊し、破壊された前記高温ガス炉用被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱し、前記加熱後に得られる残渣を硝酸溶液で処理することにより燃料核の除去された残留物の密度を浮遊沈降法により測定する。又高温ガス炉用被覆燃料粒子の体積ＶO及び質量ＷOを測定し、その後高温ガス炉用被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱することにより、第四層を除去し、その体積ＶI及び質量ＷIを測定し、式（１）により第四層の密度ＤOを算出する。  第四層の密度ＤO＝（ＷO−ＷI）/（ＶO−ＶI）・・・（１）【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料核の表面側から、低密度熱分解炭素からなる第一層、高密度熱分解炭素からなる第二層、ＺｒＣからなる第三層、及び高密度熱分解炭素からなる第四層を被覆することにより形成された高温ガス炉用被覆燃料粒子を機械的に破壊し、
破壊された前記高温ガス炉用被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱し、
前記加熱後に得られる残渣を硝酸溶液で処理することにより燃料核の除去された残留物の密度を浮遊沈降法により測定することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の第三層密度測定方法。
【請求項２】
燃料核の表面側から、低密度熱分解炭素からなる第一層、高密度熱分解炭素からなる第二層、ＺｒＣからなる第三層、及び高密度熱分解炭素からなる第四層を被覆することにより形成された高温ガス炉用被覆燃料粒子の体積ＶO及び質量ＷOを測定し、
前記体積ＶO及び質量ＷOを測定後、前記高温ガス炉用被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱することにより、前記第四層を除去し、
前記第四層が除去された高温ガス炉用被覆燃料粒子の体積ＶI及び質量ＷIを測定し、
以下の式（１）により、前記第四層の密度ＤOを算出することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の第四層密度測定方法。
第四層の密度ＤO＝（ＷO−ＷI）/（ＶO−ＶI）・・・（１）
【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第三層密度測定方法、及び高温ガス炉用被覆燃料粒子の第四層密度測定方法に関し、特に詳しくは、燃料核の表面側から、低密度熱分解炭素からなる第一層、高密度熱分解炭素からなる第二層、ＺｒＣからなる第三層、及び高密度熱分解炭素からなる第四層を被覆することにより形成された高温ガス炉用被覆燃料粒子において、それぞれ第三層、及び第四層の密度を測定することができる高温ガス炉用被覆燃料粒子の第三層密度測定方法、及び高温ガス炉用被覆燃料粒子の第四層密度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温ガス炉は、高温ガス炉用燃料を投入する炉心構造を熱容量が大きく、高温健全性の良好な黒鉛で構成している。この高温ガス炉においては、冷却ガスとして高温下でも化学反応の起こらないヘリウムガス等の気体を用いることにより、安全性が高く、出口温度が高い場合でも冷却ガスを取り出すことが可能となっている。そのため、炉心において約９００℃くらいまで上昇しても、発電はもちろん水素製造や化学プラント等、幅広い分野での安全な熱利用を可能にしている。
【０００３】
一方、この高温ガス炉に投入される高温ガス炉用燃料は、一般的に、燃料核と、この燃料核の周囲に被覆された被覆層とを備えて成る。燃料核は、例えば、二酸化ウランをセラミックス状に焼結してなる直径約３５０〜６５０μｍの微小粒子である。
【０００４】
被覆層は、４層構造を有し、燃料核表面側より、第一層、第二層、第三層、及び第四層とを備えて成る。被覆層を構成する被覆粒子の直径は、例えば、約５００〜１０００μｍである。
【０００５】
第一層は、密度が約１ｇ/ｃｍ３の低密度熱分解炭素からなり、ガス状の核分裂生成物（以下、「ＦＰ」と略す場合がある。）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有するものである。第二層は、密度が約１．８ｇ/ｃｍ３の高密度熱分解炭素からなり、ガス状ＦＰの保持する機能を有するものである。
【０００６】
第三層は、密度が約３．２ｇ/ｃｍ３の炭素珪素（以下、「ＳｉＣ」と略す場合がある。）からなり、固体ＦＰの保持する機能を有するものであり、被覆層の主要な強度材である。第四層は、第二層と同様の密度が約１．８ｇ/ｃｍ３の高密度熱分解炭素からなり、ガス状ＦＰの保持する機能を有するとともに、第三層の保護層としての機能を有するものである。
【０００７】
以上のような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硝酸ウラニル原液とする。次に、この硝酸ウラニル原液に純水、増粘剤を添加し、攪拌して滴下原液とする。調製された滴下原液は、所定の温度に冷却され粘度を調製後、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。
【０００８】
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、液滴表面をゲル化させるため、アンモニア水溶液表面到達時における変形を防止することができる。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」と略す場合がある。）となる。
【０００９】
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、三酸化ウラン粒子となる。さらに、三酸化ウラン粒子は、還元・焼結されることにより、高密度のセラミック状の二酸化ウラン粒子となる。この二酸化ウラン粒子をふるい分け、すなわち分級して、所定の粒子径を有する燃料核粒子を得る。
【００１０】
この燃料核粒子を流動床に装荷し、被覆層を形成するためのガスを熱分解して、燃料核粒子表面に被覆層を形成する。被覆層の第一層の低密度熱分解炭素の場合は、約１３００℃でアセチレンを熱分解する。また、被覆層の第二層、第四層の高密度熱分解炭素である場合は、約１４００℃でプロピレンを熱分解する。さらに、被覆層の第三層がＳｉＣである場合は、約１５００℃でメチルトリクロロシランを熱分解する。また、第三層がＺｒＣである場合は、例えば、約１５００℃で、以下の式（Ｘ１）の反応により形成される。
【００１１】
【化１】
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【００１２】
被覆層が形成され、被覆燃料粒子を形成した後、高温ガス炉用燃料は、一般的な燃料コンパクトとして成型される。この燃料コンパクトは、高温ガス炉用燃料を黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材とともに、中空円筒形等にプレス成型又はモールド成型したのち、焼成して得られる(非特許文献１〜５  参照)。
【００１３】
【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
【００１４】
上記のようにして、燃料コンパクト等を得るのであるが、これらの品質を一定に保つために、元と成る被覆燃料粒子の各層の密度を測定し、この各層の密度を品質の指標とする必要がある。
【００１５】
被覆燃料粒子の第三層がＳｉＣである場合には、被覆燃料粒子の第三層及び第四層の密度の測定は、以下のようにして行われている。被覆燃料粒子２０の第三層２３の密度の測定として、例えば、図３に示されるように、まず、燃料核３０の表面に第一層２１、第二層２２、第三層２３、第四層２４まで被覆して形成された被覆燃料粒子２０を機械的に、例えば、ハンマー等の打撃により破壊する。
【００１６】
次に、破壊された被覆燃料粒子２０を空気中で、約８００℃の条件下で、酸化させる。この操作により、炭素で構成されている第一層２１、第二層２２、及び第四層２４は、ＣＯ、ＣＯ２として気化する。一方、ＳｉＣから構成されている第三層２３は、そのままの状態を保ち、燃料核３０は、酸化することによりＵＯ２からＵ３Ｏ８となる。ＳｉＣ及びＵ３Ｏ８を硝酸溶液で煮沸すると、Ｕ３Ｏ８は溶解し、ＳｉＣのみが残存する。この残存したＳｉＣが、第三層２３の密度の検査試料として使用される。
【００１７】
残存するＳｉＣの試料の密度は、例えば、浮遊沈降法により測定される。具体的には、ヨウ化メチレン−ベンゼン等の重液を使用し、ＳｉＣの試料が、この重液中で一定時間浮遊することを確認する。この確認の後、比重瓶を使用して、重液の密度を測定する。この測定値が、ＳｉＣの試料の密度、ひいては、第三層２３の密度とされる。
【００１８】
一方、被覆燃料粒子２０における第四層２４の密度の測定としては、例えば、図４に示されるように、まず、燃料核３０の表面に第一層２１、第二層２２、第三層２３、第四層２４まで被覆して形成された被覆燃料粒子２０について、体積を例えば、比重瓶を使用して、また質量を例えば、天秤を使用して測定する。この際、測定された体積及び質量をそれぞれ、Ｖ４及びＷ４とする。
【００１９】
次に、この被覆燃料粒子２０を空気中で、約８５０℃の条件下で、焙焼することにより、被覆燃料粒子２０から第四層２４を除去する。第四層２４が除去された状態の被覆燃料粒子２０の体積及び質量を測定する。この際、測定された体積及び質量をそれぞれ、Ｖ３及びＷ３とする。以下の式（Ｘ２）により、前記第四層２４の密度Ｄ４が算出される。
【００２０】
第四層の密度Ｄ４＝（Ｗ４−Ｗ３）/（Ｖ４−Ｖ３）・・・（Ｘ２）
【００２１】
上記の方法は、被覆燃料粒子の第三層がＳｉＣである場合に適用できる方法であるが、被覆燃料粒子の第三層がＺｒＣである場合には、適用できない。適用できない理由は、被覆燃料粒子を空気中で、焙焼した場合に、ＺｒＣがＺｒＯ２へと酸化されてしまうからである。
【００２２】
例えば、第三層の密度を求めたい場合には、空気中の焙焼によれば、ＺｒＣがＺｒＯ２へと酸化されてしまうことにより、本来求めるべきＺｒＣで構成される第三層の密度が、測定不可能となる。また、第四層の密度を求めたい場合にも、ＺｒＣがＺｒＯ２へと酸化されてしまうことにより、本来求めるべきＺｒＣで構成される第三層の密度が、測定不可能となる。加えて、ＺｒＯ２となる際に体積の変形を生じるため、内部の第二層、第一層、及び燃料核も酸化されてしまうという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、このような従来の問題点を解消し、燃料核の表面側から、低密度熱分解炭素からなる第一層、高密度熱分解炭素からなる第二層、ＺｒＣからなる第三層、及び高密度熱分解炭素からなる第四層を被覆することにより形成された高温ガス炉用被覆燃料粒子において、それぞれ第三層、及び第四層の密度を測定することができる高温ガス炉用被覆燃料粒子の第三層密度測定方法、及び高温ガス炉用被覆燃料粒子の第四層密度測定方法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】
【００２４】
前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、燃料核の表面側から、低密度熱分解炭素からなる第一層、高密度熱分解炭素からなる第二層、ＺｒＣからなる第三層、及び高密度熱分解炭素からなる第四層を被覆することにより形成された高温ガス炉用被覆燃料粒子を機械的に破壊し、
破壊された前記高温ガス炉用被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱し、
前記加熱後に得られる残渣を硝酸溶液で処理することにより燃料核の除去された残留物の密度を浮遊沈降法により測定することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の第三層密度測定方法であり、
請求項２は、燃料核の表面側から、低密度熱分解炭素からなる第一層、高密度熱分解炭素からなる第二層、ＺｒＣからなる第三層、及び高密度熱分解炭素からなる第四層を被覆することにより形成された高温ガス炉用被覆燃料粒子の体積ＶO及び質量ＷOを測定し、
前記体積ＶO及び質量ＷOを測定後、前記高温ガス炉用被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱することにより、前記第四層を除去し、
前記第四層が除去された高温ガス炉用被覆燃料粒子の体積ＶI及び質量ＷIを測定し、
以下の式（１）により、前記第四層の密度ＤOを算出することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の第四層密度測定方法である。
第四層の密度ＤO＝（ＷO−ＷI）/（ＶO−ＶI）・・・（１）
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、被覆燃料粒子を機械的に破壊した後、破壊された前記被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱することにより、前記第一層、第二層、及び第四層が除去される。例えば、ＺｒＣがＺｒＯ２となるような、ＺｒＣの反応が進むことがないので、ＺｒＣをそのまま残留させることができる。そして、前記加熱後に得られる残渣を硝酸溶液で処理することにより、燃料核の酸化ウランは、例えば、硝酸ウラニルの溶液となり、燃料核を残渣から除去することができる。さらに、燃料核の除去された残留物の密度を浮遊沈降法により測定し、ＺｒＣの密度を測定することができる。
【００２６】
また、本発明によれば、前記被覆燃料粒子を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱することにより、前記第四層が除去される。例えば、ＺｒＣがＺｒＯ２となるような、ＺｒＣの反応が進むことがないので、ＺｒＣ自体が変化することがない。前記加熱は、ＺｒＣに対する影響がないので、前記加熱は、燃料核、第一層、及び第二層に対しても影響がない。したがって、第四層を除去する前と第四層を除去した後とにおける被覆燃料粒子の体積及び質量から第四層の密度を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る一例としての被覆燃料粒子の第三層密度測定方法、及び被覆燃料粒子の第四層密度測定方法について説明する。
【００２８】
本実施形態においては、図１に示されるように、測定対象となる被覆燃料粒子１は、燃料核２の表面側から、低密度熱分解炭素からなる第一層１１、高密度熱分解炭素からなる第二層１２、ＺｒＣからなる第三層１３、及び高密度熱分解炭素からなる第四層１４を被覆することにより形成されてなる。
【００２９】
以下に、第三層密度測定方法を説明する。まず、図１に示されるように、本実施形態における被覆燃料粒子１をハンマー等の打撃によって機械的に破壊する。ここで、機械的に破壊するために、化学反応を起こさないような粉砕等の手段を採用してもよい。
【００３０】
次に、破壊された被覆燃料粒子１を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱することにより、第一層１１、第二層１２、及び第四層１４を気化させて除去する。ここで、３００℃未満で被覆燃料粒子１を加熱すると、上記したような第一層１１、第二層１２、及び第四層１４を気化させる反応が起こらない場合がある。また、１８００℃を超えて被覆燃料粒子１を加熱すると、第三層１３自体にダメージが及ぶ場合がある。
【００３１】
水素雰囲気中のため、例えば、ＺｒＣがＺｒＯ２となるような、ＺｒＣの酸化反応が進むことがないので、第三層１３を構成するＺｒＣをそのまま残留させることができる。
【００３２】
図１に示されるように、残留した第三層１３及び燃料核２の成分を硝酸溶液に溶解させると、燃料核２の成分のみが硝酸溶液に溶解するので、前記第三層１３の成分、すなわちＺｒＣのみが、残留する。浮遊沈降法により残留物の密度を測定する。
【００３３】
具体的には、ヨウ化メチレン−ベンゼン等の重液を使用し、残留物が、この重液中で一定時間浮遊するように重液の濃度を変化させる。例えば、残留物が、沈んだ場合には、ヨウ化メチレン及びベンゼンのいずれか一方を加えていき、重液の濃度を変化させる。重液の濃度が変化することにより、残留物の浮力が変化し、残留物が浮遊するようになる。
【００３４】
一方残留物が、重液の液面に浮いたままの場合には、ヨウ化メチレン及びベンゼンのいずれか他方を加えていき、重液の濃度を変化させる。重液の濃度が変化することにより、残留物の浮力が変化し、残留物が沈むようになる。
【００３５】
以上のようにして、残留物が、重液中で一定時間浮遊した際の、重液を取り出し、この重液を、比重瓶を使用して、重液の密度を測定する。この測定値が、ＺｒＣの密度とされる。
【００３６】
次に、被覆燃料粒子の第四層密度測定方法を説明する。図２に示されるように、まず、被覆燃料粒子１の体積ＶO及び質量ＷOを測定する。体積を測定する際に、例えば、ピクノメータ等を使用することができる。また質量を測定する際に、例えば、天秤等を使用することができる。
【００３７】
次に、体積ＶO及び質量ＷOを測定後、被覆燃料粒子１を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱する。この加熱により、第四層１４が炭化水素、例えば、メタン等となって気化し、被覆燃料粒子１から除去される。ここで、３００℃未満で被覆燃料粒子１を加熱すると、上記したような第四層１４を気化させる反応が起こらない場合がある。また、１８００℃を超えて被覆燃料粒子１を加熱すると、第三層１３自体が反応してしまう場合がある。
【００３８】
第四層１４が除去された被覆燃料粒子１の体積ＶI及び質量ＷIを測定し、
以下の式（１）により、第四層１４の密度ＤOを算出する。
【００３９】
第四層１４の密度ＤO＝（ＷO−ＷI）/（ＶO−ＶI）・・・（１）
【００４０】
ここで、被覆燃料粒子１を水素雰囲気中で、３００〜１８００℃に加熱することにより、前記第四層１４が除去される。この際、第三層１３のＺｒＣ自体が変化することがない。前記加熱は、ＺｒＣに対する影響がないので、前記加熱は、燃料核２、第一層１１、及び第二層１２に対しても影響がない。したがって、第四層１４を除去する前と第四層１４を除去した後とにおける被覆燃料粒子１の体積及び質量から第四層の密度を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、第三層の密度を測定する前に行う試料の前処理手順を示す概略図である。
【図２】図２は、第四層の密度を測定する前に行う試料の前処理手順を示す概略図である。
【図３】図３は、従来行われていた第三層の密度を測定する前に行う試料の前処理手順を示す概略図である。
【図４】図４は、従来行われていた第四層の密度を測定する前に行う試料の前処理手順を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４２】
１    被覆燃料粒子
２    燃料核
１１    第一層
１２    第二層
１３    第三層
１４    第四層
２０    被覆燃料粒子
２１    第一層
２２    第二層
２３    第三層
２４    第四層
３０    燃料核
【図１】
2006329848.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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