(57)【要約】【課題】本発明は、ひびまたは変形がなく、不純物を含まない燃料核を製造することのできる高温ガス炉用燃料核の製造方法を提供することを、その課題とする。【解決手段】課題を解決するための本発明における手段は、反応容器内において、還元性ガスの存在下で、４００〜６００℃に加熱して、ウラン１モルに対する酸素のモル比が２よりも大きい酸化ウラン粒子を二酸化ウラン粒子に還元させる還元工程と、前記反応容器内に除去ガスを導入することにより、または前記還元工程で発生した水蒸気を凝縮して取り出すことにより、前記還元工程で発生した水蒸気を前記反応容器から除去した後に、前記反応容器内で前記二酸化ウラン粒子を焼結させる焼結工程とを有してなることを特徴とする高温ガス炉用燃料核の製造方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応容器内において、還元性ガスの存在下で、４００〜６００℃に加熱して、ウラン１モルに対する酸素のモル比が２よりも大きい酸化ウラン粒子を二酸化ウラン粒子に還元させる還元工程と、前記反応容器内に除去ガスを導入することにより、または前記還元工程で発生した水蒸気を凝縮して取り出すことにより、前記還元工程で発生した水蒸気を前記反応容器から除去した後に、前記反応容器内で前記二酸化ウラン粒子を焼結させる焼結工程とを有してなることを特徴とする高温ガス炉用燃料核の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉用燃料核の製造方法に関し、さらに詳しくは、ひびまたは変形が発生することなく、しかも、不純物を含有しない高温ガス炉用燃料核を製造することのできる高温ガス炉用燃料核の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１〜５によると、高温ガス炉用燃料核（以下、本明細書において、単に、燃料核と称することがある。）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および増粘剤等を添加し、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。
【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、三酸化ウラン粒子および八酸化三ウラン粒子等の二酸化ウラン粒子以外の酸化ウラン粒子（以下、本明細書において、ＵＯ２＋Ｘ粒子と称することがある。）となる。さらに、ＵＯ２＋Ｘ粒子を還元させて、二酸化ウラン粒子を得、この二酸化ウラン粒子を焼結させることにより、高密度のセラミック状の二酸化ウラン粒子からなる燃料核となる。
【０００５】
しかし、前記還元は、約４００℃で進行し始め、前記焼結は、約８００℃で進行し始める。したがって、あまり高温で還元すると、還元と焼結が同時に起こり、その結果、ひびまたは変形を有する燃料核が形成されることがある。
【０００６】
また、前記焼結は、約１９００℃で行われるため、還元および焼結には、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属で形成された反応容器が用いられている。
【０００７】
しかし、このような反応容器を用いた場合、前記還元時に発生した水蒸気が反応容器内に残存した状態で（図２参照）、この反応容器を加熱して二酸化ウラン粒子を焼結すると、反応容器を形成する高融点金属と水蒸気とが反応して、昇華性を有する金属酸化物を生成してしまう。この金属酸化物は、反応容器内に存在する未焼結状態の二酸化ウラン粒子の表面から侵入し（図３参照）、その結果、焼結して得られた燃料核中に、前記金属酸化物が金属に変化した状態で含有されることがある。
【０００８】
【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」初版  ２２１−２４７頁、日刊工業新聞社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、前記問題を解決するために、ひびまたは変形がなく、不純物を含まない燃料核を製造することのできる高温ガス炉用燃料核の製造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】
【００１０】
前記課題を解決するための本発明における手段は、反応容器内において、還元性ガスの存在下で、４００〜６００℃に加熱して、ウラン１モルに対する酸素のモル比が２よりも大きい酸化ウラン粒子を二酸化ウラン粒子に還元させる還元工程と、前記反応容器内に除去ガスを導入することにより、または前記還元工程で発生した水蒸気を凝縮して取り出すことにより、前記還元工程で発生した水蒸気を前記反応容器から除去した後に、前記反応容器内で前記二酸化ウラン粒子を焼結させる焼結工程とを有してなることを特徴とする高温ガス炉用燃料核の製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、４００〜６００℃に加熱して還元を行うので、ＵＯ２＋Ｘ粒子の還元および二酸化ウラン粒子の焼結が同時に進行することがないので、ひびまたは変形のない高温ガス炉用燃料核を製造することができる。また、還元終了後に、反応容器内に存在する水蒸気を完全に除去し、その後、前記二酸化ウラン粒子を焼結することにより、金属酸化物の生成をなくして、不純物を含まない純度の高い高温ガス炉用燃料核を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に本発明に係る高温ガス炉用燃料核の製造方法が実施可能な製造装置の一例を示す。
【００１３】
本発明に係る高温ガス炉用燃料核の製造方法においては、反応容器内を還元性ガスで、還元雰囲気にした後に、４００〜６００℃に加熱することにより、ウラン１モルに対する酸素のモル比が２よりも大きい酸化ウラン粒子を二酸化ウラン粒子に還元する。
【００１４】
ここで、ウラン１モルに対する酸素のモル比が２よりも大きい酸化ウラン粒子としては、例えば、三酸化ウラン粒子および八酸化三ウラン粒子等の二酸化ウラン粒子以外の酸化ウラン粒子（ＵＯ２＋Ｘ粒子）を挙げることができる。
【００１５】
本発明に係る高温ガス炉用燃料核の製造方法においては、図１に示される反応容器１としては、通常、高融点金属が用いられ、前記高融点金属としては、タングステン、モリブデン、レニウム、オスミウム、タンタル、ニオブ、イリジウム、ルテニウムおよびハフニウム等の融点が２２００℃を超える金属またはこれらのうち２種以上からなる合金を挙げることができ、通常、タングステンまたはモリブデン製の反応容器が用いられる。
【００１６】
前記反応容器１内に重ウラン酸アンモニウム粒子を大気中で焙焼して得られるＵＯ２＋Ｘ粒子を入れた後、この反応容器１内に還元性ガスを導入して、反応容器１内を還元雰囲気にする。
【００１７】
前記還元性ガスとしては、通常、水素ガスが用いられる。また、ＵＯ２＋Ｘ粒子を還元させるのに十分な濃度範囲内であれば、前記水素ガスを窒素ガス、ヘリウムガスまたはアルゴンガス等の不活性ガスで希釈して調整した混合ガスを用いてもよい。
【００１８】
前記還元性ガスは、図１に示すように、ガス排出管３に設けられた弁ｂを閉じた状態でガス導入管２に設けられた弁ａを開いて、反応容器１内に十分に導入され、その後、還元性ガスの導入を停止して、前記弁ａを閉じてから加熱手段４により反応容器１を加熱するようにしてもよいし、また、反応容器１を加熱手段４で加熱している間、弁ｂを開いたままガス導入管２から反応容器１内に連続的に導入されていてもよい。
【００１９】
前記反応容器内を還元雰囲気にした後、加熱手段を用いて前記反応容器を加熱する。このときの加熱温度としては、４００〜６００℃であるのが好ましい。
【００２０】
前記加熱温度が４００℃より低いと、ＵＯ２＋Ｘ粒子の還元が起こらないことがあり、一方、前記加熱温度が６００℃よりも高いと、ＵＯ２＋Ｘ粒子の還元とＵＯ２＋Ｘ粒子の還元により生成した二酸化ウラン粒子の焼結が同時に起こり、その結果、ひびまたは変形を有する燃料核（高温ガス炉用燃料核）が製造されることがある。
【００２１】
また、加熱時間としては、前記反応容器で処理されるＵＯ２＋Ｘ粒子の量にもよるが、通常、１〜１０時間であり、より好ましくは３〜７時間である。
【００２２】
前記加熱手段としては、公知の加熱装置が用いられ、例えば、電気炉等を挙げることができる。
【００２３】
本発明に係る高温ガス炉用燃料核の製造方法において反応容器の材料として用いられている高融点金属は、水または水蒸気等と反応して金属酸化物を生成することがあるので、前記還元終了後、還元反応で生成した水蒸気を反応容器から除去する必要がある。
【００２４】
水蒸気を除去する方法としては、（１）反応容器内に除去ガスを導入して、反応容器内から水蒸気を完全に追い出すことにより除去する方法、または（２）反応容器外部に凝縮手段を配置して、反応容器内の温度を１００℃以下に冷却して、反応容器内に存在する水蒸気を凝縮させて水として取り出すことにより除去する方法等を挙げることができる。
【００２５】
前記（１）の方法で用いられる除去ガスとしては、水素ガス等の還元性ガス、窒素ガス、ヘリウムガスまたはアルゴンガス等の不活性ガスまたは還元性ガスと不活性ガスとからなる混合ガス等を用いることができる。
【００２６】
前記（１）の方法を用いると、例えば、図１において、還元終了後、ガス導入管２に設けられた弁ａおよびガス排出管３に設けられた弁ｂを開いて、前記ガス供給管２から除去ガスを反応容器１内に導入することにより、水蒸気とガス排出管３内を通して反応容器１から放出させることができる。
【００２７】
前記（１）の方法は、反応容器内の温度が１００℃よりも高い場合に用いられるのが好ましい。前記温度が１００℃になると反応容器内の水蒸気が凝縮し始めて、水が生成してしまい、その結果、前記（１）の方法と前記（２）の方法とを併用することになり、作業効率が悪くなることがある。
【００２８】
また、反応容器へ導入する前記除去ガスの流速としては、前記反応容器内の水蒸気を完全に除去することができる限り、特に制限はないが、０．１〜１．２ｌ／ｍｉｎであるのが好ましい。
【００２９】
前記（２）の方法は、反応容器内の温度を１００℃以下に冷却した後に用いられるのが好ましく、さらに、５０℃以下に冷却した後に用いられるのが好ましい。
【００３０】
前記（２）の方法を用いると、例えば、図１において、還元終了後、反応容器１下部に設けられた凝縮手段５により、反応容器１内を冷却し、反応容器１内に存在する水蒸気を凝縮させて得られた水を排水管６に設けられた弁ｃを開いて、前記排水管６から排出することにより、反応容器１内から水蒸気を除去することができる。
【００３１】
前記凝縮手段としては、例えば、水冷式凝縮器、空冷式凝縮器等を挙げることができる。
【００３２】
以上の方法により反応容器内から水蒸気を除去することにより、還元時に生成した水蒸気と反応容器の材料として用いられている高融点金属とが反応することはなく、したがって、金属酸化物が生成することもないので、燃料核に含有されることがなく、純度の高い燃料核を得ることができる。
【００３３】
本発明に係る高温ガス炉用燃料核の製造方法においては、前記（１）または（２）の方法の何れかにより、反応容器内から水蒸気を除去した後に、この反応容器を加熱して、二酸化ウラン粒子を焼結する。
【００３４】
前記加熱する温度としては、二酸化ウラン粒子を焼結することができる限りにおいて、特に制限はないが、通常、１２００〜１９００℃で焼結が行われる。
【００３５】
このようにして得られた燃料核は、その表面に被覆層を施され、燃料コンパクトとして製造される。ここで、被覆層は、上記燃料核を流動床に装荷し、被覆層を形成するためのガスを熱分解して、燃料核表面に形成される。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の場合は、約１４００℃でプロピレンを熱分解する。さらに、被覆層の第三層のSiCの場合は、約１５００℃でメチルトリクロロシランを熱分解する。
【００３６】
さらに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またはモールド成型したのち、焼成して得られる。
【実施例】
【００３７】
下部に空冷式凝縮器を備える円筒形状のタングステン製反応容器（断面直径２５ｃｍ×高さ５０ｃｍ）を用いた。この反応容器内にＵＯ２＋Ｘを入れた後、さらにこの反応容器に水素ガスを注入してから、この反応容器を６００℃に加熱し、３時間還元させた。還元終了後、反応容器内の温度を４００℃に冷却し、空冷式凝縮器の設定温度を５０℃に調節して、反応容器内の水蒸気を凝縮して、水として反応容器から排出した。次いで、反応容器を１５００℃に加熱し、２時間焼結させて、燃料核を得た。
【００３８】
得られた燃料核を公知の金属顕微鏡により、燃料核中の不純物の有無を確認したところ、燃料核内に不純物は、確認されなかった（図４参照）。なお、図４は、本実施例により得られた燃料核を裁断して、金属顕微鏡にて観察して得られた写真である。また、図５は、従来の方法により得られた燃料核を裁断して、金属顕微鏡にて観察して得られた写真である。すなわち、図４によれば、燃料核に不純物は確認できなかったが、図５によれば、燃料核に白い斑点が確認されたので、燃料核中に不純物が存在することがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、本発明に係る高温ガス炉用燃料核の製造方法を実施するための高温ガス炉用燃料核製造装置の一例を示す図である。
【図２】図２は、従来の高温ガス炉用燃料核の製造方法を用いて、還元および焼結を行った後の反応容器内の状態を示す図である。
【図３】図３は、反応容器内の水蒸気が反応容器を形成する高融点金属と反応して生成した金属酸化物が二酸化ウラン粒子に侵入する過程を示す図である。
【図４】図４は、本実施例により得られた燃料核を裁断して、金属顕微鏡にて観察して得られた写真である。
【図５】図５は、従来の方法により得られた燃料核を裁断して、金属顕微鏡にて観察して得られた写真である。
【符号の説明】
【００４０】
１  反応容器
２  ガス導入管
３  ガス排出管
４  加熱手段
５  凝縮手段
６  排水管
７  不純物を含まない二酸化ウラン粒子
８  不純物を含有する二酸化ウラン粒子
９  還元工程により発生した水蒸気
１０  焼結前の二酸化ウラン粒子
１１  タングステン製反応容器
ａ、ｂ、ｃ  弁
【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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