(57)【要約】【課題】  濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子から成る燃料の被覆燃料粒子間の温度差を小さくして被覆燃料粒子の熱的、機械的影響をなくしてその破損を回避し、また黒鉛マトリックスの熱膨張量のさも小さくして燃料の割れを防止する。【解決手段】  濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子１２Ｈ、１２Ｌから成り、濃縮度が高い被覆燃料粒子１２Ｈの燃料核の直径を濃縮度が低い被覆燃料粒子１２Ｌの燃料核の直径よりも小さくして濃縮度が異なっても被覆燃料粒子の表面温度を接近し又は等しくする。これによって被覆燃料粒子間の温度差がなくなり、局部的な高温の領域の発生を防止することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子から成る高温ガス炉用燃料において、濃縮度が高い被覆燃料粒子の燃料核の直径を濃縮度が低い被覆燃料粒子の燃料核の直径よりも小さくしたことを特徴とする高温ガス炉用燃料。
【請求項２】
請求項１に記載の高温ガス炉用燃料であって、前記被覆燃料粒子の燃料核の直径は、濃縮度が異なる被覆燃料粒子の表面温度が等しくなるように設定されることを特徴とする高温ガス炉用燃料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料コンパクト又はペブルベッド型燃料の如き高温ガス炉用燃料に関し、更に詳細に述べると、濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子を有する高温ガス用燃料の改良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で健全性を維持する黒鉛で構成し、炉心を冷却するために、高温下でも化学反応が起こることがないヘリウムガスを冷却ガスとして用いているので、固有の安全性が高く、約９００℃の高い出口温度のヘリウムガスを回収して、この高温熱を発電、水素製造、化学プラント等の幅広い分野で利用することができる。
【０００３】
この高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミック状に焼結した直径が約３５０−６５０ミクロンの燃料核の周囲に炭素又は炭化珪素等のセラミックス層を被覆して形成された被覆燃料粒子を基本構造としている。
【０００４】
高温ガス炉に一般的に用いられる被覆燃料粒子は、４層の被覆層を有している。第一層は、密度が約１ｇ／ｃｍ３の低密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状の核分裂生成物（ＦＰ）のガス溜めとしての機能と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とを併せ持っている。第二層は、密度が約１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状ＦＰの保持機能を有する。第三層は、密度が約３．２ｇ／ｃｍ３の炭化珪素（ＳｉＣ）の被覆であり、これは、固体ＦＰの保持機能を有すると共に、被覆の主要な補強部材としての機能を有する。最後に、第四層は、第二層と同様に、密度が約１．８ｇ／ｃｍ３の高密度熱分解炭素の被覆であり、これは、ガス状ＦＰの保持機能と第三層の保護層としての機能を有する。
【０００５】
一般的な被覆燃料粒子は、約５００−１０００ミクロンの直径を有する。この被覆燃料粒子は、黒鉛マトリックス中に分散させた後、一定形状の燃料コンパクトの形態に成型加工され、この燃料コンパクトの一定数量を黒鉛筒に入れ、上下を栓で閉じて燃料棒とされる。この燃料棒は、六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に差し込まれて高温ガス炉の燃料となる。多数個の六角柱型黒鉛ブロックをハニカム配列に多段に重ねて炉心を構成している。
【０００６】
高温ガス炉の燃料は、一般的には、次のようにして製造される。まず、酸化ウラン粉末を硝酸に溶かして硝酸ウラニル原液とし、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を作る。増粘剤は、滴下された硝酸ウラニル原液の滴液が落下中にそれ自体の表面張力で真球状になるようにするために添加される。このような増粘剤としては、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、例えば、ポリビニールアルコール樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズ等を使用することができる。このように調製された滴下原液は、所定の温度に冷却されて粘度が調整された後、細径の滴下ノズルを振動させる等の方法を用いてアンモニア水中に滴下される。
【０００７】
滴液は、アンモニア水溶液表面に着水するまでの空間でアンモニアガスを吹き付けて表面をゲル化させることによって着水時の変形が防止される。硝酸ウラニルは、アンモニア水中でアンモニアと充分に反応させ、重ウラン酸アンモニウムの粒子となる。この粒子は、大気中で焙焼され三酸化ウラン粒子となり、更に還元焼結されて高密度のセラミック二酸化ウランの燃料核となる。
【０００８】
この燃料核は、流動床に装荷され、この流動床内に供給される反応ガス（被覆ガス）が熱分解されて燃料核の上に被覆が施される。第一層の低密度熱分解炭素は、約１４００℃でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を熱分解して被覆される。第二層及び第四層の高密度熱分解炭素は、約１４００℃でプロピレン（Ｃ３Ｈ６）を熱分解して被覆される。第三層のＳｉＣは、約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を熱分解して被覆される。このように4層の被覆が施されて被覆粒子燃料が得られる。
【０００９】
一般的な燃料コンパクトは、黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックスを被覆燃料粒子の表面にコーティングし、中空又は中実の円筒形にプレス成型又はモールド成型により成型してグリーンコンパクトを形成し、その後、このグリーンコンパクトを熱処理してこのグリーンコンパクト内に含まれるバインダー（フェノール樹脂）を炭化し、更に、これに別の熱処理を施してコンパクト内に含まれるガス成分を除去して得られる。
【００１０】
一方、ペブルベッド型燃料は、被覆燃料粒子に中性子減速材となる黒鉛材を混合した後、これらを球状の一次モールド内に装填しプレスして一次球（コア）を形成し、その後この一次球（コア）と黒鉛粉末を同様に球状の二次モールド内に装填し、この二次モールドを一次プレスよりも高い圧力でプレスしてコアの外側にシェルが形成され一次球よりも直径が大きい球状燃料(グリーンボール）を形成し、更に、この球状燃料を真球にするために表面研削し、最後に予備焼成、本焼成等の熱処理工程を経て得られる。
【００１１】
最近、燃料の高燃焼度化や燃料製造コストの低減化を目的として、被覆燃料粒子の濃縮度を高くし、更に濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子を混合させたコンパクト型又はペブルベッドの形態の高性能燃料を形成し、この高性能燃料の混合比を変えることによってコンパクト又はペブルの実効濃縮度を調節することが検討されている。このような高性能燃料は、初期濃縮度を高くして高燃焼度化を図り、また濃縮度の種類を従来よりも少なくして濃縮度の管理の手間を減少することによって被覆燃料粒子の製造を容易にすることができる。
【００１２】
この高性能燃料は、図２に示すように、１つの燃料内に濃縮度が異なる被覆燃料粒子１２Ｈ、１２Ｌが混在し、被覆燃料粒子の表面温度は、濃縮度が高いほど高くなるので、高い濃縮度の被覆燃料粒子１２Ｈ同士が接近すると、燃料内に図２の符号ＨＡで示すように、局部的に高温の領域（ホットスポット）が生じる。このような領域が生じると、燃料内の被覆燃料粒子が熱的、機械的に破損し、また黒鉛マトリックスの熱膨張量の違いが発生して燃料に割れが生ずるので、このように燃料内に高い濃縮度の被覆燃料粒子が接近することを回避しなければならない。
【００１３】
しかし、濃縮度の異なる複数の被覆燃料粒子を均一に分布させることは、製造技術上極めて困難であり、従って燃料の熱的、機械的な破損を生ずることがないようにすることが難しかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明が解決しようとする課題は、濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子を有する燃料内の被覆燃料粒子の熱的、機械的な破損を生ずることがなく、また燃料自体に割れが生ずることがなく、安価に製造することができる高温ガス炉用燃料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の課題解決手段は、濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子から成る高温ガス炉用燃料において、濃縮度が高い被覆燃料粒子の燃料核の直径を濃縮度が低い被覆燃料粒子の燃料核の直径よりも小さくしたことを特徴とする高温ガス炉用燃料を提供することにある。
【００１６】
本発明の課題解決手段において、好ましくは、被覆燃料粒子の燃料核の直径は、濃縮度が異なる被覆燃料粒子の表面温度が等しくなるように設定される。
【発明の効果】
【００１７】
このように、濃縮度が高い被覆燃料粒子の燃料核の直径を濃縮度が低い被覆燃料粒子の燃料核の直径よりも小さくすると、濃縮度が異なる被覆燃料粒子の表面温度が接近し又は等しくなるので、局部的に高温となる領域が生ずることがなく、従って被覆燃料粒子が熱的、機械的に破損することがなく、また黒鉛マトリックスの熱膨張量の違いを発生ることがないので、燃料に割れが生ずることがない。
【００１８】
また、高い濃縮度の被覆燃料粒子が接近することがないように、被覆燃料粒子の分布を考慮する必要がないので、製造が面倒となることはなく、燃料を安価に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】
【００１９】
本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に述べると、図１は、本発明に係わる高温ガス炉用燃料１０を示し、図示の形態では、燃料１０は、中実の燃料コンパクト１０Ｃであるのが示されているが、球状のペブルベッド型燃料であってもよい。
【００２０】
既に述べたように、この燃料コンパクト１０Ｃは、黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス１４を被覆燃料粒子１２の表面にコーティングし、円筒形に成型し、その後熱処理して得られる。
【００２１】
本発明の燃料コンパクト１０Ｃは、濃縮度が異なる複数の種類の被覆燃料粒子１２Ｈ、１２Ｌを有し、図１に示すように、濃縮度が高い被覆燃料粒子１２Ｈの燃料核の直径を濃縮度が低い被覆燃料粒子１２Ｌの燃料核の直径よりも小さくしている。
【００２２】
燃料核の直径が小さいと、燃料核１個当たりのウラン量が少なくなるので、核分裂反応により発生する熱量も少なくなり、また燃料核の中心と冷却材と接触する黒鉛マトリックス１４までの距離が短くなるので、冷却効率が向上し、従って燃料核、即ち被覆燃料粒子１２の表面温度が下がる。
【００２３】
このように、濃縮度が高く温度が高くなる被覆燃料粒子１２Ｈの燃料核の直径を小さくし、濃縮度が低く温度が低くなる被覆燃料粒子１２Ｌの燃料核の直径を大きくすると、濃縮度が異なっても高い濃縮度の被覆燃料粒子１２Ｈの表面温度と低い濃縮度の被覆燃料粒子１２Ｌの表面温度との差が小さくなり、従って濃縮度が高い被覆燃料粒子１２Ｈが接近していても燃料コンパクト１０Ｃ内に局部的に温度が高くなる領域が生ずることがない。
【００２４】
このため、燃料コンパクト内の被覆燃料粒子が熱的、機械的に破損することがないし、また黒鉛マトリックス１４の熱膨張量の違いを生ずることがなく、従ってコンパクト燃料１０Ｃに割れが生ずることがない。
【００２５】
理想的には、被覆燃料粒子１２Ｈ、１２Ｌの燃料核の直径は、濃縮度が異なる被覆燃料粒子１２Ｈ、１２Ｌの表面温度が等しくなるように設定されるのが好ましい。このようにすると、燃料コンパクト１２Ｃ内の被覆燃料粒子１２Ｈ、１２Ｌの熱的、機械的影響が全くなくなり、また黒鉛マトリックス１４の熱膨張量の差も全くなくなり、良質の燃料コンパクトを得ることができる。
【００２６】
なお、上記実施の形態では、本発明は、燃料コンパクトの形態の燃料に適用したが、ペブルベッド型燃料にも同様にして本発明を適用することができる。また、上記実施の形態では、燃料は、濃縮度が異なる高低２つの種類の被覆燃料粒子１２Ｈ、１２Ｌから成っていたが、例えば、濃縮度が異なる３つ又はそれ以上の種類の被覆燃料粒子から成っていてもよく、この場合にも、濃縮度が高いほど燃料核の直径を小さくして被覆燃料粒子間の表面温度の差を小さくするか等しくする。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によれば、濃縮度が異なっていても被覆燃料粒子の表面温度が接近するか等しくなるように燃料核の直径を調整するので、被覆燃料粒子の熱的、機械的破損を生ずることがない上に、燃料の割れを生ずることがなく、良質の燃料を提供することができるから、産業上の利用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の燃料コンパクトの概略拡大断面図である。
【図２】従来技術による燃料コンパクトの概略拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  高温ガス炉用燃料
１０Ｃ  燃料コンパクト
１２  被覆燃料粒子
１２Ｈ  濃縮度が高い被覆燃料粒子
１２Ｌ  濃縮度が低い被覆燃料粒子
１４  黒鉛マトリックス
ＨＡ  温度が高い領域
【図１】
2006300547.tif 000003
【図２】
2006300547.tif 000004