(57)【要約】【課題】  大きなスペースを必要とすることなく、またダイスやパンチの温度、パンチの駆動を容易に設定することができる燃料コンパクトの製造装置を提供すること。【解決手段】  ダイス２０の型窪２０Ｖに被覆燃料粒子を含む燃料コンパクトの原料Ｍを装填し、型窪２０Ｖ内にパンチ３０を押し込んで加圧成型して燃料コンパクトＦを製造する。型窪２０Ｖは、円盤状のダイス２０の周面に開口するように周方向に間隔をあけて設けられている切欠きの形態を有する。各型窪２０Ｖ内に原料Ｍを順次装填した後、この型窪２０Ｖ内に相応するパンチ３０を差し込み、ダイス２０とダイス２０の周面に接近して設けられたカム４０ＳＡ付き円弧面４０Ｓを有するパンチ押さえ４０との相対的な回転によってパンチ３０を型窪２０Ｖ内に押し込む。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイスの型窪に被覆燃料粒子を含む燃料コンパクトの原料を装填し、前記型窪内にパンチを押し込んで加圧成型し燃料コンパクトを製造する方法において、前記型窪は円盤状のダイスの周面に開口するように周方向に間隔をあけて設けられており、前記型窪内に前記原料を装填した後、前記型窪内に前記パンチを差し込み、前記ダイスと前記ダイスの周面に接近して設けられたカム付き円弧面を有するパンチ押さえとの相対的な回転によって前記パンチを押し込むことを特徴とする燃料コンパクトの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料コンパクトの製造方法であって、前記パンチ押さえは固定され、前記ダイスの周面が前記パンチ押えの円弧面に沿って移動するように前記ダイスを回転することを特徴とする燃料コンパクトの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料コンパクトの製造方法であって、前記ダイスは、水平回転軸を中心に回転し、前記型窪が上方位置にあるときに前記原料を装填し、前記パンチ押えを通過して前記型窪が下方位置にあるときに前記燃料コンパクトを自重で取り出すようにしたことを特徴とする燃料コンパクトの製造方法。
【請求項４】
被覆燃料粒子を含む燃料コンパクトの原料が装填されるべき型窪を有するダイスと、前記型窪内に押し込んで前記原料を加圧成型するパンチとから成る燃料コンパクトの製造装置において、前記ダイスは、その周面に開口するように周方向に間隔をあけて設けられた切欠き状の複数の型窪を有する円盤状の形態を有し、且つ前記ダイスの周面に接近して設けられて前記ダイスとの相対的な回転運動によって前記型窪内に差し込まれた前記パンチを押し込むカム付き円弧面を有するパンチ押さえを更に備えていることを特徴とする燃料コンパクトの製造装置。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料コンパクトの製造装置であって、前記パンチ押さえは固定され、前記ダイスの周面が前記パンチ押さえの円弧面に沿って移動するように前記ダイスを回転するダイス回転手段を備えていることを特徴とする燃料コンパクトの製造装置。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料コンパクトの製造装置であって、前記ダイス回転手段は、前記ダイスを水平回転軸を中心に回転するように構成され、前記型窪が上方位置にあるときに前記原料を装填し、前記パンチ押さえを通過して前記型窪が下方位置にあるときに前記燃料コンパクトを自重で取り出すようにしたことを特徴とする燃料コンパクトの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉に用いられる燃料コンパクトを製造する方法及び装置に関し、特に多数の燃料コンパクトを連続して製造することができる方法及び装置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良好な高温健全性を有する黒鉛で構成し、また高温下でも化学的反応が起こることがないヘリウムガス等を冷却ガスとして用いることによって、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取り出すことができ、このヘリウムガスの高温熱は、発電や水素製造や化学プラント等の幅広い分野での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４層の被覆を施して形成されている。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。
【０００４】
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。
【０００５】
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作用する。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。
【０００６】
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(以下ＡＤＵ粒子と称する)となる。このＡＤＵ粒子は、乾燥後、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状の二酸化ウラン粒子なる。この粒子は、篩分けして所定の粒径の燃料核を得る。
【０００７】
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(ＭＴＳ)（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。
【０００８】
燃料コンパクトは、この被覆燃料粒子を加圧成型して製造される。この場合、被覆燃料粒子は、黒鉛マトリックスに分散させた状態で加圧成型したり、被覆燃料粒子に黒鉛マトリックスをオーバーコートしてオーバーコート粒子だけでまたはオーバーコート粒子を黒鉛マトリックスに分散させた状態で加圧成型したりしている。
【０００９】
従来技術では、図３に示す装置を用いて原料を加圧成型している。この装置は、型窪２０Ｖを有するダイス２０と型窪２０Ｖ内に差し込まれて原料を加圧する上下のパンチ３０Ｕ、３０Ｄとから成っている。被覆燃料粒子を含む原料は、型窪２０Ｖ内に装填された後、上または下のパンチ３０Ｕ、３０Ｄをゆっくりと押し込んで加圧成型されるが、黒鉛マトリックスに含まれるフェノール樹脂を軟化させて成型を容易にするために、原料、ダイス及びパンチは、フェノール樹脂の軟化温度まで加熱される。
【００１０】
この従来技術においては、パンチを低速度で移動しなければならないため、生産性を向上するために、複数組のダイスとパンチを用いて連続的に成型することが必要になるが、複数組のダイスとパンチを設置するためのスペースが大きくなる上に、複数組のダイス及びパンチを同時に駆動させるための手段や複数組のダイス及びパンチの温度を調節する手段を設けることが必要となり、従って装置が複雑化、大型化する欠点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明が解決しようとする１つの課題は、大きなスペースを必要とすることなく、またダイスやパンチの温度、パンチの同時駆動を容易に設定することができる燃料コンパクトの製造方法を提供することにある。
【００１２】
本発明が解決しようとする他の課題は、大きなスペースを必要とすることなく、またダイスやパンチの温度、パンチの同時駆動を容易に設定することができる燃料コンパクトの製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の課題解決手段は、ダイスの型窪に被覆燃料粒子を含む燃料コンパクトの原料を装填し、この型窪内にパンチを押し込んで加圧成型し燃料コンパクトを製造する方法において、型窪は円盤状のダイスの周面に開口するように周方向に間隔をあけて設けられており、各型窪内に原料を順次装填した後、この型窪内に相応するパンチを差し込み、ダイスとダイスの周面に接近して設けられたカム付き円弧面を有するパンチ押さえとの相対的な回転によってパンチを押し込むことを特徴とする燃料コンパクトの製造方法を提供することにある。
【００１４】
本発明の第１の課題解決手段において、パンチ押さえは固定され、ダイスの周面がパンチ押えの円弧面に沿って移動するようにダイスを回転するのが好ましい。この場合、ダイスは、水平回転軸線を中心に回転し、型窪が上方位置にあるときに原料を装填し、パンチ押さえを通過して型窪が下方位置にあるときに燃料コンパクトを自重で取り出すようにすることができる。
【００１５】
本発明の第２の課題解決手段は、ダイスの型窪に被覆燃料粒子を含む燃料コンパクトの原料が装填されるべき型窪を有するダイスと、この型窪内に押し込んで原料を加圧成型するパンチとから成る燃料コンパクトの製造装置において、ダイスは、その周面に開口するように周方向に間隔をあけて設けられた複数の切欠き状の型窪を有する円盤状の形態を有し、且つダイスの周面に接近して設けられてダイスとの相対的な回転運動によって型窪内に差し込まれたパンチを押し込むカム付き円弧面を有するパンチ押さえを更に備えていることを特徴とする燃料コンパクトの製造装置を提供することにある。
【００１６】
本発明の第２の課題解決手段において、パンチ押さえは固定され、ダイスの周面がパンチ押さえの円弧面に沿って移動するようにダイスを回転するダイス回転手段を備えているのが好ましい。この場合、ダイス回転手段は、ダイスを水平回転軸線を中心に回転するように構成され、型窪が上方位置にあるときに原料を装填し、パンチ押さえを通過して型窪が下方位置にあるときに燃料コンパクトを自重で取り出すようにすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、上記のように、１つの円盤状ダイスに複数の型窪を有し、各型窪に対応して１つのパンチを対応させるだけでよいので、小型の装置で多数の燃料コンパクトを製造することができ、従って装置の設置スペースが小さくて済み、また複数のパンチは、１つの単純なパンチ押さえで押し込むことができるので、装置が複雑になることがなく、小型で簡単な装置で燃料コンパクトを量産することができる上に、装置の管理が容易となる。
【００１８】
装置の動きが単純である上に、成型終了後、パンチを再びダイスに差し込むことにより装置を連続運転することができるので、装置を容易に自動化することができる。
【００１９】
ダイスの回転の過程で型窪が上方位置にあるときに、型窪に原料を装填し、パンチ押さえを通過して型窪が下方位置に達したとき、パンチと共に燃料コンパクトを自重で型窪から自然落下させることにより燃料コンパクトを取り出すことができるので,特別な取出し操作やそのための手段を必要としないので有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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、本発明に係わる燃料コンパクトの製造方法を実施するのに好適な製造装置１０を示し、この製造装置１０は、被覆燃料粒子を含む燃料コンパクトの原料Ｍが装填されるべき型窪２０Ｖを有するダイス２０と、この型窪２０Ｖ内に押し込んで原料Ｍを加圧成型するパンチ３０とから成っている。
【００２１】
ダイス２０は、周面に開口するように周方向に間隔をあけて設けられた複数の切欠き状の型窪２０Ｖを有する円盤状の形態を有し、パンチ３０は、これらの複数の型窪２０Ｖに対応して用意されている。図示の形態では、８つの型窪２０Ｖが４５度の角度間隔で設けられているが、型窪の数は適宜設定される。
【００２２】
本発明の製造装置１０は、ダイス２０の周面に接近して設けられてダイス２０との相対的な回転運動によって型窪２０Ｖ内に差し込まれたパンチ３０を押し込むカム付き円弧面４０Ｓを有するパンチ押さえ４０を更に備えている。パンチ押さえ４０の円弧面４０Ｓのカム４０ＳＡは、ダイス２０とパンチ押さえパンチ３０との相対的な回転運動でパンチ３０が入り込む部分(入口)ではダイス２０の周面との間隔が大きく、パンチ３０が入り込むにつれてダイス２０の周面との間隔が小さくなるように形成されていてパンチ３０を次第に型窪２０Ｖ内に深く押し込むように案内する。
【００２３】
図示の形態では、パンチ押さえ４０は、ダイス２０の周面のほぼ半分の周面部分を覆うように配置して固定され、またダイス２０の周面がパンチ押さえ４０の円弧面４０Ｓに沿って移動するようにダイス２０を回転するダイス回転手段(図示せず)を備えている。
【００２４】
ダイス回転手段は、ダイス２０をその中心に設けられた水平回転軸線Ｘ（図１参照）を中心に回転するように構成されている。燃料コンパクトの原料Ｍは、各型窪２０が上方位置付近(図示の例では、真上よりやや左によった位置（Ｉ）)にあるときに、その型窪２０に装填され、この型窪２０Ｖがパンチ押え４０を通過して所定の燃料コンパクトＦが成型された後でその型窪２０がパンチ押さえ４０から外れて下方位置（図示の例では真下の位置(ＩＩＩ)）にあるときに、相応するパンチ３０と燃料コンパクトＦとは、型窪２０から自重で取り出される。なお、図２において、位置（ＩＩ）は、各型窪２０Ｖ内に差し込まれたパンチ３０がパンチ押さえ４０のカム４０ＳＡに係合し始める位置である。
【００２５】
次に、本発明の燃料コンパクトの製造方法を図1を参照して述べると、先ず、図１の位置（I）にある型窪２０Ｖに燃料コンパクトの原料Ｍを装填し、この型窪２０Ｖ１内に相応するパンチ３０を差し込む。原料Ｍは、ダイス２０の回転で位置（Ｉ）に順次達する型窪２０Ｖに同様にして原料Ｍを装填する。既に述べたように、原料Ｍは、被覆燃料粒子と黒鉛マトリックスの混合物、オーバーコート粒子と黒鉛マトリックスの混合物またはオーバーコート粒子のみとすることができる。
【００２６】
各型窪２０Ｖ内に原料Ｍを装填した後、各型窪２０Ｖ内にパンチ３０を差し込むが、このパンチ３０は、ダイス２０の回転につれて位置（ＩＩ）でパンチ押さえ４０のカム４０ＳＡに係合し始める。円弧面４０Ｓのカム４０ＳＡは、次第にダイス周面に近づくように形成されているので、パンチ３０は、このカム４０ＳＡによって次第に型窪２０Ｖ内に押し込まれるように案内されて原料Ｍを加圧し成型する。カム４０ＳＡを通過した後には、円弧面４０Ｓは、ダイス周面と同じ間隔で延びているので、パンチ３０は、それ以上型窪２０Ｖ内に押し込まれることはなく、原料Ｍを過度に加圧することはない。
【００２７】
パンチ３０が挿入されている各型窪２０Ｖがパンチ押さえ４０の円弧面４０Ｓの最後の部分を通過して位置（ＩＩＩ）に達すると、型窪２０Ｖは下向きに開口するので、パンチ３０と成型品である燃料コンパクトＦは、自重で型窪２０Ｖから自然落下して取り出される。
【００２８】
上記の動作が順次繰り返されて多数の燃料コンパクトＦを順次製造することができる。この方法では、１つのダイス２０と１つのパンチ押さえ（パンチ駆動手段）を使用するので、すべての加圧成型は、同じダイス温度と同じパンチ加圧力とで行われ、これらの制御、管理が容易となる。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、パンチ押さえ４０を固定してダイス２０を回転したが、ダイス２０を回転するのではなく、パンチ押さえ４０をダイス２０の周面に沿って回転してもよいが、この場合でも、少なくとも原料Ｍの装填を行う場合に、型窪２０Ｖが上向きまたは斜め上向きに開口するようにダイス２０を回転変位することができるようにする必要がある。
【００３０】
また、ダイス２０の型窪２０Ｖの切欠きの深さ、切欠き底部の形状、パンチ３０の長さ、パンチ３０の先端頭部の形状は、パンチ３０をダイス２０の型窪２０Ｖ内に装入した際に両者によって形成される空間が燃料コンパクトの外径と一致するように定める。
【００３１】
原料がオーバーコート粒子と黒鉛マトリックスの混合物である場合、既に述べたように、オーバーコート粒子の圧縮性の観点から、ダイス２０内に装填する以前の段階でオーバーコート粒子自体の温度を黒鉛マトリックス内のフェノール樹脂の軟化温度まで上昇させておくことが好ましい。フェノール樹脂の軟化温度まで加温されているオーバーコート粒子は、パンチ３０により圧縮されている間に自然冷却され、位置（ＩＩＩ）で取り出される時にはフェノール樹脂が硬化しているので、その形状を保ったままその後の処理を行うことができる。
【実施例】
【００３２】
本発明の一実施例を述べると、ダイス２０、パンチ３０、パンチ押さえ４０は、それぞれ合金エ具鋼で作られた。ダイス２０の型窪２０Ｖである切欠きの表面、パンチ３０の表面およびパンチ押さえ４０のパンチ３０との接触面はラップ仕上げとした。これらの表面に硬質クロムメッキ等の表面処理を施して耐摩耗性を向上させると一層有効である。ダイス２０の半径は１３０ｍｍとし、その周面に８つの切欠き状の型窪２０Ｖを均等に形成した。また、型窪２０Ｖの切欠きの深さ(直線部分の長さ)及びパンチ３０の高さ(直線部分の長さ)は４０ｍｍ、切欠きの底部及びパンチ３０の先端頭部の形状は半径１３ｍｍのＲ形状とした(図２参照)。更に、パンチ３０のパンチ押さえ４０と接触する面の形状は、半径２０ｍｍの球面形状とし、パンチ３０とパンチ押さえ４０の円弧面４０Ｓとの隙間Ｇは、５ｍｍとした(図２参照)。ダイス２０は、１回転２０分当たり回転速度で図１の時計方向に回転させた。
【００３３】
なお、上記実施例では、型窪２０Ｖ及びパンチ３０の個数は、８つであったが、これらの個数は、必要に応じて変えることができることはもちろんである。即ち、設置スペースの制限からあまりダイス２０の外径を大きくすることができない場合やそれほど大量の燃料コンパクトを成型する必要がない場合には、ダイス２０の半径を１３０ｍｍよりも小さくして型窪２０Ｖ及びパンチ３０の個数を少なくしてもよい。また、設置スペースに制限がない場合や大量の燃料コンパクトを成型する必要がある場合や燃料コンパクトＦを充分に冷却した後に取り出す必要がある場合には、ダイス２０の半径を１３０ｍｍより大きくし、型窪２０Ｖである切欠き及びパンチ３０の個数を多くすることができる。また、型窪２０Ｖである切欠きの深さやパンチ３０の高さ寸法は、使用する黒鉛粉末の特性、成型後の焼成条件、燃料コンパクト寸法規格により変わるので、それぞれの条件に合わせて変更すべきである。また、パンチ３０の頭部の球面寸法、パンチ３０とパンチ押さえ４０の円弧面４０Ｓとの隙間Ｇは、パンチ３０及びパンチ押さえ４０の材質、表面粗さ、表面処理状態等の如き摩擦に与える影響を考慮して適宜変更するのがよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によれば、１つの円盤状のダイスの周面に複数の切欠き状の型窪を設けてこのダイスの各型窪内に入れられた原料を加圧するパンチをダイスの周面に接近して設けられたパンチ押さえの相対的な回転運動によって型窪内に押し込んで原料を加圧するので、小さなスペースと簡単な構成で多数の燃料コンパクトを順次製造することができ、また温度を容易に管理設定することができ、産業上の利用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料コンパクト製造装置の概略説明図である。
【図２】１つの型窪とパンチとパンチ押さえとの寸法関係を説明する図である。
【図３】従来技術による燃料コンパクトの製造装置の加圧前（Ａ）と加圧後（Ｂ）との断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  燃料コンパクトの製造装置
２０  ダイス
２０Ｖ  型窪
３０  パンチ
４０  パンチ押さえ
４０Ｓ  円弧面
４０ＳＡ  カム
Ｘ  軸線
Ｇ  隙間
Ｍ  原料
Ｆ  燃料コンパクト
【図１】
2006315055.tif 000003
【図２】
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【図３】
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