(57)【要約】 【課題】  ペブルベッド型燃料の製造工程における球状コア形成のための１次プレス用鋳型内での撹拌で被覆燃料粒子を偏ることなく良好に均一分散させることのできるペブルベッド型燃料製造用撹拌機器の提供。【解決手段】  １次プレス用球状鋳型内へ挿入されて所定回転運動により黒鉛粉末と被覆燃料粒子の混合物を撹拌する撹拌部と、該撹拌部を回転させる回転駆動機構とを備え、前記撹拌部は、球状鋳型内部へ所定位置まで押し込み挿入された際に、該球状鋳型の内壁曲面の少なくとも半円周形状に沿って撓み、回転駆動機構の駆動によって前記挿入方向と直交する周方向に沿って回転する第１の撹拌部と、前記所定位置までの押し込み挿入時に前記鋳型内部の中心位置から外周方向へ広がるように撓み、回転駆動機構の駆動によって鋳型球状の直径軸周りを回転する第２の撹拌部とを有するものとした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛粉末と複数個の被覆燃料粒子との混合物を球状鋳型内に充填してプレス成形することにより球状コアを得る１次プレス工程の際に、該プレス前に前記球状鋳型内で前記混合物を撹拌するためのペブルベッド型燃料製造用撹拌機器において、
前記鋳型内へ挿入されて所定回転運動により前記混合物を撹拌する撹拌部と、該撹拌部を回転させる回転駆動機構とを備え、
前記撹拌部は、前記球状鋳型内部へ所定位置まで押し込み挿入された際に、該球状鋳型の内壁曲面の少なくとも半円周形状に沿って撓み、前記回転駆動機構の駆動によって前記挿入方向と直交する周方向に沿って回転する第１の撹拌部と、前記所定位置までの押し込み挿入時に前記鋳型内部の中心位置から外周方向へ拡がるように撓み、前記回転駆動機構の駆動によって鋳型球状の直径軸周りを回転する第２の撹拌部とを有することを特徴とするペブルベッド型燃料製造用撹拌機器。
【請求項２】
前記第１の撹拌部が、板バネからなることを特徴とする請求項１に記載のペブルベッド型燃料製造用撹拌機器。
【請求項３】
前記第２の撹拌部が、コイル状スプリングバネからなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のペブルベッド型燃料製造用撹拌機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉に装荷されるペブルベッド型燃料製造用の撹拌機器に関するものであり、詳しくは、球状コア形成のための１次プレス用モールド内で被覆燃料粒子と黒鉛粉末とを均一に混合撹拌するための機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を含む炉心構造を黒鉛で形成し、ヘリウム等のガス冷却材を用いて出口温度の高い冷却材を取り出すための原子炉である高温ガス炉では、燃料要素として燃料粒子を中央に埋め込んだ黒鉛球であるペブルベッド型燃料が使用されている。このペブルベッド型燃料が用いられる場合、原子炉は炉心容器に入れられた球同士間の間隙に冷却ガスが流れる設計となっている。このようなペブルベッド型燃料は、多数個の被覆燃料粒子を母材としての黒鉛材に含有させた球状コアをプレス成型した後、さらに黒鉛材で被覆し、焼成して得られるものである。
【０００３】
以下に従来のペブルベッド型燃料の製造方法の一例を図３および図４のフローチャートをもって説明する。まず、被覆燃料粒子とされる燃料核の製造には、大量形成が可能な方法として振動滴下によるゲル球体形成法が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。即ち、原料の硝酸ウラニルに、添加材としてアンモニア水溶液との反応でゲル化するゲル化剤を混合して滴下溶液を調整し、この滴下溶液をアンモニア水溶液が収容された液槽中に連続的に滴下させることによって、該アンモニア水溶液中で液滴を凝固させてなるゲル球体を大量に製造することができる。このゲル球体を洗浄した後、順次乾燥工程、焙焼工程、焼結工程、を経てＵＯ２  燃料核が得られる。
【０００４】
被覆燃料粒子の製造工程は、図３に示すように、まず上記の工程で得られた燃料核の表面を低密度炭素層で被覆して第１被覆層を形成する。次に高密度等方性炭素層で被覆して第２被覆層を形成し、引き続き炭化ケイ素層で被覆して第３被覆層を形成する。さらに高密度等方性炭素層で被覆して第４被覆層を形成し、被覆燃料粒子が得られる。
【０００５】
この被覆燃料粒子においては、第１被覆層で照射によるＵＯ２  燃料核の変形が吸収されると共にガス状核分裂生成物の放出が防止され、第２被覆層および第４被覆層がガス状核分裂生成物を粒子内に留める役割を果たす。第３被覆層は、形状を保つと同時に被覆燃料粒子の強度を維持するものであり、且つ照射によってウランより発生する固体状核分裂生成物の粒子外放出を防ぐものである。このような４層の被覆燃料粒子に更にバインダーによって黒鉛粉末を被覆（オーバーコート）させて被覆燃料粒子の完成となる。
【０００６】
この完成された被覆燃料粒子から図４に示す工程でペブルベッド型燃料が製造される。まず、黒鉛粉末と多数個の被覆燃料粒子とを混合した状態で球状鋳型内に充填し、本鋳型をプレス（１次プレス）することによって、中性子減速材となる黒鉛材を母材として多数個の被覆燃料粒子が含有されてなる球状コアが得られる。次いで、この球状コアと黒鉛粉末とを鋳型内に充填し、本鋳型をプレス（２次プレス）することによって、外側に外殻が形成されて１次プレスを終えたコアより径がより大きくなった球状燃料が得られる。得られた球状燃料は、より真球形状に近づけるために表面研削し、その後、予備焼成及び焼成工程を経てペブルベッド型燃料となる。
【０００７】
以上のようにして得られるペブルベッド型燃料は、燃焼の観点からするとウラン燃料が均一に燃焼することが好ましく、この均一燃焼を実現するには、１次プレスによって得られる球状コア中において被覆燃料粒子が均一に分散していることが必要である。しかしながら、被覆燃料粒子と黒鉛粉末とではそれぞれの密度が大きく異なるため、これらを混合する際には、密度の大きい被覆燃料粒子が黒鉛粉末中の下方もしくは特定箇所に偏る傾向にある。
【０００８】
このような偏りを解消するために、従来から、図５に示すように、１次プレス用の鋳型（１０，１１）の球状内部１２に黒鉛粉末と被覆燃料粒子の混合物を充填した後、棒状の撹拌ジグ３０を鋳型蓋部１３が嵌合される開口部１４から挿入し、被覆燃料粒子が分散するように撹拌していた。
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１２７２９１号公報（図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記のような撹拌ジグによる１次プレス用モールド内での撹拌は、モールドの型形状が球形であり、且つモールドの構造上の制約から、撹拌用ジグ３０が届かないで撹拌されない領域３１が生じてしまうため、この領域が被覆燃料粒子の分散されない箇所となっていた。従って、図６のＸ線観察写真から明らかなように、このような不充分な撹拌後に１次プレスによって得られる球状コア２００では、被覆燃料粒子２０１が存在しないあるいはまばらにしか存在しない部分や、逆に被覆燃料粒子２０１が偏って集中する部分とが生じてしまう。
【００１１】
このように被覆燃料粒子が均一に分散されていないペブルベッド型燃料を照射した場合、被覆燃料粒子が偏って集中している箇所のみで燃焼が進み、燃料として健全な照射とならず、炉心設計に基づいた出力が得られない可能性があった。
【００１２】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、ペブルベッド型燃料の製造工程における球状コア形成のための１次プレス用鋳型内での撹拌で被覆燃料粒子を偏ることなく良好に均一分散させることのできる撹拌機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るペブルベッド型燃料製造用撹拌機器は、黒鉛粉末と複数個の被覆燃料粒子との混合物を球状鋳型内に充填してプレス成形することにより球状コアを得る１次プレス工程の際に、該プレス前に前記球状鋳型内で前記混合物を撹拌するためのペブルベッド型燃料製造用撹拌機器において、前記鋳型内へ挿入されて所定回転運動により前記混合物を撹拌する撹拌部と、該撹拌部を回転させる回転駆動機構とを備え、前記撹拌部は、前記球状鋳型内部へ所定位置まで押し込み挿入された際に、該球状鋳型の内壁曲面の少なくとも半円周形状に沿って撓み、前記回転駆動機構の駆動によって前記挿入方向と直交する周方向に沿って回転する第１の撹拌部と、前記所定位置までの押し込み挿入時に前記鋳型内部の中心位置から外周方向へ拡がるように撓み、前記回転駆動機構の駆動によって鋳型球状の直径軸周りを回転する第２の撹拌部とを有するものである。
【００１４】
また、請求項２に記載の発明に係るペブルベッド型燃料製造用撹拌機器は、請求項１に記載のペブルベッド型燃料製造用撹拌機器において、前記第１の撹拌部が、板バネからなることを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明に係るペブルベッド型燃料製造用撹拌機器は、請求項１又は請求項２に記載のペブルベッド型燃料製造用撹拌機器において、前記第２の撹拌部が、コイル状スプリングバネからなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明においては、１次プレス用の球状鋳型内で黒鉛粉末と被覆燃料粒子との混合物を撹拌するための撹拌機器の撹拌部が、鋳型内部への押し込み挿入状態において鋳型球状内壁曲面の少なくとも半円周形状に撓んで挿入方向と直交する周方向に回転させられる第１の撹拌部と、前記押し込み挿入状態で鋳型内部の中心位置から外周方向へ拡がるように撓んで鋳型球状の直径軸周りを回転する第２の撹拌部とを有するものであるため、第１の撹拌部の回転によって鋳型内の全内壁面に沿った近傍領域が撹拌されると同時に、第２の撹拌部の回転によって鋳型内の中央部から外周方向へ向かう領域が撹拌されるため、鋳型内部のほぼ全域で前記混合物が撹拌され、被覆燃料粒子を偏り無く均一に分散させることができ、この状態で１次プレスを行うことによって、被覆燃料粒子が均一に分散した球状コアを得ることができ、この球状コアを用いることによって、燃焼が均等に進み、健全な照射が可能となるペブルベッド型燃料を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明のペブルベッド型燃料製造用撹拌機器は、母材としての黒鉛粉末中に被覆燃料粒子を分散させてなる球状コアを形成するための１次プレス用の球状鋳型内で黒鉛粉末と被覆燃料粒子との混合物を撹拌するためのものであり、鋳型内部へ挿入される撹拌部が、第１の撹拌部と第２の撹拌部とを有するものであって、これらの撹拌部が回転駆動機構によって鋳型内で回転され、撹拌を行うものである。
【００１８】
本発明による撹拌機器では、まず第１の撹拌部が、球状鋳型内部へ所定位置まで押し込み挿入された際に、該球状鋳型の内壁曲面の少なくとも半円周形状に沿って撓み、回転駆動機構の駆動によって挿入方向と直交する周方向に沿って回転するものであるため、この第１の撹拌部は、鋳型のほぼ全内壁面に沿って回転することになり、鋳型内壁面付近の全域での撹拌が行われる。
【００１９】
さらに、第２の撹拌部は、前記所定位置までの押し込み挿入時に鋳型内部の中心位置から外周方向へ拡がるように撓み、回転駆動機構の駆動によって鋳型球状の直径軸周りを回転するものであるため、この第２の撹拌部はその拡がりによって、鋳型内部の中央部から第１の撹拌部による全内壁面付近の撹拌領域近傍までを撹拌することができる。
【００２０】
従って、これら第１の撹拌部と第２の撹拌部との回転によって、鋳型内部ではほぼ全域が撹拌され、黒鉛粉末と被覆燃料粒子の混合物は未撹拌部分が生じることなく全体的に撹拌され、被覆燃料粒子は均一に分散される。このような被覆燃料粒子が均一に分散された状態で該鋳型による１次プレスを行えば、被覆燃料粒子が偏って集中することもなく均一に分散された球状コアが製造でき、結果としてこの球状コアから、均等な燃焼が進んで健全な照射が可能となるペブルベッド型燃料を得ることができる。
【００２１】
なお、第１および第２の撹拌部としては、鋳型内部への押し込みによって所定形状に撓むことができるものであればよい。例えば、第１の撹拌部を板バネからなるものとすれば、板バネの一端部から球状鋳型内部へ狭い開口部からでも容易に挿入でき、この板バネを開口部から球状鋳型の直径方向に挿入し、板バネの一端部が開口部と対向する底部に達した状態でさらに押し込み挿入すると、板バネは球状鋳型の内壁曲面に沿った半円周形状に撓み変形することができ、この撓んだ板バネを他端側で回転駆動機構の出力回転軸等に連動させて回転させれば、板バネは球状鋳型内部でほぼ全内壁面に沿って回転し、内壁面付近の全域で撹拌が行われる。
【００２２】
このような板バネからなる第１の撹拌部は、一枚の板バネからなるものに限らずたとえば互いに向き合って配置される２枚の板バネから構成すれば、前記押し込み挿入状態において円周形状に撓むことができ、回転状態にてより良く撹拌される。さらにまた、互いに向き合う複数枚の板バネで第１の撹拌部を構成すれば、前記挿入状態において各板バネは放射状に拡がった状態でそれぞれが半円周形状あるいは円周形状に撓み、この複数枚の板バネの回転で鋳型内部はさらによく撹拌される。
【００２３】
また、第２の撹拌部としては、例えばコイル状スプリングバネから構成するものが挙げられる。この場合、鋳型内部への挿入時にコイル状スプリングバネ自身も鋳型球状に応じた略球状となるようにコイル長手方向の中央部を拡径したものとすれば、コイル状スプリングバネを球状鋳型の開口部から直径方向に挿入し、該コイル状スプリングバネの一端部が開口部と対向する底部に達した状態で更に押し込み挿入すると、コイル状スプリングバネは上下方向に縮小すると共に外側に拡がって、輪郭が鋳型中央部を含む球状領域を形成するように撓む。
【００２４】
このコイル状スプリングバネは自然状態で狭い鋳型開口部からの挿入が可能であると共に、所定位置までの押し込み挿入状態にてその輪郭が第１の撹拌部による鋳型内壁面付近の撹拌領域近くにまで拡がる寸法に設定しておけば、この第２の撹拌部による回転で鋳型内部の中央部から鋳型内壁面付近にまで及ぶ領域が撹拌される。
【００２５】
このような撹拌部の全体的な構成としては、例えば、上下支持板の間に第２の撹拌部としてのコイル状スプリングバネを撹拌部の回転中心軸周りに配置し、その周囲に上下支持板の間で第１の撹拌部としての板バネを一枚以上配置する構成が挙げられる。このような第１の撹拌部と第２の撹拌部との回転によって、鋳型内部のほぼ全域が良好に撹拌できる。
【００２６】
なお、第１の撹拌部は、板バネでなくコイル状スプリングバネあるいは針金状の鋼線で構成してもかまわない。また、本発明の第１及び第２の撹拌部は、上記のようなバネ構成に限定されるものではなく、自然状態で鋳型開口部からの挿入が可能であると共に、鋳型内部への所定位置までの押し込み挿入状態では、第１の撹拌部は鋳型内壁面に沿った形状に撓み、第２の撹拌部は鋳型中央部から外周方向へ拡がるように撓み変形できる機構であれば良い。さらに、撹拌部の駆動機構による回転は、右方向への回転と左方向への回転とに切換可能としたものが望ましい。このように２方向への回転による撹拌を行うことによって、粒子の拡散度をより均一に調整できる。
【実施例】
【００２７】
本発明の一実施例によるペブルベッド型燃料製造用撹拌機器を図１の概略構成図に示す。図１（ａ）は本撹拌機器１の自然状態を示す側面図であり、（ｂ）は１次プレス用鋳型内への挿入状態を示す鋳型側断面図である。
【００２８】
本実施例の撹拌機器１は、小型モータ等の回転駆動機構２の回転軸３の端部に連結された上側支持板４と、下側支持板５との間に両端部が固定された２枚の板バネからなる第１の撹拌部７とコイル状スプリングバネからなる第２の撹拌部６とを備えたものである。
【００２９】
第２の撹拌部としてのコイル状スプリングバネ６は、自然状態で輪郭が紡錘形となるように長手方向の中央部が若干拡径したものであり、上下支持板（４，５）の間の中心位置で回転軸３の中心軸上にほぼ同軸配置されており、このコイル状スプリングバネ６を両側で挟む位置に第１の撹拌部としての２枚の板バネ７が配置されている。
【００３０】
この撹拌機器１は、上側支持板４より下方部分が１次プレス用鋳型（１０，１１）の球状鋳型内部１２に下側支持板５から挿入されるものであり、この下側支持板５は鋳型の開口部１４を通過できる外形サイズを有し、コイル状スプリングバネ６も板バネ７も撓みながら開口部１４を通過して鋳型内部１２へ進入していけるものである。
【００３１】
このように、第１および第２の撹拌部（７，６）を開口部１４から球状鋳型内部１２へその直径方向に沿って挿入していくと、まず下側支持板５は、開口部１４と対向する鋳型内部１２の底部へ達するが、さらに押し込んで挿入を進めていくと、それに伴って２枚の板バネ７は上下方向に押し潰されて互いに離反する外側方向へ拡がるように撓み、コイル状スプリングバネ６も上下方向に縮みながら外周方向へ拡がっていく。
【００３２】
このような押し込み挿入を、上側支持板４が開口部１４を塞ぐ所定位置に達するまで行うと、図１（ｂ）に示すように、板バネ７は球状鋳型内部１２の内壁曲面に沿った円周形状にまで撓み変形し、コイル状スプリングバネ６は、上下方向に縮まりながら輪郭が鋳型中央部を含む球状領域を形成し、鋳型内部１２の内壁曲面に沿って存在する板バネ７の近傍まで拡がるように撓む。
【００３３】
従って、この状態で駆動機構２の駆動により、回転軸３を介して上側支持板４を回転させることで撹拌部を回転させれば、板バネ７は球状鋳型内部１２でほぼ全内壁面に沿って回転し、内壁面付近の全域を撹拌し、コイル状スプリングバネ６は鋳型内部１２の中央部から鋳型内壁面付近にまで及ぶ領域で回転して該領域を撹拌し、これら第１と第２の撹拌部（７，６）の双方の回転によって、鋳型内部１２のほぼ全域が良好に撹拌される。
【００３４】
以上のような構成を備えた撹拌機器１を用いて、実際に１次プレス用の鋳型（１０，１１）内部に充填した黒鉛粉末と被覆燃料粒子の混合物を撹拌した後、速やかにプレス作業を行って球状コアを得た。得られた球状コアについてＸ線観察写真（図２）を撮影し、図５に示した従来のジグで撹拌を行って得た球状コアのＸ線観察写真（図６）と被覆燃料粒子の分散状態を比較した。
【００３５】
図２のＸ線観察写真から明らかなように、本実施例の撹拌機器１で撹拌した場合に得た球状コア１００内では、従来の球状コア２００内に見られたような被覆燃料粒子２０１の分散が不均一でまばらな領域がなく、全体的に被覆燃料粒子１０１が均一に分散していた。
【００３６】
従って、このような本実施例の撹拌機器を用いて得た球状コアから製造されるペブルベッド型燃料では、被覆燃料粒子の均一な分散により均一な燃焼が進むものであり、健全な照射が可能なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例によるペブルベッド型燃料製造用撹拌機器の概略構成図であり、（ａ）は本撹拌機器の自然状態における側面図、（ｂ）は本撹拌機器の１次プレス用鋳型内部への挿入状態を示す鋳型側断面図である。
【図２】本実施例の撹拌機器を用いた場合の１次プレスにより得られた球状コアの被覆燃料粒子分散状態を示すＸ線観察写真である。
【図３】高温ガス炉用ペブルベッド型燃料に用いられる被覆燃料粒子の製造工程を示す説明図である。
【図４】高温ガス炉用ペブルベッド型燃料の製造方法を説明するフローチャート図である。
【図５】従来の撹拌ジグによる１次プレス用鋳型内部の撹拌状態を示す側断面図である。
【図６】従来の撹拌ジグを用いた場合の１次プレスにより得られた球状コアの被覆燃料粒子分散状態を示すＸ線観察写真である。
【符号の説明】
【００３８】
１：撹拌機器
２：回転駆動機構
３：回転軸
４：上側支持板
５：下側支持板
６：第２の撹拌部（コイル状スプリングバネ）
７：第１の撹拌部（板バネ）
１０，１１：１次プレス用鋳型
１２：球状鋳型内部
１３：鋳型蓋部
１４：開口部
３０：撹拌ジグ
３１：未撹拌領域
１００，２００：球状コア
１０１，２０１：被覆燃料粒子
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図６】
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