(57)【要約】【課題】  原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生する核分裂生成物に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造する製造法を得る。【解決手段】  二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、第１層の低密度炭素層を、室温から第１層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３００〜１５００℃、被覆ガス（アセチレン）流量を６０〜２２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を９０〜２５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を１０μｍ／分以上とする被覆条件で形成する方法。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第１層の低密度炭素層を、室温から第１層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３００〜１５００℃、被覆ガス（アセチレン）流量を６０〜２２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を９０〜２５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を１０μｍ／分以上とする被覆条件で形成することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法。
【請求項２】
二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第２層の高密度熱分解炭素層を、第１層の被覆温度から第２層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１４８０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３０〜１２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を１４０〜１９０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を４μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法。
【請求項３】
二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第３層のＳｉＣ層を、第２層の被覆温度から第３層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１５００〜１６５０℃、被覆ガス（水素＋メチルトリクロロシラン）流量を５〜９Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（水素）流量を３５０〜４５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を０．３μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法。
【請求項４】
二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第４層の高密度熱分解炭素層を、第３層の被覆温度から第４層の被覆温度までの降温速度を２０℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１５２０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３５〜１１０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を６５〜２４０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を３．４μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法。
【請求項５】
二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第１層の低密度炭素層を、室温から第１層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３００〜１５００℃、被覆ガス（アセチレン）流量を６０〜２２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を９０〜２５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を１０μｍ／分以上とし、
第２層の高密度熱分解炭素層を、第１層の被覆温度から第２層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１４８０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３０〜１２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を１４０〜１９０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を４μｍ／分以下とし、
第３層のＳｉＣ層を、第２層の被覆温度から第３層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１５００〜１６５０℃、被覆ガス（水素＋メチルトリクロロシラン）流量を５〜９Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（水素）流量を３５０〜４５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を０．３μｍ／分以下とし、
第４層の高密度熱分解炭素層を、第３層の被覆温度から第４層の被覆温度までの降温速度を２０℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１５２０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３５〜１１０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を６５〜２４０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を３．４μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法。
【請求項６】
前記第４層の高密度熱分解炭素層の被覆終了後の降温速度が２０℃／分以下であることを特徴とする請求項５に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温ガス炉用燃料の製造に関し、二酸化ウランなどウランの化合物から成る燃料核に多重の被覆層を形成して被覆燃料粒子とする流動床反応装置を備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法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健全性が良好な黒鉛で構成すると共に、冷却ガスとして高温下でも化学反応が起こらないＨｅガス等の気体を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度のガスを取り出すことが可能であり、約９００℃の高温熱は、発電はもちろんのこと水素製造や化学プラント等、幅広い分野での熱利用を可能にするものである。
【０００３】
高温ガス炉の燃料は、二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径３５０〜６５０μｍの燃料核の周囲に計４層の被覆を施したものである。４層の被覆のうち、第１層は密度約１ｇ／ｃｍ３ の低密度熱分解炭素で、ガス状の核分裂生成物（ＦＰ）のガス溜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併せ持つものである。
【０００４】
第２層は密度約１．８ｇ／ｃｍ３ の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能を有する。第３層は密度約３．２ｇ／ｃｍ３ の炭化珪素（以下、ＳｉＣと称す）で固体ＦＰの保持機能を有するとともに、被覆層の主要な強度部材である。第４層は、第２層と同様の密度約１．８ｇ／ｃｍ３ の高密度熱分解炭素でガス状ＦＰの保持機能とともに第３層の保護層としての機能も持っている。
【０００５】
一般的な被覆燃料粒子の直径は５００〜１０００μｍである。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、一定形状を持つ燃料コンパクトに成形加工される。更に、燃料コンパクトは黒鉛でできた筒に一定数量入れられ、上下に栓をし、燃料棒となる。
【０００６】
最終的に燃料棒は六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に入れられ、高温ガス炉の燃料となる。また、この六角柱型黒鉛ブロックを多数個、ハニカム配列に複数段重ねて高温ガス炉の炉心を構成している。
【０００７】
尚、高温ガス炉用燃料の特徴の一つとして、ＵＯ２ と同様にＵＣＯ、ＰｕＯ２ 、ＴｈＯ２ などをセラミックス状に焼結したものを燃料核として使用することも可能である。その場合もＵＯ２ 燃料核の場合と同じく、燃料核の周囲に４層の被覆を施したものが被覆燃料粒子として使用される。
【０００８】
このような高温ガス炉の燃料は、一般的に以下のような工程を経て製造される。まず、二酸化ウラン燃料核の場合、酸化ウラン粉末を硝酸に溶解し、硝酸ウラニル原液とする。この硝酸ウラニル原液に純水、増粘剤を加えて撹拌することにより滴下原液とする。
【０００９】
増粘剤は、滴下された硝酸ウラニルの液滴が落下中に自身の表面張力により真球状になるように添加される。増粘剤としては、例えばポリビニルアルコール樹脂、アルカリ条件下で凝固する性質を有する樹脂、ポリエチレングリコール、メトローズなどを挙げることができる。
【００１０】
上記のように調整された滴下原液は所定の温度に冷却され粘度を調整した後、細径の滴下ノズルを振動させることによりアンモニア水中に滴下される。また、液滴は、アンモニア水溶液に着水するまでの空間でアンモニアガスを吹きつけて表面をゲル化させることにより、着水時の変形が防止される。アンモニア水中で硝酸ウラニルはアンモニアと充分に反応して重ウラン酸アンモニウムの粒子となる。
【００１１】
重ウラン酸アンモニウム粒子は、大気中で焙焼され、三酸化ウラン粒子となり、更に還元・焼結されることにより高密度のセラミック状二酸化ウランからなる燃料核となる。
【００１２】
得られたこの燃料核を流動床に装荷し、被覆ガスを熱分解させることにより被覆を施す。第１層の低密度炭素の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を、第２層及び第４層の高密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ３Ｈ６）を、第３層のＳｉＣの場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を熱分解する。
【００１３】
前述の被覆ガスを使用して各被覆層を形成させる際には、被覆層を各粒子に均一に付けるため別のガスを用いて粒子を反応管内で十分に流動させた状態で行う。これが、被覆燃料粒子の製造装置を流動床と呼ぶ所以である。粒子を流動させるためのガスとしては、第１、２及び４層を被覆する場合は不活性ガスの一つであるアルゴンガスを、そして第３層を被覆する際には水素ガス又は水素ガス＋不活性ガスの一つであるアルゴンガスが一般的に使用されている。
【００１４】
一般的な燃料コンパクトは、被覆燃料粒子を黒鉛粉末、増粘剤等からなる黒鉛マトリックス材と共に中空円筒形又は円筒形にプレス成型又はモールド成形したグリーンコンパクトを焼成して得られる。焼成は、グリーンコンパクト内にバインダーとして含まれるフェノール樹脂を炭化させるために熱処理を実施し、さらにコンパクト内に含まれるガス成分を除去することを目的とした熱処理を実施する（例えば、特許文献１参照）。
【００１５】
図２は従来の高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置の構成を示す説明図である。高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置は図２に示すように、二酸化ウランから成る燃料核２２を流動床反応管２５の上部窓（図示せず）から入れて、流動ガス入口２６からガス導入ノズル２４及びガス噴出ノズル２３を通して被覆ガスと流動ガスとを流すことにより被覆を施す流動床反応管２５と、この反応管２５の外周に配設され燃料核を加熱する黒鉛製のヒーター２１と、同じく黒鉛製でヒーター２１のさらに外周に配設される断熱材２８とを備える。被覆ガスや流動ガスは廃ガス排出口２７から炉外へ出され、被覆された被覆燃料粒子は流動ガス入口２６から取り出される。
【特許文献１】特開２０００−２８４０８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生する核分裂生成物に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法は、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第１層の低密度炭素層を、室温から第１層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３００〜１５００℃、被覆ガス（アセチレン）流量を６０〜２２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を９０〜２５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を１０μｍ／分以上とする被覆条件で形成することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項２に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法は、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第２層の高密度熱分解炭素層を、第１層の被覆温度から第２層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１４８０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３０〜１２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を１４０〜１９０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を４μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法は、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第３層のＳｉＣ層を、第２層の被覆温度から第３層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１５００〜１６５０℃、被覆ガス（水素＋メチルトリクロロシラン）流量を５〜９Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（水素）流量を３５０〜４５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を０．３μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法は、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第４層の高密度熱分解炭素層を、第３層の被覆温度から第４層の被覆温度までの降温速度を２０℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１５２０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３５〜１１０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を６５〜２４０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を３．４μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とするものである。
【００２１】
請求項５に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法は、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法において、
第１層の低密度炭素層を、室温から第１層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３００〜１５００℃、被覆ガス（アセチレン）流量を６０〜２２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を９０〜２５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を１０μｍ／分以上とし、
第２層の高密度熱分解炭素層を、第１層の被覆温度から第２層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１４８０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３０〜１２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を１４０〜１９０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を４μｍ／分以下とし、
第３層のＳｉＣ層を、第２層の被覆温度から第３層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１５００〜１６５０℃、被覆ガス（水素＋メチルトリクロロシラン）流量を５〜９Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（水素）流量を３５０〜４５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を０．３μｍ／分以下とし、
第４層の高密度熱分解炭素層を、第３層の被覆温度から第４層の被覆温度までの降温速度を２０℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１５２０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３５〜１１０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を６５〜２４０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を３．４μｍ／分以下とする被覆条件で形成することを特徴とするものである。
【００２２】
請求項６に記載された発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造法は、請求項５に記載の第４層の高密度熱分解炭素層の被覆終了後の降温速度が２０℃／分以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の被覆燃料粒子製造条件により、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成することにより、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生する核分裂生成物に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することが可能となる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、高温ガス炉燃料の被覆燃料粒子の製造工程のうち、二酸化ウランを焼結した燃料核の表面に、第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを順に被覆形成された製造法において、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生する核分裂生成物に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造するために必要な被覆燃料粒子製造条件を提供するものである。
【００２５】
まず、第１層の低密度炭素層は、密度約１ｇ／ｃｍ３ の低密度熱分解炭素で、ガス状の核分裂生成物（ＦＰ）のガス溜としての機能と、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つ。
【００２６】
本発明では、第１層の低密度炭素層を、室温から第１層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３００〜１５００℃、被覆ガス（アセチレン）流量を６０〜２２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を９０〜２５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を１０μｍ／分以上とする被覆燃料粒子製造条件で形成するものであるため、前述の２つの機能が確実となり、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生するガス状の核分裂生成物（ＦＰ）のガス溜としての機能と、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の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することが可能となる。
【００２７】
次に、第２層の高密度熱分解炭素層は、密度約１．８ｇ／ｃｍ３ の高密度熱分解炭素で、ガス状ＦＰの保持機能を有する。
【００２８】
別の本発明では、第２層の高密度熱分解炭素層を、第１層の被覆温度から第２層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１４８０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３０〜１２０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を１４０〜１９０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を４μｍ／分以下とする被覆燃料粒子製造条件で形成するものであるため、前述の保持機能が確実となり、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生するガス状の核分裂生成物（ＦＰ）に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することが可能となる。
【００２９】
次に、第３層のＳｉＣ層は、密度約３．２ｇ／ｃｍ３ の炭化珪素（ＳｉＣ）で固体状の核分裂生成物（ＦＰ）の保持機能を有するとともに、被覆層の主要な強度部材としての機能を有している。
【００３０】
別の本発明では、第３層のＳｉＣ層を、第２層の被覆温度から第３層の被覆温度までの昇温速度を２５℃／分以下、被覆温度を１５００〜１６５０℃、被覆ガス（水素＋メチルトリクロロシラン）流量を５〜９Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（水素）流量を３５０〜４５０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を０．３μｍ／分以下とする被覆燃料粒子製造条件で形成するものであるため、前述の保持機能及び強度部材としての機能が確実となり、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生するガス状の核分裂生成物（ＦＰ）に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することが可能となる。
【００３１】
次に、第４層の高密度熱分解炭素層は、第２層と同様の密度約１．８ｇ／ｃｍ３ の高密度熱分解炭素でガス状の核分裂生成物（ＦＰ）の保持機能を有するとともに、第３層の保護層としての機能も有している。
【００３２】
別の発明では、第４層の高密度熱分解炭素層を、第３層の被覆温度から第４層の被覆温度までの降温速度を２０℃／分以下、被覆温度を１３５０〜１５２０℃、被覆ガス（プロピレン）流量を３５〜１１０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量を６５〜２４０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度を３．４μｍ／分以下とする被覆燃料粒子製造条件で形成するものであるため、前述の保持機能及び保護層としての機能が確実となり、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生するガス状の核分裂生成物（ＦＰ）に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することが可能となる。
【００３３】
前記各層において各層の被覆燃料粒子製造条件で形成することにより、各層の機能が確実となるが、最も好ましい態様としては、第１層から第４層の被覆燃料粒子製造条件で順に被覆形成することにより、原子炉内で使用した際に、核分裂反応により発生する核分裂生成物に対する閉じ込め性能の最も高い高品質な被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することが可能となる効果がある。
【００３４】
更に、好ましい態様として、第４層の高密度熱分解炭素層の被覆終了後の降温速度を２０℃／分以下として徐々に温度を下げることにより、被覆層の破損が軽減され、核分裂生成物に対する閉じ込め性能の高い高品質な被覆層が得られる。
【００３５】
また、本発明の各層の被覆形成は、燃料核を流動床に装荷して、被覆ガスを熱分解させることにより被覆を施す。具体的には、第１層の低密度炭素の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ２Ｈ２）を、第２層及び第４層の高密度熱分解炭素の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ３Ｈ６）を、第３層のＳｉＣの場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）を熱分解する。
【００３６】
前述の被覆ガスを使用して各被覆層を形成させる際には、被覆層を各粒子に均一に付けるため別のガスを用いて粒子を反応管内で十分に流動させた状態で行う。粒子を流動させるための流動ガスとしては、第１、２及び４層を被覆する場合は不活性ガスの一つであるアルゴンガスを、そして第３層を被覆する際には水素ガス又は水素ガス＋不活性ガスの一つであるアルゴンガスが一般的に使用されている。
【００３７】
尚、被覆層厚さについては、上記被覆条件のうち、被覆時間のみを増減させることにより調節することが可能であり、本製造条件によりいかなる仕様の被覆燃料粒子も製造が可能である。
【実施例】
【００３８】
日本原子力研究所  高温工学試験研究炉（ＨＴＴＲ）に装荷される初装荷燃料及び第１回取り替え燃料の約２トン−Ｕの被覆燃料粒子の製造工程のうち、二酸化ウラン燃料核に第１層の低密度炭素層と、第２層の高密度熱分解炭素層と、第３層のＳｉＣ層と、第４層の高密度熱分解炭素層とを連続被覆する製造工程を、上記の条件を適用して実施した。その被覆条件を決定するにあたって、昇温速度、被覆温度、被覆ガス流量、流動ガス流量、被覆速度の最適化を行った。
【００３９】
(1) 第１層の低密度炭素層の被覆条件を、室温から第１層被覆温度までの昇温速度と、被覆温度、被覆ガス流量と、流動ガス流量、被覆速度を種々変化させた条件で行った。
【００４０】
室温から第１層被覆温度までは昇温温度が２５℃／分を越えると、内部欠陥の存在する燃料核が熱応力により割れることがあるため、昇温速度は２５℃／分以下である必要がある。また、被覆温度は、１３００℃未満であると、アセチレンの熱分解反応が進まず、分解が不充分となり、健全な低密度炭素層を形成することができない。一方、１５００℃を越えると燃料核のＵＯ２ と反応し、ＵＣＯが形成される。
【００４１】
被覆ガス（アセチレン）流量は、６０Ｌ／ｍｉｎ未満であると、被覆温度が１５００℃であっても、被覆速度を１０μｍ／分以上とすることができない。一方、２２０Ｌ／ｍｉｎを越えると流動ガス（アルゴン）流量を最小の９０Ｌ／ｍｉｎにしても、粒子の流動が激しく、被覆層の破損が生じる。
【００４２】
流動ガス（アルゴン）流量は、９０Ｌ／ｍｉｎ未満であると、粒子の流動が不充分となり、均一な被覆層を形成することができない。一方、２５０Ｌ／ｍｉｎを越えると、被覆ガス（アセチレン）流量を最小の６０Ｌ／ｍｉｎにしても、粒子の流動が激しく、被覆層の破損が生じる。
【００４３】
被覆速度は、１０μｍ／分未満であると、気孔の少ない被覆層となり、第１の機能である核分裂反応により発生するガス状のＦＰのガス溜や粒子のスウェリングを吸収するバッファとしての働きが不充分になる。被覆速度が速くなると被覆層の密度は低くなる傾向があるが、特に上限はない。
【００４４】
(2) 第２層の高密度熱分解炭素層の被覆条件を、第１層被覆温度から第２層被覆温度までの昇温速度、被覆温度、被覆ガス流量、流動ガス流量、被覆速度を種々変化させた条件で行った。
【００４５】
第１の被覆温度から第２層被覆温度までは昇温速度が２５℃／分を越えると、内部欠陥の存在する燃料核が熱応力により割れることがあるため、昇温速度は２５℃／分以下である必要がある。また、被覆温度は、１３５０℃未満であるとプロピレンの熱分解反応が進まず、分解が不充分となり、健全な高密度炭素層を形成することができない。一方、１４８０℃を越えると被覆速度の制御が困難となり、均一な厚さ、組織を持つ被覆ができない。
【００４６】
被覆ガス（プロピレン）流量は、３０Ｌ／ｍｉｎ未満であると、被覆ガス／（被覆ガス＋流動ガス）の値が小さくなる。つまり、被覆ガスの濃度が低くなり、被覆層密度が低くなってしまう。一方、１９０Ｌ／ｍｉｎを越えると流動ガス（アルゴン）流量を最小の１４０Ｌ／ｍｉｎにしても、粒子の流動が激しく、被覆層の破損が生じる。
【００４７】
流動ガス（アルゴン）流量は、１４０Ｌ／ｍｉｎ未満であると、粒子の流量が不充分となり、均一な被覆層を形成することができない。一方、１９０Ｌ／ｍｉｎを越えると、被覆ガス（プロピレン）流量を最小の３０Ｌ／ｍｉｎにしても、粒子の流動が激しく、被覆層の破損が生じる。また、被覆速度が、４μｍ／分を越えると、均一な厚さや組織を持つ被覆層ができない。
【００４８】
(3) 第３層のＳｉＣ層の被覆条件を、第２層被覆温度から第３層被覆温度までの昇温速度、被覆温度、被覆ガス流量、流動ガス流量、被覆速度を種々変化させた条件で行った。
【００４９】
第２層の被覆温度から第３層の被覆温度までの昇温速度が２５℃／分を越えると、内部欠陥の存在する燃料核が熱応力により割れることがあるため、昇温速度は２５℃／分以下である必要がある。
【００５０】
被覆温度は、１５００℃未満であると、ＳｉＣの形態をとらないフリーＳｉが発生するため、Ｓｉ／Ｃの比が１よりも大きくなる。Ｓｉ／Ｃ＝１でないと、ＳｉＣの特性が低下する。また、被覆装置の被覆ガス噴出口にＳｉＣの堆積物ができ、流動状態が悪化するため、均一な被覆ができない。一方、１６５０℃を越えると、被覆層に積層欠陥が生じると共に、被覆装置の被覆ガス噴出口に粒子が付着し、堆積物となり、流動状態を悪化させるため、均一な被覆ができない。
【００５１】
被覆ガスであるメチルトリクロロシランを運ぶ水素ガス流量が５Ｌ／ｍｉｎ未満であると、被覆ガス濃度が低くなり、被覆層密度が低くなってしまう。一方、９Ｌ／ｍｉｎを越えると余剰のメチルトリクロロシランが被覆装置の被覆ガス噴出口に堆積物を形成し、流動状態を悪化させるため、均一な被覆ができない。
【００５２】
流動ガス（水素）流量が３５０Ｌ／ｍｉｎ未満であると、粒子の流動が不充分となり、均一な被覆層を形成することができない。一方、４５０Ｌ／ｍｉｎを越えると、粒子の流動が激しく、被覆層の破損が生じる。また、被覆速度は０．３μｍ／分を越えると積層欠陥を生じる。
【００５３】
(4) 第４層の高密度熱分解炭素層の被覆条件を、第３層被覆温度から第４層被覆温度までの降温速度：２０℃／分以下、被覆温度：１３５０〜１５２０℃、被覆ガス（プロピレン）流量：３５〜１１０Ｌ／ｍｉｎ、流動ガス（アルゴン）流量：６５〜２４０Ｌ／ｍｉｎ、被覆速度：１．７〜３．４μｍ／分とした。
【００５４】
第３層の被覆温度から第４層被覆温度までの降温速度が、２０℃／分を越えると、被覆層の剥離や破損が生じることがあるため、昇温速度は２０℃／分以下である必要がある。また、被覆温度は、１３５０℃未満であると、プロピレンの熱分解反応が進まず、分解が不充分となり、健全な高密度炭素層を形成することができない。一方、１５２０℃を越えると、被覆速度の制御が困難となり、均一な厚さ、組織を持つ被覆ができない。
【００５５】
被覆ガス（プロピレン）流量は、３０Ｌ／ｍｉｎ未満であると、被覆ガス濃度が低くなり、被覆層の密度が低くなってしまう。一方、１１０Ｌ／ｍｉｎを越えると流動ガス（アルゴン）流量を最小の３５Ｌ／ｍｉｎにしても、粒子の流動が激しく、被覆層の破損が生じる。また、被覆速度が３．４μｍ／分を越えると、均一な厚さや組織を持つ被覆層ができない。
【００５６】
(5) 第４層の高密度炭素層の被覆終了後の降温速度を２０℃／分以下とした。第４層の被覆終了後の降温速度が、２０℃／分を越えると、ＳｉＣ層と高密度炭素層の熱収縮率の違いから、被覆層の剥離や破損が生じることがあるからである。
【００５７】
二酸化ウラン燃料核に第１層の低密度炭素層、第２層の高密度熱分解炭素層、第３層のＳｉＣ層及び第４層の高密度熱分解炭素層を連続被覆する製造工程は、約６００バッチからなるものであったが、得られた被覆燃料粒子は各々以下の被覆層厚さ及び被覆層密度を安定して持つものであった。各層の被覆層厚さ及び被覆層密度の平均値を次の表１に示す。また、図１に本発明の被覆燃料粒子製造条件で製造された被覆燃料粒子の外観写真を示す。
【００５８】
【表１】
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【００５９】
また、原子炉内で使用した際、核分裂反応により発生する核分裂生成物に対する閉じ込め性能についても、現在燃焼中の初装荷燃料に対する９５０℃高温運転試験の結果、核分裂生成物の放出量／核分裂生成物の生成量の比の値は１０−８レベルであり、非常に高い品質の被覆層を持つ被覆燃料粒子を工業規模で安定して製造することができていることが実証されている。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の被覆燃料粒子製造条件で製造された被覆燃料粒子の外観写真である。
【図２】従来の高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置の構成を示す説明図である。
【図２】
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【図１】
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