(57)【要約】【課題】  被覆燃料粒子にオーバーコートを施したり、加圧したりすることなく、任意の形態の燃料コンパクトを製造することができること。【解決手段】  黒鉛シート１２に黒鉛マトリックスを含浸し、この黒鉛シート１２の上に配置されたメッシュ１６の網目１６Ｍに被覆燃料粒子１４を入り込ませて黒鉛シート１２上に被覆燃料粒子１４を分散配置し保持して燃料コンパクト平面ユニット１０Ｕを形成する。この平面ユニット１０Ｕは、積層したり、渦巻き状に巻いたりして任意の形状に成形される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛シートと前記黒鉛シートに分散配置し保持された被覆燃料粒子とから成っている燃料コンパクト平面ユニットを備えていることを特徴とする燃料コンパクト。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料コンパクトであって、前記黒鉛シートには黒鉛マトリックスが含浸されていることを特徴とする燃料コンパクト。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料コンパクトであって、前記黒鉛シートの上に配置された黒鉛繊維製のメッシュを更に備え、前記被覆燃料粒子は、前記メッシュの網目に入り込んでいることを特徴とする燃料コンパクト。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料コンパクトであって、前記複数の燃料コンパクト平面ユニットが積層されていることを特徴とする燃料コンパクト。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料コンパクトであって、前記燃料コンパクト平面ユニットが渦巻き状に巻かれていることを特徴とする燃料コンパクト。
【請求項６】
黒鉛シートに被覆燃料粒子を分散配置し保持して燃料コンパクト平面ユニットを形成し、前記平面ユニットを成形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７】
請求項６に記載の燃料コンパクトの製造方法であって、前記黒鉛シートには黒鉛マトリックスが含浸されていることを特徴とする燃料コンパクトの製造方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の燃料コンパクトの製造方法であって、前記黒鉛シートの上にメッシュを配置し、前記核燃料粒子は、前記メッシュの網目に入り込ませて黒鉛シートに分散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９】
請求項８に記載の燃料コンパクトの製造方法であって、前記メッシュは、黒鉛繊維から作られており、前記メッシュは、燃料コンパクトの構成部分と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１０】
請求項６乃至９のいずれかに記載の燃料コンパクトの製造方法であって、前記複数の燃料コンパクト平面ユニットを積層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１１】
請求項６乃至９のいずれかに記載の燃料コンパクトの製造方法であって、前記燃料コンパクト平面ユニットを渦巻き状に巻くことを特徴とする燃料コンパクトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、高温ガス炉用燃料コンパクトを製造する方法に関し、特に被覆燃料粒子を加圧成形することなく製造することができる燃料コンパクトの製造方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取り出すことができ、この高温熱を発電はもちろん、水素製造、化学プラント等の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、次のような工程を経て製造される。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中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るため、高温アンモニア水中でゲル球を回転して熟成させる。その後、温水によってゲル球を洗浄することによってゲル化及び熟成の生成物である硝酸アンモニウム（ＮＨ４ＮＯ３）を除去する。温水洗浄の際にゲル球の表面に付着した水分は、アルコールの脱水特性を利用してアルコールで洗浄し、その後若干減圧しながら加熱してアルコールの蒸発と共に水分も蒸発し、この一連の乾燥作業を経て重ウラン酸アンモニウム粒子（ＡＤＵ粒子：（ＮＨ４）２Ｕ２Ｏ７）を得る。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状の二酸化ウランの燃料核となる。
【０００７】
燃料核の粒径や真球度は、被覆燃料粒子の製造条件に大きく影響するため、燃料核は、篩による粒径選別や真球度選別を行った後、被覆工程にリリースされる。
【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】
被覆燃料粒子の粒径や真球度は、オーバーコート粒子の製造条件に大きく影響するため、被覆燃料粒子は、篩による粒径選別や真球度選別を行った後、オーバーコート工程にリリースされる。
【００１０】
従来技術では、図５に示すように、被覆燃料粒子に黒鉛粉末、粘結剤からなる黒鉛マトリックスを表面にコーティングしてオーバーコート粒子を形成し（図５のステップＳ２１参照）、このオーバーコート粒子は、乾燥後、必要量を計量し（図５のステップ２２参照）、これを加圧成形してグリーンコンパクトを得る（図５のステップ２３参照）。その後、このグリーンコンパクトを予備焼成して（図５のステップ２４参照）黒鉛マトリックス中の粘結剤を除去し、最後に、これを焼成して（図５のステップ２５参照）燃料コンパクトを完成していた(図５のステップ２６参照)。
【００１１】
しかし、この方法では、次のような問題があった。
（１）黒鉛マトリックスをコーティングするオーバーコ−ト工程において、均一なコーティング厚さを得るための精密な制御が困難であるため、燃料コンパクト中に含まれるウラン量が不安定になるおそれがあった。
（２）被覆燃料粒子を加圧成形するので、粒子に局部的な負荷が生ずると、燃料コンパクトの放射性生成物の閉じ込め機能を有する被覆燃料粒子の被覆層が破損する虞があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、被覆厚を制御することが困難なオーバーコート工程やその後の粒径、真球度の選別を必要とすることなく製造することができる燃料コンパクトを提供することにある。
【００１３】
本発明が解決しようとする他の課題は、被覆燃料粒子の被覆層を破損することなく得ることができる燃料コンパクトを提供することにある。
【００１４】
本発明が解決しようとする更に他の課題は、被覆厚を制御することが困難なオーバーコート工程やその後の粒径、真球度の選別を必要とすることなく、また被覆燃料粒子の被覆層を破損することなく製造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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の課題解決手段は、黒鉛シートとこの黒鉛シート上に分散配置し保持された被覆燃料粒子とから成っている燃料コンパクト平面ユニットを備えていることを特徴とする燃料コンパクトを提供することにある。
【００１６】
本発明の第１の課題解決手段において、黒鉛シートには黒鉛マトリックスが含浸されていたり、黒鉛シートの上に配置されて被覆燃料粒子が入り込む網目を有する黒鉛繊維製のメッシュを有していたりするのが好ましい。
【００１７】
また、本発明の第１の課題解決手段において、複数の燃料コンパクト平面ユニットが積層されたり、燃料コンパクト平面ユニットが渦巻き状に巻かれたりして所定の形状に成形することができる。
【００１８】
本発明の第２の課題解決手段は、黒鉛シートに被覆燃料粒子を分散配置し保持して燃料コンパクト平面ユニットを形成し、この平面ユニットを成形する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。
【００１９】
本発明の第２の課題解決手段において、黒鉛シートには黒鉛マトリックスが含浸されていたり、黒鉛シートの上にメッシュを配置してこのメッシュの網目に被覆燃料粒子を入り込ませたり、このメッシュを黒鉛繊維から作りこのメッシュをそのまま燃料コンパクトの構成部分としたりするのが好ましい。
【００２０】
また、本発明の第２の課題解決手段において、複数の燃料コンパクト平面ユニットを積層したり、燃料コンパクト平面ユニットを渦巻き状に巻いたりして所定の形状に成形することができる。
【発明の効果】
【００２１】
このように、黒鉛シートに被覆燃料粒子を分散配置して保持すると、黒鉛シートが被覆燃料粒子を被覆する作用を有するので、面倒なオーバーコート工程を必要とすることなく燃料コンパクトを得ることができる。特に、黒鉛シートには黒鉛マトリックスを含浸すると、黒鉛シートの粒子保持機能と相俟って被覆燃料粒子に対する黒鉛の量を容易に制御することができる。
【００２２】
また、被覆燃料粒子を加圧する必要がないので、被覆燃料粒子の被覆層を破損することがなく、放射性物質の閉じ込め機能を確実に維持することができる。
【００２３】
黒鉛シートの上に配置されて被覆燃料粒子が入り込む網目を有するメッシュを用いると、被覆燃料粒子を均一に分散配置することができ、燃料コンパクトの品質を向上することができる。特に、このメッシュが黒鉛繊維から作ると、メッシュをそのまま燃料コンパクトの中に取り込んで燃料コンパクトの強度を向上することができる。
【００２４】
更に、複数の燃料コンパクト平面ユニットを積層したり、燃料コンパクト平面ユニットを渦巻き状に巻いたりして任意の形状に成形することができ、従って高温ガス炉の炉心の設計の幅を広げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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２に示すように、本発明に係わる燃料コンパクトは、基本的には、最初から所定の形状に加圧成形するのではなく、例えば、フェルト（不織布）状の黒鉛シート１２とこの黒鉛シート１２に配置された被覆燃料粒子１４とを有する燃料コンパクト平面ユニット１０Ｕから成っている。燃料コンパクトは、多数の平面ユニット１０Ｕを積層して円柱状に成形し（図３参照）、又は１つの長い平面ユニット１０Ｕを渦巻き状に巻いて円柱状に成形される（図４参照）。
【００２６】
燃料コンパクト平面ユニット１０Ｕの製造方法を図１及び図２を参照して述べると、先ず、フェルト状の黒鉛シート１２(図２参照)を用意するが、これは繊維性フェルトを黒鉛化して形成される(図１のステップ１１参照)。この黒鉛シート１２は、黒鉛マトリックスのスラリーを含浸して粘着性を付与するのが好ましい。
【００２７】
次に、この黒鉛シート１２に被覆燃料粒子１４を規則正しく分散配置して保持する（図１のステップ１２参照）。この被覆燃料粒子１４の分散配置は、適宜の手段で行うことができるが、最も好ましい方法は、図２（Ｃ）に示すように、多数の被覆燃料粒子１４が入り込んでそれぞれ所定間隔に維持する網目１６Ｍを有するメッシュ１６を用いる方法である。図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、メッシュ１６は、黒鉛シート１２上に配置され、被覆燃料粒子１４は、このメッシュ１６の上方から散布される。このようにすると、図２（Ｂ）に示すように、複数の被覆燃料粒子１４が規則正しく黒鉛シート１２上に配置される。各被覆燃料粒子１４は、粘着性を有するフェルト状の黒鉛シート１２上に接着されて保持される。このようにして被覆燃料粒子１４を規則正しく分散配置した後、メッシュ１６は、黒鉛シート１２から取り除かれる。
【００２８】
別の実施の形態では、メッシュ１６は、黒鉛繊維から作ることができ、この場合には、メッシュ１６は、被覆燃料粒子１４を分散配置した後、取り外すことなく、燃料コンパクトユニット１０Ｕの構成部品としてそのまま利用することができる。この黒鉛繊維メッシュ１６は、燃料コンパクトの機械的強度を向上するのに役立つ。
【００２９】
燃料コンパクト平面ユニット１０Ｕは、例えば、図３に示すように、中空円盤の形態として、この中空円盤状の多数の平面ユニット１０Ｕを積層して中空円柱状のグリーンコンパクト１０Ａとすることができ、また図４に示すように、長い帯の形態として、この帯状の１枚の平面ユニット１０Ｕを渦巻き状に巻いて円柱状のグリーンコンパクト１０Ｂとすることができる（図１ステップＳ１３参照）。その後、このグリーンコンパクト１０Ａ、１０Ｂは、従来と同様に、予備焼成(図１のステップＳ１４参照)、焼成（図１のステップＳ１５参照）して燃料コンパクトを完成する（図１のステップＳ１６参照）。
【００３０】
燃料コンパクト平面ユニット１０Ｕは、上記以外の任意の形態、例えば、正多角形の形態として正多角柱の燃料コンパクト、その他任意の形状の燃料コンパクトを得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、黒鉛シートに被覆燃料粒子を分散配置して保持するので、面倒なオーバーコート工程を必要することがないし、また被覆燃料粒子を加圧する必要がないので、被覆燃料粒子の被覆層を破損することがなく、特に黒鉛シートの上に配置されて被覆燃料粒子が入り込む網目を有するメッシュを用いると、被覆燃料粒子を均一に分散配置することができ、燃料コンパクトの品質を向上することができ、更に積層、巻き付け等によって任意の形状に成形することができるので、産業上の利用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の燃料コンパクトの製造方法の工程図である。
【図２】本発明の燃料コンパクトの平面ユニットを示し、同図（Ａ）は、その斜視図、同図（Ｂ）は、その一部の拡大斜視図、同図（Ｃ）は、被覆燃料粒子を分散配置するのに用いられるメッシュの平面図である。
【図３】本発明の１つの形態の燃料コンパクトの一部を引き出して示す斜視図である。
【図４】本発明の他の形態の燃料コンパクトを示し、同図（Ａ）はその上面図、同図（Ｂ）は、そその正面図である。
【図５】従来技術による燃料コンパクトの製造方法の工程図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０、１０Ａ、１０Ｂ  燃料コンパクト
１０Ｕ  燃料コンパクト平面ユニット
１２  黒鉛シート
１４  被覆燃料粒子
１６  メッシュ
１６Ｍ  網目
【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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