(57)【要約】 【課題】  各被覆層形成工程において反応領域における温度条件を一定に保って均一な被覆層形成が可能な黒鉛ヒーターを備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置の提供。【解決手段】  高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置において、反応容器の周囲に配置された黒鉛ヒーターが反応容器の上下方向に分割された複数個の部分ヒーターを含むものとし、これら各部分ヒーターを互いに独立して加熱温度制御する温度制御装置を備えた。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真球状粒子に成形された多数の二酸化ウラン燃料核を収容した反応容器内に、該反応容器底部に装着されたガス噴出ノズルのノズル孔を介して流動ガスおよび被覆原料ガスを反応容器底部から上方へ向けて噴出供給しつつ、反応容器の周囲に配置された黒鉛ヒーターで加熱することにより、前記燃料核を流動させながら被覆原料ガスの熱分解反応によって燃料核表面を各被覆原料分子の蒸着層で被覆する高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置において、
黒鉛ヒーターが反応容器の上下方向に分割された複数個の部分ヒーターを含み、これら各部分ヒーターを互いに独立して加熱温度制御する温度制御装置を備えたことを特徴とする高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置。
【請求項２】
前記温度制御装置が、前記反応容器の上下方向に亘る温度分布を測定する温度計測手段と、該温度計測手段による測定結果に基づいて前記各部分ヒーターの加熱温度制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置。
【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被覆燃料粒子の製造装置に関するものであり、詳しくは、被覆層形成用の反応容器の周囲に配置されて容器内を加熱するための黒鉛ヒーター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の良好な黒鉛で形成すると共に、ヘリウム等の高温下でも化学的反応の起こらないガス冷却材を用いることにより、固有の安全性が高く、高い出口温度でヘリウムガスを取り出すことが可能であり、得られる約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】
このような高温ガス炉の燃料には、通常、ウランを含む溶液を出発原料として製造した二酸化ウランをセラミックス状に焼結した直径約３５０〜６５０μｍの真球粒子状の燃料核を基本構造とし、この燃料核の外表面に複数の被覆層を形成してなる被覆燃料粒子が用いられる。
【０００４】
この被覆燃料粒子は、例えば第１被覆層にはガス状の核分裂生成物のガス留めとしての機能及び燃料粒子の変形を吸収する緩衝部としての機能を併せ持つものとして密度約１ｇ／ｃｍ3の低密度熱分解炭素層を形成し、第２被覆層にはガス状核分裂生成物の保持機能を有するものとして密度約１．８ｇ／ｃｍ3の高密度熱分解炭素層を形成し、さらに第３被覆層には固体状核分裂生成物の保持機能を有すると共に被覆層の主要な強度部材として密度約３．２ｇ／ｃｍ3炭化珪素（ＳｉＣ）層を、また第４被覆層には第２被覆層と同様のガス状核分裂生成物の保持機能と共に第３被覆層の保護層として密度約１．８ｇ／ｃｍ3の高密度熱分解炭素層を形成した計４層の被覆を施されたものが一般的となっている。
【０００５】
このようにして得られた被覆燃料粒子は、その粒径や真球度がオーバーコート粒子製造条件に大きく影響することから、篩による粒径選別および真球度選別を行った上でオーバーコート工程へ供される。被覆燃料粒子の表面に黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材をコーティングしてなるオーバーコート粒子は、さらに篩による粒径選別等を行った上で、コンパクトプレス工程にて黒鉛母材中に分散させ、中空円筒形や円筒形等の一定形状にプレス成形あるいはモールド成形され、焼結後に燃料コンパクトとなる。
【０００６】
これら燃料コンパクトは黒鉛でできた筒に一定数量入れられ、上下に栓をした燃料棒の形にされる。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、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炉心を構成している。
【０００７】
従来から、上記のような被覆燃料粒子は、高密度のセラミックス状二酸化ウランからなる球状の燃料核を流動床からなる反応容器内に装荷し、この反応容器内で被覆層となる原料ガスを熱分解させて化学蒸着による被覆層が形成されて製造されている（例えば、特許文献１参照。）。例えば、第１被覆層の低密度炭素層の場合は約１４００℃でアセチレン（Ｃ2Ｈ2）を熱分解して被覆を施し、第２および第４被覆層の高密度熱分解炭素層の場合は約１４００℃でプロピレン（Ｃ3Ｈ6）を熱分解して行う。第３被覆層のＳｉＣ層の場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ3ＳｉＣｌ3）を熱分解して被覆層を形成している。
【０００８】
上記の如く、各原料ガス分子の熱分解による燃料核表面への各被覆層形成工程において、それぞれ反応容器内を所定の加熱温度条件とするために、図２に示す高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置のように反応容器周囲に配置された黒鉛ヒーターが従来から用いられてきた。
【０００９】
即ち、本装置は、上部に排ガス排出管１７を備えたケース１６内に、二酸化ウランからなる燃料核１２が収容されると共に底部に流動ガスおよび原料ガスを噴出供給するためのガス噴出ノズル１３が装着された反応容器１１が設置され、その周囲に黒鉛ヒーター１５、さらにその外周に断熱材１８が配置されたものであり、黒鉛を発熱体とした高温電気炉内に、反応容器１１がガス導入管１４を介してガス供給可能な状態で配置された構成となっている。
【００１０】
この場合、一体の黒鉛発熱体からなる黒鉛ヒーター１５で、反応容器１１の底部より下方から容器上部に亘る領域を均一に加熱する。従って、ケース１６の下部を貫通してガス噴出ノズル１３に連通するガス導入管１４を介して供給される原料ガスは、ノズル孔から反応容器１１内に噴出されると速やかに熱分解されて燃料核１２を流動させつつその表面への原料分子蒸着による被覆層形成が進行する。
【００１１】
【特許文献１】特開平５−２７３３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前記被覆層形成工程において、例えば第１被覆層として低密度熱分解炭素層が形成される工程では、Ｃ2Ｈ2  →２Ｃ＋Ｈ2＋３４ｋｃａＬ／ｍｏＬ、という発熱反応が進むため、原料ガスが吹き出すガス噴出ノズルのノズル孔付近で部分的に温度が高くなり、一方、第２，４被覆層として高密度熱分解炭素層が形成される工程では、Ｃ3Ｈ6→３Ｃ＋３Ｈ2−３８ｋｃａＬ／ｍｏＬ、という吸熱反応が進むため、原料ガスが吹き出すノズル孔付近で部分的に温度が低くなるというように、反応容器内で温度勾配が生じてしまう。
【００１３】
従って、ノズル孔付近という実際に原料ガスの熱分解が行われる反応領域において、反応が進むに従って必要な条件温度との差異が広がり、最適温度条件を一定に維持できなかった。このような反応領域における不安定な温度条件のために、熱分解反応も均一でなく、形成される被覆層の厚みや密度にもバラツキが生じ、製造される燃料被覆粒子の品質を一定に保つことが困難であった。
【００１４】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、各被覆層形成工程において反応領域における温度条件を一定に保って均一な被覆層形成が可能な黒鉛ヒーターを備えた高温ガス炉用被覆燃料粒子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】
【００１５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置では、真球状粒子に成形された多数の二酸化ウラン燃料核を収容した反応容器内に、該反応容器底部に装着されたガス噴出ノズルのノズル孔を介して流動ガスおよび被覆原料ガスを反応容器底部から上方へ向けて噴出供給しつつ、反応容器の周囲に配置された黒鉛ヒーターで加熱することにより、前記燃料核を流動させながら被覆原料ガスの熱分解反応によって燃料核表面を各被覆原料分子の蒸着層で被覆する高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置において、黒鉛ヒーターが反応容器の上下方向に分割された複数個の部分ヒーターを含み、これら各部分ヒーターを互いに独立して加熱温度制御する温度制御装置を備えたものである。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明に係る高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置では、請求項１に記載の高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置において、前記温度制御装置が、前記反応容器の上下方向に亘る温度分布を測定する温度計測手段と、該温度計測手段による測定結果に基づいて前記各部分ヒーターの加熱温度制御を行う制御手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置において、反応容器の周囲に配置された黒鉛ヒーターが反応容器の上下方向に分割された複数個の部分ヒーターを含み、温度制御装置によってこれら各部分ヒーターを互いに独立して加熱温度制御するものとしたため、各被覆層形成工程において、各部分ヒーターに対してそれぞれ独立した加熱制御で温度調節を行うことによって、反応容器内の温度勾配を無くして全体的に反応に必要な設定温度で一定に保つことができ、均一な被覆層形成反応を維持して品質の安定した高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造を可能にするという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明による高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置においては、反応容器の周囲に配置された黒鉛ヒーターが反応容器の上下方向に分割された複数個の部分ヒーターを含み、温度制御装置によってこれら各部分ヒーターを互いに独立して加熱温度制御するものであるため、被覆層形成工程において、各部分ヒーターに対してそれぞれ独立した加熱制御で温度調整を行うことによって、反応容器内で生じる温度勾配を相殺することができる。
【００１９】
従って、本発明によれば、反応容器内温度を全体的に設定条件温度で一定に保つことができるため、均一な被覆層形成反応を維持して品質の安定した高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造を可能にする。
【００２０】
このような部分ヒーター毎の加熱制御は、予め反応容器内でどのように温度勾配が生じるかを測定しておいた結果に基づいて行ってもよいが、実際の被覆層形成工程において各部分ヒーターによる加熱領域を温度センサー等により測定し、その測定結果をフィードバックさせ、設定温度との差に基づいて各部分ヒーターを加熱制御する方がより正確な温度調整を行うことができる。
【００２１】
なお、反応容器の上下方向に分割された部分ヒーターは、より多くの個数でより細かい加熱領域に分割するほど正確な温度調整ができるが、実際には温度勾配が最も著しく現れる領域、即ち、原料ガスが噴出するノズル孔付近とその周辺領域において細かな加熱領域の分割、温度調整が行えれば充分であり、それより上方や下方の温度勾配が僅かな領域では、加熱領域を細かく分割して温度調整する必要がない。従って、各部分ヒーターの加熱領域は、必ずしも上下方向に亘って均一な間隔とする必要はなく、温度勾配の大きさに応じて適宜設定すればよい。これは、実質的に各部分ヒーターの加熱領域を決定する発熱体の上下方向の寸法調節で行える。
【００２２】
また、部分ヒーターの形態としては、特に限定するものではないが、反応容器の周囲に効率的に配置できる構成が望まれる。例えば、従来の黒鉛ヒーターでは、その発熱体が反応容器の外周を囲う円筒形状であるものが用いられており、本発明においては、まず、この円筒形状が上下方向に分割されてなる複数個のリング状部分ヒーターを備えた黒鉛ヒーターが簡便な構成として挙げられる。
【００２３】
この場合、各部分ヒーターのリング状発熱体の上下方向の幅をそれぞれ上記温度勾配に応じて設定し、それぞれ温度センサー等の計測手段による計測結果に基づいた個別の加熱制御により、効率的な温度調節が行える。また、さらに横（左右）方向に分割されたものでもよい。この場合、横方向に分割された発熱体同士は互いに電気的に連結されていれば一体的に加熱制御することができる。
【００２４】
なお、温度計測手段としては、反応領域の実温度を計測できる温度センサーが好ましいが、被覆層形成工程における反応容器内の計測が困難であれば、反応容器表面で温度計測を行う。温度センサーとしては例えば、熱電対などの耐熱性の高いものを用いれば良い。
【実施例】
【００２５】
本発明の一実施例による高温ガス炉用被覆燃料粒子製造装置の概略構成を図１の断面図に示す。本装置は、上部に排ガス排出管７を備えたケース６内の中央に反応容器１が設置され、該反応容器１の底部に装着されたガス噴射ノズル３へ装置外の供給源から送られてくる流動ガスおよび原料ガスを導入するためのガス導入管４がケース６の底部を貫通してガス噴出ノズル３の下端に連通している。
【００２６】
反応容器１の周囲には、円筒状黒鉛発熱体が上下方向に分割されてなる複数個のリング状の部分ヒーター５が配置され、さらにその外周に断熱材８が配設されている。これら部分ヒーター５の各発熱体への通電は、電圧調整器を備えた温度制御装置（不図示）を介して行われるものである。
【００２７】
この温度制御装置は、各部分ヒーター５による加熱領域の温度計測結果に基づき、各領域の設定温度条件との差異を検出して電圧調整器に調節信号を出力することにより、電圧調整器に各発熱体への供給電気量を対応する調節信号に応じて増減調整させ、各部分ヒーター５に対してぞれぞれ独立した加熱制御で温度調節を行うものである。また、各被覆層形成工程毎に異なる設定温度の変更もこの温度制御装置により自動的に行うこともできる。
【００２８】
従って、以上の構成を備えた本実施例による高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置による各被覆層形成工程のうち、発熱反応による第１被覆層の形成工程および吸熱反応による第２および第４被覆層の形成工程は、以下の通りに行われる。
【００２９】
即ち、まず、第１被覆層としての低密度熱分解炭素層の形成工程では、まず約１４００℃に加熱した反応容器１内にガス噴出ノズル３から不活性流動ガスを噴出させながら二酸化ウランから成る燃料核２を投入して燃料核２の流動状態を得る。この状態でアセチレン原料ガスの供給を始めると、ガス噴出ノズル３のノズル孔から反応容器１内に噴出された原料ガスは速やかに熱分解されて流動ガスと共に燃料核２を流動させつつその表面への原料分子蒸着による被覆層形成が進行する。
【００３０】
この分解反応が進むにつれて発熱も進み、特にノズル孔付近を中心として温度が前記設定温度より高くなっていくが、本実施例では、設定温度との差異が検出された加熱領域の部分ヒーター５に対して、温度制御装置が電圧調整器に調整信号を出力して供給電気量を減少させることにより、発熱量が抑えられる。従って、発熱反応により設定温度よりも実温度が高くなる領域を加熱する部分ヒーター５では、このようなフィードバックによる温度調節が繰り返されるため、反応容器１内では温度勾配が生じることなく、第１被覆層の形成工程の間中、全体的に最適条件温度が一定に保たれるため、膜厚、密度とも均一な低密度熱分解炭素層が形成される。
【００３１】
また、第２および第４被覆層としての高密度熱分解炭素層の各形成工程では、約１４００℃に加熱した反応容器１内にガス噴出ノズル３から不活性流動ガスを噴出させながら二酸化ウランから成る燃料核２を投入して燃料核２の流動状態を得てからでプロピレン原料ガスの供給を始める。ガス噴出ノズル３のノズル孔から反応容器１内に噴出された原料ガスは速やかに熱分解されて流動ガスと共に燃料核２を流動させつつその表面への原料分子蒸着による被覆層形成が進行する。
【００３２】
この分解反応が進むにつれて吸熱も進み、特にノズル孔付近を中心として温度が前記設定温度より低くなっていくと、温度制御装置は、設定温度との差異が検出された加熱領域の部分ヒーター５に対して、電圧調整器に調整信号を出力して供給電気量を増加させることによって発熱量が増やされる。従って、吸熱反応により設定温度よりも実温度が低くなる領域を加熱する部分ヒーター５では、このようなフィードバックによる温度調節が繰り返されて、反応容器１内では温度勾配が生じることなく、第２または第４被覆層の形成工程の間中は、全体的に最適条件温度が一定に保たれていずれの工程でも膜厚、密度とも均一な高密度熱分解炭素層が形成される。
【００３３】
以上のように、本実施例による装置では、反応容器１の上下方向に分割された複数個の部分ヒーター５を温度制御装置によって独立して加熱制御できるため、反応容器１内の局所的な温度調節が可能となり、従来被覆層形成工程にて生じていた反応領域内での温度勾配を解消し、常に最適条件温度を安定に維持することができ、高品質な高温ガス炉用被覆燃料粒子を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例による高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置の概略断面図である。
【図２】従来の高温ガス炉用被覆燃料粒子の製造装置の一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１，１１：反応容器
２，１２：燃料核
３，１３：ガス噴出ノズル
４，１４：ガス導入管
５：部分ヒーター（黒鉛発熱体）
６，１６：ケース
７，１７：廃ガス排出管
８，１８：断熱材
１５：黒鉛ヒーター
【図１】
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【図２】
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