(57)【要約】【課題】原子力発電に用いられるＭＯＸ燃料や、低濃縮ウラン燃料について、従来の製造方法に比べて製造工程が簡単であり、比表面積が大きく流動性に優れた二酸化ウラン造粒体とその製造方法を提供する。【解決手段】フッ化ウラニル溶液の噴霧乾燥によって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、該造粒フッ化ウラニル粒子から二酸化ウラン造粒体を製造することを特徴とする二酸化ウラン造粒体の製造方法であり、(イ)造粒フッ化ウラニル粒子を水素ガス雰囲気下で焙焼・還元し、または(ロ)フッ化ウラニル溶液をアンモニアガス導入下で噴霧乾燥して生成させた造粒重ウラン酸アンモニウム粒子を水素ガス雰囲気下で焙焼・還元し、または(ハ)フッ化ウラニル溶液を水素ガス導入下、高温で噴霧乾燥することによって造粒・焙焼・還元を同時に行い、平均粒径５〜８０μｍ、比表面積２〜１５ｍ2/ｇ、嵩密度２〜５ｇ/cc、安息角２０〜４０°の二酸化ウラン造粒体を製造する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ化ウラニル溶液の噴霧乾燥によって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、該造粒フッ化ウラニル粒子から二酸化ウラン造粒体を製造することを特徴とする二酸化ウラン造粒体の製造方法。
【請求項２】
フッ化ウラニル溶液の噴霧乾燥によって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、造粒したフッ化ウラニル粒子を水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造する請求項１の製造方法。
【請求項３】
フッ化ウラニル溶液をアンモニアガス導入下で噴霧乾燥することによって造粒重ウラン酸アンモニウム粒子を製造し、造粒した重ウラン酸アンモニウム粒子を水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造することを特徴とする二酸化ウラン造粒体の製造方法。
【請求項４】
フッ化ウラニル溶液を水素ガス導入下、４００℃以上の高温で噴霧乾燥することによって造粒・焙焼・還元を同時に行い、二酸化ウラン造粒体を製造する請求項１の製造方法。
【請求項５】
フッ化ウラニル溶液のウランが劣化ウランであり、原子力発電のＭＯＸ燃料に用いる劣化二酸化ウラン造粒体を製造する請求項１〜請求項４の何れかに記載する製造方法。
【請求項６】
フッ化ウラニル溶液のウランが低濃縮ウランであり、原子力発電のウラン燃料に用いる低濃縮二酸化ウラン造粒体を製造する請求項１〜請求項４の何れかに記載する製造方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項４に記載する何れかの方法によって製造した二酸化ウランが、平均粒径５〜８０μｍ、比表面積２〜１５ｍ2/ｇ、嵩密度２〜５ｇ/cc、安息角２０〜４
０°である二酸化ウラン造粒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力発電の燃料に用いる二酸化ウランの製造方法に関し、より詳しくは、原子力発電に用いられるＭＯＸ燃料や、低濃縮ウラン燃料について、従来の製造方法に比べて製造工程が簡単であり、高い比表面積や高い流動性を得ることができる二酸化ウラン造粒体の製造に関する。（請求項７に対応する部分は省略）
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電の燃料として、天然ウランを濃縮して核燃料物質であるＵ235の品位を所定の水準に高めた濃縮ウラン燃料と、使用済み核燃料の再処理によって得られるＭＯＸ（混合酸化物）燃料とが使用されている。
【０００３】
ＭＯＸ燃料はプルトニウムとウランの混合酸化物であり、約１０％のプルトニウムを含み、残り約９０％の中には天然ウランよりもＵ235品位が低い劣化ウラン（劣化ＵＯ2）が希釈用として含有されている。この混合酸化物粉体はペレット化し、焼結して、プルサーマル用燃料として使用される。このペレット化の際にダイスに充填するため流動性の良い粉末であることが求められている。このためＭＯＸ燃料に最も多く含まれる希釈用劣化ウランについて流動性の良い粒子が必要とされている。
【０００４】
従来、希釈用劣化ウラン粒子の製造方法として、ＡＤＵ（重ウラン酸アンモニウム）スラリーを調製し、これをスプレードライして造粒した後に焙焼・還元して劣化ＵＯ2造粒体を製造する方法が知られている。具体的には、図５に示すように、原料の六フッ化ウランガスを水に溶解して加水分解し、生成したフッ化ウラニル溶液にアンモニアを導入してＡＤＵ沈澱を生成させ、該沈澱を含むスラリーをスプレードライにより造粒し、この造粒ＡＤＵ粒子を水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して劣化ＵＯ2造粒体が製造される。
【０００５】
また、図６に示すように、六フッ化ウランから乾式法によって劣化ＵＯ2粉末を製造し、該劣化ＵＯ2粉末の水性懸濁液を調製し、この懸濁液をスプレードライして劣化ＵＯ2粒子を製造する方法が知られている（特許文献１）。
【０００６】
一方、濃縮ウラン燃料に用いる二酸化ウランについても、ペレット化の際に成形性の良いことが必要とされ、流動性の良いＵＯ2粒子が求められている。従来、ＵＯ2粒子の製造方法としてＡＤＵ法が知られている。この製造方法は、原料の六フッ化ウランガスを水に溶解して加水分解し、生成したフッ化ウラニル溶液にアンモニアを導入してＡＤＵ沈澱を生成させ、固液分離して回収したＡＤＵ沈澱を水素ガス雰囲気下で焙焼して二酸化ウラン粉末とし、これを解砕し、タブレット造粒して流動性の良いＵＯ2粒子を製造する方法である。
【０００７】
また、六フッ化ウランから乾式法によって低濃縮ＵＯ2粉末を製造し、タブレット造粒して流動性の良いＵＯ2粒子を製造する方法もある。
【特許文献１】特表２００２−５３０２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のＭＯＸ燃料に用いる劣化ＵＯ2造粒体の上記製造方法は、造粒前にＡＤＵ沈澱を生成させ、このＡＤＵ沈澱を含むスラリーを噴霧乾燥し、あるいは造粒前に劣化ＵＯ2粉末を調製し、該粉末含むスラリーを噴霧乾燥する方法であるため、製造工程が多く、またスラリーは均一溶液ではなく、固体と液体が混在した状態であるため工程の途中で固体分の沈降による閉塞等のトラブルが避けられないと云う問題がある。
【０００９】
また、従来の濃縮ウラン燃料に用いるＵＯ2造粒体の上記製造方法は、ＵＯ2粉末を調製した後にタブレット造粒等を行うため、製造工程が煩雑で手間がかかると云う問題がある。
【００１０】
本発明は、従来の上記製造方法の問題を解決したものであり、ＭＯＸ燃料や、低濃縮ウラン燃料について、従来の製造方法に比べて簡単に、比表面積が大きく、かつ流動性に優れた二酸化ウラン造粒体を製造する方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下の構成によって上記課題を解決した二酸化ウラン造粒体の製造方法に関する。
〔１〕フッ化ウラニル溶液の噴霧乾燥によって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、該造粒フッ化ウラニル粒子から二酸化ウラン造粒体を製造することを特徴とする二酸化ウラン造粒体の製造方法。
〔２〕フッ化ウラニル溶液の噴霧乾燥によって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、造粒したフッ化ウラニル粒子を水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造する上記[１]の製造方法。
〔３〕フッ化ウラニル溶液をアンモニアガス導入下で噴霧乾燥することによって造粒重ウラン酸アンモニウム粒子を製造し、造粒した重ウラン酸アンモニウム粒子を水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造することを特徴とする二酸化ウラン造粒体の製造方法。
〔４〕フッ化ウラニル溶液を水素ガス導入下、４００℃以上の高温で噴霧乾燥することによって造粒・焙焼・還元を同時に行い、二酸化ウラン造粒体を製造する上記[１]の製造方法。
〔５〕フッ化ウラニル溶液のウランが劣化ウランであり、原子力発電のＭＯＸ燃料に用いる劣化二酸化ウラン造粒体を製造する上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する製造方法。
〔６〕フッ化ウラニル溶液のウランが低濃縮ウランであり、原子力発電のウラン燃料に用いる低濃縮二酸化ウラン造粒体を製造する上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する製造方法。
〔７〕  上記[１]〜上記[４]に記載する何れかの方法によって製造した二酸化ウランが、平均粒径５〜８０μｍ、比表面積２〜１５ｍ2/ｇ、嵩密度２〜５ｇ/cc、安息
角２０〜４０°である二酸化ウラン造粒体。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の製造方法は、フッ化ウラニル溶液を溶液の状態で噴霧乾燥する方法であり、スラリー化しないので、工程の途中で固形分による閉塞を生じることがなく、プロセスを安定的に操業することができる。
【００１３】
本発明の製造方法によれば、（イ）フッ化ウラニル溶液を噴霧乾燥することによって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、これを水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造することができ、または（ロ）フッ化ウラニル溶液をアンモニアガス導入下で噴霧乾燥することによって造粒重ウラン酸アンモニウム粒子を製造し、これを水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造することができ、あるいは（ハ）フッ化ウラニル溶液を水素ガス導入下、４００℃以上の高温で噴霧乾燥することによって造粒・焙焼・還元を同時に行い、二酸化ウラン造粒体を製造することができる。
【００１４】
また、本発明の製造方法は、（ニ）フッ化ウラニル溶液のウランとして劣化ウランを用いることによって、原子力発電のＭＯＸ燃料に用いる劣化二酸化ウラン造粒体を製造することができ、また（ホ）フッ化ウラニル溶液のウランとして低濃縮ウランを用いることによって、原子力発電のウラン燃料に用いる低濃縮二酸化ウラン造粒体を製造することができる。
【００１５】
さらに、本発明の製造方法によれば、比表面積が大きくかつ流動性に優れた二酸化ウラン造粒体を製造することができる。具体的には、本発明の製造方法によれば、平均粒径５〜８０μｍ、比表面積２〜１５ｍ2/ｇ、嵩密度２〜５ｇ/cc、安息角２０〜４０
°の二酸化ウラン造粒体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
本発明の製造方法は、フッ化ウラニル溶液（ＵＯ2Ｆ2溶液）を用い、該ＵＯ2Ｆ2溶液の噴霧乾燥によって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、この造粒フッ化ウラニル粒子から二酸化ウラン造粒体を製造することを特徴とする二酸化ウラン造粒体の製造方法である。
【００１７】
本発明の製造方法によれば、平均粒径５〜８０μｍ、比表面積２〜１５ｍ2/ｇ、嵩密度２〜５ｇ/cc、安息角２０〜４０°の二酸化ウラン造粒体を得ることができる。
【００１８】
本発明の製造方法の具体例を図１〜図３に示す。
図１に示す製造例は、フッ化ウラニル溶液（ＵＯ2Ｆ2溶液）を用い、該フッ化ウラニル溶液を噴霧乾燥することによって造粒フッ化ウラニル粒子を製造し、これを水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造する方法である。
【００１９】
図２に示す製造例は、フッ化ウラニル溶液を用い、該フッ化ウラニル溶液をアンモニアガス導入下で噴霧乾燥することによって造粒重ウラン酸アンモニウム粒子を製造し、これを水素ガス雰囲気下で焙焼・還元して二酸化ウラン造粒体を製造する方法である。
【００２０】
図３に示す製造例は、フッ化ウラニル溶液を用い、該フッ化ウラニル溶液を水素ガス導入下、４００℃以上の高温で噴霧乾燥することによって造粒・焙焼・還元を同時に行い、二酸化ウラン造粒体を製造する方法である。
【００２１】
図１〜図３に示す何れの場合にも、フッ化ウラニルをスラリー化せずに溶液のまま用いる。該フッ化ウラニル溶液は六フッ化ウランガスを水に溶解して生成したものを用いることができる。原料の六フッ化ウランは水と反応して加水分解し、フッ化ウラニル溶液になる。フッ化ウラニル溶液の濃度は制限されない。通常、１０〜６０％濃度であれば良い。
【００２２】
本発明の製造方法は、フッ化ウラニル溶液を噴霧乾燥することによって造粒する。噴霧乾燥手段の一例を図４に示す。図４の装置は、密閉された乾燥炉１０を有し、該乾燥炉１０の上部には原料のフッ化ウラニル溶液を送液するポンプ１１を有する噴射手段１２が設けられており、さらに、乾燥炉１０に乾燥用空気を導入する供給手段１３が設けられており、該供給手段にはヒータ１４が設けられている。また、乾燥炉１０の排気系には固気分離器１５および凝縮器１６が設けられている。
【００２３】
図１に示す製造方法において、原料のフッ化ウラニル溶液は、噴射手段１２を通じて炉内に噴霧されることによって多孔質の微粒子になる。一方、炉内には供給手段１３を通じて昇温された空気が導入され、噴霧によって微粒子化されたフッ化ウラニル粒子が落下する間に乾燥され、炉内底部に溜まる。このフッ化ウラニル粒子は底部から取り出され、一方、排気は固気分離器１５に導かれ、ここで未造粒の微粉末が回収される。
【００２４】
回収されたフッ化ウラニル粒子は焙焼工程に送られ、水素ガス雰囲気下で４００℃以上に加熱して焙焼還元することによって、二酸化ウラン造粒体が得られる。
【００２５】
図２に示す製造方法において、供給手段１３には乾燥空気に代えてアンモニアガスが導入される。アンモニアガスはヒータ１４によって好ましくは２００〜４００℃に加熱されて炉内に供給される。原料のフッ化ウラニル溶液は、噴射手段１２を通じて炉内に噴霧されることによって多孔質の微粒子になると共に、炉内に供給されたアンモニアガスと反応して重ウラン酸アンモニウム（ＡＤＵ）粒子になる。
【００２６】
造粒されたＡＤＵ粒子は炉内底部に溜まり、一方、排気は固気分離器１５に導かれ、ここで未造粒の微粉末が回収された後に凝縮器１６に導かれ、排気に含まれる未反応のアンモニアガス等は凝縮液化されて凝縮液受槽１７に導かれ、送液ポンプ１８によって排液系１９を通じて系外に排出される。一方、凝縮器１６を経た排気は排気系２０を通じて外部に排出される。
【００２７】
回収されたＡＤＵ粒子は焙焼工程に送られ、水素ガス雰囲気下で４００℃以上に加熱して焙焼還元することによって、二酸化ウラン造粒体が得られる。
【００２８】
図３に示す製造方法において、供給手段１３には乾燥空気に代えて水素ガスが導入される。水素ガスはヒータ１４によって４００℃以上、例えば４００℃〜１０００℃、好ましくは６００〜９００℃に加熱されて炉内に供給される。原料のフッ化ウラニル溶液は、噴射手段１２を通じて炉内に噴霧されることによって多孔質の微粒子になると共に、炉内に供給された水素ガスと反応して還元される。
【００２９】
このように図３の製造方法では、炉内に高温の水素ガスを導入することによって、炉内で造粒・還元・焙焼が同時に進行し、二酸化ウラン（ＵＯ2）粒子が製造される。このＵＯ2粒子は炉内底部から取り出される。一方、排気は固気分離器１５に導かれ、ここで未造粒の微粉末が回収された後に凝縮器１６に導かれ、排気に含まれる未反応の水素ガス等は凝縮液化されて凝縮液受槽１７に導かれ、送液ポンプ１８によって排液系１９を通じて系外に排出され、一方、凝縮器１６を経た排気は排気系２０を通じて外部に排出される。
【００３０】
図１〜図３に示す何れの製造方法においても、多孔質で高活性の二酸化ウラン造粒体を得ることができる。さらに、上記各製造方法によって、平均粒径５〜８０μｍの二酸化ウラン造粒体を得ることができる。なお、造粒体の平均粒径は、フッ化ウラニル溶液の濃度や粘性、および噴霧圧力などを制御することによって調整することができる。
【００３１】
図１〜図３に示す何れの製造方法においても、比表面積が２〜１５ｍ2/ｇ、嵩密度が２〜５ｇ/cc、安息角が２０〜４０°の二酸化ウラン造粒体を得ることができる。
【００３２】
本発明の製造方法において、フッ化ウラニル溶液のウランとして劣化ウランを用いることによって、原子力発電のＭＯＸ燃料に用いる劣化二酸化ウラン造粒体を製造することができる。なお、劣化ウランを用いる場合には臨界が生じないので、大型の乾燥炉を用いることができる。
【００３３】
また、本発明の製造方法において、フッ化ウラニル溶液のウランとして低濃縮ウランを用いることによって、原子力発電のウラン燃料に用いる低濃縮二酸化ウラン造粒体を製造することができる。例えば、フッ化ウラニル溶液のウランとしてＵ285の濃度を３〜５％に濃縮したウランを用い、乾燥炉に導入するフッ化ウラニル溶液の供給量を臨界が生じない限度に制限し、あるいは、乾燥炉の塔径を臨界が生じない限度に制限するなど、小型の乾燥炉を用いて噴霧乾燥するのが良い。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の実施例を示す。
〔実施例１〕
図４に示す噴霧手段を用い、空気５０Ｎｍ3/ｈ導入下で、４０wt％濃度のフッ化ウラニル溶液２kgを炉内に噴霧することによって造粒フッ化ウラニル粒子１.２kgを得た。この造粒体の平均粒径は２２μｍであった。
【００３５】
〔実施例２〕
図４に示す噴霧手段を用い、アンモニアガス導入下で、４０wt％濃度のフッ化ウラニル溶液を炉内に噴霧することによって、造粒ＡＤＵ粒子を得た。この造粒体の平均粒径は２０μｍであった。
【００３６】
〔実施例３〕
図４に示す噴霧手段を用い、８００℃に加熱した水素ガス導入下で、４０wt％濃度のフッ化ウラニル溶液を炉内に噴霧することによって、ＵＯ2粒子を得た。この造粒体の平均粒径は１５μｍであった。
【００３７】
〔実施例４〕
実施例１において製造した造粒フッ化ウラニル粒子を５００℃の水素ガス雰囲気中で焙焼・還元した二酸化ウラン造粒体の平均粒径は１５μｍ、比表面積は６.３ｍ2/ｇ、嵩密度は２.２ｇ/cc、安息角は２９°であった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の製造方法の一例を示す工程図
【図２】本発明の製造方法の一例を示す工程図
【図３】本発明の製造方法の一例を示す工程図
【図４】本発明の製造方法を実施する装置構成の概念図
【図５】従来の製造方法を示す工程図
【図６】従来の製造方法を示す工程図
【符号の説明】
【００３９】
１０−乾燥炉、１１−送液ポンプ、１２−噴霧手段、１３−供給手段、１４−ヒータ、１５−固気分離器、１６−凝縮器、１７−凝縮液受槽、１８−ポンプ、１９−排液系、２０−排気系。
【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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【図６】
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