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発明の名称 燃料コンパクト及び燃料コンパクトの製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−40744(P2007−40744A)
公開日 平成19年2月15日(2007.2.15)
出願番号 特願2005−222897(P2005−222897)
出願日 平成17年8月1日(2005.8.1)
代理人 【識別番号】100064469
【弁理士】
【氏名又は名称】菊池 新一
発明者 高橋 昌史
要約 課題
燃料コンパクト内の温度差を原因とする燃料コンパクトの変形や破損を、燃料コンパクトの性能に影響を与えることなく、簡易にかつ低コストで防止する。

解決手段
燃料コンパクト10は、被覆燃料粒子12を一体成型して中実円筒形状に形成されている。この中実円筒形状の燃料コンパクト10の上下の端面10A、10Bの中央部には、湾曲形状を有する円形のディッシュ14が形成されている。このディッシュ14は、燃料コンパクト10の直径をD、ディッシュ14の直径をΔD、燃料コンパクト10の高さをH、ディッシュ14の高さをΔHとしたとき、1/3≦ΔD/D≦4/5で、かつ、1/50≦ΔH/H≦1/10の条件を満たしている。
特許請求の範囲
【請求項1】
被覆燃料粒子を一体成型して形成された燃料コンパクトにおいて、端面に湾曲形状を有するディッシュが形成され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に記載された燃料コンパクトであって、前記ディッシュは、前記燃料コンパクトの端面の中央部に形成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又は請求項2のいずれかに記載された燃料コンパクトであって、前記燃料コンパクトは中実円筒形状を有し、前記ディッシュは前記中実円筒形状の燃料コンパクトの端面に形成されて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乃至請求項3のいずれかに記載された燃料コンパクトであって、前記ディッシュは、前記燃料コンパクトの上下の両端面に形成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乃至請求項4のいずれかに記載された燃料コンパクトであって、前記ディッシュは、中心部ほど深さが深い湾曲形状を有することを特徴とする燃料コンパクト。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれかに記載された燃料コンパクトであって、前記ディッシュは、前記燃料コンパクトの直径をD、前記ディッシュの直径をΔD、前記燃料コンパクトの高さをH、前記ディッシュの高さをΔHとしたとき、1/3≦ΔD/D≦4/5で、かつ、1/50≦ΔH/H≦1/10の条件を満たすことを特徴とする燃料コンパクト。
【請求項7】
被覆燃料粒子を金型により一体成型して燃料コンパクトを製造する燃料コンパクトの製造方法において、前記金型に湾曲形状を有するディッシュ部を形成して、前記燃料コンパクトの端面にディッシュを形成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8】
請求項7に記載された燃料コンパクトの製造方法であって、前記金型に前記湾曲形状を有するディッシュ部材を装着することにより前記金型にディッシュ部を形成する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、高温ガス炉等の原子炉において燃料として使用され、ウランやトリウム等の核燃料物質の酸化物の微小球(燃料核)に熱分解炭素層や炭化珪素層等を被覆した被覆燃料粒子を、黒鉛マトリックス中に分散して一体成型して形成される燃料コンパクトや、その製造方法の改良に関し、特に、燃料コンパクトや燃料スリーブ、黒鉛ブロックの破損を簡易にかつ低コストで防止すること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から形成すると共に、冷却ガスとして高温下でも化学反応を起こさないヘリウムガス等の気体を用いているため、固有の安全性が高く、出口温度が非常に高いヘリウムガスを取り出すことができる原子炉であり、約900℃前後の高温熱を、発電はもちろんのこと水素製造や化学プラント等、幅広い分野において利用することを可能とするものである。
【0003】
(被覆燃料粒子)
この高温ガス炉の燃料としては、一般に、二酸化ウランやトリウム等をセラミックス状に焼結した直径約350μm〜650μmの燃料核の周囲に、第1層から第4層の計4層の被覆が施された直径約500μm〜1000μmの被覆燃料粒子が使用される。具体的には、次の4つの被覆である。
【0004】
即ち、一般にバッファ層と呼ばれる最も内側の第1層は、密度約1g/cm3の低密度熱分解炭素(PyC)から成る層で、ガス状の核分裂生成物(FP)のガスを溜めると共に、核燃料のスウェリングを吸収する機能を併せ持つ。次いで、この第1層の上に施される第2層は、一般に、密度約1.8g/cm3の高密度熱分解炭素から形成された内側熱分解炭素(PyC)層であり、ガス状の核分裂生成物(FP)の拡散の障壁となってガス状の核分裂生成物(FP)を保持する機能を有するものである。更に、炭化珪素(SiC)層と呼ばれる第3層は、密度約3.2g/cm3の炭化珪素から成り、主に固体状の核分裂生成物の拡散の障壁となって固体状の核分裂生成物を保持すると共に、被覆燃料粒子全体の主要な強度部材としての機能を有するものである。最も外側の第4層である外側熱分解炭素層は、第2層と同様、密度約1.8g/cm3の高密度熱分解炭素から成り、照射収縮により第3層である炭化珪素層に圧縮応力を発生させて照射下での被覆燃料粒子全体の強度を保持すると共にガス状の核分裂生成物(FP)を保持する機能を有するものである。
【0005】
このような被覆燃料粒子は、一般的には、次のような工程を経て製造される。即ち、まず、燃料核の生成であるが、具体的には、酸化ウランの粉末を硝酸に溶かして生成した硝酸ウラニル原液に、純水、増粘剤を添加して撹拌することにより滴下原液を生成する。この場合、増粘剤は、滴下された硝酸ウラニル原液の液滴が、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。この増粘剤としては、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、メトローズ等を使用することができる。次いで、このようにして調整された滴下原液を、所定の温度に冷却して粘度を調整した後、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溶液中に滴下する。なお、この場合、液滴に、アンモニア水溶液表面に着水するまでの空間においてアンモニアガスを吹きかけ、液滴の表面をゲル化させることにより、着水時に液滴が変形するのを防止する。
【0006】
アンモニア水溶液中に滴下された原液は、アンモニア水溶液中で、硝酸ウラニルが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。この重ウラン酸アンモニウムの粒子を、大気中でばい焼して、三酸化ウラン粒子とした後、更に還元、焼結することにより、高密度のセラミックス状二酸化ウランから成る燃料核を得る。このようにして得られた燃料核の粒径や真球度は、次の被覆工程における製造条件に非常に大きな影響を与えることから、燃料核は、篩により粒径選別及び真球度選別を行った上で、被覆工程に送られる。
【0007】
次に、燃料核の被覆工程においては、燃料核を流動床に装荷し、被覆となるガスを熱分解させることにより第1層から順次、上述した被覆を施していく。この場合、具体的には、第1層の低密度炭素層については、アセチレン(C22)を約1400℃で熱分解して燃料核を被覆する。第2層、第4層の高密度の熱分解炭素層については、プロピレン(C36)を約1400度で熱分解して被覆を施していく。第3層である炭化珪素層は、メチルトリクロロシラン(CH3SiCl3)を約1600℃で熱分解して形成する。このようにして製造された被覆燃料粒子は、更に、黒鉛粉末、粘結剤等から成る黒鉛マトリックス材を、被覆燃料粒子の表面にコーティングしてオーバーコートされる。
【0008】
(燃料コンパクト)
このオーバーコートされた被覆燃料粒子を燃料コンパクトとして使用する場合には、被覆燃料粒子を黒鉛マトリックス材中に分散させた後、例えば、円筒形にプレス成型又はモールド成型した上で焼結させて、一定形状の燃料コンパクトとする(例えば、特許文献等参照)。この燃料コンパクトは、被覆燃料粒子を圧縮する際に、ダイスやパンチを加熱して黒鉛マトリックス材中に含まれるフェノール樹脂を軟化させてバインダとすることにより、複数の被覆燃料粒子を一体化して形成されている。
【0009】
(炉心への装填)
このようにして形成された燃料コンパクトは、中実円筒型、中空円筒型の2種類が考えられるが、いずれの場合も、1)黒鉛から形成された燃料スリーブ(筒)に一定数量入れて上下に栓をした燃料棒の形態とした上で、高温ガス炉の六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に装填されるか、あるいは、2)高温ガス炉の六角柱型黒鉛ブロックの複数の挿入口に直接装填されて、最終的に、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ることにより、燃料として炉心に装荷される。
【0010】
(燃料コンパクトの欠損)
この高温ガス炉での使用時における燃料コンパクトの温度分布は、特に、中実円筒形状を有する燃料コンパクトにあっては、冷却材に近い燃料コンパクトの辺縁部(外周部)よりも中心部(燃料コンパクトの中心軸線付近)の方が温度が高くなる傾向がある。この燃料コンパクト内における中心部と外周部との冷却効率の差から生じる温度差により、温度に対する熱膨張係数の相違から、中心部の方が辺縁部(外周部)よりも熱膨張が大きくなり、その結果、燃料コンパクトが鼓型に変形することがある。
【0011】
このように燃料コンパクトが鼓型に変形すると、燃料コンパクトが、その外周に存在する燃料スリーブや黒鉛ブロックの内面と機械的に接触して、双方に応力が負荷され、燃料コンパクト、あるいは、燃料スリーブや黒鉛ブロックを破損させるおそれがある。
【0012】
また、このように、燃料コンパクトや燃料スリーブ、黒鉛ブロックに欠損が生じると、高温ガス炉内で燃料コンパクトが高温となり熱膨張した時に、欠片が燃料コンパクトと燃料スリーブ又は黒鉛ブロックの内面との間に挟まり、当該箇所において高い応力が発生して、燃料コンパクトや燃料スリーブ、黒鉛ブロックが破損する原因となる。
【0013】
従って、これらの燃料コンパクト等の破損を充分に防止することが必要となるが、その際には、燃料コンパクトに含まれるウラン料(核分裂性物質量)を必要以上に低下させて、核燃料としての本来の作用に影響を与えないように配慮することも必要となる。
【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】
【0014】
本発明が解決しようとする課題は、上記の問題点に鑑み、燃料コンパクト内の温度差を原因とする燃料コンパクトの変形による破損や燃料スリーブ、黒鉛ブロックの破損を、燃料コンパクトの性能に影響を与えることなく、簡易にかつ低コストで防止することができる燃料コンパクト及びそのような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】
本発明は、上記の課題を解決するための第1の手段として、被覆燃料粒子を一体成型して形成された燃料コンパクトにおいて、端面に湾曲形状を有するディッシュが形成されていることを特徴とする燃料コンパクトを提供するものである。
【0016】
本発明は、上記の課題を解決するための第2の手段として、上記第1の解決手段において、ディッシュは、燃料コンパクトの端面の中央部に形成されていることを特徴とする燃料コンパクトを提供するものである。
【0017】
本発明は、上記の課題を解決するための第3の手段として、上記第1又は第2のいずれかの解決手段において、燃料コンパクトは中実円筒形状を有し、ディッシュは中実円筒形状の燃料コンパクトの端面に形成されていることを特徴とする燃料コンパクトを提供するものである。
【0018】
本発明は、上記の課題を解決するための第4の手段として、上記第1乃至第3のいずれかの解決手段において、ディッシュは、燃料コンパクトの上下の両端面に形成されていることを特徴とする燃料コンパクトを提供するものである。
【0019】
本発明は、上記の課題を解決するための第5の手段として、上記第1乃至第4のいずれかの解決手段において、ディッシュは、中心部ほど深さが深い湾曲形状を有することを特徴とする燃料コンパクトを提供するものである。
【0020】
本発明は、上記の課題を解決するための第6の手段として、上記第1乃至第5のいずれかの解決手段において、ディッシュは、燃料コンパクトの直径をD、ディッシュの直径をΔD、燃料コンパクトの高さをH、ディッシュの高さをΔHとしたとき、1/3≦ΔD/D≦4/5で、かつ、1/50≦ΔH/H≦1/10の条件を満たすことを特徴とする燃料コンパクトを提供するものである。
【0021】
また、本発明は、上記第1乃至第6のいずれかの解決手段である燃料コンパクトを製造するのに適した以下の解決手段をも提供するものである。即ち、本発明は、上記の課題を解決するための第7の手段として、被覆燃料粒子を金型により一体成型して燃料コンパクトを製造する燃料コンパクトの製造方法において、金型に湾曲形状を有するディッシュ部を形成して、燃料コンパクトの端面にディッシュを形成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ものである。
【0022】
本発明は、上記の課題を解決するための第8の手段として、上記第7の解決手段において、金型に湾曲形状を有するディッシュ部材を装着することにより金型にディッシュ部を形成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ものである。
【発明の効果】
【0023】
本発明によれば、上記のように、円筒形状の燃料コンパクトの上下の端面(上面及び下面)のうち、辺縁部よりも熱膨張が大きい中央部にディッシュを形成しているため、このディッシュが、燃料コンパクトの内外の熱膨張率の相違を相殺して、燃料コンパクトの不自然な鼓型への変形を抑制することができるため、燃料コンパクトと、燃料スリーブ又は黒鉛ブロックとの間の機械的な相互干渉を低減することができ、負荷の軽減により、これらの破損を充分に防止することができる実益がある。
【0024】
本発明によれば、上記のように、ディッシュの直径や高さを、燃料コンパクトの直径や高さとの比において、適切に設定しているため、ウラン等の核分裂性物質量が低減するのを防止しつつ、熱膨張による変形を充分に吸収することができ、燃料コンパクト本来の性能に影響を与えることなく、その変形や破損等を防止することができる実益がある。
【0025】
本発明によれば、上記のように、最も熱膨張が大きい燃料コンパクトの中心部ほど深さが深いディッシュを形成しているため、熱膨張係数の相違に応じて、適切に熱膨張の差を相殺して、燃料コンパクトの鼓型への変形を抑制することができる実益がある。
【0026】
本発明によれば、上記のように、金型に湾曲形状を有するディッシュ部を形成して、燃料コンパクトの端面にディッシュを形成しているため、簡易に、燃料コンパクトの破損を防止することができる実益がある。
【0027】
この場合、本発明によれば、上記のように、この金型のディッシュ部を、金型に装着される湾曲形状を有するディッシュ部材により形成して燃料コンパクトにディッシュを形成しているため、ディッシュ部材を金型に装着するだけで、大幅な変更を加えることなく既存の製造設備を利用することができるので、簡易に、かつ、低コストで、燃料コンパクト等の破損を防止することができる実益がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【0028】
本発明を実施するための形態を図面を参照しながら詳細に説明すると、図1は本発明の製造方法により製造された燃料コンパクト10を示し、この燃料コンパクト10は、図2に示すように、複数の被覆燃料粒子12を、プレス成型又はモールド成型により加熱しながら圧縮して一体成型することにより、形成されている。
【0029】
具体的には、燃料コンパクト10は、所定量の被覆燃料粒子12を、黒鉛粉末、粘結剤等から成る黒鉛マトリックス中に分散させて、この黒鉛マトリックス材と共に、図2(B)に示すように、ダイス1内に投入して、ダイス1内で上下のパンチ2A、2Bにより圧縮することにより製造される。
【0030】
この被覆燃料粒子12の圧縮に際しては、金属製のダイス1やパンチ2、また、被覆燃料粒子12を加熱することにより、黒鉛マトリックス材に含まれるフェノール樹脂を軟化させて被覆燃料粒子12間のバインダとして一体化し、図1に示す円筒形状の燃料コンパクト10に成型する。なお、これらのダイス1、上下のパンチ2は、例えば、合金工具鋼から形成することができる。
【0031】
なお、被覆燃料粒子12には、圧縮する前に予め、その表面に、黒鉛粉末、粘結剤等から成る黒鉛マトリックス材をコーティングして形成されたオーバーコート層を被覆することが好ましい。このオーバーコート層は、1)プレス成型時等の圧力によって、被覆燃料粒子12を破損することを防止すると共に、2)被覆燃料粒子12間の介在として、燃料コンパクト10内において被覆燃料粒子12を均一に分散させて、焼結時に被覆燃料粒子12が熱的機械的に破損するのを防止するために形成される。このため、被覆燃料粒子12が均一に分散されるよう、オーバーコート層が形成された被覆燃料粒子12の直径を均一に揃えた上で、燃料コンパクト10とすることが一般的である。
【0032】
なお、このオーバーコート層は、被覆燃料粒子12を、黒鉛粉末や粘結剤等から成る黒鉛マトリックス材中に分散させることにより形成することができるが、その際、オーバーコート層の厚みは、このオーバーコート工程の途中及び最後にオーバーコート層が形成された被覆燃料粒子12を篩い分けする際に、その篩のメッシュサイズを適切に設定すると共に、オーバーコートのための時間を長く調整することにより、適切な厚みに調整することができる。
【0033】
本発明の燃料コンパクト10においては、図1に示すように、中実円筒形状を有し、その端面には、湾曲形状を有するディッシュ14が形成されている。このディッシュ14は、図1に示すように、中実円筒形状の燃料コンパクト10の上下の端面(上面10A及び下面10B)に、円形状に形成することが望ましい。
【0034】
また、このディッシュ14は、図1に示すように、燃料コンパクト10の端面10A、10Bの中央部(燃料コンパクト10の軸線を中心とした所定の範囲)に形成されている。この燃料コンパクト10の軸線付近の中央部は、冷却材に近い燃料コンパクト10の辺縁部(外周部)よりも熱膨張が大きいため、この中央部にディッシュ14を形成することにより、ディッシュ14が、燃料コンパクト10の内外の熱膨張率の相違を相殺して、燃料コンパクト10の鼓型への変形を抑制することができる。
【0035】
このため、燃料コンパクト10と、図示しない燃料スリーブ又は黒鉛ブロックとの間の機械的な相互干渉を低減することができ、負荷の軽減により、これらの破損を充分に防止することができる。
【0036】
また、このディッシュ14は、図1に示すように、中心部ほど深さが深い湾曲形状を有している。これは、燃料コンパクト10は、冷却材から遠ざかる中心部ほど次第に高温となり、中心部に近づくに連れ熱膨張も大きくなるため、この熱膨張の度合いに応じて、適切に熱膨張の差を相殺して、燃料コンパクト10の鼓型への変形を抑制するためである。
【0037】
更に、このディッシュ14の直径や高さは、燃料コンパクト10の直径や高さとの比で適切に設定することが望ましい。具体的には、図1に示すように、燃料コンパクト10の直径をD、ディッシュ14の直径をΔD、燃料コンパクト10の高さをH、ディッシュ14の高さをΔHとしたとき、直径については1/3≦ΔD/D≦4/5で、かつ、高さについては1/50≦ΔH/H≦1/10の条件を満たす範囲で形成する。
【0038】
これは、ディッシュ14の直径ΔDが、燃料コンパクト10の直径Dとの比率において、1/3>ΔD/Dとなったり、あるいは、ディッシュ14の高さΔHが、燃料コンパクト10の直径Hとの比率において、1/50>ΔH/Hとなると、熱膨張による燃料コンパクト10の変形を抑制するにはディッシュ14が小さすぎ、変形防止作用を充分に発揮させることができないためである。
【0039】
このように、燃料コンパクト10の変形を抑制するためには、ディッシュ14のサイズをできるだけ大きく設定することが好ましいが、一方で、あまりに大きく設定しすぎると、具体的には、ディッシュ14の直径ΔDが、燃料コンパクト10の直径Dとの比率において、ΔD/D>4/5となったり、あるいは、ディッシュ14の高さΔHが、燃料コンパクト10の直径Hとの比率において、ΔH/H>1/10となると、ディッシュ14が大きいために、ウラン等の核分裂性物質量が低減する。このため、ディッシュ14のサイズを1/3≦ΔD/D≦4/5で、かつ、1/50≦ΔH/H≦1/10の条件を満たす範囲内で設定することにより、燃料コンパクト本来の性能に影響を与えるのを防止しつつ、その変形や破損等を防止することができる。
【0040】
このディッシュ14は、図2(B)に示すように、上下のパンチ2A、2B等の金型のに湾曲形状を有するディッシュ部を形成して、オーバーコート層を有する被覆燃料粒子12を圧縮することにより形成することができる。この場合、このディッシュ部は、図2(B)に示すように、湾曲形状を有するディッシュ部材3を、上下のパンチ2A、2Bに装着することにより形成することができる。
【0041】
このため、図2(A)に示す従来からの一般的なパンチ2A、2Bに大幅な変更を加えることなくディッシュ部材3を装着するだけで、本発明の製造方法に対応することができる。従って、既存の製造設備を有効に利用することができるので、簡易に、かつ、低コストで、ディッシュ14を有する本発明の燃料コンパクト10を製造することができる。なお、ディッシュ部材3は、上下のパンチ2A、2Bの圧縮面において、ディッシュ14を形成すべき箇所に対応した箇所に設置する。
【産業上の利用可能性】
【0042】
本発明は、オーバーコートされた燃料粒子を、燃料棒等の種々の形態の燃料コンパクトに加工することに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】図1は、本発明の燃料コンパクトを示し、同図(A)はその断面図、同図(B)はその平面図である。
【図2】図2は、燃料コンパクトの製造方法を実施する状態を示し、同図(A)は従来の製造方法を実施する状態の概略断面図であり、同図(B)は本発明の製造方法を実施する状態の概略断面図である。
【符号の説明】
【0044】
1 ダイス
2 パンチ
3 ディッシュ部材
10 燃料コンパクト
10A、10B 燃料コンパクトの端面(上面、下面)
12 被覆燃料粒子
14 ディッシュ
ΔD ディッシュの直径
ΔH ディッシュの高さ
D 燃料コンパクトの直径
H 燃料コンパクトの高さ




 

 


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