JP4451380B2

JP4451380B2 - 被覆燃料粒子のオーバコート方法とオーバコート装置

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Publication number: JP4451380B2
Application number: JP2005342480A
Authority: JP
Inventors: 徹泉谷
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2025-11-28
Also published as: JP2007147454A

Description

本発明は被覆燃料粒子をオーバコートするのに適した技術に関し、より詳しくは高品質オーバコート被覆燃料粒子を合理的に生産するためのオーバコート方法とオーバコート装置に関する。

高温ガス炉については周知のとおり、熱容量が大きくて高温健全性の良好な黒鉛で炉心構造（燃料を含む）を構成し、高温下でも化学反応の起こらない不活性ガスたとえばＨｅガスを冷却ガスとして用いている。こうすることで固有の安全性が高くなり、高い出口温度のＨｅガスも取り出すことができるようになる。この高温ガス炉から得られる約９００℃の高熱は、発電をはじめ、水素製造・化学プラント・その他を含む幅広い分野での熱利用を可能にするものである。

高温ガス炉の燃料については、下記の特許文献１〜２や非特許文献１などを参照してつぎのことがいえる。直径５００〜１０００μｍの被覆燃料粒子は、核燃料物質の酸化物からなる燃料核（直径３５０〜６５０μｍ）の外周面に４層の被覆が施されたものである。被覆燃料粒子の被覆層で、低密度炭素からなる第１被覆層は、ガス状の核分裂生成物ＦＰを溜めるためのガス溜め機能と燃料核スウェリングを吸収するためのバッファ機能とを併せもつものである。高密度炭素からなる第２被覆層にはガス状ＦＰの保持機能があり、炭化珪素ＳｉＣからなる第３被覆層には固体状ＦＰの保持機能がある。第２被覆層と同様の高密度炭素からなる第４被覆層には、固体状ＦＰの保持機能があるほか第３被覆層に対する保護機能もある。これら以外に関しては、被覆燃料粒子を黒鉛粉末と混ぜ合わせて一定の形状に焼結したものが燃料コンパクトとなり、一定数量の燃料コンパクトを黒鉛筒に入れて封じたものが燃料棒となる。最終的には、所定数の燃料棒を黒鉛ブロックの各挿入口に装填したものが高温ガス炉の燃料となる。

高温ガス炉の燃料は以下のようにして製造するのが一般である。燃料核をつくる初期のステップでは、硝酸ウラニル原液をアンモニア溶液中に滴下して重ウラン酸アンモニウム粒子を形成し、当該粒子を乾燥した後、酸化・還元・焼結する。燃料核を第１被覆層〜第４被覆層で被覆して被覆燃料粒子をつくるときは、燃料核を高温流動床に導入しＣＶＤ法を実施することで各層を形成する。燃料コンパクトをつくるときは、被覆燃料粒子を黒鉛マトリックス材によりコーティングしてオーバコート被覆燃料粒子（単に被覆燃料粒子とかオーバコート粒子とかいうこともある）とした後、そのオーバコート粒子を成形かつ焼結する。燃料棒をつくるステップでは、燃料コンパクトを黒鉛筒に封入すればよい。こうして得られた燃料棒を黒鉛ブロックの各挿入口に装填することで高温ガス炉の燃料ができあがる。

高温ガス炉に用いられる既成の燃料において、被覆燃料粒子は直径が５００〜１０００μｍであり、これを黒鉛マトリックス材でコーティングしたオーバコート粒子の場合は直径が１０００〜２０００μｍである。したがって被覆燃料粒子の外周面には厚さ１００〜５００μｍもの黒鉛マトリックス材が介在する。このオーバコート粒子を燃料コンパクト中に均一分散させるためには、オーバコート粒子の直径（外径）を高精度に仕上げておくことが重要で、そうでない場合は、粒子の分散不均一に起因して燃料が低品質のものになる。さらに敷衍すると、オーバコート精度の高い被覆燃料粒子が歩留まりよく高速生産できるときには、最終の燃料製品なども高精度で廉価なものになる。

このような技術事項を考慮に入れた粒子製造手段として、外径の均一化をはかりながらオーバコート粒子を製造するという転動造粒技術がある。この転動造粒技術は周知のとおり、被覆燃料粒子入りのパン（皿形のコーティング容器）を回転させながら粒子表面を黒鉛マトリックス材でコーティングするという方法である。より具体的には、コーティング容器内にオーバコート前の被覆燃料粒子を所定量入れた後、ノズルを介して黒鉛マトリックス材（結合剤を含む）を噴霧しつつ被覆燃料粒子を容器回転により転動・回転させてその粒子表面に黒鉛マトリックス材によるオーバコート層を形成する。この場合に単一であるところのノズルは、コーティング容器内の被覆燃料粒子に対して黒鉛マトリックス材をスポット供給することとなる。
特開平０６−２６５６６９号公報特開平０７−２１８６７４号公報原子力百科事典ＡＴＭＩＣＡ［平成16年12月 7日インターネット検索］＜ＵＲＬ：http://www-atm.jst.go.jp/atomica/03030301_1.html＞

上述したオーバコート方法にはつぎのような難点がある。
(1) コーティング容器内で広がりをみせる多量の被覆燃料粒子に黒鉛マトリックス材をスポット供給するだけだから、それが容器内各所の被覆燃料粒子に十分いきわたらず、被覆燃料粒子相互でオーバコート層の厚さが不均一になりがちとなる。したがって粒子外径の均一なオーバコート被覆燃料粒子を高歩留まりで得ることができない。
(2) これを解決するために黒鉛マトリックス材の単位時間あたりの供給量を増やすとしても、材料拡散しないスポット供給ノズルでは、容器内各所における黒鉛マトリックス材の偏在ないしは局所的な過不足がさらに助長される。したがって黒鉛マトリックス材の供給量や供給速度を単に高めるだけの措置では、オーバコート層のバラツキや不均一を解消することができず、かえって不具合が増す。
(3) 黒鉛マトリックス材の供給量や供給速度が多量の被覆燃料粒子に見合うものでなく、被膜の成長速度も遅いので、所定厚さでオーバコートされた被覆燃料粒子を得るまでに多くの時間を費やす。それが量産する上でのネックになるので、オーバコート被覆燃料粒子について高い生産性を期待することができない。
(4) 良品の歩留まりが低く生産性も低いので、これらのコストプッシュ要因がオーバコート被覆燃料粒子のコストを跳ね上げる。その影響が最終燃料製品にも及ぶので高温ガス炉用燃料のコストダウンがはかりがたい。

本発明はこのような技術上の課題に鑑み、オーバコート被覆燃料粒子をつくるときに粒径の均一化・粒径の高精度化・コーティング速度の高速化・低コスト・量産性などをはかることのできるオーバコート方法とオーバコート装置を提供しようとするものである。

本発明の請求項１に係る被覆燃料粒子のオーバコート方法は所期の目的を達成するために下記の課題解決手段を特徴とする。すなわち請求項１に記載のオーバコート方法は、
内部空間の一部に被覆燃料粒子を堆積状態で収容したコーティング容器を回転させてその被覆燃料粒子を攪拌するための攪拌ステップと、この攪拌ステップと同期するものであってオーバコート用の黒鉛マトリックス材をコーティング容器内の被覆燃料粒子に向け噴射してそれぞれの粒子表面に黒鉛マトリックス材によるオーバコート層を形成するための被覆ステップとを備えていること、および、
コーティング容器内における被覆燃料粒子堆積部について、コーティング容器の回転方向と交差する水平方向を被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向とした場合、
上記攪拌ステップと被覆ステップとの同期ステップのときに黒鉛マトリックス材をコーティング容器内における被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向に拡散させて噴射し、その拡散噴射領域に分布するそれぞれ被覆燃料粒子に黒鉛マトリックス材を供給すること
を特徴とする。

本発明の請求項２に係る被覆燃料粒子のオーバコート方法は、請求項１に記載された方法において、アレイ型ノズル・バンドル型ノズル・先端拡散型ノズルのうちのいずれかのノズルを用いて黒鉛マトリックス材を被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向に拡散噴射することを特徴とする。

本発明の請求項３に係る被覆燃料粒子のオーバコート方法は、請求項２に記載された方法において、被覆燃料粒子堆積部の表面の幅をＤとし、先端拡散型ノズルによる噴射材料（黒鉛マトリックス材）の有効拡散幅をｄ１とした場合、０．７５Ｄ≦ｄ１≦１．２５Ｄを満足させることのできる先端拡散型ノズルを用いることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る被覆燃料粒子のオーバコート方法は、請求項２に記載された方法において、被覆燃料粒子堆積部表面の幅をＤとし、アレイ型ノズルまたはバンドル型ノズルによる噴射材料（黒鉛マトリックス材）の有効拡散幅をｄ２とした場合、０．７５Ｄ≦ｄ２≦１．２５Ｄを満足させることのできるアレイ型ノズルまたはバンドル型ノズルを用いることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る被覆燃料粒子のオーバコート装置は所期の目的を達成するために下記の課題解決手段を特徴とする。すなわち請求項５に記載のオーバコート装置は、
被覆燃料粒子を収容するための粒子堆積空間を内部に有するコーティング容器と、コーティング容器を回転させるための駆動手段と、黒鉛マトリックス材を噴射するためのものであってコーティング容器の粒子堆積空間に向けて配置されたノズルとを備えたものであること、および、
コーティング容器の粒子堆積空間について、コーティング容器の回転方向と交差する水平方向をその粒子堆積空間の幅方向とした場合、
上記ノズルの先端部が当該粒子堆積空間の幅方向に広がりをもつものであること
を特徴とする。

本発明に係る被覆燃料粒子のオーバコート方法はつぎのような効果を有する。
(1) 黒鉛マトリックス材については、コーティング容器内で被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向に拡散させて噴射し、その拡散噴射領域に分布するそれぞれ被覆燃料粒子に一斉供給する。これはスポット供給ではなく、幅方向に広がりのあるゾーン供給であるから、コーティング容器内で幅方向に広がりをみせる多量の被覆燃料粒子であっても、これらへの黒鉛マトリックス材供給に過不足が生じない。その結果、黒鉛マトリックス材が容器内各所の被覆燃料粒子に十分にいきわたることとなって各被覆燃料粒子のオーバコート層が均一かつ高精度に仕上がり、粒子外径の均一なオーバコート被覆燃料粒子が高歩留まりで得られるようになる。
(2) 上記のゾーン供給であるから、単位時間あたりの供給量を増やした場合でも黒鉛マトリックス材が容器内各所で偏在することなく拡散する。これは高速被覆を実現する上での材料高速供給に支障がともないがたいということである。
(3) 黒鉛マトリックス材のゾーン供給（高速供給）で被膜の成長速度を速くすることができるので、所定厚さのオーバコート層を有する被覆燃料粒子が短時間で得られる。ゆえにオーバコート被覆燃料粒子をコーティング速度の高速化で量産して高い生産性を獲得することができる。
(4) 良品の歩留まりが高く生産性も高いので、これに基づきオーバコート被覆燃料粒子のコストダウンをはかることができる。

本発明に係る被覆燃料粒子のオーバコート装置はつぎのような効果を有する。
(5) 黒鉛マトリックス材噴射用のノズルを主体にした改良装置であるから、設備面や運転面での負担が既成の装置とほとんど変わらない。その一方で、当該装置を用いて本発明方法を実施した場合には既述の効果が得られる。したがって被覆燃料粒子をオーバコートするための手段として有用かつ有益な装置となる。

はじめに本発明に係る被覆燃料粒子のオーバコート装置について、その実施形態を添付図面に基づき説明する。

図１に例示されたオーバコート装置において、１１は基台、２１は駆動手段、３１はコーティング容器、４１は材料供給系をそれぞれ示す。

図１の基台１１上には支持スタンド１２を介して駆動手段２１が装備されている。この場合の基台１１や支持スタンド１２は金属・合成樹脂・その複合材などのうちで機械的特性の優れた任意の材料からなる。駆動手段２１は電動機（モータ）または電動機と回転伝動機構とからなり、その電動機の回転を受ける出力軸２２を備えている。図１において支持スタンド１２により支持された駆動手段２１の出力軸２２は２０〜５０゜の傾斜角度、より具体的には、３５゜程度の傾斜角度で傾斜している。

図１に例示されたコーティング容器３１はパンと称される皿形のものである。これは底壁３２と周壁３３とで形成されていて上面が開放されている。コーティング容器３１は、また、底壁３２の外面中央より突出する軸３４を備えているものである。コーティング容器３１も金属・合成樹脂・その複合材などのうちで機械的特性の優れた任意の材料からなる。その代表的一例としてコーティング容器３１は各部が金属からなる。図１のコーティング容器３１は、その底壁３２にある軸３４が周知のカップリング２３で出力軸２２と連結される。それでコーティング容器３１は図示のように傾斜している。この傾斜姿勢でのコーティング容器３１では、容器内の下部側が粒子堆積空間３５となる。

図１に例示された材料供給系４１は、先端にノズル４３を有する単一の供給管４２とこれに関連する部材や機器などを主体にして構成されている。この場合の供給管４２やノズル４３も、金属・合成樹脂・その複合材などのうちで機械的特性の優れた任意の材料からなるが、供給管４２についてはその一部が可撓性を有していたりすることもある。供給管４２に付されたノズル４３は、図示しない操作機構または作業員によりコーティング容器３１の内外に出し入れすることができるものである。ちなみに操作機構を介してコーティング容器３１内の所定位置にセッティングされたときのノズル４３は、図１のごとくコーティング容器３１内の粒子堆積空間３５上に位置する。供給管４２の基端部は、材料供給機能のある材料供給機４７に接続されている。

図１・図２を参照してノズル４３を詳述すると、これは先端拡散型の形状をしている。すなわちノズル４３は、円錐形や角錐形など末広がり形の拡散形状をした胴体４４の底面に噴射盤４５が一体的に装着されたものである。この噴射盤４５は円錐形または角錐形の凹状をしており、これに図２のような多数の噴射孔４６ａ・４６ｂ・４６ｃが形成されている。各噴射孔４６ａ・４６ｂ・４６ｃは４６ａ＜４６ｂ＜４６ｃのように中心部から外周部に向かうにしたがい孔径が大きくなっている。これは材料噴射時の均一分散性を期すためである。噴射盤４５については平坦状であってもよく、円錐形または角錐形の凸状であってもよい。各噴射孔４６ａ・４６ｂ・４６ｃについても、これらの孔径が互いに等しいものであっても構わない。

図１に例示されたオーバコート装置において、コーティング容器３１の粒子堆積空間３５の表面（上面）の幅をＤとし、先端拡散型ノズル４３による噴射材料（黒鉛マトリックス材）の有効拡散幅をｄ１とした場合、これらは０．７５Ｄ≦ｄ１≦１．２５Ｄなる関係を満足させるものである。ちなみに図１の場合、噴射材料の有効拡散幅ｄ１は先端拡散型ノズル４３のノズル幅に等しい。噴射材料の有効拡散幅ｄ１は、また、粒子堆積空間３５の表面幅Ｄが図示例よりも小さいとき（コーティング容器３１内の堆積粒子量が図示例よりも少ないとき）ｄ１≦１．２５Ｄのようになり、粒子堆積空間３５の表面幅Ｄが図示例と同等のとき０．７５Ｄ≦ｄ１のようになる。このほかｄ１＜０．７５Ｄのときは噴射材料の有効拡散幅が不足するため所期の効果が得がたくなり、ｄ１＞１．２５Ｄのときは噴射材料の有効拡散幅が過剰になるため有効活用されない噴射余剰材料が多くなる。

図３に例示されたオーバコート装置は材料供給系４１に関する一部の構成が前例と異なる。すなわち図３の材料供給系４１は、供給管４２の先端側が多岐管構造（集合管構造）をしており、その多岐管構造におけるそれぞれ管の先端にノズル４３が取り付けられている。この図示例でのノズル４３は胴体４４が円筒形で噴射盤４５が平坦状である。噴射盤４５には、図２で説明したような互いに異径または互いに同径の噴射孔４６ａ・４６ｂ・４６ｃが形成されている。かかる多岐管構造をした各供給管４２の先端側も既述の操作機構でコーティング容器３１内外に出し入れすることができるものである。それでコーティング容器３１内にセッティングされたときのノズル４３は、図３のごとくコーティング容器３１内の粒子堆積空間３５上に位置する。より具体的には、多岐管構造をした各供給管４２の先端側が粒子堆積空間３５上においてその幅方向に一列状態となり、各ノズル４３もこれと同様になる。したがって図３のように列状をなす各ノズル４３については、アレイ型ノズルということができる。供給管４２の先端側を多岐管構造（集合管構造）にする場合の他例としては、３本以上の管を束ねたバンドル型がある。この場合の各供給管先端に取り付けられた各ノズル４３もバンドル状を呈するようになる。したがってこれについては、バンドル型ノズルということができる。

図３に例示されたオーバコート装置においても、コーティング容器３１の粒子堆積空間３５の表面（上面）の幅をＤとし、アレイ型またはバンドル型ノズル４３による噴射材料（黒鉛マトリックス材）の有効拡散幅をｄ２とした場合に、これらが０．７５Ｄ≦ｄ２≦１．２５Ｄなる関係を満足させるものである。図３の例でも、噴射材料の有効拡散幅ｄ２はアレイ型またはバンドル型ノズル４３の合計ノズル幅に等しいものである。さらにｄ２の寸法の大小についても前記と同じ傾向にある。

図３のオーバコート装置におけるその他の事項は、前例と実質的に同一かそれに準ずるものである。したがって図３のオーバコート装置におけるその他の事項については、前例を参照することで説明を省略する。

図４に例示された被覆燃料粒子Ａは本発明において用いられるものである。図４を参照して明らかなように、被覆燃料粒子Ａはコア部分に燃料核ａを備え、その外周面に第１被覆層ａ１・第２被覆層ａ２・第３被覆層ａ３・第４被覆層ａ４を有するものである。図４のような被覆燃料粒子Ａは、以下に述べるような工程を実施することでつくられる。

燃料核ａの形成では、はじめ酸化ウラン粉末を硝酸に溶解して硝酸ウラニル原液をつくり、それから硝酸ウラニル原液に純水と増粘剤とを加え撹拌して滴下原液をつくる。この場合の増粘剤は滴下されて落下する硝酸ウラニル原液が自身の表面張力で真球状となるように添加される。増粘剤としてはポリビニールアルコール樹脂・アルカリ条件下で凝固する性質のある樹脂・ポリエチレングリコール・メトローズなどあげることができる。上記のように調製された滴下原液は、所定温度の冷却による粘度調整後、細径の滴下ノズルを振動させつつここからアンモニア水中に滴下される。この際の液滴は、ノズル下端からアンモニア水溶液に着水するまでの間にアンモニアガスを吹き付けられてゲル化されるため着水時の変形が防止される。こうした場合の硝酸ウラニルはアンモニア水溶液中で重ウラン酸アンモニウムの粒子となる。重ウラン酸アンモニウム粒子は大気中で焙焼されて三酸化ウラン粒子となり、さらにこれが還元・焼結されることで高密度のセラミック状二酸化ウランからなる燃料核ａが得られる。一例として、燃料核ａの直径は３５０〜６５０μｍである。

第１被覆層ａ１・第２被覆層ａ２・第４被覆層ａ４は、それぞれ、炭化水素系気相原料の熱分解反応生成物（微粒状のＣＶＤ反応生成物）を所定厚さにデポジットさせることで形成できる。第３被覆層ａ３の場合は、水素やアルゴンをキャリアガスにしてシラン化合物をＣＶＤ反応領域に供給し、そのシラン化合物の熱分解反応生成物を所定厚さにデポジットさせることで形成したりする。この種の被覆層については、それぞれの層を一層ずつ各別に形成しても構わないが、通常は各層を連続形成する。その際に用いられる装置の代表例は電気炉構造の加熱式流動床である。もちろん原料ガスは既述の炭化水素系であり、キャリアガスはアルゴンなど不活性ガスである。そのほか、各被覆層を同一の流動床で連続形成するときは、一つの被覆層を形成するごとに流動床内をパージガスで掃気することがある。

上記の流動床に導入された燃料核ａの外周面に最初に形成されるのは、低密度炭素からなる第１被覆層ａ１である。このときの原料ガスは一例としてアセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）からなり、これを１４００℃の温度で熱分解したときの炭素微粒子が燃料核ａの外周面に堆積されて所定厚の第１被覆層ａ１が形成される。つぎに形成されるのは、高密度炭素からなる第２被覆層ａ２である。このときの原料ガスは一例としてプロピレン（Ｃ₃Ｈ_６）からなり、これを１４００℃の温度で熱分解したときの炭素微粒子が第１被覆層ａ１の外周面に堆積されて所定厚の第２被覆層ａ２が形成される。そのつぎに形成されるのは、炭化珪素（ＳｉＣ）からなる第３被覆層ａ３である。このときの原料ガスは一例としてメチルトリクロロシラン（ＣＨ₃ＳｉＣｌ_３）からなり、これを１６００℃の温度で熱分解したときの炭化珪素微粒子が第２被覆層ａ２の外周面に堆積されて所定厚の第３被覆層ａ３が形成される。このあとに形成されるのは高密度炭素からなる第４被覆層ａ４である。第４被覆層ａ４の場合は第２被覆層ａ２と同じ要領で所定の厚さに形成される。

こうして得られる被覆燃料粒子Ａの各被覆層の仕様については、つぎのとおりである。低密度炭素（低密度熱分解炭素）からなる第１被覆層ａ１は厚さ３０〜１５０μｍ、密度０．８〜１．２ｇ／ｃｍ^３で、一例では厚さ６０μｍ、密度１．０／ｃｍ^３のものである。この第１被覆層ａ１は、ガス状の核分裂生成物（ＦＰ）を溜めるためのガス溜め機能や燃料核スウェリングを吸収するためのバッファ機能を併せもっている。高密度炭素（高密度熱分解炭素）からなる第２被覆層ａ２は厚さ２０〜５０μｍ、密度１．６〜２．０ｇ／ｃｍ^３で、一例では厚さ３０μｍ、密度１．８ｇ／ｃｍ^３である。この第２被覆層ａ２にはガス状ＦＰの保持機能がある。炭化珪素（ＳｉＣ）からなる第３被覆層ａ３は厚さ２０〜５０μｍ、密度３．０〜３．２／ｃｍ^３で、一例では厚さ２５μｍ、密度３．２／ｃｍ^３である。この第３被覆層ａ３は主要な強度保証層であり、固体状ＦＰに対する保持機能をも有する。第２被覆層ａ２と同様の高密度炭素（高密度熱分解炭素）からなる第４被覆層ａ４も厚さ２０〜８０μｍで、密度１．６〜２．０ｇ／ｃｍ^３で、一例では厚さ４５μｍ、密度約１．８ｇ／ｃｍ^３である。この第４被覆層ａ４には固体状ＦＰの保持機能があるほか第３被覆層ａ３に対する保護機能もある。燃料核ａの外周面にこれら第１被覆層ａ１〜第４被覆層ａ４が形成された被覆燃料粒子Ａは直径（外径）５００〜１５００μｍであり、一例では直径１０００μｍである。

図５に示されたオーバコート被覆燃料粒子Ｂは後述する本発明方法の実施形態で製造されるところのもの、すなわち、上記被覆燃料粒子Ａの外周面（第４被覆層ａ４の外周面）にオーバコート層ｂが形成されたものである。このオーバコート層ｂは黒鉛マトリックス材からなる。具体的一例でいうと、黒鉛マトリックス材は黒鉛粉末に粘結剤を加えて均一に混練したところものである。オーバコート層ｂの厚さは２０〜４００μｍの範囲内にあり、代表例でいうと厚さ５０μｍである。オーバコート被覆燃料粒子Ｂはこのようなものであるから、その直径（外径）は５４０〜２３００μｍの範囲内にある。具体的一例としてオーバコート被覆燃料粒子Ｂは直径１３００μｍである。

つぎに、本発明に係る被覆燃料粒子のオーバコート方法について、これらの実施形態を添付図面に基づき説明する。

図１に例示されたオーバコート装置を用いて被覆燃料粒子Ａの外周面にオーバコート層ｂを形成するときは、図示しない粒子搬入手段を介してコーティング容器３１の粒子堆積空間３５に所定量の被覆燃料粒子Ａを投入し、コーティング容器３１を駆動手段２１で回転状態にした後、材料供給系４１を介して既述の黒鉛マトリックス材をコーティング容器３１内の被覆燃料粒子Ａに噴射する。すなわち材料供給機４７→供給管４２→ノズル４３という経路で黒鉛マトリックス材を被覆燃料粒子Ａに噴射する。

上記の運転時、コーティング容器３１の粒子堆積空間３５内にある被覆燃料粒子Ａはその容器の回転方向へと上昇していき、所定の高さまで上昇したときに重力の作用で崩落する。この上昇と崩落はコーティング容器３１の回転中に繰り返し生じるものであり、それが被覆燃料粒子Ａの攪拌作用になる。この攪拌と同期して粒子堆積空間３５内の被覆燃料粒子Ａには材料供給系４１を介して黒鉛マトリックス材が噴射される。したがって、攪拌されながら黒鉛マトリックス材の噴射を受ける被覆燃料粒子Ａの表面には、当該黒鉛マトリックス材によるオーバコート層ｂが均一に堆積成長することとなる。さらにいうと、先端拡散型のノズル４３で黒鉛マトリックス材を被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向に拡散噴射し、その拡散噴射領域に分布するそれぞれ被覆燃料粒子Ａに高速かつ一斉供給するものであるから、黒鉛マトリックス材が攪拌中の各被覆燃料粒子Ａに十分いきわたることとなる。これが粒子外周面のオーバコート層ｂを「均一」「高速」「高精度」に仕上げるという好結果をもたらす。ゆえに図５で説明したオーバコート被覆燃料粒子Ｂとして、粒子外径の均一なものが高速かつ高歩留まりで得られるようになる。

図１のオーバコート装置を用いるオーバコート方法において、黒鉛マトリックス材の噴射幅（拡散幅）を変更するときは、供給管４２の先端に取り付けられたノズル４３を先端拡散幅の大きいもの（または小さいもの）と脱着交換すればよい。

図３に例示されたオーバコート装置を用いて被覆燃料粒子Ａの外周面にオーバコート層ｂを形成するときも上記に準じる。すなわち、上記と同様の手段でコーティング容器３１の粒子堆積空間３５に所定量の被覆燃料粒子Ａを投入したり、コーティング容器３１を回転状態にしたりした後、材料供給系４１を介して黒鉛マトリックス材をコーティング容器３１内の被覆燃料粒子Ａに噴射する。図３のケースでも粒子堆積空間３５内の被覆燃料粒子Ａは上記と同様に攪拌され、これと同期して黒鉛マトリックス材の噴射を受けるから、被覆燃料粒子Ａの表面には黒鉛マトリックス材によるオーバコート層ｂが均一に堆積成長する。さらにいうと、アレイ型ノズル４３で黒鉛マトリックス材を被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向に拡散噴射する図３のケースでも、その噴射手段の特性に依存して上記と同様の好結果が得られることとなる。ゆえに図３のケースでも、前述したオーバコート被覆燃料粒子Ｂとして、粒子外径の均一なものが高速かつ高歩留まりで得られるようになる。

図３のオーバコート装置を用いるオーバコート方法において、黒鉛マトリックス材の噴射幅（拡散幅）を変更するときは、脱着自在に組み合わせることのできるノズル４３付き供給管４２の本数を増減すればよい。

以上のようなオーバコート方法で得られたオーバコート被覆燃料粒子Ｂは、中空円筒形にプレス成形またはモールド成形し、その成形物を焼結したものが燃料コンパクト（図示せず）となる。さらに一定数量の燃料コンパクトを黒鉛製筒に入れてその上下を端栓で封じたものが燃料棒（図示せず）となる。最終的なものとしては、所定数の燃料棒を六角柱型黒鉛ブロックの各挿入口に装填したものが高温ガス炉の燃料（図示せず）となる。

その他の高温ガス炉用燃料についていうと、球形燃料（ペブルベッド型燃料）なども上記に類したオーバコート被覆燃料粒子を主体にしたもので、球形燃料核の外周面に複数の被覆層が形成されている。本発明に係るオーバコート方法やオーバコート装置は、このような球形燃料をつくるときのオーバコート手段にも適用することができる。

本発明に係るオーバコート方法やオーバコート装置は、オーバコート被覆燃料粒子をつくるときに粒径の均一化・粒径の高精度化・コーティング速度の高速化・低コスト・量産性などをはかることができ、しかもそれが、ノズルを中心にした改善で達成できるから、産業上の利用可能性が高い。

本発明に係るオーバコート方法およびオーバコート装置の一実施形態を略示した切り欠き正面図である。図１におけるノズルの底面図である。本発明に係るオーバコート方法およびオーバコート装置の他の一実施形態を略示した切り欠き正面図である。本発明において用いられる被覆燃料粒子の一例を示した切り欠き正面図である。本発明に係るオーバコート方法でつくられるオーバコート被覆燃料粒子の一例を示した切り欠き正面図である。

符号の説明

Ａ被覆燃料粒子
Ｂオーバコート被覆燃料粒子
ｂオーバコート層
２１駆動手段
２２出力軸
３１コーティング容器
３４回転軸
３５粒子堆積空間
４１粒子供給系
４２供給管
４３ノズル
４４ノズルの胴体
４５ノズルの噴射盤
４６ａ噴射孔
４６ｂ噴射孔
４６ｃ噴射孔

Claims

内部空間の一部に被覆燃料粒子を堆積状態で収容したコーティング容器を回転させてその被覆燃料粒子を攪拌するための攪拌ステップと、この攪拌ステップと同期するものであってオーバコート用の黒鉛マトリックス材をコーティング容器内の被覆燃料粒子に向け噴射してそれぞれの粒子表面に黒鉛マトリックス材によるオーバコート層を形成するための被覆ステップとを備えていること、および、
コーティング容器内における被覆燃料粒子堆積部について、コーティング容器の回転方向と交差する水平方向を被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向とした場合、
上記攪拌ステップと被覆ステップとの同期ステップのときに黒鉛マトリックス材をコーティング容器内における被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向に拡散させて噴射し、その拡散噴射領域に分布するそれぞれ被覆燃料粒子に黒鉛マトリックス材を供給すること
を特徴とする被覆燃料粒子のオーバコート方法。
アレイ型ノズル・バンドル型ノズル・先端拡散型ノズルのうちのいずれかのノズルを用いて黒鉛マトリックス材を被覆燃料粒子堆積部表面の幅方向に拡散噴射する請求項１に記載の被覆燃料粒子のオーバコート方法。
被覆燃料粒子堆積部の表面の幅をＤとし、先端拡散型ノズルによる噴射材料の有効拡散幅をｄ１とした場合、０．７５Ｄ≦ｄ１≦１．２５Ｄを満足させることのできる先端拡散型ノズルを用いる請求項２に記載の被覆燃料粒子のオーバコート方法。
被覆燃料粒子堆積部表面の幅をＤとし、アレイ型ノズルまたはバンドル型ノズルによる噴射材料の有効拡散幅をｄ２とした場合、０．７５Ｄ≦ｄ２≦１．２５Ｄを満足させることのできるアレイ型ノズルまたはバンドル型ノズルを用いる請求項２に記載の被覆燃料粒子のオーバコート方法。
被覆燃料粒子を収容するための粒子堆積空間を内部に有するコーティング容器と、コーティング容器を回転させるための駆動手段と、黒鉛マトリックス材を噴射するためのものであってコーティング容器の粒子堆積空間に向けて配置されたノズルとを備えたものであること、および、
コーティング容器の粒子堆積空間について、コーティング容器の回転方向と交差する水平方向をその粒子堆積空間の幅方向とした場合、
上記ノズルの先端部が当該粒子堆積空間の幅方向に広がりをもつものであること
を特徴とする被覆燃料粒子のオーバコート装置。