JPS597957B2 - カクネンリヨウボウセイゾウヨウマトリツクス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温ガス冷却形原子炉に使用するために適す
る核燃料材料の製造の改良に関する。

さらに詳細には、本発明は、外部的に加えられる離型剤
の使用を伴わない、低製造圧での核燃料コンパク｝ （
ｃｏｍｐａｃｔ ） の製造に適する組成物に関す
る。

棒の形状をした核燃料コンパクトは、高温ガス冷却形原
子炉に使用される。

このような核燃料棒は、通常、グラファイト粉とピッチ
との混合物からなるマトリックスで核燃料粒子を包囲し
て製造される。

本明細書中で使用される術語”ピッチ”は、たとえば石
炭、石油および木材のような有機材料の分解蒸留から得
られる残留生成物についてである。

核燃料棒は、２つの方法のいずれかによって金型中で成
形される。

一つの方法においては、型は、核燃料粒子で満たされ、
そして熱グラファイトーピッチマトリックスが該型内に
注入されて核燃料粒子が包囲される。

もう一つの方法では、グラファイトーピッチマトリック
スがつくられて粒状とされる。

粒状マ｝ ＩＪツクスが核燃料粒子と混合されて核燃料
粒子を含有する成形混合物が与えられる。

次に粒状マトリックスと核燃料粒子の成形混合物が型に
詰められる。

その後成形混合物は、型内部で加熱圧縮される。

両方法において、燃料棒が型内部で成形された後、型は
冷却され、燃料棒は、型から燃料棒を押すことによって
型から出される。

燃料棒が前記の方法で成形される温度では、グラファイ
ト粉とピッチのマトリックスの粘度は、適当に密な核燃
料コンパクトを与えるために必要とされる圧力を決定す
る重要な因子である。

低製造圧が使用され得るように、粘度を減少させること
が好ましい。

過度な製造圧力は、核燃料棒の形成中に核燃料粒子に損
傷をもたらす。

燃料棒が成形混合物から成形されるとき、核燃料成形混
合物に対し、製造圧力を減少させるように働く添加剤を
供給することが好ましい。

型から押出した後、グリーン燃料棒はグラファイト燃料
要素内に置き、１２００〜２０００℃まで加熱し、炭化
水素を炭化させる。

グラファイト燃料要素は、通常、六角形断面を有し、燃
料棒な受容するための整列した約５０〜約２１０の孔を
有している。

ほぼ同じ数の冷却材孔がグラファイト燃料要素の長手力
向に延長している。

熱処理は燃料棒マトリックスの結合材料に同時的な分解
と炭化とを受けるようにさせる。

複数のグリーン燃料棒が谷孔内に置かれる。

炭化熱処理の間に、グリーン燃料棒は、グラファイト燃
料要素の燃料孔の壁に入り込んで付着する傾向となる。

このような付着は、燃料要素の後続作業に対し有害であ
る。

その理由はグラファイト燃料要素と燃料棒との差動的な
膨張または収縮が燃料棒の亀裂をもたらすからである。

炭化熱処理中の燃料孔の壁への燃料棒の付着傾向を減少
ないし除去することが好ましい。

したがって、本発明の主目的は、高温ガス冷却形原子炉
に使用するのに適する核燃料棒の製造のための改良され
た方法を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、製造温度において、低粘度
を有する核燃料棒の製造に使用するのに適するマトリッ
クス配合物を提供し、したがって低温でかつ増加された
生産性の燃料棒の製造を可能とすることである。

本発明のさらにもう１つの目的は、核燃料棒の製造に使
用するために適するマトリックス配合物を提供し、グラ
ファイト燃料要素内での燃料棒の加熱後、グラファイト
燃料要素への燃料棒の付着を減少または除去することで
ある，通常、本発明に従えば、核燃料棒は、均一に分散
された添加剤を有するグラファイト粉−ピツチマトリッ
クス配合物を使用して製造される。

マト−リツクス配合物は、低い製造圧力での燃料棒の製
造を可能とする製造温度において減少された粘度を有す
る。

また、マ｝ ＩＪツクス配合物は、燃料要素内での燃料
棒の熱処理の間、燃料棒に燃料要素への付着または結合
を起こさせない。

核燃料棒は高温ガス冷却形原子炉での使用に対し適する
。

製造方法として、ピツチーグラファイトのマトリックス
がつくられる。

マトリックスは、好ましくは、ピッチを約１００°Ｃ〜
約３００℃の高められた湿度まで加熱し、グラファイト
粉末をピッチとこの高められた温度でよく混合しグラフ
ァイト粉末とピッチとを均一に配合することによってつ
くる。

次に混合吻を冷却する。冷却に際し、混合物を粉砕し、
核燃料棒の製造に適する粒子の大きさの小さなマトリッ
クスとなるようにする。

マトリックスは、また、ピッチを適当な粒子の大きさに
粉砕しそしてこの粉砕したピッチとグラファイト粉末と
を配合してマトリックスを与えるように製造してもよい
。

添加剤は、後で詳述するようにマトリックスの製造中ま
たは製造後にマトリックス中に分散させてもよい。

本発明のーっの例では、マトリックスは、成形混合物を
形成するように、細かな核燃料材料の適量と配合される
。

その後で、核燃料棒は、成形混合物を鋼鉄製型中に入れ
、成形混合物を型内で圧縮することにより成形される。

本発明のも５１つの例では、マトリックスが加熱され、
、細かな核燃料材料で満たされた鋼鉄製型の中へ注入さ
れる。

２つの例において、型からの燃料棒の押出し後、燃料棒
は、グラファイト燃料要素内に置かれ、約１２００〜２
０００℃の温度まで加熱される。

本発明に従えば、添加剤は、グラファイトーピッチのマ
トリックスと組合せられる。

添加剤は燃料棒の製造で利用される湿度でのマ｝ ＩＪ
ックスの粘度を減少させ、燃料要素内での加熱後の、燃
料棒のグラファイト燃料要素への付着傾向を減ずる。

添加剤は、また、燃料棒が製造される金型から燃料棒を
離すのに必要とされる剪断応力を減ずる。

この点について、約５ ０ ｐｓｉｇ （ ３．５ ｋ
ｇ／ｃｍ２）より小さな剪析応力は、本発明の添加剤が
表示される規準で存在するとき、金型から燃料棒を離す
のに十分である。

通常、添加剤は、炭素鎖長１２〜２０の飽和および不飽
和のアルコール、炭素鎖長１２〜２０の飽和および不飽
和の脂肪酸、炭素鎖長１２〜２６の飽和および不飽和の
第一アミンおよび分子量範囲約３５０〜約１４００の石
油から得られる飽和炭化水素から選択される。

従って、本発明は、核燃料棒製造に適するマトリックス
において、該マトリックスは、グラファイト粉末、ピッ
チおよび粘度減少添加剤を含んでなり、該添力晴１」は
、炭素鎖長１２〜２０の飽和および不飽和のアルコール
、炭素鎖長１２〜２０の飽和および不飽和の脂肪酸、炭
素鎖長１２〜２６の飽和および不飽和の第一アミン、お
よび分子量範囲３５０〜１４０００石油から得られる飽
和炭化水素からなる群から選択され、しかも、該添加剤
は該マトリックスの２〜１２重量係の量で存在し、該グ
ラファイト粉末は該マトリックスの２０〜５０重量係の
量で存在し、該ピッチは該マトリックスの３０〜７５重
量％Ｑ量で存在する、ことを特徴とする前記マトリック
スを提供する。

核燃料は、ガス冷却形原子炉燃料要素を製造するのに通
常関連する核分裂性または増殖性の核燃料材料であって
よい。

適当な核燃料材料は、希釈された、または、未希釈の熱
分解炭素被覆済’ｒｈｃ２，’ｒｈｏ ，ＵＯ２ ，Ｕ
Ｃ２ ，（ Ｔｈ−Ｕ）０２，あるいは（Ｔｈ，Ｕ）Ｃ
２ 混合物である。

核燃料材料は、好ましくは、実質的に球状で、好ましく
は、粒子寸法が０．３〜Ｌ２ｍｍの範囲である。

グラファイト粉末は、炭質材料から得られ、好ましくは
、粒子寸法が少なくとも０．０４０ｍｍより小さい。

好ましくは、グラファイト粉末は、粒子寸法が０．０
０ ０ ２ 〜０．０ ４ ０ｍｍの範囲にある。

本発明のマトリックスに使用されるピッチは、石炭、石
油および木材の分解蒸留から得られる残留生成物のいず
れかでちってよい。

好ましくは、ピッチは、３００下（１４９°Ｃ）よりは
低い軟化点を有し、そして剪断速度１００ｓｅｃ−で、
インストロン細管流動計によって測淀した温度１７５℃
での粘度範囲が１００〜１０００ポアズを有している。

添加剤がアミンであるなら、アミンは、１２〜２６の炭
素原子を有している。

さらに好ましくは、アミンは、１２〜２０の炭素原子数
を有している。

添加剤は、好ましくは、■−オクタデカノール、■−ヘ
キサデカノール、オレイン酸、ステアリン酸、■−オク
タデシルアミン、ペトロラタムおよびこれらの混合物か
らなる群から選択される。

本発明の添加剤は、湿度１７５℃および壁剪断速度１０
０ｓｅｃ −１において、毛管粘度計の手段により測定
される約１０００ポアズより小さな粘度を有するマトリ
ックスを提供する。

マトリックスの製造中に、添加剤をグラファイトおよび
ピッチに組合せることが好ましい。

このことが、マトリックス中への添加剤の均一分散を確
実にする。

この点について、特に好ましい方法は、ピッチを流動す
る湿度まで、すなわち、１００℃〜３００℃の温度まで
加熱し、添加剤を加熱されたピッチと混合することであ
る。

その後に、グラファイト粉末が加えられ、そして混合物
が冷却されかつ粉砕されて、混合物中に均一分散された
添加剤を有するマトリックスが与えられる。

しかしながら、混合物は、マトリックスを製造する前に
、グラファイト粉末または粉砕ピッチと組合されてもよ
い。

グラファイト粉末、粉砕ピッチ、加熱ピッチまたは微細
マトリックスへの添加剤の均一分散は、適当な低剪析混
合装置たとえばシグでブレードミキサーによって達成さ
れ得る。

マトリックスは、型内へ予装填されている核燃料粒子を
包囲するように、型内へ加熱マトリックスを注入するよ
うにして使用されてもよい。

燃料棒を製造するためのこの方法では、マトリックスは
約１００℃ないし３００℃の湿度まで加熱される通常、
注入圧力約５ ０ ０ ｐｓｉｇ （ ３ ５ｋ９／Ｃ
Ｉｎ２）ないし３ ０ ０ ０ ｐｓｉｇ （ ２ １
１ｋ９７ｃｍ２）が、本発明の添加剤を含んでいるマ
トリックスを注入するために適する。

マトリックスは、また、核燃料棒を製造する型内への圧
縮に適する成形材料を与えるように製造に先立って核燃
料粒子と組合されてもよい。

燃料棒をつくるためのこの方法では、マトリックスー核
燃料粒子の組合せが約１００〜約３００℃の温度まで加
熱され、次に圧縮される。

約５ ０ ０ ｐｓｉｇ（３５ｋ９／Ｃｍ２ ）〜約３
０００ｐｓｉｇ （２１１ｋ９／ｃＩｒ１２ ）の製
造圧力が、通常、この組合せを圧縮するのに十分であっ
て、後で熱処理をするのに適するグリーン燃料棒が与え
られる。

通常、マトリックスは、グラファイト粉末２０〜５０％
ｗ（好ましくは２５〜４５チ）およびピッチ３０〜７０
％ｗを含んでなる。

添加剤の量は、通常、２〜１２係Ｗ、好ましくは、５〜
１０傑Ｗである。

通常、仕上り核燃料棒は、核燃料材料５５〜６４％ｖ，
およびマトリックス４５〜３６係Ｖを含んでなる。

示されたように、本発明の添加剤は、製造圧力において
減少された粘度を有するマトリックスを与え、さらに、
燃料要素への付着に対し改良された抵抗を有する燃料棒
を与える。

また本発明の添加剤は、離型特性を有している。

マトリックスへの添加剤の使用は、型の表面に施される
離型材料の使用を伴わない核燃料コンパクトの製造を可
能とする。

本発明の添加剤の多機能性は、非常に増強された性質の
核燃料コンパクトの製造に使用するマトリックスを与え
る。

以下の例は、本発明をさらに説明するものである。

例１ ６回のバッチが繰返された。

各バッチは、ピツチ３ ４ ２ ９， ０．０ ４ｍ
ｖｔより小さな粒子寸法のグラファイト粉末２４０ｇお
よび添加剤１８ｇを含んでいた。

対照バッチは、添加剤が余分のピッチ１８．９によって
代えられることによって製造された。

各バッチに対し、ピッチを２００℃の温度まで加熱し、
添加剤を加熱されたピッチと配合し、次にグラファイト
を添加した。

次に混合物を３０分間、シグマブレードミキサーで、湿
度２００℃、混合速度１ ０ ０ ｒｐｍで混合した。

バッチを冷却した後、バッチを粉砕し、０．６〜０．
９ １ｎｒＩＬの範囲の粒子寸法のマトリックスを得た
。

次にバッチの粘度を、１７５℃で、毛管粘度計で測定し
た。

バッチのそれぞれは、剪断速度の増加に伴って見掛粘度
の減少を示す非ニュートン性であった。

壁剪断速度１００ｓｅｃ’での、各種添加剤を有する各
バッチの見掛粘度を表■に示す。

マトリックス７ｇを、被覆されたＴｈＣ２粒子からなり
、かつ粒子寸法範囲０．６〜０．９ｒＩＬ１１Ｌの核燃
料材料２０．９と混合した。

次Ｋ各バッチを使用して、２７ｇバッチを鋼鉄型内に置
きそしてバッチを１９０℃の温度で、１ ２ ０ ０
ｐｓｉｇ （ ８ ４ ｋｇ／ｃｍ２） の圧力で圧
縮することにより核燃料棒を製造した。

核燃料棒がつくられた後、谷棒の間で型の洗浄を行うこ
となく同型キャビティから４つの連続的な棒の各押出に
必要な壁剪断応力を測定した。

各添力＠１」に対し得られた平均壁剪断応力値を表■に
示す。

添加剤なしのマトリックスを使用し前記のように製造し
た燃料棒、および添加剤ありのマトリックスを使用して
製造した燃料棒を、長さ１２インチ（３０〜４８ｃｒｆ
１）、内径０．６２５インチ（１５．８７５關）、外径
０．９７５インチ（ ２ ４．７ ６ ５ｍｍ）のグラ
ファイトスリーブ中で両端をグラファイトで詰めて１８
００℃まで熱して処理した。

添加剤なしのマトリックスを使用して製造した燃料棒は
、グラファイトスリーブへ付着するのに対し、添加剤あ
りのマトリックスを使用して製造した燃料棒は付着しな
いことが確認された。

例■ さらに配合を表■に示すグラファイト粉末一ピツチー添
加剤マトリックスのバッチを製造した。

バッチのそれぞれの見掛粘度を測定した。

次にマトリックスバッチのそれぞれを使用して、注入方
法により、燃料伴を製造した。

この方法では、粒子寸法範囲０．６〜０．９朋のＴｈＣ
２核燃料粒子２０ｇを直径１５．９ｍｍのシリンダ状鋼
鉄型内へ置いた。

粒子寸法約０．６ｔｎｍの粗砕マ｝ ＩＪツクス７ｇを
、型の燃料粒子の頂部へ置いた。

次に、型を２００℃の温度まで加熱し、そしてピストン
を使用してマトリックスを燃料粒子中に押し入れて長さ
６１朋の燃料棒をつくった。

型から４つの燃料棒を除くために必要な平均剪断力を測
淀して表■に示した。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 核燃料棒製造に適するマトリックスにおいて、核マ
   トリックスは、グラファイト粉末、ピッチおよび粘度減
   少添加剤を含んでなり、該添加剤は、炭素鎖長１２〜２
   ０の飽和および不飽和のアルコール、炭素鎖長１２〜２
   ０の飽和および不飽和の脂肪酸、炭素鎖長１２〜２６の
   飽和および不飽和の第一アミン、および分子量範囲３５
   ０〜１４００の石油から得られる飽和炭化水素からなる
   群から選択され、しかも、該添加剤は該マ｝ ＩＪツク
   スの２〜１２重量係の量で存在し、該グラファイト粉末
   は該マトリックスの３０〜５０重量係の量で存在し、該
   ピッチは該マトリックスの３０〜７５重量係の量で存在
   する、ことを特徴とする前記マトリックス。