JPH0133215B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は微小球の製造に関するものであり、更
に詳しく言えば、非金属元素と金属元素とを含む
化合物から成るゲル化された微小球の製造に関す
るものである。その極めて望ましい実施態様とし
て、本発明に特にウラニウム若しくはプルトニウ
ム又はそれら両者の、酸化物、炭化物、窒化物な
どのような核燃料物質の微小球の製造に関するも
のである。

濃縮された金属塩溶液中にヘキサメチレンテト
ラミンなどのようなアンモニヤ・ドナーを含む混
合供給溶液の小滴の内部ゲル化によつて、金属元
素と酸素、炭素又は窒素などのような非金属元素
とを含む少くとも１種の化合物から成る微小球を
作る方法は知られている。

この公知の方法では、一般に、飽和された金属
硝酸塩溶液中にヘキサメチレンテトラミンなどの
ようなアンモニヤ・ドナーを混合することによつ
て普通に調製される処の、所謂混合供給溶液から
出発する。その混合物は、例えば５℃というよう
な低い温度に維持されている間は流体のままにな
つている。然しその混合物は加熱されるとゲル化
する。

低温の混合供給溶液を出来るだけ一様な寸法の
小滴に分割することが以前から知られている。そ
れから、例えばシリコン油などのような熱い疎水
性液体の浴の中に小滴が導入され、その浴の中
で、ヘキサメチレンテトラミンからのアンモニア
の発生に起因するPHの著しい増大の結果としてゲ
ル化することにより、小滴は極めて迅速に固化す
る。固化したゲル化微小球に附着した疎水性液体
は塩素化された炭化水素を用いて除去される。そ
の後ゲル化した微小球は、硝酸アンモニウム、ヘ
キサメチレンテトラミン、尿素などのような可溶
性化合物を浸出するために、アンモニヤ性溶液中
で、望ましくは向流法で、洗浄される。

このような内部ゲル化法は、その用途に限るわ
けではないが、微小球の形をなすセラミツク核燃
料の製造のために屡々使用されて来た。例えば、
ウラン−プルトニウム核燃料の微小球の製造の場
合には、混合供給溶液は硝酸ウラニル及び硝酸プ
ルトニウムの飽和水溶液から成り、その溶液はヘ
キサメチレンテトラミンや尿素などのような固化
反応を容易にするための添加剤を含んでいる。固
化されたゲル化微小球はそれから、洗浄の後に、
そして大抵は高温において予め定められた組成を
持つガス状雰囲気中で熱処理することにより予備
処理された後に、焼成される。このような核燃料
のための湿式化学的製造方法は、放射性物質で汚
染された塵埃を生じないので、粉末からの製造方
法に比較して可成りの利点を持つている。然しな
がら、核燃料微小球の湿式化学的製造は、放射線
防護を行つた環境条件の下で行われなければなら
ず、従つて、熱い疎水性液体中での液滴のゲル化
を含む工程のための安全保護施設は高価で実現が
困難なことが解つた。

混合供給溶液の小滴の固化のために必要とされ
る熱が液体熱担体を使用せずに加えられるように
して、上述の型の微小球を製造する方法及び装置
を提供することが、本発明の重要な目的である。
このようにして、例えば焼成工程などのような微
小球の相続く処理工程に起因して起り得る不利益
な作用を出来得る限り防止するために、ゲル化方
法が一層良く制御される。塩素化された炭化水素
で微小球を洗浄する必要性を無くすことも本発明
の１つの目的である。

上述の目的は、先づ微小球に形成されるべき物
質を含み加熱時にゲル化することの出来る低温の
供給溶液を用意し、それから前記溶液を個別の小
滴に形成し、重力の作用の下で加熱帯を通る垂直
路に沿つて前記小滴を自由に落下させ、その後前
記加熱帯の中の落下する小滴に充分なマイクロ波
放射を受けさせてそれら小滴が誘電的加熱により
ゲル化の起る温度まで加熱されるようにさせ、そ
れによりそれらの小滴が液中に落下したときに変
形が生じない程度に固化して微小球となるように
させ、最後にこのようにして形成された微小球を
洗浄液から成る捕捉液で捕捉することから成る処
の、微小球を作る方法及び装置を提供することに
よつて、基本的には達成される。微小球はそれか
ら向流法によつて洗浄され、その上で乾燥され
る。

溶液中の物質は、非金属元素と金属元素とを含
む化合物、例えば硝酸ウラニル又は硝酸プルトニ
ウムなどのような化合物から成ることが望まし
い。詳しくは、加熱時にアンモニアの存在の下で
化学的凝固によつてゲル化が内部的に起るよう
に、供給溶液にはアンモニア・ドナー及び尿素を
含むことが出来る。そのドナーはヘキサメチレン
テトラミンであることが望ましい。

上述の方法のための放射は、加熱帯の中に配置
されたＸ線波長帯域のマイクロ波の定常的照射電
磁界の形を取ることが望ましく、その電磁界の最
大電界成分が前記垂直路上に配置されることが望
ましい。そして一般に前記電磁界は、その半波数
Ｘが11乃至21の値を持つTE_10,xモードで印加され
るべきである。

本発明の極めて重要な実施態様に依れば、その
方法は前記加熱帯を通つて落下する小滴をマイク
ロ波に対して透明な垂直の管の内部に局限する段
階を含んでいる。このようにして、放射性物質が
効果的に隔離状態に維持される。

本発明の目的は、また微小球に形成されるべき
物質を含み加熱時にゲル化することの出来る供給
溶液のための供給室、並びに、前記溶液を個別の
小滴に形成しそれら小滴を重力の作用で自由落下
するよう１つずつ解放するため前記供給室の底部
の小滴発生器を具備する処の微小球を作る装置を
提供することによつても、達成される。微小球収
集容器が、落下する微小球を捕捉するために前記
小滴発生器に対して間隔をあけて前記小滴発生器
の垂直方向直下に配置され、前記小滴発生器と前
記微小球収集容器との間には垂直に延長する自由
落下帯が設けられている。前記自由落下帯に照射
を加えてそれにより自由落下する小滴が誘電的加
熱によつてゲル化の起る温度まで加熱されるよう
にさせるために、マイクロ波放射発生機構がその
微小球を作る装置に附属されている。

放射発生機構は、前記小滴発生器と前記微小球
収集容器との間の前記自由落下帯のまわりに配置
された中空空胴共振器の形をとることが望まし
く、本発明の装置は、前記自由落下帯をすつかり
取巻くように前記小滴発生器から共振器の中を通
つて前記微小球収集容器まで延長するマイクロ波
に対して透明で中空の管を含むことが望ましい。

本発明の更に特殊な実施態様に依れば、本発明
の装置は前記共振器に接続された中空導波管を具
備し、前記放射発生機構は更に、作動周波数及び
起動特性を調整するための制御機構を装備したマ
イクロ波発生器を含んでいる。発生されたマイク
ロ波を増巾するために進行波管が設けられ、前記
導波管によつてサーキユレーター機構が進行波管
及び共振器に接続されている。このサーキユレー
ターは負荷によつて閉じられた横方向シヤント・
アームを備えており、前記導波管を通して共振器
から反射さて来た放射エネルギーは前記負荷によ
つて吸収されるために前記シヤント・アームを通
るように偏向されるように配置されている。

その装置は、また放射エネルギー測定装置と、
前記共振器から反射された放射エネルギーを受け
このような反射されたエネルギーを測定装置に導
くように配置された導波管結合器とを具備する。
このようにして、マイクロ波周波数は、その測定
装置によつて測定される反射された放射エネルギ
ーが最小になるまで、制御機構によつて調整され
る。共振器は、電磁波の半波数Ｘが11乃至21とい
う値を持つものとして、TE_10,xモードの照射電磁
界を発生するような寸法に作られることが望まし
い。

第１図から解るように、本発明により微小球を
作るための装置の一実施例は、硝酸ウラニム又は
硝酸プルトニウム等の１種以上の金属塩及びヘキ
サメチレンテトラミン、尿素などの内部ゲル化に
よる固化に必要な反応物質を含む混合供給溶液２
のための供給室１を含んでいる。容器１が約５℃
という事実上一定の温度に維持されるように、冷
蔵機構（図示されていない）が設けられても良
い。供給室１は電動機駆動撹拌機３を具備し、ま
たその基部に既知の構成を持つ小滴発生器４が装
備されている。ポリ４フツ化エチレンなどで作ら
れたマイクロ波に対して透明なプラスチツク管６
が小滴発生器４の出口開口５と軸方向に並んで垂
直に直立した位置に配置されており、従つて小滴
発生器４によつて送り出される混合供給溶液滴７
はそのプラスチツク管６の壁と接触することなく
重力の作用の下で管６の中を自由に落下すること
が出来る。管６は横向きのオーバーフロー９を持
つた収集容器８の中に導かれる。容器８の円錐形
の底部１１は、玉弁１３によつて閉じられた受口
１２に移行する。振動ベツド塔であることが望ま
しい通常の構成の洗浄塔１４が玉弁１３のあとに
設けられている。このような洗浄塔は例えばスイ
ス国特許出願第2296／78−６号に記載されてお
り、それ故第１図には詳細には図示されていな
い。

管６は中空空胴共振器１７の内部に同軸的に配
置され、その空胴共振器の上下を閉じる閉鎖壁１
８及び１９を貫通している。中空導波管導体２１
がフランジ２２を用いて空胴共振器１７の側壁２
０に取付けられている。導体２１は少くとも１つ
の整合用ねじ２３を含み、例えばマイクロ波工学
から知られているシヤツター２４などを用いて、
空胴共振器１７に結合されている。空胴共振器１
７及び導体２１はマイクロ波システムの一部をな
し、そのマイクロ波システムについてはブロツク
回路図が第２図に示されており、そのシステムは
以下により詳細に説明する。

本発明に依れば、小滴発生器４によつて送出さ
れる混合供給溶液滴７は重力の作用の下で自由に
落下し、Ｘ線波長帯域のマイクロ波の定常的照射
電磁界の形をなすマイクロ波放射による誘電的加
熱によつて、管６の中の加熱帯でゲル化温度まで
加熱される。供給容器１の中に置かれる混合供給
溶液２は、硝酸ウラニム又は硝酸プルトニウム等
の１種以上の金属塩の他に、ヘキサメチレンテト
ラミン及び尿素などのような内部ゲル化による固
化のために必要な反応性物質を含み、小滴発生器
４は混合供給溶液から本質的に一様な大きさの液
滴を作り出す。動作時には、マイクロ波エネルギ
ーが共振器１７の中に定在波として蓄えられ、管
６は、その管６の中を落下する小滴７が最大電界
成分の領域を横断し誘電損失によつて電磁界エネ
ルギーを吸収するように、共振器１７の中に配置
される。このエネルギーの吸収は小滴７の中に温
度上昇を生ぜしめ、それがゲル化の引き金とな
る。小滴７のゲル化はマイクロ波電磁界の中で充
分に進行するので、そのゲル化した微小球はそれ
に続いて洗浄液から成る捕捉液中に落下して処理
を受ける場合に最早損傷されることはない。言い
かえれば、マイクロ波電磁界中での自由落下の距
離は、小滴がゲル化温度まで加熱されるようにさ
せるために充分な程に長いものでなければならな
い。それに対応して、共振器１７及び管６はこの
ような結果を実現するために適当な寸法に作らな
ければならない。共振器１７の内部空胴中の管６
は混合供給液滴７に対する比較的狭い処理空間を
限定し、一方共振器１７の残りの空胴中には周囲
大気圧と通ずる雰囲気が存在する。この流路を形
成する狭い処理空間は、それよりも容積の大きい
共振器の内部空胴全体を使うよりも、混合供給溶
液滴の一様なゲル化のために一般により好ましい
状態を作り出す。管６は、また核燃料微小球を作
る場合に特別な利点を生じ、それはこのような場
合には管６の内側の空間は放射性物質によつて汚
染されるが共振器１７の中空空間は汚染されない
からである。

収集容器８には例えばアンモニア水溶液１０な
どのような洗浄用液から成る捕捉液が収容されて
おり、その中にゲル化して微小球７が管６から落
下する。この時点において、微小球は可成りの点
までゲル化しているので、アンモニア水溶液の中
に入る際にそれら微小球はもはや変形を受けるこ
とはない。それら微小球は、第１図に示されてい
るように玉弁１３を通してアンモニア水溶液塔１
４の中に供給されることにより、連続的に又は断
続的に収集容器から洗浄塔１４に供給される。矢
印１５は洗浄液の流れ方向を示し、矢印１６は微
小球の移動の方向を表わす。

共振器１７を含むマイクロ波システムの実施例
は第２図に示されたブロツク回路図によつて例示
されている。上述のように、マイクロ波装置はＸ
線波長帯域で作動することが望ましく、それ故３
cm附近の波長で動作することが望ましい。通常の
構成でmWレンジの出力を持つマイクロ波発生器
２５が調整機構２６を備えられ、それにより発生
されるマイクロ波の周波数がＸ線波長帯域内で調
整可能である。進行波管TWT２７が発生出力を
約100ワツトまで増大するためにマイクロ波発生
器２５に接続される。このようにして増強された
マイクロ波はサーキユレーター２８と、整合用ね
じ２３（第１図）を含み混合シヤツター２４を用
いて閉じることの出来る中空導波管２１とを通し
て、共振器１７に供給される。サーキユレーター
２８は、共振器１７から反射された波が戻つて進
行波管２７に入らないように防止する。このよう
な反射波はサーキユレーター２８の側方のシヤン
ト・アーム２９の中へ偏向され、負荷３０によつ
てそのシヤント・アームで消散される。

共振器１７のブロツクの形をなし、Ｘが11乃至
21という値を持つものとしてTE_10,xモード用の寸
法に作られることが望ましい。共振器１７はマイ
クロ波システムにおける負荷となる。

方向性結合器３１が導波管２１に接続され、そ
の結合器３１を通して、共振器１７から反射され
た放射の小さい部分が、中空導体対同軸線変換器
３２とその一方が可変になつている２つの直列接
続された同軸線減衰器３３及び３４とを介して、
放射エネルギー測定装置３５に導かれる。

動作時には、マイクロ波周波数は、プラスチツ
ク管６が混合供給溶液滴７の負荷を掛けられた時
の共振器１７の共振周波数に同調される。マイク
ロ波発生器２５は、小滴発生器４によつて送出さ
れる混合供給溶液滴の組成、寸法及び系列に関し
て各々の特定の場合に適合するように調整され、
従つて対応する周波数のマイクロ波が供給され
る。このために、マイクロ波の周波数はマイクロ
波発生器２５の上の調整機構２６を用いて変化さ
れ、同時に測定装置３５が観測される。最適共振
の場合には、測定された反射放射エネルギーは最
小になる。マイクロ波発生器２５はこのようにし
て較正され、それからその対応する周波数にセツ
トされたままになる。このようなセツト動作は僅
かな時間を要するだけであり、通常行われる試験
運転の間に効果的に遂行される。

次のようなTE_10,11中空空胴共振器を用いて、
実験的に満足すべきゲル化が行われた。

ブロツク形の銀の被膜をつけられた中空空胴共
振器１７の内法測定値は22.86mm×10.16mm×
156.79mmであつた。中空導波管２１を構成するＲ
−100素子は共振器１７の巾を狭い側面、即ち
10.16mm×156.79mmの側面の中央にフランジ付け
された。LC並列共振回路として働く混合シヤツ
ター２４は、18.13mm×６mmという長方形の開口
を持つていた。導波管２１と共振器１７との合の
インピーダンス整合のための導波管の巾の広い側
面の中央に数本のＭ−３ねじが設けられた。

負荷を掛けられず管６も設けられないこのよう
な中空空胴共振器はTE_10,11モードで12.4GHzとい
う固有共振周波数を持つており、その中空空胴共
振器中の波長は2.85cmとなる。内径８mm、外径10
mmのポリ４フツ化エチレン（テフロン）の管６が
共振器の中に挿入された。共振周波数は12.2GHz
に低下した。このような管を備えた場合、共振が
部分的に起る周波数帯の幅の共振周波数に対する
比であつて、マイクロ波を中空空胴共振器内で利
用しうる程度を表わすクオリテイー値（Quality
Factor）は30000となつた。管６が混合供給水溶
液の液滴で負荷を掛けられる時には何時も、共振
周波数の追加の一般に僅かな変化が更に生じ、例
えば水滴の場合には共振周波数は約12.19GHzと
なる。小滴の加熱のための決定的要因となるマイ
クロ波電磁界中での落下距離は、この例の場合に
は、僅か15.6cmである。然し、このような比較的
短い距離でも、先に述べた約100ワツトという出
力の場合には、ゲル化を保証する温度まで自由落
下する混合供給溶液滴を加熱するために充分であ
る。

上記実施例は、硝酸ウラニル又は硝酸プルトニ
ウム等を含む混合供給溶液から微小球を作る場合
に係るものであるが、金属塩溶液の種類によつ
て、放射界の電磁場の強さ、もしくは金属塩溶液
の液滴が放射界内を自由落下する長さ等を変える
ことによつて、液滴を十分にゲル化させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に依る微小球を作る装置の種々
の構成部分の略図であり、第２図は本発明により
使用されるマイクロ波システムの回路図を示す。 １……供給容器、２……混合供給溶液、４……
小滴発生器、６……プラスチツク管、７……混合
供給溶液滴、８……収集容器、１３……玉弁、１
４……洗浄塔、１７……空胴共振器、２１……導
波管、２３……整合用ねじ、２４……シヤツタ
ー、２５……マイクロ波発生器、２６……周波数
調整機構、２７……進行波管、２８……サーキユ
レータ、２９……側方シヤント・アーム、３０…
…負荷。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アンモニアドナー、特にヘキサメチレンテト
   ラミンを金属塩溶液中に含む低温の混合供給溶液
   が実質的に等サイズの液滴に分けられ、同混合供
   溶給液の液滴の内部ゲル化によつて金属と非金
   属、特に酸素、炭素及び／又は窒素との化合物の
   少くとも一を含む微小球を作る方法において、上
   記混合溶液の液滴を誘導加熱によつてゲル化を発
   生させるＸ線波長帯域の定常マイクロ波放射界内
   を自由落下させて上記液滴が液中に落下したとき
   に変形を生じない程度に上記液滴をゲル化させ、
   次いでゲル化された液滴を洗浄液から成る捕捉液
   内に導入することを特徴とする微小球を作る方
   法。 ２ 混合溶液の液滴が、電界成分が最大な領域の
   照射界へ導びかれることを特徴とする特許請求の
   範囲１に記載の微小球を作る方法。 ３ 混合溶媒の液滴が、プラスチツク管で閉じら
   れた狭い処理室を通つて照射界へ導びかれること
   を特徴とする特許請求の範囲１又は２のいづれか
   に記載の微小球を作る方法。 ４ 電磁波の半波の数Ｘが11ないし21の間の値を
   有するTE_10,xのモードの照射界が用いられること
   を特徴とする特許請求の範囲１〜３のいづれかに
   記載の微小球を作る方法。 ５ 洗浄液中のゲル化された微小球が、洗浄液と
   向流状態で洗浄され、その上で乾燥されることを
   特徴とする特許請求の範囲１〜４のいづれかに記
   載の微小球を作る方法。 ６ 上下の閉鎖壁１８，１９をもつマイクロ波空
   胴共振器１７が小滴発生器４と同小滴発生器と距
   離をおいて下方にある収集容器８との間に配置さ
   れ、上記各閉鎖壁は小滴発生器４からの液滴を通
   過させて空胴共振器１７内を自由落下させる開口
   を備え、かつ、空胴共振器１７は負荷としてＸ線
   波長帯域で作動するマイクロ波装置２１………３
   ５に接続されていることを特徴とする特許請求の
   範囲１に記載の方法を実施する微小球を作る装
   置。 ７ 空胴共振器１７は上、下の閉鎖壁１８，１９
   の開口を貫通する望ましくはポリ４フツ化エチレ
   ンのプラスチツク管６を備え、同プラスチツク管
   ６は、小滴発生器４の出口開口５と同軸に垂直に
   かつ、空胴共振器１７内に配置され、同管内を落
   下する混合供給溶液の液滴７の処理室を形成する
   ことを特徴とする特許請求の範囲６に記載の微小
   球を作る装置。 ８ マイクロ波装置２１………３５内で方向性結
   合器３１によつて空胴共振器１７の反射エネルギ
   ーの１部が取出されて少くとも一つの減衰器を経
   てエネルギー測定器３５に導かれ、上記マイクロ
   波装置は、混合供給溶液の液滴７が空胴共振器１
   ７に供給された時にのみ同空胴共振器１７内で共
   振が発生する作動波長に調整されており、上記共
   振の発生は測定された反射エネルギーが最小であ
   ることによつて上記エネルギー測定器３５で検知
   されることを特徴とする特許請求の範囲６又は７
   のいづれかに記載の微小球を作る装置。 ９ マイクロ波装置２１………３５は、作動波長
   と出力を調整する調整装置２６，２６′をもつマ
   イクロ波発生器２５、同マイクロ波発生器２５か
   らの出力を増巾する進行波管２７、及び同進行波
   管２７の後方に接続されたサーキユレーター２８
   を備え、同サーキユレーター２８は、中空導波管
   ２１によつて空胴共振器１７に接続され、かつ負
   荷３０に接続されたシヤント・アーム２９を備
   え、サーキユレーター２８に達した反射波を進行
   波管２７に入らないように偏向させて負荷３０内
   で消散させるようにしたことを特徴とする特許請
   求の範囲６ないし８のいづれかに記載の微小球を
   作る装置。 １０ 空胴共振器は、１１から２１迄のＸ（電磁
   波の半波数）値をもつマイクロ波モードTE_10,xを
   有するように寸法づけられていることを特徴とす
   る特許請求の範囲６ないし９のいづれかに記載の
   微小球を作る装置。