JPH0331235B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、高温ガス冷却原子炉の燃料要素の核
燃料からこれを酸素を含むガス内で高温処理する
ことにより構造用黒鉛を分離すうための方法およ
びこの方法に関する。

高温ガス冷却原子炉（HTR）にあつて燃料要
素を再生する際の重要な方法工程の一つは、燃料
要素を含んでいる粒子―一般に「被覆粒子」と称
される−をこの粒子を囲繞している黒鉛もしくは
燃料要素の黒鉛のマトリツスから分離することで
ある。

ペブルベツト―高温原子炉の典型的な燃料要素
は、60mmの外径と核燃料を含む粒子が埋設、され
ている黒鉛核を囲繞する５mmの壁厚を持つ球状の
黒鉛殻を備えている。粒子は熱分離により析出し
た炭素或いは他の例えばSicようなセラミツク物
質の層によつて囲繞されている重金属酸化物或い
は重金属カーバイトから成る球状の燃料物質およ
び親物質核からできている。これらの層の役目は
核分裂工程の際燃料内で放出される放射性の分裂
生成物を抑制することである。

色々な国々において、他の幾何学的な形状を持
つた燃料要素を使用するHTR（高温原子炉）が開
発されつつある。しかし、一般に黒鉛構造体内に
埋設された「被覆粒子」が使用されている。
HTR―燃料要素はなかんずく「JUL−Berichte
（ユーリツヒ研究所報告書）」1959、1975、１月号
に記載されている。

燃料要素内の「被覆粒子」の典型的な容量割合
は全燃料要素容量の約10％である。

消費された燃料要素を発生する際必要な燃料の
黒鉛からの分離には従来以下の方法（KFA
Julich−Jahresberichte（ユーリツヒ研究所年報）
1978／79、ISSN 0341−8790、26頁参照）が考慮
された。この方法にあつては、燃料要素は先ず粉
砕工程において機械的に粉砕され−この工程によ
り特に大多数の被覆の破壊が行われる−、引続い
て全黒鉛は渦動流床炉で850℃で燃焼され、その
際生じる廃ガスは粉砕および燃焼の際発生する揮
発性の分裂生成物を除かれて浄化され、大気中に
放出される。

この浄化された廃ガス内には、主として構造用
黒鉛からでる放射性の ¹⁴CO₂の成分が含まれて
おり、炉設備の運転に伴つて招来される人間への
放射線照射を最小限にくいとめようとする努力に
あつてこの廃ガスは重要な意味をもつてきてい
る。こう云つたことから既に、一酸化炭素を廃ガ
スからの例えば石灰乳による復分解により分離
し、CaCO₃の形で弱活性の廃棄物として貯蔵す
ることが提案されている。この方法は復分解され
るガスおよび石灰の量が比較的多く、したがつて
経費のかかる方法である。

他の方法にあつては、燃料要素もしくはその黒
鉛殻の機械的な破砕は行われず、方法は以下のよ
うにして簡略化されている。即ち、破砕していな
い燃料要素を流動して来る酸素内で600〜約1600
℃（例えば1200℃で）完全に灰になるまで燃焼し
てしまうか（ドイツ連邦共和国特許公報第
1464647号参照）、或いは触媒を添加した後触媒に
応じて1000℃或いは1000℃以下もしくは900℃以
下（例えば850℃）で黒鉛を完全にCO₂―ガスに
ガス化する（ドイツ連邦共和国公開特許公報第
2809686号参照）。これらの方法にあつては、方法
は或る程度簡略化されはするが、廃ガスの問題が
つきまとう。

ガス化され、後に再び固化されるべき炭素の量
を減少させるため、燃料要素の燃料を含んでいな
い殻を予め機械的に分離することが提案されてい
る。しかしこの方法も、放射線に対する安全の理
由から遠隔操作される設備内での燃料要素の装入
量が多量であることから比較的多くの費用を要す
る。

HTR―燃料要素―再処理の初期の開発段階に
おいて提案されている分離方法、例えばセシウ
ム、臭素或いは塩化鉄による介在物の形成による
黒鉛格子の電気的な砕解或いは解体による方法は
経済的なおよび技術的な理由から行うことができ
ない。

こう云つたことから本発明にあつては、
¹⁴CO₂による環境汚染が著しく低減され、しかも
過剰の吸着材を使用することも、附加的な処理お
よび設備も必要としない方法を造ることである。

この目的のために開発された本発明による冒頭
に記載した様式の方法の特徴とするところは、燃
料要素をその炭素組織もしくは黒鉛組織が弛緩し
て機械的に分離可能な物質になるまで、酸素を含
有しているガス内で650℃以下の温度で熱処置し、
弛緩した上記燃料要素の外殻を機械的な作用によ
り分離することである。

黒鉛を核燃料もしくは「被覆粒子」から部分燃
焼および（当時に或いは択一的に行われる）機械
的作用によつて分離するこの方法は、酸素ガス含
有ガスにより650℃以下の温度で黒鉛を燃焼する
際温度に応じて程度の差こそあれ物質の奥深く浸
入する腐食作用が行われ、この腐食作用にあつて
おそらく黒鉛粒（「充填粒」）の結合を仲立ちする
コークス化されたもしくは黒鉛化された結合体が
特に作用を受け、したがつて燃料要素黒鉛が約15
〜25％と比較的僅かに燃焼されただけで既にその
強度を失い、細い粉末として取除くことができる
と云う認識を基礎としている。

選択された処理温度が低くければ低いほど、強
度損失燃料要素の全断面にわたつてますます一様
に配分される。しかしこの場合、燃焼速度はそれ
だけ遅くなる。燃料要素球体の腐食を空気中で
350℃の温度で試験した際、例えば200日経過した
後始めて全容量にわたつて一様に配分された10％
の重量損失が確められた。再処理にとつて殆んど
受容できない低い燃焼速度は温度を上昇させるこ
とにより経済的に許容し得る程度に高めることが
可能である。しかしこの場合、温度の上昇と共に
急峻となる燃焼勾配は黒鉛粒子の表面からその内
部へと進む。この場合、全体が僅かしか燃焼して
いない黒鉛体を破砕しようとする場合、弛緩した
外側の殻を可能な限り連続的に難し、殻を取られ
た生成物中に含まれている黒鉛粉末をその燃焼反
応が停止するまで冷却するように配慮しなければ
ならない。処理温度は600℃以下、特に500℃〜
600℃であるのが有利である。

放射線が当てられていない燃料要素球を空気に
接触させて560℃で腐食させて行つた実験にあつ
て−この場合球体は24時間、次いでそれぞれ15時
間後焼炉から取出され、黒鉛粉末はブラツシ掛け
により取除かれた−、全54時間後に完全な破砕が
達せられた。この場合、全炭素燃焼は19％であつ
た。

黒鉛粉末を、回転炉内で燃料要素を透過により
循環させることにより或いは反応炉内で燃料要素
を揺動篩にかけることによりおよび／又は燃料要
素をプラツシ掛けすることにより−この場合黒鉛
粉末と粒子は例えば格子を経て200℃以下の温度
に冷却された室内に落下する−連続的に分離する
ことにより、燃焼は更に低減される。

燃焼要素黒鉛の幾何学的な表面に関係する燃焼
速度が被覆粒子の熱分解炭素の燃焼速度よりも著
しく高いので、粒子は上記の破砕方法にあつて破
砕されない。これは特別に被覆部内でSicから成
る中間層を備えた粒子に云えることである。した
がつてこれらの粒子はその核分裂生成貯留物を放
出することなく公知方法で例えばサイクロン分離
機内で黒鉛粉末から分離でき、他の公知の処理工
程に供給できる。

弱放射性の黒鉛自体は引続き例えば燃料要素製
造におけると同じ方法で例えばピツチバインダ或
いはフエノール樹脂バインダと混合し、圧成し、
コークス化し、最終貯蔵可能な加工することが可
能である。場合によつては、黒鉛粉末を燃料要素
の再製の場合にも再使用できる。

こうして上記の方法により、燃焼ガスの割合、
即ち放出されるＣ−14の割合を現今開発された渦
動流床燃焼に比して約80％も低減可能である。燃
焼温度が低いので、特に電気的に加熱される反応
室に対する材料の要件が僅かであり、また（黒鉛
を部分燃焼するために十分なO_2-分圧維持のため
の）ガス装入量も燃焼速度が比較的低いので、粉
末搬送に伴う諸問題が十分に回避できる。

例えば、材料上の理由から、燃焼速度を不経済
な程度にまで低下させることなく、燃焼温度を更
に低下させることが望ましいと思う場合は、本発
明の他の特徴により、燃料要素を酸素を含有して
いるガス内で処理する以前に、この燃料要素の炭
素組織或いは黒鉛組織内に接触反応を惹起する物
質を均一に添加することによつて温度低下が達せ
られる。この場合、この接触反応を惹起する物質
として使用される触媒を特に水性溶液から析出す
るのが有利である。このようにして例えば燃料要
素球を2.5重量％のCsNO₃を含む水性溶液内で先
ず３時間開閉可能な容器中で煮沸する。この場合
ガスの一部分が球の孔組織から駆出され、水性溶
液は脱ガスされる。引続き容器を閉じ、室温に冷
却する。この場合蒸気圧に相当する圧力低下が容
器において生じ、この圧力低下が球の孔組織から
のより以上のガス放出を促す。数時間保持した
後、容器を再び開いて大気圧とする。この場合球
は完全に溶液中に浸漬した状態に留まつている。
約12時間後球を取出し、秤量する。この際約５％
の重量増加が記録された。乾燥工程後硝酸セシウ
ムが実際に一様に球の断面にわたつて配分されて
おり、黒鉛中の硝酸セシウムの割合は0.1重量％
であつた。

上記の方法の変形として、触媒との含浸は触媒
を含有した液体と共に引続き圧力負荷により乾燥
排気することによつても達せられる。

ドーピングされた球を350℃で空気中で腐食化
する。この場合、ドーピングせずに560℃で部分
的に燃焼を行う蒸気方法の場合と実際に同じ効果
が達せられた。

上記接触反応を惹起する物質として使用される
触媒としては、黒鉛酸化を促進する触媒が適当で
ある。試験により、特にアルカリ金属硝酸塩或い
は例えばタリウム硝酸塩のようなその同族体或い
は特にセシウム沃素化物のようなアルカリ金属沃
素物を使用することができることが解つた。触媒
の量は一般に0.01〜１重量％である。破砕温度は
触媒含有燃料要素の場合約300〜400℃である。

本発明による方法は特に球状の燃料要素の破砕
に良く適している。しかし、これに限定されず、
根本的に構造用黒鉛が化学的燃焼の機能としての
強度損失の類似した依存性を有している限りプリ
ズム状の燃焼要素にあつても適用可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高温ガス冷却原子炉における燃料要素を酸素
   を含有するガス内で高温で処理することにより核
   燃料から構造用黒鉛を分離するための方法におい
   て、燃料要素をその炭素組織もしくは黒鉛組織が
   弛緩して機械的に分離可能な物質になるまで、酸
   素を含有しているガス内で650℃以下の温度で熱
   処理し、弛緩した上記燃料要素の外殻を機械的な
   作用により分離することを特徴とする、核燃料か
   ら構造用黒鉛を分離するための方法。 ２ 酸素を含有するガス内で燃料要素を処理して
   いる間この燃料要素に機械的な破砕力或いは剪断
   力を作用させ、破砕物を200℃以下の温度を持つ
   冷たい温度帯域内に移送する、前記特許請求の範
   囲第１項に記載の方法。 ３ 燃料要素を処理している間この燃料要素を回
   転炉内或いは振動篩上で運動させることによりお
   よび／又は運動するはけではけ掛けして燃焼によ
   り絶えずゆつくりと弛緩する層から分離する、前
   記特許請求の範囲第２項に記載の方法。 ４ 高温ガス冷却原子炉における燃料要素を酸素
   を含有するガス内で高温処理することにより核燃
   料から構造用黒鉛を分離するための方法におい
   て、燃料要素を酸素を含有しているガス内で処理
   する以前に、燃料要素の炭素組織或いは黒鉛組織
   内に接触反応を惹起する物質を混合することを特
   徴とする、核燃料から構造用黒鉛を分離するため
   の方法。 ５ 接触反応を惹起する物質を溶液、特に水性溶
   液から析出させる、前記特許請求の範囲第４項に
   記載の方法。 ６ 接触反応を惹起する物質がアルカリ金属硝酸
   塩である、前記特許請求の範囲第５項に記載の方
   法。