本発明は、重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置に関し、特に詳しくは、高濃縮度のウランを原料として扱うことができ、良好な真球度を有する重ウラン酸アンモニウム粒子を製造することができる重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置に関する。

非特許文献１〜５によると、高温ガス炉用燃料は、一般的に以下のような工程を経て製造される。 まず、酸化ウランの粉末を硝酸に溶かして、硝酸ウラニル溶液とする。 次に、この硝酸ウラニル溶液に純水及び増粘剤等を添加し、攪拌して硝酸ウラニル含有原液とする。 調製された硝酸ウラニル含有原液は、所定の温度に冷却され、粘度を調製後、細径の滴下ノズルを用いてアンモニア水溶液に滴下される。

このアンモニア水溶液に滴下された液滴は、アンモニア水溶液表面に達するまでの間に、アンモニアガスを吹きかけられる。 このアンモニアガスによって、液滴表面がゲル化され、これにより、アンモニア水溶液表面到達時における変形が防止される。 アンモニア水溶液中における硝酸ウラニルは、アンモニアと十分に反応し、重ウラン酸アンモニウム粒子（以下、「ＡＤＵ粒子」と略する場合がある。）となる。

この重ウラン酸アンモニウム粒子は、乾燥された後、大気中で焙焼され、二酸化ウランよりも酸素を多く含み、酸素：ウランのモル比が２を超える酸化ウラン、例えば、三酸化ウランとなり、さらに還元及び焼結されることにより、高密度のセラミックス状の二酸化ウラン粒子となる。 この二酸化ウラン粒子を篩い分け、すなわち分級して、所定の粒子径を有する燃料核を得る。

この燃料核を流動床に装荷し、被覆ガスを熱分解させることにより被覆を施す。 被覆層は、燃料核表面から第一層、第二層、第三層、および第四層を被覆することにより形成されている。 第一層の低密度炭素の場合は、約１４００℃でアセチレン（Ｃ _２ Ｈ _２ ）を熱分解して得られる。 第二層および第四層の高密度熱分解炭素の場合は、約１４００℃でプロピレン（Ｃ _３ Ｈ _６ ）を熱分解して得られる。 第三層のＳｉＣの場合は約１６００℃でメチルトリクロロシラン（ＣＨ _３ ＳｉＣｌ _３ ）を熱分解して得られる。

一般的な燃料コンパクトは、以上のようにして得られた被覆燃料粒子を黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒鉛マトリックス材とともに、中空円筒形状または円筒形状にプレス成型またはモールド成型した後、焼成して得られる。

Ｓ． Ｋａｔｏ " Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＨＴＴＲ Ｆｉｒｓｔ Ｌｏａｄｉｎｇ ｆｕｅｌ "，ＩＡＥＡ-ＴＥＣＤＯＣ-１２１０，１８７ （２００１） Ｎ． Ｋｉｔａｍｕｒａ " Ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｃｏｒｅ ｆｕｅｌ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ＨＴＴＲ " ＩＡＥＡ−ＴＥＣＤＯＣ−９８８，３７３（１９９７） 林 君夫、" 高温工学試験研究炉の設計方針、製作性及び総合的健全性評価 "ＪＡＥＲＩ−Ｍ ８９−１６２（１９８９） 湊 和生、" 高温ガス炉燃料製造の高度技術の開発 "ＪＡＥＲＩ−Ｒｅｓｅａｃｈ ９８−０７０（１９９８） 長谷川正義、三島良績 監修「原子炉材料ハンドブック」昭和５２年１０月３１日発行 ２２１−２４７頁、日刊工業新聞社

一方、ウランなどの核燃料物質を使用して核燃料を製作する場合、臨界事故を防ぐための方法としては、一般的に、取り扱うウラン量を臨界質量以下とする「質量制限」と、ウラン量には関係なく臨界が生じない形状・寸法内でウランを取り扱う「形状制限」とが挙げられる。

「質量制限」の場合には、濃縮度１０％以下のウランに対する取扱最大量は、９．６ｋｇであり、濃縮度２０％以下のウランに対する取扱最大量は、４．０ｋｇである。 したがって、各製造工程におけるバッチサイズは、これらの値以下にする必要がある。 さらに、安全性の観点から、誤って２重装荷した場合を考慮すると、各製造工程におけるバッチサイズは、これらの値の１/２以下にする必要がある。 そのため、核燃料の生産性は悪くなり、量産設備に対する臨界管理方法として適しているとはいえない。

一方、「形状制限」の場合には、ウランの濃縮度や形状によって規定される大きさも異なってくる。 例えば、濃縮度１０％以下のウランに対する収納設備の大きさが、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で１９．８ｃｍ以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで８．３ｃｍ以下である。

また、濃縮度２０％以下のウランに対する収納設備の大きさが、収納設備の形状が円筒形状である場合、円筒の直径で１７．４ｃｍ以下であり、収納設備の形状が平板状である場合、平板の厚みで６．７ｃｍ以下である。

これらの収納設備で取り扱うウランの量には制限がないため、「形状制限」は、量産設備に対する臨界管理方法としては好ましい。 しかしながら、上記したように、高濃縮度のウランになるに従い、「形状制限」での寸法制限値は小さくなるため、燃料核を製造する設備は、細長い円筒形状や薄い平板状にならざるを得ない。

例えば、調製された硝酸ウラニル含有原液をアンモニア水溶液に滴下する工程において、アンモニア水溶液中で、アンモニアと硝酸ウラニルが十分に反応し、ＡＤＵ粒子が生成される。 ここで、生成されたＡＤＵ粒子は、上側にＡＤＵ粒子が積載されていくため、変形を起こす。 そのため、ＡＤＵ粒子の真球度が悪くなるという問題点があった。

このＡＤＵ粒子の真球度が悪くなるという問題点を解決するために、アンモニア水溶液中でこの下方から上方へ向かう上昇流を発生させることにより、ＡＤＵ粒子をアンモニア水溶液中で、流動させ、ＡＤＵ粒子同士が重なり合うことのないようにする技術が提案されている。

特に、高濃縮度のウランを原料とする場合には、収納設備が細長い円筒形状や薄い平板状にならざるを得ないので、上昇流を強くすることによって、ＡＤＵ粒子を流動させる必要がある。 しかしながら、上昇流を強くしすぎることによって、ＡＤＵ粒子に過剰な力が加わり、ＡＤＵ粒子が変形してしまう。 したがって、ＡＤＵ粒子が変形することによる真球度が悪くなるという問題点が未だに存在する。

本発明は、このような従来の問題点を解消し、高濃縮度のウランを原料として扱うことができ、良好な真球度を有する重ウラン酸アンモニウム粒子を製造することができる重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置を提供することをその課題とする。

前記課題を解決するための手段として、
請求項１は、硝酸ウラニルを含有する硝酸ウラニル含有原液を滴下する滴下装置と、滴下される前記硝酸ウラニル含有原液と反応するアンモニア水溶液を収容する反応槽本体および前記反応槽本体内のアンモニア水溶液を下方から上方に循環させてなる循環領域の位置を変更する循環流路位置設定手段を有する反応槽とを備えてなることを特徴とする重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置であり、
請求項２は、前記循環流路位置設定手段は、前記反応槽本体底部よりも下側に設けられ、アンモニア水溶液を供給する供給口と、前記反応槽本体底部よりも上側に設けられ、供給されたアンモニア水溶液を反応槽本体から排出する複数の排出口と、前記供給口と複数の排出口との間に接続された配管と、前記配管に接続され、アンモニア水溶液を流動させるポンプと、前記配管に設けられ、前記供給口と１つの排出口との間でアンモニア水溶液が流動するように、切り替える切替手段とを備えてなる前記請求項１に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置であり、
請求項３は、前記配管は、前記供給口に接続され、前記ポンプが接続される主配管と、各排出口から前記主配管へ分岐して接続される複数の副配管とを備え、前記切替手段は、複数の副配管にそれぞれ設けられた副配管側切替バルブと、前記主配管に接続された所定の副配管とこの副配管に隣接する副配管との間の主配管の区間にそれぞれ設けられた主配管側切替バルブとを備えてなる前記請求項２に記載の重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置である。

本発明によれば、まず、アンモニア水溶液が収容された反応槽本体に硝酸ウラニル含有原液が滴下される。 滴下された硝酸ウラニル含有原液の液滴は、アンモニア水溶液中を降下しながら、アンモニアと反応する。 この際、液滴の外表面から重ウラン酸アンモニウムに変化していく。 ここで、反応槽本体の内部では、循環流路位置設定手段により、循環領域の位置が変更される。 この循環領域の位置の変更により、循環流の生じていない領域を、液滴が静かに下降し、この液滴は、アンモニア水溶液と反応する。 反応した液滴は、重ウラン酸アンモニウム粒子となる。 また、重ウラン酸アンモニウム粒子が存在する必要最小限の領域のみを選択的に流動させることができるので、流動中の重ウラン酸アンモニウム粒子の変形を抑制することが可能となる。 したがって、良好な真球度を有する重ウラン酸アンモニウム粒子を製造することができる。 なお、反応槽本体内の重ウラン酸アンモニウム粒子を十分に流動させることができるので、高濃縮度のウランを原料とする場合のような、例えば、反応槽本体が細長い円筒形状であっても適用が可能となる。 したがって、高濃縮度のウランを原料として扱うことができる。

また、本発明によれば、排出口から排出されたアンモニア水溶液は、ポンプによって、配管内を流動する。 そして、切替手段によって、前記供給口と１つの排出口との間でアンモニア水溶液が流動するように、切り替えられる。 ここで、１つの排出口を他の排出口に切り替えれば、アンモニア水溶液の循環する循環領域の位置が変更することとなる。 したがって、循環領域の位置を変更することができる。

さらに、本発明によれば、各副配管側切替バルブおよび主配管側切替バルブによって、
アンモニア水溶液が流動する主配管および副配管を選択する。 したがって、主配管は供給口と接続され、副配管は、排出口と接続されているので、供給口と１つの排出口との間でアンモニア水溶液が流動するように、切り替えることができる。

以下、図１を参照しながらこの発明の一実施形態に係る重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置（以下、「ＡＤＵ粒子製造装置」と称することがある。）について説明する。 ただし、図１に記載されたＡＤＵ粒子製造装置は、この発明の一例であり、この発明に係るＡＤＵ粒子製造装置は、図１に記載されたＡＤＵ粒子製造装置に限られることはない。

[ＡＤＵ粒子製造装置]
ＡＤＵ粒子製造装置１は、滴下装置２と、滴下装置２の下方に設けられた反応槽３とを備えてなる。

[滴下装置]
滴下装置２は、硝酸ウラニルを含有する硝酸ウラニル含有原液を反応槽３に滴下する装置である。 この滴下装置２は、ノズルを有している。 このノズルは、所定の内径を有しているものであればよく、硝酸ウラニル含有原液を滴下する際には、図示は略すが、各々のノズルを硝酸ウラニル含有原液の滴下方向および／または滴下方向に対する直交方向に振動させることにより、硝酸ウラニル含有原液を滴下させるようになっている。

滴下装置２の配置としては、反応槽３に滴下することができれば、特に制限はないが、例えば、反応槽３の中心軸線Ｘ上に配置されていることが好ましい。 このようにすれば、滴下された前記硝酸ウラニル含有原液が生成してなるＡＤＵ粒子が反応槽３に衝突することが少なくなり、ＡＤＵ粒子の変形を少なくすることができる。

[反応槽]
反応槽３は、反応槽本体４と、循環流路位置設定手段５とを有する。

反応槽本体４は、滴下される前記硝酸ウラニル含有原液と反応するアンモニア水溶液を収容する。 反応槽本体４の断面形状としては、多角形状、円形状、楕円形状等を挙げることができる。 なお、反応槽本体４は、図示は略すが、滴下装置２の配置される箇所と対応する部分のみ開口し、密閉形状に形成されてなることが好ましい。 このようにすれば、収容するアンモニア水溶液が気化することによる濃度の変動を抑えることができる。

反応槽本体底部４Ａは、下方にいくほど縮径するように形成されていることが好ましい。 なお、反応槽本体底部４Ａ下側には、滴下方向に設けられた取出配管４Ｂと、取出配管４Ｂに設けられた取出し用バルブ４Ｃとが設けられている。

循環流路位置設定手段５は、前記反応槽本体４内のアンモニア水溶液を下方から上方に循環させてなる循環領域の位置を変更する。 循環流路位置設定手段５は、供給口６と、複数の排出口７と、配管８と、ポンプ９と、切替手段１０とを備えてなる

供給口６は、反応槽本体底部４Ａよりも下側に設けられ、アンモニア水溶液を供給する。 供給口６は、具体的には、反応槽本体底部４Ａと取出し用バルブ４Ｃとの間の取出配管４Ｂに設けられている。

複数の排出口７は、前記反応槽本体底部４Ａよりも上側に設けられ、供給されたアンモニア水溶液を反応槽本体４から排出する。 複数の排出口７は、反応槽本体４の側壁面に、それぞれ、高さ方向に対して別々の位置に形成されている。 なお、複数の排出口７は、下側から順にそれぞれ、排出口７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、７Ｄ、および７Ｅである。

なお、複数の排出口７は、それぞれ供給口６に対して、同一方向に開口するように形成されている必要はない。 例えば、複数の排出口７は、反応槽本体４の中心軸線Ｘを挟んで供給口６に対して、対称の位置に形成され、複数の排出口７が、供給口６に対して、反対方向に開口するように形成されていてもよい。

配管８は、前記供給口６に接続され、前記ポンプ９が接続される主配管８１と、各排出口７から前記主配管８１へ分岐して接続される複数の副配管８２とを備えている。 なお、複数の副配管８２は、下側から順に、副配管８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄ、および８２Ｅである。

ポンプ９は、前記配管８に、具体的には、主配管８１に接続され、アンモニア水溶液を流動させる。

切替手段１０は、前記配管８に設けられ、前記供給口６と１つの排出口７（排出口７Ａ〜７Ｅのいずれか１つ）との間でアンモニア水溶液が流動するように、切り替える。

切替手段１０は、副配管側切替バルブ１１と、主配管側切替バルブ１２とを備えてなる。 副配管側切替バルブ１１は、複数の副配管８２にそれぞれ設けられている。 具体的には、副配管側切替バルブ１１は、複数の副配管８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ、８２Ｄ、および８２Ｅに対してそれぞれ、副配管側切替バルブ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、および１１Ｅとして設けられている。

主配管側切替バルブ１２は、前記主配管８１に接続された所定の副配管とこの副配管に隣接する副配管との間の主配管の区間にそれぞれ設けられている。

具体的には、副配管８２Ａと副配管８２Ｂとの間の主配管８１の区間に、主配管側切替バルブ１２Ａが設けられている。 また、副配管８２Ｂと副配管８２Ｃとの間の主配管８１の区間に、主配管側切替バルブ１２Ｂが設けられている。 さらに、副配管８２Ｃと副配管８２Ｄとの間の主配管８１の区間に、主配管側切替バルブ１２Ｃが設けられている。 そして、副配管８２Ｄと副配管８２Ｅとの間の主配管８１の区間に、主配管側切替バルブ１２Ｄが設けられている。

[ＡＤＵ粒子製造装置の使用方法および作用・効果]
上記したＡＤＵ粒子製造装置の使用方法および作用を以下に述べる。 なお、本発明のＡＤＵ粒子製造装置でＡＤＵ粒子を製造するときに用いられる硝酸ウラニル含有原液は、酸化ウランと硝酸とを混合して得られる硝酸ウラニルに水溶性ポリマーを添加し、次いで純水を添加することにより粘度を調節して調製される。

前記酸化ウランとしては、二酸化ウラン、三酸化ウランまたは八酸化三ウラン等を挙げることができ、特に八酸化三ウランが好ましい。

前記水溶性ポリマーとしては、ポリビニルアルコール（以下、ＰＶＡと略する。）、ポリアクリル酸ナトリウム及びポリエチレンオキシド等の合成ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、メチルセルロース、及びエチルセルロース等のセルロース系ポリマー、可溶性でんぷん、及びカルボキシメチルでんぷん等のでんぷん系ポリマー、デキストリン、及びガラクタン等の水溶性天然高分子等を挙げることができる。

これら各種の水溶性ポリマーは、その一種を単独で使用されても、また、それらの二種以上が併用されていても良い。 これらの中でも、水溶性ポリマーとして前記合成ポリマーが好ましく、特にポリビニルアルコールが好ましい。

まず、反応槽本体４に所定濃度、所定量のアンモニア水溶液を収容する。 次に、滴下装置２に所定の硝酸ウラニル含有原液を流通させ、滴下装置２より硝酸ウラニル含有原液の液滴を滴下する。

図示は略すが、滴下された各々の液滴に対して、適宜アンモニアガスを吹きかけるようにしてもよい。 このようにすれば、液滴の表面ではゲル化が進み、アンモニア水溶液表面に衝突する際の液滴の変形を抑制することができる。

その後、各液滴は、反応槽本体４の内のアンモニア水溶液内に沈降していき、このアンモニア水溶液より、さらにアンモニアを吸収する。 そして、各液滴は、表面だけでなく、内部までもゲル化が進み、ＡＤＵ粒子へと反応が進む。

この反応の際に、アンモニア水溶液中では、反応によりアンモニアが消費されるので、反応槽本体４のある部分によっては、アンモニア濃度に差異が生ずることとなる。 ここで、循環流路位置設定手段５によって、アンモニア水溶液を滴下方向に循環させてなる循環領域を、例えば、反応して生成した重ウラン酸アンモニウム粒子のほとんど存在しない部分に設定する。

ここで、循環領域を、例えば、反応して生成した重ウラン酸アンモニウム粒子のほとんど存在しない部分に設定する際に、供給口６から供給されたアンモニア水溶液は、ポンプ９によって、配管８内を流動する。 そして、切替手段１０によって、前記供給口６と１つの排出口７（７Ａ〜７Ｅのいずれか１つ）との間でアンモニア水溶液が流動するように、切り替えられる。 ここで、１つの排出口７（７Ａ〜７Ｅのいずれか１つ）を他の排出口７（７Ａ〜７Ｅのいずれか１つ）に切り替えれば、アンモニア水溶液の循環する循環領域の位置が変更することとなる。 したがって、循環領域の位置を変更することができる。

具体的には、滴下開始直後は、供給口６と排出口７Ａとの間で、アンモニア水溶液を循環させる。 この際、副配管側切替バルブ１１Ａを開き、その他の副配管側切替バルブ１１Ｂ〜１１Ｅを閉じる。 また、主配管側切替バルブ１２Ａ〜１２Ｄを閉じる。

この状態においては、ポンプ９によって、アンモニア水溶液は、供給口６、反応槽本体底部４Ａ、副配管８２Ａ、主配管８１、ポンプ９内を流動する（図１中矢印参照）。 したがって、このアンモニア水溶液が流動する領域は、循環領域となる。 この場合には、反応槽本体４においては、排出口７Ａよりも上側の部分では、循環流が生じていないこととなる。 この排出口７Ａよりも上側の部分では、硝酸ウラニル含有原液の液滴が反応中であるが、流動による影響を少なくすることができる。

硝酸ウラニル含有原液の滴下が進み、生成したＡＤＵ粒子が排出口７Ａ付近まで堆積した状態となる。 この場合には、供給口６と排出口７Ｂとの間で、アンモニア水溶液を循環させる。 この際、副配管側切替バルブ１１Ｂを開き、その他の副配管側切替バルブ１１Ａ、１１Ｃ〜１１Ｅを閉じる。 また、主配管側切替バルブ１２Ａを開き、その他の主配管側切替バルブ１２Ｂ〜１２Ｄを閉じる。

この状態においては、ポンプ９によって、アンモニア水溶液は、供給口６、反応槽本体底部４Ａ、副配管８２Ｂ、主配管８１、ポンプ９内を流動する。 この場合には、反応槽本体４においては、排出口７Ｂよりも上側の部分では、循環流が生じていないこととなる。 この排出口７Ｂよりも上側の部分では、硝酸ウラニル含有原液の液滴が反応中であるが、流動による影響を少なくすることができる。

さらに、硝酸ウラニル含有原液の滴下が進み、生成したＡＤＵ粒子が排出口７Ｂ付近まで堆積した状態となる。 この場合には、供給口６と排出口７Ｃとの間で、アンモニア水溶液を循環させる。 この際、副配管側切替バルブ１１Ｃを開き、その他の副配管側切替バルブ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｄ、１１Ｅを閉じる。 また、主配管側切替バルブ１２Ａ、１２Ｂを開き、その他の主配管側切替バルブ１２Ｃ、１２Ｄを閉じる。

この状態においては、ポンプ９によって、アンモニア水溶液は、供給口６、反応槽本体底部４Ａ、副配管８２Ｃ、主配管８１、ポンプ９内を流動する。 この場合には、反応槽本体４においては、排出口７Ｃよりも上側の部分では、循環流が生じていないこととなる。 この排出口７Ｃよりも上側の部分では、硝酸ウラニル含有原液の液滴が反応中であるが、流動による影響を少なくすることができる。

以上のような操作を繰り返すことにより、循環領域の位置を変更することができる。

以上、循環領域においては、アンモニア水溶液が循環するので、上部側のＡＤＵ粒子の重量で、下部側のＡＤＵ粒子が変形することがなくなる。 また、均一なアンモニア濃度が保たれるため、反応が均一に進むことになるので、良好な真球度を有する重ウラン酸アンモニウム粒子を製造することができる。

また、重ウラン酸アンモニウム粒子のほとんど存在しない部分で、循環が行われていないので、落下中のやわらかい重ウラン酸アンモニウム粒子へ循環流による過剰な力が加わることもなく、ＡＤＵ粒子が変形することもない。 したがって、良好な真球度を有するＡＤＵ粒子を製造することができる。 なお、反応槽本体４内のＡＤＵ粒子を十分に流動させることができるので、高濃縮度のウランを原料とする場合のような、例えば、本実施形態のような反応槽本体４が細長い円筒形状であっても適用が可能となる。 したがって、高濃縮度のウランを原料として扱うことができる。

なお、所定の時間後、反応が進み、反応槽本体底部４Ａに堆積したＡＤＵ粒子は、取出し用バルブ４Ｃを開放して、取出し配管４Ｂを通って、反応槽本体４の外部へ排出される。

また、反応槽本体４外部へ排出されたＡＤＵ粒子は、洗浄、乾燥して、その後、所定の条件で焙焼、還元・焼結の各工程を経て、二酸化ウラン粒子となる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は、本発明に含まれるものである。

図１は、本発明に係る重ウラン酸アンモニウム粒子製造装置を示す概略図である。

符号の説明

１ ＡＤＵ粒子製造装置 ２ 滴下装置 ３ 反応槽 ４ 反応槽本体 ４Ａ 反応槽本体底部 ４Ｂ 取出配管 ４Ｃ 取出し用バルブ ５ 循環流路位置設定手段 ６ 供給口 ７（７Ａ〜７Ｅ） 排出口 ８ 配管 ８１ 主配管 ８２（８２Ａ〜８２Ｅ） 副配管 ９ ポンプ １０ 切替手段 １１（１１Ａ〜１１Ｅ） 副配管側切替バルブ １２（１２Ａ〜１２Ｄ） 主配管側切替バルブ