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論文

金属硝酸塩水溶液のマイクロ波加熱特性ならびに金属酸化物の粉末性状評価

瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典; 鈴木 政浩; 深澤 智典*; 福井 国博*

粉体工学会誌, 57(9), p.485 - 494, 2020/09

使用済燃料の再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をマイクロ波加熱脱硝法により混合酸化物粉末に転換している。ラボスケールの基礎実験において研究開発された知見に基づき、工学規模への適用性の評価や金属硝酸塩水溶液の様々なマイクロ波加熱脱硝特性データを取得するため、硝酸セリウム,硝酸コバルト,硝酸銅水溶液を用いてマイクロ波加熱特性及び金属酸化物粉末特性の研究を行った。脱硝反応の進行速度は位置により差がみられ、周縁部の方が中心部に比べて脱硝反応が速く進行した。硝酸セリウム水溶液ではポーラスな硬い乾固体、硝酸コバルト水溶液では発泡乾固体、硝酸銅水溶液では粉末状生成物が得られることが分かった。生成物の脱硝率及び平均粒子径は、硝酸セリウム水溶液,硝酸コバルト水溶液,硝酸銅水溶液の順に大きくなることを確認した。数値シミュレーションにより、金属硝酸塩水溶液の底面周縁部はマイクロ波により加熱されやすく、脱硝反応が周縁部から開始する実験結果と一致することを明らかにした。

論文

MOX粉末の乾式リサイクルのための衝突板式ジェットミルの特性評価

川口 浩一; 瀬川 智臣; 山本 和也; 牧野 崇義; 磯 秀敏; 石井 克典

粉体工学会誌, 57(9), p.478 - 484, 2020/09

衝突板式ジェットミルは、核燃料製造のために粒径調整可能な粉砕機として有望視されている。本ジェットミルは、分級機と粉砕室で構成される。粗粒成分は装置内を循環し、最終的に目的粒径まで粉砕される。本報告では、模擬粉砕粉を段階的に分級および粉砕し、粒度分布を比較した。衝突板式ジェットミルは過粉砕を抑えて目標粒径の粒子を製造できる。

論文

Preventing nuclear fuel material adhesion on glove box components using nanoparticle coating

瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典; 鈴木 政浩; 立原 丈二; 高藤 清人; 沖田 高敏; 佐藤根 大士*; 鈴木 道隆*

Proceedings of 2020 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 2020) (Internet), 6 Pages, 2020/08

MOX燃料製造工程におけるグローブボックス内の核燃料物質の滞留並びに外部被ばく線量の低減を目的として、グローブボックス構成材のアクリルへのナノ粒子コーティングによる粉末付着防止に係る技術開発を進めている。アクリル試験片にナノ粒子をコーティングすることにより、表面にナノオーダーの微細な凹凸が形成され、アクリル試験片と観察された最小粒子径約5$$mu$$mのUO$$_{2}$$粒子との間に働く付着力が約10分の1に低下し、さらにMOX粉末の付着量が約10分の1に低減することが明らかになった。本研究によりグローブボックス構成材に対し、ナノ粒子コーティングを施すことにより、核燃料物質の付着防止効果が得られることがわかった。本手法は、グローブボックスにおける核燃料物質の滞留並びに外部被ばく線量の低減、アクリルパネルの視認性の改善に有効である。

論文

Technological development of the particle size adjustment of dry recovered powder

瀬川 智臣; 山本 和也; 牧野 崇義; 磯 秀敏; 川口 浩一; 石井 克典; 佐藤 寿人; 深澤 智典*; 福井 国博*

Proceedings of International Nuclear Fuel Cycle Conference / Light Water Reactor Fuel Performance Conference (Global/Top Fuel 2019) (USB Flash Drive), p.738 - 745, 2019/09

核燃料物質の有効利用のため、MOX燃料製造プロセスにおいて混合酸化物ペレットの乾式粉砕技術の開発を進めてきた。乾式回収粉の粒径を250$$mu$$m以下の範囲で制御する技術を開発するために、粒度約500$$mu$$mの模擬粉末を用いて、石臼式粉砕機および衝突板式ジェットミル両方の性能を評価した。石臼式粉砕機においては砥石間のクリアランス、また衝突板式ジェットミルにおいては分級ゾーンのクリアランスと仰角を調整することにより、粒径を250$$mu$$m以下の範囲で制御できることが明らかとなった。さらに、衝突板式ジェットミルは分級機のパラメータを細かく調整することができるため、粒径制御に適していると考えられる。

論文

Levelized cost of electricity evaluation of SFR system considering safety measures

向井田 恭子; 加藤 篤志; 紙谷 正仁; 石井 克典

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 10 Pages, 2019/05

均等化発電原価はエネルギーシステムの経済的競合性を測る上で重要な指標である。本報は、G4-ECONS及び発電コスト検証ワーキンググループが開発した解析ツール(CEWG-tool)を用い、福島第一原子力発電所事故後に特定された追加的な安全対策、及び社会的コストを考慮したナトリウム冷却高速炉(SFR)システムの均等化発電原価を推定した。安全性を強化したSFR(150万級ツインループ)にかかるG4-ECONSによる計算の結果、追加的な安全対策は約160%均等化発電原価を上昇させることが示された。また、CEWG-toolを用いた社会的コスト及び割引率(3%)を考慮した安全性強化SFR(120万級シングルループ)の計算の結果、均等化発電原価は84mills/kWhと評価された。この結果は同規模の軽水炉システムの均等化発電原価とほぼ同等であり、将来のSFRシステムの経済的競合性が示された。

論文

Study on optimizing microwave heating denitration method and powder characteristics of uranium trioxide

瀬川 智臣; 川口 浩一; 加藤 良幸; 石井 克典; 鈴木 政浩; 藤田 峻也*; 小林 昌平*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 9 Pages, 2019/05

硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から混合酸化物への転換において、マイクロ波加熱脱硝法が利用されている。マイクロ波加熱の効率性及び均質なUO$$_{3}$$粉末を製造するための加熱均一性の向上を目的とし、塩化カリウム寒天及び硝酸ウラニル溶液のマイクロ波加熱試験、並びに数値シミュレーションによる解析を実施した。硝酸ウラニル溶液の誘電損失に調整した塩化カリウム寒天を用いたマイクロ波加熱試験により、マイクロ波加熱脱硝に最適なサポートテーブル高さは50mmとなることを確認した。また、断熱材を用いた硝酸ウラニル溶液のマイクロ波加熱試験により、脱硝時間の短縮によるエネルギー利用効率の向上及び脱硝体の剥離性が改善による収率の向上を確認した。さらに複数のサンプリング位置において採取したUO$$_{3}$$について、いずれも粉末特性が改善し高密度のペレットが作製可能となることが明らかになった。断熱材を設置することで硝酸ウラニル溶液のマイクロ波加熱の均一性が向上することが数値シミュレーションにより示された。

論文

Development of granulation system for simplified MOX pellet fabrication process

石井 克典; 瀬川 智臣; 川口 浩一; 鈴木 政浩

Proceedings of 2019 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2019) (Internet), 5 Pages, 2019/05

原子力機構は簡素化ペレット法MOX燃料製造プロセスの開発を実施している。簡素化法では、マイクロ波加熱脱硝法で製造したMOX粉末を焙焼・還元した後、湿式造粒法により流動性の改良を行っている。前報では、成型に適した造粒粉を効率的に製造するため、湿式造粒機と整粒機から構成される造粒システムが提案された。本研究では、湿式造粒機の改良を行うとともに、補助機器を追加することにより造粒システム試験装置を完成させ、WO$$_{3}$$粉を用いて装置の性能確認試験を実施し、原料粉が成型に適した粒径で流動性が良い造粒粉に転換できることを確認した。また5kgの粉末の処理に要した時間は約70分で、目標時間をほぼ満足することができた。

論文

高速炉サイクルの経済性評価; 炉の建設コストと燃料サイクルコスト

向井田 恭子; 加藤 篤志; 紙谷 正仁; 石井 克典

日本原子力学会誌, 61(1), p.40 - 47, 2019/01

原子力機構は高速炉サイクルの開発当初から、軽水炉サイクルに対し経済的競合性を持つシステムとすることを開発目標の一つとして掲げその研究開発を進めてきた。本稿では、高速増殖炉サイクル実用化研究開発(FaCT)フェーズIにおけるナトリウム冷却高速炉及び燃料サイクル施設の設計をベースに、追加的な安全対策費や社会的費用を考慮し、高速炉サイクルの発電コストを試算した結果を紹介する。

論文

Mechanism of flashing phenomena by microwave heating and influence of high dielectric constant solution

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯淺 朋久*; 瀬川 智臣; 加藤 良幸; 川口 浩一; 石井 克典

Proceedings of 11th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-11) (Internet), 7 Pages, 2018/11

使用済燃料の再処理工程において、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液をマイクロ波加熱脱硝法により、酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物粉末に転換しており、今後、量産規模の脱硝技術を開発する上で、マイクロ波加熱時の突沸及び噴きこぼれ防止のために運転条件の把握が求められる。本研究において、溶液の誘電率の増加に伴い熱伝導係数が低下することを明らかにした。また、噴き上げ現象においては気泡成長よりも無数の微小気泡の発生が支配的に影響を及ぼすと考えられる。

論文

Mechanism of flashing phenomena induced by microwave heating

藤田 峻也*; 阿部 豊*; 金子 暁子*; 湯浅 朋久*; 瀬川 智臣; 山田 美一; 加藤 良幸; 石井 克典

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 8 Pages, 2018/07

使用済燃料を再処理する工程において、マイクロ波加熱脱硝法により、硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から酸化ウラン・酸化プルトニウム混合酸化物粉末を製造している。将来に向けた量産規模の脱硝技術開発において、マイクロ波加熱時の沸騰中の突沸及び噴きこぼれを防止するため、十分に運転条件を把握することが求められる。本研究においては、高誘電損失の硝酸ウラニル水溶液の模擬物質として塩化カリウム水溶液において、KCl濃度の増加に伴う誘電損失の増加に伴い、溶液表面でマイクロ波が損失することを実験及び電磁場解析により確認し、加熱状態の変化が突沸の発生に影響を及ぼすことを明らかにした。

論文

Nickel oxide powder synthesis from aqueous solution of nickel nitrate hexahydrate by a microwave denitration method

瀬川 智臣; 川口 浩一; 石井 克典; 鈴木 政浩; 有満 直樹*; 吉田 英人*; 福井 国博*

Advanced Powder Technology, 26(3), p.983 - 990, 2015/05

 被引用回数:6 パーセンタイル:68.03(Engineering, Chemical)

使用済み燃料の再処理工程において、マイクロ波加熱直接脱硝法による硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から混合酸化物粉末(MOX原料粉末)への転換が行われている。マイクロ波加熱法に対する酸化物添加法と断熱材の効果を明らかにするため、マイクロ波加熱法による硝酸ニッケル六水和物(Ni(NO$$_{2}$$)$$_{2}$$・6H$$_{2}$$O)の水溶液の脱硝について研究を行った。Ni(NO$$_{2}$$)$$_{2}$$・6H$$_{2}$$O水溶液はマイクロ波吸収性が低く、マイクロ波照射により300$$^{circ}$$C以上に昇温することができず、脱硝生成物(NiO)の最終生成物をこれまで得ることができなかった。そのため、コンタミネーションを伴わない新たなNiOの合成法として、マイクロ波アクセプターとしてNiO粉末を添加する手法を開発した。さらに、反応容器周辺に断熱材を設置することにより試料温度の均一性が向上し、NiOへの脱硝率を大幅に改善することができた。数値シミュレーションにおいて断熱材を設置した場合の電界分布は顕著に変化し、温度分布の不均一性が低下することが明らかとなった。シミュレーションによる温度分布を基に算出したNiOへの脱硝率は、実験結果と概ね一致する傾向にあることを確認した。

論文

ナノ粒子塗布による粉塵付着防止

鈴木 道隆*; 吉川 真央*; 飯村 健次*; 佐藤根 大士*; 石井 克典

粉体工学会誌, 50(6), p.405 - 409, 2013/06

シリカのナノ粒子を含有した懸濁液に浸すか、又はスピンコート法(サンプルを高速回転させたときに発生する遠心力によりサンプル上に薄膜を形成する方法)を用いて、ガラス基板にシリカナノ粒子を塗布した。ガラス基板の表面が透明なナノ粒子の薄い層で覆われることにより、粉末付着を防止できることが実験的に確認された。粉末と基板の間に作用する付着力を遠心法により測定し、付着力と表面粗さの関係を実験及び理論の観点から検討した結果、付着力は表面粗さが増加するにつれて減少しており、ナノ粒子の塗布による基板表面の粗さのわずかな増加が、粉末付着を低減できる原因であることがわかった。ナノ粒子の塗布は、粉末付着を大変効果的に防ぐことができ、さまざまな分野への応用が期待される。

論文

Flowability measurement of coarse particles using vibrating tube method

石井 克典; 鈴木 政浩; 山本 琢磨; 木原 義之; 加藤 良幸; 栗田 勉; 吉元 勝起; 安田 正俊*; 松坂 修二*

Journal of Chemical Engineering of Japan, 42(5), p.319 - 324, 2009/05

 被引用回数:7 パーセンタイル:66.48(Engineering, Chemical)

振動細管式流動性測定法のMOX粒子への適用性を評価するために、振動細管式流動性測定装置により、直径が大きな粒子の流動性測定試験を実施した。模擬粒子は直径が850ミクロン以下の非放射性のジルコニア粒子であり、5種類の異なる粒径のサンプルを準備した。また細管の排出口径としては2mmから4mmのものを使用した。細管の排出口径は流動性の測定特性に大きな影響を与えた。4mmの排出口径の細管を用いることにより、すべての粒子径の模擬粒子を測定することができた。細管の傾斜角度も流動性測定特性に影響を与えた。粒子の排出が開始される流動開始加速度、すなわち流動性の評価ファクターは、カーの流動性指数と相関がある。高感度,測定時間の短さ,操作の容易さ等の利点を考慮すると、振動細管法はMOX粒子の遠隔流動性測定への適用が期待される。

論文

Application of microwave heating to MOX fuel production and its contribution to Japanese energy strategy

鈴木 政浩; 石井 克典; 山本 琢磨; 木原 義之; 加藤 良幸; 栗田 勉; 吉元 勝起; 藤井 寛一

Proceedings of Global Congress on Microwave Energy Applications (GCMEA 2008/MAJIC 1st), p.501 - 504, 2008/08

天然資源の乏しい日本において、エネルギー開発を着実に進めることは非常に重要である。石油やウラン資源なども枯渇する心配がある今日、原子力の位置づけが非常に高まっており、FBR開発こそが日本のエネルギー問題を解決する手段である。そのために、マイクロ波加熱の技術を利用し、再処理溶液を脱硝転換することでMOX原料が製造される。現在までに混合転換によりPuO$$_{2}$$/UO$$_{2}$$の良品の粉末を2kgMOX/batch規模で実証してきた。今後、量産化開発として1バッチで5kgU/hを目指した研究開発を進める。

論文

簡素化ペレット法MOX原料粉末の流動性評価への振動細管法の適用性検討

石井 克典; 鈴木 政浩; 山本 琢磨; 木原 義之; 安田 正俊*; 松坂 修二*

粉体工学会誌, 45(5), p.290 - 296, 2008/05

ペレット燃料製造に用いるMOX粒子の流動性評価への、振動細管法の適用性評価試験を実施した。本実験では、数百ミクロンの直径のジルコニア粒子を模擬粒子として使用した。サンプルとなる粒子は、異なる粒子径,異なる形状を有する粒子を混合して準備した。実験の結果、微細粒子を除去することは、粒子表面の機械的処理よりも、流動性の向上に有益であることがわかった。さらに、振動細管法は、Carrの流動性指数による方法と比較して、粒子流動性の違いを、より簡便かつ容易に識別できることがわかった。

論文

Vibro-packing experiment of non-spherical uranium dioxide particles with spherical metallic uranium particles

松山 慎一郎*; 石井 克典; 平井 睦*; 坪井 靖*; 木原 義之

Journal of Nuclear Science and Technology, 44(3), p.317 - 322, 2007/03

 被引用回数:0 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

原子力機構では、FBR燃料サイクル実用化戦略調査研究の一環としてバイパック燃料の開発を進めてきた。本研究は充填中における粒子の挙動と最終的な充填状態を調べることを目的として実施したもので、酸化物燃料粒子と酸素ゲッター粒子の模擬材としてそれぞれ非球形のUO$$_{2}$$粒子と球状の金属ウラン粒子を用いた。試験の結果、酸素ゲッター粒子を燃料中に均一に分散させるためには、各サイズの酸化物粒子を偏析させることなく均一に被覆管に充填することが重要であることがわかった。定量フィーダを用いた同時充填法は、酸素ゲッター粒子を添加したバイパック充填法として有用であることが確認された。

論文

Vibro-packing experiment of granular UO$$_{2}$$ with uranium particles

松山 慎一郎; 石井 克典; 平井 睦*; 坪井 靖*; 木原 義之

Proceedings of International Conference on Nuclear Energy System for Future Generation and Global Sustainability (GLOBAL 2005) (CD-ROM), 6 Pages, 2005/10

FBR用MOXバイパック燃料には、燃料-被覆管化学的相互作用(FCCI)による被覆管内面腐食防止のために酸素ゲッターとして金属ウランを主成分とする球形粒子(ゲッター)の添加が検討されている。本研究では、非球形UO$$_{2}$$粒子と球形金属U粒子を用いた振動充填試験及び充填後試験(破壊試験)を実施した。その結果、ゲッター粒子分布の均質なバイパック燃料を製造するためには、粒子の被覆管投入時の均質性を確保することが重要であり、そのためには定量フィーダーが有効であることが明らかになった。

論文

スフェアパック燃料ピン製造時における小粒子浸透過程の観察

石井 克典; 鈴木 政浩; 木原 義之; 藤井 寛一*

粉体工学会誌, 42(7), p.472 - 477, 2005/00

スフェアパック燃料ピンの製造条件の最適化に資するために、マイクロフォーカス型X線CT装置を用いて、小粒子浸透中の燃料ピンの内部構造を観察した。振動により落下中の小粒子は、大粒子充填体の空隙の一部を閉塞させることがある。また落下した小粒子は燃料ピン下端に到達し、大粒子充填体の空隙を満たし、充填が完了した層を形成する。この層が充填カラムの下部から上部に成長することにより、スフェアパックの充填プロセスが進行する。充填カラムの上端には、大粒子と管壁に小粒子が完全に入り込んだ特異層が、振動開始直後に形成され、その構造は充填完了後も変化しない。特異層の形成は振動充填シミュレーション結果と定性的に一致した。

論文

One consideration on infiltration property of oxide particles

石井 克典; 木原 義之; 藤井 寛一*

Japanese Journal of Applied Physics, 44(4A), p.1955 - 1956, 2005/00

 被引用回数:1 パーセンタイル:94.89(Physics, Applied)

大粒子と小粒子を用いたスフェアパック充填技術に関して、4種類の模擬粒子を用いた充填試験を実施した。小粒子の浸透特性は材質と比重に依存しないため、燃料ピンの内面腐食を防止する酸素ゲッターとして働く金属ウラン粒子を、スフェアパック燃料に添加する可能性が提案された。

報告書

光誘導ドリフト効果による同位体分離に関する基礎研究

石井 克典; 山口 大美; 鈴木 政浩; 須藤 収

JNC-TN8400 99-017, 28 Pages, 1999/03

JNC-TN8400-99-017.pdf:1.13MB

15NH3の光ドリフト効果(LID)による窒素15の同位体分離の予備試験として、13CH3Fの光ドリフト効果による炭素13の同位体分離の基礎試験を実施し、以下の知見が得られた。(1)濃度差$$Delta$$na(個/cm3)は吸収パワー密度$$Delta$$S(W/cm2)に比例し、他の実験研究例と同様に、LIDの理論式に従うことを確認した。(2)単位吸収パワー密度あたりの濃度差$$Delta$$na/$$Delta$$S(個/W/cm)の圧力依存性を調べたところ0.5Torr付近で極大値をとることがわかった。0.5Torr以上で減少するのは、吸収スペクトル幅の圧力広がりの増加によるものと考えられる。0.5Torr以下で減少するのは、吸収の飽和によるパワー広がりの増加によるものと考えられる。(3)同位体選択性Sは$$Delta$$na/$$Delta$$Sの場合と同様に0.5Torr程度で極大値(約1.18)をとる。(4)両端の濃度差$$Delta$$naが平衡に達するまでに要する時間は圧力に対して単調に増加する。さらに、Folinらの研究を参考に、15NH3の光誘導ドリフトによる窒素15の同位体分離に関する基礎試験を実施した。この方法により窒素15の分離が原理的に可能であることを確認し、分離係数やエネルギー効率等のデータを取得した。この試験で確認できた分離係数は、最大で1.14であった。

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