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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

Influence of the heating method on the particle characteristics of copper oxide powders synthesized from copper nitrate aqueous solutions

瀬川 智臣; 深澤 智典*; Huang, A.-N.*; 山田 美一; 鈴木 政浩; 福井 国博*

Chemical Engineering Science, 153, p.108 - 116, 2016/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:88.21(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。金属硝酸塩水溶液の脱硝により生成される酸化物粉末の形態に対する加熱法の影響を明らかにするため、脱硝によりCu(NO$$_{3}$$)$$_{2}$$・3H$$_{2}$$O水溶液から生成された酸化銅粉末の形態に対する加熱法の影響について研究を行った。得られた粉末の中位径は加熱法に関らず、加熱速度が増加するにつれて減少することが明らかとなった。マイクロ波加熱法は顕著に粒子径が減少し、粒子の形状及び表面の不規則性が増大した。一方、マイクロ波と電気ヒータのハイブリッド加熱法では、最も表面が滑らかで球形の粒子が得られた。また、ハイブリッド加熱法では、マイクロ波加熱よりもシャープな粒子径分布を得られることが明らかとなった。数値シミュレーションにより、ハイブリッド加熱法では、より低いマイクロ波出力で全体を均一に加熱できることが明らかとなった。さらに、加熱法に起因する粉末の形態特性に対し、シミュレーションによるバルクの温度分布とマイクロ波照射により誘起されるCuO粒子で局所的に発生するホットスポットの相違に基づく考察を行った。

論文

Influence of heating method on size and morphology of metallic oxide powder synthesized from metallic nitrate solution

瀬川 智臣; 深澤 智典*; 山田 美一; 鈴木 政浩; 吉田 英人*; 福井 国博*

Proceedings of Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering 2015 (APCChE 2015), 8 Pages, 2015/09

核燃料再処理において、マイクロ波加熱脱硝法により硝酸プルトニウム・硝酸ウラニル混合溶液を酸化物粉末に転換している。模擬試料として硝酸銅水溶液を用い、マイクロ波加熱法および赤外線加熱法による酸化銅の合成を行い、昇温速度が粒子形態や粒径に及ぼす影響を評価した。各加熱法により得られた粒子の粒子形態は類似しており、昇温速度の増加に従い粒径が減少する傾向を示した。また、マイクロ波加熱法により得られた粒子は赤外線加熱法に比べて粒径が小さく、粒度分布がブロードになる等の特徴を有することを確認した。マイクロ波照射時に試料に発生する温度分布と粒度分布との関係性について、数値シミュレーションによる検討を行った。

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:3 パーセンタイル:76.15(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

マイクロ波加熱を用いたMOX燃料製造時の核燃料再処理溶液設置用スペーサーの溶液均一加熱に対する影響

今井 卓*; 田口 健治*; 柏 達也*; 北澤 敏秀*; 加藤 良幸; 瀬川 智臣; 鈴木 政浩

電気学会論文誌,A, 133(5), p.271 - 272, 2013/05

日本における核燃料サイクルの一環として、使用済み核燃料から得られるウラン及びプルトニウムの混合硝酸溶液である再処理溶液からマイクロ波加熱によりMOX燃料(UO$$_{2}$$+PuO$$_{2}$$)が製造されている。本研究では、MOX燃料を製造するために硝酸Pu/U混合溶液を均一加熱することを目的として、マイクロ波オーブンキャビティにおけるキャビティ底部と脱硝容器の間のスペーサーの効果について調べた。TBR(Top-to-bottom ratio)値(溶液上面と底面における吸収電力比)を評価することにより、溶液の均一加熱に対してスペーサー装荷の有効性を示す結果が得られた。

論文

Mechanism of synthesis of metallic oxide powder from aqueous metallic nitrate solution by microwave denitration method

福井 国博*; 井川 友介*; 有満 直樹*; 鈴木 政浩; 瀬川 智臣; 藤井 寛一*; 山本 徹也*; 吉田 英人*

Chemical Engineering Journal, 211-212, p.1 - 8, 2012/11

 被引用回数:8 パーセンタイル:58.73(Engineering, Environmental)

核燃料サイクルにおいて使用済み核燃料を硝酸で溶解し、マイクロ波加熱脱硝法により混合酸化物(MOX)原料粉末に転換している。マイクロ波加熱脱硝特性の異なる複数の硝酸金属溶液からの金属酸化物粉末の生成プロセスについて明らかにするために、硝酸ニッケル水溶液と硝酸銅水溶液を用いたマイクロ波加熱脱硝特性の研究及び数値シミュレーションによる温度分布の解析を行った。マイクロ波加熱脱硝法により、硝酸銅水溶液から酸化銅を容易に得ることができる一方、硝酸ニッケル水溶液は270$$^{circ}$$C以上に加熱することができなかった。マイクロ波加熱による脱硝反応過程は、外部加熱によるものと同じ過程をとることが確認でき、マイクロ波加熱により脱硝を行う上では、中間生成物と酸化物のマイクロ波吸収性だけでなく、中間生成物から酸化物に転換する温度が重要であることが示された。また、シミュレーションにより、反応容器内において中心部で最高温度となる半径方向に不均一な温度分布を形成することが明らかとなり、中心部から酸化物の生成が進行すると考えられる。

論文

Microwave heating of solid Pu/U mixed nitrate medium in cylindrical cavity for nuclear fuel cycle

今井 卓*; 中島 裕貴*; 田口 健治*; 柏 達也*; 北澤 敏秀*; 鈴木 政浩; 瀬川 智臣; 藤井 寛一

Proceedings of 2011 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP 2011) (USB Flash Drive), 4 Pages, 2011/10

核燃料サイクルの一環として、使用済核燃料から生成されるPu/U硝酸溶液のマイクロ波加熱により、MOX燃料が製造されている。本論文では、円筒型オーブンキャビティ内の固体のPu/U混合硝酸媒体の電力吸収特性及び円偏波入力による効果の解析を行った。数値シミュレーションにより、円偏波の入射が円筒型キャビティ内に設置された媒体の吸収電力の均一性を改善することが明らかとなった。

論文

Innovative powder production and granulation for advanced MOX fuel fabrication

栗田 勉; 加藤 良幸; 吉元 勝起; 鈴木 政浩; 木原 義之; 藤井 寛一

Proceedings of International Conference on Advanced Nuclear Fuel Cycle; Sustainable Options & Industrial Perspectives (Global 2009) (CD-ROM), p.94 - 102, 2009/09

高度な混合酸化物燃料に関して、革新的なMOX粉末製造のために、マイクロ波脱硝に合うように特に設計された容器を、破砕、及び造粒に利用し、有機系潤滑剤や、工程間の粉末移送を使用しない新しい概念の製法を導入した。この概念を実現化させるために、2つの試みが試験された。(1)特別設計された3翼羽根は補助羽根と結合された。(2)ユニークな形状をした混合羽根は補助羽根と結合され、自動軌道の複合回転をする。造粒処理において、撹拌羽根は造粒の成長を促進させるが、補助羽根は過大な粒子を切ることで過度の成長を抑制させる。これらの造粒器は、添加剤として少量の水を使用する。その結果、純粋なWO$$_{3}$$モデル粉で顆粒の主な直径は、400$$sim$$1000ミクロン、流動性は82$$sim$$85が得られた。したがって、望ましい粉体物性と簡素な核物質製造の両方を満たし、運転効率改良とコスト低減の見通しが得られた。

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:63.65(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

FBRサイクルの実用化を目指して,2

水田 俊治; 近澤 佳隆; 鷲谷 忠博; 鈴木 政浩

日本原子力学会誌, 50(10), p.624 - 629, 2008/10

前回の解説では、限りあるウラン資源を有効利用し地球環境保全にも適合し、持続的な社会を支える枢要技術である高速増殖炉(FBR)サイクル研究開発が、いよいよ具体化・実用化を目指した新たなフェーズに入り、我が国ではFaCTプロジェクトを開始したことを紹介した。本稿では、革新的技術開発の具体化に向けて進めているFaCTプロジェクトの最新の動向(炉システムの研究開発及び燃料サイクルシステムの研究開発)と今後の展望について紹介する。

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

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。

報告書

振動充填燃料開発に関するスイスPSI・オランダNRGとの共同研究成果報告書,1; 基本計画・燃料設計・照射燃料ピン製造

森平 正之; 小澤 隆之; 冨田 豊; 鈴木 政浩; 重留 義明; 木原 義之; 河野 秀作

JNC-TN8400 2004-014, 193 Pages, 2004/07

JNC-TN8400-2004-014.pdf:24.52MB

サイクル機構が、スイスPSI 及びオランダNRGとの間で進めている振動充填燃料開発に関する共同研究は、5%Np-MOXを含むスフェアパック燃料(球状粒子充填燃料)について、ペレット燃料、バイパック燃料(非球形粒子充填燃料)とともに、オランダのHFR (High Flux Reactor)において比較照射を行う共同研究プロジェクトであり、照射試験を目指す過程で、PSIが長年に渡る研究実績を有するスフェアパック燃料に係る照射挙動評価モデリング、燃料設計、粒子燃料製造及び振動充填に係る技術を機構に導入することが一方の目的としている。PSIにおける照射試験ピンの製造は2003年5月に完了した。2004年1月から3月にかけてHFRにおける前半2回の照射試験を終了し、現在照射後試験を進めている。後半2回の照射は2004年秋までに実施される予定である。本報告書は、共同研究前半の燃料設計と照射ピン製造を中心にまとめたものである。

報告書

Report on Fabrication of Pin Components for Fuel Fabrication in FUJI Project (Co-Operation in the Research and Development of Advanced Sphere-Pac Fuel amang PSI, JNC and NRG)

鈴木 政浩; 比内 浩; 重留 義明; 松崎 壮晃

JNC-TN8410 2003-002, 25 Pages, 2003/02

JNC-TN8410-2003-002.pdf:0.4MB

核燃料サイクル開発機構(JNC)では、振動充填燃料に関する共同研究「Research and Development of Advanced Sphere-pac Fuel(通称FUJI(Fuel irradiations for JNC and PSI)プロジェクト」を、スイスのPaul Scherrer Institut(PSI)及びオランダのNuclear Research & consultancy Group(NRG)との間で実施している。本プロジェクトではPSIで製造したスフェアパック、ペレット及びバイパックの3タイプの燃料を、オランダPettenにあるHigh Flux Reactor(HFR)で比較照射する計画である。JNCは照射試験用燃料のピン部材を製造する役割を担っており、三者間で合意された製作図面に従って部材の製作及び接続端栓の被覆管への溶接を実施した。この報告書は照射用部材の製造結果、また接続端栓の溶接に関する施工試験及び溶接された部材の品質保証に関するものである。製造は無事完了し、製造された部材は2002年10月にPSIに送付された

論文

Effect of Surface Roughness on Packing Behavior in Sphere-Pack MOX Fuel

鈴木 政浩; 河野 秀作; 小島 久雄

CIMTEC2002(2rd International Conference:Computational Modelling and Simulation of Materials), 0 Pages, 2002/00

振動充填燃料は、80%以上の高い充填密度の達成や軸方向密度の均一性が要求される。最小限の実験で効率的に行うため、3次元個別要素法(粒状プログラム)の充填挙動解析コードを用いて、球状粒子の特性が充填率に及ぼす影響に関する解析的検討を行った。粒子密度と表面粗さの異なる模擬粒子による充填試験結果と、3次元個別要素法による充填挙動(粒子密度、摩擦係数の影響)解析結果から目標とするMOX粒子の短時間で80%以上の高充填率を達成するために、求められる燃料仕様として粒子の表面粗さが摩擦係数の数値が示唆された。また、今回製造した外部ゲル化によるウラン粒子(小粒径粒子)サンプルの摩擦係数はほぼ同様な値であることから、ウラン粒子を用いての充填率は83%程度が達成させることが予測できた。

論文

DEVELOPMENT OF COMPACTION TECHNOLOGY OF VIBRO-COMPACTION FUEL FABRICATION

宮本 寛; 鈴木 政浩; 重留 義明; 河野 秀作

Global2001, 0 Pages, 2001/00

振動充填燃料の充填挙動に影響するファクターを明確にするため、各種試験を実施した。球状粒子の充填挙動について幾何学的ファクターと動的ファクターに分けて影響評価を行い、幾何学的ファクターについては充填密度がAyerにより導かれた被覆管及び粒子の径が一義的に定まることがわかった。

報告書

模擬粒子を用いた振動充填燃料の充填挙動評価(研究報告)

重留 義明; 鈴木 政浩; 宮本 寛; 古村 誠太郎*; 遠藤 秀男

JNC-TN8400 2000-023, 84 Pages, 2000/07

JNC-TN8400-2000-023.pdf:3.48MB

振動充填燃料の充填挙動に影響するファクターを明確にするため、各種コールド試験及びミクロな粒子挙動の解明を試みるためシミュレーションを実施した。球状粒子の充填挙動について幾何学的ファクターと動的ファクターに分けて影響評価を行い、幾何学的ファクターについては充填密度がAyerにより導かれた被覆管及び粒子の径の関数で表される式により一意に定まるものであることを確認した。速度ファクターについては、変位をできるだけ小さくした場合に充填が速やかに進行し、また充填後に偏析が発生しづらいことがわかった。塊状粒子についても同様な検討を行った。その結果、塊状粒子の場合は細粒の比率を高めるという、球状粒子とは異なる比率の方が充填率は高くなった。また速度ファクターについては周波数掃引を行うことにより充填効率を高めることができ、80%の充填率を達成することができた。また解析コードにより粒子の充填状態及び偏析の挙動評価を行った。

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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