(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-05-16
(45)【発行日】2023-05-24
(54)【発明の名称】金属ベリリウム球の連続製造方法
(51)【国際特許分類】
B22F 9/00 20060101AFI20230517BHJP
F27B 7/28 20060101ALI20230517BHJP
F27B 7/06 20060101ALI20230517BHJP
F27D 1/00 20060101ALI20230517BHJP
B07B 1/00 20060101ALI20230517BHJP
B01J 2/12 20060101ALI20230517BHJP
B22F 1/00 20220101ALI20230517BHJP
B22F 1/148 20220101ALI20230517BHJP
B22F 9/02 20060101ALI20230517BHJP
【ＦＩ】
B22F9/00 Z
F27B7/28
F27B7/06
F27D1/00 K
B07B1/00 B
B01J2/12
B22F1/00 R
B22F1/148
B22F9/02 A
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2019191620
(22)【出願日】2019-10-21
(65)【公開番号】P2021066908
(43)【公開日】2021-04-30
【審査請求日】2022-06-09
(73)【特許権者】
【識別番号】000140627
【氏名又は名称】株式会社化研
(74)【代理人】
【識別番号】110001922
【氏名又は名称】弁理士法人日峯国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】蓼沼 克嘉
(72)【発明者】
【氏名】名取 ゆり
(72)【発明者】
【氏名】池本 憲弘
(72)【発明者】
【氏名】赤津 孔明
(72)【発明者】
【氏名】米原 和男
(72)【発明者】
【氏名】川上 智彦
【審査官】池ノ谷 秀行
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１５５３２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２６５０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２０９６９４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２２Ｆ １／００－９／３０
Ｆ２７Ｂ ７／００－７／４２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ベリリウム粉末を回転焼成炉に投入して造粒されたベリリウム球を回収する工程と、前記ベリリウム球を自動篩で粒径ごとに分級する工程と、
粒径が対象外の前記ベリリウム球を粉砕して前記ベリリウム粉末に混合して再利用する工程と、を有し、
前記回転焼成炉は、アルミナ管の内側表面に、アルカリ性シリカ処理を施し、水酸化ベリリウムのスラリーをコーティングした上で、焼結させることにより、酸化ベリリウムが被覆された炉心管を有する、
ことを特徴とする金属ベリリウム球の連続製造方法。
【請求項2】
前記回転焼成炉は、炉心管に被覆された酸化ベリリウムの厚さが５０～２００μｍであり、炉心管を５～１０°傾斜させ、不活性ガス雰囲気で１３００～１５００℃に加熱され、毎分２０～１２０回転させる、ことを特徴とする請求項１に記載の金属ベリリウム球の連続製造方法。
【請求項3】
前記自動篩は、０．５～２ｍｍの粒径を対象とする、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の金属ベリリウム球の連続製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、真球度の高い金属ベリリウムの微小球を連続で大量に製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
核融合炉燃料として使われるトリチウム（三重水素）は、中性子をリチウム（Ｌｉ）に照射して生産されるが、中性子の数を増やして効率良く生産するための中性子増倍材として金属ベリリウム（Ｂｅ）やベリリウム金属間化合物（ベリライド）等が挙げられる。ベリリウムは、医療用レントゲンのＸ線透過膜にも利用されているが、中性子反射材や増倍材としてウラン型原子炉やトリチウムを燃料とする核融合炉には欠かせない物質であり、ブロック状又は１ｍｍφ程度の微小球として利用される。
【0003】
特許文献１に記載されているように、金属ベリリウムの製造方法には、塩化ベリリウム（ＢｅＣｌ２）を融解させ電気分解することでフレーク（薄片）又はパウダー（粉末）状の金属ベリリウムを得る溶融塩電解法や、フッ化ベリリウム（ＢｅＦ２）をマグネシウム（Ｍｇ）で還元することでペブル（小球）状の金属ベリリウムを得るマグネシウム還元法などがある。
【0004】
しかし、マグネシウム還元法では、不純物元素を多く含み、真球度も低いことから、密閉容器内で円柱状の金属ベリリウムを電極としてプラズマを発生させ、電極を回転させることで溶融したベリリウム液滴を飛散させて凝固させることにより球状の金属ベリリウムペブルを得る回転電極法もある。
【0005】
なお、金属ベリリウムに中性子が照射されると、スエリング（体積膨張）により破損するおそれがある。そのため、特許文献２に記載されているように、スエリングの発生を防止し、トリチウム放出能を向上させた金属ベリリウムペブルの製造方法の発明も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１２－０８８１０２号公報
【文献】特許第３０７６０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、回転電極法においては、粒径を小さくすることができ真球度も高くなるが、大掛かりな設備を利用するため高コストで製造プロセスが煩雑となるにも関わらず、製造収率（歩留り）が高いとは言えない。
【0008】
そこで、本発明は、真球度の高い金属ベリリウムの微小球を簡単な方法で効率良く低コストで大量に製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記の課題を解決するために、本発明である金属ベリリウム球の連続製造方法は、ベリリウム粉末を回転焼成炉に投入して造粒されたベリリウム球を回収する工程と、前記ベリリウム球を自動篩で粒径ごとに分級する工程と、粒径が対象外の前記ベリリウム球を粉砕して前記ベリリウム粉末に混合して再利用する工程と、を有し、前記回転焼成炉は、アルミナ管の内側表面に、アルカリ性シリカ処理を施し、水酸化ベリリウムのスラリーをコーティングした上で、焼結させることにより、酸化ベリリウムが被覆された炉心管を有する、ことを特徴とする。
【0010】
前記金属ベリリウム球の連続製造方法において、前記回転焼成炉は、炉心管に被覆された酸化ベリリウムの厚さが５０～２００μｍであり、炉心管を５～１０°傾斜させ、不活性ガス雰囲気で１３００～１５００℃に加熱され、毎分２０～１２０回転させる、ことを特徴とする。
【0011】
前記金属ベリリウム球の連続製造方法において、前記自動篩は、０．５～２ｍｍの粒径を対象とする、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、真球度の高い金属ベリリウムの微小球を簡単な方法で効率良く低コストで大量に製造することができる。なお、ベリリウム粉末を回転焼成炉で造粒するにあたり、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製の炉心管の内側表面に高温で不活性な酸化ベリリウム（ＢｅＯ）を被覆しておくことで、ベリリウム粉末が炉心管へ融着したり、ベリリウム粉末が酸化したりすることを防止することができる。この酸化ベリリウム被覆処理によって、円滑にベリリウム球を連続的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明である金属ベリリウム球の連続製造方法において原料となるベリリウムの生成方法の手順を示す図である。
【図2】本発明である金属ベリリウム球の連続製造方法において使用する回転焼成炉の概観を示す図である。
【図3】本発明である金属ベリリウム球の連続製造方法において使用する回転焼成炉の炉心管の状態を示す図である。
【図4】本発明である金属ベリリウム球の連続製造方法の全体の流れを示す図である。
【図5】本発明である金属ベリリウム球の連続製造方法と従来の方法を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
【実施例1】
【0015】
まず、本発明である金属ベリリウム球の連続製造方法について説明する。図１は、金属ベリリウム球の連続製造方法において原料となるベリリウムの生成方法の手順を示す図である。図２は、金属ベリリウム球の連続製造方法において使用する回転焼成炉の概観を示す図である。図３は、回転焼成炉の炉心管の状態を示す図である。図４は、金属ベリリウム球の連続製造方法の全体の流れを示す図である。図５は、金属ベリリウム球の連続製造方法と従来の方法を比較した図である。
【0016】
図１に示すように、ベリリウムを生成する方法としては、マグネシウム還元法と溶融塩電解法などがある。マグネシウム還元法では、まず、ベリリウム鉱石を粉砕し、処理を施すことで不純物が含まれた水酸化ベリリウム（Ｂｅ（ＯＨ）２）を得る。そして、水酸化ベリリウムにフッ化水素アンモニウム（ＮＨ４Ｆ－ＨＦ）を反応させ、不純物を取り除き加熱などの処理を施すことでフッ化ベリリウム（ＢｅＦ２）を得る。さらに、フッ化ベリリウムをマグネシウムと一緒に１３００℃に加熱して還元させることで、粒径１ｍｍ程度の凹凸の多いベリリウム球が得られる。
【0017】
また、溶融塩電解法では、同様に、ベリリウム鉱石を粉砕し、処理を施すことで水酸化ベリリウムを得る。そして、水酸化ベリリウムに塩素を炭素電極で電解反応させることにより塩化ベリリウム（ＢｅＣｌ２）を得る。さらに、塩化ベリリウムを融解させ電気分解することでベリリウム片が得られる。これを粉砕しベリリウム粉末にして原料として利用すれば良い。
【0018】
図２に示すように、回転焼成炉１００を用いて、原料であるベリリウム粉末１１０（粒径１０～５０μｍ）から、真球度の高いベリリウム球１２０（粒径０．５～２ｍｍ）を生成する。回転焼成炉１００として、炉心管２００が５～１０°傾いたロータリーキルンを使用し、炉心管２００に周りにヒータ等の加熱手段２２０を配置して、ベリリウムの融点が１２８７℃であることから１３００～１５００℃で加熱し、回転焼成炉１００の回転速度と傾斜角度を制御すれば良い。
【0019】
炉心管２００内には、酸化反応を防止するためにアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガス２１０を導入し、回転手段２３０によって炉心管２００を回転させながら、上側の投入部３００（図４参照）から炉心管２００内にベリリウム粉末１１０を投入する。炉心管２００内で加熱されたベリリウム粉末１１０の集合体を固めて焼結させると共に、炉心管２００内を螺旋状に転がることでベリリウム球１２０として成長し、造粒し焼結されたベリリウム球１２０が下側の回収部４００（図４参照）で回収される。
【0020】
炉心管２００には、アルミナ管などを使用するが、ベリリウムは、高温で化学的に活性なため、加熱された一般的にセラミックス製の炉心管２００の内側表面（内壁）と反応しやすく、そのため投入したベリリウム粉末１１０又は生成されたベリリウム球１２０が炉心管２００内壁に融着してしまい、スムーズなベリリウム球１２０の造粒が進行しなくなるおそれがある。
【0021】
それを防止するため、炉心管２００内壁に酸化ベリリウムを膜状に形成させる。酸化ベリリウムは、高融点で蒸気圧も低く、耐火性材料として優れ、酸にもアルカリにも反応しない化学的に極めて安定な物質である。
【0022】
図３に示すように、炉心管２００であるアルミナ管の内側表面に対して、まずアルカリ性シリカ処理を施す。そこに水酸化ベリリウムのスラリーをコーティングする。それを１４００℃で焼成することにより、酸化ベリリウムの被覆（コーティング厚５０～２００μｍ）を施す。
【0023】
図４に示すように、不活性ガス２１０雰囲気で、投入部３００から炉心管２００に投入されたベリリウム粉末１１０が、酸化ベリリウムで被覆された炉心管２００を転がりながら加熱されることでベリリウム球１２０として焼結され、回収部４００において回収される。
【0024】
その後、ベリリウム球１２０は、自動篩５００において、例えば、目開きサイズが０．５ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍ、２ｍｍのように、目的とする粒径ごとに分級される。対象外の粒径（０．５ｍｍ未満又は２ｍｍより大）の場合は、粉砕機６００において粉砕した上で投入部３００に投入することで、原料であるベリリウム粉末１１０と混合され再利用される。この処理により、原料ベリリウムの損失が抑制される。
【0025】
図５に示すように、従来のマグネシウム還元法では、ベリリウム球の表面に凹凸が多く不揃いであり、真球度も７０～８５％と低く、焼結密度も１．７５～１．７９ｇ／ｃｃ（９５～９７％）とやや低く、製造コストも高い。また、従来の回転電極法では、真球度は９５％以上と高く、表面も平滑ではあるが、孔が空いている場合があり、焼結密度も１．７０～１．７８ｇ／ｃｃ（９２～９６％）と低く、製造時間も長く（１～３日以上）、製造コストもかなり高い上に、製造に伴う原料ベリリウムのロスも３０％以上発生している。
【0026】
それに対し、本発明では、ベリリウム球の表面は波紋状で、真球度も９０％以上と高く、焼結密度も１．８５ｇ／ｃｃ（９８～１００％）と高く、製造時間が短く（１０～３０分以下）、製造コストも低い上に、製造ロスも５％以下である。しかも、製造プロセスが簡単であり、大量生産も容易である。
【0027】
本発明によれば、真球度の高い金属ベリリウム球を簡単な方法で効率良く低コストで大量に製造することができる。ベリリウム粉末を回転焼成炉で造粒するにあたり、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）製の炉心管の内側表面に高温で不活性な酸化ベリリウム（ＢｅＯ）を被覆しておくことで、ベリリウム粉末が炉心管へ融着したり、ベリリウム粉末が酸化したりすることを防止することができる。この酸化ベリリウム被覆処理によって、円滑にベリリウム球を連続的に製造することができる。
【0028】
以上、本発明の実施例を述べたが、これらに限定されるものではない。例えば、核融合に欠かせない中性子増倍材（Ｂｅ）だけでなく、トリチウム増殖材（Ｌｉ２ＴｉＯ３やＬｉ２Ｏ）の球体を製造する場合、あるいは他の金属やセラミックスの球体を製造する場合にも適用することができる。
【符号の説明】
【0029】
１００：回転焼成炉
１１０：ベリリウム粉末
１２０：ベリリウム球
２００：炉心管
２１０：不活性ガス
２２０：加熱手段
２３０：回転手段
３００：投入部
４００：回収部
５００：自動篩
６００：粉砕機
１１０：ベリリウム粉末
１２０：ベリリウム球
２００：炉心管
２１０：不活性ガス
２２０：加熱手段
２３０：回転手段
３００：投入部
４００：回収部
５００：自動篩
６００：粉砕機
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】