JP2001264487A - 核分裂性物質および非核分裂性物質の核変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超ウラン元素を簡単な処理で放射性毒性の少
ない安定な同位元素に核変換する。 【解決手段】 超ウラン元素変換装置が、陽子ビームを
ハウジング内に導入し、スパレーション標的を衝撃し
て、高速中性子を発生させることのできる密閉可能な窓
付鋼製ハウジングを有する。ハウジング内に、微量アク
チニドスパレーション標的から距離を置いて、微量アク
チニドを保持するための熱伝達管を設けている。ハウジ
ング内には黒鉛塊が置かれ、微量アクチニド黒鉛塊とス
パレーション標的との間に微量アクチニドを置いてい
る。黒鉛塊に形成された凹所には、プルトニウムと有毒
核分裂生成物とが置かれている。スパレーション標的か
ら出る高速中性子に照射されると、微量アクチニドは核
分裂または中性子捕獲のいずれかによって、１以上の放
射性毒性の少ない安定同位元素に核変換される。スパレ
ーション標的から出る中性子は減速材を通過し、プルト
ニウムと有毒核分裂生成物を、１以上の放射性毒性の少
ない安定同位元素に核変換させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、広義の概念で言え
ば、高レベル放射性廃棄物を崩壊させるための装置およ
び方法に関するものである。さらに、本発明は高レベル
の放射性廃棄物を核変換して、より安定な、より放射性
毒性の少ない物質にするために、中性子を用いる装置に
関するものである。本発明は特に、しかし排他的ではな
く、微量アクチニドと、有毒核分裂生成物とプルトニウ
ムを、単一の処理で安定な同位元素に核変換させるのに
有益である。

【０００２】

【従来技術、および発明の課題】使用済の原子燃料が高
度に放射性毒性があり、人類に対して幾つかの挑戦的な
脅威、即ち、核拡散、放射線被曝、および環境汚染の脅
威をもたらすことはよく知られている。米国内には約2
5,000トンの使用済の放射性燃料を含んだ約90,000本の
使用済の燃料集合体が貯蔵されている。さらに、毎年使
用済燃料集合体が生じ、２０１５年までの使用済燃料廃
棄物は約70,000トンになるだろう。米国では、従来から
永久貯蔵施設を運転していないので、この高レベル放射
性廃棄物は、「一時的に」貯蔵されている。この放射性
毒物質の約９５％は発生地点（即ち原子力発電所）にお
いて一時貯蔵され、長期的な対策を待っている。発電所
においては、高レベルの放射性廃棄物は主として貯蔵プ
ールの中で貯蔵され、少量が乾燥貯蔵（キャスク）され
る。一つの長期的対策としては、廃棄物を容器内に収納
して、その健全性を少なくとも１万年間保持することが
必要となる。費用の問題および実行可能性の問題に加え
て、計画される埋設地域では、強いな地域の反対運動に
遭遇する。

【０００３】放射性廃棄物を埋設処理したり、あるいは
貯蔵する代わりに、他の対策としては高レベルの放射性
廃棄物を１またはそれ以上の、安定で、より放射能の少
ない同位元素に核変換させることがある。ここで特別に
関連のある高レベルの放射性廃棄物の１つの源は、代表
的な商業用原子力発電所から取出される使用済燃料であ
る。一般的には、この使用済燃料は４つの主な組成、即
ち、ウラン（約９６％）と、プルトニウム（１％）と、
微量アクチニド（０．１％）と、核分裂生成物（差引
き）からなっている。ウランと核分裂生成物の一部は比
較的短期間の間は天然ウラン鉱石以上には放射性毒性を
持つようにはならず、従って、特別な埋設処理や核変換
を必要としない。プルトニウムと、微量アクチニドと、
例えばヨウ素とテクネチウム（以後は有毒核分裂生成物
と呼ぶ）のような核分裂生成物の一部からなる残りの組
成は、特別な埋設処理や核変換を必要とする。使用済燃
料を核変換によって効率的に処理するために、該使用済
燃料は以下の４つのグループ、即ち、プルトニウム、微
量アクチニド、有毒核分裂生成物、および放射性毒性の
ない物質に分離しなければならない。

【０００４】使用済燃料が分離された後は、中性子との
反応によって放射性有毒組成は、１またはそれ以上の、
安定な同位元素に核変換することができることが知られ
ている。例えば、分離されたプルトニウムは最初に中性
子との自励臨界熱中性子による核分裂反応によって核変
換することができる。そのような自励臨界反応において
は、プルトニウムの大部分はより安定で、より放射性毒
性の少ない同位元素に核変換されるだろう。さらに、付
加的なレベルのプルトニウムの核変換（自励臨界反応で
得られるより先の）は、未臨界の熱中性子反応によって
得られることがわかっている。未臨界的な熱中性子反応
においては、熱中性子（即ち、約１００eV以下のエネル
ギーを有する中性子）は粒子加速器のような源から供給
しなければならない。熱中性子炉における照射実験を行
うことによって、実験者は放射性有毒同位元素Ｐｕ−２
３９の約９９％をうまく崩壊させることができることを
実証している。

【０００５】また、使用済燃料から分離された微量アク
チニドが１またはそれ以上の、より放射性毒性の少ない
安定同位元素に核変換され得ないことが知られている。
特に、このことは非核分裂性と考えられる微量アクチニ
ドと高速中性子（即ち、約１００eV以上のエネルギーを
有する中性子）との反応によって達成することができ
る。さらに、粒子加速器によって発生せしめられる陽子
ビームをスパレーション標的にぶつけることによって高
速中性子を発生させ得ることも知られている。さらに、
関連技術分野において、使用済燃料から分離された有毒
核分裂生成物が、該有毒核分裂生成物とを外部から供給
される熱中性子との反応によって、より放射性毒性の少
ない安定同位元素にうまく核変換できることも知られて
いる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上のことから、本発明
の目的は、プルトニウムと、微量アクチニドと、有毒核
分裂生成物を単一処理で核変換するに適した装置を提供
することである。本発明の別の目的は、分離された使用
済放射性燃料を核変換するための、危険性なく安全な装
置を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、
核分裂性物質と非核分裂性物質の両者を同時に核変換す
ることのできる装置を提供することにある。本発明のさ
らに他の目的は、プルトニウムの効能を取出した後に、
自励臨界熱中性子による核分裂反応を進行させるのに効
率的な寸法を有した、加速器駆動による核変換装置を提
供することにある。本発明のさらに他の目的は、使用が
容易で、比較的製造が簡単で、比較的費用効果のある核
変換装置を提供することにある。

【０００７】本発明によると、高レベル放射性廃棄物を
核変換するための超ウラン元素変換装置は、窓を有する
密閉可能な円筒状のハウジングを具備し、該窓は、陽子
ビームをハウジング内に通過させることができる。ハウ
ジング内には陽子ビーム通路に沿ってスパレーション標
的が配置されている。陽子ビームがハウジング内に入
り、スパレーション標的を衝撃した時に高速中性子が発
生する。

【０００８】微量アクチニドの極小球を含んだ熱伝達管
が前記ハウジングの内部において、層状になって位置
し、前記スパレーション標的の直ぐ近くに位置してい
る。特に、これらの熱伝達管は前記スパレーション標的
を部分的に取囲むようにして該ハウジング内に位置して
いる。前記微量アクチニドの極小球の直径は約１．５mm
であり、セラミック材料で被覆されている。また、有毒
核分裂生成物とプルトニウムを保持するための凹所を有
した黒鉛ブロック（黒鉛塊）が前記微量アクチニドの極
小球を含んだ前記熱伝達管の背後に位置し、該微量アク
チニドを前記スパレーション標的と黒鉛ブロックの間に
配置している。該微量アクチニドと同様に、プルトニウ
ムと有毒核分裂生成物とは直径１．５mmの極小球として
形成され、セラミックで被覆されている。前記黒鉛ブロ
ックの内部では、有毒核分裂生成物は、プルトニウムを
含む凹所よりもスパレーション標的に近い凹所の中に位
置している。

【０００９】前記ハウジングの中で、前記熱伝達管の間
をヘリウムが循環され、該ハウジング内の温度を調整し
ている。また、該黒鉛ブロックには冷却通路が形成さ
れ、黒鉛ブロック中でもヘリウムを循環させることがで
きる。

【００１０】操作においては、放射性毒物質の核変換が
２段階処理によって効率的に行われる。第１段階では、
プルトニウムと無励磁状態の陽子源との間で自励臨界熱
中性子による核分裂反応が開始される。第２段階におい
ては、放射性毒物質のさらなる核変換が励磁状態の陽子
源によって達成される。

【００１１】前記第１段階の間、前記プルトニウムにお
ける自励臨界熱中性子による核分裂反応によって熱中性
子が発生するだろう。これらの高速中性子は前記プルト
ニウムから放出され、有毒核分裂生成物と微量アクチニ
ドへ向かうだろう。プルトニウムが黒鉛ブロックの減速
材の中で保持されているので、該高速中性子は微量アク
チニドまたは有毒核分裂生成物へ到達する前に、前記減
速材中を通過するだろう。それにもかかわらず、これら
の中性子の幾つかは高速中性子スペクトルのエネルギー
を伴って微量アクチニドに到達し、それらは微量アクチ
ニドの一部と核分裂反応をし、新しい高速中性子が発生
し、付加的な量の微量アクチニドと核分裂するだろう。
同様に、幾つかの中性子が熱中性子スペクトルのエネル
ギーを伴って有毒核分裂生成物に到達し、それらは有毒
核分裂生成物の一部を効率的に核変換するだろう。結果
的に、第１段階の操作において、プルトニウムの一部
と、微量アクチニド、有毒核分裂生成物は１またはそれ
以上の、安定な、より放射性毒性の少ない同位元素に核
変換されるだろう。

【００１２】第２段階の操作では、陽子ビームが陽子源
からハウジング内へ、かつスパレーション標的に向けら
れる。この陽子がスパレーション標的を衝撃すると、該
スパレーション標的によって高速中性子が発生し、これ
は放射性毒物質へ向かって移行する。該スパレーション
標的で発生した該高速中性子の一部は微量アクチニドと
反応し、該微量アクチニドを、核分裂または中性子の捕
獲のいずれかによって、１またはそれ以上の、安定な、
より放射性毒性の少ない同位元素に核変換させる。

【００１３】前記スパレーション標的から出た残りの高
速中性子は黒鉛ブロック中に入り、有毒核分裂生成物と
プルトニウムの方へ向かって移行するだろう。さらに、
前記微量アクチニドの高速中性子による核分裂反応によ
って中性子が発生し、その一部が黒鉛ブロック中に入
り、有毒核分裂生成物とプルトニウムの方へ向かって移
行するだろう。

【００１４】前記中性子は黒鉛ブロックの減速材を通過
している間に該黒鉛と反応し、エネルギーを損失するだ
ろう。結果的に、前記黒鉛ブロック中では、平均的に、
スパレーション標的の近くにおいて中性子のエネルギー
が最大になる。この減速された中性子は黒鉛ブロックの
一部を通過した後に、有毒核分裂生成物とプルトニウム
と反応し、該有毒核分裂生成物とプルトニウムとを、１
またはそれ以上の、より放射性毒性の少ない安定同位元
素に核変換させるだろう。該黒鉛ブロック中では、有毒
核分裂生成物はプルトニウムよりもスパレーション標的
の近くに位置されており、該有毒核分裂生成物の方が、
より大きなエネルギーの、より大きな中性子束と反応し
て、より効率的に核変換されるという利点が得られる。

【００１５】上述した各種の核変換処理において発生し
た熱は本発明の装置によって幾つかの方法で調整され、
制御される。１次的な温度調整は、ヘリウムをハウジン
グの内部で循環させることによって行われる。特に、ヘ
リウムは該ハウジングの中で熱伝達管の間を循環し、黒
鉛ブロックの中に形成された冷却通路の中を循環する。
さらに、本発明による装置は危険性なく安全になるよう
に設計され、成形される。結果的には、ヘリウム冷却系
が故障しても溶融事故を防ぐことができる。例えば、前
記微量アクチニドは、微量アクチニドから熱を伝熱除去
するために、熱伝達管の中に配置されている。また、超
ウラン元素変換装置の中に装荷される微量アクチニドと
プルトニウムとの比率は調節することができる。最後
に、陽子ビームの出力を変化させることによって反応速
度を制御することができる。

【００１６】本発明自体のみならず、本発明の新規な特
徴は、その構造とその操作の両方に関して、添付した説
明とともに添付した図面から最も良く理解されるだろ
う。図中、同一部材には同一符号が付されている。

【００１７】

【発明の実施の形態】最初に図１を参照すると、核分裂
性および非核分裂性の放射性物質の両者を同時に核変換
することのできる、本発明による超ウラン元素変換装置
が示されており、それは全体的に番号１０で表示されて
いる。本発明の目的のために、前記超ウラン元素変換装
置１０は密閉可能な円筒形状のハウジング１２からなっ
ており、該ハウジングは陽子線１６を該ハウジング１２
内に入射させることのできる窓１４を有する。好ましく
は、該ハウジングは適当な熱除去を可能にするために、
長さ対直径の比率が大きくなっている。

【００１８】図１、図２に示されるように、超ウラン元
素変換装置１０は粒子加速器のような陽子源１８を有す
る。本発明には、約１０００MeVのエネルギーと約１０m
Aの電流を有する陽子１６を放射することのできる１０M
W陽子源１８が適する。陽子１６は、陽子源１８からビ
ーム通路２０に指向せしめられるとともに、ハウジング
１２の窓１４へ指向せしめられる。本発明の目的の下で
代表的なビーム通路２０は円錐形状を有し、ハウジング
１２の窓１４において、陽子の運動方向に対して直角を
なす約５０cmの直径２１を有する。他のビーム通路は、
典型的には、窓１４位置で高さ約１．６mで、幅１５cm
である（図示せず）。ハウジング１２は、好ましくは、
密閉可能で空気密封性になっており、主として鋼で構成
されている。窓１４は陽子１６をハウジング１２内に入
れることができるように設けられている。ハウジング１
２の内部にはビーム通路２０に沿ってスパレーション標
的２２が配置されている。要約すると、陽子１６は陽子
源１８から放出されて、ビーム通路２０に沿って移行
し、窓１４を通ってハウジング１２内に入り、スパレー
ション標的２２にぶつかる。スパレーション標的２２
は、例えばタングステンのような関連技術分野において
既知の、どのような物質からできていてもよく、該物質
は陽子１６と標的２２との衝突に応じて高速中性子２４
を放出するだろう。

【００１９】本発明の目的の下で、非核分裂性物質２６
の層がスパレーション標的２２に近接して位置してい
る。図２、図３を見ると、非核分裂性物質２６は熱伝達
管２８内に保持することができることが判る。図４に示
したように、非核分裂性物質２６は、好ましくは、炭化
ケイ素のようなセラミックの被覆２５を有する極小球と
して形成されている。放射性毒物質を耐水性のあるセラ
ミック被覆中にカプセル化させることは、核変換後の直
接埋設を可能にする。好的実施例においては、非核分裂
性物質２６の極小球は約１．５mmの直径２７を有する。
熱伝達管２８は、非核分裂性物質２６の極小球を保持す
ることができ、また核変換過程中に発生する熱を非核分
裂性物質２６から伝達除熱することもできる。熱伝達管
２８は、タングステンのような関連技術分野において既
知の、あらゆる適当な高温材料や、熱伝達物質でできて
いてもよい。さらに、図２は、スパレーション標的２２
の直近位置でそれを部分的に包囲する半円形状に配置さ
れた７本の非核分裂性物質２６の熱伝達管２８で構成さ
れた、非核分裂性物質２６の代表層を示している。

【００２０】本発明の目的の下で、非核分裂性物質２６
は、熱中性子では効率的に核変換されないあらゆる物質
であってもよい。以下の微量アクチニドがこの目的のた
めの非核分裂性物質２６と考えられる。即ちアメリシウ
ム、キュリウム、ネプチニウムである。しかしながら、
アメリシウム、キュリウム、ネプチニウムのような非核
分裂性の微量アクチニドは、高速中性子との反応におい
て核分裂過程または中性子捕獲過程のいずれかによって
核変換することができる。さらに、本明細書において、
核変換という用語は、原子核を変化させるあらゆる過
程、例えば、生成核が反応核とは異なる質量数または異
なる原子番号を有し、核分裂、吸収、散乱を含む過程を
意味する。

【００２１】図２、図３に示すとおり、ハウジング１２
内には黒鉛ブロックの減速材３６が配置され、該黒鉛ブ
ロックの減速材３６とスパレーション標的２２の間に非
核分裂性物質の層２６を配置している。該黒鉛ブロック
の減速材３６には有毒核分裂生成物３８を保持するため
の凹所４０が形成されている。図５に示したように、有
毒核分裂生成物３８は、炭化ケイ素のようなセラミック
被覆３７を有する極小球として形成するのが好ましい。
好的実施例においては、有毒核分裂生成物３８の極小球
は約１．５mmの直径３９を有する。さらに、図２および
図３に示したように、黒鉛ブロックの減速材３６にはま
た核分裂性物質３２を保持するための凹所３４が形成さ
れている。図６に示したように、該核分裂性物質３２
は、炭化ケイ素のようなセラミック被覆３１を有する極
小球として形成するのが好ましい。好的実施例において
は、該核分裂性物質３２の極小球は約１．５mmの直径３
３を有する。本発明に関しては、また、セラミック被覆
された極小球をさらに熱分解性炭素のバッファーや関連
技術分野において既知の他の保護被覆によって被覆する
ことも考えられている。さらに、核分裂性物質３２のセ
ラミック被覆された極小球は、黒鉛ブロックの減速材３
６の凹所３４内の炭素母材のペレット３５の中で懸濁さ
れていてもよい。

【００２２】図２および図３に示したように、毒性のよ
うな核分裂生成物３８は、スパレーション標的２２から
ある距離をおいて配置することができる。特に、図２を
参照すると、代表的な層を形成している有毒核分裂生成
物３８のための１３個の凹所４０が、非核分裂性物質２
６に近接して半円状になって配置されていることがわか
る。本発明の目的のためにいうと、有毒核分裂生成物３
８は熱中性子によって核変換することのできるテクネチ
ウムまたはヨウ素の同位元素のような物質である。図示
した有毒核分裂生成物３８は黒鉛ブロックの減速材３６
の中に形成された凹所４０内に収納されているが、関連
技術分野において既知の、あらゆる有毒核分裂生成物３
８の層の形状を用いることができる。

【００２３】さらに、核分裂性物質の層３２は、スパレ
ーション標的２２からある距離をおいて配置することが
できる。好ましくは、該核分裂性物質の層３２は、スパ
レーション標的２２からは有毒核分裂生成物３８の層よ
りも離れて配置される。特に、図２を参照すると、代表
的な層を形成している核分裂性物質３２の１８個の凹所
３４が、有毒核分裂生成物３８の層の背後で半円状にな
って配置されていることが示されており、非核分裂性物
質２６の層と有毒核分裂生成物３８の層とをスパレーシ
ョン標的２２と核分裂性物質３２との間に配置してい
る。本発明の目的のためにいうと、核分裂性物質３２は
プルトニウムまたは熱中性子と効率的に核分裂反応をす
るウラン同位元素のような物質である。本発明において
は、このプルトニウムはGT-MHRの粒子燃料タイプのプル
トニウムであってもよい。核分裂性物質３２は黒鉛ブロ
ックの減速材３６の中に形成された凹所３４の中に収納
されているところが示されているが、核分裂性物質３２
の層の形状としては、関連技術分野において既知のあら
ゆる他の形状を用いてもよい。

【００２４】操作においては、放射性毒物質の核変換
は、効率的に２段階処理することができる。第１段階に
おいては、核分裂性物質層３２の中で陽子源１８が無励
磁の状態で、自励臨界熱中性子による核分裂反応が開始
される。第２段階においては、放射性毒物質２６、３
２、３８のさらなる核変換が励磁状態にある陽子源１８
によって行われる。以下もっと詳細に説明するように、
前記第１段階は不必要であるかもしれない。本発明の好
的実施例においては、超ウラン元素変換装置１０は前述
した２段階核変換処理の利点を得るのに効率的な寸法に
なっている。

【００２５】特に、第１段階においては、放射性毒物質
２６、３２、３８は超ウラン元素変換装置１０の中に配
置され、自励臨界熱中性子による核分裂反応が開始され
所定の量の核分裂性物質３２が残るようになるまで反応
を進行させることができる。最初に核分裂性物質３２を
自励臨界熱中性子による核分裂反応によって核変換し
て、その後に非臨界熱中性子による核分裂反応によって
核変換させることは、全ての核変換が励磁された陽子源
１８によって行われる１段階処理法を上回る幾つかの利
点を有する。第１に、超ウラン元素変換装置１０は、よ
り小さくて、出力の低い陽子源１８とともに構成され
る。第２に、核変換の一部が励磁されていない陽子源に
よって行われるので、エネルギーが節約される。最後
に、超ウラン元素変換装置１０の寸法を減少させること
ができる。あるいは、自励臨界熱中性子による核分裂反
応（第１段階）は商業用原子炉においても行うことがで
き、この場合には、上述した超ウラン元素変換装置１０
は非臨界熱中性子による核分裂反応（第２段階）を完了
させるのに適当な寸法になっているだろう。

【００２６】第１段階は、プルトニウムのような核分裂
性物質３２が自励臨界熱中性子による核分裂反応を受け
ることができるという利点を有する。従って、熱中性子
を外部から供給しなくても、核分裂性物質３２の中で自
励臨界熱中性子による核分裂反応が開始することがで
き、その結果として、核分裂性物質３２の一部が１また
はそれ以上の安定な同位元素に核変換される。特に、核
分裂性物質３２の一部は、陽子源１８を励磁する前に、
自励臨界熱中性子による核分裂反応によって核変換する
ことができる。しかしながら、この自励臨界熱中性子に
よる核分裂反応は、臨界量の核分裂性物質３２が存在し
ている間のみ継続することができる。反応が進行する
と、核分裂性物質３２の量は反応が最早自立できなくな
るまで減少する。従って、陽子源１８を励磁する前に
は、核分裂性物質３２のほんの一部しか核変換すること
ができない。

【００２７】第１段階の間、核分裂性物質の層３２の中
で開始された自励臨界熱中性子による核分裂反応によっ
て、高速中性子２４ａ、ｂが発生するだろう。これらの
高速中性子２４ａ、ｂは、核分裂性物質の層３２から、
有毒核分裂生成物３８を非核分裂性物質の層２６へ放射
されるだろう。核分裂性物質３２が黒鉛ブロックの減速
材３６の中に保護されているので、核分裂性物質の層３
２の中で発生した高速中性子２４a、ｂは、非核分裂性
物質の層２６または有毒核分裂生成物３８のいずれかに
到達する前に、黒鉛ブロックの減速材３６の中を通過す
るだろう。それにもかかわらず、図２に示した中性子２
４aのような幾つかの中性子は、高速スペクトルにおけ
るエネルギーのまま非核分裂性物質の層２６に到達し、
そこでその中性子は非核分裂性物質２６の一部を核変換
させるだろう。同様に、中性子２４ｂのような幾つかの
中性子は、熱中性子スペクトルにおけるエネルギーで有
毒核分裂生成物３８へ到達し、そこでその中性子は有毒
核分裂生成物３８の一部を核変換させるだろう。さら
に、これらの２次的な核変換反応は中性子を発生させ、
これら発生した中性子は放射性毒物質２６、３２、３８
のいずれかと効率的に反応し、さらに核変換を進行させ
る。従って、操作の第１段階においては、核分裂性物質
の層３２の一部と、非核分裂性物質の層２６の一部と、
放射性毒物質３８の一部が１またはそれ以上の、安定
で、放射性毒性の少ない同位元素に核変換されるだろ
う。本発明の場合、第１段階の期間は約３年であろう。

【００２８】放射性毒物質２６、３２、３８のさらなる
核変換は、励磁された陽子源１８を用いた第２段階にお
いて行われる。本発明の場合、該第２段階の期間は約１
年であろう。操作の第２段階においては、陽子１６のビ
ームが陽子源１８からハウジング内に、かつスパレーシ
ョン標的２２に向けられる。陽子１６がスパレーション
標的２２を衝撃すると、高速中性子２４ｃ、ｄがスパレ
ーション標的２２によって発生し、放射性毒物質２６、
３２、３８へ向かう。図２に示した中性子２４ｃのよう
な、スパレーション標的で発生した高速中性子の一部が
非核分裂性物質２６と反応し、該非核分裂性物質２６を
核分裂反応または中性子捕獲反応のいずれかによって、
１またはそれ以上の、放射性毒性のより少ない安定同位
元素に核変換させる。さらに、スパレーション標的から
の残留高速中性子２４ｄは黒鉛ブロックの減速材３６に
到達して、その中へ入り、有毒核分裂生成物３８の層と
核分裂性物質３２の層へ向かう。

【００２９】残留高速中性子２４ｄは黒鉛ブロックの減
速材３６を通過し、該黒鉛ブロックの減速材３６と反応
してエネルギーを失っていくだろう。従って、該黒鉛ブ
ロックの減速材３６の中では、残留中性子２４ｄのエネ
ルギーはスパレーション標的の近傍で最高になるだろ
う。このようにして減速された残留中性子２４ｄは黒鉛
ブロックの減速材３６の一部を通過した後に、有毒核分
裂生成物３８と核分裂性物質３２と反応し、該有毒核分
裂生成物３８と核分裂性物質３２を、放射性毒性のより
少ない安定同位元素へ核変換させるだろう。黒鉛ブロッ
クの減速材３６中では、有毒核分裂生成物３８の方が核
分裂性物質３２よりもスパレーション標的２２に近く位
置しており、よりエネルギーの高い、より大きな中性子
束になった残留中性子２４ｄと反応した時に、有毒核分
裂生成物３８の方がより速く核変換するという利点が得
られる。

【００３０】核変換の際に、各々の放射性毒物質２６、
３２、３８は核分裂反応の副産物として中性子２４ｅを
発生する。図２は代表的な発生中性子２４ｅが非核分裂
性物質２６から放射されて、熱伝達管２８を通過するこ
とを示している。これらの核変換反応によって発生した
中性子２４ｅは放射性毒物質２６、３２、３８をさらに
核変換させることができる。

【００３１】上述した各々の核変換処理は特別な処理速
度において熱を発生させることが知られており、その発
生熱は、過熱、溶融、または超ウラン元素変換装置１０
に対する損傷を防ぐために、制御するか、または核変換
物質２６、３２、３８から除去しなければならない。こ
のことを考慮して、超ウラン元素変換装置１０は核変換
物質２６、３２、３８からの熱を制御、除去するための
幾つかの設計上の特徴を有する構造になっている。

【００３２】第１に、図３を参照すると、冷却材として
のヘリウムを、ハウジング１２の内部と熱伝達管２８ど
うしの間を循環（強制循環）させるために、ヘリウム源
４８と循環機５０が設けられている。さらに、黒鉛ブロ
ックの減速材３６にはヘリウムを黒鉛ブロックの減速材
３６内に循環させることができるように、冷却通路４４
が形成されている。ヘリウムが選ばれるのは、それが中
性子に対して本質的に透過性があるからである。さら
に、ヘリウムは化学的に不活性であり、従って、冷却材
と燃料との核反応と化学反応が最少になる。さらに、ヘ
リウムは気体状態のままであり、信頼性のある冷却が得
られ、計算と予測がし易い。さらにまた、予測されたエ
ネルギー（前記説明参照）における陽子１６は、ヘリウ
ムガス中を数キロメートルの距離に亘って実質的にエネ
ルギー損失なく伝わることができる。図３に示したよう
に、ヘリウムはハウジング１２全体の中で循環され、従
って、陽子１６のビームは、窓１４とスパレーション標
的２２との間で、ビーム通路２０上のヘリウムガスの中
を通過しなければならない。

【００３３】第２に、非核分裂性物質２６は、熱伝達管
２８の中に保持されており、該非核分裂性物質２６内で
発生した熱が熱伝達管２８の外側４２へ伝達されるよう
になっている。

【００３４】第３に、陽子ビーム１６のエネルギーレベ
ルは、スパレーション標的２２で発生する高速中性子の
数を変更させるために制御することができる。従って、
核変換速度とそれに対応する熱発生率とは、陽子ビーム
１６のエネルギーを変化させることによって制御するこ
とができる。

【００３５】第４に、非核分裂性物質２６（高速中性子
による核変換）の核分裂性物質３２（主として熱中性子
による核変換）に対する比率は、過大な熱発生を防ぐた
めに小さい値に保持することができる。前記のとおり、
商業用原子炉からの使用済燃料は一般に微量アクチニド
よりも約１０倍多いプルトニウムを含んでいる。超ウラ
ン元素変換装置１０の中で、ここで開示したように、１
０のプルトニウムと１の微量アクチニドが反応する場合
には、該超ウラン元素変換装置１０は危険性なく安全に
なるだろう。特に、ヘリウム源４８が故障した時に、過
熱事故を防ぐことができる。

【００３６】以上、説明した、加速器駆動されガス冷却
される特別な超ウラン元素変換装置によって本発明の目
的が達成され、前記の利点を得ることができるが、説明
例は本発明の単なる好的例であり、説明した構造または
設計の細目については、特許請求の範囲の定義範囲内で
あれば全く制限がないものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハウジングと窓と陽子ビームを示す、本発明の
超ウラン元素変換装置の透視図である。

【図２】陽子ビームと、核変換しようとするスパレーシ
ョン標的と放射性物質とを示す、図１の線２−２に沿っ
て見た超ウラン元素変換装置の断面図である。

【図３】陽子ビームと、核変換しようとする放射性毒物
質を示す、図１の線３−３に沿って見た超ウラン元素変
換装置の断面図である。

【図４】セラミックで被覆された微量アクチニドの極小
球の断面図である。

【図５】セラミックで被覆された有毒核分裂生成物の極
小球の断面図である。

【図６】セラミックで被覆されたプルトニウムの極小球
の断面図である。

【符号の説明】

１０ 超ウラン元素変換装置 １２ ハウジング １４ 窓 １６ 陽子 １８ 陽子源 ２０ ビーム通路 ２２ スパレーション標的 ２４ 高速中性子 ２５ セラミック被覆 ２６ 非核分裂性物質 ２７ 直径 ２８ 熱伝達管 ３２ 核分裂性物質 ３４ 凹所 ３６ 減速材 ３７ セラミック被覆 ３８ 核分裂生成物 ３９ 直径 ４０ 凹所

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核分裂性物質および非核分裂性物質の核
   変換装置において、 陽子ビームをビーム通路に沿って指向させるための装置
   と、 前記ビーム通路上に置かれ、陽子との衝突に応じて高速
   中性子を発生させるスパレーション標的と、 該スパレーション標的から距離を置いて設置された核分
   裂性物質の層と、 該核分裂性物質の層と前記スパレーション標的との間に
   置かれ、該スパレーション標的から放出された高速中性
   子によって非核分裂性物質を核変換し、残る高速中性子
   と、非核分裂性物質の核変換過程で発生した中性子とを
   移行させて前記核分裂性物質を核変換するための非核分
   裂性物質の層とを具備する核分裂性物質および非核分裂
   性物質の核変換装置。
2. 【請求項２】 核分裂性物質および非核分裂性物質の核
   変換装置において、 ハウジングと、 該ハウジング内で高速中性子を発生させるための装置
   と、 前記ハウジング内に置かれた核分裂性物質の層と、 前記高速中性子による核変換のために、前記ハウジング
   内に置かれた非核分裂性物質の層と、 前記核分裂性物質の層へ向かって移行する高速中性子を
   熱中性子化するために、該ハウジング内に置かれた減速
   材であって、該熱中性子化された高速中性子が前記核分
   裂性物質を核変換させるために用いられる該減速材と、 前記ハウジング内の温度を維持するための装置とを具備
   する核分裂性物質および非核分裂性物質の核変換装置。
3. 【請求項３】 前記高速中性子を発生させるための前記
   装置が、 陽子ビームをビーム通路に沿って指向させるための粒子
   加速器と、 該ビーム通路上であって前記ハウジング内に置かれ、該
   陽子との衝突に応じて高速中性子を発生させるスパレー
   ション標的とを具備する請求項２に記載された核分裂性
   物質および非核分裂性物質の核変換装置。
4. 【請求項４】 核分裂性物質および非核分裂性物質を核
   変換する方法において、 前記核分裂性物質を部分的に核変換するために、該核分
   裂性物質の層の中で、臨界自励熱中性子による核分裂反
   応を開始させる段階と、 スパレーション標的を設ける段階と、 前記部分的に核変換された核分裂性物質の層を、該スパ
   レーション標的から距離を置いて設ける段階と、 前記核分裂性物質の層と前記スパレーション標的の間
   に、非核分裂性物質の層を置く段階と、 前記核分裂性物質の層と前記非核分裂性物質の層の間
   に、減速材を置く段階と、 前記スパレーション標的に対して陽子ビームを指向させ
   ることにより、陽子と前記スパレーション標的の衝突に
   応じて高速中性子を発生させ、該高速中性子の一部が前
   記非核分裂性物質の一部を核変換させ、残る高速中性子
   が前記減速材を通過して前記核分裂性物質の一部を核変
   換させる段階とを含む核分裂性物質および非核分裂性物
   質の核変換方法。