JP2002522796A

JP2002522796A - 共鳴中性子において核分裂核連鎖反応を実施するための方法

Info

Publication number: JP2002522796A
Application number: JP2000565542A
Authority: JP
Inventors: アナニエヴィッチイルディンチェイェフ、リュンミール; アキモヴィッチイバノヴ、アンドレイ; ミハイロヴィッチマロフイェヴ、アレクサンドル; ヴラディミロヴィッチオルロヴ、ヴィクトル; アレクサンドロヴィッチロトタエヴ、ドミトリィ
Original assignee: オトクリトイェアクツィオネルノイェオベシチイェステボ「ナウチェノ−イッスレドバテルスキーインスティトゥーテスターリ」
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1998-08-13
Publication date: 2002-07-23
Also published as: EP1024501A4; WO2000010173A1; EP1024501A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、原子力工学の分野に関し、高い中性子フルエンスおよびガンマ量子を生成するため、および熱エネルギーまたは電気エネルギーを発生させるための核分裂核連鎖反応を実施するために使用され得る。本発明の目的は、炉心における核燃料の質量を低減し、そのより効率的な使用を確保することである。本発明によれば、すべての高速中性子は、それらが熱エネルギーレベルに達するまで、実質的にいかなる損失もなく減速され得、当該中性子は、核分裂性物質核種の移動速度と比べて減速されたそれらの速度のため、真空磁気トラップに降下すると停止していると考えられ得る。従って、中性子は、核分裂性物質の比較的低い密度でさえ、相互作用することができる。知覚し得る減少（１０グラムの単位で）が、炉心中の核分裂性物質の臨界質量において生じる。従って、核分裂生成物（これは、生成した核エネルギーの９０％を超える量を含む）は、当該炉心から抽出され得、それらのエネルギーを、例えば、電気に直接変換するためのデバイスに指向され得るので、炉心において非常に高いエネルギー（１０００メガワット以上）に達することが可能である。本発明の原子炉は、実質的に環境に安全である。なぜなら、いかなる時にも、炉心中の核分裂性物質は数十グラムを越えないからである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（発明の分野）本発明は、原子力工学に関し、核分裂連鎖反応の生成を意図する。

【０００２】本発明は、中性子、ガンマ線量子の大きなフルエンスを得るため、ならびに熱
出力および電力を生成するために使用され得る。

【０００３】（従来技術）核分裂連鎖反応を生成するための一般に容認された従来の方法は、核爆発また
は原子炉での高速もしくは熱中性子による核分裂性物質の核分裂である（Ｗｅｉ
ｎｂｅｒｇＡ．，ＷｉｇｎｅｒＷ．，ＰｈｙｓｉｃａｌＴｈｅｏｒｙ
ｏｆＮｕｃｌｅａｒＲｅａｃｔｏｒｓ，ＩＬ．Ｍ．，１９６１，
［１］−最も関連のある先行技術を参照のこと）。

【０００４】爆発誘導核連鎖反応は制御不能であるので、本発明者らはそれにさらには関係
しない。現在まで、高速および熱中性子核反応は、研究および動力炉の両方で広
範に使用されている。

【０００５】しかしながら、それらは以下の一般的問題を被る： −大量の核燃料が原子炉に供給されなければならない（例えば、ＶＶＥＲ−４
４０、ＶＶＥＲ−１０００およびＲＢＭＫ−１０００は、それぞれ、４１、６６
および１９２トンのウランを必要とする）。この量は、全体の原子炉運転期間（
一般的に３年）にとって十分であり、その後取り換えられる； −運転期間中、他の核分裂性核種の出現を考慮すると、全核燃料の５％未満（
質量で）が反応する。すなわち、燃料使用効率はむしろ低い； −原子炉が作動中である間、反応生成物は炉心中に留まり、原子炉運転に干渉
する； −プロセスの間、その占有率が核燃料の９５％（質量で）を超えるウラン−２
３８は、非常に大きな半減期を有する種々の放射性超ウラン元素を大量に生成し
、これらは、環境にとって非常に危険である。なぜなら、大気中および水中のこ
れらの許容可能濃度は、核分裂生成物の許容可能濃度よりも数千倍低くなければ
ならないからである； −原子炉での事故（特に長期作動後）は、危険な環境影響を引き起こし得る。

【０００６】（発明の要旨）本発明は、原子力工学に関し、中性子、ガンマ線量子の大きなフルエンスを得
るため、ならびに熱出力および電力を生成するための核分裂連鎖反応の生成を意
図する。

【０００７】本発明の目的は、原子炉炉心において質量を低減し、核燃料の使用効率を改善
することである。

【０００８】本発明は、すべての高速中性子が、それらが真空磁気トラップに到達した際に
静止していると考えられ得る時点で、ほぼ損失なく、熱エネルギーに減速され得
るという事実に本質的に基づく。なぜなら、それらの速度は核分裂性物質核の移
動速度と比較して低く、それゆえ、それらのすべては核分裂性物質が比較的低密
度でさえ反応し得るからである。

【０００９】炉心中の核分裂性物質臨界質量は、顕著に低減される（数グラムまたは数十グ
ラムまで）。

【００１０】本発明は、放出される原子力の９０％を超える量を含有する核分裂生成物が炉
心から除去され、それらのエネルギーの（例えば、電気への）直接変換のための
施設に指向され得るので、大量のエネルギー（１０００メガワット以上）が炉心
中に放出され得る。

【００１１】原子炉は、環境の観点から実質的に安全である。なぜなら、任意の所定の時間
にて、炉心中の核分裂性物質の量は数十グラムを超えないからである。

【００１２】（発明の詳細な説明）本発明の目的は、炉心において質量を低減し、核分裂性物質の使用効率を改善
すること、および放出される原子力の生成および利用を空間的に分離することで
ある。

【００１３】上記目的は、核連鎖反応の生成方法を提供することにより達成される。この方
法は、反応開始期間について、高速中性子源を、減速材、核分裂性物質プラズマ
を保持するための真空磁気トラップおよび中性子吸収スクリーンを有する炉心に
導入する工程、当該高速中性子源の中性子を熱エネルギーまで減速し、当該中性
子を当該磁気トラップに指向する工程を含む。次いで、核分裂性物質は、ガスま
たはプラズマに変換され、加速され、以下の式：

【００１４】

【数２】

【００１５】式中、Ｃは光の速度（ｍ／ｃ）であり；Ｅ_n0は中性子の静止エネルギー（ｅＶ
）であり；Ｅ_tnは熱中性子のエネルギー（ｅＶ）であり；Ｅ_rは選択された核分
裂共鳴のエネルギー（ｅＶ）である；に従って決定される（例えば、熱中性子および核分裂性物質が互いに直角に移動
する場合）速度で当該磁気トラップに供給される。

【００１６】式（１）は、移動粒子の運動エネルギーに関する一般に公知の関係［２］から
推論される：

【００１７】

【数３】

【００１８】ここから以下のようになる：

【００１９】

【数４】

【００２０】式中、ｍ_rＣ₂＝Ｅ_n0は、静止エネルギー（ｅＶ）であり；ｍ₀は粒子の静止質
量（ｋｇ）である。

【００２１】熱中性子および核分裂性物質が互いに直角に移動する場合、選択された相互作
用共鳴における接近速度は：Ｖ² _fm＝Ｖ² _r−Ｖ² _tn （４）であり、式中、Ｖ_rは核分裂性物質との共鳴相互作用における中性子の速度（ｍ
／ｃ）である。

【００２２】（４）中の式（３）の置換は、式（１）を与える。この場合、速度、すなわち
、熱中性子および核分裂性物質移動核の相互接近のエネルギーは、核分裂性物質
の共鳴核分裂の選択されたエネルギーと一致し、この核分裂断面積は、熱中性子
におけるよりも数倍大きくあり得る。

【００２３】さらに、移動核分裂性物質における熱中性子の経路は、以下の式に従って決定
される：

【００２４】

【数５】

【００２５】式中、δは核分裂性物質層の厚さ（ｍ）であり；Ｖ_fmは核分裂性物質の移動速度（ｍ／ｃ）であり；Ｖ_tnは熱中性子の移動速度（ｍ／ｃ）である。

【００２６】移動核分裂性物質を交差する際に熱中性子が通過する経路を用いて、熱中性子
と共に移動する核分裂性物質のいわゆる「有効」核分裂断面積は、以下のように
決定され得る：

【００２７】

【数６】

【００２８】式中、σ_rは共鳴における核分裂断面積（バーン）である。

【００２９】核分裂プロセスにおいて放出された高速中性子は、減速材に指向され、それゆ
え、それらは熱中性子として磁気トラップに戻され、選択された共鳴において自
己持続核分裂連鎖反応を提供する。臨界質量は、核分裂性物質を炉心に連続的に
供給し、炉心から反応生成物を取り出すことにより一定に保持される。磁気トラ
ップに戻される熱中性子の量は、原子炉制御システムに連結された中性子吸収ス
クリーンにより制御される。

【００３０】有効巨視的核分裂断面積［６］を用いて、核分裂性物質が熱中性子に対して過
度に透過性ではなく、さらに、その大質量の浪費移動が起こらないように、核分
裂性物質プラズマ密度「ｎ_n」および厚さ「δ」の値が選択され得る。これらの
特徴は、移動核分裂性物質プラズマを交差する熱中性子の流束密度の減少の多重
が以下の条件：１．０１≦Ｋ≦１００（７）式中、

【００３１】

【数７】

【００３２】を満足するように選択されるべきである。

【００３３】本発明は、すべての高速中性子が、それらが真空磁気トラップに到達した際に
静止していると考えられ得る時点で、ほぼ損失なく、熱エネルギーに減速され得
るという事実に本質的に基づく。なぜなら、それらの速度は核分裂性物質核の速
度と比較して低く、それゆえ、それらのすべては核分裂性物質が比較的低密度で
さえ反応し得るからである。従って、上記の核分裂共鳴連鎖反応の生成方法は、
以下の３つの好ましい状況を提供する。

【００３４】１．高速中性子の熱エネルギーへの有効な減速およびそれらの場における核分
裂性物質核の移動は、高密度の実質的に単一エネルギー中性子を生成し、そのエ
ネルギーは、核分裂性物質のいくつかの選択された核分裂共鳴の範囲になる。

【００３５】２．核分裂性物質の最も好ましい共鳴核分裂断面積の使用により、この物質の
熱中性子核分裂を顕著に超える共鳴核分裂の選択が可能となる。

【００３６】３．移動核分裂性物質の速度が熱中性子の速度よりもずっと速くあり得るとい
う事実のため、核分裂性物質の密度は顕著に減少し、同じ共鳴中性子に対する静
止核分裂性物質と類似の巨視的断面積が得られ得る。

【００３７】従って、本発明による核分裂共鳴連鎖反応の生成方法において、核分裂性物質
が、例えば、プルトニウム−２３９（σ_tn＝７４２バーン）である場合、表１は
、異なるＰｕ−２３９共鳴エネルギー値について、核分裂性物質移動速度「Ｖ_fm 」、移動核分裂性物質における熱中性子経路の長さの増加の多重「Ｋ_l」、「有
効」核分裂断面積「σ_ef」、および「有効」および共鳴核分裂断面積／Ｐｕ−２
３９熱中性子核分裂断面積比の値を示す。

【００３８】表１いくつかの共鳴値について得られらた、移動Ｐｕ−２３９／熱中性子相
互作用の特徴

【００３９】

【表１】

【００４０】＊σ₀は共鳴における完全断面積（バーン）であり；＊σ_fは共鳴における核分裂断面積（バーン）である。

【００４１】表１のデータから分かるように、この目的のために共鳴エネルギーＥ_r＝７５
．２１ｅＶを用いて、プルトニウム−２３９が本発明の方法により衝撃を与えら
れる場合、「有効」核分裂断面積は、熱中性子核分裂と比較して、約１８０倍増
加し、あるいは静止プルトニウムが７５．２１ｅＶのエネルギーを有する単一エ
ネルギー中性子により衝撃を与えられる場合、約５５倍増加する。従って、上記
データは、核連鎖反応を開始するのに必要なプルトニウム−２３９臨界質量が、
本発明のプルトニウム−２３９共鳴核分裂方法を用いた場合とほぼ同程度減少さ
れ得ることを示す（すなわち、本発明の核分裂共鳴連鎖反応の生成方法を用いる
と、プルトニウム−２３９最小臨界質量は、従来の熱中性子核分裂方法［３］に
おいて使用される水溶液中の４６０ｇのプルトニウムの代わりに２〜４ｇであり
得る）。

【００４２】他の核分裂性物質について、最小臨界質量が提供される共鳴エネルギーは、プ
ルトニウム−２４１（Ｅ＝１４．７８ｅＶ）、ウラン−２３５（Ｅ＝１９．３ｅ
Ｖ）、ウラン−２３３（Ｅ＝２２ｅＶ）などである。この場合、核分裂性物質の
最も完全な燃焼が起こる共鳴値、すなわち、以下の式： α＝σ_c／σ_f （９）式中、σ_cは捕捉断面積であり；σ_fは核分裂断面積である；により定義されるパラメーター「α」の最小値を提供する共鳴値は、プルトニウ
ム−２３９（Ｅ＝１５．５ｅＶ、α＝０．０５）、プルトニウム−２４１（Ｅ＝
５．９１ｅＶ、α＝０．０３）、ウラン−２３５（Ｅ＝１３．９８ｅＶ、α＝０
．２３）、ウラン−２３３（Ｅ＝３３．９５ｅＶ、α＝０．０２５）である［４
、５］。

【００４３】従って、本発明の核連鎖反応の生成方法によれば、核分裂性物質は、炉心にお
いてプラズマ形態であり、その一般量は、数十グラムほどであり得、それゆえ、
環境への影響は、原子炉が完全に破壊された場合でさえ最小限である。

【００４４】核連鎖反応においてプルトニウム核の密度を一定に保持するため、核分裂性物
質プラズマが炉心に連続的に供給されるべきであり、放出される核エネルギーの
９０％を超える量を含有する核分裂生成物が炉心から連続的に除去され、それら
のエネルギーの（例えば、電気への）直接変換のための施設に指向されるべきで
あることが必須である。このようなプロセスの分離により、非常に大量のエネル
ギー（１０００メガワットをかなり超える）が炉心中に放出されることが可能と
なる。なぜなら、減速材および原子炉構造体に残留するエネルギーは、放出され
る全核エネルギーの５％を超えない量を構成する中性子およびガンマ線量子エネ
ルギーにより提供されるからである。

【００４５】核分裂性物質の使用効率は、むしろ高い。なぜなら、任意の所定の時間で、炉
心は、数十グラムを越えない量（すなわち、核連鎖反応が進行するのに必要な量
）を一定に含むからである。

【００４６】さらに、炉心中にウラン−２３８が存在しないため、核連鎖反応中に超ウラン
放射性元素が実質的に形成しない。

【００４７】本発明の中性子／核分裂性物質相互作用の実用的実施は、１０³〜１０⁵ｍ／ｃ
の速度での核分裂性物質の移動の実現可能性に依存する。この目的のために、核
分裂性物質は、ガスプラズマ混合物に変換されるべきである。現在まで、プラズ
マ遠心、プラズマトロンガンおよびプラズマ加速器における種々のタイプの物質
についての部分イオン化ガスの移動速度は、「Ｖ_crit」：Ｖ_crit＝５×１０³．．．５×１０⁴ｍ／ｃ［６］に等しい上限を有する。

【００４８】この速度は、移動する部分イオン化プラズマのイオン化エネルギーの大きさに
関連し、より高い速度は、プラズマの完全なイオン化時にのみ達成され得る。速
度は、文献［５］〜［９］に記載のプラズマ加速器を用いてさらに増加され得る
。

【００４９】表２は、いくつかのプラズマトロン施設およびそれらの適用分野の特徴を列挙
し、ここでガス／プラズマ混合物は、目的の速度まで加速され、本発明の目的を
達成する。

【００５０】表２プラズマトロン設備の特徴。

【００５１】

【表２】

【００５２】（引用した文献）１．ＷｅｉｎｂｅｒｇＡ．，ＷｉｇｎｅｒＵ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ
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ａｓｍａＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ，Ｐａｒｔ１．，ＭＢＣＣＯ，Ｍ
ＶＴＵ，１９６８。１２．ＭｉｋｈａｉｌｏｖｓｋｉｉＦ．Ｂ．Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ
ＴｈｅｏｒｙｏｆＰｌａｓｍａＲｏｔａｔｉｏｎｉｎＴｏｋａｍａｃ
，Ｍ．，Ｋｕｒｃｈａｔｏｖ後に命名されたＩＡＥ、１９８２。１３．“ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＰｌａｓｍａ” Ｊｏｕｒｎａｌ，第８巻
、１０００、１０８９ページ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者イバノヴ、アンドレイアキモヴィッチロシア国、モスクワ 123060、ウリツァマルシャーラビリューゾヴァドム 43、クバルティラ 122 (72)発明者マロフイェヴ、アレクサンドルミハイロヴィッチロシア国、モスコヴスカヤ 141730、オブラスト、ロブニャ、ウリツァレニーナドム 11、クバルティラ 73 (72)発明者オルロヴ、ヴィクトルヴラディミロヴィッチロシア国、モスクワ 123060、ウリツァラスプレティーナドム 15、クバルティラ 41 (72)発明者ロトタエヴ、ドミトリィアレクサンドロヴィッチロシア国、モスクワ 125411、ウリツァフロツカヤドム 74、クバルティラ 112

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉制御システムにより核分裂性物質を作用させて核分裂
連鎖反応を開始させることを含む核分裂連鎖反応の生成方法であって、当該方法
が、以下の工程により特徴付けられる方法：反応開始時間について、高速中性子源を、減速材、核分裂性物質プラズマを保
持するための真空磁気トラップおよび中性子吸収スクリーンを有する炉心に導入
する工程；当該源の中性子を熱エネルギーまで減速し、当該中性子を当該磁気トラップに
指向する工程；当該核分裂性物質をプラズマに変換し、加速し、下式：【数１】（式中、Ｃは光の速度（ｍ／ｃ）であり；Ｅ_nrは中性子の静止エネルギー（ｅＶ）であり；Ｅ_tnは熱中性子のエネルギー（ｅＶ）であり；Ｅ_rは共鳴中性子のエネルギー（ｅＶ）である）に従って決定した速度で当該プラズマを当該磁気トラップに導入し、当該熱中性
子および当該核分裂性物質移動核の相互接近のエネルギーを、核分裂性物質共鳴
核分裂の選択されたエネルギーに一致させる工程；核分裂時に放出された高速中性子を当該減速材に指向し、それゆえ、当該高速
中性子が熱中性子として当該磁気トラップに戻され、その結果、当該核分裂性物
質を当該炉心に連続的に供給し、当該炉心から反応生成物を連続的に取り出して
、選択された共鳴にて自己持続核分裂連鎖反応を提供し、かつ、臨界質量を一定
に維持し、当該磁気トラップに戻った熱中性子の量が当該中性子吸収スクリーン
により制御される工程。