JP2003028976A - Fuel for molten-salt reactor - Google Patents

Fuel for molten-salt reactor

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JP2003028976A
JP2003028976A JP2001214159A JP2001214159A JP2003028976A JP 2003028976 A JP2003028976 A JP 2003028976A JP 2001214159 A JP2001214159 A JP 2001214159A JP 2001214159 A JP2001214159 A JP 2001214159A JP 2003028976 A JP2003028976 A JP 2003028976A
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mole
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fission
trifluoride
solvent
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JP2001214159A
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Japanese (ja)
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Yasuo Hirose
保男 廣瀬
Yoichi Takashima
洋一 高島
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Institute of Research and Innovation
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Institute of Research and Innovation
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel for a fluoride molten-salt reactor which absorbs fewer neutrons and has higher solubility of the trifluoride of a transuranic element. SOLUTION: A fuel for a molten-salt reactor, which has higher solubility of the trifluoride of transuranic element at a liquid-phase temperature of 550 deg.C or lower and absorbs few neutrons, is provided by using as a solvent a molten salt, made of a mixture of a lithium fluoride (<7> LiF) formed by enriching and isotope whose nucleon number is 7 and a beryllium difluoride (BeF2 ), adding a zirconium tetrafluoride (ZrF4 ) to the solvent, and limiting the composition of the solvent within the range of a quadrangle, formed by consecutively connecting four points of 77-3-20 mole%, 75-5-20 mole%, 69-31-0 mole% and 71-29-0 mole% with each other on a phase digram of a three constituent system of LiF-BeF2 -ZrF4 .

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、黒鉛製の減速材で
構成される炉心に質量数が7の同位元素を濃縮したリチ
ウムの弗化物(LiF)とベリリウムの2弗化物(B
eF)との混合物からなる溶融塩を溶媒とし、超ウラ
ン元素の3弗化物と核分裂生成物元素の3弗化物とを溶
質とする溶融塩原子炉燃料を循環して核分裂断面積が比
較的低い超ウラン元素を効果的に核分裂させる原子炉の
ために好適な溶融塩原子炉燃料の組成に係わり、溶媒中
における超ウラン元素の3弗化物と核分裂生成物元素の
3弗化物との溶解度を高くし、従って溶媒中に溶解でき
るこれらの溶質の濃度を高めて核的反応性と燃焼率の高
い原子炉の運転を容易にし、さらに運転中にかかる溶質
の析出・沈殿の可能性を低減して安全性を高め、また、
核分裂生成物の存在を許容して溶融塩原子炉燃料の化学
処理の必要性を軽減して経済性を高めることができる溶
融塩原子炉燃料に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lithium fluoride ( 7 LiF) and a beryllium difluoride (B) obtained by enriching a core made of a graphite moderator with an isotope having a mass number of 7.
eF 2) a molten salt comprising a mixture of a solvent, fission cross-sectional area and 3 fluorides 3 fluoride and fission products elements transuranic elements circulate molten salt reactor fuel as a solute is relatively It relates to the composition of a molten salt reactor fuel suitable for a reactor for effectively fissioning low transuranium elements, and determines the solubility of transuranic element trifluoride and fission product element trifluoride in a solvent. Higher, thus increasing the concentration of these solutes that can be dissolved in the solvent, facilitating the operation of nuclear reactors with high nuclear reactivity and high burn rates, and further reducing the possibility of solute precipitation / precipitation during operation. To improve safety,
The present invention relates to a molten salt reactor fuel which allows the presence of fission products to reduce the need for chemical treatment of the molten salt reactor fuel and to improve economic efficiency.

【0002】[0002]

【従来の技術】溶融塩原子炉は、寄生的な中性子捕獲断
面積が小さい元素及び必要に応じて核分裂性元素を増殖
する元素からなり、化学的に安定な塩の混合物であり、
原子炉の最低運転温度より少なくとも50℃低い温度で
溶融し、溶融状態で蒸気圧が低く、粘度や比熱などの熱
媒体として適当な物理的性質を有する物質を溶媒とし、
核分裂性元素と核分裂生成物元素の同種塩を溶質として
溶解して溶融状態にある燃料塩を、必要に応じて中性子
減速材を置いた炉心内に満たし、炉心内で核分裂を進行
せしめ、温度が高くなった溶融燃料塩を炉心外の熱交換
器に導いて二次冷却材に熱を伝達し、温度が低下した溶
融燃料塩を炉心内に戻して循環する。
2. Description of the Related Art A molten salt reactor is a chemically stable salt mixture composed of elements having a small parasitic neutron capture cross section and elements that propagate fissile elements as necessary.
A solvent is a substance that melts at a temperature at least 50 ° C. lower than the minimum operating temperature of a nuclear reactor, has a low vapor pressure in a molten state, and has physical properties suitable as a heat medium such as viscosity and specific heat, as a solvent,
If necessary, the same salt of fission element and fission product element is dissolved as a solute to fill the molten fuel salt into the core where the neutron moderator is placed, and the fission progresses in the core. The elevated molten fuel salt is guided to a heat exchanger outside the core to transfer heat to the secondary coolant, and the molten fuel salt whose temperature has dropped is returned to the core for circulation.

【0003】最初の溶融塩原子炉は、核分裂性物質とし
て質量数233のウラン(233U)を炉心で核分裂さ
せ、増殖物質としてトリウム(232Th)が中性子を
吸収して生成する質量数233のプロトアクチニウム(
233Pa)が崩壊して23 Uを核分裂した量以上に
増殖させる目的で、米国のオークリッジ国立研究所で開
発された。
In the first molten salt nuclear reactor, uranium ( 233 U) with a mass number of 233 is fissionable as a fissionable material in the core, and thorium ( 232 Th) as a breeding material is a mass number of 233 which is generated by absorbing neutrons. Protactinium (
It was developed at Oak Ridge National Laboratory in the United States for the purpose of decaying 233 Pa) and propagating 23 3 U more than the fissionable amount.

【0004】溶融塩原子炉は、燃料が溶融状態であるた
め、燃料塩の出し入れが自由であり、燃料塩から連続的
233Paを分離して233Uに転換させたり、中性
子を吸収する核分裂生成物を除去することが可能であっ
て増殖炉の成立に有利であった。この開発の経緯及び技
術内容はNuclear Applications & Technology, Vol.8,
February 1970に8編の報告書として公刊されている。
In the molten salt reactor, the fuel is in a molten state, so that the fuel salt can be freely taken in and out, and 233 Pa is continuously separated from the fuel salt to be converted into 233 U, or a nuclear fission that absorbs neutrons. It was possible to remove the product, which was advantageous for establishing a breeder reactor. The background and technical contents of this development are Nuclear Applications & Technology, Vol.8,
Published in February 1970 as eight reports.

【0005】溶融塩原子炉の研究のために建設され、運
転された7.3MW(t)の溶融塩実験炉で使用された
燃料塩は、中性子捕獲断面積が小さく、融点の低い化合
物を与える成分である質量数7のリチウム、ベリリウ
ム、及びジルコニウムの混合弗化物(LiF−BeF
−ZrF)を溶媒としており、その組成は、低い液
相温度(すなわち、冷却した時に最初に固相が析出する
温度)と粘度を与える条件である65−30−5mol
e%であり、燃料物質は4弗化ウラン(UF)0.9
mole%(233UFは0.3mole%)であ
り、液相温度は434℃であった。平均運転温度である
645℃における235Uの核分裂断面積は329×1
−24cmである。炉心の核的反応度を支配する巨
視的核分裂断面積は、単位体積中の溶媒分子密度3.3
×1022atoms/cmから求めた235U原子
密度0.99×1020atoms/cmを微視的核
分裂断面積に乗じて求められ、0.033cm−1であ
る。
Fuel salts used in a 7.3 MW (t) molten salt experimental reactor constructed and operated for molten salt reactor research gave compounds with a low neutron capture cross section and a low melting point. lithium mass number 7 is a component, beryllium, and mixtures fluorides zirconium (7 LiF-BeF
2- ZrF 4 ) as a solvent, and the composition thereof is a condition that gives a low liquidus temperature (that is, a temperature at which a solid phase is first precipitated when cooled) and viscosity are 65-30-5 mol.
e% and the fuel material is uranium tetrafluoride (UF 4 ) 0.9
Mole% ( 233 UF 4 is 0.3 mol%) and the liquidus temperature was 434 ° C. The fission cross section of 235 U at the average operating temperature of 645 ° C is 329 × 1
0 is -24 cm 2. The macroscopic fission cross section that governs the nuclear reactivity of the core is determined by the density of solvent molecules in a unit volume of 3.3.
It is 0.033 cm −1, which is obtained by multiplying the microscopic nuclear fission cross section by 235 U atom density 0.99 × 10 20 atoms / cm 3 obtained from × 10 22 atoms / cm 3 .

【0006】また、1000 MW(e)の溶融塩増殖
炉の燃料として提案された代表的な燃料塩における溶融
塩溶媒の組成は、上記の必要性を満足するために質量数
7のリチウム、ベリリウム、及びトリウムの混合弗化物
LiF−BeF−ThF)を溶媒としており、
その組成は72−16−12mole%であり、燃料物
質は4弗化ウラン(233UF)0.4mole%で
あり、液相温度は500℃であった。平均運転温度であ
る637℃における233Uの核分裂断面積は308×
10−24cmである。炉心の核的反応度を支配する
巨視的核分裂断面積は、単位体積中の溶媒分子密度3.
2×1022atoms/cmから求めた233U原
子密度1.28×1020atoms/cmを微視的
核分裂断面積に乗じて求められ、0.039cm−1
ある。
Further, the composition of the molten salt solvent in a typical fuel salt proposed as a fuel for a 1000 MW (e) molten salt breeder reactor is lithium and beryllium having a mass number of 7 in order to satisfy the above requirements. , And a mixed fluoride of thorium ( 7 LiF-BeF 2 -ThF 4 ) as a solvent,
Its composition was 72-16-12 mole%, the fuel material was uranium tetrafluoride ( 233 UF 4 ) 0.4 mole%, and the liquidus temperature was 500 ° C. The fission cross section of 233 U at average operating temperature of 637 ° C is 308 ×
It is 10 -24 cm 2 . The macroscopic fission cross section that governs the nuclear reactivity of the core is the density of solvent molecules in a unit volume.
It is 0.039 cm −1, which is obtained by multiplying the microscopic nuclear fission cross section by 233 U atom density 1.28 × 10 20 atoms / cm 3 obtained from 2 × 10 22 atoms / cm 3 .

【0007】溶融塩原子炉燃料から中性子捕獲断面積の
大きい希土類核分裂生成物を除去する方法として、希土
類3弗化物が固溶体として析出する現象を利用するため
に、希土類3弗化物の溶解度測定が行われた。また、溶
融塩増殖炉で233Uの濃度が高まるまでに使用済軽水
炉燃料から分離されたプルトニウムを燃料として運転す
る可能性を追求する開発において、LiF−BeF
ThF系溶媒における3弗化プルトニウム(Pu
)の溶解度測定が行われた。固溶体を形成する可能
性があるプルトニウムと希土類元素の3弗化物は溶解挙
動が類似し、陽イオンの径が小さいほど弗化物の溶解度
が高く、3弗化物の混合物においてそれぞれの3弗化物
の溶解度は単独の3弗化物の溶解度に濃度分率を乗じた
数値になり、超ウラン元素類3弗化物の溶解度は互いに
等しいなどの規則性が見出されている。また、3弗化物
の溶解度に及ぼす溶媒の組成や温度の影響が研究され、
LiF−BeF系溶媒において溶解度は67−33m
ole%の組成付近で極小となり、温度とともに増加す
ることが示された。
As a method for removing rare earth fission products having a large neutron capture cross section from molten salt reactor fuel, the solubility of rare earth trifluoride is measured in order to utilize the phenomenon that rare earth trifluoride precipitates as a solid solution. I was broken. Further, in the development of pursuing the possibility of operating the plutonium separated from spent LWR fuel before increasing the concentration of 233 U in the molten salt breeder reactor as fuel, LiF-BeF 2 -
Plutonium trifluoride (Pu) in ThF 4 type solvent
Solubility measurements of F 3) is performed. The dissolution behavior of plutonium and rare earth element trifluorides, which may form a solid solution, is similar, and the smaller the size of the cation, the higher the solubility of fluoride, and the solubility of each trifluoride in the mixture of trifluorides. Is a numerical value obtained by multiplying the solubility of a single trifluoride by the concentration fraction, and it has been found that the solubilities of transuranium element trifluorides are equal to each other and such regularity is found. In addition, the effects of solvent composition and temperature on the solubility of trifluoride have been studied,
Solubility is 67-33 m in LiF-BeF 2 system solvent
It has been shown that it becomes minimum near the composition of ole% and increases with temperature.

【0008】使用済軽水炉燃料から分離されたプルトニ
ウムのうち、核分裂性の239Puは58.8%、
241Puは12.1%であるとすれば、溶融塩増殖炉
の平均運転温度637℃において、プルトニウムの実効
核分裂断面積は317×10−2 cmであり、
233Uで運転される場合と巨視的断面積を等しくする
ためにPuFの濃度は0.39mole%あればよい
ことになる。溶融塩増殖炉の燃料塩温度は炉心への入り
口で最低である566℃となるため、余裕をみて516
℃におけるPuFの溶解度が0.39mole%以上
であればPuFを溶融塩増殖炉の初期運転燃料として
使用できる成立性があるものと考えられた。実際に、溶
融塩増殖炉燃料塩の溶媒であるLiF−BeF−Th
(72−16−12mole%)におけるPuF
の溶解度は516℃において0.68mole%であっ
た。
Of the plutonium separated from the spent LWR fuel, 58.8% was fissionable 239 Pu,
If 241 Pu are to be 12.1%, the average operating temperature 637 ° C. of the molten salt breeder reactor, the effective fission cross section plutonium is 317 × 10 -2 4 cm 2,
The concentration of PuF 3 should be 0.39 mole% in order to make the macroscopic cross section equal to that of the case of operating at 233 U. The fuel salt temperature of the molten salt breeder reactor is 566 ° C, which is the lowest at the entrance to the core.
If the solubility of PuF 3 at 0 ° C. is 0.39 mole% or more, it is considered that PuF 3 can be used as the initial operation fuel of the molten salt breeder reactor. Indeed, LiF-BeF 2 -Th a solvent of the molten salt breeder reactor fuel salt
F 4 PuF 3 in (72-16-12mole%)
Had a solubility of 0.68 mole% at 516 ° C.

【0009】最近になって、溶融塩原子炉は燃料の出し
入れが自由であることから、V. Prusakov, P. Aledsee
v, A. Dudnikov, S. Subbotin, R. Zakirov, V. Lelek,
andI. Peka, “Concept of the Demonstration Molten
Salt Unit for the Transuranium Elements Transmuta
tions,” ADTTA’99, June 6 - 11, 1999, Praha, Czec
h Republic, We-I-14に公刊されるように、Np、P
u、Am、Cmなどの熱中性子スペクトル中では核分裂
断面積が小さい核種を含む超ウラン元素を核分裂により
燃やしきる用途としての価値が認識されている。この場
合、核分裂断面積の大きい核種が優先的に核分裂するた
め、燃焼の進行につれて実効的な核分裂断面積が小さく
なり、炉心を臨界に保持するために必要な巨視的核分裂
断面積を与えるために燃料塩中の超ウラン元素3弗化物
濃度を高くする必要がある。また、燃料塩中に核分裂生
成物を含んだまま運転できれば化学処理コストを節約で
きるが、希土類核分裂生成物3弗化物の存在は超ウラン
元素3弗化物の許容濃度を低下させるため、超ウラン元
素3弗化物と希土類核分裂生成物3弗化物を総合して溶
解度を評価する必要があり、従来の溶融塩増殖炉におけ
る3弗化物の溶解度と比較して、さらに高い3弗化物の
溶解度が要求される。
Recently, since molten salt reactors can freely move fuel in and out, V. Prusakov, P. Aledsee
v, A. Dudnikov, S. Subbotin, R. Zakirov, V. Lelek,
andI. Peka, “Concept of the Demonstration Molten
Salt Unit for the Transuranium Elements Transmuta
tions, ”ADTTA'99, June 6-11, 1999, Praha, Czec
As published in h Republic, We-I-14, Np, P
In the thermal neutron spectrum of u, Am, Cm, etc., it is recognized as a value for use in burning out transuranium elements including nuclides having a small fission cross section by fission. In this case, since the nuclides with a large fission cross section preferentially fission, the effective fission cross section becomes smaller as the combustion progresses, and in order to give the macroscopic fission cross section necessary to keep the core critical. It is necessary to increase the concentration of transuranium trifluoride in the fuel salt. Further, if the fuel salt can be operated with the fission product contained, the chemical treatment cost can be saved. However, the presence of trifluoride, a rare earth fission product, lowers the permissible concentration of transuranium element trifluoride. It is necessary to evaluate the solubility of trifluoride and rare earth fission product trifluoride in a comprehensive manner, and higher solubility of trifluoride is required as compared with the solubility of trifluoride in the conventional molten salt breeder reactor. It

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、
iFとBeFの混合物からなる溶融塩溶媒に第3の成
分を添加し、かつ溶融塩溶媒の組成を望ましい液相温度
を与えるように調節することにより、溶融塩溶媒中の超
ウラン元素3弗化物及び核分裂生成物3弗化物の、一定
の温度における溶解度を高め、超ウラン元素の3弗化物
及び核分裂生成物の3弗化物を溶融塩原子炉の運転に必
要である適切な濃度で含む溶融塩原子炉燃料を提供する
ことにある。
The object of the present invention is to provide 7 L
By adding the third component to the molten salt solvent consisting of a mixture of iF and BeF 2 and adjusting the composition of the molten salt solvent to give the desired liquidus temperature, the transuranium trifluoride trifluoride in the molten salt solvent is adjusted. Of Fluoride and Fission Product Trifluoride at a constant temperature, and melting of the transuranium trifluoride and Fission Product Trifluoride in appropriate concentrations required for molten salt reactor operation To provide salt reactor fuel.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】原子炉が核的に成立する
ためには、核分裂によって炉心で発生する中性子数が炉
心から吸収及び漏洩で失われる中性子の数より多くなけ
ればならない。中性子の発生数は核分裂密度(fiss
ions/cm−s)と核分裂当たりの中性子発生数
の積で与えられ、核分裂密度は核分裂断面積と核分裂核
種密度の積である巨視的核分裂断面積に比例する。
In order for a nuclear reactor to be nuclearly established, the number of neutrons generated in the core by nuclear fission must be larger than the number of neutrons lost by absorption and leakage from the core. The number of neutrons generated depends on the fission density (fiss).
ions / cm 3 −s) and the number of neutrons generated per fission, and the fission density is proportional to the macroscopic fission cross section which is the product of the fission cross section and the fission nuclide density.

【0012】溶融塩原子炉の炉心における中性子の吸収
は、核分裂性核種の核分裂反応と捕獲反応、核分裂生成
物原子の捕獲反応、燃料塩溶媒の構成原子による捕獲反
応、及び黒鉛減速材原子による捕獲反応による吸収があ
る。これらは、いずれも核分裂或いは捕獲断面積と構成
原子密度の積である巨視的断面積に比例する。中性子の
反応断面積は絶対温度の平方根に反比例して減少し、例
えば650℃における反応断面積は熱中性子(293
K)反応断面積に(293/923)1/2を乗じて求
められ、必要に応じて熱外中性子による共鳴吸収断面積
の5%を追加する。
The absorption of neutrons in the core of a molten salt nuclear reactor is performed by fission reaction and capture reaction of fissionable nuclides, capture reaction of fission product atoms, capture reaction by constituent atoms of fuel salt solvent, and capture by graphite moderator atoms. There is absorption due to reaction. All of these are proportional to the macroscopic cross section, which is the product of fission or capture cross section and constituent atom density. The reaction cross section of the neutron decreases in inverse proportion to the square root of the absolute temperature. For example, the reaction cross section at 650 ° C. is the thermal neutron (293
K) Calculated by multiplying the reaction cross section by (293/923) 1/2 , and if necessary, add 5% of the resonance absorption cross section by epithermal neutrons.

【0013】中性子発生割合と中性子吸収割合の比は中
性子増倍係数であり、1より大きければ臨界となり原子
炉が成立する。中性子の漏洩は炉心の体系が大きければ
少ないが、4%を見込み、中性子増倍係数が1.04と
なることで原子炉が成立するものとする。
The ratio of the neutron generation rate to the neutron absorption rate is a neutron multiplication coefficient. If it is greater than 1, it becomes critical and the nuclear reactor is established. The leakage of neutrons is small if the core system is large, but it is assumed that the reactor will be established when the neutron multiplication factor becomes 1.04 with a probability of 4%.

【0014】通常の原子炉で使用される核分裂性物質の
650℃における核分裂断面積(共鳴吸収の5%を含む
場合)は、235U;342×10−24cm
233U;337×10−24cm239Pu;4
33×10−24cmなどであるが、本発明で核分裂
する対象はNp、Pu、Am、Cmなどの超ウラン元素
の同位元素の混合物であり、核分裂断面積の大きい同位
体は優先的に核分裂して失われる。このため、実効的な
核分裂断面積は同位体組成に依存して120×10
−24cm乃至13×10−24cmである。この
ように核分裂断面積の小さな物質の核分裂で臨界を保持
するためには核分裂性物質の高い濃度が必要である。
Of fissile materials used in conventional nuclear reactors
Fission cross section at 650 ° C (including 5% of resonance absorption
If)235U; 342 × 10-24cmTwo,
233U; 337 × 10-24cmTwo,239Pu; 4
33 x 10-24cmTwoBut fission in the present invention
The target is a transuranic element such as Np, Pu, Am, Cm.
Isotope mixture with a large fission cross section
The body preferentially fission and is lost. Therefore, effective
The fission cross section depends on the isotopic composition and is 120 × 10
-24cmTwoThrough 13 × 10-24cmTwoIs. this
Holds the criticality in the fission of materials with small fission cross section
To do this requires high concentrations of fissile material.

【0015】弗化物溶融塩中でウランは4価の原子価状
態が安定であり、UFとして存在し、溶解度の問題は
ないが、Np、Pu、Am、Cmなどの超ウラン元素は
3価の原子価状態が安定であり、中性子捕獲断面積が小
さいために弗化物溶融塩原子炉燃料の溶媒として重要な
LiF−BeF二成分系混合弗化物溶媒中において3
弗化物の溶解度は特に限定されている。
Uranium in the molten fluoride salt is stable in the tetravalent valence state and exists as UF 4 , and there is no problem of solubility, but transuranic elements such as Np, Pu, Am and Cm are trivalent. Has a stable valence state and a small neutron capture cross-section, so it is important as a solvent for fluoride molten salt nuclear reactor fuel in LiF-BeF 2 binary mixed fluoride solvent.
The solubility of fluorides is particularly limited.

【0016】LiF−BeF二成分系混合弗化物溶媒
中における超ウラン元素3弗化物と希土類元素3弗化物
の溶解挙動には以下のような規則性が知られている。 (1)結晶形が同じ3弗化物は固溶体を形成し、溶解挙
動が類似する。超ウラン元素3弗化物と希土類元素3弗
化物はともに六方晶系に属する結晶を与える。 (2)固溶体を形成する3弗化物の混合物において、特
定の3弗化物の溶解度は当該3弗化物が単独で存在する
場合の溶解度に固溶体中の組成分率を乗じて求められ
る。 (3)陽イオンの径が小さいほど3弗化物の溶解度は大
きい。3価の原子価状態にある希土類元素のイオン径は
3価の原子価状態にある超ウラン元素のイオン径より小
さいので、希土類元素3弗化物の溶解度は超ウラン元素
3弗化物の溶解度と等しいものとすれば控えめである。 (4)超ウラン元素類3弗化物の溶解度はそれぞれ殆ど
等しい。 (5)PuFやCeFの溶解度はLiF−BeF
(63−37mole%)の組成において極小となり、
LiFが67mole%以上に増えると急に増加する
が、BeFが37mole%以上に増えても増加は少
ない。
[0016] LiF-BeF 2 is the dissolution behavior of transuranic elements 3 fluoride and rare earth elements 3 fluoride in the binary system mixed fluorides solvent known regularity as follows. (1) Trifluorides of the same crystal form form a solid solution and have similar dissolution behavior. Both transuranium trifluoride and rare earth trifluoride give crystals belonging to the hexagonal system. (2) In a mixture of trifluorides forming a solid solution, the solubility of a specific trifluoride is obtained by multiplying the solubility when the trifluoride is present alone by the composition fraction in the solid solution. (3) The smaller the diameter of the cation, the greater the solubility of trifluoride. Since the ion diameter of the rare earth element in the trivalent valence state is smaller than the ion diameter of the transuranium element in the trivalent valence state, the solubility of the rare earth element trifluoride is equal to the solubility of the transuranium element trifluoride. If anything, it is modest. (4) Solubility of trans-uranium element trifluoride is almost equal. (5) The solubility of PuF 3 and CeF 3 is LiF-BeF 2
It becomes a minimum in the composition of (63-37 mole%),
When LiF is increased to 67 mole% or more, it is rapidly increased, but even when BeF 2 is increased to 37 mole% or more, the increase is small.

【0017】請求項1の発明は上記(1)乃至(5)の
規則性に加えて以下の規則性に由来する。 (6)LiF−BeF系混合物のBeFをZrF
で置換すると3弗化物の溶解度が増加する。LiF−B
eF系混合物中のBe2+のイオンポテンシャル(原
子価/イオン半径)である6よりは、Zr4+のイオン
ポテンシャルである4がPu3+やCe3+のイオンポ
テンシャルである3に近いためであると考えられる。 (7)LiF−BeF−ZrF系混合物中で2Li
F−BeF錯体及びLiZrF錯体が存在すると
想定した場合の遊離弗素イオン(F)量に依存して3
弗化物の溶解度が増加する。
The invention of claim 1 is derived from the following regularity in addition to the regularities of (1) to (5) above. (6) ZrF the BeF 2 of LiF-BeF 2 based mixture 4
Substitution with 3 increases the solubility of the trifluoride. LiF-B
This is because the ion potential 4 of Zr 4+ is closer to the ion potential 3 of Pu 3+ and Ce 3+ rather than the ion potential (valence / ion radius) of Be 2+ of 6 in the eF 2 mixture. Conceivable. (7) 2Li with LiF-BeF 2 -ZrF 4 based mixture
3 depending on the amount of free fluorine ion (F ) when it is assumed that the F-BeF 2 complex and the Li 2 ZrF 6 complex are present.
The solubility of fluoride increases.

【0018】請求項1の発明に係る溶融塩原子炉燃料
は、LiFとBeFからなる溶融塩溶媒にZrF
を添加し、溶媒の液相温度が500℃より低くなるよう
に3成分の組成を調節することにより、溶媒の液相温度
より低くない500℃において超ウラン元素3弗化物と
核分裂生成物3弗化物の溶解度の高い溶融塩溶媒からな
るものであり、溶媒の組成がLiF−BeF−Zr
三成分系の相状態図上において75−5−20mo
le%、61−11−20mole%、67−33−0
mole%、及び69−31−0mole%の点を順次
に結ぶ4角形の範囲内であり、液相温度が500℃より
低く、使用温度が500℃より高いことを特徴とするも
のである。
The molten salt reactor fuel according to the invention of claim 1 is a molten salt solvent consisting of 7 LiF and BeF 2 in ZrF 4
Is added, and the composition of the three components is adjusted so that the liquidus temperature of the solvent is lower than 500 ° C., so that the transuranium element trifluoride and the fission product trifluoride are heated at 500 ° C. which is not lower than the liquidus temperature of the solvent. It is composed of a molten salt solvent having a high solubility of the compound, and the composition of the solvent is 7 LiF-BeF 2 -Zr.
75-5-20mo on the phase diagram of the F 4 ternary system
le%, 61-11-20 mole%, 67-33-0
It is within the range of a quadrangle connecting the points of mole% and 69-31-0 mole% in sequence, the liquidus temperature is lower than 500 ° C, and the working temperature is higher than 500 ° C.

【0019】図1のLiF−BeF−ZrF三成分
系の相状態図で示されるようにLiF組成が増加すると
液相温度が高くなるため、LiF組成の上限は原子炉の
運転条件で許される燃料塩の液相最高温度で定まる。炉
心を循環する燃料塩の最低運転温度が550℃である場
合に、許容される燃料塩の液相最高温度は500℃であ
るため、LiF組成の上限は500℃より低い液相温度
を与えるものでなければならない。具体的に、LiF組
成の上限はZrFの組成に依存して異なり、69mo
le%からZrF組成の1mole%の増加当たりに
0.33mole%ずつ増加する。LiF組成の下限は
特に限定すべき理由はなく、LiF組成が約50mol
e%程度に低下すればLiF−BeF系混合物の液相
温度は400℃以下に低下するが、BeF組成の増加
に伴い溶融塩の粘度が増加するため、LiF組成として
67mole%を下限とする。
[0019] Since the liquidus temperature LiF composition increases as shown in the phase diagram of the LiF-BeF 2 -ZrF 4 ternary system of FIG. 1 is increased, the upper limit of LiF composition allowed by the operating conditions of the reactor It is determined by the maximum liquidus temperature of the fuel salt. When the minimum operating temperature of the fuel salt circulating in the core is 550 ° C, the maximum liquidus temperature of the fuel salt allowed is 500 ° C, so the upper limit of the LiF composition gives a liquidus temperature lower than 500 ° C. Must. Specifically, the upper limit of the LiF composition differs depending on the composition of ZrF 4 , and is 69 mo
From le% to 0.33 mole% per 1 mole% increase of ZrF 4 composition. The lower limit of the LiF composition is not particularly limited, and the LiF composition is about 50 mol.
If it decreases to about e%, the liquidus temperature of the LiF—BeF 2 system mixture decreases to 400 ° C. or lower, but since the viscosity of the molten salt increases with the increase of the BeF 2 composition, the lower limit is 67 mole% as the LiF composition. To do.

【0020】また、図1に示されるようにZrF組成
がある程度以上に増加すると液相温度が高くなり、Li
F組成の上限と同じように500℃より低い液相温度を
与えるものでなければならない。具体的には、ZrF
組成の上限は20mole%である。ZrFの下限は
LiF組成に対応して500℃より低い液相温度を与え
るものでなければならない。具体的には、LiF組成が
69mole%から1mole%の増加当たりにZrF
組成の下限は3mole%ずつ増加する。
Further, as shown in FIG. 1, when the ZrF 4 composition increases above a certain level, the liquidus temperature rises, and Li
It should give a liquidus temperature below 500 ° C. as well as the upper limit of F composition. Specifically, ZrF 4
The upper limit of the composition is 20 mole%. The lower limit of ZrF 4 should be one which gives a liquidus temperature below 500 ° C., corresponding to the LiF composition. Specifically, ZrF increases with increasing LiF composition from 69 mole% to 1 mole%.
The lower limit of the four compositions increases by 3 mole%.

【0021】BeFを置換するZrFの熱中性子捕
獲断面積(0.18×10−24cm)がBeF
熱中性子捕獲断面積(0.01×10−24cm)に
比較して18倍と高く、標準的なLiF−BeF
(67−33mole%)の熱中性子捕獲断面積
(0.025×10−24cm)に対して、全てのB
eFをZrFで置換したとすれば熱中性子捕獲断面
積(0.082×10−24cm)は3.32倍に増
加する。このため溶融塩原子炉燃料の溶媒として許容さ
れる熱中性子捕獲断面積の点からZrF組成の上限が
定められる。さらに、BeFの分子容積(23.67
cm/mole)と比較してZrFの分子容積(3
7.75cm/mole)は1.6倍と大きく、標準
的なLiF−BeF(67−33mole%)の分
子容積(14.41cm/mole)に対して、全て
のBeFをZrFで置換したとすれば分子容積(1
9.05cm/mole)は1.3倍に大きく、単位
体積の燃料塩溶媒に含まれる分子数は0.76倍に低下
する。これは、LiF−BeF(67−33mol
e%)溶媒中と同じmole濃度においても、単位体積
LiF−ZrF(67−33mole%)溶媒中
の溶質分子数は0.67倍に少ないことを意味する。
The thermal neutron capture cross section (0.18 × 10 −24 cm 2 ) of ZrF 4 substituting BeF 2 is compared with the thermal neutron capture cross section of BeF 2 (0.01 × 10 −24 cm 2 ). 18 times higher and standard 7 LiF-BeF
2 (67-33 mole%) for the thermal neutron capture cross section (0.025 × 10 −24 cm 2 ) for all B
If eF 2 is replaced with ZrF 4 , the thermal neutron capture cross section (0.082 × 10 −24 cm 2 ) is increased by 3.32 times. For this reason, the upper limit of the ZrF 4 composition is determined in terms of the thermal neutron capture cross-section allowed as a solvent for the molten salt reactor fuel. Furthermore, the molecular volume of BeF 2 (23.67
cm 3 / mole) compared to the molecular volume of ZrF 4 (3
7.75 cm 3 / mole) is as large as 1.6 times, and all of BeF 2 is added to ZrF with respect to the standard 7 LiF-BeF 2 (67-33 mole%) molecular volume (14.41 cm 3 / mole). If replaced by 4 , the molecular volume (1
(9.05 cm 3 / mole) is 1.3 times larger, and the number of molecules contained in a unit volume of the fuel salt solvent is 0.76 times lower. This is 7 LiF-BeF 2 (67-33 mol
e%) Even at the same mole concentration as in the solvent, it means that the number of solute molecules in the unit volume of 7 LiF-ZrF 4 (67-33 mole%) solvent is 0.67 times smaller.

【0022】溶融塩原子炉燃料と原子炉構成材料の共存
性に関わる制限から、燃料塩の許容最高温度は約700
℃である。燃料塩溶媒の最低液相温度及び超ウラン元素
3弗化物の溶解度評価温度が500℃であることは、燃
料塩の最低温度が余裕をみて550℃まで許容され、熱
交換器の高温側と低温側で150℃の温度を与えること
ができ、発電設備としての熱効率は44.4%に達する
ことができる。
Due to the restrictions relating to the coexistence of molten salt reactor fuel and reactor constituent materials, the maximum allowable temperature of fuel salt is about 700.
℃. The minimum liquidus temperature of the fuel salt solvent and the solubility evaluation temperature of transuranium trifluoride of 500 ° C allow the minimum temperature of the fuel salt to 550 ° C with a margin, and the high temperature side and the low temperature side of the heat exchanger. The temperature of 150 ° C. can be applied on the side, and the thermal efficiency of the power generation equipment can reach 44.4%.

【0023】請求項2の発明は上記(1)乃至(7)の
規則性に加えて以下の規則性に由来する。 (8)LiF−BeF(67−33mole%)の組
成において超ウラン元素3弗化物の溶解熱は14.2k
cal/moleであり、温度が500℃から550℃
に上昇すると超ウラン元素3弗化物の溶解度は1.5倍
に増加する。
The invention of claim 2 is derived from the following regularity in addition to the regularities of (1) to (7). (8) In the composition of LiF-BeF 2 (67-33 mole%), the heat of solution of transuranium trifluoride is 14.2 k.
cal / mole, temperature is from 500 ° C to 550 ° C
The solubility of trans-uranium element trifluoride increases 1.5 times as much as.

【0024】請求項2の発明に係る溶融塩原子炉燃料
は、LiFとBeFからなる溶融塩溶媒にZrF
を添加し、溶媒の液相温度が550℃より低くなるよう
に3成分の組成を調節することにより、溶媒の液相温度
より低くない550℃において超ウラン元素3弗化物と
核分裂生成物3弗化物の溶解度の高い溶融塩溶媒からな
るものであり、溶媒の組成がLiF−BeF−Zr
三成分系の相状態図上において77−3−20mo
le%、61−11−20mole%、67−33−0
mole%、及び71−29−0mole%の点を順次
に結ぶ4角形の範囲内であり、液相温度が550℃より
低く、使用温度が550℃より高いことを特徴とするも
のである。
The molten salt nuclear reactor fuel according to the invention of claim 2 is a molten salt solvent composed of 7 LiF and BeF 2 in ZrF 4
Is added and the composition of the three components is adjusted so that the liquidus temperature of the solvent is lower than 550 ° C., so that the transuranic element trifluoride and the fission product trifluoride are heated at 550 ° C. which is not lower than the liquidus temperature of the solvent. It is composed of a molten salt solvent having a high solubility of the compound, and the composition of the solvent is 7 LiF-BeF 2 -Zr.
77-3-20mo on the phase diagram of the F 4 ternary system
le%, 61-11-20 mole%, 67-33-0
It is within the range of a quadrangle connecting the points of mole% and 71-29-0 mole% in sequence, the liquidus temperature is lower than 550 ° C, and the working temperature is higher than 550 ° C.

【0025】図2のLiF−BeF−ZrF三成分
系の相状態図で示されるようにLiF組成が増加すると
液相温度が高くなるため、LiF組成の上限は原子炉の
運転条件で許される燃料塩の許容液相最高温度で定ま
る。炉心を循環する燃料塩の最低運転温度が600℃で
ある場合に、燃料塩の液相最高温度は550℃まで許さ
れ、LiF組成の上限は550℃までの液相温度を与え
るものであってよい。具体的には、請求項1の発明と比
較して、LiF組成の上限は約2mole%高くなる。
LiF組成の下限は特に限定すべき理由はないが、請求
項1の発明と同様に67mole%を下限とする。
[0025] Since the liquidus temperature LiF composition increases as shown in the phase diagram of the LiF-BeF 2 -ZrF 4 ternary system of FIG. 2 is high, the upper limit of LiF composition allowed by the operating conditions of the reactor Determined by the maximum allowable liquidus temperature of the fuel salt When the minimum operating temperature of the fuel salt circulating in the core is 600 ° C., the maximum liquidus temperature of the fuel salt is allowed up to 550 ° C., and the upper limit of the LiF composition gives the liquidus temperature up to 550 ° C. Good. Specifically, the upper limit of the LiF composition is about 2 mole% higher than that of the invention of claim 1.
Although there is no particular reason for limiting the lower limit of the LiF composition, the lower limit is 67 mole% as in the first aspect of the invention.

【0026】また、図1に示されるようにZrF組成
がある程度以上に増加すると液相温度が高くなるが、L
iF組成が67乃至69mole%であれば550℃ま
での液相温度を与えるためにZrF組成の上限は25
mole%まで許される。しかし、請求項1の発明と同
様の理由によってZrF組成の上限が制限される。ま
た、請求項1の発明と同様の理由によってLiF組成の
上限においてZrF組成の下限は550℃より低い液
相温度を与えるものでなければならない。
Further, as shown in FIG. 1, when the ZrF 4 composition increases to a certain extent or more, the liquidus temperature rises.
When the iF composition is 67 to 69 mole%, the upper limit of the ZrF 4 composition is 25 in order to give a liquidus temperature up to 550 ° C.
It is allowed up to mole%. However, the upper limit of the ZrF 4 composition is limited for the same reason as in the invention of claim 1. Further, for the same reason as in the invention of claim 1, the lower limit of the ZrF 4 composition must be such that the liquidus temperature is lower than 550 ° C. at the upper limit of the LiF composition.

【0027】溶融塩原子炉燃料と原子炉構成材料の共存
性に関わる制限から、燃料塩の許容最高温度は約700
℃である。燃料塩溶媒の最低液相温度及び超ウラン元素
3弗化物の溶解度評価温度が550℃であることは、燃
料塩の最低温度が余裕をみて600℃まで許容され、熱
交換器の高温側と低温側で100℃の温度を与えること
ができ、発電設備としての熱効率は42%に達すること
ができる。
Due to the limitation on the coexistence of the molten salt reactor fuel and the constituent materials of the reactor, the maximum allowable temperature of the fuel salt is about 700.
℃. The minimum liquidus temperature of the fuel salt solvent and the solubility evaluation temperature of transuranium trifluoride of 550 ° C allow the minimum temperature of the fuel salt to be 600 ° C with a margin, and the high temperature side and low temperature of the heat exchanger. The temperature of 100 ° C. can be applied on the side, and the thermal efficiency of the power generation equipment can reach 42%.

【0028】請求項3の発明は、上記(1)乃至(5)
及び(8)の規則性に加えて以下の規則性に由来する。 (9)LiF−BeF二成分系混合物のBeFをT
hFで置換すると3弗化物の溶解度が増加する。Li
F−BeF二成分系混合物中のBe2+のイオンポテ
ンシャル(原子価/イオン半径)である6よりは、Th
4+のイオンポテンシャルである4がPu3+やCe
3+のイオンポテンシャルである3に近いためであると
考えられる。 (10)LiF−BeF−ThF三成分系混合物中
で2LiF−BeF錯体及びLiThF錯体が存在
すると想定した場合の遊離弗素イオン(F)量に依存
して3弗化物の溶解度が増加する。
The invention of claim 3 is based on the above (1) to (5).
In addition to the regularity of (8), it derives from the following regularity. (9) the BeF 2 of LiF-BeF 2 two-component mixtures T
Substitution with hF 4 increases the solubility of trifluoride. Li
Th, rather than 6, which is the ionic potential (valence / ion radius) of Be 2+ in the F-BeF 2 binary mixture.
4 which is the ion potential of 4+ is Pu 3+ or Ce.
It is considered that this is because it is close to 3 which is the ion potential of 3+ . (10) The solubility of trifluoride depends on the amount of free fluoride ion (F ) when it is assumed that 2LiF-BeF 2 complex and LiThF 5 complex are present in the LiF-BeF 2 -ThF 4 ternary mixture. To increase.

【0029】請求項3の発明に係る溶融塩原子炉燃料
は、LiFとBeFからなる溶融塩溶媒にThF
を添加し、溶媒の液相温度が550℃と500℃の範囲
になるように3成分の組成を調節することにより、溶媒
の液相温度より低くない550℃において超ウラン元素
3弗化物と核分裂生成物3弗化物の溶解度が高く、23
Uを核分裂性物質として継続的に補充できる溶融塩溶
媒からなるものであり、溶媒の組成がLiF−BeF
−ThF三成分系の相状態図上において76−6−
18mole%、69−31−0mole%、及び71
−29−0mole%の点を順次に結ぶ3角形の範囲内
であり、液相温度が500℃と550℃の範囲内であ
り、使用温度が550℃より高いことを特徴とするもの
である。
The molten salt nuclear reactor fuel according to the invention of claim 3 is a molten salt solvent consisting of 7 LiF and BeF 2 in ThF 4
Is added, and the composition of the three components is adjusted so that the liquidus temperature of the solvent is in the range of 550 ° C. and 500 ° C. High solubility of the product trifluoride, 23
It is composed of a molten salt solvent capable of continuously replenishing 3 U as a fissile material, and the composition of the solvent is 7 LiF-BeF.
76-6- on the phase diagram of the 2- ThF 4 ternary system
18 mole%, 69-31-0 mole%, and 71
It is characterized in that it is within the range of a triangle connecting the points of -29-0 mole% sequentially, the liquidus temperature is within the range of 500 ° C and 550 ° C, and the operating temperature is higher than 550 ° C.

【0030】図3のLiF−BeF−ThF三成分
系の相状態図で示されるようにLiF組成が増加すると
液相温度が高くなるため、LiF組成の上限は原子炉の
運転条件で許される燃料塩の液相最高温度で定まる。炉
心を循環する燃料塩の最低運転温度が600℃である場
合に、燃料塩の液相最高温度は550℃まで許され、L
iF組成の上限は550℃までの液相温度を与えるもの
であってよい。具体的には、LiF組成の上限はThF
の組成に依存して異なり、71mole%からThF
組成の1mole%の増加当たりに0.22mole
%ずつ増加する。請求項3の発明においてLiF−Be
−ThF三成分系混合物の液相温度は550℃と
500℃の間の範囲に限定しているのでLiF組成の下
限は69mole%に限定される。
As shown in the phase diagram of the LiF-BeF 2 -ThF 4 ternary system in FIG. 3, the liquidus temperature increases as the LiF composition increases, so the upper limit of the LiF composition is allowed under the operating conditions of the reactor. It is determined by the maximum liquidus temperature of the fuel salt. When the minimum operating temperature of the fuel salt circulating in the core is 600 ° C, the maximum liquidus temperature of the fuel salt is allowed up to 550 ° C.
The upper limit of the iF composition may give a liquidus temperature of up to 550 ° C. Specifically, the upper limit of the LiF composition is ThF.
Depends on the composition of No. 4 , from 71 mole% to ThF
0.22 mole per 1 mole% increase of 4 compositions
Increase by%. In the invention of claim 3, LiF-Be
Since the liquidus temperature of the F 2 -ThF 4 ternary mixture is limited to the range between 550 ° C. and 500 ° C., the lower limit of the LiF composition is limited to 69 mole%.

【0031】また、図3に示されるようにThF組成
がある程度以上に増加すると液相温度が高くなるが、L
iF組成が69乃至75mole%であれば550℃ま
での液相温度を与えるためにThF組成の上限は18
mole%まで許される。ThFの下限はLiF組成
に対応して550℃より低い液相温度を与えるものでな
ければならない。具体的には、LiF組成が71mol
e%から1mole%の増加当たりにThF組成の下
限は4.5mole%ずつ増加する。
Further, as shown in FIG. 3, when the ThF 4 composition increases above a certain level, the liquidus temperature rises.
When the iF composition is 69 to 75 mole%, the upper limit of the ThF 4 composition is 18 in order to give a liquidus temperature up to 550 ° C.
It is allowed up to mole%. The lower limit of ThF 4 should be one which gives a liquidus temperature below 550 ° C., corresponding to the LiF composition. Specifically, the LiF composition is 71 mol
The lower limit of the ThF 4 composition increases by 4.5 mole% per 1 mole% increase from e%.

【0032】ThFは単にBeFを置換して3弗化
物の溶解度を高めるだけでなく、 32Thは熱中性子
を捕獲(熱中性子捕獲断面積7.4×10−24 cm
)して233Paを生成し、233Paはβ崩壊して
233Uとなり核分裂するために増殖物質である。
233UはUFとして溶媒に溶解するが、3弗化物の
溶解度に影響を与えることはない。溶融塩増殖炉燃料と
してはThF組成として12mole%が提案されて
いたが、増殖を目的とせず232Thから生成する
233Uを過不足なく燃焼する原子炉としてはThF
組成は10%であればよい。この条件においては、生成
する233U量は原子炉内で燃焼する233U量と釣り
合い、本発明の利用分野である超ウラン元素を効率よく
核分裂させる原子炉の燃料塩としては不都合になる。し
かし、核分裂断面積が大きく、核分裂し易い超ウラン核
種が先行して核分裂し、吸収断面積に占める核分裂断面
積の比率が小さくなった超ウラン核種を核分裂させて低
い濃度にまで減量する原子炉においては232Thから
生成した233Uの核分裂によって発生する中性子を有
効に利用できる。
ThFFourIs simply BeFTwoTo replace trifluoride
Not only to increase the solubility of things,Two 32Th is thermal neutron
Capture (thermal neutron capture cross section 7.4 x 10-24cm
Two)do it233Generate Pa,233Pa decays by β
233It becomes U and is a proliferative substance because it undergoes nuclear fission.
233U is UFFourDissolves in a solvent as
It does not affect the solubility. Molten salt breeder fuel
Then ThFFour12 mole% was proposed as the composition
But did not aim for proliferation232Generate from Th
233ThF as a nuclear reactor that burns U without excess or deficiencyFour
The composition may be 10%. Under this condition,
Do233U amount burns in the reactor233U amount and fishing
Therefore, the transuranic element, which is the field of application of the present invention, can be efficiently used.
It is inconvenient as a fuel salt for nuclear fission reactors. Shi
However, transuranic nuclei with large fission cross section and easy fission
The fission section that the species precedes fission and occupies in the absorption cross section
Transuranic nuclides with reduced product ratio are fission-induced
In a nuclear reactor that reduces to a high concentration232From Th
Generated233The neutrons generated by the fission of U
It can be used effectively.

【0033】BeFを置換するThFの熱中性子捕
獲断面積(7.4×10−24cm )がBeFの熱
中性子捕獲断面積(0.01×10−24cm)に比
較して740倍と高く、標準的なLiF−BeF
(67−33mole%)の熱中性子捕獲断面積
(0.025×10−24cm)に対して、10%の
BeF をZrFで置換したとして熱中性子捕獲断面
積(0.76×10−24cm )は約30倍に増加す
る。高い中性子捕獲断面積は高い233U収率を意味
し、平衡233U濃度の下で超ウラン元素の燃焼が行え
なくなる。一方、平衡23 U濃度に達するまでは、炉
心の寄生的中性子捕獲を補償するために3弗化物を構成
する超ウラン元素の負荷濃度をさらに高めなければなら
ない。従って、溶融塩原子炉燃料の溶媒として許容され
る熱中性子捕獲断面積の点からThF組成の上限が制
限される。さらに、BeFの分子容積(23.67c
/mole)と比較してThFの分子容積(4
4.27cm/mole)は1.87倍と大きく、標
準的なLiF−BeF(67−33mole%)の
分子容積(14.41cm/mole)に対して10
mole%のBeFをThFで置換したとすれば分
子容積(16.47cm/mole)は1.14倍に
大きく、単位体積の燃料塩溶媒に含まれる分子数は0.
875倍に低下する。これは、LiF−BeF(6
7−33mole%)溶媒中と同じmole濃度におい
ても、単位体積のLiF−BeF−ThF(67
−23−10mole%)溶媒中の溶質分子数は0.8
75倍に少ないことを意味する。
BeFTwoReplacing ThFFourThermal neutron capture
Cross-sectional area of catch (7.4 × 10-24cm Two) Is BeFTwoHeat of
Neutron capture cross section (0.01 × 10-24cmTwo) To
740 times higher than the standard7LiF-BeF
TwoThermal neutron capture cross section of (67-33 mole%)
(0.025 x 10-24cmTwo) Of 10%
BeF TwoZrFFourThermal neutron capture cross section
Product (0.76 × 10-24cm Two) Increases about 30 times
It High neutron capture cross section is high233U yield means
And equilibrate233It is possible to burn transuranium elements under U concentration.
Disappear. On the other hand, equilibrium23 ThreeFurnace until U concentration is reached
Construct trifluoride to compensate for parasitic neutron capture in the heart
The load concentration of transuranic elements must be further increased
Absent. Therefore, it is acceptable as a solvent for molten salt reactor fuel.
From the point of thermal neutron capture cross sectionFourThe upper limit of composition is controlled
Limited Furthermore, BeFTwoMolecular volume of (23.67c
mThree/ Mole) compared to ThFFourMolecular volume of (4
4.27 cmThree/ Mole) is as large as 1.87 times,
Quasi7LiF-BeFTwo(67-33 mole%)
Molecular volume (14.41 cmThree/ Mole) for 10
mole% BeFTwoThFFourIf you replace with
Child volume (16.47 cmThree/ Mole) is 1.14 times
The number of molecules contained in a large unit fuel salt solvent is 0.
875 times. this is,7LiF-BeFTwo(6
7-33 mole%) At the same mole concentration as in the solvent
Even of unit volume7LiF-BeFTwo-ThFFour(67
The number of solute molecules in the solvent is 0.8.
It means 75 times less.

【0034】溶融塩原子炉燃料と原子炉構成材料の共存
性に関わる制限から、燃料塩の許容最高温度は約700
℃である。燃料塩溶媒の最低液相温度及び超ウラン元素
3弗化物の溶解度評価温度が550℃であることは、燃
料塩の最低温度が余裕をみて600℃まで許容され、熱
交換器の高温側と低温側で100℃の温度を与えること
ができ、発電設備としての熱効率は42%に達すること
ができる。
Due to the restrictions relating to the coexistence of molten salt reactor fuel and reactor constituent materials, the maximum allowable temperature of fuel salt is about 700.
℃. The minimum liquidus temperature of the fuel salt solvent and the solubility evaluation temperature of transuranium trifluoride of 550 ° C allow the minimum temperature of the fuel salt to be 600 ° C with a margin, and the high temperature side and low temperature of the heat exchanger. The temperature of 100 ° C. can be applied on the side, and the thermal efficiency of the power generation equipment can reach 42%.

【0035】請求項4の発明に係る溶融塩原子炉燃料
は、請求項3の発明に係る溶融塩原子炉燃料において、
超ウラン元素を効果的に燃焼するために適当な量にTh
の添加加量を低減したときに超ウラン元素3弗化物
の溶解度を大きくするために必要なThFの添加量に
達しないという点に鑑みてなされ、請求項3の発明に係
る溶融塩原子炉燃料におけるThFの一部をZrF
で置換することにより、溶媒の液相温度より低くない5
50℃において超ウラン元素3弗化物の溶解度を高く保
ちながら、ThF量を低減し、233Uの補充量を制
限して超ウラン元素の燃焼率を高めることができる溶融
塩溶媒からなるものである。
The molten salt reactor fuel according to the invention of claim 4 is the molten salt reactor fuel according to the invention of claim 3,
Th should be contained in an appropriate amount to effectively burn transuranium elements.
The molten salt raw material according to the invention of claim 3, which is made in view of the fact that when the addition amount of F 4 is reduced, the addition amount of ThF 4 necessary for increasing the solubility of transuranium trifluoride is not reached. ZrF 4 is used as a part of ThF 4 in the reactor fuel.
Is not lower than the liquidus temperature of the solvent by replacing with 5
It consists of a molten salt solvent capable of reducing the amount of ThF 4 and limiting the replenishment amount of 233 U to increase the burning rate of transuranium element while maintaining high solubility of transuranic element trifluoride at 50 ° C. is there.

【0036】これによって、燃料塩内の超ウラン元素濃
度を高めて233Uの核分裂に対する超ウラン元素の核
分裂割合を高めることができる。また、過剰のThF
をZrFで置換することにより、溶媒の捕獲断面積が
低下して中性子増倍係数が高くなり、燃料塩中に核分裂
生成物を含めることが可能になる。
As a result, it is possible to increase the transuranic element concentration in the fuel salt and increase the fission ratio of the transuranic element to the 233 U fission. In addition, excess ThF 4
By substituting ZrF 4 for ZrF 4 , the capture cross section of the solvent is reduced, the neutron multiplication factor is increased, and it becomes possible to include fission products in the fuel salt.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】実施の形態1.本発明の実施の形
態1による溶融塩原子炉燃料は、図1に示すLiF−B
eF −ZrF三成分系の組成と液相温度と等高線を
示す部分的な相状態図上での液相温度が500℃より低
く、450℃より高い組成範囲で示される。その組成範
囲から採取した標本についての各成分のmole%組
成、溶媒の熱中性子捕獲断面積、LiBeFとLi
ZrFが生成するとして求めた遊離弗素イオン数、
1グラム分子の溶媒が500℃において占める分子容積
値、溶液中のPu濃度比[Pu]/[Li+Be+Zr
+Pu]mole%と定義される500℃におけるPu
の溶解度、単位容積の溶媒中のPuグラム分子量と
定義される500℃におけるPuFの溶解度をそれぞ
れ表1に示す。表1の各組成に相当する標本番号を図1
に示す。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiment 1. Mode for Carrying Out the Invention
The molten salt reactor fuel according to state 1 is LiF-B shown in FIG.
eF Two-ZrFFourThe composition of the ternary system, the liquidus temperature and the contour line
The liquidus temperature on the partial phase diagram shown is lower than 500 ° C.
The composition range is higher than 450 ° C. Its composition range
Mole% set of each component for the sample collected from the box
Formation, thermal neutron capture cross section of solvent, LiTwoBeFFourAnd Li
TwoZrF6, The number of free fluorine ions obtained as
Molecular volume occupied by solvent of 1 gram molecule at 500 ℃
Value, Pu concentration ratio in solution [Pu] / [Li + Be + Zr
+ Pu] Mole% Pu at 500 ° C.
FThreeAnd the molecular weight of Pu gram in a unit volume of solvent
PuF at 500 ° C definedThreeSolubility
This is shown in Table 1. Figure 1 shows the sample numbers corresponding to each composition in Table 1.
Shown in.

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】以下、各条件下での計算結果について説明
する。
The calculation results under each condition will be described below.

【0040】条件1−1 黒鉛減速材と炉心容積比が10%である平均温度650
℃の燃料塩(溶媒塩の巨視的捕獲断面積[0.0141
×10−24cm][3.66×1022atom/
cm][0.1]=0.000052cm−1)で構
成される溶融塩原子炉において、実効核分裂断面積が1
19×10−24cm、実効捕獲断面積が169×1
−24cmであり、中性子収率が2.96である超
ウラン元素が核分裂する場合に、核分裂生成物が常時除
去されていて存在しなければ、超ウラン元素濃度が0.
6×1020atoms/cm(1.00×10−4
mole/cm)において炉心の巨視的核分裂断面積
が0.00071cm−1、巨視的捕獲断面積が0.0
0101cm−1であり、中性子増倍係数が1.04と
なり臨界に達する。
[0040]Condition 1-1 Average temperature 650 with graphite moderator and core volume ratio of 10%
℃ fuel salt (solvent salt macroscopic capture cross section [0.0141
× 10-24cmTwo] [3.66 × 1022atom /
cmThree] [0.1] = 0.000052cm-1)
The effective molten fission cross section is 1 in the molten salt reactor
19 x 10-24cmTwo, Effective capture cross section is 169 × 1
0-24cmTwoAnd the neutron yield is 2.96
When the uranium element undergoes fission, fission products are always removed.
If it is removed and does not exist, the transuranic element concentration is 0.
6 x 1020atoms / cmThree(1.00 x 10-4
mole / cmThree) The macroscopic fission cross section of the core
Is 0.00071 cm-1, The macroscopic capture cross section is 0.0
0101 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.04
Reaches criticality.

【0041】この超ウラン元素3弗化物濃度は標本番号
1の67%LiF−33%BeF−0%ZrFの溶
解度1.15×10−4mole/cm(0.69×
10 20atoms/cm)によって満足できる。
This transuranium trifluoride concentration is the sample number
1 67% LiF-33% BeFTwo-0% ZrFFourMelting
Resolution 1.15 × 10-4mole / cmThree(0.69 x
10 20atoms / cmThree) Can be satisfied.

【0042】条件1−2 黒鉛減速材と炉心容積比が10%である平均温度650
℃の燃料塩(溶媒塩の巨視的捕獲断面積[0.0248
×10−24cm][3.22×1022atom/
cm][0.1]=0.000080cm−1)で構
成される溶融塩原子炉において、実効核分裂断面積が1
19×10−24cm、実効捕獲断面積が169×1
−24cmであり、中性子収率が2.96である超
ウラン元素が核分裂する場合に、実効捕獲断面積6×1
−24cmの核分裂生成物が炉心熱出力密度19.
5W/cm(5.93×1011fissions/
cm−s)で1.0×10sの運転によって蓄積し
て燃料塩(炉心外を含む)中濃度が2.51×1020
atoms/cmであれば炉心巨視的捕獲断面積は
0.000151cm−1であり、超ウラン元素濃度が
0.95×1020atoms/cm(1.58×1
−4mole/cm)において炉心の巨視的核分裂
断面積が0.00113cm−1、巨視的捕獲断面積が
0.00161cm−1であり、中性子増倍係数が1.
04となり臨界に達する。
[0042]Condition 1-2 Average temperature 650 with graphite moderator and core volume ratio of 10%
℃ fuel salt (solvent salt macroscopic capture cross section [0.0248
× 10-24cmTwo] [3.22 × 1022atom /
cmThree] [0.1] = 0.000080 cm-1)
The effective molten fission cross section is 1 in the molten salt reactor
19 x 10-24cmTwo, Effective capture cross section is 169 × 1
0-24cmTwoAnd the neutron yield is 2.96
When uranium element undergoes nuclear fission, effective capture cross section 6 × 1
0-24cmTwoFission products of the core have a core heat power density of 19.
5 W / cmThree(5.93 x 1011missions /
cmThree-S) 1.0 × 108accumulated by driving
2.51 × 10 in fuel salt (including outside the core)20
atoms / cmThreeThen the core macroscopic capture cross section is
0.000151 cm-1And the transuranium element concentration is
0.95 x 1020atoms / cmThree(1.58 x 1
0-4mole / cmThree) Macroscopic nuclear fission in
Cross-sectional area is 0.00113 cm-1, The macroscopic capture cross section is
0.00161 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.
It becomes 04 and reaches criticality.

【0043】核分裂生成物には7.53×1019at
oms/cm(1.25×10 mole/c
)の希土類元素3弗化物を含んでおり、超ウラン元
素3弗化物と合計して1.70×1020atoms/
cm(2.83×10−4mole/cm)の3弗
化物を含むことになる。この3弗化物濃度は標本番号7
のLiF−BeF−ZrF(72−18−10mo
le%)の溶解度3.05×10−4mole/cm
によって満足できる。
7.53 × 10 19 at for fission products
oms / cm 3 (1.25 × 10 - 4 mole / c
m 3 ), which includes rare earth element trifluoride, and the total amount of transuranium element trifluoride is 1.70 × 10 20 atoms /
cm 3 (2.83 × 10 −4 mole / cm 3 ) is included in the trifluoride. This trifluoride concentration is sample number 7
Of LiF-BeF 2 -ZrF 4 (72-18-10mo
Le%) solubility 3.05 × 10 −4 mole / cm 3
Can be satisfied by

【0044】条件1−3 黒鉛減速材と炉心容積比が10%である平均温度650
℃の燃料塩(溶媒塩の巨視的捕獲断面積[0.0344
×10−24cm][3.02×1022atom/
cm][0.1]=0.000104cm−1)で構
成される溶融塩原子炉において、実効核分裂断面積が1
19×10−24cm、実効捕獲断面積が169×1
−24cmであり、中性子収率が2.96である超
ウラン元素が核分裂する場合に、実効捕獲断面積6×1
−24cmの核分裂生成物が炉心熱出力密度19.
5W/cm(5.93×1011fissions/
cm−s)で1.5×10sの運転によって蓄積し
て燃料塩(炉心外を含む)中濃度が3.76×1020
atoms/cmであれば炉心巨視的捕獲断面積は
0.000226cm−1であり、超ウラン元素濃度が
1.15×1020atoms/cm(1.91×1
−4mole/cm)において炉心の巨視的核分裂
断面積が0.00137cm−1、巨視的捕獲断面積が
0.00194cm−1であり、中性子増倍係数が1.
04となり臨界に達する。
[0044]Condition 1-3 Average temperature 650 with graphite moderator and core volume ratio of 10%
℃ fuel salt (solvent salt macroscopic capture cross section [0.0344
× 10-24cmTwo] [3.02 × 1022atom /
cmThree] [0.1] = 0.000104cm-1)
The effective molten fission cross section is 1 in the molten salt reactor
19 x 10-24cmTwo, Effective capture cross section is 169 × 1
0-24cmTwoAnd the neutron yield is 2.96
When uranium element undergoes nuclear fission, effective capture cross section 6 × 1
0-24cmTwoFission products of the core have a core heat power density of 19.
5 W / cmThree(5.93 x 1011missions /
cmThree-S) 1.5 × 108accumulated by driving
And the fuel salt (including outside the core) concentration is 3.76 × 1020
atoms / cmThreeThen the core macroscopic capture cross section is
0.000226 cm-1And the transuranium element concentration is
1.15 x 1020atoms / cmThree(1.91 x 1
0-4mole / cmThree) Macroscopic nuclear fission in
Cross-sectional area is 0.00137 cm-1, The macroscopic capture cross section is
0.00194 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.
It becomes 04 and reaches criticality.

【0045】核分裂生成物には1.13×1020at
oms/cm(1.87×10 mole/c
)の希土類元素3弗化物を含んでおり、超ウラン元
素3弗化物と合計して2.28×1020atoms/
cm(3.78×10−4mole/cm)の3弗
化物を含むことになる。この3弗化物濃度は標本番号8
のLiF−BeF−ZrF(75−5−20mol
e%)の溶解度3.11×10−4mole/cm
よっても満足できない。
1.13 × 10 20 at for fission products
oms / cm 3 (1.87 × 10 - 4 mole / c
m 3 ), which contains rare earth element trifluoride, and the total amount of transuranium element trifluoride is 2.28 × 10 20 atoms /
cm 3 (3.78 × 10 −4 mole / cm 3 ) will be included. This trifluoride concentration is sample number 8
Of LiF-BeF 2 -ZrF 4 (75-5-20mol
e%) solubility of 3.11 × 10 −4 mole / cm 3 is also unsatisfactory.

【0046】実施の形態1によれば、以下の効果を得る
ことができる。 (1)原子炉の最低運転温度が550℃程度であり、燃
料塩の最高許容液相温度が500℃である場合に、燃料
塩溶媒にZrFを添加して、500℃における超ウラ
ン元素3弗化物の溶解度が高い燃料塩を提供し、燃料塩
中の超ウラン元素濃度を高めることにより、ある程度低
い核分裂断面積を有する超ウラン元素で構成され、ある
程度の核分裂生成物を含む原子炉を臨界に達せしめ、あ
るいは反応度を高めることができる。 (2)ZrFの添加による熱中性子捕獲断面積の増加
の影響が小さい燃料塩を選択することができる。
According to the first embodiment, the following effects can be obtained. (1) When the minimum operating temperature of the nuclear reactor is about 550 ° C. and the maximum allowable liquidus temperature of the fuel salt is 500 ° C., ZrF 4 is added to the fuel salt solvent, and transuranium element 3 at 500 ° C. By providing a fuel salt with high fluoride solubility and increasing the transuranic element concentration in the fuel salt, it is possible to limit the nuclear reactor that is composed of transuranic elements having a certain low fission cross section and contains some fission products. Can be reached or the reactivity can be increased. (2) It is possible to select a fuel salt that is less affected by the increase in the thermal neutron capture cross section due to the addition of ZrF 4 .

【0047】実施の形態2.本発明の実施の形態2によ
る溶融塩原子炉燃料は、図2に示すLiF−BeF
ZrF三成分系の組成と液相温度と等高線を示す部分
的な相状態図上での液相温度が550℃より低く、45
0℃より高い組成範囲で示される。その組成範囲から採
取した標本についての各成分のmole%組成、溶媒の
熱中性子捕獲断面積、LiBeFとLiZrF
が生成するとして求めた遊離弗素イオン数、1グラム分
子の溶媒が550℃において占める分子容積値、溶液中
のPu濃度比[Pu]/[Li+Be+Zr+Pu]m
ole%と定義される550℃における超ウラン元素3
弗化物の溶解度、単位容積の溶媒中のPuグラム分子量
と定義される550℃における超ウラン元素3弗化物の
溶解度をそれぞれ表2に示す。表2の各組成に相当する
標本番号を図2に示す。
Embodiment 2. According to the second embodiment of the present invention
The molten salt nuclear reactor fuel is LiF-BeF shown in FIG. Two
ZrFFourContour line of ternary composition and liquidus temperature
The liquidus temperature on the typical phase diagram is lower than 550 ° C.
It is shown in the composition range higher than 0 ° C. Taken from its composition range
The mole% composition of each component and the solvent
Thermal neutron capture cross section, LiTwoBeFFourAnd LiTwoZrF6
The number of free fluorine ions determined to be generated by 1 gram
Molecular volume value occupied by the child solvent at 550 ° C, in solution
Concentration ratio [Pu] / [Li + Be + Zr + Pu] m of
trans-uranium element 3 at 550 ° C defined as ole%
Fluoride solubility, Pu-gram molecular weight in unit volume of solvent
Of transuranium trifluoride at 550 ° C
The solubilities are shown in Table 2, respectively. Corresponds to each composition in Table 2
The sample numbers are shown in FIG.

【0048】[0048]

【表2】 [Table 2]

【0049】以下、各条件下での計算結果について説明
する。
The calculation results under each condition will be described below.

【0050】条件2−1 黒鉛減速材と炉心容積比が10%である平均温度650
℃の燃料塩(溶媒塩の巨視的捕獲断面積[0.0192
×10−24cm][3.54×1022atom/
cm][0.1]=0.000068cm−1)で構
成される溶融塩原子炉において、実効核分裂断面積が1
19×10−24cm、実効捕獲断面積が169×1
−24cmであり、中性子収率が2.96である超
ウラン元素が核分裂する場合に、実効捕獲断面積6×1
−24cmの核分裂生成物が炉心熱出力密度19.
5W/cm(5.93×1011fissions/
cm−s)で1.5×10sの運転によって蓄積し
て燃料塩(炉心外を含む)中濃度が3.76×1020
atoms/cmであれば炉心巨視的捕獲断面積は
0.000226cm−1であり、超ウラン元素濃度が
1.10×1020atoms/cm(1.83×1
−4mole/cm)において炉心の巨視的核分裂
断面積が0.00131cm−1、巨視的捕獲断面積が
0.00186cm−1であり、中性子増倍係数が1.
04となり臨界に達する。
[0050]Condition 2-1 Average temperature 650 with graphite moderator and core volume ratio of 10%
℃ fuel salt (solvent salt macroscopic capture cross section [0.0192
× 10-24cmTwo] [3.54 × 1022atom /
cmThree] [0.1] = 0.000068cm-1)
The effective molten fission cross section is 1 in the molten salt reactor
19 x 10-24cmTwo, Effective capture cross section is 169 × 1
0-24cmTwoAnd the neutron yield is 2.96
When uranium element undergoes nuclear fission, effective capture cross section 6 × 1
0-24cmTwoFission products of the core have a core heat power density of 19.
5 W / cmThree(5.93 x 1011missions /
cmThree-S) 1.5 × 108accumulated by driving
And the fuel salt (including outside the core) concentration is 3.76 × 1020
atoms / cmThreeThen the core macroscopic capture cross section is
0.000226 cm-1And the transuranium element concentration is
1.10 x 1020atoms / cmThree(1.83 x 1
0-4mole / cmThree) Macroscopic nuclear fission in
Cross section is 0.00131cm-1, The macroscopic capture cross section is
0.00186 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.
It becomes 04 and reaches criticality.

【0051】核分裂生成物には1.13×1020at
oms/cm(1.87×10 mole/c
)の希土類元素3弗化物を含んでおり、超ウラン元
素3弗化物と合計して2.23×1020atoms/
cm(3.70×10−4mole/cm)の3弗
化物を含むことになる。この3弗化物濃度は標本番号1
2のLiF−BeF−ZrF(67−28−5mo
le%)の溶解度4.70×10−4mole/cm
によって満足できる。
1.13 × 10 20 at for fission products
oms / cm 3 (1.87 × 10 - 4 mole / c
m 3 ), which contains the rare earth element trifluoride, and the total amount of the transuranium element trifluoride is 2.23 × 10 20 atoms /
cm 3 (3.70 × 10 −4 mole / cm 3 ) will be included. This trifluoride concentration is sample number 1
2 of LiF-BeF 2 -ZrF 4 (67-28-5mo
le%) solubility 4.70 × 10 −4 mole / cm 3.
Can be satisfied by

【0052】条件2−2 黒鉛減速材と炉心容積比が10%である平均温度650
℃の燃料塩(溶媒塩の巨視的捕獲断面積[0.0146
×10−24cm][3.58×1022atom/
cm][0.1]=0.000052cm−1)で構
成される溶融塩原子炉において、実効核分裂断面積が7
6.4×10−24cm、実効捕獲断面積が111.
6×10−24cmであり、中性子収率が2.96で
ある超ウラン元素が核分裂する場合に、核分裂生成物が
存在していなければ、超ウラン元素濃度が1.10×1
20atoms/cm(1.83×10−4mol
e/cm)において炉心の巨視的核分裂断面積が0.
00084cm−1、巨視的捕獲断面積が0.0012
3cm−1であり、中性子増倍係数が1.04となり臨
界に達する。
[0052]Condition 2-2 Average temperature 650 with graphite moderator and core volume ratio of 10%
℃ fuel salt (solvent salt macroscopic capture cross section [0.0146
× 10-24cmTwo] [3.58 × 1022atom /
cmThree] [0.1] = 0.000052cm-1)
In the molten salt reactor produced, the effective fission cross section is 7
6.4 x 10-24cmTwo, The effective capture cross section is 111.
6 x 10-24cmTwoAnd the neutron yield is 2.96
When a transuranium element undergoes fission, fission products
If not present, transuranic element concentration is 1.10 x 1
020atoms / cmThree(1.83 × 10-4mol
e / cmThree), The macroscopic nuclear fission cross section of the core is 0.
00084 cm-1, The macroscopic capture cross section is 0.0012
3 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.04.
Reach the world.

【0053】この超ウラン元素濃度は標本番号11のL
iF−BeF−ZrF(71−29−0mole
%)の溶解度3.33×10−4mole/cmによ
って満足できる。
This transuranium element concentration is L of sample number 11.
iF-BeF 2 -ZrF 4 (71-29-0mole
%) Solubility of 3.33 × 10 −4 mole / cm 3 is satisfactory.

【0054】条件2−3 黒鉛減速材と炉心容積比が10%である平均温度650
℃の燃料塩(溶媒塩の巨視的捕獲断面積[0.0197
×10−24cm][3.55×1022atom/
cm][0.1]=0.000070cm−1)で構
成される溶融塩原子炉において、実効核分裂断面積が7
6.4×10−24cm、実効捕獲断面積が111.
6×10−24cmであり、中性子収率が2.96で
ある超ウラン元素が核分裂する場合に、実効捕獲断面積
6×10−24cmの核分裂生成物が炉心熱出力密度
19.5W/cm(5.93×1011fissio
ns/cm−s)で1.5×10−s(4.76
年)の運転によって蓄積して燃料塩(炉心外を含む)中
濃度が3.76×1020atoms/cmであれば
炉心巨視的捕獲断面積は0.000226cm−1であ
り、超ウラン元素濃度が1.85×1020atoms
/cm(3.07×10−4mole/cm )にお
いて炉心の巨視的核分裂断面積が0.00141、巨視
的捕獲断面積が0.00206であり、中性子増倍係数
が1.04となり臨界に達する。
[0054]Condition 2-3 Average temperature 650 with graphite moderator and core volume ratio of 10%
℃ fuel salt (solvent salt macroscopic capture cross section [0.0197
× 10-24cmTwo] [3.55 × 1022atom /
cmThree] [0.1] = 0.000070 cm-1)
In the molten salt reactor produced, the effective fission cross section is 7
6.4 x 10-24cmTwo, The effective capture cross section is 111.
6 x 10-24cmTwoAnd the neutron yield is 2.96
Effective capture cross section when a transuranium element undergoes fission
6 x 10-24cmTwoFission products are core heat power density
19.5 W / cmThree(5.93 x 1011fissio
ns / cmThree-S) 1.5 × 108-S (4.76
Year) operation and accumulated fuel salt (including outside the core)
Concentration is 3.76 × 1020atoms / cmThreeIf
Core macroscopic capture cross section is 0.000226 cm-1And
The transuranic element concentration is 1.85 × 1020atoms
/ CmThree(3.07 x 10-4mole / cm Three)
And the macroscopic nuclear fission cross section of the core is 0.00141, macroscopic
Cross section is 0.00206 and neutron multiplication factor
Becomes 1.04 and reaches criticality.

【0055】核分裂生成物には1.13×1020at
oms/cm(1.87×10 mole/c
)の希土類元素3弗化物を含んでおり、超ウラン元
素3弗化物と合計して2.98×1020atoms/
cm(4.95×10−4mole/cm)の3弗
化物を含むことになる。この3弗化物濃度は標本番号1
5のLiF−BeF−ZrF(70−25−5mo
le%)の溶解度5.90×10−4mole/cm
によって満足できる。
1.13 × 10 20 at for fission products
oms / cm 3 (1.87 × 10 - 4 mole / c
m 3 ), which contains rare earth element trifluoride, and the total amount of transuranium element trifluoride is 2.98 × 10 20 atoms /
cm 3 (4.95 × 10 −4 mole / cm 3 ) will be included. This trifluoride concentration is sample number 1
5 of LiF-BeF 2 -ZrF 4 (70-25-5mo
le%) solubility 5.90 × 10 −4 mole / cm 3.
Can be satisfied by

【0056】条件2−4 黒鉛減速材と炉心容積比が10%である平均温度650
℃の燃料塩(溶媒塩の巨視的捕獲断面積[0.0349
×10−24cm][3.37×1022atom/
cm][0.1]=0.000118cm−1)で構
成される溶融塩原子炉において、実効核分裂断面積が1
3.1×10−24cm、実効捕獲断面積が27.9
×10−24cmであり、中性子収率が3.42であ
る超ウラン元素が核分裂し、核分裂生成物が常時除去さ
れていて存在しなければ、超ウラン元素濃度が1.60
×1021atoms/cm(2.66×10−3
ole/cm)において炉心の巨視的核分裂断面積が
0.00210cm−1、巨視的捕獲断面積が0.00
446cm−1であり、中性子増倍係数が1.04とな
り臨界に達する。
[0056]Condition 2-4 Average temperature 650 with graphite moderator and core volume ratio of 10%
℃ fuel salt (solvent salt macroscopic capture cross section [0.0349
× 10-24cmTwo] [3.37 × 1022atom /
cmThree] [0.1] = 0.000118 cm-1)
The effective molten fission cross section is 1 in the molten salt reactor
3.1 x 10-24cmTwo, The effective capture cross section is 27.9
× 10-24cmTwoAnd the neutron yield is 3.42
Transuranic elements undergo fission and fission products are constantly removed.
If not present, transuranic element concentration is 1.60
× 1021atoms / cmThree(2.66 × 10-3m
ole / cmThree), The macroscopic fission cross section of the core is
0.00210 cm-1, Macroscopic capture cross section is 0.00
446 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.04.
Reach criticality.

【0057】この超ウラン元素3弗化物濃度は、標本番
号20のLiF−BeF−ZrF (71−29−0
mole%)の溶解度1.12×10−3mole/c
によっても満足しない。
This transuranium element trifluoride concentration is
No. 20 LiF-BeFTwo-ZrF Four(71-29-0
Mole%) solubility 1.12 × 10-3mole / c
mThreeIs not satisfied even by.

【0058】実施の形態2によれば、以下の効果を得る
ことができる。 (1)原子炉の最低運転温度が600℃程度であり、燃
料塩の最高許容液相温度が550℃である場合に、燃料
塩溶媒にZrFを添加して、550℃における超ウラ
ン元素3弗化物の溶解度が高い燃料塩を提供し、燃料塩
中の超ウラン元素濃度を高めることにより、かなり低い
核分裂断面積を有する超ウラン元素で構成され、かなり
の程度の核分裂生成物を含む原子炉を臨界に達せしめ、
あるいは反応度を高めることができる。 (2)ZrFの添加による熱中性子捕獲断面積の増加
の影響が小さい燃料塩を選択することができる。
According to the second embodiment, the following effects can be obtained. (1) When the minimum operating temperature of the reactor is about 600 ° C. and the maximum allowable liquidus temperature of the fuel salt is 550 ° C., ZrF 4 is added to the fuel salt solvent, and transuranium element 3 at 550 ° C. Reactor composed of transuranic elements with a fairly low fission cross section by providing a fuel salt with a high solubility of fluoride and increasing the transuranic element concentration in the fuel salt and containing a significant amount of fission products. To reach criticality,
Alternatively, the reactivity can be increased. (2) It is possible to select a fuel salt that is less affected by the increase in the thermal neutron capture cross section due to the addition of ZrF 4 .

【0059】実施の形態3.本発明の実施の形態3によ
る溶融塩原子炉燃料は、図3に示すLiF−BeF
ThF三成分系の組成と液相温度と等高線を示す部分
的な相状態図上に与えられる液相温度が550℃より低
く、500℃より高い組成範囲で示される。その組成範
囲から採取した標本についての各成分のmole%組
成、LiBeFとLiThFが生成するとして求
めた遊離弗素イオン数、1グラム分子の溶媒が550℃
において占める分子容積値、溶液中のPu濃度比[P
u]/[Li+Be+Th+Pu]mole%と定義さ
れる550℃における超ウラン元素3弗化物の溶解度、
単位容積の溶媒中のPuグラム分子量と定義される55
0℃における超ウラン元素3弗化物の溶解度をそれぞれ
表3に示す。表3中の特定の組成に相当する標本番号を
図3に示す。標本番号21から29は比較標本であり、
実施の形態3の範囲外である。
Third Embodiment According to the third embodiment of the present invention
The molten salt reactor fuel is LiF-BeF shown in FIG. Two
ThFFourContour line of ternary composition and liquidus temperature
The liquidus temperature given on the typical phase diagram is lower than 550 ℃.
The composition range is higher than 500 ° C. Its composition range
Mole% set of each component for the sample collected from the box
Sung, LiTwoBeFFourAnd LiThF5Is generated as
Number of free fluorine ions, 1g molecule of solvent is 550 ℃
Volume value in the solution, Pu concentration ratio in the solution [P
u] / [Li + Be + Th + Pu] mole%
Solubility of transuranium trifluoride at 550 ° C,
Defined as Pu-gram molecular weight in a unit volume of solvent 55
Solubility of transuranium trifluoride at 0 ℃
It shows in Table 3. The sample number corresponding to the specific composition in Table 3
As shown in FIG. Sample numbers 21 to 29 are comparative samples,
This is outside the range of the third embodiment.

【0060】以下、各条件下での計算結果について説明
する。
The calculation results under each condition will be described below.

【0061】[0061]

【表3】 [Table 3]

【0062】条件3−1 黒鉛減速材と容積比が10%であり6mole%のTh
を添加した溶融塩原子炉燃料(650℃において
232Th共鳴積分断面積の5%を含む中性子捕獲断面
積=0.580×10−24cm、炉心の巨視的捕獲
断面積=0.00190cm−1)で構成される原子炉
において、232Thが中性子を捕獲して生成する
233UFの平衡濃度は約0.3mole%である。
平均運転温度である650℃における233Uの核分裂
断面積は299×10−24cmであり、中性子捕獲
断面積は56.5×10−24cmである。単位体積
中の溶媒分子密度が3.28×1022atoms/c
から求めた233U原子密度9.83×1019
toms/cm(1.63×10−4mole/cm
)を微視的断面積に乗じて求められ炉心の巨視的核分
裂断面積は0.00294cm−1であり、炉心の巨視
的中性子捕獲断面積は0.000555cm−1であ
る。233Uの核分裂による中性子収率は2.49であ
るため、中性子増倍係数は1.297である。
[0062]Condition 3-1 Volume ratio to graphite moderator is 10% and Th is 6 mole%
FFourMolten salt reactor fuel (at 650 ° C)
232Neutron capture cross section containing 5% of Th resonance integral cross section
Product = 0.580 × 10-24cmTwo, Macroscopic capture of the core
Cross-sectional area = 0.00190cm-1) Composed of
At232Th captures and produces neutrons
233UFFourThe equilibrium concentration of is about 0.3 mole%.
At the average operating temperature of 650 ° C233U fission
Cross-sectional area is 299 × 10-24cmTwoAnd the neutron capture
Cross-sectional area is 56.5 × 10-24cmTwoIs. Unit volume
Solvent molecular density in 3.28 × 1022atoms / c
mThreeSought from233U atom density 9.83 × 1019a
toms / cmThree(1.63 x 10-4mole / cm
Three) And the macroscopic core content of the core
Cleavage cross-sectional area is 0.00294 cm-1And the core macro
Neutron capture cross section is 0.000555 cm-1And
It233Neutron yield due to fission of U is 2.49
Therefore, the neutron multiplication factor is 1.297.

【0063】実効核分裂断面積が13.1×10−24
cm、実効捕獲断面積が27.9×10−24cm
であり、中性子収率が3.42である超ウラン元素が標
本番号33のLiF−BeF−ThF(73−21
−6mole%)の超ウラン元素3弗化物溶解度である
5.93×10−4mole/cm(3.57×10
20atoms/cm)に相当する濃度以下で存在す
ると、炉心の巨視的核分裂断面積は0.000468c
−1、炉心の巨視的捕獲断面積は0.000996c
−1であり、中性子増倍率は1.255以上となり臨
界となる。
The effective fission cross section is 13.1 × 10 −24.
cm 2 , effective trapping cross section is 27.9 × 10 −24 cm 2.
In and, LiF-BeF 2 -ThF 4 of transuranic neutron yield is 3.42 is the sample number 33 (73-21
5.93 × 10 −4 mole / cm 3 (3.57 × 10) which is a solubility of transuranium trifluoride of −6 mole%).
When present at a concentration equal to or lower than 20 atoms / cm 3 ), the macroscopic nuclear fission cross section of the core is 0.000468c.
m -1 , the macroscopic capture cross section of the core is 0.000996c
m −1 , and the neutron multiplication factor becomes 1.255 or more, which is critical.

【0064】炉心の233Uの巨視的核分裂断面積0.
00294cm−1と超ウラン元素の巨視的核分裂断面
積0.000468cm−1は86.3%と13.7%
に相当する。1GWt−yの核分裂熱出力は約300k
gの核分裂性物質によって発生するが、この場合には、
259kgの233Uの消費に伴って41kgの超ウラ
ン元素が消費される。
233 U macroscopic fission cross section of the core
00294 cm −1 and macroscopic fission cross section of transuranium element 0.000468 cm −1 are 86.3% and 13.7%
Equivalent to. 1 GWt-y fission heat output is about 300 k
g fissile material, but in this case,
With the consumption of 259 kg of 233 U, 41 kg of transuranic element is consumed.

【0065】条件3−2 黒鉛減速材と容積比が10%であり3mole%のTh
を添加した溶融塩原子炉燃料(650℃において共
鳴積分断面積の5%を含む中性子捕獲断面積=0.26
7×10−24cm、炉心における巨視的捕獲断面積
=0.000945cm−1)で構成される原子炉にお
いて、232Thが中性子を捕獲して生成する233
の平衡濃度は約0.15mole%(5.31×1
19atoms/cm)である。平均運転温度であ
る650℃における233Uの核分裂断面積は299×
10−24cmであり、中性子捕獲断面積は56.5
×10−24cmである。炉心における233Uの巨
視的核分裂断面積は0.00159cm−1であり、巨
視的中性子捕獲断面積は0.00030cm−1であ
る。233Uの核分裂による中性子収率は2.49であ
るため、中性子増倍係数は1.283である。実効核分
裂断面積が13.1×10−24cm、実効捕獲断面
積が27.9×10−24cmであり、中性子収率が
3.42である超ウラン元素が標本番号33のLiF−
BeF−ThF(73−21−6mole%)の超
ウラン元素3弗化物溶解度である3.57×1020
toms/cmの濃度以下で存在すれば、炉心の巨視
的核分裂断面積は0.000468cm−1、炉心の巨
視的捕獲断面積は0.000996cm−1であり、中
性子増倍率は1.222以上となり臨界となる。
[0065]Condition 3-2 The volume ratio to graphite moderator is 10% and Th is 3 mole%.
FFourMolten salt reactor fuel with addition of
Neutron capture cross section including 0.2% of the sound integration cross section = 0.26
7 x 10-24cmTwo, Macroscopic capture cross section in the core
= 0.000945cm-1)
And232Th captures and produces neutrons233U
FFourEquilibrium concentration of about 0.15 mole% (5.31 x 1
019atoms / cmThree). At average operating temperature
At 650 ° C233U fission cross section is 299 ×
10-24cmTwoAnd the neutron capture cross section is 56.5.
× 10-24cmTwoIs. In the core233U giant
Cross section of visual fission is 0.00159cm-1And is huge
Visual neutron capture cross section is 0.00030 cm-1And
It233Neutron yield due to fission of U is 2.49
Therefore, the neutron multiplication factor is 1.283. Effective core
The fracture cross section is 13.1 × 10-24cmTwo, Effective capture cross section
Product is 27.9 × 10-24cmTwoAnd the neutron yield is
The transuranium element of 3.42 is LiF- of the sample number 33.
BeFTwo-ThFFourOver (73-21-6 mole%)
Uranium element trifluoride solubility 3.57 × 1020a
toms / cmThreeMacroscopic of the core, if present below the concentration of
Nuclear fission cross section is 0.000468 cm-1, The core giant
Visual capture cross section is 0.000996 cm-1And inside
The sexual multiplication factor becomes 1.222 or more and becomes critical.

【0066】炉心の233Uの巨視的核分裂断面積0.
00159と超ウラン元素の巨視的核分裂断面積0.0
00468は77.3%と26.7%に相当する。1G
Wt−yの核分裂熱出力は約300kgの核分裂性物質
によって発生するが、この場合には、232kgの
233Uの消費に伴って68kgの超ウラン元素が消費
される。ここで、溶媒であるLiF−BeF−ThF
(72−25−3mole%)の550℃における3
弗化物の溶解度は3.0×1020atoms/cm
(5×10−4mole/cm)と推定され、実際に
溶融塩炉燃料中に負荷できる超ウラン元素濃度は核分裂
生成物を含まない場合の84%に低下する。従って、超
ウラン元素の燃焼比率は22.4%に低下する。
233 U macroscopic fission cross section of the core
Macroscopic fission cross section of 00159 and transuranium element 0.0
[00468] corresponds to 77.3% and 26.7%. 1G
The Wt-y fission heat output is generated by about 300 kg of fissile material, in this case 232 kg of fissile material.
With the consumption of 233 U, 68 kg of transuranium element is consumed. Here, LiF-BeF 2 -ThF a solvent
4 (72-25-3 mole%) at 3 at 550 ° C
The solubility of fluoride is 3.0 × 10 20 atoms / cm 3
It is estimated to be (5 × 10 −4 mole / cm 3 ), and the concentration of transuranium element that can be actually loaded in the molten salt reactor fuel is reduced to 84% of the case where fission products are not included. Therefore, the combustion ratio of transuranium element is reduced to 22.4%.

【0067】条件3−3 黒鉛減速材と容積比が10%であり2mole%のTh
を添加した溶融塩原子炉燃料(650℃において共
鳴積分断面積の5%を含む中性子捕獲断面積=0.24
4×10−24cm、炉心における巨視的捕獲断面積
=0.000644cm−1)で構成される原子炉にお
いて、232Thが中性子を捕獲して生成する233
の平衡濃度は約0.1mole%(3.54×10
19atoms/cm)である。平均運転温度である
650℃における233Uの核分裂断面積は299×1
−24cmであり、中性子捕獲断面積は56.5×
10−24cmである。炉心における233Uの巨視
的核分裂断面積は0.001058cm−1であり、巨
視的中性子捕獲断面積は0.000200cm−1であ
る。233Uの核分裂による中性子収率は2.49であ
るため、中性子増倍係数は1.224である。実効核分
裂断面積が13.1×10−24cm、実効捕獲断面
積が27.9×10−24cmであり、中性子収率が
3.42である超ウラン元素が標本番号33のLiF−
BeF−ThF(73−21−6mole%)の超
ウラン元素3弗化物溶解度である3.57×1020
toms/cmの濃度以下で存在すれば、炉心の巨視
的核分裂断面積は0.000468cm−1、炉心の巨
視的捕獲断面積は0.000996cm−1であり、中
性子増倍率は1.171以上となり臨界となる。
[0067]Condition 3-3 Volume ratio to graphite moderator is 10% and Th is 2 mole%
FFourMolten salt reactor fuel with addition of
Neutron capture cross section including 0.2% of the sound integration cross section = 0.24
4 x 10-24cmTwo, Macroscopic capture cross section in the core
= 0.000644cm-1)
And232Th captures and produces neutrons233U
FFourEquilibrium concentration of about 0.1 mole% (3.54 × 10
19atoms / cmThree). Average operating temperature
At 650 ° C233U fission cross section is 299 × 1
0-24cmTwoAnd the neutron capture cross section is 56.5 ×
10-24cmTwoIs. In the core233U macro
Nuclear fission cross section is 0.001058cm-1And is huge
Visual neutron capture cross section is 0.000200 cm-1And
It233Neutron yield due to fission of U is 2.49
Therefore, the neutron multiplication factor is 1.224. Effective core
The fracture cross section is 13.1 × 10-24cmTwo, Effective capture cross section
Product is 27.9 × 10-24cmTwoAnd the neutron yield is
The transuranium element of 3.42 is LiF- of the sample number 33.
BeFTwo-ThFFourOver (73-21-6 mole%)
Uranium element trifluoride solubility 3.57 × 1020a
toms / cmThreeMacroscopic of the core, if present below the concentration of
Nuclear fission cross section is 0.000468 cm-1, The core giant
Visual capture cross section is 0.000996 cm-1And inside
The sexual multiplication factor becomes 1.171 or more and becomes critical.

【0068】炉心の233Uの巨視的核分裂断面積0.
001058cm−1と超ウラン元素の巨視的核分裂断
面積0.000468cm−1は69.3%と31.7
%に相当する。1GWt−yの核分裂熱出力は約300
kgの核分裂性物質によって発生するが、この場合に
は、208kgの233Uの消費に伴って92kgの超
ウラン元素が消費される。ここで、溶媒であるLiF−
BeF−ThF(71.5−25.5−2mole
%)の550℃における3弗化物の溶解度は2.4×1
20atoms/cm(4×10−4mole/c
)と推定され、実際に溶融塩炉燃料中に負荷できる
超ウラン元素濃度は核分裂生成物を含まない場合の67
%に低下する。従って、超ウラン元素の燃焼比率は2
1.3%に低下する。
233 U macroscopic fission cross section of the core
001058 cm −1 and the macroscopic fission cross section of transuranium element 0.000468 cm −1 are 69.3% and 31.7%.
Equivalent to%. The nuclear fission heat output of 1GWt-y is about 300.
It is generated by kg of fissile material, in which case 92 kg of transuranic element is consumed with 208 kg of 233 U consumed. Here, LiF- which is a solvent
BeF 2 -ThF 4 (71.5-25.5-2mole
%) Has a solubility of trifluoride at 550 ° C. of 2.4 × 1
0 20 atoms / cm 3 (4 × 10 −4 mole / c
m 3 ), and the transuranic element concentration that can be actually loaded in the molten salt reactor fuel is 67 when the fission products are not included.
%. Therefore, the combustion ratio of transuranium element is 2
It drops to 1.3%.

【0069】条件3−4 条件3−3において、溶融塩炉燃料中に核分裂生成物を
含まなかった。核分裂断面積が299×10−24cm
であり、中性子捕獲断面積は56.5×10 −24
であり、中性子収率が2.49である233Uが
233UFとして0.1mole%(3.54×10
19atoms/cm)の濃度で存在し、実効核分裂
断面積が13.1×10−24cm、実効捕獲断面積
が27.9×10−24cmであり、中性子収率が
3.42である超ウラン元素3弗化物が3.57×10
20atoms/cmの濃度で存在して中性子増倍係
数は1.171であった。さらに、実効中性子捕獲断面
積が6×10−24cmの核分裂生成物が溶融塩炉燃
料中に7.60×1020atoms/cmの濃度で
存在しても中性子増倍率は1.04であり臨界は保持で
きる。この核分裂生成物量は炉心出力密度19.5W/
cm(燃料塩核分裂密度5.93×1012fiss
ion/cm−s)において1.50×10−s
(4.76年)運転して蓄積するものに相当する。ここ
で、核分裂生成物は希土類元素3弗化物を2.28×1
20atoms/cm含むため、溶融塩炉燃料の溶
媒は全3弗化物として少なくとも5.85×1020
toms/cm(9.71×10 mole/cm
)の溶解度を有する必要がある。ここで、溶媒である
LiF−BeF−ThF(72−26−2mole
%)の550℃における3弗化物の溶解度は2.4×1
20atoms/cm(4×10−4mole/c
)と推定され、実際に溶融塩炉燃料中に負荷できる
超ウラン元素濃度は核分裂生成物を含まない場合の41
%に低下する。従って、超ウラン元素の燃焼比率は13
%に低下する。
[0069]Condition 3-4 Under the condition 3-3, fission products are generated in the molten salt reactor fuel.
Not included. Fission cross section is 299 × 10-24cm
TwoAnd the neutron capture cross section is 56.5 × 10 -24c
mTwoAnd the neutron yield is 2.49233U is
233UFFourAs 0.1 mole% (3.54 × 10
19atoms / cmThree) Present and effective fission
Section area is 13.1 × 10-24cmTwo, Effective capture cross section
Is 27.9 x 10-24cmTwoAnd the neutron yield is
Transuranic element trifluoride of 3.42 is 3.57 × 10
20atoms / cmThreeExisting in the concentration of neutron multiplier
The number was 1.171. Furthermore, the effective neutron capture cross section
Product is 6 × 10-24cmTwoFission products of molten salt combustion
7.60 × 10 in the fee20atoms / cmThreeAt the concentration of
Even if it exists, the neutron multiplication factor is 1.04 and the criticality is maintained.
Wear. The amount of this fission product is the core power density 19.5 W /
cmThree(Fuel salt fission density 5.93 × 1012fiss
ion / cmThree1.50 × 10 in −s)8-S
(4.76 years) Equivalent to driving and accumulating. here
The fission product is 2.28 × 1 rare earth element trifluoride.
020atoms / cmThreeTo contain molten salt reactor fuel
The medium is at least 5.85 × 10 as total trifluoride.20a
toms / cmThree(9.71 x 10 Fourmole / cm
Three). Where is the solvent
LiF-BeFTwo-ThFFour(72-26-2 mole
%) Has a solubility of trifluoride at 550 ° C. of 2.4 × 1
020atoms / cmThree(4 x 10-4mole / c
mThree) And can actually be loaded into the molten salt reactor fuel
Transuranic element concentration is 41 when fission products are not included.
%. Therefore, the combustion ratio of transuranium element is 13
%.

【0070】実施の形態3によれば、以下の効果を得る
ことができる。 (1)原子炉の最低運転温度が600℃程度であり、燃
料塩の最高許容液相温度が550℃である場合に、燃料
塩溶媒に増殖材であるThFを添加して、550℃に
おける超ウラン元素3弗化物の溶解度が高い燃料塩を提
供すると同時に、生成する233Uの核分裂で発生する
中性子を利用して核分裂断面積の著しく低い超ウラン元
素を高い効率で燃焼することができる。 (2)核分裂断面積の小さい超ウラン元素を燃焼するこ
とができる超ウラン元素3弗化物の溶解度の高い溶融塩
原子炉燃料を提供することができる。
According to the third embodiment, the following effects can be obtained. (1) When the minimum operating temperature of the reactor is about 600 ° C. and the maximum allowable liquidus temperature of the fuel salt is 550 ° C., ThF 4 which is a breeding material is added to the fuel salt solvent, and the temperature at 550 ° C. At the same time as providing a fuel salt having a high solubility of transuranium trifluoride, neutrons generated in fission of 233 U produced can be used to burn transuranic elements having a remarkably low fission cross section with high efficiency. (2) It is possible to provide a molten salt reactor fuel having a high solubility of transuranium trifluoride that can burn a transuranic element having a small nuclear fission cross section.

【0071】実施の形態4.各条件下での計算結果につ
いて説明する。
Fourth Embodiment The calculation results under each condition will be described.

【0072】条件4−1 黒鉛減速材と容積比が10%であり、標本番号33のL
iF−BeF−ThF(73−21−6mole
%)溶媒のThFのうち4mole%をZrF で置
換し、2mole%のThFを含む溶融塩原子炉燃料
(650℃において共鳴積分断面積の5%を含む中性子
捕獲断面積=0.187×10−24cm 、炉心にお
ける巨視的捕獲断面積=0.000663cm−1)で
構成される原子炉において、232Thが中性子を捕獲
して生成する233UFの平衡濃度は約0.1mol
e%(3.54×1019atoms/cm)であ
る。平均運転温度である650℃における233Uの核
分裂断面積は299×10−2 cmであり、中性子
捕獲断面積は56.5×10−24cmである。炉心
における233Uの巨視的核分裂断面積は0.0010
58cm−1であり、巨視的中性子捕獲断面積は0.0
00200cm−1である。233Uの核分裂による中
性子収率は2.49であるため、中性子増倍係数は1.
224である。実効核分裂断面積が13.1×10
−24cm、実効捕獲断面積が27.9×10−24
cmであり、中性子収率が3.42である超ウラン元
素が3.57×1020atoms/cmの濃度以下
で存在すれば、炉心の巨視的核分裂断面積は0.000
468cm−1、炉心の巨視的捕獲断面積は0.000
996cm−1であり、中性子増倍率は1.165以上
となり臨界となる。
[0072]Condition 4-1 The volume ratio to graphite moderator is 10%, L of sample number 33
iF-BeFTwo-ThFFour(73-21-6 mole
%) Solvent ThFFour4 mole% of which is ZrF FourSet in
2 mole% ThFFourMolten salt reactor fuel containing
(Neutron containing 5% of resonance integral cross section at 650 ° C
Capture cross section = 0.187 × 10-24cm Two, In the core
Macroscopic capture cross-section = 0.000663cm-1)so
In the constructed reactor,232Th captures neutrons
And generate233UFFourEquilibrium concentration of about 0.1 mol
e% (3.54 × 1019atoms / cmThree)
It At the average operating temperature of 650 ° C233U core
Cross-section area is 299 × 10-2 FourcmTwoAnd the neutron
Capture cross section is 56.5 × 10-24cmTwoIs. Core
In233U macroscopic fission cross section is 0.0010
58 cm-1And the macroscopic neutron capture cross section is 0.0
00200 cm-1Is.233Due to U fission
Since the sexual yield is 2.49, the neutron multiplication factor is 1.
224. Effective fission cross section is 13.1 × 10
-24cmTwo, The effective capture cross section is 27.9 × 10-24
cmTwoAnd a transuranium element with a neutron yield of 3.42
Element is 3.57 × 1020atoms / cmThreeBelow the concentration
, The macroscopic fission cross section of the core is 0.000
468 cm-1, The core macroscopic capture cross section is 0.000
996 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.165 or more.
Becomes critical.

【0073】炉心の233Uの巨視的核分裂断面積0.
001058cm−1と超ウラン元素の巨視的核分裂断
面積0.000468cm−1は69.3%と31.7
%に相当する。1GWt−yの核分裂熱出力は約300
kgの核分裂性物質によって発生するが、この場合に
は、208kgの233Uの消費に伴って92kgの超
ウラン元素が消費される。ここで、溶媒であるLiF−
BeF−ThF−ZrF(73−21−2−4m
ole%)の550℃における3弗化物の溶解度は3.
57×1020atoms/cm(5.93×10
−4mole/cm )であり、実際に溶融塩炉燃料中
に3.57×1020atoms/cmの超ウラン元
素を負荷できるので、超ウラン元素の燃焼比率は31.
7%となる。
Of the core233U macroscopic fission cross section 0.
001058 cm-1Fission fragmentation of uranium and transuranium elements
Area 0.000468 cm-1Are 69.3% and 31.7
Equivalent to%. The nuclear fission heat output of 1GWt-y is about 300.
generated by kg of fissile material, in this case
208 kg233Over 92kg with U consumption
Uranium element is consumed. Here, LiF- which is a solvent
BeFTwo-ThFFour-ZrFFour(73-21-2-4m
ole%) has a solubility of trifluoride at 550 ° C. of 3.
57 x 1020atoms / cmThree(5.93 x 10
-4mole / cm Three) Is actually in the molten salt reactor fuel
3.57 × 1020atoms / cmThreeSuper uranium yuan
Since the element can be loaded, the burning ratio of transuranium element is 31.
It will be 7%.

【0074】条件4−2 黒鉛減速材と容積比が10%であり、標本番号36のL
iF−BeF−ThF(77−5−18mole
%)溶媒のThFのうち16mole%をZrF
置換し、2mole%のThFを含む溶融塩原子炉燃
料(650℃において共鳴積分断面積の5%を含む中性
子捕獲断面積=0.220×10−24cm、炉心に
おける巨視的捕獲断面積=0.000736cm−1
で構成される原子炉において、232Thが中性子を捕
獲して生成する233UFの平衡濃度は約0.1mo
le%(3.54×1019atoms/cm)であ
る。平均運転温度である650℃における233Uの核
分裂断面積は299×10 24cmであり、中性子
捕獲断面積は56.5×10−24cmである。炉心
における233Uの巨視的核分裂断面積は0.0010
58cm−1であり、巨視的中性子捕獲断面積は0.0
00200cm−1である。233Uの核分裂による中
性子収率は2.49であるため、中性子増倍係数は1.
173である。実効核分裂断面積が13.1×10
−24cm、実効捕獲断面積が27.9×10−24
cmであり、中性子収率が3.42である超ウラン元
素が3.57×1020atoms/cmの濃度以下
で存在すれば、炉心の巨視的核分裂断面積は0.000
468cm−1、炉心の巨視的捕獲断面積は0.000
996cm−1であり、中性子増倍率は1.142以上
となり臨界となる。
[0074]Condition 4-2 The volume ratio to the graphite moderator is 10%, and the sample number 36L
iF-BeFTwo-ThFFour(77-5-18 mole
%) Solvent ThFFour16 mole% of which is ZrFFourso
Replaced with 2 mole% ThFFourMolten salt nuclear reactor fuel containing
Material (neutral including 5% of resonance integral cross section at 650 ° C)
Cross-sectional area of child capture = 0.220 x 10-24cmTwo, In the core
Macroscopic capture cross-section in = 0.000736cm-1)
In a reactor composed of232Th captures neutrons
Catch and generate233UFFourEquilibrium concentration of about 0.1mo
le% (3.54 × 1019atoms / cmThree)
It At the average operating temperature of 650 ° C233U core
Cross-section area is 299 × 10 24cmTwoAnd the neutron
Capture cross section is 56.5 × 10-24cmTwoIs. Core
In233U macroscopic fission cross section is 0.0010
58 cm-1And the macroscopic neutron capture cross section is 0.0
00200 cm-1Is.233Due to U fission
Since the sexual yield is 2.49, the neutron multiplication factor is 1.
173. Effective fission cross section is 13.1 × 10
-24cmTwo, The effective capture cross section is 27.9 × 10-24
cmTwoAnd a transuranium element with a neutron yield of 3.42
Element is 3.57 × 1020atoms / cmThreeBelow the concentration
, The macroscopic fission cross section of the core is 0.000
468 cm-1, The core macroscopic capture cross section is 0.000
996 cm-1And the neutron multiplication factor is 1.142 or more.
Becomes critical.

【0075】さらに、実効中性子捕獲断面積が6×10
−24cmの核分裂生成物が溶融塩炉燃料中に6.3
0×1020atoms/cmの濃度で存在しても中
性子増倍率は1.04であり臨界は保持できる。この核
分裂生成物量は炉心出力密度19.5W/cm(燃料
塩核分裂密度5.93×1012 fissions/
cm−s)において1.25×10−s(3.95
年)運転して蓄積するものに相当する。ここで、核分裂
生成物は希土類元素3弗化物を1.89×10 20
toms/cm含むため、溶融塩炉燃料の溶媒は全3
弗化物として少なくとも5.46×1020atoms
/cm(9.07×10−4mole/cm)の溶
解度を有する必要がある。ここで、溶媒としてLiF−
BeF−ThF(77−5−18mole%)のT
hFの一部をZrFで置換したLiF−BeF
ThF−ZrF(77−5−2−16mole%)
の550℃における3弗化物の溶解度はLiF−BeF
−ThF(77−5−18mole%)と同じく
6.63×1020atoms/cm(11.0×1
−4mole/cm)と推定され、実際に溶融塩炉
燃料中に負荷できる超ウラン元素濃度が満足される。
Further, the effective neutron capture cross section is 6 × 10.
-24cmTwoFission products of 6.3 in molten salt reactor fuel
0x1020atoms / cmThreeEven if present at a concentration of
The sexual multiplication factor is 1.04 and the criticality can be maintained. This nucleus
The amount of fission products is the core power density 19.5 W / cm.Three(fuel
Salt fission density 5.93 × 1012missions /
cmThree-S) at 1.25 × 108-S (3.95
It is equivalent to driving and accumulating. Where fission
The product is rare earth element trifluoride 1.89 × 10 20a
toms / cmThreeThe solvent of molten salt reactor fuel is 3 because it contains
At least 5.46 × 10 as fluoride20atoms
/ CmThree(9.07 × 10-4mole / cmThree) Melting
Must have a degree of solution. Here, as a solvent, LiF-
BeFTwo-ThFFour(77-5-18 mole%) T
hFFourPart of ZrFFourLiF-BeF substituted withTwo
ThFFour-ZrFFour(77-5-2-16 mole%)
The solubility of trifluoride at 550 ° C is LiF-BeF
Two-ThFFourSame as (77-5-18 mole%)
6.63 x 1020atoms / cmThree(11.0 x 1
0-4mole / cmThree) And is actually a molten salt furnace
The transuranic element concentration that can be loaded in the fuel is satisfied.

【0076】炉心の233Uの巨視的核分裂断面積0.
001058と超ウラン元素の巨視的核分裂断面積0.
000468は69.3%と31.7%に相当する。1
GWt−yの核分裂熱出力は約300kgの核分裂性物
質によって発生するが、この場合には、208kgの
233Uの消費に伴って92kgの超ウラン元素が燃焼
される。
233 U macroscopic fission cross section of the core
Macroscopic fission cross section of 001058 and transuranium element.
000468 is equivalent to 69.3% and 31.7%. 1
The fission heat output of GWt-y is generated by about 300 kg of fissile material.
With the consumption of 233 U, 92 kg of transuranic element is burned.

【0077】実施の形態4によれば、以下の効果を得る
ことができる。 (1)原子炉の最低運転温度が600℃程度であり、燃
料塩の最高許容液相温度が550℃である場合に、燃料
塩溶媒にThFとZrFを添加して、550℃にお
ける超ウラン元素3弗化物の溶解度を高めると同時に、
生成する233Uの核分裂で発生する中性子を利用して
核分裂断面積の著しく低い超ウラン元素を高い効率で燃
焼するために必要にして十分な増殖材であるThF
存在せしめることができる。 (2)核分裂断面積の小さい超ウラン元素を効果的に燃
焼することができる超ウラン元素3弗化物と希土類元素
3弗化物の溶解度が高い溶融塩原子炉燃料を提供するこ
とができる。
According to the fourth embodiment, the following effects can be obtained. (1) When the minimum operating temperature of the reactor is about 600 ° C. and the maximum allowable liquidus temperature of the fuel salt is 550 ° C., ThF 4 and ZrF 4 are added to the fuel salt solvent and the temperature exceeds 550 ° C. At the same time as increasing the solubility of uranium trifluoride,
ThF 4 , which is a necessary and sufficient breeding material, can be present to burn transuranium elements having a significantly low fission cross section with high efficiency by utilizing the neutrons generated in the generated 233 U fission. (2) It is possible to provide a molten salt nuclear reactor fuel having a high solubility of transuranium trifluoride and rare earth trifluoride that can effectively burn transuranium elements having a small nuclear fission cross section.

【0078】なお、図1及び図2の相状態図は、R.E. T
homa, H. Insley, H.A. Friedman and G.M. Hebert,
“Equilibrium Phase Diagram of the Lithium Fluorid
e-Beryllium Fluoride-Zirconium Fluoride Systems”,
Journal of Nuclear Materials Vol. 27(1968), p.16
6-180から引用したものであり、図3の相状態図は、W.
R. Grimes, “Molten-Salt Reactor Chemistry”, Nucl
ear Applications and Technology Vol.8, February 19
70, pp.137-155から引用したものである。
The phase diagrams of FIGS. 1 and 2 are RE T
homa, H. Insley, HA Friedman and GM Hebert,
“Equilibrium Phase Diagram of the Lithium Fluorid
e-Beryllium Fluoride-Zirconium Fluoride Systems ”,
Journal of Nuclear Materials Vol. 27 (1968), p.16
The phase diagram of Fig. 3 is from W.
R. Grimes, “Molten-Salt Reactor Chemistry”, Nucl
ear Applications and Technology Vol.8, February 19
70, pp.137-155.

【0079】[0079]

【発明の効果】請求項1の発明によれば、500℃にお
いて溶融塩原子炉燃料中に高い濃度で超ウラン元素3弗
化物を溶解せしめ、かなり低い核分裂断面積(約120
×10 −24cm)を有する超ウラン元素で構成され
る溶融塩原子炉燃料中に希土類元素を含む核分裂生成物
の存在を許さない原子炉に対して十分な核的反応度を与
え、50℃の裕度をもって550℃の最低運転温度が許
され、熱効率に優れた運転に適した溶融塩原子炉燃料を
提供することができる。
According to the invention of claim 1, the temperature is kept at 500 ° C.
And high concentration of transuranium element 3 in molten salt reactor fuel
To a very low fission cross section (about 120
× 10 -24cmTwo) Composed of transuranic elements
Fission products containing rare earth elements in molten salt reactor fuel
Nuclear reactors that do not allow the existence of
Well, with a margin of 50 ° C, a minimum operating temperature of 550 ° C is acceptable.
The molten salt reactor fuel suitable for operation with excellent thermal efficiency.
Can be provided.

【0080】請求項2の発明によれば、550℃におい
て溶融塩原子炉燃料中に高い濃度で超ウラン元素3弗化
物を溶解せしめ、さらに低い核分裂断面積(約76×1
24cm)を有する超ウラン元素で構成される溶
融塩原子炉燃料中に希土類元素を含む核分裂生成物の存
在を許す原子炉に対して十分な核的反応度を与え、請求
項1の発明より熱効率は劣るが、50℃の裕度をもって
600℃の最低運転温度が許される運転に適した溶融塩
原子炉燃料を提供することができる。
According to the invention of claim 2, the transuranic element trifluoride is dissolved in the molten salt reactor fuel at a high concentration at 550 ° C., and the nuclear fission cross section is further reduced (about 76 × 1).
0 - 24 cm 2) provide sufficient nuclear reactivity against the reactor to allow for the presence of fission products containing a rare earth element in the molten salt reactor fuel consists of transuranium elements with claim 1 Although the thermal efficiency is inferior to that of the invention, it is possible to provide a molten salt reactor fuel which has a margin of 50 ° C. and is suitable for operation in which a minimum operating temperature of 600 ° C. is allowed.

【0081】請求項3の発明によれば、550℃におい
て溶融塩原子炉燃料中に高い濃度で超ウラン元素3弗化
物を溶解せしめ、請求項2の発明によって得られる効果
を生じると共に、添加したThFの中性子捕獲によっ
て生成する233UFの高い核分裂断面積に由来し
て、著しく低い核分裂断面積(約13×10−24cm
)を有する超ウラン元素で構成される溶融塩原子炉燃
料中に希土類元素を含む核分裂生成物の存在を許さない
原子炉に対して十分な核的反応度を与え、233Uが燃
焼する分は原子炉の熱出力当たりに超ウラン元素の燃焼
量は少なくなるが、50℃の裕度をもって600℃の最
低運転温度が許される運転に適した溶融塩原子炉燃料を
提供することができる。
According to the invention of claim 3, the odor at 550 ° C.
Trans-uranium trifluoride at high concentration in molten salt reactor fuel
The effect obtained by the invention of claim 2 by dissolving the substance
And the added ThFFourBy the neutron capture of
Generate233UFFourOf high fission cross section
Remarkably low fission cross section (about 13 × 10-24cm
TwoMolten salt reactor composed of transuranium element
Does not allow the existence of fission products containing rare earth elements in the material
Give enough nuclear reactivity to the reactor,233U is burning
The amount burned is the combustion of transuranium elements per thermal output of the reactor.
Although the amount is small, it has a margin of 50 ° C and a maximum of 600 ° C.
Molten salt reactor fuel suitable for operation where low operating temperature is allowed
Can be provided.

【0082】請求項4の発明によれば、550℃におい
て溶融塩原子炉燃料中に高い濃度で超ウラン元素3弗化
物を溶解せしめ、請求項3の発明によって得られる効果
を生じると共に、添加されるThFの一部をZrF
で置換することにより、超ウラン元素3弗化物の溶解度
を高く保ちながら増殖材としてのThFの存在量を制
限して233Uの燃焼分を少なくし、核分裂生成物の存
在を許しても超ウラン元素の燃焼率を31.7%の理論
値にまで高めることができる。
According to the invention of claim 4, the transuranic element trifluoride is dissolved in the molten salt reactor fuel at a high concentration at 550 ° C., and the effect obtained by the invention of claim 3 is produced and added. that part of the ZrF 4 of ThF 4
By substituting with, the amount of ThF 4 used as a breeding material is limited to reduce the amount of 233 U burned while keeping the solubility of trans-uranium trifluoride high, and even if the existence of fission products is allowed, The burning rate of uranium element can be increased to the theoretical value of 31.7%.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の好適な一実施例である溶媒塩組成を示
すLiF−BeF−ZrF三成分系相状態図であ
る。
FIG. 1 is a LiF—BeF 2 —ZrF 4 ternary phase diagram showing a solvent salt composition that is a preferred embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例である溶媒塩組成を示すL
iF−BeF−ZrF三成分系相状態図である。
FIG. 2 is a graph showing a composition of a solvent salt according to another embodiment of the present invention.
iF-BeF 2 -ZrF a 4 ternary phase state diagram.

【図3】本発明の他の実施例である溶媒塩組成を示すL
iF−BeF−ThF三成分系相状態図である。
FIG. 3 is an L showing another example of the solvent salt composition of the present invention.
iF-BeF 2 -ThF a 4 ternary phase state diagram.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 質量数が7の同位元素を濃縮したリチウ
ムの弗化物(LiF)とベリリウムの2弗化物(Be
)とジルコニウムの4弗化物(ZrF)との混合
物からなる溶融塩の溶媒に、超ウラン元素の3弗化物と
核分裂生成物元素の3弗化物とを溶質として含み、溶媒
の組成がLiF−BeF−ZrF 三成分系の相状
態図上において75−5−20mole%、61−11
−20mole%、67−33−0mole%、及び6
9−31−0mole%の点を順次に結ぶ4角形の範囲
内であり、初めて固相が析出する温度である液相温度が
500℃より低く、使用温度が500℃より高いことを
特徴とする溶融塩原子炉燃料。
1. Lithium enriched with an isotope having a mass number of 7
Fluoride (7LiF) and beryllium difluoride (Be)
FTwo) And zirconium tetrafluoride (ZrFFour) Mixed with
In the solvent of the molten salt composed of a substance, trifluoride of transuranium element
It contains trifluoride of the fission product element as a solute and is a solvent.
The composition of7LiF-BeFTwo-ZrF FourPhase of ternary system
75-5-20 mole%, 61-11
-20 mole%, 67-33-0 mole%, and 6
Range of quadrangle connecting 9-31-0 mole% points sequentially
Liquid phase temperature, which is the temperature at which the solid phase precipitates for the first time
Lower than 500 ° C and operating temperature higher than 500 ° C
Characterized molten salt reactor fuel.
【請求項2】 質量数が7の同位元素を濃縮したリチウ
ムの弗化物(LiF)とベリリウムの2弗化物(Be
)とジルコニウムの4弗化物(ZrF)との混合
物からなる溶融塩の溶媒に、超ウラン元素の3弗化物と
核分裂生成物元素の3弗化物とを溶質として含み、溶媒
の組成がLiF−BeF−ZrF 三成分系の相状
態図上において77−3−20mole%、61−11
−20mole%、67−33−0mole%、及び7
1−29−0mole%の点を順次に結ぶ4角形の範囲
内であり、初めて固相が析出する温度である液相温度が
550℃より低く、使用温度が550℃より高いことを
特徴とする溶融塩原子炉燃料。
2. Lithium enriched with an isotope having a mass number of 7.
Fluoride (7LiF) and beryllium difluoride (Be)
FTwo) And zirconium tetrafluoride (ZrFFour) Mixed with
In the solvent of the molten salt composed of a substance, trifluoride of transuranium element
It contains trifluoride of the fission product element as a solute and is a solvent.
The composition of7LiF-BeFTwo-ZrF FourPhase of ternary system
77-3-20 mole%, 61-11
-20 mole%, 67-33-0 mole%, and 7
Range of a quadrangle connecting 1-29-0 mole% points sequentially
Liquid phase temperature, which is the temperature at which the solid phase precipitates for the first time
Lower than 550 ° C and operating temperature higher than 550 ° C
Characterized molten salt reactor fuel.
【請求項3】 質量数が7の同位元素を濃縮したリチウ
ムの弗化物(LiF)とベリリウムの2弗化物(Be
)とトリウムの4弗化物(ThF)との混合物か
らなる溶融塩の溶媒に、超ウラン元素の3弗化物と核分
裂生成物元素の3弗化物とを溶質として含み、溶媒の組
成がLiF−BeF−ThF三成分系の相状態図
上において76−6−18mole%、69−31−0
mole%、及び71−29−0mole%の点を順次
に結ぶ3角形の範囲内であり、初めて固相が析出する温
度である液相温度が500℃と550℃の範囲内であ
り、使用温度が550℃より高いことを特徴とする溶融
塩原子炉燃料。
3. A lithium fluoride ( 7 LiF) enriched with an isotope having a mass number of 7 and a beryllium difluoride (Be).
F 2 ) and a thorium tetrafluoride (ThF 4 ) mixture of a molten salt solvent containing a transuranium element trifluoride and a fission product element trifluoride as solutes. 7 LiF-BeF 2 -ThF 4 76-6-18mole % in the phase diagram the state of a three-component system, 69-31-0
mole% and 71-29-0 mole% points are sequentially connected within a triangular range, and the liquidus temperature at which the solid phase precipitates for the first time is within the range of 500 ° C and 550 ° C. Is higher than 550 ° C. Molten salt nuclear reactor fuel.
【請求項4】 請求項3記載の溶融塩原子炉燃料におけ
るトリウムの4弗化物(ThF)の一部をジルコニウ
ムの4弗化物(ZrF)で置換して溶媒中でのThF
含有量を低減したことを特徴とする溶融塩原子炉燃
料。
4. ThF in a solvent obtained by substituting a part of thorium tetrafluoride (ThF 4 ) in the molten salt reactor fuel according to claim 3 with zirconium tetrafluoride (ZrF 4 ).
Molten salt reactor fuel characterized by having a reduced content of 4 .
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