JP2013250056A

JP2013250056A - 溶融塩原子炉

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Publication number: JP2013250056A
Application number: JP2012122679A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kamei; 敬史亀井; Atsuhiko Hirai; 敦彦平井
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-12
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP5781013B2; WO2013180029A1; US20150117589A1

Abstract

【課題】溶融塩を熱交換のための金属製配管と直接接触させることなく、溶融塩原子炉の熱を取り出すことができる溶融塩原子炉を提供する。
【解決手段】上下方向に貫通する少なくとも一つの溶融塩流路２を有する減速材構造体３と、前記減速材構造体の上下及び周囲に溶融塩循環用間隙Ｘを介して配置された反射体４と、反射体４を収容する炉容器５と、炉容器５の壁を通じて炉容器５内と熱交換する冷却材を流通させる冷却材流路１０Ａと、を備えることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶融塩原子炉に関する。

溶融塩原子炉は、溶融塩に核燃料物質（ウランやトリウム）を溶解させて液体燃料とし、炉内で発生した熱を発電等に利用する液体燃料炉である。燃料溶媒となる溶融塩はフッ化物溶融塩（ＬｉＦ‐ＢｅＦ_２）が最適とされる。このフッ化物溶融塩に親物質であるＴｈＦ_４および核分裂性物質^２３３ＵＦ_４を溶解させて液体燃料とする。

この種の溶融塩原子炉として、古川氏等による小型溶融塩原子炉（特許文献１、２等）や、西堀氏等による小型溶融塩原子炉（特許文献３）等が知られている。

特開昭６２−１３０３８４号公報特開平７−９１１７１号公報特開昭５７−１９９１号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に開示されている溶融塩原子炉は、核燃料物質が含まれる溶融塩が、熱交換等のために、薄い金属配管で形成された一次系配管を通じて炉心外部に送られる。その結果、ｉ）炉心外部空間の放射線量の増加、ｉｉ）一次系配管の放射化、ｉｉｉ）一次系配管の腐食、ｉｖ）二次系へのトリチウムの移行、ｖ）遅発中性子の漏洩・損失、ｖｉ）核燃料物質の炉心外インベントリーの増加、等の問題があった。

また、上記特許文献３に開示されている溶融塩原子炉についても、熱交換用配管が炉容器内部にあるため、ｉ）炉容器内に配置された熱交換器の配管（二次系配管）の腐食及び中性子照射による脆化、ｉｉ）二次系へのトリチウムの移行、ｉｉｉ）熱交換器領域を流動する溶融塩からの遅発中性子の炉容器外への漏洩等の問題があると考えられる。

上記問題を解決するため、本発明は、熱交換のための金属製配管と溶融塩とを直接接触させることなく、炉内の熱を取り出すことができる溶融塩原子炉を提供することを主たる目的とする。

斯かる目的を達成するため、本発明に係る溶融塩原子炉は、上下方向に貫通する少なくとも一つの溶融塩流路を有する減速材構造体と、前記減速材構造体の上下及び周囲に溶融塩循環用間隙を介して配置された反射体と、前記反射体を収容する炉容器と、前記炉容器の壁を通じて該炉容器内と熱交換する冷却材を流通させる冷却材流路と、を備えることを特徴とする。

一実施形態において、前記冷却材流路は、前記炉容器を収容する熱交換シェルによって形成されている。

他の一実施形態において、前記炉容器に接続されるとともに、前記熱交換シェル内に収容されたドレンタンクを更に備えている。

更に他の一実施形態において、前記冷却材流路は、前記炉容器の外周面を囲むジャケットによって形成されている。

更に他の一実施形態において、前記冷却材流路は、前記容器壁の外周面に巻回されたパイプによって形成されている。

更に他の一実施形態において、気体状核分裂生成物を逃がすために前記反射体に形成された通気孔と、該通気孔から出た気体状核分裂生成物を吸収する吸収体が収容された吸収体室と、を更に備えている。

更に他の一実施形態において、前記炉容器の外周面に形成された放熱フィンを更に備える。

更に他の一実施形態において、前記溶融塩流路を下方から上方に流れ出た溶融塩が前記溶融塩循環用間隙を流下して再び前記溶融塩流路の下方に流入する循環流を促進するための循環装置を更に備える。

更に他の一実施形態において、前記反射体は、黒鉛又はＳｉＣで形成されている。

更に他の一実施形態において、前記炉容器の外周に、該炉容器内からの中性子漏洩率を変更するための外部反射体が更に設けられている。

更に他の一実施形態において、前記外部反射体が、上下方向に移動可能に設けられている。

更に他の一実施形態において、前記外部反射体が、電源遮断によって連結を解除される連結装置を介して支持されている。

本発明に係る溶融塩原子炉によれば、核分裂により加熱された溶融塩は、炉容器の壁を通して外部に放熱しつつ、自然対流によって、溶融塩循環用間隙を上方から下方に流れ、再び減速材構造体の下部から減速材構造体内の溶融塩流路に流入し、溶融塩流路内を上方へ流動することにより、自然循環による循環流を生じる。この循環流は、循環装置を付加することにより、流量が増加され、制御され得る。

核分裂により発生した炉容器内部の溶融塩の熱は、炉容器の壁を通して冷却材に伝熱することにより取り出される。

溶融塩は反射体によって上下及び周囲が囲まれており、熱交換のための配管が溶融塩と接触することもないので、配管の放射化、腐食、トリチウムの移行、遅発中性子の漏洩等が生じない、安全性の高い溶融塩原子炉を提供することができる。

本発明に係る溶融塩原子炉の一実施形態を示す縦断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に対応する横断面図である。図１の溶融塩原子炉の使用状態を示す断面図である。本発明に係る溶融塩原子炉の他の一実施形態を示す縦断面図である。本発明に係る溶融塩原子炉の更に他の一実施形態を示す縦断面図である。

本発明に係る溶融塩原子炉の実施形態について、以下に図１〜図５を参照して説明する。なお、全図及び全実施形態を通じ、同一又は類似の構成要素に同符号を付し、以下の説明において重複説明を省略することがある。

図１及び図２に示すように、溶融塩原子炉１は、上下方向に貫通する少なくとも一つの溶融塩流路２を有する減速材構造体３と、減速材構造体３の上下及び周囲に溶融塩循環用間隙Ｘを介して配置された反射体４と、反射体４を収容する炉容器５と、炉容器５の壁５ｗを通じて炉容器５内と熱交換する冷却材を流通させる冷却材流路１０Ａと、を備えている。減速材構造体３と溶融塩とによって炉心が形成されている。反射体４は、炉心のまわりを囲んでいる。なお、図１において、点線の矢印は溶融塩の流れを示し、２点鎖線の矢印は冷却材の流れを示している。

減速材構造体３は、黒鉛、ＳｉＣ等で形成され得る。反射体４は、中性子が外へ逃げ出すのを防ぐとともに、炉心から漏れてくる中性子を散乱して再び炉心に戻す役割をする。そのため、反射体４は、黒鉛、ＳｉＣ等によって形成され得る。熱伝導性の観点からは、反射体４としてＳｉＣが好適に用いられ得る。炉容器５は、Ｎｉ基合金等の耐食性材料で形成され得、好ましくはハステロイＮ或いはＭＯＮＩＣＲによって形成される。

減速材構造体３と反射体４との間に、溶融塩循環用間隙Ｘを形成するため、スペーサＳが介在されている。

反射体４は、上壁４ａと周壁４ｂと底壁４ｃとを備えている。図示例において、上壁４ａ、周壁４ｂ、底壁４ｃは、それぞれをブロック構造とし、順に積載されることにより、減速材構造体３及び溶融塩を収容する空間を形成されている。好ましくは、反射体４は、炉容器５の内壁面に密着するように設けられる。反射体４は、黒鉛或いはＳｉＣ等の反射体材料を炉容器５の内壁面にライニングすることにより設けることもできる。

反射体４の上壁４ａには、核分裂反応により生成する気体状核分裂生成物を逃がすために通気孔６が形成されている。通気孔６から出た気体状核分裂生成物は、上壁４ａの上部に設けられた吸収体室７に入り、吸収体室７に収容された吸収体８に吸収される。吸収体８としては、例えば、活性炭の多孔質成形体を使用することができる。吸収体室７の天井壁と吸収体８との間にスプリング９を配置し、スエリング等による反射体４の膨張を吸収する。通気孔６は斜め方向に形成することにより、中性子が上壁４ａを通過するのを防ぐことができる。

炉容器５は、熱交換シェル１０内に収容されている。炉容器５は、熱交換シェル１０内に支持されており、図１に示された例では、円筒状の支持脚５ａによって熱交換シェル１０内に支持されている。支持脚５ａには、冷却材が通り抜ける通孔５ｂが形成されている。熱交換シェル１０は、冷却材の入口１１と出口１２とを備えている。熱交換シェル１０の入口１１及び出口１２に、例えば、図３に示すような循環流路３０が接続され、循環流路３０に介在されたポンプ３１によって冷却材が循環する。循環流路３０には、熱機関として、図示例ではヘリウムガスタービン３２が介在されている。この場合、熱交換シェル１０内において、炉容器５の外周面に冷却材流路１０Ａが形成される。冷却材としては、例えば、窒素ガスや炭酸ガス、ヘリウムガスが使用され得る。また、図３に示すように、炉心からの放射線の漏れを防ぐためにコンクリート製の生体遮蔽３３が設置され得る。

炉容器５の外周壁面には、放熱フィン１３が一体的に形成されている。放熱フィン１３は、図１及び図２に示す例では縦方向に延び、等角度間隔で複数枚が放射状に設けられている。放熱フィン１３は、横方向に延在させることもできる（図４参照）。

炉容器５の外周面に沿って、炉容器内からの中性子漏洩率を変更又は調整するための外部反射体４ｄが配置されている。図示例では、外部反射体４ｄは、等角度間隔で配置された隣り合う放熱フィン１３と放熱フィン１３との間に配置されている。外部反射体４ｄの内側面と炉容器５の外周面との間には、冷却材が通る隙間が形成され、該隙間によって冷却材流路１０Ａの一部が形成され得る。

外部反射体４ｄは、黒鉛又はＳｉＣで形成され、炉容器５の外部へ放射された中性子を炉容器５の内部へ反射することにより、中性子利用効率を高めるとともに、熱交換シェル１０の放射化を防ぐ。

外部反射体４ｄは、電源遮断によって連結を解除される非常用の連結装置１４を介することにより、炉容器５の外周面に沿って支持させることができる。連結装置１４は、事故による外部電源喪失等によって電磁石への通電が断たれると、磁力を失うことにより、外部反射体４ｄを落下させる。外部反射体４ｄが落下することで、中性子漏洩率を高めて、未臨界状態に移行させ、炉の運転を速やかに停止せることができる。非常用の連結装置１４は、電磁石による連結に限らず、電源遮断によって連結が解除される連結装置であればよく、例えば、図示しないが、油圧シリンダの作動によって前記外部反射体に係合するフックを作動させておいて、電源喪失による油圧ポンプの停止により油圧シリンダへの油圧供給が停止してフックが解除することにより前記外部反射体が落下するように構成する等、他の手段を採用することもできる。

また、外部反射体４ｄは、駆動装置２１に接続されることにより、上下方向に駆動されて出力調整に使用することもできる。駆動装置２１は、図示例のようにボールねじ２１ａ、ボールねじナット２１ｂ、ボールねじナット２１ｂを回転させるモータ２１ｃ等から構成することができるし、或いは、外部反射体４ｄをワイヤーで吊下げてそのワイヤーを巻き取る電動ウインチによって構成する等、他の公知の駆動装置を採用することができる。

溶融塩流路２を下方から上方に流れ出た溶融塩が溶融塩循環用間隙Ｘを流下して再び溶融塩流路２の下方に流入する循環流を促進するための循環装置１６を付加的に備えることができる。

図示例の循環装置１６は、減速材構造体３の上部に配置された遠心羽根１６ａを備えている。遠心羽根１６ａに連結された駆動軸１６ｂが炉容器５及び熱交換シェル１０を貫通して上方に延び、駆動軸１６ｂはモータ１６ｃに連結されている。循環装置１６は、図示例のものに限らず、スクリュー、ポンプ等、強制的に循環流を生じさせる他の手段を採用することもできる。

そして、燃料を追加するための燃料供給ポート１７及び燃料を排出するためのドレンパイプ１８が炉容器５に設けられ、制御棒１９が上下動自在に支持されている。ドレンパイプ１８の下端には、ドレンタンク２２が接続されている。ドレンタンク２２は、炉容器５と同じ材料で形成され得る。また、ドレンパイプ１８には、フリーズバルブ（凝固弁）２３が介在されている。制御棒１９は、Ｂ_４Ｃ（ボロンカーバイド）によって形成され得る。制御棒１９は、循環装置１６の駆動軸１６ｂを中空パイプにして、その中空内に収容することもできる。

フリーズバルブ２３は、溶融塩原子炉運転時には、その周囲から冷却材や電動ファンなどの冷却手段によって冷却されることにより、フリーズバルブ内の溶融塩を凝固点以下（たとえば４５０℃以下）に保つことで凝固させ、閉弁した状態とされる。溶融塩原子炉が何らかのトラブル等により電源喪失した場合、フリーズバルブ２３は、冷却手段を失い、フリーズバルブ内の溶融塩が溶解して開弁し、ドレンタンク２２に高温の溶融塩をドレンする。ドレンタンク２２に排出された溶融塩は崩壊熱を持っており、その熱を冷却する必要があるが、ドレンタンク２２を熱交換シェル１０内に収容しておくことにより、熱交換シェル１０を循環する冷却材で除熱することができる。従って、熱交換シェル１０は、ドレンタンク２２内の溶融塩からの放射線の遮蔽と、放射性物質の格納の役割も果たし得る。

熱交換シェル１０の内底に支持機構２４が設けられ、支持機構２４によってドレンタンク２２が熱交換シェル１０の底から持ち上げられた状態で支持されている。これは、炉容器５からドレンタンク２２に溶融塩を排出した際に、落下させた外部反射体４ｄがドレンタンク２２の横にあると、ドレンタンク２２内に格納された溶融塩からの中性子が外部反射体４ｄに反射されて臨界事故になる可能性があるからであり、そのような事態を回避するためである。

熱交換シェル１０の底には、外部反射体４ｄが落下して壊れないように、緩衝材２５が設置されている。また、外部反射体４ｄを上下に駆動させる際に冷却材流動で振動したり、落下させた際に倒れたりしないように、外部反射体４ｄの４隅の内外面を縦方向に案内するガイドレール２６が設けられている。

上記構成を有する溶融塩原子炉１では、溶融塩に溶解された核燃料物質が、減速材構造体３の溶融塩流路２の内部で核分裂反応を起こし、加熱されるとともに溶融塩流路２内を上昇する。溶融塩流路２内を上昇して溶融塩流路２から流出した溶融塩は、溶融塩循環用間隙Ｘに流入する。溶融塩循環用間隙Ｘでは、溶融塩の熱が、反射体４及び炉容器５の壁面（伝熱壁）を通過し、炉容器５の周囲を流れる冷却材に伝熱される。溶融塩循環用間隙Ｘで熱を奪われた溶融塩は、減速材構造体３の下方に流入し、再び溶融塩流路２内に流入する。このようにして自然対流による循環流が生じる。循環装置１６は、自然対流による循環流を補うとともに、流量を制御することができる。反射体４は、溶融塩から放出される遅発中性子を炉容器５内に反射させる。核分裂に伴う気体状核分裂生成物は、吸収体室７内の吸収体８に吸収・保持されるので、炉内にとどまることによる中性子の吸収を避けることができ、中性子の利用効率を高めるとともに、炉容器の破損時に環境中に放出される気体状核分裂生成物の量を最小限にとどめることができる。

上記より明らかなように、溶融塩原子炉１は、炉容器５内の反射体４で包囲された室内で溶融塩が循環していて、溶融塩が炉容器５の外部に配管を通じて持ち出されることがなく、また、炉容器５内に熱交換用の配管等がないため、熱交換に使用される配管等の放射化や腐食がない。遅発中性子は反射体４によって炉容器５内に反射され、核分裂に寄与し得るため、反応効率を高めることができる。

図４は、本発明に係る溶融塩原子炉の他の実施形態を示す断面図である。この実施形態では、炉容器５の外周に冷却材を循環流通させるジャケット２７によって冷却材流路２７Ａが形成されており、炉容器５内で発生した熱は、炉容器５の壁５ｗを通じてジャケット２７の冷却材流路２７Ａ内を流通する冷却材に伝熱される。ジャケット２７の冷却材流路２７Ａは、図４に示すように、炉容器５の外周を冷却材が螺旋状に流通するような螺旋状流路とすることができる。

図５は、本発明に係る溶融塩原子炉の他の実施形態を示す断面図である。この実施形態では、炉容器５の外周に冷却材を循環流通させるパイプ２８によって冷却材流路２８Ａが形成されており、炉容器５内で発生した熱は、炉容器５の壁５ｗを通じてパイプ２８の冷却材流路２８Ａ内を流通する冷却材に伝熱される。パイプ２８の冷却材流路２８Ａは、炉容器５の外周を冷却材が螺旋状に流通するような螺旋状流路とすることができる。

本発明は、上記実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明に趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。

１溶融塩原子炉
２溶融塩流路
３減速材構造体
４反射体
４ａ上壁
４ｂ周壁
４ｃ底壁
４ｄ外部反射体
５炉容器
７吸収体室
８吸収体
１０熱交換シェル
１０Ａ、２７Ａ、２８Ａ冷却材流路
１３放熱フィン
１６循環装置

Claims

上下方向に貫通する少なくとも一つの溶融塩流路を有する減速材構造体と、
前記減速材構造体の上下及び周囲に溶融塩循環用間隙を介して配置された反射体と、
前記反射体を収容する炉容器と、
前記炉容器の壁を通じて該炉容器内と熱交換する冷却材を流通させる冷却材流路と、
を備えることを特徴とする溶融塩原子炉。
前記冷却材流路は、前記炉容器を収容する熱交換シェルによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
前記炉容器に接続されるとともに、前記熱交換シェル内に収容されたドレンタンクを更に備えていることを特徴とする請求項２に記載の溶融塩原子炉。
前記冷却材流路は、前記炉容器の外周面を囲むジャケットによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
前記冷却材流路は、前記容器壁の外周面に巻回されたパイプによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
気体状核分裂生成物を逃がすために前記反射体に形成された通気孔と、該通気孔から出た気体状核分裂生成物を吸収する吸収体が収容された吸収体室と、を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
前記炉容器の外周面に形成された放熱フィンを更に備えることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
前記溶融塩流路を下方から上方に流れ出た溶融塩が前記溶融塩循環用間隙を流下して再び前記溶融塩流路の下方に流入する循環流を促進するための循環装置を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
前記反射体は、黒鉛又はＳｉＣで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
前記炉容器の外周に、該炉容器内からの中性子漏洩率を変更するための外部反射体が更に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の溶融塩原子炉。
前記外部反射体が、上下方向に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の溶融塩原子炉。
前記外部反射体が、電源遮断によって連結を解除される連結装置を介して支持されていることを特徴とする請求項１０に記載の溶融塩原子炉。