JP2015081904A - 中性子反射体及び原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】トリチウムの冷却水への放出を抑制することのできる中性子反射体及び原子炉を提供する。【解決手段】ベリリウム反射体２４やベリリウムＨ形枠２６などの中性子反射体は、ベリリウムバルク体２４ａ，２６ａと、ベリリウムバルク体２４ａ，２６ａの表面に設けられた表面層２４ｂ，２６ｂを備えている。表面層２４ｂ，２６ｂは、Ａｌ、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＣからなる群より選ばれる１以上で構成されている。【選択図】図５

Description

本発明は、中性子反射体及び原子炉に関する。

ベリリウムは、中性子吸収断面積が小さいという特性や、中性子散乱断面積が大きいという特性を有しており、こうした特性を利用した種々の用途が知られている（特許文献１〜３）。例えば、特許文献１では、原子炉の反射体要素にベリリウムを用いたものが記載されている。特許文献１の反射体要素は、筐体の外壁とキャプセル装荷用のパイプとの間の空隙にベリリウムの小球体を充填した、材料試験炉用の反射体要素であり、中性子束の密度が均一な領域を拡大することができるとしている。また、特許文献２では、原子炉の反射体要素などを固定するＨ形枠にベリリウムを用いたものが記載されている。また、特許文献３では、核融合装置のブランケットにベリリウムを用いたものが記載されている。特許文献３のブランケットは、例えば、リチウム含有セラミックス製のトリチウム増殖ペブル及びベリリウム製の中性子増倍ペブルを備え、トリチウム増殖ペブルおよび中性子増倍ペブルの少なくとも一方にアルミナコーティングが施されている。この施工により、高温で反応し易いトリチウム増殖ペブルと中性子増倍ペブルとの直接的接触を避けることができるとしている。

特開２００２−２９６３８６号公報 特開２００２−２２８８５号公報 特開平５−２８８８７４号公報

ところで、ベリリウムは、中性子が照射されると、副反応として式（１）に示す反応が生じ、⁹Ｂｅから³Ｈ（トリチウム）を生成する。このトリチウムは、水を構成する軽水（¹Ｈ）と容易に置換される。このため、周囲が冷却水で満たされた状態で中性子が照射される反射体要素やＨ形枠などにベリリウムを用いると、周囲の冷却水に生成されたトリチウムが放出され、原子炉の運転とともに冷却水中のトリチウム濃度が上昇するという問題がある（図６参照）。一方、ある程度使用した冷却水は新たな冷却水と入れ替える。この入れ替えに際し、使用済の冷却水が外部へ排出されるときには、トリチウムの濃度を低下させる処理を行ってから排出されるが、処理の負担を低減するためには冷却水に含まれるトリチウムの量が少ないことが好ましい。このため、ベリリウムを用いた反射体要素やＨ形枠などの中性子反射体において、トリチウムの放出を抑制することが望まれていた。
⁹Ｂｅ（ｎ，α）⁶Ｈｅ→β崩壊→⁶Ｌｉ（ｎ，α）³Ｈ ・・・（１）

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、トリチウムの冷却水への放出を抑制することのできる中性子反射体及び原子炉を提供することを主目的とする。

本発明の中性子反射体及び原子炉は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の中性子反射体は、
ベリリウムバルク体と、
前記ベリリウムバルク体の表面に設けられ、Ａｌ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣからなる群より選ばれる１以上で構成された表面層と、
を備えたものである。

この中性子反射体では、ベリリウムバルク体の表面に、トリチウムを透過しにくい（水素透過係数が小さい）材質で構成された表面層が形成されている。このため、ベリリウムバルク材と冷却水が直接接触しないことから、トリチウムと軽水との置換反応が抑制されるとともに、トリチウムは表面層を透過することができず、中性子反射体の外部への放出がしにくくなる。一方、表面層は、中性子吸収断面積が小さい材質で構成されている。このため、中性子の移動を阻害しにくい。また、表面層は、ベリリウムと同様に中性子の速度を減衰させる効率の高い軽元素で構成されている。このため、中性子の速度を効率よく減衰させることができる。さらに、表面層は、水やベリリウムとの反応性が小さい材質で構成されている。このため、冷却水との接触やベリリウムバルク体との接触によって変質することがない。したがって、本発明の中性子反射体では、中性子反射体としてのベリリウムの機能を大きく低下させることなく、トリチウムの冷却水への放出を抑制することができる。

この中性子反射体において、前記表面層は、アルミニウムであることが好ましい。アルミニウムは、水素透過係数が特に小さく、トリチウムの冷却水への放出をより抑制することができるからである。

この中性子反射体において、前記表面層は、１０μｍ以上１０００μｍ以下の厚さであることが好ましい。表面層が１０μｍ以上であれば、均一な表面層を形成することが容易であるとともに、核反応のエネルギーで移動する反跳のトリチウムを停止でき、１０００μｍ以下であれば、中性子の移動をより阻害しにくい。

本発明の原子炉は、上述した中性子反射体をベリリウム反射体要素及びベリリウムＨ形枠のうちの少なくとも一方として備えたものである。こうした原子炉では、冷却水中へのトリチウムの放出量を低減させることができるからである。

原子炉１０の構成の概略を示す説明図。 炉心部１４の炉心配置の概略を示す平面図。 ベリリウム反射体要素２４の構成の一例の概略を示す斜視図。 ベリリウム反射体要素２４の構成の一例の概略を示す斜視図。 本発明の中性子反射体におけるトリチウムの放出防止の仕組みを示す概念図。 従来の中性子反射体におけるトリチウムの放出の仕組みを示す概念図。

次に、本発明の中性子反射体及び原子炉について、図面を用いて説明する。図１に原子炉１０の構成の概略を示し、図２に炉心部１４の炉心配置の概略を示す。また、図３，４にベリリウム反射体要素２４の構成の一例の概略を示す。また、図５に、本発明の中性子反射体（ベリリウム反射体要素２４、ベリリウムＨ形枠２６）におけるトリチウムの放出防止の仕組みを示す概念図を示す。この原子炉１０は、高い中性子束が得られるように設計され、短時間で照射試験を行うことができる、軽水減速冷却タンク型の材料試験用原子炉である。

原子炉１０は、原子炉圧力容器１２及び炉心部１４を備えている。

原子炉圧力容器１２は、ステンレス鋼製であり、この原子炉容器１２内に炉心部１４が設けられている。原子炉圧力容器１２の上方には冷却水入口１６、下方には冷却水出口１８が設けられ、冷却水が原子炉圧力容器１２の上方から下向きに通り抜けるようになっている。この冷却水は、中性子を減速させる減速材としての役割を併せ持つものである。

炉心部１４は、円筒形に構成されており、燃料要素２０、制御要素２２、ベリリウム反射体要素２４、ベリリウムＨ形枠２６、アルミニウム反射体要素２８などを備えており、それらの隙間を冷却水が流れるようになっている。

燃料要素２０は、原子炉を運転するための燃料を備えた棒状体であり、制御要素２２は、原子炉の出力を制御するための棒状体である。

ベリリウム反射体要素２４は、中性子を効率的に反射及び減速させて熱中性子とするとともに、中性子が炉心から外部へ漏れ出ることを抑制するものである。このベリリウム反射体要素２４は、例えば、図３に示すように、四角柱状に構成されたベリリウムバルク体２４ａの表面に、表面層２４ｂが形成されたものである。ベリリウムバルク体２４ａは、例えば、ホットプレスにより中実に形成されたものであり、表面層２４ｂの形成前に表面粗さＲａが２μｍ以上２００μｍ以下などの、より好ましくは５μｍ以上１００μｍ以下などの粗さとなるように粗化処理されたものであることが好ましい。こうすれば、ベリリウムバルク体２４ａの表面層２４ｂとの密着性を高めることができる。粗化処理の方法としては、ブラスト加工やローレット加工、エッチング加工などが挙げられる。表面層２４ｂは、Ａｌ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣからなる群より選ばれる１以上で構成されている。この表面層２４ｂは、ベリリウムバルク体２４ａ表面に、厚さ１０〜１０００μｍ、より好ましくは１００〜２００μｍとなるように形成されており、例えば、ＰＶＤ法や溶射法などにより成膜されたものである。ＰＶＤ法としては、真空蒸着やスパッタリング、イオンプレーティングなどが挙げられる。また、溶射法としては、アーク溶射や高速フレーム溶射、大気プラズマ溶射などが挙げられる。

このベリリウム反射体要素２４において、ベリリウムバルク体２４ａには、図４に示すように、中性子照射試験用の試料を挿入するための穴２４ｃが設けられていてもよい。この場合、この穴２４ｃの部分にも冷却水が侵入するため、穴２４ｃの表面にも上述したのと同様の表面層２４ｂが形成されていることが好ましい。なお、ベリリウム反射体要素２４において、表面層２４ｂは、ベリリウムバルク体２４ａの表面全体に形成されていることが好ましいが、図３及び図４では、説明の便宜上、ベリリウム反射体要素２４の上面の表面層２４ｂを省略した。

ベリリウムＨ形枠２６は、ベリリウム反射体要素２４を固定するための枠である。このベリリウムＨ形枠２６は、中性子を効率的に反射及び減速させて熱中性子とするとともに、中性子が炉心から外部へ漏れ出ることを抑制するものである。このベリリウムＨ形枠２６は、Ｈ形の断面を有する柱状に構成されたベリリウムバルク体２６ａの表面に、表面層２６ｂが形成されたものである。ベリリウムバルク体２６ａは、例えば、ホットプレスにより中実に形成されたものであり、表面層２６ｂの形成前に表面粗さＲａが２μｍ以上２００μｍ以下などの、より好ましくは５μｍ以上１００μｍ以下などの粗さとなるように粗化処理されたものであることが好ましい。こうすれば、ベリリウムバルク体２６ａの表面層２６ｂとの密着性を高めることができる。粗化処理の方法としては、ブラスト加工やローレット加工、エッチング加工などが挙げられる。表面層２６ｂは、Ａｌ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣからなる群より選ばれる１以上で構成されている。この表面層２６ｂは、ベリリウムバルク体２６ａ表面に、厚さ１０〜１０００μｍ、より好ましくは１００〜２００μｍとなるように形成されており、例えば、ＰＶＤ法や溶射法などにより成膜されたものである。ＰＶＤ法としては、真空蒸着やスパッタリング、イオンプレーティングなどが挙げられる。また、溶射法としては、アーク溶射や高速フレーム溶射、大気プラズマ溶射などが挙げられる。

このベリリウムＨ形枠２６において、ベリリウムバルク体２６ａには、中性子照射試験用の試料を挿入するための穴が設けられていてもよい。この場合、この穴の部分にも冷却水が侵入するため、穴の表面にも上述したのと同様の表面層２６ｂが形成されていることが好ましい。

アルミニウム反射体要素２８は、炉心から外部へ漏れ出る中性子の量を調整するためのものであり、燃料要素２０や制御要素２２、ベリリウム反射体要素２４、ベリリウムＨ形枠２６などを囲うように配置されている。

以上説明した実施形態の原子炉１０によれば、上記式（１）によってトリチウムを生成することのあるベリリウム反射体要素２４やベリリウムＨ形枠２６において、ベリリウムバルク体２４ａ，２６ａの表面に、トリチウムの放出を抑制する表面層２４ｂ，２６ｂが形成されている。このため、表面層２４ｂ，２６ｂが無い場合（図６参照）に比してトリチウムがトリチウム反射体要素２４やベリリウムＨ形枠２６などの中性子反射体内に閉じこめられる（図５参照）。このため、冷却水へのトリチウムの放出を抑制することができる。また、ベリリウムバルク体２４ａ，２６ａの表面に、表面層２４ｂ，２６ｂを形成するため、表面層２４ｂ，２６ｂを均一に形成することが容易である。また、ベリリウム粉体などの表面に表面層を形成する場合よりも、表面層の割合が少なくて済むため、中性子の移動が阻害されにくく、中性子反射体としてのベリリウムの機能の低下を抑制できる。

また、表面層２４ｂ，２６ｂは、中性子吸収断面積が小さい材質で構成されている。このため、中性子の移動を阻害しにくい。さらに、表面層２４ｂ，２６ｂは、ベリリウムと同様に中性子の速度を減衰させる効率の高い軽元素で構成されている。このため、中性子の速度を効率よく減衰させることができる。さらにまた、表面層２４ｂ，２６ｂは、水やベリリウムとの反応性が小さい材質で構成されている。このため、冷却水との接触やベリリウムバルク体２４ａ，２６ａとの接触などによって表面層２４ｂ，２６ｂが変質することがない。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

以下では、本発明の中性子反射体の製造例について説明する。

エッチング加工により表面粗さをＲａ＝２μｍとしたベリリウム材の表面に、アーク溶射によって、厚さ１７０μｍのアルミニウムの表面層を形成した。ベリリウム材には、アルミニウムの表面層が密着していた。

本発明は、原子炉を用いた発電や中性子照射試験の分野などに利用可能である。

１０ 原子炉、１２ 原子炉圧力容器、１４ 炉心部、１６ 冷却水入口、１８ 冷却水出口、２０ 燃料要素、２２ 制御要素、２４ ベリリウム反射体要素、２４ａ ベリリウムバルク体、２４ｂ 表面層、２４ｃ 穴、２６ ベリリウムＨ形枠、２６ａ ベリリウムバルク体、２６ｂ 表面層、２８ アルミニウム反射体要素。

Claims (4)

1. ベリリウムバルク体と、
   前記ベリリウムバルク体の表面に設けられ、Ａｌ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＣからなる群より選ばれる１以上で構成された表面層と、
   を備えた中性子反射体。
2. 前記表面層は、アルミニウムである、請求項１に記載の中性子反射体。
3. 前記表面層は、１０μｍ以上１０００μｍ以下の厚さである、請求項１又は２に記載の中性子反射体。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の中性子反射体をベリリウム反射体要素及びベリリウムＨ形枠のうちの少なくとも一方として備えた、原子炉。

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