JP2016042090A

JP2016042090A - 小型溶融塩炉

Info

Publication number: JP2016042090A
Application number: JP2015161070A
Authority: JP
Inventors: 幹康木下; Mikiyasu Kinoshita; 治明松浦; Haruaki Matsuura; 雅章古川; Masaaki Furukawa; 強岩下; Tsuyoshi Iwashita
Original assignee: AIKON TECHNO CO Ltd; THORIUM TECH SOLUTION Inc
Current assignee: AIKON TECHNO CO Ltd; THORIUM TECH SOLUTION Inc
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2016-03-31
Also published as: WO2017030107A1

Abstract

【課題】液体燃料を用いる溶融塩炉は、燃料の破損や蒸気爆発などが発生せず、安全性の高い原子炉であるが、燃料自体が原子炉の1次系を移動するため、1次系の放射線対策が必要であり、メンテナンス性に課題があること、また放射線管理区域が大きくなることなどの課題がある。【解決手段】本発明では、液体燃料を1次系を循環させることなく、燃料容器に封止して用いることにより、燃料体一体ごとの燃料管理が可能となり、放射性物質の管理が容易となるとともに、前記の液体燃料が1次系を移動することに伴う課題が解決できる。本発明では、燃料容器に液体燃料を封止する際にフリーズシールを用いることで、緊急時の温度上昇に対しフリーズシールが溶けることで液体燃料を下部のボトルにドレンできるため受動的安全性を高めている。また、燃料容器内の溶融塩燃料を炉心に出し入れできる構造により出力を燃料の量で直接制御できるため負荷追従能力が高い。【選択図】図１

Description

本発明は、核燃料を溶融した溶融塩燃料とこれを冷却する冷却剤として溶融塩を用いた小型溶融塩炉に関する。

トリウム核燃料を混合させた溶融塩を燃料として用いる原子炉３００として、従来の例を図９に示す。燃料を含む１次冷却材が循環する１次系Ｓ₁と、熱交換器を通してこれを冷却する２次冷却系Ｓ₂と、２次系の冷却剤により加熱、蒸発（蒸発器３０３）させられた蒸気が蒸気タービン２００を回し、発電する。

このような従来の溶融塩炉の特徴は、燃料を含む溶融塩が１次系Ｓ₁を循環することである。燃料を含む１次系の溶融塩が黒鉛を減速剤とした炉心３０１に送り込まれ、ここで臨界に達し、発熱し高温となる。高温の溶融塩は炉心の外へ循環し、熱交換器３０２により２次冷却系Ｓ₂に熱を伝え、冷却された後、再び炉心３０１に循環する。

特願２０１３−２４３６２０号「溶融塩原子燃料モジュール」特願平１１−３１０３０２号「溶融塩炉」

オークリッジ国立研究所で１９６０年代に実際に稼働していた「溶融塩炉（ＭＳＲ：ＭｏｌｔｅｎＳａｌｔＲｅａｃｔｏｒ）」が従来の代表的な溶融塩炉である。その後、高速炉の設計もなされた。「Ｒｏｓｅｎｔｈａｌ，ｅｔａｌ．，″ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＳｔａｔｕｓｏｆＭｏｌｔｅｎ−ＳａｌｔＢｒｅｅｄｅｒＲｅａｃｔｏｒｓ″，ＯＲＮＬ−４８１２（１９７２）」溶融塩増殖炉研究専門委員会報告書「溶融塩増殖炉」，日本原子力学会（１９８１）

従来の溶融塩炉では、前記のように燃料が循環するため、１次系の機器、配管など放射線対策が必要となるとともに、放射線管理区域が大きくなるというメンテナンス上の課題も発生する。

これらの課題をさけるため、従来の溶融塩炉の設計例では、燃料を固体燃料とし、燃料が１次冷却系を循環しない溶融塩炉も設計されている。

本発明は上記に鑑み、液体燃料の特長を生かしつつ、液体燃料が冷却系のループを循環することのないコンパクトな溶融塩炉を提供することにある。

本発明は、溶融塩燃料を充填した燃料体と、複数の前記燃料体を支持する燃料支持構造物と、前記燃料体と前記燃料支持構造物とを接合するための嵌合部と、前記燃料体の間に配設され中性子を減速する減速材ブロックとにより構成された炉心と、前記炉心の側面を包囲する反射体と、前記反射体を包囲し、前記燃料容器を搬出搬入するための燃料体補給口を有した原子炉容器と、前記原子炉容器の出口から原子炉容器の入口の間に配設される１次冷却系配管と、前記１次冷却系配管の中を流れる１次冷却材である溶融塩を循環させる循環ポンプと前記１次冷却材と熱交換を行い外部に熱を伝える中間熱交換器と、前記原子炉容器下部に配設され前記燃料容器内の溶融塩燃料を排出するドレンタンクと、前記燃料体内で発生する核分裂生成物ガスを収集処理する気体廃棄物処理装置とを具備した小型溶融塩炉である。

本発明は、前記燃料体嵌合部の封止にフリーズシール機構を用いたことを特徴とする小型溶融塩炉である。

本発明は、前記燃料体嵌合部に前記溶融塩燃料をドレンするためのラプチャーディスクを用いることを特徴とした小型溶融塩炉である。

本発明は、前記燃料容器内において、運転中に発生する核分裂生成物ガスをヘリウムガスのバブリングにより前記気体廃棄物処理装置に回収することを特徴とする小型溶融塩炉である。

本発明は、前記炉心の周囲に配設された前記反射体を移動・開閉させることにより核連鎖反応を制御することを特徴とする小型溶融塩炉である。

本発明は、前記気体廃棄物収集装置において、核分裂生成物ガスから有用物質、たとえば医療用に用いるモリブデン９９などを分離採集する機能を付加した小型溶融塩炉である。

本発明は、前記燃料体の下部に、各燃料体ごとに燃料体内部の溶融塩燃料をドレンすることができるドレンボトルを設置することを特徴とする小型溶融塩炉である。

本発明は、炉心の核出力を制御するために、中心燃料体の溶融塩燃料の液位を変更することを特徴とする小型溶融塩炉である。

本発明は、ヘリウムガスによるバブリング用配管と気体廃棄物回収用配管の２本のガス配管を二重管としたことを特徴とする小型溶融塩炉である。

また、本発明は、溶融塩燃料を充填した燃料体と、複数の前記燃料体を支持する燃料支持構造物と、前記燃料体と前記燃料支持構造物とを接合するための嵌合部と、前記燃料体の間に配設され中性子を減速する黒鉛減速材とにより構成された炉心と、前記炉心の側面を包囲する反射体と、前記反射体を包囲し、前記燃料容器を搬出搬入するための燃料体補給口を有した原子炉容器と、前記原子炉容器の出口から原子炉容器の入口の間に配設される1次冷却系配管と、前記1次冷却系配管の中を流れる1次冷却材を循環させる循環ポンプと前記1次冷却材と熱交換を行い外部に熱を伝える中間熱交換器とを有し、前記燃料体は、一体構造の交換可能な筒状体をなし、この筒状体内は、上下に仕切部材によって仕切られ、上室に燃料が収納され、前記上室の燃料上部空間から下室に燃料が発生するＦＰガスを下室に導くＦＰガス配管が伸び、前記仕切部材上にラプチャーディスクが設けられている小型溶融塩炉である。

本発明によれば、６〜７本の燃料体により炉心を構成できるため、原子炉設備の簡素化、安全性の向上が達成でき、コンパクトな溶融塩炉を実現できるとともに、燃料体内の溶融塩に高、低レベル放射性廃棄物を混合することで、これらの低寿命化燃焼が可能となり、放射性廃棄物の低減が図れる溶融塩炉を提供することができる。

本発明の溶融塩炉に係わる第１の実施形態を説明するための原子炉構成図。本発明の溶融塩炉に係わる第１の実施形態の炉心断面図。本発明の溶融塩炉に係わる第２の実施形態を説明するための原子炉構成図。本発明の溶融塩炉に係わる第３の実施形態の上部燃料体と下部ドレンボトル構成図。本発明の溶融塩炉に係わる第３の実施形態を説明するための嵌合部水平断面図。本発明の溶融塩炉に係わる第３の実施形態における気体廃棄物処理装置への配管の嵌合部における垂直断面図。本発明におけるガス配管を二重管とした構成図。本発明の溶融塩炉に係る第４の実施形態を説明するための原子炉構成図。従来の溶融塩炉の一例を説明するための概略構成図。

＜第１の実施形態＞
図１において、建屋１内には、断面円形の原子炉容器２が配設され、この原子炉容器２内には、炉心３が収納され、この炉心３は円形断面の中性子を減速する黒鉛減速材４と、この黒鉛減速材４内に間隔を配して設けられ、トリウム溶融塩燃料５を充填した円筒状容器をなす複数の燃料体６、６…６と、炉心３の側面を包囲し、中性子を反射する反射体７と、複数の燃料体６を下側から支持する支持構造物８と、燃料体６と支持構造体８とを接合するための嵌合部９とからなっている。

前記原子炉容器２の天井には、燃料体６を搬出入するための燃料補給口１０、１０…１０が設けられ、前記原子炉容器２の天井中心部から例えばナトリウム溶融塩（１次冷却材）を循環させる１次冷却系配管１１が建屋内に設けられた中間熱交換器１２に伸びており、更に循環ポンプ１３を経て原子炉容器２下部に伸び、原子炉容器２内に送られた１次冷却材は、支持構造物８及び嵌合部９を通り、燃料体６と黒鉛減速材４の間の隙間Ｓ、Ｓ…Ｓを通って１次冷却系配管１１の入口に至り、このように炉心３を１次冷却材が流れることによりそれが加熱され、前記中間熱交換器１２で建屋１外に伸びる２次冷却系配管１４と熱交換する。

前記建屋１の底部には、燃料体６内の燃料５を排出するためのドレンタンク１５が設けられ、このドレンタンク１５には、燃料体６内のトリウム燃料の異常時（圧力、温度の異常上昇）に嵌合部９に設けた図示しないフリーズシール機構としてのラプチャーディスクが破れて燃料が排出されるようになっている。なお、前記燃料体６内には、燃料５内で発生する気体廃棄物（ＦＰガス）を回収する回収口１７が設けられ、この回収口１７は配管１８に接続され、この配管１８は嵌合部９を通って建屋１底部に設けたＦＰガス分離器１９（気体廃棄物処理装置１９）に伸び、ここで有用物質である医療用アイソトープの原料となるモリブデン９９を分離回収する。なお、前記燃料体６内には、ヘリウムガスタンク１６からのヘリウムガスが配管２０を介して送られ、ヘリウムガスのバブリングにより燃料５内の核分裂生成物を取り除く。

出力制御に関しては、一般的に用いられる制御棒は用いず、炉心の側面に配設された黒鉛反射体７を上下、或いは周方向に開閉することで、炉心から漏れる中性子を制御し、出力を調整する構成としたものである。

以上述べた第１の実施形態によれば、核燃料物質を混合させた溶融塩燃料を燃料容器の中に封止した燃料体を用いることにより、溶融塩燃料が１次系を循環することなく燃料体の中に保持されるため、これにより核燃料物質を含む溶融塩燃料を１体ごとに管理することが可能となり、核物質の管理とメンテナンス性が向上するとともに、１次冷却系の放射線対策についても軽減される。これにより原子炉構造、燃料取扱設備の簡素化を図ることが可能となり、コンパクトな溶融塩炉を構成できる。また、溶融塩燃料に高、低レベル放射線廃棄物、プルトニウムなどを混合することで、これらを燃焼、低寿命化処理することができる。
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の溶融塩炉に係わる第２の実施形態における原子炉の構成を説明する図である。

図１と図３の実施形態の相違は、各燃料体６の下方に嵌合部９を介してそれぞれドレンボトル２１、２１…２１が各燃料体６に対応して設けられ緊急時の溶融塩燃料材５のドレンを個別の燃料体毎に収納できるようにしていることと、１次冷却系配管１１の中間熱交換器１２の下流側から冷却材をバルブＶ₁を介して冷却タンク２２に導いて緊急時にドレンボトル２１に落下したドレンを冷却できるようになっていることである。

緊急時に溶融塩燃料５のドレンボトル２への落下を容易にするために、燃料体６のガス空間から気体廃棄物処理装置１９へつながる配管１８の、ドレンボトル２１内に位置する部分に、上部燃料体６のガス空間と下部ドレンボトル２１のガス空間を連通させるラプチャーディスク２３が設けられている。

これにより上部燃料体６のガス空間とドレンボトル２内の圧力がバランスして燃料の落下が容易となる。

以上述べた第２の実施形態によれば、事故の起きた燃料体６とそれに対応したドレンボトル２１のみを交換することで、事故処理が容易となるとともに核燃料の管理が容易となる。また、事故の発生した燃料体６とドレンボトル２１を一体で新しいものと交換することで運転停止期間を短期化できる。

＜第３の実施形態＞
図４乃至図６は本発明の溶融塩炉に関わる第３の実施形態を説明するためのものである。

本実施形態は、原子炉出力の制御を前記反射体７によるのではなく燃料体６の溶融塩燃料の液位を運転中に調整することにより行う場合である。炉心の燃料体が図２に示すように７体で構成されている場合、中心の溶融塩燃料の液位を低下させると、炉心内の燃料が減少し、核反応が低下し、出力が低下する。このように、炉心内の溶融塩燃料の量を制御することで核反応を制御できる。

本実施形態の溶融塩炉では、図４に示すように、上部燃料体６の燃料液位を、溶融塩液位制御用ガス配管２４を通してヘリウムガスをドレンボトル２１から流入流出させることで、下部ドレンボトル２１のガス圧を変化させ、ドレンボトル２１内の溶融塩燃料を上部燃料体６に燃料体６とドレンボトル２１間に連通して設けた燃料体連結管２５を通して出し入れすることにより上部燃料体６の溶融塩燃料の量を変化させ、出力制御を行う。

図４において、ガス圧制御系の不調により急激に下部ドレンボトル２１のガス圧が上昇し、上部燃料体に燃料が送出され、出力が上昇するような場合、気体廃棄物回収用配管１８に設置されたラプチャーディスク２６が破裂することにより、上部燃料体６のガス空間と下部ドレンボトルのガス空間が連結し、上部燃料体の溶融塩燃料が重力により燃料体連結管２５を通って下部ドレンボトルに落下し、出力がシャットダウンする受動的安全機能を構成する。

すなわち、図５、図６に示すように、燃料体６の嵌合部９にはエルボー管１８ｂが設けられ、このエルボー管１８ｂの上端には、気体廃棄物処理装置１９の配管１８の垂直部１８ａが燃料体６内で接続され、エルボー管１８ｂの燃料体６外に突出する水平端には配管１８の水平部１８ｃが接続され、エルボー管１８ｂの曲折部に前記ラプチャーディスク２６が設けられている。

また、図４、５に示すように嵌合部９には、緊急時に破れて燃料を下部ドレンボトル２１に落下させるためのラプチャーディスク２７が設けられている。

以上述べた第３の実施形態によれば、溶融塩燃料の炉心への出し入れにより出力を制御できるため、反射体による出力制御に比べ制御範囲が広くかつ制御能力が高い。この負荷追従能力が高いことを利用して、負荷の変動が激しい離島や僻地の独立した電源としての需要に応えることができる。

上述の第１〜第３実施形態では、気体廃棄物処理装置１９の配管１８と、ヘリウムガス用の配管２０とは別体に設けられているが、図７に示すように、ヘリウムガスによるバブリング用配管３０を内管とし、気体廃棄物回収用配管３１を外管とする二重管構成としてもよい。溶融塩燃料体内の前記二重管は、嵌合部９において、ジョイント機構３２、３２により、外部に接続され、外管３１を流れる核分裂生成物ガスはフィルター３３を通り、気体廃棄物処理装置（図示せず）へと導かれる。

本実施形態によるヘリウムガスバブリング用配管３０は、溶融塩燃料体上部のガス空間から下降し、溶融塩燃料中に開口部が水平方向に設置されるため、溶融塩燃料が配管内に逆流することを抑制する効果がある。

本実施形態の図７では、二重管構成としたガス配管３０、３１が溶融塩体内に配設されているが、図のＡ部分に示すように溶融塩燃料容器外周に接して、燃料容器外部に配設してもよい。

＜第４の実施形態＞
図８において、原子炉容器４０は、外殻４１内に支持部４２、４２…４２を介して支持され、前記原子炉容器４０内には、炉心４３が収納されている。この炉心４３は、上下方向に間隔を配して設けられた３つの支持構造物４４、４４、４４と、この支持構造物のうち、上位、中間に位置する支持構造物４４、４４間に挟持された黒鉛減速材４５と、長細の一体円筒形状をなしトリウム溶融塩の燃料４６が収納され交換可能な複数の燃料体４７、４７…４７を有している。前記原子炉容器４０は、蓋体５１によって開閉自在に閉塞され、燃料体４７の交換が容易になされ、前記各燃料体４７は上下に仕切板４８によって仕切られ、上室４７ａには燃料４６が収納され、下室４７ｂはドレン室として機能し、緊急時に仕切板４８上に設けたラプチャーディスク４９が破れて燃料４６の落下したものを収納する。また、各燃料体４７内には、燃料体４７内の上室４７ａに収納した燃料中に発生したＦＰガスを下室４７ｂに導くためのＦＰガス移送管５０が仕切板４８を貫通して設けられている。前記燃料体４７の上室４７ａに対応する部分は支持構造物４４、４４、黒鉛減速材４５に取り外し可能に支持され、下室４７ｂの下端面は下位の支持構造物４４に載置されているので、燃料体４７は交換容易であり、燃料４６の使用後、あるいは事故があり使用不適切になったものは、新しいものに随時交換可能である。また、原子炉容器４０内には、１次冷却系配管５２が設けられ、これにより供給された冷却材（ナトリウム溶融塩）は、炉下部から炉心４３を上昇して原子炉容器４２の側壁上部の出口管５３を介して外部に取出され、図示しない２次冷却系と熱交換する。

なお、原子炉容器４０の内周壁には図示されてはいない中性子反射体が設けられている。

炉心の最小構成で燃料体５本程度で臨界にできるため構造がコンパクトであり、またトリウムとウランを燃料とした場合、プルトニウムの発生が非常に少ないため核不拡散の観点からも利用しやすい原子炉となる。構造上メンテナンスが容易で、運転も容易であるため僻地や離島の分散電源としての利用が見込まれる。

１…建屋
２、４０…原子炉容器
３、４３…炉心
４、４５…黒鉛減速材
５、４６…溶融塩燃料
６、４７…燃料体
７…反射体
９…嵌合部
１１、５２…第１次冷却配管
１５…ドレンタンク
１９…気体廃棄物処理装置
２１…ドレンボトル
２６、４９…ラプチャーディスク

Claims

溶融塩燃料を充填した燃料体と、複数の前記燃料体を支持する燃料支持構造物と、前記燃料体と前記燃料支持構造物とを接合するための嵌合部と、前記燃料体の間に配設され中性子を減速する黒鉛減速材とにより構成された炉心と、前記炉心の側面を包囲する反射体と、前記反射体を包囲し、前記燃料容器を搬出搬入するための燃料体補給口を有した原子炉容器と、前記原子炉容器の出口から原子炉容器の入口の間に配設される1次冷却系配管と、前記1次冷却系配管の中を流れる1次冷却材を循環させる循環ポンプと前記1次冷却材と熱交換を行い外部に熱を伝える中間熱交換器と、前記原子炉容器下部に配設され前記燃料容器内の溶融塩燃料を排出するドレンタンクと、前記燃料体内で発生する核分裂生成物ガスを収集処理する気体廃棄物処理装置とを具備した小型溶融塩炉。
前記燃料体嵌合部の封止にフリーズシールを用いたことを特徴とする請求項1に記載の小型溶融塩炉。
前記燃料体嵌合部に前記溶融塩燃料をドレンするためのラプチャーディスクを用いることを特徴とした請求項1に記載の小型溶融塩炉。
前記燃料容器内において、運転中に発生する核分裂生成物ガスをヘリウムガスのバブリングにより前記気体廃棄物処理装置に回収することを特徴とする請求項1に記載の小型溶融塩炉。
前記炉心の周囲に配設された前記反射体を移動・開閉させることにより核連鎖反応を制御することを特徴とする請求項１記載の小型溶融塩炉。
前記気体廃棄物収集装置において、核分裂生成物ガスから有用物質、医療用に用いるアイソトープの原料となるモリブデン９９などを分離採集する機能を付加した請求項1に記載の小型溶融塩炉。
前記ドレンタンクは、前記燃料体の下部に、各燃料体ごとに燃料体内部の溶融塩燃料をドレンすることができる独立したドレンボトルであることを特徴とする請求項1に記載の小型溶融塩炉。
炉心の核出力を制御するために、中心燃料体の溶融塩燃料の液位を変更することを特徴とする請求項7に記載の小型溶融塩炉。
ヘリウムガスによるバブリング用配管と気体廃棄物回収用配管の２本のガス配管を二重管としたことを特徴とする請求項１に記載の小型溶融塩炉。
溶融塩燃料を充填した燃料体と、複数の前記燃料体を支持する燃料支持構造物と、前記燃料体と前記燃料支持構造物とを接合するための嵌合部と、前記燃料体の間に配設され中性子を減速する黒鉛減速材とにより構成された炉心と、前記炉心の側面を包囲する反射体と、前記反射体を包囲し、前記燃料容器を搬出搬入するための燃料体補給口を有した原子炉容器と、前記原子炉容器の出口から原子炉容器の入口の間に配設される1次冷却系配管と、前記1次冷却系配管の中を流れる1次冷却材を循環させる循環ポンプと前記1次冷却材と熱交換を行い外部に熱を伝える中間熱交換器とを有し、前記燃料体は、一体構造の交換可能な筒状体をなし、この筒状体内は、上下に仕切部材によって仕切られ、上室に燃料が収納され、前記上室の燃料上部空間から下室に燃料が発生するＦＰガスを下室に導くＦＰガス配管が伸び、前記仕切部材上にラプチャーディスクが設けられている小型溶融塩炉。