JP2016095155A - 黒鉛ブロック - Google Patents

Abstract

【課題】長期間の運転が可能なペブルベッド型原子炉に用いる黒鉛ブロックを提供する。【解決手段】複数の黒鉛ブロック１０を積み上げて、燃料球である複数のペブル４を装荷するペブル収納空間２０が形成される。黒鉛ブロック１０は、基材１１と基材１１を覆うセラミック被覆１２からなる。黒鉛ブロック１０は、黒鉛ブロック１０のペブル収納空間２０に面する内壁面１３を囲む辺（コーナー）に相当する位置の少なくとも一部に面取り部１６が形成されている。面取り部１６によりペブル４が黒鉛ブロック１０の表面を転がっていっても、ペブル収納空間２０に面する内壁面１３を囲む辺にペブル４が強く当たらず、セラミック被覆１２を破損しにくくすることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、ペブルベッド型原子炉用の黒鉛ブロックに関する。

黒鉛は、中性子の吸収断面積が高く、中性子の減速能が大きいため、減速比が高いこと、高い耐熱性を有すること、大きな素材が容易に得られることから原子炉の減速材、反射材として利用されている。特に、マグノックス炉、改良型黒鉛炉（ＡＧＲ炉）、高温ガス炉などガス冷却炉の減速材、反射体などの素材として重要な材料である。

特許文献１には、減速材、反射材としての黒鉛の核的特性及び熱的特性を損なう事なく、黒鉛自体のもろさに対してセラミックスを用いることで補い、強度を向上させた黒鉛構造物として、固体黒鉛で構成される減速材、反射材等の原子炉構造物の表面を炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の耐熱セラミックス等で覆い、核及び熱的な性能を損なう事なく、強度を向上させた黒鉛構造物が提案されている。

実開昭６１−２０６８９７号公報

ガス冷却炉は、マグノックス炉、改良型黒鉛炉など炭酸ガスを冷却材に用いた従来の炉と、高温ガス炉などヘリウムを冷却材に用いた新しい炉がある。従来の炉で用いられている炭酸ガスは、炉心構造材の黒鉛と化学反応を起こすため、原子炉の出口の冷却材の温度は黒鉛と炭酸ガスの化学反応によって制限された。しかしながら、ヘリウムガスを冷却材として使用することにより、冷却材と黒鉛との化学反応は起こることがなくなり、原子炉の運転温度を高めることができるようになった。

ヘリウムを冷却材に用いた高温ガス炉には、燃料形状の違いにより、ブロック型高温ガス炉と、ペブルベッド型高温ガス炉とがある。ブロック型高温ガス炉では、例えば内部に燃料棒が収納された六角状の黒鉛ブロック（燃料カラム）と、内部に燃料棒が収納されていない六角状の黒鉛ブロック（可動反射体）、さらにそれらの外部を取りまく固定反射体で構成される。上記特許文献１の黒鉛構造物は、ブロック型高温ガス炉に関する技術である。

これに対し、ペブルベッド型高温ガス炉では、被覆燃料粒子を黒鉛粒子と混ぜ球状に成形した燃料球（ペブル）を使用し、これを黒鉛ブロックで形成された空間内に多数無秩序に積み重ねて炉心を形成する。燃料球の直径は約６ｃｍである。核反応が低下した燃料球を運転中に下から取り出すとともに、上部から新たな燃料球を供給することにより、連続的に交換することが特徴である。このため、ブロック型高温ガス炉のように運転を停止して燃料交換をする必要が無く、原子炉の運転期間を長くすることができる。

しかしながら、ペブルベッド型高温ガス炉は、原理上、ブロック型高温ガス炉よりも長期間の運転が可能となるため、使用される黒鉛ブロックの交換周期を長くすることにより、長期間の運転を可能にする。このため、更なる黒鉛ブロックのライフアップが望まれる。

本発明は、上記課題を鑑み、長期間の運転が可能なペブルベッド型原子炉に用いる黒鉛ブロックを提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の黒鉛ブロックおよびペブルベッド型原子炉は、
（１）ペブルベッド型原子炉用の黒鉛ブロックであって、前記黒鉛ブロックは、黒鉛からなる基材と当該基材を被覆するセラミック被覆とからなるとともに、ペブル収納空間に面する内壁面を囲む辺に相当する位置の少なくとも一部に面取り部が形成されている。
（２）前記面取り部はＣ面取りであって、前記面取り部を構成する傾斜面と前記内壁面とのなす角度は、１３０〜１７５°である。
（３）前記内壁面の端部における接平面に投影される前記面取り部の幅は、５〜３０ｍｍである。
（４）前記面取り部は、Ｒ面取りである。
（５）前記Ｒ面取りの曲率半径は、５〜３０ｍｍである。
（６）前記内壁面は前記面取り部により囲まれている。
（７）前記セラミック被覆はＳｉＣより構成される。
（８）（１）から（７）のいずれかに記載の黒鉛ブロックを備えるペブルベッド型原子炉である、
ことを特徴とする。

本発明によって得られる黒鉛ブロックは、ペブル収納空間に面する内壁面を囲む辺は、面取り部を有しているので、ペブルが黒鉛ブロックの表面を転がっていっても、ペブル収納空間に面する内壁面を囲む辺（コーナー）に強く当たらず、セラミック被覆を破損しにくくすることができる。

本発明に係る黒鉛ブロックが用いられるペブルベッド型原子炉の一例を示す模式図。 本発明に係る黒鉛ブロックが用いられるペブル収納空間の一例を示す模式図。 本発明に係る黒鉛ブロック同士の境界部近傍におけるペブルの接触具合を説明するための模式図、（ａ）面取り部での状態、（ｂ）面取り部と内壁面との境界での状態を示す。 本発明に係る黒鉛ブロックの面取り部の実施例を示す斜視図で、（ａ）実施例１、（ｂ）実施例２。 本発明に係る黒鉛ブロックの面取り部の実施例を示す斜視図で、（ａ）実施例３、（ｂ）実施例４。 図５（ａ）の黒鉛ブロックの面取り部を構成する傾斜面と内壁面とのなす角（α）と、内壁面の端部における接平面に投影される面取り部の幅（ｄ）を示す模式図であって、（ａ−１）、（ａ−２）は図５（ａ）の縦断面線Ｉに沿った断面図であり、（ｂ−１）、（ｂ−２）は図５（ａ）の横断面線ＩＩに沿った断面図である。

以下、本発明に係る黒鉛ブロックの好適な実施形態を、図１〜図５に基づいて詳述する。

図１は、ペブルベッド型原子炉の一例を示す模式図である。ペブルベッド型原子炉１は、原子炉容器２内に炉心３が収納され、炉心３内には燃料球であるペブル４が複数装荷されている。炉心３は、上部、下部、周囲が複数の黒鉛ブロック１０により構成されたペブル収納空間２０が形成されている。また、炉心３は、複数の黒鉛ブロック１０を積み上げて構成され、中性子の外部への漏洩量を極力小さくさせている。また、原子炉容器２の下部には、冷却材用の配管５が接続され、上部に発電機、中央にガスタービンや圧縮機、下部に冷却器を有する動力変換装置６と連結されている。

図２は、本実施形態の黒鉛ブロック１０で構成されたペブル収納空間２０の一例を示す模式図である。

ペブル収納空間２０内に装荷されるペブル４は、直径が約６ｃｍの球形状であり、例えばウラン酸化物を核燃料物質とする多数の被覆燃料粒子とそれを内包する黒鉛マトリックスとから構成された燃料領域が黒鉛殻で囲まれた構造となっている。そして、ペブル４は、この被覆燃料粒子を中性子減速材となる黒鉛材内に含有させるために、被覆燃料粒子を黒鉛粉末と混合して球状成形型内に充填して一次プレスして一次球（コア）を製造し、この一次球を黒鉛粉末と共に二次プレスしてシェル付きの球状粒子とし、これを真球状にするために表面研削し、その後、予備焼成、焼成工程を経て完成される。

ペブル収納空間２０を構成する黒鉛ブロック１０は、黒鉛からなる基材１１と基材１１を被覆するセラミック被覆１２とからなる。また、黒鉛ブロック１０は、本実施形態では一例として円柱面を含む略四角柱形状を成し、ペブル収納空間２０を形成する内壁面１３と、上面１４ａ及び下面１４ｂと、側面１５とを有している。なお、円柱面とは、完全な円柱面であることは必要ではなく、例えば黒鉛ブロック１０のぺブル収納空間に面する内壁面１３が平面で構成されることによって、ペブル収納空間２０を多角柱の壁面で構成してもよい。

そして、セラミック被覆１２はＳｉＣであることが望ましい。ペブル４は、核燃料に熱分解炭素、ＳｉＣなどを被覆した粒子を固めて形成されているため、ペブル４は硬く、黒鉛ブロック１０を摩耗させる能力が高い。従って、ペブル４に含まれる最も硬いＳｉＣと同じ材質で黒鉛ブロック１０を被覆させることにより、ペブル４から圧力が加わっても黒鉛ブロック１０を破損しにくくすることができる。また、ＳｉＣは、中性子の吸収が少ないので、核分裂の連鎖反応に与える影響が少ない。

本実施形態では、黒鉛ブロック１０の内壁面１３を囲む辺（コーナー）に相当する位置の少なくとも一部に面取り部１６が形成されている。また、面取り部１６は、上下又は左右の辺部分に形成されていても良く、全周に亘って形成されていても良い。全周に亘って形成されている場合は、内壁面１３が面取り部１６により囲まれた状態となる。

また、セラミック被覆１２は、本実施形態で示されるように黒鉛ブロックの１０の基材１１の表面全体を覆っていても良く、ペブル収納空間２０に面した内壁面１３及び面取り部１６のみに施されていても良い。

図３は隣接する黒鉛ブロック１０同士の境界部近傍におけるペブル４の接触具合を説明するための模式図で、（ａ）は面取り部での状態、（ｂ）は面取り部と内壁面との境界での状態を示す。

原子炉では、核分裂に伴って様々な気体状の核分裂生成物が生成する。気体状の核分裂生成物の中に、黒鉛と反応する成分が生成することがある。ペブルベッド型原子炉１で用いる燃料球であるペブル４は、ウランなど密度の高い元素を多量に含有する上に、黒鉛ブロック１０の表面を転がりながら移動していくので、ペブル４と黒鉛ブロック１０の接点では、高い圧力が一点に集中する。このため被覆が破損すると、黒鉛と核分裂生成物とが反応し、黒鉛ブロック１０を劣化させる。

ペブルベッド型原子炉１では、複数の黒鉛ブロック１０を積み上げて炉心を構成しているので、個々の黒鉛ブロック１０は、製作上のばらつき、組立の際の誤差、使用時の温度差、スエリングの進行の差異によって、ペブル収納空間２０に面する内壁面１３には、僅かな段差が生じる。ペブル４には大きな圧力が加わっているので、ペブル４が僅かな段差を乗り越え、次の黒鉛ブロック１０の前に移動するためには、大きなエネルギーを必要とする。黒鉛ブロック１０の前に移動する際にセラミック被覆１２の破壊に必要なエネルギーが大きいと、セラミック被覆１２の破壊がおき、黒鉛が露出する。なお、スエリングとは、発生する気体性放射性物質のガス圧あるいは中性子の照射によって、膨張、変形する現象である。

本実施形態では、ペブル収納空間２０を構成している黒鉛ブロック１０の内壁面１３を囲む辺は、面取り部１６を有しているので、ペブル４が黒鉛ブロック１０の表面を転がっていっても、ペブル収納空間２０に面する内壁面１３を囲む辺（コーナー）に強く当たらず、セラミック被覆１２を破損しにくくすることができる。

即ち、図３（ａ）に示す通り、隣接する黒鉛ブロック１０同士の境界部１０ａでは、形成された面取り部１６により窪みが形成され、球形状のペブル４の衝撃が緩和され、内壁面１３をスムーズに転がることができる。また、図３（ｂ）に示す通り、内壁面１３と面取り部１６との境界部１０ｂが滑らかなため、球形状のペブル４の衝撃が緩和され、内壁面１３をスムーズに転がることができる。

図４及び図５は、面取り部１６の実施例を示す斜視図で、図４（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２、図５（ａ）は実施例３、（ｂ）は実施例４である。図６は、図５（ａ）の黒鉛ブロックの面取り部を構成する傾斜面と内壁面とのなす角（α）と、内壁面の端部における接平面に投影される面取り部の幅（ｄ）を示す断面図である。図６（ａ−１）、（ａ−２）は図５（ａ）の縦断面線Ｉに沿った断面図であり、図６（ｂ−１）、（ｂ−２）は図５（ａ）の横断面線ＩＩに沿った断面図である

実施例１は、面取り部１６が上下に形成されており、上面１４ａ及び下面１４ｂから内壁面１３に向かって略一直線状に辺をカットした傾斜面１７となっている。そして、一直線状になる傾斜面１７をＣ面と述べるので、面取り部１６はＣ面取りとなる。

また、面取り部１６を構成する傾斜面１７と内壁面１３とのなす角αは、１３０〜１７５°であることが望ましい。即ち、角αが１３０°以上であると、ペブル４の移動に伴う内壁面１３に垂直方向の変位が小さくおさえられるので、辺にかかる圧力を小さくすることができる。そして、なす角αが１７５°以下であると、内壁面１３と交差する側面１５と傾斜面１７が形成する辺を露出しにくくすることができる。

さらに、角αの好ましい下限は、１３５°以上である。１３５°以上であると、より辺にかかる圧力をより小さくすることができる。そして、角αの好ましい上限は、１７０°以下である。１７０°以下であると、より内壁面１３と交差する側面１５と傾斜面１７が形成する辺をより露出しにくくすることができる。

また、内壁面１３の端部における接平面に投影される面取り部１６の幅ｄは、５〜３０ｍｍであることが望ましい。幅ｄが５ｍｍ以上であると、傾斜面１７と、内壁面１３とが共有する辺にペブル４がさしかかったとき、より広い領域の黒鉛ブロック１０に圧力を分散することができ、セラミック被覆１２を破損しにくくすることができる。

幅ｄが３０ｍｍ以下であると、ペブル４が内壁面１３より奧に沈み込む深さを少なくすることができ、ペブル４が、内壁面１３と傾斜面１７が形成する辺を通過する際のエネルギーを小さくでき、セラミック被覆１２を破損しにくくすることが出来る。また、通過に必要なエネルギーが少ないので、ペブル４の上から下へのスムーズな流れを形成することができる。

実施例２（図４（ｂ）参照）は、面取り部１６が上下に形成されており、上面１４ａ及び下面１４ｂから内壁面１３に向かって湾曲状に辺をカットした傾斜面１７となっている。そして、湾曲状になる傾斜面１７をＲ面と述べるので、面取り部１６はＲ面取りとなる。

面取り部１６が、Ｒ面取りであると、ペブル４が面取り部１６を通過する際に局所的に強く圧力がかかる部位が少なく、セラミック被覆１２の破損を防止することが出来る。

傾斜面１７の曲率半径は、５〜３０ｍｍであることが望ましい。曲率半径が５ｍｍ以上であると、面取り部１６にペブル４がさしかかったとき、より広い領域の黒鉛ブロック１０に圧力を分散することができ、セラミック被覆１２を破損しにくくすることができる。また、曲率半径が３０ｍｍ以下であると、ペブル４が内壁面１３より奧に沈み込む深さを少なくすることができ、ペブル４が、面取り部１６を通過する際のエネルギーを小さくでき、セラミック被覆１２を破損しにくくすることが出来る。また、通過に必要なエネルギーが少ないので、ペブル４の上から下へのスムーズな流れを形成することができる。

また、実施例１と同様に、内壁面１３の端部における接平面に投影される面取り部１６の幅ｄは、５〜３０ｍｍであることが望ましい。効果は、実施例１と同様である。

実施例３（図５（ａ）参照）は、面取り部１６が上下左右に形成されており、上面１４ａ及び下面１４ｂから内壁面１３に向かって略一直線状に辺をカットした傾斜面１７と、左右の側面１５から内壁面１３に向かって略一直線状に辺をカットした傾斜面１７１とからなる。そして、一直線状になる傾斜面１７、１７１をＣ面と述べるので、面取り部１６はＣ面取りとなる。実施例３では、内壁面１３が四方に形成された面取り部１６により囲まれている状態となる。

また、実施例１と同様に、面取り部１６を構成する傾斜面１７、１７１と内壁面１３とのなす角αは、１３０〜１７５°であることが望ましい。更に、角αの好ましい下限は、１５５°以上である。角αの好ましい上限は、１７０°以下である。そして、幅ｄは、５〜３０ｍｍであることが望ましい。効果は実施例１と同様である。

実施例４（図５（ｂ）参照）は、面取り部１６が上下左右に形成されており、上面１４ａ及び下面１４ｂから内壁面１３に向かって湾曲状に辺をカットした傾斜面１７と、左右の側面１５から内壁面１３に向かって湾曲状に辺をカットした傾斜面１７１とからなる。そして、湾曲状になる傾斜面１７、１７１をＲ面と述べるので、面取り部１６はＲ面取りとなる。実施例４では、内壁面１３が四方に形成された面取り部１６により囲まれている状態となる。

また、実施例１、２と同様に、内壁面１３の端部における接平面に投影される面取り部１６の幅ｄは、５〜３０ｍｍであることが望ましい。効果は実施例１、２と同様である。

そして、実施例２と同様に、傾斜面１７の曲率半径は、５〜３０ｍｍであることが望ましい。効果は実施例２と同様である。

ここで、傾斜面と内壁面とのなす角（α）と、内壁面の端部における接平面に投影される面取り部の幅（ｄ）の正確な定義について、図６を用いて説明する。図６（ａ−１）は、図５（ａ）の縦断面線Ｉに沿った全体の断面図であり、図６（ａ−２）は縦断面線Ｉに沿った領域におけるＡ１の部分における拡大断面図である。角（α）は、傾斜面１７１と内壁面１３とのなす角として表れる。そして、縦断面線Ｉに沿った上面１４ａ、傾斜面１７１、内壁面１３は直線となって表れる。内壁面１３に沿って延長された延長線Ｌ１と上面１４ａに沿ったからの延長線Ｌ２を描くと、延長線Ｌ１の傾斜面１７１からの出発点に相当する端点Ｐ１、延長線Ｌ１と延長線Ｌ２が交わる交点Ｐ２が得られる。幅（ｄ）は線分Ｐ１Ｐ２の長さとして定義される。

一方、図６（ｂ−１）は、図５（ａ）の横断面線ＩＩに沿った全体の断面図であり、図６（ｂ−２）は横断面線ＩＩに沿った領域におけるＡ２の部分における拡大断面図である。横断面線ＩＩに沿った側面１５、傾斜面１７１、内壁面１３のうち、側面１５、傾斜面１７１は直線となって表れるが、内壁面１３は曲線となって表れる。この場合、内壁面１３に沿って延長された延長線Ｌ３は、延長線Ｌ３の傾斜面１７１からの出発点に相当する端点Ｐ３における傾斜面１７１に対する接線として定義される。さらに側面１５に沿って延長された延長線Ｌ４を描くと、延長線Ｌ１と延長線Ｌ２が交わる交点Ｐ４が得られる。幅（ｄ）は線分Ｐ３Ｐ４の長さとして定義される。角（α）は、傾斜面１７１と延長線Ｌ３とのなす角として表れる。

円柱面を含む略四角柱形状の黒鉛ブロック１０を説明したが、六角柱形状でもよく、強固で安定した炉心が構成されれば形状に限定されない。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係る黒鉛ブロックは、ペブルを利用する原子炉の用途に適用可能である。

１：ペブルベッド型原子炉
２：原子炉容器
３：炉心
４：ペブル
１０：黒鉛ブロック
１１：基材
１２：セラミック被覆
１３：内壁面
１４ａ：上面
１４ｂ：下面
１５：側面
１６：面取り部
１７、１７１：傾斜面
２０：ペブル収納空間

Claims (8)

1. ペブルベッド型原子炉用の黒鉛ブロックであって、
   前記黒鉛ブロックは、黒鉛からなる基材と当該基材を被覆するセラミック被覆とからなるとともに、ペブル収納空間に面する内壁面を囲む辺に相当する位置の少なくとも一部に面取り部が形成されている黒鉛ブロック。
2. 請求項１に記載の黒鉛ブロックであって、
   前記面取り部はＣ面取りであって、前記面取り部を構成する傾斜面と前記内壁面とのなす角度は、１３０〜１７５°である黒鉛ブロック。
3. 請求項２に記載の黒鉛ブロックであって、
   前記内壁面の端部における接平面に投影される前記面取り部の幅は、５〜３０ｍｍである黒鉛ブロック。
4. 請求項１に記載の黒鉛ブロックであって、
   前記面取り部は、Ｒ面取りである黒鉛ブロック。
5. 請求項４に記載の黒鉛ブロックであって、
   前記Ｒ面取りの曲率半径は、５〜３０ｍｍである黒鉛ブロック。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の黒鉛ブロックであって、
   前記内壁面は前記面取り部により囲まれている黒鉛ブロック。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の黒鉛ブロックであって、
   前記セラミック被覆はＳｉＣより構成される黒鉛ブロック。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の黒鉛ブロックを備えるペブルベッド型原子炉。

Images