JP2017078715A

JP2017078715A - 固液ハイブリッド燃料体

Info

Publication number: JP2017078715A
Application number: JP2016204599A
Authority: JP
Inventors: 崇渡邊; Takashi Watanabe; 強岩下; Tsuyoshi Iwashita; 雅章古川; Masaaki Furukawa
Original assignee: THORIUM TECH SOLUTION Inc
Current assignee: THORIUM TECH SOLUTION Inc
Priority date: 2015-10-19
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2017-04-27

Abstract

【課題】溶融塩中に核燃料を溶解させた液体燃料を用いる溶融塩炉では、溶融塩中の核物質の燃焼に伴い、新しい核物質の補填や、溶融塩中に溜まる核反応生成物の純化、また核反応生成物であるＦＰガスの排出、また溶融塩の酸化還元調整などを解決すること。【解決手段】本発明の固液ハイブリッド燃料体１は、溶融塩４を封入する円筒状の燃料体キャスクと、燃料体キャスク内の上部空間に配設された固体塩燃料２と、これを保持し、かつ溶融塩４からの熱を伝える連結棒３と、核反応により発熱し溶融している溶融塩燃料とからなる。本発明の固液ハイブリッド燃料体１は、燃料体キャスク内の上部空間に成分調整した新燃料の固体塩燃料ブロックを有するため、溶融塩内の核物質の燃焼に従い、固体塩燃料ブロックを順次投入することで、溶融塩部分での核反応の進行により減少する核反応物質を補填することができる。これにより、長期の運転が可能となる。【選択図】図１

Description

原子力炉の核燃料に関する。

軽水炉や、高速炉の原子炉の燃料としては、ウランやプルトニウムを酸化物や金属の形で用いる固体燃料が主流となっている。一方、固体燃料が普及する以前には、液体燃料
・溶融塩燃料を用いた原子炉も開発され、１９６０年代に米国オークリッジ国立研究所では溶融塩炉の試験運転に成功している。

稼働した溶融塩炉は、液体燃料としてフッ化物溶融塩に核分裂性物質として少量のウランフッ化物UF4を混合した液体燃料炉で、この混合物（燃料塩）と黒鉛減速材とで炉心を構成し、炉心で核反応により発熱した燃料塩自体を循環ポンプにより炉心外に循環させ熱交換器を通して冷却除熱する原子炉である。

液体燃料は、固体燃料にはない優れた特徴がある。いくつかの特徴を示すと以下のようになる。液体なので、成型加工が不要である。固体燃料では不可欠である燃料ペレットを充填する被覆管が不要であり、核反応に伴う燃料ペレットの破損、燃料ペレットの温度上昇による被覆管の溶融による燃料放出などを考慮する必要が無い。また、使用温度では溶融塩の放射線分解も起きない。燃料塩製造時にトリウム、ウラン、プルトニウムやその他の超ウラン元素を液体の塩に溶解することにより均一に混合することができる。フッ化物塩或いは塩化物塩を溶媒に用いる溶融塩燃料では溶解させる核燃料をウラン以外に拡張できる。その結果、トリウム・ウラン原子燃料サイクルはもとより、軽水炉からの回収プルトニウムを燃料として用いることや、ネプツニウム・アメリシウムなど長寿命放射性物質
（マイナーアクチニド）の燃焼・転換、短寿命化にも使用することができる。

特願２０１３−２４３６２０号「溶融塩原子燃料モジュール」特願２０１４−１６５９１０号「液体燃料を装填した複数の燃料体により構成される小型溶融塩炉」

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）」

溶融塩中に核燃料を溶解させた液体燃料を用いる溶融塩炉では、溶融塩中の核物質が反応するに従い、核反応生成物が溶融塩中に溜まるため、溶融塩の純化や核反応生成物であるFPガスの排出、また溶融塩の酸化還元調整が必要となる。
すなわち、溶融塩燃料を核燃料として用いる原子炉では、原子炉運転中に発生する核反応生成を取り除く純化装置が必要であり、また、気体性の核反応生成物であるFPガスを排出する装置、核反応により変化する溶融塩の状態を調整する酸化還元装置などが不可欠となる。

本発明は上記に鑑み、運転中の溶融塩燃料の純化のための純化装置や、核反応に伴い発生するFPガスを排出するための装置、溶融塩燃料の状態を調整する酸化還元装置などの設備を必要としない固液ハイブリッド燃料体の提供を目的とする。

本発明の固液ハイブリッド燃料体は、溶融塩を封入する円筒状の燃料体キャスクと、前記燃料体キャスク内の上部空間に配設された固体塩燃料と前記固体塩燃料を保持し、かつ溶融塩からの熱を伝える連結棒と、核反応により発熱し溶融している溶融塩燃料とからなる。

前記燃料体キャスク内の前記固体塩燃料は、複数の成分調整された固体塩燃料ブロックからなることが好ましい。

前記燃料体キャスク内には、凝固した使用済み燃料を再溶融する際の体積膨張を吸収するための圧力可塑性チューブを配設することが好ましい。

本発明の固液ハイブリッド燃料体は、燃料体キャスク内の上部空間に成分調整した新燃料の固体塩燃料ブロックを有するため、溶融塩内の核物質の燃焼に従い、固体塩燃料ブロックを順次投入することで、溶融塩部分での核反応の進行により減少する核反応物質を補填することができる。これにより、長期の運転が可能となる。

また、固体塩燃料ブロックの製造の際には溶融塩による調整を行うことができるため、燃料組成の調整が容易であり、さまざまな特性の燃料が製造できるとともに、これを固液ハイブリッド燃料体に装填し燃焼することができる。

本発明の固液ハイブリッド燃料体では、燃料体上部に空間を持ち、この部分に溶融塩中の核反応により発生した核反応阻害物質であるFPガスを保持できるため、溶融塩部分での核反応を阻害しない。

本発明の固液ハイブリッド燃料体内に配設した圧力可塑性チューブ５は、固化した塩を再溶解する際の体積膨張により発生する圧力を受け塑性変形し、圧力可塑性チューブ５がつぶれることにより燃料体キャスク内の圧力上昇を吸収し、燃料体キャスク１の破壊を防止する。

本発明の固液ハイブリッド燃料体に関わる第１及び第２の実施形態を説明するための固液ハイブリッド燃料体構成図。本発明の固液ハイブリッド燃料体に関わる第２の実施形態の燃料体断面図。本発明の固液ハイブリッド燃料体に関わる第３の実施形態の燃料体断面図。本発明の固液ハイブリッド燃料体を装填した原子炉を説明するための構成図。

図1は本発明の固液ハイブリッド燃料体に関わる第１、２の実施形態の燃料体構成図で
あり、図２は図１の固体塩部分の第１の実施形態の水平断面である。

固液ハイブリッド燃料体１の上部には、新燃料の固体塩燃料２が複数のブロックに分け配設されている。各ブロックは、それぞれ1回の新燃料の充填に対応する。ブロック化さ
れた固体燃料は連結棒３により保持されている。固液ハイブリッド燃料体１の下部では、核反応の発熱により溶解した核燃料を含む溶融塩４が液体の状態で存在している。

固液ハイブリッド燃料体１は、原子炉の炉心に複数体装填され、核反応による発生熱を周囲の冷却剤(図示せず)で冷却される。固液ハイブリッド燃料体内の固体塩燃料２は、溶融塩部分の温度を上昇させることで連結棒３から熱が伝わり、この熱により固体塩燃料２と連結棒３との接合部分が溶け、固体塩燃料３が順次下部の溶融塩４に落下し、核反応の進捗に従い減少する溶融塩４の核物質を補填する。

本発明の固液ハイブリッド燃料体の使用後は、使用済み燃料体として炉心から取り出して処理されるが、そのときには、温度低下により燃料体キャスク１の内部で溶融塩は固化する。固化した塩を再溶解させて廃棄処理する際に、溶解による体積膨張により燃料体キャスクが破損しないよう燃料体キャスク１と固体塩燃料２間に十分な空間Ｓ _１（図１、図２）が設けられるか、燃料体キャスク１の内壁全長に亘って縦方向に圧力可塑性チューブ５が設けられる（図３）。
図３に、圧力可塑性チューブを含む固体塩燃料２が存在する部分の断面図を示す。この実施例では、燃料体キャスク1の内部にその全長に亘って３カ所圧力可塑性チューブ５を
設置している。これに伴い固体塩燃料２の形状が変更している。
本発明の固液ハイブリッド燃料体内に配設した圧力可塑性チューブ５は、固化した塩を再溶解する際の体積膨張により発生する圧力を受け塑性変形し、圧力可塑性チューブ５がつぶれることにより燃料体キャスク内の圧力上昇を吸収し、燃料体キャスク１の破壊を防止する。なお、燃料体キャスク１の上部には、空間Ｓ _２が設けられるとともに前記空間Ｓ _１、更には固体塩燃料２の落下による空間も存在し、これらの空間内でFPガスが保持されるので溶融塩部分でも核反応を阻害しない。

本発明の固液ハイブリッド燃料体は、例えば小型高速炉として開発されている４Ｓ（SuperSafety,SmallandSimple）炉の炉心燃料として置換設置することができる。図４にこの場合の構成を示した。
本実施例では、炉心燃料周囲に設置された中性子反射体６により中性子が反射され、この部分に対応した溶融塩燃料部分で臨界、発熱が持続する。新燃料の補給に際しては、固液ハイブリッド燃料体周囲の冷却剤(図示せず)による除熱量を低下させることで溶融塩の温度を上昇させ、この温度上昇が連結棒を介して固体塩燃料ブロック２に伝わり、固体塩と連結棒の接合部分が解け新燃料の固体塩燃料ブロック２が落下し溶融塩に供給される。
新燃料の供給により溶融塩燃料４の体積が増加し、液位が上昇する。これに対応して中性子反射体６が上方に移動される。固液ハイブリッド燃料体の下部では、中性子反射体６からはずれるため核反応が停止し、発熱量の低減により溶融塩は固化して凝固塩７として燃料体キャスク１の底部に残る。
このように、固体塩燃料の補填と中性子反射体の移動により長期にわたり燃焼を維持できる。

本発明の固液ハイブリッド燃料体の利用分野としては、小型原子炉への燃料体の供給がある。具体的な発電用高速炉としては電中研-東芝が開発中の小型高速炉４Ｓがある。この燃料として既設計の固体燃料を本発明の固液ハイブリッド燃料体へ交換することにより、プルトニウムとマイナーアクチニド消滅処理できる炉が実現できる。また、国外では米国のビル・ゲイツのテラパワー社が４Ｓ炉と類似の小型高速炉ＴＷＲを開発している。このＴＷＲに対しても固液ハイブリッド燃料体を転用することができる。

1・・・燃料体キャスク
2・・・固体塩燃料
3・・・連結棒
4・・・溶融塩燃料
5・・・圧力可塑性チューブ
6・・・中性子反射体
7・・・凝固塩

Claims

溶融塩を封入する円筒状の燃料体キャスクと、前記燃料体キャスク内の上部空間に配設された固体塩燃料と前記固体塩燃料を保持し、かつ溶融塩からの熱を伝える連結棒と、核反応により発熱し溶融している溶融塩燃料とからなる固液ハイブリッド燃料体。
前記燃料体キャスク内の前記固体塩燃料は、複数の成分調整された固体塩燃料ブロックからなることを特徴とする請求項１に記載の固液ハイブリッド燃料体。
前記燃料体キャスク内に、凝固した使用済み燃料を再溶融する際の体積膨張を吸収するための圧力可塑性チューブを配設することを特徴とする請求項1に記載の固液ハイブリッ
ド燃料体。