JP2019516972A - 改良された溶融燃料型反応炉の熱管理の構成 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、PCT国際特許出願として2017年5月1日に出願されており、2016年5月2日に出願された米国仮出願第62/330,726号の優先権の利益を主張するものである。上記米国仮出願は、引用により本願に組み込まれる。
原子核反応炉にて溶融燃料を利用して出力を生成することは、固体型燃料の場合に比べて著しい利点を提供する。例えば、溶融燃料型反応炉は、一般に、固体型燃料の反応炉に比べて高い出力密度を提供すると同時に、固体型燃料製品(fabrication)のコストが比較的高い故に、燃料コストが低減される。
以下に示す図面は、本願の一部を形成し、記載される技術を例示するものであるが、任意の形態で求められるような本発明の範囲を限定することを意味するものではない。本発明の範囲は、本願に添付の特許請求の範囲に基づくであろう。
本開示では、溶融燃料型原子核反応炉の種々の構成および構成要素が説明される。本願のために、塩化物燃料を使用する溶融燃料型反応炉の実施形態が説明されるであろう。該塩化物燃料としては、例えばPuCl3、UCl3、および/または、UCl4のような1または複数の燃料塩と、例えばNaClおよび/またはMgCl2のような非核分裂性塩との例えば混合物が挙げられる。しかしながら、現在知られており、或いは将来開発される任意の種類の燃料塩が使用されてもよく、また、本願に記載の技術は、使用される燃料の種類に関係なく同様に適用可能であってもよいことが理解されるであろう。例えば、燃料塩は1または複数の非核分裂性塩を含んでもよい。該非核分裂性塩の例としては、NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3、および/または、NdCl3が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、反応炉内の燃料の運転温度の最低値および最高値は、使用される上記燃料塩に依存して、上記反応炉の全体にわたって上記塩を液相に維持するように変化してもよい。最低温度は300℃〜350℃程度の低さでよく、最高温度は、1400℃程度またはそれ以上の高さでよい。同様に、熱交換器は、その他のものを明示的に記載する場合を除いて、チューブのセットを有し、かつ何れかの端部に管板を有する、単純な1パスのシェルアンドチューブ型熱交換器との観点で、本開示において一般的に提示されるであろう。しかしながら、一般的に、任意のデザインの熱交換器が使用されてもよいことが理解されるであろう。なお、幾つかのデザインはその他のデザインよりも好適であってもよい。例えば、シェルアンドチューブ型熱交換器に加えて、プレート型、プレートアンドシェル型、プリント回路型、および、プレートフィン型の熱交換器が好適であってもよい。
通常の燃料塩では、高温の溶融塩は、低温の塩よりも低密度である。例えば、或る燃料塩(71mol%UCl4−17mol%UCl3−12mol%NaCl)では、300℃の温度上昇(例えば、627℃から927℃へ)により、上記燃料塩の密度が、3660kg/m3から3010kg/m3へと、18%低下することが計算された。一実施形態では、上記燃料ループ内での燃料の循環は、上記炉心における高温な塩と、燃料ループ116における上記炉心とは別の場所の低温な塩との間の温度差によって生じる密度差によって駆動されることができるように、上記炉心および上記一次熱交換器が構成されることが望ましい。この循環の流れは、定常状態の運転の間に上記燃料塩における密度差の結果として自然に発生することから、上記循環を自然循環と称してもよい。
図6A〜図6Cは、上記格納容器のアクティブ冷却を上記一次冷却材ループに統合する反応炉デザインの実施形態を示している。図6Aは、溶融塩型反応炉600における8個の交換機の構成を示す斜視図である。図示の溶融塩型反応炉600は、種々の内部部品を示すように一部を切り欠いている。図6Bは、上記反応炉の中央部と対向する2個の熱交換器を通る断面図である。図6Cは、上記熱交換器のデザインと上記一次冷却材の流れ(routing)とについて、より詳細に示す斜視断面図である。図6Bおよび図6Cでは、括弧記号は、冷却材または燃料塩の流れによりアクティブ冷却が行われる格納容器618の部分をそれぞれ示すようになっている。
上述の詳細な説明において、一次熱交換器は、上記燃料塩がチューブ内を流れ、一次冷却材がシェル内かつ上記チューブの周囲を流れるシェルアンドチューブ型熱交換器に関して説明されている。上述のように、これは、「チューブ側燃料」構成、或いは「シェル側冷却材」構成として代替的に称されてもよい。しかしながら、上記反応炉における全体の動作の改善は、シェル側燃料構成に移し替えることによって得られてもよい。
上記反応炉のデザインにおける別の改良点は、熱交換器のデザインをシェル側燃料のデザインに切り替えて、U字チューブの熱交換器を利用することにある。このデザインでは、上記U字チューブの交換器における単一の管板は、上記炉心の上方であって上記格納容器の外側に配置され、従って、図2A〜図2C、図3、図4、および図6A〜図6Cのデザインと比較して、比較的低減された線量の環境下に配置される。
図12Aおよび図12Bは、ラジアルループ型反応炉と称する別の反応炉のデザインを示している。図12Aは、反応炉1200の平面図であり、図12Bは、図12Aに示すA−A線に沿った断面図である。図示のラジアルループ型反応炉1200の実施形態では、炉心1204は、上部反射体1208A、下部反射体1208B、およびチューブ状の側部(または内部)反射体1208Cによって規定される。反射体1208は、炉心の格納容器1218A内にあり、格納容器1218Aは、8本の加熱された燃料塩の出口パイプ1209と、8本の冷却された燃料塩の帰還パイプ1211とによって貫通されている。出口パイプ1209は、格納容器1218Aの頂部に配置されており、帰還パイプ1211は、炉心1204の底部のレベルにて上記格納容器を貫通している。出口パイプ1209、熱交換器1210、および帰還パイプ1211の各セットを、熱交換器脚体と称してもよい。
また、上記熱交換器は、上記炉心からさらに遠く離れており、それ故に、受け取る放射線の線量が低減される。
核分裂性燃料塩を含み実質的に錐台状の炉心であって、加熱された燃料塩の出口と、冷却された燃料塩の入口と、上記冷却された燃料塩の入口の上方における熱的中心とを有する炉心と、
少なくとも1つの熱交換器であって、上記炉心における上記加熱された燃料塩の出口の下方における熱交換器の燃料塩の入口にて、加熱された燃料塩を受け取り、上記燃料塩から冷却材への熱伝達を行い、かつ、上記炉心における上記冷却された燃料塩の入口に流体的に(fluidly)接続された熱交換器の燃料塩の出口にて上記冷却された燃料塩を放出する熱交換器とを備え、
上記炉心の上記熱的中心は、上記熱交換器の燃料塩の出口の下方のレベルに存在し、
上記反応炉が臨界状態にある間に強制的な流れが損失している場合において、上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、溶融塩型原子核反応炉。
上記熱的中心の上記炉心の深さに対する、上記熱交換器の燃料塩の出口より下方の上記熱的中心の距離の比は、0.1および0.45の間である、項目1に記載の溶融塩型原子核反応炉。
上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、項目1または項目1に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。
上記炉心の底部を規定する下部中性子反射体、および
上記炉心の側部を規定する少なくとも1つの内部中性子反射体であって、上記少なくとも1つの熱交換器と上記炉心との間に存在する内部中性子反射体をさらに備える、項目1または項目1に従属する任意の項目の溶融塩型原子核反応炉。
一次冷却材を格納容器内に流すステップであって、格納容器の第1の部分と隣り合って上記一次冷却材を流すことにより、第1の部分を冷却するステップ、
上記格納容器内で該格納容器から離間した熱交換器内に一次冷却材を流すステップであって、上記熱交換器は、冷却された燃料塩を放出するステップ、
冷却され放出された燃料塩を上記格納容器の第2の部分と隣り合う通路を介して送るステップであって、これにより第2の部分を冷却するステップ、および
冷却された燃料塩を中性子反射体と隣り合う通路を介して送るステップであって、これにより上記中性子反射体を冷却するステップを含んでおり、
冷却された上記中性子反射体は、上記格納容器の第3の部分と隣り合い、冷却された上記中性子反射体が第3の部分を間接的に冷却する、方法。
上記格納容器内にあり、該格納容器の第1の部分に熱的に接続された冷却材入口のダクトを介して上記冷却材を流すステップをさらに含む、項目15に記載の方法。
上記格納容器内の冷却材入口のダクトを介して、熱交換器の冷却された燃料塩の出口と隣り合う熱交換器の冷却材の入口に、上記冷却材を流すステップをさらに含む、項目15または16に記載の方法。
上記格納容器内にあり、該格納容器の第1の部分に熱的に接続された冷却材入口のダクトを介して上記冷却材を流すステップをさらに含む、項目15または項目15に従属する任意の項目に記載の方法。
炉心の頂部を規定する上部中性子反射体と、
上記炉心の底部を規定する下部中性子反射体と、
上記炉心の側部を規定する少なくとも1つの内部中性子反射体と、
少なくとも1つの熱交換器であって、上記炉心における加熱された燃料塩の出口の下方における熱交換器の燃料塩の入口にて、上記加熱された燃料塩を受け取り、上記燃料塩から冷却材への熱伝達を行い、かつ、上記炉心における上記冷却された燃料塩の入口に流体的に接続された熱交換器の燃料塩の出口にて上記冷却された燃料塩を放出する熱交換器とを備え、
上記少なくとも1つの熱交換器は、溶接された部品を含み、該溶接された部品は、上記上部中性子反射体、上記下部中性子反射体、上記内部中性子反射体、または中性子減速体の1つによって上記燃料塩から離間されている、溶融燃料型原子核反応炉。
炉心格納容器、
該炉心格納容器において、該炉心格納容器内の炉心体積を規定する1または複数の反射体、および
上記炉心格納容器の外側に離間して配置される複数の熱交換器脚体であって、各熱交換器脚体は、加熱された燃料塩を上記炉心体積から受け取るようになっている反応炉出口パイプと、上記加熱された燃料塩から一次冷却材への熱伝達を行い、これにより、冷却された燃料塩を生成する熱交換器と、上記冷却された燃料塩を上記炉心体積内に戻す反応炉入口パイプとを有する熱交換器脚体を備えるラジアルループ溶融塩型反応炉。
Claims (41)
- 溶融塩型原子核反応炉であって、
核分裂性燃料塩を含み実質的に錐台状の炉心であって、加熱された燃料塩の出口と、冷却された燃料塩の入口と、上記冷却された燃料塩の入口の上方における熱的中心とを有する炉心と、
少なくとも1つの熱交換器であって、上記炉心における上記加熱された燃料塩の出口の下方における熱交換器の燃料塩の入口にて、加熱された燃料塩を受け取り、上記燃料塩から冷却材への熱伝達を行い、かつ、上記炉心における上記冷却された燃料塩の入口に流体的に接続された熱交換器の燃料塩の出口にて上記冷却された燃料塩を放出する熱交換器とを備え、
上記炉心の上記熱的中心は、上記熱交換器の燃料塩の出口の下方のレベルに存在し、
上記反応炉が臨界状態にある間に強制的な流れが損失している場合において、上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、溶融塩型原子核反応炉。 - 上記炉心の深さは、該炉心における上記燃料塩の頂部レベルと、上記炉心における上記燃料塩の底部との距離であり、
上記熱的中心の上記炉心の深さに対する、上記熱交換器の燃料塩の出口より下方の上記熱的中心の距離の比は、0.1および0.45の間である、請求項1に記載の溶融塩型原子核反応炉。 - 上記炉心の形状は、円錐の錐台、角錐の錐台、台形状の角柱、または双曲面から選択される、請求項1または2に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 上記炉心および少なくとも1つの熱交換器を含む格納容器をさらに備える、請求項1に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- モータによって駆動される少なくとも1つの羽根車をさらに備えており、該羽根車は、上記熱交換器の燃料塩の入口と、上記炉心の上記加熱された燃料塩の出口との間の通路に配置され、上記燃料塩の流れを上記熱交換器の方に駆動するようになっている、請求項1に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 上記反応炉が臨界未満の状態にある間に強制的な流れが損失している場合において、
上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、請求項1に記載の溶融塩型原子核反応炉。 - 流れを方向付ける少なくとも1つのバッフルをさらに備えており、該バッフルは、上記炉心と上記少なくとも1つの熱交換器との間における燃料塩の流れを方向付ける、請求項1に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 上記炉心の頂部を規定する上部中性子反射体、
上記炉心の底部を規定する下部中性子反射体、および
上記炉心の側部を規定する少なくとも1つの内部中性子反射体であって、上記少なくとも1つの熱交換器と上記炉心との間に存在する内部中性子反射体をさらに備える、請求項1に記載の溶融塩型原子核反応炉。 - 上記炉心の上記加熱された燃料塩の出口は、上記上部中性子反射体と、少なくとも1つの内部中性子反射体との間のダクトである、請求項8に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 上記炉心の上記冷却された燃料塩の入口は、上記下部中性子反射体と、少なくとも1つの内部中性子反射体との間のダクトである、請求項8または9に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 上記少なくとも1つの熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、該シェルアンドチューブ型熱交換器では、上記燃料塩がシェルアンドチューブ型熱交換器のチューブ内を流れる、請求項1に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 上記少なくとも1つの熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、該シェルアンドチューブ型熱交換器では、上記燃料塩がシェルアンドチューブ型熱交換器のシェル内を流れる、請求項1〜9および11の何れか1項に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 流入する冷たい冷却材は、該冷却材が上記少なくとも1つの熱交換器に流れ込む前に、上記格納容器の第1の部分を冷却する、請求項4に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 上記熱交換器の燃料塩の出口から放出される上記冷却された燃料塩は、上記炉心の上記冷却された燃料塩の入口を介して上記炉心に入る前に、上記格納容器の第2の部分を冷却する、請求項4に記載の溶融塩型原子核反応炉。
- 溶融燃料塩型原子核反応炉にて格納容器および燃料塩をアクティブ冷却する方法であって、
一次冷却材を格納容器内に流すステップであって、格納容器の第1の部分と隣り合って上記一次冷却材を流すことにより、第1の部分を冷却するステップ、
上記格納容器内で該格納容器から離間した熱交換器内に一次冷却材を流すステップであって、上記熱交換器は、冷却された燃料塩を放出するステップ、
冷却され放出された燃料塩を上記格納容器の第2の部分と隣り合う通路を介して送るステップであって、これにより第2の部分を冷却するステップ、および
冷却された燃料塩を中性子反射体と隣り合う通路を介して送るステップであって、これにより上記中性子反射体を冷却するステップを含んでおり、
冷却された上記中性子反射体は、上記格納容器の第3の部分と隣り合い、冷却された上記中性子反射体が第3の部分を間接的に冷却する、方法。 - 上記一次冷却材を格納容器内に流すステップは、
上記格納容器内にあり、該格納容器の第1の部分に熱的に接続された冷却材入口のダクトを介して上記冷却材を流すステップをさらに含む、請求項15に記載の方法。 - 上記一次冷却材を格納容器内に流すステップは、
上記格納容器内の冷却材入口のダクトを介して、熱交換器の冷却された燃料塩の出口と隣り合う熱交換器の冷却材の入口に、上記冷却材を流すステップをさらに含む、請求項15または16に記載の方法。 - 上記一次冷却材を格納容器内に流すステップは、
上記格納容器内にあり、該格納容器の第1の部分に熱的に接続された冷却材入口のダクトを介して上記冷却材を流すステップをさらに含む、請求項15または16に記載の方法。 - 上記燃料塩は、少なくとも1つの核分裂性塩と少なくとも1つの非核分裂性塩との混合物である、請求項15または16に記載の方法。
- 上記燃料塩は、UF6、UF4、UF3、ThCl4、UBr3、UBr4、PuCl3、UCl4、UCl3、UCl3F、およびUCl2F2の核分裂性塩の1つまたは複数を含む、請求項15または16に記載の方法。
- 上記燃料塩は、NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3、および/または、NdCl3の非核分裂性塩の1つまたは複数を含む、請求項15または16に記載の方法。
- 上記燃料塩は、UCl4と、UCl3と、NaClおよびMgCl2の一方または両方との混合物である、請求項15または16に記載の方法。
- 溶融燃料型原子核反応炉であって、
炉心の頂部を規定する上部中性子反射体と、
上記炉心の底部を規定する下部中性子反射体と、
上記炉心の側部を規定する少なくとも1つの内部中性子反射体と、
少なくとも1つの熱交換器であって、上記炉心における加熱された燃料塩の出口の下方における熱交換器の燃料塩の入口にて、上記加熱された燃料塩を受け取り、上記燃料塩から冷却材への熱伝達を行い、かつ、上記炉心における冷却された燃料塩の入口に流体的に接続された熱交換器の燃料塩の出口にて上記冷却された燃料塩を放出する熱交換器とを備え、
上記少なくとも1つの熱交換器は、溶接された部品を含み、該溶接された部品は、上記上部中性子反射体、上記下部中性子反射体、上記内部中性子反射体、または中性子減速体の1つによって上記燃料塩から離間されている、溶融燃料型原子核反応炉。 - 上記溶接された部品は管板である、請求項23に記載の溶融燃料型原子核反応炉。
- 上記溶接された部品である管板を介して、上記冷却材は、上記少なくとも1つの熱交換器を出て行き、上記管板は、上記上部中性子反射体によって上記燃料塩から離間されている、請求項24に記載の溶融燃料型原子核反応炉。
- 上記溶接された部品である管板を介して、上記冷却材は、上記少なくとも1つの熱交換器に入り、上記管板は、上記下部中性子反射体によって上記燃料塩から離間されている、請求項24に記載の溶融燃料型原子核反応炉。
- 上記溶接された部品である管板を介して、上記冷却材は、上記少なくとも1つの熱交換器に入り、かつ出て行く、請求項24に記載の溶融燃料型原子核反応炉。
- 上記管板を介して、上記冷却材が上記少なくとも1つの熱交換器に入り、かつ出て行き、上記管板は、上記炉心の上方に配置される、請求項27に記載の溶融燃料型原子核反応炉。
- 上記管板を介して、上記冷却材が上記少なくとも1つの熱交換器に入り、かつ出て行き、上記管板は、上記上部中性子反射体によって上記燃料塩から離間されている、請求項27または28に記載の溶融燃料型原子核反応炉。
- 上記管板を介して、上記冷却材が上記少なくとも1つの熱交換器に入り、かつ出て行き、上記管板は、中性子吸収体によって上記燃料塩から離間されている、請求項27または28に記載の溶融燃料型原子核反応炉。
- ラジアルループ溶融塩型反応炉であって、
炉心格納容器、
該炉心格納容器において、該炉心格納容器内の炉心体積を規定する1または複数の反射体、および
上記炉心格納容器の外側に離間して配置される複数の熱交換器脚体であって、各熱交換器脚体は、加熱された燃料塩を上記炉心体積から受け取るようになっている反応炉出口パイプと、上記加熱された燃料塩から一次冷却材への熱伝達を行い、これにより、冷却された燃料塩を生成する熱交換器と、上記冷却された燃料塩を上記炉心体積内に戻す反応炉入口パイプとを有する熱交換器脚体を備えるラジアルループ溶融塩型反応炉。 - 上記炉心体積内に核分裂性燃料塩をさらに備える、請求項31に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記炉心格納容器および上記複数の熱交換器脚体を含む二次格納容器をさらに備えており、該二次格納容器は、炉心格納容器および上記複数の熱交換器脚体に含まれる全ての上記燃料塩を少なくとも保持するのに十分な体積を規定する、請求項30または31に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記複数の熱交換器脚体の少なくとも1つに少なくとも1つの羽根車をさらに備えており、上記少なくとも1つの羽根車は、上記複数の熱交換器脚体の少なくとも1つを介して、燃料塩の流れを駆動するようになっている、請求項30または31に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記複数の熱交換器脚体のそれぞれに羽根車をさらに備えており、該羽根車は、上記熱交換器脚体を介して燃料塩の流れを駆動するようになっている、請求項30または31に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器である、請求項30または31に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記一次冷却材は、上記熱交換器のシェル側を介して流れる、請求項36に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記燃料塩は、上記熱交換器のシェル側を介して流れる、請求項36に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記燃料塩は、UF6、UF4、UF3、ThCl4、UBr3、UBr4、PuCl3、UCl4、UCl3、UCl3F、およびUCl2F2の核分裂性塩の1つまたは複数を含む、請求項30に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記燃料塩は、NaCl、MgCl2、CaCl2、BaCl2、KCl、SrCl2、VCl3、CrCl3、TiCl4、ZrCl4、ThCl4、AcCl3、NpCl4、AmCl3、LaCl3、CeCl3、PrCl3、および/または、NdCl3の非核分裂性塩の1つまたは複数を含む、請求項30に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
- 上記燃料塩は、UCl4と、UCl3と、NaClおよびMgCl2の一方または両方との混合物である、請求項30に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。
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