JP2021135263A - Core reactivity control device, core reactivity control method and nuclear reactor - Google Patents

Core reactivity control device, core reactivity control method and nuclear reactor Download PDF

Info

Publication number
JP2021135263A
JP2021135263A JP2020034035A JP2020034035A JP2021135263A JP 2021135263 A JP2021135263 A JP 2021135263A JP 2020034035 A JP2020034035 A JP 2020034035A JP 2020034035 A JP2020034035 A JP 2020034035A JP 2021135263 A JP2021135263 A JP 2021135263A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
core
neutron absorber
reactivity control
control device
reservoir
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2020034035A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP7276989B2 (en
Inventor
礼 木村
Rei Kimura
礼 木村
祥平 金村
Shohei Kanemura
祥平 金村
優也 高橋
Yuya Takahashi
優也 高橋
和仁 浅野
Kazuhito Asano
和仁 浅野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Original Assignee
Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Energy Systems and Solutions Corp filed Critical Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority to JP2020034035A priority Critical patent/JP7276989B2/en
Publication of JP2021135263A publication Critical patent/JP2021135263A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7276989B2 publication Critical patent/JP7276989B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

To solve various problems that a LEM is hard to handle since liquid lithium is chemically active and is expensive since concentration lithium is used, and use thereof generates tritium.SOLUTION: A reactor core reactivity control device 16 comprises: a liquid neutron absorber 20 formed of alloy containing indium or indium as a main component; a reservoir 21 storing the neutron absorber 20; and an introduction pipe 22 which extends from the reservoir 21 to the inside of a reactor core 10 and in which the neutron absorber 20 advances to the inside when the neutron absorber 20 thermally expands. Thus, an easy-to-handle reactor core reactivity control technique can be provided since the neutron absorber is chemically inactivate.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明の実施形態は、炉心反応度制御技術に関する。 Embodiments of the present invention relate to core reactivity control techniques.

発明者らは、超小型原子炉を開発しており、その炉心反応度制御装置として受動的な装置を用いることを想定している。受動的な炉心反応度制御装置としては、中性子吸収材として液体リチウムを用いたLEM(Lithium Expansion Module)が提案されている。このLEMは、液体リチウムが炉心の熱で膨張することを利用している。炉心出力が増加した際には、液体リチウムが熱膨張して炉心に挿入されて出力が制御される。そのため、自律的な炉心反応度制御が可能となっている。 The inventors are developing an ultra-small nuclear reactor and envision using a passive device as its core reactivity control device. As a passive core reactivity control device, LEM (Lithium Expansion Module) using liquid lithium as a neutron absorber has been proposed. This LEM utilizes the fact that liquid lithium expands due to the heat of the core. When the core output increases, the liquid lithium thermally expands and is inserted into the core to control the output. Therefore, autonomous core reactivity control is possible.

特許第3113028号公報Japanese Patent No. 3113028

M. Kambe, et. al., “Startup Sequence of RAPID-L Fast Reactor for Lunar Base Power System”, Proc. Space Nuclear Conference 2007, Boston, USA (2017)M. Kambe, et. Al., “Startup Sequence of RAPID-L Fast Reactor for Lunar Base Power System”, Proc. Space Nuclear Conference 2007, Boston, USA (2017) T. B. Massalski, et. al., Binary Alloy Phase Diagrams, ASM International (1986)T. B. Massalski, et. Al., Binary Alloy Phase Diagrams, ASM International (1986)

LEMは、液体リチウムが化学的に活性であるため扱い難い。濃縮リチウムを用いるため高価となってしまう。使用によりトリチウムが発生してしまうなどの様々な課題がある。 LEM is cumbersome because liquid lithium is chemically active. Since concentrated lithium is used, it becomes expensive. There are various problems such as the generation of tritium due to use.

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、中性子吸収材が化学的に不活性であり、扱い易い炉心反応度制御技術を提供することを目的とする。 An embodiment of the present invention has been made in consideration of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a core reactivity control technique in which the neutron absorber is chemically inert and easy to handle.

本発明の実施形態に係る炉心反応度制御装置は、インジウムまたは前記インジウムを主成分とする合金で構成される液体の中性子吸収材と、前記中性子吸収材を収容するリザーバと、前記リザーバから炉心の内部まで延び、前記中性子吸収材が熱膨張したときに、前記中性子吸収材が内部を進行する導入管と、を備える。 The core reactivity control device according to the embodiment of the present invention includes a liquid neutron absorber composed of indium or an alloy containing the indium as a main component, a reservoir accommodating the neutron absorber, and a reservoir to the core. It includes an introduction tube that extends to the inside and allows the neutron absorber to advance inside when the neutron absorber thermally expands.

本発明の実施形態により、中性子吸収材が化学的に不活性であり、扱い易い炉心反応度制御技術が提供される。 Embodiments of the present invention provide a core reactivity control technique in which the neutron absorber is chemically inert and easy to handle.

本実施形態の原子力発電システムを示す縦断側面図。Longitudinal side view showing the nuclear power generation system of this embodiment. 原子炉を示す縦断側面図。Longitudinal side view showing a nuclear reactor. 原子炉を示す横断平面図。Cross-sectional plan view showing a nuclear reactor. 原子炉を示す拡大横断平面図。Enlarged cross-sectional plan showing the reactor. 第1実施形態の炉心反応度制御装置を示す縦断側面図。The longitudinal side view which shows the core reactivity control apparatus of 1st Embodiment. 核種の中性子捕獲断面積を示すグラフ。A graph showing the neutron capture cross section of a nuclide. インジウム−ガドリニウム合金の二元相図を示すグラフ。The graph which shows the binary phase diagram of the indium-gadolinium alloy. 各ケースにおける制御棒価値を示すグラフ。A graph showing the control rod value in each case. 制御棒価値のガドリニウムの重量割合依存性を示すグラフ。A graph showing the weight ratio dependence of gadolinium for control rod values. 炉心反応度制御方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the core reactivity control method. 第2実施形態の炉心反応度制御装置を示す縦断側面図。Longitudinal side view showing the core reactivity control device of the second embodiment. 第2実施形態の導入管を示す図11のA−A断面図。11A is a cross-sectional view taken along the line AA showing the introduction pipe of the second embodiment. 第3実施形態の炉心反応度制御装置を示す縦断側面図。Longitudinal side view showing the core reactivity control device of the third embodiment. 第3実施形態の導入管を示す図13のB−B断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view taken along the line BB showing the introduction pipe of the third embodiment. 第4実施形態の炉心反応度制御装置を示す縦断側面図。The longitudinal side view which shows the core reactivity control apparatus of 4th Embodiment. 第4実施形態の導入管を示す図15のC−C断面図。FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line CC showing the introduction pipe of the fourth embodiment. 第5実施形態の炉心反応度制御装置を示す縦断側面図。The longitudinal side view which shows the core reactivity control apparatus of 5th Embodiment. 第6実施形態の炉心反応度制御装置を示す縦断側面図。Longitudinal side view showing the core reactivity control device of the sixth embodiment.

(第1実施形態)
以下、図面を参照しながら、炉心反応度制御装置、炉心反応度制御方法および原子炉の実施形態について詳細に説明する。まず、第1実施形態の炉心反応度制御装置、炉心反応度制御方法および原子炉について図1から図10を用いて説明する。
(First Embodiment)
Hereinafter, the core reactivity control device, the core reactivity control method, and the embodiment of the nuclear reactor will be described in detail with reference to the drawings. First, the core reactivity control device, the core reactivity control method, and the nuclear reactor of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 10.

図1の符号1は、本実施形態の原子力発電システムである。この原子力発電システム1は、小型の原子炉2を備える。 Reference numeral 1 in FIG. 1 is the nuclear power generation system of the present embodiment. The nuclear power generation system 1 includes a small nuclear reactor 2.

原子力発電システム1は、地上に設置される地上コンテナ3と、地下に設置される地下コンテナ4とを備える。これらは、トレーラなどの車両に積載して設置場所まで輸送することができる。つまり、原子炉2は可搬性を有している。なお、本実施形態の原子力発電システム1は、原子炉2の実施態様の一例である。原子炉2の形状またはサイズは、本実施形態に限定されるものではない。 The nuclear power generation system 1 includes an above-ground container 3 installed on the ground and an underground container 4 installed underground. These can be loaded on a vehicle such as a trailer and transported to the installation site. That is, the reactor 2 has portability. The nuclear power generation system 1 of the present embodiment is an example of the embodiment of the nuclear reactor 2. The shape or size of the reactor 2 is not limited to this embodiment.

地上コンテナ3は、発電機5とガスタービン6と回生熱交換器7とラジエータ8とコンプレッサ9とを収容する。地下コンテナ4は、原子炉2を収容する。原子炉2は、炉心10と熱交換器11とヒートパイプ12と炉心容器13と核燃料14と減速材15と炉心反応度制御装置16とを備える。なお、炉心容器13は、炉心10と熱交換器11とヒートパイプ12とを収容する金属製の容器である。 The ground container 3 houses a generator 5, a gas turbine 6, a regenerative heat exchanger 7, a radiator 8, and a compressor 9. The underground container 4 houses the reactor 2. The nuclear reactor 2 includes a core 10, a heat exchanger 11, a heat pipe 12, a core container 13, nuclear fuel 14, moderator 15, and a core reactivity control device 16. The core container 13 is a metal container that houses the core 10, the heat exchanger 11, and the heat pipe 12.

炉心10と熱交換器11とは、複数本のヒートパイプ12で接続されている。炉心10で発生した熱は、ヒートパイプ12を介して熱交換器11に伝導される。この熱により作動ガス(冷媒)が膨張してガスタービン6に送られる。このガスによりガスタービン6が回転される。ガスタービン6は、回転軸を介して発電機5と接続されており、ガスタービン6の回転力により発電機5で発電が行われる。 The core 10 and the heat exchanger 11 are connected by a plurality of heat pipes 12. The heat generated in the core 10 is conducted to the heat exchanger 11 via the heat pipe 12. The working gas (refrigerant) expands due to this heat and is sent to the gas turbine 6. This gas rotates the gas turbine 6. The gas turbine 6 is connected to the generator 5 via a rotating shaft, and power is generated by the generator 5 by the rotational force of the gas turbine 6.

ガスタービン6を通過した作動ガスは、回生熱交換器7を通ってラジエータ8に送られる。このラジエータ8でガスの熱が空気中に放出される。なお、コンプレッサ9は、ガスタービン6と回転軸で接続されており、ガスタービン6の回転力により作動ガスを圧縮する。ここで、作動ガスは、圧縮されて高温高圧の半液体の状態となる。この作動ガスは、回生熱交換器7を通って、再び原子炉2の熱交換器11に戻される。このようなサイクルにより、原子力発電システム1で発電が行われる。 The working gas that has passed through the gas turbine 6 is sent to the radiator 8 through the regenerative heat exchanger 7. The heat of the gas is released into the air by the radiator 8. The compressor 9 is connected to the gas turbine 6 by a rotating shaft, and the working gas is compressed by the rotational force of the gas turbine 6. Here, the working gas is compressed into a high-temperature and high-pressure semi-liquid state. This working gas passes through the regenerative heat exchanger 7 and is returned to the heat exchanger 11 of the reactor 2 again. By such a cycle, power is generated in the nuclear power generation system 1.

図2に示すように、原子炉2の炉心容器13の内部には、核燃料14と減速材15とを含む炉心10が設けられる。核燃料14および減速材15は、上下方向に延びる棒状を成す。本実施形態では、複数本の核燃料14と複数本の減速材15とが水平方向に交互に並んでいる。 As shown in FIG. 2, a core 10 including a nuclear fuel 14 and a moderator 15 is provided inside the core container 13 of the reactor 2. The nuclear fuel 14 and the moderator 15 form a rod shape extending in the vertical direction. In the present embodiment, the plurality of nuclear fuels 14 and the plurality of moderators 15 are alternately arranged in the horizontal direction.

なお、図2では、理解を助けるために、炉心10の構成を簡略化して図示している。例えば、核燃料14および減速材15などの本数を省略している。 In FIG. 2, the configuration of the core 10 is simplified and shown in order to aid understanding. For example, the number of nuclear fuel 14 and moderator 15 is omitted.

核燃料14は、核分裂連鎖反応を起こし、エネルギーを発生させる部材である。核燃料14には、主たる核燃料物質としてウランが含まれている。核燃料14は、例えば、天然ウランを濃縮することで、U235の含有量が3%から4%程度になるように高めてある。また、核燃料14には、Pu239が含まれても良い。核燃料14は、少なくとも原子炉2を運転するために充分な量の核燃料物質を含むものであれば良い。 The nuclear fuel 14 is a member that causes a fission chain reaction to generate energy. The nuclear fuel 14 contains uranium as a main nuclear fuel material. Nuclear fuel 14, for example, by concentrating the natural uranium, are enhanced as the content of U 235 is about 4% from 3%. Further, the nuclear fuel 14 may contain Pu 239. The nuclear fuel 14 may contain at least a sufficient amount of nuclear fuel material for operating the reactor 2.

減速材15は、中性子を減速する部材である。なお、核燃料14および減速材15は、断面視で六角形状を成す(図4参照)。 The moderator 15 is a member that decelerates neutrons. The nuclear fuel 14 and the moderator 15 have a hexagonal shape in cross-sectional view (see FIG. 4).

炉心10は、複数本の核燃料14および減速材15が束ねられた円柱状を成す。なお、炉心10の形状は、直方体(立方体)でも良いし、錐体でも良い。 The core 10 forms a columnar shape in which a plurality of nuclear fuels 14 and moderators 15 are bundled. The shape of the core 10 may be a rectangular parallelepiped (cube) or a cone.

図2に示すように、複数本のヒートパイプ12(除熱部)は、核燃料14および減速材15の間にそれぞれ設けられ、炉心10から熱交換器11まで延びている。 As shown in FIG. 2, a plurality of heat pipes 12 (heat removing portions) are provided between the nuclear fuel 14 and the moderator 15, respectively, and extend from the core 10 to the heat exchanger 11.

ヒートパイプ12は、作動流体(作動液)を用いて熱を移動させるデバイスである。このヒートパイプ12は、例えば、熱伝導性が高い材質から成るパイプケースと、このパイプケースの中に封入された揮発性の作動流体と、気化した作動流体が移動するための空洞と、パイプケースの内壁に設けられて毛細管構造を成すウィックとを備える。 The heat pipe 12 is a device that transfers heat using a working fluid (working fluid). The heat pipe 12 includes, for example, a pipe case made of a material having high thermal conductivity, a volatile working fluid enclosed in the pipe case, a cavity for moving the vaporized working fluid, and a pipe case. It is provided with a wick that is provided on the inner wall of the sill and forms a capillary structure.

なお、パイプケースおよびウィックには、アルミニウムまたは銅などを用いる。さらに、作動流体には、例えば、液体ナトリウムを用いる。また、作動流体として代替フロンを用いても良い。また、その他の作動流体でも良い。 Aluminum or copper is used for the pipe case and the wick. Further, as the working fluid, for example, liquid sodium is used. Further, an alternative CFC may be used as the working fluid. Further, other working fluids may be used.

このヒートパイプの一端を高温部とし、他端を低温部とした場合に、高温部を加熱し、低温部を冷却することで、作動流体の蒸発(潜熱の吸収)と作動流体の凝縮(潜熱の放出)のサイクルが発生して熱を移動させる。 When one end of this heat pipe is a high temperature part and the other end is a low temperature part, the high temperature part is heated and the low temperature part is cooled to evaporate the working fluid (absorb latent heat) and condense the working fluid (latent heat). Cycle) occurs to transfer heat.

例えば、高温部の液体の作動流体が、加熱されることにより蒸発し、気体となって空洞を通り低温部に移動される。そして、低温部で作動流体の熱が奪われて凝縮して液体に戻る。さらに、この作動流体の液体が、毛細管現象によりウィックを通り高温部に移動される。この現象が繰り返されることで、高温部から低温部に熱が移動される。 For example, the working fluid of a liquid in a high temperature portion evaporates when heated, becomes a gas, passes through a cavity, and is moved to a low temperature portion. Then, the heat of the working fluid is taken away in the low temperature part, and it condenses and returns to the liquid. Further, the liquid of this working fluid is moved to the high temperature part through the wick by the capillary phenomenon. By repeating this phenomenon, heat is transferred from the high temperature part to the low temperature part.

本実施形態では、複数本のヒートパイプ12の高温部が炉心10に配置され、この炉心10から直線状に延びるヒートパイプ12の低温部が熱交換器11に配置される。そして、炉心10で発生する熱が、ヒートパイプ12により熱交換器11に移動され、この熱に基づいて作動ガス(冷媒)が加熱される。 In the present embodiment, the high temperature portions of the plurality of heat pipes 12 are arranged in the core 10, and the low temperature portions of the heat pipes 12 extending linearly from the core 10 are arranged in the heat exchanger 11. Then, the heat generated in the core 10 is transferred to the heat exchanger 11 by the heat pipe 12, and the working gas (refrigerant) is heated based on this heat.

炉心10には、核分裂反応を制御する複数の炉心反応度制御装置16が設けられている。これらの炉心反応度制御装置16は、核燃料14に近接して設けられている。炉心反応度制御装置16は、炉心10の出力に応じて受動的に反応度を制御する自己作動型の装置となっている。 The core 10 is provided with a plurality of core reactivity control devices 16 for controlling the fission reaction. These core reactivity control devices 16 are provided in close proximity to the nuclear fuel 14. The core reactivity control device 16 is a self-acting device that passively controls the reactivity according to the output of the core 10.

炉心10の中央部には、中性子吸収材としての1本の安全棒17が挿入可能となっている。この安全棒17は、原子炉2の起動前において、核燃料14が核分裂反応を起こさないために挿入される部材である。例えば、原子炉2を設置場所まで輸送するときには、安全棒17が炉心10に挿入された状態となる。また、原子炉2を起動するときには、安全棒17が炉心10から引き抜かれる。 A safety rod 17 as a neutron absorber can be inserted into the central portion of the core 10. The safety rod 17 is a member inserted so that the nuclear fuel 14 does not cause a fission reaction before the start of the reactor 2. For example, when the reactor 2 is transported to the installation location, the safety rod 17 is inserted into the core 10. Further, when starting the reactor 2, the safety rod 17 is pulled out from the core 10.

炉心容器13の上部には、安全棒17を炉心10の内部まで挿入可能な挿入部18(孔)が開口されている。なお、安全棒17を引き抜いた後は、挿入部18が所定の蓋で閉じられる。 An insertion portion 18 (hole) into which the safety rod 17 can be inserted into the core 10 is opened in the upper part of the core container 13. After the safety rod 17 is pulled out, the insertion portion 18 is closed with a predetermined lid.

次に、炉心10の構造について図3および図4を用いて説明する。なお、これらの図は断面図であるが、理解を助けるために、断面を示すハッチングを省略している。 Next, the structure of the core 10 will be described with reference to FIGS. 3 and 4. Although these figures are cross-sectional views, hatching showing the cross-sections is omitted for the sake of understanding.

炉心10の中央部には、安全棒17が挿入される挿入空間19が設けられている。この挿入空間19の周囲を囲むように核燃料14が環状に並んでいる。これらの核燃料14を囲むように減速材15が環状に並んでいる。さらに、これらの減速材15を囲むように核燃料14が環状に並んでいる。このように、核燃料14の環状の列と減速材15の環状の列とが、炉心10の径方向に交互に並んで配置されている。つまり、核燃料14の環状の列と減速材15の環状の列とが、同心円状に配置されている。 An insertion space 19 into which the safety rod 17 is inserted is provided in the central portion of the core 10. Nuclear fuel 14 is arranged in a ring so as to surround the insertion space 19. Moderators 15 are arranged in a ring so as to surround these nuclear fuels 14. Further, the nuclear fuels 14 are arranged in a ring so as to surround the moderators 15. In this way, the annular row of the nuclear fuel 14 and the annular row of the moderator 15 are arranged alternately in the radial direction of the core 10. That is, the annular row of the nuclear fuel 14 and the annular row of the moderator 15 are arranged concentrically.

ヒートパイプ12は、断面視で扁平な板形状を成している。核燃料14の側面が切り欠かれており、これらの核燃料14に近接してそれぞれのヒートパイプ12が配置されている。 The heat pipe 12 has a flat plate shape in cross-sectional view. The side surface of the nuclear fuel 14 is cut out, and each heat pipe 12 is arranged in the vicinity of the nuclear fuel 14.

次に、第1実施形態の炉心反応度制御装置16について図5を用いて説明する。なお、図5では、理解を助けるために、炉心反応度制御装置16の概念図として図示している。 Next, the core reactivity control device 16 of the first embodiment will be described with reference to FIG. Note that FIG. 5 is shown as a conceptual diagram of the core reactivity control device 16 in order to aid understanding.

炉心反応度制御装置16は、インジウムまたはインジウムを主成分とする合金で構成される液体の中性子吸収材20と、この中性子吸収材を収容するリザーバ21と、リザーバ21から炉心の内部まで延び、中性子吸収材20が熱膨張したときに、中性子吸収材20が内部を進行する導入管22とを備える。 The core reactivity control device 16 includes a liquid neutron absorber 20 composed of indium or an alloy containing indium as a main component, a reservoir 21 containing the neutron absorber, and neutrons extending from the reservoir 21 to the inside of the core. The neutron absorber 20 includes an introduction tube 22 that advances inside when the absorber 20 thermally expands.

リザーバ21の上端に導入管22の下端が接続されている。そして、リザーバ21の内部と導入管22の内部とが互いに連通されている。つまり、リザーバ21に収容された液体の中性子吸収材20が導入管22に出入りすることができる。中性子吸収材20は、導入管22により導かれて、炉心10の内部に進行し、または炉心10の内部から後退する。 The lower end of the introduction pipe 22 is connected to the upper end of the reservoir 21. Then, the inside of the reservoir 21 and the inside of the introduction pipe 22 are communicated with each other. That is, the liquid neutron absorber 20 contained in the reservoir 21 can enter and exit the introduction pipe 22. The neutron absorber 20 is guided by the introduction pipe 22 and advances to the inside of the core 10 or recedes from the inside of the core 10.

リザーバ21は、炉心10よりも下方の位置に設けられる。このリザーバ21から導入管22が上方に向かって延びている。導入管22は、炉心10の内部に挿入され、炉心10の上方まで延びている。なお、導入管22は、核燃料14に近接して設けられている(図4参照)。 The reservoir 21 is provided at a position below the core 10. The introduction pipe 22 extends upward from the reservoir 21. The introduction pipe 22 is inserted inside the core 10 and extends above the core 10. The introduction pipe 22 is provided close to the nuclear fuel 14 (see FIG. 4).

例えば、1つの炉心10には、24本の炉心反応度制御装置16が設けられる。炉心10の内部に設けられる導入管22は、炉心10の円周方向に沿って円形に並んで配置されても良い。また、核燃料14の環状の列と減速材15の環状の列の間に、導入管22が配置されても良い。さらに、導入管22の列が同心円状に配置されても良い。 For example, one core 10 is provided with 24 core reactivity control devices 16. The introduction pipes 22 provided inside the core 10 may be arranged in a circular shape along the circumferential direction of the core 10. Further, the introduction pipe 22 may be arranged between the annular row of the nuclear fuel 14 and the annular row of the moderator 15. Further, the rows of the introduction pipes 22 may be arranged concentrically.

導入管22は、核燃料14同士の間に設けられても良いし、核燃料14と減速材15の間に設けられても良いし、核燃料14とヒートパイプ12の間に設けられても良いし、減速材15とヒートパイプ12の間に設けられても良い。 The introduction pipe 22 may be provided between the nuclear fuel 14s, between the nuclear fuel 14 and the moderator 15, or between the nuclear fuel 14 and the heat pipe 12. It may be provided between the moderator 15 and the heat pipe 12.

導入管22は、断面視で円形状を成す部材である。炉心10には、導入管22が挿入される貫通孔が設けられている。なお、導入管22は、断面視で楕円形状でも良いし、四角形状でも良い。 The introduction pipe 22 is a member having a circular shape in a cross-sectional view. The core 10 is provided with a through hole into which the introduction pipe 22 is inserted. The introduction pipe 22 may have an elliptical shape or a quadrangular shape in cross-sectional view.

また、導入管22は、リザーバ21から直線状に延びる部材となっている。この導入管22は、液体の中性子吸収材20が内部で流動できる形状であればよく、途中で屈曲したり湾曲したりしていても良い。つまり、導入管22は、様々な形状が考えられるため特に形状が限定されるものではない。なお、導入管22の内部の中性子吸収材20が入り込んでいない部分は、所定のガスが封入されていても良いし、真空であっても良い。 Further, the introduction pipe 22 is a member that extends linearly from the reservoir 21. The introduction pipe 22 may have a shape that allows the liquid neutron absorber 20 to flow inside, and may be bent or curved in the middle. That is, the shape of the introduction pipe 22 is not particularly limited because various shapes can be considered. The portion of the introduction pipe 22 in which the neutron absorber 20 does not enter may be filled with a predetermined gas or may be in a vacuum.

炉心10の出力が上昇し、発生する熱量が増加すると、その熱がリザーバ21または導入管22の内部の液体の中性子吸収材20に伝わる。この熱により中性子吸収材20の温度が上昇する。そして、中性子吸収材20が熱膨張される。ここで、中性子吸収材20の体積が増加すると、中性子吸収材20が導入管22の内部を進行するようになる。 When the output of the core 10 increases and the amount of heat generated increases, the heat is transferred to the liquid neutron absorber 20 inside the reservoir 21 or the introduction pipe 22. This heat raises the temperature of the neutron absorber 20. Then, the neutron absorber 20 is thermally expanded. Here, as the volume of the neutron absorber 20 increases, the neutron absorber 20 travels inside the introduction pipe 22.

中性子吸収材20が導入管22に沿って進行してその液面が上昇されると、炉心10から放射される中性子が中性子吸収材20に吸収される。すると、炉心10の出力が低下し、発生する熱量も低下されるようになる。そのため、中性子吸収材20の温度が低下する。そして、中性子吸収材20が収縮される。ここで、中性子吸収材20の体積が低減されると、中性子吸収材20が導入管22の内部を後退するようになる。 When the neutron absorber 20 advances along the introduction pipe 22 and its liquid level rises, the neutrons radiated from the core 10 are absorbed by the neutron absorber 20. Then, the output of the core 10 is reduced, and the amount of heat generated is also reduced. Therefore, the temperature of the neutron absorber 20 drops. Then, the neutron absorber 20 is shrunk. Here, when the volume of the neutron absorber 20 is reduced, the neutron absorber 20 retracts inside the introduction pipe 22.

中性子吸収材20が導入管22に沿って後退してその液面が低下すると、中性子吸収材20により中性子吸収率も低減されるため、再び、炉心10の出力が上昇される。 When the neutron absorber 20 recedes along the introduction pipe 22 and its liquid level drops, the neutron absorber 20 also reduces the neutron absorption rate, so that the output of the core 10 is increased again.

つまり、中性子吸収材20が熱膨張により炉心10の内部にまで進行することで、核分裂反応が低下され、中性子吸収材20が収縮により炉心10の内部から後退することで、核分裂反応が活発になる。このような作用が繰り返されることで、炉心10の出力に応じて受動的に反応度が制御される。 That is, the fission reaction is reduced when the neutron absorber 20 advances to the inside of the core 10 due to thermal expansion, and the fission reaction becomes active when the neutron absorber 20 recedes from the inside of the core 10 due to contraction. .. By repeating such an action, the reactivity is passively controlled according to the output of the core 10.

なお、炉心10の熱が中性子吸収材20に伝導される態様としては、様々なものが考えられる。例えば、炉心10の熱が導入管22を介して中性子吸収材20に伝導されても良い。また、炉心10の輻射熱により中性子吸収材20が加熱されても良い。 Various modes are conceivable in which the heat of the core 10 is conducted to the neutron absorber 20. For example, the heat of the core 10 may be conducted to the neutron absorber 20 via the introduction pipe 22. Further, the neutron absorber 20 may be heated by the radiant heat of the core 10.

また、炉心反応度制御装置16は、炉心10からリザーバ21に向けて熱を輸送する熱輸送部を備えても良い。このようにすれば、炉心10の熱をリザーバ21の内部の中性子吸収材20まで輸送して加熱することができる。 Further, the core reactivity control device 16 may include a heat transport unit that transports heat from the core 10 to the reservoir 21. In this way, the heat of the core 10 can be transported to the neutron absorber 20 inside the reservoir 21 for heating.

なお、熱輸送部の形態としては、様々なものが考えられる。例えば、炉心10を収容する炉心容器23がリザーバ21と接触しており、この炉心容器23を介してリザーバ21に熱が伝導され、その内部の中性子吸収材20を加熱しても良い。つまり、炉心10を収容する炉心容器23が熱輸送部を構成しても良い。また、炉心容器23以外の他の部材が熱輸送部を構成しても良い。 Various forms of the heat transport unit can be considered. For example, the core container 23 accommodating the core 10 may be in contact with the reservoir 21, and heat may be conducted to the reservoir 21 through the core container 23 to heat the neutron absorber 20 inside the reservoir 21. That is, the core container 23 accommodating the core 10 may form the heat transport unit. Further, members other than the core container 23 may form the heat transport unit.

炉心反応度制御装置16では、使用する中性子吸収材20が化学的に不活性であること、同位体濃縮が必要ないこと、トリチウムの発生が無いこと、比較的低温の適度な融点を持っていること、中性子吸収断面積が充分に大きいことなどの特性が望まれる。 In the core reactivity control device 16, the neutron absorber 20 used is chemically inert, does not require isotope concentration, does not generate tritium, and has an appropriate melting point at a relatively low temperature. Therefore, characteristics such as a sufficiently large neutron absorption cross section are desired.

従来技術では、液体の中性子吸収材に同位体濃縮を行ったリチウムが用いられていたが、本実施形態では、液体の中性子吸収材20として、インジウムのみ、または、インジウム−ガドリニウム合金を用いるようにしている。このようにすれば、リチウムと比較して化学的に安定でトリチウム発生の殆どない炉心反応度制御装置16とすることができる。 In the prior art, lithium with isotope enrichment was used as the liquid neutron absorber, but in the present embodiment, only indium or an indium-gadolinium alloy is used as the liquid neutron absorber 20. ing. In this way, the core reactivity control device 16 is chemically stable as compared with lithium and hardly generates tritium.

また、中性子吸収材20として用いるインジウムまたはインジウムを主成分とする合金は、融点が400℃以下となっている。加えて、高い中性子吸収断面積を有している。 Further, the indium or an alloy containing indium as a main component used as the neutron absorber 20 has a melting point of 400 ° C. or lower. In addition, it has a high neutron absorption cross section.

中性子吸収材20は、インジウム−ガドリニウム合金であることが好ましい。このようにすれば、中性子吸収率を向上させることができる。本実施形態では、中性子吸収材20に含まれるガドリニウムの重量割合が、0.1%以上、1.0%以下の範囲内となっている。ガドリニウムの重量割合が0.1%以上であれば、充分に中性子吸収率を向上させることができる。また、ガドリニウムの重量割合が1%以下であっても、充分に中性子を吸収できるため、ガドリニウムの使用量が少なくて済むようになる。 The neutron absorber 20 is preferably an indium-gadolinium alloy. In this way, the neutron absorption rate can be improved. In the present embodiment, the weight ratio of gadolinium contained in the neutron absorber 20 is within the range of 0.1% or more and 1.0% or less. When the weight ratio of gadolinium is 0.1% or more, the neutron absorption rate can be sufficiently improved. Further, even if the weight ratio of gadolinium is 1% or less, neutrons can be sufficiently absorbed, so that the amount of gadolinium used can be reduced.

図6は、リチウム(Li)とガドリニウム(Gd)とインジウム(In)の中性子捕獲断面積を示すグラフである。横軸は、中性子捕獲断面積を示し、縦軸は、入射エネルギーを示す。グラフG1は、Li−6の中性子捕獲断面積を示す。グラフG2は、Gd−155の中性子捕獲断面積を示す。グラフG3は、Gd−157の中性子捕獲断面積を示す。グラフG4は、In−115の中性子捕獲断面積を示す。グラフG5は、In−113の中性子捕獲断面積を示す。 FIG. 6 is a graph showing the neutron capture cross sections of lithium (Li), gadolinium (Gd), and indium (In). The horizontal axis shows the neutron capture cross section, and the vertical axis shows the incident energy. Graph G1 shows the neutron capture cross section of Li-6. Graph G2 shows the neutron capture cross section of Gd-155. Graph G3 shows the neutron capture cross section of Gd-157. Graph G4 shows the neutron capture cross section of In-115. Graph G5 shows the neutron capture cross section of In-113.

核分裂反応率の高い領域Hに着目すると、Gd−155およびGd−157の中性子捕獲断面積は、Li−6より2桁ほど大きいことが分かる。そのため、微量のガドリニウムが存在していれば充分な制御棒価値を期待できる。 Focusing on the region H having a high fission reaction rate, it can be seen that the neutron capture cross sections of Gd-155 and Gd-157 are about two orders of magnitude larger than that of Li-6. Therefore, sufficient control rod value can be expected if a small amount of gadolinium is present.

また、Gd−155およびGd−157の中性子捕獲断面積は、In−115およびIn−113よりも高い中性子捕獲断面積を有していることが分かる。なお、天然のインジウムの同位体比は、95%がIn−115なのでインジウム自体の中性子吸収効果も期待できる。 It can also be seen that the neutron capture cross sections of Gd-155 and Gd-157 have higher neutron capture cross sections than In-115 and In-113. Since 95% of the isotope ratio of natural indium is In-115, the neutron absorption effect of indium itself can be expected.

図7は、インジウム−ガドリニウム合金の二元相図を示すグラフである(非特許文献2参照)。横軸は、ガドリニウムの原子濃度割合(上段)と重量割合(下段)を示す。縦軸は、融点となる温度を示す。グラフ中のLの領域が液相であることを示す。 FIG. 7 is a graph showing a binary phase diagram of an indium-gadolinium alloy (see Non-Patent Document 2). The horizontal axis shows the atomic concentration ratio (upper row) and weight ratio (lower row) of gadolinium. The vertical axis indicates the temperature at which the melting point is reached. It is shown that the region L in the graph is the liquid phase.

グラフ中のポイントQに着目すると、ガドリニウムの重量割合を1%以下にすると、融点が400℃以下となることが分かる。次世代原子炉の設計案は、運転温度が500℃以上のものも多く、400℃以下の融点であれば、充分に炉心反応度制御装置16として適用可能である。 Focusing on the point Q in the graph, it can be seen that when the weight ratio of gadolinium is 1% or less, the melting point is 400 ° C. or less. Many of the design proposals for next-generation nuclear reactors have an operating temperature of 500 ° C. or higher, and if the melting point is 400 ° C. or lower, they can be sufficiently applied as the core reactivity control device 16.

図8は、制御棒価値を示すグラフである。縦軸は、制御棒価値を示す。リチウムのグラフと、インジウム単体のグラフと、ガドリニウムの重量割合が0.5%のIn−Gd合金のグラフと、ガドリニウムの重量割合が1.0%のIn−Gd合金のグラフと、ガドリニウムの重量割合が1.5%のIn−Gd合金のグラフを示す。 FIG. 8 is a graph showing control rod values. The vertical axis shows the control rod value. A graph of lithium, a graph of indium alone, a graph of an In-Gd alloy with a weight ratio of gadolinium of 0.5%, a graph of an In-Gd alloy with a weight ratio of gadolinium of 1.0%, and a graph of gadolinium. The graph of the In-Gd alloy of 1.5% is shown.

図9は、制御棒価値のガドリニウムの重量割合依存性を示すグラフである。縦軸は、制御棒価値を示す。ガドリニウムの重量割合が0%、0.5%、1.0%、1.5%のそれぞれの場合の制御棒価値を示す。 FIG. 9 is a graph showing the weight ratio dependence of the control rod value of gadolinium. The vertical axis shows the control rod value. The control rod values when the weight ratio of gadolinium is 0%, 0.5%, 1.0%, and 1.5% are shown.

これらのグラフを参照すると、インジウム−ガドリニウム合金を中性子吸収材20に用いることで、リチウムを用いた際に比べて2倍以上の制御棒価値となることが分かる。また、インジウム単体でもリチウムを用いた際に比べて制御棒価値が高まることが分かる。 With reference to these graphs, it can be seen that the use of the indium-gadolinium alloy as the neutron absorber 20 has more than double the control rod value as compared with the case of using lithium. Further, it can be seen that the value of the control rod is increased even with indium alone as compared with the case where lithium is used.

さらに、ガドリニウム重量割合が1%を超えると、制御棒価値を増加させる効果が殆どないことが分かる。これはガドリニウムが高い中性子吸収断面積を有しているため、ガドリニウム自体の遮蔽効果(空間的自己遮蔽効果)が高いためと考えられる。 Furthermore, it can be seen that when the gadolinium weight ratio exceeds 1%, there is almost no effect of increasing the control rod value. It is considered that this is because gadolinium has a high neutron absorption cross section and therefore has a high shielding effect (spatial self-shielding effect) of gadolinium itself.

前述の図7のグラフに示すように、インジウム−ガドリニウム合金の融点は、ガドリニウムの重量割合とともに急激に高まる。なるべく低融点で用いることを前提とする場合には、ガドリニウムの重量割合を1%よりも高くしても、融点が高まるだけで制御棒価値が増加しない。そのため、中性子吸収材20に用いる場合には、ガドリニウムの重量割合を1%以下にすることが好ましい。 As shown in the graph of FIG. 7 above, the melting point of the indium-gadolinium alloy increases sharply with the weight ratio of gadolinium. When it is assumed that the gadolinium is used at a melting point as low as possible, even if the weight ratio of gadolinium is higher than 1%, the melting point is only increased and the control rod value is not increased. Therefore, when used in the neutron absorber 20, the weight ratio of gadolinium is preferably 1% or less.

次に、炉心反応度制御装置16により実行される炉心反応度制御方法について図10のフローチャートを用いて説明する。この炉心反応度制御装置16の動作によって受動的に生じる作用効果を含めて説明する。なお、前述の図面を適宜参照する。 Next, the core reactivity control method executed by the core reactivity control device 16 will be described with reference to the flowchart of FIG. The action and effect passively generated by the operation of the core reactivity control device 16 will be described. The above drawings will be referred to as appropriate.

まず、ステップS11において、炉心10の出力が上昇するに伴って、炉心10の温度が上昇される。この炉心10の熱が炉心反応度制御装置16の中性子吸収材20に伝わる。 First, in step S11, the temperature of the core 10 rises as the output of the core 10 rises. The heat of the core 10 is transferred to the neutron absorber 20 of the core reactivity control device 16.

次のステップS12において、炉心10の熱によって中性子吸収材20の温度が高まる。ここで、中性子吸収材20が熱膨張される。 In the next step S12, the temperature of the neutron absorber 20 is increased by the heat of the core 10. Here, the neutron absorber 20 is thermally expanded.

次のステップS13において、中性子吸収材20の体積が熱膨張により増加して、中性子吸収材20が導入管22の内部を進行する。 In the next step S13, the volume of the neutron absorber 20 increases due to thermal expansion, and the neutron absorber 20 advances inside the introduction pipe 22.

次のステップS14において、中性子吸収材20の液面が上昇されると、炉心10から放射される中性子が中性子吸収材20に吸収される。つまり、中性子吸収材20は、炉心10に挿入されて炉心10に負の反応度を印加する。 In the next step S14, when the liquid level of the neutron absorber 20 is raised, the neutrons emitted from the core 10 are absorbed by the neutron absorber 20. That is, the neutron absorber 20 is inserted into the core 10 and applies a negative reactivity to the core 10.

次のステップS15において、中性子が中性子吸収材20に吸収されることで、炉心10の出力が低下し、これに伴って、炉心10の温度が低下する。 In the next step S15, the neutrons are absorbed by the neutron absorber 20, so that the output of the core 10 decreases, and the temperature of the core 10 decreases accordingly.

次のステップS16において、炉心10の温度が低下することで、炉心10から中性子吸収材20に与えられる熱量も低下する。そのため、中性子吸収材20の温度が低下する。ここで、中性子吸収材20が収縮される。 In the next step S16, as the temperature of the core 10 decreases, the amount of heat given from the core 10 to the neutron absorber 20 also decreases. Therefore, the temperature of the neutron absorber 20 decreases. Here, the neutron absorber 20 is shrunk.

次のステップS17において、中性子吸収材20の体積が低減されると、中性子吸収材20が導入管22の内部を後退する。中性子吸収材20の液面が低下すると、中性子吸収材20により中性子吸収率も低減される。つまり、中性子吸収材20は、炉心10から引き抜かれて炉心10に正の反応度を印加する。 In the next step S17, when the volume of the neutron absorber 20 is reduced, the neutron absorber 20 retracts inside the introduction pipe 22. When the liquid level of the neutron absorbing material 20 drops, the neutron absorbing material 20 also reduces the neutron absorption rate. That is, the neutron absorber 20 is pulled out from the core 10 and applies a positive reactivity to the core 10.

そして、再び、炉心10の出力が上昇するようになる。これらのステップが繰り返されることで、中性子吸収材20の熱膨張を利用して炉心10の反応度を一定の状態に維持することができる。 Then, the output of the core 10 will increase again. By repeating these steps, the reactivity of the core 10 can be maintained in a constant state by utilizing the thermal expansion of the neutron absorber 20.

(第2実施形態)
次に、第2実施形態の炉心反応度制御装置16A、炉心反応度制御方法および原子炉について図11から図12を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, the core reactivity control device 16A, the core reactivity control method, and the nuclear reactor of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 11 to 12. The same components as those shown in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

図11および図12に示すように、第2実施形態の導入管22Aには、内周縁に沿って中性子吸収材20が進行する進行部24が設けられているとともに、中心軸に沿って中性子吸収材20を排除する排除部25が設けられている。 As shown in FIGS. 11 and 12, the introduction pipe 22A of the second embodiment is provided with a traveling portion 24 in which the neutron absorbing material 20 advances along the inner peripheral edge, and neutron absorbing along the central axis. An exclusion unit 25 for removing the material 20 is provided.

進行部24は、中性子吸収材20が流動できる空間となっている。排除部25は、導入管22Aからリザーバ21まで延びる棒状の部材となっている。なお、排除部25は、中実の部材でも良いし、内部が空洞となっている部材でも良い。排除部25が存在することで、導入管22Aの内部の中性子吸収材20が入り込む容積を低減させることができる。このようにすれば、中性子の吸収に寄与しない導入管22Aの中央から中性子吸収材20を排除できるため、中性子吸収材20の使用量が少なくて済むようになる。 The traveling portion 24 is a space in which the neutron absorber 20 can flow. The exclusion portion 25 is a rod-shaped member extending from the introduction pipe 22A to the reservoir 21. The exclusion unit 25 may be a solid member or a member having a hollow inside. The presence of the exclusion portion 25 can reduce the volume of the neutron absorber 20 inside the introduction pipe 22A. In this way, the neutron absorber 20 can be removed from the center of the introduction tube 22A that does not contribute to the absorption of neutrons, so that the amount of the neutron absorber 20 used can be reduced.

また、排除部25は、導入管22Aの内周面から離れた中央部に設けられている。さらに、排除部25は、その一部が導入管22Aの内周面に接続されていても良い。 Further, the exclusion portion 25 is provided at a central portion away from the inner peripheral surface of the introduction pipe 22A. Further, a part of the exclusion portion 25 may be connected to the inner peripheral surface of the introduction pipe 22A.

導入管22Aに沿って中性子吸収材20が進行するストローク量(長さ)を確保しようとすると、排除部25が設けられている場合には、排除部25が設けられていない場合と比較して、中性子吸収材20に必要な体積の膨張量が小さくて済む。そのため、リザーバ21の容積を小さくするか、同じ温度変化量における中性子吸収材20のストローク量を増加させることができる。 When trying to secure the stroke amount (length) in which the neutron absorber 20 advances along the introduction pipe 22A, when the exclusion unit 25 is provided, it is compared with the case where the exclusion unit 25 is not provided. , The amount of expansion of the volume required for the neutron absorber 20 can be small. Therefore, the volume of the reservoir 21 can be reduced, or the stroke amount of the neutron absorber 20 at the same temperature change amount can be increased.

導入管22Aに中性子吸収材20が入り込んだ場合において、導入管22Aの内周面から離れた中央部には、中性子吸収材20の遮蔽効果(空間的自己遮蔽効果)により中性子が殆ど届かない。そのため、導入管22Aの中央部に排除部25を設けたとしても、制御棒価値に対する影響は殆どない。 When the neutron absorber 20 enters the introduction pipe 22A, neutrons hardly reach the central portion away from the inner peripheral surface of the introduction pipe 22A due to the shielding effect (spatial self-shielding effect) of the neutron absorbing material 20. Therefore, even if the exclusion portion 25 is provided in the central portion of the introduction pipe 22A, there is almost no effect on the control rod value.

(第3実施形態)
次に、第3実施形態の炉心反応度制御装置16B、炉心反応度制御方法および原子炉について図13から図14を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
(Third Embodiment)
Next, the core reactivity control device 16B, the core reactivity control method, and the nuclear reactor of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 13 to 14. The same components as those shown in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

図13および図14に示すように、第3実施形態の導入管22Bは、断面視で扁平な長円形状を成している。なお、導入管22Bは、長方形状でも良い。このようにすれば、導入管22Bに入り込んだ中性子吸収材20に中性子が当たる面積を増加させることができる。 As shown in FIGS. 13 and 14, the introduction pipe 22B of the third embodiment has a flat oval shape in a cross-sectional view. The introduction pipe 22B may have a rectangular shape. In this way, the area where the neutrons hit the neutron absorber 20 that has entered the introduction tube 22B can be increased.

なお、導入管22Bには、内周縁に沿って中性子吸収材20が進行する進行部24Bが設けられているとともに、中央部に沿って中性子吸収材20を排除する排除部25Bが設けられている。このようにすれば、中性子吸収材20の使用量が少なくて済むようになる。また、排除部25Bも導入管22Bの形状に合わせて断面視で扁平な長円形状を成している。 The introduction pipe 22B is provided with a traveling portion 24B in which the neutron absorbing material 20 advances along the inner peripheral edge, and an exclusion portion 25B for eliminating the neutron absorbing material 20 along the central portion. .. By doing so, the amount of the neutron absorber 20 used can be reduced. Further, the exclusion portion 25B also has a flat oval shape in cross-sectional view according to the shape of the introduction pipe 22B.

(第4実施形態)
次に、第4実施形態の炉心反応度制御装置16C、炉心反応度制御方法および原子炉について図15から図16を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
(Fourth Embodiment)
Next, the core reactivity control device 16C, the core reactivity control method, and the nuclear reactor of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 15 to 16. The same components as those shown in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

図15および図16に示すように、第4実施形態の導入管22Cは、複数の細管26が束ねられて形成される。このようにすれば、中性子吸収材の表面張力を活用して導入管22Cに浸入し易くすることができる。複数の細管26は、断面視で環状を成すように周方向に並んで配置される。そして、その環状の中央部には、中性子吸収材20が入り込まない空間部27が設けられている。 As shown in FIGS. 15 and 16, the introduction tube 22C of the fourth embodiment is formed by bundling a plurality of thin tubes 26. In this way, the surface tension of the neutron absorber can be utilized to facilitate penetration into the introduction pipe 22C. The plurality of thin tubes 26 are arranged side by side in the circumferential direction so as to form an annular shape in a cross-sectional view. A space portion 27 in which the neutron absorber 20 does not enter is provided in the central portion of the ring.

それぞれの細管26の下端は、リザーバ21の上端に接続されている。そして、リザーバ21の内部とそれぞれの細管26の内部とが互いに連通されている。つまり、リザーバ21に収容された液体の中性子吸収材20が細管26に出入りすることができる。中性子吸収材20は、それぞれの細管26により導かれて、炉心10の内部に進行し、または、炉心10の内部から後退する。なお、第4実施形態では、それぞれの細管26が進行部を構成し、その中央の空間部27が排除部を構成する。 The lower end of each capillary 26 is connected to the upper end of the reservoir 21. Then, the inside of the reservoir 21 and the inside of each thin tube 26 are communicated with each other. That is, the liquid neutron absorber 20 contained in the reservoir 21 can enter and exit the thin tube 26. The neutron absorber 20 is guided by each of the thin tubes 26 and proceeds to the inside of the core 10 or recedes from the inside of the core 10. In the fourth embodiment, each thin tube 26 constitutes a traveling portion, and a space portion 27 in the center thereof constitutes an exclusion portion.

中性子吸収材20は、それぞれの細管26に分散された状態で進行する。このように、中性子吸収材20の流路である導入管22Cが複数の細管26で構成されていることで、万が一、一部の細管26が破断しても、他の細管26の健全性を保つことができる。 The neutron absorber 20 proceeds in a state of being dispersed in each of the thin tubes 26. In this way, since the introduction tube 22C, which is the flow path of the neutron absorber 20, is composed of a plurality of thin tubes 26, even if a part of the thin tubes 26 breaks, the soundness of the other thin tubes 26 can be maintained. Can be kept.

(第5実施形態)
次に、第5実施形態の炉心反応度制御装置16D、炉心反応度制御方法および原子炉について図17を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
(Fifth Embodiment)
Next, the core reactivity control device 16D, the core reactivity control method, and the nuclear reactor of the fifth embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those shown in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

図17に示すように、第5実施形態の炉心反応度制御装置16Dは、リザーバ21に設けられ、炉心10から放射される中性子で核反応を生じさせて中性子吸収材20を加熱する加熱用核燃料28を備える。このようにすれば、炉心10の出力に応じて中性子吸収材を加熱することができる。 As shown in FIG. 17, the core reactivity control device 16D of the fifth embodiment is provided in the reservoir 21 and causes a nuclear reaction with neutrons radiated from the core 10 to heat the neutron absorber 20. 28 is provided. In this way, the neutron absorber can be heated according to the output of the core 10.

第5実施形態では、炉心10の出力が上昇した際に、リザーバ21の温度を速やかに上昇させて炉心反応度制御装置16Dの出力変動に対する応答速度を速めることができる。 In the fifth embodiment, when the output of the core 10 increases, the temperature of the reservoir 21 can be rapidly increased to increase the response speed to the output fluctuation of the core reactivity control device 16D.

例えば、炉心10の出力が上昇すると、炉心10から漏れ出る中性子数が増加し、この中性子により加熱用核燃料28で核分裂反応が生じるようになる。そして、加熱用核燃料28から発せられる熱により中性子吸収材20が加熱されて温度が上昇する。ここで、中性子吸収材20の熱膨張により体積が増加すると、中性子吸収材20が導入管22の内部を進行するようになる。 For example, when the output of the core 10 increases, the number of neutrons leaking from the core 10 increases, and the neutrons cause a fission reaction in the heating nuclear fuel 28. Then, the neutron absorber 20 is heated by the heat generated from the heating nuclear fuel 28, and the temperature rises. Here, when the volume increases due to the thermal expansion of the neutron absorber 20, the neutron absorber 20 advances inside the introduction pipe 22.

炉心10の出力が低下すると、炉心10から放射される中性子数も低減される。そのため、加熱用核燃料28の核分裂反応が抑制され、中性子吸収材20の温度が低下する。ここで、中性子吸収材20の収縮により体積が低減されると、中性子吸収材20が導入管22の内部を後退するようになる。 When the output of the core 10 decreases, the number of neutrons emitted from the core 10 also decreases. Therefore, the fission reaction of the heating nuclear fuel 28 is suppressed, and the temperature of the neutron absorber 20 is lowered. Here, when the volume is reduced by the contraction of the neutron absorber 20, the neutron absorber 20 retracts inside the introduction pipe 22.

この第5実施形態では、炉心容器23が中性子を通過させる材質で形成されている。また、炉心10とリザーバ21とが断熱されていても良い。 In this fifth embodiment, the core vessel 23 is made of a material that allows neutrons to pass through. Further, the core 10 and the reservoir 21 may be insulated.

なお、加熱用核燃料28は、リザーバ21の上部側の外周面に接触された状態で設けられている。このようにすれば、炉心10から照射される中性子が、中性子吸収材20で遮られることがなく、加熱用核燃料28に当るようになる。そのため、炉心10の出力に応じて加熱用核燃料28に核反応を生じさせることができる。 The heating nuclear fuel 28 is provided in contact with the outer peripheral surface on the upper side of the reservoir 21. In this way, the neutrons emitted from the core 10 are not blocked by the neutron absorber 20 and hit the nuclear fuel 28 for heating. Therefore, a nuclear reaction can occur in the heating nuclear fuel 28 according to the output of the core 10.

(第6実施形態)
次に、第6実施形態の炉心反応度制御装置16E、炉心反応度制御方法および原子炉について図18を用いて説明する。なお、前述した実施形態に示される構成部分と同一構成部分については同一符号を付して重複する説明を省略する。
(Sixth Embodiment)
Next, the core reactivity control device 16E, the core reactivity control method, and the nuclear reactor of the sixth embodiment will be described with reference to FIG. The same components as those shown in the above-described embodiment are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.

第6実施形態の炉心反応度制御装置16Eは、炉心10からリザーバ21に向けて熱を輸送する熱輸送部としての加熱用ヒートパイプ29を備える。このようにすれば、炉心10からリザーバ21に向けて効率的に熱を輸送することができる。炉心10の温度上昇に伴って速やかにリザーバ21の温度を上昇させることができる。 The core reactivity control device 16E of the sixth embodiment includes a heating heat pipe 29 as a heat transport unit that transports heat from the core 10 to the reservoir 21. In this way, heat can be efficiently transported from the core 10 to the reservoir 21. The temperature of the reservoir 21 can be rapidly raised as the temperature of the core 10 rises.

加熱用ヒートパイプ29は、炉心10からリザーバ21まで延びている。加熱用ヒートパイプ29は、リザーバ21の外周面に接触している。なお、加熱用ヒートパイプ29の端部がリザーバ21の内部に挿入されていても良い。 The heating heat pipe 29 extends from the core 10 to the reservoir 21. The heating heat pipe 29 is in contact with the outer peripheral surface of the reservoir 21. The end of the heating heat pipe 29 may be inserted inside the reservoir 21.

なお、第6実施形態の炉心反応度制御装置16Eは、第5実施形態の加熱用核燃料28を備えていても良い。 The core reactivity control device 16E of the sixth embodiment may include the nuclear fuel 28 for heating of the fifth embodiment.

本実施形態に係る炉心反応度制御装置、炉心反応度制御方法および原子炉を第1実施形態から第6実施形態に基づいて説明したが、いずれか1の実施形態において適用された構成を他の実施形態に適用しても良いし、各実施形態において適用された構成を組み合わせても良い。 The core reactivity control device, the core reactivity control method, and the nuclear reactor according to the present embodiment have been described based on the first to sixth embodiments, but the configurations applied in any one embodiment may be used in other embodiments. It may be applied to embodiments, or the configurations applied in each embodiment may be combined.

なお、本実施形態のフローチャートにおいて、各ステップが直列に実行される形態を例示しているが、必ずしも各ステップの前後関係が固定されるものでなく、一部のステップの前後関係が入れ替わっても良い。また、一部のステップが他のステップと並列に実行されても良い。 Although the flowchart of the present embodiment illustrates a mode in which each step is executed in series, the context of each step is not necessarily fixed, and even if the context of some steps is exchanged. good. Also, some steps may be executed in parallel with other steps.

なお、本実施形態では、ヒートパイプ12を用いて炉心10を冷却しているが、炉心10の冷却方式は様々なものが考えられるため、ヒートパイプ12に限定されるものではない。 In the present embodiment, the core 10 is cooled by using the heat pipe 12, but the cooling method of the core 10 is not limited to the heat pipe 12 because various cooling methods can be considered.

なお、本実施形態では、炉心10から熱を移動させるデバイスとして、作動流体を封入したヒートパイプ12を例示しているが、その他の態様のヒートパイプ12(除熱部)を用いても良い。例えば、内部に空洞を有さない中実のヒートパイプを用いても良い。さらに、ヒートポンプ式の除熱装置を用いて炉心から熱を移動させても良い。 In the present embodiment, the heat pipe 12 in which the working fluid is sealed is illustrated as a device for transferring heat from the core 10, but a heat pipe 12 (heat removal unit) of another embodiment may be used. For example, a solid heat pipe having no internal cavity may be used. Further, heat may be transferred from the core by using a heat pump type heat removing device.

なお、本実施形態では、液体の中性子吸収材20を構成するインジウムを主成分とする合金としてインジウム−ガドリニウム合金が用いられているが、その他の態様であっても良い。例えば、カドミウム、銀、金、ユウロピウム、ハフニウムなどのガドリニウムの以外の他の金属をインジウムに添加した合金で中性子吸収材20を構成しても良い。中性子吸収材20としては、様々な組成が考えられるためこれを限定しない。 In the present embodiment, an indium-gadolinium alloy is used as an alloy containing indium as a main component constituting the liquid neutron absorber 20, but other embodiments may be used. For example, the neutron absorber 20 may be composed of an alloy in which a metal other than gadolinium such as cadmium, silver, gold, europium, and hafnium is added to indium. The neutron absorber 20 is not limited because various compositions can be considered.

なお、本実施形態では、液体の中性子吸収材20としてインジウムまたはインジウムを主成分とする合金で構成しているが、その他の態様であっても良い。例えば、液体の中性子吸収材20としてリチウムを用いても良い。 In the present embodiment, the liquid neutron absorber 20 is made of indium or an alloy containing indium as a main component, but other embodiments may be used. For example, lithium may be used as the liquid neutron absorber 20.

以上説明した少なくとも1つの実施形態によれば、インジウムまたはインジウムを主成分とする合金で構成される液体の中性子吸収材を備えることにより、中性子吸収材が化学的に不活性であり、扱い易い炉心反応度制御技術とすることができる。 According to at least one embodiment described above, the neutron absorber is chemically inert and easy to handle by providing the liquid neutron absorber composed of indium or an alloy containing indium as a main component. It can be a reactivity control technique.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

1…原子力発電システム、2…原子炉、3…地上コンテナ、4…地下コンテナ、5…発電機、6…ガスタービン、7…回生熱交換器、8…ラジエータ、9…コンプレッサ、10…炉心、11…熱交換器、12…ヒートパイプ、13…炉心容器、14…核燃料、15…減速材、16(16A,16B,16C,16D,16E)…炉心反応度制御装置、17…安全棒、18…挿入部、19…挿入空間、20…中性子吸収材、21…リザーバ、22(22A,22B,22C)…導入管、23…炉心容器、24(24B)…進行部、25(25B)…排除部、26…細管、27…空間部、28…加熱用核燃料、29…加熱用ヒートパイプ。 1 ... Nuclear power generation system, 2 ... Reactor, 3 ... Ground container, 4 ... Underground container, 5 ... Generator, 6 ... Gas turbine, 7 ... Regenerative heat exchanger, 8 ... Radiator, 9 ... Compressor, 10 ... Core, 11 ... Heat exchanger, 12 ... Heat pipe, 13 ... Core container, 14 ... Nuclear fuel, 15 ... Reducer, 16 (16A, 16B, 16C, 16D, 16E) ... Core reaction control device, 17 ... Safety rod, 18 ... Insertion part, 19 ... Insertion space, 20 ... Neutral absorber, 21 ... Reservoir, 22 (22A, 22B, 22C) ... Introduction tube, 23 ... Core vessel, 24 (24B) ... Progressive part, 25 (25B) ... Exclusion Part, 26 ... Thin tube, 27 ... Space part, 28 ... Nuclear fuel for heating, 29 ... Heat pipe for heating.

Claims (11)

インジウムまたは前記インジウムを主成分とする合金で構成される液体の中性子吸収材と、
前記中性子吸収材を収容するリザーバと、
前記リザーバから炉心の内部まで延び、前記中性子吸収材が熱膨張したときに、前記中性子吸収材が内部を進行する導入管と、
を備える、
炉心反応度制御装置。
A liquid neutron absorber composed of indium or an alloy containing indium as a main component,
A reservoir accommodating the neutron absorber and
An introduction pipe that extends from the reservoir to the inside of the core, and when the neutron absorber thermally expands, the neutron absorber advances inside.
To prepare
Core reactivity control device.
前記中性子吸収材は、インジウム−ガドリニウム合金である、
請求項1に記載の炉心反応度制御装置。
The neutron absorber is an indium-gadolinium alloy.
The core reactivity control device according to claim 1.
前記中性子吸収材に含まれるガドリニウムの重量割合が1%以下である、
請求項2に記載の炉心反応度制御装置。
The weight ratio of gadolinium contained in the neutron absorber is 1% or less.
The core reactivity control device according to claim 2.
前記導入管には、内周縁に沿って前記中性子吸収材が進行する進行部が設けられているとともに、中心軸に沿って前記中性子吸収材を排除する排除部が設けられている、
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の炉心反応度制御装置。
The introduction pipe is provided with a traveling portion in which the neutron absorbing material advances along the inner peripheral edge, and is provided with an exclusion portion for eliminating the neutron absorbing material along the central axis.
The core reactivity control device according to any one of claims 1 to 3.
前記導入管は、断面視で扁平な形状を成している、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の炉心反応度制御装置。
The introduction tube has a flat shape in cross-sectional view.
The core reactivity control device according to any one of claims 1 to 4.
前記導入管は、複数の細管が束ねられたものである、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の炉心反応度制御装置。
The introduction tube is a bundle of a plurality of thin tubes.
The core reactivity control device according to any one of claims 1 to 5.
前記リザーバに設けられ、前記炉心から放射される中性子で核反応を生じさせて前記中性子吸収材を加熱する加熱用核燃料を備える、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の炉心反応度制御装置。
The reservoir is provided with a nuclear fuel for heating, which is provided in the reservoir and causes a nuclear reaction with neutrons radiated from the core to heat the neutron absorber.
The core reactivity control device according to any one of claims 1 to 6.
前記炉心から前記リザーバに向けて熱を輸送する熱輸送部を備える、
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の炉心反応度制御装置。
A heat transport unit for transporting heat from the core to the reservoir is provided.
The core reactivity control device according to any one of claims 1 to 7.
前記熱輸送部は、ヒートパイプである、
請求項8に記載の炉心反応度制御装置。
The heat transport unit is a heat pipe.
The core reactivity control device according to claim 8.
リザーバに収容されているインジウムまたは前記インジウムを主成分とする合金で構成される液体の中性子吸収材が熱膨張したときに、前記リザーバから炉心の内部まで延びる導入管の内部を前記中性子吸収材が進行するステップを含む、
炉心反応度制御方法。
When the liquid neutron absorber contained in the reservoir or composed of the alloy containing the indium as a main component thermally expands, the neutron absorber extends inside the introduction pipe extending from the reservoir to the inside of the core. Including steps to proceed,
Core reactivity control method.
インジウムまたは前記インジウムを主成分とする合金で構成される液体の中性子吸収材と、
前記中性子吸収材を収容するリザーバと、
前記リザーバから炉心の内部まで延び、前記中性子吸収材が熱膨張したときに、前記中性子吸収材が内部を進行する導入管と、
を備える炉心反応度制御装置が設けられている、
原子炉。
A liquid neutron absorber composed of indium or an alloy containing indium as a main component,
A reservoir accommodating the neutron absorber and
An introduction pipe that extends from the reservoir to the inside of the core, and when the neutron absorber thermally expands, the neutron absorber advances inside.
A core reactivity control device is provided.
Reactor.
JP2020034035A 2020-02-28 2020-02-28 Core reactivity control device, core reactivity control method and nuclear reactor Active JP7276989B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020034035A JP7276989B2 (en) 2020-02-28 2020-02-28 Core reactivity control device, core reactivity control method and nuclear reactor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020034035A JP7276989B2 (en) 2020-02-28 2020-02-28 Core reactivity control device, core reactivity control method and nuclear reactor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021135263A true JP2021135263A (en) 2021-09-13
JP7276989B2 JP7276989B2 (en) 2023-05-18

Family

ID=77661036

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020034035A Active JP7276989B2 (en) 2020-02-28 2020-02-28 Core reactivity control device, core reactivity control method and nuclear reactor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7276989B2 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63127192A (en) * 1986-11-17 1988-05-31 株式会社東芝 Fast breeder reactor plant
JPH0210299A (en) * 1988-03-01 1990-01-16 General Electric Co <Ge> Hafnium control rod for nuclear reactor
JPH0299892A (en) * 1988-10-07 1990-04-11 Hitachi Ltd Liquid controlled poison tube
JPH06160570A (en) * 1992-08-26 1994-06-07 General Electric Co <Ge> Fuel aggregate
JPH0961574A (en) * 1995-08-28 1997-03-07 Central Res Inst Of Electric Power Ind Self-actuation type output controller for fast reactor
JP2015500993A (en) * 2011-12-06 2015-01-08 テラパワー, エルエルシー Reactivity control device and control method in nuclear fission reactor, nuclear fission reactor, and method for manufacturing reactivity control device
JP2017181445A (en) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社東芝 Portable type nuclear reactor and reactor core thereof

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63127192A (en) * 1986-11-17 1988-05-31 株式会社東芝 Fast breeder reactor plant
JPH0210299A (en) * 1988-03-01 1990-01-16 General Electric Co <Ge> Hafnium control rod for nuclear reactor
JPH0299892A (en) * 1988-10-07 1990-04-11 Hitachi Ltd Liquid controlled poison tube
JPH06160570A (en) * 1992-08-26 1994-06-07 General Electric Co <Ge> Fuel aggregate
JPH0961574A (en) * 1995-08-28 1997-03-07 Central Res Inst Of Electric Power Ind Self-actuation type output controller for fast reactor
JP2015500993A (en) * 2011-12-06 2015-01-08 テラパワー, エルエルシー Reactivity control device and control method in nuclear fission reactor, nuclear fission reactor, and method for manufacturing reactivity control device
JP2017181445A (en) * 2016-03-31 2017-10-05 株式会社東芝 Portable type nuclear reactor and reactor core thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP7276989B2 (en) 2023-05-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6633471B2 (en) REACTOR AND HEAT REMOVAL METHOD FOR REACTOR
US10991468B2 (en) Load-following nuclear reactor system using thermal expansion-based neutron reflector movement and fuel assembly interval adjustment mechanisms and liquid metal primary coolant
El-Genk et al. Uses of liquid-metal and water heat pipes in space reactor power systems
US20160329113A1 (en) SLIMM-Scalable Liquid Metal Cooled Small Modular Reactor
KR101731817B1 (en) Reactor having cooling system using siphon principle and operating method for the reactor
US20030179844A1 (en) High-density power source (HDPS) utilizing decay heat and method thereof
RU2680250C1 (en) Active zone of the nuclear reactor
US20210065921A1 (en) Nuclear reactor and operation method for nuclear reactor
US11710577B2 (en) Nuclear reactors having liquid metal alloy fuels and/or moderators
Choi et al. Conceptual design of reactor system for hybrid micro modular reactor (H-MMR) using potassium heat pipe
Zohuri et al. Heat-pipe heat exchangers for salt-cooled fission and fusion reactors to avoid salt freezing and control tritium: a review
Guillen Review of passive heat removal strategies for nuclear microreactor systems
El‐Genk et al. SCoRe—Concepts of Liquid Metal Cooled Space Reactors for Avoidance of Single‐Point Failure
Zohuri Functionality, advancements and industrial applications of heat pipes
Wahlquist et al. A Critical Review of Heat Pipe Experiments in Nuclear Energy Applications
JP2021135263A (en) Core reactivity control device, core reactivity control method and nuclear reactor
Beard et al. Sodium heat pipes for space and surface fission power
RU2660942C1 (en) Active zone of the nuclear reactor
Ma et al. Preliminary neutronics and thermal analysis of a heat pipe cooled traveling wave reactor
KR101494372B1 (en) The apparatus of bubble jet heat pipe in cooling system of spent fuel pool
Deng et al. Design and evaluation of a high power density and high energy efficiency fuel element for space nuclear reactors
JP2021179313A (en) Nuclear reactor and heat removal method for nuclear reactor
Oshman et al. Demonstration of a thermosyphon thermal valve for controlled extraction of stored solar thermal energy
Zohuri et al. Direct Reactor Auxiliary Cooling System
JP4737204B2 (en) Heat flux beam heat receiving / energy recovery system and heat flux beam heat receiving / energy recovery method

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220314

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230123

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230131

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230301

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20230404

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20230428

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7276989

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150