JP2021179313A - 原子炉および原子炉の除熱方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートパイプによる除熱効率を高めて炉心の出力を向上させることができる原子炉の除熱技術を提供する。
【解決手段】原子炉２は、炉心内の熱を炉心外に移動させる棒状を成すメインヒートパイプ９と、メインヒートパイプ９の周囲に配置され、核分裂反応により熱を発生させる核燃料ユニット１０と、メインヒートパイプ９の周囲に配置され、かつメインヒートパイプ９の軸方向に沿って核燃料ユニット１０に隣接して並び、中性子を減速させる減速材ユニット１１と、核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１との間に設けられ、核燃料ユニット１０の熱をメインヒートパイプ９に向けて移動させる熱拡散層１２とを備える。
【選択図】図３
【解決手段】原子炉２は、炉心内の熱を炉心外に移動させる棒状を成すメインヒートパイプ９と、メインヒートパイプ９の周囲に配置され、核分裂反応により熱を発生させる核燃料ユニット１０と、メインヒートパイプ９の周囲に配置され、かつメインヒートパイプ９の軸方向に沿って核燃料ユニット１０に隣接して並び、中性子を減速させる減速材ユニット１１と、核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１との間に設けられ、核燃料ユニット１０の熱をメインヒートパイプ９に向けて移動させる熱拡散層１２とを備える。
【選択図】図３
Description
本発明の実施形態は、原子炉の除熱技術に関する。
発明者らは、炉心を冷却するための要素としてヒートパイプを用いた小型の原子炉を開発している。このような原子炉では、除熱にヒートパイプを用いる特性上、ヒートパイプの表面付近で核燃料と減速材の温度が低く、ヒートパイプの表面から離れるに連れて温度が高くなるという特徴がある。また、金属水素化物の減速材を用いた場合には、減速材の温度が炉心温度の制約となって効率的な運転ができない。そこで、ヒートパイプの周囲に出力のピークを立てることで炉心全体の温度を抑制する技術が知られている。また、ヒートパイプで核燃料と減速材を熱的に分離する技術が知られている。しかしながら、このような技術では、核燃料と減速材を炉心の径方向に交互に配置する必要があることから、炉心のレイアウト上の制約が生じてしまう。また、減速材を用いずに燃料領域にヒートパイプを配置する場合には、ヒートパイプと核燃料の間にギャップが生じて接触熱抵抗が大きくなる要因となる。
Rei Kimura, Tetu Suzuki, Kazuhito Asano, Chikako Iwaki, Hideki Horie, "The conceptual design of heat-pipe cooled and calcium-hydride moderated vSMR", 013, ICAPP2019, Juan-les-pins, France, May 2019 (2019)
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ヒートパイプを冷却要素として備える炉心においては、炉心レイアウト上の制約を低減させるために炉心温度の制約を緩和しつつ、ヒートパイプごとに独立性の高い核燃料と減速材を配置することが望まれている。特に、炉心内の偏在的な温度上昇を抑制して炉心出力を高めることが求められている。
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、ヒートパイプによる除熱効率を高めて炉心の出力を向上させることができる原子炉の除熱技術を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係る原子炉は、炉心内の熱を炉心外に移動させる棒状を成すメインヒートパイプと、前記メインヒートパイプの周囲に配置され、核分裂反応により熱を発生させる核燃料ユニットと、前記メインヒートパイプの周囲に配置され、かつ前記メインヒートパイプの軸方向に沿って前記核燃料ユニットに隣接して並び、中性子を減速させる減速材ユニットと、前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられ、前記核燃料ユニットの熱を前記メインヒートパイプに向けて移動させる熱拡散層と、を備える。
本発明の実施形態により、ヒートパイプによる除熱効率を高めて炉心の出力を向上させることができる原子炉の除熱技術が提供される。
以下、図面を参照しながら、原子炉および原子炉の除熱方法の実施形態について詳細に説明する。
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。なお、図面では、理解を助けるために上下方向を規定している。しかしながら、この原子力発電システム１は、上下方向（鉛直方向）を区別しなくても良く、例えば、宇宙空間でも使用できる。つまり、この原子力発電システム１は、重力の影響を受けない装置となっている。なお、原子力発電システム１は、宇宙空間の他に、月面、火星、地球の極地などで用いることができる。また、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場合がある。
原子力発電システム１は、原子炉２と発電装置３とラジエータ４とを備える。本実施形態では、原子炉２の上部に発電装置３およびラジエータ４が設けられている。原子炉２で発生した熱を用いて発電装置３が発電を行う。そして、発電装置３で発電に用いられた熱をラジエータ４が外部に放出する。
原子炉２は、炉心５と中性子反射部６と遮蔽部７とを備える。炉心５には、核燃料が配置されている。この炉心５の全体形状は、例えば、円柱形状を成している。なお、炉心５の全体形状は、直方体形状を成しても良いし、錐体形状を成しても良い。本実施形態では、炉心５の円柱軸が上下方向に沿って延びる。
炉心５は、中性子反射部６により覆われている。中性子反射部６は、核燃料から発せられる中性子を反射する材質で形成されている。中性子は、中性子反射部６で反射されて、炉心５の内部に戻り、核分裂反応を促進させる。なお、中性子反射部６は、炉心５を収容する容器を兼ねる。
中性子反射部６は、遮蔽部７により覆われている。遮蔽部７は、炉心５で生じる放射線を遮蔽し、放射線が原子炉２の外部に漏れないようにしている。遮蔽部７は、中性子反射部６を収容する容器を兼ねる。
炉心５の中央には、中性子吸収材としての１本の安全棒８が挿入可能な挿入空間が設けられている。この安全棒８は、原子炉２の起動前において、核燃料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８が炉心５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８が炉心５から引き抜かれる。
なお、特に図示はしないが、原子炉２は、核分裂反応を制御する中性子吸収材としての複数本の制御棒を備える。これらの制御棒が炉心５に挿入されることで核分裂反応が抑制され、制御棒が炉心５から引き抜かれることで核分裂反応が活発になる。
炉心５には、複数本のメインヒートパイプ９が設けられている。メインヒートパイプ９は、上下方向に延びる棒状の装置である。それぞれのメインヒートパイプ９は、互いに平行を成すように配置されている。また、メインヒートパイプ９は、炉心５の径方向および周方向に並んでいる。なお、周方向に並ぶメインヒートパイプ９の列は、同心円状に配置されている。
これらのメインヒートパイプ９は、炉心５から上方に向かって直線状に延び、発電装置３に接続されている。これらのメインヒートパイプ９が、炉心５の核燃料で発生した熱を発電装置３まで移動させる。
発電装置３は、メインヒートパイプ９により運ばれた炉心５の熱に基づいて発電を行う。この発電装置３は、例えば、熱電変換素子を備える。発電装置３は、炉心５の熱と外部との温度差を利用して発電を行う。なお、発電装置３は、その他の態様で発電しても良い。例えば、炉心５の熱で所定の液体を気化し、その蒸気によりタービンを駆動して発電を行っても良い。また、炉心５の熱でスターリングエンジンを駆動して発電を行っても良い。
メインヒートパイプ９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。メインヒートパイプ９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。
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。さらに、その他の物質を作動流体としても用いても良い。
メインヒートパイプ９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。
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。
本実施形態では、複数本のメインヒートパイプ９の高温部が炉心５に配置され、メインヒートパイプ９の低温部が発電装置３に配置される。そして、炉心５で発生する熱が、メインヒートパイプ９により発電装置３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。
図２に示すように、複数本のメインヒートパイプ９が炉心５に設けられている。なお、この図面では、理解を助けるために、炉心５の周囲に設けられている中性子反射部６の図示を省略している。
炉心５には、核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１と熱拡散層１２とが設けられている。本実施形態では、核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１とが、メインヒートパイプ９の軸方向に沿って交互に並んで配置されている。なお、熱拡散層１２は、平板状を成し、核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１の間に設けられている。このようにすれば、炉心温度の制約を緩和しつつ、柔軟な炉心レイアウトが可能になる。つまり、設計上の制約が緩和される。
一方のメインヒートパイプ９に設けられた核燃料ユニット１０は、隣り合う他方のメインヒートパイプ９に設けられた核燃料ユニット１０と隣接している。さらに、一方のメインヒートパイプ９に設けられた減速材ユニット１１は、隣り合う他方のメインヒートパイプ９に設けられた減速材ユニット１１と隣接している。
炉心５では、核燃料ユニット１０が並ぶ層と減速材ユニット１１が並ぶ層とが上下方向に積層されている。なお、一方のメインヒートパイプ９と他方のメインヒートパイプ９とで、核燃料ユニット１０および減速材ユニット１１を互い違いに並べても良い。
図３から図４に示すように、所定の１本の円管状を成すメインヒートパイプ９の周囲を囲むように核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１が配置されている。
本実施形態の核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１は、中心軸に沿ってメインヒートパイプ９を通すための孔が開けられた六角柱形状を成している。つまり、核燃料ユニット１０と減速材ユニットにおいて、メインヒートパイプ９の軸に垂直な断面（平面視）の形状が正六角形を成している。複数の核燃料ユニット１０または複数の減速材ユニット１１を平面視でハニカム状に並べる（平面充填させる）ことで炉心５が形成されている。なお、核燃料ユニット１０と減速材ユニットの断面形状は、炉心５を臨界にできる形状であれば、その他の態様であっても良い。例えば、三角形でも良いし、四角形でも良いし、円形でも良い。
核燃料ユニット１０は、核分裂反応により熱を発生させるものである。減速材ユニット１１は、メインヒートパイプ９の軸方向に沿って核燃料ユニット１０に隣接して並び、中性子を減速させるものである。熱拡散層１２は、核燃料ユニット１０の熱をメインヒートパイプ９に向けて移動させるものである。
核燃料ユニット１０には、主たる核燃料物質としてウランが含まれている。核燃料ユニット１０は、例えば、天然ウランを濃縮することで、２３５Ｕの含有量が３％から４％程度になるように高めてある。また、核燃料ユニット１０には、２３９Ｐｕ、２４１Ｐｕ、２４２Ａｍ、２４３Ｃｍ、２４５Ｃｍなどが含まれても良い。核燃料ユニット１０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。さらに、核燃料ユニット１０を構成する材料については、例えば、ウランまたはプルトニウムなどの酸化物、ケイ化物、炭化物、窒化物、塩化物、フッ化物、金属、合金などの様々なものが適用可能である。
１つの核燃料ユニット１０は、メインヒートパイプ９を囲むように設けられたヒートパイプ周辺燃料（Heat Pipe Peripheral Fuel）としてのＨＰＰＦ１３と、ＨＰＰＦ１３を囲むように設けられた主燃料部１４とを備える。
ＨＰＰＦ１３は、円筒形状を成す。このＨＰＰＦ１３の内周面がメインヒートパイプ９の外周面に接触する。主燃料部１４は、核燃料ユニット１０の体積と質量の大部分を占めており、平面視で正六角形を成している。なお、ＨＰＰＦ１３と主燃料部１４の体積比率については、設計条件に応じて様々なものが考えられるため、体積比率は本実施形態に限定されるものではない。
核燃料ユニット１０は、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料部と、第１核燃料部よりもメインヒートパイプ９から離れて配置され、第１濃度よりも低い第２濃度の核分裂物質を含む第２核燃料部とを備える。本実施形態では、ＨＰＰＦ１３が第１核燃料部となっているとともに、主燃料部１４が第２核燃料部となっている。核燃料ユニット１０に含まれる核分裂物質の濃度が高い場合は、核分裂反応による発熱密度が大きくなる。つまり、ＨＰＰＦ１３は、主燃料部１４よりも発熱密度が大きくなっている。
図５から図６に示すように、高濃度の第１核燃料部としてのＨＰＰＦ１３は、メインヒートパイプ９の周囲を囲むように配置される。また、低濃度の第２核燃料部としての主燃料部１４は、ＨＰＰＦ１３よりもメインヒートパイプ９から離れて配置される。主燃料部１４は、ＨＰＰＦ１３を囲むように配置されている。つまり、ＨＰＰＦ１３は、主燃料部１４とメインヒートパイプ９の間に設けられている。
本実施形態では、ＨＰＰＦ１３（第１核燃料部）が配置される領域が高反応度燃料領域を成し、主燃料部１４（第２核燃料部）が配置される領域が低反応度燃料領域を成す。原子炉２が臨界となって燃料が発熱したときに、ＨＰＰＦ１３の出力密度（熱量）は、主燃料部１４の出力密度（熱量）よりも高くなる。これは核分裂物質の濃度が高いことに起因する。ＨＰＰＦ１３は、主燃料部１４よりもメインヒートパイプ９に近いので、主燃料部１４からメインヒートパイプ９へ熱を輸送するために、ＨＰＰＦ１３を熱が通過する必要がある。
本実施形態では、主燃料部１４の核分裂物質の濃度をＨＰＰＦ１３よりも低くし、主燃料部１４の出力をＨＰＰＦ１３の出力よりも小さくしている。そのため、ＨＰＰＦ１３において、メインヒートパイプ９に接する面と、主燃料部１４に接する面の間の温度差を小さくしても、所定の熱量をメインヒートパイプ９に輸送できる。
原子炉２の全体で発生させる出力が同一である場合には、核分裂物質の濃度が低い第２核燃料部をメインヒートパイプ９の近傍に設けるよりも、核分裂物質の濃度が高い第１核燃料部をメインヒートパイプ９の近傍に設けることの方が、炉心５の最高温度を抑制することができる。そしで、炉心５の内部の偏在的な温度上昇を抑制し、核燃料全体を充分に燃焼させることができる。その結果、炉心出力を高めることができる。
減速材ユニット１１は、金属水素化物としての水素化カルシウムで形成されている。このようにすれば、中性子を効率的に減速させることができるため、原子炉２の小型化を図ることができる。なお、減速材ユニット１１は、金属水素化物のみで形成されても良いし、金属水素化物以外の物質が含まれていても良い。また、減速材ユニット１１は、熱膨張し難いセラミックスとして形成されても良い。
なお、水素化カルシウム以外の金属水素化物で減速材ユニット１１を形成しても良い。例えば、減速材ユニット１１を、水素化イットリウム、水素化ランタン、水素化ジルコニウム、水素化プラセオジウムなどの金属水素化物で形成しても良い。
図３に示すように、主燃料部１４がメインヒートパイプ９を挟む２つの部材に分割されている。さらに、ＨＰＰＦ１３がメインヒートパイプ９を挟む２つの部材に分割されている。つまり、平面視で正六角形を成す核燃料ユニット１０は、その中心を通る１本の対角線を境界として分割されている。このようにすれば、核燃料ユニット１０をメインヒートパイプ９に密接させることができるため、核燃料ユニット１０からメインヒートパイプに熱が伝わり易くなる。
例えば、核燃料ユニット１０を分割せずに、メインヒートパイプ９を通す孔を開けるのみとすると、メインヒートパイプ９を挿入するために、孔の内径をメインヒートパイプ９の直径よりも大きくする必要がある。そのため、核燃料ユニット１０の内周面とメインヒートパイプ９の外周面との間にギャップが生じて接触熱抵抗が高まるおそれがある。これに対して本実施形態では、核燃料ユニット１０が分割されていることで、孔の内径をメインヒートパイプ９の直径と同一にすることができる。そのため、核燃料ユニット１０をメインヒートパイプ９に密接させることができ、接触熱抵抗を低減させることができる。
なお、分割された核燃料ユニット１０を互いに固定する固定器具（図示略）を設けても良い。そして、核燃料ユニット１０がメインヒートパイプ９を挟んだ状態で固定されるようにする。このようにすれば、固定器具で核燃料ユニット１０をメインヒートパイプ９に密着させることができる。
また、核燃料ユニット１０におけるメインヒートパイプ９に接触する面は、メインヒートパイプ９の外面に適合する形状となっている。本実施形態では、主燃料部１４におけるメインヒートパイプ９に接する側面が半円形状に切り欠かれており、その切り欠かれた部分に、メインヒートパイプ９の外面に接する円筒形状のＨＰＰＦ１３が設けられている。つまり、主燃料部１４におけるメインヒートパイプ９に接触する面がメインヒートパイプ９の外面に適合する形状となっている。さらに、ＨＰＰＦ１３の内径は、メインヒートパイプ９の外径と同一であるため、ＨＰＰＦ１３の内周面がメインヒートパイプ９の外周面に適合する形状となっている。このようにすれば、核燃料ユニット１０とメインヒートパイプ９との間の接触熱抵抗を低減させることができる。
また、減速材ユニット１１がメインヒートパイプ９を挟む２つの部材に分割されている。つまり、平面視で正六角形を成す減速材ユニット１１は、その中心を通る１本の対角線を境界として分割されている。さらに、減速材ユニット１１におけるメインヒートパイプ９に接触する面は、メインヒートパイプ９の外面に適合する形状となっている。
なお、分割された減速材ユニット１１を互いに固定する固定器具（図示略）を設けても良い。そして、減速材ユニット１１がメインヒートパイプ９を挟んだ状態で固定されるようにする。このようにすれば、固定器具で減速材ユニット１１をメインヒートパイプ９に密着させることができる。
さらに、熱拡散層１２についても、２つの部材に分割されている。なお、熱拡散層１２は、核燃料ユニット１０の上面または下面と同一面積となっている。つまり、熱拡散層１２は、ＨＰＰＦ１３と主燃料部１４の両方に接触している。また、熱拡散層１２は、減速材ユニット１１の上面または下面と同一面積となっている。そして、熱拡散層１２は、減速材ユニット１１の上面または下面の全面に接触している。
熱拡散層１２は、核燃料ユニット１０または減速材ユニット１１と比較して熱伝導率が大幅に大きな材料で形成されている。例えば、熱拡散層１２を、グラファイトシートで形成しても良い。このようにすれば、熱拡散層１２による除熱効率を高めつつ、熱拡散層１２を薄く形成することができる。また、熱拡散層１２を、平板状を成すサブヒートパイプで形成しても良い。なお、サブヒートパイプとは、メインヒートパイプ９と同様に、作動流体（作動液）を用いて熱を移動させるデバイスであって、薄型のヒートパイプである。このようにすれば、大量の熱を核燃料ユニット１０からメインヒートパイプ９に伝達させることができる。
なお、熱拡散層１２の一部をグラファイトシートで形成し、他の部分をサブヒートパイプで形成しても良い。例えば、グラファイトシートとサブヒートパイプを並べて設けても良いし、グラファイトシートとサブヒートパイプを積層して設けても良い。また、グラファイトシートまたはサブヒートパイプ以外の材料でも熱拡散層１２を形成できるため、熱拡散層１２の材料は本実施形態に限定されるものではない。
図７に示すように、核燃料ユニット１０の上面および下面に熱拡散層１２が接触されている。
核燃料ユニット１０では、基本的に固体熱伝導、即ち固体内の温度差によって熱１５がメインヒートパイプ９へ輸送される。仮に、熱拡散層１２の場合を想定すると、核燃料ユニット１０の内部において、メインヒートパイプ９の近傍では温度が低く、メインヒートパイプ９から距離が離れるほど温度が高くなる。
そこで、本実施形態では、熱拡散層１２を設けるようにし、核燃料ユニット１０の外縁部の高温領域から核燃料ユニット１０のメインヒートパイプ９の近傍の低温領域へと熱拡散層１２を通じて熱１５を輸送する。このようにすれば、核燃料ユニット１０の全体の温度の均一化を図ることができる。そして、核燃料ユニット１０の内部の偏在的な温度上昇を抑制し、核燃料ユニット１０の全体を充分に燃焼させることができる。その結果、炉心出力を高めることができる。
熱拡散層１２には、銅のような均一に高い熱伝導率を持つものよりも、グラファイトシートまたはサブヒートパイプのように所定の方向に対しては大きな熱伝導率を持つが、他の方向にはそのような熱伝導率を持たないものが望ましい。
例えば、図８に示すように、熱拡散層１２にグラファイトシートを用いた場合について説明する。グラファイトシートには、シートが広がる方向である水平方向１６に対して１０００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有し、厚み方向である垂直方向１７に対して３０〜１００Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率しか有さないものがある。このように、熱輸送の方向に指向性のあるグラファイトシートを熱拡散層１２に用いることで、核燃料ユニット１０から減速材ユニット１１への伝熱を阻害することができる。そして、核燃料ユニット１０において、その外縁部からメインヒートパイプ９の近傍の低温領域まで熱を輸送することができる。
図９から図１０に示すように、変形例１の熱拡散層１２Ａは、接触部１８と拡張部１９とリブ２０とを備える。
接触部１８は、核燃料ユニット１０および減速材ユニット１１に接触する部分である。この接触部１８は、核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１の間に挟み込まれる。
拡張部１９は、メインヒートパイプ９と減速材ユニット１１の間まで拡張された部分である。この拡張部１９は、メインヒートパイプ９と減速材ユニット１１の境界面に設けられる。つまり、拡張部１９は、メインヒートパイプ９と減速材ユニット１１の間に挟み込まれる。このようにすれば、メインヒートパイプ９に熱拡散層１２Ａが接触される面積を拡張することができる。そのため、熱拡散層１２Ａからメインヒートパイプ９に熱を移動させる効率を向上させることができる。
リブ２０は、核燃料ユニット１０から離れる方向に向かって延びるとともにメインヒートパイプ９に向かって延びる部分である。このリブ２０は、分割された減速材ユニット１１の２つの部材の間に挟み込まれる。このようにすれば、リブ２０を介して熱をメインヒートパイプ９に向かって効率的に移動させることができる。
減速材ユニット１１は発熱しないため、この減速材ユニット１１に挟まれたリブ２０は、減速材ユニット１１から熱を受け取ることがない。そのため、核燃料ユニット１０から熱拡散層１２Ａに入り込んだ熱をリブ２０により輸送する場合には、接触部１８で熱を輸送する場合と比較して効率的に熱を輸送することができる。つまり、発熱している核燃料ユニット１０から離れる方向に、リブ２０を用いて多くの熱を輸送することができる。
なお、拡張部１９またはリブ２０の形状または寸法は、様々な態様が考えられるため、本変形例１に限定されるものではない。さらに、リブ２０を外方に向かって延長し、このリブ２０を、分割された核燃料ユニット１０または減速材ユニット１１を固定する固定器具の一部として用いても良い。
図１１に示すように、変形例２では、減速材ユニット１１と熱拡散層１２の間に断熱部２１が設けられている。この断熱部２１は、核燃料ユニット１０の熱を減速材ユニット１１に伝わり難くするものである。このようにすれば、核燃料ユニット１０から熱拡散層１２に伝わった熱が、熱拡散層１２から減速材ユニット１１に伝わってしまうことを抑制することができる。そのため、熱拡散層１２を用いてメインヒートパイプ９に熱を効率的に伝えることができる。
本変形例２の断熱部２１は、平板状の断熱材で形成される。例えば、グラスウールなどの断熱材を用いて断熱部２１を形成しても良い。また、内部を真空にした真空容器を平板状に形成して断熱部２１としても良い。
なお、断熱部２１は、核燃料ユニット１０の熱を減速材ユニット１１に伝わり難くするものであれば、その他の態様でも良い。例えば、減速材ユニット１１と熱拡散層１２の間にギャップを設けるようにし、このギャップを断熱部２１としても良い。
図１２に示すように、変形例３では、ユーロピウム（Ｅｕ）とカドミウム（Ｃｄ）の少なくともいずれか一方を含む金属箔２２が、核燃料ユニット１０と減速材ユニット１１の間に設けられている。本変形例３では、２枚の金属箔２２が、熱拡散層１２を挟むようにして、その上面と下面に設けられている。このようにすれば、熱拡散層１２の構成を変更せずに、ユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を炉心内に配置することができる。ユーロピウムとカドミウムは、大きな吸収断面積を有しているため、熱拡散層１２よりも薄く金属箔２２を形成しても良い。
なお、金属箔２２は、ユーロピウムまたはカドミウムのいずれか一方が含まれたものでも良いし、これらの両方が含まれたものでも良い。さらに、金属箔２２は、ユーロピウムの酸化物またはカドミウムの酸化物のいずれか一方が含まれたものでも良いし、これらの両方が含まれたものでも良い。
なお、熱拡散層１２がサブヒートパイプで構成される場合には、サブヒートパイプをユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む材料で形成すれば良い。このようにすれば、サブヒートパイプを用いてユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を炉心内に配置することができる。
また、熱拡散層１２がグラファイトシートまたは他の金属材料で構成される場合には、熱拡散層１２自体にユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を添加しても良い。
図１３に示すように、変形例４では、ユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む金属構造材２３，２４が設けられている。なお、金属構造材２３，２４は、ユーロピウムの酸化物またはカドミウムの酸化物の少なくともいずれか一方を含むものでも良い。
本変形例４では、核燃料ユニット１０または減速材ユニット１１の側面に設けられている。例えば、減速材ユニット１１の側面を取り囲むように板状を成す金属構造材２３が設けられている。
また、炉心５の内部において、メインヒートパイプ９の軸方向の上端側と下端側には、核燃料ユニット１０が設けられている。そして、最上端の核燃料ユニット１０の上面と最下端の核燃料ユニット１０の下面には、平板状を成す金属構造材２４が設けられている。つまり、中性子反射部６（図１）に近接する位置に金属構造材２４が設けられている。
図１４は、横軸に運転温度を取り、縦軸に温度反応度係数を取ったグラフである。このグラフに示すように、炉心５の内部にユーロピウム（Ｅｕ）とカドミウム（Ｃｄ）の少なくともいずれか一方を設けることで、炉心５の温度反応度を負側に改善できる。特に、運転温度以上の高温域で負となる温度反応度を持つ炉心を構成することができる。
水素化カルシウムを減速材ユニット１１として用いた炉心５において、熱拡散層１２にＥｕを添加した場合とＥｕを添加しなかった場合の温度反応度係数Ｃを示す。この温度反応度係数Ｃは、以下の数式１で示される。ここで、ρＴ１およびρＴ２は、炉心温度Ｔ１および炉心温度Ｔ２の反応度である。
図１４に示すように、Ｅｕを熱拡散層１２に添加すると、８００Ｋより高温のときに温度反応度係数Ｃがより負側になっていることが分かる。つまり、Ｅｕを添加した場合には、Ｅｕを添加しない場合と比較して、運転温度の領域で炉心５の制御性が良くなることが分かる。
この効果は、減速材ユニット１１における熱中性子のスペクトル変化に伴って、Ｅｕなどの共鳴における中性子吸収量が増加することが主な要因となっている。なお、Ｃｄを熱拡散層１２に添加した場合についても、図１４のグラフと同様の結果となるため、Ｅｕと同じ効果を得ることができる。
従って、ＥｕまたはＣｄなどを炉心５に設ける場合に、ＥｕまたはＣｄを設ける位置は、減速材ユニット１１に近い方が良い。例えば、減速材ユニット１１に隣接している熱拡散層１２、熱拡散層１２に近接する位置、減速材ユニット１１の側面にＥｕまたはＣｄを設けると良い。
さらに、中性子反射部６（図１）の反射により中性子のインポータンスが高くなっている位置であって、最上端の核燃料ユニット１０の上面と最下端の核燃料ユニット１０の下面に（図１３）、ＥｕまたはＣｄを設けることで、その反応度価値を高めることができる。
次に、原子炉２の除熱方法について図１５のフローチャートを用いて説明する。この原子炉２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。
まず、ステップＳ１１において、核燃料ユニット１０に含まれる核燃料物質の核分裂反応により熱が発生する。
次のステップＳ１２において、核分裂反応により発生した中性子が減速材ユニット１１により減速される。減速された中性子により核燃料ユニット１０の核分裂反応が連鎖的に引き起こされる。
次のステップＳ１３において、核燃料ユニット１０の熱が熱拡散層１２に移動される。さらに、熱拡散層１２により核燃料ユニット１０の熱をメインヒートパイプ９に向けて移動させる。
次のステップＳ１４において、メインヒートパイプ９により炉心５の熱が、炉心５の外部の発電装置３に移動される。
次のステップＳ１５において、発電装置３は、メインヒートパイプ９により移動された熱により発電を行う。
次のステップＳ１６において、発電装置３で発電に用いられた熱がラジエータ４に移動される。そして、ラジエータ４により放熱される。
なお、本実施形態では、炉心５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メインヒートパイプ９を例示しているが、その他の態様のヒートパイプ（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。
なお、本実施形態では、核燃料ユニット１０、減速材ユニット１１、熱拡散層１２のそれぞれが、メインヒートパイプ９を挟む少なくとも２つの部材に分割されているが、その他の態様であっても良い。例えば、これらが３つ以上の部材に分割されても良い。さらに、本実施形態の「メインヒートパイプ９を挟む」という用語は、「メインヒートパイプ９を取り囲む」という意味を含む。
なお、本実施形態では、核燃料ユニット１０が、核分裂物質の濃度が互いに異なるＨＰＰＦ１３と主燃料部１４とを備えているが、その他の態様であっても良い。例えば、ＨＰＰＦ１３の構成を省略し、主燃料部１４のみで核燃料ユニット１０を構成しても良い。
以上説明した実施形態によれば、核燃料ユニットと減速材ユニットとの間に設けられ、核燃料ユニットの熱をメインヒートパイプに向けて移動させる熱拡散層を備えることにより、ヒートパイプによる除熱効率を高めて炉心の出力を向上させることができる。
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。
１…原子力発電システム、２…原子炉、３…発電装置、４…ラジエータ、５…炉心、６…中性子反射部、７…遮蔽部、８…安全棒、９…メインヒートパイプ、１０…核燃料ユニット、１１…減速材ユニット、１２（１２Ａ）…熱拡散層、１３…ＨＰＰＦ、１４…主燃料部、１５…熱、１６…水平方向、１７…垂直方向、１８…接触部、１９…拡張部、２０…リブ、２１…断熱部、２２…金属箔、２３，２４…金属構造材。
Claims (15)
- 炉心内の熱を炉心外に移動させる棒状を成すメインヒートパイプと、
前記メインヒートパイプの周囲に配置され、核分裂反応により熱を発生させる核燃料ユニットと、
前記メインヒートパイプの周囲に配置され、かつ前記メインヒートパイプの軸方向に沿って前記核燃料ユニットに隣接して並び、中性子を減速させる減速材ユニットと、
前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられ、前記核燃料ユニットの熱を前記メインヒートパイプに向けて移動させる熱拡散層と、
を備える、
原子炉。 - 前記熱拡散層の少なくとも一部がグラファイトシートである、
請求項１に記載の原子炉。 - 前記熱拡散層の少なくとも一部が平板状を成すサブヒートパイプである、
請求項１または請求項２に記載の原子炉。 - 前記サブヒートパイプがユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む材料で形成されている、
請求項３に記載の原子炉。 - 前記熱拡散層がユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられ、ユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む金属箔を備える、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記減速材ユニットと前記熱拡散層との間に設けられ、前記核燃料ユニットの熱を前記減速材ユニットに伝わり難くする断熱部を備える、
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記熱拡散層は、前記メインヒートパイプと前記減速材ユニットとの間まで拡張される拡張部を備える、
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記熱拡散層は、前記核燃料ユニットから離れる方向に向かって延びるとともに前記メインヒートパイプに向かって延びるリブを備える、
請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記核燃料ユニットが前記メインヒートパイプを挟む少なくとも２つの部材に分割されている、
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記核燃料ユニットにおける前記メインヒートパイプに接触する面が前記メインヒートパイプの外面に適合する形状となっている、
請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとが前記メインヒートパイプの軸方向に沿って交互に並んで配置されている、
請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記核燃料ユニットは、
第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料部と、
前記第１核燃料部よりも前記メインヒートパイプから離れて配置され、前記第１濃度よりも低い第２濃度の前記核分裂物質を含む第２核燃料部と、
を備える、
請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の原子炉。 - 前記減速材ユニットが金属水素化物を含む、
請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の原子炉。 - 棒状を成すメインヒートパイプの周囲に配置された核燃料ユニットの核分裂反応により熱を発生させるステップと、
前記メインヒートパイプの周囲に配置され、かつ前記メインヒートパイプの軸方向に沿って前記核燃料ユニットに隣接して並ぶ減速材ユニットにより中性子を減速させるステップと、
前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられた熱拡散層により前記核燃料ユニットの熱を前記メインヒートパイプに向けて移動させるステップと、
前記メインヒートパイプにより炉心内の熱を炉心外に移動させるステップと、
を含む、
原子炉の除熱方法。
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