JP2021512277A - 原子炉の炉心 - Google Patents

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Abstract

【課題】原子力発電所の効率を向上させ、原子炉の炉心の使用範囲を拡大する。【解決手段】原子炉の炉心には、少なくとも1つの炉心モジュール、固体中性子減速材（４）、液体中性子減速材が含まれている。炉心モジュールは、モジュールハウジング（１）、少なくとも1つのヒートパイプ、少なくとも1つの燃料要素、および断熱材（５）を備えている。ヒートパイプは、芯（６）を有するヒートパイプケーシング（２）の形で作られており、冷却材を含んでいる。燃料要素は、核燃料（８）で作られ、ヒートパイプの蒸発領域の周囲に、熱接触するように配され、容器（３）内に収容される。ヒートパイプの冷却材として、例えば、リチウム、カルシウム、鉛、銀などの高沸点で低融点金属が使用される。容器（３）とモジュールハウジング（１）との間に断熱材（５）が配される。固体中性子減速材（４）には、少なくとも1つの穴があり、その中に少なくとも1つのモジュールが配置されている。モジュールケーシング（１）と固体中性子減速材（４）との隙間は、液体中性子減速材で満たされている。【選択図】図２

Description

本発明は、核エネルギーの分野に関し、炉心の外側で熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する原子炉（特に熱光起電原子炉）で使用される。
ヒートパイプを備えた炉心（特許文献１に記載の発明「ヒートパイプによって冷却されるモバイル高速炉」、2016年1月22日公開）が知られている。
この出願による炉心には、金属ブロックに囲まれたヒートパイプおよび燃料要素（fuel element）が含まれている。燃料要素には、核燃料、上部および下部の中性子反射板、反射板の上下にあるガスキャビティが含まれる。
ヒートパイプには、蒸発する冷却材および芯（wick）で満たされた密閉ハウジングが含まれている。
ヒートパイプは、炉心外側の熱をガス冷却材（ガスタービンの作動体（空気またはСО2））に伝達するように配置される。タービン入口での作動体（空気）の最高温度は、約１１００Ｋである。
米国出願公開２０１６／００２７５３６号明細書
M.S. El-Genk, J-M.P. Tournier, "SAIRS" - Scalable AMTEC Integrated Reactor Space Power System// Progress in Nuclear Energy, Vol. 45, No.1, pp. 25-34, 2004
上記の技術的な解決策の欠点は、炉心出口での冷却材の温度が比較的に低いことであり、これにより熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができない。
本発明における技術的解決策に最も近い技術は、非特許文献１に記載の高速炉ＳＡＩＲＳである。
この高速炉では、炉心は１本のヒートパイプおよび３つの燃料要素で構成されるモジュールを６０個含む。モジュールは互いに近くに配置され、三角形のパッケージを形成する。
燃料要素のカバーは、熱伝導によりヒートパイプに熱を伝達するレニウム三面体インサートを介してヒートパイプの本体にはんだ付けされる。各燃料要素の一端にはガスキャビティがある。濃縮度８３．７％の窒化ウランペレットが燃料として使用される。
この技術的な解決策の欠点は、炉心出口での冷却材の温度が比較的に低い（１２００Ｋ）ため、熱電、熱電子、熱光起電の電力変換器を効率的に使用できないことである。
本発明の目的は、上記欠点を解消すること、つまり、炉心出口で冷却材温度を上昇させることである。
モジュール、燃料要素、ヒートパイプを含む原子炉の炉心における上記欠点を解消するため、次の構成が提案される。
原子炉の炉心であって、１つのヒートパイプと少なくとも１つの燃料要素とを含むモジュールを少なくとも１つ備え、前記ヒートパイプは、ヒートパイプケーシングと、芯と、冷却材とを含み、前記燃料要素は、核燃料と容器とを含み、前記炉心は、内部に前記少なくとも１つのモジュールが配置されるための少なくとも１つの穴を有する固体中性子減速材固体を炉心ケーシング内に配してなり、前記ヒートパイプがモジュールケーシング内に配され、燃料要素がヒートパイプの蒸発領域の周囲に、ヒートパイプケーシングと熱接触するような状態で配置されて、容器内に収納されており、前記モジュールケーシングと前記固体中性子減速材との間の隙間は、液体中性子減速材で満たされている。
また、特定の態様として、次のような構成が提案される。
第１に、前記モジュールケーシング内が、真空にされていること。
第２に、前記モジュールケーシング内が、熱伝導率の低い不活性ガス、例えば、キセノンで満たされていること。
第３に、水が、液体中性子減速材として使用されること。
第４に、アルコール液など、少なくともマイナス４０℃までは凍結しない液体が、液体中性子減速材として使用されること。
第５に、例えば、リチウム、カルシウム、鉛、銀などの高沸点で低融点の金属が、前記ヒートパイプの冷却材として使用されること。
本発明によれば、原子力発電所の効率が向上し、特に熱光起電エネルギー変換を備えた原子炉の炉心の使用範囲の拡大に寄与する。
本発明の実施の形態に係る原子炉の炉心の一部の断面図である。 実施形態に係る原子炉の炉心モジュールの一部の縦断面図である。 図２の原子炉の炉心モジュールの横断面図である。
以下、図面に基づき本発明の実施の形態に係る原子炉の炉心について説明する。
なお、各図において、次の参照番号が示されている。
１-モジュールハウジング、２-ヒートパイプ本体、３-燃料要素の容器（ｃａｎ）、４-固体中性子減速材、５-断熱材、６-ヒートパイプの芯、７-固体中性子減速材のシェル（ｓｈｅｌｌ）、８-核燃料、である。
本発明の概要は次の通りである。
原子炉の炉心には、少なくとも1つの炉心モジュール、固体中性子減速材４、および液体中性子減速材が含まれている。
炉心モジュールは、少なくとも1つのヒートパイプ、少なくとも1つの燃料要素、および断熱材５を含む。
炉心モジュールは、中性子を弱吸収する材料（low-capture material）、例えば、ジルコニウム合金のケーシング1の形で作られている。
実施の形態における一の特定の場合では、炉心モジュールのケーシング（モジュールケーシング）１内が真空にされる。また、別の特定の場合には、ケーシング1内は、低熱伝導率である不活性ガス、例えば、キセノンで満たされている。
真空または不活性ガスは、炉心モジュールのケーシング1、ヒートパイプのケーシング（ヒートパイプケーシング）２、断熱材５の材料腐食に対する保護を提供する。
ヒートパイプは、ケーシング２内部に芯６を収納する形で作られており、高沸点で低融点金属である冷却材を含んでいる。
実施の形態の特別な場合には、リチウム、カルシウム、鉛、および銀がヒートパイプの冷却材として使用される。
ヒートパイプのケーシング２と芯６は、モリブデンのような高融点材料でできている。ヒートパイプは、原子炉の炉心外の燃料要素で発生した熱を放出できるように設計されている。
燃料要素は、核燃料８からなり、核燃料８はヒートパイプのケーシング２の周囲であって、ヒートパイプの蒸発領域に、ヒートパイプのケーシング２と熱接触した状態で配さ、容器３で外側が囲まれる。
燃料要素の容器３は、モリブデンなどの高融点の耐火材料でできている。
核分裂性同位体含有量が２０％以下の酸化物、窒化物、炭化物の形態のウランまたはプルトニウム同位体は、核燃料８用の核分裂性物質として使用される。
燃料要素の目的は、核燃料８で発生する核反応による熱を得ることである。断熱材５は、炉心モジュールの内側で、炉心モジュールのケーシング1と燃料要素の容器３との間に配される。断熱材５は、例えば、モリブデンなどの高融点金属の箔で作られた多層熱シールドの形で作られている。
断熱材５の目的は、炉心モジュールのケーシング1から液体中性子減速材への熱漏れを防ぐことである。
固体中性子減速材４は、円柱状または穴のある多面体の形のベリリウムなどの中性子減速材料でできている。全部の中性子減速材料は固体減速材４のシェル7に収納されている。固体中性子減速材４の穴に複数の炉心モジュールが配置されている。炉心モジュールと固体中性子減速材4との間は、中性子の液体減速材で満たされている。
特定のケースでは、液体中性子減速材として、水または、温度が少なくともマイナス４０℃に低下しても凍結しない液体、たとえば、アルコール溶液が、使用される。
固体中性子減速材４と液体中性子減速材は、中性子の熱スペクトルを取得するように設計されている。
さらに、液体中性子減速材は、固体中性子減速材4と炉心モジュールのケーシング1を冷却する冷却材として機能する。
固体中性子減速材４のシェル7は、液体中性子減速材の腐食作用から固体中性子減速材を保護するように設計されている。
原子炉の炉心は次のように動作する。
燃料要素の核燃料８では、核分裂反応で熱が放出される。発生した熱は、ヒートパイプのケーシング２を介して、ヒートパイプの芯６を満たす冷却材に伝達される。冷却材は、芯６から蒸発し、冷却材の蒸気は、ヒートパイプのケーシング２の内部空間を満たし、その蒸気の熱は、原子炉の炉心の外側のエネルギー変換器に運ばれ、そこで凝縮し、芯6を介してヒートパイプの蒸発領域に戻る。
蒸発する冷却材による熱伝達は、熱源とその消費部との間に温度降下がほとんどないため、原子炉の炉心の出口だけでなく、エネルギー変換器入口でも比較的に高い冷却材温度（１５００〜１８００Ｋ）を得ることができる。これにより、原子力発電所の効率が向上し、そのような発電所の範囲が拡大する。
固体中性子減速材４と液体中性子減速材は、低濃縮の核燃料８で熱中性子に核分裂反応の可能性を提供する。液体中性子減速材は、固体中性子減速材４の機能を補完し、固体中性子減速材４を冷却する冷却材としても機能する。
断熱材５のため、モジュールのケーシング1からの熱漏れが最小限に抑えられ、液体中性子減速材の温度は低い。これにより、大気圧で水またはアルコールの水溶液を液体中性子減速材として使用できる。
原子炉の炉心の特定の実施例
固体中性子減速材４は、直径７６０ｍｍ、全高約７００ｍｍ、直径４０ｍｍの２１７個の穴を持ついくつかのベリリウムディスクで構成されている。ベリリウムディスクは、ジルコニウム合金E１１０製のシェル7で完全に囲まれている。
固体中性子減速材４の穴に炉心モジュールが配置されている。水は液体中性子減速材として使用される。モジュールを備えた固体中性子減速材４の穴は同心円状に配置され、モジュールの中心間の最小距離は４２ｍｍである。
原子炉の炉心モジュールは、直径約３５ｍｍ、壁厚１．５ｍｍのジルコニウム合金E１１０製の円筒体１の形で作られている。モジュールケーシング1の内部にはヒートパイプがある。
外径が約１４ｍｍのヒートパイプのケーシング２は、モリブデンでできている。ヒートパイプのケーシング２の内面には、約４０ミクロンの正方形メッシュサイズを有するモリブデングリッドの２層で作られたヒートパイプの芯６が取り付けられている。
ヒートパイプの芯６は、液体リチウムで満たされている。核燃料８とともにヒートパイプの蒸発領域は、燃料要素の容器３に囲まれている。燃料要素の容器３とモジュールケーシング1との間に、モリブデンの４層とジルコニウム箔の５層で作られた多層熱シールドの形態で作られている断熱材５が配置される。モジュールケーシング1内には、１０-1Ｐａ以下の残留ガス圧で真空が生成される。
外径２０ｍｍ、壁厚１ｍｍの燃料要素の容器３は、１９．７５％の濃縮度の二酸化ウランの核燃料８ペレットで満たされたモリブデンでできている。
燃料柱（fuel column）の高さは約５００ｍｍである。燃料ペレットと燃料要素の容器３の間に環状のギャップ（図示せず）が作成され、ガス状核分裂生成物を核燃料８の上にある空洞に排出させる。
炉心内の燃料要素の総数は、モジュールの数に等しくなる。炉心の熱出力が１２００ｋＷの場合、1つの燃料要素の平均電力は約５．７ｋＷである。
燃料要素の外容器３の設計温度は１５２５Ｋである。Ｌｉ７は、ヒートパイプの冷却材として使用され、大気圧の水は液体減速材として使用される。
最も近い技術的な解決策と比較すると、本開示に係る原子炉の炉心の利点は、炉心出口の冷却材の温度を１２００Ｋから１５００Ｋ、およびそれ以上に上げることであり、これにより、原子力発電所の効率の向上されることである。さらに、特に熱光起電エネルギー変換を備えた原子炉の炉心の使用範囲を拡大することができる。
１ モジュールのケーシング
２ ヒートパイプのケーシング
３ 燃料要素の容器
４ 固体中性子減速材
５ 断熱材
６ 芯
７ 固体中性子減速材の外側シェル
８ 核燃料

Claims (6)

  1. 原子炉の炉心であって、
    １つのヒートパイプと少なくとも１つの燃料要素とを含むモジュールを少なくとも１つ備え、
    前記ヒートパイプは、ヒートパイプケーシングと、芯と、冷却材とを含み、
    前記燃料要素は、核燃料と容器とを含み、
    前記炉心は、内部に前記少なくとも１つのモジュールが配置されるための少なくとも１つの穴を有する固体中性子減速材固体を炉心ケーシング内に配してなり、
    前記ヒートパイプがモジュールケーシング内に配され、
    燃料要素がヒートパイプの蒸発領域の周囲に、ヒートパイプケーシングと熱接触するような状態で配置されて、容器内に収納されており、
    前記モジュールケーシングと前記固体中性子減速材との間の隙間は、液体中性子減速材で満たされている
    ことを特徴とする原子炉の炉心。
  2. 前記モジュールケーシング内が、真空にされていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉の炉心。
  3. 前記モジュールケーシング内が、熱伝導率の低い不活性ガス、例えば、キセノンで満たされていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉の炉心。
  4. 例えば、リチウム、カルシウム、鉛、銀などの高沸点で低融点の金属が、前記ヒートパイプの冷却材として使用されることを特徴とする請求項１に記載の原子炉の炉心。
  5. 水が、液体中性子減速材として使用されることを特徴とする請求項１に記載の原子炉の炉心。
  6. アルコール液など、少なくともマイナス４０℃までは凍結しない液体が、液体中性子減速材として使用されることを特徴とする請求項１に記載の原子炉の炉心。
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