JP2959980B2 - Subcritical reactor - Google Patents

Subcritical reactor

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JP2959980B2
JP2959980B2 JP6314092A JP31409294A JP2959980B2 JP 2959980 B2 JP2959980 B2 JP 2959980B2 JP 6314092 A JP6314092 A JP 6314092A JP 31409294 A JP31409294 A JP 31409294A JP 2959980 B2 JP2959980 B2 JP 2959980B2
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Particle Accelerators (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、加速器と未臨界炉心と
を組み合わせ、外部に設置した加速器によって炉内での
中性子の発生を制御し、発生した中性子を用いて炉内で
核分裂反応を生じさせることにより、炉心に装荷した燃
料を安全に燃焼させる原子炉に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention combines an accelerator and a subcritical reactor, controls the generation of neutrons in the reactor by an externally installed accelerator, and generates a fission reaction in the reactor using the generated neutrons. The present invention relates to a nuclear reactor that safely burns fuel loaded in a reactor core.

【0002】[0002]

【従来の技術】原子力発電システムは、ウラン等を核燃
料とし、その核分裂反応によって放出されるエネルギー
を電気エネルギーに変換することにより、電力を得るシ
ステムである。核分裂反応は、中性子が核燃料に吸収さ
れることにより起こる反応であり、従来の原子炉は、こ
の反応を起こすための中性子として、核分裂反応の際に
エネルギーと同時に発生する中性子を利用している。つ
まり、核分裂反応に必要な中性子を核分裂反応から得る
(これを核分裂連鎖反応という)というプロセスを安定
的に起こさせることにより、常に一定のエネルギーを得
るように構成されている。この核分裂連鎖反応が安定的
に起こる(時間に関して核分裂数が一定となる)状態を
臨界という。
2. Description of the Related Art A nuclear power generation system is a system in which uranium or the like is used as nuclear fuel, and energy released by the fission reaction is converted into electric energy to obtain electric power. The nuclear fission reaction is a reaction that occurs when neutrons are absorbed by nuclear fuel, and a conventional nuclear reactor utilizes neutrons generated simultaneously with energy during the nuclear fission reaction as neutrons to cause this reaction. In other words, the neutrons necessary for the fission reaction are obtained from the fission reaction (this is called a fission chain reaction) in a stable manner, so that a constant energy is always obtained. The state in which the fission chain reaction occurs stably (the number of fission is constant with respect to time) is called critical.

【0003】原子炉が臨界となるためには、炉心に一定
量の核分裂性物質が必要である。逆に、この一定の量以
下であれば、核分裂連鎖反応が生じず、エネルギーを取
り出すことはできない。従来の原子炉は、臨界のために
必要な核分裂性物質よりも多い量の核分裂性物質を炉心
に装荷し、制御棒など中性子吸収体によって臨界状態を
維持できるように核分裂反応を制御できる装置であり、
これによって時間に関して一定のエネルギーを取り出し
うるようにしたシステムである。
For a nuclear reactor to become critical, a certain amount of fissile material is required in the core. Conversely, if the amount is less than this certain amount, no fission chain reaction occurs and energy cannot be extracted. Conventional reactors are devices that can load fissionable material in the reactor core in an amount larger than that required for criticality and control the fission reaction so that the critical state can be maintained by neutron absorbers such as control rods. Yes,
This is a system that can take out constant energy with respect to time.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、原子炉
が未臨界状態となると核分裂連鎖反応は生じず、エネル
ギーを取り出すことができないから、石油や石炭のよう
に核燃料を完全に燃やしきることはできない。そして核
分裂性物質の「一定量」を確保するため、例えば軽水炉
においてウランを燃料として使用する場合、濃縮という
プロセスが必要であり、原子炉の運転においては核分裂
性物質を補充するために定期的な燃料交換が必要であ
る。
As described above, when the nuclear reactor is brought into a subcritical state, a fission chain reaction does not occur and energy cannot be taken out. Therefore, it is necessary to completely burn nuclear fuel like oil or coal. Can not. In order to secure a certain amount of fissile material, for example, when uranium is used as fuel in light water reactors, a process called enrichment is necessary, and in reactor operation, periodic replenishment of fissile material is necessary. Refueling is required.

【0005】更に従来の原子炉の運転において、ある程
度の期間、連続してエネルギーを取り出す必要から(上
記燃料交換作業は原子炉を止める必要があるため不経済
である)、超過臨界度をある程度とった設計、即ち制御
棒などにより超過臨界度を抑え込むという設計となって
いる。これが安全性を低下させる一因となっている。即
ち、万一、制御棒等が炉心部から喪失した場合、著しく
原子炉の安全性を損なうことになる。
Further, in the operation of the conventional nuclear reactor, since it is necessary to continuously extract energy for a certain period of time (the refueling operation is uneconomical because it is necessary to shut down the reactor), a certain degree of supercriticality is required. That is, the supercriticality is suppressed by a control rod or the like. This contributes to a decrease in safety. That is, if the control rods and the like are lost from the core, the safety of the reactor is significantly impaired.

【0006】原子炉の臨界維持のために、臨界性の低下
した燃料を原子炉から取り出す必要がある。しかし、取
り出した燃料中には核燃料となりうる物質が含まれてい
るため、これをそのまま捨てるワンススルー方式では、
天然ウラン資源の利用率は低くなる。例えば軽水炉ワン
ススルーシステムでは約0.5%程度となっている。そ
こで天然ウラン利用効率向上のためには使用済燃料の再
処理というプロセスが必要となる。この処理は核物質の
移動、プルトニウムの単独処理を伴うため、核拡散性を
高める潜在的可能性がある。更に、再処理により生じた
高放射性レベルの廃棄物には、超ウラン元素や半減期の
長い核分裂生成物(FP)が含まれることから、環境へ
の影響を十分に考慮する必要がある。
[0006] In order to maintain the criticality of the reactor, it is necessary to remove the fuel with reduced criticality from the reactor. However, since the removed fuel contains substances that can become nuclear fuel, the once-through method of discarding this as it is,
The utilization rate of natural uranium resources will be low. For example, in a light water reactor once-through system, it is about 0.5%. Therefore, a process of reprocessing spent fuel is required to improve the efficiency of natural uranium utilization. Since this treatment involves the transfer of nuclear material and the single treatment of plutonium, it has the potential to enhance nuclear proliferation. In addition, high radioactive waste generated by reprocessing contains transuranium elements and fission products (FPs) with a long half-life, so that it is necessary to sufficiently consider the environmental impact.

【0007】本発明の目的は、エネルギー源としての天
然ウラン利用効率を高めること、常に炉心を未臨界状態
とし高い安全性を有すること、などの要求を満たしうる
ような原子炉システムを提供することである。
An object of the present invention is to provide a nuclear reactor system capable of satisfying the requirements of increasing the utilization efficiency of natural uranium as an energy source, always keeping the core in a subcritical state and having high safety. It is.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、陽子あるいは
重陽子を生産する加速器と、未臨界炉心との組み合わせ
からなり、該未臨界炉心は、前記加速器から供給される
陽子あるいは重陽子により中性子を発生するターゲット
物質と、固体核燃料を有し前記ターゲット物質から発生
した中性子を利用した核分裂反応によって熱を発生する
炉心部と、それらを取り囲む中性子反射体を具備してい
る未臨界型原子炉である。固体核燃料としては、ピン型
燃料あるいは粒子燃料を使用する。ピン型燃料の場合、
冷却材には液体ナトリウムを使用し、粒子燃料の場合、
冷却材にはヘリウムガスを使用するのがよい。核燃料と
しては、天然ウランあるいはプルトニウム富化燃料を使
用する。
According to the present invention, there is provided a combination of an accelerator for producing protons or deuterons and a subcritical core, wherein the subcritical core is provided with neutrons by protons or deuterons supplied from the accelerator. A subcritical reactor having a target material that generates heat, a core part that has a solid nuclear fuel and generates heat by a fission reaction using neutrons generated from the target material, and a neutron reflector surrounding them is there. As the solid nuclear fuel, a pin type fuel or a particle fuel is used. For pin type fuel,
Use liquid sodium for the coolant, and for particulate fuel,
Helium gas is preferably used as the coolant. As the nuclear fuel, natural uranium or plutonium-enriched fuel is used.

【0009】[0009]

【作用】原子力発電システムでは、ウラン等の核分裂反
応によって発生するエネルギーを用いて発電している。
核分裂反応は、ウラン等に中性子が吸収されることによ
って起こるため、この反応を起こすためには中性子が必
要である。本発明の原子炉の特徴は、核分裂反応を起こ
させるために必要な中性子を核分裂反応によってのみ得
るのではないということである。加速器で発生した陽子
あるいは重陽子がターゲット物質に衝突することで中性
子が発生し、この中性子が核分裂反応に寄与する。この
ことから、本発明の原子炉では臨界という概念を必要と
せず、原子炉中の核燃料は未臨界量でよい。またウラン
の濃縮といったプロセスも必要としない。
In a nuclear power generation system, power is generated using energy generated by a fission reaction of uranium or the like.
Since the fission reaction is caused by the absorption of neutrons by uranium or the like, neutrons are required to cause this reaction. A feature of the nuclear reactor of the present invention is that the neutrons necessary to cause a fission reaction are not obtained only by the fission reaction. When protons or deuterons generated by the accelerator collide with the target material, neutrons are generated, and the neutrons contribute to the fission reaction. For this reason, the concept of criticality is not required in the nuclear reactor of the present invention, and the nuclear fuel in the nuclear reactor may be a subcritical amount. Also, no process such as uranium enrichment is required.

【0010】[0010]

【実施例】図1は本発明に係る未臨界型原子炉の一実施
例を示す全体構成図であり、ピン型燃料を使用する場合
の例である。この原子炉システムは、陽子あるいは重陽
子を生産する加速器10と、固体燃料を使用する未臨界
炉心12とを備えている。未臨界炉心12の構成は、図
2に示すように、前記加速器10から供給される陽子あ
るいは重陽子により中性子を発生するターゲット物質1
4と、該ターゲット物質14から発生する中性子によっ
て核分裂反応し熱を発生する燃料集合体16を備えた炉
心部18と、該炉心部18を取り囲む中性子反射体20
を有する。
FIG. 1 is an overall structural view showing an embodiment of a subcritical nuclear reactor according to the present invention, which is an example in the case of using a pin type fuel. The reactor system includes an accelerator 10 for producing protons or deuterons, and a subcritical core 12 using solid fuel. As shown in FIG. 2, the configuration of the subcritical core 12 is a target material 1 that generates neutrons by protons or deuterons supplied from the accelerator 10.
4, a core 18 having a fuel assembly 16 that generates a heat by performing a fission reaction by neutrons generated from the target material 14, and a neutron reflector 20 surrounding the core 18
Having.

【0011】燃料集合体16は、例えば図3に示すよう
に、多数本のピン型燃料22を、エントランスノズル2
4、グリッド26、及びハンドリングヘッド28で支持
するダクトレス構造(ラッパ管の無い構造)とし、構造
材による中性子の無駄食いを極力避けるようにする。
As shown in FIG. 3, for example, a plurality of pin-type fuels 22 are supplied to the fuel assembly 16 by the entrance nozzle 2.
4. A ductless structure (a structure without a trumpet tube) supported by the grid 26 and the handling head 28 to minimize waste of neutrons due to the structural material.

【0012】図1に示すように、未臨界炉心12で核分
裂反応により加熱した冷却材の一次ナトリウムは、中間
熱交換器32を通って二次ナトリウムと熱交換を行い、
冷却されて一次循環ポンプ34で未臨界炉心12へ戻
る。中間熱交換器32で加熱された二次ナトリウムは、
蒸気発生器36を通って水と熱交換を行い、冷却されて
二次循環ポンプ38で中間熱交換器32へ戻る。蒸気発
生器36で加熱された水蒸気は、タービン40で発電機
42を回し、水になってポンプ44で蒸気発生器36に
戻る。
As shown in FIG. 1, the primary sodium coolant heated by the fission reaction in the subcritical core 12 passes through the intermediate heat exchanger 32 to exchange heat with the secondary sodium.
It is cooled and returns to the subcritical core 12 by the primary circulation pump 34. The secondary sodium heated in the intermediate heat exchanger 32 is
The heat is exchanged with water through the steam generator 36, cooled, and returned to the intermediate heat exchanger 32 by the secondary circulation pump 38. The steam heated by the steam generator 36 turns the generator 42 by the turbine 40, turns into water, and returns to the steam generator 36 by the pump 44.

【0013】核分裂反応を起こすための中性子は、具体
的には加速器10と、ウラン、ビスマス、鉛、タングス
テン等のターゲット物質14との組み合わせによって得
る。即ち、陽子シンクロトロンあるいはリニアック加速
器で陽子あるいは重陽子を生産する。そして、これら陽
子あるいは重陽子を、陽子導管を通して炉心中に配置し
たターゲット物質14に導いて照射し、原子核破砕反応
により中性子を発生する。なお、陽子あるいは重陽子を
炉心に導いて中性子を発生させるのは、中性子は電荷が
無いために磁気的な方法で中性子を直接炉心に導くこと
ができないためである。
Neutrons for causing a fission reaction are specifically obtained by a combination of an accelerator 10 and a target material 14 such as uranium, bismuth, lead, and tungsten. That is, protons or deuterons are produced by a proton synchrotron or a linac accelerator. Then, these protons or deuterons are guided to a target material 14 arranged in a reactor core through a proton conduit and irradiated, and neutrons are generated by a nuclear fragmentation reaction. The reason that the protons or deuterons are guided to the core to generate neutrons is that neutrons have no electric charge, so that neutrons cannot be directly guided to the core by a magnetic method.

【0014】ターゲット物質14から発生した中性子が
炉心中の核燃料に照射することにより、親物質(U-238
等)を核分裂性物質(Pu-239等)に変換したり、核分
裂反応を起こさせる。このようにして、原理的には、炉
内の核燃料は全て核反応を起こすことができ、天然ウラ
ン利用効率ほぼ100%を達成できる。
The neutrons generated from the target material 14 irradiate the nuclear fuel in the core to produce a parent material (U-238).
) Into fissile material (such as Pu-239) or cause a fission reaction. In this way, in principle, all nuclear fuel in the reactor can undergo a nuclear reaction, and a natural uranium utilization efficiency of almost 100% can be achieved.

【0015】図4は本発明に係る未臨界型原子炉の他の
実施例を示す全体構成図であり、粒子燃料を使用する場
合の例である。この原子炉システムは、陽子あるいは重
陽子を生産する加速器50と、固体燃料を使用する未臨
界炉心52とを備えている。未臨界炉心52の構成は、
図5に示すように、前記加速器から供給される陽子ある
いは重陽子により中性子を発生するターゲット物質54
と、該ターゲット物質54から発生する中性子によって
核分裂反応し熱を発生する燃料集合体56を備えた炉心
部58と、該炉心部58を取り囲む中性子反射体60を
有する。
FIG. 4 is an overall configuration diagram showing another embodiment of the subcritical reactor according to the present invention, in which a particulate fuel is used. This reactor system includes an accelerator 50 for producing protons or deuterons, and a subcritical core 52 using solid fuel. The configuration of the subcritical core 52 is as follows.
As shown in FIG. 5, a target material 54 for generating neutrons by protons or deuterons supplied from the accelerator.
And a reactor core 58 having a fuel assembly 56 that generates heat by performing a nuclear fission reaction by neutrons generated from the target material 54, and a neutron reflector 60 surrounding the reactor core 58.

【0016】燃料集合体56は、例えば図6に示すよう
に、炭素中に核燃料物質を含有させて粒子状とした粒子
燃料62を、円筒状バスケット64に充填した構造と
し、ここでも中性子の無駄食いを極力避けるようにす
る。そしてバスケット64に設けられている穴65を通
って冷却材が粒子燃料62の近傍を自由に流通できるよ
うにする。
As shown in FIG. 6, for example, the fuel assembly 56 has a structure in which a particulate basket 62 containing nuclear fuel material contained in carbon is filled in a cylindrical basket 64. Try to avoid eating. Then, the coolant can freely flow in the vicinity of the particulate fuel 62 through the hole 65 provided in the basket 64.

【0017】図4に示すように、未臨界炉心52で核分
裂反応により加熱した冷却材のヘリウムガスは、熱交換
器72を通って空気との間で熱交換を行い、冷却されて
循環ポンプ74で未臨界炉心52へ戻る。熱交換器62
で加熱された空気は、タービン76で発電機78を回
し、冷却されてポンプ79で熱交換器72に戻る。
As shown in FIG. 4, the coolant helium gas heated by the nuclear fission reaction in the subcritical core 52 passes through a heat exchanger 72 to exchange heat with air, and is cooled and circulated by a circulation pump 74. To return to the subcritical core 52. Heat exchanger 62
Is heated by the turbine 76 to turn the generator 78, cooled, and returned to the heat exchanger 72 by the pump 79.

【0018】加速器50の構成は前記実施例の場合と同
様であってよいので、それについての説明は省略する。
粒子燃料を用いることの利点は、燃料集合体から粒子燃
料のみを取り出せることである。本発明の原子炉は、極
めて長期間にわたって運転する。そのため、放射線照射
によって原子炉構造材が劣化することが予想される。構
造材の耐用期限以上にわたって核燃料を使用しようとす
ると、燃料を取り出すことが必要となる。粒子燃料は上
記に示した理由から、新しい原子炉システムに燃料のみ
を移すことができ、長期間にわたる健全な運転が保証さ
れる。
Since the structure of the accelerator 50 may be the same as that of the above-described embodiment, a description thereof will be omitted.
The advantage of using particulate fuel is that only particulate fuel can be removed from the fuel assembly. The reactor of the present invention operates for a very long time. Therefore, it is expected that the structural members of the nuclear reactor will be degraded by irradiation. Attempts to use nuclear fuel beyond the life of the structural material will require removal of the fuel. For the reasons set forth above, particulate fuel can only be transferred to a new reactor system, ensuring long-term sound operation.

【0019】図7はシミュレーションに用いた未臨界炉
心の1/2RZ断面図である。記載した炉心寸法は、出
力400MW程度の原型炉クラスを想定している。図7
に示すように、未臨界炉心82は加速器からの陽子ある
いは重陽子により中性子を発生するターゲット物質8
4、核燃料よりなる核分裂反応による熱を発生する固体
核燃料を有する炉心部88、並びにターゲット物質84
及び炉心部88を取り巻くステンレス鋼等の中性子反射
体90よりなっている。中心のターゲット物質は円柱状
であり、周囲のターゲット物質は円筒状である。中性子
反射体90は、中性子を炉心部88に戻し、加速器の負
担を軽減するとともに、遮蔽体としての機能を果たす。
FIG. 7 is a half RZ sectional view of the subcritical core used for the simulation. The described core dimensions assume a prototype reactor class with an output of about 400 MW. FIG.
As shown in the figure, the subcritical core 82 is a target material 8 that generates neutrons by protons or deuterons from the accelerator.
4. A core portion 88 having a solid nuclear fuel that generates heat by a fission reaction composed of nuclear fuel, and a target material 84
And a neutron reflector 90 such as stainless steel surrounding the core portion 88. The target material at the center is cylindrical, and the target material around is cylindrical. The neutron reflector 90 returns the neutrons to the core 88, reduces the load on the accelerator, and functions as a shield.

【0020】図7の炉心寸法において、原子炉出力40
0MW(一定)を得るのに必要な中性子源強度の経年変
化を図8に示す。一定出力を得るためには、運転開始時
に比較的高い中性子源強度が必要であるが、その後は中
性子源強度は1013〜1014n/cm3 /sec 程度でよ
い。しかし運転末期にはかなり高い中性子源強度が必要
となる。原子炉運転中に生じる核分裂生成物によって中
性子が吸収されるため、余分の中性子が必要となるから
である。参考のために、運転中に生成した核分裂生成物
(FP)を除去した場合に必要な中性子源強度も併せて
示す。
In the core dimensions shown in FIG.
FIG. 8 shows the aging of the neutron source intensity required to obtain 0 MW (constant). To obtain a constant output, it is necessary relatively high neutron source strength at the start of operation, then the neutron source strength may be 10 13 ~10 14 n / cm 3 / sec approximately. However, at the end of operation, a fairly high neutron source intensity is required. This is because neutrons are absorbed by fission products generated during the operation of the reactor, so that extra neutrons are required. For reference, the neutron source intensity required when fission products (FP) generated during operation are removed is also shown.

【0021】図7に示す炉心では、外部から中性子を供
給するターゲット物質の体積を、約5×105 cm3 と想
定している。1.5GeVの陽子1個をターゲット物質
(鉛・ビスマス)に衝突させた時、約40個の中性子を
発生するという既知のデータを用いると、上記の中性子
源強度を得るために必要な陽子数は、2.5×1012
1013n/cm3 /sec となる。これらのことから、加速
器に必要な電流値は、(5×105 )×(2.5×10
12〜1013)×(1.6×10-19 )=200〜200
0mAとなる。数百mAという電流値は、十分実現可能
である。上限値については、現状では実現がやや困難な
面もあると考えられるが、そのような場合は、陽子のエ
ネルギーを上げるか又はターゲット密度を上げることに
より陽子1個をターゲットに衝突させた時の中性子発生
量を増加させる、あるいは原子炉出力を下げる、といっ
た方法により問題を解決することができる。
In the core shown in FIG. 7, it is assumed that the volume of the target material for supplying neutrons from the outside is about 5 × 10 5 cm 3 . Using known data that when one 1.5 GeV proton collides with a target material (lead / bismuth), about 40 neutrons are generated, the number of protons required to obtain the above neutron source intensity is obtained. Is from 2.5 × 10 12
10 13 n / cm 3 / sec. From these facts, the current value required for the accelerator is (5 × 10 5 ) × (2.5 × 10 5
12 to 10 13 ) × (1.6 × 10 −19 ) = 200 to 200
It becomes 0 mA. A current value of several hundred mA is sufficiently feasible. At present, the upper limit is considered to be somewhat difficult to realize, but in such a case, when one proton collides with the target by increasing the energy of the proton or increasing the target density. The problem can be solved by increasing the neutron generation amount or reducing the reactor power.

【0022】このように本発明では、原子炉の外部に設
置した加速器からの加速粒子の濃度等を制御することに
より、ターゲット物質84から発生する中性子数を制御
し、原子炉の出力を制御する。つまり、外部中性子源強
度は、加速器の電流値で制御することになる。そのた
め、なんらかの原因で加速器の動作が停止すれば、中性
子が供給されず、原子炉の運転も自然に停止することに
なる。
As described above, in the present invention, the number of neutrons generated from the target material 84 is controlled by controlling the concentration of accelerating particles from an accelerator installed outside the reactor, and the output of the reactor is controlled. . That is, the intensity of the external neutron source is controlled by the current value of the accelerator. Therefore, if the operation of the accelerator stops for any reason, neutrons will not be supplied, and the operation of the reactor will naturally stop.

【0023】この図8において、原子炉内では、運転初
期(5〜10年未満)は核燃料物質の濃縮が行われ、そ
れ以降、再処理と燃料加工が行われ、末期(60〜65
年以降)は廃棄物処理が行われていると見ることもでき
る。運転末期は廃棄物処理ということで原子炉出力を落
とせば、中性子源強度は少なくてもよいことになる。な
おプルトニウム富化燃料を用いると、運転初期の中性子
源強度を低く抑えることができる。従って、本発明の原
子炉以外の原子炉システムで製造された余剰プルトニウ
ムがあれば、それが利用できる。
In FIG. 8, in the nuclear reactor, nuclear fuel material is concentrated in the initial stage of operation (less than 5 to 10 years), and thereafter reprocessing and fuel processing are performed.
After the year), it can be seen that the waste is being treated. At the end of operation, the neutron source intensity may be low if the reactor power is reduced due to waste disposal. When the plutonium-enriched fuel is used, the neutron source intensity at the beginning of the operation can be kept low. Therefore, if there is surplus plutonium produced in a reactor system other than the reactor of the present invention, it can be used.

【0024】このように構成した炉心(燃料として天然
ウランのみを使用する)に、図8に示す中性子源強度の
中性子を供給した場合の臨界性及び燃料物質の経年変化
を図9及び図10にそれぞれ示す。図9から分かるよう
に、燃焼期間中、炉心は常に未臨界(実効増倍率が1未
満)状態である。図10に示すように、運転開始時に1
0000kg装荷したU-238は、70年を経過した時点で
は、30kg程度まで減少することになり、ほぼ完全に
(99.7%まで)燃焼し尽くすことができる。つまり
約70年間運転し続けることができれば、天然ウラン利
用効率ほぼ100%が達成される。
FIG. 9 and FIG. 10 show the criticality and the secular change of the fuel material when the neutrons having the neutron source strength shown in FIG. 8 are supplied to the core configured as described above (only natural uranium is used as fuel). Shown respectively. As can be seen from FIG. 9, the core is always in a subcritical state (effective multiplication factor is less than 1) during the combustion period. As shown in FIG.
U-238 loaded with 0000 kg will be reduced to about 30 kg after 70 years, and can be burned almost completely (up to 99.7%). In other words, if the operation can be continued for about 70 years, the natural uranium utilization efficiency will be almost 100%.

【0025】ところで本発明の原子炉は、数十年間とい
う長い期間にわたって運転し続けることが好ましい。そ
のため炉心構造材は大量の中性子照射を受けることにな
り、照射損傷に起因するスエリングや強度劣化を生じる
ことも予想される。そこで、耐久性に優れた炉心構造材
を開発使用する必要があり、また簡便に交換できるバッ
クアップ体制をとることも考慮すべきである。そのため
には例えば、炉出力と炉心サイズ(燃料インベントリ)
を適切に設計することにより、運転日数をプラント機器
寿命に合わせることが考えられる。この場合には、運転
終了と共に廃炉とすることができる。あるいは、ターゲ
ット物質と中性子反射体を備えた原子炉容器と、冷却系
とを複数設置し、使用中の原子炉システムの構造材及び
プラント機器の寿命が尽きる前に、使用中の原子炉シス
テムの粒子燃料を別の新たなバスケットに充填しなお
し、それを原子炉容器内に導入して運転を継続するとい
った対策が必要となる。
Incidentally, it is preferable that the nuclear reactor of the present invention be continuously operated for a long period of several decades. As a result, the core material is subjected to a large amount of neutron irradiation, and swelling and strength deterioration due to irradiation damage are expected to occur. Therefore, it is necessary to develop and use a core structure material with excellent durability, and also to consider a backup system that can be easily replaced. For this purpose, for example, reactor power and core size (fuel inventory)
It is conceivable that the number of operating days is adjusted to the life of the plant equipment by appropriately designing. In this case, the furnace can be decommissioned when the operation is completed. Alternatively, a reactor vessel equipped with a target material and a neutron reflector, and a plurality of cooling systems are installed, and before the life of the structural materials and plant equipment of the reactor system in use is over, the reactor system in use is terminated. It is necessary to take measures to refill the particulate fuel into another new basket, introduce it into the reactor vessel and continue operation.

【0026】[0026]

【発明の効果】本発明は上記のように、核分裂反応に必
要な中性子を核分裂反応から得るのではなく、外部から
導いた陽子あるいは重陽子を炉心内のターゲット物質に
照射して中性子を発生し、核分裂反応を起こさせるよう
に構成したので、次のような効果を奏しうる。 核燃料として天然ウランが利用できる。核分裂性物質
はそのまま核分裂し、親物質は中性子を吸収して核分裂
性物質に転換し核分裂する。そのため長期間にわたって
運転し続ければ、原子炉中で核燃料をほぼ完全に燃焼さ
せることができ、天然ウラン利用効率ほぼ100% を
達成することも可能である。 濃縮プロセスが不要となり、核燃料サイクルの簡素化
を図ることができる。また長期間にわたって運転し続け
れば、再処理プロセスも不要となる。その場合には、核
物質の移動やプルトニウムの単独処理を伴わないため、
核拡散抵抗性の向上が図れる。 原子炉を常に未臨界状態で運転するため、核暴走の危
険性が全く無く、安全性が著しく向上する。
According to the present invention, as described above, neutrons required for fission reactions are not obtained from fission reactions, but neutrons are generated by irradiating a target material in the reactor core with protons or deuterons introduced from the outside. Since it is configured to cause a fission reaction, the following effects can be obtained. Natural uranium can be used as nuclear fuel. Fissile material undergoes fission as it is, and the parent material absorbs neutrons and converts to fissile material to fission. Therefore, if the operation is continued for a long period of time, nuclear fuel can be burned almost completely in the nuclear reactor, and it is possible to achieve a natural uranium utilization efficiency of almost 100%. The enrichment process becomes unnecessary, and the nuclear fuel cycle can be simplified. Further, if the operation is continued for a long period, a reprocessing process is not required. In that case, since there is no transfer of nuclear material or single treatment of plutonium,
Nuclear proliferation resistance can be improved. Since the reactor is always operated in a subcritical state, there is no danger of nuclear runaway and safety is significantly improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る未臨界型原子炉システムの一実施
例を示す全体構成図。
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing one embodiment of a subcritical reactor system according to the present invention.

【図2】その炉心構成例を示す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of the core configuration.

【図3】それに用いる燃料集合体の一例を示す説明図。FIG. 3 is an explanatory view showing an example of a fuel assembly used for the fuel assembly.

【図4】本発明に係る未臨界型原子炉システムの他の実
施例を示す全体構成図。
FIG. 4 is an overall configuration diagram showing another embodiment of the subcritical reactor system according to the present invention.

【図5】その炉心構成例を示す説明図。FIG. 5 is an explanatory view showing an example of the core configuration.

【図6】それに用いる燃料集合体の一例を示す説明図。FIG. 6 is an explanatory view showing an example of a fuel assembly used for the fuel assembly.

【図7】シミュレーションに用いた原子炉の断面図。FIG. 7 is a sectional view of a nuclear reactor used for the simulation.

【図8】原子炉出力一定での中性子源強度の経年変化を
示す図。
FIG. 8 is a diagram showing the aging of the neutron source intensity at a constant reactor power.

【図9】原子炉出力一定での臨界性の経年変化を示す図FIG. 9 is a diagram showing the aging of criticality at a constant reactor power.

【図10】原子炉出力一定での原子炉内の燃料核種重量
の経年変化を示す図
FIG. 10 is a graph showing the secular change of the weight of fuel nuclides in a reactor at a constant reactor power.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 加速器 12 未臨界炉心 14 ターゲット物質 16 燃料集合体 18 炉心部 20 中性子反射体 32 中間熱交換器 36 蒸気発生器 40 タービン DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Accelerator 12 Subcritical core 14 Target material 16 Fuel assembly 18 Core 20 Neutron reflector 32 Intermediate heat exchanger 36 Steam generator 40 Turbine

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−117177(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G21C 1/30 G21C 1/02 GDF G21C 3/62 GDR G21G 1/10 G21G 4/02 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-60-117177 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) G21C 1/30 G21C 1/02 GDF G21C 3 / 62 GDR G21G 1/10 G21G 4/02 JICST file (JOIS)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 陽子あるいは重陽子を生産する加速器
と、未臨界炉心との組み合わせからなり、 該未臨界炉心は、前記加速器から供給される陽子あるい
は重陽子により中性子を発生するターゲット物質と、固
体核燃料を有し前記ターゲット物質から発生した中性子
を利用した核分裂反応によって熱を発生する炉心部と、
それらを取り囲む中性子反射体を具備し、前記固体核燃
料としてピン型燃料を使用し、冷却材として液体金属を
使用することを特徴とする未臨界型原子炉。
An accelerator for producing protons or deuterons is combined with a subcritical core, wherein the subcritical core comprises a target material for generating neutrons by protons or deuterons supplied from the accelerator, and a solid material. A core part having nuclear fuel and generating heat by fission reaction using neutrons generated from the target material,
Comprising a neutron reflector surrounding them, the solid nuclear fuel
Using pin-type fuel as the coolant and liquid metal as the coolant
A subcritical nuclear reactor characterized by being used .
【請求項2】 陽子あるいは重陽子を生産する加速器
と、未臨界炉心との組み合わせからなり、 該未臨界炉心は、前記加速器から供給される陽子あるい
は重陽子により中性子を発生するターゲット物質と、固
体核燃料を有し前記ターゲット物質から発生した中性子
を利用した核分裂反応によって熱を発生する炉心部と、
それらを取り囲む中性子反射体を具備し、前記固体核燃
料として粒子燃料を使用し、冷却材としてガスを使用す
ることを特徴とする未臨界型原子炉。
2. An accelerator for producing protons or deuterons.
And a sub-critical core, wherein the sub-critical core includes protons or protons supplied from the accelerator.
Is a target material that generates neutrons by deuterons,
Neutrons generated from the target material having a body nuclear fuel
A core that generates heat by fission reaction using
A neutron reflector surrounding them;
Use particulate fuel as a fuel and gas as a coolant
A subcritical reactor.
【請求項3】 核燃料に天然ウランを使用する請求項1
又は2記載の未臨界型原子炉。
3. The use of natural uranium as nuclear fuel.
Or a subcritical reactor according to 2.
【請求項4】 核燃料にプルトニウム富化燃料を使用す
る請求項1又は2記載の未臨界型原子炉。
4. A sub-critical reactor of claim 1, wherein using the plutonium enrichment fuel in the nuclear fuel.
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