JP5671011B2 - 二流体溶融塩原子炉 - Google Patents
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Description
式中、α及びDhは、各々、アスペクト比と水力直径であり、
b=0.5cm、a=45cmの場合に、De=0.6693cm≡Df(燃料塩用のチャネルの等価直径)である。b=0.7cm、a=45.2cmの場合に、De=0.9384cm≡Db(ブランケット塩用のチャネルの等価直径)である。
摩擦係数fは、流れのレイノルズ数から実験的に得られる。
式中、μは溶融塩の剪断粘度である。使用されているfとReとの間の(対数補間による)相関関係は、次の表によって要約される。
式中、cPは一定圧力Pでの流体の比熱容量であり、Kはその熱伝導率である。我々が使用するNu、Re、及びPr間の実験的な相関は次式の関係を有する(1998年Rohsenowらによる表5.11参照)。
式中、fは以前にReに関して与えられた摩擦ファクタである。ヌセルト数がわかると、流体(溶融塩)とその周囲の壁との平均温度差は次式によって計算することができる。
式中、pは、チャネルの全体積がVである場合における、問題となっている流体の全てのチャネル内で伝送されるトータルの出力であり、nhcwは、各チャネル内の熱搬送壁の有効な数である。例えば、ピーク出力において作動しつつあるときの燃料塩の場合には、p=400MWt、V=140(0.005m)(0.45m)(2.4m)、及びnhcw=2である。なぜならば、燃料塩によって発生される熱は、燃料用のチャネルの各々を周囲のブランケット塩用のチャネルにつなぎ合わせている2つの壁へと運ばれるからである。一方、ブランケット塩用のチャネルは、これらのチャネルに隣接しているただ一つの燃料塩用のチャネルを備えており、従って、“作用ファクタ”により、この数値1に対して若干の補正が存在する点を除いて、それらについてのnhcwは1である(1988年Rohsenowらによる表5.28を参照のこと)。適切な溶融塩混合物に対するρ、cp、μ、Κの値は、標準データベースにおける温度のTの関数として見出すことができる。
式中、N=140は燃料塩用のチャネルの数であり、a=0.45m及びc=2.4mは燃料塩用のチャネルとブランケット塩用のチャネルとの間の面の有効寸法であり、KeffはC/C複合材の有効熱伝導率である。C/C複合材の材料特性は、温度の関数として公知なものではなく、原子炉容器、熱交換器、並びにその他の構成要素の製造のための初期基準であるC/C複合繊維を作るために使用されるカーボンファイバ及びカーボンマトリックスの特性に依存する。コスト効率の良い組み合わせは、マトリックスとしてコールタールピッチに結合されたP30カーボンファイバを使用している(2000年のPonsletらによる)。本計算の場合に、地球軌道1宇宙船内のラジエータ部分の測定から推定される実験法則の適合度は次式によって与えられる。
する平均核分裂の中性子捕獲断面積であり、D≒2.4mは、立方体状炉心の側面に関連する長さであり、Υpは、炉心からプールへの平均伝達ファクタである。量νcは、U233の核分裂毎に放出される中性子の補正された数であり、この数は、未処理平均値2.49ではなく、ウランの他の同位元素による寄生捕獲後のおよそ2.29に等しく、アクチニドは、Th−232及びU−233の中性子照射の副生成物として不可避的に形成されるものの原因となる。
式中、kはボルツマン定数であり、Tは周囲の減速媒体の温度である。F(χ)は次式による中性子数密度に従って正規化されている。
上記の数は、分布関数が、熱値より大きいエネルギを有する長い列をなした(熱外)中性子を有している場合に2/√π=1.128より大きい(核共鳴を考慮しないで計算された例についての図6を参照のこと)。無次元中性子分布関数について、エネルギ依存断面積σ(ε)の平均値は次式による定義で与えられる。
式中、プール内の原子核種の平均吸収断面積は、
に等しく、iについての合計はプール内の全て種類の原子核種を含んでいる。σRの下付き数字Rは、次式で表される伝達手段として定義される“ロスランド”平均断面積を指している。
は、プールに入る中性子が如何にして分けられてTh−232からU−233へ壊変されるか、又は寄生捕獲において消費されるかを示す。次いで、炉心内プール内で形成されるU−233の数を合計することによって増殖比率がもたらされる。付加的な中性子をU−233へ崩壊する前に捕獲する安定状態にあるPa−233の数を考慮に入れ且つ排ガスであるヘリウム泡立て装置によるXe−135の不完全な除去を考慮に入れるために、若干の補正がなされる。後者の考慮は、これが極めて正しく推定できる前に実験データを必要とするが、燃料塩及びブランケット塩の質量の0.5%を占めるヘリウムの泡はXe−135の寄生捕獲を増殖率に対する作用を0.5%未満に維持することができると考えられている(1970年、Scott及びEatherlyによる)。
105 炉心、 106−1,106−2 燃料塩プレナム、
107 延長管、 108 ブランケット塩プレナム、
109 延長管、 110 二次熱交換器、
111 入口パイプ、 112 中間ボウル、
113 出口パイプ、 114 凍結塩プラグ、
115 パイプ、 116 代替の燃料塩経路、
117 パイプ、 118 制御棒、
119 入口ライン、 121 流出ヘリウムライン、
123 入口ライン、 125 出口ライン、
127 パイプ、 200 原子炉、
201 原子炉容器、 202 台、
203 プール、 204 パイプ、
205 フロアーマット、 206 中間ボウル、
206−1 駆動装置、 206−2 ボウル本体、
207 包囲体、 208 熱交換器、
209 原子炉支持構造、 210 プレナム、
212 パイプ、 213 プレナム、
214 パイプ、 218 パイプ、
220 パイプ、 222 パイプ、
224 出口ライン、 234 入口パイプ、
236 出口パイプ、 237 パイプ、
240 モーター、 242 入口パイプ、
250 炉心、 252 長穴、
254 プレナム、 257 上向きのダクト、
258 背板、 259 下向きのダクト、
260 背板、 261 上向きのダクト、
263 下向きのダクト、 265 上向きのダクト、
300 緊急ダンプタンクのモジュール、
302 ダクト、燃料塩用のダクト、
304 水平チャネル、
Claims (18)
- 第一の組のチャネルと第二の組のチャネルとを備えており、前記第一の組のチャネル内をブランケット塩が流れ、前記第二の組のチャネル内を燃料塩が前記ブランケット塩と混じり合うことなく流れる、炉心、を備えており、
前記ブランケット塩は前記燃料塩内の核分裂反応のための増殖材を提供し、前記燃料塩内での前記核分裂反応によって発生された熱を搬送することによって前記炉心内で前記燃料塩と熱交換を行うようになされており、
前記炉心は、前記第一の組のチャネルがブランケット塩のプールに開口して該ブランケット塩のプールと流体連通するように、前記ブランケット塩のプール内に浸漬されるようにされている、ことを特徴とする原子炉容器。 - 前記第一の組のチャネルから前記ブランケット塩を受け取るプレナムをさらに備えており、前記ブランケット塩が前記プレナムから出て前記ブランケット塩のプール内へ入るようになされている、ことを特徴とする請求項1に記載の原子炉容器。
- 前記炉心から前記燃料塩を受け取り且つ受け取った前記燃料塩を該原子炉容器から導き出すための第一の燃料塩プレナムを更に備えている、ことを特徴とする請求項2に記載の原子炉容器。
- 前記燃料塩を受け取り且つ受け取った前記燃料塩を前記炉心内へ導き入れる第二の燃料塩プレナムを更に備えている、ことを特徴とする請求項3に記載の原子炉容器。
- 前記炉心が、金属、グラファイト、又は炭素−炭素系複合材によって作られている、ことを特徴とする請求項2に記載の原子炉容器。
- 前記炉心が概ね筒形状である、ことを特徴とする請求項2に記載の原子炉容器。
- 前記炉心が概ね立方体形状である、ことを特徴とする請求項2に記載の原子炉容器。
- 二流体溶融塩原子炉であり、
ブランケット塩のプールを備えている包囲体と、
該ブランケット塩のプール内に浸漬されている原子炉容器と、からなり、
該原子炉容器は、
前記ブランケット塩のプールに開口して該ブランケット塩のプールと流体連通する第一の組のチャネル及び前記ブランケット塩のプールに対して閉じている第二の組のチャネルを備えており、前記第一の組のチャネル内をブランケット塩が流れ、前記第二の組のチャネル内を燃料塩が流れる炉心、を備えており、
前記ブランケット塩は前記燃料塩内の核分裂反応のための増殖材を提供し、前記燃料塩内での前記核分裂反応によって発生された熱を搬送することによって前記炉心内で前記燃料塩と熱交換を行うようになされている、ことを特徴とする二流体溶融塩原子炉。 - 前記原子炉容器が、前記第一の組のチャネルから前記ブランケット塩を受け取るプレナムをさらに備えており、前記ブランケット塩が、前記プレナムから出て前記ブランケット塩のプール内へ入る、ことを特徴とする請求項8に記載の原子炉。
- 前記燃料塩を前記炉心から受け取り且つ受け取った前記燃料塩を前記原子炉容器から導き出すための第一の燃料塩プレナムを更に備えている、ことを特徴とする請求項9に記載の原子炉。
- 前記燃料塩を受け取り且つ受け取った前記燃料塩を前記炉心内へ導き入れる第二の燃料塩プレナムを更に備えている、ことを特徴とする請求項10に記載の原子炉。
- 前記炉心が、金属、グラファイト、又は炭素−炭素系複合材によって作られている、ことを特徴とする請求項9に記載の原子炉。
- 前記原子炉容器に結合されている少なくとも1つの中間ボウルを更に備えており、該少なくとも1つの中間ボウルは、燃料塩を前記炉心内へ送るようになされている、ことを特徴とする請求項9に記載の原子炉。
- 少なくとも1つの二次熱交換器を更に備えており、該二次熱交換器は、前記原子炉容器から加熱されたブランケット塩を受け取り、該ブランケット塩からの熱を、流体に該流体が前記ブランケット塩と混じり合わない状態で伝え、前記ブランケット塩は、熱を前記流体に伝えることによって冷却され、該冷却されたブランケット塩を前記ブランケット塩のプールへと戻す、ことを特徴とする請求項9に記載の原子炉。
- 前記流体が非放射性の第三の塩である、請求項14に記載の原子炉。
- 炉心とプレナムとを備えた原子炉容器をブランケット塩のプール内に浸漬させるステップと、
前記ブランケット塩を前記炉心内を通っている第一の組のチャネル内で循環させるステップと、
前記ブランケット塩を、前記ブランケット塩のプールに開口して該ブランケット塩のプールと流体連通している前記第一の組のチャネルから前記プレナム内で受け取り、前記炉心が浸漬されている前記ブランケット塩のプールに向かわせるステップと、
燃料塩を前記炉心内を通っていて前記ブランケット塩のプールに対して閉じている第二の組のチャネル内で循環させるステップと、
前記燃料塩内の核分裂反応によって発生された熱を、前記燃料塩と前記ブランケット塩とを混合させることなく、前記ブランケット塩に伝え、該ブランケット塩が核分裂反応のための増殖材を提供するようにさせるステップと、を含む方法。 - 前記加熱されたブランケット塩を、少なくとも1つの二次熱交換器内で受け取るステップを更に含み、該少なくとも1つの二次熱交換器において、前記ブランケット塩からの熱を、前記ブランケット塩と流体とを混じり合わせることなく流体へ伝え、前記ブランケット塩が流体へ熱を伝えることによって冷却され、前記少なくとも1つの二次熱交換器は、冷却されたブランケット塩を前記ブランケット塩のプールへと戻すようになされている、請求項16に記載の方法。
- 前記燃料塩を循環させるステップが、前記燃料塩を、少なくとも1つの中間ボウルによって、前記第二の組のチャネル内を通すステップを含んでいる、ことを特徴とする請求項16に記載の方法。
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