JP6633471B2 - 原子炉および原子炉の熱除去方法 - Google Patents

原子炉および原子炉の熱除去方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、宇宙空間や月面や極地などで発電に用いる小型の原子炉に関する。
従来、小型の原子炉は、システム重量当たりの出力（比出力）が高く、幾つかは宇宙空間などで電源として用いられ、現在も利用が検討されている。このような原子炉は、炉心の構造の簡素化のために除熱用のヒートパイプを備える。このヒートパイプは、容積が小さくても大きな熱量を移動させることができ、かつ可動部分が無いことで信頼性が向上される。例えば、多数の小径のヒートパイプを炉心内に配置しているものがある。
米国特許出願公開第２０１６／１２９２４号明細書
McClure, Patrick R., et al. Design and Testing of Small Nuclear Reactors for Defense and Space Applications. LA-UR-13-27054, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, 2013. McClure, Patrick R., et al. KiloPower Space Reactor Concept-Reactor Materials Study. LA-UR-14-23402, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, New Mexico, 2014. Kimura, Rei, and Tadashi Yoshida. "Design study of molten-salt-type reactor for powering space probes and its automated start-up." Journal of Nuclear Science and Technology 50.10 (2013): 998-1010.
原子炉は、構成部材などの耐熱条件に応じて発熱時の最高温度が規定されている。特に、原子炉の減速材として金属水素化物を用いる場合は、高温になると水素が解離してしまうので、最高温度を水素の解離温度以下に保つ必要がある。また、前述の原子炉において、ヒートパイプに近い領域で発生した熱は、ヒートパイプに伝導され易いものの、ヒートパイプから離れた領域で発生した熱は、ヒートパイプに伝導され難く、この領域の温度が局所的に高くなってしまう。そこで、ヒートパイプから離れた領域の最高温度を、規定の温度以下にするために、炉心出力を制限しなければならず、原子炉システムの比出力を高めることができないという課題がある。
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、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できる原子力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、核分裂反応により発生する熱を炉心外に移動させるヒートパイプと、前記ヒートパイプの近傍に配置され、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料と、前記第１核燃料よりも前記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濃度の核分裂物質を含む第２核燃料と、を備えることを特徴とする。
本発明の実施形態に係る原子炉の熱除去方法は、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料から発生した熱がヒートパイプに伝導される第１伝導ステップと、前記第１濃度よりも低い第２濃度の核分裂物質を含む第２核燃料から発生した熱が前記第１核燃料を介して前記ヒートパイプに伝導される第２伝導ステップと、前記ヒートパイプに伝導された熱が炉心外に移動される熱除去ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明の実施形態により、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できる原子力技術が提供される。
原子力発電装置を示す模式図。 ヒートパイプを示す模式図。 第１実施形態の核燃料の配置を示す概念図。 第２実施形態の核燃料の配置を示す概念図。 第３実施形態の熱拡散層を示す概念図。 第４実施形態の熱伝導部を示す概念図。 第５実施形態の原子炉を示す断面図。 第５実施形態の原子炉を示す拡大断面図。 第５実施形態の核燃料の配置を示す断面図。 第５実施形態の第１核燃料の各区画の濃度を示す図。 第５実施形態の第２核燃料の各区画の濃度を示す図。 第５実施形態の第１核燃料の各区画の出力分布を示す図。 第５実施形態の第２核燃料の各区画の出力分布を示す図。 核燃料の濃度が同一の場合の第１核燃料の各区画の出力分布を示す図。 核燃料の濃度が同一の場合の第２核燃料の各区画の出力分布を示す図。 原子炉の熱除去方法を示すフローチャート。
以下、本実施形態を添付図面に基づいて説明する。まず、本実施形態の小型の原子力発電装置の概要について図１から図２を用いて説明する。図１の符号１は、宇宙空間や月面や火星や地球上の極地などで発電に用いる小型の原子力発電装置である。
図１の概念図に示すように、原子力発電装置１は、核燃料を有する原子炉２（炉心）と、核燃料の核分裂反応により発生する熱を原子炉２の外部に移動させる複数本のヒートパイプ３（除熱部）と、原子炉２の放射線を遮蔽する遮蔽部４と、ヒートパイプ３により移動される熱により発電を行う発電部５と、発電に用いた熱を外部に放出する複数枚のラジエータ６と、を備える。
この原子力発電装置１は、宇宙空間で用いることを想定しているため、遮蔽部４が発電部５側のみに設けられている。各種搭載機器は、発電部５側に接続されるので、原子炉２の放射線が遮蔽部４により遮蔽され、各種搭載機器に到達することがない。なお、原子力発電装置１を地上で用いる場合は、原子炉２の全周囲を遮蔽部４で覆っても良い。
なお、本実施形態の原子炉２は、核燃料を収容する容器７を備える。また、容器７は、核燃料から発せられる中性子を反射する中性子反射部を兼ねても良い。さらに、原子炉２は、中性子を減速する減速材や、核分裂反応を制御する制御棒なども備える。なお、原子炉２の形状は、円柱であっても良いし、直方体（立方体）であっても良いし、錐体であっても良い。
さらに、本実施形態の発電部５は、ヒートパイプ３により運ばれた原子炉２（炉心）の熱に基づいて発電を行う。この発電部５は、熱電変換素子を備える。そして、原子炉２の発熱により生じる温度差により発電部５が発電を行う。また、発電部５は、その他の態様で発電しても良い。例えば、原子炉２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、原子炉２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。
図２に示すように、ヒートパイプ３は、作動流体（作動液）を用いて熱を移動させる装置である。このヒートパイプ３は、熱伝導性が高い材質から成るパイプケース８と、このパイプケース８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洞９と、パイプケース８の内壁に設けられて毛細管構造を成すウィック１０と、を備える。なお、パイプケース８およびウィック１０には、アルミニウムや銅などを用いる。さらに、作動流体には、代替フロンなどを用いる。
このヒートパイプ３の一端を高温部１１とし、他端を低温部１２とした場合に、高温部１１を加熱し、低温部１２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１１の液体の作動流体が、加熱されることにより蒸発し、気体１３となって空洞９を通り低温部１２に移動される。そして、低温部１２で作動流体の熱が奪われて凝縮して液体１４に戻る。さらに、この作動流体の液体１４が、毛細管現象によりウィック１０を通り高温部１１に移動される。この現象が繰り返されることで、高温部１１から低温部１２に熱が移動される。このようにヒートパイプ３は、高温部１１と低温部１２とで高低差がない場合や、宇宙空間などの無重力（低重力）の場合でも熱を移動させることができる。
本実施形態では、複数本のヒートパイプ３の高温部１１が原子炉２に配置され、この原子炉２から直線状に延びるヒートパイプ３の低温部１２が発電部５に配置される。そして、原子炉２で発生する熱が、ヒートパイプ３により発電部５に移動され、この熱に基づいて発電部５にて発電が行われる。
（第１実施形態）
次に、第１実施形態の原子炉２について図３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。
図３は、原子炉２をヒートパイプ３の延設方向（管軸方向：第３方向）に対して垂直に切断した場合の拡大断面図である。なお、ヒートパイプ３の内部構造を省略して図示している。さらに、理解を助けるために、各断面図においてハッチングを省略している場合がある。また、ヒートパイプ３の周囲に核燃料１５，１６が配置されている。なお、核燃料１５，１６は、核分裂反応を起こすウラン２３５（Ｕ２３５）などの核分裂物質と、核分裂反応を起こさないウラン２３８（Ｕ２３８）などの非核分裂物質を含む。また、核分裂物質は、Ｕ２３５以外であっても良い。例えば、Ｕ２３３、Ｐｕ２３９、Ｐｕ２４１、Ａｍ２４２ｍ、Ｃｍ２４３、Ｃｍ２４５などの核分裂物質であっても良い。さらに、核燃料１５，１６を構成する材料についても金属、酸化物、窒化物、炭化物、塩化物、フッ化物などの様々なものが適用される。
なお、核燃料１５，１６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。第１実施形態では、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料１５と、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１６とが用いられる。
図３に示すように、高濃度の第１核燃料１５は、ヒートパイプ３の近傍に配置される。例えば、ヒートパイプ３の周囲を囲むように第１核燃料１５が配置される。また、低濃度の第２核燃料１６は、第１核燃料１５よりもヒートパイプ３から離れて配置される。例えば、第１核燃料１５の周囲を囲むように第２核燃料１６が配置される。なお、第１実施形態では、第１核燃料１５が配置される領域が高反応度燃料領域（第１領域：ヒートパイプ近傍燃料領域）を成し、第２核燃料１６が配置される領域が低反応度燃料領域（第２領域：ヒートパイプ離間燃料領域）を成す。
また、第１核燃料１５の形状は、ヒートパイプ３を囲む円筒形状を成す。さらに、第２核燃料１６の形状は、第１核燃料１５を囲む立方体を成す。そして、第１核燃料１５と第２核燃料１６とが一体となった部材が１セル２０を構成する。また、複数のセル２０がヒートパイプ３の延設方向に沿って配置される。さらに、複数本のヒートパイプ３のそれぞれにセル２０が配置され、これら格子状に配置されたセル２０により原子炉２が形成される。
また、第２核燃料１６は、第１核燃料１５よりもヒートパイプ３の表面から遠い位置にあれば良い。なお、第１核燃料１５および第２核燃料１６のそれぞれの形状については、様々なものがある。例えば、第１核燃料１５および第２核燃料１６が、断面視で円形や楕円形や三角形や四角形や六角形などであっても良い。
また、本実施形態では、ヒートパイプ３が円管状を成し、断面視が円形となっているが、その他の形状のヒートパイプ３を用いても良い。例えば、ヒートパイプ３が、断面視で楕円形や三角形や四角形や六角形などであっても良い。また、各ヒートパイプ３の形状が異なっていても良いし、直径が異なっていても良い。また、ヒートパイプ３の一部分の形状が他の部分と異なっていても良い。
第１実施形態において、原子炉が臨界となって燃料が発熱したときに、第１核燃料１５の出力密度（熱量）は、第２核燃料１６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。例えば、理解を助けるために、平板状の物質の熱伝導を考える。ここで、熱伝導率をλとし、伝熱面積をＡとし、物質中の温度差をΔＴとし、物質の厚さをｌとすると、熱量ｑは、以下の数式（１）により表される。この数式（１）より、同じ熱量を少ない温度差で輸送する場合には、物質の厚さを小さくする必要がある。
Figure 0006633471
第１実施形態において、第１核燃料１５は、第２核燃料１６よりもヒートパイプ３に近いので、第２核燃料１６からヒートパイプ３へ熱を輸送するために、第１核燃料１５を熱が通過する必要がある。
仮に、第２核燃料１６の核分裂物質の濃度を第１核燃料１５よりも高くし、第２核燃料１６の出力を第１核燃料１５の出力よりも大きくした場合を考える。ここで、所定の熱量をヒートパイプ３に伝導させるためには、第１核燃料１５において、ヒートパイプ３に隣接する側面と、第２核燃料１６に隣接する側面と、の間に大きな温度差を与える必要がある。そのため、第２核燃料１６の温度を高くする必要がある。
一方、第１実施形態では、第２核燃料１６の核分裂物質の濃度を第１核燃料１５よりも低くし、第２核燃料１６の出力を第１核燃料１５の出力よりも小さくしている。前述の数式（１）より、第１核燃料１５において、ヒートパイプ３に隣接する側面と、第２核燃料１６に隣接する側面と、の間の温度差を小さくしても、所定の熱量をヒートパイプ３に輸送できることが分かる。
従って、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核燃料をヒートパイプ３の近傍に設けるよりも、核分裂物質の濃度が高い核燃料をヒートパイプ３の近傍に設けることの方が、炉心の最高温度を抑制することができる。さらに、炉心内の偏在的な温度上昇を抑制することで、核燃料１５，１６全体を充分に燃焼させることができ、炉心出力を高めることができる。
なお、第１核燃料１５の形状は、ヒートパイプ３を囲む円筒形状を成している。この第１核燃料１５の内周面とヒートパイプ３の外周面との間には、隙間部２３が形成されている。つまり、第１核燃料１５の内径は、ヒートパイプ３の外径よりも大きな寸法となっている。
原子炉２が起動されると、第１核燃料１５および第２核燃料１６の体積は、熱により膨張する。例えば、炉心の中央付近が最も早く融解した場合に、それに伴う核燃料１５，１６の体積膨張によって炉心が破損するおそれがある。そこで、第１実施形態では、第１核燃料１５とヒートパイプ３との間に隙間部２３を形成することで、炉心の破損を防止している。
なお、原子炉２の製造時において、ヒートパイプ３の周囲に金属箔２４が巻き付けられている。この金属箔２４は、炉心の温度上昇により溶融する金属材質であるアルミニウムから成る。また、金属箔２４は、炉心の温度上昇により溶融する金属材質であればどのような材質でも良い。例えば、ガリウム、ナトリウム、リチウム、鉛、ビスマスなどの金属や合金などを用いた金属箔２４であっても良い。さらに、金属箔２４は、１層のみにしても良いし、複数層に亘って重ねた状態でヒートパイプ３に巻き付けても良い。
この金属箔２４は、起動後の炉心の温度上昇により融解される。そして、第１核燃料１５とヒートパイプ３との間の隙間部２３に溶融された金属が充填される。このように、炉心の温度上昇により金属箔２４が溶融し、液体になった金属が隙間部２３を埋めるので、第１核燃料１５からヒートパイプ３までの熱伝導効率が向上される。また、起動後の炉心の温度上昇により第１核燃料１５などが膨張しても隙間部２３があり、かつ隙間部２３に充填された金属が液体であることで炉心の破損を防止できる。
なお、第１実施形態では、金属箔２４が、第１核燃料１５とヒートパイプ３との間に設けられているが、その他の部分に金属箔２４を設けても良い。例えば、第１核燃料１５と第２核燃料１６との間に金属箔２４を設けても良い。また、その他の炉心を構成する部材の間に金属箔２４を設けても良い。
なお、第１実施形態では、核分裂物質の濃度がそれぞれ異なる第１核燃料１５と第２核燃料１６を設けたセル２０にヒートパイプ３が挿入され、このヒートパイプ３に金属箔２４が巻き付けられているが、その他の態様であっても良い。例えば、核分裂物質の濃度が全て一定の核燃料を設けたセルにヒートパイプ３が挿入され、このヒートパイプ３に金属箔２４が巻き付けられても良い。
なお、金属箔２４をヒートパイプ３などに巻き付けるだけで、第１核燃料１５からヒートパイプ３までの熱伝導効率を向上させる熱伝導用の液体の金属層を容易に設けることができる。例えば、可搬型の小型の原子炉２の場合に、輸送中に原子炉２は停止して低温状態であるので、熱伝導用の金属層を液体の状態に保つことが難しい。そこで、第１実施形態では、金属層を固体の状態（金属箔２４）にして、原子炉２を輸送する。そして、原子炉２の起動後に金属層を液体に変化させるようにしている。
また、熱伝導用の金属層を小さな粒状または粉末状として隙間部２３に導入する場合が考えられる。しかし、この場合には、粉末の金属層が激しい化学反応を引き起こす危険性や、隙間部２３に充分な量の金属層を装荷するために、隙間部２３の体積をより大きくしなければならない。第１実施形態では、金属箔２４を巻き付けることで、激しい化学反応を引き起こすことを防止し、かつ金属箔２４の巻き付け方により、金属箔２４の体積を調節することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態の原子炉２について図４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。
図４は、原子炉２をヒートパイプ３の延設方向（管軸方向：第３方向）に対して垂直に切断した場合の拡大断面図である。第２実施形態では、炉心の断面視において、単位面積あたりのヒートパイプ３の本数が多い第１領域２５と、この第１領域２５よりも単位面積あたりのヒートパイプ３の本数が少ない第２領域２６とが設けられている。さらに、第２領域２６は、第１領域２５を取り囲むように設けられている。
また、第１領域２５に配置されるヒートパイプ３の本数は、第２領域２６に配置されるヒートパイプの本数よりも多くなっている。従って、第１領域２５の熱の除去率を第２領域２６よりも高くすることができる。なお、第１領域２５のヒートパイプ３の本数が第２領域２６のヒートパイプ３の本数よりも多いことには、第２領域２６にヒートパイプ３が配置されないことを含む。
また、全てのヒートパイプ３は、直径および形状が同一となっている。さらに、第１領域２５に配置されるヒートパイプ３同士の間の距離は、第２領域２６に配置されるヒートパイプ３同士の間の距離よりも短くなっている。つまり、各ヒートパイプ３により所定の熱除去率で熱が除去される場合に、第２領域２６の熱除去率が第１領域２５の熱除去率よりも低くなっている。
また、ヒートパイプ３の密度が高い第１領域２５には、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料１５と、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１６とが配置される。なお、高濃度の第１核燃料１５は、ヒートパイプ３の近傍に配置される。例えば、ヒートパイプ３の周囲を囲むように第１核燃料１５が配置される。また、低濃度の第２核燃料１６は、第１核燃料１５よりもヒートパイプ３から離れて配置される。例えば、第１核燃料１５の周囲を囲むように第２核燃料１６が配置される。
また、ヒートパイプ３の密度が低い第２領域２６には、第３濃度の核分裂物質を含む第３核燃料１７と、第３濃度よりも低い第４濃度の核分裂物質を含む第４核燃料１８とが配置される。なお、高濃度の第３核燃料１７は、ヒートパイプ３の近傍に配置される。例えば、ヒートパイプ３の周囲を囲むように第３核燃料１７が配置される。また、低濃度の第４核燃料１８は、第４核燃料１８よりもヒートパイプ３から離れて配置される。例えば、第３核燃料１７の周囲を囲むように第４核燃料１８が配置される。
第２実施形態では、第１領域２５の第１核燃料１５および第２核燃料１６の核分裂物質の平均濃度と、第２領域２６の第３核燃料１７および第４核燃料１８の核分裂物質の平均濃度とが異なっている。
ここで、第１核燃料１５の核分裂物質の第１濃度よりも、第２核燃料１６の核分裂物質の第２濃度が低い。また、第２核燃料１６の核分裂物質の第２濃度よりも、第３核燃料１７の核分裂物質の第３濃度が低い。また、第３核燃料１７の核分裂物質の第３濃度よりも、第４核燃料１８の核分裂物質の第４濃度が低い。つまり、第２領域２６の核分裂物質の平均濃度は、第１領域２５の核燃料の核分裂物質の平均濃度よりも低くなっている。そのため、ヒートパイプ３による熱除去率が低い第２領域２６の発熱を抑えることで、炉心内の偏在的な温度上昇を抑制することができる。
なお、第１領域２５の第１核燃料１５または第２核燃料１６のいずれか一方の核分裂物質の濃度と、第２領域２６の第３核燃料１７または第４核燃料１８のいずれか一方の核分裂物質の濃度とが同一であっても良い。例えば、第２核燃料１６の核分裂物質の濃度と第３核燃料１７の核分裂物質の濃度とが同一であっても良い。また、第１核燃料１５の核分裂物質の濃度と第３核燃料１７の核分裂物質の濃度とが同一であっても良い。また、第２核燃料１６の核分裂物質の濃度と第４核燃料１８の核分裂物質の濃度とが同一であっても良い。
また、第１核燃料１５の形状は、ヒートパイプ３を囲む円筒形状を成す。さらに、第２核燃料１６の形状は、第１核燃料１５を囲む立方体を成す。また、第３核燃料１７の形状は、ヒートパイプ３を囲む円筒形状を成す。さらに、第４核燃料１８の形状は、第３核燃料１７を囲む立方体を成す。
さらに、第１核燃料１５と第２核燃料１６とが一体となった部材が第１種セル２１を構成する。また、第３核燃料１７と第４核燃料１８とが一体となった部材が第２種セル２２を構成する。ここで、第２種セル２２の寸法は、第１種セル２１の寸法よりも大きくなっている。なお、各セル２１，２２の形状は、立方体を成し、第２種セル２２の縦横の長さ寸法は、第１種セル２１の縦横の長さ寸法の２倍となっている。
なお、４個の第１種セル２１で囲まれた炉心の中心部には、制御棒１９が配置される。この制御棒１９が炉心に出し入れされることで、核分裂反応が制御される。第２実施形態では、第１領域２５の核分裂物質の平均濃度が、第２領域２６の核燃料の核分裂物質の平均濃度よりも高くなり、高インポータンス領域が形成される。そして、この第１領域２５に制御棒１９を配置することで、制御棒１９による中性子の吸収性が高まる。つまり、少ない本数の制御棒１９で原子炉２を制御することができる。
なお、制御棒１９は、所定の挿入装置を用いて原子炉２に挿入されても良い。また、制御棒１９は、棒部材でなくても良い。例えば、原子炉２の熱により膨張した物質が原子炉２に入り込めるようにし、この物質が中性子を吸収するものであっても良い。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態の原子炉２について図５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。
図５は、原子炉２をヒートパイプ３の延設方向（管軸方向：第３方向）に対して垂直に切断した場合の拡大断面図である。ここで、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料１５と、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１６とが配置される。なお、第１核燃料１５は、ヒートパイプ３を囲むように設けられる。
また、第３実施形態では、複数本のヒートパイプ３が、図５中の横方向（第１方向）に並んで列３１を成している。さらに、第２核燃料１６は、ヒートパイプ３の列３１に沿って延びる横長の部材となっている。そして、この第２核燃料１６において、各ヒートパイプ３に対応して第１核燃料１５が設けられている。なお、第２核燃料１６の幅寸法は、第１核燃料１５の外径とほぼ同じ、または若干大きな寸法となっている。
また、第２核燃料１６の延設方向（第１方向）に沿って延びる熱拡散層２７が設けられる。第３実施形態では、板状を成す２枚の熱拡散層２７により第２核燃料１６が挟み込まれている。つまり、熱拡散層２７は、第２核燃料１６に隣接する位置から第１核燃料１５に隣接する位置まで設けられている。さらに、熱拡散層２７の熱伝導率は、第２核燃料１６の熱伝導率よりも高くなっている。なお、熱拡散層２７は、ベリリウムで形成される。
例えば、第２核燃料１６において、第１核燃料１５の近傍で発生した熱は、直ぐに第１核燃料１５を介してヒートパイプ３に伝導される。しかし、第２核燃料１６において、第１核燃料１５から離れた部分、つまり、２本のヒートパイプ３の間の部分は、発生した熱がヒートパイプ３に伝導され難い低伝導領域２８となっている。
そこで、第３実施形態では、低伝導領域２８で発生した熱２９を熱拡散層２７により第１核燃料１５の近傍に移動させるようにしている。このようにすれば、第２核燃料１６の熱２９が熱拡散層２７を介して第１核燃料１５まで伝導され、さらに、この第１核燃料１５を介してヒートパイプ３に伝導されるので、第２核燃料１６の温度上昇を抑制することができる。つまり、熱拡散層２７は、熱を移動させるバイパスとなる。
また、熱拡散層２７がベリリウムで形成されることで、熱拡散層２７が高い熱伝導率を保持しつつ、核燃料１５，１６から放射される中性子を増加させることができ、核分裂反応を促進させることができる。なお、熱拡散層２７を形成する材質は、その他の材質であっても良い。例えば、熱拡散層２７を銅で形成しても良い。また、熱拡散層２７は、液体でも固体でも良い。
また、熱拡散層２７がベリリウムを含むことで、核燃料１５，１６から飛び出す高速中性子によって熱拡散層２７の内部で中性子が増加される（ｎ，２ｎ）反応が発生し、炉心の臨界性を向上させることができる。
（第４実施形態）
次に、第４実施形態の原子炉２について図６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。
図６は、原子炉２をヒートパイプ３の延設方向（管軸方向：第３方向）に対して垂直に切断した場合の拡大断面図である。ここで、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料１５と、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１６とが配置される。なお、第１核燃料１５は、ヒートパイプ３を囲むように設けられる。
また、第４実施形態では、複数本のヒートパイプ３が、図６中の横方向（第１方向）に並んで列４１，４２を成している。さらに、第２核燃料１６は、ヒートパイプ３の列４１，４２に沿って延びる横長の部材となっている。なお、第４実施形態では、第１列４１（所定の列）と第２列４２（他の列）とが図６中の縦方向（第２方向）に並んで配置されている。
なお、第１列４１のヒートパイプ３と、隣接する第２列４２のヒートパイプ３とが、図６中の横方向に沿って互い違いに配置される。つまり、図６中の横方向において、第１列４１の２本のヒートパイプ３の間に、隣接する第２列４２のヒートパイプ３が配置される。このようにすれば、ヒートパイプ３が図６中の縦方向に重ならずに分散して配置されるので、炉心内の偏在的な温度上昇を抑制することができる。
また、板状を成す２枚の熱拡散層２７により第２核燃料１６が挟み込まれている。なお、熱拡散層２７の熱伝導率は、第２核燃料１６の熱伝導率よりも高くなっている。そして、第１列４１の熱拡散層２７と第２列４２の熱拡散層２７との間には、減速材４３が設けられている。なお、減速材４３は、固体の金属水素化物で形成される。例えば、減速材４３は、水素化カルシウムや、水素化ジルコニウムや、水素化ランタンや、水素化プラセオジウムや、黒鉛などで形成される。
なお、第４実施形態では、ベリリウムで形成された熱拡散層２７が、減速材４３よりも核燃料１５，１６に近い位置に設けられている。原子炉２に減速材４３が装荷される熱中性子炉は、核燃料１５，１６の近傍以外の位置で、減速材４３によって中性子が減速されてしまう。この減速された中性子が熱拡散層２７に当たっても、ベリリウムによる（ｎ，２ｎ）反応が起こらなくなる。そのため、熱拡散層２７を核燃料１５，１６の近くに配置する必要がある。
また、図６中の横方向（第１方向）に並んだヒートパイプ３の間には、第２核燃料１６の延設方向（第１方向）に沿って延びる第１熱伝導部４４が設けられる。また、第１列４１の低伝導領域２８から第２列４２の第１核燃料１５（ヒートパイプ３）の近傍の位置まで延びる第２熱伝導部４５が設けられる。さらに、第２熱伝導部４５は、第２列４２の低伝導領域２８と、第１列４１の第１核燃料１５（ヒートパイプ３）の近傍の位置との間にも設けられる。つまり、第２熱伝導部４５は、図６中の縦方向（第２方向）に延びている。
これらの熱伝導部４４，４５は、板状または棒状を成す部材となっている。さらに、熱伝導部４４，４５の熱伝導率は、第２核燃料１６の熱伝導率よりも高くなっている。なお、熱伝導部４４，４５の熱伝導率は、熱拡散層２７の熱伝導率と同程度、または熱拡散層２７の熱伝導率よりも高くても良い。また、これらの熱伝導部４４，４５は、ベリリウムまたは銅などの熱伝導率の高い材質で形成される。さらに、熱伝導部４４，４５は、液体でも固体でも良い。
なお、熱伝導部４４，４５は、低伝導領域２８で発生した熱２９を第１核燃料１５の近傍に移動させるようにしている。つまり、熱伝導部４４，４５は、第２核燃料１６におけるヒートパイプ３から離れた位置からヒートパイプ３の近傍の位置まで延びる部材である。このようにすれば、ヒートパイプ３から離れた低伝導領域２８の熱が、熱伝導部４４，４５を介してヒートパイプ３まで伝導されるので、低伝導領域２８の温度上昇を抑制することができる。
さらに、第４実施例では、前述の第３実施形態と同様に、第２核燃料１６の熱２９が熱拡散層２７を介して第１核燃料１５まで伝導され、さらに、この第１核燃料１５を介してヒートパイプ３に伝導されるので、第２核燃料１６の温度上昇を抑制することができる。
（第５実施形態）
次に、第５実施形態の原子炉２について図７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。
第５実施形態の原子炉２は、円柱形状を成す。さらに、原子炉２（炉心）の軸方向に沿って延びる複数本のヒートパイプ３を備える。なお、各ヒートパイプ３は同一構成となっている。図７は、原子炉２をヒートパイプ３の延設方向（管軸方向：第３方向）に対して垂直に切断した場合の断面図である。
また、複数本のヒートパイプ３が炉心の周方向（第１方向）に並んで１つの列を成す。さらに、複数の列５１，５２，５３，５４が炉心の径方向（第２方向）に並んで配置される。つまり、それぞれの列５１，５２，５３，５４が、炉心の中心軸に対して同心円状（多重円筒状）に配置される。このようにすれば、ヒートパイプ３で効率的に熱を除去できる小型の原子炉２を形成することができる。
なお、原子炉２の４分の１の断面図を図８に示す。炉心の中心部には、制御棒１９が配置される。また、この制御棒１９を取り囲むように第１列５１のヒートパイプ３が周方向に円形に並んでいる。また、第１列５１を取り囲むように第２列５２のヒートパイプ３が周方向に円形に並んでいる。また、第２列５２を取り囲むように第３列５３のヒートパイプ３が周方向に円形に並んでいる。また、第３列５３を取り囲むように第４列５４のヒートパイプ３が周方向に円形に並んでいる。
また、第１列５１から第４列５４に行くに従って、ヒートパイプ３同士の周方向の距離が離れる。つまり、単位面積あたりのヒートパイプ３の本数（密度）は、第１列５１が最も多く、第４列５４が最も少なくなっている。なお、第１列５１を第１領域とし、第２列５２を第２領域とし、第３列５３を第３領域とし、第４列５４を第４領域とする。この場合に、第１領域の熱の除去率は、第２領域よりも高くなっている。また、第２領域の熱の除去率は、第３領域よりも高くなっている。また、第３領域の熱の除去率は、第４領域よりも高くなっている。
なお、第４列５４は、単位面積あたりのヒートパイプ３の本数が少ないものの、第４列５４の外周側に他の列の核燃料が配置されないので、この第４列５４にて発熱があっても、第３列５３よりも温度上昇が抑えられる。また、最も温度が上昇し易い部分は、第３列５３となっている。
また、第１列５１と第２列５２との間、第２列５２と第３列５３との間、第３列５３と第４列５４との間には、減速材４３が設けられている。また、第４列５４よりも外側には、中性子反射部５５が設けられている。つまり、原子炉２の最外周が中性子反射部５５により囲まれている。なお、中性子反射部５５は、ベリリウムで形成される。また、中性子反射部５５は、所定の厚みを有している。そして、中性子反射部５５は、炉心から飛び出した中性子を炉の中心に向かって反射させる機能を有する。
図９に示すように、各列５１，５２，５３，５４には、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料１５と、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１６とが配置される。高濃度の第１核燃料１５は、ヒートパイプ３の周囲を囲むように設けられる。なお、第１核燃料１５の形状は、ヒートパイプ３を囲む円筒形状を成す。
また、低濃度の第２核燃料１６は、第１核燃料１５よりもヒートパイプ３から離れて配置される。なお、第２核燃料１６は、各列５１，５２，５３，５４に沿って炉心の周方向に延びる。さらに、第２核燃料１６の延設方向（第１方向）に沿って延びる熱拡散層２７が設けられる。この熱拡散層２７の一部は、第１核燃料１５の外周面に接触している。なお、熱拡散層２７の一部は、第１核燃料１５の外周面に沿って湾曲された湾曲部となっている。そのため、熱拡散層２７と第１核燃料１５との接触面積が増大され、熱拡散層２７から第１核燃料１５に熱が伝導し易くなっている。
そして、この熱拡散層２７に隣接して減速材４３が設けられている。なお、熱拡散層２７の肉厚は、減速材４３の肉厚よりも薄くなっている。このように熱拡散層２７の肉厚が薄いので、核燃料１５，１６から飛び出した中性子が熱拡散層２７を通過し易くなっている。また、熱拡散層２７を核燃料１５，１６の近くに配置することで、高速の中性子が熱拡散層２７に当たって中性子を増加させ易くなっている。また、所定の列５１，５２，５３，５４の核燃料１５，１６から飛び出した中性子は、他の列５１，５２，５３，５４の核燃料１５，１６に到達するまでの間に、減速材４３により速度が落ちるので、核分裂反応が生じ易い。
また、それぞれの列５１，５２，５３，５４が同心円状に配置されることで、中性子を効率的に核燃料１５に当てることができる。例えば、図８に示すように、第１列５１の第１核燃料１５から飛び出した中性子５６は、第２列５２の第１核燃料１５に当たる。さらに、第２列５２の第１核燃料１５から飛び出した中性子５６は、第３列５３の第１核燃料１５に当たらなかった場合であっても、第４列５４の第１核燃料１５に当たる。すなわち、それぞれの列が格子状に配置されることと比較して、第５実施形態では、それぞれの列５１，５２，５３，５４が同心円状に配置されることで、中性子を効率的に核燃料１５に当てることができる。
また、各列５１，５２，５３，５４において、第１核燃料１５および第２核燃料１６の核分裂物質の濃度は、同一でなくても良い。例えば、炉心の軸方向（第３方向）に沿って核燃料１５，１６の濃度が異なっても良い。図１０および図１１に示すように、第５実施形態では、それぞれの列５１，５２，５３，５４に対応し、炉心の軸方向（ヒートパイプ３の延設方向）に沿って並んだ複数の区画５７が設けられている。そして、各区画５７には、それぞれに対応した濃度の核燃料１５，１６が配置されている。
図１０は、第１核燃料１５の各区画５７の濃度を示す。図１０の縦方向が炉心の軸方向（Ｚ軸方向）を示し、図１０の横方向が炉心の径方向（Ｒ方向：第２方向）を示す。そして、炉心の軸方向に沿って並んだ複数の区画５７が設けられ、これらの区画５７に第１核燃料１５が配置される。
図１０に示すように、各区画５７において、第１核燃料１５の第１濃度は、２０％または８％となっている。ここで、第１列５１と第２列５２と第４列５４の第１濃度は、全て２０％となっている。また、第３列５３の第１濃度は、２０％または８％となっている。なお、第３列５３では、熱除去率が炉心の軸方向および径方向に応じて異なっている。例えば、炉心の軸方向の中央部分の熱除去率が低くなっている。さらに、第３列５３の熱除去率が低くなっている。
そのため、第３列５３の第１濃度は、炉心の軸方向の中央部分の濃度が他の部分よりも低くなっている。つまり、炉心の中心部、炉心の外周面、および炉心の軸方向の端面から最も離れた炉心内部に配置される第１核燃料１５の第１濃度が最も低くなっている（図１０の網点部分）。このようにすれば、炉心全体の温度を平坦化することができる。
また、第１列５１の第１核燃料１５の核分裂物質の平均濃度をＬ１１とし、第２列５２の第１核燃料１５の核分裂物質の平均濃度をＬ１２とし、第３列５３の第１核燃料１５の核分裂物質の平均濃度をＬ１３とし、第４列５４の第１核燃料１５の核分裂物質の平均濃度をＬ１４とする。この場合に、各列５１，５２，５３，５４の第１核燃料１５の濃度は、Ｌ１１＝Ｌ１２＝Ｌ１４＞Ｌ１３となっている。なお、Ｌ１１≧Ｌ１２≧Ｌ１４＞Ｌ１３であっても良いし、Ｌ１１＞Ｌ１２＞Ｌ１４＞Ｌ１３であっても良いし、Ｌ１１＞Ｌ１２＞Ｌ１３＞Ｌ１４であっても良い。
図１１は、第２核燃料１６の各区画５７の濃度を示す。図１１の縦方向が炉心の軸方向（Ｚ軸方向）を示し、図１１の横方向が炉心の径方向（第２方向：Ｒ方向）を示す。そして、炉心の軸方向に沿って並んだ複数の区画５７が設けられ、これらの区画５７に第２核燃料１６が配置される。
図１１に示すように、各区画５７において、第２核燃料１６の第２濃度は、２０％、１５％、８％、５％、または３％となっている。なお、各列５１，５２，５３，５４では、熱除去率が炉心の軸方向および径方向に応じて異なっている。例えば、炉心の軸方向の中央部分の熱除去率が低くなっている。さらに、第３列５３の熱除去率が低くなっている。
そのため、各列５１，５２，５３，５４の第２濃度は、炉心の軸方向の中央部分の濃度が他の部分よりも低くなっている。特に、炉心の中心部、炉心の外周面、および炉心の軸方向の端面から最も離れた炉心内部に配置される第２核燃料１６の第２濃度が最も低くなっている（図１１の網点部分）。このようにすれば、炉心全体の温度を平坦化することができる。
また、第１列５１の第２核燃料１６の核分裂物質の平均濃度をＬ２１とし、第２列５２の第２核燃料１６の核分裂物質の平均濃度をＬ２２とし、第３列５３の第２核燃料１６の核分裂物質の平均濃度をＬ２３とし、第４列５４の第２核燃料１６の核分裂物質の平均濃度をＬ２４とする。この場合に、各列５１，５２，５３，５４の第２核燃料１６の濃度は、Ｌ２１＞Ｌ２２＝Ｌ２４＞Ｌ２３となっている。なお、Ｌ２１＞Ｌ２２≧Ｌ２４＞Ｌ２３であっても良いし、Ｌ２１＞Ｌ２２＞Ｌ２４＞Ｌ２３であっても良いし、Ｌ２１＞Ｌ２２＞Ｌ２３＞Ｌ２４であっても良い。
なお、各列５１，５２，５３，５４の核燃料１５，１６の核分裂物質の平均濃度が、それぞれ異なっていても良い。例えば、第１列５１の核燃料１５，１６の核分裂物質の平均濃度を第１平均濃度とし、第２列５２の核燃料１５，１６の核分裂物質の平均濃度を第２平均濃度とし、第３列５３の核燃料１５，１６の核分裂物質の平均濃度を第３平均濃度とし、第４列５４の核燃料１５，１６の核分裂物質の平均濃度を第４平均濃度とする。この場合に、第１平均濃度よりも第２平均濃度が低く、第２平均濃度よりも第４平均濃度が低く、第４平均濃度よりも第３平均濃度が低くても良い。
第５実施形態では、各区画５７に配置される核燃料１５，１６の濃度が、炉心の軸方向および径方向の位置に応じて異なっている。このようにすれば、炉心の発熱量を平坦化するような核分裂物質の濃度となるので、炉心内の偏在的な温度上昇を抑制することができる。
次に、前述のように各区画５７の核燃料１５，１６の濃度が調節された場合の熱量の出力分布について説明する。図１２は、第５実施形態の第１核燃料１５の各区画５７の出力分布を示す図である。この図１２は、前述の図１０の各区画５７に対応している。図１３は、第５実施形態の第２核燃料１６の各区画５７の出力分布を示す図である。この図１３は、前述の図１１の各区画５７に対応している。これらの図では、各区画５７から放出される単位時間あたりの熱量を数値化している。各数値の単位は、Ｗ／ｃｍ３である。
なお、比較例として図１４および図１５を用いる。図１４は、第１核燃料１５の第１濃度が同一の場合の各区画５７の出力分布を示す図である。例えば、全ての区画５７の第１濃度が２０％である場合を示す。図１５は、第２核燃料１６の第２濃度が同一の場合の各区画５７の出力分布を示す図である。例えば、全ての区画５７の第２濃度が１５％である場合を示す。
図１４および図１５に示すように、全ての区画５７で核燃料１５，１６の濃度が同一の場合は、各列５１，５２，５３，５４において、炉心の軸方向の中央部分の熱量の出力が最も高くなる（図１４および図１５の網点部分）。特に、炉心の中心部の熱量の出力が最も高くなる。そして、熱量の出力分布は、炉心の中心部を中央とするコサイン分布となっている。つまり、炉心の温度が中心部に偏っている。
図１２に示すように、第５実施形態では、各区画５７の第１核燃料１５の濃度が調節されているので、各列５１，５２，５３，５４の最大出力の区画５７が互いに重複しない分布となっている（図１２の網点部分）。例えば、第２列５２の最大出力の区画５７と、隣接する第３列５３の最大出力の区画５７とが、互いに重複しない分布となっている。また、第３列５３の最大出力の区画５７と、隣接する第４列５４の最大出力の区画５７とが、互いに重複しない分布となっている。このようにすれば、炉心全体の温度を平坦化することができる。
図１３に示すように、第５実施形態では、各区画５７の第２核燃料１６の濃度が調節されているので、各列５１，５２，５３，５４の最大出力の区画５７が互いに重複しない分布となっている（図１２の網点部分）。例えば、第１列５１の最大出力の区画５７と、隣接する第２列５２の最大出力の区画５７とが、互いに重複しない分布となっている。また、第２列５２の最大出力の区画５７と、隣接する第３列５３の最大出力の区画５７とが、互いに重複しない分布となっている。また、第３列５３の最大出力の区画５７と、隣接する第４列５４の最大出力の区画５７とが、互いに重複しない分布となっている。このようにすれば、炉心全体の温度を平坦化することができる。
次に、原子炉２の熱除去方法について図１６を用いて説明する。なお、フローチャートの各ステップの説明にて、例えば「ステップＳ１１」と記載する箇所を「Ｓ１１」と略記する。
まず、第１核燃料１５にて熱が発生する（Ｓ１１）。次に、この第１核燃料１５から発生した熱が、直接的にヒートパイプ３に伝導される（Ｓ１２：第１伝導ステップ）。
また、第２核燃料１６にて熱が発生する（Ｓ１３）。次に、この第２核燃料１６から発生した熱が第１核燃料１５に伝導される（Ｓ１４）。そして、第１核燃料１５に伝導された第２核燃料１６の熱が、間接的にヒートパイプ３に伝導される（Ｓ１５：第２伝導ステップ）。
次に、ヒートパイプ３に伝導された熱が、原子炉２の外部の発電部５（図１参照）に移動される（Ｓ１６：熱除去ステップ）。また、発電部５は、ヒートパイプ３により移動された熱により発電を行う（Ｓ１７）。なお、発電に用いた熱がラジエータ６（図１参照）に移動され、ラジエータ６を用いて外部に放熱される（Ｓ１８）。
本実施形態に係る原子炉を第１実施形態から第５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。例えば、第１実施形態の金属箔２４を他の実施形態のヒートパイプ３に巻き付けても良い。また、第４実施形態の熱伝導部４４，４５を他の実施形態の原子炉２に設けても良い。
なお、本実施形態では、炉心から熱を移動させる装置として、作動流体を封入したヒートパイプ３を例示しているが、その他の態様のヒートパイプ３（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、前述の実施形態で用いた第１方向、第２方向、第３方向という用語は、直交座標系における互いに直交する３つの座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の各方向であっても良い。また、円柱座標系における円柱の円周方向、円柱の半径方向、円柱の軸方向であっても良い。また、第５実施形態の原子炉２の形状が断面視で円形となっているが、この形状は楕円または長円であっても良い。
以上説明した実施形態によれば、第１核燃料よりもヒートパイプ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核燃料を持つことにより、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…原子力発電装置、２…原子炉、３…ヒートパイプ、４…遮蔽部、５…発電部、６…ラジエータ、７…容器、８…パイプケース、９…空洞、１０…ウィック、１１…高温部、１２…低温部、１３…気体、１４…液体、１５…第１核燃料、１６…第２核燃料、１７…第３核燃料、１８…第４核燃料、１９…制御棒、２０…セル、２１…第１種セル、２２…第２種セル、２３…隙間部、２４…金属箔、２５…第１領域、２６…第２領域、２７…熱拡散層、２８…低伝導領域、２９…熱、３１…列、４１…第１列、４２…第２列、４３…減速材、４４…第１熱伝導部、４５…第２熱伝導部、５１…第１列、５２…第２列、５３…第３列、５４…第４列、５５…中性子反射部、５６…中性子、５７…区画。

Claims (14)

  1. 核分裂反応により発生する熱を炉心外に移動させるヒートパイプと、
    前記ヒートパイプの近傍に配置され、第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料と、
    前記第１核燃料よりも前記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濃度の核分裂物質を含む第２核燃料と、
    を備えることを特徴とする原子炉。
  2. 核燃料が配置され、前記ヒートパイプにより所定の熱除去率で熱が除去される第１領域と、
    核分裂物質の平均濃度が前記第１領域の核燃料の核分裂物質の平均濃度よりも低い核燃料が配置され、前記第１領域よりも前記熱除去率が低い第２領域と、
    を備える請求項１に記載の原子炉。
  3. 炉心の断面視において、前記第１領域に配置される単位面積あたりの前記ヒートパイプの本数は、前記第２領域に配置される前記ヒートパイプの本数よりも多い請求項２に記載の原子炉。
  4. 前記第２核燃料に隣接する位置から前記第１核燃料に隣接する位置まで前記第２核燃料の延設方向に沿って延び、前記第２核燃料よりも熱伝導率の高い熱拡散層を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の原子炉。
  5. 前記熱拡散層は、ベリリウムを含む請求項４に記載の原子炉。
  6. 前記第２核燃料における前記ヒートパイプから離れた位置から前記ヒートパイプの近傍の位置まで延び、前記第２核燃料よりも熱伝導率の高い熱伝導部を備える請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の原子炉。
  7. 複数本の前記ヒートパイプが第１方向に並んで列を成し、複数の前記列が第２方向に並んで配置され、
    所定の前記列の前記ヒートパイプと、隣接する他の前記列の前記ヒートパイプとが、前記第１方向に沿って互い違いに配置される請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の原子炉。
  8. 前記第１核燃料と前記ヒートパイプとの間に形成された隙間部と、
    前記隙間部に配置され、起動後の炉心の温度上昇により融解される金属箔と、
    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。
  9. 炉心が円柱形状を成し、炉心の軸方向に沿って延びる複数本の前記ヒートパイプが炉心の周方向に並んで列を成し、複数の前記列が炉心の径方向に並んで配置される請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の原子炉。
  10. 炉心の軸方向に沿って並んだ複数の区画が設けられ、熱除去率が炉心の軸方向に応じて異なり、前記区画に配置される核燃料の核分裂物質の濃度が、炉心の軸方向の位置に応じて異なる請求項９に記載の原子炉。
  11. 前記列に対応して前記区画が設けられ、熱除去率が炉心の径方向に応じて異なり、前記区画に配置される核燃料の核分裂物質の濃度が、炉心の径方向の位置に応じて異なる請求項１０に記載の原子炉。
  12. 炉心の中心部に配置される制御棒を備え、
    炉心の中心部、炉心の外周面、および炉心の軸方向の端面から最も離れた炉心内部に配置される核燃料の核分裂物質の濃度が最も低い請求項１１に記載の原子炉。
  13. 複数本の前記ヒートパイプが第１方向に並んで列を成し、複数の前記列が第２方向に並んで配置され、さらに前記ヒートパイプの延設方向に沿って並んだ複数の区画が設けられ、これらの区画に核燃料が配置され、
    所定の前記列の最大出力の前記区画と、隣接する他の前記列の最大出力の前記区画とが、互いに重複しない分布となる請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の原子炉。
  14. 第１濃度の核分裂物質を含む第１核燃料から発生した熱がヒートパイプに伝導される第１伝導ステップと、
    前記第１濃度よりも低い第２濃度の核分裂物質を含む第２核燃料から発生した熱が前記第１核燃料を介して前記ヒートパイプに伝導される第２伝導ステップと、
    前記ヒートパイプに伝導された熱が炉心外に移動される熱除去ステップと、
    を含むことを特徴とする原子炉の熱除去方法。
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