JP6692819B2 - 中性子源 - Google Patents

Description

本発明は原子力工学に関し、原子炉が正常に停止した後でも、異常に停止した後でも、その原子炉の出力を実用レベルまで上昇させることによりその原子炉の起動を制御することを目的として設計されている。

原子炉の起動時において不測の反応度変化の影響を低減させることはもちろん、原子炉の安全性および動特性の改善を目的として「ブラインド（制御されていない）」起動を阻止するという工学的措置は可能である。なぜならば、未臨界原子炉において中性子束は、反応度が上昇する際に変動する唯一の、かつ最も重要なパラメータだからである。制御された起動とは、反応度を補償するために標準装備された制御棒の位置に応じて原子炉炉心内の中性子束が調整可能である状態を意味する。しかし、ウランの自発核分裂により炉心で生成される中性子の量（〜２×１０³ｎ／ｓ）は、原子炉の起動中に制御された中性子束を測定室で検出するには不十分である。

原子炉の未臨界度と出力との制御は、原子力設備の安全性において最も重要な課題の一つである。原子炉の起動を制御するには、炉心の中性子出力が、炉心近くの特定領域に設置されて中性子束を監視する電離箱の応答と確実に整合することが不可欠である。この制御を確実に行うには、未臨界原子炉内の中性子束を大幅に増加させ、または原子炉の起動設備の応答性能を高めるべきである。パルス起動設備を備えている原子炉の出力を（未臨界の初期状態において）確実に制御するという課題の解決に最適な方法は、炉心に中性子源を配置することである。

現在、使用されている中性子源には、クラスター集合体として設計されたものがある。この集合体には、アンチモンが充填されたロッド、および熱圧処理を受けたベリリウム層を含むロッドの２種類が含まれている。
現在、使用されている中性子源にはまた、単一の筐体に封入されたアンチモン−ベリリウム複合ペレットを主体とするものがある。このような中性子源の設計は、今のところ、海軍の原子力施設で用いられている。

現在、使用されている単一エネルギーの中性子源には、特許文献１に開示されているものがある。この中性子源の設計では、放射性アンチモンが、鉄層の中に配置されたベリリウム容器の中に収められている。ベリリウム層および鉄層の厚さは可変であり、計算上の中性子放出率により決定される。この中性子源は、光子源、円筒形状のアンチモン、光中性子源、円管形状のベリリウム、中性子フィルター、および樽形状の鉄を含む。この鉄の中にアンチモンとベリリウムとが配置され、鉄製の栓で覆われている。

ロシア特許第１７６２６７６号明細書

現在、使用されている中性子源のうち、クラスター集合体として設計されたものはかなり大型であり、炉心内で相当な領域を占めている。一方、単一の筐体に封入されたアンチモン−ベリリウム複合ペレットを主体とする設計には、中性子源の製造中および操作中にアンチモンに溶解の可能性があり、その場合にはアンチモン−ベリリウム複合物が層状に分離して線源としての性能が劣化するという欠点がある。特許文献１に開示された中性子源の設計の欠点もまた、中性子源の製造中および操作中にアンチモンに溶解の可能性があるので、アンチモン−ベリリウム複合物が層状に分離して線源としての性能の劣化につながり得ることにある。

本発明の目的は、中性子源の信頼性を向上させることにある。

上記課題を解決する目的で請求される中性子源は、鋼鉄など、耐久性のある材料から成る容器であり、放射性元素であるアンチモンとベリリウムとを別々に収めたアンプルを同軸に内蔵している。容器のうち中央のアンプルの中にはアンチモンが収められている。この中央のアンプルは例えばニオブ基合金から成り、中にアンチモンが詰められる工程の間、かつ中性子源が操作されている間、アンチモンとは反応しない。中央のアンプルは密封されている。容器のうち、アンチモンが収められている中央のアンプルと外側のアンプルとの間には、ベリリウム粉層が位置する。ベリリウム粒層の空隙率は４５％であり、その粒径は６０−２００μｍである。外側のアンプルは、例えばマルテンサイト−フェライト二相組織鋼から成り、ベリリウムとの反応性が低い。

アンプルの上方には、ガス状の核分裂生成物を捕集して容量を補償する上側のガス捕集器が位置する。この上側のガス捕集器は、ばねによりワッシャー越しにアンプルに押し付けられている。容器の底では、反射器と下側のガス捕集器とがアンプルを支持している。上側および下側のガス捕集器、反射器、およびワッシャーは、マルテンサイト−フェライト二相組織鋼などの耐熱性材料から成る。容器の内部空間には、熱伝達を確実にする目的でヘリウムガスが充填されている。

容器は、上側と下側との２つの柱状部材（シャンク）で、アルゴンアーク溶接により密封されている。容器内に設置されたアンプルの隙間は０．１ｍｍである。アンプルは４つの肋材（リブ）を有する容器の中に位置することにより、更なる安全障壁で保護されている。

本発明の技術的効果は、冷却材と中性子源の主要部との間に安全障壁を追加することにより、中性子源の無故障動作、信頼性、および耐久性を向上させることである。本発明による上記の中性子源は、最初の起動を除く炉心の寿命期間の全体にわたり、常時液体中に沈められている制御棒（ＣＰＳロッド）を用いた未臨界状態からの原子炉の起動制御を確実に達成させることができる。

中性子源の全体の断面図である。 中性子源のアンプルの断面図である。

中性子源は、容器の中に収められたタイプであり、マルテンサイト−フェライト二相組織鋼から成る容器１を含む。この容器１は、平坦部分の直径が１２ｍｍであり、壁厚が０．４ｍｍである。この容器の外側には螺旋形の肋材（リブ）が４本設置されている。これらのリブに沿った直径は１３．５ｍｍであり、リブの成す螺旋形のピッチは７５０ｍｍである（図には示されていない）。

この容器はアンプル４を内蔵している。このアンプルには複数の空洞が同軸に設計されており、それぞれに放射性元素であるアンチモンとベリリウムとが別々に収められている。このアンプルの上方には上側のガス捕集器５が設置されている。このガス捕集器５は、ガス状の核分裂生成物を捕集して容器の容量を補償する役割を果たす。このガス捕集器５はばね６によりワッシャー７越しにアンプルに押し付けられている。容器の底では、反射器８と下側のガス捕集器９とがアンプルを支持している。容器の内部空間にはヘリウムガスが充填され、熱伝達を確実にしている。容器は上側と下側との２つの柱状部材（シャンク）３で密封されている。容器はアルゴンアーク溶接で密封されている。容器、上側と下側とのガス捕集器、反射器、およびワッシャーはいずれもマルテンサイト−フェライト二相組織鋼製である。

図２は、同軸に配置されたアンプルを示す。アンチモン１０は中央のアンプル１１の中に収められている。この中央のアンプル１１はニオブ基合金製であり、中にアンチモンが詰められる工程の間、かつ中性子源が操作されている間、アンチモンには反応しない。中央のアンプル１１と外側のアンプル１２との間にはベリリウム層が位置する（図には示されていない）。ベリリウムは粒径６０−２００μｍの粒体であり、ベリリウム粒層の空隙率は４５％である。外側のアンプル１２は、ベリリウムとの反応性が低いマルテンサイト−フェライト二相組織鋼製である。アンチモンが収められている中央のアンプルは密封されている。中央のアンプルおよびその付属物は例えばＶＮ−２ＡＥ合金製であってもよい。

アンプル４は、中性子源のマルテンサイト−フェライト二相組織鋼製容器１の中に、０．１ｍｍの隙間を空けて設置されている。このアンプルの主要部の長さは１９０ｍｍであり、中性子源（主要部）の全長は１，７２０ｍｍである。
冷却材と中性子源の主要部との間に安全障壁を追加していることにより、本願が請求する中性子源の設計、特にその主要部は原子炉施設の操作に、その５３，０００時間（約８年）もの稼働期間中、信頼性を与えることができる。

Claims (13)

1. 放射性元素としてアンチモンとベリリウムとの同位体を内蔵する容器を含み、
   前記容器は、前記容器の軸と同軸に配置されたアンプル容器を含み、
   前記容器のうち中央のアンプル容器の中にアンチモンが収められており、
   前記容器のうち中央のアンプル容器と外側のアンプル容器との間にベリリウムが位置し、
   前記容器のうち中央のアンプル容器は、中にアンチモンが詰められる工程の間、かつ前記中性子源が操作されている間、当該アンチモンには反応しない合金製であり、
   前記中央のアンプル容器を構成する合金はニオブを主成分とし、
   中央のアンプル容器と外側のアンプル容器との間に位置するベリリウムの粒径は、６０−２００μｍの粒体であり、前記容器内におけるベリリウム粒層の空隙率は４５％である
   ことを特徴とする中性子源。
2. 前記容器のうち外側のアンプル容器は、ベリリウムとの反応性が低い物質から成ることを特徴とする請求項１に記載の中性子源。
3. 前記外側のアンプル容器を構成する物質は、マルテンサイト−フェライト二相組織鋼であることを特徴とする請求項２に記載の中性子源。
4. 前記容器内に設置されたアンプル容器と前記容器との隙間は０．１ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載の中性子源。
5. 前記容器内のアンプル容器の上方に、ガス状の核分裂生成物を捕集して容量を補償するガス捕集器を備えている請求項１に記載の中性子源。
6. 前記ガス捕集器は、ばねによりワッシャー越しに前記容器内のアンプル容器に押し付けられていることを特徴とする請求項５に記載の中性子源。
7. 前記容器内のアンプル容器の底を支持する反射器と下側のガス捕集器とを備えている請求項１に記載の中性子源。
8. 前記容器の内部空間には、熱伝達を確実にする目的でヘリウムガスが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の中性子源。
9. 前記容器は密封されていることを特徴とする請求項１に記載の中性子源。
10. 前記容器は上側と下側との２つの柱状部材（シャンク）で密封されていることを特徴とする請求項９に記載の中性子源。
11. 前記容器はアルゴンアーク溶接で密封されていることを特徴とする請求項９に記載の中性子源。
12. 前記容器には、追加の安全障壁として螺旋形の肋材（リブ）が４つ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の中性子源。
13. 前記容器はマルテンサイト−フェライト二相組織鋼製であり、同じ素材から成るガス捕集器、反射器、およびワッシャーを含む請求項１に記載の中性子源。

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