JP6972189B2 - 原子炉の原子炉心 - Google Patents

Description

本発明は、原子力エネルギーの分野に関して、原子炉心外で熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換のある原子炉で使用可能である。特に、熱光電の場合、使用可能である。

ヒートパイプ付き原子炉心が知られている[米国特許出願「ヒートパイプで冷却されるモバイル高速炉」US No. 2016/0027536 А1、発表 2016/01/22]。

その明細書によると、原子炉の原子炉心は燃料棒および金属ブロックで囲まれた熱パイプの質量を含んでいる。燃料は原子炉燃料、凸および凹面鏡、反射鏡より高く又は低く位置されるガスキャビティを含む。熱パイプは揮発冷却材で埋めたシール容器および燈心を含む。熱パイプは内燃タービンでの作動ガス（空気、またはСО２)であるガス状の冷却材の原子炉心の外部に熱を伝達するために配置される。作動ガス（空気）の最高温度はタービンの入り口で1100Kぐらいである。

US No. 2016/0027536 А1

その技術的決定の欠点は原子炉心の出口にある冷却材の相対低い温度である。その結果、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換を使用が不可能になる。

指示される技術的決定に最も近いものは高速炉の原子炉心SAIRSである [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].
原子炉心は熱パイプおよび3つの燃料要素でできている60のモジュールを含む。

モジュールは互いに密接に配置され、三角形のパッケージを形成します。燃料要素のシェルは熱伝導で熱パイプに熱を伝達するレニウムの三面ブシュを通じて熱パイプのハウジングに溶接される。各燃料要素は、一端にガスキャビティを有する。燃料としては83.7％の濃縮のある窒化ウランのペレットが使用される。

その技術的決定の欠点は原子炉心の出口にある冷却材の相対低い温度（1200K) である。その結果、熱電形、熱電子、熱光電の減勢装置を効果的に利用できない。

本発明の目的は指示された欠点の除外することである。つまり、原子炉心の出口にある冷却材の温度上昇である。

技術的結果は原子力発電所の有効効率の上昇および原子炉心の応用範囲の拡大、特に熱光電の減勢装置のある原子炉である。

燃料要素および熱パイプでできている自主的モジュールを含む原子炉の原子炉心でその欠点を除外するには、提案されているのは:
−小穴のある固体中性子減速材を有する原子炉の原子炉心を備える;
−固体中性子減速材の小穴に位置し、ハウジングを有するモジュールを備える;
−熱パイプをモジュールのハウジングに位置する;
−各熱パイプの揮発ゾーンおよび燃料要素を液体冷却材入りのシュラウドに囲む;
−シュラウドとモジュールのハウジングの間に保温材を位置する;
−モジュールおよび固体中性子減速材の間に液体中性子減速材を満たす。
原子炉の原子炉心の構造の特別な場合:
−第1、モジュールの体腔にバキュームを作成する;
−第2、別の特別な場合、モジュールの体腔をキセノンなどの低熱伝導のガスで満たす;
−第3、液体中性子減速材として水を使う;
−第4、液体中性子減速材としてアルコール水溶液などの冬に凍らない液体を使う;
−第5、シュラウドの熱パイプの冷却材および液体冷却材として高沸点の液体金属を使う。例えば、リチウム、カルシウム、鉛、銀などである。

本発明の実体は図1および図２で説明される。
図１では、原子炉の原子炉心の構造の１つの横断面が表示される。 図２では、原子炉の原子炉心のモジュールの構造の１つの縦断面が表示される。 図３では、原子炉の原子炉心のモジュールの構造の1つの横断面が表示される。

各図では以下の位置的表示が指定される:
1−シュラウド;２−モジュールのハウジング;４−燃料要素のシェル;5−固体中性子減速材;6−保温材;7−熱パイプの燈心;8−個体中性子減速材のカバー;9ー核燃料。

本発明の実施の形態は次の通りである。

最低にハウジング３および燈心７でできている1つの熱パイプおよび、シェル4および核燃料でできている燃料要素を含む最低に1つのモジュールを含む原子炉の原子炉心には、最低に1つのモジュールが位置される固体中性子減速材5が装備される。熱パイプはモジュールのハウジングの中に位置され、蒸発区域および燃料要素は液体冷却材で埋まったシュラウド１に囲まれる。シュラウドとモジュールのハウジング2の間に保温材が位置され、固体中性子減速材5とモジュールの間は液体中性子減速材で囲まれる。固体中性子減速材5はベリリウムでできて、カバー8に囲まれる。固体減速材は中性子の熱スペクトルを確保するために指定される。固体中性子減速材5の縦の小穴に最低に原子炉心の1つのモジュールが位置される。固体減速材5のカバー5がジルコニウム合金などからでき、固体減速材5と液体減速材の化学的相反性を防止するために指定される。

原子炉心のモジュールがジルコニウム合金などの中性子を病弱に吸取する材料からハウジング2の形でできている。モジュール2のハウジングの中にはバキュームが作成されたか、またはキセノンなどの低い熱伝導のある不活性ガスに位置される。バキュームまたは不活性ガスは保温材6の効果的な操作を確保され、熱パイプのハウジング3の参加を防止する。

熱パイプは熱パイプのハウジング、熱パイプの燈心7からでき、液体金属の冷却材を含む。熱パイプは燃料要素に原子炉の原子炉心外部に消去する熱の除外に指定される。熱パイプのハウジング3はモリブデン、ニオブ、バナジウム又はその合金などの耐熱金属でできている。熱パイプの蒸発区域および燃料要素は液体冷却材で埋まったシュラウド１に囲まれる。

熱パイプの冷却材およびシュラウド１の液体冷却材として高沸点の液体金属を使用される。例えば、リチウム、カルシウム、鉛、銀などである。

シュラウド１とモジュールのハウジング2の間、モリブデンまたはニオブなどの耐熱金属でできているフォイルの数層でできている保温材6が位置される。保温材はモジュールのハウジング２を通して液体減速材に、熱漏れを防止するために指定される。

燃料要素は耐熱材でできているシェル4および核燃料9からなっている。核燃料9は二酸化物、窒化物、炭窒化物などの形にあるウランおよび（または）プルトニウムなどの核分裂物質を含んでいます。すべての燃料要素の核燃料は核分裂反応を実行するために必要となる臨界質量を形成する。

液体中性子減速材はモジュールと固体中性子減速材5の間にある破れ泡に位置されている。その目的は、中性子減速材効果を中性子減速材で追加して、熱中性子で核分裂反応の実行を可能にすることを確保することである。また、液体中性子減速材は固体中性子減速材およびモジュールのハウジングを冷却している冷却材の機能を果たしている。液体中性子減速材としては水、またはマイナス40度Сなどの温度で凍らない液体が使用される。

原子炉の原子炉心は次のように機能する。

燃料要素の核燃料9では発熱の核分裂反応が起る。解放した熱は燃料要素のシェルおよびシュラウド1を囲む液体冷却材を通して、熱パイプのハウジングに伝達される。熱パイプのハウジングは燈心7から蒸発され、冷却材の蒸気は熱パイプのハウジング3の内部空間を囲み、原子炉の原子炉心から減勢装置に転移熱をもたらし、そのところに凝縮し、燈心7で熱パイプの蒸気区域に戻る。揮発冷却材の熱伝達は熱源とその需要家の間にほぼ温度降下なしで行われる。そのため、原子炉の原子炉心の出口だけでなく、減勢装置位置にも比較的に高い冷却材の温度（1500-1800K)を受けられる。これは原子力発電所のより高い有効効率を確保し、そのような発電所の応用範囲を拡大する。

固体中性子減速材5は液体中性子減速材と一緒に熱中性子で核分裂反応の可能性を確保する。液体中性子減速材は固体中性子減速材を冷却する冷却材の機能も果たしている。保温材6のおかげで、モジュールのハウジング2を通した熱漏れは最小限に下ろすので、液体中性子減速材の温度は低い。これにより、液体中性子減速材として水または標準圧のアルコール水溶液を使えるようになる。

原子炉の原子炉心の実行の特定のバージョン。

固体中性子減速材5は1000ｍｍの直径、700ｍｍの合計高さ、70ｍｍの108の小穴のいくつかのベリリウム円盤ででき、ジルコニウム合金E110のカバーで囲まれている。固体中性子減速材の小穴にはモジュールが位置されます。各小穴には1ずつである。液体中性子減速材としては水が使用される。モジュールとの固体中性子減速材の小穴は三角形格子のノードに位置され、原子炉の原子炉心は全体として六角形を有する。

原子炉の原子炉心のモジュールは約60ｍｍの直径および1-2ｍｍの厚さのある円筒形のシール容器の形でジルコニウム合金E110からできている。モジュールのハウジングの中には熱パイプが位置されている。

20ｍｍの外径の熱パイプのハウジング3はモリブデンからできている。熱パイプのハウジング3の内面では、約40μmの四角格子のモリブデン格子の2層からできている熱パイプの燈心7が装置されている。熱パイプの燈心7は液体リチウムで囲まれている。熱パイプの蒸発区域は500mmの高さででき、6の燃料要素と一緒に液体リチウムで囲まれている47ｍｍの外形のシュラウド1に閉じ込められている。シュラウド1および燃料要素のハウジング4はモリブデンからできている。シュラウド1とモジュールのハウジング2の間にモリブデンフォイルの4層およびジルコニウムフォイルの5層からできたスクリーンバキューム保温材6が位置されている。モジュールのハウジングには残留ガス圧力の10^-1Pa以内のバキュームが作成されている。

13ｍｍの外径および1ｍｍの壁厚の燃料要素のシェル4はモリブデンからでき、19.75％の濃縮のある二酸化ウランのペレットで囲まれ、上下のプラグで梱包されている。燃料棒の高さは500ｍｍである。燃料棒の半径熱伝導を高めるには、燃料ペレットの間に薄いモリブデン座金が位置されている。燃料ペレットは核燃料9の上に位置されている空胴にガス状核分裂生成元素除去のための約3ｍｍの直系のセンター穴付きで作られている。原子炉心にある燃料要素の総数は432です。原子炉心の熱力が1200kWである場合、1つの燃料要素の平均力は2.8kWで、熱パイプで放熱されるモジュール力は16.8kWとなっている。燃料要素のシェル4の設計作業温度は1525Kとなっている。熱パイプの冷却材として Li⁷が使用され、液体減速材としては標準圧の水が使用されている。

最も近い技術的決定と比較して提案されている原子炉の原子炉心の利点は、原子炉心の出口に1200Kから1500Kまで冷却材の温度を高めることである。その結果は原子力発電所の有効効率の上昇につながる。さらに、原子炉心の分野を拡大できるようになる。特に熱光電の減勢装置の場合。

１ シュラウド
２ モジュールのハウジング
３ 熱パイプのハウジング
４ 燃料要素シェル
５ 固体中性子減速材
６ 冷却材
７ 熱パイプの燈心
８ 固体減速材のカバー
９ 核燃料
+水（図では番号付きなし）
+液体冷却材
+冷却剤の蒸気
+液体中性子減速材
原子炉心 = 固体中性子減速材 + 原子炉心のモジュール + 液体中性子減速材。
原子炉心のモジュール= モジュールのハウジング + 熱パイプ + 燃料要素 + 保温材
熱パイプ = 熱パイプのハウジング + 熱パイプの燈心 + 冷却材。
燃料要素 = ハウジング + 燃料 + 燃料要素の燈心

原子炉の原子炉心:
「...2.原子炉心は核燃料、減速材、吸収剤、冷却材、反応性の影響材および制御核分裂連鎖反応の実行および冷却材にエネルギーの伝達専用の構造部品などが位置されている原子炉の一部である。」
2007/12/10のRostekhnadzorの政令N 4「原子力の使用分野における連邦の規範と規則の承認と制定について「原子力発電所の原子炉系のための原子力安全規則。NP-082-07」（ロシア連邦法務省に登録済み 2008/01/21 N 10951) Consultant Plus, 1997-2017

Claims (4)

1. 最低に一つの熱パイプおよび、シェルおよび核燃料でできている燃料要素を含む最低に一つのモジュールを含む原子炉の原子炉心であって、
   前記原子炉心は、最低に１つの穴を備えた固体中性子減速材を備え、
   前記固体中性子減速材には、ハウジングを備えた最低に１つのモジュールが配置され、
   熱パイプはモジュールのハウジングの中に位置され、
   蒸発区域および燃料要素は液体冷却材で埋まったシュラウドに囲まれ、
   シュラウドとモジュールのハウジングの間に保温材が位置され、
   固体中性子減速材とモジュールの間は、液体中性子減速材で満たされる
   ことを特徴とする原子炉の原子炉心。
2. モジュールの体腔にバキュームが形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の原子炉の原子炉心。
3. モジュールの体腔は、低熱伝導のキセノンガスで満たされている
   ことを特徴とする請求項１に記載の原子炉の原子炉心。
4. 液体中性子減速材として水が使用される
   ことを特徴とする請求項１に記載の原子炉の原子炉心。

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