JP7060381B2 - 溶融塩原子炉および核分裂反応制御方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2014年12月31日に出願されたUS仮特許出願番号62/098,984「溶融塩原子炉およびその制御方法」、および2015年9月30日に出願されたUS仮特許出願番号62/234,889「溶融塩化物高速原子炉および燃料」に基づいて優先権主張するものであり、両出願が開示および教示する内容すべてが、本明細書に具体的に含まれる。
本発明は概して、核分裂原子炉に関する。
溶融塩原子炉(MSR)は核分裂原子炉の一種であり、その中において、燃料および冷却材が、ウランまたは他の核分裂可能な元素のような固体または溶解核燃料を含む溶融塩混合物の状態にある。MSRの一種に、溶融塩化物高速原子炉(MCFR)があり、塩化物ベースの燃料塩混合物を用いている。塩化物ベースの燃料塩混合物は高いウラン/超ウラン溶融性を持つため、他の種類のMSRよりもコンパクトなシステム設計が可能になる。MCFRの設計および運転パラメータ(例えば、コンパクトな設計、低圧力、高温、高出力密度)は、ゼロカーボンエネルギーに向けた、費用効果の高い、地球規模の解決の可能性をもたらす。
記載された技術によって提供されるのは、溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を含むよう構成された原子炉心を備える溶融塩原子炉である。上記原子炉心に接続された溶融燃料塩制御システムが、選択された体積の上記溶融燃料塩を上記原子炉心から除去して、上記溶融塩原子炉の反応度を示すパラメータを、ノミナルの反応度の選択された範囲内に保つよう構成されている。
一つの実施では、溶融塩原子炉は、溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を維持するよう構成された原子炉心を備える。上記溶融燃料塩制御システムは溶融燃料塩交換システムを有しており、上記溶融燃料塩交換システムは、上記原子炉心と流体的に接続されており、選択された体積の上記溶融燃料塩を、選択された親物質と担体塩の混合物を含む選択された体積の供給物質と交換するよう構成されている。他の実施では、上記溶融燃料塩制御システムは体積押しのけ制御システムをさらに有し、上記体積押しのけ制御システムは、上記原子炉心に挿入可能な一つまたは複数の体積押しのけ本体を有する。各体積押しのけ本体は、上記原子炉心に挿入されると、上記原子炉心から、選択された体積の溶融燃料塩を体積的に押しのけるよう構成されている。一つの実施では、上記体積押しのけ本体は、上記選択された体積の溶融燃料塩を上記原子炉心から、例えば溢出システムを介して除去する。
図1は、MCFR親炉とMCFR子炉を有する溶融塩化物高速原子炉(MCFR)燃料サイクルの一例を示す概略図である。
溶融塩高速原子炉システムは、高速中性子スペクトル核分裂原子炉において溶融燃料塩を用いる。ある種類の溶融塩原子炉は、核分裂性燃料の担体塩としてフッ化塩を含む。他の種類の溶融塩原子炉は、核分裂性燃料の担体塩として塩化物を含む溶融塩化物高速原子炉(MCFR)である。以下では溶融塩化物原子炉について記載するが、本明細書の記載、諸要素、諸方法はいかなる溶融燃料塩原子炉にも適用できるものと理解されたい。
他の実施では、反応度は、測定された反応度パラメータ(上述)のうち一つまたは複数を用いて決定される。一つの実施では、炉心部302の反応度は、ルックアップテーブルを用いてコントローラ328によって決められる。他の実施では、炉心部302の反応度は、一つまたは複数のモデルを用いてコントローラ328によって決められる。他の実施では、反応度パラメータは、オペレータによって決められ、オペレータインタフェースを介してコントローラ328に直接入力されてよい。ここで、反応度パラメータセンサ330はMCFRシステム300の炉心部302内の燃料塩308内に位置すると記載したが、この構成は、先に述べたように、本実施を限定するものではない。一つの実施では、決定された反応度パラメータ(測定値またはモデル値)または反応度を示すパラメータが、あらかじめ定められた反応度閾値と比べられる。決定された反応度パラメータまたは反応度を示すパラメータが制御条件を満たすならば(例えば、上限閾値を上回るか下限閾値を下回る)、制御システム(例えば、溶融燃料塩交換システム、体積押しのけシステム、および/または他の制御システム)を作動させて炉心部302の反応度を調節して、ノミナルの反応度範囲に戻るようにしてよい。
1)酸化還元(化学的還元酸化)の測定
2)オンラインでのサンプルのグロー放電質量分析
3)炉心の反応度の変化
4)GDMS(glass discharge mass spectroscopy)を含むオフラインでのサンプル分析
5)ガンマ分光法
上記混合物の具体的な組成は、UCl4、UCl3、またはNaClの二つまたはそれ以上を含む任意の組成であり、それにより生じるウラン含有レベルおよび溶融温度が所望のレベルを達成するようにしてよい。非限定的な例として、対応する溶融温度が330から800℃のあいだになるように具体的な組成を選択してよい。他の非限定的な例として、全体のウラン含有レベルが61重量%以上であるように具体的な組成を選択してよい。全体のウラン含有レベルを選択するのに加えて、選択された量の核分裂ウラン(親ウランとは反対に)を満たすよう、燃料組成を決定してもよい。例えば、溶融燃料塩の具体的な組成を、溶融燃料塩のU-235含有量が20%未満になるように選択してよい。
Claims (31)
- 溶融塩原子炉であって、
溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を含むよう構成された非減速の原子炉心と、
上記原子炉心に接続された溶融燃料塩制御システムであって、選択された体積の上記溶融燃料塩を上記原子炉心から除去して、上記溶融塩原子炉の反応度を示すパラメータを、ノミナルの反応度の選択された範囲内に保つよう構成された溶融燃料塩制御システムと、を備え、
上記溶融燃料塩制御システムは溶融燃料塩交換システムを有しており、上記溶融燃料塩交換システムは、上記原子炉心と流体的に接続されており、選択された体積の上記溶融燃料塩を、選択された親物質と担体塩との混合物を含む選択された体積の供給物質と交換するよう構成され、
上記供給物質は、濃縮燃料物質を含まず、
上記供給物質の体積および組成を表わす供給燃料塩ベクトルは、上記溶融塩原子炉内の目標とする目標燃料塩の体積および組成を表わす目標燃料塩ベクトルから、上記選択された体積の上記溶融燃料塩を除去したあとに上記溶融塩原子炉に残っている上記溶融燃料塩の体積および組成を表わす調整済燃料塩ベクトルが減じられて得られ、
前記核分裂反応が高速スペクトル中性子を生成する、
溶融塩原子炉。 - 上記溶融燃料塩交換システムは、上記供給物質を上記原子炉心内に送る供給燃料補給ユニットを有している、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、選択された体積の上記供給物質を上記原子炉心内に送る供給燃料補給ユニットを有している、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、選択された組成の上記供給物質を上記原子炉心内に送る供給燃料補給ユニットを有している、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、上記選択された体積の上記溶融燃料塩を使用済燃料として原子炉心から運ぶ使用済燃料運搬ユニットを有している、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、上記選択された体積の上記溶融燃料塩を上記原子炉心から移すのと、上記供給物質を上記原子炉心へ移すのを同時に行う、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、上記原子炉心内で、上記供給物質を上記選択された体積の上記溶融燃料塩と交換することにより、上記核分裂反応の反応度を制御する、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、上記原子炉心内で、上記供給物質を上記選択された体積の上記溶融燃料塩と交換することにより、上記核分裂反応における上記溶融燃料塩の組成を制御する、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融塩原子炉は高速スペクトル核分裂原子炉であり、上記溶融燃料塩は塩化物を含む、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、上記原子炉心内で、上記供給物質を上記選択された体積の上記溶融燃料塩と交換することにより、上記高速スペクトル核分裂原子炉におけるUCl3-UCl4-NaClの組成を制御する、請求項9に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩交換システムは、選択された体積の上記溶融燃料塩を、選択された体積の上記供給物質と繰り返し交換して、上記溶融塩原子炉の反応度を示す上記パラメータを、ノミナルの反応度の選択された範囲内に長期にわたって保つよう構成されている、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記原子炉心に近接して配置された反応度パラメータセンサであって、上記原子炉心の反応度を示す一つまたは複数のパラメータをモニタするよう構成された反応度パラメータセンサと、
上記反応度パラメータセンサと通信可能に接続されて、上記原子炉心の反応度を示す上記一つまたは複数のパラメータを受け取るコントローラであって、上記選択された体積の上記溶融燃料塩と、選択された親物質と担体塩の混合物を含む上記選択された体積の供給物質との交換を、上記一つまたは複数のパラメータに基づいて制御するよう構成されたコントローラと、をさらに備える、請求項1に記載の溶融塩原子炉。 - 上記溶融燃料塩制御システムは体積押しのけ制御システムをさらに有し、上記体積押しのけ制御システムは、上記原子炉心に挿入可能な一つまたは複数の体積押しのけアセンブリを有し、各体積押しのけアセンブリは、上記原子炉心に挿入されると、上記原子炉心から、選択された体積の溶融燃料塩を体積的に押しのけるよう構成されている、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 上記溶融燃料塩制御システムは体積押しのけ制御システムをさらに有し、上記体積押しのけ制御システムは、上記原子炉心に挿入可能な一つまたは複数の体積押しのけ本体を有し、各体積押しのけ本体は、上記原子炉心に挿入されると、上記原子炉心から、選択された体積の溶融燃料塩を体積的に押しのけるよう構成されている、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を含むよう構成された原子炉心と、
上記原子炉心に接続された溶融燃料塩制御システムであって、選択された体積の上記溶融燃料塩を上記原子炉心から除去して、溶融塩原子炉の反応度を示すパラメータを、ノミナルの反応度の選択された範囲内に保つよう構成された溶融燃料塩制御システムと、を備え、
上記溶融燃料塩制御システムは体積押しのけ制御システムをさらに有し、上記体積押しのけ制御システムは、上記原子炉心に挿入可能な一つまたは複数の体積押しのけ本体を有し、各体積押しのけ本体は、上記原子炉心に挿入されると、上記原子炉心から、選択された体積の溶融燃料塩を体積的に押しのけるよう構成され、上記体積押しのけ制御システムは、溶融燃料塩溢出システムをさらに有し、上記溶融燃料塩溢出システムは、上記体積押しのけ本体によって上記原子炉心の許容充填水平面より上に押しのけられた溶融燃料塩を運ぶよう構成されている、溶融塩原子炉。 - 上記溶融燃料塩制御システムは体積押しのけ制御システムをさらに有し、上記体積押しのけ制御システムは、上記原子炉心に挿入可能な一つまたは複数の体積押しのけ本体を有し、各体積押しのけ本体は、上記原子炉心に挿入されると、上記原子炉心から、選択された体積の溶融燃料塩を体積的に押しのけるよう構成され、上記体積押しのけ制御システムは複数の挿入深度で上記原子炉心に挿入されることで、上記溶融塩原子炉の反応度を示す上記パラメータを、ノミナルの反応度の選択された範囲内に長期にわたって保つことができる、請求項1に記載の溶融塩原子炉。
- 非減速の原子炉心内で溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を維持する工程と、
溶融塩原子炉の反応度を示すパラメータをノミナルの反応度の選択された範囲内に保つように、選択された体積の上記溶融燃料塩を上記原子炉心から除去する工程と、
上記選択された体積の上記溶融燃料塩を、選択された親物質と担体塩の混合物を含む選択された体積の供給物質と交換する工程と、を含み、
上記供給物質は、濃縮燃料物質を含まず、
上記供給物質の体積および組成を表わす供給燃料塩ベクトルは、上記溶融塩原子炉内の目標とする目標燃料塩の体積および組成を表わす目標燃料塩ベクトルから、上記選択された体積の上記溶融燃料塩を除去したあとに上記溶融塩原子炉に残っている上記溶融燃料塩の体積および組成を表わす調整済燃料塩ベクトルが減じられて得られ、
前記核分裂反応が高速スペクトル中性子を生成する、方法。 - 上記交換する工程は、上記供給物質を上記原子炉心内に運ぶ工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 上記交換する工程は、選択された体積の上記供給物質を上記原子炉心内に運ぶ工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 上記交換する工程は、選択された組成の上記供給物質を上記原子炉心内に運ぶ工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 上記交換する工程は、上記選択された体積の上記供給物質に基づいて、上記原子炉心の上記反応度を制御する工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 上記交換する工程は、選択された組成の上記供給物質に基づいて、上記原子炉心内で上記核分裂反応に燃料を供給する上記溶融燃料塩の組成を制御する工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 上記交換する工程は、選択された組成の上記供給物質に基づいて、上記原子炉心内で上記核分裂反応に燃料を供給するUCl3-UCl4-NaClの組成を制御する工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 上記溶融燃料塩の交換条件が満たされたことをモニタする工程と、
上記選択された体積の上記溶融燃料塩と、選択された親物質と担体塩の混合物を含む上記選択された体積の供給物質との交換を、上記交換条件が満たされたことに応じて制御する工程と、をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 上記原子炉心の反応度を示す一つまたは複数の反応度パラメータをモニタする工程と、
上記選択された体積の上記溶融燃料塩と、選択された親物質と担体塩の混合物を含む上記選択された体積の供給物質との交換を、上記一つまたは複数の反応度パラメータに基づいて制御する工程と、をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 上記原子炉心の上記溶融燃料塩の組成を示す一つまたは複数の組成パラメータをモニタする工程と、
上記選択された体積の上記溶融燃料塩と、選択された親物質と担体塩の混合物を含む上記選択された体積の供給物質との交換を、上記一つまたは複数の組成パラメータに基づいて制御する工程と、をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 上記除去する工程は、一つまたは複数の体積押しのけ本体を上記原子炉心内の溶融燃料塩に挿入することで上記選択された体積の溶融燃料塩を上記原子炉心から体積的に押しのける工程を含む、請求項17に記載の方法。
- 原子炉心内で溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を維持する工程と、
溶融塩原子炉の反応度を示すパラメータをノミナルの反応度の選択された範囲内に保つように、選択された体積の上記溶融燃料塩を上記原子炉心から除去する工程と、を含み、
上記除去する工程は、
一つまたは複数の体積押しのけ本体を上記原子炉心内の溶融燃料塩に挿入することで上記選択された体積の溶融燃料塩を上記原子炉心から体積的に押しのける工程と、
上記体積的に押しのけられた体積の溶融燃料塩が上記体積押しのけ本体によって上記原子炉心の許容充填水平面より上に押しのけられたとき、上記体積的に押しのけられた体積の溶融燃料塩を、上記原子炉心から、溶融燃料塩溢出システムを介して運ぶ工程と、を含む、方法。 - 各体積押しのけ本体は、上記原子炉心に挿入されると、上記原子炉心から、選択された体積の溶融燃料塩を体積的に押しのけるよう構成され、体積押しのけ制御システムは複数の挿入深度で上記原子炉心に挿入されることで、上記溶融塩原子炉の反応度を示す上記パラメータを、ノミナルの反応度の選択された範囲内に長期にわたって保つことができる、
請求項27に記載の方法。 - 溶融塩原子炉であって、
溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を維持するよう構成された非減速の原子炉心と、
選択された体積の上記溶融燃料塩を、選択された親物質と担体塩の混合物を含む選択された体積の供給物質と交換する手段と、を備え、
上記供給物質は、濃縮燃料物質を含まず、
上記供給物質の体積および組成を表わす供給燃料塩ベクトルは、上記溶融塩原子炉内の目標とする目標燃料塩の体積および組成を表わす目標燃料塩ベクトルから、上記選択された体積の上記溶融燃料塩を除去したあとに上記溶融塩原子炉に残っている上記溶融燃料塩の体積および組成を表わす調整済燃料塩ベクトルが減じられて得られ、
前記核分裂反応が高速スペクトル中性子を生成する、溶融塩原子炉。 - 溶融塩原子炉であって、
溶融燃料塩によって燃料を供給される核分裂反応を維持するよう構成された非減速の原子炉心と、
選択された体積の上記溶融燃料塩を上記原子炉心から除去して、上記溶融塩原子炉の反応度を示すパラメータを、ノミナルの反応度の選択された範囲内に保つ手段と、を備え、
上記保つ手段は、上記原子炉心と流体的に接続されており、選択された体積の上記溶融燃料塩を、選択された親物質と担体塩との混合物を含む選択された体積の供給物質と交換するよう構成され、
上記供給物質は、濃縮燃料物質を含まず、
上記供給物質の体積および組成を表わす供給燃料塩ベクトルは、上記溶融塩原子炉内の目標とする目標燃料塩の体積および組成を表わす目標燃料塩ベクトルから、上記選択された体積の上記溶融燃料塩を除去したあとに上記溶融塩原子炉に残っている上記溶融燃料塩の体積および組成を表わす調整済燃料塩ベクトルが減じられて得られ、
前記核分裂反応が高速スペクトル中性子を生成する、溶融塩原子炉。
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