JP7273743B2

JP7273743B2 - 毒物添加炉心および宇宙用原子炉

Info

Publication number: JP7273743B2
Application number: JP2020020880A
Authority: JP
Inventors: 宇宙中込; 研一吉岡; 怜志和田; 晴夫宮寺; 礼木村; 宰杉田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2020-02-10
Filing date: 2020-02-10
Publication date: 2023-05-15
Anticipated expiration: 2040-02-10
Also published as: JP2021127997A

Description

本発明の実施形態は、毒物添加炉心および宇宙用原子炉に関する。

外惑星探査船は、小型かつ高出力な電源を必要としており、このような点で、原子炉が注目されている。一般的に使用されてきた化学電池、太陽光電池などは、出力密度が低いため、遠方探査に向け高出力化を図ろうとした場合、装置が大型化する課題がある。また、太陽光電池によっては、太陽光が届かない遠隔領域での使用には限界がある。一方、原子炉は、エネルギー密度の高い核燃料を使用しているため小型かつ高出力な電源となり、外惑星探査船の動力源として適している。

原子炉を用いた発電は、燃料である核分裂性核種が中性子をとらえて核分裂し、核分裂により生じた核分裂片の運動エネルギーを熱に変換し、その熱をさらに電気に変換している。原子炉では、連続的かつ安定的に高出力な電気を供給するために、核分裂が連鎖的に起こるように燃料集合体の体系が構成されており、放出する中性子数と消滅する中性子数の比がバランスしている場合を臨界とし、消滅する中性子が多い場合を未臨界としている。

一般的に、原子炉は、中性子を吸収する制御棒を内部に備え、核崩壊により放出された中性子を吸収することで連鎖反応を抑制し、未臨界状態にすることにより安全性を確保している。

特開２０１０－１４４９３号公報

「ＪＥＮＤＬ－４．０データ」２０１６年２月２日、日本原子力研究開発機構、核データ研究グループ

しかしながら、前述した宇宙用原子炉は核燃料集合体を内部に設け、ロケットに搭載し打ち上げられるため、振動や打ち上げ失敗時の爆発や落下の影響により挿入された制御棒が正しい位置から外れる可能性がある。したがって、このように制御棒がその非常停止機能を発揮しない可能性を考慮した強固な安全対策を施す必要がある。従来の原子炉の構成の場合には、制御棒を燃料集合体の内部に装備することにより、未臨界状態を確保するが、上述した影響により、制御棒を燃料集合体内部に挿入できずに未臨界状態を担保することが困難となる危険性がある。

宇宙用原子炉は、学術的な惑星探査機だけではなく今後発展が予想される宇宙産業分野において、商業用の衛星や宇宙船にも搭載が期待されるが、宇宙での使用を想定した場合に、地上での発電を想定した原子炉と比較して、さらなる安全性の強化と軽量化が要求される。

そこで、本発明の実施形態は、宇宙用原子炉において、外部装置を使用することなく、必要期間を未臨界状態に保った後に、臨界状態に移行可能とすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る毒物添加燃炉心は、核分裂性核種を含む燃料物質と、自然崩壊により別の中性子吸収核種となり前記別の中性子吸収核種の中性子吸収断面積より大きな中性子吸収断面積を有する中性子吸収核種を含む毒物と、を含む燃料要素と、中性子を減速する減速材を含む固体状の減速材部と、を備え、初期には外部からの負の反応度の付加なしに未臨界状態にあり、前記中性子吸収核種は、ユーロピウム１５２およびユーロピウム１５４、ガドリニウム１５３、ディスプロシウム１５９の少なくともいずれか１つを含む、ことを特徴とする。

また、本実施形態に係る宇宙用原子炉は、毒物添加炉心と、前記毒物添加炉心の反応度を制御するために負の反応度を印加する制御機構と、前記毒物添加炉心で発生した熱を除去する冷却機構と、を備え、前記毒物添加炉心は、核分裂性核種を含む燃料物質と、自然崩壊により別の中性子吸収核種となり前記別の中性子吸収核種の中性子吸収断面積より大きな中性子吸収断面積を有する中性子吸収核種を含む毒物と、を含む燃料要素と、中性子を減速する減速材を含む固体状の減速材部と、を具備し、初期には外部からの負の反応度の付加なしに未臨界状態にあり、前記中性子吸収核種は、ユーロピウム１５２およびユーロピウム１５４、ガドリニウム１５３、ディスプロシウム１５９の少なくともいずれか１つを含む、ことを特徴とする。

実施形態に係る宇宙用原子炉の構成を示す立断面図であり、図２のＩ－Ｉ矢視立断面図である。実施形態に係る宇宙用原子炉の構成を示す図１のＩＩ－ＩＩ矢視横断面図である。実施形態に係る宇宙用原子炉の制御機構の構成を示す概念的断面図である。実施形態に係る宇宙用原子炉の燃料要素に用いる毒物の例としてのＥｕ１５２とその崩壊により生ずるＧｄ１５２の捕獲断面積を比較したグラフである。実施形態に係る宇宙用原子炉の燃料要素に用いる毒物の例としてのＥｕ１５４とその崩壊により生ずるＧｄ１５４の捕獲断面積を比較したグラフである。実施形態に係る宇宙用原子炉に用いる毒物としてのＥｕ１５２およびＥｕ１５４を用いた場合の毒物添加炉心の状態の時間変化の算出のための解析モデルを示す部分平面図である。実施形態に係る宇宙用原子炉に用いる毒物としてのＥｕ１５２およびＥｕ１５４を用いた場合の炉心の状態の時間変化の例を示すグラフである。実施形態に係る宇宙用原子炉の各段階における状態外惑星探査船を示す概念的なグラフである。実施形態に係る宇宙用原子炉を用いた外惑星探査船の各段階における動力源を示す概念的なグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る毒物添加燃料集合体、毒物添加炉心および宇宙用原子炉について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。

図１は、第１の実施形態に係る宇宙用原子炉の構成を示す立断面図であり、図２のＩ－Ｉ矢視立断面図である。また、図２は、図１のＩＩ－ＩＩ矢視横断面図である。

宇宙用原子炉１００は、毒物添加炉心１０、原子炉容器２０、冷却機構３０、制御機構４０、および計測通信部５０を有する。

毒物添加炉心１０は、複数の燃料要素１１、および減速材部１２を有する。毒物添加炉心１０全体の形状は円柱状である。毒物添加炉心１０の詳細については、後述する。原子炉容器２０は、毒物添加炉心１０等を収納する密閉容器であり、後述するヒートパイプ３１が貫通する部分については、溶接等でシールされている。

冷却機構３０は、毒物添加炉心１０で発生した熱を、原子炉容器２０の外部に移送する。冷却機構３０は、ヒートパイプ３１、放熱パネル３２および熱電変換部３５を有する。ヒートパイプ３１は、長手方向の一方の端部を含む加熱部３１ａと、他方の端部を含む冷却部３１ｂとを有する。加熱部３１ａは、毒物添加炉心１０の内部に挿入されている。また、冷却部３１ｂは、原子炉容器２０の外側に延びている。冷却部３１ｂは、放熱パネル３２に接しており、冷却部３１ｂから放熱パネル３２に熱が移動しやすいように形成されている。放熱パネル３２は、長方形の板状で、冷却部３１ｂの長手方向に延びて、幅方向すなわち長手方向に垂直な方向に拡がっている。

ヒートパイプ３１には、原子炉容器２０の外側であって冷却部３１ｂの入口近傍の位置に、熱電変換部３５が取り付けられている。熱電変換部３５は、ヒートパイプ３１から熱を受けて電力に変換する。熱電変換部３５で発生した電力は、ケーブル３６を介して、制御機構４０および計測通信部５０に送られる。

毒物添加炉心１０は、全体として円柱形状である。毒物添加炉心１０は、円柱の中心軸から同軸の層状に径方向に構成要素が配されている。

減速材部１２は、第１領域減速部材１２ａ、第２領域減速部材１２ｂ、第３領域減速部材１２ｃ、第４領域減速部材１２ｄを有する。

毒物添加炉心１０の構成は、径方向の外側に向かって、第１領域減速部材１２ａ、燃料第１領域１１ａの燃料要素１１、第２領域減速部材１２ｂ、燃料第２領域１１ｂの燃料要素１１、第３領域減速部材１２ｃ、燃料第３領域１１ｃの燃料要素１１、第４領域減速部材１２ｄの順に層状に配されている。なお、減速部材が４つの領域、燃料部材が３つの領域に配されているが、これらの層数は、さらに少ない場合、あるいはさらに多い場合であってもよい。

第１領域減速部材１２ａ、第２領域減速部材１２ｂ、第３領域減速部材１２ｃ、第４領域減速部材１２ｄは、それぞれ、金属の水素化物であり、固体状である。水素化物としては、たとえば、水素化カルシウム（ＣａＨ_２）あるいは水素化ジルコニウム（ＺｒＨ_２）などを用いることができる。

各燃料要素１１は、これらの減速材部１２に機械的に支持されて、相対的な位置を維持している。

燃料第１領域１１ａ、燃料第２領域１１ｂ、燃料第３領域１１ｃのそれぞれは、複数の燃料要素１１が周方向に互いに隣接しながら配されて円環状の一つの層を形成している。具体的には、燃料第１領域１１ａには２つ、燃料第２領域１１ｂには４つ、燃料第３領域１１ｃには８つの燃料要素１１が配されている。なお、１つの層内の燃料要素１１の数については、これらの数に限定されない。

それぞれの燃料要素１１は、軸方向に延び、横断面形状は厚みのある円弧状をなしている。それぞれの燃料要素１１の配されている領域には、燃料要素１１に囲まれて、ヒートパイプ３１の加熱部３１ａが配されている。

燃料要素１１は、核分裂性物質および毒物を含む。核分裂性物質は、少なくともウラン、トリウムあるいは超ウラン元素等のいずれかを含む。毒物は、中性子捕獲断面積の大きな同位元素を含む。

燃料要素１１の材料の形態は、たとえば金属であるが、これには限定されない。たとえば、酸化物、窒化物、あるいは炭化物等でもよい。燃料要素１１は、核分裂性物質の反応で生ずる核分裂生成物を封じ込めるために、周囲を覆う金属の被覆部（図示せず）を有する。

燃料要素１１に含まれる毒物は、次の２つの条件を満たす同位元素を含むものとする。

第１に、中性子捕獲断面積の大きな同位元素であり、たとえばベータ崩壊などの自然崩壊により中性子捕獲断面積が相対的に小さな別の同位元素に転換すること。

第２に、自然崩壊の半減期が適切な長さであること。ここで、適切な長さとは、燃料要素１１の製造段階から外惑星探査船の打ち上げ終了までの期間に比べて十分に長い時間であり、かつ、太陽光の到達可能領域内にとどまっている期間内の時間であること。

このような同位元素の例としては、ユーロピウム－１５２（Ｅｕ１５２）およびユーロピウム－１５４（Ｅｕ１５４）がある。

Ｅｕ１５２は、ベータ崩壊でガドリニウム－１５２（Ｇｄ１５２）に転換し、その半減期は、約１３．５年である。また、Ｅｕ１５４は、ベータ崩壊でＧｄ１５４に転換し、その半減期は、約８．６年である。

制御機構４０は毒物添加炉心１０の反応度を制御する。制御機構４０は、挿入管４１、制御材リザーバ４２、およびこれらを接続する接続管４３を有する。挿入管４１、制御材リザーバ４２および接続管４３は、密閉空間を構成しており、たとえば、^１０Ｂを含むホウ酸など液体状の制御材を内包している。

第４領域減速部材１２ｄの配されている領域には、２つの制御機構４０の制御材リザーバ４２が第４領域減速部材１２ｄに囲まれて設けられている。また、第２領域減速部材１２ｂが設けられている領域には、挿入管４１が第２領域減速部材１２ｂに囲まれて設けられている。

なお、制御材リザーバ４２は、減速材部１２内の領域に設けることに限定されない。たとえば、制御棒リザーバ４２の周囲に燃料領域を設ける、あるいは制御材リザーバ４２を燃料要素１１の内部に設置することでもよい。

原子炉容器２０内で、燃料要素１１および減速材部１２が設けられていない部分は、ガス収納空間２５となっている。ガス収納空間２５内には、たとえば水素ガスなどのガスが充填されている。ガスの圧力は、炉心１０の運転温度の下での減速材部１２の材料である金属水素化物の水素圧力と同等以上の圧力とする。

図３は、実施形態に係る宇宙用原子炉の制御機構４０の構成を示す概念的断面図である。挿入管４１が、減速材部１２が設けられている領域に配されている。挿入管４１は、図２に示すように、毒物添加炉心１０内のインポータンスの高い領域、すなわち中性子吸収材４４の効果の大きな領域である径方向の中心に近い領域に設けられている。

一方、制御材リザーバ４２は、毒物添加炉心１０の径方向の外側の領域に設けられている。制御材リザーバ４２には、液体状の中性子吸収材４４が収納されている。中性子吸収材４４は、接続管４３も満たし、挿入管４１の一部にまで充填されている。

このように構成されている本実施形態の宇宙用原子炉１００における制御機構４０の作用について、以下に説明する。

宇宙用原子炉１００の出力が増大すると、毒物添加炉心１０の温度が上昇する。このため、制御材リザーバ４２内の中性子吸収材４４が熱膨張し、挿入管４１内を占有する中性子吸収材４４の割合が増加する。この結果、負の反応度が投入され、宇宙用原子炉１００の出力を低下させる。このように、毒物添加炉心１０は制御機構４０と相俟って、自律的な反応度制御性を有する。

また、制御材リザーバ４２の周囲に燃料領域が有る場合は、制御材リザーバ４２の周囲の燃料領域でも中心側から漏れ出た中性子による核反応で発熱し、制御材リザーバ４２の周囲温度の上昇が速くなる。このため、一般に熱伝導性の低い金属水素化物を有する減速材部１２中に燃料要素１１が置かれている場合に比べて、毒物添加炉心１０の温度上昇に対する負の反応度投入の応答性が高くなる。

以上のように、制御機構４０によって、安定な臨界状態での運転が維持される。

なお、本実施形態に係る宇宙用原子炉１００は、図示しない外惑星探査船の推力用の動力源として設けられるが、外惑星探査船は、宇宙用原子炉１００以外に、図示しない太陽光発電装置を備えている。

図４は、実施形態に係る宇宙用原子炉１００の燃料要素１１に用いる毒物の例としてのＥｕ１５２とその崩壊により生ずるＧｄ１５２の捕獲断面積σｃを比較したグラフである。

宇宙用原子炉１００は熱中性子炉であり、Ｅｕ１５２およびＧｄ１５２ともに熱中性子領域側で大きな捕獲断面積σｃを有する。常温２０℃に対応する平衡状態での中性子エネルギーは、０．０２５ｅＶ程度であるので、熱中性子領域として１０^－２ｅＶないし１０^－１ｅＶの領域でのＥｕ１５２およびＧｄ１５２の捕獲断面積σｃを比較する。

１０^－２ｅＶないし１０^－１ｅＶでのＥｕ１５２の捕獲断面積σｃは、２×１０^４ｂａｒｎｓから３×１０^３ｂａｒｎｓ程度のレベルである。またこの領域でのＧｄ１５２の捕獲断面積σｃは、３．５×１０^２ｂａｒｎｓからの１．５×１０^３ｂａｒｎｓ程度のレベルである。すなわち、熱中性子領域において、Ｇｄ１５２の捕獲断面積σｃはＥｕ１５２の捕獲断面積σｃより一桁程度低い値となる。

図５は、実施形態に係る宇宙用原子炉１００の燃料要素１１に用いる毒物の例としてのＥｕ１５４とその崩壊により生ずるＧｄ１５４の捕獲断面積σｃを比較したグラフである。

１０^－２ｅＶないし１０^－１ｅＶでのＥｕ１５４の捕獲断面積σｃは、１．５×１０^３ｂａｒｎｓから２×１０^３ｂａｒｎｓ程度のレベルである。またこの領域でのＧｄ１５４の捕獲断面積σｃは、４×１０^１ｂａｒｎｓからの１．５×１０^３ｂａｒｎｓ程度のレベルである。すなわち、熱中性子領域において、Ｇｄ１５４の捕獲断面積σｃはＥｕ１５４の捕獲断面積σｃより一桁程度低い値となる。

図６は、実施形態に係る宇宙用原子炉に用いる毒物としてのＥｕ１５２およびＥｕ１５４を用いた場合の毒物添加炉心の状態の時間変化の算出のための解析モデルを示す部分平面図であり、図７は、解析結果による毒物添加炉心の状態の時間変化の例を示すグラフである。

解析は、単一のセルモデルについて行う。セルは、中央に燃料ピン、その周囲に減速材としての水が配されている。周囲に隣接する他のセルとの関係で、セルの外周において外側に向かう中性子は、完全に反射されるものとして取り扱う。燃料ピンは、Ｅｕ１５２およびＥｕ１５４の合計量の燃料中の割合を０．１５％としている。

図７で示す解析例の結果のグラフは、横軸は、毒物添加炉心を構成して以降の時間（年）、縦軸は、左軸が実効増倍率、右軸が原子数（相対値）である。

この例に示す場合は、当初、実効増倍率は０．９６であり未臨界状態であったものが、Ｅｕ１５２およびＥｕ１５４の崩壊により約２．７年目に実効増倍率が１に到達する。この後、さらにＥｕ１５２およびＥｕ１５４の崩壊が継続することから実効増倍率が増加していく。

このように、最初の２．７年間は未臨界状態が維持される。その後は、臨界状態に維持するための反応度制御状態を継続することになる。

以上、宇宙用原子炉１００の燃料要素１１に用いる毒物の例としてＥｕ１５２とＥｕ１５４とを用いた場合を例にとって示したが、これに限定されない。たとえば、ディスプロシウム－１５９（Ｄｙ１５９）あるいはガドリニウム－１５３（Ｇｄ１５３）を用いる場合であってもよい。Ｄｙ１５９はベータ崩壊によってホロミウム－１５９（Ｈｏ１５９）に転換する。

図８は、実施形態に係る宇宙用原子炉の各段階における毒物添加炉心の状態を示す概念的なグラフであり、図９は、実施形態に係る宇宙用原子炉を用いた外惑星探査船の各段階における動力源を示す概念的なグラフである。

図８および図９のグラフの横軸は、時間軸であり、第１段階、第２段階および第３段階に分かれている。

図８に示すように、第１段階および第２段階においては、毒物添加炉心は未臨界状態であり、第３段階では臨界状態である。

また、前述のように、本実施形態に係る宇宙用原子炉１００を推力用の動力源として備える図示しない外惑星探査船は、宇宙用原子炉１００以外に、図示しない太陽光発電装置を備えている。図９に示すように、外惑星探査船の動力源としては、第１段階においては打ち上げ推力、第２段階においては太陽光、および第３段階においては核反応エネルギーが用いられる。

このように外惑星探査船の打ち上げ時においては、宇宙用原子炉１００が未臨界状態にあり、振動や打ち上げ失敗時の爆発や落下の影響により安全棒の非常停止機能の有無を考慮する必要がない。

また、打ち上げ後も、未臨界状態を維持しており宇宙用原子炉１００の動力には依存できないが、この間は太陽光により動力を確保することができる。

さらに本来の外惑星探査の段階、すなわち第３段階を迎える前には、宇宙用原子炉１００は臨界状態となり、外惑星探査船は、宇宙用原子炉１００により動力を確保することができる。第３段階においては、制御機構４０の作用により臨界状態が維持される。

ここで、第３段階に到達するまでの期間は前述の解析例のように年オーダとすることができることから、太陽系から遠方に移動する期間も同程度の期間を必要とされることから、両者の整合性を確保することができる。

以上のように、本実施形態によれば、宇宙用原子炉において、外部装置を使用することなく、必要期間を未臨界状態に保った後に、臨界状態に移行することができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。たとえば、実施形態では、毒物添加炉心が宇宙用原子炉に用いられている場合を例にとって示したが、これに限定されない。たとえば、炉心を構成する場所と、実際に使用する場所とが異なる場合に、炉心を構成してから実際に使用する場所に設置するまでの、運搬を含めた期間は、未臨界状態にあることが必要な場合のように、炉心を構成した初期には未臨界状態が必要な炉心を用いる場合であれば、他の例でも使用可能である。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。また、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、変更を行うことができる。

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。

１０…毒物添加炉心、1１…燃料要素、１１ａ…燃料第１領域、１１ｂ…燃料第２領域、１１ｃ…燃料第３領域、１２…減速材部、１２ａ…第１領域減速部材、１２ｂ…第２領域減速部材、１２ｃ…第３領域減速部材、１２ｄ…第４領域減速部材、２０…原子炉容器、２５…ガス収納空間、３０…冷却機構、３１…ヒートパイプ、３１ａ…加熱部、３１ｂ…冷却部、３２…放熱パネル、３５…熱電変換部、３６…ケーブル、４０…制御機構、４１…挿入管、４２…制御材リザーバ、４３…接続管、４４…中性子吸収材、５０…計測通信部、１００…宇宙用原子炉

Claims

核分裂性核種を含む燃料物質と、自然崩壊により別の中性子吸収核種となり前記別の中性子吸収核種の中性子吸収断面積より大きな中性子吸収断面積を有する中性子吸収核種を含む毒物と、を含む燃料要素と、
中性子を減速する減速材を含む固体状の減速材部と、
を備え、
初期には外部からの負の反応度の付加なしに未臨界状態にあり、
前記中性子吸収核種は、ユーロピウム１５２およびユーロピウム１５４、ガドリニウム１５３、ディスプロシウム１５９の少なくともいずれか１つを含む、
ことを特徴とする毒物添加炉心。
前記燃料要素は、前記減速材部によって機械的に支持されることによって相互の相対的な位置を維持している、
ことを特徴とする請求項１に記載の毒物添加炉心。
前記減速材部の材料は、金属水素化物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の毒物添加炉心。
毒物添加炉心と、
前記毒物添加炉心の反応度を制御するために負の反応度を印加する制御機構と、
前記毒物添加炉心で発生した熱を除去する冷却機構と、
を備え、
前記毒物添加炉心は、
核分裂性核種を含む燃料物質と、自然崩壊により別の中性子吸収核種となり前記別の中性子吸収核種の中性子吸収断面積より大きな中性子吸収断面積を有する中性子吸収核種を含む毒物と、を含む燃料要素と、
中性子を減速する減速材を含む固体状の減速材部と、
を具備し、
初期には外部からの負の反応度の付加なしに未臨界状態にあり、
前記中性子吸収核種は、ユーロピウム１５２およびユーロピウム１５４、ガドリニウム１５３、ディスプロシウム１５９の少なくともいずれか１つを含む、
ことを特徴とする宇宙用原子炉。