JP7386100B2 - 原子炉 - Google Patents

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Description

本発明は、原子炉に関する。
核燃料を用い、核反応の熱を利用して発電を行う原子力発電システムでは、原子炉で生じた熱を冷却材が循環することで回収し、回収した熱で蒸気を発生させ、蒸気でタービンを回転させて発電を行う。
これに対して、特許文献１には、原子炉で生じた熱をヒートパイプで回収し、ヒートパイプと冷媒が循環する冷却系統とで熱交換を行い、冷却系統で回収した熱エネルギーで発電する構造が記載されている。特許文献１の構造は、外部電源無しで炉心内に設置するヒートパイプ内の冷却材を循環させることができ、原子力発電システムの信頼性向上、小型化を図ることができる。
米国特許２０１６／００２７５３６号明細書
特許文献１のような小型の原子炉を用いる場合、熱エネルギーを効率よく取り出すことが望まれている。
また、特許文献１のようにヒートパイプを用いる構造とした場合、燃料と熱交換した冷却材がヒートパイプ内を循環する。原子炉は、放射線が生じる。このような構造において、ヒートパイプに損傷が生じた場合、タービンと繋がる系統にヒートパイプ内の放射線が照射された放射性物質である冷却材が漏えいするおそれがある。また、ヒートパイプ内の冷却材には、液体金属（アルカリ金属）が使用されており、この液体金属が漏えいするおそれもある。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、放射性物質などの漏洩を防止しつつ高い出力温度を確保することのできる原子炉を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本開示の一態様に係る原子炉は、燃料部と、前記燃料部の周囲を覆い放射線を遮へいする遮へい部と、前記遮へい部を貫通して前記燃料部の内部および前記遮へい部の外部に延出して配置され前記燃料部の熱を前記遮へい部の外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、を含む。
本発明は、燃料部により生じる熱を、熱伝導部により固体熱伝導で遮へい部の外部に取り出せる。この結果、本発明によれば、放射性物質などの漏えいを防止できる。しかも、本発明は、熱伝導部が燃料部の内部および遮へい部の外部に延出して配置されているため、燃料部により生じる熱の伝熱距離を抑えつつ遮へい部の外部に取り出せる。この結果、本発明によれば、高い出力温度を確保できる。
図１は、実施形態に係る原子炉を用いた原子力発電システムの模式図である。 図２は、実施形態１に係る原子炉を示す模式図である。 図３は、実施形態１に係る原子炉の断面模式図である。 図４は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図５は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図６は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図７は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図８は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図９は、実施形態２に係る原子炉を示す模式図である。 図１０は、実施形態２に係る原子炉の断面模式図である。 図１１は、実施形態２に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図１２は、実施形態２に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図１３は、実施形態２に係る原子炉の他の形態を示す模式図である。 図１４は、実施形態２に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。 図１５は、図１４に示す形態の説明図である。 図１６は、実施形態２に係る原子炉の他の形態を示す模式図である。 図１７は、実施形態３に係る原子炉を示す模式図である。 図１８は、実施形態３に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。
以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
図１は、実施形態に係る原子炉を用いた原子力発電システムの模式図である。図１に示すように、原子力発電システム５０は、原子炉容器５１と、熱交換器５２と、熱伝導部５３と、冷媒循環手段５４と、タービン５５と、発電機５６と、冷却器５７と、圧縮機５８と、を有する。
原子炉容器５１は、後述する本実施形態の原子炉１１（１２，１３）を有する。原子炉容器５１は、内部に原子炉１１（１２，１３）が格納されている。原子炉容器５１は、原子炉１１（１２，１３）を密閉状態で格納する。原子炉容器５１は、内部に載置する原子炉１１（１２，１３）が格納または取り出せるように、例えば蓋である開閉部が設けられている。原子炉容器５１は、原子炉１１（１２，１３）において核反応がおき、内部が高温、高圧になった場合でも、密閉状態を維持することができる。原子炉容器５１は、中性子線の遮へい性能を備える材料で形成される。
熱交換器５２は、原子炉１１（１２，１３）との間で熱交換を行う。本実施形態の熱交換器５２は、原子炉容器５１の内部に一部配置された熱伝導部５３の固体の高熱伝導材料を介して原子炉１１（１２，１３）の熱を回収する。なお、図１で示している熱伝導部５３は、後述する熱伝導部３，１０３，１０４を総称して模式的に示したものである。
冷媒循環手段５４は、冷媒を循環させる経路であり、熱交換器５２と、タービン５５と、冷却器５７と、圧縮機５８と、が接続されている。冷媒循環手段５４を流れる冷媒は、熱交換器５２、タービン５５、冷却器５７、圧縮機５８の順で流れ、圧縮機５８を通過した冷媒は、熱交換器５２に供給される。従って、熱交換器５２は、熱伝導部５３の固体の高熱伝導材料と、冷媒循環手段５４を流れる冷媒との間で熱交換を行う。
タービン５５は、熱交換器５２を通過した冷媒が流入する。タービン５５は、加熱された冷媒のエネルギーにより回転される。つまりタービン５５は、冷媒のエネルギーを回転エネルギーに変換して、冷媒からエネルギーを吸収する。
発電機５６は、タービン５５と連結されており、タービン５５と一体で回転する。発電機５６は、タービン５５と回転することで発電する。
冷却器５７は、タービン５５を通過した冷媒を冷却する。冷却器５７は、チラーや冷媒を一時的に液化する場合、復水器等である。
圧縮機５８は、冷媒を加圧するポンプである。
原子力発電システム５０は、原子炉１１（１２，１３）の核燃料（１Ａ，１０１Ａ）の反応で生じた熱を熱伝導部５３で熱交換器５２に伝える。原子力発電システム５０は、熱交換器５２において、熱伝導部５３の高熱伝導材料の熱で、冷媒循環手段５４を流れる冷媒を加熱する。つまり、冷媒は、熱交換器５２において熱を吸収する。これにより、原子炉１１（１２，１３）で発生した熱は、冷媒で回収される。冷媒は、圧縮機５８で圧縮された後、熱交換器５２の通過時に加熱され、圧縮し加熱されたエネルギーでタービン５５を回転させる。冷媒は、その後、冷却器５７で基準状態まで冷却され、再び圧縮機５８に供給される。
原子力発電システム５０は、以上のように、原子炉１１（１２，１３）から取り出された熱を高熱伝導材料を介し、タービン５５を回転する媒体となる冷媒に伝達する。これにより、原子炉１１（１２，１３）と、タービン５５を回転する媒体となる冷媒とを隔離することができ、タービン５５を回転する媒体が汚染される恐れを低減できる。
［実施形態１］
図２は、実施形態１に係る原子炉を示す模式図である。図３は、実施形態１に係る原子炉の断面模式図である。図４は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。図５は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。図６は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。図７は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。図８は、実施形態１に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。
図２から図５に示すように、原子炉１１は、燃料部（炉心）１と、遮へい部２と、熱伝導部３と、を含む。
燃料部１は、図５に示す核燃料１Ａが支持されている。また、図には明示しないが、燃料部１は、核燃料１Ａの核反応を制御する制御棒が抜き挿し可能に設けられている。燃料部１は、制御棒が挿入されることで核燃料１Ａの核反応を抑制する。また、燃料部１は、制御棒が抜き出されることで核燃料１Ａの核反応を生じさせる。
燃料部１は、板状に形成されている。本実施形態では、燃料部１は、円板状に形成されている。板状の燃料部１は、複数設けられ、相互が板面を対向するように並べて配置されている。この複数の板状の燃料部１が板面を対向して並ぶ方向を軸方向という場合もある。また、燃料部１は、図５に示すように、核燃料１Ａと、支持体１Ｂと、を含む。支持体１Ｂは、燃料部１がなす円板状に形成されている。支持体１Ｂは、減速材として例えばグラフェンを用いることができる。支持体１Ｂは、減速材として例えば黒鉛を用いることができる。支持体１Ｂは、複数の穴１Ｂａが板状の両板面に貫通して形成されている。本実施形態では、穴１Ｂａは、円形に形成され、板状の両板面に貫通して形成されている。核燃料１Ａは、各穴１Ｂａに収納できるように形成されている。本実施形態では、核燃料１Ａは、穴１Ｂａが円形に形成されているため、穴１Ｂａに収納できるように円柱形状に形成されている。
遮へい部２は、燃料部１の周囲を覆うものである。遮へい部２は、金属ブロックからなり、核燃料１Ａから照射される放射線（中性子）を反射することで、燃料部１を覆った外部への放射線の漏洩を防ぐ。遮へい部２は、使用する材料の中性子散乱および中性子吸収の能力に応じて反射体と呼ばれることがある。
遮へい部２は、本実施形態では、板状に形成された複数の燃料部１における各々の板端の全外周を囲むようにリング状に形成された複数の胴体２Ａと、板状に形成された燃料部１が並ぶ方向で最も外側に向く板面側を囲むように板状に形成された両端の蓋体２Ｂと、を含む。なお、遮へい部２は、燃料部１を内部に収容するにあたり、内部の酸化を防止する目的から、密閉構造とした内部に例えば窒化ガス等の不活性ガスを充填するとよい。
熱伝導部３は、遮へい部２を貫通して当該遮へい部２が覆う内部に設けられている燃料部１の内部に挿入されることで、燃料部１の内部および遮へい部２の外部に延出して配置されている。熱伝導部３は、燃料部１の核燃料１Ａの核反応により生じる熱を遮へい部２の外部に固体熱伝導で伝える。熱伝導部３は、例えばグラフェンを用いることができる。熱伝導部３は、例えばチタン、ニッケル、銅、グラファイトを用いることができる。熱伝導部３の遮へい部２の外部に延出した部分は、原子炉容器５１の内部にて冷媒と熱交換可能に設けられている。
熱伝導部３は、板状に形成されている。本実施形態では、熱伝導部３は、円板状に形成されている。熱伝導部３は、遮へい部２の胴体２Ａよりも大きな外周に形成され、遮へい部２の外部に延出して配置される。この熱伝導部３が遮へい部２の外部に延出する方向は、円板状の熱伝導部３の中心から遠ざかる方向であって径方向という場合もある。板状の熱伝導部３は、複数設けられ、相互が板面を対向するように軸方向に並べて配置されている。また、板状の熱伝導部３は、板状の燃料部１に対して板面を対向するように軸方向に交互に重ねて配置される。
従って、実施形態１の原子炉１１は、燃料部１の核燃料１Ａの核反応により生じる熱を、熱伝導部３により固体熱伝導で遮へい部２の外部に取り出すことができる。そして、遮へい部２の外部に取り出された熱は、冷媒に伝達され、タービン５５を回転させる。
このように、実施形態１の原子炉１１は、燃料部１の核燃料１Ａの熱を熱伝導部３により固体熱伝導で遮へい部２の外部に取り出し（図２矢印参照）、冷媒に熱を伝えることができる。この結果、実施形態１の原子炉１１は、放射性物質などの漏えいを防止できる。また、実施形態１の原子炉１１は、熱伝導部３が燃料部１の内部および遮へい部２の外部に延出して配置されているため、燃料部１の核燃料１Ａの熱の伝熱距離を抑えつつ遮へい部２の外部に取り出すことができる。この結果、実施形態１の原子炉１１は、高い出力温度を確保できる。
また、実施形態１の原子炉１１では、燃料部１および熱伝導部３が、板状に形成されて板面を対向して交互に重ねて配置され、板状の熱伝導部３は、板状の外周部が遮へい部２の外部に延出して配置される。従って、実施形態１の原子炉１１は、熱伝導部３が、遮へい部２を貫通して燃料部１の内部および遮へい部２の外部に延出して配置される形態とすることができ、燃料部１の熱を遮へい部２の外部に固体熱伝導で取り出すことができる。なお、燃料部１の複数の板状や、熱伝導部３の複数の板状は、板厚を変えてもよい。また、熱伝導部３が延出していない遮へい部２の外部を断熱材で覆うことで、熱伝導部３による熱の回収効率を向上できる。
また、実施形態１の原子炉１１では、燃料部１が、板状に形成された支持体１Ｂと、支持体１Ｂに設けられた穴１Ｂａに配置される核燃料１Ａと、を含む。従って、実施形態１の原子炉１１は、燃料部１および熱伝導部３を板状に形成した形態において、板状の熱伝導部３の板面に沿って核燃料１Ａを適宜配置することができ、燃料部１の熱を遮へい部２の外部に固体熱伝導で取り出すことができる。
ここで、実施形態１の原子炉１１において、燃料部１は、支持体１Ｂに設けられた穴１Ｂａに核燃料１Ａを配置する形態とするにあたり、支持体１Ｂの板状の中央部分で穴１Ｂａの密度を、外周部分の密度と比較して低くするとよい。即ち、実施形態１の原子炉１１では、燃料部１は、核燃料１Ａの配置密度を、外周部分よりも中央部分を低くするとよい。実施形態１の原子炉１１の構成においては、燃料部１は、核燃料１Ａの配置密度を均等とした場合、外周部分よりも中央部分の温度が高くなる。実施形態１の原子炉１１は、燃料部１の径方向である外周側に熱を取り出す構成であり、熱を取り出しやすくするには、核燃料１Ａの温度分布を均等にすることが好ましい。このため、燃料部１において、核燃料１Ａの配置密度を、外周部分よりも中央部分を低くすることで、核燃料１Ａの温度分布を均等にし、熱を取り出しやすくすることができる。
また、実施形態１の原子炉１１では、図６に示すように、熱伝導部３は、遮へい部２の外部に延出する部分に切込３Ａが複数形成されているとよい。切込３Ａは、遮へい部２の外面から遠ざかるように径方向に延びて形成され、遮へい部２の外周に沿うように、熱伝導部３の外周に複数並んで形成されている。即ち、熱伝導部３は、遮へい部２の外部に延出する部分であって、熱交換器５２で熱交換を行うため冷媒循環手段５４を循環する冷媒と熱交換を行う部分に、切込３Ａにより冷媒を通過させる隙間が形成される。従って、実施形態１の原子炉１１は、熱伝導部３で取り出した熱を冷媒に伝達する効率を高められる。
ここで、遮へい部２の外面から遠ざかるように径方向に延びて形成された熱伝導部３において、取り出す熱は、燃料部１に近い径方向内側が高く、燃料部１から遠い径方向外側が低くなる。例えば、図６において、遮へい部２の外面から遠ざかるように径方向に延びて形成された熱伝導部３において、仮想線Ｌにより径方向に二つの領域に分けた場合、仮想線Ｌよりも径方向内側が径方向外側よりも取り出した熱の温度が高い。このため、熱伝導部３において、冷媒と熱交換を行うにあたり、冷媒を先に仮想線Ｌよりも径方向外側に通過させ、その後に戻して仮想線Ｌよりも径方向内側に通過させてから、冷媒を熱交換器５２に送り出す。このようにすれば、熱伝導部３で取り出した熱を冷媒に伝達する効率を高められる。
また、実施形態１の原子炉１１では、図７に示すように、熱伝導部３は、遮へい部２の外部に延出する部分に、冷媒を流通する伝熱管３Ｂが貫通されているとよい。伝熱管３Ｂは、遮へい部２の外周に沿うように、熱伝導部３の外周に複数並んで形成されている。即ち、熱伝導部３は、遮へい部２の外部に延出する部分であって、熱交換器５２で熱交換を行うため冷媒循環手段５４を循環する冷媒と熱交換を行う部分に、冷媒を流通する伝熱管３Ｂが貫通されている。従って、実施形態１の原子炉１１は、熱伝導部３で取り出した熱を伝熱管３Ｂを介して冷媒に伝達する。また、実施形態１の原子炉１１は、熱伝導部３で取り出した熱を伝熱管３Ｂで間接的に冷媒に伝達するため、放射線の遮へい性を維持できる。
ここで、遮へい部２の外面から遠ざかるように径方向に延びて形成された熱伝導部３において、取り出す熱は、燃料部１に近い径方向内側が高く、燃料部１から遠い径方向外側が低くなる。例えば、図７において、遮へい部２の外面から遠ざかるように径方向に延びて形成された熱伝導部３において、仮想線Ｌにより径方向に二つの領域に分けた場合、仮想線Ｌよりも径方向内側が径方向外側よりも取り出した熱の温度が高い。このため、伝熱管３Ｂは、径方向に複数配置し、仮想線Ｌよりも径方向内側に配置された内側伝熱管３Ｂａと、仮想線Ｌよりも径方向外側に配置された外側伝熱管３Ｂｂとを含む。そして、熱伝導部３において、冷媒と熱交換を行うにあたり、冷媒を先に外側伝熱管３Ｂｂに流通させ、その後に戻して内側伝熱管３Ｂａに流通させてから、冷媒を熱交換器５２に送り出す。このようにすれば、熱伝導部３で取り出した熱を冷媒に伝達する効率を高められる。
また、実施形態１の原子炉１１では、図８に示すように、熱伝導部３は、燃料部１と重なる軸方向に複数の板材３Ｃを重ねて板状に形成されているとよい。熱伝導部３は、例えばグラフェンを用いることができるが、グラフェンは、炭素原子とその結合からできた六角形格子が連続した構造であり、六角形格子の連続した方向で熱の伝達性が高い。このグラフェンをシート状の板材３Ｃとすることで、六角形格子が板材３Ｃの面に沿って連続する。そして、この板材３Ｃを軸方向に重ねて板状に形成する。すると、熱伝導部３は、板材３Ｃの面に沿って径方向に熱の伝達性が高くなる。このため、熱伝導部３は、遮へい部２の外部に径方向に延出する部分に対して熱の伝達性が高くなる。この結果、実施形態１の原子炉１１は、熱伝導部３で取り出した熱を冷媒に伝達する効率を高められる。
［実施形態２］
図９は、実施形態２に係る原子炉を示す模式図である。図１０は、実施形態２に係る原子炉の断面模式図である。図１１は、実施形態２に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。図１２は、実施形態２に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。図１３は、実施形態２に係る原子炉の他の形態を示す模式図である。図１４は、実施形態２に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。図１５は、図１４に示す形態の説明図である。図１６は、実施形態２に係る原子炉の他の形態を示す模式図である。
図９から図１２に示すように、原子炉１２は、燃料部（炉心）１０１と、遮へい部１０２と、熱伝導部１０３と、を含む。
燃料部１０１は、図１１および図１２に示す核燃料１０１Ａが支持されている。また、図には明示しないが、燃料部１０１は、核燃料１０１Ａの核反応を制御する制御棒が抜き挿し可能に設けられている。燃料部１０１は、制御棒が挿入されることで核燃料１０１Ａの核反応を抑制する。また、燃料部１０１は、制御棒が抜き出されることで核燃料１０１Ａの核反応を生じさせる。
燃料部１０１は、全体として柱状に形成されている。本実施形態では、燃料部１０１は、ほぼ円柱状に形成されている。この柱状の延びる方向を軸方向という場合もある。また、軸方向に直交する方向を径方向と言う場合もある。燃料部１０１は、図１１、図１２に示すように、核燃料１０１Ａと、支持体１０１Ｂと、を含む。図１１、図１２では、図１０に示している燃料部１０１を断面六角形の柱状に切り取ったイメージ図である。支持体１０１Ｂは、燃料部１０１がなす柱状の軸方向寸法をなすように軸方向に延びて形成されている。支持体１０１Ｂは、後述する棒状の熱伝導部１０３が軸方向で挿入される挿入穴１０１Ｂａが軸方向に貫通して形成されている。本実施形態では、挿入穴１０１Ｂａは、円形の断面形状に形成されている。また、支持体１０１Ｂは、挿入穴１０１Ｂａの周囲に核燃料１０１Ａが配置される穴部１０１Ｂｂが軸方向に貫通して形成されている。本実施形態では、穴部１０１Ｂｂは、円形の断面形状に形成されている。支持体１０１Ｂは、減速材として例えばグラフェンを用いることができる。支持体１０１Ｂは、減速材として例えば黒鉛を用いることができる。核燃料１０１Ａは、本実施形態では、支持体１０１Ｂの穴部１０１Ｂｂに配置されるように、円形の断面形状であり、軸方向に連続した棒状に形成されている。なお、棒状の核燃料１０１Ａは、上記円形の断面形状の筒の内部にペレット状の核燃料が挿入されて形成することができる。
遮へい部１０２は、燃料部１０１の周囲を覆うものである。遮へい部１０２は、金属ブロックからなり、核燃料１０１Ａから照射される放射線（中性子）を反射することで、燃料部１０１を覆った外部への放射線の漏洩を防ぐ。遮蔽へい部１０２は、使用する材料の中性子散乱および中性子吸収の能力に応じて反射体と呼ばれることがある 。
遮へい部１０２は、本実施形態では、燃料部１０１に柱形状の全外周を囲むように筒状に形成された胴体１０２Ａと、胴体１０２Ａの両端を塞ぐ各蓋体１０２Ｂと、を含む。なお、遮へい部１０２は、燃料部１０１を内部に収容するにあたり、内部の酸化を防止する目的から、密閉構造とした内部に例えば窒化ガス等の不活性ガスを充填するとよい。
熱伝導部１０３は、遮へい部１０２を貫通して当該遮へい部１０２が覆う内部に設けられている燃料部１０１の内部に挿入されることで、燃料部１０１の内部および遮へい部１０２の外部に延出して配置されている。熱伝導部１０３は、燃料部１０１の核燃料１０１Ａの核反応により生じる熱を遮へい部１０２の外部に固体熱伝導で伝える。熱伝導部１０３は、例えばグラフェンを用いることができる。熱伝導部１０３は、例えばチタン、ニッケル、銅、グラファイトを用いることができる。熱伝導部１０３の遮へい部１０２の外部に延出した部分は、原子炉容器５１の内部にて冷媒と熱交換可能に設けられている。
熱伝導部１０３は、軸方向に延びる棒状に形成されている。本実施形態では、熱伝導部３は、断面が円形の棒状に形成されている。熱伝導部１０３は、燃料部１０１における支持体１０１Ｂに形成された挿入穴１０１Ｂａに挿入され、かつ遮へい部１０２における一方の蓋体１０２Ｂを貫通して遮へい部１０２の外部に延出して配置される。
従って、実施形態２の原子炉１２は、燃料部１０１の核燃料１０１Ａの核反応により生じる熱を、熱伝導部１０３により固体熱伝導で遮へい部２の外部に取り出すことができる。そして、遮へい部１０２の外部に取り出された熱は、冷媒に伝達され、タービン５５を回転させる。
このように、実施形態２の原子炉１２は、燃料部１０１の核燃料１０１Ａの熱を熱伝導部１０３により固体熱伝導で遮へい部１０２の外部に取り出し（図９矢印参照）、冷媒に熱を伝えることができる。この結果、実施形態２の原子炉１２は、放射性物質などの漏えいを防止できる。また、実施形態２の原子炉１２は、熱伝導部１０３が燃料部１０１の内部および遮へい部１０２の外部に延出して配置されているため、燃料部１０１の核燃料１０１Ａの熱の伝熱距離を抑えつつ遮へい部１０２の外部に取り出すことができる。この結果、実施形態２の原子炉１２は、高い出力温度を確保できる。
また、実施形態２の原子炉１２では、燃料部１０１は、棒状に形成された核燃料１０１Ａと、棒状の核燃料１０１Ａを支持する支持体１０１Ｂと、を含み、熱伝導部１０３は、棒状に形成されて核燃料１０１Ａの延在方向に沿って延在して複数並設され支持体１０１Ｂに貫通して支持される。従って、実施形態２の原子炉１２は、熱伝導部１０３が、遮へい部１０２を貫通して燃料部１０１の内部および遮へい部１０２の外部に延出して配置される形態とすることができ、燃料部１０１の熱を遮へい部１０２の外部に固体熱伝導で取り出すことができる。なお、複数の棒状の熱伝導部１０３は、太さが変わっていてもよい。また、熱伝導部１０３が延出していない遮へい部１０２の外部を断熱材で覆うことで、熱伝導部１０３による熱の回収効率を向上できる。
ここで、実施形態２の原子炉１２において、上述したように、熱伝導部１０３は、棒状に形成されて核燃料１０１Ａの延在方向に沿って軸方向に延在し遮へい部１０２の蓋体１０２Ｂを貫通して遮へい部１０２の外部に配置されている。この構成において、取り出す熱は、核燃料１０１Ａの配置密度を均等とした場合、外周部分よりも中央部分の温度が高くなる。このため、熱伝導部１０３において、冷媒と熱交換を行うにあたり、冷媒を先に径方向外側の熱伝導部１０３の部分を通過させ、その後に径方向内側の熱伝導部１０３の部分を通過させてから、冷媒を熱交換器５２に送り出す。このようにすれば、熱伝導部１０３で取り出した熱を冷媒に伝達する効率を高められる。また、核燃料１０１Ａの配置密度を均等とした場合、外周部分よりも中央部分の温度が高くなるが、中央部分では面積が少なく熱を取り出す効率が低下するため、中央部分の熱伝導部１０３の密度が高くなるように、燃料部１０１の中央部分で棒状の熱伝導部１０３を太くしたり、配置間隔を近づけたりしてもよい。また、面積の大きい燃料部１０１の外周部分で核燃料１０１Ａの配置密度を高くすれば、面積の大きい部分で熱を取り出す効率を高めることができる。この場合は、燃料部１０１の外周部分で熱伝導部１０３の密度が高くなるように、燃料部１０１の外周部分で棒状の熱伝導部１０３を太くしたり、配置間隔を近づけたりしてもよい。
また、実施形態２の原子炉１２では、図１３に示すように、熱伝導部１０３は、燃料部１０１を貫通し、遮へい部１０２の反対側の各外部に延出して配置されていてもよい。即ち、図１３に示す原子炉１２は、熱伝導部１０３が遮へい部１０２の両蓋体１０２Ｂを貫通して軸方向に延び、遮へい部１０２の反対側の各外部にて配置される。従って、実施形態２の原子炉１２は、燃料部１０１の熱を遮へい部１０２の反対側の各外部に固体熱伝導で取り出すことができる（図１３矢印参照）。
また、実施形態２の原子炉１２では、図１４に示すように、熱伝導部１０３は、棒状の延在方向に連続する板材１０３Ｃを重ねて棒状に形成されているとよい。熱伝導部１０３は、例えばグラフェンを用いることができるが、グラフェンは、炭素原子とその結合からできた六角形格子が連続した構造であり、六角形格子の連続した方向で熱の伝達性が高い。このグラフェンをシート状の板材１０３Ｃとすることで、六角形格子が板材１０３Ｃの面に沿って連続する。そして、この板材１０３Ｃを重ねて棒状に形成する。すると、熱伝導部１０３は、板材１０３Ｃの面に沿って棒状の延在方向である軸方向に熱の伝達性が高くなる。このため、熱伝導部１０３は、遮へい部１０２の外部に軸方向に延出する部分に対して熱の伝達性が高くなる。この結果、実施形態２の原子炉１２は、熱伝導部１０３で取り出した熱を冷媒に伝達する効率を高められる。
また、実施形態２の原子炉１２では、図１５、図１６に示すように、熱伝導部１０３が延出されていない遮へい部１０２の外部に取り付けられる別の熱伝導部１０４を含むとよい。本実施形態において、熱伝導部１０３が延出されていない遮へい部１０２とは、胴体１０２Ａであり、この胴体１０２Ａの外部に別の熱伝導部１０４を取り付ける。別の熱伝導部１０４は、図１５、図１６に示すように、遮へい部１０２の胴体１０２Ａの周りを囲むリング状に形成され、軸方向に複数並んで取り付ける。また、図には明示しないが、別の熱伝導部１０４は、軸方向に延びる板状に形成され、遮へい部１０２の胴体１０２Ａの周りを囲むように複数並んで取り付けられてもよい。別の熱伝導部１０４は、例えばグラフェンを用いることができる。別の熱伝導部１０４は、例えばチタン、ニッケル、銅、グラファイトを用いることができる。別の熱伝導部１０４を設けることにより、熱伝導部１０３が延出されていない遮へい部１０２の外部からも熱を取り出せる（図１５矢印参照）。この別の熱伝導部１０４が取り出した熱は、実施形態１において図６、図７を参照して説明したように、冷媒と熱交換を行うにあたり、冷媒を先に径方向外側に通過させ、その後に戻して径方向内側に通過させてから、冷媒を熱交換器５２に送り出す。
また、実施形態２の原子炉１２では、熱伝導部１０３は、棒状の延在方向に連続する板材１０３Ｃを重ねて棒状に形成された形態において、棒状の周面をなす板材１０３Ｃの端１０３Ｃａを、遮へい部１０２の外部に取り付けた別の熱伝導部１０４に向けて配置されているとよい。図１４に示すような棒状の延在方向に連続する板材１０３Ｃの面を重ねて棒状に形成された熱伝導部１０３は、棒状の周面をなす板材１０３Ｃの端１０３Ｃａが、板材１０３Ｃの面に沿って反対方向に向いている。そして、この棒状の周面をなす板材１０３Ｃの端１０３Ｃａを、図１６に矢印で示すように、遮へい部１０２の外部に取り付けた別の熱伝導部１０４に向けて配置する。上述したように、熱伝導部１０３は、板材１０３Ｃの面に沿って熱の伝達性が高くなる。このため、板材１０３Ｃの面に沿って反対方向に向く端１０３Ｃａを別の熱伝導部１０４に向けることで、別の熱伝導部１０４に対して熱の伝達性が高くなる。この結果、実施形態２の原子炉１２は、熱伝導部１０３で取り出した熱を別の熱伝導部１０４で効率よく取り出せるため、冷媒に伝達する効率を高められる。
［実施形態３］
図１７は、実施形態３に係る原子炉を示す模式図である。図１８は、実施形態３に係る原子炉の一部切取拡大模式図である。
本実施形態の原子炉１３は、上述した実施形態１の原子炉１１の構成と、実施形態２の原子炉１２の構成とを組み合わせている。よって、原子炉１１および原子炉１２の構成と同等の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の原子炉１３は、実施形態１の原子炉１１の燃料部１と、遮へい部２と、熱伝導部（第一熱伝導部）３と、実施形態２の原子炉１２の熱伝導部（第二熱伝導部）１０３と、を含む。
即ち、原子炉１３は、燃料部１の支持体１Ｂおよび熱伝導部３に、熱伝導部１０３が挿入される穴５が形成されている。
このように、実施形態３の原子炉１３では、燃料部１は、板状に形成された支持体１Ｂと、支持体１Ｂに支持される核燃料１Ａと、を含み、熱伝導部は、板状に形成されて支持体１Ｂの板面に対向して交互に重ねて配置される第一熱伝導部３と、棒状に形成されて支持体１Ｂおよび第一熱伝導部３が重なる方向に延在して配置される第二熱伝導部１０３と、を含む。従って、実施形態３の原子炉１３は、第一熱伝導部３および第二熱伝導部１０３が、遮へい部２を貫通して燃料部１の内部および遮へい部２の外部に延出して配置される形態とすることができ、燃料部１の熱を遮へい部２の外部に固体熱伝導で取り出すことができる。
また、燃料部１は、支持体１Ｂに設けられた穴１Ｂａに配置される核燃料（第一核燃料）１Ａを含んでもよい。また、燃料部１は、棒状に形成されて支持体１Ｂに設けられた穴５、および第一熱伝導部３に設けられた穴５に挿通され、第二熱伝導部１０３の延在方向に沿って配置される核燃料（第二核燃料）１０１Ａを含んでもよい。従って、実施形態３の原子炉１３は、第一熱伝導部３および第二熱伝導部１０３が、遮へい部２を貫通して燃料部１の内部および遮へい部２の外部に延出して配置される形態とすることができ、燃料部１の熱を遮へい部２の外部に固体熱伝導で取り出すことができる（図１７矢印参照）。
なお、実施形態３の原子炉１３では、第一熱伝導部３は、遮へい部２の外部に延出する部分に切込３Ａが複数形成されているとよい。従って、実施形態１と同様の作用効果を得られる。
また、実施形態３の原子炉１３では、第一熱伝導部３は、遮へい部２の外部に延出する部分に、第一冷媒を流通する伝熱管３Ｂ（３Ｂａ，３Ｂｂ）が挿通されているとよい。従って、実施形態１と同様の作用効果を得られる。
また、実施形態３の原子炉１３では、第一熱伝導部３は、燃料部１と重なる方向に複数の板材３Ｃを重ねて板状に形成されているとよい。従って、実施形態１と同様の作用効果を得られる。
また、実施形態３の原子炉１３では、第二熱伝導部１０３は、燃料部１を貫通し、遮へい部２の反対側である両蓋体１０２Ｂの各外部に延出して配置されているとよい。従って、実施形態２と同様の作用効果を得られる。
また、実施形態３の原子炉１３では、第二熱伝導部１０３は、棒状の延在方向に連続する板材１０３Ｃを重ねて棒状に形成されているとよい。従って、実施形態２と同様の作用効果を得られる。
また、実施形態３の原子炉１３では、第二熱伝導部１０３は、棒状の周面をなす板材１０３Ｃの端１０３Ｃａを、板状の第一熱伝導部３の板面に沿って遮へい部２の外部に向けて配置されているとよい。第二熱伝導部１０３は、板材１０３Ｃの面に沿って熱の伝達性が高くなる。このため、板材１０３Ｃの面に沿って反対方向に向く端１０３Ｃａを板状の第一熱伝導部３の板面に沿って遮へい部２の外部に向けることで、第一熱伝導部３に対して遮へい部２の外部への熱の伝達性が高くなる。この結果、実施形態３の原子炉１３は、第一熱伝導部３で熱を効率よく取り出せるため、冷媒に伝達する効率を高められる。
１１，１２，１３ 原子炉
１ 燃料部
１Ａ 核燃料
１Ｂ 支持体
１Ｂａ 穴
２ 遮へい部
３ 熱伝導部（第一熱伝導部）
３Ａ 切込
３Ｂ 伝熱管
３Ｂａ 内側伝熱管
３Ｂｂ 外側伝熱管
３Ｃ 板材
５ 穴
１０１ 燃料部
１０１Ａ 核燃料
１０１Ｂ 支持体
１０２ 遮へい部
１０３ 熱伝導部（第二熱伝導部）
１０３Ｃ 板材
１０３Ｃａ 端
１０４ 別の熱伝導部

Claims (18)

  1. 燃料部と、
    前記燃料部の周囲を覆い放射線を遮へいする遮へい部と、
    前記遮へい部を貫通して前記燃料部の内部および前記遮へい部の外部に延出して配置され前記燃料部の熱を前記遮へい部の外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、
    を含み、
    前記燃料部および前記熱伝導部は、板状に形成されて板面を対向して交互に重ねて配置され、板状の前記熱伝導部は、板状の外周部が前記遮へい部の外部に延出して配置される、原子炉。
  2. 前記燃料部は、板状に形成された支持体と、前記支持体に設けられた穴に配置される核燃料と、を含む、請求項１に記載の原子炉。
  3. 前記熱伝導部は、前記遮へい部の外部に延出する部分に切込が複数形成されている、請求項１または２に記載の原子炉。
  4. 前記熱伝導部は、前記遮へい部の外部に延出する部分に、冷媒を流通する伝熱管が貫通されている、請求項１または２に記載の原子炉。
  5. 前記熱伝導部は、前記燃料部と重なる方向に複数の板材を重ねて板状に形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の原子炉。
  6. 燃料部と、
    前記燃料部の周囲を覆い放射線を遮へいする遮へい部と、
    前記遮へい部を貫通して前記燃料部の内部および前記遮へい部の外部に延出して配置され前記燃料部の熱を前記遮へい部の外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、
    を含み、
    前記燃料部は、棒状に形成された複数の核燃料と、棒状の前記核燃料を支持する支持体と、を含み、
    前記熱伝導部は、棒状に形成されて前記核燃料の延在方向に沿って延在して複数並設され前記支持体に貫通して支持され、
    前記熱伝導部が延出されていない前記遮へい部の外部に取り付けられる別の熱伝導部を含み、
    前記熱伝導部は、棒状の延在方向に連続する板材を重ねて棒状に形成され、かつ棒状の周面をなす前記板材の端部を、前記遮へい部の外部に取り付けた前記別の熱伝導部に向けて配置されている、原子炉。
  7. 棒状の前記熱伝導部は、両端部が前記燃料部を貫通し、前記遮へい部の外部に延出して配置されている、請求項６に記載の原子炉。
  8. 前記熱伝導部は、棒状の延在方向に連続する板材を重ねて棒状に形成されている、請求項６または７に記載の原子炉。
  9. 燃料部と、
    前記燃料部の周囲を覆い放射線を遮へいする遮へい部と、
    前記遮へい部を貫通して前記燃料部の内部および前記遮へい部の外部に延出して配置され前記燃料部の熱を前記遮へい部の外部に固体熱伝導で伝える熱伝導部と、
    を含み、
    前記燃料部は、板状に形成された支持体と、前記支持体に支持される核燃料と、を含み、
    前記熱伝導部は、板状に形成されて前記支持体の板面に対向して交互に重ねて配置される第一熱伝導部と、棒状に形成されて前記支持体および前記第一熱伝導部が重なる方向に延在して配置される第二熱伝導部と、を含む、
    原子炉。
  10. 前記燃料部は、前記核燃料が、前記支持体に設けられた穴にのみ配置される第一核燃料を含む、請求項９に記載の原子炉。
  11. 前記燃料部は、前記核燃料が、棒状に形成されて前記支持体に設けられた穴、および前記第一熱伝導部に設けられた穴に挿入され、前記第二熱伝導部の延在方向に沿って配置される第二核燃料を含む、請求項９または１０に記載の原子炉。
  12. 前記第一熱伝導部は、前記遮へい部の外部に延出する部分に切込が複数形成されている、請求項９から１１のいずれか一項に記載の原子炉。
  13. 前記第一熱伝導部は、前記遮へい部の外部に延出する部分に、冷媒を流通する伝熱管が挿通されている、請求項９から１１のいずれか一項に記載の原子炉。
  14. 前記第一熱伝導部は、前記燃料部と重なる方向に複数の板材を重ねて板状に形成されている、請求項９から１３のいずれか一項に記載の原子炉。
  15. 棒状の前記第二熱伝導部は、両端部が前記燃料部を貫通し、前記遮へい部の外部に延出して配置されている、請求項９から１４のいずれか一項に記載の原子炉。
  16. 前記第二熱伝導部は、棒状の延在方向に連続する板材を重ねて棒状に形成されている、請求項９から１４のいずれか一項に記載の原子炉。
  17. 前記第二熱伝導部は、棒状の周面をなす前記板材の端部を、前記遮へい部の外部に向けて配置されている、請求項１６に記載の原子炉。
  18. 前記熱伝導部は、グラフェンを含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の原子炉。
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