JP7426323B2 - 原子炉 - Google Patents

Description

本開示は、原子炉に関する。

例えば、特許文献１，２には、炉心の燃料が円板状の層に形成された構造が示されている。

特開昭６２－１７６８９号公報 特開平５－４５４８５号公報

原子炉においては、核燃料物質の核分裂により放出される核分裂生成物（ＦＰ：Fission Product）を原子炉容器内部に保持することと、核燃料物質から構成される原子炉の炉心から熱を効率よく取り出すことが望まれている。

本開示は、上述した課題を解決するものであり、核分裂生成物を原子炉容器内部に保持しつつ、炉心から効率よく熱を取り出す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、核燃料物質の表面に被覆部を設けた燃料部と、熱伝導部とを備える。

本開示は、核分裂生成物を保持しつつ、炉心から効率よく熱を取り出すことができる。

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に係る原子炉の他の例の断面模式図である。 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１に係る原子炉の燃料部の断面模式図である。 図１０は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の模式斜視図である。 図１１は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の他の例の模式斜視図である。 図１２は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の他の例の模式斜視図である。 図１３は、実施形態１に係る原子炉の核燃料の他の例の断面模式図である。 図１４は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の他の例の模式斜視図である。 図１５は、実施形態２に係る原子炉を示す模式図である。 図１６は、実施形態２に係る原子炉の断面模式図である。 図１７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１８は、実施形態２に係る原子炉の熱伝導部の拡大模式図である。 図１９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２０は、図１８に示す形態の説明図である。 図２１は、実施形態３に係る原子炉を示す模式図である。

以下に、本開示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）において核分裂反応がおき、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。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に係る原子炉の他の例の断面模式図である。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１に係る原子炉の燃料部の断面模式図である。図１０は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の模式斜視図である。図１１は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の他の例の模式斜視図である。図１２は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の他の例の模式斜視図である。図１３は、実施形態１に係る原子炉の核燃料の他の例の断面模式図である。図１４は、実施形態１に係る原子炉の燃料部の他の例の模式斜視図である。

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、制御機構４と、を含む。

燃料部１は、板状に形成された燃料層１Ａを有する。燃料層１Ａは、実施形態１では、円板状に形成されている。燃料層１Ａ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。この複数の燃料層１Ａが板面を対向して並ぶ方向を軸方向という場合もある。燃料層１Ａは、核燃料物質であるウランを含む。

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、例えば、金属ブロックからなり、核燃料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、遮へい層２Ａを有する。遮へい層２Ａは、燃料層１Ａの外周面１Ａａに沿って燃料層１Ａの周囲を覆う板状に形成されている。遮へい層２Ａは、板状の両板面に貫通する貫通穴２Ａａを有して環状（リング状）に形成されている。遮へい部２は、貫通穴２Ａａに燃料層１Ａが収容される。

遮へい部２は、軸方向の両端に設けられた燃料部１を覆うように板状に形成された蓋部２Ｂを有している。遮へい部２は、各遮へい層２Ａおよび各蓋部２Ｂにより、燃料部１を密閉した内部に収容する。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、板状に形成された熱伝導層３Ａを有する。熱伝導層３Ａは、その板面を燃料層１Ａの板面に沿って接触するように軸方向に積層して配置される。熱伝導層３Ａは、燃料層１Ａおよび遮へい層２Ａよりも外径が大きく形成され、燃料層１Ａおよび遮へい層２Ａの外周に突出する。実施形態１の熱伝導層３Ａは、円板状に形成され、燃料層１Ａおよび遮へい層２Ａの全外周から径方向に突出して設けられる。径方向とは、積層方向（軸方向）に対して直交する方向である。熱伝導層３Ａは、燃料部１の燃料層１Ａと交互に軸方向に積層され、密閉した遮へい部２の内部から外部に延出して設けられる。また、熱伝導層３Ａは、燃料層１Ａの核燃料の核分裂反応により生じる熱を遮へい層２Ａの外部に固体熱伝導で伝える。熱伝導層３Ａ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。グラファイトは、特に、グラフェンを用いることができる。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を熱の伝達方向とすることで、熱伝達効率を向上できる。熱伝導層３Ａは、遮へい層２Ａの外部に延出した部分が、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。

制御機構４は、燃料層１Ａの径方向の外側であって、遮へい部２に配置される。実施形態１の制御機構４は、図３に示すように、制御ドラム４Ａとして構成されている。制御ドラム４Ａは、円筒状であって、いわゆるドラム状に形成されている。制御ドラム４Ａは、円筒が原子炉１１の軸方向に延びて形成されている。制御ドラム４Ａは、遮へい部２および熱伝導部３を軸方向に貫通して設けられている。制御ドラム４Ａは、原子炉１１の軸方向の周りである周方向に複数（実施形態１では１２個）が均等に配置されている。制御ドラム４Ａは、円筒の周りに回転が可能に設けられている。制御ドラム４Ａは、円筒の外周の一部に中性子吸収体４Ａａが設けられている。中性子吸収体４Ａａは、少なくとも燃料層１Ａの外周面１Ａａに向く位置に設けられ、例えば、ボロンカーバイト（Ｂ_４Ｃ）を用いることができる。中性子吸収体４Ａａは、制御ドラム４Ａの回転に伴って回転移動し、炉心である燃料部１の外周面１Ａａに対して接近または離隔する。中性子吸収体４Ａａが燃料部１に対して接近すると、燃料部１の反応度が下がり、中性子吸収体４Ａａが燃料部１に対して離隔すると、燃料部１の反応度が上がる。このように、制御ドラム４Ａは、中性子吸収体４Ａａを回転により燃料部１に対して接近または離隔することで炉心である燃料部１の反応度を制御でき、燃料部１の炉心温度を制御できる。炉心温度は、熱伝導部３により遮へい部２の外部に取り出される炉心平均温度である。制御ドラム４Ａは、その回転を駆動する図示しない駆動部を有する。駆動部は、制御ドラム４Ａの中性子吸収体４Ａａが燃料部１の内面に対して接近するように回転が付勢されており、制御ドラム４Ａとの連結がクラッチ機構などにより絶たれた場合に自動的に中性子吸収体４Ａａが燃料部１の外周面１Ａａに対して接近するように構成されている。このため、例えば、燃料部１の温度が設定する温度以上となった緊急時に、自動的に中性子吸収体４Ａａが燃料部１の内面に対して接近して燃料部１の反応度を下げることができる。

なお、制御機構４は、制御ドラム４Ａに限らず、図４に示すように、制御棒４Ｂであってもよい。制御棒４Ｂは、燃料部１および熱伝導部３を軸方向に貫通して複数設けられている。制御棒４Ｂは、棒状に形成されている。制御棒４Ｂは、原子炉１１の軸方向に延びて形成されている。制御棒４Ｂは、軸方向にスライドが可能に設けられている。制御棒４Ｂは、中性子吸収体により形成されている。中性子吸収体は、例えば、ボロンカーバイト（Ｂ_４Ｃ）を用いることができる。制御棒４Ｂは、スライドによって軸方向に移動し、燃料部１の筒状の内部に挿入され、または燃料部１の筒状の外部に引き抜かれることで、炉心である燃料部１に対して接近または離隔することが可能に設けられている。制御棒４Ｂが燃料部１に挿入されると、燃料部１の反応度が下がり、制御棒４Ｂが燃料部１から引き抜かれると、燃料部１の反応度が上がる。このように、制御棒４Ｂは、中性子吸収体をスライドにより燃料部１に対して挿入または引き抜くことで炉心である燃料部１の反応度を制御でき、燃料部１の炉心温度を制御できる。制御棒４Ｂは、そのスライドを駆動する図示しない駆動部を有する。駆動部は、制御棒４Ｂが燃料部１の内面に対して挿入されるようにスライドが付勢されており、制御棒４Ｂとの連結がクラッチ機構などにより絶たれた場合に自動的に制御棒４Ｂを燃料部１に挿入する。このため、例えば、燃料部１の温度が設定する温度以上となった緊急時に、自動的に制御棒４Ｂが燃料部１に挿入して燃料部１の反応度を下げることができる。

従って、実施形態１の原子炉１１は、燃料部１の核燃料の核分裂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。

実施形態１の原子炉１１は、燃料部１の核燃料の熱を熱伝導部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、内部に熱伝導部３がない場合と比べて燃料部１の核燃料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。なお、実施形態１の原子炉１１は、固体熱伝導で熱を取り出す形態の熱伝導部３を説明したが、例えば、他の熱伝導部として、流体が封入されたヒートパイプを用いる流体熱伝導で熱を取り出す形態を用いてもよい。

また、実施形態１の原子炉１１では、燃料部１の燃料層１Ａおよび熱伝導部３の熱伝導層３Ａ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、板状の熱伝導層３Ａ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、燃料層１Ａの複数の板状や、熱伝導層３Ａ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、図６に示すように、熱伝導部３は、各熱伝導層３Ａの遮へい部２の外部に延出する部分に切込３Ｂが複数形成されているとよい。切込３Ｂ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３Ｂ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。

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、各熱伝導層３Ａの遮へい部２の外部に延出する部分に、冷媒を流通する伝熱管３Ｃが貫通されているとよい。伝熱管３Ｃ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３Ｃ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３Ｃ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３Ｃ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。

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３Ｃ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３Ｃａと、仮想線Ｌよりも径方向外側に配置された外側伝熱管３Ｃｂ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３Ｃｂに流通させ、その後に戻して内側伝熱管３Ｃａ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において、各熱伝導層３Ａは、燃料部１の燃料層１Ａと重なる軸方向に複数の板材３Ｄ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３Ｄとすることで、六角形格子が板材３Ｄの面に沿って連続する。そして、この板材３Ｄ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３Ｄ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。

また、実施形態１の原子炉１１において、図９に示すように、燃料部１の燃料層１Ａは、核燃料１Ａｂと、被覆部１Ａｃとを有する。核燃料１Ａｂは、例えば、ウランの粉末を板状（円板状）に焼き固めて形成することができる。被覆部１Ａｃは、核燃料１Ａｂの表面全体を覆うように設けられている。被覆部１Ａｃは、金属または炭素化合物からなり、核燃料１Ａｂの核分裂により放出される核分裂生成物（ＦＰ）の放出を抑えるように保持するものである。

このように、実施形態１の原子炉１１では、核燃料１Ａｂの表面に被覆部１Ａｃを設けた燃料部１と、上述した熱伝導部３とを備える構成である。従って、実施形態１の原子炉１１は、核分裂生成物を保持しつつ、熱伝導部３により炉心である燃料部１の核燃料１Ａｂから効率よく熱を取り出すことができる。

具体的に、実施形態１の原子炉１１では、燃料部１は、板状に形成された核燃料１Ａｂの表面に被覆部１Ａｃが設けられた燃料層１Ａを構成する。熱伝導部３は、板状に形成された熱伝導層３Ａを構成し、燃料層１Ａの被覆部１Ａｃに面して積層して設けられる。即ち、燃料部１と、熱伝導部３とは、燃料層１Ａの被覆部１Ａｃに面して熱伝導層３Ａが積層して設けられており、被覆部１Ａｃに面して熱伝導部３と燃料部１とが積層して設けられている。従って、実施形態１の原子炉１１は、共に板状に形成された燃料層１Ａおよび熱伝導層３Ａの積層構造により、燃料部１の核燃料１Ａｂから効率よく熱を取り出すことができる。また、実施形態１の原子炉１１は、板状に形成された核燃料１Ａｂの表面に被覆部１Ａｃが設けられた燃料層１Ａを構成することで、多数のペレット状の核燃料の表面に被覆部を設けることと比較して、被覆部１Ａｃを設ける表面積を低減でき、燃料充填率を向上できる。なお、板状に形成された核燃料１Ａｂの表面に被覆部１Ａｃが設けられた燃料層１Ａは、制御機構４が制御棒４Ｂの場合、制御棒４Ｂを貫通する穴の内面にも被覆部１Ａｃが設けられる。

また、具体的に、実施形態１の原子炉１１では、図１０から図１２に示すように、燃料部１は、燃料層１Ａをなす核燃料１Ａｂが、複数のブロック状の核燃料部材１Ｂとして構成され、各核燃料部材１Ｂを図９に示すように板状に纏めた表面に被覆部１Ａｃが設けられる。図１０では、ブロック状の核燃料部材１Ｂが矩形状に形成されて端部を互いに接触できるように並べられた例を示している。図１１では、ブロック状の核燃料部材１Ｂが三角形状に形成されて端部を互いに接触できるように並べられた例を示している。図１２では、ブロック状の核燃料部材１Ｂが六角形状に形成されて端部を互いに接触できるように並べられた例を示している。このように、図１０から図１２に示す形態は、平たく形成されたブロック状の各核燃料部材１Ｂが、板状に並べられ核燃料１Ａｂを構成している。従って、実施形態１の原子炉１１は、複数のブロック状の核燃料部材１Ｂにより核燃料１Ａｂを構成し、これを纏めて被覆部１Ａｃを設けることで、図２から図５や図９に示すような板状の燃料部１を容易に製造できる。

また、具体的に、実施形態１の原子炉１１では、図１３に示すように、燃料部１は、粒子状に形成された核燃料１Ａｂの表面に被覆部１Ａｃが設けられた核燃料部材１Ｃを有している。そして、図１４に示すように、核燃料部材１Ｃは、熱伝導部３’を母材として複数纏めて構成されている。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。グラファイトは、特に、グラフェンを用いることができる。核燃料部材１Ｃは、例えば、直径１ｍｍとされ、被覆部１Ａｃは、例えば、セラミックスであることが好ましい。従って、実施形態１の原子炉１１は、熱伝導部３’を母材として核燃料部材１Ｃを複数纏めた燃料部１を構成することで、核分裂生成物を保持しつつ、熱伝導部３により炉心である燃料部１の核燃料１Ａｂから効率よく熱を取り出すことができる。また、実施形態１の原子炉１１は、図１４に示す燃料部１において、図２から図５に示すような板状の燃料層１Ａとして形成することができる。また、実施形態１の原子炉１１は、図１４に示す燃料部１において、図１０から図１２に示すようなブロック状の核燃料部材１Ｂとし、その表面の被覆部１Ａｃを省略して形成することができる。また、実施形態１の原子炉１１は、図１４に示す燃料部１において、図２に示すような板状の燃料層１Ａとして形成することができ、板状の熱伝導部３（熱伝導層３Ａ）が積層して設けられる構成とする。即ち、熱伝導部３’を母材として核燃料部材１Ｃを複数纏めた燃料部１、および熱伝導部３’とは別の熱伝導部（熱伝導部３（熱伝導層３Ａ））は、互いに板状に形成されて積層して設けられる。これにより、炉心である燃料部１の核燃料１Ａｂから効率よく熱を取り出す効果を顕著に得ることができる。なお、実施形態１の原子炉１１は、図１４に示す燃料部１において板状の燃料層として形成し、熱伝導部３’とは別の熱伝導部を有さず、当該燃料層だけを複数積層する構成としてもよい。

また、具体的に、実施形態１の原子炉１１では、熱伝導部３（熱伝導層３Ａ）は、固体熱伝導により燃料部１の熱を外部に伝える。従って、実施形態１の原子炉１１は、放射線の漏えいを抑制しつつ熱を取り出すことができ、高い出力温度を確保できる。

また、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１Ａｂ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１Ａｂの温度分布を均等にすることが好ましい。このため、実施形態１の原子炉１１は、燃料部１において、核燃料１Ａｂ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、燃料部１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。

［実施形態２］
図１５は、実施形態２に係る原子炉を示す模式図である。図１６は、実施形態２に係る原子炉の断面模式図である。図１７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１８は、実施形態２に係る原子炉の熱伝導部の拡大模式図である。図１９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２０は、図１８に示す形態の説明図である。

図１５および図１６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。また、原子炉１２は、図には明示しないが、実施形態１で説明した制御機構４を含む。

燃料部１０１は、全体として柱状に形成されている。実施形態２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、核燃料であるウランを含む。

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、実施形態２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、軸方向に延びる棒状に形成されている。熱伝導部１０３は、遮へい部１０２を貫通し、当該遮へい部１０２が覆う燃料部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の核燃料の核分裂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、例えばチタン、ニッケル、銅、グラファイトを用いることができる。グラファイトは、特に、グラフェン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。

制御機構４は、実施形態１で説明した図３で示す制御ドラム４Ａとして構成できる。制御ドラム４Ａは、遮へい部１０２に配置される。制御ドラム４Ａの詳細構成は実施形態１で説明したものであり、ここでは説明を省略する。また、制御機構４は、実施形態１で説明した図４で示す制御棒４Ｂとして構成できる。制御棒４Ｂは、燃料部１において熱伝導部１０３と平行に軸方向に延びて配置される。制御棒４Ｂの詳細構成は実施形態１で説明したものであり、ここでは説明を省略する。

従って、実施形態２の原子炉１２は、燃料部１０１の核燃料の核分裂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。

実施形態２の原子炉１２は、燃料部１０１の核燃料の熱を熱伝導部１０３により固体熱伝導で遮へい部１０２の外部に取り出し（図１５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。なお、実施形態２の原子炉１２は、固体熱伝導で熱を取り出す形態の熱伝導部１０３を説明したが、例えば、他の熱伝導部として、流体が封入されたヒートパイプを用いる流体熱伝導で熱を取り出す形態を用いてもよい。

また、実施形態２の原子炉１２では、図１７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の軸方向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１７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１７矢印参照）。

また、実施形態２の原子炉１２では、図１８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１０３Ｄ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１０３Ｄとすることで、六角形格子が板材１０３Ｄの面に沿って連続する。そして、この板材１０３Ｄを重ねて棒状に形成する。すると、熱伝導部１０３は、板材１０３Ｄ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１９、図２０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。実施形態２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１９、図２０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、例えばチタン、ニッケル、銅、グラファイトを用いることができる。グラファイトは、特に、グラフェン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１９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１０３Ｄ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１０３Ｄの端１０３Ｄａ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１８に示すような棒状の延在方向に連続する板材１０３Ｄ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１０３Ｄの端１０３Ｄａが、板材１０３Ｄ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１０３Ｄの端１０３Ｄａを、図２０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１０３Ｄの面に沿って熱の伝達性が高くなる。このため、板材１０３Ｄの面に沿って反対方向に向く端１０３Ｄａ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。

このような実施形態２の原子炉１２において、燃料部１０１は、図には明示しないが、実施形態１の燃料部１と同様に、核燃料と、被覆部とを有する。核燃料は、例えば、ウランの粉末を柱状（円柱状）に焼き固めて形成することができる。被覆部は、核燃料の表面全体を覆うように設けられている。被覆部は、金属または炭素化合物からなり、核燃料の核分裂により放出される核分裂生成物（ＦＰ）の放出を抑えるように保持するものである。

このように、実施形態２の原子炉１２は、核燃料の表面に被覆部を設けた燃料部１０１と、上述した熱伝導部１０３とを備える構成である。従って、実施形態２の原子炉１２は、核分裂生成物を保持しつつ、熱伝導部１０３により炉心である燃料部１の核燃料から効率よく熱を取り出すことができる。また、実施形態２の原子炉１２は、柱状に形成された核燃料の表面に被覆部が設けられた燃料部１を構成することで、多数のペレット状の核燃料の表面に被覆部を設けることと比較して、被覆部を設ける表面積を低減でき、燃料充填率を向上できる。なお、柱状に形成された核燃料の表面に被覆部が設けられた燃料部１は、制御機構４が制御棒４Ｂの場合、制御棒４Ｂを貫通する穴の内面にも被覆部が設けられる。

また、実施形態２の原子炉１２では、燃料部１０１は、図には明示しないが、実施形態１の燃料部１と同様に、核燃料が、複数のブロック状の核燃料部材として構成され、各核燃料部材を柱状に纏めた表面に被覆部が設けられてもよい。従って、実施形態２の原子炉１２は、複数のブロック状の核燃料部材により核燃料を構成し、これを纏めて被覆部を設けることで、一塊の柱状の燃料部１０１を容易に製造できる。

また、実施形態２の原子炉１２では、燃料部１０１は、図には明示しないが、実施形態１の燃料部１と同様に、粒子状に形成された核燃料の表面に被覆部が設けられた核燃料部材を有し、この核燃料部材が、熱伝導部を母材として複数纏めて構成されていてもよい。従って、実施形態２の原子炉１２は、熱伝導部を母材として核燃料部材を複数纏めた燃料部１０１を構成することで、核分裂生成物を保持しつつ、熱伝導部により炉心である燃料部１０１の核燃料から効率よく熱を取り出すことができる。また、実施形態２の原子炉１２は、熱伝導部を母材として核燃料部材を複数纏めた燃料部１０１において、ブロック状の核燃料部材とし、その表面の被覆部を省略して形成することができる。また、実施形態２の原子炉１２は、熱伝導部を母材として核燃料部材を複数纏めた燃料部１０１において、棒状に形成された上述の熱伝導部１０３が設けられる構成とすることで、炉心である燃料部１０１の核燃料から効率よく熱を取り出す効果を顕著に得ることができる。

また、実施形態２の原子炉１２では、熱伝導部１０３は、固体熱伝導により燃料部１０１の熱を外部に伝える。従って、実施形態２の原子炉１２は、固体熱伝導により燃料部１０１の熱を外部に伝えることで、放射線の漏えいを抑制しつつ熱を取り出すことができ、高い出力温度を確保できる。

また、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、棒状に形成されて燃料部１０１に軸方向に延在し遮へい部１０２の蓋体１０２Ｂを貫通して配置されている。この構成において、取り出す熱は、燃料部１０１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、燃料部１０１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の外周部分で燃料部１０１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。

［実施形態３］
図２１は、実施形態３に係る原子炉を示す模式図である。

実施形態３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。

実施形態３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。また、原子炉１３は、図には明示しないが、実施形態１で説明した制御機構４（制御ドラム４Ａ、制御棒４Ｂ）を含む。

即ち、原子炉１３は、燃料部１の燃料層１Ａおよび熱伝導部３の熱伝導層３Ａに、熱伝導部１０３が挿入される穴が形成されている。

実施形態３の原子炉１３は、熱伝導部は、板状に形成されて燃料層１Ａと積層して配置される第一熱伝導部３と、棒状に形成されて燃料層１Ａおよび第一熱伝導部３が重なる軸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。

そして、実施形態３の原子炉１３では、上述した実施形態１の原子炉１１および実施形態２の原子炉１２と同様の構成により、実施形態１および実施形態２と同様の作用効果を得られる。

１ 燃料部
１Ａ 燃料層
１Ａａ 外周面
１Ａｂ 核燃料
１Ａｃ 被覆部
１Ｂ 核燃料部材
１Ｃ 核燃料部材
２ 遮へい部
２Ａ 遮へい層
２Ａａ 貫通穴
２Ｂ 蓋部
３ 熱伝導部（第一熱伝導部）
３Ａ 熱伝導層
３Ｂ 切込
３Ｃ 伝熱管
３Ｃａ 内側伝熱管
３Ｃｂ 外側伝熱管
３Ｄ 板材
４ 制御機構
４Ａ 制御ドラム
４Ａａ 中性子吸収体
４Ｂ 制御棒
１１，１２，１３ 原子炉
５０ 原子力発電システム
５１ 原子炉容器
５２ 熱交換器
５３ 熱伝導部
５４ 冷媒循環手段
５５ タービン
５６ 発電機
５７ 冷却器
５８ 圧縮機
１０１ 燃料部
１０２ 遮へい部
１０２Ａ 胴体
１０２Ｂ 蓋体
１０３ 熱伝導部（第二熱伝導部）
１０３Ｄ 板材
１０３Ｄａ 端
１０４ 熱伝導部

Claims (5)

1. 核燃料の表面に被覆部を設けた燃料部と、熱伝導部とを備え、
   前記被覆部に面して前記熱伝導部と前記燃料部とが積層して設けられ、前記熱伝導部が前記燃料部の外周から突出して設けられる、原子炉。
2. 前記燃料部は、前記核燃料が複数のブロック状の核燃料部材により構成され、ブロック状の各前記核燃料部材を纏めた表面に前記被覆部が設けられる、請求項１に記載の原子炉。
3. 粒子状に形成された核燃料の表面に被覆部が設けられた核燃料部材を有し、当該核燃料部材が熱伝導部を母材として複数纏めて構成される燃料部を備え、
   前記燃料部および別の熱伝導部は、互いに板状に形成されて積層して設けられる、原子炉。
4. 粒子状に形成された核燃料の表面に被覆部が設けられた核燃料部材を有し、当該核燃料部材が熱伝導部を母材として複数纏めて構成される燃料部を備え、
   前記燃料部および別の熱伝導部は、互いに板状に形成されて積層して設けられ、前記別の熱伝導部が前記燃料部の外周から突出して設けられる、原子炉。
5. 前記熱伝導部は、固体熱伝導により前記燃料部の熱を外部に伝える、請求項１から４のいずれか１項に記載の原子炉。

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