JP7474675B2

JP7474675B2 - 原子炉

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Publication number: JP7474675B2
Application number: JP2020169941A
Authority: JP
Inventors: 翔太小林; 覚蒲原; 康考原井; 忠勝淀; 昇平大槻; 望村上; 道中里; 喬長谷川; 豊田中; 達男石黒; 浩徳野口; 秀行工藤; 貴史野田; 和弘吉田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2020-10-07
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2024-04-25
Anticipated expiration: 2040-10-07
Also published as: US20240013938A1; WO2022075023A1; JP2022061791A

Description

本開示は、原子炉に関する。

例えば、特許文献１，２には、炉心を環状に形成する構造が示されている。特許文献１に記載の炉心は、外側黒鉛円筒と、内側黒鉛円筒と、これらにより区画され球状燃料が円筒状に充填された燃料充填領域と、で構成されている。そして、特許文献１は、炉心から熱を取り出すにあたり、冷却ガスを環状炉心の外側から流入し炉心を通して環状炉心の内側から流出させる構成である。一方、特許文献２は、多数の燃料集合体を束ねて全体として円環状に配置して構成されている。そして、特許文献２は、環状炉心の下方の下部プレナムに低温の冷却材があり、上方の上部プレナムに高温の冷却材がある構成である。

特開２００４－２９４２５０号公報特許第２５５１８９２号公報

ここで、原子炉の炉心の設計段階において、炉心から熱を取り出す構成を含み炉心熱出力を容易に変更できる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、炉心熱出力を変更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、環状の燃料層と、前記燃料層に積層されて前記燃料層の外周に延出する熱伝導層と、を含む。

本開示は、燃料層および熱伝導層の数を増減させることで、炉心熱出力を変更できる。

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、実施形態に係る原子炉を示す一部切取模式図である。図３は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図４は、実施形態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、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図１０は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図１１は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図１２は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。

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、後述する本実施形態の原子炉１１を有する。原子炉容器５１は、内部に原子炉１１が格納されている。原子炉容器５１は、原子炉１１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を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。

図２は、実施形態に係る原子炉を示す一部切取模式図である。図３は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図４は、実施形態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、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図１０は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図１１は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。図１２は、実施形態に係る原子炉の断面模式図である。

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、板状に形成された燃料層１Ａを有する。燃料層１Ａは、実施形態では、円板状に形成されている。燃料層１Ａは、板状の両板面１Ａａに貫通する貫通穴１Ａｂを有して環状（リング状）に形成されている。貫通穴１Ａｂは、実施形態では、円形状に形成され、円板状の燃料層１Ａの中央に形成されている。

実施形態の燃料層１Ａは、図５に示すように、核燃料１Ｂと、支持体１Ｃと、を含む。支持体１Ｃは、燃料層１Ａがなす円板環状に形成されている。支持体１Ｃ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１Ｃは、複数の穴１Ｃａが板状の両板面１Ａａに貫通して形成されている。実施形態では、穴１Ｃａは、円形に形成されている。核燃料１Ｂは、各穴１Ｃａに収納できるように形成されている。実施形態では、核燃料１Ｂは、穴１Ｃａが円形に形成されているため、穴１Ｃａに収納できるように円柱形状に形成されている。核燃料１Ｂは、例えば、ウランの粉末を上記形状に焼き固めて形成することができる。なお、燃料層１Ａは、支持体１Ｃを有さず全てが核燃料１Ｂで形成されていてもよい。

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、例えば金属材からなり、燃料部１（核燃料１Ｂ）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の周面１Ａｃ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２Ａａに貫通する貫通穴２Ａｂ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２Ａｂに燃料層１Ａが収容される。

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、実施形態では、円板状に形成されている。熱伝導層３Ａは、板状の両板面３Ａａに貫通する貫通穴３Ａｂを有して環状（リング状）に形成されている。貫通穴３Ａｂは、実施形態では、円形状に形成され、円板状の熱伝導層３Ａの中央に形成されている。貫通穴３Ａｂは、実施形態では、燃料層１Ａの貫通穴１Ａｂと一致するように同形および同径に形成されている。熱伝導層３Ａは、その板面３Ａａを燃料層１Ａの板面１Ａａに沿って接触するように積層して配置される。熱伝導層３Ａと燃料層１Ａとの積層方向を軸方向とも言う。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）に対して交差（直交）する方向である。また、熱伝導層３Ａは、燃料層１Ａの核燃料１Ｂの核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。

上述した燃料層１Ａ、遮へい層２Ａ、熱伝導層３Ａは、１つのユニットを構成する。そして、図２に示すように、ユニットを軸方向に複数積層して原子炉１１が構成される。従って、原子炉１１は、燃料層１Ａが、その外周に遮へい層２Ａが設けられた形態で、熱伝導層３Ａと交互に軸方向に積層される。

このように、原子炉１１において、燃料部１は、複数の燃料層１Ａからなり、燃料層１Ａの貫通穴１Ａｂが軸方向に並んで筒状に形成される。遮へい部２は、複数の遮へい層２Ａからなり、燃料部１の外周を覆うように配置される。また、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。また、熱伝導部３は、複数の熱伝導層３Ａからなり、熱伝導層３Ａが燃料部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。

従って、実施形態の原子炉１１は、燃料部１の核燃料１Ｂ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。

実施形態の原子炉１１は、燃料部１の核燃料１Ｂ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１Ｂ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、実施形態の原子炉１１は、高い出力温度を確保できる。なお、実施形態の原子炉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１Ａａ，３Ａａ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の燃料層１Ａの板状や、熱伝導部３の熱伝導層３Ａ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、実施形態の原子炉１１では、燃料部１が、燃料層１Ａにおいて、板状に形成された支持体１Ｃと、支持体１Ｃに設けられた穴１Ｃａに配置される核燃料１Ｂと、を含む。従って、実施形態の原子炉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３Ａａに沿って核燃料１Ｂ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、実施形態の原子炉１１において、燃料部１は、燃料層１Ａにおいて、支持体１Ｃに設けられた穴１Ｃａに核燃料１Ｂを配置する形態とするにあたり、支持体１Ｃは、貫通穴１Ａｂに近いほど穴１Ｃａ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、実施形態の原子炉１１では、燃料部１は、核燃料１Ｂの配置密度を、外周部分よりも中央部分に近いほど低くするとよい。実施形態の原子炉１１の構成において、燃料部１は、核燃料１Ｂ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１Ｂ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１Ｂ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１Ｂ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。

ところで、実施形態の原子炉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、実施形態の原子炉１１は、図９から図１２に示すように、制御機構４（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ）を含む。制御機構４は、燃料層１Ａの環状の内側であって、燃料部１の筒状の内部に配置される。

図９に示す制御機構４は、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、燃料部１の燃料層１Ａの貫通穴１Ａｂおよび熱伝導部３の熱伝導層３Ａの貫通穴３Ａｂに挿通されて軸方向に連続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（実施形態では６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の内面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の内面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の内面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、制御ドラム４Ａの周囲となる燃料部１の筒状の内部は、減速材として例えば黒鉛が充填されていてもよく、空間であってもよい。

図１０および図１１に示す制御機構４は、制御板４Ｂとして構成されている。制御板４Ｂは、板状に形成されている。制御板４Ｂは、燃料部１の筒状の中心から径方向外側に向けて形成されている。制御板４Ｂは、原子炉１１の軸方向の周りである周方向に複数（実施形態では６個）が均等に配置されている。制御板４Ｂは、原子炉１１の軸方向に延びて形成されている。制御板４Ｂは、燃料部１の筒状の中心に軸方向に延びて配置された基部４Ｂｂを基準に径方向にスライドが可能に設けられている。基部４Ｂｂは、燃料部１の燃料層１Ａの貫通穴１Ａｂおよび熱伝導部３の熱伝導層３Ａの貫通穴３Ａｂに挿通されて軸方向に連続して設けられている。制御板４Ｂも、燃料部１の燃料層１Ａの貫通穴１Ａｂおよび熱伝導部３の熱伝導層３Ａの貫通穴３Ａｂに挿通されて軸方向に連続して設けられている。なお、制御板４Ｂは、少なくとも燃料層１Ａの内面に向く位置に設けられていてもよい。実施形態の制御板４Ｂは、燃料部１の筒状の中心を基準に径方向に伸縮が可能に設けられている。実施形態の制御板４Ｂは、例えば、テレスコピック機構などの構造により伸縮が可能に設けられている。制御板４Ｂは、伸縮の少なくとも先端に中性子吸収体４Ｂａが設けられている。中性子吸収体４Ｂａは、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４Ｂａは、制御板４Ｂのスライドに伴って径方向に移動し、炉心である燃料部１の内面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。中性子吸収体４Ｂａが燃料部１に対して接近すると（図１０参照）、燃料部１の反応度が下がり、中性子吸収体４Ｂａが燃料部１に対して離隔すると（図１１参照）、燃料部１の反応度が上がる。このように、制御板４Ｂは、中性子吸収体４Ｂａをスライドにより燃料部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。制御板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、制御板４Ｂの中性子吸収体４Ｂａが燃料部１の内面に対して接近するようにスライド（伸縮）が付勢されており、制御板４Ｂとの連結がクラッチ機構などにより駆動が絶たれた場合に自動的に中性子吸収体４Ｂａが燃料部１の内面に対して接近する。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、自動的に中性子吸収体４Ｂａ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、制御板４Ｂの周囲であってスライドに支障のない燃料部１の筒状の内部は、減速材として例えば黒鉛が充填されていてもよく、空間であってもよい。

図１２に示す制御機構４は、制御棒４Ｃとして構成されている。制御棒４Ｃは、棒状に形成されている。制御棒４Ｃは、原子炉１１の軸方向に延びて形成されている。制御棒４Ｃは、燃料部１の燃料層１Ａの貫通穴１Ａｂおよび熱伝導部３の熱伝導層３Ａの貫通穴３Ａｂに挿通されて軸方向に連続して設けられている。制御棒４Ｃは、燃料部１の筒状の中心に配置され、かつ燃料部１の筒状の中心の周りである周方向に複数（実施形態では８個）が均等に配置されている。制御棒４Ｃは、軸方向にスライドが可能に設けられている。制御棒４Ｃ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。中性子吸収体からなる制御棒４Ｃ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の内面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４Ｃ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、制御棒４Ｃ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、制御棒４Ｃは、中性子吸収体をスライドにより燃料部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。制御棒４Ｃ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４Ｃが燃料部１の内面に対して接近するようにスライドが付勢されており、制御棒４Ｃとの連結がクラッチ機構などにより駆動が絶たれた場合に自動的に燃料部１の内面に対して接近する。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４Ｃ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、制御棒４Ｃの周囲となる燃料部１の筒状の内部は、減速材として例えば黒鉛が充填されていてもよく、空間であってもよい。

上述したように、実施形態の原子炉１１は、環状の燃料層１Ａと、燃料層１Ａに積層されて燃料層１Ａの外周に延出する熱伝導層３Ａと、を含む。

実施形態の原子炉１１は、燃料部１が筒状に形成される。この構成により、実施形態の原子炉１１は、筒状ではない柱状に形成した場合と比較し、炉心をなす燃料部１の中心部と外周の表面部とにおける温度差を小さくできる。これにより、筒状でない構成と比較し、表面温度を高く設定できる。原子炉１１の表面温度が高くなることで、熱出力が向上し、原子力発電システム５０における発電効率を向上できる。

実施形態の原子炉１１は、炉心を構成する燃料層１Ａの熱出力は、熱伝導層３Ａを介して炉心の外部に出力される。ここで、熱伝導層３Ａに伝わる炉心入口温度が一定の場合、熱伝導層３Ａと、熱伝導層３Ａに接触して熱が伝えられる部材との接触面積により受け渡される熱の総量が決まる。このため、実施形態の原子炉１１は、燃料層１Ａおよび熱伝導層３Ａの積層数を増減させることで、炉心熱出力を変更できる。

また、実施形態の原子炉１１では、燃料層１Ａと熱伝導層３Ａとが１つのユニットとして構成され、当該ユニットが複数積層されることが好ましい。実施形態の原子炉１１は、燃料層１Ａおよび熱伝導層３Ａの積層数を増減させるうえで、これらをユニット化することで、炉心熱出力の変更を容易にできる。

また、実施形態の原子炉１１では、燃料層１Ａの環状の内側に配置される制御機構４を含むことが好ましい。実施形態の原子炉１１は、燃料層１Ａの環状の内側に制御機構４を配置することで、炉心をなす燃料部１の外周に制御機構４を配置することと比較し、全体の小型化を図ることができる。しかも、実施形態の原子炉１１は、炉心をなす燃料部１の外周に制御機構４を配置する場合と比較すると、燃料層１Ａの外周に延出する熱伝導層３Ａの障壁を小さく（薄く）することが可能であり、原子炉１１の表面温度を高く設定できる。

また、実施形態の原子炉１１では、制御機構４は、燃料層１Ａの内面に対して中性子吸収体を回転により接近または離隔することが可能である。従って、実施形態の原子炉１１では、制御機構４は、制御ドラム４Ａとして構成できる。

また、実施形態の原子炉１１では、制御機構４は、燃料層１Ａの内面に対して中性子吸収体を径方向へのスライドにより接近または離隔することが可能である。従って、実施形態の原子炉１１では、制御機構４は、制御板４Ｂとして構成できる。

また、実施形態の原子炉１１では、制御機構４は、燃料層１Ａの環状に対して中性子吸収体を軸方向に抜き差しすることが可能である。従って、実施形態の原子炉１１では、制御機構４は、制御棒４Ｃとして構成できる。

また、実施形態の原子炉１１では、熱伝導層３Ａは、異なる径を有する２以上が適用可能である。熱伝導層３Ａは、燃料層１Ａに積層されるものであり、複数の場合その外径を異ならせることができる。従って、実施形態の原子炉１１は、燃料層１Ａの外周に延出する熱伝導層３Ａの延出量（延出長さ）を変えることができ、熱出力の設計に自由度を付与できる。

また、実施形態の原子炉１１では、燃料層１Ａは、径方向にウラン濃縮度分布を設けることが好ましい。実施形態の原子炉１１において、一例として、燃料層１Ａは、支持体１Ｃに設けられた穴１Ｃａに核燃料１Ｂを配置する形態としている。従って、支持体１Ｃの穴１Ｃａの密度を変えることで、核燃料１Ｂの分布、即ちウラン濃縮度分布を変えることができる。燃料層１Ａは、ウラン濃縮分布を径方向で均等とした場合、外周部分よりも中央部分の温度が高くなる。実施形態の原子炉１１は、燃料層１Ａの外周から熱伝導層３Ａにより熱を取り出す構成であり、熱を取り出しやすくするには、径方向で温度分布を均等にすることが好ましい。このため、径方向にウラン濃縮度分布を設けるように、燃料層１Ａの外周部分よりも中央部分を低くすることで、径方向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、実施形態の原子炉１１では、熱伝導層３Ａは、固体熱伝導により燃料層１Ａの熱を外部に伝えることが好ましい。実施形態の原子炉１１は、固体熱伝導により燃料層１Ａ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。

１Ａ燃料層
３Ａ熱伝導層
４制御機構
４Ａ制御ドラム
４Ｂ制御板
４Ｃ制御棒
１１原子炉

Claims

環状の燃料層と、
前記燃料層に積層されて前記燃料層の外周に延出する熱伝導層と、
を含み、
前記燃料層と、前記熱伝導層とが１つのユニットとして構成され、前記ユニットが複数積層される、原子炉。
環状の燃料層と、
前記燃料層に積層されて前記燃料層の外周に延出する熱伝導層と、
を含み、
前記燃料層の環状の内側に配置される制御機構を含む、原子炉。
前記制御機構は、前記燃料層の内面に対して中性子吸収体を回転により接近または離隔する、請求項２に記載の原子炉。
前記制御機構は、前記燃料層の内面に対して中性子吸収体をスライドにより接近または離隔する、請求項２に記載の原子炉。
前記制御機構は、前記燃料層の環状に対して中性子吸収体を抜き差しする、請求項２に記載の原子炉。
環状の燃料層と、
前記燃料層に積層されて前記燃料層の外周に延出する熱伝導層と、
を含み、
異なる径を有する２以上の前記熱伝導層が適用可能である、原子炉。
環状の燃料層と、
前記燃料層に積層されて前記燃料層の外周に延出する熱伝導層と、
を含み、
前記燃料層は、径方向にウラン濃縮度分布を設ける、原子炉。
前記熱伝導層は、固体熱伝導により前記燃料層の熱を外部に伝える、請求項１から７のいずれか１項に記載の原子炉。