JPH0562714B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は液体核燃料による小型原子炉に関す
る。 〔従来の技術〕 原子炉は初期には固体核燃料を用いるものが提
案されたが、米国ORNL（オークリツヂ．国立研
究所）によつて溶融弗化物からなる液体核燃料に
よるものが提案された。この液体核燃料による原
子炉は炉心に黒鉛よりなる減速材を13vol％程度
の大きな空隙率で配置し、この空隙内に核分裂性
物質の燃料濃度0.3mol％程度の燃料を含有する
塩を流通させ、黒鉛の制御棒を抜くことによつて
反応を促進させていた。 なお、上記塩はリチウムおよびベリリウムの弗
化物混合体を高温にした溶融塩（透明液体）でこ
れに燃料であるトリウムとウランの弗化物を溶か
したものである。また上記塩の熱は一次熱交換器
で二次流体のNaBF₄−NaFに移し、これを更に
二次熱交換器で三次流体の水に移し、この水の蒸
気でタービン等を回して発電させるものである。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかし上記従来の液体核燃料による原子炉は出
力100万kW程度の大型のものに限られ、炉心に
おけ出力密度が高いので一定期間運転すると減速
材である黒鉛は損傷するので交換せねばならなか
つた。また、出力密度を低くすると炉心における
核燃料物質の保有量が大きいので、燃料を多量に
要し不経済であつた。 〔発明の目的〕 本発明は出力５〜25万kW程度の小型の原子炉
を提供するもので、炉心におけるその出力密度を
低く（10kW^th／程度）して黒鉛が損傷しない
ようにし、その交換を不要とすると共に、核燃料
物質の保有量を小さくして燃料を経済的にしたも
のである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は黒鉛よりなる減速材を配置した炉心を
中心領域と周辺領域とブランケツト領域と
の３つの領域に分け、中心領域における減速材
１０の空隙率を６〜８％にし、周辺領域におけ
る減速材１３の空隙率を８〜12％、ブランケツト
領域の減速材の空隙率を30〜34％にしたもので
ある。 〔作用〕 核燃料を含有する塩は炉心の中心領域と周辺
領域とブランケツト領域との減速材１０，１
３，１４の空隙１２，１２，１６内に流れ、その
核燃料中ウランが核分裂してエネルギーを発生す
ると共にその際発生する中性子によりトリウムを
ウランに転換し、反応を継続する。 〔実施例〕 以下図面につき本発明の一実施例を詳細に説明
する。 図示のものは15万kWの発電炉の場合である。
第１図示のようにコンクリートよりなる厚い壁遮
蔽体１，２の下方にはNi−Mo−Cr合金よりなる
偏平な、円筒状の原子炉容器３を配置する。各部
分の寸法は第１図の目盛線２ｍに比較する通りで
ある。この容器３の下部には塩の入口４，４を、
上部には塩の出口５，５を設ける。 この塩の組成は⁷LiF−BeF₂−thF₄−²³³UF₄で、
⁷LiFのmol％は72−Ｘ、BeF₂は16、ThF₄は12、
²³³UF₄はＸである。なおＸは約0.2mol％である。 この容器３の周辺には黒鉛反射体６を配置し、
その内部の炉心７の中心領域には黒鉛よりなる
制御棒８，８…を駆動機構９により上下動すべく
挿入し、第１、第２図示のようにその周囲には長
さ２ｍの固定の黒鉛よりなる減速材１０，１０…
を配置する。なおこの減速材１０は長さ２mm前後
で上下端に支持部を有する。 上記中心領域における減速材１０は第３図イ
示の水平断面で示すような寸法の６枚の菱形で細
長い板１１，１１…を突起等によりその間の一定
の空隙１２が形成されるように六角形状に結合し
たもので、空隙率は６〜８％好ましくは７％であ
る。したがつて黒鉛の体積率は94〜92％好ましく
は93％である。 上記中心領域の外側の周辺領域にも黒鉛よ
りなる減速材１３，１３…を配置する。これらの
減速材１３，１３…は第２図では白く示し、その
水平断面は第３図イと略同様であるが、その空隙
率は８〜12％好ましくは10％である。したがつて
黒鉛の体積率は92〜88％、好ましくは90％であ
る。 上記周辺領域の外側のブランケツト領域に
も同様の黒鉛よりなる減速材１４，１４…を厚さ
30〜50cmに配置する。この減速材１４は第３図ロ
示の水平断面で示すような寸法の９枚の菱形で細
長い板１５，１５…を突起等によりその間に一定
の空隙１６が形成されるように六角形状に結合し
たもので空隙率は30〜34％好ましくは32％であ
る。したがつて黒鉛の体積率は70〜66％好ましく
は68％である。 上記容器３内における黒鉛反射体６、炉心７の
中心領域、周辺領域、ブランケツト領域の
寸法は第４図示の通りである。 上記容器３の黒鉛の減速材１０，１３，１４を
内部に充填した後、熔封してしまう。したがつて
可動部は、中央の制御棒８の駆動機構９のみであ
る。燃料塩の総量は、炉心外を含めて12.1m³であ
つて、40.5tonとなる。この内²³³Uは294Kg、Th
は1.75tonである。 次いでこの装置の動作を説明する。 化学的に安定かつ常圧の溶融弗化物（⁷LiF−
BeF₂−ThF₄−²³³UF₄）からなる塩は入口４，４
…より炉心７内に入り、各減速材１０，１３，１
４への空隙１２，１２，１６内を下から上に通つ
て出口５より流出する。而して駆動機構９により
制御棒８を炉心７の中心領域内に挿入すると中
性子の吸収が少なくなり、中性子の密度が高まつ
て従来の原子炉とは逆に反応が促進される。 この反応はウラニウム²³³Uが核分裂してエネル
ギーを発生すると共に中性子を発生し、その中性
子の一部がトリウム²³²Thに吸収されてそれをウ
ラニウム²³³Uを転換する。その転換率は約94％で
ある。この運転中、核分裂生成物の稀ガス元素
（Kr、Xe）は、塩に溶解しないので、カバーガ
スより約99％が炉外に分離される。これにより核
燃料転換率は、約94％となる。 燃料は⁷LiF−²³³UF₄塩を、上記塩のダンプタ
ンクに随時添加することにより補給する。またそ
の際、汚れた燃料塩を少し取り去り、容量を一定
に保つ。 炉制御は、核分裂性成分²³³Uの濃度をその添加
により約0.195〜0.205モル％に維持することによ
る。更に微細な制御は炉中央部に上部から挿入し
た黒鉛棒の制御棒８の操作によるが余り必要でな
い。 一方、炉から出た高温燃料塩は、二本の塩ルー
プ配管を流れて第１の熱交換器で二次系溶融塩
〔〔NaBF₄−NaF（92−８モル％）〕に伝熱し、次
に第２の熱交換器で水に伝熱し、水蒸気を発生さ
せ、タービン発熱を行う。効率は超臨界条件によ
り約43％を確保できる。 本発明による出力15万kWの小型原子炉を従来
のORNLの出力100万kWの原子炉と比較すると
以下の通りである。

【表】 ＊ 連続化学処理による。
〔発明の効果〕 以上のように本発明による原子炉は液体核燃料
よりなる塩を冷却材を兼ねつつ使用するものであ
るが、中心領域における減速材１０の空隙率を
６〜８％にし、周辺領域における減速材１３の
空隙率を８〜12％にし、ブランケツト領域にお
ける減速材１４の空隙率を30〜34％にしているの
で、中性子の密度（６×10¹³n／cm²sec＞50KeV）
を炉全体に亘つて低くでき、炉内の出力密度を低
め（10kW／）にできるので減速材の照射損傷
が少くなり、その寿命が長く（30年）なるので交
換不要となり、容器を密封しうるものである。こ
れは設計・製作・運転保守を非常に単純にし、ま
た全体が小型・軽量となるため、資本費も運転費
も低くできるものである。 また、炉内の黒鉛の量は従来のもの（空隙率13
％）より多くなるので中性子の減速能が強まり、
中性子効率が下がらないので燃料の転換比が非常
に高く（94％、軽水炉では50〜60％）、また燃料
中の核分裂物質²³³Uの保有量は大型炉に匹敵する
値（2.0トン²³³U／100万kW）に低く、溶融塩中
の²³³UF₄の濃度も非常に低く（0.2mol％）でき
るので燃料が経済的である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図
は第１図Ａ−Ａ線断面図、第３図イ，ロは炉心の
２つの領域における減速材の平面図、第４図はそ
の炉心の各領域の寸法を示す説明図である。 ……中心領域、……周辺領域、……ブラ
ンケツト領域、１０，１３，１４……減速材、７
……炉心、１２，１２，１６……空隙。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 黒鉛よりなる減速材を配置した炉心を中心領
   域と周辺領域とブランケツト領域との３つの領域
   に分け、中心領域における減速材の空隙率を６〜
   ８％にし、周辺領域における減速材の空隙率を８
   〜12％、ブランケツト領域の減速材の空隙率を30
   〜34％にしたことを特徴とする液体核燃料による
   小型原子炉。