JPS6262308B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融塩原子炉に関する。詳しくは本発
明は炉心、燃料塩循環系および熱交換系を一つの
原子炉容器に収納した小型一流体溶融塩原子炉に
関する。一般に、溶融塩原子炉は、炉心が減速材
として約20％の空隙を有する固定された黒鉛集合
体で構成され、その空隙の間を通つて燃料塩が循
環する。燃料塩としては例えば0.3モル％のウラ
ニウムを含むLiF―BeF₂―ThF₄―UF₄（混合率
は順に71.7％，16％，12％，0.3％）の混合物が
用いられ、この混合物は溶融点が490℃で、500℃
以上に保たれた原子炉炉室内では完全に液状で原
子炉の中を循環することができ、炉心を通過する
際に熱中性子が殖え核分裂を起して発熱し、発生
した熱は燃料塩自体が一次冷却材としてこれを吸
収し炉外に設けられた熱交換系においてNaBF₄―
NaFの混合物から成る二次冷却材に伝熱する。原
子炉内は１気圧で、燃料塩の循環は炉外に設けら
れたポンプで行われる。すなわち、溶融塩原子炉
は第１図に示すごとき構成で、溶融塩は燃料であ
ると同時にそれ自体が熱を取り出す媒体となつて
る。

而して、溶融塩原子炉は、前記の組成に示され
るごとくトリウムを燃料母体として使用するが、
トリウムは中性子を吸収して核分裂性のS²³³に変
換する核燃料物質であるけれども、それ自体は核
分裂をしない安全な物質でしかもウラニウムに比
べてはるかに安価で入手しやすくかつ広く世界に
分布しているので、資源上有利である。また溶融
塩原子炉は構造が極めて簡単で、しかも運転は１
気圧で行はれ、使用する燃料塩は液体であるから
成型加工は不要であり燃料ペレツトと被覆管との
問題その他固型燃料として起る問題がなく、また
蒸気圧が非常に低いため容器やパイプが万一破損
した場合も噴出することがなく、また水や空気と
も激しく反応しないので極めて安全である。ま
た、燃料塩の装荷量は消耗分を順次追加するだけ
で足りるので炉内には常に余分の燃料がないので
暴走の危険がない。さらに、溶融塩原子炉では燃
料が液体で原子炉の中を循環しているので反応中
に生成する核分裂生成物はその場で少しづつ系外
に取り出して化学処理できるので、在来の固型燃
料型の原子炉のごとく再処理工場を建設する必要
がない。以上のほか、溶融塩原子炉は濃縮ウラン
やプルトニウムに頼らないで済むとか高放射性廃
棄物の発生が少いなどの多くの利点を有し資源上
安全性および経済性の面から極めて注目すべき特
徴を有する原子炉である。

本発明の目的は、無公害で安全な小型原子力エ
ネルギー源として、このような溶融塩原子炉の特
徴を生かし構造簡単でユニツト化された故障時の
補修が容易で安全性のより確実な原子炉を提供す
ることである。

本願発明者等は、この目的を達成するため、 (1) 約700℃までの多目的熱源が得られること； (2) 人口密集地の近傍でも設置できる極めて安全
な10〜100NWthの原子炉であること； (3) 寿命中（約30年）放射性物質を地下貯蔵して
おき搬出しないですませ得ること； (4) ありうべき如何なる外乱に対しても炉を安全
に停止し外部に被害を与えないものであるこ
と； (5) ありうべき如何なる事故に対しても作業員に
被爆を強いることなく、遠隔操作で復旧できる
ものであること； (6) いかなるミス操作に対しても完全に安全運転
ができること； (7) 核拡散が完全に防止できること； (8) 建設費、燃料費並に運転費などを綜合して従
来の原子炉に比して高価でないこと； (9) コンパクトであること； (10) 負荷変動に強いものであること； (11) 資源が長期間確保できること； (12) 一日一回程度の監視点検で安全運転ができる
こと； (13) 約30年の寿命があり、燃料は僅かな処理
で、次の新しい炉に再使用できること を設計の条件として、鋭意研究の結果、 (1) 溶融燃料塩循環系、熱交換系および炉心を同
一容器内に収納すること； (2) 燃料塩の循環には熱対流およびヘリウム気泡
のガスリフト力を利用すること； (3) ヘリウム気泡発生機構の万一の故障による循
環不全の場合を考慮して制御棒を設置するこ
と： (4) 燃料塩の量をできるだけ減ずるため容器内空
間は黒鉛で埋めること； (5) 異常事態発生時には燃料塩は凍結弁によつて
ドレンタンクのピツトに完全に落され、凍結弁
は常時点検が可能であること； (6) ピツトに落された燃料塩は崩壊熱にも安全で
あること； (7) 燃料塩はハステロイ製容器中にだけ存在し、
外殻容器はステンレス製でN₂により500℃に保
温し、その外側は外殻容器および壁の温度を調
節できること； (8) 負荷変動に強くするため金属材料は薄くし、
できるだけ黒鉛を利用し、熱膨張やヒズミを避
ける構造とすること： (9) 故障の時、炉外の一部または全部リモートメ
ンテナンスで取り代えられること を意図して、炉心、燃料塩循環系および熱交換系
を一つの原子炉容器に収納し、燃料塩の循環を熱
対流と噴出ヘリウムの気泡との協同作用によつて
行うごとくした一流体溶融塩原子炉を設計し発明
を完成した。

すなわち、本発明の一流体溶融塩原子炉は、原
子炉容器において、約20％の空隙を有する黒鉛の
集合体から成る炉心の周囲に原子炉容器内の周辺
に沿つて熱交換系を設け、炉心の上方に撹拌手段
から成る燃料塩循環補助系を設け、炉心の下方に
ヘリウムガス噴出口から成る燃料塩循環系を設け
空間を黒鉛で埋めた構造を有し、これに燃料塩を
投入して成る原子炉である。

以下図面によつて、本発明の一流体溶融塩原子
炉の構成を１具体例について説明する。

第２図および第３図ＡおよびＢにおいて、１は
厚さ15mmのハステロイＮで作られた円筒形の原子
炉容器本体で、底部２は皿形でその中心部に凸出
口３を有し、該円筒容器の上部および下部にそれ
ぞれ１個の開口部４および５がある。底部２に固
定された数本の上下貫通支持構造体６によつて支
持金物７を介して支持された環状のマニホルド８
および９が該円筒容器内の周辺に沿つて該開口部
４および５と同じレベルに設けられ、それぞれ開
口部４および５に開通している。マニホルド８お
よび９は第４図に示すごとき態様で間隔約７mmの
約1000本の肉厚１mm直径20mmのハステロイ―Ｎ製
の導管１０によつて連通している。該導管１０か
ら成る環状の導管群１１はマニホルド８および９
と共に熱交換系を構成し、その内側に、周囲を黒
鉛反射体１２で囲まれた炉心領域１３を形成し、
中心部に制御棒通路１４を貫通した約20％の空隙
を有する黒鉛集合体から成る炉心１５を含む。炉
心領域１３の下方は空間域１６でその下は底部２
まで黒鉛反射体層１７が存在する。該黒鉛反射体
層１７の中心部には該空間域１６を底部の凸出口
３に通ずる通路１８が貫通している。原子炉容器
の蓋部は中央部を円形に打抜いたドーナツ蓋１９
と該円形部分に対する本蓋２０とから成り、ドー
ナツ蓋１９は容器本体１のフランジに取り付けら
れ、本蓋２０はドーナツ蓋１９の中央部の円形の
口をカバーするように取り付けられる。本蓋２０
の中心部は制御棒通路１４が貫通し固定され、ま
た炉心領域１３の上方には、循環の補助作用及び
過剰のヘリウムを分離するための撹拌手段から成
る溶融燃料塩循環補助系が設けられ、第５図に示
すごとく、回転体２１を回転するための３個のフ
リクシヨンドライブ２２を駆動するシヤフト２３
が貫通している。ドーナツ蓋１９には数本の高圧
ヘリウム導入管２４およびヘリウムガス導出管２
５並に燃料塩導入管２６が貫通し固定されてい
る。高圧ヘリウム導入管２４は支持構造体６とほ
ぼ同一円上にこれと交互に配置され黒鉛反射体１
２を貫通し空間域１６まで延長しほぼ直角に曲り
先端の噴出口２７は水平方向を向いている。蓋１
９および２０と炉心領域１３との間の空所は回転
体２１およびフリクシヨンドライブ２２の回転す
る上部空間域２８の部分を除いてほぼ全体が黒鉛
反射体層２９で占められている。ヘリウムガス導
出管２５および燃料塩導入管２６はこの上部空間
域２８に開口している。導管、支持体その他原子
炉容器内のすべての部材はハステロイＮあるいは
黒鉛から作られる。

原子炉容器１は支持台１０２に支えられて原子
炉容器１と相似形のステンレススチール製の外殻
容器１０１の中に収納され両者の間に空間部１０
３を形成する。外殻容器１０１は原子炉容器１の
開口部４および５に対応する部分に開口部１０４
および１０５を有し、両者はそれぞれ導管１０６
および１０７で連結され、開口部１０４および１
０５はそれぞれ導管１０８および１０９に連結し
ている。外殻容器１０１の蓋１１０の中央部には
ワイヤロープ釣下方式の制御棒駆動機構１１１
が、制御棒１１２が制御棒通路１４を上下に移動
し得るように取り付けられている。また３個の駆
動シヤフト２３が貫通し外部に設けられたモータ
ーに連動している。外殻容器１０１は周辺部に冷
却窒素配管１１３を設けた粒状断熱材層１１４で
その周囲を囲まれ、さらに重コンクリートの中に
収納されている。また、原子炉容器１の凸出口３
は凝固弁１１５を経て下方外部に設けられたドレ
ンタンクのピツトに通じている。

原子炉容器内に設けられた熱交換系は前記のご
とく上下のマニホルド８および９とこれらを連通
する約1000本の導管１０から成る環状の導管群１
１とから構成されているが、各導管１０はいずれ
も第４図に示すごとく原子炉容器の内壁に沿つて
これに平行に弧を画きながら180゜旋回した位置
で上下のマニホルド８および９を連通し、各導管
は平行してマニホルドの巾に相当する巾の環状の
導管群１１を形成し上下のマニホルドと共に熱交
換系を構成する。これは各導管を流れる流体の抵
抗を均等にするためであり、また導管の熱膨張に
対処するためである。なお、マニホルド８（およ
び９）の容器開口部４（および５）における結合
部の構造は本蓋２０およびドーナツ蓋１９をこれ
らと一体の部材と共に取り去つた後熱交換系を容
器１の外に抜き出すことができるごとき構造とな
つている。また、燃料塩循環補助系は第５図に示
すごとくで、外部の管理区域に設けられたモータ
ーに駆動シヤフト２３を介して連動している３個
のフリクシヨンドライブ２２によつてシロツコフ
アン式水車型回転体２１から成る撹拌手段により
撹拌する。上記のごとき構成から成る原子炉にお
いて、まずヘリウム導入管２４よりヘリウムを導
入して原子炉容器内をパージし、該容器内のすべ
ての空間をヘリウムガスで充満し、空間部１０３
内に500℃以上の窒素ガスを吹込んで炉全体に亘
つて500℃以上にする。

次に、燃料塩導入口２６より、Thは含むが
U²³⁵，U²³³およびPuなどは含まないキヤリアー塩
を入れる。さらに二次冷却材を導管１０９より導
入してマニホルド８および９および導管１０など
熱交換系全体に充満し、燃料塩循環補助系を作動
して回転体２１を回転させて系内を循環させる。
次に、燃料塩循環系を作動して、ヘリウムガスを
導入管２４より導入し、噴出口２７よりヘリウム
の気泡を噴射し、溶融塩自体の熱対流と相待つ
て、前記キヤリア塩を循環させる。そして定常状
態に成つた時、起動用核燃料としてU²³⁵，U²³³ま
たはPuのフツ化物を投入し燃料塩の組成をモル
比で例えばLiF₄71.6％―BeF₂16％―ThF₄12％―
UF₄0.3％とすることによつて炉を臨界に達せし
むる。発生した核分裂生成物はヘリウムガスと共
にヘリウム導出管２５から導出して除去される。

以後は二次冷却材から取り出される熱に応じて
必要なだけ燃料塩を導入管２６より追加して運転
を継続する。このように燃料塩は任意に追加でき
るので固体燃料の原子炉のように過剰燃料を投入
する必要がなく従つて余剰反応度のためのミス操
作などによる暴走の懸念がない。また、ヘリウム
噴出口からのヘリウムの気泡が正常に吹き込まれ
ている場合は何等かの原因で燃料塩の温度が上昇
すると気体の熱膨張によつて空積が増大し、自動
的に反応度が下り、安定状態になるが、ヘリウム
の吹き込み量を圧力を加減してコントロールする
ことによつて反応度を自動的に加減することがで
きる。しかし、何等かの原因によつてヘリウムの
気泡が消滅し反応度が増大して温度上昇が甚だし
い場合は制御棒が自動的に入つて反応が制御され
る。また、ヘリウムの吹き込みは自然対流を強化
するので、溶融塩循環補助系のポンプが停止して
も1/4気圧程度のヘツドで循環を続けることがで
き、安全性が保持される。

万一の場合の事故に対しては、自重による制御
棒の落下、冷却系停止による凍結弁の自動解除に
伴う燃料塩のドレンタンクへの自然落下によつ
て、炉は補助機関の援助がなくても、自然に停止
する。さらに、故障に際しては、燃料塩をドレン
タンクに落し、段階的に蓋をとり中心部から順次
一部づつキヤスクに取り出して、一部分または全
部を交換する。なお、ドレンタンクにはナトリウ
ム―カリウム化合物の自然循環により崩壊熱除去
のできる設備がなされている。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の一般的溶融塩原子炉の概要図で
ある。図において、１は原子炉、２は熱交換系、
３は固定された黒鉛減速材、４は制御棒、５はポ
ンプで、↑印は溶融塩燃料の循環流路を、〓は二
次冷却材の流路を示す； 第２図は本発明の一流体溶融塩原子炉の１具体
例の縦断図である。第３図ＡおよびＢはいづれも
同横断図である。第４図は本発明の一流体溶融塩
原子炉において熱交換系を構成する導管群の上下
のマニホルドを連通する態様を示す。第５図本発
明の一流体溶融塩原子炉における燃料塩循環補助
系の撹拌手段説明図である。 図において、２１は回転体、２２はフリクシヨ
ンドライブ、２３は駆動シヤフトで、↑は高圧ヘ
リウムガスの導入、Ｂはヘリウムガスベアリン
グ、Ｌは液面を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 円筒形の原子炉容器において、空隙を有する
   黒鉛の集合体から成る炉心の周囲に原子炉容器内
   の周辺に沿つて熱交換系を設け、炉心の上方に撹
   拌手段から成る溶融燃料塩循環補助系を設け、炉
   心の下方に複数個のヘリウムガス噴出口から成る
   溶融燃料塩循環系を設け、空間を黒鉛で埋めた構
   造を有し、これに溶融燃料塩を投入して成る一流
   体溶融塩原子炉。 ２ 該熱交換系は該容器の周辺に沿つて設けられ
   た上下２個の環状のマニホルドを複数個の導管で
   連通した環状の導管群から成り、各マニホルドを
   含め熱交換器を構成する第１項の原子炉。 ３ 該導管は該容器の内壁に沿つて弧を画きなが
   ら180゜旋回した位置で上下のマニホルドを連通
   している第２項の原子炉。 ４ 該溶融燃料塩循環系のヘリウムガス噴出口は
   円周上に列び水平方向に向いている第１項の原子
   炉。 ５ 該炉心の中心部を制御棒通路が貫通し、該通
   路内を原子炉容器の上方に設けられたワイヤロー
   プ式釣下方式の制御棒駆動機構によつて制御棒が
   移動し、該原子炉容器の底部中央に設けられた凸
   出口は凝固弁を経てドレンタンクのピツトに開通
   している第１項の原子炉。 ６ 該溶融燃料塩は0.3モル％のウラニウムを含
   むLiF₂―BeF₂―ThF₄―UF₄の混合物である第１
   項の原子炉。