WO2022075023A1 - 原子炉 - Google Patents

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WO2022075023A1
WO2022075023A1 PCT/JP2021/033941 JP2021033941W WO2022075023A1 WO 2022075023 A1 WO2022075023 A1 WO 2022075023A1 JP 2021033941 W JP2021033941 W JP 2021033941W WO 2022075023 A1 WO2022075023 A1 WO 2022075023A1
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heat
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reactor
heat conductive
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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
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三菱重工業株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/02—Arrangements or disposition of passages in which heat is transferred to the coolant; Coolant flow control devices
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    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
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    • G21C3/326—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements comprising fuel elements of different composition; comprising, in addition to the fuel elements, other pin-, rod-, or tube-shaped elements, e.g. control rods, grid support rods, fertile rods, poison rods or dummy rods
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • This disclosure relates to a nuclear reactor.
  • Patent Documents 1 and 2 show a structure in which a core is formed in an annular shape.
  • the core described in Patent Document 1 is composed of an outer graphite cylinder, an inner graphite cylinder, and a fuel filling region partitioned by these and filled with spherical fuel in a cylindrical shape.
  • Patent Document 1 has a configuration in which cooling gas flows in from the outside of the annular core and flows out from the inside of the annular core through the core when heat is taken out from the core.
  • Patent Document 2 is configured by bundling a large number of fuel assemblies and arranging them in an annular shape as a whole.
  • Patent Document 2 has a configuration in which a low-temperature coolant is provided in the lower plenum below the annular core and a high-temperature coolant is provided in the upper plenum above.
  • the core heat output can be easily changed, including a configuration for extracting heat from the core.
  • the present disclosure is intended to solve the above-mentioned problems and to provide a nuclear reactor capable of changing the core heat output.
  • the reactor according to one aspect of the present disclosure includes an annular fuel layer and a heat conductive layer laminated on the fuel layer and extending to the outer periphery of the fuel layer.
  • the core heat output can be changed by increasing or decreasing the number of fuel layers and heat conductive layers.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a nuclear power generation system using a nuclear reactor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a partially cutaway schematic view showing the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a nuclear power generation system using a nuclear reactor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a partially cutaway schematic view showing the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a nuclear power generation system using a nuclear reactor according to an embodiment.
  • the nuclear power generation system 50 includes a reactor vessel 51, a heat exchanger 52, a heat conduction section 53, a refrigerant circulation means 54, a turbine 55, a generator 56, and a cooler 57. , And a compressor 58.
  • the reactor vessel 51 has the reactor 11 of the present embodiment described later.
  • the reactor 11 is housed inside the reactor vessel 51.
  • the reactor vessel 51 stores the reactor 11 in a closed state.
  • the reactor vessel 51 is provided with an opening / closing portion, for example, a lid so that the reactor 11 placed therein can be stored or taken out.
  • the reactor vessel 51 can maintain a sealed state even when a nuclear reaction occurs in the reactor 11 and the inside becomes high temperature and high pressure.
  • the reactor vessel 51 is made of a material having a neutron beam shielding performance.
  • the heat exchanger 52 exchanges heat with the reactor 11.
  • the heat exchanger 52 of the present embodiment recovers the heat of the reactor 11 through the solid high heat conductive material of the heat conductive portion 53 partially arranged inside the reactor container 51.
  • the heat conduction section 53 shown in FIG. 1 schematically shows the heat conduction section 3 described later.
  • the refrigerant circulation means 54 is a path for circulating the refrigerant, and the heat exchanger 52, the turbine 55, the cooler 57, and the compressor 58 are connected to each other.
  • the refrigerant flowing through the refrigerant circulation means 54 flows in the order of the heat exchanger 52, the turbine 55, the cooler 57, and the compressor 58, and the refrigerant that has passed through the compressor 58 is supplied to the heat exchanger 52. Therefore, the heat exchanger 52 exchanges heat between the solid high heat conductive material of the heat conductive portion 53 and the refrigerant flowing through the refrigerant circulating means 54.
  • the refrigerant that has passed through the heat exchanger 52 flows into the turbine 55.
  • the turbine 55 is rotated by the energy of the heated refrigerant. That is, the turbine 55 converts the energy of the refrigerant into rotational energy and absorbs the energy from the refrigerant.
  • the generator 56 is connected to the turbine 55 and rotates integrally with the turbine 55.
  • the generator 56 generates electricity by rotating with the turbine 55.
  • the cooler 57 cools the refrigerant that has passed through the turbine 55.
  • the cooler 57 is a condenser or the like when the chiller or the refrigerant is temporarily liquefied.
  • the compressor 58 is a pump that pressurizes the refrigerant.
  • the nuclear power generation system 50 transfers the heat generated by the reaction of the nuclear fuel of the nuclear reactor 11 to the heat exchanger 52 by the heat conduction unit 53.
  • the nuclear power generation system 50 heats the refrigerant flowing through the refrigerant circulation means 54 with the heat of the high heat conductive material of the heat conductive portion 53. That is, the refrigerant absorbs heat in the heat exchanger 52.
  • the heat generated in the reactor 11 is recovered by the refrigerant.
  • the refrigerant is compressed by the compressor 58 and then heated when passing through the heat exchanger 52, and the compressed and heated energy rotates the turbine 55.
  • the refrigerant is then cooled to a reference state by the cooler 57 and supplied to the compressor 58 again.
  • the nuclear power generation system 50 transfers the heat taken out from the reactor 11 to the refrigerant as the rotating medium of the turbine 55 via the high heat conductive material.
  • the reactor 11 and the refrigerant that is the medium for rotating the turbine 55 can be separated, and the possibility that the medium for rotating the turbine 55 is contaminated can be reduced.
  • FIG. 2 is a partially cutaway schematic diagram showing the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a partially cut-out enlarged schematic view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the nuclear reactor according to the embodiment.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the nuclear
  • the reactor 11 includes a fuel unit (core) 1, a shielding unit 2, and a heat conduction unit 3.
  • the fuel unit 1 has a fuel layer 1A formed in a plate shape.
  • the fuel layer 1A is formed in a disk shape.
  • the fuel layer 1A has a through hole 1Ab penetrating through both plate-shaped plate surfaces 1Aa and is formed in an annular shape (ring shape).
  • the through hole 1Ab is formed in a circular shape and is formed in the center of the disk-shaped fuel layer 1A.
  • the fuel layer 1A of the embodiment includes the nuclear fuel 1B and the support 1C.
  • the support 1C is formed in a disk ring formed by the fuel layer 1A.
  • graphite can be used as a moderator.
  • the support 1C is formed with a plurality of holes 1Ca penetrating the plate-shaped both plate surfaces 1Aa.
  • the hole 1Ca is formed in a circular shape.
  • the nuclear fuel 1B is formed so that it can be stored in each hole 1Ca.
  • the nuclear fuel 1B is formed in a cylindrical shape so that the hole 1Ca can be accommodated in the hole 1Ca because the hole 1Ca is formed in a circular shape.
  • the nuclear fuel 1B can be formed, for example, by baking uranium powder into the above-mentioned shape.
  • the fuel layer 1A may not have the support 1C and may be entirely formed of the nuclear fuel 1B.
  • the shielding portion 2 covers the periphery of the fuel portion 1.
  • the shielding portion 2 is made of, for example, a metal material, and reflects the radiation (neutrons) emitted from the fuel portion 1 (nuclear fuel 1B) to prevent the radiation from leaking to the outside covering the fuel portion 1.
  • the shield 2 may be referred to as a reflector depending on the neutron scattering and neutron absorption capacity of the material used.
  • the shielding portion 2 has a shielding layer 2A.
  • the shielding layer 2A is formed in a plate shape that covers the periphery of the fuel layer 1A along the peripheral surface 1Ac of the fuel layer 1A.
  • the shielding layer 2A has a through hole 2Ab penetrating through both plate-shaped plate surfaces 2Aa and is formed in an annular shape (ring shape). In the shielding portion 2, the fuel layer 1A is housed in the through hole 2Ab.
  • the heat conductive portion 3 has a heat conductive layer 3A formed in a plate shape.
  • the heat conductive layer 3A is formed in a disk shape.
  • the heat conductive layer 3A has a through hole 3Ab penetrating through both plate-shaped plate surfaces 3Aa and is formed in an annular shape (ring shape).
  • the through hole 3Ab is formed in a circular shape and is formed in the center of the disk-shaped heat conductive layer 3A.
  • the through hole 3Ab is formed to have the same shape and diameter so as to coincide with the through hole 1Ab of the fuel layer 1A.
  • the heat conductive layer 3A is arranged so that the plate surface 3Aa is laminated so as to be in contact with the plate surface 1Aa of the fuel layer 1A.
  • the stacking direction of the heat conductive layer 3A and the fuel layer 1A is also referred to as an axial direction.
  • the heat conductive layer 3A has a larger outer diameter than the fuel layer 1A and the shielding layer 2A, and projects to the outer periphery of the fuel layer 1A and the shielding layer 2A.
  • the heat conductive layer 3A of the embodiment is formed in a disk shape, and is provided so as to project radially from the entire outer periphery of the fuel layer 1A and the shielding layer 2A.
  • the radial direction is a direction that intersects (orthogonally) with respect to the stacking direction (axial direction).
  • the heat conductive layer 3A transfers the heat generated by the nuclear reaction of the nuclear fuel 1B of the fuel layer 1A to the outside of the shielding layer 2A by solid heat conduction.
  • the heat conductive layer 3A for example, titanium, nickel, copper, or graphite can be used.
  • Graphene can be used as graphite, in particular.
  • Graphene has a structure in which a hexagonal lattice formed of carbon atoms and their bonds is continuous, and the heat transfer efficiency can be improved by setting the continuous direction of the hexagonal lattice as the heat transfer direction.
  • the heat conductive layer 3A is provided with a portion extending to the outside of the shielding layer 2A so as to be heat exchangeable with the refrigerant inside the reactor vessel 51.
  • the fuel layer 1A, the shielding layer 2A, and the heat conductive layer 3A described above constitute one unit. Then, as shown in FIG. 2, a plurality of units are stacked in the axial direction to form the reactor 11. Therefore, in the reactor 11, the fuel layer 1A is laminated in the axial direction alternately with the heat conductive layer 3A in a form in which the shielding layer 2A is provided on the outer periphery thereof.
  • the fuel unit 1 is composed of a plurality of fuel layers 1A, and the through holes 1Ab of the fuel layer 1A are formed in a cylindrical shape by arranging them in the axial direction.
  • the shielding portion 2 is composed of a plurality of shielding layers 2A and is arranged so as to cover the outer periphery of the fuel portion 1. Further, the shielding portion 2 has a lid portion 2B formed in a plate shape so as to cover the fuel portions 1 provided at both ends in the axial direction. The shielding portion 2 accommodates the fuel portion 1 in a sealed interior by each shielding layer 2A and each lid portion 2B.
  • the heat conductive portion 3 is composed of a plurality of heat conductive layers 3A, and the heat conductive layers 3A are alternately laminated in the axial direction with the fuel layer 1A of the fuel unit 1 and extend from the inside of the sealed shielding portion 2 to the outside. Is provided.
  • the heat generated by the nuclear reaction of the nuclear fuel 1B of the fuel unit 1 can be taken out to the outside of the shielding unit 2 by solid heat conduction by the heat conduction unit 3. Then, the heat taken out to the outside of the shielding portion 2 is transferred to the refrigerant to rotate the turbine 55.
  • the nuclear reactor 11 of the embodiment can take out the heat of the nuclear fuel 1B of the fuel unit 1 to the outside of the shielding unit 2 by solid heat conduction by the heat conduction unit 3 (see the arrow in FIG. 2), and transfer the heat to the refrigerant. As a result, the reactor 11 of the embodiment can prevent leakage of radioactive substances and the like. Further, in the reactor 11 of the embodiment, since the heat conduction unit 3 is arranged so as to extend to the inside of the fuel unit 1 and the outside of the shielding unit 2, the heat transfer distance of the nuclear fuel 1B of the fuel unit 1 is suppressed. At the same time, it can be taken out to the outside of the shielding portion 2. As a result, the reactor 11 of the embodiment can secure a high output temperature.
  • the heat conduction section 3 in which heat is taken out by solid heat conduction has been described.
  • a fluid heat conduction using a heat pipe in which a fluid is enclosed is used as another heat conduction section.
  • a form of extracting heat may be used.
  • the fuel layer 1A of the fuel unit 1 and the heat conductive layer 3A of the heat conductive unit 3 are formed in a plate shape and are arranged so that the plate surfaces 1Aa and 3Aa are alternately overlapped with each other.
  • the plate-shaped heat conductive layer 3A is arranged so that the plate-shaped outer peripheral portion extends to the outside of the shielding portion 2. Therefore, in the reactor 11 of the embodiment, the heat conductive portion 3 can be arranged so as to penetrate the shield portion 2 and extend to the inside of the fuel portion 1 and the outside of the shield portion 2. The heat of 1 can be taken out to the outside of the shielding portion 2 by solid heat conduction.
  • the plate shape of the fuel layer 1A of the fuel unit 1 and the plate shape of the heat conductive layer 3A of the heat conductive unit 3 may have different plate thicknesses. Further, by covering the outside of the shielding portion 2 where the heat conductive portion 3 does not extend with a heat insulating material, the heat recovery efficiency by the heat conductive portion 3 can be improved.
  • the fuel unit 1 includes a plate-shaped support 1C in the fuel layer 1A and a nuclear fuel 1B arranged in a hole 1Ca provided in the support 1C. .. Therefore, in the reactor 11 of the embodiment, in the form in which the fuel portion 1 and the heat conduction portion 3 are formed in a plate shape, the nuclear fuel 1B can be appropriately arranged along the plate surface 3Aa of the plate-shaped heat conduction portion 3. , The heat of the fuel unit 1 can be taken out by solid heat conduction to the outside of the shielding unit 2.
  • the nuclear fuel 1B is arranged in the hole 1Ca provided in the support 1C, and the support 1C is in the through hole 1Ab.
  • the fuel portion 1 may lower the arrangement density of the nuclear fuel 1B closer to the central portion than the outer peripheral portion.
  • the temperature of the central portion of the fuel portion 1 is higher than that of the outer peripheral portion.
  • the reactor 11 of the embodiment has a configuration in which heat is taken out to the outer peripheral side in the radial direction of the fuel unit 1, and in order to make it easy to take out heat, it is preferable to make the temperature distribution of the nuclear fuel 1B uniform. Therefore, in the fuel unit 1, by lowering the arrangement density of the nuclear fuel 1B in the central portion than in the outer peripheral portion, the temperature distribution of the nuclear fuel 1B can be made uniform and heat can be easily taken out.
  • a plurality of cuts 3B are formed in the portion extending to the outside of the shielding portion 2 of each heat conductive layer 3A. good.
  • the cuts 3B are formed so as to extend in the radial direction so as to be away from the outer surface of the shielding portion 2, and are formed side by side on the outer periphery of the heat conductive portion 3 so as to be along the outer periphery of the shielding portion 2. That is, the heat conduction portion 3 is a portion extending to the outside of the shielding portion 2, and is cut into a portion that exchanges heat with the refrigerant circulating in the refrigerant circulation means 54 in order to exchange heat with the heat exchanger 52.
  • the 3B forms a gap through which the refrigerant passes. Therefore, the reactor 11 of the embodiment can increase the efficiency of transferring the heat taken out by the heat conduction unit 3 to the refrigerant.
  • the heat taken out is high on the radial inside near the fuel portion 1 and low on the radial outside far from the fuel portion 1.
  • the diameter is larger than that of the virtual line L.
  • the temperature of the heat taken out is higher on the inner side of the direction than on the outer side of the radial direction.
  • the refrigerant when exchanging heat with the refrigerant, the refrigerant is first passed radially outside the virtual line L, and then returned and passed radially inside the virtual line L. , The refrigerant is sent to the heat exchanger 52. By doing so, the efficiency of transferring the heat taken out by the heat conductive portion 3 to the refrigerant can be improved.
  • the heat transfer tube 3C through which the refrigerant flows penetrates through the portion extending to the outside of the shielding portion 2 of each heat conductive layer 3A. It should be done.
  • a plurality of heat transfer tubes 3C are formed side by side on the outer periphery of the heat conductive portion 3 so as to be along the outer periphery of the shield portion 2. That is, the heat conduction portion 3 is a portion extending to the outside of the shielding portion 2, and a refrigerant is applied to a portion that exchanges heat with the refrigerant circulating in the refrigerant circulation means 54 for heat exchange in the heat exchanger 52. The circulating heat transfer tube 3C is penetrated.
  • the reactor 11 of the embodiment transfers the heat taken out by the heat conduction unit 3 to the refrigerant through the heat transfer tube 3C. Further, since the reactor 11 of the embodiment indirectly transfers the heat taken out by the heat conduction portion 3 to the refrigerant through the heat transfer tube 3C, the radiation shielding property can be maintained.
  • the diameter is larger than that of the virtual line L.
  • the temperature of the heat taken out is higher on the inner side of the direction than on the outer side of the radial direction. Therefore, a plurality of heat transfer tubes 3C are arranged in the radial direction, the inner heat transfer tube 3Ca arranged radially inside the virtual line L, and the outer heat transfer tube 3Cb arranged radially outside the virtual line L. including.
  • the refrigerant when exchanging heat with the refrigerant, the refrigerant is first circulated to the outer heat transfer tube 3Cb, then returned to be circulated to the inner heat transfer tube 3Ca, and then the refrigerant is sent to the heat exchanger 52. ..
  • the efficiency of transferring the heat taken out by the heat conductive portion 3 to the refrigerant can be improved.
  • each heat conductive layer 3A is formed by stacking a plurality of plate materials 3D in the axial direction overlapping with the fuel layer 1A of the fuel unit 1. It is good that it is formed in a shape.
  • graphene can be used for the heat conductive portion 3, but graphene has a structure in which a hexagonal lattice formed of carbon atoms and their bonds is continuous, and heat transfer is high in the continuous direction of the hexagonal lattice. ..
  • this graphene is continuous along the surface of the plate material 3D.
  • the plate members 3D are stacked in the axial direction to form a plate shape.
  • the heat conductive portion 3 has high heat transferability in the radial direction along the surface of the plate material 3D. Therefore, the heat conductive portion 3 has high heat transferability to the portion extending in the radial direction to the outside of the shielding portion 2.
  • the reactor 11 of the embodiment can increase the efficiency of transferring the heat taken out by the heat conduction unit 3 to the refrigerant.
  • the reactor 11 of the embodiment includes a control mechanism 4 (4A, 4B, 4C) as shown in FIGS. 9 to 12.
  • the control mechanism 4 is arranged inside the annular shape of the fuel layer 1A and inside the tubular shape of the fuel unit 1.
  • the control mechanism 4 shown in FIG. 9 is configured as a control drum 4A.
  • the control drum 4A has a cylindrical shape and is formed in a so-called drum shape.
  • the control drum 4A is formed by extending a cylinder in the axial direction of the reactor 11.
  • the control drum 4A is inserted through the through hole 1Ab of the fuel layer 1A of the fuel unit 1 and the through hole 3Ab of the heat conduction layer 3A of the heat conduction portion 3 and is continuously provided in the axial direction.
  • a plurality of control drums 4A (six in the embodiment) are evenly arranged in the circumferential direction around the axial direction of the reactor 11.
  • the control drum 4A is rotatably provided around a cylinder.
  • the control drum 4A is provided with a neutron absorber 4Aa on a part of the outer circumference of the cylinder.
  • the neutron absorber 4Aa is provided at least at a position facing the inner surface of the fuel layer 1A, and for example, boron carbide (B 4C ) can be used.
  • B 4C boron carbide
  • the neutron absorber 4Aa rotates and moves with the rotation of the control drum 4A, and approaches or separates from the inner surface of the fuel unit 1 which is the core.
  • the neutron absorber 4Aa approaches the fuel unit 1, the reactivity of the fuel unit 1 decreases, and when the neutron absorber 4Aa separates from the fuel unit 1, the reactivity of the fuel unit 1 increases.
  • control drum 4A can control the reactivity of the fuel unit 1 which is the core by moving the neutron absorber 4Aa closer to or separated from the fuel unit 1 by rotation, and can control the core temperature of the fuel unit 1. ..
  • the core temperature is the average core temperature taken out of the shielding portion 2 by the heat conductive portion 3.
  • the control drum 4A has a drive unit (not shown) that drives its rotation. The drive unit is urged to rotate so that the neutron absorber 4Aa of the control drum 4A approaches the inner surface of the fuel unit 1, and is automatically connected when the connection with the control drum 4A is cut off by a clutch mechanism or the like.
  • the neutron absorber 4Aa is configured to approach the inner surface of the fuel unit 1.
  • the neutron absorber 4Aa automatically approaches the inner surface of the fuel unit 1 to reduce the reactivity of the fuel unit 1. can.
  • the cylindrical interior of the fuel unit 1 around the control drum 4A may be filled with graphite as a moderator, or may be a space.
  • the control mechanism 4 shown in FIGS. 10 and 11 is configured as a control plate 4B.
  • the control plate 4B is formed in a plate shape.
  • the control plate 4B is formed from the center of the cylinder of the fuel unit 1 toward the outside in the radial direction.
  • a plurality of control plates 4B (six in the embodiment) are evenly arranged in the circumferential direction around the axial direction of the reactor 11.
  • the control plate 4B is formed so as to extend in the axial direction of the reactor 11.
  • the control plate 4B is provided so as to be slidable in the radial direction with respect to the base portion 4Bb which is arranged so as to extend in the axial direction at the center of the tubular shape of the fuel portion 1.
  • the base portion 4Bb is inserted through the through hole 1Ab of the fuel layer 1A of the fuel portion 1 and the through hole 3Ab of the heat conductive layer 3A of the heat conductive portion 3 and is continuously provided in the axial direction.
  • the control plate 4B is also inserted into the through hole 1Ab of the fuel layer 1A of the fuel unit 1 and the through hole 3Ab of the heat conduction layer 3A of the heat conduction portion 3 and is continuously provided in the axial direction.
  • the control plate 4B may be provided at least at a position facing the inner surface of the fuel layer 1A.
  • the control plate 4B of the embodiment is provided so as to be able to expand and contract in the radial direction with respect to the cylindrical center of the fuel unit 1.
  • the control plate 4B of the embodiment is provided so as to be able to expand and contract by a structure such as a telescopic mechanism.
  • the control plate 4B is provided with a neutron absorber 4Ba at least at the tip of expansion and contraction.
  • a neutron absorber 4Ba for example, boron carbide (B 4C ) can be used.
  • the neutron absorber 4Ba moves radially along with the slide of the control plate 4B, and is provided so as to be able to approach or separate from the inner surface of the fuel unit 1 which is the core.
  • the neutron absorber 4Ba approaches the fuel unit 1 (see FIG. 10)
  • the reactivity of the fuel unit 1 decreases
  • the neutron absorber 4Ba separates from the fuel unit 1 see FIG.
  • the control plate 4B can control the reactivity of the fuel unit 1 which is the core by approaching or separating the neutron absorber 4Ba from the fuel unit 1 by sliding, and can control the core temperature of the fuel unit 1. ..
  • the control plate 4B has a drive unit (not shown) that drives the slide. The drive unit is urged to slide (expand and contract) so that the neutron absorber 4Ba of the control plate 4B approaches the inner surface of the fuel unit 1, and the connection with the control plate 4B is disconnected by a clutch mechanism or the like. When this happens, the neutron absorber 4Ba automatically approaches the inner surface of the fuel unit 1.
  • the neutron absorber 4Ba automatically approaches the inner surface of the fuel unit 1 to reduce the reactivity of the fuel unit 1. can.
  • the tubular interior of the fuel unit 1 that surrounds the control plate 4B and does not interfere with the slide may be filled with graphite as a moderator, or may be a space.
  • the control mechanism 4 shown in FIG. 12 is configured as a control rod 4C.
  • the control rod 4C is formed in a rod shape.
  • the control rods 4C are formed so as to extend in the axial direction of the reactor 11.
  • the control rods 4C are inserted through the through holes 1Ab of the fuel layer 1A of the fuel unit 1 and the through holes 3Ab of the heat conduction layer 3A of the heat conduction portion 3 and are continuously provided in the axial direction.
  • a plurality of control rods 4C (8 in the embodiment) are evenly arranged around the center of the cylinder of the fuel unit 1 and around the center of the cylinder of the fuel unit 1.
  • the control rod 4C is provided so as to be slidable in the axial direction.
  • the control rod 4C is formed by a neutron absorber.
  • boron carbide B 4 C
  • the control rod 4C made of a neutron absorber moves in the axial direction by a slide, is inserted into the cylindrical shape of the fuel unit 1, or is pulled out to the outside of the cylindrical shape of the fuel unit 1, so that the fuel unit is the core. It is provided so as to be able to approach or separate from the inner surface of 1.
  • the control rods 4C approach the fuel unit 1 the reactivity of the fuel unit 1 decreases, and when the control rods 4C are separated from the fuel unit 1, the reactivity of the fuel unit 1 increases.
  • control rod 4C can control the reactivity of the fuel unit 1 which is the core by approaching or separating the neutron absorber from the fuel unit 1 by sliding, and can control the core temperature of the fuel unit 1.
  • the control rod 4C has a drive unit (not shown) that drives the slide. The drive unit is urged to slide so that the control rod 4C approaches the inner surface of the fuel unit 1, and the fuel is automatically fueled when the connection with the control rod 4C is cut off by the clutch mechanism or the like. Approaches the inner surface of part 1. Therefore, for example, in an emergency when the temperature of the fuel unit 1 becomes equal to or higher than the set temperature, the control rods 4C can automatically approach the inner surface of the fuel unit 1 to reduce the reactivity of the fuel unit 1. ..
  • the cylindrical interior of the fuel unit 1 around the control rod 4C may be filled with, for example, graphite as a moderator, or may be a space.
  • the reactor 11 of the embodiment includes an annular fuel layer 1A and a heat conductive layer 3A laminated on the fuel layer 1A and extending to the outer periphery of the fuel layer 1A.
  • the fuel portion 1 is formed in a cylindrical shape.
  • the temperature difference between the central portion and the outer peripheral surface portion of the fuel portion 1 forming the core can be reduced in the reactor 11 of the embodiment as compared with the case where the reactor 11 is formed in a columnar shape other than the tubular shape.
  • This makes it possible to set the surface temperature higher than in a non-cylindrical configuration.
  • the heat output can be improved and the power generation efficiency in the nuclear power generation system 50 can be improved.
  • the heat output of the fuel layer 1A constituting the core is output to the outside of the core via the heat conductive layer 3A.
  • the core inlet temperature transmitted to the heat conductive layer 3A is constant, the total amount of heat transferred is determined by the contact area between the heat conductive layer 3A and the member that contacts and transfers heat to the heat conductive layer 3A. Therefore, in the reactor 11 of the embodiment, the core heat output can be changed by increasing or decreasing the number of layers of the fuel layer 1A and the heat conductive layer 3A.
  • the fuel layer 1A and the heat conductive layer 3A are configured as one unit, and a plurality of the units are laminated.
  • the core heat output can be easily changed by unitizing them.
  • the reactor 11 of the embodiment includes a control mechanism 4 arranged inside the ring of the fuel layer 1A.
  • the overall size is reduced as compared with arranging the control mechanism 4 on the outer periphery of the fuel portion 1 forming the core.
  • the barrier of the heat conductive layer 3A extending to the outer periphery of the fuel layer 1A is smaller (thinner) than in the case where the control mechanism 4 is arranged on the outer periphery of the fuel portion 1 forming the core.
  • the surface temperature of the reactor 11 can be set high.
  • control mechanism 4 can move the neutron absorber closer to or further from the inner surface of the fuel layer 1A by rotation. Therefore, in the reactor 11 of the embodiment, the control mechanism 4 can be configured as a control drum 4A.
  • control mechanism 4 can move the neutron absorber closer to or further from the inner surface of the fuel layer 1A by sliding in the radial direction. Therefore, in the reactor 11 of the embodiment, the control mechanism 4 can be configured as a control plate 4B.
  • control mechanism 4 can insert and remove the neutron absorber in the axial direction with respect to the ring of the fuel layer 1A. Therefore, in the reactor 11 of the embodiment, the control mechanism 4 can be configured as a control rod 4C.
  • the reactor 11 of the embodiment two or more heat conductive layers 3A having different diameters can be applied.
  • the heat conductive layer 3A is laminated on the fuel layer 1A, and in the case of a plurality of heat conductive layers 3A, the outer diameters thereof can be different. Therefore, in the reactor 11 of the embodiment, the extension amount (extension length) of the heat conductive layer 3A extending to the outer periphery of the fuel layer 1A can be changed, and a degree of freedom can be given to the design of the heat output.
  • the fuel layer 1A is provided with a uranium enrichment distribution in the radial direction.
  • the fuel layer 1A has a form in which the nuclear fuel 1B is arranged in the hole 1Ca provided in the support 1C. Therefore, by changing the density of the hole 1Ca of the support 1C, the distribution of the nuclear fuel 1B, that is, the uranium enrichment distribution can be changed.
  • the uranium enrichment distribution is uniform in the radial direction, the temperature of the central portion of the fuel layer 1A is higher than that of the outer peripheral portion.
  • the reactor 11 of the embodiment has a configuration in which heat is taken out from the outer periphery of the fuel layer 1A by the heat conductive layer 3A, and in order to easily take out heat, it is preferable to make the temperature distribution uniform in the radial direction. Therefore, by lowering the central portion of the fuel layer 1A from the outer peripheral portion so as to provide the uranium enrichment distribution in the radial direction, the temperature distribution in the radial direction can be made uniform and heat can be easily taken out.
  • the heat conductive layer 3A transfers the heat of the fuel layer 1A to the outside by solid heat conduction.
  • the heat can be taken out while suppressing the leakage of radiation, and a high output temperature can be secured.

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Abstract

炉心熱出力を変更すること。原子炉は、環状の燃料層と、燃料層に積層されて燃料層の外周に延出する熱伝導層と、を含む。

Description

原子炉
　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（Ｂ４Ｃ）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（Ｂ４Ｃ）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（Ｂ４Ｃ）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 (9)

  1. 　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、原子炉。
  2. 　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、請求項１に記載の原子炉。
  3. 　前記燃料層の環状の内側に配置される制御機構を含む、請求項１または２に記載の原子炉。
  4. 　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３に記載の原子炉。
  5. 　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３に記載の原子炉。
  6. 　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３に記載の原子炉。
  7. 　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、請求項１から６のいずれか１項に記載の原子炉。
  8. 　前記燃料層は、径方向にウラン濃縮度分布を設ける、請求項１から７のいずれか１項に記載の原子炉。
  9. 　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８のいずれか１項に記載の原子炉。
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JP2551892B2 (ja) * 1992-01-18 1996-11-06 動力炉・核燃料開発事業団 高速炉の中空炉心
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JP2004294250A (ja) * 2003-03-27 2004-10-21 Tokyo Inst Of Technol 炉心冷却構造

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