(57)【要約】【課題】原子炉において可燃性毒物として使用可能な材料、その材料を使用する構成要素及びその材料を使用する方法が開示される。【解決手段】実施形態に係る可燃性毒物は燃焼し終わった時点で所望の娘核種を生成するので、従来は不経済であるとして使用が控えられていた場所における中性子特性の向上及び／又は中性子束遮蔽のための可燃性毒物の配置及び使用が可能である。実施形態に係る可燃性毒物は天然イリジウム及び濃縮イリジウム‐１９３を含んでもよい。可燃性毒物が従来使用されていた炉心内の場所及び経済的な理由により実現不可能であるとして従来は可燃性毒物が使用されていなかった場所において所望の可燃性毒物効果を得るために、実施形態に係る構成要素は製造、整形及び配置されてもよい。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉を動作させる方法において、
前記原子炉で可燃性毒物として少なくとも１モルのイリジウムを使用すること（Ｓ１２０／Ｓ１３０）から成る方法。
【請求項２】
前記可燃性毒物は、燃料集合体（１００）のチャンネル（１２０）に装着された軸方向ブランケット（１５０）及び前記原子炉の炉心（３００）と前記原子炉の容器の壁（３１０）との間の周囲ブランケット（３２０）のうち少なくとも一方に含まれる請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記可燃性毒物は上部タイプレート（１３０）、下部タイプレート（１４０）、燃料棒被覆、燃料棒端部プラグ、給水棒、スペーサ（１１５）及び集合体チャンネル（１２０）のうち少なくとも１つに含まれる請求項１記載の方法。
【請求項４】
原子炉を動作させる方法において、
少なくとも１つの構成要素がある量の可燃性毒物を含み且つ前記原子炉の１つの場所に配置されるように構成されるように、可燃性毒物を含む少なくとも１つの構成要素を製造すること（Ｓ１１０）と；
前記少なくとも１つの構成要素を前記場所に配置すること（Ｓ１２０）と；
前記少なくとも１つの構成要素を動作中の前記原子炉に暴露すること（Ｓ１３０）と；
前記少なくとも１つの構成要素を前記原子炉から除去すること（Ｓ１４０）と；
前記暴露するステップから生成された所望の生成物を前記少なくとも１つの構成要素から回収すること（Ｓ１４０）とから成る方法。
【請求項５】
前記原子炉の中性子特性、前記原子炉の放射能遮蔽特性及び前記可燃性毒物の中性子特性のうち少なくとも１つに基づいて、前記可燃性毒物を配置する前記原子炉内の場所及び使用される可燃性毒物の量を判定すること（Ｓ１００）を更に含み、前記判定するステップ（Ｓ１００）は、前記原子炉の１回の動作サイクルの間に前記可燃性毒物のほぼすべてが前記所望の生成物に変換されるように使用される可燃性毒物の量を判定する請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記原子炉は商業用原子炉であり且つ前記暴露するステップ（Ｓ１３０）は前記原子炉において商業用発電を開始することを含む請求項４記載の方法。
【請求項７】
前記可燃性毒物は天然イリジウム及び純粋イリジウム‐１９３のうち少なくとも一方であり且つ前記所望の生成物はプラチナを含む請求項４記載の方法。
【請求項８】
原子炉で使用するための可燃性毒物構成要素において、
動作中の前記原子炉の中で中性子束に暴露された後にプラチナにのみほぼ変換される可燃性毒物を具備し、前記可燃性毒物はプラチナの少なくとも１０倍の中性子吸収断面積を有する可燃性毒物構成要素。
【請求項９】
前記可燃性毒物構成要素は、燃料集合体（１１８／１１９）のチャンネル（１２０）に装着された軸方向ブランケット（１５０）及び前記原子炉の炉心（３００）と前記原子炉の容器の壁（３１０）との間の周囲ブランケット（３２０）のうち少なくとも一方である請求項８記載の可燃性毒物構成要素。
【請求項１０】
前記可燃性毒物のマスは、前記原子炉の１回の動作サイクルの間に前記可燃性毒物のほぼすべてがプラチナに変換されるような量である請求項８記載の可燃性毒物構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に原子力発電装置の原子炉で使用される材料及び構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、原子力発電装置は、核分裂により電力を発生するために内部に燃料が配列された炉心を含む。アメリカ合衆国における原子力発電装置の一般的な構造は、炉心の内部に燃料集合体又は燃料束として複数の燃料棒を一体に結束した状態で燃料を配列する。通常はウランである核燃料の原子が核分裂連鎖反応を起こすことによって電力が発生される。
【０００３】
原子炉の燃料の定常状態核分裂は大量の中性子を放出し、それらの中性子が核分裂連鎖反応を開始し且つ維持する。従来、定常状態核分裂反応並びにそれに対応する電力の発生及び安全基準の管理及び維持は、炉心内部における中性子及び中性子束の量を管理することにより実現される。例えば最大限の電力を発生すること、燃料中性子暴露と核分裂、すなわち「燃焼」とを均等にすること、中性子束ピーキングを最小限に抑えること及び原子炉の安全運転及び運転停止のための安全余裕を規定することを含むいくつかの目標が中性束の管理により達成されてもよい。
【０００４】
従来の中性子束管理にはいくつかの形態がある。原子炉において従来使用されている中性子束管理の形態の１つが可燃性毒物である。通常、可燃性毒物は中性子束を吸収することにより、可燃性毒物が配置されている場所の燃料反応度及び核分裂速度を減少、すなわち「抑制」する。炉心及び原子炉の物理的構造に関する自身の知識に基づいて、技術者は、動作中のある時点で特定の箇所で望ましくない量の中性子束に暴露される炉心の領域を判定し、それらの位置に可燃性毒物を配置できる。これにより望ましくない中性子束を減少し、その結果、燃料全体を更に均一に且つ／又は安全に燃焼させることができるだろう。あるいは、炉心の冷却材又は減速材に可燃性毒物を配置することにより、炉心全体の反応度を低下させてもよいが、これは、炉心の運転停止を更に容易にし且つ／又は制御棒／ブレードの利用などの他の中性子束管理方法への依存度を減少することを可能にする方法である。
【０００５】
従来、時間の経過に伴って動作中の炉心における可燃性毒物の効果は低下していた。特定の可燃性毒物が中性子を吸収する量が増すほど、中性子を吸収し続ける能力は低下する。この特性があるため、動作サイクルの開始時などの望ましくない量の中性子束に暴露される特定の期間に中性子束又は反応度を制御するために可燃性毒物が使用されてもよいが、動作サイクルの終了時のように可燃性毒物効果を与えることが望ましくない他の期間においては、効果は最小限になる。
【０００６】
従来の可燃性毒物は例えばガドリニウム及び／又はホウ素化合物を含む。それらの元素及び関連する元素は、軽水炉で一般に見られる熱中性子束に対して大きな吸収断面積、すなわち高い吸収確率を有する。可燃性毒物が中性子を吸収して反応度を低下するにつれて、可燃性毒物は、熱中性子吸収断面積がはるかに小さい別の元素に変換され、それにより、動作中に炉心の中で時間の経過に伴って「燃え尽きる」。ガドリニウム及び／又はホウ素化合物は、従来特殊な棒又は燃料添加剤として形成される。そのような形態を有する可燃性毒物は、ある特定の時点で炉心内部の特定の軸方向場所及び半径方向場所で予測されるか又は炉心が受ける望ましくないレベルの中性子束を減少するためにそれらの場所に配置されてもよい。各動作サイクルの完了時に従来の可燃性毒物要素は炉心から除去され、廃棄されてもよく、その後、新たな炉心特性に応じて新たな可燃性毒物要素が交換用として炉心に導入されてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第２００８／００７６９５７号公報
【発明の概要】
【０００８】
本発明の実施形態は、原子炉で可燃性毒物として使用可能な材料に関する。実施形態に係る可燃性毒物は、動作中の原子炉の内部の所望の位置で中性子束を吸収し、それにより反応度を低下してもよい。実施形態に係る材料の吸収効果は、中性子束に暴露される時間が長くなるにつれて相当に低下する。実施形態に係る可燃性毒物は燃え尽きた時点で所望の娘核種を発生するので、中性子特性を改善するための配置及び使用が可能になり且つ／又は従来は不経済であるという理由により使用を控えていた場所でも中性子束遮蔽を実現できる。実施形態に係る可燃性毒物は、例えば天然イリジウム及び濃縮イリジウム‐１９３を含んでもよい。
【０００９】
実施形態は、所望の量の実施形態に係る可燃性毒物から製造され且つ／又は所望の量の実施形態に係る可燃性毒物を含む燃料構成要素及び／又は他の原子炉構成要素を含む。実施形態は、原子炉内の可燃性毒物が従来使用されていた場所及び／又は従来は経済的に実現不可能であるという理由により使用されていなかった場所において所望の可燃性毒物効果を実現するために製造され、整形され且つ配置されてもよい。
【００１０】
本発明に係る方法は、可燃性毒物効果が有益に作用する場所を判定すること、所望の量の実施形態に係る可燃性毒物から実施形態に係る構成要素を製造すること、実施形態に係る構成要素を配置すること、動作中の原子炉の内部で実施形態に係る構成要素を中性子束に暴露すること、実施形態に係る可燃性毒物構成要素を炉心から除去すること及び／又は実施形態に係る可燃性毒物から生成された所望の娘核種を実施形態に係る構成要素から回収することを含めた実施形態に係る構成要素の使用を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付の図面を詳細に説明することにより、本発明の実施形態は更に明らかになるだろう。図面は例示のために提示されるにすぎず、従って実施形態を限定しない。図面中、同じ要素は同じ図中符号により示される。
【図１】図１は実施形態に係る可燃性毒物構成要素を有する燃料集合体の一実施例を示した図である。
【図２】図２は炉心内部の実施形態に係るいくつかの燃料集合体及び可燃性毒物構成要素を示した図である。
【図３】図３は実施形態に係る周囲ブランケットを使用する炉心を示した図である。
【図４】図４は実施形態に係る周囲ブランケットを示した図である。
【図５】図５は中性子速度が低い場合の実施形態に係る可燃性毒物イリジウム・マス(mass)のプラチナ・マスへの変換を示したグラフである。
【図６】図６は中性子速度が高い場合の実施形態に係る可燃性毒物イリジウム・マスのプラチナ・マスへの変換を示したグラフである。
【図７】図７は実施形態に係る可燃性毒物構成要素を使用する方法の一実施例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
実施形態のうち詳細な例示的実施形態を開示する。しかし、本明細書において開示される特定の構造及び機能の詳細は、実施形態を説明するための単なる代表例である。しかし、実施形態は多くの代替形態で実施されてもよく、本明細書に記載される実施形態にのみ限定されると解釈されるべきではない。
【００１３】
本明細書において種々の要素を説明するために「第１の」、「第２の」などの用語が使用されてもよいが、それらの要素がそれらの用語により限定されるべきではないことは理解されるだろう。それらの用語は１つの要素を別の要素と区別するために使用されるにすぎない。例えば、実施形態の範囲から逸脱することなく第１の要素は第２の要素と呼ばれてもよく、同様に、第２の要素は第１の要素と呼ばれてもよいだろう。本明細書において使用される場合の用語「及び／又は」は、そこに挙げられている関連項目のうち１つ以上の項目のあらゆる組み合わせを含む。
【００１４】
１つの要素が別の要素に「接続される」、「結合される」、「係合される」、「装着される」又は「固定される」と説明される場合、その要素は他方の要素に直接接続又は結合されてもよいし、あるいは２つの要素の間に介在する要素が存在してもよいことは理解されるだろう。これに対し、１つの要素が別の要素に「直接接続される」又は「直接結合される」と説明される場合、それら２つの要素の間に介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の用語も同様に解釈されるべきである（例えば「〜の間に」と「〜の間に直接」、「隣接する」と「直接隣接する」など）。
【００１５】
本明細書において使用される用語は特定の実施形態を説明することのみを目的としており、実施形態を限定することを意図しない。本明細書において使用される単数形は、特に明示して指示されない限り複数形をも含むことを意図する。更に、本明細書において使用される場合の「具備する」及び／又は「含む」などの用語は、そこに挙げられている特徴、数字、ステップ、動作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、数字、ステップ、動作、要素、構成要素及び／又はそれらの集合の存在又は追加を除外しないことが理解されるだろう。
【００１６】
尚、いくつかの代替実現形態において、機能／動作は図に示される順序以外の順序で実行されてもよい。例えば、連続して示される２つの図は、関連する機能性／動作に応じてほぼ同時に実行されてもよいし、あるいは逆の順序で実行されてもよい。
【００１７】
実施形態は、商業用原子炉又は他の原子炉の可燃性毒物として従来にはなかった元素を使用してもよく、それらの可燃性毒物が使用された場合に予期せぬような望ましい元素及び同位体を発生する。従来の可燃性毒物の燃焼によって発生される娘核種は価値が低く且つ／又は化学的に／放射能の面から安全ではないが、実施形態では、価値があり且つ重要なその他の実用性を有する娘核種及び元素を生成してもよい。例えば、一実施形態のイリジウムから製造される可燃性毒物は、中性子束に暴露され且つ中性子束を吸収することによってプラチナを生成してもよい。生成されたプラチナは価値が高く、他の工業用途にも適用でき、従来の可燃性毒物とは異なり危険性がなく且つ／又は廃棄の必要がない。
【００１８】
実施形態に係る可燃性毒物及びその燃焼から生成される望ましい物質はこれまで認識されなかったほどの高い有用性を示すので、従来の可燃性毒物を配置することにより費用がかかり且つ／又は廃棄が必要であるという理由により従来の可燃性毒物が利用されてこなかった原子炉内の位置にも実施形態に係る可燃性毒物が配置されてよい。実施形態に係る可燃性毒物を使用し、そのような場所に配置することにより、原子炉の中性子特性は向上し且つ更に所望の物質を生成できる。
実施形態に係る可燃性毒物
実施形態に係る可燃性毒物は、動作中の原子炉において一般に見られる熱中性子束を含む中性子束を相当量吸収する。動作中の原子炉に十分に暴露された後、可燃性毒物は吸収断面積が相当に小さい物質に変換され、それ以上中性子束を吸収しなくなる。生成される物質は原子炉外で他の用途又は価値を有し、そのような用途に適用するため及び／又は価値を得るために回収されてもよい。
【００１９】
実施形態に係る可燃性毒物は天然イリジウムを含んでもよい。イリジウムは、動作中の原子炉の条件に直接さらされる耐腐食性の硬質金属であり、動作中の原子炉の中で遮蔽又は格納容器なしで使用されるのに十分な幾何学的特性を維持する。天然イリジウムは安定同位体イリジウム‐１９１（〜３７％の存在率）及び安定同位体イリジウム‐１９３（〜６３％の存在率）を含む。イリジウム‐１９１は約７５０バーンの熱中性子吸収断面積を有し、従来の軽水炉において中性子束に暴露された場合に次のような反応を起こす。
【００２０】
１９１Ｉｒ＋１ｎ(R)１９２Ｉｒ
生成されるイリジウム‐１９２は不安定であり、約７４日間の半減期により次のようにプラチナ‐１９２にβ崩壊する。
【００２１】
１９２Ｉｒ(R)１９２Ｐｔ＋β-
β崩壊の結果生成されるプラチナ‐１９２は安定し、本実施形態の可燃性毒物親イリジウム‐１９１の吸収断面積の１０分の１より小さい約１４バーンの吸収断面積を有する。
【００２２】
他方の天然イリジウム同位体であるイリジウム‐１９３は約１１０バーンの熱中性子吸収断面積を有し、商業用原子炉において中性子束に暴露された場合に次のような反応を起こす。
【００２３】
１９３Ｉｒ＋１ｎ(R)１９４Ｉｒ
生成されるイリジウム‐１９４は不安定であり、約１９時間の半減期により次のようにプラチナ‐１９４にβ崩壊する。
【００２４】
１９４Ｉｒ(R)１９４Ｐｔ＋β-
β崩壊の結果生成されるプラチナ‐１９４は安定し、本実施形態の可燃性毒物である親イリジウム‐１９３の吸収断面積の１００分の１より小さい約１．１バーンの吸収断面積を有する。
【００２５】
従って、天然イリジウムは当初適度な中性子吸収効果を有し、使用されるイリジウムの量及び動作中の原子炉の中性子束に応じて、燃焼後には無視してよいほどの中性子吸収効果しか示さない可燃性毒物として機能してもよい。中性子束ピーキングの減少及び停止余裕の向上を含めて所望の可燃性毒物効果を発生するために、動作中の原子炉の中で発生する中性子束のレベル及び種類に応じて天然イリジウムの量及び配置が調整されてもよい。図６は、原子炉において発生する一般的な中性子束のレベルであるといってもよい１．４４Ｅ１４の中性子束の中で２年の期間を経てプラチナ‐１９２に変換される可燃性毒物の一例（１モルのイリジウム‐１９１）を示す。図６に示されるように、イリジウムの大部分はこの２年サイクル１回の中でプラチナに変換される。いくつかの商業用原子力発電装置は炉心への接近及び／又は炉心内で生成された物質の回収を実行するための再装荷サイクルから次の再装荷サイクルまでの期間を２年として動作するので、商業用動作サイクルの間にイリジウムはほぼプラチナに変換され、再装荷サイクル中に原子炉から大半のプラチナを回収できる。天然イリジウムから製造されてもよい構成要素の例を以下に挙げる。
【００２６】
実施形態に係る可燃性毒物の天然イリジウムから生成されるプラチナ同位体は安定し、著しく大きな金銭的価値を有し且つ／又は工業用途に適用可能である。非放射性プラチナの安全レベルまで残留放射性同位体が崩壊した後、天然イリジウムから製造された任意の可燃性毒物構成要素から生成されたプラチナが直接回収されてもよい。あるいは、イリジウム‐１９２が無視できるほど低い放射能レベルまで崩壊する前に、ケイブなどの適切な放射線防護機能を有する適切な施設において化学的抽出を実行することにより、天然イリジウムから製造された可燃性毒物構成要素からプラチナ同位体が直ちに回収されてもよい。更に、実施形態に係る可燃性毒物として使用される天然イリジウムの量及び配置は、周知の動作サイクル並びにサイクル後冷却及び燃料処理の終了時までにすべての天然イリジウムがプラチナにほぼ変換されるように選択されてもよい。
【００２７】
他の実施形態に係る可燃性毒物は同位体分離されたイリジウム‐１９３を含んでもよい。先に述べたように、天然イリジウムの約６３％がイリジウム‐１９３であり、これは、例えば遠心式同位体分離方法及びガス拡散式同位体分離方法などの周知の同位体分離メカニズムによって分離されてもよい。従って、同位体分離によって得られる実施形態の可燃性毒物はほぼ純粋なイリジウム‐１９３であってもよい。
【００２８】
純粋イリジウム‐１９３は、実施形態に係る可燃性毒物として更なる有益な特性を有してもよい。先に示したように、イリジウム‐１９３は、生成されるプラチナ‐１９４の１００倍を超える大きさの吸収断面積及び数時間程度の半減期を有する。従って、純粋イリジウム‐１９３から製造された可燃性毒物構成要素は更に大きな可燃性毒物効果を有し、相当に長い崩壊時間及び／又は化学的分離を必要とせずにほぼ純粋な非放射性プラチナとして原子炉から回収できる。
【００２９】
材料の種々の相が実施形態に係る可燃性毒物として使用されてよい。材料及び／又はその生成物を配置し且つ／又は回収するための適切な格納容器は必要になるが、液体又は気体の可燃性毒物、あるいは液体又は気体の所望の娘核種を生成する可燃性毒物が実施形態に係る可燃性毒物として使用されてもよいことは理解される。先に説明した天然イリジウム及びイリジウム‐１９３を含む固体の可燃性毒物は、プラチナを含む固体の所望の娘核種のみを生成するが、以下に説明されるように、実施形態に係る可燃性毒物構成要素として成形され且つ直接使用されてもよい。
実施形態に係る可燃性毒物構成要素
実施形態に係る可燃性毒物構成要素は、天然イリジウム及び／又は高濃縮イリジウム‐１９３を含む先に挙げた例の可燃性毒物のうち任意の可燃性毒物から製造されるか又は任意の可燃性毒物を含んでもよい。構成要素は、特定の原子炉の物理的特性及び中性子特性に関する当業者の知識に基づいて可燃性毒物が存在することにより有益な成果が得られるように構成され且つそのような場所に配置されてもよい。使用される可燃性毒物の材料特性並びに特定の原子炉の構成及び必要条件に基づいて、構成要素は従来の原子炉で使用されていた構成要素と交換可能であってもよく且つ／又は新たに又は特別に設計されてもよい。例えば、燃料束タイプレート、延長部、チャンネル、棒内容物、配管、給水棒などのすべてが実施形態に係る可燃性毒物から製造されるか又は可燃性毒物を含んでもよい。
【００３０】
プラチナを含めて高価な且つ／又は使用可能な娘核種を求めて構成要素は回収されてもよいので、可燃性毒物が存在することにより有益な成果は得られるが、可燃性毒物構成要素の配置及び廃棄にコストがかかるという理由により従来は可燃性毒物が使用されていなかった原子炉の領域に構成要素は配置されてもよい。そのような用途の一例として、実施形態に係る可燃性毒物構成要素は、使用前燃料構成要素の局所ピーキング制御として使用されてもよい。
【００３１】
図１は、いくつかの実施形態に係る可燃性毒物構成要素を有する燃料集合体１００の一例を示した図である。可燃性毒物構成要素の特徴及び燃料束１００を使用する原子炉に対する効果を説明する。図１に示されるように、燃料集合体１００は、チャンネル１２０に配列された複数の全長燃料棒１１８及び／又は部分長燃料棒１１９を含んでもよい。スペーサ１１５は、燃料棒１１８及び１１９の横方向間隔を規定し且つ燃料棒１１８及び１１９を位置決めしてもよい。給水棒１１０は、燃料束１００を通る水の流れに対して軸方向流路を規定してもよい。上部タイプレート１３０及び下部タイプレート１４０は、燃料集合体１００の両端を結合し且つ構成要素を操作してもよい。
【００３２】
一実施形態の上部タイプレート１３０及び／又は下部タイプレート１４０は、燃料集合体１００の両端にあってもよい。タイプレート１３０／１４０は実施形態に係る可燃性毒物から製造されてもよい。例えば、実施形態に係る上部タイプレート１３０及び下部タイプレート１４０を製造するために天然イリジウム又は濃縮イリジウム‐１９３が使用されてもよい。場所の関係上、タイプレート１３０／１４０は、１つ以上の燃料集合体１００を含む炉心の最上部及び底部で中性子を吸収し、適度な抑制効果を発生してもよい。
【００３３】
実施形態に係る上部タイプレート１３０及び下部タイプレート１４０は、いくつかの異なる構成で種々の量の可燃性毒物を含んでもよい。使用される可燃性毒物の量に応じて、タイプレート１３０／１４０は所望の娘核種にほぼ変換されてもよく、原子炉から放出される中性子束の量が少なくなる動作サイクルの完了に近い時点では中性子の吸収量が減少してもよい。従って、特に動作サイクルの開始時に、タイプレート１３０／１４０は、下部プレナム、蒸気乾燥装置などの炉心の最上部及び底部にある原子炉構成要素がさらされる中性子束の量を減少することにより、それらの構成要素の性能を向上し且つ中性束に長期間暴露されることによって起こる脆化を防止してもよい。
【００３４】
図５は、数年間にわたりタイプレート１３０／１４０が通常受ける中性子束３Ｅ１３ｎ／ｃｍ２にさらされた場合の１モルのイリジウムの変化を示したグラフである。図５に示されるように、本実施形態に係るイリジウムは、約６年〜８年の間にほぼプラチナに変換される。これは商業用原子炉の炉心における平均燃料束寿命に相当する。イリジウムから製造された実施形態に係るタイプレート１３０／１４０は、炉心からも更に中性子束を吸収して中性子束を減少し且つ炉心構成要素の外側への中性子束の悪影響を低減してもよい。
【００３５】
同様に、図１の全長燃料棒１１８及び部分長燃料棒１１９のチャンネル１２０、スペーサ１１５、給水棒１１０及び遮蔽のうち任意の構成要素は、実施形態に係る可燃性毒物から製造された可燃性毒物構成要素であってもよい。特定の炉心の中性子特性に基づいて、可燃性毒物によって動作基準及び／又は遮蔽基準に適合させるに際してどの構成要素意が最も有効であるかを判定し且つ従来の可燃性毒物構成要素及び実施形態に係る可燃性毒物構成要素の適切な組み合わせから燃料束１００を製造することは当業者には可能である。個別の構成要素は、それらの動作基準に十分に適合するように物理的に構成され且つ十分に適合する量の可燃性毒物を含んでもよい。
【００３６】
例えば、炉心は動作中に特定の炉心位置で既知の中性子束ピーキングを有する。中性子束ピーキングを低減し且つ構成要素を所望の娘核種に変換するために、それらの領域に配置された燃料束１００は、実施形態に係る可燃性毒物から製造された追加の構成要素を有してもよい。
【００３７】
動作後、燃料束１００は炉心から除去され、実施形態に係る可燃性毒物構成要素から所望の娘核種が回収されてもよい。回収時に所望の娘核種を分離し且つ回収するために、崩壊時間の延長及び／又は化学的分離が必要になる。例えば、炉心内部の所定の場所に配置されるチャンネル１２０を純粋イリジウム‐１９３から、すべてのイリジウム‐１９３を燃焼してプラチナ‐１９４に変換するのに十分な厚さで製造した場合、実施形態に係るチャンネル１２０を有する燃料集合体１００は炉心から除去され、チャンネル１２０は、燃料集合体１００から取り除かれたすぐ後にプラチナ‐１９４源として使用可能である。
【００３８】
図２は、実施形態に係る可燃性毒物から製造されるか又は可燃性毒物を含んでもよいいくつかの燃料束１００及び炉心構成要素を示した図である。図２に示されるように、実施形態に係る可燃性毒物を含む１つ以上の燃料束１００は、炉心内部の従来の燃料配置に類似する場所に配置されてもよい。中性子束を吸収し且つ反応度を制御するために、制御棒又は十字形の制御ブレード１６０は燃料束の１つおきの角部に配置されてもよい。燃料支持金具１７０は炉心内部で燃料束１００を支持し且つ整列させてもよい。
【００３９】
燃料束１００の外側チャンネル１２０に１つ以上の実施形態に係る軸方向ブランケット１５０が配置されてもよい。軸方向ブランケット１５０は、天然イリジウム及び／又は濃縮イリジウム‐１９３を含む実施形態に係る可燃性毒物から製造されてもよい。軸方向ブランケットは、燃料束の交差部分又は可燃性毒物により有益な効果が得られる他の場所に配置されてもよい。例えば、制御ブレード１６０が配置されていない燃料束の交差部分はより高い中性子束ピーキングにさらされ、その結果、燃料サイクルの開始時に燃焼が不均一になり、停止余裕が低減する。そのような場所に実施形態に係る軸方向ブランケット１５０を配置することにより、ピーキングは低下され且つ／又は停止余裕が増加するので、燃料効率及び発電装置の安全性は向上する。あるいは、原子炉の運転に携わる技術者が炉心をモデル化するか又は燃料サイクルの間に特定の箇所で可燃性毒物効果が有益に作用する位置を予測し、そのようなモデル又は予測に従って可燃性毒物効果が有益に働く位置に実施形態に係る軸方向ブランケット１５０を配置してもよい。
【００４０】
実施形態に係る軸方向ブランケット１５０は、所望の量の可燃性毒物効果を与えるような厚さ又は他の寸法で更に製造されてもよい。実施形態に係る軸方向ブランケット１５０は、中性子束の吸収度が増すにつれて中性子束に対する効果が大幅に低減するイリジウム‐１９３のような可燃性毒物から製造されてもよいので、より大きな可燃性毒物効果を必要とする位置には、より分厚い軸方向ブランケット１５０が使用されてもよい。更に、軸方向ブランケットは単純な構造であるので、製造時に大規模な加工を必要としない実施形態に係る軸方向ブランケット１５０に延性がなく且つ加工が難しいイリジウムを使用することは経済的に最も実現性の高い方法である。
【００４１】
実施形態に係る軸方向ブランケット１５０はチャンネル１２０又は他の燃料構成要素を介して燃料束１００に直接装着されてもよいし、あるいは軸方向ブランケットは他の炉心構成要素に固着されてもよい。動作中の原子炉に暴露され、軸方向ブランケット１５０の中性子束吸収容量が減少及び／又は枯渇した後、軸方向ブランケット１５０は、可能であれば燃料束１００の除去と同時に炉心から除去されてもよく、プラチナを含む可燃性毒物から生成された所望の娘核種が回収されてもよい。図６は、約８００日間にわたり軸方向ブランケット１５０が通常受ける中性子束１．４Ｅ１４ｎ／ｃｍ２にさらされた１モルのイリジウムの変化を示したグラフである。図６に示されるように、可燃性毒物としてイリジウム‐１９１を使用する実施形態に係る軸方向ブランケット１５０は、商業用軽水炉の１回の２年燃料サイクルにほぼ相当する約８００日間の動作の中でほぼプラチナに変換される。
【００４２】
同様に、燃料支持金具１７０、制御ブレード１６０及び／又は他の非燃料炉心構成要素のうち任意の構成要素は、実施形態に係る可燃性毒物から製造された可燃性毒物構成要素であってもよい。特定の炉心の中性子特性に基づいて、可燃性毒物によって動作基準及び／遮蔽基準に適合させるのにどの実施形態に係る構成要素が最も有効であるかを当業者が判定し、従来の可燃性毒物構成要素及び実施形態に係る可燃性毒物構成要素の適切な組み合わせから適切な寸法で構成要素１５０、１６０、１７０などを製造してもよい。個別の実施形態に係る構成要素は、そのような動作基準に十分に適合するように物理的に構成され且つ十分に適合する量の可燃性毒物を含んでもよい。
【００４３】
図３は、炉心３００の横断面を示した図である。先に説明した実施形態に係る可燃性毒物から製造されたか又は可燃性毒物を含むいくつかの燃料束１００及び／又は他の構成要素が炉心３００に含まれてもよい。図３に示されるように、燃料束１００と原子炉壁／シュラウド３１０との間に、実施形態に係る可燃性毒物構成要素を含む１つ以上の周囲ブランケット３２０が配置されてもよい。実施形態に係る周囲ブランケット３２０は、天然イリジウム及び濃縮イリジウム‐１９３を含む実施形態に係る可燃性毒物から製造されてもよい。周囲ブランケット３２０は、可燃性毒物効果が有益に働く場所及び／又は重要な炉心構成要素を中性子束から遮蔽する位置に配置されてもよい。例えば、原子炉壁３１０は、動作中の炉心３００の内部で高レベルの中性子束に暴露されることにより時間の経過に伴って脆化する。原子炉壁３１０を遮蔽する実施形態に係る周囲ブランケット３２０は、中性子により誘発される脆化を減少することにより炉心容器の寿命を延ばし且つ安全性を向上する。あるいは、炉心の動作に携わる技術者が炉心をモデル化するか又は燃料サイクルの特定の時点で可燃性毒物効果が有益に働く位置を予測し、そのようなモデル又は予測に従って可燃性毒物効果が有益に働く位置に実施形態に係る周囲ブランケット３２０を配置してもよい。
【００４４】
実施形態に係る周囲ブランケット３２０は、所望の量の可燃性毒物効果を与える厚さ又は他の寸法で製造されてもよい。実施形態に係る周囲ブランケット３２０は、中性子束の吸収量が増すにつれて中性子束に対する効果が大幅に低下するイリジウム１９３‐のような可燃性毒物から製造されるので、遮蔽効果を含めてより大きな可燃性毒物効果が必要とされる位置では、より分厚い周囲ブランケット３２０が使用されてもよい。更に、周囲ブランケット３２０は単純な構造であるので、製造時に大規模な加工が必要にならない実施形態に係る周囲ブランケット３２０においては、経済的に見てイリジウムの使用の実現可能性は特に高い。
【００４５】
実施形態に係る周囲ブランケット３２０は原子炉壁３１０及び／又は燃料束１００に直接装着されてもよいし、あるいは周囲ブランケット３２０は他の炉心構成要素に固着されてもよい。実施形態に係る周囲ブランケット３２０は例えば平坦な板状シートとして製造されてもよいし、あるいは実施形態に係る可燃性毒物を含む複数の棒から製造されてもよい。図４は、棒状の可燃性毒物４１０から製造された周囲ブランケット３２０の一実施形態を示す。本実施形態において、棒状の可燃性毒物４１０は、例えば天然イリジウム又は濃縮イリジウムなどの可燃性毒物を含む中空の管から製造されてもよい。実施形態に係る周囲ブランケット３２０は、中実である棒４１０又は中実で平坦な板を含んでもよい。ブレードの配置、移動及び／又は他の操作を可能にするために、周囲ブランケット３２０はブランケット３２０の一端に固着されたハンドル４２０を含んでもよい。可燃性毒物を含む他の実施形態に関して説明したように、実施形態に係る周囲ブランケット３２０は動作中の原子炉に暴露され、中性子束吸収容量をゆっくりと減少及び／又は枯渇させる。実施形態に係る周囲ブランケット３２０は炉心から除去され、ブランケット中の可燃性毒物から生成されたプラチナを含む所望の娘核種が回収されてもよい。
実施形態に係る方法
実施形態に係る可燃性毒物及びそれを含む構成要素を説明したので、可燃性毒物を使用する方法を次に説明する。方法と共に先に説明された構成要素のうちどの構成要素が使用されてもよいが、以下に説明される方法がそれに限定されないことは理解される。同様に、以下に説明される方法によって、先に説明した可燃性毒物及び所望の娘核種のうちどれが使用され且つ生成されてもよいが、方法がそれに限定されないことも理解される。
【００４６】
図７は、実施形態に係る方法を示したフローチャートである。実施形態に係る可燃性毒物を含む構成要素を使用する方法は、中性子束の吸収及び／又は放射線遮蔽を含めて可燃性毒物効果が有益に働く場所をステップＳ１００において判定することを含む。この判定は、燃料配置及び濃縮度などの他の炉心特性に基づいて炉心中性子束量をシミュレーションすることを含んでもよい。あるいは、判定は炉心を熟知する技術者の知識に基づいてもよいし、又は過去の炉心性能に基づいてもよい。更に、ステップＳ１００において、使用される可燃性毒物の吸収能力、吸収される中性子束の量及び生成される所望の娘核種の量に基づいて、使用される実施形態に係る可燃性毒物の量が判定されてもよい。ステップＳ１００は処理装置で実現されてもよいし、あるいは炉心技術者により計算されてもよい。
【００４７】
ステップＳ１１０において、ステップＳ１００で判定された所望の量の実施形態に係る可燃性毒物を含む実施形態に係る構成要素が製造されてもよい。実施形態に係る構成要素は、それらの構成要素と置き換えられる従来の構成要素に非常に似ていてもよい。あるいは、ステップＳ１００で判定された使用される可燃性毒物の量に対応するために、実施形態に係る構成要素の寸法及び／又は形状が変更されてもよい。実施形態に係る構成要素全体が実施形態に係る可燃性毒物から製造されてもよいし、あるいは構成要素の中の格納スペースにそれらの材料が含まれてもよい。ステップＳ１１０における実施形態に係る構成要素の製造は、実施形態に係る可燃性毒物を含めて実施形態に係る構成要素を製造するために使用される周知の鍛造、整形及び他の加工の方法を含んでもよい。
【００４８】
ステップＳ１２０において、ステップＳ１１０で製造された実施形態に係る構成要素は、ステップＳ１００で判定された炉心内部の場所に配置される。ステップＳ１２０の配置は、燃料サイクルの終了時に炉心に接近可能になった時点で燃料停止中に実行されてもよい。特に実施形態に係る構成要素が燃料集合体の中に配置されるか又は燃料集合体に装着される場合、構成要素の配置は燃料集合体の配置と同時に実行されてもよい。
【００４９】
ステップＳ１３０において、実施形態に係る可燃性毒物を含む実施形態に係る構成要素は、動作中の原子炉の中で中性子束に暴露されてもよい。ステップＳ１３０は、実施形態が動作中の炉心の中で所望の可燃性毒物効果を示すこと及び暴露の結果として所望の娘核種を生成することを含んでもよい。
【００５０】
ステップＳ１４０において、実施形態に係る可燃性毒物構成要素は除去され且つ／又はステップＳ１３０における暴露の結果生成された所望の娘核種が回収されてもよい。ステップＳ１４０の除去は燃料停止中又は炉心に接近可能である別の時点で実行されてもよく、燃料シャフリング／除去と同時に実行されてもよい。所望の娘核種の回収は、実施形態に係る構成要素を安全な放射能レベルまで崩壊させること又は所望の生成物を他の望ましくない生成物及び／又は放射性生成物から化学的に分離することを含んでもよい。
【００５１】
実施形態及び方法は従来の燃料束及び炉心構成要素においては不可能であった位置、量及び純度で可燃性毒物効果を与え且つ所望の娘核種の生成を可能にするので、実施形態は、生成される娘核種の価値が高いことによって動作コストを低減することに加えて、炉心の中性子特性、遮蔽及び安全性を向上するという利点をもたらす。
【００５２】
実施形態及び方法を説明したが、更なる発明活動を伴わずに日常的な経験を通して実施形態を変形できることは当業者には理解されるだろう。例えば、アメリカ合衆国内の発電用軽水炉において従来見られた機能及び構成要素に関連して実施形態及び方法を説明したが、実施形態及び方法は世界中の多様な種類の原子炉でも使用可能である。変形は実施形態の精神及び範囲からの逸脱とみなされてはならず、当業者には自明であると考えられるそのような変形はすべて特許請求の範囲の範囲内に含まれることを意図する。
【符号の説明】
【００５３】
１００    燃料集合体／燃料束
１１５    スペーサ
１１８    全長燃料棒
１１９    部分長燃料棒
１２０    チャンネル
１３０    上部タイプレート
１４０    下部タイプレート
１５０    軸方向ブランケット
１６０    制御ブレード
１７０    燃料支持金具
３００    炉心
３１０    シュラウド／原子炉壁
３２０    周囲ブランケット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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