(57)【要約】【課題】保守性や放射性物質の漏洩・拡散防止性および核拡散抵抗性の高い熔融塩炉を得る。【解決手段】実施形態による熔融塩炉１００は、核分裂性物質および核分裂性物質の親物質を含む熔融塩を核燃料用の燃料塩として用いる。熔融塩炉１００は、燃料塩２を収納する原子炉容器１と、原子炉容器１内で発生した熱を原子炉容器１外に移行させる炉内発生熱移行部１０と、原子炉容器１外に設けられて炉内発生熱移行部１０を介して移行する熱を受け取る熱交換器２５と、原子炉容器１に核分裂性物質および親物質を補給する追加燃料容器５と、これらを収納する原子炉格納容器３０とを有する。炉内発生熱移行部１０は、原子炉容器１内の燃料塩２内に浸漬された受熱部１０ａと、熱交換器２５内に設けられた放熱部１０ｂと、これらを接続する熱移動部１０ｃを有してもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核分裂性物質および核分裂性物質の親物質を含む熔融塩を核燃料用の燃料塩として用いる熔融塩炉において、
前記燃料塩を収納して閉じ込める原子炉容器と、
前記原子炉容器内で発生した熱を前記原子炉容器外に移行させる炉内発生熱移行部と、
前記原子炉容器外に設けられて前記炉内発生熱移行部を介して移行する熱を受け取る熱交換器と、
前記原子炉容器に前記核分裂性物質および前記親物質を貯留してこの前記核分裂性物質および前記親物質を前記原子炉容器に補給可能な追加燃料容器と、
前記原子炉容器と前記熱交換器と前記炉内発生熱移行部と前記追加燃料容器とを収納する原子炉格納容器と、
を備えることを特徴とする熔融塩炉。
【請求項２】
前記炉内発生熱移行部は、
前記原子炉容器内の前記燃料塩内に浸漬された受熱部と、
前記熱交換器内に設けられて熱交換器冷却側媒体と熱交換を行う放熱部と、
前記受熱部と前記放熱部とを接続する熱移動部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の熔融塩炉。
【請求項３】
前記原子炉容器内で発生した熱の前記炉内発生熱移行部および前記熱交換器による熱除去機能が喪失した場合に前記燃料塩を収納するドレンタンクをさらに備え、
前記ドレンタンクは前記燃料塩を収納した場合に未臨界状態を維持可能であり前記燃料塩から発生する崩壊熱を除去する手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熔融塩炉。
【請求項４】
前記熔融塩は、核燃料物質を熔解し化学的に安定な核燃料物質熔解塩であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熔融塩炉。
【請求項５】
前記原子炉容器内の前記燃料塩の液面上に前記燃料塩よりも比重の小さな熔融状態の金属を配したことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熔融塩炉。
【請求項６】
前記原子炉容器は、側胴の外面に複数のフィンを有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の熔融塩炉。
【請求項７】
前記原子炉容器の上部から挿入された電極と、
前記電極に直流電力を供給する直流電源と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熔融塩炉。
【請求項８】
前記原子炉容器内に、前記燃料塩の自然循環を助長するための上下端が開放されて前記原子炉容器と同軸で上端が前記燃料塩の液面より下に配設された整流筒をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の熔融塩炉。
【請求項９】
前記燃料塩中で発生し前記原子炉容器内に存在する中性子のエネルギースペクトルにおいて中速中性子領域成分が主たる割合を占め、前記中速中性子領域における前記親物質による前記中性子の共鳴吸収を利用することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の熔融塩炉。
【請求項１０】
核分裂性物質および核分裂性物質の親物質を含む熔融塩を核燃料用の燃料塩として用いる熔融塩炉の運転方法であって、
原子炉の余剰反応度を算出する余剰反応度算出ステップと、
前記余剰反応度を規定値と照合し燃料供給の要否を判定する判定ステップと、
前記判定ステップにおいて燃料供給要と判定された場合に前記原子炉容器内に少なくとも前記核分裂性物質を含む燃料物質を供給する供給ステップと、
を有し、前記余剰反応度算出ステップ、前記判定ステップおよび前記供給ステップを複数回繰り返すことを特徴とする熔融塩炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、熔融塩を核燃料用の燃料塩として用いる熔融塩炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
第四世代原子炉として提案されている熔融塩炉は一般に、燃料塩自体が一次冷却材を兼ねてプラント中を循環しており、１９４７年から１９７６年の間にＯＲＮＬによって開発された炉型である。熔融塩炉は熔融した燃料塩の性質から、燃料の成型加工が不要である、被覆管等がないため燃料からの放射線による損傷を受けない、燃料の熱容量が大きく過酷事故時の安全性が高い、等の特徴を持つ。
【０００３】
一般に熔融塩炉は減速材を原子炉容器内に配置し、減速材の中を燃料塩が流れるときに核分裂反応が継続して発生しエネルギーを発生させる。一方、減速材の無い一次系配管や熱交換器では臨界に達しない。また、燃料が液体であることから形状管理が容易であり不測の再臨界が発生する可能性は非常に低い。
【０００４】
一般に熔融塩炉は燃料が液体である事から原子炉運転中に燃料の再処理などの化学的な組成の調整を行うことができる。化学的な組成の調整によって核分裂性物質（ＦＰ）を除去し核燃料物質の濃度を調整することにより低い余剰反応度で原子炉を運転することができる。
【０００５】
また、熔融塩炉は、一般に、トリウムの持つ熱外エネルギー領域における中性子の共鳴吸収や熱エネルギー領域における高い吸収断面積の中性子の吸収を利用して、トリウムを親物質として用いて核分裂性物質であるウラン２３３を生成することができる。また、増殖比１以上を達成することすなわち増殖炉とすることが可能な原子炉である。
【０００６】
一般に熔融塩炉は熔融した塩を燃料に用いている事から、炉心熔融事故が原理的に発生することはなく、さらに、炉心に水素が存在しないために水素爆発の可能性も極めて低い等、既存の軽水炉と比較して安全性の高い炉型である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−１９１１７１号公報
【特許文献２】特公昭６３−６３８７７号公報
【特許文献３】特開２００１−１３３５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した熔融塩炉においては、核分裂反応により発生した熱を２次の熱媒体に伝達するための熱交換のために燃料塩が原子炉容器外の機器、配管を循環する。また、燃料塩からのＦＰの除去、燃料塩の精製、再処理などの化学的な調整のためにも燃料塩が原子炉容器外の機器、配管を循環する。
【０００９】
このように燃料塩が原子炉容器外に移動することに伴い燃料塩が通過する機器、配管周囲の放射線のレベルが高くなるため、保守の困難さおよび配管破断時の放射性物質の漏洩・拡散が課題として挙げられている。
【００１０】
また一般に、熔融塩炉の減速材として用いられる黒鉛においては中性子照射によりエネルギーの蓄積、変形が発生するために黒鉛への中性子照射量の制限があり、定期的な黒鉛の交換が必要となる。この黒鉛の交換によって燃料塩の付着した大量の高レベル放射性廃棄物としての黒鉛が発生し、運用上の課題となっている。
【００１１】
加えて，運転中の再処理の際にプロトアクチニウムが単離されるが、プロトアクチニウム２３３の崩壊を待つことにより高純度の核分裂性物質ウラン２３３が得られるため、強固な核不拡散性が必要という観点からは核拡散抵抗性の確保という課題もあった。
【００１２】
本発明の実施形態は上述した課題を解決するためになされたものであり、保守性や放射性物質の漏洩・拡散防止および核拡散抵抗性の観点からの課題を解決する熔融塩炉を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、核分裂性物質および核分裂性物質の親物質を含む熔融塩を核燃料用の燃料塩として用いる熔融塩炉において、前記燃料塩を収納して閉じ込める原子炉容器と、前記原子炉容器内で発生した熱を前記原子炉容器外に移行させる炉内発生熱移行部と、前記原子炉容器外に設けられて前記炉内発生熱移行部を介して移行する熱を受け取る熱交換器と、前記原子炉容器に前記核分裂性物質および前記親物質を貯留してこの前記核分裂性物質および前記親物質を前記原子炉容器に補給可能な追加燃料容器と、前記原子炉容器と前記熱交換器と前記炉内発生熱移行部と前記追加燃料容器とを収納する原子炉格納容器と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の実施形態は、核分裂性物質および核分裂性物質の親物質を含む熔融塩を核燃料用の燃料塩として用いる熔融塩炉の運転方法であって、原子炉の余剰反応度を算出する余剰反応度算出ステップと、前記余剰反応度を規定値と照合し燃料供給の要否を判定する判定ステップと、前記判定ステップにおいて燃料供給要と判定された場合に前記原子炉容器内に少なくとも前記核分裂性物質を含む燃料物質を供給する供給ステップと、を有し、前記余剰反応度算出ステップ、前記判定ステップおよび前記供給ステップを複数回繰り返すことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態によれば、保守性や放射性物質の漏洩・拡散防止および核拡散抵抗性の観点からの課題を解決する熔融塩炉を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る熔融塩炉の運転方法のフローを示すブロック図である。
【図３】第１の実施形態に係る熔融塩炉の運用を示すグラフである。
【図４】第２の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。
【図５】第３の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す図５の第VI−VI平面図である。
【図７】第４の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。
【図８】第４の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す図７の第VIII−VIII平面図である。
【図９】第５の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。
【図１０】第５の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す図９の第X−X平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る熔融塩炉について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１８】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。熔融塩炉１００は、原子炉容器１、炉内発生熱移行部としてヒートパイプ１０、熱交換器２５、追加燃料容器５、ドレンタンク８およびこれらを収納する原子炉格納容器３０を有する。
【００１９】
原子炉容器１内には、熔融状態の燃料塩２が収納されている。また、原子炉容器１内の燃料塩２の周囲には反射体３が配設されている。原子炉容器１の上部から制御棒４が燃料塩２内に挿入されている。制御棒４は、上下に移動して燃料塩２内での核分裂反応を制御する。
【００２０】
なお、原子炉容器１内には、減速材は設けられていない。このため、核分裂によって生成された高速中性子を主とするエネルギースペクトルを有する中性子の殆んどは、熱中性子領域のエネルギーまで減速されることなく、数１０ＫｅＶ前後のエネルギーの中性子の割合が大きなエネルギースペクトルとなる。
【００２１】
このエネルギースペクトルは、いわゆる高速炉におけるエネルギースペクトルに比べるとピークが低エネルギー側にシフトしており、また、減速材を有するいわゆる熱中性子炉や熔融塩炉のような熱中性子領域にもピークを有するエネルギースペクトルとも異なり、いわゆる中速領域のエネルギーの中性子の割合が大きな分布のエネルギースペクトルとなる。
【００２２】
また、たとえば、親物質としてトリウム（Ｔｈ２３２）が用いられている場合は、１０ｅＶオーダーないし数ＫｅＶオーダーの中性子エネルギー領域において捕獲断面積の大きな共鳴吸収がある。また、１０−２ｅＶオーダーのエネルギー以上でほぼ一定の中性子再生率を有しており、この値はたとえばＵ２３５の数倍のオーダーである。
【００２３】
以上のように、中速中性子が多いエネルギースペクトル分布と中速エネルギー領域における大きな共鳴吸収断面積とがうまく対応しており、Ｔｈ２３２の中性子吸収が効率よく行われる。
【００２４】
Ｔｈ２３２は中性子を吸収してＴｈ２３３となり、Ｔｈ２３３は、β崩壊によりプロトアクチニウム（Ｐａ２３３）、さらにβ崩壊により核分裂性物質であるＵ２３３となる。生成されたＵ２３３は、中速中性子領域の中性子による核分裂の際に発生する中性子の数がＵ２３５より大きく、反応度の維持に有利である。
【００２５】
原子炉容器１の外側の上方には、熱交換器２５が設置されている。熱交換器２５はたとえば蒸気ドラムでもよい。原子炉容器１と熱交換器２５間には、原子炉容器１内で発生した熱を外部に移行する炉内発生熱移行部としてヒートパイプ１０が設けられている。
【００２６】
ヒートパイプ１０は、原子炉容器１内に受熱部としての蒸発部１０ａ、熱交換器２５内に放熱部である凝縮部１０ｂが配されており、この間が熱移動部１０ｃにより接続されている。なお、炉内発生熱移行部としては、ヒートパイプ１０に限らない。燃料塩２を原子炉容器１の外部に移動させずに原子炉容器１内で発生した熱を除去、移送できるものであればよい。また、外部動力を用いずにできればさらによい。たとえば、自然循環型の熱交換器でもよい。また、熱伝導率の良い固体金属で原子炉容器１と熱交換器２５との間を結ぶことにより行ってもよい。
【００２７】
原子炉容器１と熱交換器２５間の空間は、保温ガード１１に囲まれており、熱移動部１０ｃは、原子炉容器１、熱交換器２５および保温ガード１１に囲まれた空間内に布設されることにより、放熱を低減し、炉内発生熱移行部での熱の損失を抑制することができる。
【００２８】
また、熱交換器２５としては、その目的に応じて様々な熱移動の方法を用いることができる。炉内発生熱移行部の放熱部である凝縮部１０ｂにより加熱して蒸気を発生させる蒸気ドラムなどの蒸気発生器でもよし、ガスを加熱する方式の熱交換器でもよい。ガスは、ヘリウムや炭酸ガスによって高温のガスを得てもよい。また、超臨界圧水や、高温の熔融塩あるいは液体金属を得ることもできる。
【００２９】
原子炉格納容器３０内には、原子炉容器１が設置される原子炉容器室３１、原子炉容器室３１の半径方向外側のドレンタンク室３２、原子炉容器室３１の上部の上部室３３が設けられている。
【００３０】
原子炉容器１の上方の熱交換器２５は、原子炉容器１と同様に原子炉容器室３１内に設けられている。なお、熱交換器２５は、原子炉容器室３１と別の室に設置することでもよく、熱交換器の保守上は、別室に置く方が有利である。別室に置くことによる熱移動部１０ｃからの放熱の増加と保守上のメリットとを勘案して決めればよい。
【００３１】
上部室３３には、追加燃料容器５が設けられている。また、追加燃料容器５と原子炉容器１との間は燃料追加・希ガスＦＰ排出用配管６で接続されている。燃料追加・希ガスＦＰ排出用配管６上には仕切弁６ａが設けられている。追加燃料容器５内には、核分裂性物質および核分裂性物質の親物質がペレットあるいは粉体状の形態で収納されている。
【００３２】
核分裂性物質および核分裂性物質の親物質は、外部から追加燃料容器５に補給が可能な構成となっている。必要時に仕切弁６ａを開くことによって核分裂性物質および核分裂性物質の親物質が原子炉容器１に補給される。
【００３３】
また、仕切弁６ａを開くことにより、原子炉容器１内で生じた核分裂生成物あるいは核分裂生成物が崩壊して生じたキセノン、クリプトン等の気体状物質が原子炉容器１から追加燃料容器５に移行する。このため、追加燃料容器５周囲の放射線レベルは高くなることから、追加燃料容器５の周囲は遮へい部材７に覆われている。
【００３４】
ドレンタンク室３２内には、ドレンタンク８が設置されている。また、ドレンタンク８と原子炉容器１間はドレン配管９により接続されている。ドレン配管９上には、仕切弁９ａが設けられている。緊急時には仕切弁９ａが開くことによって原子炉容器１内の燃料塩は自然落下によりドレンタンク８に移行する。
【００３５】
ドレンタンク８は、原子炉容器１内の燃料塩２を全量収納できる容量を有する。したがって、ドレンタンク８は必要容量を有する１基でもよいし、複数基で必要な容量を確保することでもよい。
【００３６】
また、ドレンタンク８は、原子炉容器１内にある燃料塩２を全量収納しても未臨界状態を維持できるようになっている。たとえば、複数に分散させて収納し１基の容量を限定することとしてもよい。あるいは、ドレンタンク８の形状を未臨界状態を維持できるような形状としてもよい。また、ドレンタンク８は、その内部に収納した燃料塩２から発生する崩壊熱が周囲の雰囲気によって冷却可能な構成とする。
【００３７】
ここで、原子炉容器１内に内包された燃料塩２は、たとえばフッ化物熔融塩（より具体的には、たとえばＬｉＦ−ＢｅＦ２−ＴｈＦ４−ＵＦ４）である。また、追加燃料容器５に収納されている追加燃料等は、たとえば、親物質であるトリウム（Ｔｈ）および核分裂性物質であるウラン（Ｕ）のフッ化物すなわち固体相のＴｈＦ４およびＵＦ４の混合物である。あるいは、ＴｈＦ４およびＵＦ４の混合物と混合塩ＬｉＦ−ＢｅＦ２との混合物でもよい。
【００３８】
なお、親物質はトリウム２３２に限定されない。たとえば、ウラン２３８でもよい。また、核分裂性物質はウラン（ウラン２３３、ウラン２３５）に限定されない。たとえば、プルトニウム（プルトニウム２３９、プルトニウム２４１）などでもよい。親物質と核分裂性物質およびこれらを含む合金を総称して燃料物質と呼ぶこととする。したがって、「燃料物質」は、親物質または核分裂性物質のいずれか、あるいは親物質および核分裂性物質の両方を意味するものとする。
【００３９】
ＴｈＦ４およびＵＦ４は、原子炉容器１内に投入されると、混合塩ＬｉＦ−ＢｅＦ２と混合されることにより融点が低下し、混合塩である燃料塩となる。
【００４０】
燃料塩として用いることができる混合塩は、燃料物質を熔解でき、かつ化学的に安定な塩である必要がある。このような塩を燃料物質用塩と総称することとする。燃料物質用塩としては、前述のようにフッ化リチウムとフッ化ベリリウムの混合塩がある。
【００４１】
なお、本実施形態ではフッ化リチウムとフッ化ベリリウムの混合塩の場合を示したが、フッ化リチウムとフッ化ベリリウムの混合塩に限定されない。たとえば、これらの代わりに、塩化ナトリウムとフッ化ナトリウムの混合塩を用いることも可能である。
【００４２】
あるいは、塩化ナトリウムとフッ化ナトリウムの混合塩の代わりに、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化アルミニウム、塩化錫等の塩化物もしくは混合塩化物、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウム、フッ化マグネシウム、フッ化カルシウム、フッ化アルミニウム、フッ化錫等のフッ化物もしくは混合フッ化物でもよい。
【００４３】
図２は、第１の実施形態に係る熔融塩炉の運転方法のフローを示すブロック図である。
【００４４】
定期的に、あるいは必要に応じて、原子炉の余剰反応度を算出する（ステップＳ１）。余剰反応度の算出においては、原子炉を模擬した計算モデルに基づいて算出してもよいし、あるいは必要に応じて試験を行いその試験結果を併せて用いてもよい。
【００４５】
ステップＳ１で算出された余剰反応度を規定値と比較し、余剰反応度が規定値以上という条件が成立しなければ、燃料追加が必要と判定する（ステップＳ２）。なお、判定は、たとえば、余剰反応度と規定値との差が所定の値以内であるという判定でもよい。
【００４６】
ステップＳ２において燃料追加要と判定された場合は、追加燃料容器５に収納されている少なくとも核分裂性物質を含む燃料物質を原子炉容器１内に供給する（ステップＳ３）。すなわち、核分裂性物質を供給するか、あるいは、核分裂性物質および核分裂性物質の親物質を供給する。供給形態は、たとえば、これらのフッ化物である。あるいは、さらにこれらのフッ化物と混合塩ＬｉＦ−ＢｅＦ２との混合物でもよいし、前記のような塩類でもよい。
【００４７】
供給は、追加燃料容器５内に数回分を収納しておき、仕切弁６ａを開く時間を調節して１回分を原子炉容器１に投入してもよい。あるいは、過剰投入を防止するためには、追加燃料容器５内に１回分を収納しておき、原子炉容器１に全量を投入する方法でもよい。この場合は、１回分ずつ追加燃料容器５に補給しておく。また、追加燃料容器５をカートリッジ式として容易に交換可能にすることでもよい。
【００４８】
図３は、第１の実施形態に係る熔融塩炉の運用を示すグラフである。横軸は運転期間を示す。左側の縦軸は、原子炉容器１内に投入された燃料塩の総量であり、破線で示す線に対応する。また、右側の縦軸は、余剰反応度であり、実線で示す線に対応する。
【００４９】
運転期間が経過すると原子炉の余剰反応度が徐々に減少する。余剰反応度が所定の値まで低下すると燃料物質が補給されるため、余剰反応度は補給された燃料物質の量に対応して増加する。原子炉容器１内に投入された燃料塩の総量、すなわち、運転開始時点の燃料塩の量と、その後に補給された燃料物質による燃料塩の合計値は、補給の都度増加していく。
【００５０】
以上のように構成された本実施形態においては、プラント運転期間に亘り、燃料塩２を原子炉容器１の外に移動することなく、原子炉容器１内で発生した熱を取り出すことができるため、燃料塩を原子炉容器１内に閉じ込めておくことができる。また、原子炉容器１内にポンプ等の動的機器を用いないためプラントの構成が単純になり、プラントの信頼性を高めることができる。
【００５１】
この結果、従来の熔融塩炉の課題であった熱交換のため、あるいは再処理等の化学的な組成調整のために放射性物質が原子炉容器の外へ移動することに伴う保守の困難さ、および配管破断時の放射性物質の拡散という課題を解決することができる。
【００５２】
また、核分裂性物質の核分裂によって発生した中性子によって親物質であるトリウムを核燃料物質であるＵ２３３に効率よく転換し、核分裂性物質の量を増加させながら運転を行うことが可能である。
【００５３】
さらに、燃料追加の際には追加燃料容器５に格納された粉末またはペレット状の燃料物質を燃料追加・希ガスＦＰ排出用配管６を通じて原子炉に投入するが、この際に原子炉容器１内に蓄積しているキセノン、クリプトンなどの希ガスのＦＰは圧力差により原子炉容器１から燃料追加・希ガスＦＰ排出用配管６を通じて追加燃料容器５へ移行する。
【００５４】
移動した希ガスＦＰは遮へい部材７によって放射線遮蔽されている追加燃料容器５内に保管され放射能の減衰を待ってから廃棄することができる。これにより長期の運転に起因する希ガスＦＰの蓄積による原子炉容器１の内圧上昇を抑えることができる。
【００５５】
また、減速材を用いないことにより、親物質から核分裂性物質への転換効率が向上するばかりでなく、従来の熔融塩炉において減速材として用いられる物質の寿命に起因しての燃料塩の付着した物の交換作業、放射線レベルの高い廃棄物の発生を無くすことができる。
【００５６】
以上のように、実施形態によれば、保守性や放射性物質の漏洩・拡散防止および核拡散抵抗性の観点からの課題を解決する熔融塩炉を得ることができる。
【００５７】
［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。原子炉容器１内の燃料塩２は熔融状態にあって、その上方には、熔融金属層１２が形成されている。また、燃料塩２にはアルミニウムのフッ化物（ＡｌＦ３）が適量混合されている。熔融金属層１２を形成する金属としては、燃料塩２よりも比重の小さな、かつ化学的に燃料塩２と共存性のある金属であり、たとえばアルミニウムなどでよい。
【００５８】
なお、図には表示していないが、熔融金属層１２を形成する燃料塩２の上に浮かべた熔融金属を原子炉容器１の外に循環して原子炉容器１内で発生した熱の除去を行ってもよい。また、ヒートパイプ１０などの炉内発生熱移行部は燃料塩２とは接触せずに、熔融金属層１２の熔融金属との熱交換を行うことでもよい。
【００５９】
以上のように構成された本実施形態においては、熔融金属層１２が蓋の役割を果たし、燃料塩２の蒸着による燃料追加・希ガスＦＰ排出用配管６の燃料物質による汚染を低減することができる。
【００６０】
また、燃料塩２にＡｌＦ３を適量混合させることによって、燃料塩２の上に浮かんでいる熔融金属が燃料塩２と化学反応を起こすことを抑制することができる。さらに、熔融金属を燃料塩２の上に浮かべて熔融金属層１２から原子炉容器１内で発生した熱の除去を行うことにより、図１のヒートパイプ１０による原子炉からの除熱に際して炉内発生熱移行部であるヒートパイプ１０と燃料塩２との直接の接触を避けることができる。さらに、熔融して燃料塩２の上に浮かべたアルミニウムなどの熔融金属は、中性子反射体としての効果も有する。
【００６１】
［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。また、図６は、第３の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す図５の第VI−VI平面図である。なお、追加燃料容器５およびこれに付属する配管等は図示を省略している。
【００６２】
本実施形態は、第１の実施形態の変形である。原子炉容器１の外周壁には半径方向および上下に延びる冷却フィン１４が周方向に間隔をおいて複数枚取り付けられている。冷却フィン１４は、原子炉容器室３１とドレンタンク室３２間の壁を貫通し、ドレンタンク室３２まで延びている。
【００６３】
なお、冷却フィン１４は、放射状に等間隔でなくともよい。配置上の制約等が有るのが通常であり、周方向に等間隔であるか否かを問わない。また、冷却フィン１４の形状は、板状に限定されない。たとえば、多数本の棒状の物や、板状のものとの組合せであってもよい。
【００６４】
ドレンタンク室３２内の径方向は、空気循環用仕切り板１７によって、外側の下降空間１８と下降空間１８の内側の上昇空間１９とに区切られている。下降空間１８と上昇空間１９とは空気循環用仕切り板１７下端の下方で繋がっている。
【００６５】
また、下降空間１８には、ドレンタンク室３２と上部室３３との間の床を貫通して給気配管１５が接続されている。給気配管１５は、原子炉格納容器３０の外側に繋がっている。給気配管１５上には、給気配管内側隔離弁１５ａおよび給気配管外側隔離弁１５ｂが設けられている。
【００６６】
同様に、上昇空間１９には、ドレンタンク室３２と上部室３３との間の床を貫通して排気配管１６が接続されている。排気配管１６は、原子炉格納容器３０の外側に繋がっている。排気配管１６上には、排気配管内側隔離弁１６ａおよび排気配管外側隔離弁１６ｂが設けられている。
【００６７】
このように構成された本実施形態においては、何らかの要因によりヒートパイプ１０などの炉内発生熱移行部の原子炉容器１内で発生する熱の除去機能が失われた場合に、冷却フィン１４によって大気を最終ヒートシンク、すなわち熱の最終的な放出先として原子炉からの除熱を行うことができる。
【００６８】
なお、通常運転時は、給気配管１５に設けられた給気配管内側隔離弁１５ａおよび給気配管外側隔離弁１５ｂ、および排気配管１６に設けられた排気配管内側隔離弁１６ａおよび排気配管外側隔離弁１６ｂが閉止されていることから、冷却フィン１４からの熱の放出を抑制することができる。
【００６９】
また、緊急時に原子炉容器１内の燃料塩２がドレンタンク８に移行した場合、給気配管１５に設けられた給気配管内側隔離弁１５ａおよび給気配管外側隔離弁１５ｂ、および排気配管１６に設けられた排気配管内側隔離弁１６ａおよび排気配管外側隔離弁１６ｂを開くことによって、ドレンタンク８の冷却流路が確保され、ドレンタンク８内に収容された燃料塩２からの崩壊熱の除去を確実に行うことができる。
【００７０】
［第４の実施形態］
図７は、第４の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。また、図８は、第４の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す図７の第VIII−VIII平面図である。
【００７１】
本実施形態は第１の実施形態の変形であり、燃料塩２中のＦＰを捕集する手段を有する実施形態である。
【００７２】
原子炉容器１内にアノード電極２１ａおよびカソード電極２１ｂが設けられている。アノード電極２１ａおよびカソード電極２１ｂは、燃料塩２内に下端を浸漬した状態で、上方から吊り下げられるように原子炉容器１内に取り付けられている。
【００７３】
また、アノード電極２１ａおよびカソード電極２１ｂのそれぞれは、原子炉容器１内の燃料塩２が貯留されている領域の最外部にそれぞれ設けられている。また、アノード電極２１ａおよびカソード電極２１ｂは、互いに原子炉容器１の軸中心を挟んで反対側に設けられている。
【００７４】
アノード電極２１ａおよびカソード電極２１ｂの形状は、棒状のものとして図示しているが、これに限定されない。たとえば、膜状のものでもよい。また、アノード電極２１ａの材料は、たとえば、炭素、白金など、カソード電極２１ｂの材料は、たとえば、鉄、ニッケル、白金、炭素などでよい。
【００７５】
アノード電極２１ａおよびカソード電極２１ｂのそれぞれは、燃料塩２に浸漬した下端と反対端において、原子炉容器１の外部に設けられた直流電源２２に電気的に接続されている。また、直流電源２２との接続は、外部で入り切りできるようになっている。また、印加する電圧の向きを切り替えられるようになっている。
【００７６】
このように構成された本実施形態においては、アノード電極２１ａおよびカソード電極２１ｂを直流電源２２と電気的に接続させることによって、燃料塩２内に蓄積していくＦＰをカソード電極２１ｂの周囲に析出させ捕集することができる。
【００７７】
この結果、燃料塩２に含まれるＦＰの濃度を低下させることができる。核分裂の結果生じたＦＰの中には、中性子を吸収する核種が有るため、これをカソード電極２１ｂに析出させて燃料塩２中から除去することにより、原子炉の余剰反応度の低下を抑制することができる。
【００７８】
また、印加する電圧の向きを、析出させ捕集する方向と逆方向に切り替えることによって、カソード電極２１ｂに析出させ捕集したＦＰを再度、燃料塩２中に熔解させることができる。これにより、原子炉の反応度を低下させることができる。
【００７９】
電気的な反応なので、電流値を制限することにより反応速度を抑えることができ、印加する電圧の向きを切り替えることによって、燃料塩２中のＦＰの濃度を微調整し、ひいては、反応度の微調整が可能である。
【００８０】
なお、本実施形態のようにＦＰを中性子吸収材に用いる代わりに、燃料塩２中にカソード電極２１ｂに析出しかつ正負の異なる電圧をかけた際に燃料塩２に融解する中性子吸収材をあらかじめ混合しておいてもよい。
【００８１】
この場合は、燃料塩２中にカソード電極２１ｂに析出しかつ正負の異なる電圧をかけた際に燃料塩２に融解する中性子吸収材をあらかじめ混合していることによって、核分裂生成物によらず反応度を調整することができる。
【００８２】
［第５の実施形態］
図９は、第５の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す立断面図である。また、図１０は、第５の実施形態に係る熔融塩炉の構成を示す図９の第X−X平面図である。
【００８３】
原子炉容器１内に、整流筒２３が設けられている。整流筒２３は、上下端が開放であり、原子炉容器１と同軸で、上端が燃料塩２の液面より下に配設されている。整流筒２３の下端の下方で、半径方向の外側と内側がつながっている。
【００８４】
原子炉の運転中において、原子炉容器１内の半径方向および軸方向の中性子束分布は、半径方向の中央および軸方向のほぼ中央においてピークを持つ分布となる。
【００８５】
したがって、本実施形態の構成においては、原子炉の運転中は、原子炉容器１内の中央部分の発熱量が最も大きいため、半径方向の中央部で燃料塩の上昇流が生ずる。整流筒２３が設けられていることによって、整流筒２３の半径方向内側では上昇流が、また、整流筒２３の半径方向外側では下降流が形成されるように構成することが可能である。
【００８６】
この結果、原子炉容器１内の温度分布の平坦化を図ることができ、構造健全性を維持する上においても有効である。
【００８７】
［その他の実施形態］
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、第１の実施形態では、原子炉容器１内に燃料塩２を閉じ込めている形態と、原子炉容器１内の体系に減速材を使用しない形態を一つの形態として示しているが、これらは、一つの形態であることに限定されない。原子炉容器１内に燃料塩２を閉じ込めている形態と、原子炉容器１内の体系に減速材を使用しない形態は、別々の形態であっても、それぞれの形態において、それぞれの効果が得られる。
【００８８】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第２の実施形態ないしは第５の実施形態はそれぞれ第１の実施形態の変形として示したが、これらの実施形態のそれぞれの特徴を組み合わせてもよい。
【００８９】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００９０】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９１】
１…原子炉容器、２…燃料塩、３…反射体、４…制御棒、５…追加燃料容器、６…燃料追加・希ガスＦＰ排出用配管、６ａ…仕切弁、７…遮へい部材、８…ドレンタンク、９…ドレン配管、９ａ…仕切弁、１０…ヒートパイプ（炉内発生熱移行部）、１０ａ…蒸発部（受熱部）、１０ｂ…凝縮部（放熱部）、１０ｃ…熱移動部、１１…保温ガード、１２…熔融金属層、１４…冷却フィン、１５…給気配管、１５ａ…給気配管内側隔離弁、１５ｂ…給気配管外側隔離弁、１６…排気配管、１６ａ…排気配管内側隔離弁、１６ｂ…排気配管外側隔離弁、１７…空気循環用仕切り板、１８…下降空間、１９…上昇空間、２１ａ…アノード電極、２１ｂ…カソード電極、２２…直流電源、２３…整流筒、２５…熱交換器、３０…原子炉格納容器、３１…原子炉容器室、３２…ドレンタンク室、３３…上部室、１００…熔融塩炉
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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