(57)【要約】      （修正有）【課題】超ウラン元素TRUを含む使用済み核燃料は長期保管しずらいので、TRUを急速に燃焼消滅させる装置を提供する。【解決手段】球体形状の未臨界量の超ウラン元素の高密度混合物からなる芯高密度TRU混合物６及び球殻形状の未臨界量の超ウラン元素の低密度混合物からなる外周低密度TRU混合物５の質量の和は臨界量未満として球殻容器10に内蔵する。芯高密度TRU混合物６と外周低密度TRU混合物５の間にはベリリウム球殻３を芯とするアルファ線遮蔽球殻を介在させる。アルファ線遮蔽球殻を超音波で破壊して、TRU混合物からのアルファ線をベリリウムに衝突させて中性子を発生させ、TRUを急速に核分裂燃焼させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
爆燃球は芯高密度TRU混合物（６）及び外周低密度TRU混合物（５）及び発火球殻からなり、
芯高密度TRU混合物（６）は球体形状の未臨界量の超ウラン元素の高密度混合物からなり、
外周低密度TRU混合物（５）は球殻形状の未臨界量の超ウラン元素の低密度混合物からなり、
芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）の質量の和は臨界量未満であり、
発火球殻は内アルファ線遮蔽球殻（４）及びベリリウム球殻（３）及び外アルファ線遮蔽球殻（２）からなり、
内アルファ線遮蔽球殻（４）は芯高密度TRU混合物（６）の外側を覆うカドミウムとポリエチレンの混合物またはカドミウムをポリエチレンで被覆してなる球殻であり、
ベリリウム球殻（３）は内アルファ線遮蔽球殻（４）の外側を覆うベリリウムからなる球殻であり、
外アルファ線遮蔽球殻（２）はベリリウム球殻（３）の外側を覆うカドミウムとポリエチレンの混合物またはカドミウムをポリエチレンで被覆してなる球殻であり、
前記爆燃球をステンレス製の球殻容器(10)に密封し、前記爆燃球と球殻容器(10)内面との間に漏洩ガス用空隙（１１）を設け、
前記発火球殻に音波伝導棒（７）を球対称に多数本固着せしめ当該音波伝導棒（７）の先端を球殻容器(10)内面に接触または貫通せしめ、
音波伝導棒（７）の延長線上の当該球殻容器(10)の外側に多数個の超音波発信端子(1２)を球対称に配置したことを特徴とする超ウラン元素急速消滅装置。
【請求項２】
請求項１において、
芯高密度TRU混合物（６）の外面を球殻形状の濃縮アメリシウム球殻(101)で覆ったことを特徴とする中性子増倍型超ウラン元素急速消滅装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用済み核燃料を再処理して抽出された超ウラン元素(TRU)の急速消滅に関する。
【従来の技術】
【０００２】
原子力発電所で使用済みとなった核燃料は、再処理してウラン(U)やプルトニウム(Pu)を抽出する。抽出されたUやPuは、再び新品の核燃料として原子炉に装荷されて燃焼される。
新品の核燃料は、約4年間燃焼される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
再処理費用は高く、かつ再処理で抽出したUやPuを再び新品の核燃料にするのも費用は高い。従来の微濃縮ウランの核燃料に比べて各段に高い。
そこで、使用済みとなった核燃料は再処理せずにそのまま保管している。しかし、保管している使用済みとなった核燃料が蓄積され、これ以上の保管は困難になってきている。
使用済みとなった核燃料を再処理して減容することが喫緊の課題になっている。
抽出される核燃料の大部分はUであるが、原子番号92のUよりも大きな原子番号を持つ元素である超ウラン元素(TRU)も含まれている。原子炉では色々なTRUが生成されTRU混合物となっている。TRU混合物に含まれる主なTRUは、ネプツニウム(Np)、Pu、アメリシウム(Am)、キュリウム(Cm)である。
殆どのTRUは高速中性子により核分裂し、Npを除いてアルファ線及びガンマ線を放出する放射性物質であり、放射能が強い性質を持つ。核分裂性物質や放射性物質の長期保管には困難が伴う。
そこで、使用済みとなった核燃料からTRUを抽出し、急速に燃焼消滅させたい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
火薬やガソリンや小麦粉塵が急速に燃焼することを爆発と呼んでいることにちなんで、TRUを急速に燃焼させることを爆燃と呼ぶことにする。TRUを以下のようにして爆燃させる。
爆燃球は芯高密度TRU混合物（６）及び外周低密度TRU混合物（５）及び発火球殻からなる。
芯高密度TRU混合物（６）は球体形状の未臨界量の超ウラン元素の高密度混合物からなる。
外周低密度TRU混合物（５）は球殻形状の未臨界量の超ウラン元素の低密度混合物からなる。
芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）の質量の和は臨界量未満である。
発火球殻は内アルファ線遮蔽球殻（４）及びベリリウム球殻（３）及び外アルファ線遮蔽球殻（２）からなる。
内アルファ線遮蔽球殻（４）は芯高密度TRU混合物（６）の外側を覆うカドミウムとポリエチレンの混合物またはカドミウムをポリエチレンで被覆してなる球殻である。
ベリリウム球殻（３）は内アルファ線遮蔽球殻（４）の外側を覆うベリリウムからなる球殻である。
外アルファ線遮蔽球殻（２）はベリリウム球殻（３）の外側を覆うカドミウムとポリエチレンの混合物またはカドミウムをポリエチレンで被覆してなる球殻である。
前記爆燃球をステンレス製の球殻容器(10)に密封し、前記爆燃球と球殻容器(10)内面との間に漏洩ガス用空隙（１１）を設ける。
前記発火球殻に音波伝導棒（７）を球対称に多数本固着せしめ当該音波伝導棒（７）の先端を球殻容器(10)内面に接触または貫通せしめる。
音波伝導棒（７）の延長線上の当該球殻容器(10)の外側に多数個の超音波発信端子(1２)を球対称に配置したことを特徴とする超ウラン元素急速消滅装置とする。
【０００５】
Puには、高速中性子によっても核分裂するが熱中性子によっては激しく核分裂する核分裂性Puと、核分裂はほぼ高速中性子によってであり中性子を吸収すると核分裂性Puになる親物質的Puと、核分裂はほぼ高速中性子によってであり中性子を吸収しても核分裂性Puにならないその他Puがある。
核分裂性Puにはプルトニウム238(Pu238)、プルトニウム239(Pu239)、プルトニウム241(Pu241)がある。
親物質的Puにはプルトニウム240(Pu240)がある。親物質的Puは、中性子を吸収するとPu241になる。Pu240は高速中性子に対してU238よりも活発に核分裂する。
その他Puにはプルトニウム242(Pu242)がある。核分裂はほぼ高速中性子による。Pu242は中性子を吸収してプルトニウム243(Pu243)になっても短寿命であってアメリシウム243(Am243)に電子崩壊してしまう。
なお、Pu240,Pu241,Pu242は自発中性子を多く放出するから、爆弾として用いる場合には早期爆発（fizzle）への配慮からPu239以外のPuが混入することは望ましくは無い。しかし、本発明は爆弾ではなく急速燃焼であるから問題にならない。むしろ、爆弾ではないという安全性向上になる。なお、自発中性子があることは、未臨界量でも燃焼し続けることを可能にする。
軽水冷却原子炉で生成されるPuには核分裂性Puの含有量は少ないが、中性子を吸収すると核分裂性Puが多くなる可能性がある。増殖する可能性がある。
Np237は、高速中性子に対してU238よりも活発に核分裂する。中性子を吸収すると核分裂性Np238になる。短時間でベータ崩壊しても核分裂性        
Pu238になる。Pu238は中性子を吸収するとPu239の核分裂性Puになる。
Am241は、高速中性子に対してU238よりも活発に核分裂する。Am241はアルファ線を放出する。中性子を吸収すると多くは核分裂性である準安定アメリシウム(Am242m)になる。
CmにはCm241からCm245まであるが、いずれも高速中性子に対してU238よりも活発に核分裂する。熱中性子に対しても核分裂する。核分裂せずに中性子を吸収しても核分裂性Cmである。
使用済み核燃料から再処理によって抽出したTRU混合物は、高速中性子に対してU238よりも活発に核分裂し、増殖の可能性もある。自発中性子を放出するから未臨界量であっても臨界量に近ければ燃焼は急激には衰えない。
核分裂連鎖反応を維持するために、核分裂の１回ごとに生成する中性子の数が、核分裂を維持するために消費された中性子の数と一致できるのが核燃料の臨界量。核燃料の臨界量が少ない未臨界量では核分裂の１回ごとに生成する中性子の数が不足して臨界を維持できない。しかし、自発中性子があればその自発中性子によって燃料は核分裂する。
使用済み核燃料から再処理によって抽出したTRU混合物は燃焼すると、核分裂性Puを代表とする核分裂性TRUが消滅するよりも親物質的Puを代表とする親物質的TRUが生成される可能性が高いから、燃焼と共に核分裂が更に活発になり爆燃させることが出来る。
殆どのTRUは自発中性子を放出する。これ等は外部中性子源でもある。
【０００６】
図１は、外部中性子源（S）がある時の、中性子数（N）の増倍率kをパラメータとした定性的時間変化である。ｋは原子炉からの中性子漏洩を考慮した中性子の増倍率（倍率ともいう。或る世代のはじめに存在した中性子一個が、その世代の終わりにｋ個の中性子となって存在する（電気学会昭和41年発行、原子力発電第1巻））である。ただし、kには時間依存性がなく一定とする。k < 1の未臨界であっても中性子数は増加する。kが1よりも大きくなれば中性子数は急激に増加する。
通常、中性子数が爆発的に増加すると核燃料の核分裂性物質が燃焼消耗し、k < 1になって中性子数は急激に減少する。しかし、増殖性能があるなら中性子数が爆発的に増加しても核燃料の核分裂性物質が増殖し、一瞬k> 1になってから徐々にk < 1になって中性子数は緩やかに減少する。
使用済燃料から抽出されたTRU混合物の場合は、核分裂が活発化すると親物質的Puから核分裂性Puへの生成が活発化して増殖することが期待できる。一瞬k.>1になり爆発的に中性子数は増加する。
燃焼が進んでk<1になって中性子数が緩やかに減少しても、自発中性子により核分裂は維持され燃焼が継続する。
【０００７】
図１は外部中性子源に対する中性子数の比であるから、外部中性子源として自発中性子の他に大きなものがあれば激しく燃焼開始できる。
PuやAmやCmはアルファ線も放出する。アルファ線はベリリウム(Be)に吸収されると中性子を放出する。
アルファ線は物質透過力が小さいから、Beを熱中性子吸収材であるカドミウム(ガドリニウムでもよい。融点が低いリチウムはTRUの崩壊熱で溶ける恐れがあるから不可。天然ウランは候補ではあるが新たにTRUを発生させるから望ましくはない)またはアルミニウム薄膜で覆っておけばBeからの中性子放出はない。
密閉容器の中のカドミウム薄膜をどのように破るかが問題である。Beを覆っている薄膜を焼き切らねばならない。
【０００８】
超音波は、硬い物質には伝わり易く、軟らかい物質に入ると熱が発生する。
Beを軟らかい物質で覆い、当該軟らかい物質と密閉容器とを硬い物質で接続しておき、密閉容器の外から超音波を硬い物質に伝達すれば、Beを覆っている軟らかい薄膜を焼き切ることができる。
この結果、PuやAmやCmからのアルファ線はBeに作用して中性子を放出させる。
なお、アルファ線の物質透過力は小さいから、Beを厚くしても意味がない。Beは薄くして、表面積を広くするほうがよい。
ポリエチレン中の水素（中性子吸収作用やや大きい）を重水素（中性子吸収作用小さい）で置換しておけば、爆燃は更に激しくなる。
ポリエチレン中の水素やBeは高速中性子の減速材でもあるから、芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）は高速中性子に対して互いに独立していると見なされるため、燃焼以前では十分未臨界である。
超音波により外アルファ線遮蔽殻（２）と内アルファ線遮蔽殻（４）の
ポリエチレンが燃焼し気化する。ポリエチレンは外周低密度TRU混合物（５）の隙間に侵入し、続いて球殻容器（１０）の内面の漏洩ガス用空隙(11)に漏洩する。内外アルファ線遮蔽殻に含まれるカドミウムも四散するから、TRUのアルファ線がBeに衝突し中性子を放出する。芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）とが合体したことになり高速中性子は両混合物間を行き来できるようになり、TRUの核分裂反応が活発化し燃焼開始となる。
【０００９】
以下は、請求項２に関する記述である。
請求項１において、
芯高密度TRU混合物（６）の外面を球殻形状の濃縮アメリシウム球殻(101)で覆ったことを特徴とする中性子増倍型超ウラン元素急速消滅装置。
【００１０】
火薬を爆発させるには雷管が重要である。雷管原料は本体の火薬よりももっと激しく反応する火薬である。雷管原料だけで爆発させることは可能であるが、敏感過ぎて普段の取り扱いに危険を伴うから、雷管原料だけの爆弾は希である。
濃縮アメリシウム球殻(101)は通常火薬爆発物の雷管の役割を果たす。
アメリシウムの主な同位元素はアメリシウム241(Am241)、アメリシウム242(Am242)、準安定アメリシウム242 (Am242m)、基底アメリシウム242 (Am242g)及びアメリシウム243(Am243)である。Am242mはPu239よりも激しく核分裂する。
使用済核燃料のAmにおいて、Am242mを濃縮するにはSzilard-Chalmers効果の応用が効果的であろう。医療用放射性物質の多くに当該方法で生成される場合がある。
【００１１】
超音波により、ベリリウムと濃縮Amの間に介在したカドミウム薄膜は破れたり気化したりするから、濃縮Am中のAm241からのアルファ線がベリリウムに衝突して中性子を放出する。当該中性子はAm242mを激しく核分裂させ、大量の中性子を瞬時に放出する。大量の中性子はTRU混合物質の核分裂性Puを核分裂させたり親物質的Puを核分裂性Puに変換させたりする。他のTRUについても同様である。
なお、濃縮Amの代わりに高濃縮ウランやPu239割合が高いPu（天然ウランを黒鉛減速ガス冷却炉または重水減速炉またはもんじゅ・常陽ブランケット部で短期間燃焼させた使用済燃料から再処理し抽出したPu）でもある程度の効果は得られる。
【発明の効果】
【００１２】
長期間管理保管し難いTRUをすばやく燃焼減容することができる。冷却装置や安定的に運転を継続するための制御装置が無いため、TRUを低コストで短時間に燃焼消滅させることができる。
超音波によって点火するため、TRUを内蔵する頑丈な密封容器の外側からの点火が可能であるため、装置が簡単になりTRU を低コストで燃焼消滅させることができる。
万一誤爆発しても、TRUの混合物は自発中性子を放出するから早期爆発（fizzle）により、災害の規模が小さくて済む。
TRUの混合物は未臨界量でも自発中性子により燃焼し続け、可成の量が消滅するから、爆発後の残留放射能の心配が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
使用済燃料から再処理抽出したTRUの混合物を、PuやAmやCmやNpと分離すること無しに、混合物のまま急速に燃焼消滅させることができた。
【実施例１】
【００１４】
図２は、超ウラン元素急速消滅装置の概観図である。
芯高密度TRU混合物（６）は球体形状の未臨界量の超ウラン元素の高密度混合物からなる。金属塊または金属粒子径の異なる数種の粒子を加振して高密度にしている。
外周低密度TRU混合物（５）は球殻形状の未臨界量の超ウラン元素の低密度混合物からなる。１種類の粒子径の粒子を球殻形状に成型することにより低密度にしている。隙間を多くしている。芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）の質量の和は臨界量未満（未臨界量ではあるが臨界量に極めて近い量）の超ウラン元素の混合物である。
芯高密度TRU混合物（６）の外側を球殻形状の内アルファ線遮蔽球殻（４）で覆う。当該内アルファ線遮蔽球殻（４）は、カドミウムとポリエチレンの混合物またはカドミウムをポリエチレンで被覆してなる。
当該内アルファ線遮蔽球殻（４）の外側を球殻形状のベリリウム球殻（３）で覆う。当該ベリリウム球殻（３）はベリリウムの金属である。
当該ベリリウム球殻（３）の外側を球殻形状の外アルファ線遮蔽球殻（２）で覆う。当該外アルファ線遮蔽球殻（２）は、カドミウムとポリエチレンの混合物またはカドミウムをポリエチレンで被覆してなる。
内アルファ線遮蔽球殻（４）及びベリリウム球殻（３）及び外アルファ線遮蔽球殻（２）からなる球殻を発火球殻と呼ぶことにする。
当該外アルファ線遮蔽球殻（２）の外側を外周低密度TRU混合物（５）で覆う。
芯高密度TRU混合物（６）及び外周低密度TRU混合物（５）及び発火球殻からなる球体を爆燃球と呼ぶことにする。
前記爆燃球をステンレス製の球殻容器(10)に内蔵する。前記爆燃球と球殻容器(10)内面との間には漏洩ガス用空隙（１１）を設ける。
前記爆燃球の発火球殻に金製や鉄製（天然ウランは候補ではあるが新たにTRUを発生させるから望ましくはない）の棒である音波伝導棒（７）を球対称に多数本固着せしめ、前記音波伝導棒（７）の先端を球殻容器(10)の内面に接触または球殻容器(10)を貫通せしめる。
当該球殻容器(10)の外側に超音波発信端子(1２)を敷設した。
球殻容器(10)を上下半分にして、内蔵すべきものを収める。その後、溶接または図２のようにパッキン（２０）及びフランジ（２１）を付けて結合ネジ（２２）で密封する。
【００１５】
発火球殻の内外アルファ線遮蔽球殻は、水素と炭素（低密度物質。中性子減速材）からなるポリエチレンにカドミウムを混合したものまたはカドミウムをポリエチレンで被覆したものであるから、芯高密度TRU混合物（６）及び外周低密度TRU混合物（５）のTRUから発生する自発中性子は、減速材であるポリエチレンによって減速されて熱中性子になる。更に、ベリリウム球殻（３）のベリリウムも減速材であるから高速中性子を熱中性子にする。熱中性子は内外アルファ線遮蔽球殻のカドミウムに吸収される。その結果、高速中性子は芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）との間を自由に行き来でき難くなる。未臨界が維持される。
発火球殻の内外アルファ線遮蔽球殻のカドミウムは、TRUから放出されるアルファ線を遮蔽するから、内側のベリリウム球殻（３）には到達できない。したがって、ベリリウムからは中性子が発生しない。
【００１６】
超音波発信端子(11)に超音波を加えると一変する。超音波は高密度の球殻容器(10)を貫通して高密度の音波伝導棒（７）に伝わり、発火球殻の内アルファ線遮蔽球殻（４）及び外アルファ線遮蔽球殻（２）に至る。    
内外アルファ線遮蔽球殻は低密度の水素と炭素からなるポリエチレンを含むから、超音波によって発熱する。ポリエチレンは気化する。水素や炭素や添加物であるカドミウムは四散する。カドミウムは外周低密度TRU混合物（５）の隙間に入り込み、低密度の水素や炭素は外周低密度TRU混合物（５）の隙間に入り込み続いて漏洩ガス用空隙(1１)に漏洩する。その結果、芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）との間に介在物がなくなり両混合物が一体化するとTRU混合物の量は臨界量に近づくとみなされる。増殖性能があるから、一瞬k.>1になることもあろうから爆発的に燃焼する。
ベリリウム球殻（３）のベリリウムも四散し外周低密度TRU混合物（５）の隙間に入り込む。その結果、アルファ線がベリリウムに衝突して中性子を急速に発生させる。TRUの核分裂が活発化する。
【００１７】
芯高密度TRU混合物（６）と外周低密度TRU混合物（５）のそれぞれの質量の和が臨界未満量であっても、一体化すると別々にあるよりも臨界量に近づくからTRUの核分裂が活発化し、親物質的Puから核分裂性Puへの生成が活発化してk>1になり得る。
燃焼が更に進んでk<1になったとしても、自発中性子により核分裂は維持され燃焼が継続する。
なお、内外アルファ線遮蔽球殻を燃焼四散させるために超音波を使ったが、電気を使ってもよい（音波伝導棒（７）はアルミニウム、金、銀、銅の線）。
【実施例２】
【００１８】
実施例１ではTRUからのアルファ線をベリリウムに衝突させて中性子を大量に発生させて核分裂を開始したが、中性子を更に大量に発生させると核分裂は急速に進展する。
図３は、芯高密度TRU混合物（６）の表面を濃縮アメリシウム殻（１０１）で覆った中性子増倍型超ウラン元素急速消滅装置の概観図である。
使用済燃料を再処理するとアメリシウム(Am)が得られる。Am241は高速中性子に対してはウラン238程度の割合で核分裂するが熱中性子に対しては殆ど核分裂しない。アルファ線は放出するからベリリウムがあれば中性子を発生させる。
Am242mは半減期152年で比較的寿命が長い。高速中性子に対してはウラン238よりも大きい割合で核分裂するが熱中性子に対しては6000バーンと非常に大きい割合で核分裂する。ちなみに、Pu239は熱中性子に対しては741バーンと大きい割合で核分裂する。ウラン235は熱中性子に対しては577バーンと比較的大きい割合で核分裂する。
手段の箇所で記載してあるように、Am242mの濃縮は可能である。Am242mの核分裂により大量の高速中性子が発生する。当該高速中性子は芯高密度TRU混合物（６）及び外周低密度TRU混合物（５）のTRUも核分裂させる。
なお、濃縮アメリシウム程ではないがPu239及びU235でも同様である。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
大量に広範囲に発生し、穀物を食べ尽すバッタの大群を、低コストで退治することができる。
中性子殺菌に利用できる。
大規模土木工事を低コストで実施することができる。
装置の形状は球形でなくてもよく、円盤状または凹状または凸状にすれば広範囲の地表に効果を及ぼすことができる。
大型球形では、地表に大きく深い窪みをつくることにエネルギーが費やされてしまう。
TRUがかなり燃焼減損して未臨界量になっても自発中性子による発熱があるから、その熱を熱電半導体で電気に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】中性子源が有る場合の時間に関する中性子挙動。
【図２】超ウラン元素急速消滅装置の概観図である。
【図３】中性子増倍型超ウラン元素急速消滅装置の概観図である。
【符号の説明】
【００２１】
２は外アルファ線遮蔽球殻（カドミウムとポリエチレンの混合物またはカドミウムをポリエチレンで被覆。カドミウムはガドリニウムまたはアルミニウムでも可）。
３はベリリウム球殻。
４は内アルファ線遮蔽球殻。
５は外周低密度TRU混合物。
６は芯高密度TRU混合物。
７は音波伝導棒。
１０は球殻容器。
１１は漏洩ガス用空隙。
１２は超音波発信端子。
２０はパッキン。
２１はフランジ。
２２は結合ネジ。
１０１は濃縮アメリシウム球殻。
【図１】
2014085253.tif 000003
【図２】
2014085253.tif 000004
【図３】
2014085253.tif 000005