(57)【要約】【課題】放射性廃棄物の発生量を低減させるとともに、コンパクトで構造の簡単な低コストの小型原子炉を提供する。【解決手段】圧力容器１内に配置され複数の燃料集合体２ａ、２ｂから構成される炉心２と、前記炉心２を冷却する冷却材３と、前記複数の燃料集合体のうち少なくとも一つの燃料集合体２ａを上下動移動可動に駆動する駆動機構４とを有する小型原子炉であって、前記少なくとも一つの燃料集合体２ａによって前記炉心の反応度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力容器内に配置され複数の燃料集合体から構成される炉心と、前記炉心を冷却する冷却材と、前記複数の燃料集合体のうち少なくとも一つの燃料集合体を上下動移動可動に駆動する駆動機構とを有する小型原子炉であって、
前記少なくとも一つの燃料集合体によって前記炉心の反応度を制御することを特徴とする小型原子炉。
【請求項２】
前記駆動機構を圧力容器の下部に設けたことを特徴とする請求項１記載の小型原子炉。
【請求項３】
前記駆動機構を圧力容器の上部に設けたことを特徴とする請求項１記載の小型原子炉。
【請求項４】
前記駆動機構の駆動軸をローラ及びワイヤを介してバランスウエイトに接続したことを特徴とする請求項３記載の小型原子炉。
【請求項５】
前記駆動機構をローラ及びワイヤを介して前記圧力容器から離間して配置したことを特徴とする請求項１記載の小型原子炉。
【請求項６】
小型原子炉の緊急停止時に反応度を制御する前記燃料集合体を収容する容器を前記炉心の下部に設けたことを特徴とする請求項３乃至５いずれか１項に記載の小型原子炉。
【請求項７】
前記容器の外周及び底面に複数の小孔を設けたことを特徴とする請求項６の小型原子炉。
【請求項８】
前記容器の内部に弾性部材を設けたことを特徴とする請求項６又は７記載の小型原子炉。
【請求項９】
前記冷却材は水又は液体金属であることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項に記載の小型原子炉。
【請求項１０】
前記炉心の周囲に反射体を配置したことを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項に記載の小型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は小型原子炉に関し、特に、燃料集合体によって原子炉の反応度を制御する小型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、海外では３０万ｋＷ以下の小型原子炉の商用利用の可能性への関心が高まっている。小型原子炉は、単独及び数台を組み合わせて必要な出力規模にあわせて使用することができる柔軟性及び安全性を特徴としている。一般に、発電プラントは規模効果により大型プラントの方が経済効率が高いため、出力の小さい小型原子炉は大型軽水炉に比べてｋＷあたりの建設費は高くなる傾向がある。
【０００３】
このような小型原子炉のスケールデメリットを補うために、小型原子炉の標準化・モジュール化及び構造の簡素化を図ったり、必要となる原子炉機器一式を工場で製造し、鉄道またはトラックで発電所敷地まで運搬・据え付ける方式を採用することで、建設工期の短縮と工場生産による製造費用の低減を図る試みがなされている。また、需要規模の小さい地域での適用や、資本規模の小さい電力会社でも投資可能な価格となることも利点である。
【０００４】
従来の小型原子炉の例を図６により説明する。図６は沸騰水型の小型原子炉炉心の模式図で、炉心２０を４つの領域２１ａ〜２１ｄに分割し、それぞれの領域に複数の燃料集合体２２を配置し、炉心２０の中央に配置された十字型の水排除部材２３を上下動することで炉心２０の反応度を制御している（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１４５８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の原子炉において、原子炉の反応度制御は、加圧水型原子炉では制御棒によって行われ、沸騰水型原子炉では制御棒と炉心流量を変化させることによって行われているが、いずれの場合も多数の制御棒及び制御棒駆動装置を必要とし、原子炉が必然的に大型化するという課題があった。
【０００７】
また、制御棒はボロンやハフニウムにより構成され、中性子を吸収することにより炉心の反応度を制御するが、使用済の燃料集合体に加え、制御棒も中性子の吸収によりその反応度価値が低下し、最終的に放射性廃棄物となり、放射性廃棄物の量が増大するという課題があった。
【０００８】
また、特許文献１に示す小型の沸騰水型原子炉では、制御棒を用いずに炉心内に配置した水排除部材を挿入・引き抜くことで反応度の制御を行っているが、大容量の水排除部材及びその駆動機構等を必要とするため、炉心が大型化し、炉心構造が複雑化するという課題があった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、制御棒を用いずに原子炉の反応度制御を燃料集合体によって行うことにより、放射性廃棄物の発生量を低減させるとともに、コンパクトで構造の簡単な低コストの小型原子炉を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る小型原子炉は、圧力容器内に配置され複数の燃料集合体から構成される炉心と、前記炉心を冷却する冷却材と、前記複数の燃料集合体のうち少なくとも一つの燃料集合体を上下動移動可動に駆動する駆動機構とを有する小型原子炉であって、前記少なくとも一つの燃料集合体によって前記炉心の反応度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、放射性廃棄物の発生量を低減させるとともに、コンパクトで構造の簡単な低コストの小型原子炉を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係る小型原子炉の構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図。
【図２】第１の実施形態において、燃焼集合体を引き抜いた後の小型原子炉の構成図。
【図３】（ａ）は第２の実施形態に係る小型原子炉の構成図、（ｂ）は燃焼集合体を引き抜いた後の小型原子炉の構成図。
【図４】第２の実施形態の変形例に係る小型原子炉の構成図。
【図５】（ａ）は第３の実施形態に係る小型原子炉の構成図、（ｂ）は燃焼集合体を引き抜いた後の小型原子炉の構成図。
【図６】従来の小型原子炉炉心の模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る小型原子炉の実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る小型原子炉を、図１（ａ）、（ｂ）、図２を用いて説明する。
【００１４】
（構成）
本実施形態において、原子炉は、圧力容器１、圧力容器１の内部に配置された複数の燃料集合体２ａ、２ｂからなる炉心２、炉心２を支持する炉心支持板７、圧力容器１内に満たされ自然循環により炉心２を冷却する冷却材３、炉心２に流出入する冷却材３の流れをセパレートするシュラウド１０、燃料集合体２ａの駆動機構４、高温の冷却材３を冷却し熱を炉外へ取り出すために熱交換器５、圧力容器１の上部に加圧室２５を構成するための仕切り板８、加圧室２５の圧力をコントロールする熱交換器６、等から構成される。
【００１５】
燃料集合体２は、図１（ａ）、（ｂ）に示す例では、中央の１本の燃料集合体２ａと、その周囲に配置された６本の燃料集合体２ｂの計７本の六角形断面を持つ燃料集合体からなり、中央の燃料集合体２ａは駆動軸９を介して駆動機構４により上下動可能に駆動される。
【００１６】
なお、本実施形態では、中央の燃料集合体２ａのみを駆動機構４によって移動可動としているが、燃料集合体の数は適宜増減可能であり、その数、配置によって複数の燃料集合体を移動可能としてもよい。また、燃料集合体は、６角形状に限らず、正方形又は円形等の任意の形状を採用することができる。
【００１７】
さらに、炉心２に対応するシュラウド１０の周囲に、必要に応じて反射体１９を設置するようにしてもよい。図１（ａ）の例では、反射体１９をシュラウド１０の外周に配置しているが、シュラウド１０の内周に配置してもよい。
【００１８】
（作用）
このように構成された小型原子炉において、炉心の反応度制御は、燃料集合体２ａの位置を調整することにより行われる。例えば、燃焼初期には、燃料集合体２ａは下方に位置し、燃焼が進むにつれて駆動機構４により上方に移動させる。
【００１９】
また、電源喪失等の事故が発生した場合には、駆動機構４の駆動軸９の保持力を開放することで、図２に示すように、燃料集合体２ａを炉心２の下部へ落下させ、原子炉を迅速に停止させることができる。また、事故時には、例えばホウ酸水注入などの多様な炉停止手段を用いることができる。
【００２０】
なお、本実施形態では駆動機構４を燃料集合体２ａの下部に設けているが、燃料集合体２ａの上部に設け、燃料集合体２ａを上方へ引き抜くようにしてもよい。
また、本実施形態では基本的に燃料集合体により反応度制御を行っているが、これに限定されず、可燃性毒物、制御棒又はホウ酸水を併用して、反応度を制御するようにしてもよい。
【００２１】
また、本実施形態では、冷却材として水を用いているが、これに限定されず、液体金属を冷却材として用いることもできる。
さらに、本実施形態では、圧力容器１内に熱交換器５を配置した構成としているが、これを省略して圧力容器１から直接蒸気を外部に取り出し、動力源としてもよい。
【００２２】
（効果）
本実施形態によれば、基本的に制御棒を使用せずに炉心の反応度制御を燃焼集合体により行うことで、炉心をよりコンパクト化及び単純化することができるとともに、放射性廃棄物の発生量を少なくすることができる。
【００２３】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る小型原子炉を、図３及び図４を用いて説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００２４】
本実施形態では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、駆動機構４を圧力容器１の上部に設置し、炉心支持版７の下部に燃料集合体２ａを収容する容器１１を配置した構成としている。
【００２５】
容器１１の外周及び底面には冷却材３が流出入可能なように複数の小孔１２が設けられている。また、容器１１の底面には燃料集合体の落下衝撃を緩衝するために弾性部材１３が配置されている。
【００２６】
このように、構成された小型原子炉において、電源喪失事故等の緊急時において、燃料集合体２ａは駆動機構４から切り離され落下し、容器１１内に収容されるとともに原子炉は停止する。
【００２７】
その際、燃料集合体２ａは落下の際に容器１１の内部の冷却材を小孔１２から排出することで緩衝作用が得られ、さらに、弾性部材１３による緩衝機能により燃料集合体２ａは破損することなく、容器１１の底部にスムースに着床することができる。
また、小孔１２は、発熱する燃料集合体２ａを冷却する機能も果たす。
【００２８】
本実施形態によれば、駆動機構４を上部に配置することで、圧力容器１の建屋に対する位置を下方に下げることができるので、耐震上有利であるとともに、上部の広い空間を使えることから、駆動機構４のメンテナンスも容易に行うことができる。
【００２９】
また、落下する燃料集合体２ａを損傷することなく容器１１内に収容することができるとともに、その後も燃料集合体２ａを安定的に冷却することができるので、小型原子炉の安全性、信頼性を高めることができる。
さらに、駆動機構４を上部に配置することで駆動機構４を燃料交換装置としても使用することができる。
【００３０】
（変形例）
上記実施形態では、駆動機構４を圧力容器１の上部に設置しているが、図４に示すように、駆動機構４をワイヤ１５、ローラ１６を介して、例えば、生体遮蔽壁１４の外周に配置するようにしてもよい。緊急時にはワイヤ１５の保持力を開放することにより、燃料集合体２ａを自重で容器１１内に落下させ、原子炉を緊急停止する。
【００３１】
本変形例によれば、駆動機構４を圧力容器１から離間して配置したことにより、駆動機構４のメンテナンスを容易に行うことができる。
なお、燃料集合体２ａの落下を加速するため機構を圧力容器１の上部に設けてもよい。
【００３２】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る小型原子炉を、図５（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
なお、上記実施形態と同一又は類似の構成には同一の符号を付し、重複説明は省略する。
【００３３】
本実施形態は、駆動機構４を圧力容器１の上部に設置するとともに、駆動軸９にワイヤ１５、ローラ１６を介してバランスウェイト１７を連結した構成としている。
一般に、燃料集合体はウランなどの重い核分裂物質が金属の鞘に充填された形状であり、総重量は重くなっている。そのような大重量の燃料集合体を駆動機構４が駆動制御する場合、駆動パワー、駆動伝達機構も必然的に大型化する。
【００３４】
本実施形態では、図５（ａ）に示すように、燃料集合体２ａの重量を担うバランスウエイト１７を用いることで、駆動機構４を小型化及び簡素化することができる。このバランスウエイトの重量は燃料集合体２ａの重量とほぼ同等である。
【００３５】
また、緊急時には、図５（ｂ）に示すように、バランスウェイト１７をワイヤ１５から切り離すことにより燃料集合体２ａを炉心下部の容器１１へ落下させ、原子炉を緊急停止する。
【００３６】
以上、本発明の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。これら新規な実施形態は、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、組み合わせ、置き換え、変更を行うことができる。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ともに、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。
【符号の説明】
【００３７】
１…圧力容器、２…炉心、２ａ、２ｂ…燃料集合体、３…冷却材、４…駆動機構、５、６…熱交換器、７…炉心支持版、８…加圧器仕切り板、９…駆動軸、１０…シュラウド、１１…容器、１２…小孔、１３…弾性部材、１４…生体遮蔽壁、１５…ワイヤ、１６…ローラ、１７…バランスウエイト、１８…保持部材、１９…反射体、２０…炉心。
【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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