(57)【要約】【課題】反射材のみで炉心の反応度制御及び緊急停止を行うことができる、コンパクトな原子炉を提供する。【解決手段】圧力容器５内に配置され複数の燃料集合体又は燃料棒から構成される炉心１と、前記炉心を冷却する冷却材と、前記炉心に配置された反射体領域２と、前記反射体領域２内に充填された液体状の反射材８と、からなる原子炉であって、前記反射体領域２内の反射材８の液位を調整することによって前記炉心１の反応度を制御する。【選択図】図１
2014089067.tif 000002
【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又は燃料棒から構成される炉心と、前記炉心を冷却する冷却材と、前記炉心に配置された反射体領域と、前記反射体領域内に充填された液体状の反射材と、からなる原子炉であって、
前記反射体領域内の反射材の液位を調整すること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原子炉。
【請求項２】
前記反射体領域を前記炉心の外周部及び／又は中央部に配置したことを特徴とする請求項１記載の原子炉。
【請求項３】
前記反射材は、軽水、重水又は液体金属であることを特徴とする請求項１又は２記載の原子炉。
【請求項４】
前記液体金属は、ガリウム又はガリウム・インジウム・スズの共晶合金であることを特徴とする請求項３記載の原子炉。
【請求項５】
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４いずれか１項に記載の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子炉に関し、特に、反射材によって原子炉の反応度を制御する小型の原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型原子炉（ＳＭＲ）の開発が世界各国で行われている。現在開発されている小型原子炉の反応度制御機構は大型炉で確立されている制御棒やポイズン濃度制御等からなる制御機構を踏襲・採用している。また、小型原子炉は原子炉からの中性子漏洩量が大きいという特徴を有することから、この中性子漏洩量を制御することにより原子炉の反応度を制御することが可能である。
【０００３】
例えば、冷却材として液体金属を用いる小型の高速炉では、炉心の外周に配置された中性子反射体を上下方向に移動させることで炉心の反応度を制御する手段が知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、制御棒により炉心の反応度を制御する小型の高速炉では、図８に示すように、圧力容器５内の炉心１の外周に液体の反射材が充填された密封筒体１０を配置し、冷却材喪失事故のような事故発生時に、冷却材の温度上昇により密封筒体１０内の反射材上部のガスが膨張し、反射材を密封筒体１０の下部から排出することで、高速炉を安全に停止させる炉心保護手段を備えた小型原子炉も知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−７４９６０号公報
【特許文献２】特開平９−７２９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１記載されている小型原子炉では、反射体を上下に駆動させるための駆動機構及び移動空間が必要となり、必然的に圧力容器が大型化するという課題がある。また、反射体として固体を用いているため、放射線による照射損傷により反射材が劣化し、適宜交換する必要がある。
【０００７】
また、特許文献２に記載された小型原子炉では、基本的に反応度制御を制御棒により行うため、制御棒を挿入する空間及制御棒の駆動機構か必要となり、圧力容器が大型化するという課題がある。また、一旦、熱膨張により内部の反射材が排出されると再度ガス及び反射材を封入した密封筒体を用意する必要があった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、炉心の反応度制御として制御棒やポイズンを用いることなく、基本的に反射材のみで炉心の反応度制御及び緊急停止を行うことができる、コンパクトな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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明に係る原子炉は、圧力容器内に配置され複数の燃料集合体又は燃料棒から構成される炉心と、前記炉心を冷却する冷却材と、前記炉心に配置された反射体領域と、前記反射体領域内に充填された液体状の反射材と、からなる原子炉であって、前記反射体領域内の反射材の液位を調整すること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】
【００１０】
本発明によれば、反射材のみで炉心の反応度制御や緊急停止を行うことができるため、原子炉をより小型化することができる。また、制御棒やポイズンを使用しないため、放射性廃棄物の発生量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は第１の実施形態に係る原子炉の縦断面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図。
【図２】（ａ）は第２の実施形態に係る原子炉の縦断面図、（ｂ）はそのＢ−Ｂ線断面図。
【図３】（ａ）は第３の実施形態に係る原子炉の縦断面図、（ｂ）はそのＣ−Ｃ線断面図。
【図４】（ａ）、（ｂ）は第４の実施形態に係るカートリッジ型炉心の模式図。
【図５】（ａ）、（ｂ）は第４の実施形態に係るカートリッジ型炉心の交換作業を示す模式図。
【図６】（ａ）、（ｂ）は第５の実施形態に係るカートリッジ型炉心の交換作業を示す模式図。
【図７】第６の実施形態に係るカートリッジ型炉心の模式図。
【図８】従来の小型原子炉の断面構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る小型の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の実施形態に係る原子炉を、図１（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。
【００１３】
（構成）
図１（ａ）は本実施形態に係る原子炉の縦断面図で、図１（ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。本実施形態の小型原子炉は、複数の燃料集合体又は燃料棒から構成される炉心１、炉心１の周囲に配置された反射体領域２、反射体領域２内に充填された反射材８、反射材８の液位を制御するための給排液管３と給排気管４、圧力容器５、炉心１を冷却する冷却材９、冷却材９を炉心に供給する冷却材入口配管６、炉心で発生した熱を取出すための冷却材出口配管７、から構成される。
【００１４】
本実施形態では、冷却材９として軽水が用いられるが、これに限定されず液体金属も用いることができる。  
また、反射体領域２に充填される反射材８は、液位の制御を簡便に行うことができるように、常温付近から運転温度まで液体の材料であることが望ましく、本実施形態では軽水が用いられるが、これに限定されず、重水又はガリウム等の液体金属も用いることができる。
【００１５】
重水は原子炉の反射材として古くから使われているものであり、軽水に比べ中性子吸収断面積が小さく反射材の材料として有利な特性を有している。  
ガリウムは融点が３０℃、沸点が２４００℃であり、従来から液体金属冷却材として用いられているナトリウム（融点９８℃、沸点２９１℃）よりも広い温度範囲で液体であり、液体状態を保つための加温装置や沸騰抑制のための加圧装置が不要となるため、反射体領域２に用いられる反射材８として好適である。また、ガリウムの散乱断面積は、反射材として広く用いられるベリリウムと同様に大きい（数バーン）点からも好適である。
【００１６】
なお、反射材としてガリウム・インジウム・スズの共晶合金を用いることができる。これにより融点を０℃以下までさらに下げることができる。
【００１７】
（作用）
このように構成された小型の原子炉において、給排液管３を介し、反射体領域２に軽水からなる反射材８を供給する。軽水は中性子減速材として機能すると同時に炉心側から入射した中性子を炉心側に戻す機能を有する。これにより反射体領域２に冷却材８を充填し、反射材８の液位を適宜調整することで炉心１からの中性子漏れを調整し、これにより炉心１の反応度を制御することができる。
【００１８】
液位は反射材８の給排液量と給排気管４による反射体領域２上部の圧力調整により任意に制御することが可能である。また、緊急時の場合は、反射体領域２内の反射材８を迅速に排出することにより負の反応度を投入することで、炉心１の反応度を最小にすることができる。
【００１９】
（効果）
本実施形態によれば、基本的に制御棒や液体ポイズンを使用せずに炉心の反応度制御を反射材の液位制御により行うことで、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。
【００２０】
［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る小型の原子炉を、図２（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２１】
本実施形態では、反射体領域２を炉心１の中央部に設置した構成としている。  
反射体領域２内の液体状の反射材８の液位制御は第１の実施形態と同様に行われる。
本実施形態によれば、反射体領域２を炉心１の中央部に設けたことにより、相対的に反射体領域２の容量を小さくすることができるため、炉心をさらに小型化することができる。
【００２２】
［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る小型の原子炉を、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２３】
本実施形態では、反射体領域２を炉心１の中央部と外周部の両方に設置した構成としている。  
本実施形態に係る小型原子炉の反射体領域は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、炉心１の中央部に設置された反射体領域２ａ、炉心１の外周部に設置された反射体領域２ｂとから構成される。
【００２４】
本実施形態によれば、炉心中央部の反射体領域２ａ内の反射材８の液位と、外周部の反射体領域２ｂ内の反射材８の液位とをそれぞれ個別に制御することで、反射体領域２ａ、２ｂからの中性子漏洩量を個別に調整することが可能となり、炉心の径方向出力分布をより適切に調整することができる。  
また、炉心１からの中性子漏洩量を大きくすることができるので、調整できる反応度範囲を大きくすることができる。
【００２５】
以上説明したように、上記第１乃至第３の実施形態の小型の原子炉は、液体の反射材の液位制御によって反応度制御を行うことから、反射体領域の設計自由度が高く、種々の形態の小型原子炉の設計が可能となる。  
また、上記実施形態では、断面が円形状の炉心について説明したが、これに限定されず、例えば多角形状の炉心に適用できることはもちろんである。
【００２６】
［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る小型の原子炉を、図４及び図５を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２７】
上記第１乃至第３の実施形態に係る原子炉の炉心１は制御棒を用いずに複数の燃料集合体又は燃料のみから構成されるため、炉心を一括して製造、取扱い可能なカートリッジ型の炉心を構成することができる。
【００２８】
本第４の実施形態及び後述する第５乃至第６の実施形態はカートリッジ型炉心に関する。  
このカートリッジ型炉心２０は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料集合体２１又は燃料棒２２を単位として、ＳＵＳ等からなる炉心容器２３内に複数の燃料集合体２１又は燃料棒２２を配置し、一体化構造としたものである。
【００２９】
カートリッジ型炉心２０の反応度制御は、カートリッジ型炉心２０の周囲に配置した反射体２４により行われる。その際、上記第１乃至第３の実施形態に記載の液体の反射材８により反応度制御を行ってもよく、また、図５（ａ）に示すように固体の反射体２４を上下動させることで反応度制御を行ってもよい。
【００３０】
本実施形態の小型の原子炉では、従来の加圧水型原子炉のように炉心の上部に制御棒や制御棒駆動機構を設ける必要がないため、カートリッジ型炉心２０を装荷・交換する際は、図５（ｂ）に示すように、圧力容器５の上蓋２６を開放することで簡便にカートリッジ型炉心２０を装荷・交換することができる。なお、本例では圧力容器５内の上部外周に熱交換器２５が配置されている。
【００３１】
本実施形態によれば、炉心としてカートリッジ型炉心２０を用い、反応度制御手段として反射体を用いることで、炉心を一括して製造、取扱うことが可能となるため、小型原子炉の構成を簡素化することができるとともに、燃料集合体２１又は燃料棒２２の装荷・交換に際しては、カートリッジ型炉心２０ごと、一度にすべての燃料を交換できるため、プラントサイトでの燃料単位の管理や交換を不要とし、燃料交換の作業期間の短縮および作業量の削減が可能となる。
【００３２】
［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る小型の原子炉を、図６（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態では、カートリッジ型炉心２０を制御棒２８により反応度制御を行うもので、カートリッジ型炉心２０の上部には制御棒駆動機構２７が設けられている。
【００３３】
カートリッジ型炉心２０を装荷・交換する際は、制御棒２８をカートリッジ型炉心２０に全挿入した状態で、熱交換器２５及び制御棒駆動機構２７を上蓋２６ごと取り外し、カートリッジ型炉心２０の装荷・交換を行う。  
これにより、燃料交換の作業期間の短縮および作業量の削減が可能となる。
【００３４】
［第６の実施形態］
第６の実施形態に係る小型の原子炉を、図７を用いて説明する。なお、上記実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。  
本実施形態は、カートリッジ型炉心２０の炉心構成に関する。
【００３５】
（サイズ）
カートリッジ型炉心２０の輸送中の再臨界を防ぎつつ原子炉内で反射体により適切な反応度を得るためには、カートリッジ型炉心２０のサイズを適切に選ぶことが必要となる。
【００３６】
円柱型のカートリッジ型炉心２０では、炉心からの中性子の漏れを最小とするために半径と高さの比を０．５８６とし、燃料として濃縮度３．８％の燃料を用いる。  
また、カートリッジ型炉心２０で冷却水を沸騰状態とさせた場合は、炉心サイズとして体積を０．５ｍ3以上とする必要がある。これ以下では、十分な反応度が得られず、また、０．５ｍ3以上とすると、輸送中に事故等によりカートリッジ型炉心２０が水没した場合に臨界にいたる可能性も生じる。その場合、可燃性中性子吸収体を燃料に混入させることで余剰な反応度を抑え、臨界を防止することができる。
【００３７】
また、半径と高さの比を変更することで、より大きな炉心とすることも可能である。表１に炉心高さ・炉心体積の組み合わせ例を示す。表に示した以外の値についてもこれらを補間することにより得ることができる。
【００３８】
【表１】
2014089067.tif 000003
【００３９】
（燃料シャフリング等）
カートリッジ型炉心２０では、プラントサイト以外の場所で燃料のシャッフリングを行う。燃料は炉心内おいて一様に燃焼していくわけではなく、位置により異なる。そのため、現行の軽水炉では燃料交換時に燃料集合体の位置の変更が行われる。これにより、燃料の燃焼度を大きくとることができ、使用する燃料を削減することができる。
【００４０】
カートリッジ型炉心２０では、燃料全体を一度に交換するため、燃料交換時にシャッフリングは行わない。しかし、プラントサイト以外のたとえばカートリッジ型炉心２０の供給元などで、交換により持ち帰ったものの一部の燃料を交換し、シャッフリングして新しいカートリッジ型炉心を構成し次回交換用とすることができる。
【００４１】
これにより、プラントサイトにおける作業期間・作業量を削減しながら、消費する燃料を削減することができる。  
また、発電プラントの規格・仕様を統一し、カートリッジ型炉心２０も統一することで、カートリッジ型炉心２０を複数の発電プラントにおいて共通化することができる。
【００４２】
その場合、カートリッジ型炉心２０の供給元は、プラントサイトごとにカートリッジ型炉心２０を準備するのではなく、カートリッジ型炉心２０の規格が同一なグループに対してカートリッジ型炉心２０の準備・供給を行う。これにより、保管しておく燃料を削減することができるとともに、燃料のシャッフリングの自由度が増加し、消費する燃料を低減させることが可能となる。
【００４３】
また、カートリッジ型炉心２０搬送用に中性子吸収体を備えた専用の輸送用カートリッジが用いられる。カートリッジ型炉心２０は輸送中に、事故等により水没した場合も臨界には至らないが、さらに安全度を向上させるために中性子吸収体を供えた搬送用カートリッジ内にカートリッジ型炉心２０を収容する（図示せず）。
【００４４】
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】
【００４５】
１…炉心、２、２ａ、２ｂ…反射体領域、３…給排液管、４…給排気管、５…圧力容器、６…冷却材入口配管、７…冷却材出口配管、８…反射材、９…冷却材、１０…密封筒体、１１、１２…ブラケット、２０…カートリッジ型炉心、２１…燃料集合体、２２…燃料棒、２３…炉心容器、２４…反射体、２５…熱交換器、２６…上蓋、２７…制御棒駆動機構、２８…制御棒。
【図１】
2014089067.tif 000004
【図２】
2014089067.tif 000005
【図３】
2014089067.tif 000006
【図４】
2014089067.tif 000007
【図５】
2014089067.tif 000008
【図６】
2014089067.tif 000009
【図７】
2014089067.tif 000010
【図８】
2014089067.tif 000011