(57)【要約】【課題】減速材の温度分布の偏りを防止して原子炉の出力を向上できること。【解決手段】核分裂性物質を含む燃料１４と中性子を減速する減速材１５とが、環状に形成されて交互に配置され、燃料１４の核分裂反応により発生した熱を輸送するヒートパイプ１６が、環状に形成されて、燃料１４と減速材１５との間に配置されて構成されたものであり、ヒートパイプ内には、作動流体の上昇流と下降流を分離する分離板が環状に形成されて配置されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核分裂性物質を含む燃料と中性子を減速する減速材とが、環状に形成されて交互に配置され、
前記燃料の核分裂反応により発生した熱を輸送するヒートパイプが、環状に形成されて、前記燃料と前記減速材との間に配置されて構成されたことを特徴とする原子炉。
【請求項２】
前記ヒートパイプ内には、作動流体の上昇流と下降流を分離する分離板が、環状に形成されて配置されたことを特徴とする請求項１に記載の原子炉。
【請求項３】
前記環状に形成されて配置された燃料、ヒートパイプ及び減速材が、それらの周方向に分割されて構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の原子炉。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載された原子炉と、
前記原子炉外へ延びるヒートパイプの一部に設置され、前記原子炉にて発生した熱を電気に変換する発電部と、
前記ヒートパイプにおける前記発電部の下流側部分であって、外部へ熱を放熱する放熱部と、を有して構成されたことを特徴とする原子力発電装置。
【請求項５】
前記放熱部は、環状に形成されると共に、その周方向に分割されて構成されたことを特徴とする請求項４に記載の原子力発電装置。
【請求項６】
前記ヒートパイプは、原子炉外へ延びた部分が管状に形成されて複数設けられ、それらの先端部分に放熱部が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の原子力発電装置。
【請求項７】
前記ヒートパイプは、原子炉外へ延びて放熱部に至る手前の部分が、作動流体の上昇流と下降流が異なる流路を流れるよう構成されたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載の原子力発電装置。
【請求項８】
前記原子炉内で燃料の外側に隣接して配置されたヒートパイプでは、作動流体の上昇流と下降流をそれぞれ流す流路が、放熱部に至る手前位置で入れ替えられて構成されたことを特徴とする請求項７に記載の原子力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ヒートパイプを備えた原子炉、及びこの原子炉を有する原子力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
月面や火星表面に建設される基地の電源、あるいは地上でも人口の少ない離島等の地域における分散電源として、小型原子炉の適用が考えられている。上述のような設置場所では、人手を極力介したくないため、冷却材の循環方式として一般的なポンプの使用の回避が検討されている。そこで、作動流体の気化熱を利用して発熱体を冷却する熱輸送装置としてのヒートパイプの適用が考えられる。
【０００３】
図１１に示すように、上述の非特許文献１に記載の原子炉１０１を備えた原子力発電装置１００は、核燃料を有する上記原子炉１０１と、核燃料の核分裂反応により発生した熱を輸送する複数本のヒートパイプ１０２と、このヒートパイプ１０２により輸送された熱を電気に変換して発電する熱電素子１０３と、発電に供した熱を放熱する放熱パネル１０４と、を有して構成される。
【０００４】
原子炉１０１では、図１２に示すように、中心部に制御棒１０５が配置され、この制御棒１０５の周囲に、燃料１０６と減速材１０７とが共に環状に形成されて交互に配置され、燃料１０６に、二重管構造のヒートパイプ１０２が、原子炉１０１の周方向に複数本配置されている。しかしながら、このような原子炉１０１では、減速材１０７の温度分布に偏りが生じ、減速材１０７の温度要求値（例えば、減速材１０７が金属水素化物の場合に水素が解離しない温度範囲）以上になる恐れがある。
【０００５】
上述の事態を回避するために、原子炉における燃料の濃縮度を異ならせ、ヒートパイプから離れた燃料ほど濃縮度を低く設定して、減速材の温度分布の平坦化を図る原子炉が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１８−２１７６３号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】木村ら、「小型分散電源用原子炉システムの開発１）月面・火星ミッションを想定した原子炉システム・炉心コンセプト」、日本原子力学会  ２０１６年秋の大会  ３Ｉ０８、２０１６。
【非特許文献２】Ｋｉｍｕｒａ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｓｍａｌｌ  ＣａＨ２  ｍｏｄｅｒａｔｅｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｒｅａｃｔｏｒ  ｆｏｒ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｏｗｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  １）：  Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ  ｄｅｓｉｇｎ，”  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ２０１６  ＡＮＳ  Ｗｉｎｔｅｒ  Ｍｅｅｔｉｎｇ，  ２０１６．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上述の原子炉であっても、ヒートパイプへの流入熱量が一部過大になる箇所が生じて、減速材の温度が温度要求値に対して必ずしも十分でない恐れがある。
【０００９】
本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、減速材の温度分布の偏りを防止して原子炉の出力を向上させることができる原子炉及び原子力発電装置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】
本発明の実施形態における原子炉は、核分裂性物質を含む燃料と中性子を減速する減速材とが、環状に形成されて交互に配置され、前記燃料の核分裂反応により発生した熱を輸送するヒートパイプが、環状に形成されて、前記燃料と前記減速材との間に配置されて構成されたことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の実施形態における原子力発電装置は、前記発明に記載された原子炉と、前記原子炉外へ延びるヒートパイプの一部に設置され、前記原子炉にて発生した熱を電気に変換する発電部と、前記ヒートパイプにおける前記発電部の下流側部分であって、外部へ熱を放熱する放熱部と、を有して構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態によれば、減速材の温度分布の偏りを防止して原子炉の出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態に係る原子力発電装置を示す縦断面図。
【図２】図１の原子炉を示す横断面図。
【図３】図２の原子炉のＩＩＩ部を示す縦断面図。
【図４】図１の発電部及び放熱部の一部を示す縦断面図。
【図５】第２実施形態に係る原子力発電装置の原子炉を示す横断面図。
【図６】第３実施形態に係る原子力発電装置を示す縦断面図。
【図７】第４実施形態に係る原子力発電装置を示す部分斜視図。
【図８】第５実施形態に係る原子力発電装置を示し、（Ａ）は全体構成の部分斜視図、（Ｂ）は図８（Ａ）のヒートパイプ及び放熱部を示す縦断面図。
【図９】第６実施形態に係る原子力発電装置を示す概略縦断面図。
【図１０】第６実施形態の比較形態を示す概略縦断面図。
【図１１】従来の原子力発電装置を示す構成図。
【図１２】図１１の原子炉を示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は図１２（Ａ）の部分横断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
【００１５】
［Ａ］第１実施形態（図１〜図４）
図１は、第１実施形態に係る原子力発電装置を示す縦断面図である。図１に示す原子力発電装置１０は、宇宙空間や月面、火星表面等のほか、地球上の極地などでの発電に用いられるものであり、原子炉１１、発電部１２及び放熱部１３を有して構成される。
【００１６】
原子炉１１は、図１〜図３に示すように、核分裂性物質を含む燃料１４と、中性子を減速する減速材１５とが、環状に形成されて交互に複数配置され、これらの燃料１４と減速材１５との間に、環状に形成されたヒートパイプ１６が複数配置されて構成される。更に、原子炉１１の最外周位置に環状の反射体１７が配置されると共に、原子炉１１の中心位置に制御棒１８が配置されている。
【００１７】
制御棒１８は、燃料１４の核分裂反応を制御する。また、減速材１５は、中性子を減速することで燃料１４の核分裂反応を促進させる。この減速材１５は、例えばＣａＨ２等の金属水素化物により構成されている。また、反射体１７は、原子炉１１の外方へ飛び出ようとする中性子を原子炉１１の中心側へ反射させる。
【００１８】
ヒートパイプ１６は、燃料１４の核分裂反応により発生した熱を、作動流体の蒸発及び凝縮によって発電部１２に輸送させるものである。このヒートパイプ１６内には、作動流体の上昇流Ａと下降流Ｂとを分離する環状の分離板１９が配置されている。この分離板１９によって、ヒートパイプ１６は、作動流体の上昇流Ａが流れる上昇流路１６Ａと、作動流体の下降流Ｂが流れる下降流路１６Ｂとに区画される。
【００１９】
図１及び図４に示す発電部１２は、原子炉１１外へ延びる環状のヒートパイプ１６の一部、つまりヒートパイプ１６の上昇流路１６Ａ内に設置される。この発電部１２は、環状のヒートパイプ１６の周方向に沿って一体に形成されてもよく、またはヒートパイプ１６の周方向に沿って複数個が配置されて構成されてもよい。発電部１２は、熱電素子にて構成され、原子炉１１の燃料１４にて発生した熱を電気に変換して発電する。尚、図１では、原子炉１１において最外周位置に配置された環状のヒートパイプ１６に設置された発電部１２のみを示しているが、この発電部１２は、原子炉１１における全てのヒートパイプ１６に設置される。
【００２０】
放熱部１３は、ヒートパイプ１６における発電部１２の下流側部分として構成され、発電部１２により発電に供された熱を外部へ放熱する。この放熱部１３は、図１及び図４に示すように、ラッパ形状（略円錐面形状）に形成されているが、円筒などの筒形状であってもよい。また、放熱部１３は、ヒートパイプ１６の一部であり、ヒートパイプ１６の上昇流路１６Ａに連通して上昇流路１３Ａが、ヒートパイプ１６の下降流路１６Ｂに連通して下降流路１３Ｂがそれぞれ形成されている。
【００２１】
なお、図１では、原子炉１１において最外周位置に配置された環状のヒートパイプ１６に連続する放熱部１３のみを示しているが、放熱部１３は、原子炉１１における全てのヒートパイプ１６に連続して形成されている。
【００２２】
以上のように構成されたことから、第１実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
【００２３】
（１）原子力発電装置１０の原子炉１１では、燃料１４、減速材１５及びヒートパイプ１６が環状に形成され、交互に配置された燃料１４と減速材１５との間にヒートパイプ１６が配置されたことから、燃料１４にて発生した熱が、ヒートパイプ１６に均等に伝熱され、更にヒートパイプ１６から減速材１５に均等に伝熱されるので、減速材１５に温度分布の偏りを防止できる。従って、減速材１５が温度分布の偏りによって温度要求値（例えば金属水素化物により構成された減速材１５の水素が解離しない温度範囲）を超えてしまうことがないように原子炉１１の出力を抑制する必要がないので、原子炉１１の出力を向上させることできる。
【００２４】
（２）原子炉１１では、前述の如く、燃料１４、減速材１５及びヒートパイプ１６が環状に形成され、燃料１４と減速材１５との間にヒートパイプ１６が配置されて、燃料１４で発生した熱がヒートパイプ１６に均等に伝熱されている。このため、ヒートパイプ１６内を流れる作動流体の上昇流Ａ及び下降流Ｂに温度の偏りが生じないので、発電部１２による発電効率を向上させることができる。
【００２５】
［Ｂ］第２実施形態（図５）
図５は、第２実施形態に係る原子力発電装置の原子炉を示す横断面図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００２６】
本第２実施形態の原子力発電装置２０が第１実施形態と異なる点は、この原子力発電装置２０を構成する原子炉２１における燃料１４、減速材１５及びヒートパイプ１６が、それらの周方向に分割されて構成された点である。
【００２７】
つまり、燃料１４、減速材１５及びヒートパイプ１６は、環状に形成され、それらの周方向に複数に分割（例えば４分の１に分割）されて構成される。図５の符号２２は、燃料１４、減速材１５及びヒートパイプ１６の分割面を示す。従って、原子炉２１は、分割面２２により分割された燃料１４の燃料セクタ１４Ｗ、１４Ｘ、１４Ｙ及び１４Ｚと、減速材１５の減速材セクタ１５Ｗ、１５Ｘ、１５Ｙ及び１５Ｚと、ヒートパイプ１６のヒートパイプセクタ１６Ｗ、１６Ｘ、１６Ｙ及び１６Ｚとが組み付けられて構成される。
【００２８】
以上のように構成されたことから、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。
【００２９】
（３）原子炉２１の燃料１４、減速材１５及びヒートパイプ１６が複数に分割されて構成されたので、原子炉２１の設計及び製造などを容易化できる。
【００３０】
［Ｃ］第３実施形態（図６）
図６は、第３実施形態に係る原子力発電装置を示す縦断面図である。この第３実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００３１】
本第３実施形態の原子力発電装置３０が第１実施形態と異なる点は、この原子力発電装置３０を構成する放熱部３１が、周方向に分割されて構成された点である。
【００３２】
つまり、放熱部３１は、環状に形成されるが、周方向に複数に分割され、各分割された放熱部セクタ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…が独立して機能するよう構成されている。なお、図６では、放熱部３１の分割面を符号３２で示す。
【００３３】
以上のように構成されたことから、本第３実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。
【００３４】
（４）放熱部３１が複数に分割して構成されたので、放熱部３１の設計及び製造とを容易化できる。また、放熱部セクタ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…の一部が放熱機能を喪失した場合にも、放熱部セクタ３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ…の他が機能することで、放熱部３１の全体としての放熱機能を良好に確保することができる。
【００３５】
［Ｄ］第４実施形態（図７）
図７は、第４実施形態に係る原子力発電装置を示す部分斜視図である。この第４実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００３６】
本第４実施形態の原子力発電装置４０が第１実施形態と異なる点は、ヒートパイプ４１における原子炉１１外へ延びた部位のうち、上流側ヒートパイプ部分４１Ａが第１実施形態のヒートパイプ１６と同様に環状であるが、下流側ヒートパイプ部分１６Ｂが管状に形成されて複数設けられた点である。この下流側ヒートパイプ部分１６Ｂの先端部に放熱部４２が連続して設けられている。
【００３７】
以上のように構成されたことから、本第４実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。
【００３８】
（５）ヒートパイプ１６における原子炉１１外へ延びた部位のうち、下流側ヒートパイプ部分４１Ｂが管状に形成されて上流側ヒートパイプ部分４１Ａよりも強度が増大している。この結果、ヒートパイプ４１の構成を簡易化できると共に、構造上の強度を増大させることができる。
【００３９】
［Ｅ］第５実施形態（図８）
図８は、第５実施形態に係る原子力発電装置を示し、（Ａ）は全体構成の部分斜視図、（Ｂ）は図８（Ａ）のヒートパイプ及び放熱部を示す縦断面図である。この第５実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００４０】
本第５実施形態の原子力発電装置５０が第１実施形態と異なる点は、ヒートパイプ５１における原子炉１１外へ延びた部位のうち、上流側ヒートパイプ部分５１Ａが第１実施形態のヒートパイプ１６と同様に環状であり、下流側ヒートパイプ部分５１Ｂが管状に形成されて複数設けられ、この下流側ヒートパイプ部分５１Ｂに放熱部５２が連続して設けられ、更に下流側ヒートパイプ部分５１Ｂが上昇流路５３及び下降流路５４を備えて構成された点である。
【００４１】
つまり、管状に形成された下流側ヒートパイプ部分５１Ｂの上昇流路５３に作動流体の上昇流Ａが流れ、下降流路５４に作動流体の下降流Ｂが流れるよう構成される。また、上流側ヒートパイプ部分５１Ａは、第１実施形態のヒートパイプ１６と同様に、分離板１９によって上昇流路１６Ａと下降流路１６Ｂに区画され、上昇流路１６Ａが下流側ヒートパイプ部分５１Ｂの上昇流路５３に、下降流路１６Ｂが下流側ヒートパイプ部分５１Ｂの下降流路５４にそれぞれ連続する。
【００４２】
以上のように構成されたことから、本第５実施形態によれば、第１及び第４実施形態の効果（１）、（２）及び（５）と同様な効果を奏するほか、次の効果（６）を奏する。
【００４３】
（６）ヒートパイプ５１は、原子炉１１外へ延びて放熱部５２に至る手前の管状に形成された下流側ヒートパイプ部分５１Ｂが、上昇流路５３及び下降流路５４を備えて構成されたので、放熱部５２による放熱効率を向上させることができる。
【００４４】
［Ｆ］第６実施形態（図９、図１０）
図９は、第６実施形態に係る原子力発電装置を示す概略縦断面図である。この第６実施形態において第１及び第５実施形態と同様な部分については、第１及び第５実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。
【００４５】
本第６実施形態の原子力発電装置６０が第１及び第５実施形態と異なる点は、原子炉１１内で燃料１４の外側に隣接して配置されたヒートパイプ６１では、作動流体の上昇流Ａを流す上昇流路６１Ａと、作動流体の下降流Ｂを流す下降流路６１Ｂとが、放熱部６２に至る手前で切り替えられて構成された点である。
【００４６】
つまり、図１０に示すように、第１または第５実施形態の原子炉１１内には、燃料１４の内側に隣接して配置されるヒートパイプ１６、５１と、燃料１４の外側に隣接して配置されるヒートパイプ１６、５１とが、原子炉１１の構造上存在する。このうち、燃料１４の内側に隣接して配置されるヒートパイプ１６、５１では、上昇流路１６Ａ、５３を流れた作動流体は、放熱部６２（放熱部１３、５２）にて凝縮され、この凝縮された作動流体Ｍが、下降流路１６Ｂ、５４を通って原子炉１１側へ流れる。
【００４７】
しかしながら、燃料１４の外側に隣接して配置されるヒートパイプ１６、５１では、上昇流路１６Ａ、５３を流れた作動流体は、放熱部６２（放熱部１３、５２）にて凝縮され、この凝縮された作動流体Ｍが、上昇流路１６Ａ、５３を逆流して流れ落ちる可能性がある。これは、放熱部６２が、原子炉１１の外側へ向かって徐々に傾斜して略水平になる放熱部１３（第１実施形態）や放熱部５２（第５実施形態）であるからである。
【００４８】
そこで、図９に示すように、第６実施形態の原子力発電装置６０では、燃料１４の外側に隣接して配置されたヒートパイプ６１は、上昇流路６１Ａと下降流路６１Ｂとが放熱部６２に至る手前位置で切り替えられて、上昇流路６１Ａが下降流路６１Ｂの下側に位置づけられる。これにより、ヒートパイプ６１の上昇流路６１Ａを上昇し、放熱部６２（放熱部１３、５２）に至って凝縮された作動流体Ｍは、燃料１４の内側に隣接して配置されたヒートパイプ１６、５１の場合と同様に、下降流路６１Ｂを通って原子炉１１側へ流れ、上昇流路６１Ａを逆流して流れ落ちることがない。
【００４９】
以上のように構成されたことから、本第６実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（７）を奏する。
【００５０】
（７）原子炉１１内で燃料１４の外側に隣接して配置されたヒートパイプ６１では、作動流体の上昇流Ａを流す上昇流路６１Ａと作動流体の下降流Ｂを流す下降流路６１Ｂとが、略水平に配置される放熱部６２の手前位置で切り替えられて構成されている。従って、放熱部６２で凝縮された作動流体Ｍが上昇流路６１Ａを逆流して流れ落ちることがないので、ヒートパイプ６１の熱輸送効率の低下を防止でき、ひいては発電部１２による発電効率を良好に確保できる。
【００５１】
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、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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】
【００５２】
１０…原子力発電装置、１１…原子炉、１２…発電部、１３…放熱部、１４…燃料、１５…減速材、１６…ヒートパイプ、１６Ａ…上昇流路、１６Ｂ…下降流路、１９…分離板、２０…原子力発電装置、２１…原子炉、２２…分割面、３０…原子力発電装置、３１…放熱部、３２…分割面、４０…原子力発電装置、４１…ヒートパイプ、４１Ｂ…下流側ヒートパイプ部分、４２…放熱部、５０…原子力発電装置、５１…ヒートパイプ、５１Ｂ…下流側ヒートパイプ部分、５２…放熱部、５３…上昇流路、５４…下降流路、６０…原子力発電装置、６１…ヒートパイプ、６１Ａ…上昇流路、６１Ｂ…下降流路、６２…放熱部。
【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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【図１１】
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【図１２】
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