(57)【要約】【課題】宇宙空間用原子力ロケットの打ち上げ失敗時臨界安全性を高めたい。【解決手段】原子力ロケットの炉心に装荷せる核燃料としてネプツニウムの酸化物を装荷する。【選択図】図4
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
約60kgのネプツニウムから作られた酸化ネプツニウムペレット(44)を装荷した多数本の固定酸化ネプツニウム棒（31）と、10kg以下のネプツニウムから作られた酸化ネプツニウムペレット(44)を装荷した数本の可動酸化ネプツニウム棒(131)を上下に操作して炉心にあるネプツニウムの量を変動させることにより出力を制御し水素またはヘリウムを過熱することを特徴とする酸化ネプツニウム炉心(110)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネプツニウムを燃料としたロケット用原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
図1は非特許文献１及び非特許文献2を参考とした従来の原子力ロケットの概観図である。核燃料(11)を多数本装荷せる原子炉の炉心(100)で水素を過熱して高温水素ガスとし、高温水素ガスを排気ノズル(23)から膨張排出することにより推力を得る。水素は推進剤タンクに貯蔵されている。
核燃料(11)は減速材である黒鉛にウラン235の割合が高い濃縮ウランを混入した核燃料からなる。
高温室(22)の高圧高温ガスの1部を排気取入口(17)から高温ガス管(12)を経てタービン(2)に導き、タービン(2)から排気を低温室(21)に吐き出すことによりタービン(2)を回転させ、ポンプ(1)を働かせて推進剤タンクからの水素を高圧にして低温推進剤管(13)を通して推進剤予熱室(15)を経て低温室(21)に送り込む。水素は核燃料(11)により過熱され高温になり高温室(22)から排気ノズル(23)を経て外界に放出される。
低温推進剤管(13)からの低温液体水素は、高温の炉心壁(16)と低温の炉心外壁(14)とで構成されている推進剤予熱室(15)に入ると高温の炉心壁(16)を冷却し、炉心壁(16)の健全性を保つ。
放射能の問題で地球から直接打ち上げることはできない原子力ロケットは、液体酸素と液体水素を燃料とした化学ロケットに搭載されて大気圏外にでてから、化学ロケットと切り離されて起動することになる。
【非特許文献１】：コロナ社、都甲著、1975年「原子動力」。
【非特許文献２】：日本原子力研究所、安田他、JAERI-Review96-015「米国及びソ連の原子力ロケット」。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
宇宙で使われる原子力ロケットを搭載した化学ロケットの打ち上げに失敗し地球に落下した際、原子力ロケットの核燃料(11)は海水などの水の中性子減速作用により臨界となり連鎖反応して熱や放射線を周囲に出し続ける恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ネプツニウム(Np)は熱中性子に対して核分裂割合は小さいが捕獲割合は大きい。しかし、高速中性子に対しては核分裂割合は大きいが捕獲割合は小さい。高速中性子での( 核分裂割合/(核分裂割合＋捕獲割合) )はウラン235と同程度であるため、ウラン235と同様に連鎖反応を持続することができる。
原子力ロケットの核燃料としてNpを利用する。
【発明の効果】
【０００５】
炉心に気体の水素以外に減速材がなければ高速中性子割合が多い。したがって、炭素などの減速材を装荷することなしにNpのみを核燃料とすればNpの核分裂割合は大きく連鎖反応は維持できる。一方、Npを核燃料とした原子力ロケットを搭載した化学ロケットの打ち上げに失敗して原子炉が地球の海に落下しても水の高速中性子減速作用により熱中性子が多いためNpは核分裂を殆どせず熱中性子を吸収するだけであるから核燃料が臨界になり連鎖反応を維持することがない。臨界安全性が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
原子力ロケットを搭載した化学ロケットの打ち上げに失敗し地球に落下しても、臨界事故が生じない原子力ロケットの炉心が提供できた。
【実施例１】
【０００７】
図2に示す本発明の固定酸化ネプツニウム棒(31)は、円筒形状の炭化ジルコニウム被覆管（41）内に、上部スプリング（45）と、上部プレナム(48)と、下部スプリング（46）と、核燃料であるネプツニウムの酸化物である酸化ネプツニウムを円柱状に焼結してなる多数個の酸化ネプツニウムペレット（44）を密封し、上端の支持棒(42)により図4に示す炉心上部(18)に固定している。
図3に示す本発明の可動酸化ネプツニウム棒(131)は、円筒形状の炭化ジルコニウム被覆管（41）内に、上部スプリング（45）と、上部プレナム(48)と、下部スプリング（46）と、核燃料であるネプツニウムの酸化物である酸化ネプツニウムを円柱状に焼結してなる多数個の酸化ネプツニウムペレット（44）を密封し、図4に示す炉心上部(18)の上部に設置せるモータMにより上下に動けるように駆動伝達棒(142)を備えている。迅速な動きができるように軽量にするため長さと炭化ジルコニウム被覆管（41）直径は固定酸化ネプツニウム棒(31)の約半分である。
図4は本発明のネプツニウム炉心(110)を搭載せる原子力ロケットの概観図である。高温室(22)の高圧高温ガスの1部を排気取入口(17)から高温ガス管(12)を経て、タービンとポンプが一体となった可変タービン・ポンプ(202)に導き可変排気ノズル(203)から外界に吐き出すことによりタービンTを回転させ、ポンプPを働かせて推進剤タンクからの水素を高圧にして低温推進剤管(13)を通して幅広予熱室(19)を経て低温室(21)に送り込む。水素はネプツニウム炉心(110)で過熱され高温になり高温室(22)から排気ノズル(23) から外界に膨張排出することにより推力を得る。低温推進剤管(13)からの低温液体水素は、高温の炉心壁(16)と低温の炉心外壁(14)とで構成されている幅広予熱室(19)に入ると高温の炉心壁(16)を冷却し、炉心壁(16)の健全性を保つ。可変タービン・ポンプ(202)の向きを変えることにより可変排気ノズル(203)の排出向きをかえることによりロケットの向きを調節する。
本発明のネプツニウム炉心(110)は、反射体がない場合のNpの臨界質量である約60kgのネプツニウムから作られた酸化ネプツニウムペレット(44)を装荷した多数本の固定酸化ネプツニウム棒（31）と、10kg以下のネプツニウムから作られた酸化ネプツニウムペレット(44)を装荷した数本の可動酸化ネプツニウム棒(131)を上下に操作して炉心にあるネプツニウムの量を変動させることにより出力を制御し水素またはヘリウムを過熱することを特徴とする。
幅広予熱室(19)は高温の炉心壁(16)を冷却し炉心壁(16)の健全性を保つと共にネプツニウム炉心(110)から外界に漏洩する中性子の反射体の役目をする。タービン(2)の出力を弱めると液体の水素の流量が減少するため蒸気となり中性子漏洩が増し原子炉出力が低下する。水素蒸気の量により中性子漏洩を加減してネプツニウム炉心(110)の出力を調節することもできる。
炭化ジルコニウム被覆管(41)の炭素は減速材でもあるから、高速中性子を減速させて熱中性子にする作用がある。したがって、Npの一部は熱中性子を吸収してプルトニウム238になる。Pu238の臨界質量は約10kgであるから、燃焼が進むに従ってNpは減少してもPu238が増加してくるため出力を継続して発生させることができる。
炭化ジルコニウム被覆管(41)の材料として、炭化ジルコニウムの代わりに炭化チタンやホウ素11が99%の劣化ホウ素からなるニホウ素化ジルコニウムとすることは、熱衝撃性や耐食性が向上する。
Npは放射線を殆ど出さないため、原子炉を起動させる前の固定酸化ネプツニウム棒（31）や可動酸化ネプツニウム棒（１31）の製造や管理が容易である。
熱中性子に対してNpは捕獲割合は大きいが核分裂割合は小さいため、取り扱い環境下での水や湿気への臨界安全に対する配慮を取らずにすむ。したがって、管理が容易である。    
本発明の炉心を地上から宇宙に化学ロケットにより輸送する際、事故により地上に或いは海上に落下したとしても核爆発の恐れが無い。
なお、中間熱交換器を設置すれば地球から直接打ち上げることも不可能ではない。
【産業上の利用可能性】
【０００８】
化学ロエットで打ち上げられる安全性の高い宇宙用発電原子炉にすることもできる。ICBM撃墜用ビームを発生させる電源にもなる。
地球では発電用ダムの建設や鉱山掘削用として取り扱いが容易な大規模開発用核爆発物に利用できる。広島市と長崎市での被ばく後の速やかなる人々の居住と繁栄が証明しているように核爆発後の放射線は短期間で減衰し短期間で人が近づけるようになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来の原子力ロケットの概略図。
【図２】本発明の固定酸化ネプツニウム棒(31)の概観図。
【図３】本発明の可動酸化ネプツニウム棒(131)の概観図。
【図４】本発明のネプツニウム炉心(110)を搭載せる原子力ロケットの概観図。
【符号の説明】
【００１０】
1はポンプ。
2はタービン。
11は核燃料。
12は高温ガス管。
13は低温推進剤管。
14は炉心外壁。
15は推進剤予熱室。
16は炉心壁。
17は排気取入口。
18は炉心上部。
19は幅広予熱室。
21は低温室。
22は高温室。
23は排気ノズル。
31は固定酸化ネプツニウム棒。
41は炭化ジルコニウム被覆管。
42は支持棒。
44は酸化ネプツニウムペレット。
45は上部スプリング。
46は下部スプリング。
48は上部プレナム。
100は炉心。
110はネプツニウム炉心。
131は可動酸化ネプツニウム棒。
142は駆動伝達棒。
202は可変タービン・ポンプ。
203はは可変排気ノズル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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