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JP7374844B2 - Nuclear reactors and reactor heat removal methods - Google Patents
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Description

本発明の実施形態は、原子炉の除熱技術に関する。 Embodiments of the present invention relate to heat removal technology for a nuclear reactor.

発明者らは、炉心を冷却するための要素としてヒートパイプを用いた小型の原子炉を開発している。このような原子炉では、除熱にヒートパイプを用いる特性上、ヒートパイプの表面付近で核燃料と減速材の温度が低く、ヒートパイプの表面から離れるに連れて温度が高くなるという特徴がある。また、金属水素化物の減速材を用いた場合には、減速材の温度が炉心温度の制約となって効率的な運転ができない。そこで、ヒートパイプの周囲に出力のピークを立てることで炉心全体の温度を抑制する技術が知られている。また、ヒートパイプで核燃料と減速材を熱的に分離する技術が知られている。しかしながら、このような技術では、核燃料と減速材を炉心の径方向に交互に配置する必要があることから、炉心のレイアウト上の制約が生じてしまう。また、減速材を用いずに燃料領域にヒートパイプを配置する場合には、ヒートパイプと核燃料の間にギャップが生じて接触熱抵抗が大きくなる要因となる。 The inventors are developing a small nuclear reactor that uses heat pipes as elements to cool the reactor core. Such nuclear reactors use heat pipes for heat removal, so the temperature of the nuclear fuel and moderator is low near the surface of the heat pipe, and the temperature increases as they move away from the surface of the heat pipe. Furthermore, when a metal hydride moderator is used, the temperature of the moderator becomes a constraint on the core temperature, making efficient operation impossible. Therefore, there is a known technique for suppressing the temperature of the entire reactor core by creating a peak output around the heat pipes. Furthermore, a technology is known in which nuclear fuel and moderator are thermally separated using a heat pipe. However, in such a technique, the nuclear fuel and the moderator must be arranged alternately in the radial direction of the reactor core, which creates constraints on the layout of the reactor core. Furthermore, when a heat pipe is disposed in the fuel region without using a moderator, a gap is created between the heat pipe and the nuclear fuel, which becomes a factor in increasing contact thermal resistance.

特許第6633471号公報Patent No. 6633471

Rei Kimura, Tetu Suzuki, Kazuhito Asano, Chikako Iwaki, Hideki Horie, “The conceptual design of heat-pipe cooled and calcium-hydride moderated vSMR”, 013, ICAPP2019, Juan-les-pins, France, May 2019 (2019)Rei Kimura, Tetu Suzuki, Kazuhito Asano, Chikako Iwaki, Hideki Horie, “The conceptual design of heat-pipe cooled and calcium-hydride moderated vSMR”, 013, ICAPP2019, Juan-les-pins, France, May 2019 (2019) David I. Poston, Marc Gibson and Patrick McClure, “KILOPOWER reactors for potential space exploration missions”, Nuclear Emerging Technologies for Space, Richland, WA, Feb 2019 (2019)David I. Poston, Marc Gibson and Patrick McClure, “KILOPOWER reactors for potential space exploration missions”, Nuclear Emerging Technologies for Space, Richland, WA, Feb 2019 (2019) Rei Kimura, Satoshi Wada, “Temperature Reactivity Control of Calcium-Hydride-Moderated Small Reactor Core with Poison Nuclides”, Nucl. Sci. Eng., 193 (9), 1013-1022, (2019)Rei Kimura, Satoshi Wada, “Temperature Reactivity Control of Calcium-Hydride-Moderated Small Reactor Core with Poison Nuclides”, Nucl. Sci. Eng., 193 (9), 1013-1022, (2019)

ヒートパイプを冷却要素として備える炉心においては、炉心レイアウト上の制約を低減させるために炉心温度の制約を緩和しつつ、ヒートパイプごとに独立性の高い核燃料と減速材を配置することが望まれている。特に、炉心内の偏在的な温度上昇を抑制して炉心出力を高めることが求められている。 In a reactor core equipped with heat pipes as cooling elements, it is desirable to place nuclear fuel and moderators in a highly independent manner for each heat pipe, while also easing restrictions on core temperature in order to reduce constraints on the core layout. There is. In particular, there is a need to increase core output by suppressing uneven temperature increases within the core.

本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされたもので、ヒートパイプによる除熱効率を高めて炉心の出力を向上させることができる原子炉の除熱技術を提供することを目的とする。 The embodiments of the present invention have been made in consideration of such circumstances, and the purpose is to provide a heat removal technology for a nuclear reactor that can improve the heat removal efficiency by heat pipes and improve the output of the reactor core. do.

本発明の実施形態に係る原子炉は、炉心内の熱を炉心外に移動させる棒状を成すメインヒートパイプと、前記メインヒートパイプの周囲に配置され、核分裂反応により熱を発生させる核燃料ユニットと、前記メインヒートパイプの周囲に配置され、かつ前記メインヒートパイプの軸方向に沿って前記核燃料ユニットに隣接して並び、中性子を減速させる減速材ユニットと、前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられ、前記核燃料ユニットの熱を前記メインヒートパイプに向けて移動させる熱拡散層と、を備える。 A nuclear reactor according to an embodiment of the present invention includes: a rod-shaped main heat pipe that transfers heat within the reactor core to the outside of the reactor core; and a nuclear fuel unit that is arranged around the main heat pipe and generates heat through a nuclear fission reaction. a moderator unit arranged around the main heat pipe and arranged adjacent to the nuclear fuel unit along the axial direction of the main heat pipe and moderating neutrons; and between the nuclear fuel unit and the moderator unit. a heat diffusion layer that is provided in the nuclear fuel unit and moves heat of the nuclear fuel unit toward the main heat pipe.

本発明の実施形態により、ヒートパイプによる除熱効率を高めて炉心の出力を向上させることができる原子炉の除熱技術が提供される。 Embodiments of the present invention provide a heat removal technique for a nuclear reactor that can improve the heat removal efficiency by heat pipes and improve the output of the reactor core.

本実施形態の原子力発電システムを示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a nuclear power generation system of this embodiment. 炉心を示す断面図。A cross-sectional view showing the reactor core. 核燃料ユニットと減速材ユニットを示す分解斜視図。FIG. 2 is an exploded perspective view showing a nuclear fuel unit and a moderator unit. 核燃料ユニットと減速材ユニットを示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a nuclear fuel unit and a moderator unit. 核燃料ユニットと減速材ユニットを示す分解断面図。An exploded sectional view showing a nuclear fuel unit and a moderator unit. 核燃料ユニットと減速材ユニットを示す断面図。A sectional view showing a nuclear fuel unit and a moderator unit. 核燃料ユニットと熱拡散層を示す概念図。Conceptual diagram showing a nuclear fuel unit and a heat diffusion layer. グラファイトシートを示す概念図。A conceptual diagram showing a graphite sheet. 変形例1の熱拡散層を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a heat diffusion layer of Modification Example 1; 変形例1の熱拡散層を示す側面図。FIG. 7 is a side view showing a heat diffusion layer of Modification Example 1. 変形例2の断熱部を示す概念図。FIG. 7 is a conceptual diagram showing a heat insulating section of Modification 2. 変形例3の金属箔を示す概念図。FIG. 7 is a conceptual diagram showing a metal foil of Modification 3. 変形例4の核燃料ユニットと減速材ユニットを示す断面図。FIG. 7 is a sectional view showing a nuclear fuel unit and a moderator unit of Modification 4. 運転温度と温度反応度係数の関係を示すグラフ。A graph showing the relationship between operating temperature and temperature reactivity coefficient. 原子炉の除熱方法を示すフローチャート。Flowchart showing a method for removing heat from a nuclear reactor.

以下、図面を参照しながら、原子炉および原子炉の除熱方法の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a nuclear reactor and a method for removing heat from a nuclear reactor will be described in detail with reference to the drawings.

図1の符号1は、本実施形態の原子力発電システムである。なお、図面では、理解を助けるために上下方向を規定している。しかしながら、この原子力発電システム1は、上下方向(鉛直方向)を区別しなくても良く、例えば、宇宙空間でも使用できる。つまり、この原子力発電システム1は、重力の影響を受けない装置となっている。なお、原子力発電システム1は、宇宙空間の他に、月面、火星、地球の極地などで用いることができる。また、理解を助けるために、断面を示すハッチングを省略している場合がある。 Reference numeral 1 in FIG. 1 is a nuclear power generation system of this embodiment. Note that in the drawings, the vertical direction is defined to facilitate understanding. However, this nuclear power generation system 1 does not need to distinguish between the upper and lower directions (vertical direction), and can be used, for example, in outer space. In other words, this nuclear power generation system 1 is a device that is not affected by gravity. Note that the nuclear power generation system 1 can be used not only in outer space but also on the moon, Mars, the polar regions of the earth, and the like. Further, to aid understanding, hatching indicating a cross section may be omitted.

原子力発電システム1は、原子炉2と発電装置3とラジエータ4とを備える。本実施形態では、原子炉2の上部に発電装置3およびラジエータ4が設けられている。原子炉2で発生した熱を用いて発電装置3が発電を行う。そして、発電装置3で発電に用いられた熱をラジエータ4が外部に放出する。 The nuclear power generation system 1 includes a nuclear reactor 2, a power generation device 3, and a radiator 4. In this embodiment, a power generation device 3 and a radiator 4 are provided in the upper part of the nuclear reactor 2. A power generation device 3 generates power using the heat generated in the nuclear reactor 2. Then, the radiator 4 releases the heat used for power generation by the power generation device 3 to the outside.

原子炉2は、炉心5と中性子反射部6と遮蔽部7とを備える。炉心5には、核燃料が配置されている。この炉心5の全体形状は、例えば、円柱形状を成している。なお、炉心5の全体形状は、直方体形状を成しても良いし、錐体形状を成しても良い。本実施形態では、炉心5の円柱軸が上下方向に沿って延びる。 The nuclear reactor 2 includes a reactor core 5, a neutron reflecting section 6, and a shielding section 7. Nuclear fuel is arranged in the reactor core 5. The overall shape of this core 5 is, for example, a cylindrical shape. Note that the overall shape of the core 5 may be a rectangular parallelepiped or a cone. In this embodiment, the cylindrical axis of the core 5 extends in the vertical direction.

炉心5は、中性子反射部6により覆われている。中性子反射部6は、核燃料から発せられる中性子を反射する材質で形成されている。中性子は、中性子反射部6で反射されて、炉心5の内部に戻り、核分裂反応を促進させる。なお、中性子反射部6は、炉心5を収容する容器を兼ねる。 The reactor core 5 is covered with a neutron reflecting section 6. The neutron reflecting section 6 is made of a material that reflects neutrons emitted from nuclear fuel. The neutrons are reflected by the neutron reflector 6 and return to the inside of the reactor core 5 to promote nuclear fission reaction. Note that the neutron reflecting section 6 also serves as a container that houses the reactor core 5.

中性子反射部6は、遮蔽部7により覆われている。遮蔽部7は、炉心5で生じる放射線を遮蔽し、放射線が原子炉2の外部に漏れないようにしている。遮蔽部7は、中性子反射部6を収容する容器を兼ねる。 The neutron reflecting section 6 is covered by a shielding section 7. The shielding part 7 shields the radiation generated in the reactor core 5 and prevents the radiation from leaking to the outside of the nuclear reactor 2. The shielding section 7 also serves as a container that houses the neutron reflecting section 6.

炉心5の中央には、中性子吸収材としての1本の安全棒8が挿入可能な挿入空間が設けられている。この安全棒8は、原子炉2の起動前において、核燃料が核分裂反応を起こさないために挿入される部材である。例えば、原子炉2を設置場所まで輸送するときには、安全棒8が炉心5に挿入された状態となる。また、原子炉2を起動するときには、安全棒8が炉心5から引き抜かれる。 An insertion space is provided in the center of the core 5 into which one safety rod 8 as a neutron absorber can be inserted. The safety rod 8 is a member inserted before the nuclear reactor 2 is started to prevent nuclear fission reactions from occurring in the nuclear fuel. For example, when transporting the nuclear reactor 2 to an installation location, the safety rod 8 is inserted into the reactor core 5. Moreover, when starting up the nuclear reactor 2, the safety rod 8 is pulled out from the reactor core 5.

なお、特に図示はしないが、原子炉2は、核分裂反応を制御する中性子吸収材としての複数本の制御棒を備える。これらの制御棒が炉心5に挿入されることで核分裂反応が抑制され、制御棒が炉心5から引き抜かれることで核分裂反応が活発になる。 Although not particularly illustrated, the nuclear reactor 2 includes a plurality of control rods as neutron absorbers that control nuclear fission reactions. Inserting these control rods into the reactor core 5 suppresses the nuclear fission reaction, and withdrawing the control rods from the reactor core 5 activates the nuclear fission reaction.

炉心5には、複数本のメインヒートパイプ9が設けられている。メインヒートパイプ9は、上下方向に延びる棒状の装置である。それぞれのメインヒートパイプ9は、互いに平行を成すように配置されている。また、メインヒートパイプ9は、炉心5の径方向および周方向に並んでいる。なお、周方向に並ぶメインヒートパイプ9の列は、同心円状に配置されている。 The reactor core 5 is provided with a plurality of main heat pipes 9. The main heat pipe 9 is a rod-shaped device that extends in the vertical direction. The main heat pipes 9 are arranged parallel to each other. Further, the main heat pipes 9 are arranged in the radial direction and the circumferential direction of the reactor core 5. Note that the rows of main heat pipes 9 arranged in the circumferential direction are arranged concentrically.

これらのメインヒートパイプ9は、炉心5から上方に向かって直線状に延び、発電装置3に接続されている。これらのメインヒートパイプ9が、炉心5の核燃料で発生した熱を発電装置3まで移動させる。 These main heat pipes 9 extend upward from the core 5 in a straight line and are connected to the power generation device 3. These main heat pipes 9 transfer heat generated by the nuclear fuel in the reactor core 5 to the power generation device 3.

発電装置3は、メインヒートパイプ9により運ばれた炉心5の熱に基づいて発電を行う。この発電装置3は、例えば、熱電変換素子を備える。発電装置3は、炉心5の熱と外部との温度差を利用して発電を行う。なお、発電装置3は、その他の態様で発電しても良い。例えば、炉心5の熱で所定の液体を気化し、その蒸気によりタービンを駆動して発電を行っても良い。また、炉心5の熱でスターリングエンジンを駆動して発電を行っても良い。 The power generation device 3 generates power based on the heat of the reactor core 5 carried by the main heat pipe 9. This power generation device 3 includes, for example, a thermoelectric conversion element. The power generation device 3 generates power using the temperature difference between the heat of the reactor core 5 and the outside. Note that the power generation device 3 may generate power in other ways. For example, a predetermined liquid may be vaporized using the heat of the reactor core 5, and the vapor may drive a turbine to generate electricity. Alternatively, the heat of the reactor core 5 may be used to drive a Stirling engine to generate electricity.

メインヒートパイプ9は、作動流体(作動液)を用いて熱を移動させるデバイスである。メインヒートパイプ9は、例えば、熱伝導性が高い材質から成るパイプケースと、このパイプケースの中に封入された揮発性の作動流体と、気化した作動流体が移動するための空洞と、パイプケースの内壁に設けられて毛細管構造を成すウィックとを備える。 The main heat pipe 9 is a device that transfers heat using a working fluid. The main heat pipe 9 includes, for example, a pipe case made of a material with high thermal conductivity, a volatile working fluid sealed in the pipe case, a cavity for moving the vaporized working fluid, and a pipe case. The wick is provided on the inner wall of the wick and has a capillary structure.

なお、パイプケースおよびウィックには、アルミニウムまたは銅などを用いる。さらに、作動流体には、例えば、液体ナトリウムを用いる。また、作動流体として代替フロンを用いても良い。さらに、その他の物質を作動流体としても用いても良い。 Note that aluminum, copper, or the like is used for the pipe case and the wick. Furthermore, liquid sodium, for example, is used as the working fluid. Further, alternative CFCs may be used as the working fluid. Furthermore, other substances may also be used as the working fluid.

メインヒートパイプ9の一端を高温部とし、他端を低温部とした場合に、高温部を加熱し、低温部を冷却することで、作動流体の蒸発(潜熱の吸収)と作動流体の凝縮(潜熱の放出)のサイクルが発生して熱を移動させる。 When one end of the main heat pipe 9 is a high temperature section and the other end is a low temperature section, by heating the high temperature section and cooling the low temperature section, evaporation of the working fluid (absorption of latent heat) and condensation of the working fluid (absorption of latent heat) can be achieved. A cycle of latent heat release) occurs to transfer heat.

例えば、高温部の液体の作動流体が、加熱されることにより蒸発し、気体となって空洞を通り低温部に移動される。そして、低温部で作動流体の熱が奪われて凝縮して液体に戻る。さらに、この作動流体の液体が、毛細管現象によりウィックを通り高温部に移動される。この現象が繰り返されることで、高温部から低温部に熱が移動される。 For example, the liquid working fluid in the hot section is heated, evaporates, and moves through the cavity to the cold section as a gas. Then, heat is removed from the working fluid in the low-temperature section and it condenses back to liquid. Furthermore, this liquid working fluid is moved through the wick to the hot section by capillary action. By repeating this phenomenon, heat is transferred from the high temperature area to the low temperature area.

本実施形態では、複数本のメインヒートパイプ9の高温部が炉心5に配置され、メインヒートパイプ9の低温部が発電装置3に配置される。そして、炉心5で発生する熱が、メインヒートパイプ9により発電装置3に移動され、この熱に基づいて作動ガス(冷媒)が加熱される。 In this embodiment, the high-temperature parts of the plurality of main heat pipes 9 are arranged in the reactor core 5, and the low-temperature parts of the main heat pipes 9 are arranged in the power generation device 3. Then, the heat generated in the reactor core 5 is transferred to the power generation device 3 by the main heat pipe 9, and the working gas (refrigerant) is heated based on this heat.

図2に示すように、複数本のメインヒートパイプ9が炉心5に設けられている。なお、この図面では、理解を助けるために、炉心5の周囲に設けられている中性子反射部6の図示を省略している。 As shown in FIG. 2, a plurality of main heat pipes 9 are provided in the reactor core 5. Note that, in this drawing, illustration of the neutron reflecting section 6 provided around the reactor core 5 is omitted to facilitate understanding.

炉心5には、核燃料ユニット10と減速材ユニット11と熱拡散層12とが設けられている。本実施形態では、核燃料ユニット10と減速材ユニット11とが、メインヒートパイプ9の軸方向に沿って交互に並んで配置されている。なお、熱拡散層12は、平板状を成し、核燃料ユニット10と減速材ユニット11の間に設けられている。このようにすれば、炉心温度の制約を緩和しつつ、柔軟な炉心レイアウトが可能になる。つまり、設計上の制約が緩和される。 The reactor core 5 is provided with a nuclear fuel unit 10, a moderator unit 11, and a thermal diffusion layer 12. In this embodiment, the nuclear fuel units 10 and the moderator units 11 are arranged alternately along the axial direction of the main heat pipe 9. Note that the heat diffusion layer 12 has a flat plate shape and is provided between the nuclear fuel unit 10 and the moderator unit 11. In this way, it becomes possible to have a flexible core layout while relaxing the core temperature constraints. In other words, design constraints are relaxed.

一方のメインヒートパイプ9に設けられた核燃料ユニット10は、隣り合う他方のメインヒートパイプ9に設けられた核燃料ユニット10と隣接している。さらに、一方のメインヒートパイプ9に設けられた減速材ユニット11は、隣り合う他方のメインヒートパイプ9に設けられた減速材ユニット11と隣接している。 The nuclear fuel unit 10 provided in one main heat pipe 9 is adjacent to the nuclear fuel unit 10 provided in the other adjacent main heat pipe 9. Furthermore, the moderator unit 11 provided in one main heat pipe 9 is adjacent to the moderator unit 11 provided in the other adjacent main heat pipe 9.

炉心5では、核燃料ユニット10が並ぶ層と減速材ユニット11が並ぶ層とが上下方向に積層されている。なお、一方のメインヒートパイプ9と他方のメインヒートパイプ9とで、核燃料ユニット10および減速材ユニット11を互い違いに並べても良い。 In the reactor core 5, a layer in which nuclear fuel units 10 are arranged and a layer in which moderator units 11 are arranged are stacked in the vertical direction. Note that the nuclear fuel units 10 and the moderator units 11 may be arranged alternately between the main heat pipes 9 on one side and the main heat pipes 9 on the other side.

図3から図4に示すように、所定の1本の円管状を成すメインヒートパイプ9の周囲を囲むように核燃料ユニット10と減速材ユニット11が配置されている。 As shown in FIGS. 3 to 4, a nuclear fuel unit 10 and a moderator unit 11 are arranged so as to surround a main heat pipe 9 having a predetermined circular tube shape.

本実施形態の核燃料ユニット10と減速材ユニット11は、中心軸に沿ってメインヒートパイプ9を通すための孔が開けられた六角柱形状を成している。つまり、核燃料ユニット10と減速材ユニットにおいて、メインヒートパイプ9の軸に垂直な断面(平面視)の形状が正六角形を成している。複数の核燃料ユニット10または複数の減速材ユニット11を平面視でハニカム状に並べる(平面充填させる)ことで炉心5が形成されている。なお、核燃料ユニット10と減速材ユニットの断面形状は、炉心5を臨界にできる形状であれば、その他の態様であっても良い。例えば、三角形でも良いし、四角形でも良いし、円形でも良い。 The nuclear fuel unit 10 and the moderator unit 11 of this embodiment have a hexagonal prism shape with a hole for passing the main heat pipe 9 along the central axis. That is, in the nuclear fuel unit 10 and the moderator unit, the shape of the cross section (planar view) perpendicular to the axis of the main heat pipe 9 is a regular hexagon. A reactor core 5 is formed by arranging a plurality of nuclear fuel units 10 or a plurality of moderator units 11 in a honeycomb shape (planar filling) in a plan view. Note that the cross-sectional shapes of the nuclear fuel unit 10 and the moderator unit may have other shapes as long as they can make the reactor core 5 critical. For example, it may be a triangle, a square, or a circle.

核燃料ユニット10は、核分裂反応により熱を発生させるものである。減速材ユニット11は、メインヒートパイプ9の軸方向に沿って核燃料ユニット10に隣接して並び、中性子を減速させるものである。熱拡散層12は、核燃料ユニット10の熱をメインヒートパイプ9に向けて移動させるものである。 The nuclear fuel unit 10 generates heat through a nuclear fission reaction. The moderator unit 11 is arranged adjacent to the nuclear fuel unit 10 along the axial direction of the main heat pipe 9 and serves to moderate neutrons. The heat diffusion layer 12 moves the heat of the nuclear fuel unit 10 toward the main heat pipe 9.

核燃料ユニット10には、主たる核燃料物質としてウランが含まれている。核燃料ユニット10は、例えば、天然ウランを濃縮することで、235Uの含有量が3%から4%程度になるように高めてある。また、核燃料ユニット10には、239Pu、241Pu、242Am、243Cm、245Cmなどが含まれても良い。核燃料ユニット10は、少なくとも原子炉2を運転するために充分な量の核燃料物質を含むものであれば良い。さらに、核燃料ユニット10を構成する材料については、例えば、ウランまたはプルトニウムなどの酸化物、ケイ化物、炭化物、窒化物、塩化物、フッ化物、金属、合金などの様々なものが適用可能である。 The nuclear fuel unit 10 contains uranium as the main nuclear fuel material. The nuclear fuel unit 10 has, for example, enriched natural uranium to increase the 235 U content to about 3% to 4%. Further, the nuclear fuel unit 10 may include 239 Pu, 241 Pu, 242 Am, 243 Cm, 245 Cm, and the like. The nuclear fuel unit 10 may contain at least enough nuclear fuel material to operate the nuclear reactor 2. Further, various materials such as oxides of uranium or plutonium, silicides, carbides, nitrides, chlorides, fluorides, metals, alloys, etc. can be used as the material constituting the nuclear fuel unit 10.

1つの核燃料ユニット10は、メインヒートパイプ9を囲むように設けられたヒートパイプ周辺燃料(Heat Pipe Peripheral Fuel)としてのHPPF13と、HPPF13を囲むように設けられた主燃料部14とを備える。 One nuclear fuel unit 10 includes an HPPF 13 as a heat pipe peripheral fuel provided so as to surround the main heat pipe 9, and a main fuel section 14 provided so as to surround the HPPF 13.

HPPF13は、円筒形状を成す。このHPPF13の内周面がメインヒートパイプ9の外周面に接触する。主燃料部14は、核燃料ユニット10の体積と質量の大部分を占めており、平面視で正六角形を成している。なお、HPPF13と主燃料部14の体積比率については、設計条件に応じて様々なものが考えられるため、体積比率は本実施形態に限定されるものではない。 The HPPF 13 has a cylindrical shape. The inner peripheral surface of this HPPF 13 contacts the outer peripheral surface of the main heat pipe 9. The main fuel part 14 occupies most of the volume and mass of the nuclear fuel unit 10, and has a regular hexagonal shape in plan view. Note that the volume ratio between the HPPF 13 and the main fuel section 14 can be various depending on the design conditions, so the volume ratio is not limited to this embodiment.

核燃料ユニット10は、第1濃度の核分裂物質を含む第1核燃料部と、第1核燃料部よりもメインヒートパイプ9から離れて配置され、第1濃度よりも低い第2濃度の核分裂物質を含む第2核燃料部とを備える。本実施形態では、HPPF13が第1核燃料部となっているとともに、主燃料部14が第2核燃料部となっている。核燃料ユニット10に含まれる核分裂物質の濃度が高い場合は、核分裂反応による発熱密度が大きくなる。つまり、HPPF13は、主燃料部14よりも発熱密度が大きくなっている。 The nuclear fuel unit 10 includes a first nuclear fuel section containing fissile material at a first concentration, and a second nuclear fuel section disposed further from the main heat pipe 9 than the first nuclear fuel section and containing fissile material at a second concentration lower than the first concentration. 2 nuclear fuel sections. In this embodiment, the HPPF 13 serves as the first nuclear fuel section, and the main fuel section 14 serves as the second nuclear fuel section. When the concentration of fissile material contained in the nuclear fuel unit 10 is high, the density of heat generated by the nuclear fission reaction increases. In other words, the HPPF 13 has a higher heat generation density than the main fuel section 14.

図5から図6に示すように、高濃度の第1核燃料部としてのHPPF13は、メインヒートパイプ9の周囲を囲むように配置される。また、低濃度の第2核燃料部としての主燃料部14は、HPPF13よりもメインヒートパイプ9から離れて配置される。主燃料部14は、HPPF13を囲むように配置されている。つまり、HPPF13は、主燃料部14とメインヒートパイプ9の間に設けられている。 As shown in FIGS. 5 and 6, the HPPF 13 serving as the first high-concentration nuclear fuel section is arranged to surround the main heat pipe 9. As shown in FIGS. Moreover, the main fuel part 14 as a low concentration second nuclear fuel part is arranged further away from the main heat pipe 9 than the HPPF 13 is. The main fuel part 14 is arranged to surround the HPPF 13. That is, the HPPF 13 is provided between the main fuel section 14 and the main heat pipe 9.

本実施形態では、HPPF13(第1核燃料部)が配置される領域が高反応度燃料領域を成し、主燃料部14(第2核燃料部)が配置される領域が低反応度燃料領域を成す。原子炉2が臨界となって燃料が発熱したときに、HPPF13の出力密度(熱量)は、主燃料部14の出力密度(熱量)よりも高くなる。これは核分裂物質の濃度が高いことに起因する。HPPF13は、主燃料部14よりもメインヒートパイプ9に近いので、主燃料部14からメインヒートパイプ9へ熱を輸送するために、HPPF13を熱が通過する必要がある。 In this embodiment, the region where the HPPF 13 (first nuclear fuel section) is arranged constitutes a high reactivity fuel region, and the region where the main fuel section 14 (second nuclear fuel section) is arranged constitutes a low reactivity fuel region. . When the nuclear reactor 2 becomes critical and the fuel generates heat, the power density (calorific value) of the HPPF 13 becomes higher than the power density (calorific value) of the main fuel section 14 . This is due to the high concentration of fissile material. Since the HPPF 13 is closer to the main heat pipe 9 than the main fuel section 14, heat needs to pass through the HPPF 13 in order to transport heat from the main fuel section 14 to the main heat pipe 9.

本実施形態では、主燃料部14の核分裂物質の濃度をHPPF13よりも低くし、主燃料部14の出力をHPPF13の出力よりも小さくしている。そのため、HPPF13において、メインヒートパイプ9に接する面と、主燃料部14に接する面の間の温度差を小さくしても、所定の熱量をメインヒートパイプ9に輸送できる。 In this embodiment, the concentration of fissile material in the main fuel part 14 is lower than that of the HPPF 13, and the output of the main fuel part 14 is made smaller than the output of the HPPF 13. Therefore, in the HPPF 13, even if the temperature difference between the surface in contact with the main heat pipe 9 and the surface in contact with the main fuel section 14 is reduced, a predetermined amount of heat can be transported to the main heat pipe 9.

原子炉2の全体で発生させる出力が同一である場合には、核分裂物質の濃度が低い第2核燃料部をメインヒートパイプ9の近傍に設けるよりも、核分裂物質の濃度が高い第1核燃料部をメインヒートパイプ9の近傍に設けることの方が、炉心5の最高温度を抑制することができる。そしで、炉心5の内部の偏在的な温度上昇を抑制し、核燃料全体を充分に燃焼させることができる。その結果、炉心出力を高めることができる。 If the output generated by the entire reactor 2 is the same, it is better to install the first nuclear fuel section with a higher concentration of fissile material than to provide the second nuclear fuel section with a lower concentration of fissile material near the main heat pipe 9. By providing it near the main heat pipe 9, the maximum temperature of the reactor core 5 can be suppressed. Therefore, uneven temperature rise inside the reactor core 5 can be suppressed, and the entire nuclear fuel can be sufficiently combusted. As a result, core power can be increased.

減速材ユニット11は、金属水素化物としての水素化カルシウムで形成されている。このようにすれば、中性子を効率的に減速させることができるため、原子炉2の小型化を図ることができる。なお、減速材ユニット11は、金属水素化物のみで形成されても良いし、金属水素化物以外の物質が含まれていても良い。また、減速材ユニット11は、熱膨張し難いセラミックスとして形成されても良い。 The moderator unit 11 is made of calcium hydride as a metal hydride. In this way, the neutrons can be efficiently slowed down, so the nuclear reactor 2 can be made smaller. Note that the moderator unit 11 may be formed only of metal hydride, or may contain a substance other than metal hydride. Moreover, the moderator unit 11 may be formed of ceramics that are difficult to thermally expand.

なお、水素化カルシウム以外の金属水素化物で減速材ユニット11を形成しても良い。例えば、減速材ユニット11を、水素化イットリウム、水素化ランタン、水素化ジルコニウム、水素化プラセオジウムなどの金属水素化物で形成しても良い。 Note that the moderator unit 11 may be formed of a metal hydride other than calcium hydride. For example, the moderator unit 11 may be formed of a metal hydride such as yttrium hydride, lanthanum hydride, zirconium hydride, praseodymium hydride, or the like.

図3に示すように、主燃料部14がメインヒートパイプ9を挟む2つの部材に分割されている。さらに、HPPF13がメインヒートパイプ9を挟む2つの部材に分割されている。つまり、平面視で正六角形を成す核燃料ユニット10は、その中心を通る1本の対角線を境界として分割されている。このようにすれば、核燃料ユニット10をメインヒートパイプ9に密接させることができるため、核燃料ユニット10からメインヒートパイプに熱が伝わり易くなる。 As shown in FIG. 3, the main fuel section 14 is divided into two members sandwiching the main heat pipe 9. Furthermore, the HPPF 13 is divided into two members sandwiching the main heat pipe 9. That is, the nuclear fuel unit 10, which has a regular hexagonal shape when viewed from above, is divided into parts with one diagonal line passing through the center as a boundary. In this way, the nuclear fuel unit 10 can be brought into close contact with the main heat pipe 9, making it easier for heat to be transferred from the nuclear fuel unit 10 to the main heat pipe.

例えば、核燃料ユニット10を分割せずに、メインヒートパイプ9を通す孔を開けるのみとすると、メインヒートパイプ9を挿入するために、孔の内径をメインヒートパイプ9の直径よりも大きくする必要がある。そのため、核燃料ユニット10の内周面とメインヒートパイプ9の外周面との間にギャップが生じて接触熱抵抗が高まるおそれがある。これに対して本実施形態では、核燃料ユニット10が分割されていることで、孔の内径をメインヒートパイプ9の直径と同一にすることができる。そのため、核燃料ユニット10をメインヒートパイプ9に密接させることができ、接触熱抵抗を低減させることができる。 For example, if the nuclear fuel unit 10 is not divided and only a hole is made for the main heat pipe 9 to pass through, the inner diameter of the hole needs to be larger than the diameter of the main heat pipe 9 in order to insert the main heat pipe 9. be. Therefore, there is a possibility that a gap may occur between the inner circumferential surface of the nuclear fuel unit 10 and the outer circumferential surface of the main heat pipe 9, resulting in an increase in contact thermal resistance. In contrast, in this embodiment, the nuclear fuel unit 10 is divided, so that the inner diameter of the hole can be made the same as the diameter of the main heat pipe 9. Therefore, the nuclear fuel unit 10 can be brought into close contact with the main heat pipe 9, and contact thermal resistance can be reduced.

なお、分割された核燃料ユニット10を互いに固定する固定器具(図示略)を設けても良い。そして、核燃料ユニット10がメインヒートパイプ9を挟んだ状態で固定されるようにする。このようにすれば、固定器具で核燃料ユニット10をメインヒートパイプ9に密着させることができる。 Note that a fixing device (not shown) may be provided to fix the divided nuclear fuel units 10 to each other. Then, the nuclear fuel unit 10 is fixed with the main heat pipe 9 sandwiched therebetween. In this way, the nuclear fuel unit 10 can be brought into close contact with the main heat pipe 9 using the fixing device.

また、核燃料ユニット10におけるメインヒートパイプ9に接触する面は、メインヒートパイプ9の外面に適合する形状となっている。本実施形態では、主燃料部14におけるメインヒートパイプ9に接する側面が半円形状に切り欠かれており、その切り欠かれた部分に、メインヒートパイプ9の外面に接する円筒形状のHPPF13が設けられている。つまり、主燃料部14におけるメインヒートパイプ9に接触する面がメインヒートパイプ9の外面に適合する形状となっている。さらに、HPPF13の内径は、メインヒートパイプ9の外径と同一であるため、HPPF13の内周面がメインヒートパイプ9の外周面に適合する形状となっている。このようにすれば、核燃料ユニット10とメインヒートパイプ9との間の接触熱抵抗を低減させることができる。 Further, the surface of the nuclear fuel unit 10 that comes into contact with the main heat pipe 9 has a shape that matches the outer surface of the main heat pipe 9. In this embodiment, the side surface of the main fuel part 14 that is in contact with the main heat pipe 9 is cut out in a semicircular shape, and a cylindrical HPPF 13 that is in contact with the outer surface of the main heat pipe 9 is provided in the cutout part. It is being In other words, the surface of the main fuel portion 14 that contacts the main heat pipe 9 has a shape that matches the outer surface of the main heat pipe 9. Furthermore, since the inner diameter of the HPPF 13 is the same as the outer diameter of the main heat pipe 9, the inner peripheral surface of the HPPF 13 has a shape that matches the outer peripheral surface of the main heat pipe 9. In this way, the contact thermal resistance between the nuclear fuel unit 10 and the main heat pipe 9 can be reduced.

また、減速材ユニット11がメインヒートパイプ9を挟む2つの部材に分割されている。つまり、平面視で正六角形を成す減速材ユニット11は、その中心を通る1本の対角線を境界として分割されている。さらに、減速材ユニット11におけるメインヒートパイプ9に接触する面は、メインヒートパイプ9の外面に適合する形状となっている。 Further, the moderator unit 11 is divided into two members sandwiching the main heat pipe 9. In other words, the moderator unit 11, which has a regular hexagonal shape in plan view, is divided into sections with one diagonal line passing through the center as a boundary. Furthermore, the surface of the moderator unit 11 that comes into contact with the main heat pipe 9 has a shape that matches the outer surface of the main heat pipe 9.

なお、分割された減速材ユニット11を互いに固定する固定器具(図示略)を設けても良い。そして、減速材ユニット11がメインヒートパイプ9を挟んだ状態で固定されるようにする。このようにすれば、固定器具で減速材ユニット11をメインヒートパイプ9に密着させることができる。 Note that a fixing device (not shown) may be provided to fix the divided moderator units 11 to each other. Then, the moderator unit 11 is fixed with the main heat pipe 9 sandwiched therebetween. In this way, the moderator unit 11 can be brought into close contact with the main heat pipe 9 using the fixing device.

さらに、熱拡散層12についても、2つの部材に分割されている。なお、熱拡散層12は、核燃料ユニット10の上面または下面と同一面積となっている。つまり、熱拡散層12は、HPPF13と主燃料部14の両方に接触している。また、熱拡散層12は、減速材ユニット11の上面または下面と同一面積となっている。そして、熱拡散層12は、減速材ユニット11の上面または下面の全面に接触している。 Furthermore, the heat diffusion layer 12 is also divided into two members. Note that the heat diffusion layer 12 has the same area as the upper surface or lower surface of the nuclear fuel unit 10. That is, the heat diffusion layer 12 is in contact with both the HPPF 13 and the main fuel section 14. Further, the heat diffusion layer 12 has the same area as the upper surface or lower surface of the moderator unit 11. The heat diffusion layer 12 is in contact with the entire top or bottom surface of the moderator unit 11.

熱拡散層12は、核燃料ユニット10または減速材ユニット11と比較して熱伝導率が大幅に大きな材料で形成されている。例えば、熱拡散層12を、グラファイトシートで形成しても良い。このようにすれば、熱拡散層12による除熱効率を高めつつ、熱拡散層12を薄く形成することができる。また、熱拡散層12を、平板状を成すサブヒートパイプで形成しても良い。なお、サブヒートパイプとは、メインヒートパイプ9と同様に、作動流体(作動液)を用いて熱を移動させるデバイスであって、薄型のヒートパイプである。このようにすれば、大量の熱を核燃料ユニット10からメインヒートパイプ9に伝達させることができる。 The thermal diffusion layer 12 is made of a material having significantly higher thermal conductivity than the nuclear fuel unit 10 or the moderator unit 11. For example, the heat diffusion layer 12 may be formed of a graphite sheet. In this way, the heat diffusion layer 12 can be formed thin while increasing the heat removal efficiency by the heat diffusion layer 12. Further, the heat diffusion layer 12 may be formed by a sub-heat pipe having a flat plate shape. Note that, like the main heat pipe 9, the sub heat pipe is a thin heat pipe that is a device that transfers heat using a working fluid. In this way, a large amount of heat can be transferred from the nuclear fuel unit 10 to the main heat pipe 9.

なお、熱拡散層12の一部をグラファイトシートで形成し、他の部分をサブヒートパイプで形成しても良い。例えば、グラファイトシートとサブヒートパイプを並べて設けても良いし、グラファイトシートとサブヒートパイプを積層して設けても良い。また、グラファイトシートまたはサブヒートパイプ以外の材料でも熱拡散層12を形成できるため、熱拡散層12の材料は本実施形態に限定されるものではない。 Note that a part of the heat diffusion layer 12 may be formed of a graphite sheet, and the other part may be formed of a sub-heat pipe. For example, a graphite sheet and a sub-heat pipe may be provided side by side, or a graphite sheet and a sub-heat pipe may be provided in a stacked manner. Further, since the heat diffusion layer 12 can be formed using a material other than a graphite sheet or a sub-heat pipe, the material of the heat diffusion layer 12 is not limited to that of this embodiment.

図7に示すように、核燃料ユニット10の上面および下面に熱拡散層12が接触されている。 As shown in FIG. 7, a heat diffusion layer 12 is in contact with the upper and lower surfaces of the nuclear fuel unit 10.

核燃料ユニット10では、基本的に固体熱伝導、即ち固体内の温度差によって熱15がメインヒートパイプ9へ輸送される。仮に、熱拡散層12の場合を想定すると、核燃料ユニット10の内部において、メインヒートパイプ9の近傍では温度が低く、メインヒートパイプ9から距離が離れるほど温度が高くなる。 In the nuclear fuel unit 10, heat 15 is basically transported to the main heat pipe 9 by solid state heat conduction, that is, by temperature differences within the solid state. Assuming the case of the heat diffusion layer 12, inside the nuclear fuel unit 10, the temperature is low near the main heat pipe 9, and the temperature increases as the distance from the main heat pipe 9 increases.

そこで、本実施形態では、熱拡散層12を設けるようにし、核燃料ユニット10の外縁部の高温領域から核燃料ユニット10のメインヒートパイプ9の近傍の低温領域へと熱拡散層12を通じて熱15を輸送する。このようにすれば、核燃料ユニット10の全体の温度の均一化を図ることができる。そして、核燃料ユニット10の内部の偏在的な温度上昇を抑制し、核燃料ユニット10の全体を充分に燃焼させることができる。その結果、炉心出力を高めることができる。 Therefore, in this embodiment, the heat diffusion layer 12 is provided, and the heat 15 is transported from the high temperature region at the outer edge of the nuclear fuel unit 10 to the low temperature region near the main heat pipe 9 of the nuclear fuel unit 10 through the heat diffusion layer 12. do. In this way, the temperature of the entire nuclear fuel unit 10 can be made uniform. Then, uneven temperature rise inside the nuclear fuel unit 10 can be suppressed, and the entire nuclear fuel unit 10 can be sufficiently combusted. As a result, core power can be increased.

熱拡散層12には、銅のような均一に高い熱伝導率を持つものよりも、グラファイトシートまたはサブヒートパイプのように所定の方向に対しては大きな熱伝導率を持つが、他の方向にはそのような熱伝導率を持たないものが望ましい。 The heat diffusion layer 12 is made of a material such as a graphite sheet or a sub-heat pipe, which has a high thermal conductivity in a certain direction, but has a high thermal conductivity in other directions, rather than a material such as copper, which has a uniformly high thermal conductivity. It is desirable to have a material that does not have such thermal conductivity.

例えば、図8に示すように、熱拡散層12にグラファイトシートを用いた場合について説明する。グラファイトシートには、シートが広がる方向である水平方向16に対して1000W/mK以上の熱伝導率を有し、厚み方向である垂直方向17に対して30~100W/mK程度の熱伝導率しか有さないものがある。このように、熱輸送の方向に指向性のあるグラファイトシートを熱拡散層12に用いることで、核燃料ユニット10から減速材ユニット11への伝熱を阻害することができる。そして、核燃料ユニット10において、その外縁部からメインヒートパイプ9の近傍の低温領域まで熱を輸送することができる。 For example, as shown in FIG. 8, a case will be described in which a graphite sheet is used for the heat diffusion layer 12. Graphite sheets have a thermal conductivity of 1000 W/mK or more in the horizontal direction 16, which is the direction in which the sheet spreads, and a thermal conductivity of only about 30 to 100 W/mK in the vertical direction 17, which is the thickness direction. There are things you don't have. In this way, by using a graphite sheet oriented in the direction of heat transport for the heat diffusion layer 12, heat transfer from the nuclear fuel unit 10 to the moderator unit 11 can be inhibited. Heat can then be transported from the outer edge of the nuclear fuel unit 10 to the low temperature region near the main heat pipe 9.

図9から図10に示すように、変形例1の熱拡散層12Aは、接触部18と拡張部19とリブ20とを備える。 As shown in FIGS. 9 and 10, the heat diffusion layer 12A of Modification 1 includes a contact portion 18, an extended portion 19, and a rib 20. As shown in FIGS.

接触部18は、核燃料ユニット10および減速材ユニット11に接触する部分である。この接触部18は、核燃料ユニット10と減速材ユニット11の間に挟み込まれる。 The contact portion 18 is a portion that contacts the nuclear fuel unit 10 and the moderator unit 11. This contact portion 18 is sandwiched between the nuclear fuel unit 10 and the moderator unit 11.

拡張部19は、メインヒートパイプ9と減速材ユニット11の間まで拡張された部分である。この拡張部19は、メインヒートパイプ9と減速材ユニット11の境界面に設けられる。つまり、拡張部19は、メインヒートパイプ9と減速材ユニット11の間に挟み込まれる。このようにすれば、メインヒートパイプ9に熱拡散層12Aが接触される面積を拡張することができる。そのため、熱拡散層12Aからメインヒートパイプ9に熱を移動させる効率を向上させることができる。 The expanded portion 19 is a portion that extends between the main heat pipe 9 and the moderator unit 11. This expanded portion 19 is provided at the interface between the main heat pipe 9 and the moderator unit 11. That is, the extended portion 19 is sandwiched between the main heat pipe 9 and the moderator unit 11. In this way, the area where the heat diffusion layer 12A is in contact with the main heat pipe 9 can be expanded. Therefore, the efficiency of transferring heat from the heat diffusion layer 12A to the main heat pipe 9 can be improved.

リブ20は、核燃料ユニット10から離れる方向に向かって延びるとともにメインヒートパイプ9に向かって延びる部分である。このリブ20は、分割された減速材ユニット11の2つの部材の間に挟み込まれる。このようにすれば、リブ20を介して熱をメインヒートパイプ9に向かって効率的に移動させることができる。 The rib 20 is a portion that extends away from the nuclear fuel unit 10 and toward the main heat pipe 9 . This rib 20 is sandwiched between two members of the divided moderator unit 11. In this way, heat can be efficiently transferred toward the main heat pipe 9 via the ribs 20.

減速材ユニット11は発熱しないため、この減速材ユニット11に挟まれたリブ20は、減速材ユニット11から熱を受け取ることがない。そのため、核燃料ユニット10から熱拡散層12Aに入り込んだ熱をリブ20により輸送する場合には、接触部18で熱を輸送する場合と比較して効率的に熱を輸送することができる。つまり、発熱している核燃料ユニット10から離れる方向に、リブ20を用いて多くの熱を輸送することができる。 Since the moderator unit 11 does not generate heat, the ribs 20 sandwiched between the moderator unit 11 do not receive heat from the moderator unit 11. Therefore, when the heat that has entered the heat diffusion layer 12A from the nuclear fuel unit 10 is transported by the ribs 20, the heat can be transported more efficiently than when the heat is transported by the contact portion 18. In other words, a large amount of heat can be transported using the ribs 20 in a direction away from the nuclear fuel unit 10 that is generating heat.

なお、拡張部19またはリブ20の形状または寸法は、様々な態様が考えられるため、本変形例1に限定されるものではない。さらに、リブ20を外方に向かって延長し、このリブ20を、分割された核燃料ユニット10または減速材ユニット11を固定する固定器具の一部として用いても良い。 Note that the shape or dimensions of the extended portion 19 or the rib 20 are not limited to this first modification, since various aspects can be considered. Furthermore, the ribs 20 may be extended outward and used as part of a fixing device for fixing the divided nuclear fuel unit 10 or moderator unit 11.

図11に示すように、変形例2では、減速材ユニット11と熱拡散層12の間に断熱部21が設けられている。この断熱部21は、核燃料ユニット10の熱を減速材ユニット11に伝わり難くするものである。このようにすれば、核燃料ユニット10から熱拡散層12に伝わった熱が、熱拡散層12から減速材ユニット11に伝わってしまうことを抑制することができる。そのため、熱拡散層12を用いてメインヒートパイプ9に熱を効率的に伝えることができる。 As shown in FIG. 11, in the second modification, a heat insulating section 21 is provided between the moderator unit 11 and the heat diffusion layer 12. This heat insulating section 21 makes it difficult for the heat of the nuclear fuel unit 10 to be transmitted to the moderator unit 11. In this way, it is possible to suppress the heat transmitted from the nuclear fuel unit 10 to the thermal diffusion layer 12 from being transmitted from the thermal diffusion layer 12 to the moderator unit 11. Therefore, heat can be efficiently transferred to the main heat pipe 9 using the heat diffusion layer 12.

本変形例2の断熱部21は、平板状の断熱材で形成される。例えば、グラスウールなどの断熱材を用いて断熱部21を形成しても良い。また、内部を真空にした真空容器を平板状に形成して断熱部21としても良い。 The heat insulating portion 21 of the second modification is formed of a flat heat insulating material. For example, the heat insulating portion 21 may be formed using a heat insulating material such as glass wool. Alternatively, the heat insulating section 21 may be formed by forming a vacuum container whose inside is evacuated into a flat plate shape.

なお、断熱部21は、核燃料ユニット10の熱を減速材ユニット11に伝わり難くするものであれば、その他の態様でも良い。例えば、減速材ユニット11と熱拡散層12の間にギャップを設けるようにし、このギャップを断熱部21としても良い。 Note that the heat insulating section 21 may have other forms as long as it makes it difficult for the heat of the nuclear fuel unit 10 to be transmitted to the moderator unit 11. For example, a gap may be provided between the moderator unit 11 and the heat diffusion layer 12, and this gap may be used as the heat insulating section 21.

図12に示すように、変形例3では、ユーロピウム(Eu)とカドミウム(Cd)の少なくともいずれか一方を含む金属箔22が、核燃料ユニット10と減速材ユニット11の間に設けられている。本変形例3では、2枚の金属箔22が、熱拡散層12を挟むようにして、その上面と下面に設けられている。このようにすれば、熱拡散層12の構成を変更せずに、ユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を炉心内に配置することができる。ユーロピウムとカドミウムは、大きな吸収断面積を有しているため、熱拡散層12よりも薄く金属箔22を形成しても良い。 As shown in FIG. 12, in Modification 3, a metal foil 22 containing at least one of europium (Eu) and cadmium (Cd) is provided between the nuclear fuel unit 10 and the moderator unit 11. In this modification 3, two metal foils 22 are provided on the upper and lower surfaces of the heat diffusion layer 12 so as to sandwich the same. In this way, at least one of europium and cadmium can be placed in the reactor core without changing the configuration of the thermal diffusion layer 12. Since europium and cadmium have a large absorption cross section, the metal foil 22 may be formed thinner than the heat diffusion layer 12.

なお、金属箔22は、ユーロピウムまたはカドミウムのいずれか一方が含まれたものでも良いし、これらの両方が含まれたものでも良い。さらに、金属箔22は、ユーロピウムの酸化物またはカドミウムの酸化物のいずれか一方が含まれたものでも良いし、これらの両方が含まれたものでも良い。 Note that the metal foil 22 may contain either europium or cadmium, or may contain both of these. Furthermore, the metal foil 22 may contain either europium oxide or cadmium oxide, or may contain both of these.

なお、熱拡散層12がサブヒートパイプで構成される場合には、サブヒートパイプをユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む材料で形成すれば良い。このようにすれば、サブヒートパイプを用いてユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を炉心内に配置することができる。 Note that when the heat diffusion layer 12 is constituted by a sub-heat pipe, the sub-heat pipe may be formed of a material containing at least one of europium and cadmium. In this way, at least one of europium and cadmium can be placed in the reactor core using the subheat pipe.

また、熱拡散層12がグラファイトシートまたは他の金属材料で構成される場合には、熱拡散層12自体にユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を添加しても良い。 Further, when the heat diffusion layer 12 is made of a graphite sheet or other metal material, at least one of europium and cadmium may be added to the heat diffusion layer 12 itself.

図13に示すように、変形例4では、ユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む金属構造材23,24が設けられている。なお、金属構造材23,24は、ユーロピウムの酸化物またはカドミウムの酸化物の少なくともいずれか一方を含むものでも良い。 As shown in FIG. 13, in Modification 4, metal structural members 23 and 24 containing at least one of europium and cadmium are provided. Note that the metal structural members 23 and 24 may contain at least one of europium oxide and cadmium oxide.

本変形例4では、核燃料ユニット10または減速材ユニット11の側面に設けられている。例えば、減速材ユニット11の側面を取り囲むように板状を成す金属構造材23が設けられている。 In this modification 4, it is provided on the side surface of the nuclear fuel unit 10 or the moderator unit 11. For example, a plate-shaped metal structural member 23 is provided to surround the side surface of the moderator unit 11.

また、炉心5の内部において、メインヒートパイプ9の軸方向の上端側と下端側には、核燃料ユニット10が設けられている。そして、最上端の核燃料ユニット10の上面と最下端の核燃料ユニット10の下面には、平板状を成す金属構造材24が設けられている。つまり、中性子反射部6(図1)に近接する位置に金属構造材24が設けられている。 Further, inside the reactor core 5, nuclear fuel units 10 are provided at the upper and lower ends of the main heat pipe 9 in the axial direction. A flat metal structural member 24 is provided on the upper surface of the uppermost nuclear fuel unit 10 and the lower surface of the lowermost nuclear fuel unit 10. That is, the metal structural member 24 is provided at a position close to the neutron reflecting section 6 (FIG. 1).

図14は、横軸に運転温度を取り、縦軸に温度反応度係数を取ったグラフである。このグラフに示すように、炉心5の内部にユーロピウム(Eu)とカドミウム(Cd)の少なくともいずれか一方を設けることで、炉心5の温度反応度を負側に改善できる。特に、運転温度以上の高温域で負となる温度反応度を持つ炉心を構成することができる。 FIG. 14 is a graph in which the horizontal axis represents the operating temperature and the vertical axis represents the temperature reactivity coefficient. As shown in this graph, by providing at least one of europium (Eu) and cadmium (Cd) inside the core 5, the temperature reactivity of the core 5 can be improved to the negative side. In particular, it is possible to construct a core that has a negative temperature reactivity in a high temperature range above the operating temperature.

水素化カルシウムを減速材ユニット11として用いた炉心5において、熱拡散層12にEuを添加した場合とEuを添加しなかった場合の温度反応度係数Cを示す。この温度反応度係数Cは、以下の数式1で示される。ここで、ρT1およびρT2は、炉心温度Tおよび炉心温度Tの反応度である。 In the core 5 using calcium hydride as the moderator unit 11, the temperature reactivity coefficient C is shown when Eu is added to the thermal diffusion layer 12 and when Eu is not added. This temperature reactivity coefficient C is expressed by the following equation 1. Here, ρT1 and ρT2 are the reactivity of the core temperature T 1 and the core temperature T 2 .

Figure 0007374844000001
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図14に示すように、Euを熱拡散層12に添加すると、800Kより高温のときに温度反応度係数Cがより負側になっていることが分かる。つまり、Euを添加した場合には、Euを添加しない場合と比較して、運転温度の領域で炉心5の制御性が良くなることが分かる。 As shown in FIG. 14, it can be seen that when Eu is added to the heat diffusion layer 12, the temperature reactivity coefficient C becomes more negative when the temperature is higher than 800K. In other words, it can be seen that when Eu is added, the controllability of the core 5 is improved in the operating temperature range, compared to when Eu is not added.

この効果は、減速材ユニット11における熱中性子のスペクトル変化に伴って、Euなどの共鳴における中性子吸収量が増加することが主な要因となっている。なお、Cdを熱拡散層12に添加した場合についても、図14のグラフと同様の結果となるため、Euと同じ効果を得ることができる。 This effect is mainly caused by an increase in the amount of neutron absorption in resonances such as Eu due to changes in the spectrum of thermal neutrons in the moderator unit 11. Note that even when Cd is added to the thermal diffusion layer 12, the same results as the graph of FIG. 14 are obtained, so the same effect as Eu can be obtained.

従って、EuまたはCdなどを炉心5に設ける場合に、EuまたはCdを設ける位置は、減速材ユニット11に近い方が良い。例えば、減速材ユニット11に隣接している熱拡散層12、熱拡散層12に近接する位置、減速材ユニット11の側面にEuまたはCdを設けると良い。 Therefore, when Eu, Cd, or the like is provided in the reactor core 5, it is better to provide the Eu or Cd at a position closer to the moderator unit 11. For example, Eu or Cd may be provided on the heat diffusion layer 12 adjacent to the moderator unit 11, at a position close to the heat diffusion layer 12, or on the side surface of the moderator unit 11.

さらに、中性子反射部6(図1)の反射により中性子のインポータンスが高くなっている位置であって、最上端の核燃料ユニット10の上面と最下端の核燃料ユニット10の下面に(図13)、EuまたはCdを設けることで、その反応度価値を高めることができる。 Furthermore, Eu Alternatively, by providing Cd, the reactivity value can be increased.

次に、原子炉2の除熱方法について図15のフローチャートを用いて説明する。この原子炉2の動作によって受動的に生じる作用効果を含めて説明する。なお、前述の図面を適宜参照する。 Next, a heat removal method for the nuclear reactor 2 will be explained using the flowchart of FIG. 15. A description will be given including the effects passively produced by the operation of the nuclear reactor 2. Note that the above-mentioned drawings will be referred to as appropriate.

まず、ステップS11において、核燃料ユニット10に含まれる核燃料物質の核分裂反応により熱が発生する。 First, in step S11, heat is generated by a fission reaction of the nuclear fuel material contained in the nuclear fuel unit 10.

次のステップS12において、核分裂反応により発生した中性子が減速材ユニット11により減速される。減速された中性子により核燃料ユニット10の核分裂反応が連鎖的に引き起こされる。 In the next step S12, the neutrons generated by the nuclear fission reaction are moderated by the moderator unit 11. The decelerated neutrons cause a chain reaction of nuclear fission in the nuclear fuel unit 10.

次のステップS13において、核燃料ユニット10の熱が熱拡散層12に移動される。さらに、熱拡散層12により核燃料ユニット10の熱をメインヒートパイプ9に向けて移動させる。 In the next step S13, the heat of the nuclear fuel unit 10 is transferred to the heat diffusion layer 12. Furthermore, the heat of the nuclear fuel unit 10 is transferred toward the main heat pipe 9 by the heat diffusion layer 12 .

次のステップS14において、メインヒートパイプ9により炉心5の熱が、炉心5の外部の発電装置3に移動される。 In the next step S14, the heat of the reactor core 5 is transferred to the power generation device 3 outside the reactor core 5 by the main heat pipe 9.

次のステップS15において、発電装置3は、メインヒートパイプ9により移動された熱により発電を行う。 In the next step S15, the power generation device 3 generates power using the heat transferred by the main heat pipe 9.

次のステップS16において、発電装置3で発電に用いられた熱がラジエータ4に移動される。そして、ラジエータ4により放熱される。 In the next step S16, the heat used for power generation by the power generation device 3 is transferred to the radiator 4. The heat is then radiated by the radiator 4.

なお、本実施形態では、炉心5から熱を移動させるデバイスとして、作動流体を封入したメインヒートパイプ9を例示しているが、その他の態様のヒートパイプ(除熱部)を用いても良い。例えば、内部に空洞を有さない中実のヒートパイプを用いても良い。さらに、ヒートポンプ式の除熱装置を用いて炉心から熱を移動させても良い。 In this embodiment, the main heat pipe 9 filled with working fluid is exemplified as a device for transferring heat from the reactor core 5, but other types of heat pipes (heat removal sections) may be used. For example, a solid heat pipe with no internal cavity may be used. Furthermore, heat may be transferred from the core using a heat pump type heat removal device.

なお、本実施形態では、核燃料ユニット10、減速材ユニット11、熱拡散層12のそれぞれが、メインヒートパイプ9を挟む少なくとも2つの部材に分割されているが、その他の態様であっても良い。例えば、これらが3つ以上の部材に分割されても良い。さらに、本実施形態の「メインヒートパイプ9を挟む」という用語は、「メインヒートパイプ9を取り囲む」という意味を含む。 In addition, in this embodiment, each of the nuclear fuel unit 10, the moderator unit 11, and the heat diffusion layer 12 is divided into at least two members sandwiching the main heat pipe 9, but other aspects may be used. For example, these may be divided into three or more members. Furthermore, the term "sandwiching the main heat pipe 9" in this embodiment includes the meaning of "surrounding the main heat pipe 9."

なお、本実施形態では、核燃料ユニット10が、核分裂物質の濃度が互いに異なるHPPF13と主燃料部14とを備えているが、その他の態様であっても良い。例えば、HPPF13の構成を省略し、主燃料部14のみで核燃料ユニット10を構成しても良い。 In this embodiment, the nuclear fuel unit 10 includes the HPPF 13 and the main fuel section 14, which have different concentrations of fissile material, but other embodiments may be used. For example, the configuration of the HPPF 13 may be omitted and the nuclear fuel unit 10 may be configured only with the main fuel section 14.

以上説明した実施形態によれば、核燃料ユニットと減速材ユニットとの間に設けられ、核燃料ユニットの熱をメインヒートパイプに向けて移動させる熱拡散層を備えることにより、ヒートパイプによる除熱効率を高めて炉心の出力を向上させることができる。 According to the embodiment described above, by providing the heat diffusion layer that is provided between the nuclear fuel unit and the moderator unit and moves the heat of the nuclear fuel unit toward the main heat pipe, the heat removal efficiency by the heat pipe is increased. It is possible to improve the output of the reactor core.

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、組み合わせ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同様に、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ものである。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, changes, and combinations can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

1…原子力発電システム、2…原子炉、3…発電装置、4…ラジエータ、5…炉心、6…中性子反射部、7…遮蔽部、8…安全棒、9…メインヒートパイプ、10…核燃料ユニット、11…減速材ユニット、12(12A)…熱拡散層、13…HPPF、14…主燃料部、15…熱、16…水平方向、17…垂直方向、18…接触部、19…拡張部、20…リブ、21…断熱部、22…金属箔、23,24…金属構造材。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1...Nuclear power generation system, 2...Nuclear reactor, 3...Power generator, 4...Radiator, 5...Reactor core, 6...Neutron reflecting part, 7...Shielding part, 8...Safety rod, 9...Main heat pipe, 10...Nuclear fuel unit , 11... Moderator unit, 12 (12A)... Heat diffusion layer, 13... HPPF, 14... Main fuel part, 15... Heat, 16... Horizontal direction, 17... Vertical direction, 18... Contact part, 19... Expansion part, 20... Rib, 21... Heat insulation part, 22... Metal foil, 23, 24... Metal structural material.

Claims (15)

炉心内の熱を炉心外に移動させる棒状を成すメインヒートパイプと、
前記メインヒートパイプの周囲に配置され、核分裂反応により熱を発生させる核燃料ユニットと、
前記メインヒートパイプの周囲に配置され、かつ前記メインヒートパイプの軸方向に沿って前記核燃料ユニットに隣接して並び、中性子を減速させる減速材ユニットと、
前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられ、前記核燃料ユニットの熱を前記メインヒートパイプに向けて移動させる熱拡散層と、
を備える、
原子炉。
A rod-shaped main heat pipe that transfers heat within the reactor core to the outside of the reactor core;
a nuclear fuel unit disposed around the main heat pipe and generating heat through a nuclear fission reaction;
a moderator unit arranged around the main heat pipe and arranged adjacent to the nuclear fuel unit along the axial direction of the main heat pipe and moderating neutrons;
a heat diffusion layer that is provided between the nuclear fuel unit and the moderator unit and moves heat of the nuclear fuel unit toward the main heat pipe;
Equipped with
Reactor.
前記熱拡散層の少なくとも一部がグラファイトシートである、
請求項1に記載の原子炉。
At least a portion of the heat diffusion layer is a graphite sheet.
A nuclear reactor according to claim 1.
前記熱拡散層の少なくとも一部が平板状を成すサブヒートパイプである、
請求項1または請求項2に記載の原子炉。
At least a portion of the heat diffusion layer is a sub-heat pipe having a flat plate shape.
The nuclear reactor according to claim 1 or claim 2.
前記サブヒートパイプがユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む材料で形成されている、
請求項3に記載の原子炉。
The sub-heat pipe is made of a material containing at least one of europium and cadmium.
The nuclear reactor according to claim 3.
前記熱拡散層がユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の原子炉。
The heat diffusion layer contains at least one of europium and cadmium.
The nuclear reactor according to any one of claims 1 to 4.
前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられ、ユーロピウムとカドミウムの少なくともいずれか一方を含む金属箔を備える、
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の原子炉。
A metal foil is provided between the nuclear fuel unit and the moderator unit and includes at least one of europium and cadmium.
The nuclear reactor according to any one of claims 1 to 5.
前記減速材ユニットと前記熱拡散層との間に設けられ、前記核燃料ユニットの熱を前記減速材ユニットに伝わり難くする断熱部を備える、
請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の原子炉。
A heat insulating section is provided between the moderator unit and the heat diffusion layer and makes it difficult for the heat of the nuclear fuel unit to be transmitted to the moderator unit.
A nuclear reactor according to any one of claims 1 to 6.
前記熱拡散層は、前記メインヒートパイプと前記減速材ユニットとの間まで拡張される拡張部を備える、
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の原子炉。
The heat diffusion layer includes an extension part extending between the main heat pipe and the moderator unit.
The nuclear reactor according to any one of claims 1 to 7.
前記熱拡散層は、前記核燃料ユニットから離れる方向に向かって延びるとともに前記メインヒートパイプに向かって延びるリブを備える、
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の原子炉。
The heat diffusion layer includes a rib extending away from the nuclear fuel unit and toward the main heat pipe.
The nuclear reactor according to any one of claims 1 to 8.
前記核燃料ユニットが前記メインヒートパイプを挟む少なくとも2つの部材に分割されている、
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の原子炉。
the nuclear fuel unit is divided into at least two members sandwiching the main heat pipe;
The nuclear reactor according to any one of claims 1 to 9.
前記核燃料ユニットにおける前記メインヒートパイプに接触する面が前記メインヒートパイプの外面に適合する形状となっている、
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の原子炉。
A surface of the nuclear fuel unit that contacts the main heat pipe has a shape that matches the outer surface of the main heat pipe.
A nuclear reactor according to any one of claims 1 to 10.
前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとが前記メインヒートパイプの軸方向に沿って交互に並んで配置されている、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の原子炉。
The nuclear fuel unit and the moderator unit are arranged alternately along the axial direction of the main heat pipe,
A nuclear reactor according to any one of claims 1 to 11.
前記核燃料ユニットは、
第1濃度の核分裂物質を含む第1核燃料部と、
前記第1核燃料部よりも前記メインヒートパイプから離れて配置され、前記第1濃度よりも低い第2濃度の前記核分裂物質を含む第2核燃料部と、
を備える、
請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の原子炉。
The nuclear fuel unit is
a first nuclear fuel section containing a first concentration of fissile material;
a second nuclear fuel section that is disposed further from the main heat pipe than the first nuclear fuel section and includes the fissile material at a second concentration lower than the first concentration;
Equipped with
A nuclear reactor according to any one of claims 1 to 12.
前記減速材ユニットが金属水素化物を含む、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の原子炉。
the moderator unit includes a metal hydride;
A nuclear reactor according to any one of claims 1 to 13.
棒状を成すメインヒートパイプの周囲に配置された核燃料ユニットの核分裂反応により熱を発生させるステップと、
前記メインヒートパイプの周囲に配置され、かつ前記メインヒートパイプの軸方向に沿って前記核燃料ユニットに隣接して並ぶ減速材ユニットにより中性子を減速させるステップと、
前記核燃料ユニットと前記減速材ユニットとの間に設けられた熱拡散層により前記核燃料ユニットの熱を前記メインヒートパイプに向けて移動させるステップと、
前記メインヒートパイプにより炉心内の熱を炉心外に移動させるステップと、
を含む、
原子炉の除熱方法。
generating heat through a nuclear fission reaction in a nuclear fuel unit disposed around a main heat pipe having a rod shape;
Moderating the neutrons by moderator units arranged around the main heat pipe and arranged adjacent to the nuclear fuel unit along the axial direction of the main heat pipe;
Transferring the heat of the nuclear fuel unit toward the main heat pipe by a heat diffusion layer provided between the nuclear fuel unit and the moderator unit;
Transferring heat within the reactor core to outside the reactor core by the main heat pipe;
including,
How to remove heat from a nuclear reactor.
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