特許 7499139 原子炉ユニット及び原子炉ユニットの冷却方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-05

(45)【発行日】2024-06-13

(54)【発明の名称】原子炉ユニット及び原子炉ユニットの冷却方法

(51)【国際特許分類】

   G21C 5/00 20060101AFI20240606BHJP

   G21C 15/18 20060101ALI20240606BHJP

【ＦＩ】

G21C5/00 A

G21C15/18 E

G21C15/18 A

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020171289

(22)【出願日】2020-10-09

(65)【公開番号】P2022063014

(43)【公開日】2022-04-21

【審査請求日】2023-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】原井 康考

(72)【発明者】

【氏名】蒲原 覚

(72)【発明者】

【氏名】淀 忠勝

(72)【発明者】

【氏名】小林 翔太

(72)【発明者】

【氏名】大槻 昇平

(72)【発明者】

【氏名】村上 望

(72)【発明者】

【氏名】中里 道

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 喬

(72)【発明者】

【氏名】田中 豊

(72)【発明者】

【氏名】石黒 達男

(72)【発明者】

【氏名】野口 浩徳

(72)【発明者】

【氏名】工藤 秀行

(72)【発明者】

【氏名】野田 貴史

(72)【発明者】

【氏名】吉田 和弘

【審査官】中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特表平０８－５１１１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５０３６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０９２１６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２３８６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５０８７７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０９８５９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｃ ５／００

Ｇ２１Ｃ １５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射性燃料を有し、前記放射性燃料を核反応させる炉心と、
前記炉心を格納し、前記炉心を密閉する原子炉容器と、
前記炉心に挿入され、前記原子炉容器の外部に露出し、固体熱伝導で前記炉心の熱を前記原子炉容器の外部に伝える熱伝導部と、を備え、
前記原子炉容器は、前記炉心の周囲全域を覆う内側隔壁と、前記内側隔壁の周囲全域を覆う外側隔壁と、を含み、
前記外側隔壁と前記内側隔壁とで形成される第１空間が真空状態であり、
前記内側隔壁の内側の空間である第２空間に不活性ガスが充填され、
前記内側隔壁は、本体部と、前記本体部の一部に配置され、前記炉心が閾値温度以上となった場合に、前記第２空間と前記第１空間と連通させる連通部とを備える原子炉ユニット。

【請求項2】

前記連通部は、前記本体部よりも融点の低い材料で形成され、前記本体部に形成された穴を埋める埋設部を備え、前記閾値温度以上となり前記第２空間の温度が上昇した場合、前記本体部の穴を開口させる請求項１に記載の原子炉ユニット。

【請求項3】

前記埋設部は、前記閾値温度以上となり前記第２空間の温度が上昇した場合に溶融する金属である請求項２に記載の原子炉ユニット。

【請求項4】

前記埋設部は、前記閾値温度以上になると前記第１空間と前記第２空間の差圧により破壊され、前記本体部の穴を開口させる請求項２に記載の原子炉ユニット。

【請求項5】

前記連通部は、前記本体部の穴に配置され、前記本体部に対して回動可能な板部と、前記本体部よりも融点の低い材料で形成され、前記板部を前記本体部に対して結合する結合部と、を含み
前記炉心が前記閾値温度以上となり前記第２空間の温度が上昇した場合、前記結合部が、前記本体部及び前記板部の少なくとも一方から外れる請求項１に記載の原子炉ユニット。

【請求項6】

前記結合部は、閾値温度以上となり前記第２空間の温度が上昇した場合に溶融する金属である請求項５に記載の原子炉ユニット。

【請求項7】

前記板部は、回動する軸が、前記板部の重心を通らない請求項５または請求項６に記載の原子炉ユニット。

【請求項8】

前記炉心で発生した熱を前記原子炉容器の外に固体熱伝導で伝える熱伝導部を有する請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の原子炉ユニット。

【請求項9】

放射性燃料を有し、前記放射性燃料を核反応させる炉心と、前記炉心を格納し、前記炉心を密閉する原子炉容器と、
前記炉心に挿入され、前記原子炉容器の外部に露出し、固体熱伝導で前記炉心の熱を前記原子炉容器の外部に伝える熱伝導部と、を備える原子炉ユニットの冷却方法であって、
前記原子炉容器は、前記炉心の周囲全域を覆う内側隔壁と、前記内側隔壁の周囲全域を覆う外側隔壁と、を含み、前記外側隔壁と前記内側隔壁とで形成される第１空間が真空状態であり、前記内側隔壁の内側の空間である第２空間に不活性ガスが充填され、
前記内側隔壁は、本体部と、前記本体部の一部に配置された連通部を備え、
前記炉心が閾値温度以上となった場合に、前記連通部が、前記第２空間と前記第１空間と連通させ、前記第１空間の真空状態を破壊する原子炉ユニットの冷却方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、原子炉ユニット及び原子炉ユニットの冷却方法に関する。

【背景技術】

【0002】

放射性物質で核反応させ、熱エネルギーを取り出す原子炉ユニットは、反応等を制御することで炉心の温度を制御し、生じる熱エネルギーを調整する。原子炉ユニットは、設定した運転時の温度よりも高い温度で、異常が発生していると判断できる異常温度となった場合、炉心を冷却する。例えば、特許文献１には、断熱部の外壁に熱電変換素子を貼り付けて外面を空気で冷却している。また、特許文献２では、電源消失時に、冷却材に浸漬された吸熱部材をヒートシンクに熱的に連結させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平０４－３４３９６号公報

【文献】特開２０１３－７６６７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ここで、原子炉ユニットでは、炉心を格納する原子炉容器を断熱構造とする場合がある。この場合、原子炉容器の外側の表面を特許文献１や特許文献２のように、原子炉容器の外側を冷却しても、冷却が促進されない。また、炉心の温度が、異常が発生している温度となった場合を検出して制御を行い、冷却を開始する機構では、異常の原因によって制御が機能しないと、原子炉ユニットに必要以上の負荷がかかり問題が大きくなる恐れがある。

【0005】

上記課題を解決するために、本開示は、簡単な構造で、異常発生時に炉心の温度上昇を抑制することができる原子炉ユニット及び原子炉ユニットの冷却方法を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の原子炉ユニットは、放射性燃料を有し、前記放射性燃料を核反応させる炉心と、前記炉心を格納し、前記炉心を密閉する原子炉容器と、を備え、前記原子炉容器は、前記炉心の周囲全域を覆う内側隔壁と、前記内側隔壁の周囲全域を覆う外側隔壁と、を含み、前記外側隔壁と前記内側隔壁とで形成される第１空間が真空状態であり、前記内側隔壁は、本体部と、前記本体部の一部に配置され、前記炉心が閾値温度以上となった場合に、前記内側隔壁の内側の空間である第２空間と前記第１空間と連通させる連通部とを備える。

【0007】

本開示の原子炉ユニットの冷却方法は、放射性燃料を有し、前記放射性燃料を核反応させる炉心と、前記炉心を格納し、前記炉心を密閉する原子炉容器と、を備える原子炉ユニットの冷却方法であって、前記原子炉容器は、前記炉心の周囲全域を覆う内側隔壁と、前記内側隔壁の周囲全域を覆う外側隔壁と、を含み、前記外側隔壁と前記内側隔壁とで形成される第１空間が真空状態であり、前記内側隔壁は、本体部と、前記本体部の一部に配置された連通部を備え、前記炉心が閾値温度以上となった場合に、前記連通部が、前記内側隔壁の内側の空間である第２空間と前記第１空間と連通させ、前記第１空間の真空状態を破壊する。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、簡単な構造で、異常発生時に炉心の温度上昇を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本実施形態に係る原子炉ユニットの一例である原子力発電システムの模式図である。

【図2】図２は、本実施形態に係る原子炉を示す模式図である。

【図3】図３は、本実施形態に係る原子炉と原子炉容器を示す断面模式図である。

【図4】図４は、本実施形態に係る原子炉ユニットの機能を説明するための断面模式図である。

【図5】図５は、他の実施形態の原子炉ユニットの内側隔壁を示す側面図である。

【図6】図６は、他の実施形態の原子炉ユニットの原子炉と原子炉容器を示す断面模式図である。

【図7】図７は、他の実施形態に係る原子炉ユニットの機能を説明するための断面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

【0011】

＜原子力発電システム＞
図１は、本実施形態に係る原子炉ユニットの一例である原子力発電システムの模式図である。図１に示すように、原子力発電システム５０は、原子炉容器５１と、熱交換器５２と、熱伝導部５３と、冷媒循環手段５４と、タービン５５と、発電機５６と、冷却器５７と、圧縮機５８と、を有する。

【0012】

原子炉容器（格納容器）５１は、内部に原子炉１１が格納されている。原子炉容器５１は、原子炉１１を密閉状態で格納する。原子炉容器５１は、内部に載置する原子炉１１が格納または取り出せるように、例えば蓋である開閉部が設けられている。原子炉容器５１は、原子炉１１において核反応がおき、内部が高温、高圧になった場合でも、密閉状態を維持することができる。原子炉容器５１は、中性子線の遮へい性能を備える材料である例えばコンクリートや金属で形成され、内部で生じた中性子線が外部に漏えいしない厚みで形成されている。原子炉容器５１は、材料においてボロン等の遮へい性の高い元素を含めてもよい。原子炉容器５１の構造については後述する。

【0013】

熱交換器５２は、原子炉１１との間で熱交換を行う。本実施形態の熱交換器５２は、原子炉容器５１の内部に一部配置された熱伝導部５３の固体の高熱伝導材料を介して原子炉１１の熱を回収する。なお、図１で示している熱伝導部５３は、後述する熱伝導部３を模式的に示したものである。

【0014】

冷媒循環手段５４は、冷媒を循環させる経路であり、熱交換器５２と、タービン５５と、冷却器５７と、圧縮機５８と、が接続されている。冷媒循環手段５４を流れる冷媒は、熱交換器５２、タービン５５、冷却器５７、圧縮機５８の順で流れ、圧縮機５８を通過した冷媒は、熱交換器５２に供給される。従って、熱交換器５２は、熱伝導部５３の固体の高熱伝導材料と、冷媒循環手段５４を流れる冷媒との間で熱交換を行う。

【0015】

タービン５５は、熱交換器５２を通過した冷媒が流入する。タービン５５は、加熱された冷媒のエネルギーにより回転される。つまりタービン５５は、冷媒のエネルギーを回転エネルギーに変換して、冷媒からエネルギーを吸収する。

【0016】

発電機５６は、タービン５５と連結されており、タービン５５と一体で回転する。発電機５６は、タービン５５と回転することで発電する。

【0017】

冷却器５７は、タービン５５を通過した冷媒を冷却する。冷却器５７は、チラーや冷媒を一時的に液化する場合、復水器等である。

【0018】

圧縮機５８は、冷媒を加圧するポンプである。

【0019】

原子力発電システム５０は、原子炉１１の核燃料の反応で生じた熱を熱伝導部５３で熱交換器５２に伝える。原子力発電システム５０は、熱交換器５２において、熱伝導部５３の高熱伝導材料の熱で、冷媒循環手段５４を流れる冷媒を加熱する。つまり、冷媒は、熱交換器５２において熱を吸収する。これにより、原子炉１１で発生した熱は、冷媒で回収される。冷媒は、圧縮機５８で圧縮された後、熱交換器５２の通過時に加熱され、圧縮し加熱されたエネルギーでタービン５５を回転させる。冷媒は、その後、冷却器５７で基準状態まで冷却され、再び圧縮機５８に供給される。なお、熱交換器５２、冷媒循環手段５４、タービン５５、発電機５６、圧縮機５８は熱電素子等に置き換えることで、発電や熱を用いた水素製造等に利用することもできる。

【0020】

原子力発電システム５０は、以上のように、高熱伝導材料で形成された熱伝導部５３を介して、原子炉１１の熱を、タービン５５を回転する媒体となる冷媒に伝達する。これにより、原子炉１１と、タービン５５を回転する媒体となる冷媒とを隔離することができ、タービン５５を回転する媒体が汚染される恐れを低減できる。

【0021】

図２は、実施形態に係る原子炉１１を示す模式図である。図３は、本実施形態に係る原子炉と原子炉容器を示す断面模式図である。図４は、本実施形態に係る原子炉ユニットの機能を説明するための断面模式図である。

【0022】

図２及び図３に示すように、原子炉１１は、炉心（燃料部）１と、遮へい部２と、熱伝導部３と、制御部４と、を含む。

【0023】

炉心１は、核燃料を有しており、核燃料が支持されている。また、炉心１には、不図示の核燃料の核反応を制御する制御棒が抜き挿し可能に設けられている。炉心１は、制御棒が挿入されることで核燃料の核反応を抑制する。また、炉心１は、制御棒が抜き出されることで核燃料の核反応を生じさせる。

【0024】

炉心１は、全体として柱状に形成されている。本実施形態では、炉心１は、ほぼ円柱状に形成されている。この柱状の延びる方向を軸方向という場合もある。また、軸方向に直交する方向を径方向と言う場合もある。炉心１は、核燃料（放射性物質）と、支持体と、を含む。支持体は、軸方向に延びて形成されている。支持体は、炉心１の軸方向の全域に配置される。支持体は、棒状の熱伝導部３が軸方向で挿入される挿入穴が軸方向に貫通している。実施形態では、挿入穴は、円形の断面形状に形成されている。また、支持体は、挿入穴の周囲に核燃料が配置される穴部が軸方向に貫通して形成されている。穴部は、例えば円形に形成されている。支持体は、減速材を含んでもよい。減速材として例えばグラフェン、黒鉛等を用いることができる。核燃料は、支持体の穴部に配置される。核燃料は、支持体の穴部の形状に対応しており、円形である。核燃料は、軸方向に連続した棒状に形成されている。また、棒状の核燃料は、上記円形の断面形状の筒の内部にペレット状の核燃料を充填してもよい。核燃料は、核分裂性物質としてウラン（例えばウラン２３５））やプルトニウム（例えばプルトニウム２３９、２４１）、トリウムを用いることができる。

【0025】

遮へい部２は、燃料部１の周囲を覆うものである。遮へい部２は、金属ブロックからなり、核燃料から照射される放射線（中性子）を反射することで、燃料部１を覆った外部への放射線の漏洩を防ぐ。遮へい部２は、使用する材料の中性子散乱および中性子吸収の能力に応じて反射体と呼ばれることがある。

【0026】

遮へい部２は、本実施形態では、燃料部１に柱形状の全外周を囲むように筒状に形成された胴体２Ａと、胴体２Ａの両端を塞ぐ各蓋体２Ｂと、を含む。なお、遮へい部２は、燃料部１を内部に収容するにあたり、内部の酸化を防止する目的から、密閉構造とした内部に例えば窒化ガス等の不活性ガスを充填するとよい。

【0027】

熱伝導部３は、遮へい部２を貫通して当該遮へい部２が覆う内部に設けられている燃料部１の内部に挿入されることで、燃料部１の内部および遮へい部２の外部に延出して配置されている。熱伝導部３は、燃料部１の核燃料の核反応により生じる熱を遮へい部２の外部に固体熱伝導で伝える。熱伝導部３は、例えばチタン、ニッケル、銅、グラファイトを用いることができる。グラファイトは、特に、グラフェンを用いることができる。グラフェンは、炭素原子とその結合からできた六角形格子が連続した構造であり、六角形格子の連続した方向を熱の伝達方向とすることで、熱伝達効率を向上できる。熱伝導部３の遮へい部２の外部に延出した部分は、原子炉容器５１の外部にて冷媒と熱交換可能に設けられている。

【0028】

熱伝導部３は、軸方向に延びる棒状に形成されている。本実施形態では、熱伝導部３は、断面が円形の棒状に形成されている。熱伝導部３は、燃料部１における支持体に形成された挿入穴に挿入され、かつ遮へい部２における一方の蓋体を貫通して遮へい部２の外部に延出して配置される。

【0029】

制御部４は、遮へい部２に支持されている。制御部４は、燃料部１の柱形状の周りを囲むように複数（本実施形態では１２個）に設けられている。複数の制御部４は、燃料部１の柱形状の周りを囲むように均等に配置されている。制御部４は、円筒状であって、いわゆるドラム状に形成され、燃料部１の柱形状の延在方向である軸方向に延びて形成されている。制御部４は、円筒状の中心の周りに回転が可能に設けられている。制御部４は、円筒状の外周の一部に中性子吸収体４Ａが設けられている。中性子吸収体４Ａは、例えば、ボロンカーバイト（Ｂ_４Ｃ）を用いることができる。中性子吸収体４Ａは、制御部４の回転に伴って回転移動し、炉心である燃料部１に対して接近または離隔することが可能に設けられている。中性子吸収体４Ａが燃料部１に対して接近すると、燃料部１の反応度が下がり、中性子吸収体４Ａが燃料部１に対して離隔すると、燃料部１の反応度が上がる。このように、制御部４は、中性子吸収体４Ａを燃料部１に対して接近または離隔することで炉心である燃料部１の反応度を制御でき、燃料部１の炉心温度を制御できる。炉心温度は、熱伝導部３により遮へい部２の外部に取り出される炉心平均温度である。

【0030】

制御部４は、制御装置５により回転移動を制御される。制御装置５は、例えば、コンピュータであり、図には明示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなマイクロプロセッサを含む演算処理装置などにより実現される。制御装置５は、燃料部１の炉心温度を取得することができる。制御装置５は、制御部４の回転位置を制御して、中性子吸収体４Ａを燃料部１に対して離隔させる。すると、炉心である燃料部１の反応度が上がり、原子炉１１は運転を開始する。また、制御装置５は、制御部４の回転位置を制御して、中性子吸収体４Ａを燃料部１に対して接近させる。すると、炉心である燃料部１の反応度が下がり、原子炉１１は運転を停止する。

【0031】

従って、本実施形態の原子炉１１は、燃料部１の核燃料の核反応により生じる熱を、熱伝導部３により固体熱伝導で遮へい部２の外部に取り出すことができる。そして、遮へい部２の外部に取り出された熱は、冷媒に伝達され、タービン５５を回転させる。

【0032】

本実施形態の原子炉１１は、燃料部１の核燃料の熱を熱伝導部３により固体熱伝導で遮へい部２の外部に取り出し、冷媒に熱を伝えることができる。本実施形態の原子炉１１は、放射性物質などの漏えいを防止できる。本実施形態の原子炉１１は、熱伝導部３が燃料部１の内部および遮へい部２の外部に延出して配置されているため、内部に熱伝導部３がない場合と比べて燃料部１の核燃料の熱の伝熱距離を抑えつつ遮へい部２の外部に取り出すことができる。本実施形態の原子炉１１は、高い出力温度を確保できる。なお、本実施形態の原子炉１１は、固体熱伝導で熱を取り出す形態の熱伝導部３を説明したが、例えば、他の熱伝導部として、流体が封入されたヒートパイプを用いる流体熱伝導で熱を取り出す形態を用いてもよい。

【0033】

ここで、上述した本実施形態の原子炉１１は、運転期間中において、核燃料の核分裂性物質の重量密度を５ｗｔ％以上としている。本実施形態の原子炉１１は、好ましくは、核燃料の核分裂性物質の重量密度を１５ｗｔ％以上としている。本実施形態の原子炉１１は、より好ましくは、核燃料の核分裂性物質の重量密度を１５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下としている。また、本実施形態の原子炉１１は、運転期間中において、炉心温度（炉心平均温度）を３５０℃以上としている。本実施形態の原子炉１１は、好ましくは、炉心温度を５００℃以上１５００℃以下としている。本実施形態の原子炉１１は、より好ましくは、炉心温度を７５０℃以上１５００℃以下としている。核燃料の体積当たりの熱出力および運転期間は運転に伴う核分裂性物質の減損量を運転開始時の１／３以下に抑えるようにしている。本実施形態の原子炉１１は、好ましくは、核燃料の体積当たりの熱出力および運転期間は運転に伴う核分裂性物質の減損量を運転開始時の１／５以下に抑えるようにしている。本実施形態の原子炉１１は、より好ましくは、核燃料の体積当たりの熱出力および運転期間は運転に伴う核分裂性物質の減損量を運転開始時の１／１０以下に抑えるようにしている。

【0034】

次に、原子炉容器５１の構成について説明する。原子炉容器５１は、上述したように、炉心１の周囲を覆い、炉心１を密閉する。また、原子炉容器５１は、熱伝導部３が貫通している。原子炉容器５１は、熱伝導部３と接する部分も密閉構造となる。また、原子炉容器５１は、一部が蓋となり、開閉可能な構造としてもよい。

【0035】

原子炉容器５１は、図３に示すように、外側隔壁１０２と、内側隔壁１０４と、を含む。なお、原子炉容器５１は、外側隔壁１０２の外側に、外側隔壁１０２の周囲を覆う容器を設けてもよい。外側隔壁１０２は、炉心１（原子炉１１）の周囲の全域を覆う容器である。内側隔壁１０４は、外側隔壁１０２と炉心１との間に配置され、炉心１の周囲の全域を覆う容器である。原子炉容器５１は、炉心１の外側を、内側隔壁１０４と外側隔壁１０２で覆う二重容器となる。内側隔壁１０４と外側隔壁１０２とで囲われた空間は、第１空間１１０となる。内側隔壁１０４で囲われる空間、つまり炉心１が配置され、内側隔壁１０４で密封される空間は、第２空間１１２となる。第１空間１１０と第２空間１１２とは、内側隔壁１０４で空気（流体）が流通しない状態となる。また、第１空間１１０は、真空状態である。本実施形態の真空状態は、真空度が１０^－２Ｐａ以下となる状態である。
また、第２空間１１２は、第１空間１１０よりも真空度が低い空間であり、例えば圧力が０．１ＭＰａ以上０．４ＭＰａ以下となる。また、第２空間１１２は、炉心１が配置されている空間であるため、窒素等の不活性ガスを充填することが好ましい。

【0036】

外側隔壁１０２、内側隔壁１０４は、それぞれ、筒状の容器であり、例えばコンクリートや金属で形成することができる。内側隔壁１０４は、本体部１０６と連通部１０８と、を含む。本体部１０６は、密閉された第１空間１１０を形成する容器である。本体部１０６は、炉心１の運転時の通常の温度よりも高い温度、つまり炉心１が異常な運転状態となり、閾値温度となった場合でも形状を維持できる金属、つまり閾値温度よりも融点が高い材料で形成される。本体部１０６は、金属として、例えばステンレス鋼を用いることができる。本体部１０６は、例えば、融点が１０００℃以上の金属で形成される。また、本体部１０６は、炉心１１の定格運転時の温度をＡ℃とした場合、融点がＡ＋１００℃以上の材料で形成される。本体部１０６は、一部に穴１０９が形成される。穴１０９は、第１空間１１０と第２空間１１２とをつなぐ貫通孔である。穴１０９の形状は、特に限定されず、丸、四角、多角形等種々の形状とすることができる。

【0037】

連通部１０８は、穴１０９を塞ぐ。本実施形態の連通部１０８は、埋設部である。連通部１０８は、炉心１の運転時の通常の温度の場合は、穴１０９を封止した状態で維持でき、閾値温度となった場合に穴１０９から離脱する材料で形成される。連通部１０８は、例えば、炉心１が閾値温度となり、第２空間１１２の温度が所定の温度よりも高くなった場合に、溶融する金属で形成される。連通部１０８は、金属として、例えば真鍮を用いることができる。連通部１０８は、例えば、融点が８５０℃以上の金属で形成される。また、連通部１０８は、炉心１１の定格運転時の温度をＡ℃とした場合、融点がＡ℃以上の材料で形成される。

【0038】

図４は、本実施形態に係る原子炉ユニットの機能を説明するための断面模式図である。原子力発電システム（原子炉ユニット）５０は、原子炉容器５１を二重容器構造とし、第１空間１１０を真空状態とすることで、第２空間１１２の熱伝導部３以外から熱が放出されることを抑制できる。これにより、炉心１で発生した熱を高い効率で熱伝導部３に伝え、損失の発生を低減することができる。

【0039】

また、原子力発電システム５０は、炉心１の温度が閾値温度よりも高くなった場合、炉心１の熱により第２空間１１２の温度が上昇する。原子炉容器５１は、第２空間１１２の温度が所定の温度よりも高くなると、図４に示すように、連通部１０８が、穴１０９から離脱し、第２空間１１２が第１空間１１０と連通した状態となる。これにより、流体（気体）が流れ１３０に示すように、第２空間１１２から第１空間１１０に流入し、第１空間１１０が真空状態から一定以上の気体がある状態となる。

【0040】

第２空間１１２は、連通部１０８により封止されている状態と同様に、気体が流れ１３２で循環する。第１空間１１０は、連通部１０８が離脱し、穴１０９で第２空間１１２と連通することで流入した気体が流れ１３４で循環する。原子炉容器５１は、第１空間１１０の真空を破壊することで、第１空間１１０の内部で熱を伝える気体が充填された状態となる。これにより、炉心１の熱は、第２空間１１２の流れ１３２で内側隔壁１０４に伝達される。内側隔壁１０４の熱は、第１空間１１０の流れ１３４で外側隔壁１０２に伝達される。外側隔壁１０２は、熱を原子炉容器５１の外側に放出する。連通部１０８は、温度により溶融し、変形することで穴１０９から離脱したり、連通部１０８に穴が形成されたりすることに限定されない。連通部１０８は、所定の温度に加熱されて強度が低下し、第１空間１１０と第２空間１１２の差圧で生じる圧力で、変形し、穴１０９から離脱する様にしてもよい。

【0041】

以上より、原子力発電システム５０は、通常運転時は、原子炉容器５１の第１空間を真空にして、放熱を抑制しつつ、炉心１１の温度が異常に上昇した時は、温度状況の影響で連通部１０８が穴１０９から離脱し、真空を破壊した状態とすることで、炉心１１の熱を外部に放出できる。原子力発電システム５０は、異常な運転状態になった場合に生じる温度上昇で、連通部１０８が真空を破壊する機構とすることで、温度を検出した結果に基づいて他の部分を動作させたり、オペレータ等が操作を入力したりすることなく、自動的に原子炉容器５１の放熱性を高くすることができる。これにより、原子力発電システム５０の安全性をより高くすることができる。

【0042】

図５は、他の実施形態の原子炉ユニットの内側隔壁を示す側面図である。上記実施形態では、内側隔壁１０４の１カ所に連通部１０８を設けたが、これに限定されない。図５に示す原子力発電システム５０ａの内側隔壁１０４ａは、複数の連通部１０８ａを備えている。複数の連通部１０８ａは、炉心の柱状の軸方向１４０に沿って、所定間隔で配置される。連通部１０８ａは、本体部１０６に形成された穴を埋設する埋設部である。連通部１０８ａは、連通部１０８と同様の形状である。

【0043】

原子力発電システム５０ａは、内部隔壁１０４ａに軸方向に複数の連通部１０８ａを設けることで、炉心１１の軸方向の温度分布で一部のみが閾値温度になった場合も、閾値温度以上となった部分に対応する連通部１０８ａが、第１空間の真空を破壊することができる。これにより、炉心１１の一部が異常な状態となった場合でも冷却性能を高くすることができ、より安全に運転することができる。

【0044】

原子力発電システム５０ａは、炉心１１の軸方向に複数設けたが、炉心１１の周方向に複数の連通部を設けてもよい。また、炉心１１の温度分布に傾向がある場合、目的に応じて、連通部の配置密度を調整してもよい。

【0045】

図６は、他の実施形態の原子炉ユニットの原子炉と原子炉容器を示す断面模式図である。図７は、他の実施形態に係る原子炉ユニットの機能を説明するための断面模式図である。図６に示す原子力発電システムの原子炉容器２００の内側隔壁１０４は、本体部１０６と、複数の連通部１５０と、非連通部１７０と、を有する。

【0046】

連通部１５０は、本体部１０６の周方向の複数個所に配置される。連通部１５０は、本体部１０６に形成された複数の穴１０９に対して配置される。連通部１５０は、板部１６０と、ろう接部１６６、１６８と、を含む。板部１６０は、板本体１６２と、回動軸１６４と、を含む。板本体１６２は、本体部１０６の配置されている位置に形成された穴１０９を埋める板状の部材である。板本体１６２は、炉心１の温度が異常温度となった場合でも変形しない材料、例えば金属で形成される。回動軸１６４は、本体部１０６に固定され、板本体１６２を回動自在な状態で支持する。板部１６０は、本体部１０６に対して、回動軸１６４を軸として、板本体１６２が回動できる機構である。また、回動軸１６４は、板本体１６２の表面上で、回動軸１６４に直交する方向において、板本体１６２の中心からずれた位置に配置される。つまり、回動軸１６４の径方向において、回動軸１６４から板本体１６２の板本体１６２の一方の端部までの距離Ｌ１と、回動軸１６４から板本体１６２の板本体１６２の他方の端部までの距離Ｌ２と、が異なる距離、本実施形態では、Ｌ１＞Ｌ２となる。

【0047】

ろう接部１６６、１６８は、板部１６０と本体部１０６とを連結する連結部である。ろう接部１６６、１６８は、板部１６０と本体部１０６との全ての隙間を埋め、第１空間１１０と第２空間１１２とを遮断する。ろう接部１６６、１６８は、炉心１の運転時の通常の温度の場合は、板部１６０と本体部１０６の連結を維持でき、閾値温度となった場合に板部１６０と本体部１０６とが離脱する材料で形成される。ろう接部１６６、１６８は、例えば、炉心１が閾値温度となり、第２空間１１２の温度が所定の温度よりも高くなった場合に、溶融する金属で形成される。ろう接部１６６、１６８は、例えば、融点が８５０℃以上の金属で形成される。また、ろう接部１６６、１６８は、炉心１１の定格運転時の温度をＡ℃とした場合、融点がＡ℃以上の材料で形成される。

【0048】

連通部１７０は、連通部１５０の間に配置される。本実施形態の連通部１７０は、周方向の対向する２カ所に配置される。本実施形態の連通部１７０は、本体部１０６の中心を通り、水平方向と平行な線と重なる２カ所にそれぞれ配置される。連通部１７０は、基本的に連通部１５０と同様の構成であり、板本体１７１と、軸１７２と、ろう接部１７６、１７８と、を含む。板本体１７１は、本体部１０６の配置されている位置に形成された穴１０９を埋める板状の部材である。板部１７１は、板部１６１と同様の構成である。軸１７２は、軸１６２と同様の構成である。ろう接部１７６、１７８は、ろう接部１６６、１６８よ同様の構成である。つまり、連通部１７０は、配置位置が異なるのみで、連通部１５０と同様の構成である。なお、本実施形態では、連通部１７０を設けた位置に連通部１７０及び穴１０９を設けない構造としてもよい。

【0049】

図６及び図７に示す原子力発電システムは、炉心１の温度が閾値温度よりも高くなった場合、炉心１の熱により第２空間１１２の温度が上昇する。原子炉容器５１は、第２空間１１２の温度が所定の温度よりも高くなると、図７に示すように、連通部１５０の溶接部１６６、１６８が、板部１６０と本体部１０６の連結を維持できず、板本体１６２が回動軸１６４を軸として回動する。本実施形態の連通部１５０は、距離Ｌ１と距離Ｌ２が異なり、回動軸１６４を支点として、板本体１６２に作用する力が異なる。これにより、連通部１５０は、所定の方向に回動する。具体的には、連通部１５０は、板が長い距離Ｌ１側が回動軸１６４よりも鉛直方向下側となる方向に回動する。これにより、流体（気体）が流れ１８０に示すように、第２空間１１２から第１空間１１０に流入し、第１空間１１０が真空状態から一定以上の気体がある状態となる。また、連通部１７０は、板本体１７２が、鉛直方向と平行な向きに配置されているため、ろう接部１７６、１７８が本体部１０６と板本体１７２とを連結しない状態となっても、位置が変動しない。なお、ろう接部１７６、１７８に穴が形成された場合、形成された穴を介して気体が流通する。また、本実施形態の原子力発電システムは、周方向に複数配置した連通部１５０か開放され、流れ１８０に示すように、第１空間から第２空間に気体が流れる連通部１６０と、第２空間から第１空間に気体が流れる連通部１５０とが生じ、第１空間と第２空間との間で気体が循環する。図７では、固定板部１７０を境界として、第１空間から第２空間に気体が流れる連通部１５０と、第２空間から第１空間に気体が流れる連通部１５０とが切り替わる状態を示しているが、これに限定されない。また、温度分布等により、気体の流れは変化する。

【0050】

これにより、炉心１の熱は、第２空間１１２の流れ１８０で内側隔壁１０４に伝達される。内側隔壁１０４の熱は、第１空間１１０の流れ１８０で外側隔壁１０２に伝達される。また、流れ１８０の循環により、炉心の熱が外側隔壁１０２に伝達される。外側隔壁１０２は、熱を原子炉容器５１の外側に放出する。このように、連通部を、板部が回転する構造としても、炉心１の温度が閾値温度よりも高くなった場合に第１空間の真空を破壊すうことができる。また、連通部を周方向に複数設けることで、第１空間と第２空間との間で気体が循環する流れを形成し、より多くの熱を外側隔壁伝達することができる。

【0051】

また、本実施形態のように、回動軸を板本体の中心からずらす、つまり回動する軸が、板部の重心を通らないことで、溶接部１６６、１６８による保持が維持できなくなった際に、所定の方向に回転させることができる。これにより、気体の流れを好適に制御することができる。

【0052】

また、上記実施形態では、連通部を、埋設部と、回動部とした場合を説明したが、これに限定されない。連通部は、炉心１１が閾値温度以上になった場合に、遮断していた第１空間と第２空間を連通させ、第１空間の真空を破壊できればよい。例えば、連通部を、炉心１１が閾値温度以上になった場合に座屈等の変形が生じ、内側隔壁の本体部に穴を形成する機構としてもよい。

【0053】

また、本実施形態のように、熱伝導部として固体熱伝導で炉心１１の熱を原子炉容器の外に伝達する原子炉ユニットにてきようすることで、比較的小型のいわゆるマイクロ原子炉に適用することができ、複雑な機構を用いずに、通常運転時の性能を高くしつつ、異常の放熱性能を高くすることができる。なお、原子炉は、固体熱伝導を用いる方式に限定されず、原子炉容器を二重構造とし、炉心の外側の隔壁の間を真空状態とする機構に適用することができる。

【0054】

上記に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるものや、実質的に同一のものを含む。さらに、上記に記載した構成は、適宜組み合わせ可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の種々の省略、置換又は変更が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１ 炉心
２ 遮蔽部
３ 熱伝導部
４ 制御部
６ 断熱部
１１ 原子炉
５０ 原子力発電システム（原子炉ユニット）
５１ 原子炉容器
５２ 熱交換器
５３ 熱伝導部
５４ 冷媒循環手段
５５ タービン
５６ 発電機
５７ 冷却器
５８ 圧縮機
１０２ 外側隔壁
１０４ 内側隔壁
１０６ 本体部
１０８、１０８ａ 連通部（埋設部）
１０９ 穴
１１０ 第１空間
１１２ 第２空間
１３０、１３２、１３４、１８０ 流れ
１５０、１７０ 連通部
１６０ 板部
１６２、１７２ 板本体
１６４、１７４ 回動軸
１６６、１６８、１７６、１７８ ろう接部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】