JP6473601B2 - 炉心構造材 - Google Patents

Description

本発明は、ペブルベッド型原子炉用の炉心構造材に関する。

黒鉛は、中性子の吸収断面積が高く、中性子の減速能が大きいため、減速比が高いこと、高い耐熱性を有すること、大きな素材が容易に得られることから原子炉の減速材、反射材として利用されている。特に、マグノックス炉、改良型黒鉛炉（ＡＧＲ炉）、高温ガス炉などガス冷却炉の減速材、反射体などの素材として重要な材料である。

特許文献１には、減速材、反射材としての黒鉛の核的特性及び熱的特性を損なう事なく、黒鉛自体のもろさに対してセラミックスを用いることで補い、強度を向上させた黒鉛構造物として、固体黒鉛で構成される減速材、反射材等の原子炉構造物の表面を炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の耐熱セラミックス等で覆い、核及び熱的な性能を損なう事なく、強度を向上させた黒鉛構造物が提案されている。

実開昭６１−２０６８９７号公報

ガス冷却炉は、マグノックス炉、改良型黒鉛炉など炭酸ガスを冷却材に用いた従来の炉と、高温ガス炉などヘリウムを冷却材に用いた新しい炉がある。従来の炉で用いられている炭酸ガスは、炉心構造材の黒鉛と化学反応を起こすため、原子炉の出口の冷却材の温度は黒鉛と炭酸ガスの化学反応によって制限された。しかしながら、ヘリウムガスを冷却材として使用することにより、冷却材と黒鉛との化学反応は起こることがなくなり、原子炉の運転温度を高めることができるようになった。

ヘリウムを冷却材に用いた高温ガス炉には、燃料形状の違いにより、ブロック型高温ガス炉と、ペブルベッド型高温ガス炉とがある。ブロック型高温ガス炉では、例えば内部に燃料棒が収納された六角状の黒鉛ブロック（燃料カラム）と、内部に燃料棒が収納されていない六角状の黒鉛ブロック（可動反射体）、さらにそれらの外部を取りまく固定反射体で構成される。上記特許文献１の黒鉛構造物は、ブロック型高温ガス炉に関する技術である。

これに対し、ペブルベッド型高温ガス炉では、被覆燃料粒子を黒鉛粒子と混ぜ球状に成形した燃料球（ペブル）を使用し、これを黒鉛ブロックで形成された空間内に多数無秩序に積み重ねて炉心を形成する。燃料球の直径は約６ｃｍである。核反応が低下した燃料球を運転中に下から取り出すとともに、上部から新たな燃料球を供給することにより、連続的に交換することが特徴である。このため、ブロック型高温ガス炉のように運転を停止して燃料交換をする必要が無く、原子炉の運転期間を長くすることができる。

しかしながら、ペブルベッド型高温ガス炉は、原理上、ブロック型高温ガス炉よりも長期間の運転が可能となるため、使用される黒鉛ブロックの交換周期を長くすることにより、長期間の運転を可能にする。このため、更なる黒鉛ブロックのライフアップが望まれる。

本発明は、上記課題を鑑み、長期間の運転が可能なペブルベッド型原子炉に用いる炉心構造材を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための本発明の炉心構造材およびペブルベッド型原子炉は、
（１）ペブルベッド型原子炉用の炉心構造材であって、黒鉛からなる基材と当該基材を被覆するセラミック被覆とからなる黒鉛ブロックと、前記黒鉛ブロックのペブル収納空間に面する内壁面をさらに覆うセラミックタイルと、を備える炉心構造材。
（２）前記セラミックタイルは、前記黒鉛ブロックに設けられた狭窄部に係止される突起を備える。
（３）前記セラミックタイルは、前記黒鉛ブロックに設けられた孔に挿入される留め具によって把持される。
（４）前記黒鉛ブロックは、前記セラミックタイルに設けられた狭窄部に係止される突起を備える。
（５）前記セラミックタイルは、セラミック／セラミック複合材より構成される。
（６）前記セラミックタイルはＳｉＣ／ＳｉＣ複合材より構成される。
（７）前記セラミックタイルはＳｉＣより構成される。
（８）前記セラミック被覆はＳｉＣより構成される炉心構造材。
（９）（１）から（８）のいずれかに記載の炉心構造材を備えるペブルベッド型原子炉。
（１０）前記セラミックタイルは前記黒鉛ブロック毎に一枚ずつ設けられるペブルベッド型原子炉である、
ことを特徴とする。

本発明によって得られる炉心構造材は、黒鉛からなる基材と、前記基材を覆うセラミック被覆と、からなる黒鉛ブロックと、前記黒鉛ブロックのペブル収納空間に面する内壁面をさらに覆うセラミックタイルとからなる。黒鉛ブロックは、黒鉛の表面に、耐蝕性のあるセラミック被覆が形成されているので、黒鉛と核分裂生成物とが接触することが無く、黒鉛ブロックの劣化を抑えることができる。さらに、セラミックタイルをペブル収納空間に面する内壁面に有しているので、ペブルからかかる荷重が一点に集中しても、セラミックタイルが荷重を分散し、黒鉛ブロックの表面のセラミック被覆の損傷を防止することができる。このため、炉心構造材の黒鉛は、長期間使用しても、核分裂生成物などと接することがなく、消耗を防止することができる。

本発明に係る炉心構造材が用いられるペブルベッド型原子炉の一例を示す模式図。 本発明に係る炉心構造材が用いられるペブル収納空間の一例を示す模式図。 本発明に係る炉心構造材の黒鉛ブロックとセラミックタイルとの結合を示す模式図で、（ａ）実施例１、（ｂ）実施例２、（ｃ）実施例３。 本発明に係る炉心構造材の斜視図。

以下、本発明に係る炉心構造材の好適な実施形態を、図１〜図４に基づいて詳述する。

図１は、ペブルベッド型原子炉の一例を示す模式図である。ペブルベッド型原子炉１は、原子炉容器２内に炉心３が収納され、炉心３内には燃料球であるペブル４が複数装荷されている。炉心３は、上部、下部、周囲が複数の炉心構造材１０により構成されたペブル収納空間４０が形成されている。また、炉心３は、複数の炉心構造材１０を積み上げて構成され、中性子の外部への漏洩量を極力小さくさせている。また、原子炉容器２の下部には、冷却材用の配管５が接続され、上部に発電機、中央にガスタービンや圧縮機、下部に冷却器を有する動力変換装置６と連結されている。

図２は、本実施形態の炉心構造材１０で構成されたペブル収納空間４０の一例を示す模式図である。

ペブル収納空間４０内に装荷されるペブル４は、直径が約６ｃｍの球形状であり、例えばウラン酸化物を核燃料物質とする多数の被覆燃料粒子とそれを内包する黒鉛マトリックスとから構成された燃料領域が黒鉛殻で囲まれた構造となっている。そして、ペブル４は、この被覆燃料粒子を中性子減速材となる黒鉛材内に含有させるために、被覆燃料粒子を黒鉛粉末と混合して球状成形型内に充填して一次プレスして一次球（コア）を製造し、この一次球を黒鉛粉末と共に二次プレスしてシェル付きの球状粒子とし、これを真球状にするために表面研削し、その後、予備焼成、焼成工程を経て完成される。

ペブル収納空間４０を構成する炉心構造材１０は、黒鉛ブロック２０と黒鉛ブロック２０の表面を覆うセラミックタイル３０とを備えている。本実施形態の黒鉛ブロック２０は、ペブル収納空間４０に面する側に内壁面２０ａを備え、上下面２０ｂと左右の側面２０ｃとを備える円柱面を含む略四角柱形状をなし、黒鉛からなる基材２１と基材２１を被覆するセラミック被覆２２とからなる。なお、円柱面とは、完全な円柱面であることは必要ではなく、例えば黒鉛ブロック２０のぺブル収納空間に面する内壁面１３が平面で構成されることによって、ペブル収納空間４０を多角柱の壁面で構成してもよい。

また、セラミックタイル３０は、黒鉛ブロック２０のペブル収納空間４０に面する内壁面２０ａを覆っている。黒鉛ブロック２０とセラミックタイル３０との結合は、例えば、黒鉛ブロック２０の上下面２０ｂに形成された狭窄部２５を把持するあるいは、セラミックタイル３０の上下面に形成された狭窄部を把持することにより行われ、このどちらであってもよい。

狭窄部２５は上下面２０ｂに形成されていることを述べたが、左右の側面２０ｃでもよく、黒鉛ブロック２０の全周に形成されていても良い。

原子炉では、核分裂に伴って様々な気体状の核分裂生成物が生成する。気体状の核分裂生成物の中に、黒鉛と反応する成分が生成することがある。ペブルベッド型原子炉１で用いるペブル４は、ウランなど密度の高い元素を多量に含有する上に、黒鉛ブロック２０からなる炉心構造材１０の表面を転がりながら移動していくので、ペブル４と炉心構造材１０の接点では、高い圧力が一点に集中する。このためセラミック被覆２２が破損すると、黒鉛と核分裂生成物とが反応し、黒鉛ブロック２０を劣化させる。

本実施形態では、炉心構造材１０は、黒鉛からなる基材２１と基材２１を覆うセラミック被覆２２とからなる黒鉛ブロック２０と、黒鉛ブロック２０のペブル収納空間４０に面する内壁面２０ａをさらに覆うセラミックタイル３０とを備えている。

黒鉛ブロック２０は、黒鉛の表面に、耐蝕性のあるセラミック被覆２２が形成されているので、黒鉛と核分裂生成物とが接触することが無く、黒鉛ブロック２０の劣化を抑えることができる。

さらに、セラミックタイル３０をペブル収納空間４０に面する内壁面２０ａに有しているので、ペブル４からかかる荷重が一点に集中しても、セラミックタイル３０が荷重を分散し、黒鉛ブロック２０の表面のセラミック被覆２２の損傷を防止することができる。 このため、炉心構造材１０の黒鉛は、長期間使用しても、核分裂生成物などと接することがなく、消耗を防止することができる。

そして、セラミック被覆２２はＳｉＣであることが望ましい。ペブル４は、核燃料に熱分解炭素、ＳｉＣなどを被覆した粒子を固めて形成されているため、ペブル４は硬く、炉心構造材１０を摩耗させる能力が高い。従って、ペブル４に含まれる最も硬いＳｉＣと同じ材質で炉心構造材１０を被覆させることにより、ペブル４から圧力が加わっても炉心構造材１０を破損しにくくすることができる。ＳｉＣは、中性子の吸収が少ないので、核分裂の連鎖反応に与える影響が少ない。また、強度を有し、耐熱温度も高いので、炉心構造材１０の黒鉛ブロック２０として好適に利用することができる。

また、セラミック被覆２２は、本実施形態で示されるように黒鉛ブロックの２０の基材２１の表面全体を覆っていても良く、ペブル収納空間４０に面した内壁面２０ａのみに施されていても良い。

図３は、炉心構造材１０の黒鉛ブロック２０とセラミックタイル３０との結合を示す模式図で、（ａ）は実施例１、（ｂ）は実施例２（ｃ）は実施例３であり、図４は炉心構造材１０の斜視図である。図４では側面のセラミック被覆の記載を省略し、基材が露出した図となっている。

実施例１は、上述したとおり、黒鉛ブロック２０の側面２０ｃに形成された狭窄部２５をセラミックタイル３０が把持することにより係止する構造である。

ペブルベッド型原子炉１では、一端使用されると半減期の長い物質が形成され、内部のメンテナンスが容易にできなくなる。このため、黒鉛ブロック２０とセラミックタイル３０との固定には、高い信頼性が求められる。本実施形態の炉心構造材１０は、黒鉛ブロック２０の狭窄部２５をセラミックタイル３０が把持する構造であるので、摩擦力、接着力を必要としないので、黒鉛ブロック２０とセラミックタイル３０との間で応力を発生しにくくすることができる。

さらに、黒鉛ブロック２０の狭窄部２５とセラミックタイル３０との間には、クリアランスを有することが望ましい。黒鉛ブロック２０の狭窄部２５をセラミックタイル３０が把持する構造であれば、クリアランスがあっても外れることはなく、２つの構造部材間で熱歪み、反応歪みによる応力は発生しない。

実施例２は、セラミックタイル３０が、黒鉛ブロック２０に設けられた孔２６に挿入される留め具２７によって把持される。また、セラミックタイル３０は黒鉛ブロック２０に対して留め具２７により把持されても係止されても良い。

留め具２７としては、黒鉛ブロックにねじ込まれるネジ、挿入されるピンなどが利用できる。いずれの留め具２７も、少なくとも表面はセラミックであることが好ましい。例えば、留め具２７は、全体がセラミックであるもの、黒鉛などの基材にセラミックを被覆したものなどが挙げられる。また、留め具２７は、セラミックタイル３０とクリアランスを有するように係止することが好ましい。セラミックタイル３０と、黒鉛ブロック２０との応力の発生を抑止できるからである。

実施例３は、上述したとおり、セラミックタイル３０の側面に形成された狭窄部２５を黒鉛ブロック２０が把持することにより係止する構造である。

セラミックタイル３０は、セラミック／セラミック複合材よりなることが望ましい。セラミック／セラミック複合材は、強度を有している上にセラミック繊維を内部に有しているのでクラックが入っても形状を保持することができ、炉心構造材１０として好適に利用できる。

また、セラミックタイル３０は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材であることが望ましい。

ペブル４は、核燃料に熱分解炭素、ＳｉＣなどを被覆した粒子を固めて形成されている。このため、ペブル４は硬く、黒鉛ブロック２０を摩耗させる能力が高いが、ペブル４に含まれる最も硬いＳｉＣと同じ材質でセラミックタイル３０が形成されているため、ペブル４から圧力が加わっても破損しにくくすることができる。また、ＳｉＣは、中性子の吸収が少ないので、核分裂の連鎖反応に与える影響が少ない。

そして、セラミックタイル３０は、ＳｉＣ焼結体であることが望ましい。ＳｉＣは、中性子の吸収が少ないので、核分裂の連鎖反応に与える影響が少ない。また、強度を有し、耐熱温度も高いので、炉心構造材１０のセラミックタイル３０として好適に利用することができる。

さらに、セラミックタイル３０は、黒鉛ブロック２０毎に一枚ずつ有していることが望ましい。

本実施形態の炉心構造材１０のセラミックタイル３０は、黒鉛ブロック２０毎に一枚ずつ有すると、セラミック被覆２２にセラミックタイル３０の継ぎ目が当接しないようにすることができ、セラミックタイル３０のエッジがセラミック被覆２２を破損しないようにすることができる

円柱面を含む略四角柱形状の炉心構造材１０を説明したが、六角柱形状でもよく、強固で安定した炉心３が構成されれば形状に限定されない。

尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

本発明に係る炉心構造材は、ペブルを利用する原子炉の用途に適用可能である。

１：ペブルベッド型原子炉
２：原子炉容器
３：炉心
４：ペブル
１０：炉心構造材
２０：黒鉛ブロック
２０ａ：内壁面
２０ｂ；上下面
２０ｃ：側面
２１：基材
２２：セラミック被覆
２５：狭窄部
２６：孔
２７：留め具
３０：セラミックタイル
４０：ペブル収納空間

Claims (4)

1. ペブルベッド型原子炉用の炉心構造材であって、
   黒鉛からなる基材と当該基材を被覆するセラミック被覆とからなる黒鉛ブロックと、
   前記黒鉛ブロックのペブル収納空間に面する内壁面をさらに覆うＳｉＣ／ＳｉＣ複合材からなるセラミックタイルと、を備え、
   前記黒鉛ブロックの前記内壁面内における少なくとも対向する二つの外縁において、当該内壁面から前記黒鉛ブロックの厚み方向に形成された窪みである狭窄部が設けられ、
   前記セラミックタイルは、前記少なくとも二つの狭窄部に係止される突起を備える炉心構造材。
2. 請求項１に記載の炉心構造材であって、
   前記セラミック被覆はＳｉＣより構成される炉心構造材。
3. 請求項１または２に記載の炉心構造材を備えるペブルベッド型原子炉。
4. 請求項３に記載のペブルベッド型原子炉であって、
   前記セラミックタイルは前記黒鉛ブロック毎に一枚ずつ設けられるペブルベッド型原子炉。

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