本発明は、原子炉用黒鉛ブロックに関する。

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原子炉用黒鉛ブロック(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原子炉用黒鉛ブロック(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、これを原子炉用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、使用される原子炉用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、更なる原子炉用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原子炉用黒鉛ブロック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原子炉用黒鉛ブロックおよびペブルベッド型原子炉は、 (1)原子炉の内部空間に面して使用される原子炉用黒鉛ブロックであって、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り、前記セラミック被覆は、複数の異なるセラミック層が積層されて構成される。 (2)前記複数のセラミック層は、熱分解炭素層の中間層を含む。 (3)前記セラミック被覆は、前記中間層と、当該中間層の両面に積層される炭化物系セラミック層とを含む。 (4)前記炭化物系セラミック層はSiCより構成される。 (5)前記原子炉用黒鉛ブロックはペブルベッド型原子炉用である。 (6)(5)の原子炉用黒鉛ブロックを備え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原子炉用黒鉛ブロックは、複数の異なるセラミック層が積層されているので、黒鉛に中性子が照射され、スエリングにより膨張が起きても、複数の異なるセラミック層で別々にクラックが入りクラックが不連続になるので、表面から黒鉛の基材に到達するクラックを発生しにくくすることができる。

本発明に係る原子炉用黒鉛ブロックが用いられる原子炉の一例を示す模式図。

本発明に係る原子炉用黒鉛ブロックが用いられるペブル収納空間の一例を示す模式図。

本発明に係る原子炉用黒鉛ブロックとペブルの接触具合を示す模式図。

本発明に係る原子炉用黒鉛ブロックの斜視図。

以下、本発明に係る原子炉用黒鉛ブロック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、原子炉の一例を示す模式図である。原子炉1(例えばペブルベッド型原子炉)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、周囲が複数の原子炉用黒鉛ブロック10により構成されたペブル収納空間20が形成されている。また、炉心3は、複数の原子炉用黒鉛ブロック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、本実施形態の原子炉用黒鉛ブロック10で構成されたペブル収納空間20の一例を示す模式図である。

ペブル収納空間20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20を構成する原子炉用黒鉛ブロック10は、黒鉛からなる基材11と基材11を被覆するセラミック被覆12とからなる。そして、セラミック被覆12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、原子炉用黒鉛ブロック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と同じ材質で原子炉用黒鉛ブロック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原子炉用黒鉛ブロック10を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。

本実施形態では、原子炉用黒鉛ブロック10のセラミック被覆12は、複数の異なるセラミック層が積層されて構成される。

原子炉1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。本実施形態の原子炉用黒鉛ブロック10のセラミック被覆12は、複数の異なるセラミック層が積層されているので、黒鉛に中性子が照射され、スエリングにより膨張が起きても、複数の異なるセラミック層で別々にクラックが入りクラックが不連続になるので、表面から黒鉛の基材11に到達するクラックを発生しにくくすることができる。なお、スエリングとは、発生する気体性放射性物質のガス圧あるいは中性子の照射によって、膨張、変形する現象である。

本実施形態のセラミック被覆12は、例えば熱分解炭素層の中間層12aと、中間層12aの両面に積層される炭化物系セラミック層12bとから構成され、セラミック被覆12の強度を上げている。セラミック被覆12の全体の厚さは、例えば10〜1000μmである。また、セラミック被覆12を構成するそれぞれのセラミック層(中間層12a、炭化物系セラミック層12b)の厚さは例えば5〜500μmである。それぞれのセラミック層の厚さは、同一であってもよく、それぞれ異なる厚さであってもよく特に限定されない。

また、本実施形態のセラミック被覆12は、基材11の全周を取り囲むように形成されているが、ペブル収納空間20に面した部分のみ形成されていても良い。

図3は原子炉用黒鉛ブロック10とペブル4の接触具合を示す模式図、図4は原子炉用黒鉛ブロック10の斜視図である。

原子炉1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。特にペブルベッド型原子炉で用いる燃料球であるペブル4は、ウランなど密度の高い元素を多量に含有する上に、原子炉用黒鉛ブロック10の表面を転がりながら移動していくので、ペブル4と原子炉用黒鉛ブロック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12が破損すると、黒鉛と核分裂生成物とが反応し、原子炉用黒鉛ブロック10を劣化させる。

本実施形態では、原子炉用黒鉛ブロック10の表面を複数の異なるセラミック層12a、12bで積層されたセラミック被覆12で覆うため、セラミック被覆12を破損しにくくすることができる。

セラミック被覆12の中間層12aを熱分解炭素層とすることが望ましい。

熱分解炭素層の中間層12aを有すると、特に熱分解炭素層の中間層12aを挟んで異なるように割れることがあるが、中間層12aは安定した状態を保っている。このため、表面から黒鉛の基材11に到達するクラックを発生しにくくすることができる。これは、熱分解炭素の結晶構造に起因すると考えられる。熱分解炭素は、層の厚さ方向にc軸、面方向にa軸が広がるように配向して成膜される。c軸方向はファンデルワールス力による結合であるので、剥離しやすく、表層からのクラックの伸展を止める作用があると考えられる。

中間層12aの両面は、炭化物系セラミック層12bで積層することが望ましい。

炭化物系セラミックは、耐熱性、強度を有しているので、炭化物系セラミック層12bとして原子炉用黒鉛ブロック10の被膜として好適に利用することができる。さらに、炭化物系セラミックは熱分解炭素と反応しにくいので、高温でも安定して利用することができる。

また、炭化物系セラミック層12bはSiC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。

そして、原子炉用黒鉛ブロック10はペブルベッド型原子炉用でもある。

ペブルベッド型原子炉で用いるぺブル4は、ウランなど密度の高い元素を多量に含有する上に、原子炉用黒鉛ブロック10の表面を転がりながら移動していくのでペブル4と原子炉用黒鉛ブロック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12が破損すると、黒鉛と核分裂生成物とが反応し、原子炉用黒鉛ブロック10を劣化させる。

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、原子炉用黒鉛ブロック10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と同じ材質で原子炉用黒鉛ブロック10が被覆されているので、ペブル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。

本実施形態では、円柱面を含む略四角柱形状の原子炉用黒鉛ブロック10を示しているが、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。

本発明に係る原子炉用黒鉛ブロックは、ペブルを利用する原子炉の用途に適用可能である。

1:原子炉 2:原子炉容器 3:炉心 4:ぺブル 10:原子炉用黒鉛ブロック 11:基材 12:セラミック被覆 12a:中間層 12b:炭化物系セラミック層