JP2015092161A - 発電で使用される微粒子状金属燃料、リサイクルシステム、及び小型モジュール式反応炉 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001]本出願は、2009年6月1日出願の米国仮特許出願第61/182,954号の恩典を主張し、同出願の内容を参考文献としてここにそっくりそのまま援用する。
[0003]世界の電気需要は、2030年までには2倍に、また2050年までには4倍になると予想される。世界の電気需要の増加は、先進国から、そしてなおそれより大きな規模で開発途上国から、起こるものと予見されている。この急激な需要の伸びを賄うのに、原子力は現実的で費用効率のよいエネルギー源であろう。
[0007]新しい燃料を使用して将来のエネルギー需要を賄うために、配給可能な電力のためのモジュール式で輸送可能な内蔵型反応炉が必要とされている。その様な反応炉であれば、消費者の近辺に設置することができ、電気配給網に対する大がかりで高価な増設の必要性が劇的に低減される。長期内蔵型のクリーンな動力源には、世界中の市場に広範な用途があろう。
[0008]金属燃料は、核反応炉で使用された最初の燃料である。その後、セラミックが普及し出したが、これは、初期の金属燃料には炉心内での延命化を図る余地がなかったためである。また、高温での燃料とクラッディングの過剰な相互作用も懸念事項であった。
al Breeder Reactor)(「EBR-II」)の中でドライバ燃料として利用され、またそれ
ら金属燃料要素は高速線束試験施設(Fast Flux Test Facility)(FFTF)で試験さ
れてきた。これらの金属燃料の加工と性能を、本発明の金属燃料との比較ができるように簡単に説明する。
実現できるようにするものである。一旦、核***ガスがプレナムへ放出されてしまえば、スウェリングを生じさせる起動力は大幅に減る。クラッディング接触前に核***ガスを放出させるための最終燃料密度は75%又はそれ以下である。
[0016]核エネルギーについての懸念分野に、軽水炉(light water reactor)(「LW
R」)使用済核燃料(spent nuclear fuel)(「SNF」)の処分がある。LWR SNFを直接処分するやり方は、幾千年にも亘る隔離を要する。代わりに、LWR SNFを湿式再処理して、高速炉の核***に消費される寿命の長い放射性元素を除去することは可能ではあるが、費用が高くつく。小さい割合ながらもLWR SNFの一部は、長期処分要件に影響力の大きい、寿命の長いアクチニド(例えば、プルトニウム、ネプツニウム、及びアメリシウム)から形成されている。加えて、アクチニドは、懸念される団体がそれらを回収して核兵器に使用しようとするかもしれないという潜在的な拡散の危険性を象徴するものであるともいえる。従って、LWR SNFの取り扱い及び処分のためのより簡単で直接的な方法が必要とされている。
施形態は、1つ又はそれ以上のマイナーアクチニドを有する金属燃料を提供するものである。本発明の更に別の実施形態は、LWRの遺物及び将来の使用済燃料の問題に挑もうとするものであり、同時に、開示されている反応炉に、LWR使用済燃料中のウラン、プルトニウム、及びマイナーアクチニドからエネルギーを生成させるものである。
もよい。様々な用途に合わせて他の組成又は追加の材料を使用することもできる。燃料ク
ラッディング管303は、それぞれ特定の冷却材との適合性のある如何なる低スウェリング合金であってもよい。
粒子は、直径が、大凡50ミクロンから大凡1000ミクロンの範囲とすることができる。大凡75%の所望密度を実現するのに、少なくとも2つの異なった粒子の大きさが使用されていてもよい。大きさの範囲は、それぞれ特定の使用法によって異なる。金属ウラン合金粒子を製造するための技術は、他の用途で知られているであろう。金属燃料粒子の製造には、溶融と固化が速くなるようにアーク溶融技法を使用することができる。アメリシウムの様な揮発性成分の損失は最小限に抑えられるであろう。また、金属ウラン合金粒子を生産するための粉末冶金加工の他の確立された方法である、例えば水素化‐脱水素化及び機械的粉砕は、従来の射出鋳造作業の場合に要求された燃料合金溶融点より遥かに下の温度で行うことができる。
法は、遠隔作業向けに使用することができる。
微量のプルトニウムとマイナーアクチニドは、本発明の実施形態の共生燃料サイクルでは閉高速炉燃料サイクルでの複数回のリサイクルを経る間に使い果たされてしまう。具体的な利点には、核***消費に向けてリサイクルされるように、揮発性のマイナーアクチニドであるアメリシウムが他の超ウラン元素と共に留まっていることがある。酸化物粒子中に残存する核***生成物は、高速炉燃料がリサイクルされたときに捕獲されるであろう。LWR SNFからの汚染されたウランは、高速炉サイクル中は残存し、複数回のリサイクルを経て、超ウランへと増殖され、そのまま核***消費に燃料として供されることになる。これにより、ウラン鉱の採掘及び精錬に対する要求が軽減されるであろう。酸化物粒子を汚染する余分な核***生成物は、中性子捕獲断面積が小さいため、高速炉の性能への影響は極僅かしかない。LWRの汚染されたジルカロイクラッディングには、合金燃料粒子を加工するため又は核***生成物廃棄物形態を加工するための原料としての使い道がある。
and Reduction of Oxide fuel)(「OREOX」)、又は酸化物燃料のための微分化及び脱被覆技術(Pulverization and Decladding technology for Oxide fuel)(「PULDOX」)のうちの1つ又は別のどれかによって生成されてもよい。これらのプロセスは、LWR燃料クラッディングを閉じ込められた雰囲気中に割る工程と、それに続く1つ又はそれ以上の、酸化、例えばUO2からU308への酸化のサイクルと、還元、例えばUO2への還元のサイクルから成っている。約30%という関連する密度変化が、クラッディングを破裂させ、酸化物燃料を粉々に砕いて、破裂したクラッディングからの分離を促す。約90%から約99%の酸化物回復を達成することができる。酸化は、摂氏約400度の空気又は酸素雰囲気中に行われるのが好適である。還元は、摂氏約700度の希釈H2含有アルゴン雰囲気中に行われるのが好適である。ガス状で揮発性の核***生成物が放出され捕獲される一方で、非揮発性の核***生成物は破砕された酸化物粒子中に留まる。
を用いて実現することができる。破砕作業で放出されたガス状で揮発性の核***生成物を捕獲するための技術は標準であり、得られる廃棄物形態は、既に高温冶金リサイクルプロセスで要求され使用されているものと何ら変わりはない。
UOX409、UOX貯蔵411、及び/又はAROX413に通される。生成物は、次に、SMR417に進入する前に半径方向ゾーニング用に配合415されるか、又はFBR419用のLWR SNF酸化物ブランケットに使用される。
[0057]a.LWRによって生成されたプルトニウム及びマイナーアクチニドを高速炉閉燃料サイクルの中に閉じ込め、その中でそれらを燃料として消費できるようになる、
[0058]b.LWRによって生成された核***生成物を高速炉閉燃料サイクルの中へ挿入し、後に、処分するのに安定した廃棄物形態で埋蔵できるようになる、
[0059]c.揮発性アメリシウムマイナーアクチニドを他のアクチニドと共に高速炉リサイクルで燃料として使用できるように留保することのできる低温処理を採用し、それによって、それらが保管場所の廃棄物毒性にとって長期要因として寄与できないようにする、
[0060]d.高温冶金リサイクルプロセスによって既に作成されているものの他に、新たな廃棄物形態が生じることは、たとえあったとしても、ごく少数である、
[0061]e.ウラン鉱石の使用効率を100倍近く増加させる、
[0062]f.高速炉サーメット燃料のための乾式リサイクル技術の配備やLWR SNFを高速炉閉燃料サイクルの中へ注入するための乾式技術の配備に対する必要性が出てくる前に、数十年の遅延時間を猶予することのできる柔軟な戦略を提供することができる。代わりに、それは、SMRが生産に入るとすぐに開始して、遺物LWR SNFのより迅速な引落を促すこともできよう。
裂性同位体となる。
クスに包含されることになる。
電気を作るためのガスタービンを回すのに使用される。示唆されている様に、この型式のシステムは、典型的に、ブライトンサイクルと呼ばれており、SMRに、従来のLWR蒸気駆動式タービンより遥かに高い、大凡39%から大凡41%又はそれ以上の熱効率(電気に変換される熱エネルギー)を提供することができる。その上、廃熱は、空間暖房、脱塩淡水化、工業プロセス加熱の様な、低温の必要性を満たすために使用することもできるし、或いは冷却塔を通して放散させてもよい。
303 燃料クラッディング管
305 燃料カラム
307 金属燃料粒子
309 拘束具
311 ガスプレナム
401 共生燃料サイクル
403 鉱石
405 濃縮
407 UOX加工
409 LWR−UOX
411 UOX貯蔵
413 AROX
415 半径方向ゾーニングに備えた配合
417 SMR
419 FBR
421 パイロ
423 還元部
425 加工部
427 生成部
429 FP廃棄物形態
431 保管場所
501 SMRシステム
503 ウラン燃料炉心
505 タンク
507 液体ナトリウム
509 ポンプ
511 熱交換器
513 制御棒
515 コンクリート
601 大規模エネルギー生成システム
603 熱交換器
605 発電機
607 二酸化炭素ブレイトンサイクル建屋
Claims (21)
- 少なくとも1つの濃縮合金の粒子を備えている、核反応炉内で使用するための微粒子状金属燃料と、
クラッディングと、
ガス充填プレナムと、を備えている金属燃料システムにおいて、
前記粒子は燃料カラムへ締固められている、金属燃料システム。 - 前記締固めは、加振又は突固めによって得られている、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 前記少なくとも1つの濃縮合金は、ウラン、プルトニウム、超ウラン、及びそれらの組合せから成る群より選択されている、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 前記微粒子状金属燃料は、マイナーアクチニドを更に備えている、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 前記クラッディングの中のガス状熱伝達媒体を更に備えている、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 前記ガス状熱伝達媒体はヘリウムガスである、請求項5に記載の金属燃料システム。
- 前記燃料カラムのスメア密度は大凡75%又はそれ以下である、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 粒子状金属燃料対プレナムの体積比は大凡0.8対大凡2.0である、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 前記燃料カラムへの加圧を維持するための拘束具を更に備えている、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 前記粒子は、直径が約50ミクロンから約1000ミクロンの間にある、請求項1に記載の金属燃料システム。
- 反応炉タンクと、
前記反応炉タンク内の炉心であって、不活性ガスを熱伝達媒体として使用する、詰められた微粒子状金属燃料の燃料カラムを備えている炉心と、
液体ナトリウムを熱交換器を通して循環させるためのポンプと、を備えている小型モジュール式反応炉。 - 熱を超臨界二酸化炭素に伝達するための第2の熱交換器を更に備えている、請求項11に記載の小型モジュール式反応炉。
- ブレイトン二酸化炭素サイクルシステムを更に備えている、請求項11に記載の小型モジュール式反応炉。
- 前記不活性ガスはヘリウムである、請求項11に記載の小型モジュール式反応炉。
- 金属燃料をリサイクル又は再加工するための方法において、
パーセント燃焼度を有する燃料カラムを提供する工程と、
核***生成物廃棄物を高温冶金法的リサイクルを用いて抽出する工程と、
前記パーセント燃焼度に大凡等しい置換物質を或る一定の割合で添加する工程と、
金属燃料合金粉末を作成する工程と、
前記金属燃料合金粉末を置換用の炉心へ加振締固めする工程と、を備えている方法。 - 前記置換物質は劣化ウラン装填物である、請求項15に記載の方法。
- 前記置換物質は軽水炉使用済核燃料である、請求項15に記載の方法。
- 前記置換物質はサーメットである、請求項15に記載の方法。
- 前記一定の割合の置換物質を添加する工程に先立ち、前記サーメットを金属状態へ還元する工程を更に備えている、請求項18に記載の方法。
- 前記酸化物含有量は、前記置換炉心の大凡10重量%から大凡25重量%へ増加されてもよい、請求項15に記載の方法。
- 前記金属燃料合金粉末は、直径が約50ミクロンから約1000ミクロンの粒子を備えている、請求項15に記載の方法。
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