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超高温炉実験（UHTREX ）は、ロスアラモス国立研究所で1959年から1971年まで稼働していた実験用ガス冷却原子炉である[1] [2]。原子力発電のコスト削減研究の一環として行われた。 [3]その目的は、単純な燃料を使用する利点と汚染された冷却ループの欠点をテストし比較することであった。[4] 1969年に初めてフルパワーを達成した。[5]
この実験は、原子力熱ロケットの開発を目的としたローバー計画からの派生であった。[1]
原子炉炉心設計
UHTREX コアは、固体グラファイトで作られた垂直中空回転シリンダー (タレット) で構成されていました。
シリンダーは外径70インチ×内径23インチ×高さ39インチで、炉心には312本の燃料チャンネルがあった。チャンネルは炉心の周囲に15度間隔で等間隔に放射状に並んでおり、24本のチャンネルが13層に分かれていた。チャンネルごとに最大4本の燃料要素を保持でき、シリンダーの内部まで完全に貫通していた。炉心はフルパワーでも遠隔で燃料補給できた。[4] 燃料補給では、交換が必要な要素を含むチャンネルまで炉心を回転させ、新しい要素を押し込む。使用済みの要素は中央に押し出され、回収のために原子炉の底に落ちる。フルパワーでは、原子炉は燃料要素の濃縮度と多孔度に応じて1日あたり1～6本の燃料要素を使用した。3MWの熱エネルギーを生成した。
利点
一般的な原子炉は、燃料ペレットを被覆するか、燃料ペレットを燃料棒内に密封するか、または冷却剤を別の配管に通すことによって、冷却剤が燃料ペレットに直接接触するのを防止します。これにより、冷却剤の汚染を防止します。密封された燃料アセンブリの欠点の 1 つは、燃料要素内に核分裂生成物が蓄積することです。これらの生成物の中には、燃料の大部分が使い果たされる前に反応を阻害し、最終的に効率を低下させるものがあります。この時点で、原子炉は燃料補給を必要とします。燃料と冷却剤を分離しておくと、設計上の大きな課題も生じます。たとえば、分離するために必要な金属チューブは、一般に燃料ペレットよりも大幅に低い融点を超える温度では動作できません。これにより、原子炉の理論上の最大熱効率が低下します。
UHTREX は、長い中空の円筒状の非被覆多孔質炭素押し出し燃料要素を使用していました。[4] 燃料要素は、多孔質炭素円筒を硝酸ウラニル水溶液で真空含浸し、空気乾燥して炉で焼き、最終的に多孔質グラファイト マトリックスにしっかりと保持されたウラン酸化物コーティングを生成することによって製造されました。 [4] この燃料は、当時の他の種類の燃料よりも大幅に安価に製造できると予想されていました。 [ 4]このタイプの燃料の主な利点は、ペレットの多孔性と達成可能な高温により、核分裂生成物によって生成された毒物のほとんどが燃料から移動できることです。その後、毒物は冷却剤の流れによって運ばれ、最終的に濾過されて除去されます。これにより、ペレットの交換が必要になる前に、より高い割合の燃料を燃焼させることができます (最大 50%)。[4]
デメリット
多孔質原子炉燃料の主な欠点は、すべてのポンプ、コンプレッサー、熱交換器を含む一次冷却ループ全体が核分裂生成物で高度に汚染されることです。[4]汚染された冷却材 の潜在的な漏れによって引き起こされる汚染は、人員と環境に重大な危険をもたらします。汚染レベルが高いと、最終的な燃料交換のために原子炉容器を開けることができなくなります。そのため、原子炉は遠隔オンライン燃料交換用に設計されました。
仕様
UHTREXの仕様は以下のとおりです。[4]
- 燃料 -高濃縮ウラン
- 定格出力 - 3 MW（熱）
- コア構成材料 - グラファイト
- モデレーター - グラファイト
- 原子炉容器 -炭素鋼球、直径 13 フィート 2 インチ、厚さ 1.75 インチ。
- 燃料チャネル - 312 チャネル。各チャネルの内径は 1.1 インチ、長さは 23.5 インチで、最大 4 つの燃料要素を保持します。
- 燃料要素 - 外径 1 インチ、内径 0.5 インチ、長さ 5.5 インチ (25.4 mm x 12.7 mm x 139.7 mm)。
- コア電力密度 - 1.3 W/cc
- 燃料利用率 - 最大 50%。
- 冷却剤 - 500 psi (3.45 MPa)のヘリウム
- 冷却剤温度 - 入口 1600 °F、出口 2400 °F (871 °C および 1316 °C)。
- 冷却剤流量 - 10,250 ポンド/時 (1.294 kg/秒)
ここで、ID と OD はそれぞれ内径と外径です。
参照
参考文献
- ^ ab 『The Bradbury Years』、ロスアラモスサイエンス誌1983年冬/春号（ロスアラモス国立研究所）。
- ^ 『 The Agnew Years』、Los Alamos Science Winter/Spring 1983 (ロスアラモス科学研究所)より。
- ^ アトム 第11巻 第51号（1974年1月～2月）
- ^ abcdefgh 超高温炉実験（UHTREX）危険報告書、ロスアラモス科学文書#LA-2689（1962年）。
- ^ ロスアラモス国立研究所の歴史におけるマイルストーン、ロスアラモス科学文書番号 21-1993。