水素減速自己制御型原子力発電モジュール

水素減速自己制御型原子力発電モジュール(HPM) は、小型自己制御可搬型原子炉(ComStar)とも呼ばれ、 [ 1 ]水素化物を中性子減速材として使用するタイプの原子炉です。燃料と中性子減速材がウラン水素化物UH 3であり、高温 (500～800 °C) でウランと水素に還元されるため、設計は本質的に安全です[ 2 ]。ガス状の水素は炉心から出て、劣化ウランなどの水素吸収物質に吸収されるため、臨界状態は低下します。つまり、温度が上昇すると中性子減速が低下し、炉心での核分裂反応が弱まり、炉心温度が低下します。つまり、炉心から取り出されるエネルギーが増えるにつれて減速が上昇し、核分裂プロセスが刺激されてより多くの熱が発生します。

このタイプの原子炉のコンセプトは、ニューメキシコ州ロスアラモス国立研究所（LANL）の科学者オーティス・ピーターソンとロバート・キンプランドによって開発されました。[ 3 ]オーティス・G・ピーターソン博士は、2002年にこの原子炉のコンセプトにより、連邦研究所コンソーシアム賞の注目すべき技術開発部門を受賞しました。[ 4 ]この技術はその後、ロスアラモス国立研究所との技術移転プログラムおよび共同研究開発契約（CRADA）に基づき、ハイペリオン ・パワー・ジェネレーションに独占的にライセンス供与されています。

この原子炉は、世界中の研究機関や大学で運用されているTRIGA研究原子炉や、宇宙用に開発された SNAP-10A原子炉といくつかの特徴を共有しています。

HPMの概略図

特徴

特許出願によると、この原子炉は他の原子炉設計とは一線を画す顕著な特徴を備えている。[ 5 ]核燃料として、現代の軽水炉の燃料棒を構成する通常の金属ウランまたは二酸化ウランではなく、ウラン235が5%まで「低濃縮」 されたウラン水素化物（UH3 ）（残りはウラン238）を使用する。実際、出願書類では、燃料棒と制御棒を備えた現代の「燃料棒」ベースの設計は提案された原子炉設計から完全に省略され、粒状ウラン水素化物の「タブ」を通る熱交換器に熱を伝導する受動ヒートパイプを備えた「タブ」設計が採用されている。使用される冷却材はカリウムである可能性が高い。

問題の原子炉設計では、十分な温度と圧力の水素ガスが炉心（粒状のウラン金属でできている）に取り込まれ、ウラン金属と反応してウランの水素化物を形成すると発電を開始します。ウランの水素化物は核燃料と中性子減速材の両方の役割を果たします。他の中性子減速材と同様に、明らかに中性子を減速させて核分裂反応を起こさせるようです。水素化物内の U-235 原子も核燃料として機能します。核反応が始まると、約 800 °C（1,500 °F）の特定の温度に達するまで継続しますが、そこでウランの水素化物の化学的性質により、化学的に分解して水素ガスとウラン金属に変わります。ウランの水素化物の化学的分解による中性子減速の喪失により、反応は結果として減速し、最終的には停止します。温度が許容レベルに戻ると、水素は再びウラン金属と結合してウラン水素化物を形成し、減速が回復して核反応が再び始まります。

これにより、原子炉は自己制御型の動的システムとなり、温度上昇に伴い原子炉反応性は大幅に低下し、温度低下に伴い原子炉反応性は大幅に増大します。したがって、この原子炉設計は自己制御型であり、メルトダウンは発生せず、本質的に安全です。安全性の観点から、この設計はTRIGA原子炉で使用されている技術を活用しています。TRIGA原子炉はウランジルコニウム水素化物（UZrH）燃料を使用し、米国原子力規制委員会（NRC）から無人運転の認可を受けている唯一の原子炉です。

原子炉の設計仕様によれば、ウラン水素化物炉心は劣化ウランまたはトリウム製の水素吸収貯蔵トレイに囲まれている。貯蔵トレイは、炉心から水素ガスを放出または吸収することができる。通常運転中（運転温度は約 550 °C（1,000 °F））、貯蔵トレイは水素ガスを炉心に放出するのに十分な高温に保たれる。貯蔵トレイは、ヒートパイプおよび外部熱源によって加熱または冷却される。したがって、定常状態では、ウラン水素化物炉心は貯蔵トレイの温度に従属する。ウラン水素化物炉心から突き出ている他のヒートパイプは、炉心から発生した熱を熱交換器に送り、熱交換器は蒸気タービン発電機セットに接続されて電力を生成する。

唯一の危険性はあらゆる核物質の危険性、すなわち放射線の危険性だが、原子炉の設計は地中に埋められ、5年に一度燃料交換のために掘り起こされるだけなので、この点は大幅に軽減される。その時点で適切な保障措置が講じられていると仮定すると、放射能への曝露は比較的小さな懸念事項となる。使用済み燃料も懸念事項だが、問題の設計の使用済み燃料を核リサイクルに適したものにする特定の技術と利点により、この点は軽減される。特に、設計の特許出願では、この種の原子炉でウラン燃料サイクルの代わりにトリウム燃料サイクルを使用すると、標準的な使用済み燃料で現在見られるよりもはるかに大きなリサイクルの可能性が可能になることが示されている。さらに、通常5％の燃焼率を達成する軽水炉とは対照的に、ウラン水素化物は最大50％の高い燃料燃焼率が可能である。

使用済み燃料の再処理は、いわゆるゾーン精製プロセスを使用して分離できるため、水素化物原子炉の設計により簡素化され、より経済的になります。[ 6 ]

提案されている原子炉の設計は、27MW e （70MW th ）の電力を供給可能で、重量18～20トン、直径約1.5メートル、組立ラインで大量生産可能であり、最大7～10年間、無人・無燃料運転が可能となる。コストは、石炭、従来型原子力、天然ガスといった既存のエネルギー源と競争力があると予測されている。

このタイプの原子炉のプロトタイプはまだ実現されていませんが、核プロセスはMCNPによってモデル化されています。ウラン水素化物原子炉の概念は斬新であるため、ガス流動力学、材料の選択と性能（特に水素脆化と水素化物の自然発火性）、放射線損傷、核分裂片の蓄積などについて、さらなる実験作業が必要となるでしょう。さらに、貯蔵トレイの遠隔温度制御、そして必要に応じてこれらのトレイを冷却して炉心から水素を吸収させるという課題も生じます（水素吸収自体によって熱が発生するため、貯蔵トレイに水素をさらに吸収させる前に、まずこの熱を排出する必要があります）。

歴史

HPMの概念は1950年代の研究に基づいている。当時、カリフォルニア大学放射線研究所（現在のローレンス・リバモア国立研究所）は、熱核兵器の点火薬として小型の核分裂装置を必要としていた。その目的は、核分裂性物質の使用を最小限に抑えながら、点火するのに十分な爆発を起こすことだった。これはアップショット・ノットホール作戦で試みられ、[ 7 ]臨界質量を下げるために水素が使用された。ルースおよびレイとコード名が付けられたテスト爆発では、炉心のウラン水素化物を使用した。ルースは水素同位体プロチウム（1 H）を、レイは水素同位体重水素（2 Hまたは2 D）を中性子減速材として使用した。予測された威力はルースで1.5～3 kt TNT、レイで0.5～1 kt TNTであったが、テストでは約200トンのTNTしか生成されなかった。

商業化

HPM技術は、ハイペリオン・パワー・ジェネレーション社によって開発・商品化されていました。ハイペリオン社は、僻地における小規模から中規模の産業施設および住宅施設向けの大規模市場をターゲットとしており、2万世帯（米国標準）から10万世帯（米国以外標準）に電力を供給していました。同社は、ユニットは密閉コンテナで配送され、現場で開封されることがないため、ほぼメンテナンスフリーであると主張していました。同社は、ユニットを工場で大量生産し、トラックで配送し、5年から10年（電力消費量による）後に再処理のために回収することを計画していました。

しかし、2009年11月、ハイペリオン・パワー・ジェネレーションは、ウラン水素化物原子炉設計の長期にわたる開発と規制認可プロセスを理由に、窒化ウランをベースにした別の鉛冷却高速炉設計を自社の発電モジュールに使用することを決定した。[ 8 ]

ハイペリオンはその後Gen4 Energyとしてブランド名を変更し、 2016年1月にエネルギー省からの第2回目の助成金を逃した後、2018年4月1日に廃業しました[4] 。 [5]

参考文献

  1. ^ロスアラモス国立研究所技術報告書 No. LA-UR-03-5170 (2003) および LA-UR-04-1087 (2004)
  2. ^米国特許出願20100119027 第28条米国特許出願20100119027
  3. ^ Peterson, OG, Kimpland, RH, Coates, DM: 小型自己制御型原子炉. アメリカ原子力学会誌, 第98巻, pp. 729–730 (2008)
  4. ^ [1] LANL 2002 科学賞および栄誉
  5. ^ [2]米国特許出願20100119027
  6. ^ Hyperion Power Generation 社、NRC 事前申請会議用スライド、2007 年 8 月 22 日：米国 NRC 機関全体文書アクセスおよび管理システム (ADAMS) 文書 ML072340518
  7. ^ http://www.nuclearweaponarchive.org/Usa/Tests/Upshotk.htmlアップショット・ノットホール作戦に関するミッション文書
  8. ^ [3] 2010年9月24日アーカイブ、Wayback Machine Hyperion Power Generationのニュースリリース、2009年11月18日
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