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Design study of nuclear power systems for deep space explorers, 1; Criticality of low enriched uranium fueled core

深宇宙探査機用原子力システムの設計研究,1; 低濃縮ウラン燃料炉心の臨界性

久語 輝彦; 秋江 拓志; 山路 哲史; 鍋島 邦彦; 岩村 公道; 秋本 肇

Kugo, Teruhiko; Akie, Hiroshi; Yamaji, Akifumi; Nabeshima, Kunihiko; Iwamura, Takamichi; Akimoto, Hajime

原子炉と熱電変換素子の組合せによる電力供給システムは、深宇宙探査機の推進用システムの有望な概念と考えられる。本システムでは核拡散抵抗性の観点から低濃縮ウラン燃料を使用することとし、低濃縮ウラン燃料炉心の臨界性を調査した。燃料として酸化物燃料,窒化物燃料及び金属燃料を、減速材として、ジルコニウムやイットリウムの金属水素化物,ベリリウム,ベリリウム化合物,黒鉛を対象とした。反射体として、ベリリウム,ベリリウム酸化物,ベリリウム化合物,黒鉛を考慮した。燃料,減速材及び構造材の割合及び反射体厚さを変えながら低濃縮ウラン燃料炉心の臨界性を調査した。原子炉重量の低減を目指すうえで、高速中性子スペクトルの炉心より熱中性子スペクトルの炉心が、また減速材としてベリリウムや黒鉛よりも金属水素化物が良好であるとわかった。窒化物燃料,イットリウム水素化物減速材及びベリリウム反射体を組合せた原子炉の重量は、約500kgとなった。

Combining a nuclear reactor with thermoelectric converters is expected to be one of promising options to supply a propulsion power for deep space explorers. One of the key features of the concept is to use low enriched uranium fuels from the viewpoint of nuclear non-proliferation. Fuels of uranium oxide, nitride and metal were examined. Zirconium and yttrium hydrides, beryllium, zirconium beryllide and graphite were considered as moderators. Reflectors of beryllium, beryllium oxide, zirconium beryllide and graphite were taken into consideration. A criticality survey of the core was performed by changing the ratio of the fuel, moderator and structure, and the reflector thickness. As a result from the viewpoint of a smaller mass of reactor, it is better to use thermal spectrum cores than fast ones, and the metal hydride moderators than beryllium or graphite. For example, a combination of uranium nitride, yttrium hydride and beryllium reflector achieves a reactor mass of as low as 500kg.

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