CN103348413A - 核反应堆控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制核反应堆的方法。该方法包括在核反应堆堆芯中提供慢化剂区，在慢化剂区提供燃料，并提供一个或多个具有空腔且靠近燃料的壳体。该方法还包括允许慢化剂区和一个或多个壳体的空腔之间的慢化剂移动，移动位置在一个或多个壳体下部。该方法进一包括将慢化剂限制在一个或多个壳体的空腔里，限制位置在一个或多个壳体上部。

Description

核反应堆控制方法及其装置

相关申请

本申请案主张2011年5月13日申请的美国临时专利申请案61/485,656的优先权，申请案61/485,656在此以引用的方式并入本文。

技术领域

本发明旨在提供核反应堆控制方法及其装置，尤其是，用于控制液体慢化剂核反应堆的控制方法及其装置。

背景技术

使用传统反应堆核控制系统的核反应堆有几个不足之处。使用传统控制系统的反应堆恒定调节反应堆堆芯中子吸收材料的数量，且由于吸收过量中子，因而转换比减小。而且，使用传统控制系统的反应堆不具备相对较大范围的反应性控制，因而使用的燃料的易裂变物质的范围相对狭窄。此外，使用传统控制系统的反应堆需频繁补给燃料，无法大比例地获取燃料中的潜在能量，且遗留相对高量的每千瓦小时发电量的放射性废弃物。

加拿大重水铀反应堆（CANDU）的控制方法试图解决这些问题。然而，CANDU反应堆使用了调节棒，吸收过量中子，因此未能提供可充分克服传统技术中不足之处的控制系统。

本发明旨在克服上文所述一个或多个缺陷和/或先前技术中的其他不足之处。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种控制核反应堆的方法。该方法包括在核反应堆堆芯中提供慢化剂区，在慢化剂区提供燃料，并提供一个或多个具有空腔且靠近燃料的壳体。该方法还包括允许慢化剂区和一个或多个壳体的空腔之间的慢化剂移动，移动位置在一个或多个壳体下部。该方法进一包括将慢化剂限制在一个或多个壳体的空腔里，限制位置在一个或多个壳体上部。

根据本发明的另一方面，提供一个核反应堆堆芯。核反应堆堆芯具有慢化剂区、置于慢化剂区中的燃料、以及临近燃料的一个或多个壳体，各壳体具有一个空腔。各壳体下部打开用于慢化剂区和空腔之间的慢化剂移动，各壳体上部关闭用于慢化剂区和空腔之间的慢化剂移动。

附图说明

图1是本发明示范性核反应堆系统的示意图；

图2是图1核反应堆系统中第一示范性反应堆的平面图；

图2A是图1核反应堆系统布置的平面缩放图；

图3是图2所示反应堆的A-A部分的截面图；

图3A是图2所示反应堆的A-A部分的截面缩放图；

图4是反应堆的示范性燃料管布置的示意图；

图5是图4中燃料管布置的侧视图；

图6是反应堆的另一示范性燃料管布置的示意图；

图7是图3所示反应堆的B-B部分的截面图；

图8是反应堆的示范性控制腔阵列的详图；

图8A是反应堆的示范性控制腔阵列的另一详图；

图8B是反应堆的示范性控制腔阵列的又一详图；

图8C是反应堆的示范性控制腔阵列的示意图；

图8D是反应堆的示范性控制腔阵列的另一示意图；

图9是反应堆的第二示范性实施例的截面图；

图10是图9中反应堆的侧视图；

图11是图9中反应堆的示范性控制腔阵列的详图；

图12A是反应堆的第三示范性实施例的平面图；

图12B是反应堆的第三示范性实施例的截面图；

图12C是反应堆的第三示范性实施例的立体图；

图12D是反应堆的第三示范性实施例的示意图；

图12E是反应堆的第三示范性实施例的另一示意图；

图12F是反应堆的第三示范性实施例的又一示意图；

图12G是反应堆的第三示范性实施例的另一立体图；

图12H是反应堆的第四示范性实施例的平面图；

图12I是反应堆的第四示范性实施例的截面示意图；

图12J包括反应堆的第四示范性实施例的平面示意图和截面示意图；

图12K是反应堆的第四示范性实施例的截面示意图；

图12L包括反应堆的第四示范性实施例的示意平面图和截面示意图；

图12M包括反应堆的第四示范性实施例的示意平面图和截面示意图；

图12N包括反应堆的第四示范性实施例的截面示意图；

图13是示范性反应堆冷却子系统的示意图；

图14是反应堆冷却子系统的示范性通路的截面图；

图15是图20所示反应堆冷却子系统的C-C部分的截面图；

图16是第一示范性辅助冷却子系统的示意图；

图17是第二示范性辅助冷却子系统的示意图；

图18是图17中第二辅助冷却子系统的平面图；

图19是第三示范性辅助冷却子系统的示意图；以及

图20是示范性反应堆控制子系统的示意图。

具体实施方式

图1示出了通过核反应发电的示范性核反应堆系统5。核反应堆系统5可包括发电子系统10和反应堆15。反应堆15可通过核反应向发电子系统10提供能量。核反应堆系统5也可包括热交换器20、反应堆冷却子系统25和泵子系统30。反应堆冷却子系统25可促进反应堆15和热交换器20之间的热交换，泵子系统30可对反应堆冷却子系统25加压。核反应堆系统5可进一步包括辅助冷却子系统35和反应堆控制子系统40。辅助冷却子系统35可通过反应堆15提供额外热传递，反应堆控制子系统40可控制反应堆15的操作。

发电子系统10可包括一个或多个涡轮机45、一个或多个传动装配50、一个或多个发电机55、涡轮机冷却子系统60和涡轮机蒸汽子系统65。涡轮机45可通过传动装配50驱动发电机55。涡轮机蒸汽子系统65可转换涡轮机45和涡轮机冷却子系统60之间的水（H₂O）和蒸汽（H₂O）。

涡轮机45可以是适用于核反应堆的任何类型涡轮机，例如，蒸汽涡轮机。涡轮机45可将涡轮机蒸汽子系统65传递的高压蒸汽（H₂O）转化为机械能。例如，涡轮机45可包括安装在转动轴上的多个元件。高压蒸汽（H₂O）可进入涡轮机45并通过安装在转动轴上的元件，蒸汽（H₂O）的动能由此推动多个元件绕转动轴旋转。涡轮机45可包括一连串一个或多个高压汽缸，随后是一个或多个低压汽缸。各汽缸中央部位可容纳蒸汽（H₂O），蒸汽（H₂O）可逐步扩展通过一连串汽缸，从而移动安装在涡轮机45轴上的元件。涡轮机45可包括固定元件，固定元件指引蒸汽（H₂O）在涡轮机45内流动。涡轮机45可包括附加系统，例如，具有油压操作阀调节蒸汽（H₂O）流量的液压控制阀系统、用于润滑支撑汽缸的轴承的润滑系统、以及用于在蒸汽（H₂O）离开高压汽缸之后进入低压汽缸之前对蒸汽去湿的汽水分离器。

传动装配50可以是用于将涡轮机45的机械能转移至发电机55的任何适用组件，例如，机械传动轴组件。传动装配50可将涡轮机45的转动轴操作性连接至发电机55，这样，蒸汽（H₂O）碰撞安装在涡轮机45轴上的元件而产生的动能可作为机械能通过传动装配50转移至发电机55。

发电机55可以是适用于核反应堆的任何类型发电机，例如，电气发电机。例如，发电机55可包括磁铁和导线布置，用于通过传动装配50转移的机械能发电。例如，传动装配50可转动发电机55内的磁铁元件产生电能。发电机55可产生任何适用频率的交流电，例如，50Hz（50循环）或60Hz（60循环）的电力。发电子系统10可以大体恒定的频率操作性维护一个或多个发电机55，例如，50或60的循环电力。

涡轮机冷却子系统60可以是适用于核反应堆的任何类型冷却系统，例如，使用冷凝器、冷却塔和/或用于热交换的强制气流的冷却系统。涡轮机冷却子系统60可移除涡轮机45的剩余蒸汽（H₂O）并将剩余蒸汽（H₂O）凝结成水（H₂O）。除使用冷凝器、冷却塔和/或强制气流将蒸汽（H₂O）凝结成水（H₂O）外，涡轮机冷却子系统60还可利用附近可用且适用的水体（H₂O），用于（例如）直流冷却。

涡轮机蒸汽子系统65可以是适用于转移热交换器20、涡轮机45和涡轮机冷却子系统60之间的水（H₂O）和蒸汽（H₂O）的任何类型布置。涡轮机蒸汽子系统65可包括将热交换器20的热蒸汽（H₂O）转移至涡轮机45的通路70、将涡轮机45的剩余蒸汽或排汽（H₂O）转移至涡轮机冷却子系统60的通路75、以及将涡轮机冷却子系统60相对较冷的水（H₂O）转移至热交换器20的通路80。通路70、75和80可以是用于转移蒸汽（H₂O）和水（H₂O）的任何适用通路，例如，钢管。

除了向涡轮机提供蒸汽（H₂O）发电外，核反应堆系统5还可提供蒸汽（H₂O）用于其他任何适用蒸汽（H₂O）的用途。例如，核反应堆系统5的配置可包括：蒸汽（H₂O）使用后不返回系统，以及/或输入水并非来自涡轮机蒸汽子系统65。例如，核反应堆系统5可提供用于地热油萃取的蒸汽（H₂O）。

热交换器20可以是适用于在发电子系统10和反应堆15之间传递热能的任何类型热交换器。例如，热交换器20可包括一个或多个蒸汽发生器，蒸汽发生器具有多个管道，反应堆冷却子系统25的热反应堆冷却剂流过这多个管道。各蒸汽发生器可包括，例如，用于接收热反应堆冷却剂的成千上万个管道。例如，各蒸汽发生器可包括约3,000至16,000个管道。流过蒸汽发生器管道的热反应堆冷却剂可煮沸由涡轮机蒸汽子系统65传递至热交换器20的水（H₂O）。然后热交换器20的蒸汽发生器产生的蒸汽（H₂O）可通过涡轮机蒸汽子系统65传递至涡轮机45。通过热交换器20时，反应堆冷却剂可冷却且可随后通过反应堆冷却子系统25返回至反应堆15。

由涡轮机蒸汽子系统65传递至热交换器20的水（H₂O）可从热交换器20上部进入热交换器20。相对较冷的水（H₂O）可通过多个喷嘴83（见图20）注入热交换器20的内部，喷嘴83可置于热交换器20的中央和/或上部，于热交换器20的内壁上。多个喷嘴83可朝下，且可将水（H₂O）注入已装在热交换器20内的沸水（H₂O）中。因此，相对较冷的水（H₂O）可与已装在热交换器20中的沸水（H₂O）混合，从而利于降低热交换器20内所装H₂O的温度梯度量值。这样，由于较低的温度梯度，热交换器20能够在较高温度下产生蒸汽（H₂O）。还可假设通过使用重复循环泵，或结合使用对流以及将沸水（H₂O）夹带入喷嘴83喷射的相对较冷水（H₂O）的下游水，也可进一步降低温度梯度量值。

反应堆15可以是适用于通过核反应发电的任何类型核反应堆。反应堆15可以是，例如，使用液体慢化剂的任何核反应堆。此外，例如，反应堆15可以是重水慢化反应堆和/或重水冷却反应堆。反应堆15可以是，例如，CANDU反应堆。如图2所示，反应堆15可包括外壳结构85、压力容器90、反射体区95和反应堆堆芯100。外壳结构85和压力容器90可覆盖反射体区95。反应堆堆芯100可放置于反射体区95中。

外壳结构85可以是任何类型的结构，适用于覆盖反射体区95和反应堆堆芯100，并适用于对反应堆15的外部环境屏蔽反应堆15放射的辐射和中子。例如，外壳结构85可包括围绕反射体区95和反应堆堆芯100的钢筋混凝土墙或预应力混凝土墙。外壳结构85的墙体可以是能覆盖反射体区95和反应堆堆芯100的任何适用厚度，例如，在约四英尺和约十英尺之间。外壳结构85可包括通孔，用以连接反应堆冷却子系统25、辅助冷却子系统35的各种元件或核反应堆系统5的其他元件。外壳结构85在结构上可支撑、隔离反射体区95和反应堆堆芯100并用作反射体区95和反应堆堆芯100的辐射屏蔽。例如，反射池能简单地填充压力容器90的底部，或可能包含在单独的容器中，以下将进一步描述。

压力容器90可以是适用于对反射体区95和反应堆堆芯100加压的任何类型压力容器或结构。例如，压力容器90可以是密封反射体区95和反应堆堆芯100并对其加压的钢制容器。压力容器90可包括一个或多个钢制元件，这些钢制元件经配置且/或连接形成密封容器。压力容器90可包括能用作压力容器的任何其他属性适宜的适用材料，例如，抗断裂和抗脆裂的材料。当反射体区95和反应堆堆芯100包括保持相对较高温度的“热反应慢化剂”时，可使用压力容器90。压力容器90可包括通孔，用以连接反应堆冷却子系统25、辅助冷却子系统35的各种元件或核反应堆系统5的其他元件。可密封压力容器90的通孔以维持压力容器90内反射体区95和反应堆堆芯100的加压。

如图3所示，反射体区95可包括反射池105和蒸汽区域110。分界线115可分离反射池105和蒸汽区域110。

反射池105可包括液态慢化剂。例如，反射池105可包括液态D₂O（“重水”）。反射池105可包括经制造用以慢化核反应，具有任何适用属性的D₂O。例如，反射池105的D₂O可能是反应堆级重水（纯度99.75%）。反射池105还可包括液态包括H₂O（“轻水”）慢化剂。反射池105可包括“热反应慢化剂”（例如，图2）或“冷反应慢化剂”（例如，图11）。

蒸汽区域110的慢化剂可使用与反射池105相同的材料。蒸汽区域110可包括气态慢化剂。来自反应堆堆芯100的热能可加热反射体区95中的慢化剂，使得一些慢化剂在蒸汽区域110中保持气态。蒸汽区域110的气态慢化剂温度基本与反射池105的液态慢化剂温度一样。如果所有慢化剂基本加热至气态，蒸汽区域110可大体填充整个反射体区95。同样，如果所有慢化剂基本冷却至液态，反射池105可大体填充整个反射体区95。分界线115可分离反射池105和蒸汽区域110。

以下揭示反应堆堆芯的四个示范性实施例：反应堆堆芯100、反应堆堆芯100'、反应堆堆芯100a和反应堆堆芯100b。在适当情况下，每个示范性实施例（例如，带修饰语“a”表示反应堆堆芯100a的元件符号）揭示的各种特点可与其他实施例的特点结合。如以下进一步揭示，本发明示范性实施例说明本发明核反应堆系统的广义范围内的可能实施例。例如，反应堆堆芯100、100'、100a和100b显示本发明核反应堆系统可包括垂直和水平的燃料管布置、核反应堆中的热和冷反应慢化剂、不同的核燃料如铀、钚和钍的不同构成如金属、氧化物或盐类、不同的燃料管布置如六边形和方形布置、不同类型的慢化剂（如D₂O和H₂O）、不同的一次冷却剂（如D₂O、H₂O和有机液体等液体；熔融金属如钠和铅；熔融盐以及气体如氦气）、以及不同的慢化剂冷却技术（如热交换和直接液体交换）。通过以下揭示的示范性实施例，熟习此项技术者应明白，每个示范性实施例各种揭示的特点，适当情况下可能结合任何其他示范性实施例的特点。

作为反应堆堆芯的第一示范性实施例，反应堆堆芯100可包括燃料组件125和控制腔阵列130。控制腔阵列130可包含一袋或多袋慢化剂和/或临近燃料组件125的慢化剂蒸汽。燃料管135可在带截断角落的方形阵列中垂直定向（如图4所示），慢化剂和燃料冷却剂可能是重水（如D₂O）。慢化剂可通过一次冷却剂（燃料冷却剂）流量的一部分传导冷却。

燃料组件125可以是适用于核反应的任何类型核燃料。例如，燃料组件125可包括置于多个燃料管135中的燃料棒束。例如，燃料组件125可包括成百上千个燃料管135布置。例如，燃料组件125可包括约100个至约500个之间的燃料管135，燃料管135直径约四英寸。各燃料管135可包括任何适用数量的燃料棒束，例如，12捆燃料。各燃料棒束可包括任何适用数量的燃料棒，例如，37个燃料棒。燃料组件125可包括任何适用于核反应的燃料，例如，天然铀、浓缩铀、混合氧化物燃料（MOX）、钚、钍、和/或这些及其它材料的各种混合材料。例如，燃料组件125可包括混合铀/钚燃料或混合铀/钍材料。

燃料组件125可包括垂直放置的燃料管135（例如，如图2中所示）。燃料组件125可包括以任何适用配置布置的燃料管135，例如，如图4和图5中所示的直角阵列。

如图2所示，控制腔阵列130可包括三维阵列控制腔140。例如，三维阵列控制腔140可用作壳体，限制临近燃料组件125的燃料管135的慢化剂。如图2、图3和图7所示，多个控制腔140可彼此水平放置，也可垂直堆叠。控制腔140可在控制腔阵列130内垂直和/或水平交错。例如，图3所示为垂直交错的控制腔140。控制腔140可能以任何适用配置布置，以限制临近燃料管135的慢化剂。

图2A和3A示出了反应堆15布置的不同视图。图2A和图3A展示了反应堆15的示范性缩放布置。

如图2和图8所示，各控制腔140可包括结构组件145和圆锥内圈组件150。圆锥内圈组件150可限制结构组件145内的慢化剂。结构组件145可用作限制慢化剂的壳体。

如图2、图3和图7所示，结构组件145可包括一个或多个上部构件155、一个或多个侧部构件160、一个或多个端部构件165和一个或多个中间构件170。上部构件155、侧部构件160、端部构件165和中间构件170可使用任何适用结构材料，例如，锆合金制成，用以限制慢化剂。上部构件155、侧部构件160、端部构件165和中间构件170可通过任何适用技术，例如，焊接，彼此连接。上部构件155、侧部构件160、端部构件165和中间构件170还可彼此构成整体。上部构件155、侧部构件160、端部构件165和中间构件170可以是任何适用结构构件，例如，大体平坦和/或板状构件，用于限制慢化剂。上部构件155可以是，例如，大体水平放置于控制腔140上部的平坦构件，且可以连接至大体平坦的侧部构件160。端部构件165可连接至上部构件155和侧部构件160的尾部。上部构件155、侧部构件160、端部构件165可连接形成，例如，上部关闭底部打开的空腔。因此，上部构件155、侧部构件160和端部构件165可充分防止慢化剂移入移出控制腔140的上部，同时允许慢化剂移入移出控制腔140的下部。控制腔140的上部可包括上部构件155、侧部构件160的上部、端部构件165的上部。控制腔140的下部可包括侧部构件160的下部和端部构件165的下部。

一个或多个中间构件170可放置于侧部构件160和上部构件155之间且与它们连接。中间构件170可在沿控制腔140的任何空隔处放置。中间构件170可充分防止慢化剂移动穿过控制腔140的上部。端部构件165和中间构件170的高度可小于侧部构件160的高度。指定控制腔140的侧部构件160可与下方放置的另一控制腔140的上部构件155连接，例如，在控制腔140均垂直堆叠的情况下。由于端部构件165和中间构件170的高度可能小于侧部构件160的高度，慢化剂可能分别通过间隔175和间隔180在端部构件165和中间构件170下方自由移动，如图7所示。因此，端部构件165和中间构件170可用作挡板，阻止慢化剂在控制腔140的上部移动，并允许慢化剂在控制腔140的下部移动。间隔180可允许慢化剂移动穿过控制腔140的下部，间隔175可允许慢化剂在反射体区95和控制腔140之间移动。慢化剂可不在侧部构件160下方移动，侧部构件160可与下方放置的控制腔140的上部构件155连接。然而，还可假设在下方放置的控制腔140的侧部构件160和上部构件155之间提供间隔，也可允许慢化剂在一些或所有侧部构件160下方移动。因此，还可假设慢化剂可在反射体区95和控制腔140之间,在侧部构件160下方自由移动。

如图3和图7所示，由于慢化剂可通过间隔175和间隔180在反射体区95和控制腔140之间自由移动，因此控制腔140可包括反射体区95同样的慢化剂。由于限制在控制腔140中的慢化剂通过中子、伽玛辐射和/或来自燃料管135的热传导加热，控制腔140中的一些或所有慢化剂可在气体区185中加热至气态。控制腔140中的一些或所有慢化剂也可在液体区190中呈液态。气体区185和液体区190可通过分界线195分离。气体区185和液体区190的大小可在控制腔140之间，以及单个控制腔140内不同的中间构件170之间变化。因此，分界线195的位置可在控制腔140之间和单个控制腔140内不同的中间构件170之间变化。例如，指定控制腔140可同时具有气体区185和液体区190，基本上只有一个气体区185，或基本只有一个液体区190。

通过中子、伽玛辐射和/或来自燃料管135的传导传递的热能可导致液体区190的液体慢化剂保持在慢化剂沸点温度或正好低于沸点的温度。例如，液体区190的慢化剂可保持在即将沸腾的状态。由于液体区190中的慢化剂即将沸腾，一些慢化剂可蒸发并升入气体区185中。同样，气体区185中靠近反应堆冷却子系统25组件的慢化剂（例如，如下所述）可凝结并沿控制腔140的内表面滴回至液体区190。因此，当燃料管135传递的热量和反应堆冷却子系统25移除的热量基本相等时，气体区185的大小可基本保持恒定，分界线195可保持相对固定。如下进一步描述，基于氙和钐吸收中子，气体区185的大小以及分界线195的位置在短时间内（例如，经过几天）可能略有变化，而基于如燃料的使用阶段（例如，燃料烧尽），在长时间内（例如，经过几年）则会显著变化。气体区185的大小以及分界线195的位置在反应堆冷却子系统25冷却率变化期间及不久之后可能略有变化。

如图8中更详细示出，圆锥内圈组件150可包括内圆锥内圈组件200、外圆锥内圈组件205和通路210。圆锥内圈组件150可在燃料管135之间提供结构界面，结构界面可穿过控制腔140，且有助于更均匀地在控制腔140内分布来自燃料管135的热能。内圆锥内圈组件200可包围燃料管135的一部分，外圆锥内圈组件205可包围内圆锥内圈组件200，通路210可放置于内圆锥内圈组件200和外圆锥内圈组件205之间。

内圆锥内圈组件200可包括圆锥内圈215，圆锥内圈215可包围燃料管135的一部分。圆锥内圈215可使用任何适用材料，例如，锆合金制成，用以将液体慢化剂或蒸汽慢化剂限制在控制腔140内。圆锥内圈215可由单独的元件构成或可整体构成单个元件。圆锥内圈215也可具有任何适用高度，用以限制慢化剂。例如，圆锥内圈215的高度可约为控制腔140高度的两倍。圆锥内圈215可穿过在结构组件145的上部构件155中形成的通孔。圆锥内圈215可放置于各控制腔140处。由于圆锥内圈215高度可大于控制腔140的高度，圆锥内圈215可与包围相同燃料管135的其他圆锥内圈215重叠。圆锥内圈215可形成与燃料管135的通路220，重叠圆锥内圈215可形成彼此间的通路225。通路220可以是通路225的延续。通路220和通路225可包围燃料管135，且可以是任何适用形状，例如，锥形通路。圆锥内圈215可密封至圆锥内圈215顶部的燃料管135，这样通路220可形成闭端，通路220在顶部密封。由于燃料管135温度通常可高于慢化剂沸点温度，通路220中的任何慢化剂可煮沸且形成的蒸汽慢化剂将迫使液体慢化剂通过间隔250向下流出通路220和225底部，并流入控制腔140的下部。由于蒸汽导热效率不及液体慢化剂，通过通路220和225形成的双蒸汽间隙以及重叠圆锥内圈215可降低从燃料管135向控制腔140中慢化剂转移的热能。因此，圆锥内圈215可有效包围燃料管135，在通路220和225中形成薄薄一层蒸汽慢化剂，蒸汽慢化剂与反射体区95流体窜槽。

外圆锥内圈组件205可包括内部圆锥内圈235和外部圆锥内圈240。内部圆锥内圈235和外部圆锥内圈240制造材料可与圆锥内圈215类似，且可包围燃料管135和圆锥内圈215。内部圆锥内圈235可连接至上部构件155的底面245，且可在内部圆锥内圈235的底部间断性连接至圆锥内圈215的底部，以形成结构整体性，但仍留有间隔230，可允许液体慢化剂通过通路210从一个控制腔140的下部垂直流向上方和下方的控制腔140。内部圆锥内圈235高度可略小于控制腔140高度，且可与下方放置的相邻控制腔140的上表面255形成间隔250。外部圆锥内圈240也可连接至上部构件155的底面245，且高度可小于内部圆锥内圈235的高度。内部圆锥内圈235和外部圆锥内圈240之间可形成空腔260。慢化剂可在控制腔140的液体区190和空腔260之间自由移动。慢化剂还可在液体区190和区段270之间自由移动，区段270置于相邻燃料管135的相邻外部圆锥内圈240之间。液体区275包括可放置于空腔260内的液体慢化剂。随着燃料管135的快速中子和伽玛辐射加热控制腔140中的慢化剂，液体区275中的液体慢化剂可加热为蒸汽慢化剂，且可形成气体区280。同样，随着燃料管135的更高速（例如，快速）中子和伽玛辐射加热控制腔140中的慢化剂，液体区190中的液体慢化剂可加热为蒸汽慢化剂，且可在置于相邻外部圆锥内圈240之间的区段270内形成气体区185的一部分。根据燃料管135的更高速（例如，快速）中子和伽玛辐射传递的热量，空腔260和区段270可分别被气体区280和185基本完全填充，或分别被液体区275和190基本完全填充。

分界线290可分离液体区275和气体区280，分界线195可分离液体区190和气体区185。液体区275、气体区280和分界线290的特征可分别与上述液体区190、气体区185和分界线195的特征类似。例如，当燃料管135的更高速（例如，快速）中子和伽玛辐射传递的热量和反应堆冷却子系统25移除的热量基本相等时，气体区280和185的大小可基本保持恒定，分界线290和195可保持相对固定。

圆锥内圈215和内部圆锥内圈235之间可形成通路210。圆锥内圈215的底部部分和内部圆锥内圈235的底部部分之间可形成间隔300。慢化剂可通过间隔300在通路210和控制腔140下部之间自由移动，间隔300可与间隔230类似。因此，由于控制腔140可能与反射体区95流体窜槽，慢化剂可通过控制腔140在通路210和反射体区95之间自由移动。由于通路210顶部可能未关闭，因此通路210可能基本充满液体慢化剂，慢化剂蒸汽气泡可通过通路210快速上升。

图8A、8B、8C和8D所示为圆锥内圈组件150的替代性视图。

图9、10和11所示为反应堆15的第二示范性实施例。在该实施例中，反应堆15可包括放置于反射体区95中的反应堆堆芯100'。反应堆堆芯100'可包括燃料组件125'和控制腔阵列130'。控制腔阵列130'可限制临近燃料组件125'的慢化剂。在该第二实施例中，燃料管135'可水平放置且布置在带截断角落的方形阵列中，如图10中所示。慢化剂可为冷慢化剂或通过将相对较冷的慢化剂泵入控制腔140'进行冷却。慢化剂可能是重水（D₂O），一次冷却剂成分可能是任何适用冷却剂。

燃料组件125'可包括多个燃料管135'。燃料管135'可与反应堆堆芯100的燃料管135相似。燃料管135'可以，例如，大体水平放置。

控制腔阵列130'可包括多个控制腔140'。如图10中所示反应堆堆芯100'的端视图，控制腔140'可放置于燃料组件125'的燃料管135'之间。各控制腔140'可包含在结构组件145'中，结构组件145'可能是长度大于燃料组件125'长度的管，且可包含控制腔140'，控制腔140'可用作限制慢化剂的壳体。

如图9和图11中所示，结构组件145'可包括一个或多个上部构件155'、一个或多个端部构件165'和一个或多个中间构件170'，这些构件使用类似材料制成，并使用类似技术连接，用作控制腔140的结构组件145的构件。上部构件155'可具有，例如，包围控制腔140'上部的曲线形状。例如，上部构件155'可具有包围控制腔140'上部的半圆形形状。另外，例如，上部构件155'可具有基本全圆形形状，带下部部分160'，这样在下部部分160'中继续的上部构件155'可完全包围控制腔140'。端部构件165'可连接至上部构件155'和下部部分160'的尾部，以完全包围控制腔140'。结构组件145'可延伸超越燃料棒（燃烧帮可放置于燃料管135'内）以包含端部隔舱142'。端部构件165'可具有通路166'，通路166'与垂直立管167'流体窜槽，可允许液体慢化剂在靠近端部隔舱142'顶部的位置流出，且可允许慢化剂蒸汽自由流入端部隔舱142'和垂直立管167'之间的任何方向。垂直立管167'的下端可引入慢化剂储存器168'中，慢化剂储存器168'可储存液体慢化剂以及慢化剂蒸汽。例如，当上部构件155'为半圆形形状，上部构件155'和中间构件170'可形成上部关闭底部打开的空腔。因此，上部构件155'和中间构件170'可充分防止慢化剂移入移出控制腔140'的上部，同时允许慢化剂自由移入移出控制腔140'的下部。例如，当上部构件155'为基本全圆形形状时，中间构件170'可能仅覆盖打开的圆形截面的上部，打开的圆形截面由具有下部部分160'的上部构件155'构成。因此，中间构件170'和具有下部部分160'的上部构件155'可充分防止慢化剂移入移出控制腔140'的上部，同时允许慢化剂移入移出控制腔140'的下部。

一个或多个中间构件170'可放置于上部构件155'的内表面之间并连接至内表面。中间构件170'可在沿控制腔140'的任何空隔处放置。中间构件170'可充分防止慢化剂移动穿过控制腔140'的上部。中间构件170的高度可小于控制腔140'的高度。因此，中间构件170'可用作挡板，阻止慢化剂在控制腔140'的上部移动，并允许慢化剂在控制腔140'的下部移动。慢化剂可通过在中间构件170'下方移动而自由移过控制腔140'的下部，且可通过在中间构件170'下方移动而在反射体区95、端部隔舱142'和控制腔140'之间移动。

如图9和图11中所示，由于慢化剂可在反射体区95和控制腔140'之间移动，控制腔140'可包括端部隔舱142'中相同的慢化剂。由于限制在控制腔140'中的慢化剂通过中子、伽玛辐射和来自燃料管135'的热传导加热，控制腔140'中的一些或所有慢化剂可在气体区185'中加热至气态。控制腔140中的一些或所有慢化剂也可在液体区190'中呈液态。气体区185'和液体区190'可通过分界线195'分离。气体区185'和液体区190'的大小可在控制腔140'之间，以及单个结构组件145'内不同的中间构件170'之间变化。因此，分界线190'的位置可在控制腔140'之间和单个结构组件145'内不同的中间构件170'之间变化。例如，指定控制腔140'可同时具有气体区185'和液体区190'，基本上只有一个气体区185'，或基本只有一个液体区190'。

液体区190'、气体区185'和分界线195'的特征可分别与上述参考控制腔140的液体区190、气体区185和分界线195的特征类似。例如，当快速中子、伽玛辐射和燃料管135'的传导传递的热量和反应堆冷却子系统25移除的热量基本相等时，气体区185'的大小可基本保持恒定，分界线195'可保持相对固定。

图12A至图12F示出了反应堆15的第三替代示范性实施例。该实施例包括六角形阵列垂直燃料管（例如，如图12A和图6所示）和热反应慢化剂，可通过反应堆冷却子系统25将热反应慢化剂抽出反射池、冷却热反应慢化剂并将慢化剂抽回至反应堆堆芯和控制腔内进行冷却。在该实施例中（如图12F所示），各控制腔组件可垂直装入由四个垂直燃料管界定的空间。如图12B所示，该实施例可包括反应堆堆芯100a。

反应堆堆芯100a可包括燃料组件125a和控制腔阵列130a，燃料组件125a类似于燃料组件125。控制腔阵列130a可包含一袋慢化剂和/或临近燃料组件125a的慢化剂蒸汽。在该实施例中，如以下更全面描述，慢化剂冷却管335a可具有小孔337a，小孔337a置于慢化剂冷却管335a的管侧并沿其长度延伸，控制腔140a可通过慢化剂冷却管335a喷出的相对较冷的慢化剂细雾冷却。

控制腔阵列130a可包括一个三维阵列控制腔140a。例如，三维阵列控制腔140a可用作壳体，分隔并/或限制临近燃料组件125a的燃料管135a的成袋慢化剂。如图12A至图12F所示，多个控制腔140a可放置于垂直堆栈中，各堆栈彼此水平放置且垂直堆叠。如图12E所示，控制腔140a可在控制腔阵列130a内垂直交错。控制腔140a可能以任何适用配置布置，以限制临近燃料管135a的成袋慢化剂和/或慢化剂蒸汽。

如图12C至图12F所示，各控制腔140a可包括慢化剂冷却管335a、大致呈锥形的上部构件155a和侧部构件160a。如图所示，侧部构件160a可大致呈梯形（例如，在所示六角形燃料管阵列中），带内凹角落161a用于燃料管135a，或大致方形（未示出）用于方形燃料管阵列。上部构件155a可无间隙连接至侧部构件160a和慢化剂冷却管335a，以限制临近燃料管135a的成袋慢化剂和/或慢化剂蒸汽。慢化剂可通过控制腔140a打开的底部自由移入或移出控制腔140a，并穿过指定侧部构件160a底部和下方空腔的侧部构件160a顶部之间的间隔162a。

上部构件155a、侧部构件160a和慢化剂冷却管335a可使用任何适用结构材料，例如，锆合金制成，用以指引慢化剂移动和/或限制慢化剂。上部构件155a、侧部构件160a和慢化剂冷却管335a可通过任何适用技术，例如，焊接，彼此连接。上部构件155a、侧部构件160a和慢化剂冷却管335a还可彼此构成整体。上部构件155a、侧部构件160a和慢化剂冷却管335a可连接形成，例如，上部关闭底部打开的空腔。因此，上部构件155a、侧部构件160a和慢化剂冷却管335a可充分防止慢化剂移入移出控制腔140a的上部，同时允许慢化剂自由移入移出控制腔140a的下部。控制腔140a的上部可包括上部构件155a、侧部构件160a的上部和慢化剂冷却管335a部分。控制腔140a的下部可包括侧部构件160a的下部和慢化剂冷却管335a部分。

间隔162a允许慢化剂直接或通过间隔182a在反射体区95和控制腔140a之间移动，间隔182a在相邻的水平放置的控制腔140a之间或在控制腔140a和燃料管135a之间形成。

如图12B和图12E所示，由于慢化剂可通过间隔162a和间隔182a在反射体区95和控制腔140a之间自由移动，因此控制腔140a可包括与反射体区95中一样的慢化剂。由于限制在控制腔140a中的慢化剂通过燃料管135a放射的中子和伽玛辐射加热，且热能从燃料管135a传导，因此控制腔140a中的一些或所有慢化剂可在气体区185a中加热至气态。控制腔140a中的一些或所有慢化剂也可在液体区190a中呈液态。气体区185a和液体区190a可通过分界线195a分离。气体区185a和液体区190a的大小可在不同控制腔140a之间变化，且在各控制腔140a内在反应堆15运作期间的不同时期变化。

因此，分界线195a的位置可在控制腔140a之间变化。例如，指定控制腔140a可同时具有气体区185a和液体区190a，基本上只有一个气体区185a，或基本只有一个液体区190a。

通过中子、伽玛辐射和/或来自燃料管135a的传导传递的热能可导致液体区190a的液体慢化剂保持在非常接近慢化剂沸点的温度。例如，液体区190a的慢化剂可保持在即将沸腾的状态。由于液体区190a中的慢化剂即将沸腾，一些慢化剂可蒸发并升入气体区185a中。液体区190a中的慢化剂可通过与相对较冷的慢化剂混合而冷却，相对较冷的慢化剂通过慢化剂冷却管335a中的小孔337a进入控制腔140a中。同样，气体区185a中的慢化剂可凝结为小滴相对较冷的慢化剂细雾，通过慢化剂冷却管335a中的小孔337a，或者可凝结并沿控制腔140a的内表面和/或慢化剂冷却管335a的外表面滴回至液体区190a。因此，当燃料管135a的中子和伽玛辐射传递的热量和反应堆冷却子系统25移除的热量基本相等时，气体区185a的大小可基本保持恒定，分界线195a可保持相对固定。如下进一步描述，基于氙和钐加载燃料，气体区185a的大小以及分界线195a的位置在短时间内（例如，经过几天）可能略有变化，而基于如燃料的使用阶段（例如，燃料烧尽），在长时间内（例如，经过几年）则会显著变化。气体区185a的大小以及分界线195a的位置在反应堆冷却子系统25冷却率变化期间及不久之后可能略有变化。

如图12E所示，较冷的慢化剂移动通过慢化剂冷却管335a，并通过置于慢化剂冷却管335a管侧中的一个或多个小孔337a进入控制腔140a，从而冷却控制腔140a。小孔337a可以是任何适用尺寸，例如，尺寸小的孔，便于慢化剂移动。然后，基本等量的较热的慢化剂可通过控制腔140a下部的间隔162a从控制腔140a移出并进入反射体区95。

如图12C和12D所示，较冷的慢化剂从慢化剂冷却管335a移动通过置于慢化剂冷却管335a下端管盖中的一个或多个小孔338a，从而冷却反射体区95的下部。

图12G提供的立体图图示反应堆堆芯100a的控制腔140a的布置。本发明反应堆100、100'、100a和/或100b的各种元件可彼此组合使用。

图12H至12M图示第四实施例，其中，将热反应慢化剂抽出反射池105和控制腔阵列130b、冷却热反应慢化剂并将较冷的慢化剂抽回至控制腔阵列130b和反射池105，以冷却垂直燃料管阵列和热反应慢化剂。在该实施例中，各控制腔组件可以是环形堆叠的控制腔环绕单个垂直燃料管。如图12H所示，该实施例可包括反应堆堆芯100b。

反应堆堆芯100b可包括燃料组件125b和控制腔阵列130b，燃料组件125b类似于燃料组件125。控制腔阵列130b的控制腔140b可包含一袋慢化剂和/或临近燃料组件125b的慢化剂蒸汽。

燃料组件125b可以是适用于核反应的任何类型核燃料。例如，如图12J所示，燃料组件125b可包括置于多个燃料管135b中的燃料棒束127b。例如，燃料组件125b可包括几十个至成百上千个燃料管135b布置。例如，燃料组件125b可包括约19个至约500个之间的燃料管135b，燃料管135b直径约3英寸至约18英寸。各燃料管135b可包括相对长的单根燃料棒束127b或任何适用数量的燃料棒束，例如，12个相对短的燃料棒束127b。各燃料棒束可包括约19至约1231个燃料棒之间的任何适用数量的燃料棒127b，例如，37个燃料棒。燃料组件125b可包括任何适用于核反应的燃料，例如，天然铀、浓缩铀、钚或钍，单独使用或混合为各种混合物。燃料组件125b可以是铸造金属燃料、燃料棒或装在套管（例如，锆合金管）中的燃料氧化物颗粒。例如，燃料组件127b可包括混合铀/钚燃料，或用过的轻水反应堆燃料和钍的混合燃料。燃料管135b也可包含不同于棒形的其他类型燃料，例如，球形或小卵石形。燃料管135b也可包含熔融盐，其中熔融盐的金属离子用作燃料的离子，熔融盐用作燃料和冷却剂。

各燃料管135b可包含燃料以外的一次冷却剂。一次冷却剂可包括适用流体状态的任何材料，例如，重水、轻水、适用液态金属（例如，铅或钠）、适用熔融盐、适用有机流体、和/或适用气体（例如，氦气）。

燃料组件125b可包括垂直放置的燃料管135b（例如，如图2中所示）。燃料组件125b可包括以任何适用配置布置的燃料管135b，例如，如图4和图5中所示的直角阵列。燃料组件125b还可包括，例如，如图6中所示的六角形阵列布置的燃料管135b。燃料管135b可以，例如，大体垂直放置。

如图12H至图12M所示，控制腔阵列130b可包括三维阵列控制腔140b。例如，三维阵列控制腔140b可用作壳体，分隔并/或限制临近燃料组件125b的燃料管135b的成袋慢化剂。如图12H至图12M所示，多个控制腔140b可放置于垂直堆栈中，各堆栈彼此水平放置且垂直堆叠。控制腔140b可在控制腔阵列130b内垂直交错。控制腔140b可能以任何适用配置布置，以限制临近燃料管135b的成袋慢化剂和/或慢化剂蒸汽。

如图12J至图12M所示，各控制腔140b可包括慢化剂冷却剂流入管335b、慢化剂流出管337b、倾斜的上部构件155b以及侧部构件160b和162b。如图12L所示，侧部构件160b可以是，例如，大致圆形或大致六角形用于六角形燃料管阵列，或大致方形用于方形燃料管阵列。上部构件155b可无间隙连接至侧部构件160b和162b、慢化剂冷却剂流入管335b、和/或慢化剂流出管337b，以限制临近燃料管135b的成袋慢化剂和/或慢化剂蒸汽。慢化剂可通过置于各控制腔140b下部的小孔338b在控制腔140b和慢化剂冷却剂流出管337b之间自由移动。

上部构件155b、侧部构件160b和162b、以及管335b和337b可使用任何适用结构材料，例如，锆合金制成，用以指引慢化剂移动和/或限制慢化剂。上部构件155b、侧部构件160b和162b、以及管335b和337b可通过任何适用技术，例如，焊接，彼此连接。上部构件155b、侧部构件160b和162b、以及管335b和337b还可彼此构成整体。上部构件155b、侧部构件160b和162b、以及管335b和337b可连接形成，例如，上部关闭底部打开的空腔。因此，上部构件155b、侧部构件160b和162b、以及管335b和337b可充分防止慢化剂移入移出控制腔140b的上部，同时允许慢化剂移入移出控制腔140b的下部。控制腔140b的上部可包括上部构件155b、侧部构件160b和162b的上部以及管335b和337b部分。控制腔140b的下部可包括侧部构件160b和162b的下部以及管335b和337b部分。小孔338b和慢化剂流出管337b可允许慢化剂在反射体区95和控制腔140b之间移动。慢化剂冷却剂流入管335b可在其顶端（例如，如图12K中所示，与指定燃料管135b连接的最上端的控制腔140b）密封。间隔180b可置于控制腔140b燃料管135b之间，并可充满惰性气体或其他适用材料，且可在顶部和/或底部关闭以容纳此类材料或降低对流循环。

如图12I和图12L所示，由于慢化剂可通过慢化剂流出管337b和小孔338b在反射体区95和控制腔140b之间移动，因此控制腔140b可包括与反射体区95中基本一样的慢化剂。由于限制在控制腔140b中的慢化剂通过燃料管135b放射的中子和伽玛辐射加热，且通过燃料管135b的热传导加热，因此控制腔140b中的一些或所有慢化剂可在气体区185b中加热至气态。控制腔140b中的一些或所有慢化剂也可在液体区190b中呈液态。气体区185b和液体区190b可通过分界线195b分离。气体区185b和液体区190b的大小可在不同控制腔140b之间变化。因此，分界线195b的位置可在控制腔140b之间变化。例如，指定控制腔140b可同时具有气体区185b和液体区190b，基本上只有一个气体区185b，或基本只有一个液体区190b。

通过中子、伽玛辐射和/或来自燃料管135b的热传导传递的热能可导致液体区190b的液体慢化剂保持在非常接近慢化剂沸点的温度。例如，液体区190b的慢化剂可保持在即将沸腾的状态。由于液体区190b中的慢化剂即将沸腾，一些慢化剂可蒸发并升入气体区185b中。同样，气体区185b中的慢化剂可凝结并滴回至控制腔140b的液体区190b，气体区185b靠近慢化剂冷却剂流入管335b，或者慢化剂冷却剂流入管335b通过小孔336b将冷却慢化剂喷洒入气体区185b。小孔336b可以是任何适用尺寸，例如，尺寸小的孔，便于慢化剂移动。因此，当从燃料管135b传递（例如，热传递、中子慢化和/或伽玛辐射）至各控制腔140b中的热量和较冷慢化剂流入移除的热量基本相等时，气体区185b的大小可基本保持恒定，分界线195b可保持相对固定。如下进一步描述，基于氙和钐加载燃料，气体区185b的大小以及分界线195b的位置在短时间内（例如，经过几小时或几天）可能略有变化，而基于如燃料的使用阶段（例如，燃料烧尽），在长时间内（例如，经过几年）则会显著变化。气体区185b的大小以及分界线195b的位置在反应堆冷却子系统25冷却率变化期间及不久之后可能略有变化。

如图12J所示，较冷的慢化剂移动通过慢化剂冷却剂流入管335b，并通过位于慢化剂冷却剂流入管335b管侧中的小孔336b进入控制腔140b，从而冷却控制腔140b。基本等量的较热的慢化剂可通过小孔338b和慢化剂流出管337从控制腔140b移出进入反射体区95并移向反应堆冷却子系统25。

如图12I、12J和12K所示，较冷的慢化剂从慢化剂冷却剂流入管335b流过位于慢化剂冷却剂流入管335b下部的小孔336b，过量的慢化剂通过慢化剂冷却剂流出管337b流向慢化剂冷却子系统315（如下所述），从而冷却反射体区95的下部。

如图12I、12J和12K所示，冷却反射体区95和控制腔阵列130b的上部可通过分界线115处发生的蒸发冷却。蒸发过程中，过量的蒸汽慢化剂可通过连接管323b移入慢化剂冷却子系统315（如下所述）中。

如图12N所示，容纳非增压水（H₂O）的水槽377b可包括流控连接至慢化剂冷却管327b的多个慢化剂换热管390b。慢化剂换热管390b可延伸穿过水槽377b中装有的非增压水（H₂O），且可通过通路355b与慢化剂冷却泵350b流控连接。通路322b可流控连接慢化剂冷却泵350b至慢化剂冷却剂流入管335b，慢化剂冷却剂流入管335b放置于控制腔阵列130b中。当蒸汽连接管323b中的压力大于所需压力时，蒸汽压力控制阀380b可允许一些蒸汽慢化剂从蒸汽连接管323b流至多个蒸汽换热管385b。蒸汽换热管385b中的慢化剂蒸汽可凝结在蒸汽换热管385b的内侧壁上，或者可从蒸汽换热管385b的底部排出，并在置于慢化剂换热管390b中的较冷慢化剂中凝结。

水槽377b可以是基本装满非增压水（H₂O）的任何适用水槽，这样温度不会超过水（H₂O）的沸点。正常运作情况下，水槽377b可通过任何适用方法冷却至正好低于水（H₂O）的沸点的温度。在反应堆15的电源被破坏的情况下，或者正常冷却操作发生异常的情况下，水槽377b可通过水槽377b中储存的水（H₂O）的表面蒸发进行冷却。

如图13所示，反应堆冷却子系统25可包括传递子系统305、燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315。传递子系统305可在热交换器20和反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b之间传递反应堆冷却剂。燃料冷却子系统310可促进来自燃料管135、135'、135a和135b的热交换，慢化剂冷却子系统315可促进来自控制腔140'、140a、140b和反射体区95的热交换。

反应堆冷却子系统25的反应堆冷却剂可以是任何适用的流体材料，用以促进来自反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b的热交换。例如，反应堆冷却剂可包括D₂O（“重水”）、H₂O（“轻水”）、熔融金属或气体。燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315可使用相似的冷却剂，或可使用不同的冷却剂。

传递子系统305可包括冷反应堆冷却剂通路320和热反应堆冷却剂通路325。通路320和325可使用任何适用材料，例如，钢和/或锆合金制成，用以传递反应堆冷却剂。同一通路320和通路325可为燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315两者传递反应堆冷却剂（例如，在第一示范性实施例中），或者可为燃料冷却子系统310提供分开的通路320和325，为慢化剂冷却子系统315提供通路322a、327a、322b、327b和反应堆堆芯100'（未图示）中的相似通路。冷反应堆冷却剂通路320可传递来自热交换器20的冷反应堆冷却剂至反应堆15。冷反应堆冷却剂可以是液态，且可以是利于促进反应堆15热交换的任何适用温度。

如图2所示，例如，冷反应堆冷却剂通路320可通过外壳结构85的通孔并进入反射体区95。冷反应堆冷却剂通路320可与反射体区95内部的燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315的通路相互传递，因而可向燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315供应冷反应堆冷却剂用于热交换。热反应堆冷却剂通路325可以与燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315流体窜槽，且可接收来自燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315的热反应堆冷却剂（例如，已经在燃料管135、135'、135a和/或135b中通过反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b，从而促进与反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b热交换的反应堆冷却剂）。热反应堆冷却剂通路325可将来自反应堆15的热反应堆冷却剂传递回热交换器20。

例如，如图3所示，燃料冷却子系统310可包括多个通路330，多个通路330可与传递子系统305的冷反应堆冷却剂通路320和热反应堆冷却剂通路325流体窜槽。冷反应堆冷却剂可从冷反应堆通路320流向通路330。通路330可经放置指引流向及流自燃料管135、135'、135a和/或135b。冷反应堆冷却剂可通过通路330，从而通过燃料管135、135'、135a和/或135b以促进与燃料管135、135'、135a和/或135b的热交换。冷反应堆冷却剂可通过燃料管135、135'、135a和/或135b中放置的燃料加热，且可通过通路330传递出燃料管135、135'、135a和/或135b。接下来通路330可将热反应堆冷却剂转移至传递子系统305的热反应堆冷却剂通路325。热反应堆冷却剂可以是基本完全液态、可以部分液态部分气态、或可以基本完全气态。

例如，如图2所示，慢化剂冷却子系统315可包括多个通路335，多个通路335可与传递子系统305的冷反应堆冷却剂通路320和热反应堆冷却剂通路325流体窜槽。冷反应堆冷却剂可从冷反应堆冷却剂通路320流向通路335和330。冷反应堆冷却剂可以是液态。通路335可放置于控制腔140内。冷反应堆冷却剂可通过通路335，然后通过控制腔140以促进与控制腔140的热交换。冷反应堆冷却剂可通过控制腔140内的慢化剂加热至温暖的反应堆冷却剂，且可通过通路335移出控制腔140。与本发明控制腔中通路335执行的热交换相似，通路330可从冷反应堆冷却剂通路320传递冷反应堆冷却剂通过反射池105。可假设冷反应堆冷却剂可通过反射池105的慢化剂加热至温暖的反应堆冷却剂。接下来通路335和330可传递温暖的反应堆冷却剂至燃料管135下部，通过燃料管135（在此通过燃料加热成为热反应堆冷却剂），然后送至传递子系统305的热反应堆冷却剂通路325。热反应堆冷却剂可以是基本完全液态，或者可以部分液态部分气态。

图14图示通路335通过控制腔140以促进来自控制腔140的热交换的示范性详图。通路335可直接或通过中间通路345连接至传递子系统305的冷反应堆冷却剂通路320和/或热反应堆冷却剂通路325。通路335可包括入口构件350、内部构件355、外部构件360和出口构件365。入口构件350可流控连接中间通路345和内部构件355。内部构件355放置于外部构件360的内部。例如，内部构件355和外部构件360可布置为同心管。出口构件365可流控连接外部构件360和中间通路345。入口构件350可通过出口构件365内壁的通孔，且可部分置于出口构件365内。内部构件355可具有打开的尾部370。可在内部构件355的内壁形成多个通孔375。在朝向内部构件355尾部370的方向，通孔375的尺寸可增大，通孔375之间的间隔可减小。反应堆冷却剂可从入口构件350流出并通过内部构件355的通道380。一些反应堆冷却剂在到达内部构件355打开的尾部370之前，可通过通孔375进入通道385。在朝向尾部370的方向，通孔375的尺寸的出现频率可增加，在朝向尾部370的方向，通道380和385之间的反应堆冷却剂混合量可增加。通道385可在内部构件355和外部构件360之间形成，且可以是环形通道。通过通孔375和/或打开的尾部370后，反应堆冷却剂可通过出口构件365流过通道385并进入中间通路345。通道385中放置的反应堆冷却剂可通过控制腔140中较热慢化剂穿过外部构件360的内壁发生热传导而加热。允许一些相对较冷的冷却剂通过通孔375从通道380流向通道385，使得通道385中冷却剂的温度可在整个通道长度上保持相对恒定。可在外部构件360的内表面和/或外表面增加换热翅片（未图示），以促进热传递。

如图13所示，泵子系统30可包括冷却泵390、H₂O泵395和电机400。电机400可驱动冷却泵390和H₂O泵395。

冷却泵390可以是用于对传递子系统305中的反应堆冷却剂流加压的任何适用类型的泵。例如，冷却泵390可以是正排量泵，如旋转式泵、往复式泵或线性型泵。冷却泵390也可是，例如，蒸汽泵、脉冲泵、液压油缸泵或离心泵。冷却泵390可对从热交换器20至反应堆15的冷反应堆冷却剂通路320中的反应堆冷却剂流加压，也可对从反应堆15返回热交换器20的热反应堆冷却剂通路325内的反应堆冷却剂流加压。冷却泵390可对传递子系统305中同时用于燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315的同一反应堆冷却剂加压，或者，一个或多个冷却泵390可分别对用于燃料冷却子系统310和慢化剂冷却子系统315的反应堆冷却剂加压。

H₂O泵395的类型可类似于冷却泵390，且可对涡轮机蒸汽子系统65中的水（H₂O）和蒸汽（H₂O）流加压。H₂O泵395可对从热交换器20至涡轮机45的通路70中的热蒸汽（H₂O）流、从涡轮机45至涡轮机冷却子系统60的通路75中的剩余蒸汽或排汽（H₂O）流、以及从涡轮机冷却子系统60至热交换器20的通路80中的水（H₂O）流加压。

电机400可以是驱动冷却泵390和H₂O泵395的任何适用类型的电机，例如，固定排量或可变排量电机、曲轴形液压电机、线性液压电机、液压缸或电动机。电机400可以任何适用方式驱动冷却泵390和H₂O泵395，例如，通过一个或多个机械轴405。例如，电机400可通过单个机械轴405同时驱动冷却泵390和H₂O泵395。机械轴405可包括飞轮，在电机400驱动冷却泵390和H₂O泵395时，操作飞轮可减轻快速流动变化。也可假设电机400可通过其他适用技术，例如，液压，驱动冷却泵390和H₂O泵395。当核反应堆系统5全功率运转时，电机400可经配置以优化水平同时驱动冷却泵390和H₂O泵395。电机400可同时驱动冷却泵390和H₂O泵395，当电机400关闭或停止运转时，冷却泵390和H₂O泵395也可同时关闭。也可假设每个泵可配有一个单独的电机。

如图16-18所示，辅助冷却子系统35可包括对流回路子系统410和辅助换热子系统415。对流回路子系统410和辅助换热子系统415可提供辅助系统，用以促进反应堆15的热交换。

如图16所示，对流回路子系统410可包括接合点425、通路430、通路435、多个通路440和445、连接部分450、接合点455、阀门460和阀门465。接合点425、通路430、通路435、多个通路440和445、连接部分450和接合点455可使用任何适用于传递反应堆冷却剂的材料制成，且可流体窜槽以提供辅助反应堆冷却剂路径。接合点425可经配置在通路430入口处保持压力A。一部分流过热反应堆冷却剂通路325的反应堆冷却剂可流入通路430内接合点425处。通路430可指引反应堆冷却剂在反射体区95的分界线115下方向下流，从而指引反应堆冷却剂在反射池105的顶面下方流过。反应堆冷却剂可从通路430向上流过通路435，然后通过多个通路440流向外壳结构85和压力容器90。多个通路440可与多个通路445流体窜槽。多个通路440和445的尺寸设置可小于通路430和435，且可以是，例如，多个小管。多个通路445可经放置靠近压力容器90的表面，以便和压力容器90保持良好的热交换。例如，多个通路445可焊接至压力容器90。多个通路445沿压力容器90向下传递反应堆冷却剂，传递至靠近反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b底部或以下的位置。

多个通路445可流控连接且并入一个或多个连接部分450，一个或多个连接部分450可大于多个通路445。例如，几个通路445可并入多个更大的连接部分450中的每一个。一个或多个连接部分450可流控连接至冷反应堆冷却剂通路320接合点455处。接合点455可经配置在一个或多个连接部分450出口处保持压力B，这样当冷却泵390提供冷却剂流用于全功率运转时，通路430处的压力A可平衡压力B，使得相对较少的冷却剂经通路430、435、440、445和连接部分450在接合点425和接合点455之间通过。当泵390未运转，反应堆堆芯100仍产生热能时，燃料管135中的热冷却剂可升起并流入通路430中，因为通路325可被泵390充分阻碍。热冷却剂可继续通过通路435和440至多个通路445。在多个通路445中，冷却剂可传递热能至反射体区95和压力容器90，且可在冷却后变得更加稠密。相对更加稠密的慢化剂可降落穿过通路445和接合点455，并取代燃料管135中相对较热的慢化剂，从而产生对流电路，冷却燃料管135。

在反应堆冷却子系统25的反应堆15外部发生流动中断及/或冷却剂损失的情况下，可提供阀门460和465，分离对流回路子系统410内的反应堆冷却剂流。阀门460可放置于冷反应堆冷却剂通路320中，且可以是用于充分阻止反应堆冷却剂流出反应堆15的任何适用阀门。例如，阀门460可以是单向阀或回动闭塞阀，可允许反应堆冷却剂通过冷反应堆冷却剂通路320流入反应堆15，但可充分阻止反应堆冷却剂通过冷反应堆冷却剂通路320流出反应堆15。例如，阀门460可放置于冷反应堆冷却剂通路320中外壳结构85外表面的位置或靠近外壳结构85外表面。阀门465可放置于热反应堆冷却剂通路325中，且可以是任何适用阀门，用于当反应堆冷却剂量少于阈限量时，充分阻止反应堆冷却剂流出反应堆15。例如，阀门465可以是浮动阀，当反应堆冷却剂量大于阈限量时，可允许反应堆冷却剂通过热反应堆冷却剂通路325流出反应堆15，但当反应堆冷却剂量小于阈限量时，可充分阻止反应堆冷却剂通过热反应堆冷却剂通路325流出反应堆15。例如，当热反应堆冷却剂通路325中的反应堆冷却剂未装满一半时，阀门465可充分阻止反应堆冷却剂通过流出反应堆15。阀门465可放置于热反应堆冷却剂通路325中外壳结构85外表面的位置或靠近外壳结构85外表面。

如图17和18所示，辅助换热子系统415可包括一个或多个换热构件470、一个或多个换热构件475和一个或多个换热构件480。换热构件470、换热构件475和换热构件480可促进反应堆堆芯100、100'、100a或100b产生的热能热交换至远离反应堆15的位置。

换热构件470可以是用于容纳材料的细长元件。换热构件可放置于外壳结构85（例如，外壳结构85内壁的铸件）中，且可放置于靠近压力容器90或与压力容器90外表面接触的位置。换热构件470可径向放置于外壳结构85中，这样换热构件470的一端可靠近压力容器90或与压力容器90接触，换热构件470的另一端可靠近外壳结构85的外部。例如，换热构件470可以是能容纳状态改变的材料的细长空腔。例如，换热构件470可包括能容纳金属合金的空腔。例如，换热构件470可以是充满金属合金的钢管。状态改变的金属合金可以是熔点略高于反射体区95中慢化剂正常操作温度的材料。例如，换热构件470可以是能基本完全充满铅、锡、和/或合适熔点的任何其他材料的空心钢管。如果反射体区95内慢化剂的温度超过其正常操作温度，换热构件470内容纳的状态改变的材料可从固态加热至液态。例如，换热构件470可包括铅作为状态改变的材料，当反射体区95内慢化剂的温度超过其正常操作温度时，铅熔化成熔铅。当状态改变的材料改变状态时（例如，当铅熔化时），状态改变材料的导电性能可提高。因此，随着状态改变的材料熔化，换热构件470的状态改变材料可将压力容器90的热能有效传递（例如，通过对流）至外壳结构85（外壳结构85导热性能低）的外部。也可假设换热构件470内容纳的状态改变的材料在正常慢化剂操作温度时处于液态，当慢化剂温度超过正常操作温度时可加热至气态。

与换热构件470相似，换热构件475也可以是能容纳状态改变的材料的细长空腔。换热构件475中的状态改变材料的熔点和/或沸点可低于换热构件470中的状态改变材料。例如，换热构件475中的状态改变材料可以是液态材料，且沸点低于换热构件470经历状态改变时的温度（例如，换热构件470的铅或任何其他适用的状态改变材料的熔点）。例如，换热构件475可以是充满水（H₂O）或液态的任何其他适用材料的钢管。换热构件475可充分垂直放置于外壳结构85（例如，外壳结构85内壁的铸件）内。如图17和18所示，换热构件475经放置可接触或靠近一个或多个换热构件470的尾部，且可靠近外壳结构85的外表面。换热构件475中的状态改变材料可通过换热构件470传递的热能加热，且可经历状态改变。例如，从换热构件470的尾部向换热构件475传递的热能可使得状态改变材料改变状态（例如，可使钢管中容纳的水煮沸）。也可假设换热构件475内的状态改变材料在正常慢化剂操作温度时处于固态，当慢化剂温度超过正常操作温度时可加热至液态。

换热构件480可类似于换热构件475，且可与换热构件475流体窜槽。因此，换热构件475内的状态改变材料可从换热构件475流入换热构件480内。换热构件480的放置位置与基本水平平面呈微小角度。换热构件480可放置于缓和坡度，例如，纵距离与横距离之比为1比20（斜率）或1比50（斜率）。如图18所示，换热构件480可从反应堆15外通风，从而将热量从反应堆15带出。换热构件480可放置于地表面以下，从而在任何适用面积的地表面下传递来自反应堆15的热能。例如，换热构件480可放置于大的场地和/或停车场下，从而利用地面的大片热容量吸收热能，并利用地表面散热。由于换热构件480可轻微倾斜，换热构件480内容纳的状态改变材料可在距离反应堆15指定距离处冷却至先前状态。例如，换热构件475可包括水，水可加热成蒸汽（H₂O），且传递至换热构件480中。在外端，换热构件480可在一小箱水或一小水库水处停止，这样换热构件475和480基本上可始终装满水。换热构件480可以是波纹管，经配置增加管的接触面积（例如，增加沿地面每单位距离的接触面积），且可增加管中任何蒸汽（H₂O）与管内表面的接触面积。由于沿波纹管中沿水的（H₂O）上表面向外移出的蒸汽（H₂O）在任何蒸汽（H₂O）进一步移出波纹管之前会充满管中每个波纹的上部，因此波纹增加了管中水（H₂O）与蒸汽（H₂O）接触的表面面积。经过指定距离之后，足够的热能会散出，这样蒸汽（H₂O）凝结成水（H₂O）。

如图19所示，辅助停堆子系统420可包括压力容器485、一个或多个通路490、排水通路495以及泵500。压力容器485可供应加压水（H₂O）至通路490内。泵500可对排水通路495中的水（H₂O）加压。

压力容器485可以是用于储存加压液体的任何适用容器，例如，钢制压力容器。压力容器485中可储存任何适用的中子吸收材料，例如，水（H₂O）。同样，在水（H₂O）中混合吸收了硼的含硼水（H₂O）可储存在压力容器485中。压力容器485可放置于外壳结构85的外侧，且可包括阀门487，阀门487可打开或关闭以选择性允许或阻止加压材料从压力容器485流出，进入一个或多个通路490。

通路490可以是用于传递加压材料的任何适用通路。通路490可流控连接至压力容器485，可通过外壳结构85的通孔传递来自压力容器485的加压材料，且可分割成一个或多个U形管，向下穿过堆芯区域进入反应堆堆芯100、100'、100a或100b下方的反射体区95，然后返回穿过反应堆堆芯100、100'、100a或100b。通路490可通过任何适用方式传递加压材料穿过反射体区95和反应堆堆芯100、100'、100a或100b。例如，如图19所示，通路490可进入反射池105的上部并形成基本U型的构造。通路490可以在反射体区95内以任何适用配置构成。当阀门487阻止加压材料从压力容器485流入通路490时，通路490可能已经装满蒸汽（H₂O）。当需要快速停止反应堆（例如，紧急停堆）时，阀门487打开，加压中子吸收材料例如，含硼水（H₂O）充满通路490，加压中子吸收材料可逐渐对通路490中原先存放的蒸汽（H₂O）加压。因此，通路490中原先存放的蒸汽（H₂O）可在一个或多个通路490中每一个的尾部505处逐渐加压，减慢并逐渐停止进一步流动。

排水通路495可放置于反射池105的下部，且可流控连接通路490的任何部分（例如，下部）与压力容器485。泵500可放置于排水通路495中，当需要重新开启反应堆15时，可对从通路490下部流出，返回至压力容器485的中子吸收材料加压。泵500还可对放置于压力容器485中的中子吸收材料加压。因此，泵500可将中子吸收材料，例如，含硼水（H₂O），抽出通路490，返回至压力容器485。

如图20所示，反应堆控制子系统40可包括控制子系统510、负荷跟踪子系统515、旁路子系统520、慢化剂稳定子系统525、反应堆冷却剂稳定子系统530和流量差子系统535。控制子系统510、负荷跟踪子系统515、旁路子系统520、慢化剂稳定子系统525、反应堆冷却剂稳定子系统530和流量差子系统535可控制并/或稳定核反应堆系统5的运作。

控制子系统510可包括控制器540，控制器540可以是适用于自动化机械加工的任何类型可编程序逻辑控制器。控制器540可通过电气线路（未图示）连接至核反应堆系统5的组件，且可通过电气线路控制核反应堆系统5的任何适用组件的操作。例如，控制器540可电气连接至发电子系统10、反应堆15、热交换器20、反应堆冷却子系统25、泵子系统30、辅助冷却子系统35和/或反应堆控制子系统40的组件并对组件进行控制。控制子系统510还可包括与控制器540电气连接的输入和/或输出组件，例如，显示器、监视器、键盘和核反应堆系统5操作员使用的其他装置。控制子系统510还可包括放置于不同通路和核反应堆系统5的组件中的传感器。传感器可测量任何适用参数，例如，测量如H₂O或反应堆冷却剂的温度和/或压力。传感器可电气连接至控制器540，且可向控制器540输入读出数据，用于控制核反应堆系统5。

负荷跟踪子系统515可包括入口545和550、通路555、560、565、580和590、冷凝器570、阀门575、热交换器585和接合点595，这些部件可以是用于传递蒸汽（H₂O）和水（H₂O）的任何适用元件。

入口545可置于通路70中，且可选择性允许从通路70向通路555的流通。入口545可选择性从充分阻止蒸汽（H₂O）从通路70流向通路555中的关闭位置，允许从通路70流向通路555的完全流通的打开位置，以及位于关闭位置和打开位置之间任何所需区间从而允许部分流通的半开位置移动，与入口545打开，从通路70向通路555流通的蒸汽（H₂O）量相称。入口545通过转移蒸汽（H₂O）流过通路555，从而可选择性降低流过通路70的蒸汽（H₂O）流量。

入口550可置于通路555中，且可通过类似于入口545的操作方式选择性允许从通路555向通路560的流通。入口550可从而选择性阻止、部分允许或完全允许蒸汽（H₂O）从通路555流向通路560。通路560可绕过涡轮机45并直接将蒸汽（H₂O）传递至涡轮机冷却子系统60。因此，在特定情况下，例如，当需要快速关停涡轮机45时，入口550可经操作选择性允许蒸汽（H₂O）直接传递至涡轮机冷却子系统60。

通路555可与通路565流体窜槽。通路565可将通路555的蒸汽（H₂O）传递至冷凝器570。通路565可穿过热交换器20的外部而不是通过热交换器20的内部。

冷凝器570可经放置与冷反应堆冷却剂通路320接触或临近。冷凝器570可以是用于将蒸汽（H₂O）冷凝成水（H₂O）的任何适用的冷凝器。阀门575可放置于冷凝器570中任何适合的位置，例如，在冷凝器570的底部。阀门575可以是允许水（H₂O）从冷凝器570流出，同时充分阻止蒸汽（H₂O）流出冷凝器570的任何适用的阀门。例如，阀门575可以是浮动阀。冷凝器570和阀门575可用作减压系统，将通路565中蒸汽（H₂O）的高压降低至通路580中水（H₂O）的相对低压。

通路580可与冷凝器570流体窜槽。通路580可将冷凝器570的水（H₂O）传递至热交换器585。通路580可穿过热交换器20的外部而不是通过热交换器20的内部。

热交换器585可以是任何适用装置，用于促进通过通路580传递的水（H₂O）的热交换。热交换器585可放置于涡轮机蒸汽子系统65的通路内或靠近该通路，涡轮机蒸汽子系统65的通路将H₂O泵395出口的水（H₂O）传递至热交换器20。热交换器585可将水（H₂O）温冷却至与通过涡轮机蒸汽子系统65的通路80传递的水的温度基本一致。通路590可通过接合点595将热交换器585的水（H₂O）传递至通路80。通过通路590传递至通路80中的水（H₂O）的温度可与已经在通路80中流通的水（H₂O）的温度基本一致。然后通路80可将水（H₂O）传递至泵子系统30的H₂O泵395的入口。

旁路子系统520可包括泵600和通路605。通路605可流控连接传递子系统305的冷反应堆冷却剂通路320和热反应堆冷却剂通路325。泵600可放置于通路605中。泵600可具有相对较小的容量，例如，在泵390容量的约2%至约20%之间。泵600可操作以对通路605中的反应堆冷却剂加压，从热反应堆冷却剂通路325抽出反应堆冷却剂，送入冷反应堆冷却剂通路320，从而绕过热交换器20和泵390。泵600和通路605可允许相对热的反应堆冷却剂流过热反应堆冷却剂通路325，绕过热交换器20，并直接流入冷反应堆冷却剂通路320，从而允许热的冷却剂与相对冷的冷却剂混合，并升高流进冷反应堆冷却剂通路320的冷却剂的温度。旁路子系统520可在，例如，关停和/或初始化核反应堆系统5的反应堆冷却剂加载过程中运作。旁路子系统520还可用以调节泵390和395的有效流量比（例如，泵子系统30可经设计以在全功率运转时对涡轮机蒸汽流通提供正确的反应堆冷却剂流量比，但在较低功率运转时可能需要稍不同的流量比）。

慢化剂稳定子系统525可包括通路610、630、640和650、阀门615、储存器625、冷凝器635和泵645，这些部件可以是用于传递蒸汽（H₂O）和水（H₂O）的任何适用元件。

通路610可以是相对较大的通路，可流控连接反射体区95的蒸汽区域110和储存器625。阀门615可放置于通路610中。阀门615可处于关闭位置，充分阻止正常操作过程中的蒸汽慢化剂流通。当阀门615打开时，蒸汽慢化剂可通过通路610流入储存器625中。储存器625可以是低压储存器，保持压力低于反射体区95中蒸汽区域110的压力。储存器625可以是相对大且冷的储存区域。例如，储存器625可使用相对大量的水（H₂O）冷却。例如，储存器625可使用涡轮机蒸汽子系统65中的水（H₂O）冷却。通过通路610进入储存器625后，蒸汽慢化剂可在储存器625内壁相对冷的表面上扩展并凝结。当阀门615打开时，慢化剂蒸汽快速流出反射体区95的蒸汽区域110，可降低蒸汽区域110中蒸汽慢化剂的压力和反射体区95中慢化剂的压力，因此允许慢化剂快速流出控制腔140、140'、140a和/或140b，从而降低控制腔中慢化剂的量，减少引起裂变的可用热（慢速）中子的数量，导致反应堆15快速关停。

通路630可流控连接通路610和冷凝器635。通路630可以是相对小的通路。例如，通路630可以是直径大大小于通路610的管。通路630可流控连接通路610至冷凝器635。冷凝器635可经放置与通路80接触或临近。通路80可传递涡轮机蒸汽子系统65中相对冷的水（H₂O）。冷凝器635可以是用于将蒸汽慢化剂凝结成液体慢化剂的任何适用冷凝器。通过通路630从通路610传递的蒸汽慢化剂可通过冷凝器635凝结成液体慢化剂。通路640可流控连接冷凝器635和泵645。

泵645可选择性阻止冷凝液体慢化剂从通路640流入通路650。泵645还可选择性允许冷凝液体慢化剂流入通路650，且可操作对流过通路650的冷凝液体慢化剂加压。通路650可将冷凝液体慢化剂传递回反应堆15中。例如，通路650可流控连接通路650和反射体区95的上部，例如，蒸汽区域110。通过通路650传递至蒸汽区域110中的冷凝液体慢化剂可使得蒸汽区域110中的额外蒸汽慢化剂凝结。反射体区95可通过反应堆堆芯100、100'、100a和/或or100b排出的中子加热，反射体区95中的慢化剂可蒸发成蒸汽区域110中的蒸汽慢化剂。泵645可经操作凝结来自蒸汽区域110的过量蒸汽慢化剂，以维持蒸汽区域110和反射体区95中的稳定压力。

反应堆冷却剂稳定子系统530可包括储存器655、加热元件660和通路665。储存器655可以是能存储反应堆冷却剂的加压储罐。可通过源自热反应堆冷却剂通路325的通路665，从反应堆冷却子系统25为储存器655提供反应堆冷却剂。储存器655可在底部存储液体反应堆冷却剂，在上部存储气体反应堆冷却剂。加热元件660可对储存器655选择性加热，将储存器655内存储的反应堆冷却剂保持在所需温度和/或压力。加热元件660可以是用于对储存器655选择性加热的任何适用装置，例如，电加热器。可选择性通过冷反应堆冷却剂通路320的泵和补给线（未示出）将冷反应堆冷却剂从冷反应堆冷却剂通路320抽入储存器655内。例如，泵（未示出）可包括喷射器，喷射器从冷反应堆冷却剂通路320喷洒加压冷反应堆冷却剂至储存器655的顶（蒸汽）部中。例如，相对冷反应堆冷却剂可通过泵（未示出）喷洒至储存器655中，凝结储存器655中的蒸汽反应堆冷却剂部分，使得一些蒸汽反应堆冷却剂凝结，从而降低储存器655和热反应堆冷却剂通路325中的压力。

如图15和20所示，流量差子系统535可包括置于冷反应堆冷却剂通路320区段675中的多个同心通路670。多个同心通路670可替代冷反应堆冷却剂通路320的区段675，且可在区段675两端流控连接至冷反应堆冷却剂通路320的另外区段。区段675可以是冷反应堆冷却剂通路320的上升部位，可放置于泵390的下游。可在冷反应堆冷却剂通路320内放置任何适用数量的同心通路670。同心通路670可以是，例如，同心钢管。同心通路之间的区域可从最内层通路670至最外层通路670逐渐增大。例如，第一和第二同心通路670之间的区域A2，可以是第一同心通路670内形成的区域A1的两倍，第四和第五同心通路670之间的区域A3可比第一同心通路670内形成的区域A1大五倍，而第九和第十同心通路670之间的区域A4可比第一同心通路670内形成的区域A1大十倍。各相继同心通路670之间的各区域部分可在各端部阻塞，以保持基本相同的流量流入和流出各同心通路670。这样，同心通路670中，相对内层同心通路，外层同心通路可能需要成比例的更长时间来传递等量的流体，因此可缓和冷反应堆冷却剂通路320中的快速温度变化。

工业实用性

在本发明核反应堆系统的至少一些示范性实施例中，可使用具有控制腔的反应堆控制方法，控制腔包围反应堆堆芯中的慢化剂。在至少一些示范性实施例中，反应堆中的慢化剂可分为三个区域：堆芯区域、反射体区和慢化剂池，堆芯区域可置于反应堆中的任何位置，距离任何部分燃料源不足1英尺，反射体区可包括堆芯区域外的任何慢化剂，但距离任何部分燃料源不足三英尺或四英尺，慢化剂池可包括堆芯区域和反射体区外的任何慢化剂。堆芯区域中慢化剂的一个功能是减缓裂变燃料发射的高速中子至相对较慢的速度，中子在这样的速度更容易引起新的裂变。反射体区中慢化剂的一个功能是将堆芯区域排出的中子反射回堆芯中，以减少反应堆丢失的中子数量。慢化剂池中的慢化剂对反应堆影响不大（例如，当慢化剂从堆芯慢化剂控制腔排出时，可进入慢化剂池，或当慢化剂返回堆芯时可离开慢化剂池）。在至少一些示范性实施例中，本发明控制腔可包围反应堆堆芯区域的大多数慢化剂，且可在顶部关闭但允许慢化剂在控制腔底部以及反射体区和慢化剂池区之间自由移动。

在本发明核反应堆系统的至少一些示范性实施例中，当本发明核反应堆系统在稳定功率下发电时，燃料可处于核平衡状态，控制腔可处于热平衡状态。这两个平衡状态通过负反馈耦合，这样一个状态的平衡发生任何改变，会引起另一个状态的平衡改变，与第一个平衡状态的改变相对立。本发明控制腔具备慢化剂冷却系统，可以基本相同的速率（或者如果所有的控制腔容量并非一样时，速率与各控制腔容量成比例）冷却控制腔，要么通过将冷慢化剂抽至控制腔内，与控制腔中的较热慢化剂混合，然后等量较热慢化剂从控制腔流出进入反射体区和慢化剂池区，要么通过使较冷的流体穿过控制腔中的一个或多个管，然后通过传导冷却控制腔。热能可通过热燃料管的热传导，且通过燃料的快速中子和伽玛辐射沉淀在慢化剂中的能量进入控制腔。当进入控制腔的热能多余离开控制腔的热能时，由于蒸汽慢化剂远不及液体慢化剂稠密，控制腔中的液体慢化剂蒸发并上升成为控制腔顶部的蒸汽气泡，将液体慢化剂排出控制腔底部并减少反应堆堆芯中的慢化剂总量。当进入控制腔的热能少于通过慢化剂冷却系统排出的热能时，蒸汽气泡中的一些蒸汽凝结，减小了蒸汽气泡的体积，并将液体慢化剂从反射体区和慢化剂池卷入控制腔内，从而增加堆芯中的慢化剂总量。

在本发明核反应堆系统的至少一些示范性实施例中，燃料中原子的每个裂变发射高速中子。大部分高速中子可从燃料排出，进入慢化剂（与燃料排出的伽玛辐射一起）并通过与慢化剂碰撞而减缓速度。这些减速中子从慢化剂扩散，返回燃料。在这里，一些减速中子可被燃料中的裂变原子吸收，产生新的裂变，一些被燃料中的可增值原子吸收（例如，铀238、钚240和/或钍232，如果存在）并创造裂变燃料的新原子，一些则在燃料中被吸收，不会产生裂变或创造新的裂变原子，或可扩散回慢化剂中。一般来说，当每次裂变释放的恰好一个中子引起一次新裂变时，反应速率可稳定。当速度相对较高时，从慢化剂重新进入燃料的中子导致裂变的可能性减小，当速度相对较高时，中子创造新燃料的可能性增加。当控制腔中慢化剂质量较少时，离开慢化剂的中子可具有较高的平均速度，当控制腔中慢化剂质量较多时，可具有较低的平均速度。因此，随着蒸汽气泡体积的增加（且因此控制腔中慢化剂的质量减少），进入燃料的中子的平均速度增加，使得有效转移出导致新裂变的中子数量增加，而转移以生产新裂变燃料的中子数量减少。该效应降低裂变率，减少传递至慢化剂的能量，减小蒸汽气泡的体积，并因此提供负反馈，维持蒸汽气泡的稳定体积，并维持稳定且与慢化剂冷却速率大致成比例的裂变率。

总体来说，在本发明核反应堆系统的至少一些示范性实施例中，控制腔维持稳定且与慢化剂总冷却速率成比例的总功率输出。通过保持相对恒定的慢化剂冷却剂温度，并通过改变抽速以控制总冷却速率，可控制慢化剂冷却速率。个别来说，各控制腔可影响临近的燃料的裂变率，导致反应堆中所有点的反应速率基本一致，而不是在堆芯中央处较高，靠近堆芯边缘处较低。这样可将燃料中的热点区降到最小，抑制氙气波，导致从燃料提取热量的需求更高。

正常反应堆运作过程中，在本发明核反应堆系统的至少一些示范性实施例中，通过一次冷却剂从燃料管提取热能。当反应速率提高时，一次冷却剂抽速也会提高，这样燃料管的温度不会随着反应速率而改变。在异常情况下，一次冷却剂的流动可能不充足，燃料管可能会变得更热。这样的情况下，可能有更多热能从燃料管传导入控制腔中，增加控制腔中的慢化剂蒸发率并增大控制腔中蒸汽气泡的体积。这样可使得液体慢化剂从控制腔底部排出，降低慢化剂的平均密度，并增加从慢化剂扩散至燃料中的中子的平均速度，从而降低裂变率。

在本发明核反应堆系统的至少一些示范性实施例中，由于控制腔中的蒸汽气泡可能远不及控制腔中的液体慢化剂稠密，且蒸汽气泡的体积可能从基本不存在发展到几乎占满整个控制腔，系统可允许堆芯中慢化剂的平均密度从液体慢化剂的全密度变为小于全密度的15%。这样可允许在改变燃料反应性条件的情况下控制反应堆，燃料反应性条件的改变范围从无氙气负荷的浓缩新燃料到平衡氙气负荷的适度使用燃料，再到高度燃尽的燃料，这种燃料因高度燃尽具有高度负荷的中子吸收裂变副产物。这样可实现基本不损失中子，以控制吸收料并提供基本最大的新裂变燃料产量和燃料使用期中任何时期的基本最大燃料转换比。

本发明核反应堆系统可用于任何使用核能发电的应用领域。例如，本发明核反应堆系统可用于使用核反应产生的能量生成的蒸汽（H₂O）的任何应用领域。以下所述运作可普遍适用于本发明核反应堆系统5的所有实施例的运作。另外，如下所述，本发明核反应堆系统的一些子系统可用于核发电以外的其他应用领域。

如图13所示，当具有燃料管135、135'、135a和/或135b的燃料组件125、125'、125a或125b中备有燃料时，可启动核反应堆系统5的运作。当燃料管135、135'、135a和/或135b中装满新燃料，反应堆15开始工作时，根据反应堆的设计和装在燃料管135、135'、135a和/或135b中的燃料的反应性，控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中的慢化剂水平可在平衡水平下稳定。在初始期（例如，几天），吸收中子的氙-135和钐-149的水平升至平衡水平，通过反应堆冷却子系统25的运作（以下将更详细描述反应堆冷却子系统的一般运作），慢化剂冷却速率可保持基本恒定。当运作反应堆冷却子系统25以提供控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中的恒定的慢化剂冷却速率时，燃料中氙和钐的水平将上升，反应堆15的反应性将缓慢下降至一以下，导致反应速率下降，慢化剂中沉淀的能量减少，一些慢化剂蒸汽因而凝结。因此，更多的慢化剂卷入控制腔140、140'、140a和/或140b中，从而提升慢化剂水平及慢化剂平均密度。这样会减少经历共振俘获的中子数量，从而弥补通过逐渐增加反应堆15的燃料中吸收中子的氙和钐的数量而被吸收的中子。因此，以控制腔阵列130为例，控制腔阵列130中的液体区190和275的大小可能会增大，控制腔阵列130中的气体区185和280的大小可能会较小。在其他本发明实施例中发生了类似效应。

如果反应堆15的转换比大于一，或主要使用U235和U238供以燃料，在稳态运行期间，可能会有一段时间燃料的反应性会增加，因为产生的裂变燃料比使用的多，或因为U235燃烧，Pu239由U238产生（因为Pu239比U235反应性更高）。发生这种情况时，裂变率会增加，而冷却速率保持恒定，更多中子在慢化剂中沉淀能量，控制腔140、140'、140a和/或140b中的蒸发速率会比凝结速率更大，液体慢化剂会通过过量蒸汽慢化剂从控制腔140、140'、140a和/或140b排出。这样导致中子的慢化更少，可转换U238（或Th232）中吸收的中子数量增加，减少引起裂变的可用热中子的数量，并降低反应速率至控制腔140、140'、140a和/或140b中沉淀的能量和反应堆冷却子系统25移除的能量一样时的速率。如果燃料的反应性继续上升，液体慢化剂的水平将逐渐降低（例如，经过持续几天至几年的一段时间）。在此期间，燃料的裂变成分可增加，且到下一时间段可继续增加（以下讨论）。

在下一时间段（例如,下个几月或几年），由于燃料的裂变成分通过燃尽而减少，中子吸收裂变副产物的水平提升，可运作控制腔140、140'、140a和/或140b的负反馈机制以使得控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的水平非常缓慢地上升，以弥补燃料因燃尽而降低的反应性。最终，慢化剂水平会升至控制腔阵列130、130'、130a和/或130b的顶部，反应堆15成为次临界且会停止发电。因此，以控制腔阵列130为例，这时控制腔阵列130中基本不存在气体区185和280。在其他本发明实施例中发生了类似效应。当反应堆15停止时，至此已经通过反应堆15产生的氙-135继续衰减，以便在相对较短的一段时间（例如，一天或两天）内衰减足够的氙-135，这样反应堆15可再次重新启动。当反应堆15重新启动时，反应堆15可持续运行直到氙-135的浓度在相对较短的一段时间（例如，几天）内再次上升。由于氙-135平衡浓度与功率电平成比例改变，随着反应堆15的功率电平降低，反应堆15的运作可持续相对更长时期。

根据上述启动程序，反应堆15可维持稳态运行。稳态运行时，燃料管135、135'、135a和/或135b中燃料原子的裂变产生能量。大多数能量沉淀在置于燃料管135、135'、135a和/或135b的燃料棒中，成为热能，通过运作反应堆冷却子系统25和泵子系统30，使得反应堆冷却剂流过燃料管135、135'、135a和/或135b，这样热能从燃料管135、135'、135a和/或135b的燃料棒排出。继续描述反应堆15和反应堆堆芯100的稳态运行之前，将描述反应堆冷却子系统25和泵子系统30的运作。

如图2、图3和图13所示，反应堆冷却子系统25的传递子系统305在热交换器20和反应堆堆芯100、100'、100a或100b之间传递反应堆冷却剂。.泵子系统30的冷却泵390可对传递子系统305的冷反应堆冷却剂通路320中的反应堆冷却剂流加压，以从热交换器20向反应堆15传递冷反应堆冷却剂。因而，通路320中流通的冷反应堆冷却剂可流过外壳结构85的通孔并进入反射体区95中。

冷反应堆冷却剂通路320中流通的冷反应堆冷却剂可流入燃料冷却子系统310的通路330中。通路330中流通的冷反应堆冷却剂通过燃料管135、135'、135a和/或135b，以促进与燃料管135、135'、135a和/或135b的热交换。燃料管135、135'、135a和/或135b通过换热向流过通路330的冷反应堆冷却剂传热，从而将冷反应堆冷却剂转换为热反应堆冷却剂。因此，通过升高反应堆冷却剂的温度或将反应堆冷却剂的状态从液态改为气态，或同时通过这两种方式，反应堆冷却剂离开燃料管135、135'、135a和/或135b时携带的每磅能量会超过进入燃料管135、135'、135a和/或135b时的每磅能量。然后，通路330可向传递子系统305的热反应堆冷却剂通路325传递热反应堆冷却剂。

在所述第一实施例中，一些在冷反应堆冷却剂通路330中流通的冷反应堆冷却剂还可流入慢化剂冷却子系统315的通路335中。在通路335中流通的冷反应堆冷却剂穿过控制腔140，以促进与控制腔140的热交换。在通路335中流通的冷反应堆冷却剂基本上通过控制腔140内限制的慢化剂的热交换而加热，且通过通路335传递出控制腔140，并返回通路330中。在通路330中流通的冷反应堆冷却剂穿过反射池105。流过通路330的冷反应堆冷却剂基本上通过反射池105的慢化剂的热交换而加热。然后，在通路330中流通的反应堆冷却剂穿过燃料管135并在燃料管135从冷反应堆冷却剂加热为热反应堆冷却剂。然后，通路330可向传递子系统305的热反应堆冷却剂通路325传递热反应堆冷却剂。

在慢化剂冷却子系统315的通路335中流通的反应堆冷却剂可在，例如，图14中所示布置中流通。来自传递子系统305中冷反应堆冷却剂通路320的反应堆冷却剂可通过中间通路330和入口构件350流入通路335中。然后，反应堆冷却剂流过内部构件355的通道380。一些反应堆冷却剂可沿通道380的整个长度流通直到到达尾部370。然而，有些反应堆冷却剂也可在到达尾部370前，通过通孔375直接从通道380流入通道385中。由于一些相对冷的反应堆冷却剂通过通孔375直接流入通道385中，并与通道385中相对热的反应堆冷却剂混合，通道385中反应堆冷却剂的温度可沿通路335的整个长度保持相对恒定。通孔375的尺寸和/或空隙可经设计以最大限度地维持通道385中基本恒定的温度。例如，通道380和385之间反应堆冷却剂的混合量可在移向尾部370的方向增加。然后反应堆冷却剂通过出口构件365流过通道385，并返回传递子系统305的反应堆冷却剂通路330中。

泵子系统30的冷却泵390可对传递子系统305的冷反应堆冷却剂通路320中流过燃料管135的反应堆冷却剂流加压，并对通过热反应堆冷却剂通路325从反应堆15流回至热交换器20的热反应堆冷却剂加压。

燃料管135、135'、135a和/或135b中的燃料裂变产生高能高速中子（例如，以相对中速或高速运行的中子）。这些高能高速中子通过与慢化剂原子碰撞在控制腔阵列130、130'、130a和/或130b的慢化剂中沉淀能量。高能高速中子通过与慢化剂原子的这些碰撞减速为低能状态（“慢速中子”），然后一些慢速中子导致燃料原子裂变。对于燃料原子的每个裂变，当产生的中子中的一个导致新的裂变时，反应堆可视为稳定（例如，恒定发电）。因此，当通过燃料原子裂变产生的中子中平均刚好一个导致新的裂变时，反应堆可视为稳定。

由于控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中的慢化剂通过高能中子加热，一些慢化剂可蒸发为蒸汽慢化剂（例如，煮沸成气态）。气态的蒸汽慢化剂不及液体慢化剂（例如，液态）稠密，且会上升至限制慢化剂的控制腔140、140'、140a和/或140b的的上部，由于控制腔140、140'、140a和/或140b的上部关闭，因此可在上部限制慢化剂。由于控制腔140、140'、140a和/或140b的容量可恒定，限制在控制腔140、140'、140a和/或140b上部并累积的低密度气态蒸汽慢化剂将取代较高密度的液体慢化剂，使液体慢化剂从控制腔140、140'、140a和/或140b的下部流出。因此，控制腔140、140'、140a和/或140b中慢化剂的整体平均密度降低。为防止控制腔140、140'和140a中几乎所有的慢化剂转换成蒸汽慢化剂，使用反应堆冷却子系统25冷却控制腔140、140'、140a和/或140b。反应堆冷却子系统25可使气态蒸汽慢化剂凝结成更稠密的液体慢化剂。因此，控制腔140、140'、140a和/或140b的上部限制的蒸汽慢化剂更少，这样控制腔140、140'、140a和/或140b排出的相对高密度液体慢化剂也会更少。相应地，液体慢化剂将通过控制腔140、140'、140a和/或140b打开的下部和/或侧部流回控制腔140、140'、140a和/或140b中。

如图7和图8所示，以控制腔阵列130为例，反应堆冷却子系统25通过热交换从控制腔阵列130中限制的慢化剂移出的能量可能更少。相应地，越来越多量的慢化剂会通过高能中子加热至蒸汽慢化剂。因此，随着越来越多量的蒸汽慢化剂被限制并在控制腔140的上部累积，由于越来越多量的液体慢化剂从控制腔140排出（例如，在中间部件170和端部部件165下方排出），分界线195将下降。因此，气体区185的体积增大，液体区190的体积减小。与圆锥内圈组件150相似，由于反应堆冷却子系统25通过热交换移出的能量更少，越来越多量的蒸汽慢化剂被限制并在内圆锥内圈组件200和外圆锥内圈组件205的上部累积。因此，由于越来越多量的液体慢化剂从内圆锥内圈组件200和外圆锥内圈组件205排出（例如，在内部圆锥内圈235和外部圆锥内圈240下方排出），分界线290将下降。因此，气体区280的体积增大，液体区190和275的体积减小。在本发明反应堆15的其他实施例中发生了类似效应。

也会发生逆效应。再以控制腔阵列130为例，反应堆冷却子系统25通过热交换从控制腔阵列130中限制的慢化剂移出的能量可能更多。相应地，通过高能中子加热至蒸汽慢化剂的慢化剂数量越来越少。因此，随着越来越少量的蒸汽慢化剂被限制并在控制腔140的上部累积，由于液体慢化剂重新进入控制腔140（例如，在中间部件170和端部部件165下方重新进入），分界线195将升高。因此，气体区185的体积减小，液体区190的体积增大。与圆锥内圈组件150相似，由于反应堆冷却子系统25通过热交换移出的能量更多，越来越少量的蒸汽慢化剂被限制并在内圆锥内圈组件200和外圆锥内圈组件205的上部累积。因此，由于越来越多量的液体慢化剂重新进入内圆锥内圈组件200和外圆锥内圈组件205（例如，在内部圆锥内圈235和外部圆锥内圈240下方重新进入），分界线290将升高。因此，气体区280的体积减小，液体区190和275的体积增大。蒸汽慢化剂还可沿控制腔140侧部凝结并滴回至液体区190和275。在本发明反应堆15的其他实施例中发生了类似效应。

当反应堆冷却子系统25运作，以从控制腔阵列130、130'、130a和/或130b抽取与燃料管135、135'、135a和/或135b的燃料中沉淀的能量基本相等的能量时，控制腔140、140'、140a和/或140b中的蒸发率和凝结率可大致相等，气体区185、185'、185a、280和/或185b的体积保持基本恒定。因此，基本没有慢化剂移入或移出控制腔140、140'、140a和/或140b。

当慢化剂原子处于液态（液体慢化剂）或气态（蒸汽慢化剂）时，高速中子通过与慢化剂原子碰撞而减缓速度。当慢化剂的平均密度减小（例如，通过增大气体区185、185'、185a、280和/或185b的体积）时，慢化剂原子之间的平均距离增加，中子在来往碰撞间必须经过的平均距离增加。当高速中子每次碰撞之间行进更远距离时，它们在高速时花费更多时间，因此以相对高速和中速行进的中子的平均数量更大。而当慢速中子与置于燃料管135、135'、135a和/或135b中的燃料原子碰撞时，它们引起裂变的可能性相对更大，高速中子被反应堆15吸收，不引起裂变的可能性则相对更大。相应地，引起裂变的可用慢速中子的数量将减少。

当反应堆15在稳态运行水平运作时，反应堆冷却子系统25可运作以维持气体区185、185'、185a、280和/或185b的所需基本恒定体积。气体区185、185'、185a、280和/或185b的所需体积可提供控制腔阵列130、130'、130a和/或130b内慢化剂的所需密度，这样正好足够的高速中子在中速和高速时被吸收，所需量的维持慢速的中子以相对慢速行进，引起燃料组件125、125'、125a和125b中每个旧裂变的一次新的裂变。

通过使用负反馈，维持气体区185、185'、185a、280和/或185b的所需基本恒定体积。如上所述，反应堆冷却子系统25可经控制，以使反应堆堆芯100、100'、100a和100b的冷却速率（例如，通过控制冷却剂流过控制腔阵列130、130'、130a和/或130b）和反应堆堆芯100、100'、100a和100b的裂变率（以及通过燃料组件125、125'、125a和125b中的裂变传递入控制腔阵列130、130'、130a和/或130b的慢化剂中的热能的加热速率）基本相匹配。如果通过燃料组件125、125'、125a和125b中的裂变传递入控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中的热能的加热速率高于反应堆冷却子系统25提供的冷却速率时，气体区185、185'、185a、280和/或185b将膨胀。气体区185、185'、185a、280和/或185b的膨胀降低了控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的平均密度，提高了中速和高速时因吸收损失的中子的比例，因此减少了引起裂变的可用慢速中子的比例，以此降低反应堆15的加热速率。如果加热速率低于冷却速率，气体区185、185'、185a、280和/或185b将缩小，增加控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的平均密度，减小因共振俘获损失的中子的比例，从而增加引起裂变的可用慢速中子的比例，提高加热速率。因此，反应堆15经控制可使得反应速率遵循控制腔阵列130、130'、130a和/或130b通过反应堆冷却子系统25的冷却速率。相应地，提高或降低控制腔阵列130、130'、130a和/或130b的冷却速率将引起反应堆15的总功率输出的增加或减少。由于慢化剂中沉淀的能量可能只占反应堆15产生的总能量的一小部分（例如，在约1%至约5%之间，例如，约3%），只有一小部分通过反应堆15产生的能量（及相应热能）通过相对小的冷却速率调节（与反应堆15产生的总能量相关），以维持对反应堆15的控制。因此，控制相对小的冷却速率可实现简单稳定地控制反应堆15的总功率输出，反应堆15的总功率输出，例如，约比向慢化剂传递的热能和能量大30倍（通过调节冷却速率调节）。

仅为说明反应堆15相对大量的总功率输出和传递至慢化剂的相对小量的能量对比，可考虑使用为1000兆瓦发电机供电的反应堆为例。当全功率运转时，示范性发电机产生的总能量可能约10,000,000,000BTU/小时。如果慢化剂是温度为约华氏540度的重水（D₂O），反应堆堆芯可包含，例如，约100吨慢化剂。假设反应堆产生的总能量中有3%沉淀在堆芯慢化剂中，那么传递至慢化剂的能量可能为约每磅慢化剂300,000,000BTU/小时或1,500BTU/小时。按照这种速率，即使没有冷却，也可能需要25分钟来蒸发掉每磅慢化剂。在此示范性温度下，由于气态蒸汽慢化剂的密度可能比液体慢化剂的密度小约20倍，本例中，可能需要约一分钟来煮沸足够的慢化剂以排出控制腔140、140'、140a和/或140b的每磅液体慢化剂中的余下部分。此例仅为展示传递至慢化剂的能量的相对量。本发明方法及装置可用于任何类型或尺寸的核反应堆系统。

反应堆15在其运作期间的任何合适时间可通过核反应向发电子系统10提供能量。以稳态运行为示例，现将提供示例说明反应堆15如何向发电子系统10提供能量。在核反应堆系统5的其他阶段和运作状态期间，反应堆15也可同样向发电子系统10提供能量。

如图1和图13所示，冷却泵390可对流过反应堆冷却子系统25中冷反应堆冷却剂通路320和热反应堆冷却剂通路325的反应堆冷却剂加压。这样反应堆冷却子系统25可通过热反应堆冷却剂通路325将热反应堆冷却剂传送至热交换器20中沉淀的蒸汽慢化剂。流过蒸汽发生器管的热反应堆冷却剂煮沸通过热转换由涡轮机蒸汽子系统65（以下进一步描述）传送至热交换器20的水（H₂O）。当经过热交换器20时，流过热反应堆冷却剂通路325的反应堆冷却剂通过反应堆冷却剂和水（H₂O）之间的热转换冷却。冷却的反应堆冷却剂随后通过反应堆冷却子系统25的冷反应堆冷却剂通路320返回反应堆15。反应堆冷却子系统25持续重复这一循环，向热交换器20传递已经通过反应堆15加热的所需量的热反应堆冷却剂，随后将冷却的反应堆冷却剂送回反应堆15。然后根据H₂O泵395产生的蒸汽（H₂O）和水（H₂O）的流通，热交换器20的蒸汽发生器产生的高压蒸汽（H₂O）通过（发电子系统10的）涡轮机蒸汽子系统65的通路70传递至涡轮机45。H₂O泵395对热交换器20、通路70、涡轮机45的通路、通路75、涡轮机冷却子系统60和通路80中流通的蒸汽（H₂O）和水（H₂O）加压。

涡轮机45将通过涡轮机蒸汽子系统65的通路70传递的高压蒸汽（H₂O）转化为机械能。例如，蒸汽（H₂O）推动安装在上述涡轮机45的示范性可旋转轴上的多个元件，并扩散穿过一系列上述示范性汽缸以驱动涡轮机45的轴。涡轮机45的这种运作仅能说明用以从蒸汽（H₂O）产生机械能的任何适用方法之一。然后涡轮机45示范性轴的机械能机械传递至发电子系统10的传动装配50。

接着传动装配50通过上述示范性驱动轴组件或通过任何其他适用的机械连接将机械能传递至发电子系统10的发电机55。因此，传动装配50可驱动发电机55发电。举例来说，发电机55可产生任何适用频率的交流电，例如，50Hz（50循环）或60Hz（60循环）的电力。然后通过常规传输技术将发电机55产生的电力提供给电力网或任何其他场地或用电的活动。

涡轮机蒸汽子系统65的通路75将剩余蒸汽或排汽（H₂O）从涡轮机45传递至发电子系统10的涡轮机冷却子系统60。涡轮机冷却子系统60使用任何适用技术，例如，使用冷凝器、冷却塔、强制气流和/或直流冷却，将蒸汽（H₂O）凝结成水（H₂O）。然后，相对较冷的水（H₂O）通过通路80从涡轮机冷却子系统60传递至热交换器20。

通过涡轮机蒸汽子系统65的通路80传送至热交换器20的相对较冷的水（H₂O）进入热交换器20。一些相对较冷的水（H₂O）进入热交换器20的下方内部，一些相对较冷的水（H₂O）进入热交换器20的中央和/或上部。进入下方内部的相对较冷的水（H₂O）通过与热反应堆冷却剂热转换加热并煮沸，热反应堆冷却剂通过反应堆冷却子系统25的热反应堆冷却剂通路325传递至热交换器20中。进入上部的相对较冷的水（H₂O）通过热交换器20的中央和/或上部置于热交换器20内壁上的多个喷嘴83注入热交换器20的下方内部。多个喷嘴将水（H₂O）注入已装在热交换器20内部的沸水（H₂O）中。相对较冷的水（H₂O）与沸水（H₂O）混合，从而利于降低热交换器20内所装H2O的温度梯度量值。以上对水（H₂O）传递至热交换器20的示范说明仅用作示例，热交换器20中可使用任何适用的已知技术进行热交换。

不断重复使用反应堆15中的核反应产生能量在热交换器20中生成蒸汽（H₂O）、使用蒸汽（H₂O）驱动涡轮机45且通过涡轮机45驱动发电机55的上述流程，以产生所需的发电量。同样，需要时不断重复将蒸汽（H₂O）凝结成水（H₂O）并将水（H₂O）返回至热交换器20的流程。因此，只要反应堆15向发电子系统10提供动力以产生能量，例如，电力，就需要不断重复该流程。

随着核反应堆系统在稳态运行状态下运作，功率需量可能会波动。功率需量可能会每天波动。根据日间或夜间时间不同，平均功率需量可能改变（例如，相比工作日早上或周末晚上，工作日晚上半夜的功率需量可能较低）。反应堆控制子系统40的控制器540可经操作以改变核反应堆系统5的功率输出。控制器540可经操作控制反应堆控制子系统40和泵子系统30，以改变反应堆15中反应堆冷却剂和/或慢化剂冷却剂的冷却速率，从而通过使用负反馈改变核反应堆系统5的功率输出。

当需要核反应堆系统5产生更大量能量时，操作控制器540以控制反应堆控制子系统40和泵子系统30，从而提高反应堆15中慢化剂的冷却速率，这样慢化剂的冷却速率大于慢化剂通过燃料管135、135'、135a和/或135b加热的加热速率。控制器540控制冷却泵390，使得相对较大量的反应堆冷却剂流过反应堆15。如果反应堆冷却子系统25对控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂提供的冷却速率大于通过燃料组件125、125'和125a中的裂变传递入控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的热能的加热速率，气体区185、185'、185a、280和/或185b将缩小。气体区185、185'、185a、280和/或185b的缩小会增加控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的平均密度，从而降低因共振俘获损失的中子的比例，因此增加了引起裂变的可用慢速中子的比例，并提高了反应堆15的加热速率。通过提高反应堆15的加热速率，更多热能传递至热反应堆冷却剂通路325中流通的反应堆冷却剂中，且因此更多热能会通过反应堆冷却子系统25传递至热交换器20中。这样热交换器20将产生更多量的蒸汽（H₂O），更多量的蒸汽（H₂O）将通过通路70从热交换器20传递至涡轮机45。也可操作控制腔540使得H₂O泵395将更大量蒸汽（H₂O）流传递至涡轮机45。更大量蒸汽（H₂O）将使涡轮机45产生更多量的机械能，当这些机械能通过传动装配50从涡轮机45传递至发电机55时，将使发电机55产生相对更大量的能量（例如，电力）。

当需要核反应堆系统5产生更少量能量时，操作控制器540以控制反应堆控制子系统40和泵子系统30，从而降低反应堆15中慢化剂的冷却速率，这样慢化剂的冷却速率小于慢化剂通过燃料管135、135'、135a和/或135b加热的加热速率。控制器540控制冷却泵390，使得相对较少量的反应堆冷却剂流过反应堆15。如果反应堆冷却子系统25对控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂提供的冷却速率小于通过燃料组件125、125'和125a中的裂变传递入控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的热能的加热速率，气体区185、185'、185a、280和/或185b将扩大。气体区185、185'、185a、280和/或185b的扩大会减小控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的平均密度，从而增加因共振俘获损失的中子的比例，因此降低了引起裂变的可用慢速中子的比例，并降低了反应堆15的加热速率。通过降低反应堆15的加热速率，更少热能传递至热反应堆冷却剂通路325中流通的反应堆冷却剂中，且因此更少热能会通过反应堆冷却子系统25传递至热交换器20中。这样热交换器20将产生更少量的蒸汽（H₂O），更少量的蒸汽（H₂O）将通过通路70从热交换器20传递至涡轮机45。也可操作控制腔540使得H₂O泵395将更少量蒸汽（H₂O）流传递至涡轮机45。更少量蒸汽（H₂O）将使涡轮机45产生较少量的机械能，当这些机械能通过传动装配50从涡轮机45传递至发电机55时，将使发电机55产生相对较少量的能量（例如，电力）。

气体区185、185'、185a、280和/或185b的缩小和/或扩大可非常缓慢并/或轻微，但仍旧对核反应堆系统5提供充足的控制。因此，即使是气体区185、185'、185a、280和/或185b体积的小变化也可提供足够大的差异，以影响共振俘获并通过负反馈充分控制反应堆15。

反应堆堆芯00b的运作一般可按照上述反应堆堆芯100、100'和100a的运作进行。如图12I、12J和12K所示，反应堆100b具备用以限制控制腔阵列130中慢化剂的其他特征，可用于，例如，更高比例的快速裂变。

如图12I、12J和12K所示，相对较冷的慢化剂自由移出反射池105并移入慢化剂冷却剂流入管335b中。然后，慢化剂冷却剂流入管335b中沉淀的慢化剂通过小孔336b自由移入控制腔140b中，从而冷却控制腔140b中的慢化剂。基本等量的较热慢化剂移出控制腔140b并通过小孔338b进入慢化剂流出管337b中。慢化剂流出管337b中的慢化剂从慢化剂流出管337b自由流入反射体区95中。由于控制腔140b上部关闭，慢化剂不能在控制腔140b的上部和反射体区95之间自由移动。

如图12N所示，当，例如，慢化剂经通过并进入反射池105和/或控制腔140b（和/或140'和/或140a）中的相对冷的慢化剂循环而冷却时，可运行本发明实施例。基于系统中基本所有点上蒸汽慢化剂的压力的稳定性，及在燃料棒127b（和/或置于反应堆堆芯100'和100a中的类似燃料棒）上方置于反射池105顶部的分界线115的高度的稳定性，可运行图12N的实施例。慢化剂冷却管327b（和/或置于反应堆堆芯100'和100a中的类似慢化剂冷却管）允许慢化剂从反射体区95和控制腔140b（和/或控制腔140'和/或140a）流入慢化剂换热管390b中，慢化剂换热管390b通过水槽377b至通路355b和慢化剂冷却泵350b。慢化剂冷却速率可以是，例如，泵流速乘水槽377b中水（H₂O）温与反射池105中慢化剂温度之间的温差。由于温差可控制在恒定水准，慢化剂控制腔冷却速率以及反应堆总功率输出可与泵流速成比例。因此，恰当运行慢化剂冷却泵350b及/或中断泵功率，将关停反应堆15中的反应。冷却的慢化剂通过通路322b（和/或置于反应堆堆芯100'和/或100a中的类似通路）从慢化剂冷却泵350b流至慢化剂冷却剂流入管335b（和/或置于反应堆堆芯100'和/或100a中的类似管道）。在形态及功能上与冷凝器570和负荷跟踪子系统515中流量差区段675相似的冷凝器和流量差部位可插入临近泵350b的通路322b中。

现将描述反应堆控制子系统40的运行，以描述负荷跟踪子系统515的示范性运行开始。反应堆控制系统的运行通过控制子系统510的控制腔540进行控制。

如图20所示，负荷跟踪子系统515的入口545通过将蒸汽（H₂O）从通路70转移至通路555中，选择性减少蒸汽（H₂O）通过通路70从热交换器20流至涡轮机45。为将蒸汽（H₂O）转移至通路555中，入口545从关闭位置转移至半开位置或全开位置。当入口545处于关闭位置时，基本上所有的蒸汽（H₂O）从通路70流至涡轮机45。当入口545移至半开位置时，（例如，至涡轮机45的所需蒸汽流量必须减少以满足较低的电力需求时）与入口545打开的程度成比例的过量蒸汽（H₂O）从通路70流至通路555中。因此，操作入口545可控制从通路70转移至通路555中的蒸汽（H₂O）量。操作入口550可控制从通路555转移至通路560中的蒸汽（H₂O）量，入口550的操作与入口545的操作相似。流入通路560中的蒸汽（H₂O）通过通路560直接传递至涡轮机冷却子系统60。因此，操作入口550可控制绕过涡轮机45直接传递至涡轮机冷却子系统60的蒸汽（H₂O）的流量。根据其位置，且由于其操作类似于入口545，入口550可通过通路560从通路555向涡轮机冷却子系统60转移几乎所有的蒸汽（H₂O）、几乎不传递蒸汽（H₂O）或传递一部分蒸汽（H₂O）。当涡轮机45需要快速关停时，入口545移至打开位置，基本上将所有的蒸汽（H₂O）从通路70传递至通路555中，入口550移至打开位置，基本上将所有的蒸汽（H₂O）从通路555传递至通路560中。因此，基本上所有的蒸汽（H₂O）从热交换器20转移至涡轮机冷却子系统60，促使涡轮机45快速关停。

流过通路555但未通过通路560转移至涡轮机冷却子系统60的蒸汽（H₂O），通过通路565流至冷凝器570，或流至如图12N所示的通路322b中的类似冷凝器（未示出）。由于置于冷凝器570中的蒸汽（H₂O）和流过冷反应堆冷却剂通路320的冷反应堆冷却剂之间的热交换，置于冷凝器570中的一些或几乎所有蒸汽（H₂O）凝结成水（H₂O）。操作阀门575，使水（H₂O）流出冷凝器570，同时基本阻止蒸汽（H₂O）流出冷凝器570。然后水（H₂O）通过通路580从冷凝器570流至热交换器585。热交换器585将水（H₂O）温冷却至所需温度（例如，与通过涡轮机蒸汽子系统65的通路80传递的水的水温基本一致）。接下来，通路590通过接合点595将水（H₂O）从热交换器585传递至通路80。通路80将水（H₂O）传递至泵子系统30的泵395的入口。

因此，负荷跟踪子系统515允许通过调节入口545控制涡轮机45，使更多或更少的蒸汽（H₂O）随着功率需量波动从热交换器20流过涡轮机45。在一些正常操作情况下，过量蒸汽（H₂O）用于对从涡轮机冷却子系统60输入至热交换器20的原料预加热。同样，一些过量蒸汽（H₂O）可用于通过通路322b或通路320中放置的热交换器（例如，小型热交换器）对慢化剂控制腔的一次冷却剂加热，这样当过量蒸汽（H₂O）的数量增加时，可降低控制腔140、140'、140a和/或140b的冷却速率和反应堆的功率输出（或当过量蒸汽（H₂O）的数量减少时，提高功率输出）。

现将描述旁路子系统520的示范性运作。泵600经控制腔540控制可对通路605中的反应堆冷却剂选择性加压，将反应堆冷却剂从热反应堆冷却剂通路325抽至冷反应堆冷却剂通路320中，从而绕过热交换器20和泵390。因此，泵600和通路605允许相对较热的反应堆冷却剂流过热反应堆冷却剂通路325，以绕过热交换器20并直接流入冷反应堆冷却剂通路320中，从而在反应堆15运作期间的所需时间（例如，关停期间、低功率运转期间和/或初次加载反应堆冷却剂时），使热冷却剂与相对较冷的冷却剂混合，提高在冷反应堆冷却剂通路320中流通的冷却剂的温度。

因此，旁路子系统520允许相对少量的一次冷却剂从正常的冷却剂通路挤出，绕过热交换器20和/或反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b。当冷却泵390和/或H₂O泵395通过单电机驱动，且成比例量的流体被抽取穿过传递子系统305，以平衡通过热反应堆冷却剂通路325进入热交换器20的热能和正常运作过程中因蒸汽（H₂O）穿过通路70流至涡轮机45而离开热交换器20的热能的数量时，旁路子系统520可运作。在低功率时，可能发生明显的温度偏差（例如，大于全功率时的温度偏差），且这些温度偏差可改变流过热反应堆冷却剂通路325的一次冷却剂流速和流过通路70的涡轮机原料流速之间的流量比，不在所需流量比水平。旁路子系统520的运作弥补这些温度偏差，并将流过热反应堆冷却剂通路325的一次冷却剂流速和流过通路70的涡轮机原料流速之间的流量比维持在所需流量比。为响应这些温度偏差，泵600可在相对较低流量下运作。例如，泵600的流量可以是全功率运转时泵390流量的3%，相当于泵390以10%功率运转时流量的30%，这样的流量足以使泵600弥补所需流量比中的明显不平衡。泵600还可在当通过通路70向涡轮机45输送任何涡轮机原料并不可取，但最好保持少量一次反应堆冷却剂流过反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b（例如，在反应堆启动时将反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b匀速提升至操作温度）的状态下运行。

现将描述慢化剂稳定子系统525的示范性运作。反应堆15正常运作期间，阀门615处于关闭位置，充分阻止蒸汽慢化剂通过通路610从反射体区95的蒸汽区域110流入储存器625中。当控制器540控制阀门615打开时，蒸汽慢化剂通过通路610从蒸汽区域110流入储存器625中。一旦通过通路610进入储存器625中，蒸汽慢化剂就在储存器625内壁相对较冷的表面上凝结。当需要反应堆快速关停时，阀门615可打开。流过通路610的蒸汽慢化剂还通过通路630流入冷凝器635中。由于与流过通路80的相对较冷的水（H₂O）进行热交换，置于冷凝器635中的蒸汽慢化剂凝结成液体慢化剂。泵645对通路640和650中的液体慢化剂流选择性加压，从而将冷凝液体慢化剂抽回至反应堆15中，例如，至蒸汽区域110中。通过通路650传递至蒸汽区域110中的冷凝液体慢化剂使得蒸汽区域110中的其它蒸汽慢化剂凝结，并降低反射体区95中慢化剂的温度。泵645可在维持蒸汽区域110和反射体区95中恒定蒸汽压力的流速下运作。也可通过蒸汽压力控制阀380b实现此功能，如图12N所示。

因此，当蒸汽区域110中蒸汽慢化剂的压力上升至所需压力值以上时，慢化剂稳定子系统525运作以凝结过量蒸汽慢化剂并将它们抽回反射池105中。由于慢化剂稳定子系统525运作以维持蒸汽区域110中蒸汽慢化剂的稳定性，维持靠近反射体区95分界线115的蒸汽慢化剂温度的稳定性，且维持靠近反射体区95分界线115的液体慢化剂温度的稳定性，将蒸汽区域110中蒸汽慢化剂的压力保持在所需压力范围，可实现控制腔140、140'、140a和/或140b的正常运作。

现将描述反应堆冷却剂稳定子系统530的示范性运作。反应堆冷却剂通过通路665在储存器655和热反应堆冷却剂通路325之间基本自由通行。当压力降至所需值以下时，加热元件660选择性加热储存器655，将储存器655中存储的反应堆冷却剂保持在所需温度和/或压力。当压力升至所需值以上时，通过泵（未示出）将冷反应堆冷却剂通路320的冷反应堆冷却剂选择性注入储存器655中。喷洒入储存器655中的相对较冷的反应堆冷却剂使储存器655中的一部分蒸汽反应堆冷却剂凝结，从而选择性降低储存器655和热反应堆冷却剂通路325中的压力。

如图15和图20所示，现将描述流量差子系统535的示范性运作。由于各相继同心通路670的入口端和出口端处的各区域（例如，区域A1、A2、A3和/或A4）部分可能阻塞，通过冷反应堆冷却剂通路320部分可保持每个同心通路670基本相同的流速，同心通路670置于冷反应堆冷却剂通路320中。因此，由于同心通路的区域可能有所不同，液体穿过不同同心通路的时间可能有所不同，且随着时间推移，冷反应堆冷却剂通路320中也会普遍发生快速温度变化。

核反应堆系统5可在任何适用时间周期运作，例如，几年或几十年的连续运行。由于核反应堆系统在几年或几十年的周期运行，气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b的体积将逐渐缩小，并在运行周期结束时基本消失。由于燃料管135、135'、135a和/或135b中燃料的裂变成分随时间推移而减少，因此控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中较高密度的慢化剂将用于弥补减少的裂变成分并维持所需的裂变率，将使得气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b逐渐缩小，并最终基本消失。由于中子吸收裂变副产物在核反应堆系统5的运作期间将不断累积，也将使得气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b逐渐缩小，并最终基本消失。相应地，由于中子吸收裂变副产物随时间推移而增加，因此控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中较高密度的慢化剂将用于弥补增加的中子俘获并维持所需的裂变率，也将使得气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b逐渐缩小，并最终基本消失。

经过一段时间，气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b已经基本消失，燃料管135、135'、135a和/或135b中燃料的裂变成分数量最终变得足够少，且/或反应堆15中产生的中子吸收裂变副产物数量最终变得足够多，这样反应堆15成为次临界，核反应堆系统5中的裂变率变得微不足道。因此，反应堆15关停。此时，新的燃料会供给反应堆15，或随着氙衰减，反应堆15关停后也可短时间运作。

需要时，核反应堆系统5在上述运作期间结束时关停以前也可关停。核反应堆系统可通过反应堆控制子系统40特意关停。特意关停时，反应堆冷却子系统25的运作可经控制只向反应堆15提供相对少量或基本不提供反应堆冷却剂和/或慢化剂冷却剂。这种情况下，控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中的慢化剂会变得很热，使气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b扩大，从而基本充满整个控制腔140、140'、140a和/或140b。如上所述，当气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b基本充满整个控制腔140、140'、140a和/或140b时，控制腔阵列130、130'、130a和/或130b中慢化剂的平均密度降低。慢化剂密度的降低会增加因中速和高速（共振俘获）吸收而损失的中子比例，从而将少引起裂变的可用慢速中子的比例，降低反应堆15的加热速率。相应地，如果流向反应堆15的反应堆冷却剂和慢化剂冷却剂保持少量或基本停止，气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b将继续基本充满整个控制腔140、140'、140a和/或140b，反应堆15将关停。类似于特意关停，如果反应堆冷却子系统25不能合理运作，且不能向反应堆15提供反应堆冷却剂和/或慢化剂冷却剂，气体区185、185'、185a、185b、280和/或185b将扩大以基本充满整个控制腔140、140'、140a和/或140b，反应堆15将以上述特意关停相同的方式最终自行关停。

现将描述辅助冷却子系统35的运作，以描述对流回路子系统410的示范性运作开始。

如图16所示，接合点425和455可经配置，这样在冷却剂基本完全流通（全功率运转）时，通路430中的压力A和接合点455中的压力B互相对抗并彼此平衡，以至于基本没有液体流过通路430、435、440和445、连接部分450和接合点455。如果冷却泵390停止泵取冷反应堆冷却剂通过冷反应堆冷却剂通路320，通过反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b，并流出热反应堆冷却剂通路325传至热交换器20，那么流出反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b的热反应堆冷却剂可流入对流回路子系统410的通路430中接合点425处。热反应堆冷却剂通过通路430向下流，流至反射池105顶面高度以下。接下来，热反应堆冷却剂从通路430向上流入通路435中，然后通过多个通路440流向外壳结构85和压力容器90。热反应堆冷却剂从多个通路440流入相应的多个通路445中。热反应堆冷却剂流过多个通路445，通过热交换向压力容器90传递热能。反应堆冷却剂通过多个通路445流向靠近反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b或反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b以下的位置。然后，反应堆冷却剂通过接合点455流入冷反应堆冷却剂通路320中。进入冷反应堆冷却剂通路320的反应堆冷却剂进入反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b。离开反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b之后，一些反应堆冷却剂重新进入对流回路子系统410接合点425处。

当泵390循环冷慢化剂冷却剂的速率与冷却剂的最大功率运转相对应时，压力A对抗并平衡压力B，这样在全功率时只有很少的冷却剂流过对流回路。在低于全功率时（可能比反应堆冷却剂全流通小得多，或基本无反应堆冷却剂流通），对流回路运作以循环反应堆冷却剂通过对流回路子系统410。因此，需要时，即使反应堆冷却子系统25不运行，对流回路子系统410也可运作以循环反应堆冷却剂通过反应堆15，对流回路子系统410以及阀门460和465可以是独立系统，能独立于控制器540和任何电源供应器自主运行。例如，在反应堆冷却子系统25的流通中断，或外壳结构85外的冷却剂子系统组件泄漏的情况下，阀门460和465可运作以隔离反应堆冷却剂在对流回路子系统410内的流通。阀门460运作，以在外部压力小于压力容器90内冷反应堆冷却剂通路320中压力的任何情况下，充分阻止反应堆冷却剂通过冷反应堆冷却剂通路320流出反应堆15。同样，阀门465运作，以在反应堆15中反应堆冷却剂量小于所需阈限量时，充分阻止反应堆冷却剂流出反应堆15。因此，对流回路子系统410运作以维持反应堆冷却剂在反应堆15中的循环，需要时，独立于反应堆冷却子系统25的运作。

如图17和图18所示，现将描述辅助换热子系统415的示范性运作。当反射体区95内慢化剂的温度超出其正常运作温度时，压力容器90通过慢化剂和慢化剂蒸汽的传导也可加热至大约相同的温度。换热构件470内容纳的状态改变材料越来越受热。如果受热超出阈值水平，将使得换热构件470内容纳的状态改变材料改变状态（例如，从固态加热至液态，或从液态加热至气态），从而提高换热构件470内容纳的状态改变材料的导电性能。换热构件470中的状态改变材料将通过对流或蒸汽转移，将压力容器90的热能有效传递至外壳结构85的外部（外壳结构85的外部导热性能低）。

然后，换热构件475中的状态改变材料通过换热构件470传递的热能加热。如果受热超出阈值水平，将使得换热构件475内容纳的状态改变材料改变状态（例如，从固态加热至液态，或从液态加热至气态），从而提高换热构件475内容纳的状态改变材料的导电性能。

接下来，换热构件475中的状态改变材料将从换热构件475流入换热构件480中。当换热构件480在一大片地域（例如，场地和/或停车场）下延伸时，通过换热构件480中容纳和/或流通的状态改变材料传递的热能将消散至相邻地域和地面中。同样，当换热构件480的放置位置与基本水平平面呈微小角度时，换热构件480内容纳和/或流通的状态改变材料随与反应堆15距离的增加而不断消散热能。

如果冷却超出阈值水平，将使得换热构件480内容纳的状态改变材料再次改变状态（例如，从气态冷却至液态，或从液态冷却至固态）。例如，如果换热构件475和480中容纳的状态改变材料是H₂O，蒸汽（H₂O）凝结成水（H₂O）。当换热构件480的放置位置与基本水平平面呈微小角度时，状态改变材料，例如，水（H₂O），将在换热构件475中形成蒸汽气泡，快速上升至换热构件475顶部，然后沿换热构件480顶部向外流出，直至在换热构件480中凝结成较冷的水（H₂O），再因重力流回反应堆15。随着状态改变材料因重力通过换热构件480流回反应堆15和换热构件475，状态改变材料再次越来越受热。如果受热超出阈值水平，将使得换热构件475内容纳的状态改变材料改变状态（例如，从液态加热至气态，或从固态加热至液态）。状态改变材料可被反复加热和冷却，从而在一个周期内来回改变状态，并不断从反应堆15将热能带走，在换热构件480延伸的在一大片地域（例如，场地和/或停车场）下消散。可假设除了在核反应堆系统5内运作外，辅助换热子系统415还可结合任何适用热转换应用使用，在这些热转换应用中，热能从中心源（例如，任何类型的发电厂、任何类型的产热建筑物如商业建筑、军事应用领域、住房和复合式建筑群，以及/或体育中心）被传递出去。

如图19所示，现将描述辅助停堆子系统420的示范性运作。反应堆15正常运作期间，阀门487可保持关闭。当需要中子吸收材料流入反应堆15中时（例如，当需要关停反应堆15时），控制器540控制阀门487打开，使得加压中子吸收材料从压力容器485流入一个或多个通路490中。中子吸收材料流过一个或多个通路490，从而流过反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b。随着中子吸收材料流向尾部505，通路490中原先存放的蒸汽（H₂O）在关闭的尾部505处逐渐加压，尾部505用作缓冲，且降低由于加压流体从压力容器485流入通路490产生的力量导致中子吸收材料从尾部505迸出的可能性。由于通路490中存在中子吸收材料，越来越多的中子从反应堆15中吸收出来，降低了反应堆15的裂变率。当需要重新启动反应堆时，控制器540控制泵500将中子吸收材料通过排水通路495从通路490抽回压力容器485。当通路490中基本不需要任何中子吸收材料时，控制器540控制阀门487以基本完全关闭，并控制泵500将中子吸收材料从通路490排出至压力容器485中。泵500将压力容器485维持在加压状态，需要时可重复上述流程。

本发明核反应堆系统可用以更简单地控制核反应堆。例如，反应堆15可经构造在外壳结构85内不存在移动部件。本发明控制方法范围相对较广（例如，超过250mk），可允许使用反应性大不相同的燃料，实现在燃料使用期中基本任何时期各不同燃料的基本最大转换比。本发明核反应堆系统还大大提高转换比且因此延长燃料使用期限。同样，由于本发明控制方法的范围相对较广，反应堆15可使用较高反应性燃料，例如，低浓缩铀、MOX燃料、用过的轻水反应堆燃料和钍的混合燃料。

由于本发明控制腔彼此独立反应，以控制局部中子通量，氙气波可自然抑制，从而提高反应堆15的效率。另外，通过反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b的中子通量大大压平，使核反应堆系统5的总功率输出相对较高。同样，反应堆堆芯100、100'、100a和/或100b燃尽的燃料可相对均匀。

本发明核反应堆系统可能不需要连续添加燃料或局部添加燃料，因为过量中子可用以延长较高转换比的新鲜燃料的使用期限，而不是低效地延长具有较低转换比的废旧燃料的使用期限。由于反应堆15可使用天然铀为燃料，反应堆15可能无法利用同位素（例如，铀）浓缩能力，从而降低核扩散的可能性。由于反应堆15的高转换比，许多功率输出通过反应堆15中U238产生的钚同位素（主要是Pu239）的裂变而产生，因此大大提高每吨开采铀的每千瓦小时发电量，并大大降低生产每千瓦小时电力产生的核废料量。

本发明控制腔可为反应堆15提供简单结构，用以有效控制核反应堆系统5。本发明控制腔可减小反应堆冷却剂和慢化剂之间的温差，从而减少热的冷却剂向慢化剂的热能损失，实现较高的输出冷却剂温度和更有效的蒸汽涡轮机。同样，本发明控制腔可减小整个反应堆15中的压力差，减少冷却剂压力管使用的结构材料，从而吸收较少的中子且可增加燃料的转换比。

本发明燃料组件可在本发明燃料管中配置内部燃料棒，与外部燃料棒相比被热中子覆盖相对较少，这样整个燃料管中的温度相对均匀，使得燃料管和燃料组件能容纳更多燃料棒和/或更大直径的燃料棒。相应地，每个体积反应堆的功能输出也会提高。

辅助换热系统415可提供从反应堆15或任何其他适用热源有效传递热能的方法。辅助换热系统415提供有效的热交换系统，无需移动机械部件即刻运行。

发明核反应堆系统还可在需要时自动并/或特意关停反应堆15。本发明反应堆系统还可提供控制通过旁路系统向涡轮机45传输的蒸汽量的方法，从而更有效控制发电。

对该领域技术人员来说，本发明核反应堆系统可进行各种修改和变更，这是显而易见的。对该领域技术人员来说，通过研究说明书和公开方法和装置，也很容易得出其它实施例。说明书和示例仅可视为示例性作用，本发明的真实范围通过以下权利要求书及其等效说明进行限制。

Claims (13)

1.一种控制核反应堆的方法，包括：

在核反应堆堆芯中提供慢化剂区；

在慢化剂区提供燃料；

提供一个或多个具有空腔且靠近燃料的壳体；

允许慢化剂区和一个或多个壳体的空腔之间的慢化剂移动，移动位置在一个或多个壳体下部；且

将慢化剂限制在一个或多个壳体的空腔里，限制位置在一个或多个壳体上部。

2.根据权利要求1所述的方法，其中慢化剂为D₂O。

3.一种核反应堆堆芯，包括：

慢化剂区；

放置于慢化剂区中的燃料；和

一个或多个靠近燃料的壳体，各壳体具有空腔；

其中，各壳体下部打开用于慢化剂区和空腔之间的慢化剂移动，各壳体上部关闭用于慢化剂区和空腔之间的慢化剂移动。

4.根据权利要求3所述的核反应堆堆芯，其中慢化剂为D₂O。

5.一种控制核反应堆的方法，包括：

在核反应堆堆芯的慢化剂区提供燃料；

提供一个或多个靠近燃料的壳体，各壳体具有空腔；

允许慢化剂区和空腔之间的慢化剂在壳体下部移动；

阻止慢化剂区和空腔之间的慢化剂在壳体上部移动；

移出空腔中的慢化剂热能，热量基本上等于通过热传导、从燃料至空腔的慢化剂中的中子或伽玛辐射传递的热量；且

在空腔中壳体上部维持基本恒定的气态慢化剂量。

6.根据权利要求5所述的方法，其中慢化剂为D₂O。

7.一种控制核反应堆的方法，包括：

在核反应堆堆芯的慢化剂区提供燃料；

提供一个或多个靠近燃料的壳体，各壳体具有空腔；

允许慢化剂区和空腔之间的慢化剂在各壳体下部移动；

阻止气态慢化剂在各壳体上部移出空腔；

移出空腔中的慢化剂热能；且

通过改变空腔中慢化剂移出的热能量来控制在空腔中壳体上部保持气态的慢化剂量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中慢化剂为D₂O。

9.一种控制反应堆堆芯的反应速率的方法，包括：

允许慢化剂在慢化剂区和置于慢化剂区中壳体的空腔之间移动；

使用从靠近壳体的燃料中释放的中子或伽玛辐射，将空腔中的一部分慢化剂加热至气态，壳体具有关闭的上部和打开的下部；

在空腔关闭的上部中保持慢化剂气态；

通过改变空腔中慢化剂移出的热能量来改变在空腔中保持气态的慢化剂量；且

根据空腔中保持气态的慢化剂量，通过排出空腔中的一部分液态慢化剂，改变共振俘获燃料获取的中子数量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中慢化剂为D₂O。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，当反应速率高于所需值时，较高的反应速率使空腔中气态慢化剂数量增加，并将空腔中一部分液态慢化剂向下排出空腔，从而减少空腔中的慢化剂量，增加共振俘获获取的中子数量，并减少接触热能引起裂变的中子数量。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，当反应速率低于所需值时，较低的反应速率使空腔中气态慢化剂数量减少，并使得慢化剂区中的一部分液态慢化剂排出，向上流入空腔中，从而增加空腔中的慢化剂量，减少共振俘获获取的中子数量，并增加接触热能引起裂变的中子数量。

13.一种控制核反应堆的方法，包括：通过使用D₂O蒸汽的负反馈以及来自燃料、D₂O慢化剂的中子和伽玛辐射，控制堆芯内的反应速率，D₂O蒸汽通过加热产生，D₂O慢化剂置于堆芯中壳体的空腔内，其中空腔中D₂O蒸汽量的增加使得空腔中D₂O慢化剂量减少。

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