JP2022003348A - 改良された溶融燃料型反応炉の熱管理の構成 - Google Patents

Abstract

【課題】固体型燃料の反応炉に比べて高い出力密度を提供する、改良された溶融燃料型反応炉の熱管理の構成。【解決手段】自然循環する反応炉の構成が記載され、該構成では、上記反応炉の炉心３０４の熱的中心が一次熱交換器３１０の出口よりも下方であるように、炉心３０４が実質的に錐台状である。【選択図】図３

Description

発明の詳細な説明

〔関連出願〕
本願は、ＰＣＴ国際特許出願として２０１７年５月１日に出願されており、２０１６年５月２日に出願された米国仮出願第６２／３３０，７２６号の優先権の利益を主張するものである。上記米国仮出願は、引用により本願に組み込まれる。

〔序論〕
原子核反応炉にて溶融燃料を利用して出力を生成することは、固体型燃料の場合に比べて著しい利点を提供する。例えば、溶融燃料型反応炉は、一般に、固体型燃料の反応炉に比べて高い出力密度を提供すると同時に、固体型燃料製品（fabrication）のコストが比較的高い故に、燃料コストが低減される。

溶融型フッ化燃料塩は、原子核反応炉での使用に適しており、四フッ化ウラン（ＵＦ_４）と、ＵＦ_６、ＵＦ_３などの他のフッ化塩との混合物を用いて開発されている（developed）。溶融型フッ化塩の反応炉は、平均温度が６００℃と８６０℃との間で運転される。ウランその他の核分裂性元素の燃料塩であって、二元、三元、および四元の塩化物の燃料塩は、共通の譲渡人の米国特許出願第１４／９８１，５１２号、発明の名称「溶融核燃料塩並びに関連のシステムおよび方法」に記載されており、該米国特許出願は、この引用により本願に記載加入される。ＰｕＣｌ_３、ＵＣｌ_４、ＵＣｌ_３Ｆ、ＵＣｌ_３、ＵＣｌ_２Ｆ_２、およびＵＣｌＦ_３の１つ以上を含む塩化燃料塩に加えて、本願は、^３７Ｃｌの量が変更された燃料塩、ＵＢｒ_３、ＵＢｒ_４等の臭化燃料塩、塩化トリウム（例、ＴｈＣｌ_４）の燃料塩、並びに、溶融燃料型反応炉にて上記燃料塩を用いるための方法およびシステムをさらに開示している。塩化物塩の反応炉における平均運転温度は、３００℃と６００℃との間が予想されるが、例えば１０００℃よりもさらに高くてもよい。

〔図面の簡単な説明〕
以下に示す図面は、本願の一部を形成し、記載される技術を例示するものであるが、任意の形態で求められるような本発明の範囲を限定することを意味するものではない。本発明の範囲は、本願に添付の特許請求の範囲に基づくであろう。

図１は、溶融燃料型反応炉の基本構成の幾つかをブロック図の形態で示す図である。

図２Ａ〜図２Ｃは、自然循環のみを用いて燃料塩を燃料ループにて循環させる反応炉の実施形態を示す種々の図である。

図３は、自然循環型核分裂反応炉の炉心における改良された構成の実施形態であって、上記炉心は頂部よりも底部の方が大きい実施形態を示す図である。

図４は、円錐台の炉心デザインの別の実施形態を示す図である。

図５は、十角錐（１０側面の角錐）の錐台の炉心であって、自然循環型炉心に好適な炉心を示す図である。

図６Ａ〜図６Ｃは、格納容器のアクティブ冷却を一次冷却材ループに統合する反応炉デザインの実施形態を示す図である。

図７は、アクティブ容器冷却のための方法の実施形態におけるフロー図である。

図８は、シェル側燃料の熱交換器の構成を有する反応炉の実施形態を示す図である。

図９は、図８における反応炉の別の実施形態を示す図である。

図１０は、シェル側燃料のＵ字チューブの熱交換器の構成であって、１枚の管板（tubesheet）が炉心の上方に配置された構成を有する反応炉の実施形態を示す図である。

図１１は、シェル側燃料のＵ字チューブの熱交換器の構成であって、１枚の管板が、炉心内ではあるが、該炉心から側方に離れた位置に設置された構成を有する反応炉の実施形態を示す図である。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、ラジアルループ型反応炉と称する別の反応炉デザインを示す図である。

〔詳細な説明〕
本開示では、溶融燃料型原子核反応炉の種々の構成および構成要素が説明される。本願のために、塩化物燃料を使用する溶融燃料型反応炉の実施形態が説明されるであろう。該塩化物燃料としては、例えばＰｕＣｌ_３、ＵＣｌ_３、および／または、ＵＣｌ_４のような１または複数の燃料塩と、例えばＮａＣｌおよび／またはＭｇＣｌ_２のような非核分裂性塩との例えば混合物が挙げられる。しかしながら、現在知られており、或いは将来開発される任意の種類の燃料塩が使用されてもよく、また、本願に記載の技術は、使用される燃料の種類に関係なく同様に適用可能であってもよいことが理解されるであろう。例えば、燃料塩は１または複数の非核分裂性塩を含んでもよい。該非核分裂性塩の例としては、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＢａＣｌ_２、ＫＣｌ、ＳｒＣｌ_２、ＶＣｌ_３、ＣｒＣｌ_３、ＴｉＣｌ_４、ＺｒＣｌ_４、ＴｈＣｌ_４、ＡｃＣｌ_３、ＮｐＣｌ_４、ＡｍＣｌ_３、ＬａＣｌ_３、ＣｅＣｌ_３、ＰｒＣｌ_３、および／または、ＮｄＣｌ_３が挙げられるが、これらに限定されるものではない。なお、反応炉内の燃料の運転温度の最低値および最高値は、使用される上記燃料塩に依存して、上記反応炉の全体にわたって上記塩を液相に維持するように変化してもよい。最低温度は３００℃〜３５０℃程度の低さでよく、最高温度は、１４００℃程度またはそれ以上の高さでよい。同様に、熱交換器は、その他のものを明示的に記載する場合を除いて、チューブのセットを有し、かつ何れかの端部に管板を有する、単純な１パスのシェルアンドチューブ型熱交換器との観点で、本開示において一般的に提示されるであろう。しかしながら、一般的に、任意のデザインの熱交換器が使用されてもよいことが理解されるであろう。なお、幾つかのデザインはその他のデザインよりも好適であってもよい。例えば、シェルアンドチューブ型熱交換器に加えて、プレート型、プレートアンドシェル型、プリント回路型、および、プレートフィン型の熱交換器が好適であってもよい。

図１は、溶融燃料型反応炉の基本構成の幾つかをブロック図の形態で示している。一般に、溶融燃料型反応炉１００は、炉心１０４を含み、炉心１０４は、運転温度にて液体である核分裂性燃料塩１０６を含む。核分裂性燃料塩は、低エネルギーの熱中性子または高エネルギーの中性子に曝されると核分裂することができる任意の核種の塩を含む。さらに、本開示のために、核分裂性物質は、任意の核分裂性核種の物質、任意の親物質、またはこれらの物質の組合せを含む。燃料塩１０６は、炉心１０４を完全に満たしていてもよいし、満たしていなくてもよい。図示の実施形態では、炉心１０４において燃料塩１０６のレベルの上方に任意の上部空間１０２を有している。炉心１０４のサイズは、上記燃料を、継続的な臨界状態に達成しかつ維持するために使用される具体的な燃料塩１０６の特性および種類に基づいて選択されてもよい。上記継続的な臨界状態の間、上記燃料における中性子の継続的な生成により発生する熱により、上記炉心にある上記溶融燃料の温度が上昇する。臨界とは、上記炉心において中性子の損失率が中性子の生成率に比べて等しいまたは小さい状態をいう。反応炉１００の性能は、炉心１０４の周囲に１または複数の反射体１０８Ａ・１０８Ｂ・１０８Ｃを設けて、中性子を上記炉心内に反射することによって改善される。反射体は、例えばグラフファイト、ベリリウム、鋼、炭化タングステンなど、現在知られており、或いは将来開発される任意の中性子反射物質によって生成されてもよい。上記溶融型燃料塩１０６は、炉心１０４と、炉心１０４の外側に配置された１または複数の一次熱交換器１１０との間にて循環される。上記循環は１または複数のポンプ１１２を用いて駆動されてもよい。

上記一次熱交換器１１０は、溶融型燃料塩１０６から、一次冷却材ループ１１５を介して循環する一次冷却材１１４への熱伝達を行う。一実施形態において、上記一次冷却材は、別の塩（ＮａＣｌ−ＭｇＣｌ_２など）または鉛であってもよい。また、利用可能な他の冷却材としては、Ｎａ、ＮａＫ、臨界超過のＣＯ_２、および鉛ビスマス共晶混合物が挙げられる。一実施形態において、反射体１０８は、図１に示すように、各一次熱交換器１１０および炉心１０４の間にある。例えば、一実施形態において、円筒形の炉心１０４は、直径が２メートル（ｍ）であり、高さが３ｍであり、頂部および底部のそれぞれに上記円筒の平坦な端部が存在するように直立している。炉心１０４全体は、複数の反射体１０８で完全に覆われ、反射体１０８の間には、燃料塩１０６の炉心１０４内外への流路が設けられている。

図１は、１個の熱交換器１１０を示しているが、上記実施形態に依存して、任意の個数の熱交換器１１０が使用されてもよく、該熱交換器１１０は、炉心１０４の外部の周囲に離間して配置されてもよい。例えば、２個、４個、６個、８個、１０個、１２個、および１６個の一次熱交換器を有する実施形態が予想される。

上述のように、任意のデザインの熱交換器が使用されてもよいが、上記熱交換器１１０としては、シェルアンドチューブ型熱交換器の観点から概括的に議論されるであろう。シェルアンドチューブ型熱交換器の実施形態では、上記燃料塩は、複数のチューブ内を流れ、該チューブは、一次冷却材で満たされたシェル内に含まれてもよい。上記燃料塩は、該記燃料塩と一次冷却材との混合を防止するために、上記シェルにおける１または複数の管板を介して上記チューブに流入する。これは、チューブ側燃料構成、またはシェル側冷却材構成と称される。或いは、上記燃料塩が上記シェル内を流れ、一次冷却材が上記チューブ内を流れてもよい。これは、チューブ側冷却材構成、またはシェル側燃料構成と称される。

熱交換器部品の塩接触面は、腐食から保護するために被覆されてもよい。その他の保護オプションとしては、保護用コーティング（protective coatings）、非密着ライナ（loose fittingliners）、または、圧入ライナ（press-fit liners）が挙げられる。一実施形態では、上記チューブの内面における被覆はモリブデンであり、該モリブデンは、ベースの熱交換器材料と共に共有押出し成形される。他の燃料塩接触面（上記管板の外面および上記シェルの外面）について、上記被覆の材料はモリブデン合金である。ニッケルおよびニッケル合金は、他の利用可能な被覆の材料である。モリブデン−レニウム合金は、溶接が要求される場合に使用されてもよい。一次冷却の塩と接触する部品は、Ａｌｌｏｙ２００で被覆されてもよいし、或いは、アメリカ機械学会の圧力容器の基準に合致する材料など、その他の同等な任意の材料で被覆されてもよい。上記チューブの主要な材料は、３１６ステンレス鋼であってもよく、或いは、その他の同等な任意の材料であってもよい。例えば、一実施形態では、Ａｌｌｏｙ６１７は、上記シェルおよび上記管板の材料である。

チューブ側燃料の実施形態において、上記燃料塩は、熱交換器１１０における上記チューブを流れ、上記燃料塩の出口通路へ流出する。熱交換器１１０のシェル内の上記一次冷却材は、上記チューブ内を移動する上記燃料塩から熱を除去する。その後、加熱された冷却材は、パワー生成システム１２０に送られる。

図１に示すように、一次熱交換器１１０からの加熱された一次冷却材１１４は、例えば、熱的パワー、電気的パワー、または機械的パワーのような、或る形態のパワーの生成のためにパワー生成システム１２０に送られる。炉心１０４、一次熱交換器１１０、ポンプ１１２、溶融燃料循環用配管（例えば、チェックバルブ、遮断バルブ、フランジ、ドレインタンクなど、図示していないその他の補助部品を含む）、および、上記溶融燃料が運転中に循環し或いは接触するその他の任意の部品は、燃料ループ１１６と称されることができる。同様に、一次冷却材ループ１１５は、一次冷却材が循環する部品を含み、一次熱交換器１１０と、一次冷却材循環用配管（例えば、冷却材用ポンプ１１３、チェックバルブ、遮断バルブ、フランジ、ドレインタンクなど、図示していないその他の補助部品を含む）とを含む。

さらに、溶融燃料型反応炉１００は、少なくとも１つの格納容器１１８を含み、該格納容器１１８は、燃料ループ１１６を含み、上記燃料ループの部品の１つからのリークがあった場合に溶融型燃料塩１０６の放出を阻止するためのものである。なお、一次冷却材ループ１１５の全てが格納容器１１８内にあるとは限らない。

一実施形態では、燃料塩は、該燃料塩が燃料ループ１１６内を循環するように、ポンプ１１２によって駆動される。図示の実施形態では、各一次熱交換器１１０に１個のポンプ１１２が存在する。少数の或いはより多くのポンプが使用されてもよい。例えば、別の実施形態では、複数の小型ポンプが各熱交換器１１０のために使用されてもよい。一実施形態では、ポンプ１１２は、回転時に燃料ループ１１６における燃料塩の流れを駆動する羽根車を、上記燃料ループ内の或る位置に含んでもよい。上記羽根車は、該羽根車をモータに接続する回転シャフトに取り付けられてもよく、上記モータは、上記格納容器の外部に配置されてもよい。本実施形態の例は、後述するように、図６Ａ〜図６Ｃにて見出されることができる。また、他のポンプ構成も利用可能である。

広義に言えば、本開示は、図１に関して説明される反応炉１００の性能を改善する複数の変更および複数の部品構成を記載している。

〔円錐台の炉心構成〕
通常の燃料塩では、高温の溶融塩は、低温の塩よりも低密度である。例えば、或る燃料塩（７１ｍｏｌ％ＵＣｌ_４−１７ｍｏｌ％ＵＣｌ_３−１２ｍｏｌ％ＮａＣｌ）では、３００℃の温度上昇（例えば、６２７℃から９２７℃へ）により、上記燃料塩の密度が、３６６０ｋｇ／ｍ^３から３０１０ｋｇ／ｍ^３へと、１８％低下することが計算された。一実施形態では、上記燃料ループ内での燃料の循環は、上記炉心における高温な塩と、燃料ループ１１６における上記炉心とは別の場所の低温な塩との間の温度差によって生じる密度差によって駆動されることができるように、上記炉心および上記一次熱交換器が構成されることが望ましい。この循環の流れは、定常状態の運転の間に上記燃料塩における密度差の結果として自然に発生することから、上記循環を自然循環と称してもよい。

図２Ａ〜図２Ｃは、自然循環のみを用いて、燃料塩を燃料ループにて循環させる反応炉の実施形態を示している。この構成は、燃料塩ポンプの必要性を取り除くことができ、どのようなポンプも示されていない。これにより、反応炉２００の複雑性が減少する。しかしながら、自然循環のみに依拠することは、除去する熱量が限定され、その結果、反応炉２００の全出力パワーが限定されるかもしれない。

図２Ａに示す反応炉２００は、略円筒形の炉心２０４を含む。該炉心２０４の体積は、頂部の上部反射体２０８Ａと、底部の下部反射体２０８Ｂと、上記炉心の周囲を取り囲む側部（または内部）反射体２０８Ｃとによって規定される。図１の場合と同様に、上記燃料塩が側部反射体２０８Ｃの周囲を流れることができるように、流路は炉心２０４の上部および下部に設けられている。この自然循環の実施形態では、定常状態の核分裂中において、加熱された燃料塩は、側部反射体２０８Ｃの頂部の上を越えて、１または複数の熱交換器２１０に流れる。次に、上記燃料塩は、熱交換器２１０内を巡って下方に移動し、冷却された燃料塩は、下部反射体２０８Ｂと側部反射体２０８Ｃとの間の１または複数の流路を介して炉心２０４に戻る。図示の実施形態では、側部反射体２０８Ｂには流れ案内部が設けられており、該流れ案内部は熱交換器２１０の下方に膨らみとして形成されており、該膨らみにより、冷却された燃料塩を炉心２０４に戻す流路が絞られている。上記流れ案内部の形状として任意の種類が使用されてもよい。

図２Ｂは、図２Ａの反応炉の半体の断面図であり、燃料塩の流路を示している。図示の実施形態では、モデリングの目的で、炉心２０４は、１メートル（ｍ）の半径であり、高さが３ｍである。固体の上部および下部の反射体２０８Ａ・２０８Ｂによって、上記燃料塩の上部および下部の範囲がそれぞれ規定される。上記反射体の間の空間は流路を形成し、該流路は、通路またはダクトと別途称されてもよい。これにより、燃料塩が、上記炉心から上記内側反射体の上を通り、上記一次熱交換器を通り、上記内側反射体の下を通って、上記炉心の底部に戻る上記燃料塩の循環が可能になる。１または複数の流れを方向付けるバッフルまたは案内羽根が上記燃料ループの上記燃料塩ダクトに設けられてもよい。この場合、上記燃料ループを通る燃料塩の流れについて、より一様な流れが獲得され、かつ、等分布となる。また、上記燃料ループにおける滞留ゾーンが低減される。

上記炉心にて加熱された燃料塩は、浮力により上昇し、内部反射体２０８Ｃを回り、熱交換器２１０を通過し、それから、内部反射体２０８Ｃの膨らみ形状と下部反射体２０８Ｂとによって規定される戻り通路を通過するように流れるであろう。一実施形態では、上記反射体は、鉛充填の容器であってもよく、案内構造（例えば翼板２１２）は、ステンレス鋼の熱特性により固体である。図示のような外形に合わせた案内構造は、上記熱交換器の入口における良好な流れを促し、かつ、上記燃料ループ内における再循環セル（cells）の発生および衝突を低減するように与えられる。

図２Ｃは、図２Ｂに示す実施形態について、代表的な燃料塩（７１ｍｏｌ％ＵＣｌ_４−１７ｍｏｌ％ＵＣｌ_３−１２ｍｏｌ％ＮａＣｌ）の代表的な運転条件のセット下における温度および流れのモデリング結果を示している。上記モデリングから、最高温度は、炉心２０４の中央上部における略１１５０℃であり、最低温度は、熱交換器２１０の出口における約７２０℃であることが見出された。上記温度の結果によって、上記モデルの条件下では、濃密で冷たい燃料塩が炉心２０４の底部に流れ込み、これにより、より軽くて熱い燃料塩を熱交換器２１０に追い遣るという自然循環セルが生成されることが示される。炉心２０４の中央部において進行中の核分裂よって、冷却された燃料塩が再加熱されて、上記循環セルが、例えば、減速体の導入、または、上記燃料塩の減損によって上記核分裂が遮断されるまで駆動される。

別の実施形態では、反応炉は、ポンプおよび自然循環の両方を使用して、通常のパワー生成の運転中に上記燃料ループを介して上記燃料塩を移動させる。このような実施形態では、目標の流速への到達に必要とされるポンプのサイズを減少する点と、１または複数のポンプのパワー損失の観点とから、自然循環は依然として有益である。なぜならば、ポンプにより燃料塩が上記燃料ループを介して移動することがなくても、上記循環、故に冷却が継続するからである。

自然循環を増強する一方法は、高温の炉心２０４を一次熱交換器２１０の下方に終始選択的に配置することである。これにより、燃料ループ１１６の或る位置であって、上記炉心の「熱的中心」にて見出されることができる最も高温な（従って最も薄い）塩の物理的上方における位置に、最も濃い塩（例えば、上記一次熱交換器によって出力される冷却された塩）を配置することによって、上記循環における密度差の効果が強化される。

本開示の目的のために、上記「熱的中心」とは、上記炉心の形状およびサイズに基づく上記炉心内の位置であって、上記反応炉を介しての流れが無い場合に上記炉心にて進行中の核分裂反応によって最も多い熱が発生する位置をいう。この地点は、図２Ｂにて特定され、円筒形の上記炉心における垂直方向および水平方向の中心に位置づけられる。臨界未満の均質な燃料塩では、崩壊熱による上記熱的中心の位置は、炉心２０４によって規定される燃料塩の体積の質量中心を用いて近似することができる。しかしながら、これは全くの近似である。なぜならば、反射体２０８および他の部品の構成および形状は、炉心２０４内の核分裂反応、従って上記熱的中心の位置に或る程度の影響を与えるからである。

最も簡便な実施形態（図示せず）では、自然循環を使用するようになっている反応炉は、上記炉心の全く上方に上記一次熱交換器を配置することができる。しかしながら、このような垂直方向に積み重ねるデザインは、核分裂中に上記燃料塩にて気体が発生することによって複雑化すると共に、より大きな格納容器が潜在的に要求される。上記熱交換器内の気体の発生により、蒸気によって熱交換が停止する機会が増加し、一般に複雑性が増加し、熱交換器の効率が減少する。このため、上記炉心の上記塩が通常作用する表面レベル、または該表面レベルの下方に熱交換器を有する反応炉は、或る利点を有する。

図３は、自然循環型核分裂反応炉の炉心における改良された構成の実施形態を示している。該実施形態では、上記炉心は、頂部よりも底部の方が大きい。図示の実施形態では、炉心３０４は、略円錐台の形状を有する。円錐台とは、円錐に対し、該円錐の底面に平行な面で先端部が切り取られた形状をいう。図３は、炉心３００の半体の断面図であり、図２Ａ〜図２Ｃと同様である。炉心３０４は、上部反射体３０８Ａ、下部反射体３０８Ｂ、および内部反射体３０８Ｃによって取り囲まれており、内部反射体３０８Ｃは、上記炉心と一次熱交換器３１０とを離間させるものである。図２Ｂの反応炉と同様に、頭部空間は存在せず、上記反応炉の全体、すなわち、炉心３０４、通路、および一次熱交換器３１０は、燃料塩で満たされている。反射体３０８Ａ・３０８Ｂ・３０８Ｃの間の空間により通路が形成され、該通路により炉心３０４から内部反射体３０８Ｃの上を通り、一次熱交換器３１０を通り、内部反射体３０８Ｃの下を通って、炉心３０４の底部に戻る燃料塩の循環が可能になる。上記円錐台の形状により、質量中心を移動させ、かつそれ故に、炉心３０４の下部にある上記燃料塩の熱的中心３２４を移動させる効果がもたらされ、上記熱的中心が上記炉心の頂部および底部の中点よりも下方にあることが要求される。上記炉心に対する上記一次熱交換器の位置が固定である場合、円錐または角錐の錐台のように、上記炉心の底部が頂部よりも大きい形状に変化させることにより、上記燃料ループにおける上記燃料塩の自然循環が改善されるであろう。

図４は、円錐台の炉心デザインの別の実施形態を示している。図４は、図２Ａ〜図２Ｃおよび図３と同様に、炉心４００の半体の断面図である。炉心４０４は、上部反射体４０８Ａ、下部反射体４０８Ｂ、および内部反射体４０８Ｃによって取り囲まれており、内部反射体４０８Ｃは、上記炉心と垂直向きの一次熱交換器４１０とを離間するものである。反射体４０８Ａ・４０８Ｂ・４０８Ｃの間の空間により通路が形成され、該通路により炉心４０４から内部反射体４０８Ｃの上を通り、一次熱交換器４１０を通り、内部反射体４０８Ｃの下を通って、炉心４０４の底部に戻る燃料塩の循環が可能になる。また、上記円錐台の形状により、質量中心を移動させ、上記炉心の下部にある上記燃料塩の熱的中心４２４を移動させる効果がもたらされる。

図２Ａ〜図２Ｃ、図３、および図４は、同じスケールで大まかに示されており、この３図の比較により、各熱的中心の大まかな位置の違いが示される。図２Ｂでは、上記熱的中心は、大まかには、上記炉心の中心にあり、上記一次熱交換器の底部とほぼ同じレベルである。図３および図４では、上記熱的中心は、上記炉心の著しく下部に位置づけられ、明らかに上記一次熱交換器の底部よりも下方に位置づけられる。上記熱交換器の底部が意味する位置は、最も冷たい溶融塩が上記システムに存在する位置であり、上記熱交換器の出口である。例えば、シェルアンドチューブ型熱交換器では、熱交換器の底部は、下部の管板に存在するであろう。

図３および図４にて示されるように、頂部よりも底部が広い炉心を使用することによって、上記熱交換器の頂部は、上記燃料塩と同じまたは下方のレベルであり、上記炉心のレベルである、任意に与えられた熱交換器の構成について、上記循環ループにおける最も冷たい燃料塩の位置に対する上記熱的中心の位置は、変化することができる。さらにこれにより、自然循環の量を制御することができる。一実施形態では、反応炉における自然循環の強度を決定する１つの性能ファクタは、上記炉心における塩の深さである上記炉心の頂部および底部の垂直距離Ａ（図３および図４に距離Ａとして示されている。）と、上記熱交換器の底部から下方の上記炉心の熱的中心の距離（図３および図４に距離Ｂとして示されている。）との比である。一実施形態では、上記比Ｂ／Ａは正であり、上記熱的中心は、上記熱交換器の底部よりも下である。上記比Ｂ／Ａが大きくなるにつれて、自然循環セルの強度が大きくなる。一実施形態では、上記比Ｂ／Ａは０．０１と０．４５との間である。さらに別の実施形態では、上記比は０．１と０．４との間である。

円錐の錐台として形成された炉心は、頂部よりも底部が広く、それ故に、一次熱交換器を介しての自然循環を強化する炉心形状の一例にすぎない。その他の形状も利用可能である。特に、上記炉心の形状は、本質的には、上部反射体、下部反射体、および内部反射体によって規定される。例えば、上記錐台は、正確な円錐形である必要はなく、任意の数の平坦な或いは曲がった側面を有する角錐の錐台であってもよい。例えば、３側面の角錐、４側面の角錐（すなわち四角錐）、５側面の角錐（すなわち五角錐）、６側面の角錐（すなわち六角錐）、その他、それ以上の任意の数の側面を有する角錐であって、それぞれ先端部が切り取られているものであってもよい。

例えば、図５は、自然循環型炉心に好適な形状である十角錐（１０側面の角錐）の錐台を示している。なお、上記形状は軸対称である必要はない。すなわち、炉心は、基部、頂部、平行垂直辺（parallel vertical sides）の１セット、および、傾斜しかつ平坦な側面の対向セットを有する台形状の角柱として形成されることもできる。なお、上記角柱の側面の幾つかは、平面の代わりに曲面であってもよい。また、上記炉心は、幾つかの核施設にて一般的に目にする冷却塔の形状のように、双曲面状に形成されることもでき、或いは、不均整な形状に形成されることもできる。そのような任意の錐台の形状は、以下の場合に限り好適である。すなわち、上記熱的中心が上記炉心における燃料塩のレベルと上記炉心の底部との中間点よりも低くなるように、上記炉心の基部の領域が頂部の領域よりも大きいか、或いは、上記燃料塩の質量の大部分が上記炉心の頂部と底部との中間点よりも下方である場合である。上記炉心における燃料塩のレベルまたはそれ以下に入口を有し、かつ、上記熱的中心の上方に出口を有する熱交換器と組み合わせると、上記錐台状の炉心は、パワー生成運転中における上記燃料塩の自然循環が、同じ高さの円筒形の炉心よりも著しく改善される。

〔統合型アクティブ容器冷却〕
図６Ａ〜図６Ｃは、上記格納容器のアクティブ冷却を上記一次冷却材ループに統合する反応炉デザインの実施形態を示している。図６Ａは、溶融塩型反応炉６００における８個の交換機の構成を示す斜視図である。図示の溶融塩型反応炉６００は、種々の内部部品を示すように一部を切り欠いている。図６Ｂは、上記反応炉の中央部と対向する２個の熱交換器を通る断面図である。図６Ｃは、上記熱交換器のデザインと上記一次冷却材の流れ（routing）とについて、より詳細に示す斜視断面図である。図６Ｂおよび図６Ｃでは、括弧記号は、冷却材または燃料塩の流れによりアクティブ冷却が行われる格納容器６１８の部分をそれぞれ示すようになっている。

図示の実施形態では、炉心６０４および熱交換器６１０は、格納容器６１８内に存在する。一次格納容器６１８は、ライナまたはライナのセットによって規定され、該ライナまたはライナのセットは頂部開口型容器を形成している。冷やされた上記一次冷却材は、上記頂部から上記容器６１８に出入する。これにより、上記格納容器を一体成形かつ非貫通とすることが可能である。上記一次冷却材ループは、流入した一次冷却材が格納容器６１８の少なくとも一部を最初に冷却するように、反応炉６００に統合される。図示の実施形態では、上記冷却材は、一次冷却材入口通路６３０において、格納容器６１８の内面の隣りを或る程度の距離移動した後、一次熱交換器６１０の底部に移動する。上記冷却材は、一次熱交換器６１０の頂部を出て、それから、格納容器６１８の外部に移動して、パワー生成システム（図示せず）に移動する。

図示の実施形態では、燃料塩は、熱交換器６１０の上方に配置された、上記燃料ループの８個の別々の羽根車６１２Ａを介して駆動される。各羽根車６１２Ａは、反応炉６００の上方に配置されたモータ（図示せず）に対し、回転シャフト６１２Ｂによって接続される。上記燃料ループを通る上記塩の流れは破線６０６によって示される一方、一次冷却材の流れは点線６１４によって示される。

図示のデザインの別の態様は、冷却された燃料塩であって、熱交換器６１０を出た燃料塩が、炉心６０４に入る前に上記格納容器の一部に沿って移動するというものである。これにより、追加のアクティブ冷却が上記格納容器に統合される。図示の実施形態のように、上記格納容器は、任意の地点で上記炉心に密接してはいない。実際、図６Ａ〜図６Ｃの格納容器６１８は、以下の３個の部品にのみ密接している。すなわち、冷却された一次冷却材の入口通路６３０と、冷却された塩を炉心６０４に戻す、冷却された燃料塩の通路６３２と、下部反射体６０８Ｂとである。なお、下部反射体６０８Ｂ自身は、炉心６０４に入る冷却された燃料塩の流れによって冷却され、それから、上記下部反射体と隣り合う格納容器６１８の部分が間接的に冷却される。従って、格納容器６１８は、冷却された一次冷却材または冷却された燃料塩の何れかと接触することによってアクティブ冷却される部品と隣り合うのみである。

運転時に、上記一次冷却材ループは、溶融型燃料塩から熱を除去するだけでなく、上記格納容器から熱を直接除去して、上記格納容器の温度を維持するために役立つ。なお、図示のようなシステムでは、燃料塩の流れと一次冷却材の流れとを独立して制御することにより、上記燃料の温度と格納容器の温度との両方を独立して制御することが考慮されている。上記２つの流れを調節することによって、オペレータは、上記炉心の温度と、上記格納容器の温度との両方を、独立したレベルに選択的に維持することができる。さらに、上記流れの経路を定め、かつ、種々の位置における絶縁を提供することにより、種々の部品間の熱伝達の特性は、必要に応じて冷却の多少を提供するようになっていてもよい。

図７は、アクティブ容器冷却のための方法の実施形態におけるフロー図である。図示の実施形態では、統合されたアクティブ冷却は、溶融塩と格納容器の少なくとも一部との両方から一次冷却材ループを介して熱を直接的に除去することによって、溶融燃料塩型原子核反応炉の格納容器をアクティブ冷却するための方法７００として考慮されてもよい。格納容器を直接冷却する第１の動作７０２では、上記冷却材が上記燃料塩熱交換器に実際に入る前に、上記格納容器の少なくとも第１部分が上記一次冷却材によって冷却される。このことは、冷却された一次冷却材を一次熱交換器に移動させる前に、上記格納容器の少なくとも一部の内面と隣り合って上記一次冷却材を移動させることによって達成される。このことは、上記格納容器の当該部分をアクティブ冷却するのに役立つ。一実施形態では、上記冷却材の入口通路と、当該部分における上記冷却材の上記格納容器との熱接触とは、上記冷却材と上記容器との熱伝達を強化するようにデザインされてもよい。

また、格納容器を直接冷却する第１の動作７０２は、上記一次冷却材を上記反応炉の頭部を介して移動させることによって、上記反応炉の頭部を冷却することを含んでもよい。一実施形態では、この移動は、上記反応炉の上記上部反射体を特に冷却するために使用されてもよい。このことは、次に上記熱交換器に流れる同じ冷却材を用いて実行されてもよいし、次に冷却材の主ストリームと合流する冷却材の副ストリームを用いて実行されてもよいし、或いは、完全に別々の冷却材ストリームを用いて実行されてもよい。

図示の実施形態では、格納容器を直接冷却する第２の動作７０４において、上記格納容器の少なくとも第２の部分が、上記一次熱交換器を出てから上記炉心に入る前の上記冷却された燃料塩によって冷却される。このことは、図６Ａ〜図６Ｃに示されるように、上記格納容器の上記第２部分の内面と隣り合って、上記冷却された燃料塩を移動させることによって達成されてもよい。上記冷却材の入口通路と同様に、上記冷却された燃料塩の通路と、当該部分における上記燃料塩の上記格納容器との熱接触とは、上記燃料塩と上記容器との熱伝達を強化するようにデザインされてもよい。

間接冷却する第３の動作７０６が同様に行われてもよい。第３の動作では、上記冷却された燃料塩は、上記格納容器の或る第３の部分と接触する中性子反射体の表面と隣り合って移動してもよい。これにより、上記中性子反射体が冷却されて、該中性子反射体と接触する上記格納容器の第３の部分が間接的に冷却される。この動作７０６では、上記実施形態に依存して、上記反射体は、図６Ａ〜図６Ｃに示す反射体６０８Ｂ等の下部反射体であってもよいし、或いは、上記格納容器の一部と隣り合う側部反射体であってもよい。

〔一次熱交換器のシェル側燃料構成〕
上述の詳細な説明において、一次熱交換器は、上記燃料塩がチューブ内を流れ、一次冷却材がシェル内かつ上記チューブの周囲を流れるシェルアンドチューブ型熱交換器に関して説明されている。上述のように、これは、「チューブ側燃料」構成、或いは「シェル側冷却材」構成として代替的に称されてもよい。しかしながら、上記反応炉における全体の動作の改善は、シェル側燃料構成に移し替えることによって得られてもよい。

金属部品が長期間にわたって高線量の放射線に曝される環境下では、非溶接の物質の劣化を予測するよりも溶接された部品の劣化を予測する方が困難であることが確認されている。溶接部分は、弱く、高線量における放射線の損傷および経年劣化に曝される可能性がある。従って、特定のデザインに固有のリスクを低減し、該デザインに固有の予測性のレベルを向上するために、溶接された部品を高い中性子束の領域から可及的遠くに移動させる、或いは、溶接された部品を上記デザインから完全に排除することは有益である。

排除が困難な溶接された部品の１つは、シェルアンドチューブ型熱交換器における管板である。該管板の溶接により、上記燃料塩と上記一次冷却材との混合を防止するので、上記溶接の経年劣化の低減は、デザイン要因である。

上記反応炉のデザインの改善は、熱交換器のデザインをシェル側燃料のデザインに切り替えて、対向する管板を、上記格納容器内に残す一方、上記炉心の中心から可及的遠くに移動させることである。これにより、上記管板によって受け取る相対的な線量が、図２Ａ〜図２Ｃ、図３、図４、および図６Ａ〜６Ｃにおけるデザインに比べて低減される。

図８は、シェル側燃料の熱交換器の構成を有する反応炉の実施形態を示している。本実施形態では、図４Ａ〜図６と同様に、反応炉８００の半体が示されている。上記炉心８０４は、上部反射体８０８Ａ、下部反射体８０８Ｂ、および内部反射体８０８Ｃによって取り囲まれており、内部反射体８０８Ｃは、上記炉心と一次熱交換器８１０とを離間させるものである。反射体８０８Ａ・８０８Ｂ・８０８Ｃの間の空間により通路が形成され、該通路により炉心８０４から内部反射体８０８Ｃの上を通り、一次熱交換器８１０を通り、内部反射体８０８Ｃの下を通って、炉心８０４の底部に戻る燃料塩の循環（破線８０６で示される）が可能になる。複数のバッフル８１２が上記シェル内に設けられ、上記熱交換器におけるチューブの周囲の迂回経路（circuitous path）を上記燃料塩に進ませる。

冷却材は、熱交換器８１０のチューブ側にて流れるが、上記熱交換器の底部に入る前に、まず、格納容器８１８の側壁と一部の底部とに隣り合う冷却材の入口通路８３０の長さを下方に流れる。従って、図示の反応炉８００は、上述のアクティブ冷却方法７００の実施形態を、図７を参照して使用すると、上記反応炉の容器８１８の一部分が、上記冷たい一次冷却材によって直接冷却され、下部反射体８０８Ｂは、炉心８０４に戻る上記冷たい燃料塩によって直接冷却される。

上記一次冷却材は、下部管板８３１を介して流れることにより熱交換器８１０のチューブに入る。下部管板８３１は、上記炉心の底部と同程度のレベルとして示されている。下部管板８３１は、本実施形態に依存する下部反射体８０８Ｂのレベルまたはそれ以下であってもよい。上記冷却材は、上部管板８３２にて上記熱交換器のチューブを出る。上部管板８３２は、図８において、炉心８０４および格納容器８１８から上方の或る程度の距離に配置されている。また、上記冷却材の流れは破線８１４によって示されている。

図８に示す領域８３４は、上記熱交換器のシェル内の領域であって、炉心８０４における塩のレベルよりも上方の領域である。この領域は、貫通するチューブ以外は中身が詰まっていてもよく、或いは、不活性ガスで満たされた上部空間であってもよい。

１または複数のポンプ（図示せず）は、上記燃料塩の循環、上記一次冷却材の循環、またはその両方を支援するように設けられてもよい。例えば、羽根車は、炉心８０４の頂部における上記加熱された燃料塩の入口通路と、炉心８０４の底部における上記冷却された燃料の出口通路との一方または両方に設けられてもよい。同様に、羽根車は、上記冷却材の入口通路８３０に設けられて、上記一次冷却材の流れの制御を支援してもよい。

図９は、図８における反応炉の別の実施形態を示している。図示の実施形態において、参照番号は、図８の同じ構成要素に関する参照番号に対応する。図９は、管板９３１・９３２の別の構成を示しており、当該構成により、上記溶接された管板が上記燃料塩からの中性子束に曝されることが、なおいっそう低減される。図示の実施形態では、上記チューブのセットのチューブは、熱交換器９１０の何れか端部において上部および下部の反射体９０８Ａ・９０８Ｂの少なくとも一部を貫通している。さらに別の実施形態では、燃料塩がシェル側から上記チューブ側の上記冷却材に漏出することを防止するという管板の役割を反射体９０８Ａ・９０８Ｂが実行することにより、上記管板が排除されている。

なお、図９には、熱交換器９１０と上記冷却材の入口通路９３０との間に第２の側部反射体９０８Ｄが示されている。これは、付加的な反射を提供することができ、或いは単純に、炉心９０４の外部の中性子束を低減するための減速体その他の保護体であってもよい。

〔一次熱交換器におけるＵ字チューブの構成〕
上記反応炉のデザインにおける別の改良点は、熱交換器のデザインをシェル側燃料のデザインに切り替えて、Ｕ字チューブの熱交換器を利用することにある。このデザインでは、上記Ｕ字チューブの交換器における単一の管板は、上記炉心の上方であって上記格納容器の外側に配置され、従って、図２Ａ〜図２Ｃ、図３、図４、および図６Ａ〜図６Ｃのデザインと比較して、比較的低減された線量の環境下に配置される。

図１０は、シェル側燃料のＵ字チューブの熱交換器の構成を有する反応炉の実施形態を示しており、当該構成では、上記単一の管板が上記炉心の上方に配置されている。本実施形態では、図８および図９と同様に、反応炉１０００の半体が示されている。炉心１００４は、上部反射体１００８Ａ、下部反射体１００８Ｂ、および内部反射体１００８Ｃによって取り囲まれており、内部反射体１００８Ｃは、上記炉心を規定し、かつ、上記炉心と一次熱交換器１０１０とを離間させるものである。反射体１００８Ａ・１００８Ｂ・１００８Ｃの間の空間により通路が形成され、該通路により炉心１００４から内部反射体１００８Ｃの上を通り、一次熱交換器１０１０のシェル側を通り、内部反射体１００８Ｃの下を通って、炉心１００４の底部に戻る燃料塩の循環（破線１００６で示される）が可能になる。複数のバッフル１０１２が上記シェル内に設けられ、上記熱交換器におけるチューブの周囲の迂回経路を上記燃料塩に進ませる。冷却材は、熱交換器１０１０のＵ字状チューブ内を流れ、その結果、上記冷却材は、上記チューブに入り、かつ、上記頂部から上記単一の管板１０３２を通って上記チューブを出る。上部の管板１０３２は、図１０において、炉心１００４および格納容器１０１８の上方の或る程度の距離に配置され、従って、上述の他のデザインに比べて放射線の被曝が低減される。また、上記冷却材の流れは、破線１０１４によって示されている。

図１０に示す領域１０３４は、上記熱交換器のシェル内の領域であって、炉心１００４における塩のレベルよりも上方の領域である。また、この領域は、貫通するチューブ以外は中身が詰まっていてもよく、或いは、不活性ガスで満たされた上部空間であってもよい。中身が詰まっている場合、上記領域は反射体の材料で満たされ、該材料をチューブのセットが貫通していてもよい。

また、１または複数のポンプ、或いは該ポンプの少なくとも羽根車（図示せず）が、燃料塩の循環、および／または、冷却材の循環を支援するように設けられてもよい。例えば、羽根車は、炉心１００４の頂部における上記加熱された燃料塩の入口通路と、炉心１００４の底部における上記冷却された燃料の出口通路との一方または両方に設けられてもよい。

さらに別の実施形態では、管板１０３２等の溶接された部品は、中性子吸収物質のシートで中性子から遮蔽されてもよい。上記中性子吸収物質は、炉心１００４に対向する側に上記管板と隣り合って配置されてもよい。このような、管板と中性子吸収物質との組合せは、上述の任意の実施形態にて使用されてもよい。上記中性子吸収物質は、上記管板と隣り合うまたは離間するコーティング、付加層、または独立した構造の部品であってもよい。

Ｕ字チューブの熱交換器のデザインのさらに別の実施形態では、上記冷却材が上記熱交換器を、上記格納容器に対し横方向に出入するように、熱交換器を９０度回転している。

図１１は、シェル側燃料のＵ字チューブの熱交換器の構成を有する反応炉の実施形態を示しており、当該構成では、上記単一の管板が上記炉心内ではあるが、該炉心から側方に離間した位置に設置されている。本実施形態では、図４Ａ〜図６と同様に、反応炉１１００の半体が示されている。炉心１１０４は、上部反射体１１０８Ａ、下部反射体１１０８Ｂ、および内部反射体１１０８Ｃによって取り囲まれており、内部反射体１１０８Ｃは、上記炉心と一次熱交換器１１１０とを離間させるものである。反射体１１０８Ａ・１１０８Ｂ・１１０８Ｃの間の空間により通路が形成され、該通路により炉心１１０４から内部反射体１１０８Ｃの上を通り、一次熱交換器１１１０のシェル側を通り、内部反射体１１０８Ｃの下を通って、炉心１１０４の底部に戻る燃料塩の循環（破線１１０６で示される）が可能になる。複数のバッフル１１１２が上記シェルに設けられ、上記熱交換器におけるチューブの周囲の迂回経路を上記燃料塩に進ませる。冷却材は、熱交換器１１１０のＵ字状チューブ内を流れ、その結果、上記冷却材は、上記チューブに入り、かつ、反応炉１０００の頂部から上記チューブを出る。図示の実施形態では、冷却材は、格納容器１１１８の隣りの通路において上記反応炉に入り、下方に流れ、それから管板１１３２の下部を通って横方向に流れ、かつ、熱交換器１１１０内に流れる。次に、上記冷却材は、管板１１３２の上部から出て、格納容器１１１８の頂部の外に出る。上記冷却材の流れは、破線１１１４によって示されている。管板１１３２は上述のデザインに比べて上記炉心から遠いため、放射線の被曝が低減される。なお、このデザインは、上述のようなアクティブ冷却された格納容器の別の実施形態でもある。

さらに別の実施形態では、上記Ｕ字チューブは、図１１に示される垂直向きのＵ字チューブに対して、水平向き（図示せず）であってもよい。この向きは、高い中性子束の環境から上記管板を未だ離れて配置している間、熱伝達に関して利益をもたらしてもよい。

さらに、一実施形態では、上記管板と上記燃料塩との間に第２の内部中性子反射体（図示せず）を設けることにより、管板１１３２は、中性子による損傷から保護される。本実施形態では、上記チューブは、上記燃料塩と接触状態に入るのに先立って、第２の内部中性子反射体を貫通している。このことは、上記燃料塩が放射する中性子から上記管板をさらに離間するのに役立つ。別の実施形態では、管板１１３２は、中性子減速体によって燃料塩から離間している。該中性子減速体は、例えば、Ａｇ、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｂｏ、Ｃｏ、Ｈｆ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕを含む鋼合金その他の物質のような、比較的大きな中性子吸収断面積を有する物質の或る程度の量によって生成される。例えば、高ホウ素鋼、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金、炭化ホウ素、二ホウ化チタン、二ホウ化ハフニウム、ガドリニウム硝酸塩、その他の、現在知られており、或いは将来開発される制御棒または中性子吸収体として使用される任意の物質が使用されてもよい。一実施形態では、上記反射体または吸収体は、単に、管板１１３２の塩との接触側における適当な物質のコーティングであってもよい。

〔ラジアルループ型反応炉〕
図１２Ａおよび図１２Ｂは、ラジアルループ型反応炉と称する別の反応炉のデザインを示している。図１２Ａは、反応炉１２００の平面図であり、図１２Ｂは、図１２Ａに示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。図示のラジアルループ型反応炉１２００の実施形態では、炉心１２０４は、上部反射体１２０８Ａ、下部反射体１２０８Ｂ、およびチューブ状の側部（または内部）反射体１２０８Ｃによって規定される。反射体１２０８は、炉心の格納容器１２１８Ａ内にあり、格納容器１２１８Ａは、８本の加熱された燃料塩の出口パイプ１２０９と、８本の冷却された燃料塩の帰還パイプ１２１１とによって貫通されている。出口パイプ１２０９は、格納容器１２１８Ａの頂部に配置されており、帰還パイプ１２１１は、炉心１２０４の底部のレベルにて上記格納容器を貫通している。出口パイプ１２０９、熱交換器１２１０、および帰還パイプ１２１１の各セットを、熱交換器脚体と称してもよい。

８個の一次熱交換器１２１０が、炉心の格納容器１２１８Ａの周囲を傾斜構成にて示されているが、本実施形態に依存して、より多くの、或いはより少しの一次熱交換器１２１０が使用されてもよい。また、上記熱交換器脚体は、垂直であってもよいし、図示よりも大きな傾斜であってもよいし、小さな傾斜であってもよいことに留意すべきである。

図示の実施形態では、加熱された燃料塩は、炉心１２０４から出口パイプ１２０９を通り、かつ熱交換器１２１０を通って移動する。上記熱交換器は、上記燃料塩を冷却し、それから、該燃料塩は、帰還パイプ１２１１を介して炉心１２０４の底部に戻る。

図示の実施形態では、炉心２２０４は、形状において円筒形である。しかしながら、この形状は、運転中の上記燃料塩の自然循環を改善するために、上述のように、実質的に円錐台形状の炉心に変更することもでき、或いは、実質的に角錐台状の炉心に変更することもできる。上記の「実質的」との言葉は、上記炉心の形状は、底部および頂部が完全に平坦な表面であり、かつ、側面が完全に平坦または円錐状である完全な錐台でなくてもよいということを表すために、本願で使用されている。例えば、図３および図４は、流れを誘導する膨らみその他の形状が上記炉心における頂部および底部の中央に設けられたり、側部に設けられたりしたとしても、実質的に錐台状の炉心を示している。

一実施形態（図示せず）では、１または複数のポンプ（または該ポンプにおける少なくとも上記羽根車の部品）が、帰還パイプ１２１１と出口パイプ１２０９との一方または両方に設けられている。また、さらに別の実施形態（図示せず）では、遮断バルブが帰還パイプ１２１１と出口パイプ１２０９との一方または両方に設けられてもよく、同様に、上記８個の熱交換器脚体における任意の１つが炉心１２０４から独立に遮断されて、メインテナンスを容易にするために燃料塩を排出させることができるドレインタップ（drain taps）が設けられてもよい。或る実施形態（図示せず）では、排出された燃料塩を受け取る１または複数のドレインタンクが、上記熱交換器のレベル、炉心格納容器１２１８Ａ、または上記熱交換器脚体の下方に設けられてもよい。別の実施形態では、各熱交換器脚体は、上記入口パイプにポンプを含んでもよく、該ポンプは、燃料塩の排出時に上記熱交換器から燃料塩を吸引し、上記燃料塩をドレインタンクに代えて炉心１２０４に戻してもよい。このレイアウトの利点の１つは、上記ループの脚体と、上記熱交換器の角度とを調節して、上記熱交換器の底部に配置されるべき燃料ポンプ（図示せず）の位置について、新たなフレキシビリティをもたらすことができることにある。さらに、上記熱交換器またはその付近を通るポンプシャフト、或いは下方からの容器の貫通は、本実施形態では要求されない。

図１２Ｄに示すように、二次格納容器１２１８Ｂが、炉心の組立品の全体の周囲すなわち、反応炉１２００の上記燃料ループにおける全部品の周囲に設けられてもよい。一実施形態では、上記二次格納容器は、上記反応炉に含まれる燃料塩の全てを少なくとも保持するのに十分な体積を有している。さらに、そのサイズは、安全マージンを与えるように増加されてもよいし、上記反応炉における冷却材の体積と、燃料塩の全体積の両方を保持するのに十分に大きいサイズであってもよい。上記格納容器は、図示のように、ラジアルループ型反応炉１２００を完全に包囲してもよいし、上記反応炉を部分的に包囲してもよいし、或いは、単に、反応炉１２００の下方の大容器であって十分なサイズの大容器であってもよい。上記実施形態では、一次冷却材は、上述の二次格納容器１２１８Ｂから一次熱交換器１２１０を介して循環される。

ラジアルループ型反応炉１２００では、炉心１２０４の高さによっては限定されないように、一次熱交換器１２１０のサイズが考慮される。さらに、上記熱交換器は、炉心格納容器１２１８Ａの外側に存在するので、上記熱交換器は、サービスおよび制御がさらに容易である。
また、上記熱交換器は、上記炉心からさらに遠く離れており、それ故に、受け取る放射線の線量が低減される。

また、添付の請求の範囲に関係なく、本開示は下記の項目によって規定される。

＜１＞溶融塩型原子核反応炉であって、
核分裂性燃料塩を含み実質的に錐台状の炉心であって、加熱された燃料塩の出口と、冷却された燃料塩の入口と、上記冷却された燃料塩の入口の上方における熱的中心とを有する炉心と、
少なくとも１つの熱交換器であって、上記炉心における上記加熱された燃料塩の出口の下方における熱交換器の燃料塩の入口にて、加熱された燃料塩を受け取り、上記燃料塩から冷却材への熱伝達を行い、かつ、上記炉心における上記冷却された燃料塩の入口に流体的に（fluidly）接続された熱交換器の燃料塩の出口にて上記冷却された燃料塩を放出する熱交換器とを備え、
上記炉心の上記熱的中心は、上記熱交換器の燃料塩の出口の下方のレベルに存在し、
上記反応炉が臨界状態にある間に強制的な流れが損失している場合において、上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、溶融塩型原子核反応炉。

＜２＞上記炉心の深さは、該炉心における上記燃料塩の頂部レベルと、上記炉心における上記燃料塩の底部との距離であり、
上記熱的中心の上記炉心の深さに対する、上記熱交換器の燃料塩の出口より下方の上記熱的中心の距離の比は、０．１および０．４５の間である、項目１に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜３＞上記炉心の形状は、円錐の錐台、角錐の錐台、台形状の角柱、または双曲面から選択される、項目１または２に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜４＞上記炉心および少なくとも１つの熱交換器を含む格納容器をさらに備える、項目１または項目１に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜５＞モータによって駆動される少なくとも１つの羽根車をさらに備えており、該羽根車は、上記熱交換器の燃料塩の入口と、上記炉心の上記加熱された燃料塩の出口との間の通路に配置され、上記燃料塩の流れを上記熱交換器の方に駆動するようになっている、項目１または項目１に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜６＞上記反応炉が臨界未満の状態にある間に強制的な流れが損失している場合において、
上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、項目１または項目１に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜７＞流れを方向付ける少なくとも１つのバッフルをさらに備えており、該バッフルは、上記炉心と上記少なくとも１つの熱交換器との間における燃料塩の流れを方向付ける、項目１または項目１に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜８＞上記炉心の頂部を規定する上部中性子反射体、
上記炉心の底部を規定する下部中性子反射体、および
上記炉心の側部を規定する少なくとも１つの内部中性子反射体であって、上記少なくとも１つの熱交換器と上記炉心との間に存在する内部中性子反射体をさらに備える、項目１または項目１に従属する任意の項目の溶融塩型原子核反応炉。

＜９＞上記炉心の上記加熱された燃料塩の出口は、上記上部中性子反射体と、少なくとも１つの内部中性子反射体との間のダクトである、項目８に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜１０＞上記炉心の上記冷却された燃料塩の入口は、上記下部中性子反射体と、少なくとも１つの内部中性子反射体との間のダクトである、項目８または９に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜１１＞上記少なくとも１つの熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、該シェルアンドチューブ型熱交換器では、上記燃料塩がシェルアンドチューブ型熱交換器のチューブ内を流れる、項目１または項目１に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜１２＞上記少なくとも１つの熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、該シェルアンドチューブ型熱交換器では、上記燃料塩がシェルアンドチューブ型熱交換器のシェル内を流れる、項目１〜１０に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜１３＞流入する冷たい冷却材は、該冷却材が上記少なくとも１つの熱交換器に流れ込む前に、上記格納容器の第１の部分を冷却する、項目４または項目４に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜１４＞上記熱交換器の燃料塩の出口から放出される上記冷却された燃料塩は、上記炉心の上記冷却された燃料塩の入口を介して上記炉心に入る前に、上記格納容器の第２の部分を冷却する、項目４または項目４に従属する任意の項目に記載の溶融塩型原子核反応炉。

＜１５＞溶融燃料塩型原子核反応炉にて格納容器および燃料塩をアクティブ冷却する方法であって、
一次冷却材を格納容器内に流すステップであって、格納容器の第１の部分と隣り合って上記一次冷却材を流すことにより、第１の部分を冷却するステップ、
上記格納容器内で該格納容器から離間した熱交換器内に一次冷却材を流すステップであって、上記熱交換器は、冷却された燃料塩を放出するステップ、
冷却され放出された燃料塩を上記格納容器の第２の部分と隣り合う通路を介して送るステップであって、これにより第２の部分を冷却するステップ、および
冷却された燃料塩を中性子反射体と隣り合う通路を介して送るステップであって、これにより上記中性子反射体を冷却するステップを含んでおり、
冷却された上記中性子反射体は、上記格納容器の第３の部分と隣り合い、冷却された上記中性子反射体が第３の部分を間接的に冷却する、方法。

＜１６＞上記一次冷却材を格納容器内に流すステップは、
上記格納容器内にあり、該格納容器の第１の部分に熱的に接続された冷却材入口のダクトを介して上記冷却材を流すステップをさらに含む、項目１５に記載の方法。

＜１７＞上記一次冷却材を格納容器内に流すステップは、
上記格納容器内の冷却材入口のダクトを介して、熱交換器の冷却された燃料塩の出口と隣り合う熱交換器の冷却材の入口に、上記冷却材を流すステップをさらに含む、項目１５または１６に記載の方法。

＜１８＞上記一次冷却材を格納容器内に流すステップは、
上記格納容器内にあり、該格納容器の第１の部分に熱的に接続された冷却材入口のダクトを介して上記冷却材を流すステップをさらに含む、項目１５または項目１５に従属する任意の項目に記載の方法。

＜１９＞上記燃料塩は、少なくとも１つの核分裂性塩と少なくとも１つの非核分裂性塩との混合物である、項目１５または項目１５に従属する任意の項目に記載の方法。

＜２０＞上記燃料塩は、ＵＦ_６、ＵＦ_４、ＵＦ_３、ＴｈＣｌ_４、ＵＢｒ_３、ＵＢｒ_４、ＰｕＣｌ_３、ＵＣｌ_４、ＵＣｌ_３、ＵＣｌ_３Ｆ、およびＵＣｌ_２Ｆ_２の核分裂性塩の１つまたは複数を含む、項目１５または項目１５に従属する任意の項目に記載の方法。

＜２１＞上記燃料塩は、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＢａＣｌ_２、ＫＣｌ、ＳｒＣｌ_２、ＶＣｌ_３、ＣｒＣｌ_３、ＴｉＣｌ_４、ＺｒＣｌ_４、ＴｈＣｌ_４、ＡｃＣｌ_３、ＮｐＣｌ_４、ＡｍＣｌ_３、ＬａＣｌ_３、ＣｅＣｌ_３、ＰｒＣｌ_３、および／または、ＮｄＣｌ_３の非核分裂性塩の１つまたは複数を含む、項目１５または項目１５に従属する任意の項目に記載の方法。

＜２２＞上記燃料塩は、ＵＣｌ_４と、ＵＣｌ_３と、ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２の一方または両方との混合物である、項目１５または項目１５に従属する任意に記載の項目の方法。

＜２３＞溶融燃料型原子核反応炉であって、
炉心の頂部を規定する上部中性子反射体と、
上記炉心の底部を規定する下部中性子反射体と、
上記炉心の側部を規定する少なくとも１つの内部中性子反射体と、
少なくとも１つの熱交換器であって、上記炉心における加熱された燃料塩の出口の下方における熱交換器の燃料塩の入口にて、上記加熱された燃料塩を受け取り、上記燃料塩から冷却材への熱伝達を行い、かつ、上記炉心における上記冷却された燃料塩の入口に流体的に接続された熱交換器の燃料塩の出口にて上記冷却された燃料塩を放出する熱交換器とを備え、
上記少なくとも１つの熱交換器は、溶接された部品を含み、該溶接された部品は、上記上部中性子反射体、上記下部中性子反射体、上記内部中性子反射体、または中性子減速体の１つによって上記燃料塩から離間されている、溶融燃料型原子核反応炉。

＜２４＞上記溶接された部品は管板である、項目２３に記載の溶融燃料型原子核反応炉。

＜２５＞上記溶接された部品である管板を介して、上記冷却材は、上記少なくとも１つの熱交換器を出て行き、上記管板は、上記上部中性子反射体によって上記燃料塩から離間されている、項目２４に記載の溶融燃料型原子核反応炉。

＜２６＞上記溶接された部品である管板を介して、上記冷却材は、上記少なくとも１つの熱交換器に入り、上記管板は、上記下部中性子反射体によって上記燃料塩から離間されている、項目２４に記載の溶融燃料型原子核反応炉。

＜２７＞上記溶接された部品である管板を介して、上記冷却材は、上記少なくとも１つの熱交換器に入り、かつ出て行く、項目２４に記載の溶融燃料型原子核反応炉。

＜２８＞上記管板を介して、上記冷却材が上記少なくとも１つの熱交換器に入り、かつ出て行き、上記管板は、上記炉心の上方に配置される、項目２７に記載の溶融燃料型原子核反応炉。

＜２９＞上記管板を介して、上記冷却材が上記少なくとも１つの熱交換器に入り、かつ出て行き、上記管板は、上記上部中性子反射体によって上記燃料塩から離間されている、項目２７または２８に記載の溶融燃料型原子核反応炉。

＜３０＞上記管板を介して、上記冷却材が上記少なくとも１つの熱交換器に入り、かつ出て行き、上記管板は、中性子吸収体によって上記燃料塩から離間されている、項目２７または２８に記載の溶融燃料型原子核反応炉。

＜３１＞ラジアルループ溶融塩型反応炉であって、
炉心格納容器、
該炉心格納容器において、該炉心格納容器内の炉心体積を規定する１または複数の反射体、および
上記炉心格納容器の外側に離間して配置される複数の熱交換器脚体であって、各熱交換器脚体は、加熱された燃料塩を上記炉心体積から受け取るようになっている反応炉出口パイプと、上記加熱された燃料塩から一次冷却材への熱伝達を行い、これにより、冷却された燃料塩を生成する熱交換器と、上記冷却された燃料塩を上記炉心体積内に戻す反応炉入口パイプとを有する熱交換器脚体を備えるラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３２＞上記炉心体積内に核分裂性燃料塩をさらに備える、項目３１に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３３＞上記炉心格納容器および上記複数の熱交換器脚体を含む二次格納容器をさらに備えており、該二次格納容器は、炉心格納容器および上記複数の熱交換器脚体に含まれる全ての上記燃料塩を少なくとも保持するのに十分な体積を規定する、項目３０または３１に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３４＞上記複数の熱交換器脚体の少なくとも１つに少なくとも１つの羽根車をさらに備えており、上記少なくとも１つの羽根車は、上記複数の熱交換器脚体の少なくとも１つを介して、燃料塩の流れを駆動するようになっている、項目３０または項目３０に従属する任意の項目に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３５＞上記複数の熱交換器脚体のそれぞれに羽根車をさらに備えており、該羽根車は、上記熱交換器脚体を介して燃料塩の流れを駆動するようになっている、項目３０または項目３０に従属する任意の項目に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３６＞上記熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器である、項目３０または項目３０に従属する任意の項目に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３７＞上記一次冷却材は、上記熱交換器のシェル側を介して流れる、項目３６に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３８＞上記燃料塩は、上記熱交換器のシェル側を介して流れる、項目３６に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜３９＞上記燃料塩は、ＵＦ_６、ＵＦ_４、ＵＦ_３、ＴｈＣｌ_４、ＵＢｒ_３、ＵＢｒ_４、ＰｕＣｌ_３、ＵＣｌ_４、ＵＣｌ_３、ＵＣｌ_３Ｆ、およびＵＣｌ_２Ｆ_２の核分裂性塩の１つまたは複数を含む、項目３０または項目３０に従属する任意の項目に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜４０＞上記燃料塩は、ＮａＣｌ、ＭｇＣｌ_２、ＣａＣｌ_２、ＢａＣｌ_２、ＫＣｌ、ＳｒＣｌ_２、ＶＣｌ_３、ＣｒＣｌ_３、ＴｉＣｌ_４、ＺｒＣｌ_４、ＴｈＣｌ_４、ＡｃＣｌ_３、ＮｐＣｌ_４、ＡｍＣｌ_３、ＬａＣｌ_３、ＣｅＣｌ_３、ＰｒＣｌ_３、および／または、ＮｄＣｌ_３の非核分裂性塩の１つまたは複数を含む、項目３０または項目３０に従属する任意の項目に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

＜４１＞上記燃料塩は、ＵＣｌ_４と、ＵＣｌ_３と、ＮａＣｌおよびＭｇＣｌ_２の一方または両方との混合物である、項目３０または項目３０に従属する任意の項目に記載のラジアルループ溶融塩型反応炉。

本願に記載のシステムおよび方法は、上述の目的および利点と共に、それらに本来備わっている目的および利点を達成するために良好に適合されることは、明らかであろう。本明細書内の上記方法および上記システムは、多くの様式にて実施されてもよく、上述の例示された実施形態および実施例によって限定されるべきではないことが、当業者であれば、理解されるであろう。この点に関して、本願に記載の種々の実施形態における任意の数の特徴点を組み合わせて単一の実施形態としてもよいし、本願に記載の特徴点の全てに比べて、より少ない或いはより多い特徴点を有する別の実施形態が可能である。

種々の実施形態を本開示の目的のために説明してきたが、本開示によって予期される範囲内で好適な種々の変更および修正がなされてもよい。

当業者であれば彼らによって容易に示唆され、かつ、本開示の精神に包含されるその他の莫大な変更がなされてもよい。

溶融燃料型反応炉の基本構成の幾つかをブロック図の形態で示す図である。 自然循環のみを用いて燃料塩を燃料ループにて循環させる反応炉の実施形態を示す或る種類の図である。 自然循環のみを用いて燃料塩を燃料ループにて循環させる反応炉の実施形態を示す別の種類の図である。 自然循環のみを用いて燃料塩を燃料ループにて循環させる反応炉の実施形態を示す他の種類の図である。 自然循環型核分裂反応炉の炉心における改良された構成の実施形態であって、上記炉心は頂部よりも底部の方が大きい実施形態を示す図である。 円錐台の炉心デザインの別の実施形態を示す図である。 十角錐（１０側面の角錐）の錐台の炉心であって、自然循環型炉心に好適な炉心を示す図である。 格納容器のアクティブ冷却を一次冷却材ループに統合する反応炉デザインの実施形態を示す図である。 格納容器のアクティブ冷却を一次冷却材ループに統合する反応炉デザインの実施形態を示す図である。 格納容器のアクティブ冷却を一次冷却材ループに統合する反応炉デザインの実施形態を示す図である。 アクティブ容器冷却のための方法の実施形態におけるフロー図である。 シェル側燃料の熱交換器の構成を有する反応炉の実施形態を示す図である。 図８における反応炉の別の実施形態を示す図である。 シェル側燃料のＵ字チューブの熱交換器の構成であって、１枚の管板が炉心の上方に配置された構成を有する反応炉の実施形態を示す図である。 シェル側燃料のＵ字チューブの熱交換器の構成であって、１枚の管板が、炉心内ではあるが、該炉心から側方に離れた位置に設置された構成を有する反応炉の実施形態を示す図である。 ラジアルループ型反応炉と称する別の反応炉デザインを示す図である。 ラジアルループ型反応炉と称する別の反応炉デザインを示す図である。

Claims (14)

1. 溶融塩型原子核反応炉であって、
   核分裂性燃料塩を含み実質的に錐台状の炉心であって、加熱された燃料塩の出口と、冷却された燃料塩の入口と、上記冷却された燃料塩の入口の上方における熱的中心とを有する炉心と、
   少なくとも１つの熱交換器であって、上記炉心における上記加熱された燃料塩の出口の下方における熱交換器の燃料塩の入口にて、加熱された燃料塩を受け取り、上記燃料塩から冷却材への熱伝達を行い、かつ、上記炉心における上記冷却された燃料塩の入口に流体的に接続された熱交換器の燃料塩の出口にて上記冷却された燃料塩を放出する熱交換器とを備え、
   上記炉心の上記熱的中心は、上記熱交換器の燃料塩の出口の下方のレベルに存在し、
   上記反応炉が臨界状態にある間に強制的な流れが損失している場合において、上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、溶融塩型原子核反応炉。
2. 上記炉心の深さは、該炉心における上記燃料塩の頂部レベルと、上記炉心における上記燃料塩の底部との距離であり、
   上記熱的中心の上記炉心の深さに対する、上記熱交換器の燃料塩の出口より下方の上記熱的中心の距離の比は、０．１および０．４５の間である、請求項１に記載の溶融塩型原子核反応炉。
3. 上記炉心の形状は、円錐の錐台、角錐の錐台、台形状の角柱、または双曲面から選択される、請求項１または２に記載の溶融塩型原子核反応炉。
4. 上記炉心および少なくとも１つの熱交換器を含む格納容器をさらに備える、請求項１に記載の溶融塩型原子核反応炉。
5. モータによって駆動される少なくとも１つの羽根車をさらに備えており、該羽根車は、上記熱交換器の燃料塩の入口と、上記炉心の上記加熱された燃料塩の出口との間の通路に配置され、上記燃料塩の流れを上記熱交換器の方に駆動するようになっている、請求項１に記載の溶融塩型原子核反応炉。
6. 上記反応炉が臨界未満の状態にある間に強制的な流れが損失している場合において、
   上記熱的中心の位置により自然循環が発生する、請求項１に記載の溶融塩型原子核反応炉。
7. 流れを方向付ける少なくとも１つのバッフルをさらに備えており、該バッフルは、上記炉心と上記少なくとも１つの熱交換器との間における燃料塩の流れを方向付ける、請求項１に記載の溶融塩型原子核反応炉。
8. 上記炉心の頂部を規定する上部中性子反射体、
   上記炉心の底部を規定する下部中性子反射体、および
   上記炉心の側部を規定する少なくとも１つの内部中性子反射体であって、上記少なくとも１つの熱交換器と上記炉心との間に存在する内部中性子反射体をさらに備える、請求項１に記載の溶融塩型原子核反応炉。
9. 上記炉心の上記加熱された燃料塩の出口は、上記上部中性子反射体と、少なくとも１つの内部中性子反射体との間のダクトである、請求項８に記載の溶融塩型原子核反応炉。
10. 上記炉心の上記冷却された燃料塩の入口は、上記下部中性子反射体と、少なくとも１つの内部中性子反射体との間のダクトである、請求項８または９に記載の溶融塩型原子核反応炉。
11. 上記少なくとも１つの熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、該シェルアンドチューブ型熱交換器では、上記燃料塩がシェルアンドチューブ型熱交換器のチューブ内を流れる、請求項１に記載の溶融塩型原子核反応炉。
12. 上記少なくとも１つの熱交換器は、シェルアンドチューブ型熱交換器であり、該シェルアンドチューブ型熱交換器では、上記燃料塩がシェルアンドチューブ型熱交換器のシェル内を流れる、請求項１〜９および１１の何れか１項に記載の溶融塩型原子核反応炉。
13. 上記格納容器に流入する冷たい冷却材であって、上記燃料塩から熱を除去するための冷たい冷却材は、該冷却材が上記少なくとも１つの熱交換器に流れ込む前に、上記格納容器の第１の部分を冷却する、請求項４に記載の溶融塩型原子核反応炉。
14. 上記熱交換器の燃料塩の出口から放出される上記冷却された燃料塩は、上記炉心の上記冷却された燃料塩の入口を介して上記炉心に入る前に、上記格納容器の第２の部分を冷却する、請求項４に記載の溶融塩型原子核反応炉。

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