JP2022552608A - 液体金属合金の燃料及び／又は減速材を有する原子炉 - Google Patents

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Abstract

Figure 2022552608000001
原子炉システム並びに関連するデバイス及び方法がここに開示される。代表的な原子炉システムは、炉心領域を遮蔽体領域から分離する障壁を有する炉容器を含む。液体核燃料を包含する複数の燃料棒が炉心領域に配置される。液体減速材もまた、少なくとも部分的に燃料棒まわりの炉心領域に配置される。複数の熱交換器が遮蔽体領域に配置され、複数のヒートパイプが障壁を貫通し得る。減速材は、液体核燃料から受けた熱をヒートパイプに伝達するように配置され、当該ヒートパイプは、減速材から受けた熱を熱交換器に伝達するように配置される。熱交換器は、発電のような一以上のプロセスにおいて使用されるシステムから出る熱を輸送し得る。

Description

連邦政府の支援を受けた研究に関する記述
本発明は、エネルギー省によって授与された契約番号第ＤＥ－ＮＥ００００６３３に基づく政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に所定の権利を有する。
関連出願の相互参照
本願は、２０１９年１０月１５日に出願された米国仮特許出願第６２／９１５，４８２号の優先権を主張し、その全体が参照によりここに組み入れられる。
本技術は一般に原子炉並びに関連するシステム及び方法に関し、詳しくは、液体金属合金減速材及び／又は液体金属合金燃料を有する原子炉に関する。
いくつかの「小規模」原子炉は、例えば、鉱山事業所、小規模コミュニティ、軍事基地、宇宙基地等のようなオフグリッド及び／又は遠隔地に信頼性のある小規模電力を与えるように設計される。かかる小規模原子炉は、当該原子炉が、意図された稼働場所へ輸送可能でありながらも十分な出力を与えることができるように、高い出力対質量比を有する必要がある。さらに、小規模なオフグリッド原子炉は、オフグリッドアプリケーションにおける一次電源として機能するため、信頼性が必要である。かかる原子炉はまた、当該原子炉が単純かつコンパクトなパワー変換システム（例えば、開／閉ブレイトンサイクルシステム）と統合され得るように高温で動作すべきであり、競争力のある開発及び製品コストで高い出力信頼性を与えるように比較的単純な設計及び動作を有するべきである。
典型的に原子炉は、炉心のアクティブ燃料領域における燃料の核分裂を介して生成される中性子のような放射線を反射及び遮蔽する反射体及び遮蔽体を含む。超小型原子炉にとって、当該原子炉の質量は反射体及び遮蔽体の質量に支配される。例えば、遮蔽体の質量は、炉心の代表長さ（例えば直径）に対して三次の関係で増加する。したがって、反射体及び遮蔽体の質量を低減するには、炉心サイズの低減が必須となる。
いくつかの原子炉は、コンパクトな小型原子炉設計を可能にするべく、好ましい熱伝導率特性及び熱容量特性を有するのが典型的な金属冷却材を利用する。しかしながら、金属冷却材によれば一般に、核分裂を維持するのに必要な燃料の量を低減するべく有用な中性子減速が得られない。したがって、かかる金属冷却システムは、核分裂を維持するのに必要な燃料を低減するべく、黒鉛又は金属水素化物のような減速材を炉心に含まなければならない。しかしながら、減速材の追加は、炉心において材料を増加させるので、炉心の全体的なサイズも増加する。
加えて、原子炉は典型的に、核分裂連鎖反応を制御するべく中性子吸収体を含む制御棒又は制御ドラムに依存する。制御棒を（制御棒を動かす機械システム、反応度を制御する計装及び制御システム等とともに）含めると、原子炉システムに追加の故障モードを導入することになる。原子炉システムの設計においてこれらの故障モードに対処することにより、原子炉及び制御システムの設計の複雑さが増大する。
以下の図面を参照して本技術の多くの側面が良好に理解される。図面におけるコンポーネントは、必ずしも尺度どおりというわけではない。その代わり、本技術の原理を明確に示すことに重点が置かれる。
本技術の複数の実施形態に従って構成される原子炉システムの部分的に模式的な側部断面図である。 本技術の複数の実施形態に従って構成される原子炉システムの炉容器の等角平面図である。 本技術の複数の実施形態に従って構成される原子炉システムの炉容器の拡大した側部断面図である。 本技術の複数の実施形態に従って構成される原子炉システムの燃料棒の断面側面図である。
本開示の複数の側面は一般に、原子炉システムに関する。以下に記載されるいくつかの実施形態において、代表的な原子炉システムは、炉心領域を遮蔽体領域から分離する障壁を有する炉容器を含む。液体核燃料を包含する複数の燃料棒を炉心領域に配置することができる。液体金属合金材料のような液体減速材もまた、少なくとも部分的に燃料棒まわりの炉心領域に配置することができる。複数の熱交換器を遮蔽体領域に配置することができ、複数のヒートパイプが障壁を貫通し得る。減速材は、液体核燃料から受けた熱をヒートパイプに伝達するように配置され、当該ヒートパイプは、減速材から受けた熱を熱交換器に伝達するように配置される。したがって、減速材は、燃料棒から熱を取り除いて伝達する一次冷却材として動作し得る。いくつかの実施形態において、減速材はまた、燃料棒内の液体核燃料の反応度を制御し得る。熱交換器は、発電のような一以上のプロセスにおいて使用されるシステムから出る熱を輸送し得る。いくつかの実施形態において、原子炉システムはさらに、炉心領域に動作可能に結合される水素制御アセンブリを含み得る。この水素制御アセンブリは、炉心領域の水素含有量レベルを変化させることにより、減速材の減速特性を制御するように構成される。
いくつかの実施形態において、燃料棒はそれぞれが、チャンバを画定する壁を含み、この壁は第１壁部分及び第２壁部分を有する。液体核燃料は、このチャンバの中に配置される。第１壁部分は、液体核燃料が一以上の核反応を行い得るアクティブ燃料領域を画定し得る。第２壁部分が中性子吸収材料を含むことにより、この第２壁部分は、液体核燃料が未臨界のままである非アクティブ燃料領域を画定する。本技術の一つの側面において、液体核燃料は、アクティブ領域と非アクティブ領域との間を自由に循環することができるので、液体核燃料の均一な燃焼が容易となる。
いくつかの実施形態において、燃料棒はさらに、液体核燃料によって生成されたガス状生成物を受けるチャンバに流体的に結合されるフィルタを含み得る。フィルタは、原子炉外部のタンクに一以上のガス状生成物を排気するためのポートを有し得る。フィルタはさらに、化学結合及び／又は物理的フィルタを介して一以上のガス状生成物を捕捉するように配置される一以上の結合部材を含み得る。
本技術の様々な実施形態を完全に理解するべく、以下の説明及び図１Ａ～２に所定の詳細例が記載される。他例において、原子炉、ヒートパイプ、熱交換器等にしばしば関連付けられる周知の構造、材料、動作及び／又はシステムは、本技術の様々な実施形態の説明を不必要にあいまいにするのを避けるべく、以下の開示に詳細に示されず、説明もされない。しかしながら、当業者であれば、本技術が、ここに記載される一以上の詳細例なしに、及び／又は他の構造、方法、コンポーネント等により、実施し得ることがわかる。
以下に使用される用語は、本技術の実施形態の所定例の詳細な説明とともに使用されている場合であっても、最も広い合理的な態様で解釈されるべきである。実際のところ、以下で所定の用語が強調されることさえあるが、任意の制限された態様で解釈されるように意図される用語はいずれも、この詳細な説明のセクションにおいてそのように明示的かつ具体的に定義される。
添付図面は、本技術の複数の実施形態を描いており、明示的に示されない限り、その範囲を制限することを意図しない。描かれた様々な要素のサイズは、必ずしも縮尺どおりに描かれているわけではなく、これらの様々な要素は、読みやすさを向上させるために拡大され得る。コンポーネントの詳細は、かかる詳細が、本技術の製造方法及び使用方法の完全な理解に不必要である場合は、コンポーネントの位置、及び当該コンポーネント間の所定の正確な接続のような詳細を除くべく、図面において抽象化され得る。図面に示される詳細、寸法、角度、及び他の特徴の多くは、本開示の特定の実施形態の単なる例示である。したがって、他実施形態が、本技術から逸脱することなく、他の詳細、寸法、角度及び特徴を有し得る。加えて、当業者は、本技術のさらなる実施形態も、以下に記載される詳細のうちのいくつかがなくとも実施できることがわかる。
図１Ａは、本技術の複数の実施形態に従って構成される原子炉システム１００（「システム１００」）の部分的に模式的な側部断面図である。図示される実施形態において、システム１００はパワーモジュール１０８を含み、パワーモジュール１０８は、炉格納器１０２と、炉格納器１０２を取り囲む／封入する放射線遮蔽格納器１０４とを含む。いくつかの実施形態において、パワーモジュール１０８は、炉プール（図示せず）の中に取り付けられて浸漬される。いくつかの実施形態において、炉格納器１０２及び放射線遮蔽格納器１０４は、円筒形状又はカプセル形状としてよい。炉格納器１０２と放射線遮蔽格納器１０４との間の容積は、炉格納器１０２から周囲環境（例えば炉プール）への熱伝達を低減するべく部分的又は完全に排気され得る。しかしながら、他実施形態において、炉格納器１０２と放射線遮蔽格納器１０４との間の容積は、炉格納器１０２と放射線遮蔽格納器１０４との間の熱伝達を増加させるべく、気体及び／又は液体により少なくとも部分的に充填してよい。
システム１００は、炉格納器１０２内に炉心１０６を含む。炉心１０６は、一以上の燃料管又は燃料棒１１０を有する。図２を参照して以下に詳述されるように、燃料棒１１０はそれぞれが、核分裂反応のような核反応を介して熱を発生するように構成される液体核燃料を保持し得る。燃料棒１１０の数を変化させて、システム１００内の燃料の量、ひいてはシステム１００のパワー／熱出力を変化させることができる。いくつかの実施形態において、燃料棒１１０は、共通フレーム（図示せず）、炉格納器１０２の一部分（例えばその壁）、及び／又は炉格納器１０２内の他の適切な構造物に取り付け／固定することができる。燃料棒１１０はそれぞれが、アクティブ燃料領域１１２、非アクティブ燃料領域１１４及びフィルタ領域１１６を含み得る。
炉格納器１０２の中では、炉心障壁１２０（例えば金属壁）が、炉心又は減速材領域１２２を遮蔽体領域１２４から分離する。いくつかの実施形態において、減速材領域１２２はさらにプレート１２６を含み得る。プレート１２６は、減速材領域１２２を第１容積１２１及び第２容積１２３に分離する。燃料棒１１０が、プレート１２６を少なくとも部分的に貫通して突出することにより、例えば、燃料棒１１０のフィルタ領域１１６が第１容積１２１内に配置され、アクティブ燃料領域１１２及び非アクティブ燃料領域１１４が第２容積１２３内に配置される。第１容積１２１は、気体（例えば空気）、流体、又は他の材料により少なくとも部分的に充填され得る。いくつかの実施形態において、プレート１２６は、炉心障壁１２０内で垂直に移動することによって第１容積１２１及び第２容積１２３内の圧力を、これらの相対容積を変えることによって制御することができる。
第２容積１２３は、少なくとも部分的に減速材１３０（例えば一次冷却材）によって充填され、遮蔽体領域１２４は、少なくとも部分的に遮蔽体材料１３２によって充填される。減速材１３０は、少なくとも部分的に燃料棒１１０を取り囲み、両者間の熱伝達を可能にする。いくつかの実施形態において、以下に詳述されるように、減速材１３０は、一次冷却材として機能することに加えてシステム１００の反応度を制御するようにも構成される液体金属減速材（例えば液体金属合金減速材）としてよい。遮蔽体材料１３２は、システム１００の動作中に、炉心１０６において燃料が核分裂することによって発生する放射線（例えば中性子及び／又は他の粒子）を吸収及び／又は反射することができる。例えば、遮蔽体材料１３２は、液体金属材料（例えばビスマス及び／又は酸化ホウ素を含む液体金属合金）としてよい。いくつかの実施形態において、減速材１３０はさらに、中性子及び／又は他の粒子を減速させて遮蔽体材料１３２によるこれらの吸収を増加／改善させる反射体として作用し得る。
システム１００はさらに、燃料棒１１０まわりの第２容積１２３に配置される流れシュラウド１４０と、遮蔽体領域１２４に（例えば遮蔽体領域１２４まわりの周方向に）配置される一以上の熱交換器１４２とを含み得る。一以上のヒートパイプ１４４が、（ｉ）流れシュラウド１４０から、流れシュラウド１４０において、又は流れシュラウド１４０の近くに、（ｉｉ）少なくとも部分的に炉心障壁１２０を通って、及び（ｉｉｉ）熱交換器１４２のうち対応するものまで、熱交換器１４２のうち対応するものにおいて、又は熱交換器１４２のうち対応するものの近くに、延び得る。ヒートパイプ１４４はそれぞれが、第１作動流体（例えば二次冷却材）を含み／包含することができる。いくつかの実施形態において、作動流体は、例えば、ナトリウム又はカリウムのような二相金属（例えば液相及び気相）としてよい。ヒートパイプ１４４はさらに、液相の作動流体をヒートパイプ１４４の圧力勾配に抵抗して送り込むように構成される一以上の芯を含んでよい。いくつかの実施形態において、ヒートパイプ１４４は、ＮｕＳｃａｌｅ Ｐｏｗｅｒ， ＬＬＣに譲渡され、代理人整理番号１３６８６３－８０７２．ＵＳ０１によって識別される、その全体が参照によりここに組み入れられる「原子炉からの熱除去のような熱除去のためのヒートパイプネットワーク並びに関連するシステム及び方法」との名称のＦｒｅｄｅｒｉｃｋ Ｂｏｔｈａによる同時に出願された米国特許出願に詳述されるヒートパイプの特徴と一般に類似又は同一の特徴を含み得る。
ヒートパイプ１４４は、炉心１０６を熱交換器１４２に熱的に結合することができる。熱交換器１４２は、炉心１０６において発生した熱をパワー変換システム１５０へと向ける。パワー変換システム１５０は、電力を生成し、及び／又は他の有用な出力を与えることができる。他実施形態において、システム１００は、炉心１０６と熱交換器１４２とを熱的に結合して両者間で熱を伝達するように構成されるヒートパイプ以外の一以上の熱伝達デバイスを含み得る。いくつかの実施形態において、熱交換器１４２はそれぞれが、炉心１０６からの熱をパワーモジュール１０８からパワー変換システム１５０へ伝える作動流体（例えば水のような三次冷却材）を含み／搬送する一以上のヘリカルコイルコンジット（例えば管）を含み得る。
システムの動作中、燃料棒１１０のアクティブ燃料領域１１２内の燃料は減速材１３０も加熱し得る。これにより、温度勾配が（例えば、炉格納器１０２の第２容積１２３内に配置された矢印によって示されるように）自然に発達し、ヒートパイプ１４４に熱が伝えられる。詳しくは、燃料棒１１０は、アクティブ燃料領域１１２近くの炉格納器１０２の底部付近で減速材１３０を加熱し得る。その後、加熱された減速材１３０が、流れシュラウド１４０の内側において第２容積１２３を通りプレート１２６に向かって上昇する。ここで、減速材１３０は外側に向けられ、流れシュラウド１４０と炉心障壁１２０との間の空間の中に入る。その後、減速材１３０は、ヒートパイプ１４４を通って／通過して下降し、ヒートパイプ１４４内の作動流体に熱を伝達し、当該作動流体を（例えばヒートパイプ１４４の蒸発器領域において）蒸発／気化させる。その後、減速材１３０は炉格納器１０２の底部まで下降し、当該サイクルが再び開始される。本技術の一つの側面において、このサイクルは、減速材１３０の浮力の変化によって駆動され、ひいては、減速材１３０を移動させるポンプの必要性が低減又は排除される。
ヒートパイプ１４４において蒸発した作動流体は、ヒートパイプ１４４を通って（例えばヒートパイプ１４４の断熱領域を通って）外向きに流れ、熱交換器１４２へと向かう。ここで、作動流体は（例えばヒートパイプ１４４の凝縮器領域において）冷却及び凝縮され、熱交換器１４２に熱を伝達する。その後、ヒートパイプ１４４における一以上の芯が、凝縮／冷却された作動流体を、ヒートパイプ１４４における圧力勾配に抵抗してヒートパイプ１４４の蒸発器領域まで輸送する。ここで、作動流体が再び加熱及び気化される。いくつかの実施形態において、熱交換器１４２が、複数のヒートパイプ１４４のうち対応する一以上及び／又はこれらの支持構造物に直接結合され／取り付けられる一方、他実施形態において、熱交換器１４２は、遮蔽体領域１２４内でヒートパイプ１４４から離間されてよい。例えば、遮蔽体材料１３２は、ヒートパイプ１４４から熱交換器１４２に熱を伝達する熱伝達媒体として作用し得る。本技術の一つの側面において、遮蔽体材料１３２の熱特性が熱交換器１４２まわりの熱の分散に役立ち得ることにより、ヒートパイプ１４４のいずれかの故障から生じるかもしれない熱交換器１４２の（例えば過剰な加圧による）故障の可能性が低減される。本技術の他側面において、ヒートパイプ１４４は、システム１００の全体的なフットプリント（例えばサイズ）を低減し得る。
図示される実施形態において、熱交換器１４２はそれぞれが、作動流体（例えば水、気体、蒸気）が液体状態のまま熱交換器１４２に入る液体ヘッダ１４１を含む。作動流体は、熱交換器１４２のコンジットを通って液体ヘッダ１４１から上昇する。ここで、作動流体は、ヒートパイプ１４４により炉心１０６から外向きに伝えられる熱によって加熱される。作動流体は、コンジットを通って上昇するにつれて蒸気（例えば水蒸気）に変換される。その後、気化された作動流体は、蒸気ヘッダ１４３において収集される。ここで、作動流体は、パワーモジュール１０８の外に向けられてパワー変換システム１５０に至る。液体ヘッダ１４１及び蒸気ヘッダ１４３は、明確性を目的として図１Ｂ及び１Ｃには示されない。
パワー変換システム１５０は、熱交換器１４２からタービン１５２への高圧高温蒸気の通過を調節する一以上の蒸気弁１５１を含み得る。タービン１５２は、発電機１５４を介して蒸気の熱エネルギーを電気に変換することができる。タービン１５２から出る低圧蒸気は、凝縮器１５６において凝縮され、その後、（例えばポンプ１５８を介して）一以上の液体弁１５３に向けられる。液体弁１５３は、作動流体が液体ヘッダ１４１を介して熱交換器１４２に再流入する速度を制御するように構成される。
いくつかの実施形態において、減速材１３０は、例えば液体金属水素化物のような、システム１００から水素を添加又は除去することにより燃料棒１１０の反応度を制御するべく使用され得る液体金属材料を含み得る。詳しくは、減速材１３０は、水素化カルシウム（例えばＣａＨ２）、ビスマスカルシウム（Ｂｉ－Ｃａ）、鉛カルシウム（Ｐｂ－Ｃａ）、及び／又は他の適切な化合物の混合物としてよい。かかる混合物は、システム１００の水素含有量に基づいて金属と金属水素化物との間で可逆的な変換を行い得るので、減速材１３０の状態に基づいて燃料棒１１０内の燃料の反応度を制御するための減速材として使用することができる。例えば、いくつかの実施形態において、システム１００は、減速材領域１２２の水素含有量レベルを変化させるように構成される水素制御システム１４６を含み得る。これにより、減速材１３０の状態、ひいてはその減速特性を制御することができる。詳しくは、例えば、水素制御システム１４６が、減速材１３０の上方の第１容積１２１における水素ガス圧力を変化させることができる。これは、減速材１３０の水素含有量を変化させるように作用する。重力が存在せず、第１容積１２１内のガス容積を炉格納器１０２の頂部に別個の領域として維持することができない宇宙アプリケーションに対しては、水素ガス容積は、水素を選択的に通過させるように構成される膜又は他の部材によって減速材１３０から分離された封止拡張可能容積内に包含させることができる。いくつかの実施形態において、水素制御システム１４６は、代替的又は追加的に、減速材領域１２２内に解離圧よりも高い圧力を維持しながら、減速材１３０に金属水素化物を直接添加することによって減速材１３０の水素含有量を変化させることができるので、（ｉ）金属水素化物の質量分率、並びに（ｉｉ）システム１００の中性子減速度及び反応度が増加する。
いくつかの実施形態において、水素制御システム１４６は、燃料棒１１０内の燃料の燃焼度を考慮して減速材１３０の水素含有量を、炉心１０６の寿命にわたってゆっくり調整することができる。詳細に上述したように、減速材１３０は、炉心１０６からヒートパイプ１４４に熱を伝達する一次冷却材としても作用する。したがって、いくつかの従来型原子炉とは対照的に、システム１００は、炉心１０６の反応度を制御するために冷却材から分離した減速材を必要としないので、炉心１０６の材料の量及び全体のサイズが低減される。
本技術の一つの側面において、減速材１３０は、炉心１０６の反応度を受動的に調節する。例えば、システム１００のヒートパイプ１４４、熱交換器１４２、及び／又は他の熱除去コンポーネントが故障した場合、減速材１３０は温度が上昇する。減速材１３０の温度が上昇すると（かつ密度が減少すると）、（ｉ）減速材１３０の中性子吸収度が増加し、（ｉｉ）減速材１３０の水素吸収容量が（例えば水素が減速材溶液から沸騰するときに）減少する。減速材１３０の特性のこれらの変化により、炉心１０６のパワー出力が受動的に低減される。減速材１３０に加えて、システム１００は、燃料棒１１０内の燃料の核分裂を誘発し得る減速材領域１２２内の中性子吸収材（例えば毒物）として構成されるホウ素制御棒のような一以上の制御棒（図示せず）を含んでよい。かかる制御棒は、システム１００の起動及び停止を容易にするのに役立つ。
図１Ｂ及び１Ｃはそれぞれ、本技術の複数の実施形態に従って構成される原子炉システムの炉格納器１０２の等角平面図、及び拡大した側部断面図である。図１Ｂ及び１Ｃをともに参照すると、炉格納器１０２、炉心障壁１２０、及び流れシュラウド１４０はそれぞれが円形断面形状を有してよく、燃料棒１１０は、流れシュラウド１４０の内側領域に配置してよい。ヒートパイプ１４４は、流れシュラウド１４０と炉心障壁１２０との間の減速材領域１２２に周方向に配置してよい。同様に、熱交換器１４４も、炉心障壁１２０と炉格納器１０２との間の遮蔽体領域１２４に周方向に配置してよい。
図２は、本技術の実施形態に従って構成される燃料棒１１０の一つの側部断面図である。図示される実施形態において、燃料棒１１０は、一緒になってチャンバ２６６を包囲／画定する第１壁部分２６２及び第２壁部分２６４を有する管であり、又は当該管を含む。液体核燃料２６８は、少なくとも部分的にチャンバ２６６を充填する。燃料棒１１０は、液体核燃料２６８を減速材１３０（図１Ａ～１Ｃ）から分離して炉心１０６（図１Ａ～１Ｃ）に不均一燃料減速材アセンブリを与える。フィルタ領域１１６は、第１壁部２６２及び第２壁部２６４と一体に形成されてよく、又はこれらに取り付けられる別個のコンポーネントとしてもよい。フィルタ領域１１６は、チャンバ２６６に流体的に結合され得るが、いくつかの実施形態において、液体核燃料２６８がフィルタ領域１１６を充填することはない。すなわち、液体核燃料２６８の容積は、液体核燃料２６８がフィルタ領域１１６より下の液体レベルを有するように選択することができる。いくつかの実施形態において、単一のフィルタ領域１１６が、複数の燃料棒１１０に流体的に結合されてよい。
第１壁部分２６２はアクティブ燃料領域１１２を画定し、第２壁部分２６４は非アクティブ燃料領域１１４を画定する。第１壁部分２６２及び第２壁部分２６４は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のような高温及び高放射線レベルに耐性がある一以上の材料から形成される。いくつかの実施態様において、第１壁部２６２及び第２壁部２６４は、異なる濃度／量の一以上の中性子吸収材料（例えば毒物）を有し得る。例えば、第２壁部分２６４は、第１壁部分２６２よりも多量の中性子吸収材料を内部に集積することができる。いくつかの実施態様において、第１壁部分２６２は、その中に中性子吸収材料を含まない。第２壁部２６４における中性子吸収材料は、液体核燃料２６８が非アクティブ燃料領域１１４内で反応すること（例えば核分裂を起こすこと）を抑制し得る。すなわち、非アクティブ燃料領域１１４は液体核燃料２６８を未臨界に保ち、液体核燃料２６８は、アクティブ燃料領域１１２においてのみ反応する（例えば臨界に達する）。図示される実施形態において、アクティブ燃料領域１１２を、非アクティブ燃料領域１１４の下に配置しているが、他実施形態において、アクティブ燃料領域１１２を、非アクティブ燃料領域１１４の上に配置してよく、及び／又は燃料棒１１０が、互いに散在する複数のアクティブ燃料領域及び非アクティブ燃料領域を含んでよい。いくつかの実施形態において、非アクティブ燃料領域１１４は、中性子反射体及び／又は中性子遮蔽体として機能し得る。
液体核燃料２６８は、例えば、ウラン鉄液体金属（ＵＩ－ＬＭ）合金を含んでよい。いくつかの実施形態において、ＵＩ－ＬＭは、ウランよりも低い融点（例えば７２５℃もの低い温度）を有し、低濃縮ウランを使用する場合、１９．５重量％以下のウラン２３５（Ｕ－２３５）まで濃縮することができる。図１Ａ～２をともに参照すると、いくつかの実施形態において、燃料棒１１０のアクティブ燃料領域１１２は、炉心１０６に臨界を維持するべく必要とされる最小容積の液体核燃料２６８を包含するサイズにされる。燃料棒１１０の非アクティブ燃料領域１１４は、炉心１０６の臨界をその寿命にわたって維持するべく多くの液体核燃料２６８を包含してよい。本技術の一つの側面において、液体核燃料２６８によりアクティブ燃料領域１１２と非アクティブ燃料領域１１４との間で燃料の循環が許容されるので、当該容積の液体核燃料２６８ほぼ均一に燃焼される。すなわち、非アクティブ燃料領域１１４における液体核燃料２６８は、依然として発電に利用可能である。
いくつかの実施形態において、キセノンガスのような揮発性かつガス状の核分裂生成物は、稼働中に液体核燃料２６８から漏洩し得る。燃料棒１１０のフィルタ領域１１６は、かかる核分裂生成物を捕捉するように構成され、及び／又は、当該核分裂生成物を、低温での吸収及び保持のためにパワーモジュール１０８の外部に配置される一以上の貯蔵タンク１７０（図１Ａ）へとベントするように構成される。例えば、キセノン同位体及びクリプトンのようなガス状核分裂生成物は加圧され、貯蔵タンク１７０においてパワーモジュール１０８の外部に貯蔵される。本技術の一つの側面において、炉心１０６から核分裂生成物をベントすることにより、システム１００の動作中に燃料棒１１０内の圧力を低く維持することができる。他実施形態において、燃料棒１１０は、貯蔵タンク１７０又は任意の他の外部貯蔵箇所に結合される必要はない。
再び図２を参照すると、フィルタ領域１１６は、チャンバ２６６と、貯蔵タンク１７０（図１Ａ）及び／又は他の換気システムに流体的に結合されるベントポート２７４との間に流路２７２を画定し得る。図示される実施形態において、流路２７２は（例えば複数の直線セグメントを含む）蛇行形状を有する。他実施形態において、流路２７２は、他の形状（例えば曲線、直線）を有してよく、これよりも多い又は少ないセグメントを含んでよい。フィルタ領域１１６はさらに、流路２７２に沿って配置される一以上のフィルタ部材２７６（それぞれが第１フィルタ部材２７６ａ～第３フィルタ部材２７６ｃとして個別に識別される）を含み得る。フィルタ部材２７６は、液体核燃料２６８によって生成される核分裂生成物を捕捉するように構成され得る。フィルタ部材２７６は、特定の核分裂生成物に結合するコンポーネントを含んでよく、及び／又は、非反応性核分裂生成物（例えば希ガス）を捕捉する物理的フィルタリングコンポーネントを含んでよい。フィルタ部材２７６は、核分裂生成物を捕捉する固体表面及び／又は液体表面を含んでよく、いくつかの実施形態において、崩壊する核分裂生成物に耐え、そこから熱を除去するように構成されてよい。例えば、フィルタ部材は、捕捉された崩壊核分裂生成物から熱を効果的に除去するのに十分な大きさとなり得る。
いくつかの実施形態において、フィルタ部材２７６はそれぞれが、異なる核分裂生成物を捕捉するように構成される。例えば、第１フィルタ部材２７６ａが、第１核分裂生成物を物理的に捕捉し又は第１核分裂生成物に化学的に結合するように選択され、第２フィルタ部材２７６ｂが、第２核分裂生成物を物理的に捕捉し又は第２核分裂生成物に化学的に結合するように選択され、等となる。したがって、本技術の一つの側面において、フィルタ領域１１６は、燃料棒１１０のいずれかが故障したときに核分裂生成物が制御されないで放出される可能性を低減するように、核分裂生成物の捕捉／換気を容易にする。
図１Ａ～２をともに参照すると、本技術の他の側面において、フィルタ領域１１６は、キセノンの高中性子吸収同位体のような、液体核燃料２６８の反応度を低下させる核分裂生成物（例えば毒物）を炉心１０６から除去することができる。かかる毒物を炉心１０６から動的に除去することにより、炉心１０６は、毒物核分裂生成物が炉心に残留する従来型原子炉と比べ、同じ寿命のパワー出力に対して必要な燃料が少なくなる。かかる毒物を炉心１０６から除去することはまた、炉心内の中性子吸収材料（例えば中性子毒物）の濃度の変化を補償するべく必要とされる正の反応度の追加（例えば超臨界への移行）を少なくするので、システム１００の受動的反応度制御が単純化される。すなわち、炉心１０６は、従来型原子炉と比べて過剰な反応度が少ないにもかかわらず、同じパワー出力を生成しながら動作し得る。さらに、燃料からキセノンが連続的に除去されるときのパワーレベル変化（例えばキセノン過渡現象）からキセノン濃度変化を説明するべく反応度変化を制御する必要性を低減又は排除することができる。キセノンが存在しなければ、炉心のパワーレベルを変化させるときに水素の量を調整する必要がない。本技術のいくつかの側面において、これにより、炉から除去される熱の量を調整するだけで炉パワーを制御することができる（すなわち、炉心１０６の反応度を受動的に制御することができる）。
以下の例は、本技術のいくつかの実施形態を例示する。
［例１］
原子炉であって、
炉心領域を遮蔽体領域から分離する障壁を含む炉容器と、
前記炉心領域の中にあって液体核燃料を包含する燃料棒と、
前記炉心領域の中にあって少なくとも部分的に前記燃料棒を取り囲む減速材と、
少なくとも部分的に前記障壁を貫通して延びる熱伝達デバイスと、
前記炉心領域に動作可能に結合される水素制御アセンブリと
を含み、
前記減速材は、前記液体核燃料から受けた熱を前記熱伝達デバイスに伝達するように配置され、
前記水素制御アセンブリは、前記炉心領域の水素含有量レベルを変化させることにより、前記減速材の減速特性を制御するように構成される、原子炉。
［例２］
前記減速材は液体金属合金材料を含む、例１の原子炉。
［例３］
前記減速材は液体金属水素化物を含む、例１又は２の原子炉。
［例４］
前記遮蔽体領域における遮蔽体材料をさらに含み、
前記遮蔽体材料は、前記液体核燃料により生成される中性子を吸収及び／又は反射するように構成される、例１～３のいずれか一例の原子炉。
［例５］
前記遮蔽体領域における熱交換器をさらに含み、
前記熱伝達デバイスは、前記減速材から受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置され、
前記遮蔽体材料は、前記熱伝達デバイスから受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置される、例４の原子炉。
［例６］
前記遮蔽体材料は液体金属材料を含む、例５の原子炉。
［例７］
前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成されるガス状生成物を前記炉容器の外側へとベントするように配置されるフィルタを含む、例１～６のいずれか一例の原子炉。
［例８］
前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を受けるように配置されるフィルタを含み、
前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように配置されるフィルタ部材を含む、例１～７のいずれか一例の原子炉。
［例９］
前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を受けるように配置されるフィルタを含み、
前記フィルタは蛇行流路を画定し、
前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように前記蛇行流路に沿って配置される複数のフィルタ部材を含む、例１～８のいずれか一例の原子炉。
［例１０］
前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を前記炉容器の外側へとベントするように配置されるフィルタを含み、
前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように配置されるフィルタ部材を含む、例１～９のいずれか一例の原子炉。
［例１１］
複数の熱交換器をさらに含み、
前記熱伝達デバイスは、前記減速材から受けた熱を前記熱交換器のうちの対応する熱交換器に伝達するように配置される複数のヒートパイプを含む、例１～１０のいずれか一例の原子炉。
［例１２］
前記遮蔽体領域に配置される熱交換器をさらに含み、
前記熱伝達デバイスは、前記減速材から受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置される、例１～１１のいずれか一例の原子炉。
［例１３］
原子炉であって、
炉心領域を遮蔽体領域から分離する障壁を含む炉容器と、
前記炉心領域の中にあって液体核燃料を包含する燃料棒と、
前記炉心領域の中にあって少なくとも部分的に前記燃料棒を取り囲む液体金属合金材料と、
少なくとも部分的に前記障壁を貫通して延びる熱伝達デバイスと
を含み、
前記液体金属合金材料は、前記炉心領域の反応度を制御するように構成され、
前記液体金属合金材料は、前記液体核燃料から受けた熱を前記熱伝達デバイスに伝達するように配置される、原子炉。
［例１４］
前記液体金属合金材料は液体金属水素化物を含み、
前記原子炉はさらに、前記炉容器の前記炉心領域に流体的に結合される水素制御アセンブリを含み、
前記水素制御アセンブリは、前記液体金属水素化物の水素含有量レベルを変化させることにより、前記炉心領域の反応度を制御するように動作可能である、例１３の原子炉。
［例１５］
前記遮蔽体領域に配置される熱交換器をさらに含み、
前記熱伝達デバイスは、前記液体金属合金材料から受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置される、例１３又は１４の原子炉。
［例１６］
原子炉のための燃料棒であって、
チャンバを画定する壁と、
前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を受けるべく前記チャンバに流体的に結合されるフィルタと
を含み、
前記フィルタは、前記チャンバから前記ガス状生成物のうちの一以上をベントするように配置されるポートを含み、
前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように配置されるフィルタ部材を含む、燃料棒。
［例１７］
前記壁は第１壁部分及び第２壁部分を含み、前記第１壁部分は、前記第２壁部分よりも多くの量の中性子吸収材料を含む、例１６の燃料棒。
［例１８］
前記チャンバにおける液体核燃料をさらに含み、前記液体核燃料は、前記第１壁部分の近傍で未臨界のままである、例１７の燃料棒。
［例１９］
前記フィルタは蛇行流路を画定し、前記フィルタ部材は前記流路に沿って配置され、前記フィルタ部材は、前記ガス状生成物のうちの一以上を物理的に捕捉するように構成される、例１６～１８のいずれか一例の燃料棒。
［例２０］
前記フィルタ部材は、前記ガス状生成物のうちの一以上に結合するように構成される、例１６～１９のいずれか一例の燃料棒。
［例２１］
原子炉であって、
炉心領域を遮蔽体領域から分離する障壁を含む炉容器と、
前記炉心領域の中にあって液体核燃料を包含する燃料棒と、
前記炉心領域の中にあって少なくとも部分的に前記燃料棒を取り囲む液体減速材と、
熱交換器と、
少なくとも部分的に前記障壁を貫通するように延びるヒートパイプと
を含み、
前記液体減速材は、前記液体核燃料から受けた熱を前記ヒートパイプに伝達するように配置され、
前記ヒートパイプは、前記減速材から受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配列される、原子炉。
［例２２］
前記液体金属合金材料は液体金属水素化物を含み、
前記原子炉はさらに、前記炉容器の前記炉心領域に流体的に結合される水素制御アセンブリを含み、
前記水素制御アセンブリは、前記液体金属水素化物の水素含有量レベルを変化させることにより、前記液体核燃料の反応度を制御するように動作可能である、例２１の原子炉。
［例２３］
原子炉を動作させる方法であって、
燃料棒に包含される液体核燃料の核反応を介して炉心において熱を発生させることと、
前記炉心から受けた熱を、液体金属合金減速材を介してヒートパイプに伝えることと、
前記液体金属合金減速材から受けた熱を、前記ヒートパイプを介して熱交換器に伝えることと、
前記ヒートパイプから受けた熱を、前記熱交換器を介してパワー変換システムに伝えることと
を含む、方法。
［例２４］
前記方法はさらに、前記液体核燃料の前記核反応により生成される一以上の生成物を前記燃料棒からベントすることを含む、例２３の方法。
［例２５］
前記方法はさらに、前記液体核燃料の前記核反応により生成される一以上の生成物を前記燃料棒のフィルタ部分において捕捉することを含む、例２３又は２４の方法。
［例２６］
前記燃料棒はアクティブ燃料領域及び非アクティブ燃料領域を含み、
前記方法はさらに、前記液体核燃料を前記アクティブ燃料領域と前記非アクティブ燃料領域との間で循環させることを含む、例２３～２５のいずれか一例の方法。
［例２７］
前記方法はさらに、前記液体金属合金減速材の水素含有量レベルを制御することにより、前記液体核燃料の反応度を制御することを含む、例２３～２６のいずれか一例の方法。
［例２８］
前記液体金属合金は液体金属水素化物を含む、例２７の方法。
本技術の実施形態の上記詳細な説明は、網羅的であることを意図したものではなく、又は上記開示の正確な形態に本技術を限定することを意図したものでもない。本技術の特定の実施形態及び例は、説明目的のために上述されているが、当業者が認識するように、本技術の範囲内で様々な等価な修正例が可能である。例えば、ステップが所与の順序で提示されるが、他実施形態が、異なる順序でステップを実行してよい。ここに記載される様々な実施形態は、さらなる実施形態を与えるべく組み合わせてよい。
前述のことからわかることだが、本技術の特定の実施形態が例示目的でここに記載されてきたにもかかわらず、周知の構造及び機能は、本技術の実施形態の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるべく、詳細に図示又は記載されていない。文脈が許す場合、単数又は複数の用語はそれぞれ、複数又は単数の用語を含んでよい。
ここで使用されるように、「Ａ及び／又はＢ」における「及び／又は」は、Ａ単独と、Ｂ単独と、Ａ及びＢ双方とを言及する。参照によりここに組み入れられる任意の文献が本開示と矛盾する範囲において、本開示が優先する。加えて、用語「含む」及び「備える」は、少なくとも記載された特徴を含むことを意味するように全体を通して使用され、同じ特徴及び／又は他の特徴の付加的タイプの任意の多数が排除されるわけではない。またもわかることだが、特定の実施形態が例示目的でここに記載されてきたにもかかわらず、本技術から逸脱することなく様々な修正がなされ得る。さらに、本技術のいくつかの実施形態に関連付けられる利点が、これらの実施形態の文脈で説明されてきたが、他実施形態もまた、かかる利点を示すことができ、かかる利点が本技術の範囲に当てはまることをすべての実施形態が必ずしも示すわけではない。したがって、本開示及び関連する技術は、ここに明示的には図示又は記載されていない他実施形態を包括し得る。例えば、図１Ａ～２をともに参照すると、燃料棒１１０は、固体核燃料を保持するように構成され得る。いくつかの実施形態において、燃料棒１１０は、他の構成及び／又はコンポーネントを有する原子炉に組み入れられてよい。いくつかの実施形態において、燃料棒１１０のフィルタ領域１１６は、他の流路（例えば非蛇行流路）、捕捉材料等を有し得る。

Claims (20)

  1. 原子炉であって、
    炉心領域を遮蔽体領域から分離する障壁を含む炉容器と、
    前記炉心領域の中にあって液体核燃料を包含する燃料棒と、
    前記炉心領域の中にあって少なくとも部分的に前記燃料棒を取り囲む減速材と、
    少なくとも部分的に前記障壁を貫通して延びる熱伝達デバイスと、
    前記炉心領域に動作可能に結合される水素制御アセンブリと
    を含み、
    前記減速材は、前記液体核燃料から受けた熱を前記熱伝達デバイスに伝達するように配置され、
    前記水素制御アセンブリは、前記炉心領域の水素含有量レベルを変化させることにより、前記減速材の減速特性を制御するように構成される、原子炉。
  2. 前記減速材は液体金属合金材料を含む、請求項１の原子炉。
  3. 前記減速材は液体金属水素化物を含む、請求項１の原子炉。
  4. 前記遮蔽体領域における遮蔽体材料をさらに含み、
    前記遮蔽体材料は、前記液体核燃料により生成される中性子を吸収及び／又は反射するように構成される、請求項１の原子炉。
  5. 前記遮蔽体領域における熱交換器をさらに含み、
    前記熱伝達デバイスは、前記減速材から受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置され、
    前記遮蔽体材料は、前記熱伝達デバイスから受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置される、請求項４の原子炉。
  6. 前記遮蔽体材料は液体金属材料を含む、請求項５の原子炉。
  7. 前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成されるガス状生成物を前記炉容器の外側へとベントするように配置されるフィルタを含む、請求項１の原子炉。
  8. 前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を受けるように配置されるフィルタを含み、
    前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように配置されるフィルタ部材を含む、請求項１の原子炉。
  9. 前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を受けるように配置されるフィルタを含み、
    前記フィルタは蛇行流路を画定し、
    前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように前記蛇行流路に沿って配置される複数のフィルタ部材を含む、請求項１の原子炉。
  10. 前記燃料棒は、前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を前記炉容器の外側へとベントするように配置されるフィルタを含み、
    前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように配置されるフィルタ部材を含む、請求項１の原子炉。
  11. 複数の熱交換器をさらに含み、
    前記熱伝達デバイスは、前記減速材から受けた熱を前記熱交換器のうちの対応する熱交換器に伝達するように配置される複数のヒートパイプを含む、請求項１の原子炉。
  12. 前記遮蔽体領域に配置される熱交換器をさらに含み、
    前記熱伝達デバイスは、前記減速材から受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置される、請求項１の原子炉。
  13. 原子炉であって、
    炉心領域を遮蔽体領域から分離する障壁を含む炉容器と、
    前記炉心領域の中にあって液体核燃料を包含する燃料棒と、
    前記炉心領域の中にあって少なくとも部分的に前記燃料棒を取り囲む液体金属合金材料と、
    少なくとも部分的に前記障壁を貫通して延びる熱伝達デバイスと
    を含み、
    前記液体金属合金材料は、前記炉心領域の反応度を制御するように構成され、
    前記液体金属合金材料は、前記液体核燃料から受けた熱を前記熱伝達デバイスに伝達するように配置される、原子炉。
  14. 前記液体金属合金材料は液体金属水素化物を含み、
    前記原子炉はさらに、前記炉容器の前記炉心領域に流体的に結合される水素制御アセンブリを含み、
    前記水素制御アセンブリは、前記液体金属水素化物の水素含有量レベルを変化させることにより、前記炉心領域の反応度を制御するように動作可能である、請求項１３の原子炉。
  15. 前記遮蔽体領域に配置される熱交換器をさらに含み、
    前記熱伝達デバイスは、前記液体金属合金材料から受けた熱を前記熱交換器に伝達するように配置される、請求項１３の原子炉。
  16. 原子炉のための燃料棒であって、
    チャンバを画定する壁と、
    前記液体核燃料により生成される複数のガス状生成物を受けるべく前記チャンバに流体的に結合されるフィルタと
    を含み、
    前記フィルタは、前記チャンバから前記ガス状生成物のうちの一以上をベントするように配置されるポートを含み、前記フィルタは、前記ガス状生成物のうちの一以上を捕捉するように配置されるフィルタ部材を含む、燃料棒。
  17. 前記壁は第１壁部分及び第２壁部分を含み、
    前記第１壁部分は、前記第２壁部分よりも多くの量の中性子吸収材料を含む、請求項１６の燃料棒。
  18. 前記チャンバにおける液体核燃料をさらに含み、
    前記液体核燃料は、前記第１壁部分の近傍で未臨界のままである、請求項１７の燃料棒。
  19. 前記フィルタは蛇行流路を画定し、
    前記フィルタ部材は前記流路に沿って配置され、
    前記フィルタ部材は、前記ガス状生成物のうちの一以上を物理的に捕捉するように構成される、請求項１５の燃料棒。
  20. 前記フィルタ部材は、前記ガス状生成物のうちの一以上に結合するように構成される、請求項１５の燃料棒。
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