KR101515825B1 - 가속기 구동식 미임계 코어 - Google Patents
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Abstract
가속기 구동식 미임계 코어를 작동하기 위한 시스템 및 방법에 대한 것이다. 일실시예에서, 핵분열 발전기는 미임계 코어(sub-critical core) 및 복수의 양성자 빔 발생기(proton beam generator)를 포함한다. 각각의 상기 양성자 빔 발생기는, 상기 미임계 코어의 서로 다른 영역으로 동시에(concurrently) 양성자 빔을 제공하도록 구성되어 있다. 각각의 상기 양성자 빔은 상기 미임계 코어의 내부에서 중성자를 산란시킨다. 상기 복수의 양성자 빔 발생기는 상기 양성자 빔을 통하여 상기 미임계 코어로 집합 동력(aggregate power)을 제공하여, 상기 미임계 코어에서 핵분열을 개시하기에 충분한 중성자를 산란시킨다.
Description
본 발명은 대체적으로 원자력발전에 관한 것이고, 더 구체적으로는 가속기 구동식 미임계 코어를 이용한 원자력발전에 관한 것이다.
핵분열(nuclear fission)로부터의 동력을 발생시키는 것은, 소정의 원소의 핵분열성 원자핵, 예컨대 우라늄-235(235U), 우라늄-233(233U), 또는 플루토늄-239(239Pu)이 자발적인 핵분열 또는 중성자 흡수에 의한 촉진된 핵분열을 겪는 프로세스를 활용하는 것이다. 핵분열 시, 원자핵은 2개의 더 작은 원자핵 및 수개의 자유 중성자(free neutron)로 쪼개진다. 핵분열 시 생성된 중성자는 일반적으로 MeV 단위의 큰 운동 에너지를 가지고, 이러한 중성자는 고속 중성자(fast neutron)라고 불린다. 종래의 원자로(nuclear reactor)에서, 임계 코어(critical core)는 대개 핵분열성 원자핵이 저장된 연료봉(fuel rod), 또는 연료핀(fuel pin)을 포함한다. 연료핀은 중성자의 운동 에너지를 감소시키는 물질의 매트릭스(matrix) 내부에 배치된다. 이러한 프로세스를 감속(moderation)이라고 한다. 임계 코어는 자가 지속성 핵분열이 가능하고, 원자로라고 불린다.
235U 원자핵의 촉진된 핵분열은 일반적으로 ev 단위의 낮은 에너지를 가진 입사 중성자(incident neutron)에 대한 최대 확률을 가지는데, 이러한 중성자는 열 중성자(thermal neutron)라고 불린다. 235U 핵분열을 이용한 원자로는 감속재(moderator)로서 물이나 탄소와 같은 저원자량 재료을 활용하는데, 그 이유는 그러한 경원자핵(light nucleus)으로부터 산란되는 고속 중성자는 급속하게 운동 에너지를 상실하여 핵분열을 촉진하는데 이용가능하게 되기 때문이다. 종래의 235U를 연료로 한 코어에서 연료핀과 감속재는, 추가적 핵분열을 촉진하기에 딱 충분한 중성자가 핵분열에서 생성되는 평형(equilibrium)을 유지하도록 배치된다. 그러한 배치는 임계 원자로(critical pile)라고 불린다. 평형 조건은 반드시, 중성자를 포획할 높은 확률을 가진 원자핵을 가진 재료의 추가적 봉(제어봉(control rod))을 삽입 또는 제거함으로써 안정화되어야 한다. 따라서, 제어봉의 삽입과 제거는, 원자로(pile)의 중성자 이득(neutron gain) 또는 임계도(criticaltiy)를 정확한 수치로 유지하는데 사용될 수 있는데, 이러한 상태를 임계 반응(critical reaction)이라고 부른다. 너무 많은 중성자가 흡수되는 경우, 핵분열률(fission rate)이 시간에 대해 지수적으로 감소하여 코어가 정지하게 된다. 너무 적은 중성자가 흡수되는 경우, 핵분열률이 시간에 대해 지수적으로 증가하여 코어가 폭발하게 된다.
임계 분열 코어는 대량의 열을 발생시키는데 사용될 수 있고, 이러한 열은 증기를 발생시키는데 사용되고, 이러한 증기는 발전기를 구동시키는데 사용된다. 물로 감속되는 235U를 연료로 사용한 핵분열 원자로는 일반적으로 전력을 발생시키는데 사용된다.
촉진된 핵분열에 추가하여, 중성자가 소정의 중원자핵(heavy nucleus), 예컨대 우라늄-238(238U)과 토륨(thorium)(232Th)과 같은 원자핵 상에 포획될 수 있고, 일련의 이러한 중성자 포획과 방사성 붕괴를 통하여, 239Pu(238U로부터) 또는 233U(232Th로부터)와 같은 핵분열성 원자핵을 생산할 수 있다. 이러한 프로세스를 증식(breeding)이라고 부르는데, 이러한 증식은 촉진된 핵분열 프로세스가 코어 재료 내에서 추가적인 핵분열성 원자핵을 실제로 생산할 수 있는 메커니즘을 제공한다.
또한 증식은 주기율표에서 플루토늄 이상의 더 무거운 원소를 형성할 수 있다. 그러한 원소를 마이너 악티나이드(minor actinide)라고 부른다. 마이너 악티나이드의 예로는 넵투늄(neptunium)과 아메리슘(americium)을 포함한다. 마이너 악티나이드는 원자력의 안정성에 대한 중대한 문제점을 나타내는데, 그 이유는 마이너 악티나이드가 열 원자로에서 엄청난 양으로 생산되고, 백년 내지 백만년의 방사성 붕괴 반감기를 가지는 유일한 원소이기 때문이다. 예컨대, 아메리슘(241Am)은 432년의 반감기를 가지고, 243Am은 7,370년의 반감기를 가진다. 이러한 이유로 마이너 악티나이드는 사용된 핵연료의 폐기에 대한 심각한 문제를 나타낸다.
가속기 구동 미임계 코어를 작동하기 위한 시스템 및 방법이 이하 개시된다. 일실시예에서, 핵분열 발전기는 미임계 코어와 복수의 양성자 빔 발생기(proton beam generator)를 포함한다. 각각의 양성자 빔 발생기는 양성자 빔을 미임계 코어의 여러 영역으로 동시에 제공하도록 구성되어 있다. 각각의 양성자 빔은 미임계 코어 내부에서 중성자를 산란시킨다. 복수의 양성자 빔 발생기는, 미임계 코어에서 핵분열을 개시시키기에 충분한 중성자를 산란시키도록, 양성자 빔을 통하여 미임계 코어에 집합 전력(aggregate power)을 제공한다.
다른 일실시예에서, 방사성 물질을 감소하기 위한 방법은 외부에서 생산된 마이너 악티나이드를 발전기의 용융 중염 공정 코어(molten heavy salt eutectic core) 내로 주입하는 단계를 포함한다. 복수의 양성자 빔이 코어에 제공된다. 마이너 악티나이드는 용융 중염 공정 코어에서 핵분열에 의해 쪼개진다.
추가적인 일실시예에서, 미임계 원자핵발전 시스템은 용융 염 중공 코어(molten salt eutectic core)를 포함한다. 용융 염 공정 코어는, 내부 코어 베슬(vessel), 연료염과 캐리어염의 용융 혼합물, 및 용융 염 공정 코어 내부에 배치된 핵파쇄 타겟(spallation target)을 포함한다. 각각의 핵파쇄 타겟은 서로 다른 양성자 빔을 수용하도록 배치된다.
또 다른 일실시예에서, 원자핵 코어의 수명을 연장하기 위한 방법은 코어에 연료염과 캐리어염의 용융 혼합물을 제공하는 단계를 포함한다. 란타나이드 축출 시스템(lanthanide extraction system)이 이러한 코어에 연결된다. 용융 혼합물은, 코어가 작동함에 따라 란타나이드 축출 시스템에 제공된다. 란타나이드는, 코어가 작동함에 따라 정화된 염 혼합물을 생성하도록, 란타나이드 축출 시스템에서 용융 혼합물로부터 분리된다. 이러한 정화된 염 혼합물은 코어에 제공된다.
본 발명의 예시적인 실시예를 더 상세하게 설명하기 위하여, 첨부된 도면을 참조할 수 있고, 이러한 도면은 정확한 축적으로 도시되어 있지 않을 수도 있다.
도 1은 다양한 실시예에 따른, 용융 염 공정 미임계 코어 원자력발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른, 용융 염 공정 코어의 개략도이다.
도 3은 다양한 실시예에 따른, 등시성 사이클로트론 스택(isochronous cyclotron stack)의 상면도이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른, 플럭스 커플된(flux-coupled) 등시성 사이클로트론 스택의 사시도이다.
도 5A는 다양한 실시예에 따른, 플럭스 커플된 등시성 사이클로트론의 섹터 자석(sector magnet)의 코일 어셈블리를 도시하고 있다.
도 5B는 다양한 실시예에 따른, 플럭스 커플된 등시성 사이클로트론의 섹터 자석의 코일 어셈블리의 단면도이다.
도 6은 다양한 실시예에 따른, 교번구배 4극자장(alternating gradient quadrupole field)을 생성하도록 구성된, 한 쌍의 코일 어셈블리(502)의 단면도이다.
도 7은 다양한 실시예에 따른, 강집속(strong focusing)을 포함하는 사이클로트론 스택의 상면도이다.
도 8은 다양한 실시예에 따른, 사이클로트론 스택에 사용하기에 적합한 RF 공동(RF cavity)의 개략도이다.
도 9는 다양한 실시예에 따른, 스택된 사이클로트론에 사용하기에 적합한 대안적인 RF 공동의 개략도이다.
도 10은 다양한 실시예에 따른, RF 공동(304)과 관련된 자기 쉴드의 단면 개략도이다.
도 11은 다양한 실시예에 따른, 스택된 사이클로트론에 사용하기에 적합한 단일의 RF 챔버를 포함하는 대안적인 RF 공동의 개략도이다.
도 12는 다양한 실시예에 따른, 인접한 섹터 자석들 사이에 배치된 2개의 RF 공동의 개략도이다.
도 13은 다양한 실시예에 따른, 연료핀 기초의 미임계 코어 원자력발전 시스템의 개략도이다.
도 14는 다양한 실시예에 따른, 미임계 원자핵 코어에서의 양성자 빔 분포 패턴의 부감도(overhead view)이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른, 용융 염 공정 코어의 개략도이다.
도 3은 다양한 실시예에 따른, 등시성 사이클로트론 스택(isochronous cyclotron stack)의 상면도이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른, 플럭스 커플된(flux-coupled) 등시성 사이클로트론 스택의 사시도이다.
도 5A는 다양한 실시예에 따른, 플럭스 커플된 등시성 사이클로트론의 섹터 자석(sector magnet)의 코일 어셈블리를 도시하고 있다.
도 5B는 다양한 실시예에 따른, 플럭스 커플된 등시성 사이클로트론의 섹터 자석의 코일 어셈블리의 단면도이다.
도 6은 다양한 실시예에 따른, 교번구배 4극자장(alternating gradient quadrupole field)을 생성하도록 구성된, 한 쌍의 코일 어셈블리(502)의 단면도이다.
도 7은 다양한 실시예에 따른, 강집속(strong focusing)을 포함하는 사이클로트론 스택의 상면도이다.
도 8은 다양한 실시예에 따른, 사이클로트론 스택에 사용하기에 적합한 RF 공동(RF cavity)의 개략도이다.
도 9는 다양한 실시예에 따른, 스택된 사이클로트론에 사용하기에 적합한 대안적인 RF 공동의 개략도이다.
도 10은 다양한 실시예에 따른, RF 공동(304)과 관련된 자기 쉴드의 단면 개략도이다.
도 11은 다양한 실시예에 따른, 스택된 사이클로트론에 사용하기에 적합한 단일의 RF 챔버를 포함하는 대안적인 RF 공동의 개략도이다.
도 12는 다양한 실시예에 따른, 인접한 섹터 자석들 사이에 배치된 2개의 RF 공동의 개략도이다.
도 13은 다양한 실시예에 따른, 연료핀 기초의 미임계 코어 원자력발전 시스템의 개략도이다.
도 14는 다양한 실시예에 따른, 미임계 원자핵 코어에서의 양성자 빔 분포 패턴의 부감도(overhead view)이다.
특정한 시스템 구성요소를 지칭하도록, 이하 명세서와 청구항에서 소정의 용어들이 사용된다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 동일한 구성요소가 다양한 명칭으로 지칭될 수도 있다. 본 명세서는 명칭은 다르지만 기능은 동일한 구성요소를 구별하는 것이 아니다. 이하의 논의와 청구항에서, "포함하는"과 "구비하는"은 개방형으로 사용되고, 따라서 "포함하지만, 거기에 한정되지 않는다"는 의미로 해석되어야 한다. 또한, "커플" 또는 "커플링"이라는 용어는 간접 또는 직접 연결을 의미하는 것으로 의도된다. 따라서, 제1 디바이스가 제2 디바이스에 커플링된다고 하면, 이러한 연결은 직접적으로 연결되거나, 또는 다른 디바이스나 연결을 통하여 간접적으로 연결될 수도 있다. "기초한"이라는 용어는 "적어도 부분적으로 기초한"을 의미하는 것으로 의도된다. 따라서, X가 Y에 기초한다고 하면, X는 Y 및 여러 다른 인자들에 기초할 수도 있다.
이하의 논의는 본 발명의 다양한 실시예에 대한 것이다. 이러한 실시예들 중 하나 이상이 바람직할 수도 있지만, 여기에 개시된 실시예들이 청구항을 포함한 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되거나 사용되어서는 안 될 것이다. 또한, 통상의 기술자는, 이하의 설명이 광범위한 응용예를 가지고, 어떠한 실시예에 대한 논의도 그러한 실시예의 오직 예시를 의미하고, 청구항을 포함한 개시의 범위가 그러한 실시예에 제한되는 것을 시사하는 것으로 의도되지 않는다고 이해할 것이다.
임계 분열 코어에 기초한 동력 생성은 수많은 문제점을 나타내고 있다. 이러한 임계 코어를 채용하는 시스템은 효율이 매우 낮다. 예컨대, 핵분열 생성물(fission product)의 축적으로 인하여 연료핀이 사용불가하도록 되기 이전에, 연료핀 내에 저장된 핵연료원(fertile fuel)의 약 5% 만이 소비될 수 있고, 이로 인해 연료핀이 조기에 교체되어야 한다. 또한, 열 분열 코어는 수천년동안 방사성을 가지는 엄청난 수의 마이너 악티나이드를 생성한다. 그러한 폐기물은 확실하고 안전하게 저장되어야 한다. 또한, 코어 냉각 또는 중성자 이득이 신중하게 유지되지 않으면, 임계 분열 코어는 재해적 고장(catastrophic failure)을 일으키기 쉽다.
삭제
미임계 코어는 핵분열성 연료를 저장하지만, 자가 지속성 분열 연쇄 반응이 불가능한 방식으로 디자인될 수도 있다. 미임계 코어에서, 핵분열은, 외부 소스로부터 코어 내로 고속 중성자를 유입시킴으로써 개시되고 유지된다. 입자 가속기(particle accelerator)가, 핵파쇄에 의한 고속 중성자를 발생시키는데 사용될 수 있다. 핵파쇄는, 입자들, 예컨대 가속된 양성자와 타겟 원자핵 사이의 충돌로 인하여 복수의 입자(주로 고속 중성자)가 타겟 원자핵으로부터 방출되는 프로세스이다. 따라서, 미임계 코어에서의 입자 가속기 유도 핵분열은 "가속기 구동식 미임계 핵분열(ADS 핵분열)"로서 칭할 수 있다.
ADS 핵분열은 임계 분열 코어의 전술한 문제점 중 적어도 일부를 해결한다. ADS 핵분열은 입자빔에 의해 직접적으로 제어된다. 따라서, 입자빔이 불능일 때, ADS 핵분열은 중지하고, 이것은 핵분열 프로세스를 직접적으로 제어할 수 있게 한다. 또한, ADS 핵분열 시스템은, 핵분열이 멈춘 후 방사성 열로부터 원자로 용융(meltdown)을 방지하기에 충분한 열용량(thermal mass)을 포함할 수 있다. ADS 핵분열은 또한 코어 내의 핵분열성, 핵원료원, 또는 핵분열 생성물 폐기물의 구성과 배치에 대한 더 큰 유연성을 제공하고, 핵분열성 내용물의 농축(enrichment)을 덜 요구한다. ADS 핵분열은, 임계 원자로에 의해 사용되는 열 스펙트럼보다는, 고속 중성자 스펙트럼에서 자연적으로 작동한다. 고속 중성자(즉, 메가전자볼트(Mev) 범위의 중성자 에너지)의 사용은, 코어에서의 핵분열에 의한 마이너 악티나이드 폐기물 원소를 소각할 기회를 제공함으로써, 안전한 폐기물 저장 설비에 대한 요구 및 폐기물과 폐기물 처리와 관련된 부수적 위험을 감소시킨다.
실제로는, ADS 핵분열 시스템이 어려움이 없는 것은 아니다. GWe 급의 ADS 핵분열 코어를 구동하기 위해서는, 700 MeV 이상 및 대략 10 MW의 빔 출력을 가진 연속파(continuous-wave; CW) 양성자 빔이 요구될 수 있다. 종래의 양성자 가속기는 아직 그러한 성능을 획득하지 못했으며, 가속기 시스템 비용과 신뢰도가 특히 문제점으로 남아있다. 빔 신뢰도는 특히, 연료핀의 사용에 기초한 코어에서 문제점이 있는데, 그 이유는 그러한 코어는 열충격(thermal shock)과 연료핀의 크래킹(cracking)을 유발할 수 있기 때문이다.
모든 입자 가속기는 주기적인 빔 중단(periodic beam interruption)을 겪기 쉽다. 앞서 설명한 바와 같이, 핵분열은 양성자 빔과 함께 중단된다. 핵분열이 중단될 때, 연료핀 온도가 하강한다. 연료핀은 지르칼로이(zircaloy)와 같은 클래딩(cladding) 재료에 수납된다. 온도 변화는 연료핀 클래딩에 열충격을 가할 수 있어서, 연료핀 교체를 필요하게 하는 피로파괴(fatigue) 및/또는 크래킹을 유도한다.
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마지막으로, 핵파쇄에 의해 생성된 중성자는 미임계 코어의 중심에서 선광원(line source)로서 생성된다면, 핵파쇄원(spallation source)에 가장 가까운 연료핀에 축적되는 핵분열 생성물이 더 멀리 떨어지 연료핀으로의 중성자 전파(neutron propagation)를 차단할 것이다. 결과적으로, 핵분열은 핵파쇄원에 가장 가까운 코어의 부분에서 대부분 발생하고, 코어는 연료핀의 위치선정을 변화시킴으로써 주기적으로 재균형이 이루어져야 한다. 재균형을 위한 연료핀에 접근하는 것은 바람직하지 않은 안전문제를 나타낸다.
본 발명의 ADS 핵분열 시스템의 실시예는, 임계 코어의 결함 및 단일 양성자 빔을 채용하는 종래의 ADS 시스템의 결함을 극복하는 특징을 포함한다. 실시예는 다중 양성자 빔 소스 및 다중 핵파쇄 타겟을 포함한다. 다중 빔을 통합함으로써, 실시예는 동력생산을 위한 핵분열을 유도하는데 요구되는 높은 빔출력을 발생시키고, 또한 빔 중단 동안 코어 작동을 가능하게 하는 여분(redundancy)을 제공한다. 또한, 코어에 대하여 핵파쇄 타겟을 분산시킴으로써, 코어 효율성이 증가되고, 연료핀을 채용하는 실시예에서 연료핀을 리셔플(reshuffle)할 필요가 감소된다.
여기에 개시된 ADS 핵분열 시스템 중 일부 실시예는 연료핀과 감속재이 아니라, 용융 염 공정(molten salt eutectic)을 포함한다. 용융 염 공정은 연료염과 캐리어염의 혼합물을 포함한다. 용융 염 공정 코어에서는 연료핀 클래딩이 존재하지 않으므로, 클래딩과 관련된 문제점도 존재하지 않는다. 용융 염 코어는 연료핀을 채용하는 코어를 능가하는 여러 가지 추가적인 이점을 제공한다. 앞서 설명한 바와 같이, 고속 중성자를 이용하는 ADS 코어는 오래 지속되는 방사성 폐기물을 소각할 수 있다. 용융 염 코어는 고속 중성자를 제공하고, 유리하게는 종래의 코어에 의해 생성된 폐기물이 연료염에 부가되거나 파괴되도록 한다. 따라서, 여기에 개시된 용융 염 코어는, 임계 분열 코어와 같은 다른 소스에 의해 생성된 마이너 악티나이드 폐기물을 파괴하기 위한 방법을 제공한다. 용융 염 코어는 사용한 원자핵 연료를 연료로 사용할 수 있고, 여기에서 핵분열 생성물은, 임계 분열 코어에서의 핵분열을 발생시키는데 연료가 더 이상 사용될 수 없을 정도로까지 축적된다.
용융 염 코어는 염으로부터 중성자를 흡수하는 핵분열 생성물을 고립시키고 제거할 수 있게 한다. 따라서, 실시예는 매우 효율적이어서, 코어에서 모든 핵연료원 연료을 완전하게 또는 거의 완전하게 소비할 수 있다. 또한, 여기에 개시된 용융 염 코어의 실시예는 페일 세이프(fail-safe) 열전달을 제공한다. 코어는 전력 및 냉각재의 완전한 손실의 경우에도 원자로 격납(containment)를 통하여 용융될 수 없다.
도 1은 다양한 실시예에 따른 용융 염 공정 미임계 코어 원자력발전 시스템을 도시하고 있다. 발전 시스템(100)은 용융 염 코어(molten salt core)(110), 입자 가속기 복합체(particle accelerator complex)(102), 하나 이상의 1차 열교환기(primary heat exchanger)(122), 하나 이상의 2차 열교환기(secondary heat exchanger)(112), 및 하나 이상의 터빈 발전기(114)를 포함한다. 코어(110)로부터의 또는 코어(110)에 있는 용융 염은, 1차 열교환기(122)에 있는 용융 나트륨, 비연료염, 또는 열 수송에 적합한 다른 2차 유체로 열을 전달한다. 가열된 유체는 1차 열교환기(122)로부터 2차 열교환기(112)로 유동한다. 2차 열교환기(112)에서, 유체에 의해 제공된 열은, 전력을 발생하도록 터빈 발전기(114)를 구동하는 증기, 또는 다른 적합한 압축된 유체를 발생시키는데 사용된다. 1차 열교환기(122)와 2차 열교환기(112)는 종래기술로 알려진 셸 앤드 튜브식 열교환기(tube-and-shell heat exchanger)일 수 있다. 오직 단일의 터빈 발전기(114)만이 도시되어 있지만, 실제로 시스템(100)은 하나 이상의 터빈 발전기(114)를 포함할 수 있다.
발전 시스템(100)은 또한 격납 베슬(containment vessel)(108), 하나 이상의 란타나이드 증류기(lanthanide still)(120), 1차 베슬(primary vessel)(124), 한 세트의 열전도성 히트파이프(conductive heat pipe)(118), 란타나이드 저장 베슬(116), 휘발성 핵분열 파편 저장 베슬(126), 및 덤프 탱크(dump tank)(128)를 포함한다. 란타나이드 증류기(120)과 1차 열교환기(112)의 적어도 일부분은 1차 베슬(124) 내부에 들어 있다. 히트파이프(118)는 1차 베슬(124)로부터 열침(thermal sink)으로 연장된다. 1차 베슬(124), 란타나이드 저장 베슬(116), 및 휘발성 핵분열 파편 저장 베슬(126)은 격납 베슬(108) 내부에 배치된다.
일부 실시예에서, 1차 열교환기(122)는 중성자 반사기(134) 상부 위치에서 1차 베슬(124) 내부에 완전히 들어 있다. 그러한 실시예에서, 용융 염(204)은 1차 베슬(124) 내부에서 고립된다. 용융 염(204)의 1차 열교환기(122)로의 유동은, 하나 이상의 펌프 및 용융 염(204)의 상부 높이에 배치된 플레넘(plenum)으로부터 1차 열교환기(122)의 유입구로 용융 염(204)을 전달하는 연결 파이프에 의해 지속된다. 1차 열교환기(122)의 실시예는 400 MW의 열을 전달할 수 있고, 높이는 약 2.5 미터 이하일 수 있어서, 1차 베슬(124)의 최상단에 들어가는 3개 이상의 입자빔을 수용하기에 충분한 공간을 제공한다.
2차 유체는, 하나 이상의 펌프와 2차 열교환기(112)에 연결된 파이프에 의해, 1차 열교환기(122)의 2차 튜브 매니폴드를 통하여 순환된다. 냉각된 용융 염(204)은 1차 열교환기(122)의 배출구로부터 1차 베슬(124)의 측벽의 바로 내부에 고리를 형성하는 원통형 플레넘 셸로 유동할 수 있다. 냉각된 용융 염(214)의 유동을 1차 베슬(214)의 측벽을 따라 아래쪽으로 지향시킴으로써, 측벽의 표면 온도와 부식이 감소되고, 이로 인해 1차 베슬(124)의 작동 수명 증가(예컨대, 100년까지)된다.
도 2는 다양한 실시예에 따른, 미임계 용융 염 공정 코어(110) 및 1차 베슬(124)의 일부분를 개략적으로 도시하고 있다. 1차 베슬(124)은 내부 코어 베슬(202)과 외부 코어 베슬(210)을 포함한다. 내부 코어 베슬(202)은 용융 염 공정(204)을 담고 있다. 외부 코어 베슬(210)은 내부 코어 베슬(202) 주위에 배치되어 있고, 공간(208) 및 다중층 복사열 쉴드(multi-layer radiant heat shield)(206)에 의해 내부 코어로부터 분리되어 있다. 외부 코어 베슬(210)은 코어(110) 내부에 중성자를 담고 있는 반사기(214)를 포함하여, 코어 누설을 최소화한다. 반사기는 납을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 외부 코어 베슬(210)은 납이 채워진 스테인리스 스틸 셸을 포함할 수 있고, 외부 코어 베슬(210)의 벽은 대략 8 미터의 두께를 가질 수 있다. 중성자 반사기(134)는, 1차 열교환기(122)와 란타나이드 증류기(120)과 같은 구성요소를 코어 뉴트로닉스(neutronics)로부터 고립시키도록, 용융 염(204) 주위에 배치되어 있다. 중성자 반사기(134)는 또한 납을 포함할 수 있다. 1차 열교환기(112) 및 용융 염(204)과 중성자 반사기(134) 상부의 다른 구성요소를 위치시킴으로써, 실시예는 고속 중성자에 의해 야기된 열교환기(122)의 쉘과 튜브에 대한 손상을 방지하고, 코어(110)의 중성자 스펙트럼을 약화시킬 수 있는 1차 열교환기(122)의 금속에 의해 고속 중성자가 포획되는 것을 방지한다.
코어(110)의 일부 실시예는 대략 400 메가와트(MW)의 열을 발생시키고, 외부 코어 베슬(210)이 약 실온(room temperature)에서 작동하는 동안, 용융 염은 600 내지 800 ℃의 온도를 가진다. 코어(110)가 작동하고 있을 때, 내부 코어 베슬(202)과 외부 코어 베슬(210) 사이의 공간(208)은 유체가 들어 있지 않다(진공상태). 진공과 다중층 열 쉴드(206)는 내부 코어 베슬(202)로부터 외부 코어 베슬(210)로 열이 전도 및/또는 복사되는 것을 차단하는 역할을 한다. 일부 실시예에서, 진공과 다중층 열 쉴드(206)는 내부 코어 베슬(202)로부터 외부 코어 베슬(210)로 전달되는 열을 약 1 MW 미만으로 제한한다.
또한, 공간(208)은 시스템(100)의 안전 서브시스템의 구성요소로서의 역할을 한다. 용융 염(204)으로부터의 열전달이 차단되는 조건, 예컨대 열교환기들(122, 112)이 고장나는 경우, 공간(208)은 내부 코어 베슬(202)로부터 외부 코어 베슬(210)로의 열전도를 촉진시키는 유체로 채워질 수 있다. 예컨대, 열교환기들(122, 112)에 대한 전력이 손실되면, 그러한 조건이 발생할 수 있다. 그러한 조건 하에서, 핵분열과 핵분열에 의해 야기된 가열이 중단되지만, 용융 염(204) 내부의 핵분열 생성물의 붕괴(decay)가 한동안 계속되어 코어(110)에 열을 발생시킨다. 시스템(100)의 일부 실시예에서, 공간(208)에 헬륨가스를 채워넣음으로써 코어 베슬들(202, 210) 사이의 열전도가 제공된다. 헬륨은 대기압 상태에 있을 수 있다. 따라서, 시스템(100)의 실시예는, 열에너지가 내부 코어 베슬(202)로부터 외부 코어 베슬(210)로 전도될 때 공간을 채우도록 수동 또는 자동으로 활성화된 헬륨 소스를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 또 다른 열전도성 유체가 헬륨을 대신하여, 또는 추가적으로 사용될 수 있다.
공간(208)을 통하여 외부 코어 베슬(210)로 전도된 열은, 외부 베슬(210)의 납 코어에 의해 대부분 흡수된다. 일세트의 수동 히트파이프(118)가 외부 코어 베슬(210)에 연결된다. 열전도성 히트파이프(118)는 유체가 채워지고, 외부 코어 베슬(210)로부터 라디에이터 패널(radiator panel) 또는 지열 열침(geothermal heat sink)과 같은 열소산 구조물로 열전도하여 제거하도록 작동될 수 있다. 용융 염(204)이 내부 코어 베슬(202)의 표면과 직접적이고 지속적인 접촉을 하기 때문에, 염(204)으로부터 내부 코어 베슬(202)로의 열전달이 차단되지 않는다. 따라서, 설명된 열전달 피쳐와 조합된 용융 염 공정(204)은, 코어 용융(core meltdown)이 일어날 확률을 매우 낮추거나 거의 불가능하게 함으로써, 종래의 임계 코어에 대해 상대적으로 시스템(100)의 총체적 안정성을 매우 향상시킨다.
내부 코어 베슬(202) 내부에 저장된 용융 염 공정(204)은 캐어어 염과 연료염을 포함한다. 캐리어염은 NaCl 및/또는 다른 적합한 중염(heavy salt)일 수 있다. 일부 실시예는 리튬 염(lithium salt) 또는 칼륨 염(potassium salt)을 사용할 수 있다. 캐리어염은, 중성자가 캐리어염의 원자핵과 충돌할 때 중성자 에너지를 Mev 범위에 유지함에 의한 코어(110)의 고속 뉴트로닉스의 원인이 되는 상대적으로 무거운 원자량의 핵종(nuclide)을 특징으로 한다. 그에 반해, 경염(light salt)과 다른 가벼운 물질은 충돌 시 중성자 에너지의 감소시킨다. 연료염은 예컨대, 캐리어염(예컨대, 삼염화 우라늄(uranium trichloride))와 동일한 할로겐화물(halide)(염소(chloringe), 플루오르(fluorine), 브롬(bromine), 등)을 포함하는 우라늄 염일 수 있다.
용융 염(204)의 중성자 이득은 1 미만(예컨대, 0.85 내지 0.97)이고, 따라서 염 혼합물은 자가 지속성 핵분열이 불가능하다. 용융 염 코어(110)와 여기에 개시된 미임계 코어의 다른 실시예에서, 핵분열을 개시하고 지속하는데 요구되는 중성자는 핵파쇄를 통하여 제공된다. 코어(110)은 핵파쇄 타겟(212)의 어레이를 포함한다. 각각의 핵파쇄 타겟(212)은 하나 이상의 금속판을 포함한다. 이 금속판은 텅스텐과 같은 인성(tough) 및 연성(ductile) 재료로 형성되고, 약 1 센티미터 이상의 두께를 가질 수 있다. 활동적 양성자 빔은, 속이 빈 진공튜브를 통하여, 입자 가속기 복합체(102)로부터 각각의 핵파쇄 타겟(212)로 가이드된다. 약 800 메가전자볼트(MeV)의 양성자 에너지를 가정하면, 각각의 양성자는 대략 20개의 중성자를 해방시킨다. 해방된 중성자는 핵분열을 개시시키도록 연료염의 원자핵과 충돌한다.
핵파쇄 타겟(212)은 대략 원형 패턴(예컨대, 7개의 핵파쇄 타겟의 예시적인 배치가 도 14에 도시됨)으로, 내부 코어 베슬(202)의 중심 주위로 대칭적으로 배치된다. 일부 실시예에서, 이 패턴은 내부 코어 베슬(202)의 반경의 대략 1/3인 반경을 가질 수 있다. 각각의 핵파쇄 타겟(212)은 가속기 복합체(102)의 서로 다른 입자 가속기에 의해 발생된 양성자 빔으로 구동된다. 각각 서로 다른 양성자 빔에 의해 구동된 다중 핵파쇄 타겟(212)을 제공함으로써, 시스템(100)의 실시예는, 적절한 빔출력을 제공하는 가속기를 채용하면서도, 코어(110)가 높은 집합 빔출력으로 구동되게 한다. 핵파쇄 타겟(212)과 가속기 복합체(102) 중 관련된 가속기는 또한 일정 수준의 여분을 제공하여, 1개의 가속기가 고장이 나더라도 코어(110)를 완전히 정지시키지 않는다. 대신에, 하나 이상의 입자 가속기가 작동하지 않을 때, 시스템(100)의 실시예는 감소된 출력 수준에서 작동을 계속할 수 있다. 또한, 핵파쇄 중성자를 용융 염(204)에 균일하게 분포시킴으로써, 다중 양성자 빔은 코어(100)의 효율성을 향상시킨다.
중 용융 염(heavy molten salt)(204)에 의해 제공된 고속 뉴트로닉스는, 코어(110)가 토륨(thorium), 우라늄-238(238U), 등과 같은 비핵분열성 물질로부터 연료를 증식(breed)할 수 있도록 한다. 비핵분열성 원자핵이 코어(110)에 있는 중성자를 포획하여 방사성 붕괴를 겪는 변환 프로세스를 통하여, 비핵분열성 물질은 우라늄-233 또는 플루토늄-239와 같은 핵분열성 물질로 변환될 수 있다. 예컨대, 238U에 대한 연료 사이클은, 넵투늄(neptunium)과 플루토늄(239)으로의 베타 붕괴(beta decay)가 뒤따르는 중성자 포획에 의해 238U를 239U로 변환하는 단계를 포함한다.
용융 염(204)의 초고속 뉴트로닉스(ultra-fast neutronics)는 또한 코어(110)에서 발생되는 장수 폐기물 동위원소(isotope)의 핵분열을 가능하게 한다. 긴 반감기(예컨대, 1 내지 10,000 년)를 가지는 폐기물질(예컨대, 아메리슘과 같은 마이너 악티나이드)는 코어(110)에서 증식되고, 열중성자를 포획하지만, 코어(110)의 고속 중성자에 의해 쪼개진다. 결과적으로, 그러한 폐기물질은 시간이 지남에 따라 코어(110)에 축적되지 않고, 오히려 낮은 평형 수준에서 안정화된다. 코어(110)는 마이너 악티나이드의 평형 수준을 유지하도록 구성되기 때문에, 이 코어(110)는 종래의 코어에 의해 생산된 악티나이드 폐기물을 소비하는데 사용될 수 있고, 이로 인해 악티나이드를 저장할 필요성과 현존하는 안전상 문제를 제거 또는 경감시킬 수 있다. 종래의 코어에 의해 발생된 마이너 악티나이드 또는 다른 폐기물은 주기적으로 용융 염(204)에 추가되어 소비될 수 있다. 따라서, 이 코어(110)는 안전한 저장이 요구되는 위험성 폐기물을 파괴하는 방법을 제공한다.
사용된 핵연료는 많은 수의 핵연료원 핵종 238U, 적절한 수의 핵분열성 핵종 235U와 239Pu, 및 엄청난 수의 마이너 악티나이드를 가지고 있다. 발전 시스템(100)은 핵연료원 핵종 238U이 핵분열성 동위원소 239Pu로 변환되어, 239Pu가 핵분열되는 평형을 유지하는데 사용될 수 있어서, 238U가 소비되는 동안 239Pu의 재고가 대략 일정하게 유지된다. 이러한 평형은 등증식(isobreeding)이라고 불리고, 발전 시스템(100)이 소비된 핵연료로부터 사용가능한 에너지의 대부분을 추출하는 것을 가능하게 한다.
변환(transmutation)의 프로세스는 또한 238U의 일부분을 마이너 악티나이드를 포함하는 더 무거운 핵종으로 증식한다. 용융 염(204)의 고속 뉴트로닉스에서, 마이너 악티나이드가 핵분열할 가능성은 그것을 증식할 가능성만큼 크고, 따라서 마이너 악티나이드의 재고는 등증식 사이클 동안 계속 증가하지 않고, 평형 재고에 도달하여 유지된다.
마이너 악티나이드의 파괴를 최적화하기 위하여, 용융 염 코어(110)의 일부 실시예는 토륨을 용융 염(204)에 있는 핵연료원 핵종으로서 사용한다. 토륨의 작은 원자량은 마이너 악티나이드를 증식하는데 요구되는 중성자 포획의 총수를 최대화한다. 안정한 핵종 232Th은 마이너 악티나이트 241Am보다 더 가벼운 9의 원자량을 가지고, 따라서 232Th를 241Am으로 증식하기 위해 9개의 고속 중성자를 포획하는 것이 요구되고, 반면에 238U를 241Am으로 증식하기 위해서는 오직 3개의 중성자 포획만이 요구된다. 이러한 이유 때문에, 토륨을 연료로 한 발전 시스템(100)은 우라늄을 연료로 한 시스템보다 마이너 악티나이드의 훨씬 작은 평형 재고를 가지고, 따라서 종래의 핵분열 발전소의 작동 시 생산되었는 마이너 악티나이드를 위한 소각로로서 사용될 수 있다. 예컨대, 용융 염(204)에서 우라늄보다 토륨을 사용함으로써 코어(110)에서 마이너 악티나이드 재고를 104 배만큼 감소시킬 수 있다. 사용된 핵연료로부터 마이너 악티나이드는 화학적으로 분리될 수 있고, 분리된 마이너 악티나이드는 동작하는 발전 시스템(100)의 연료염(204)에 주기적으로 추가된다. 추가된 마이너 악티나이드는 핵분열에 의해 소비되고, 마이너 악티나이드의 재고는 근본적으로 제한없이, 평형 값에 도달할 것이다.
코어(110)의 일부 실시예에서, 사용후연료핀은 코어(110)의 초기 중성자 이득을 증가시키도록 용융 염(204)에 배치될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 등증식은 용융 염(204)의 중성자 이득을 높은 코어 효율을 제공하기에 충분한 수준까지 증가시킨다. 그러나, 초기에 캐리어염에 있는 연료염(예컨대, UCl3)의 용해도는 용융 염(204)을 상대적으로 낮은 중성자 이득(예컨대, 0.7)으로 제한할 수 있고, 이에 대응하여 코어(110)의 초기 효율을 제한한다. 용융 염(204)의 초기 중성자 이득은 농축 우라늄을 용융 염(204)에 첨가함으로써 향상될 수 있다. 불행히도, 농축 우라늄은 안전상 문제를 야기할 수 있다. 따라서, 코어(110)는 유리하게는 코어(110)의 초기 중성자 이득을 증가시키도록 종래의 열 코어로부터 제거된 사용후연료 핀 어셈블리를 포함할 수 있다. 사용후연료 핀 어셈블리는 코어(110)에 대칭적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 1차 베슬(124)의 벽과 1차 열교환기(122)의 출력에 커플링된 원통형 플레넘 셸 사이에 형성된 고리에서 유동하는 냉각된 용융 염(204)에서 1차 베슬(122)의 주변 둘레에 사용후연료 핀 어셈블리가 배치될 수 있다. 사용후연료핀 어셈블리를 포함시킴으로써, 코어(110)의 실시예는 농축 우라늄을 사용하지 않고서도 초기 중성자 이득을 약 0.95 이상까지 증가시킬 수 있다.
코어(110)의 일부 실시예에서, 사용된 핵연료로부터 추출된 연료염은, 가동 시작부터 코어(110)의 효율적인 작동에 충분한 핵분열성 내용물을 제공한다. 그러한 실시예에서, 농축(enrichment)은 필요하지 않을 수 있다. 코어(110)의 일실시예는 용융 염(204)에 약 30 톤의 우라늄을 포함할 수 있고, 100년 이상 동안 계속 400 MW를 발전할 수 있다. 우라늄 및 용융 염(204)의 다른 핵연료원, 핵분열성 구성요소는 종래의 원자로에 의해 발생된 사용된 핵연료로부터 추출될 수 있다. 종래의 원자로에 의해 생산된 사용후연료는 약 5년의 간격으로 제거 및 교체되어야 할 수가 있다. 사용후연료는 약 80톤의 우라늄과 328킬로그램의 239Pu를 포함하고, 코어(110)에 의해 사용후연료염을 발생시키도록 실험용 증식로 II(Experimental Breeder Reactor-II; EBR2) 재처리 기술(reprocessing technology)을 이용하여 처리될 수 있다.
EBR2 재처리는 용융 염 내로 사용된 핵연료의 연료 어셈블리로부터 연료를 추출하여, 다른 모든 성분을 염에 남기는 전해 분리(electro-separation)에 의해 금속 우라늄을 침전시킨다. 30톤의 사용된 핵연료는, 우라늄과 사용후연료의 초우라늄 폐기물(transuranic waste; TRU)을 모두 함유하는 염을 생산하도록, EBR2 프로세스의 오직 제1 단계만을 통하여 처리될 수 있다. 30톤의 사용후연료로부터 추출된 염은 약 123킬로그램의 239Pu를 함유한다. 또 다른 420톤의 사용후연료는, TRU 염으로부터 금속 우라늄을 분리시키는 과정이 따르는 염 내로 사용후연료를 추출하는 완전한 EBR2 프로세스를 통하여 처리될 수 있다. 잔존 염은 약 4590킬로그램의 239Pu를 함유한다. 이러한 잔존 염은, 코어(110)를 위한 연료염을 생산하도록 초기 30톤의 사용후연료로부터 생산된 염과 결합할 수 있다. 염을 결합함으로써 생산된 연료염은 약 4.71톤의 239Pu와 30톤의 우라늄을 포함함고, 이것은 약 13%의 핵분열성 내용물에 대응된다. 남아있는 415톤의 금속 우라늄은 다른 용도로 이용가능하다.
전술한 바와 같이 재처리된 사용후연료의 양은 종래의 원자로의 약 6번의 5년 연료 사이클에 해당하고, 그러한 양은 얼마든지 원자력발전 사이트에서 이용가능할 수 있다. 따라서, 발전 시스템(100)의 일례는 코어(110)용 연료를 제공하는 종래의 원자로와 함께 위치할 수 있다.
도 1로 다시 돌아가서, 발전 시스템(100)은 시스템(100)이 작동함에 따라 용융 염(204)을 정화하도록 구성되어 있다. 1차 베슬(124)에 배치된 란타나이드 증류기(120)은, 코어(110)가 동작하고 있는 동안 용융 염(204)으로부터 란타나이드를 추출한다. 추출된 란타나이드는 란타나이드 저장 베슬(116)에 저장된다. 란타나이드는 시스템이 작동하는 동안 용융 염(204)을 형성하는 핵분열 생성물이다. 란타나이드는 코어(110) 내부에 증식하는 중성자를 흡수하기 위한 상대적으로 큰 단면적을 가지고 있다. 결과적으로, 용융 염(204)에서의 란타나이드 형성은 중성자를 핵분열에 이용가능하지 않도록 만들고, 따라서 코어(110)의 효율에 악영향을 미친다. 종래의 임계 코어에서, 연료핀에서의 란타나이드 형성은 셔플링(shuffling) 및/또는 핀의 조기 교체를 필요하게 한다.
발전 시스템(100)의 실시예는, 코어(110)가 동작하는 동안 용융 염(204)으로부터 란타나이드를 추출함으로써 높은 효율을 유지한다. 란타나이드의 증기압 대 온도의 비율은 연료염(악티나이드)보다 약 100배 정도 작다. 따라서, 연료염은 란타나이드 증류기(120)에서 가열 및 증류를 통하여 란타나이드로부터 분리될 수 있다. 란타나이드 증류기(120)은, 연료와 캐리어염을 기화시키는 온도까지 용융 염(204)을 가열하는 가열 요소를 포함하고, 란타나이드를 남긴다. 기화된 염은 냉각된 용융 염(204)을 이용하여 응축되고, 코어(110)에 반환된다. 란타나이드는, 코어(110)가 수명이 다 되었을 때 제거하기 위하여 란타나이드 저장 베슬(116)에 축적되고 저장된다. 용융 염(204)로부터 란타나이드를 제거하는 것은 코어(110)의 효율을 개선시키고, 더욱 완전하게 소비될 연료염을 허용함에 의해 코어(110)의 유효 수명을 연장시킨다. 더욱이, 추출된 란타나이드는 다양한 생성물을 생산하도록 재활용될 수 있는 값진 희토류 원소(rare-earth element)이다.
본 시스템(100)에 채용된 일부 란타나이드 증류기(120)는 배치 증류 프로세스(batch distillation process)를 이용한다. 배치 프로세스에서, 다량의 용융 염(204)이 주기적 간격으로 처리된다. 란타나이트 증류기(120)의 다른 실시예는 연속적인 증류 프로세스를 채용한다. 연속적인 프로세스에서, 용융 염(204)은 일정하게 정제된다.
본 시스템(100)의 일부 실시예는 코어(110)에서 생성된 휘발성 물질(크립톤(krypton), 제논(xenon)과 같은)을 제거하기 위한 하나 이상의 크라이오트랩(cryotrap)을 포함한다. 가스가 크라이오트랩에서 응축되고, 코어의 사용이 완료되었을 때 제거하기 위하여 휘발성 핵분열 파편 저장 베슬(126)에 저장된다. 본 시스템(100)의 일부 실시예는, 추출을 위해 휘발성 물질을 크라이오트랩 내로 밀어 넣도록 내부 코어 베슬(202)에 헬륨과 같은 불활성기체 흐름을 제공한다.
앞서 설명한 바와 같이, 코어(110)의 각각의 핵파쇄 타겟(212)은 가속기 복합체(102)에 의해 발생된 양성자 빔과 연관되어 있다. 가속기 복합체(102)는 양성자 빔을 발생시키는 복수의 입자 가속기를 포함한다. 예컨대, 가속기 복합체(102)는 각각의 핵파쇄 타겟(212)에 대한 서로 다른 입자 가속기를 포함할 수 있다. 가속기 복합체(102)의 일부 실시예는 입자 가속기로서 사용되는 등시성 사이클로트록을 포함한다.
가속기 복합체(102)는 또한 인젝터(132)를 포함한다. 이러한 인젝터(132)는 단일의 양성자 빔 또는 복수의 양성자 빔을 생산할 수 있다. 일부 실시예에서, 인젝터(132)는, 70 MeV 내지 200 MeV 범위의 운동 에너지를 가진 양성자 빔을 생산할 수 있는데, 이러한 양성자 빔은 광속의 대략 3분의 1 속도로 운동한다. 사이클로트론 스택(130)은 양성자 빔이 핵파쇄 타겟(212)에 도달하기 전까지 양성자 빔을 가속시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 가속기 복합체(102)의 등시성 사이클로트론에 의해 발생된 양성자 빔 각각은 평균적으로 약 2 mA의 전류와 700 MeV를 생산할 수 있다. 코어(110)에 제공된 양성자 빔은 합산하여 약 10 MW 이상의 빔출력을 제공할 수 있다.
가속기 복합체(102)의 등시성 사이클로트론은 사이클로트론 스택(130)으로서 배치될 수 있다. 사이클로트론 스택(130)의 사이클로트론은 독립적으로 동작하는 등시성 사이클로트론이고, 사이클로트론들 사이에 미소한 분리부를 가지고 플럭스 커플링된(flux-coupled) 연직 스택에 배치된다. 연직으로 적재함으로써 복수의 사이클로트론이 단일의 사이클로트론에 거의 상응하는 풋프린트(footprint)을 공유할 수 있게 된다. 따라서, 가속기 복합체(102)의 실시예는 상응하는 개수의 종래 입자 가속기보다 더 작은 공간을 차지하고, 더 경제적이다. 다른 서브시스템(RF 공동, 삽입부, 추출부, 등)은 독립적이지만, 사이클로트론은 자속 리턴(magnetic flux return)을 공유함으로써, 하나의 사이클로트론이 고장나면, 다른 사이클로트론이 연속하여 동작하게 할 수 있다.
사이클로트론 스택(130)의 사이클로트론 각각은 코어(110)에서 핵분열을 구동하는데 사용되는 복수의 양성자 빔 중 하나를 발생시킨다. 누계적으로, 사이클로트론 스택(130)으로부터 가속된 빔은 핵분열을 촉진시키는 빔 전류 및/또는 에너지를 제공한다. 바람직한 양의 빔 전류 및/또는 에너지를 생산하는데 빔이 하나도 요구되지 않기 때문에, 하나 이상의 사이클로트론이 작동을 멈춘 후에도 코어(110)는 계속하여 작동할 수 있다. 또한, 복수의 양성자 빔을 사용하는 것은, 바람직한 수준의 빔 전류와 에너지를 가진 단일의 빔을 생산하는 것이 가능한 입자 가속기를 디자인할 필요성을 완화시킨다.
이하 더 상세하게 논의되는 바와 같이, 사이클로트론 스택(130)은 복수의 유사한 섹터 자석이 들어있는 자석링, RF 가속 공동, 주입 가속기와 주입 채널, 추출 채널, 코어(110) 상의 주입 채널로의 빔 수송기를 포함한다. 섹터 자석과 사이클로트론 스택(130)의 RF 공동은 인젝터(132)로부터 제공된 양성자 빔을 가속하도록 작동한다. 양성자 빔이 사이클로트론 스택(130)을 회전함에 따라, 속력과 에너지를 얻어서, 양성자 빔에 있는 양성자가 나선형 패턴으로 운동하도록 만든다. 양성자가 바람직한 에너지에 도달할 때, 사이클로트론 스택(130)으로부터 탈출하여, 핵분열을 개시하도록 시스템(100)의 코어(110)로 지향된다.
도 3은 다양한 실시예에 따른, 등시성 사이클로트론 스택(130)의 상면도를 도시하고 있다. 사이클로트론 스택(130)은 연직으로 적재된 복수(예컨대, 7개)의 사이클로트론을 포함한다. 각각의 사이클로트론은, 코어(110)로 지향되기 전에 가속되는 낮은 에너지의 양성자 빔(306)을 사이클로트론의 내부 반경 지역에서 원형 궤도로 수용할 수 있다. 각각의 사이클로트론 내부의 양성자 빔은, 자기 쌍극자 섹터 자석(302)의 대칭적 배열의 갭(308) 내부에 둘러싸인 상대적으로 평평한 원통형 진공 탱크에서 순환할 수 있다. 복수의 섹터 자석(302)은, 섹터 자석들(302) 사이의 갭(308)에 배치된 복수의 RF 공동(304)과 공동으로, 인젝터(132)로부터 넘겨받은 양성자 빔(306)을 가속시킨다. 사이클로트론 스택(130)의 사이클로트론 각각은 섹터 자석(302)보다 더 적은 RF 공동(304)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 섹터 자석(302)은 초철장(superferrice field)를 포함할 수 있는데, 이러한 초철장에서는 생성된 자기장이 자신의 자속 회기 시 스틸을 포화시키는 정도(예컨대, 약 1.8 T) 미만으로 제한된다. RF 공동(304)의 작동 RF 진동수는 사이클로트론에서 양성자 빔의 회전 진동수(예컨대, 1.8 테슬라 가이드 필드에서 회전 진동수 8의 고조파(harmonic)에 상응하는 약 50 MHz)에 기초할 수 있다. 일부 실시예에서, RF 공동(304)은 초전도 RF 공동 또는 유전체 삽입 초전도 RF 공동일 수 있다. 어떤 실시예에서는, RF 공동(304)은 반파장 구조물(half-wave structure) 또는 단락된 전송로(shorted transmission line)로서 구성될 수 있다. RF 공동(304)은 종래의 RF 공동보다 더 적은 공간을 차지한다.
양성자 다발 각각이 운동 에너지를 획득함에 따라, 사이클로트론 스택(130)의 외부 반경 지역을 향하여 나선운동을 하게 된다. 섹터 자석(302)의 극형상은, 양성자 에너지가 정지 질량 에너지(rest mass energy)에 필적할 정도가 되어감에 따라, 평균의 굽은 필드(average bending field)가 일정한 궤도 진동수를 생산할 수 있도록 디자인될 수 있다. 이것은 유지될 RF 필드와 동기화(synchronism )되게 해 준다. 일부 실시예에서, 추출 격벽 전극(extraction septum electrode)(310)은, 코어(110)에 커플링된 빔 전송라인 내로 추출될 수 있도록, 최외각 양성자 궤도를 외부로 편향시키게 위치될 수 있다. RF 공동(304)에 의해 발생된 RF 필드의 진동수는, 양성자 궤도 진동수의 내부 고조파와 동기화될 수 있어서, 양성자 궤도의 각각의 회전마다 공동 전압(V)에 의해 양성자를 가속시킨다. 어떤 실시예에서는, 가속 양성자의 나선형 궤도는 예컨대 800 MeV에서 고전류 빔의 추출 효율을 증기시키도록 이격될 수 있다. 일부 실시예에서, 이러한 이격은 상대적으로 높은 RF 볼트(V)(예컨대, 궤도 회전당 총 1 MeV의 에너지 이득)를 제공함으로써 촉진될 수 있다. 이러한 이격은 상대적으로 낮은 자기장(예컨대, 1.8 T 미만)을 사용함으로써 더 촉진될 수 있고, 따라서 회전당 주어진 에너지 이득으로부터 반경방향 분리가 최대화된다.
도 4는 구체적 실시예에 따른, 플럭스 커플링된 등시성 사이클로트론 스택(130)의 사시도이다. 섹터 자석(302A)이 분리되어 도시되고 있다. 사이클로트론 스택(130)은 연직으로 적재되어 배치된 7개의 등시성 사이클로트론을 포함한다. 사이클로트론 스택(103)의 다른 실시예는 다른 개수의 사이클로트론을 포함할 수도 있다. 사이클로트론 궤도 각각의 양성자 빔은, 코일 어셈블리(502)의 인접한 쌍에의해 형성된 개구(aperture)에서 선회한다.
도 5A는 다양한 실시예에 따른, 섹터 자석(302)의 코일 어셈블리(502)의 사시도이다. 도 5B는 다양한 실시예에 따른, 섹터 자석(302)의 코일 어셈블리(502)의 단면도이다. 섹터 자석(302)은 복수의 코일 어셈블리(502)(502a-h로 도시됨)를 포함하는데, 이러한 코일 어셈블리는 코일 어셈블리(502)의 인접한 쌍들 사이의 진공 갭(504)을 가지고 연직으로 적재되어 지지되고 있다. 각각의 사이클로트론에 대한 자기장은 코일 어셈블리(502)의 인접한 쌍에 의해 발생된다. 각각의 코일 어셈블리(502)는, 자기 투과성 스틸 플럭스 판(506)에 본딩된 하나 이상의 초전도 권선(508)으로 구성된다. 일부 실시예에서, 초전도 권선은 니오븀-티타늄 합금일 수 있다. 코일 어셈블리(502)의 인접한 각각의 쌍 사이의 진공 갭(504)은 개구(aperture)를 구성하는데, 하나의 양성자 빔이 각각의 사이클로트론에서 가속됨에 따라, 이 개구를 통하여 양성자 빔이 선회한다. 섹터 자석(302)은 7개의 개구(즉, 7개의 등시성 사이클로트론)를 한정하는 8개의 코일 어셈블리(502)를 포함한다. 섹터 자석(302)을 위한 코일 어셈블리(502)의 스택 전체는 자기 투과성 스틸로 만들어진 C-형상의 플럭스 리턴(flux return)(510)의 개구 내부에서 지지된다. 자기장은 하나의 갭(504)으로부터 그 다음 갭으로 통과하고, 플럭스 판(506)에 의해 촉진된 단일의 C-형상 실온 스틸 플럭스 리턴을 통하여 복귀된다. 일부 실시예에서, 코일 어셈블리(502)는 액체 헬륨의 극저온(cryogenic temperature)에서 유지될 수 있는 반면, 주위의 C-형상 플럭스 리턴(510)은 실온에서 유지된다.
어떤 실시예에서는, 다른 모든 요소에 의해 발생된 자기장에 의해 각각의 코일 어셈블리(502) 상의 작용에 의해 발생된 로렌츠힘(Lorentz force)의 균형이 존재할 수 있다. 초전도 권선 어셈블리(508)의 기하형상을 적절하게 디자인하고, 스택에 있는 권선 사이의 진공 갭(504)을 연속시킴으로써 이러한 균형이 달성될 수 있다. 이것은, 세그먼트의 중력 하중(gravitational weight)와 비교해 매우 클 수 있는 로렌츠힘이 서로 인접한 힘 사이에 균형을 이룬다는 이점을 가질 수 있다. 예컨대, 코일 어셈블리(502d)를 위로 잡아당기는 코일 어셈블리(502c)로부터의 로렌츠힘은, 코일 어셈블리(520d)를 아래로 잡아당기는 코일 어셈블리(502e)로부터의 로렌츠힘과 대략 동일할 수 있다. 이러한 균형은 갭(504)에서 자기장 분포에 대한 충격이 존재하기 않거나, 상대적으로 거의 없으면 달성될 수 있다. 따라서, 실온의 플럭스 리턴(510) 내부에서 극저온으로 냉각된 코일 어셈블리(502)의 스택을 지지하는 인장력 지지 부재(512)는 부재의 중력 하중을 지지할 필요만 있고, 훨씬 더 큰 로렌츠힘을 지지할 필요는 없다. 이것은 4K의 코일 어셈블리와 웜-아이언 플럭스 리턴(warm-iron flux return) 사이가 열적 단락(thermal short)이 아닐 수 있는 구조물로 거대한 로렌츠힘을 지지할 수 있게 한다. 이러한 이점은 지지 부재(512)를 통하여 전도성 열하중의 합리적인 최소값을 허용하는 인장력 지지 부재(12)의 디자인을 가능하게 한다.
섹터 자석(302)의 일부 실시예에서, 코일 어셈블리(502)는 교번구배 4극자장을 생성하도록 구성된다. 코일 어셈블리(502)는 4극자 어레이를 발생시키고, 4극자 중 하나는 연속적인 빔 궤도 각가의 평형 궤도의 중앙에 위치한다. 이러한 4극자는, 사이클로트론에서 각각의 회전의 평형 궤도를 따라 빔을 지향시키도록 양성자 빔을 집중시킨다. 이러한 방식으로 빔 궤도를 지향함으로써, 가속기 스택(130)의 실시예는 다른 사이클로트론보다 더 적은 캘리브레이션, 셋업, 유지보수를 요구하고, 더 큰 빔 위상 공간을 수용하고, 더 작은 손실을 가진 더 큰 빔 전류의 가속을 허용하여, 실시예가 산업용으로 더욱 적합하게 된다.
도 6은 교번구배 4극자장을 생성하도록 구성된 한 쌍의 코일 어셈블리(502)의 단면도이다. 코일 어셈블리(502)의 일부 실시예에서, 코일 어셈블리(502)의 면은, 양성자 빔의 궤도(606)를 한정하는 4극자를 생성하는 삼각형 또는 치형 릿지(ridge)(602) 세트를 포함한다. 다른 실시예에서, 코일 어셈블리(502)의 면은, 4극자를 생성하는 극면 권선(pole-face winding)(604)을 포함한다. 또 다른 실시예는 릿지(602) 및 극면 권선(604)을 포함한다. 코일 어셈블리(502)의 다른 실시예는 다른 형상의 릿지를 포함하여, 다른 필드, 예컨대 8극자장을 생성할 수 있다. 릿지(602) 및/또는 극면 권선(604)은, 사이클로트론의 바람직한 빔 궤도에 대응하는 호(arc)를 생성하도록 만곡형일 수 있다.
도 6은 또한 릿지형 스틸면(602)과 극면 권선(604) 모두가 설치된 코일 어셈블리(502) 사이의 갭에서의 자기장 분포를 도시하고 있는데, 이러한 자기장은 1.7 T 쌍극자장을 위한 주 쌍극자 권선에 의해 구동된다. 오직 릿지(802)에 의해서만 생성되는 4극자 구배는 G ~ 1.5 T/m이다. 1 mm 두께의 권선에서 1000 A/mm2으로 여기되는, 오직 극면 권선(604)에 의해 생성된 4극자 구배는 G ~ 1 T/m이다. 섹터 쌍극자를 통하여 지나감에 따라, 릿지(602)와 권선(604) 모두의 조합에 의해 생성되는 4극자 구배는 G ~ 2.5 T/m이고, 이는 양성자 빔을 포커싱하기 위한 초점 거리에 대응된다:
사이클로트론 궤도의 중간 범위에서:
가속기 스택(130)의 일부 실시예는 각각의 궤도에 대하여 교번 부호 구배를 가지도록 연속되는 섹터 자석(302) 상에 4극자를 형성하고, 이것은 초점 거리 β ~ f, 및 베타트론 튠(betatron tune) ~ 2πR/β ~ 10 에 필적하는 수송 베타 함수를 가진 포커스/디포커스(FODO) 교번구배 초첨 채널을 생성한다. 따라서, 가속기 스택(130)의 실시예는, 앞서 설명한 극면 4극자를 이용하여 각각의 등시성 사이클로트론의 궤도 내부에서 양성자 빔의 강집속 수송(strong-focusing transport)을 생성한다.
강집속 빔 수송은 수많은 이점을 가진 가속기 스택(130)의 실시예를 제공한다. 베타트론 튠을 제어함으로써, 실시예는 튜닝을 모든 궤도에 대해 동일하게 만들 수 있고, 단편적 공명 및 커플링 공명을 방지하는 튜닝 값을 선택하는데 사용될 수 있다. 빔의 횡방향 사이즈가 β에 반비례하기 때문에, 빔 사이즈는 종래의 약집속 수송(weak-focusing transport)에 비해서 2배 이상이 감소될 수 있다. 또한, 종래의 등시성 사이클로트론에서 섹터 자석은 프린지 필드(fringe field)에서 연직 포커싱을 생성하도록 나선형으로 만곡되어야 하는 반면, 가속기 스택(130)의 실시예는 앞서 개시한 극면을 이용하여 앰플 포커싱(ample focusing)을 제공하고, 비곡면의 섹터 자석을 채용할 수 있다. 이것은 섹터 자석 사이의 공간에서 RF 공동의 위치를 단순화시키기 때문에 유리하다. 도 7은 앞서 개시한 바와 같은 4극자 구배를 발생하도록 구성된 극면을 포함하는 사이클로트론 스택(700)의 상면도를 도시하고 있다. 섹터 자석(702)은 RF 공동(704)의 배치를 용이하게 하는 비곡면 측부(704)를 포함한다. 사이클로트론 스택(700)은 가속기 복합체(102)의 실시예에서 사이클로트론 스택(130)을 대신할 수 있다.
사이클로트론 스택(130)은 복수의 사이클로트론을 서로 매우 근접하여 배치한다. 예컨대, 섹터 자석(302)에서 사이클로트론 간격은 대략 0.35미터 이하일 수 있다. 사이클로트론 스택(130)의 실시예는 그러한 치수 내부에서 작동하도록 구성된 RF 공동(304)을 포함한다. 도 8은 다양한 실시예에 따른, 사이클로트론 스택(130)과 함께 사용하기에 적합한 RF 공동(304)의 절단면의 개략도를 도시하고 있다. RF 공동(304)은 2개의 RF 챔버(802, 804)를 포함한다. RF 챔버(802, 804)는 가속 갭(806)의 상부와 하부에 대칭적으로 배치될 수 있다. RF 챔버(802, 804)는 도시된 바와 같이 가속 갭(806)에 평행하게 배향될 수 있다(수평면에 배치되거나 사이클로트론의 궤도면에 평행한 면에 배치됨). 이러한 배치는 양성자 빔에 의해 횡단되는 지역에서 가속 전기장의 대칭적 패턴을 생성할 수 있다. 그러한 상부/하부 구조는 반파장 또는 단락 스텁-라인(shorted stub-line) 기하형상이 공동(304)에 의해 둘러싸인 반경 지역의 최내부 및 최외부 한도에서 종료되도록 한다.
RF 공동(304)은 연속적이고, 전기장이 사이클로트론의 중심을 향하거나 또는 중심으로부터 멀어지는 방향을 가리키도록 배향되는 종방향 모드에 커플링되는 것을 감소 또는 제거하기 위하여 공동(304)의 내부 단부(미도시)와 외부 단부(808) 모두에서 자기 자신을 감싸고 있다(wrap on itself). RF 신호는 챔버(802, 804)의 원단부에 있는 포인트(810)에서 공동(304)에 커플링된다. 이 시스템(100)은 RF 신호를 RF 공동(304)으로 구동하기 위하여 솔리드 스테이트(solid state) 파워 앰프(power amplifier)를 포함할 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 솔리트 스테이트 RF 파워 앰프가 RF 신호를 각각의 포인트(81)로 구동하도록 구성될 수 있다. 복수의 파워 앰프는 여분(redundancy)을 제공하여, 하나 이상의 파워 앰프가 고장하는 경우에도 공동(302)이 계속 작동할 수 있게 한다. 복수의 앰프는, 양성자 빔의 이어지는 궤도로 RF 파워를 공동에 의해 전달되는 파워 분포와 반경에서 동일한 분포로 도입시키는데 사용될 수 있어서, 공동 벽 상의 전류는 순수하게 바람직한 가속 모드로 흐른다.
RF 공동(304)의 벽은 니오븀 또는 다른 적절한 초전도체와 같은 초전도 물질(superconducting material)로 만들어질 수 있고, 초전도체가 동작하기에 적합한 온도까지 냉각될 수 있다. RF 공동(304)은 사이클로트론을 통과하는 양성자 궤도의 회전 진동수의 제4 또는 제6 고조파(harmonic)에서 작동할 수 있다. 일부 실시예에서, RF 공동(304)은 1 MV의 가속 전압과 우수한 모드 안정성이 가능할 수 있다.
도 9는 가속기 스택(130)과 함께 사용하기에 적합한 RF 공동(904)의 다른 일실시예를 도시하고 있다. 교번 공동(alternate cavity)(904)은 수평 챔버(906, 908)를 포함한다. 어떤 실시예에서, RF 공동(904)은 고유전율을 가진 유전체 슬랩(high-permittivity dielectric slab)(910)을 가진 단락된 전송 라인을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 유전체 슬랩(910)은 루틸(rutile)(α-상 Ti2O3) 또는 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. RF 공동(904)의 벽(912)은 니오븀 또는 다른 적절한 초전도체와 같은 초전도 물질로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 표면장(surface field)은, RF 공동(904)의 초전도 벽과 유전체 슬랩(910) 사이에 슬롯 공간을 제공하고, 슬롯 공간에서 전기장이 RF 공동(904)에 걸쳐서 대략 일정하도록 슬롯 공간의 폭을 테이퍼링(taper)시킴으로서, 고장 한계(breakdown limit) 내에서 유지될 수 있다.
어떤 실시예에서는, RF 손실의 대부분이 유전체 슬랩(910)에서 발생할 수 있다. 유전체 슬랩(910)을 초전도 벽(912)보다 더 높은 작동 온도에서 유지하는 것은, RF 손실로부터의 열이 실온으로 펌핑될 수 있는 카르노 사이클(Carnot-cycle)의 효율을 향상할 수 있다. 일부 실시예에서, RF 공동(904) 내부의 유전체 슬랩(910)은 전술한 슬롯 공간 내부에서 벽(912)에 닿지 않고 매달려 있을 수 있다. 벽(912)과 유전체 슬랩(910)은 서로 다른 온도로 냉각될 수 있다. 예컨대, 벽(912)은, 유전체(910)의 손실 탄젠트(loss tangent)를 최소화하기 위하여, 대략 4 K(초전도체의 작동을 유지하는데 필요한, 액체 헬륨의 온도), 유전체 슬랩(910)은 20 K(LNe 냉각재를 이용함) 또는 80K(LN2 냉각재를 이용함)로 냉각될 수 있다. 또는, Nb3Sn과 같은 더 진보된 초전도 물질이 니오븀 공동의 내면 상의 표면 코팅으로서 사용될 수 있다. 이것은 8 내지 12 K과 같은, 순수한 니오븀을 이용한 경우보다 더 높은 온도에서 작동할 수 있게 한다. 온도 증가는 RF 손실로부터의 열이 실온으로 펌핑될 수 있는 카르노 사이클의 효율을 향상시킬 수 있다.
일부 실시예에서, RF 공동(904)은 공동(904)을 모드잠금(mode-lock)하도록 초전도 벽(912)에 방위각으로 배향된 소정 패턴의 슬롯을 포함할 수 있어서, RF 공동(904) 내의 필드와 전류가, 빔에서 순환하는 양성자 다발을 가속하기에 적합한 모드로 유지된다. 이러한 모드 선택의 형상은, 빔 로딩(beam loading), 파워 커플링(power coupling), 및/또는 각각의 RF 공동(904)의 최외측과 최내측 반경 방향 한도에서 공동 구조의 종료로부터 발생할 수 있는 왜곡(distortion)으로부터 공동(904)를 안정화시킬 수 있게 한다.
유전체(910)의 높이는 아래와 같은 방정식을 이용하여 결정될 수 있다:
물질의 상대 유전율 ε가 125(실온에서 루틸에 대한 평균값)라고 가정하면, 타겟 진동수 f는 48 MHz이고, 광속 c는 3×108이고, 따라서 유전체의 높이 L은 다음과 같다:
더 복잡한 기하형상에 대해서는, 유전체의 높이를 결정하기 위해 수치해석 방법을 이용하는 것이 적합할 수 있다. RF 공동(904)의 길이를 증가시킴으로써, 사용되는 유전체의 양의 감소, 절연 갭의 증가, 및 구조물에서 피크 필드(peak field)의 감소가 가능할 수 있다.
유전체(910)는, 양성자 빔이 가속 갭(914)을 통과해 지나갈 때 양성자 빔으로부터의 가시선이 없도록(예컨대, 비선형 동적 효과, 역 체렌코프(inverse Cerenkov) 효과, 등), RF 챔버 내에서 리세스를 가질 수 있다. 이것은 고전류 작동을 제한할 수 있는 다양한 2차 필드 상호작용(secondary field interaction)과 차징 현상(charging phenomenon)을 방지하는데 도움이 될 수 있다. 일부 실시예에서, 유전체는 열적 고립을 위한 진공 갭에 의해 RF 공동(904)의 벽으로부터 분리될 수 있다. 구체적 실시예에서, 유전체는 RF 공동(904)의 벽에서 컷오프 홀(cut-off hole)을 통과해 지나가는 소정 패턴의 루틸 튜브를 통하여 RF 챔버(906, 908)에서 지지될 수 있다. 이 루틸 튜브는 80 K의 액체 질소의 강제 유동을 이용하여 냉각될 수 있다. 이것은 대략 1 MV의 가속 전압을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예에서, 유전체(910)는 밀링된 측면이 LN2 냉각 슬롯을 형성하는 융합 접착된 브릭(brick)을 포함할 수 있다.
어떤 일례에서, RF 챔버(906, 908)의 기하 인자는 4.25 W일 수 있고, 이 값은 아래 방정식으로부터 결정된다:
작동 진동수가 낮을 수 있고, 표면 저항이 진동수의 제곱으로 스케일링될 수 있기 때문에, 4.2 K에서의 니오븀의 표면 저항은, 공동-등급 니오븀에 대하여 10 nΩ 미만인 벌크 니오븀(bulk niobium)의 잔류 저항(residual resistance)에 의해 결정된다. 4.2 K, 48 MHz에서, 니오븀 벽 상에 소산된 파워는 약 10 nW일 수 있다. 
의 적분값은 2.1 A2/m (갭에 걸쳐 25.2 V에 대한)이고 , 이것은 공동의 전체 기하형상에 대한 니오븀에서 33 W/m의 벽 소산에 해당한다. 각각의 사이클로트론이 4개의 5 m 길이 공동을 가진, 5개의 사이클로트론의 스택에 대하여, 이것은 4.2 K에서 3.5 W의 극저온 열하중을 형성할 수 있고, 이 값은 냉각을 위한 대략 3 MW의 주전력 조건에 상응한다.
공동(904)의 Q 값은 약 3.3 × 107일 수 있고, RF 챔버(908, 906)의 초전도 벽(912)에 대해 33 W/m의 손실(4.2 K에서), 유전체(910)에 대해 1.2 kW/m의 손실(77 K에서)이 있다. 일부 실시예에서, 유전체가 삽입되고, 단락된 스텁 공동(904)의 분로 임피던스(shunt impedance)는 다음과 같을 수 있다:
RF 공동(904)의 벽(912)으로부터의 손실은 약 250 W/m일 수 있다. 온도가 더 높은 유전체로부터의 복사 열하중은 추가적인 11 W/m을 가져온다. 액체 헬륨 냉각 시스템 상의 전체 열하중은 약 261 W/m일 수 있다. 어떤 일례에서, RF 공동(904)의 벽 상의 자기장은 대략 1600 Oe일 수 있다.
일부 실시예에서, 직사각형 슬롯은 냉각을 제공하기 위하여 유전체(910) 내로 통합될 수 있다. 유전체(910)는, 직사각형 포켓을 형성하도록 일측면이 밀링되는 동일한 정사각 단면의 유전체 브릭(brick)으로부터 조립될 수 있다. 이 브릭은 포켓 채널을 밀봉하도록 융합 접착될 수 있어서, 냉각재가 유동하는 유동 채널을 제공한다. 브릭의 사이즈는, 비등(boiling)을 방지하는 액체 냉각재로 전달하기 위한 일반적 1 W/cm2의 한계 내에서 유지되기에 충분한 표면 열전달을 제공할 수 있다.
일실시예에서, 유전체(910)의 두께는 점점 가늘어질 수 있다. 이것은 가속 갭(914)을 따라 대략 일정한 전기장 레벨을 유지하는 데에 도움이 될 수 있다. 위상 변이가 없는 가속 전압(Accelerating Voltage)은 아래와 같이 정의된다.
여기서 ω는 각진동수이고, v는 입자의 속력이고, x 0 는 가속 갭의 폭의 절반이고, x=0에서 최대 전기장을 가진다.
일실시예에서, RF 공동(904)의 단부는, 양성자 빔에 의해 횡단되는 영역을 넘어서, U-턴 주위로 초전도 벽을 연속시킴으로써 종료될 수 있다. 이것은 하나의 사이클로트론층을 다음 층에 연결할 수 있다. RF 공동(904)의 단부를 종료시키는 또 다른 방법은, 유전체(910)를 연속시키지 않고, RF 챔버(906, 908)의 초전도 벽을 연속시키는 방법일 수 있다. 초전도 벽(912)은 내부 연직 분리부가 대수적(logarithmic)적으로 가늘어지는 형태로 연장될 수 있다. 이러한 방법 모두에서, 자기장은 양성자 빔에 의해 횡단되는 가속 갭(914)의 일부분 위로 섭동(perturbation)이 거의 존재하지 않도록 유지될 수 있다.
도 10은 일실시예에 따른 RF 공동(304)과 이와 연관된 자기 쉴드(1002)의 단면 개략도이다. 다양한 실시예에 따르면, 가속기 복합체(102)는 각각의 RF 공동(304)과 이에 근접한 섹터 자석(302) 사이에 배치된 자기 쉴드(1002)를 포함한다. 코일 어셈블리(502)의 배열은 근접한 코일 어셈블리들(502) 사이를 주로 흐르는 자속(magnetic flux)의 패턴을 생성한다. 그러나, 자속 중 일부는 섹터 자석(302)의 측면 영역 내로 부수적으로 흐를 수 있다(fringe). RF 공동(304)은 섹터 자석(302) 사이에 위치할 수 있다. 자기 쉴드(1002)는 코일 어셈블리(502)에 의해 생성된 자기장으로부터 RF 공동(304)를 보호하여, 자기장이 공동(304)의 초전도체를 포화시키는 것을 방지하고, 공동(304)이 작동 불가능하게 되는 것을 방지한다.
자기 쉴드(1002)는 복수의 금속판(1004)을 포함한다. 이 금속판(1004)은 투과성(permeable) 금속, 또는 고투과성의 합금으로 만들어질 수 있다. 각각의 판(1004)은 빔 궤도면에 거의 수직으로 연장되며, 프린지 플럭스(fringe flux)를 차단하고 플럭스를 플럭스판(506)으로 되돌려 보내도록 배치되어, 플럭스 경로를 폐쇄한다. 각각의 판(1004)은 빔 평면에서 가장 먼 판의 단부로부터 플럭스판(506)의 측벽까지 연결하는 수평판 세그먼트에 연결된다. 자속을 프린지(fringe)하기 위한 낮은 자기저항(relectance) 경로를 생성함으로써, 공동(304)에 도달하는 플럭스의 레벨이 크게 감소된다. 연속된 복수의 판(1004)은, 프린지 필드의 쉴드를 최적화하도록, 연속된 판(1004) 사이의 갭 공간을 두고 이러한 방식으로 배치될 수 있다. 예컨대, 도 10에 도시된 바와 같이, 2개의 판(1004)이 적절한 갭을 두고 배치되고, 이러한 갭은 1.8 테슬라(T)의 섹터 자석(302)의 프린지를 공동(304)에서 10 mT 이하까지 감소시킬 수 있다.
도 11은 다양한 실시예에 따른 가속기 스택(130)에 사용하기에 적합한 단일의 RF 챔버(1106)를 포함하는 대안적인 RF 공동(1104)을 도시하고 있다. 단일의 RF 챔버(1106)만을 가지고 있지만, RF 공동(1104)은, 다른 측면에서 앞서 설명한 RF 공동(904)와 실질적으로 유사하다. 가속기 스택(130)의 실시예는 RF 공동들(304, 904, 1104)의 하나 이상의 임의의 조합을 포함할 수 있다.
스택된 사이클로트론(130)의 일부 실시예는 섹터 자석(302) 사이에 직렬로 배열된 복수의 RF 공동을 포함할 수 있다. 도 12는 2개의 섹터 자석(1202, 1204) 및 섹터 자석(1202, 1204)들 사이에 배치된 2개의 RF 공동(1206, 1208)을 나타낸 것이다. 섹터 자석(1202)은 섹터 자석(302)과 대등하고, RF 공동(1206, 1208)은 RF 공동들(304, 808, 1104) 중의 하나 이상의 임의 조합된 공동일 수 있다. 외부 RF 공동(1208)은 외부 영역에 있을 수 있는데, 이 외부 영역에서는 섹터 자석(1202, 1204) 사이의 갭이 스택된 사이클로트론(130)의 중심으로부터 반경 방향으로 연장됨에 따라 점점 커진다. 외부 RF 공동(1208)은 일회전 당 추가적 에너지 이득을 제공할 수 있다. 일회전 당 추가적 에너지 이득은 이어진 궤도들 사이에 추가적인 간격을 제공할 수 있어서, 최대 에너지에서 손실이 적은 빔 추출을 용이하게 한다.
도 13은 다양한 실시예에 따른, 연료핀 기반의 미임계 코어 원자력발전 시스템을 나타낸 것이다. 연료핀 기반의 미임계 코어 원자력발전 시스템(1300)은 상술한 가속기 복합체(102), 연로핀 기반의 미임계 코어(1302), 발전기(1304), 및 연료 처리 복합체(1306)를 포함한다. 이러한 코어(1302)는 토륨을 포함할 수 있는 연료핀(1308)을 포함한다. 전술한 용융 염 공정 시스템(molten salt eutectic system)(100)과 같이, 이 시스템(1300)은 토륨 사이클 핵분열을 사용하여 전력을 생성할 수 있다. 토륨 사이클 핵분열에서, 토륨(232Th)은 핵분열을 위해 233U으로 변환된다. 토륨 원자핵은 핵분열하기 쉽지 않지만, 고속 중성자를 쉽게 포획하여, 방사성 동위원소 233Th이 된다. 233Th 원자핵은 두 번 붕괴하여 핵분열성 동위원소 233U을 형성한다. 일부 실시예에서, 233U을 생성하는 동일한 변환 과정은 코어(1302)에서 생성되는 핵분열 생성물을 또한 변환시켜서, 코어(1302)에서의 장수 폐기물 동위원소의 축적을 제한한다.
232Th의 변환 및 233U의 자극(stimulation)은 고속 중성자를 사용한다. 고속 중성자를 획득하기 위해서, 코어(1302)는 원자량이 큰 물질(예컨대, 용융 납, 금속, 염 등)을 감속재(moderator)로 사용한다. 상술한 염(204)의 중캐리어염과 같은 무거운 감속재는, 활동적인 (고속) 중성자가 각 충돌에 따라 그 에너지의 작은 부분만을 손실하거나, 또는 감속재 핵과 함께 산란되는 것을 허용한다. 따라서, 핵에너지는 코어(1302) 내에서 확산하고 소산됨에 따라 천천히 감소된다. 이로 인해, 각각의 중성자는 232Th 핵을 포획하고 변환시킬 최대 확률을 가지기에 충분한, 또는 대안적으로 변환를 통해 이미 생성된 233U 원자핵의 핵분열을 촉진하기에 충분한 에너지를 유지한다.
가속기 복합체(102)는 복수의(예컨대, 3 이상) 활동적인 광자의 빔을 생성하여, 핵파쇄를 통하여, 핵분열을 유지하는데 필요한 중성자 중 일부를 제공하는 코어(1302) 내로 주입한다. 양성자가 감속재 내의 원자핵(예컨대, 납의 원자핵) 상에서 산란되는 경우, 복수의 활동적인 중성자가 해방된다. 복수의 양성자 빔의 누적된 에너지는, 연료 변화 및 미임계 코어(1302)에서의 핵분열을 유지하기에 충분한 중성자를 제공한다. 또한, 원자량이 큰 물질(예컨대, 납)이 감속재로 사용되기 때문에, 감속재는 상대적으로 큰 열용량을 가지고, 열 전달 시스템이 고장나서 코어(1302)가 폐쇄되는 경우에 코어(1302)가 위험한 온도로 가열되는 것을 방지할 수 있다.
핵분열로부터의 열은 코어(1302)의 용융 칼럼(1310)(예컨대, 용융 납)을 통하여, 대류의 방식으로 코어(1302) 위에 위치한 열교환기(1314)에 전달될 수 있다. 열교환기(1314)는 열을 용융 납으로부터 발전기(1320)와 함께 전기를 생성하는 증기 터빈(1316)을 구동하는 데 사용되는 증기로 전달한다. 온도가 상승함에 따라, 터빈(1316)을 구동하기 위한 열효율은 향상될 수 있다.
펌프(1322, 1324)는 용융 납 및 물의 움직임을 용이하게 할 수 있다. 특히, 펌프(1324)는 냉각된 용융 납을 코어(1302)의 바닥으로 다시 펌핑하여 열전달 사이클을 폐쇄할 수 있다. 응축기(1318)는 터빈(1316)을 구동하는 증기을 다시 액체로 응축할 수 있다. 펌프(1322)는 응축기(1318)로부터 열교환기(1314)로 액체를 다시 펌핑하여 다시 증기로 변환되도록 할 수 있다.
도 14는 일실시예에 따른 코어(1302)에서의 양성자 빔 분포 패턴의 부감도의 블록 다이어그램을 도시한 것이다. 코어(1302)의 토륨 연료는 번들(1450)로 조립되어 있는 연료핀(1308)에 포함되어 있다. 연료핀들 사이의 공간은 납과 같은 용융 물질로 채워져 있다. 코어(1302)의 가장 바깥쪽의 반지름을 따라 용융 금속의 부가층(1460)이 중성자 반사체의 역할을 한다. 도시된 실시예에서, 코어(1302)는 서로 등거리로 분포되어 있는 7개의 양성자 빔(1420)에 의해 구동된다. 양성자 빔(1420)의 분포는 토륨 연료를 포함하는 코어(1302)의 영역 전체에서 대략 동질일 수 있는 플럭스와 함께 핵파쇄 중성자의 생성을 유지하도록 도울 수 있다. 일실시예에서, 빔(1420)은 누적적으로 대략 15 MW의 양성자의 연속된 빔출력(예컨대, 대략 운동 에너지 800 MeV에서의 12 mA 전류에 대응)을 제공할 수 있다.
각각의 양성자 빔(1420)은 각각 진공 튜브인 양성자 빔 주입 채널(1430)을 통하여 사이클로트론 스택(130)의 사이클로트론으로부터 코어(1302) 내의 상이한 핵파쇄 존(1440)으로 향한다. 각각의 양성자 빔 주입 채널(1430)은 코어(1302)의 수직 축에 평행하게 정렬될 수 있고(예컨대, 코어(1302)의 최상단면에 수직으로), 코어(1302)에서 정지할 수 있고, 또는 코어(1302)를 통하여, 완전히 또는 부분적으로, 연장될 수 있다. 양성자 빔 주입 채널(1430)은 코어(1302) 내부에서 대칭적인 패턴으로 배치될 수 있다. 이러한 배열은 코어(1302) 전체를 통하여 중성자의 용적식 투입(volumetric feed)에 가까운 효과를 가질 수 있다. 이것은 대략 0.5 기가와트(GW) 코어를 위한 3개 빔의 패턴, 대략 1.2GW 코어를 위한 7개(6-on-1)의 빔의 패턴, 또는 더 높은 전력 코어를 위한 빔의 많은 다양성으로 수행될 수 있다. 또한, 복수의 빔(1420)의 사용은 코어(1302)의 외곽 영역에서의 중성자의 감쇠(attenuation)를 줄여, 코어(1302)의 전력 밀도가 연장된 작동기간 동안 상대적으로 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 일실시예에서, 연료핀 번들(1450)은 연장된 작동기간 동안 연속적으로(예컨대, 리셔플링(reshuffle)없이) 사용될 수 있다.
각각의 양성자 빔 주입 채널(1430)로 주입된 양성자 빔(1420)은 하나 이상의 조종 요소에 의해 스캔되어, 양성자 빔(1420) 내의 양성자가 양성자 빔 주입 채널(1430)의 측벽에 대략 접선 방향으로 부딪칠 수 있다. 일실시예에서, 수은 증기에 기초한 고전력 타겟팅가 사용될 수 있다. 수은 증기 타겟은 고전력 양성자 또는 이온 빔에 대한 최적의 타겟팅을 제공할 수 있지만, 타겟은 연속적으로 응축되고 재순환되어 파괴되는 수은(Hg) 증기 칼럼일 수 있어서, 방사선 피해가 될 수 있는 물질이 없게 된다. 예컨대, 액체 수은 타겟은 빔이 액체 수은의 '분수' 흐름에 들어감에 따라 생산될 수 있다. 액체 칼럼은 액체 흐름에 의해 방해받을 수 있지만, 그 후 곧 회복하여 그 다음의 무리가 타겟팅될 수 있다. 일실시예는 수은 증기의 고밀도 칼럼을 포함할 수 있다. 금속 수은은 실온에서는 액체이고, 적당한 온도에서는 큰 증기압을 갖는다는 고유한 특성을 가진다.
양성자가 튜브 벽에 부딪치면, 핵파쇄 존(1440)으로 나아가고, 각각의 양성자 빔(1420) 주위의 세로로 분포된 파쇄 중성자의 플럭스를 낳는 핵 산란의 시퀀스를 생산한다. 대략 800 MeV의 운동 에너지를 갖는 양성자는 핵파쇄를 통하여 12개의 고속 중성자를 생산할 수 있다. 핵파쇄 중성자는 납 원자핵과의 탄성 충돌에 의해 점차적으로 에너지를 잃는다. 핵파쇄 중성자가 연료핀 번들(1450)을 통과함에 따라, 232Th 핵에 의해 포획되어 더 무거운 동위 원소인 233Th으로 변형될 수 있다.
핵파쇄 존(1440)은 납과 같은 용융 금속을 포함할 수 있다. 일실시예에서, 코어(1302)는 용융 금속(예컨대, 납)의 욕(bath)에 담가질 수 있다. 용융 금속은 핵파쇄 존(1440)을 채워, 파쇄 타겟, 고속 중성자 감속재, 및 대류 열전달을 위한 매체의 역할을 할 수 있다. 일실시예에서, 용융 염 슬러리가 용융 납 또는 용융 금속 대신 사용될 수 있다.
양성자 빔을 균등하게 분배하면, 코어(1302) 내에서 연료봉(1308)이 소비되어, 효율을 증가시킬 수 있다. 특히, 핵분열 생성물이 상대적으로 높은 확률로 고속 중성자를 포획하기 때문에, 핵분열 생성물은 양성자 빔(1420)이 주입되는 영역 근처에 축적되는 경향이 있고, 따라서 주입 지점으로부터 더 멀리 도달할 수 있는 중성자 플럭스(neutron flux)를 감소시킨다. 이것은 주입 지점으로부터 먼 영역에서 코어(1302)를 효율적으로 턴오프시킨다. 시스템(1300)에 이용되는 주입의 대칭 패턴은 쉐도잉에 의해 크게 수정되지 않는 파쇄 중성자의 용적식 투입을 제공할 수 있다. 따라서 전력 분배가 코어(1302) 전체에서 거의 균일하도록 할 수 있고, 또한 전체 전력 생성이 수년 기간 작동하는 동안 거의 일정한 수준으로 유지될 수 있게 한다. 일실시예에서, 코어(1302)는 코어(1302)에 접속하거나 코어(1302) 내의 연료봉(1308)을 셔플하지 않고 10년까지 작동할 수 있다.
고온에서는 용융 납은 화학적 활성 상태일 수 있다. 예컨대, 강철 및 기타 금속의 그레인(grain) 경계를 따라 이동할 수 있다. 이것은 그레인 간의 약한 연결 부속물의 부식을 초래하여, 금속이 취성이 생기고, 피로파괴(fatigue)하거나, 팽윤(swelling)되거나, 응력 크랙이 생기기 쉽게 된다. 일실시예의 연료봉(1308), 또는 코어(1302)의 기타 요소는 고강도 금속 내에 세라믹의 필라멘트가 내장되어 있는 금속 매트릭스 복합재(Metal Matrix Composite: MMC)와 같은 피복 재료를 포함할 수 있다. 일실시예는 세라믹 섬유를 티타늄의 나노층을 코팅하여 MMC를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 티타늄은 고온에서 대부분 세라믹에 용이하게 결합되어, 티타늄을 세라믹의 표면층에 확산시킨다. 이것은 조성과 함께 팽창 온도 계수(tempco)를 분류한다(tempco 부조화는 금속-세라믹 결합의 주요 문제점이다). 티타늄 표면의 섬유는 바람직한 매트릭스 금속의 나노층으로 코팅될 수 있다. 2개의 코팅 및 확산은, 코팅 간의 공기가 침투하지 않고 고진공하에서 도포될 수 있다. 티타늄은 접착층의 역할을 할 수 있고, 온도 계수(tempco)를 분류할 수 있다.
코어(1302)는 연장된 정지 시간 후에 재시작하는 것이 안전하게 되도록 설계된다. 코어(130)의 작동 동안 중간체 동위원소(intermediary isotope) 233Pa의 재고가 남아있을 수 있다. 233Pa는 232Th의 중성자 포획 및 뒤따르는 신속한 베타 붕괴 후에 형성될 수 있다. 233Pa는 핵분열성 연료인 233U로 베타 붕괴될 때 1개월의 반감기를 가진다. 따라서, 만약 양성자 빔이 고장나거나 멈추는 경우(그와 함께 핵분열 반응도 중단됨), 233Pa의 재고가 뒤따르는 수개월동안 계속하여 233U로 베타 붕괴된다. 코어(1302)가 재시작되는 경우 양성자 빔이 멈춘 경우보다 더 많은 233U를 가지고 있을 수 있다. 이것은 코어(1302)의 임계도를 2 %까지 이동시킬 수 있다. 일실시예는 코어를 설계하는 데 있어서 임계도를 선택하는 것을 고려할 수는 있지만 이에 한정되는 않도록 설계될 수 있다(예컨대, 임의의 환경 하에서 임계점에 도달하는 것이 불가능하도록 설계될 수 있다).
핵분열이 코어(1302)에서 진행됨에 따라, 연료가 소비된다. 따라서, 코어(1302)는 주기적으로 새로운 연료(fresh fuel)로 재장전될 수 있다. 새로운 연료는 연료 제조 블록(1328)에 결합되어 있는 새로운 토륨 및 악티나이드를 포함할 수 있다. 새로운 연료는 사용후연료가 제거되는 동안 코어(1302)에 장전된다. 코어(1302)로부터 제거된 사용후연료는 악티나이드가 분리되어 연료 제조(1328)로 보내져 새로운 토륨과 결합되는 동안 핵분열 파편을 제거하고 그들을 폐기물(waste) 패키지(1330)로 보내는 재처리 블록(1326)으로 보내진다. 그 후 핵분열 파편의 폐기물 패키지는 저장을 위해 저장고에 보내진다.
전술한 내용은 본 발명의 다양한 실시예 및 원리를 나타낸 것이다. 전술한 개시가 충분히 이해된다면 통상의 기술자에게는 다양한 변형 및 수정이 자명하게 될 것이다. 다음의 청구항은 그러한 변형 및 수정을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (35)
- 핵분열 발전기로서,
미임계 코어(sub-critical core) 및 복수의 양성자 빔 발생기(proton beam generator)를 포함하고,
각각의 상기 양성자 빔 발생기는, 상기 미임계 코어의 서로 다른 영역으로 동시에(concurrently) 양성자 빔을 제공하도록 구성되고,
각각의 상기 양성자 빔은 상기 미임계 코어의 내부에서 중성자를 산란시키고,
상기 복수의 양성자 빔 발생기는, 상기 미임계 코어에서 핵분열을 개시하기에 충분한 중성자를 산란시키기 위하여, 상기 양성자 빔을 통하여 상기 미임계 코어로 집합 전력(aggregate power)을 제공하고,
상기 양성자 빔 발생기는 등시성 사이클로트론이고,
각각의 상기 사이클로트론은 폴디드 RF 공동(folded radio frequency cavity)을 포함하고,
각각의 상기 공동은, 양성자 빔 개구의 상부에 배치된 수평 로브(lobe) 및 상기 양성자 빔 개구의 하부에 배치된 수평 로브를 포함하고,
각각의 상기 로브는 상기 사이클로트론의 궤도면을 따라 길이방향으로 연장되는,
핵분열 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 사이클로트론은 섹터 자석 플럭스 커플 스택(sector magnet flux-coupled stack)에서 플럭스 리턴(flux return)을 공유하도록 구성된, 핵분열 발전기. - 제2항에 있어서,
상기 섹터 자석 플럭스 커플 스택의 길이방향 측부가 평평한, 핵분열 발전기. - 제1항에 있어서,
각각의 사이클로트론의 각각의 섹터 자석의 각각의 빔 개구(beam aperture)는 빔 궤적 곡률에 정렬된 윤곽(contour)을 가진 극면(pole face)을 포함하고,
상기 윤곽은, 상기 개구를 통과하는 양성자 빔을 집속(focus)하는 하나 이상의 4극자 구배(quadrupole gradient) 및 상기 빔 궤적 곡률을 가이드하는 쌍극자장(dipole field)을 생성하는, 핵분열 발전기. - 제1항에 있어서,
각각의 사이클로트론의 각각의 섹터 자석은 빔 궤적 곡률에 정렬된 윤곽을 가진 극면을 포함하고,
빔 궤적 곡률에 배치된 각각의 상기 윤곽은 초전도 권선 어레이를 포함하고, 상기 초전도 권선 어레이는 상기 섹터 자석의 개구를 통과하는 양성자 빔을 집속하는 하나 이상의 4극자 구배를 생성하는, 핵분열 발전기. - 제1항에 있어서,
코어 베슬 및 격납 베슬을 더 포함하고,
상기 코어 베슬은
용융 혼합물을 저장하는 내부 베슬;
상기 내부 베슬 주위에 배치된 납으로된 외부 베슬(lead outer vessel); 및
상기 내부 베슬과 상기 외부 베슬 사이에 배치된 다중층 히트 쉴드(multi-layer heat shield)
를 포함하고,
상기 미임계 코어는 연료염과 중캐리어염의 용융 혼합물을 포함하는,
핵분열 발전기. - 제6항에 있어서,
상기 내부 베슬과 상기 외부 베슬 사이의 공간은, 상기 내부 베슬로부터 상기 외부 베슬로 열을 전도하도록 구성되면 헬륨을 포함하고, 상기 내부 베슬로부터 상기 외부 베슬로 열이 전도되는 것을 차단하도록 구성되면 진공을 포함하는, 핵분열 발전기. - 제6항에 있어서,
상기 격납 베슬 내부에 배치된 란타나이드 증류 시스템(lanthanide distillation system)을 더 포함하고,
발전기가 작동하는 동안, 상기 란타나이드 증류 시스템은 상기 용융 혼합물로부터 란타나이드를 추출하여, 란타나이드 저장 베슬에 추출된 란타나이드를 저장하는, 핵분열 발전기. - 제6항에 있어서,
상기 격납 베슬 내부에 배치된 크라이오트랩(cryotrap)을 더 포함하고, 상기 크라이오트랩은 상기 미임계 코어에서 휘발성 물질을 추출하도록 구성된, 핵분열 발전기. - 제1항에 있어서,
상기 미임계 코어 내부에 배치된 복수의 핵파쇄 타겟(spallation target)을 더 포함하고, 하나 이상의 핵파쇄 타겟이 각각의 상기 양성자 빔 발생기로부터의 양성자를 수용하고, 수용된 양성자에 기초하여 중성자를 방출하는, 핵분열 발전기. - 제1항에 있어서,
각각의 양성자 빔은 적어도 700 MeV의 에너지를 포함하고, 상기 복수의 양성자 빔은 적어도 10 MW의 전력을 포함하는, 핵분열 발전기. - 전력을 생산하기 위한 방법으로서,
미임계 코어에 연료염과 캐리어염의 용융 혼합물을 제공하는 단계;
복수의 양성자 빔을 상기 미임계 코어의 서로 다른 영역으로 제공하는 단계로서, 양성자 빔 단독으로는 상기 미임계 코어에서 핵분열을 개시하기에 충분한 동력을 제공하지 않고, 양성자 빔 전체는 상기 미임계 코어에서 핵분열을 개시하는 집합 전력을 제공하는, 복수의 양성자 빔을 제공하는 단계;
상기 코어가 작동함에 따라, 상기 코어에 커플링된 란타나이드 추출 시스템에 상기 용융 혼합물을 제공하는 단계;
상기 란타나이드 추출 시스템에 있는 용융 혼합물을, 상기 연료염의 기화 온도까지 가열하는 단계;
정화된 염 혼합물을 생성하기 위하여, 상기 용융 혼합물의 흐름에 있는 기화된 연료염을 응축하는 단계; 및
상기 코어에 상기 정화된 염 혼합물을 제공하는 단계
를 포함하는, 전력 생산 방법. - 제12항에 있어서,
섹터 자석 플럭스 커플 스택에서 플럭스 리턴을 공유하도록 구성된 복수의 등시성 사이클로트론을 제공하는 단계, 및
각각의 상기 등시성 사이클로트론으로부터 양성자 빔 중 하나를 제공하는 단계
를 더 포함하는,
전력 생산 방법. - 제12항에 있어서,
빔 궤적 곡률에 배치된 릿지(ridge)를 가진 극면을 포함하는 개구를 통하여 빔을 통과시킴으로써, 각각의 양성자 빔을 집속시키는 단계, 및
상기 릿지를 통하여, 양성자 빔을 집속하는 하나 이상의 4극자 구배를 생성하는 단계
를 더 포함하는,
전력 생산 방법. - 삭제
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-
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2001082306A2 (en) | 2000-04-26 | 2001-11-01 | Euratom | Method of incineration of minor actinides in nuclear reactors |
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