KR101536675B1 - 유효 중성자 증배계수를 제어하는 가속기 구동 원자력 시스템 - Google Patents
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Abstract
가속기 구동 아임계 증식로는 가속기로부터 작은 입력 에너지를 필요로 하기 위해 가능한 한 큰 중성자 증배계수로 동작되며, 치수를 줄이고 이에 따라 비용과 복잡도가 줄어든다. 그런 후 빔발생 파쇄중성자 산출량이 핵분열 원소들로부터 붕괴된 중성자들의 부분과 비교된다. 이는 반응도의 정확한 온라인 결정을 확실히 하기 위해 이용될 수 있다. 결과적으로 발생한 변화는 중성자 흡수 제어봉 및/또는 양성자 전류의 변화의 도움으로 조절될 수 있다. 또한, 동작 동안 온도 변화가 연속적으로 모니터링될 수 있고 아임계 시스템들이 (지발) 임계상태에 너무 가까이 접근하는 것을 막고 중성자 증배계수가 허용가능한 한계 내에 유지되도록 조절될 수 있다.
Description
본 발명은 가속기 구동 시스템(accelerator-driven systems, ADS)에 관한 것이다.
최근, WO 95/12203에 개시된 바와 같이 에너지 증폭기(EA)로서, 가령 초우라늄(TRU) 가열기구 및 토륨 기반의 증식로용 가속기 구동 아임계 원자로(subcritical reactor)에 대한 관심이 전세계적으로 상당히 커졌다.
아임계 시스템에서, 중성자 증배는 1 미만이고 외부 양성자 가속기에 의해 생성된 추가 중성자들이 특히 연쇄반응 증식 동작을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 아임계는 특히 통상의 가압수형 원자로(PWR)에서 유효한 지발 중성자들이 훨씬 더 적고, 도플러 온도(adverse Doppler temperature) 계수가 적거나 역(逆)이며, 가능하게는 또한 냉각재의 상태에 따라 보이드 계수(void coefficient)가 양(positive)인 기여가 있는 적용에 특히 이점을 나타낸다. 아임계 동작은 특히 U-238에 기반한 고속증식로 또는 Th-232에 기반한 열 또는 고속증식로의 경우에 유용한데, 이는 1개 보다는 오히려 2개의 중성자들, 즉, 하나는 핵분열성 물질을 생성하고 다른 하나는 핵분열로 인해 중성자 증배계수보다 단지 약간 더 적게 딸원소를 핵분열시키는 중성자들이 프로세스를 막는데 필요하기 때문이다.
알려진 바와 같이, 아임계 시스템에서 중성자 증배계수(k)는 주어진 핵의 중성자가 연쇄반응을 계속할 수 있는 평균확률이다. 각각 들어온 외부 가속기 구동 중성자로부터 시작한 연쇄반응에 의해 발생된 결과적으로 발생한 2차 중성자들의 총 평균 개수는 k + k2 + k3 + ... = k/(l - k) = -1/ρ로 주어지며, 여기서 ρ는 소위 과잉반응도(excess reactivity)이다. 아임계 시스템에서, ρ는 0보다 작다(ρ<0).
2개 성분들, 즉 신속한 핵분열 중성자들로 인한 순간적 기여(kp)와 초기 핵분열 발생 후 수 초간 중성자들을 만드는 핵분열 파편들의 작은 비율(βeff)에 의해 발생된 지발 중성자로 인한 기여(kd)가 아임계 시스템의 중성자 증배에 기여하며, k=kp+kd이다. 지연 시간 동안, 이들 중성자들은 자유 중성자로서 있지 않다: 중성자들은 (Kr-87과 같이) 핵에 "사전 저장"되고, 이런 짧은 주기 동안 중성자들은 눈에 띄게 전혀 완화되거나 흡수되지 않는다. 이들 중성자들의 비축 현상은 유효 응답시간을 늘린다.
표 1은 U-233, U-235 및 Pu-239 핵분열 악티니드(actinide)로부터 지발 중성자방출 핵분열 파편들의 6개 붕괴 패밀리(decay familly)를 나타낸 것이다. 중성자 방출의 지수함수적 수명과 부분적 핵분열 비율이 고속(미완화) 중성자(βfast) 및 열중성자(βther) 모두에 대해 각 패밀리로 주어진다. 중성자들은 각각의 초기 악티니드 상태 에 대해 광범위하게 다르다.
핵분열가능 원소(U-233, Pu-239 및 U-235 )의 경우 표 1에 나타낸 바와 같이, 지발 중성자 범위의 특징 패밀리들의 주기는 핵분열 악티니드의 조성물에 따라 약 1초에서 약 1분에 이른다. 물론, 소스에 무관하게, 빔구동 외부 중성자와 지발중성자들 모두 연이은 중성자 증배를 받는다.
다양한 반응도 단위들이 있으며 이들 가운데 "달러"($)가 통상적으로 사용된다. 달러는 바로 지발 중성자의 기여와 같은 중성자 증배계수(k)의 변화량(Δk), 즉, Δk=βeff로 정의되며, "센트"는 달러의 100분의 1이다. 실제 값은 U-233에 대해 1$ = 2.1×10-3, Pu-239에 대해 1$ = 2.9×10-3 및 U-235에 대해 1$ = 7.3×10-3이다.
알 수 있는 바와 같이, 각 동위원소는 임의의 실제 핵연료 혼합물에 다른 개수의 지발 중성자들을 제공한다. 따라서, 반응로 시스템에 대해 βeff의 값을 정의하는 것이 유용하다:
여기서, Peff(i)는 반응로에 있는 n개 동위원소들의 혼합물에서 동위원소(i)의 총 핵분열에 대한 부분적 기여이다. Peff(i)는 반응로 동작 및 방사성 붕괴로 인해 시간에 따라 변하는 것에 유의하라. βeff(i)는 동위원소(i)에 대한 지발 중성자들의 기여이다.
핵연료용 아임계 시스템의 이론이 50년대 이후 광범위하게 논의되었다. 보다 최근에, 에너지 증폭기(Energy Amplifier) 및 ADS 개념의 출현으로, 많은 거의 제로출력 아임계 수단들이 실험적으로 광범위하게 연구되어 왔으며, 이들 중 (스위스) CERN에서 FEAT, (프랑스) 카다라슈에서 MASURCA, 및 (벨라루스) 민스크에서 YALINA 실험들이 있다.
이들 실험들에서, 반응도 관련한 파라미터들을 식별하기 위한 많은 방법들이 상세히 설명되었다. 이들 방법들은 일반적으로 (가령 디랙형 형태의) 협소한 펄스식 저출력 빔소스의 사용을 기초로 하였다. 이들은 극히 소량의 핵분열 에너지를 포함하며 뚜렷한 온도변화가 전혀 없다. 이들은 조정 목적 및 반응도 평가에 적합하다. 그러나, 이들 연구는 전체적으로 실제 반응도 모니터링 및 빔출력 대신 크고 연속적인 상업용 고출력 가속기 구동 시스템의 동작을 위한, 즉 통상의 임계 원자로 제어방법과 유사한 필수 피드백 컨트롤 절차를 정의하는데 적합하다.
상술한 거의 제로출력 아임계 수단들과 달리, 상용의 더 큰 (임계 또는 아임계) 발전소에서는, 온도 변화가 중요한 역할을 한다. 고출력 시스템에서, 가장 관련된 반응도 피드백 방식은 도플러 효과로, 이는 노심(core)의 연료의 순간 온도분포에 따른다. 재료가 가열되면, 반응 교차부에서 공명이 더 확대되고 따라서 반응이 발생할 확률이 변하며 이에 따라 중성자 중배계수(k)가 변한다. 관련 파라미터를 ΔkT=dk/dT(K-1 단위)로 정의되는 온도계수라 하며, 여기서 T는 각 연료 요소의 절대온도이다. 원자로 체적에 걸쳐 적절히 평균된 <ΔkT>=<dk/dT>의 실제 값은 노심을 이루는 요소들의 상태에 크게 의존한다. 그 값은 연료와 냉각재 재료의 조성물 및 기하학적 형태에 따라 양 또는 음일 수 있다.
온도 변화는 또한 냉각재와 노심의 전체 기하학적 구조의 행동에 영향을 준다. 온도가 상승하면, 냉각재 밀도 ρ(T)가 감소하고, 이에 따라 포획되는 중성자들도 줄어들며 격자 형태에서 기하학적 팽창이 있게 된다. 중성자 스펙트럼 및 그 결과 중성자 증배계수(k)가 이에 따라 보이드 계수 dk/(dρ/ρ) 및 기하학적 팽창으로 인한 "버클링(buckling)"의 변화에 의해 변경되고, 상기 계수는 온도계수 dk/dT에 합해지는 변화를 초래한다.
통상의 임계 원자로에서, 발생된 출력의 (시간의 실제 값이 아닌) 시간적 변화는 시간의 함수로서 중성자 증배계수(k)를 조절함으로써 제어될 수 있다. 원자로는 그런 후 k∼1의 자가발전 임계모드로 동작된다. 운전자는 제어봉의 방향 및 운동속도, 즉, 효과적으로, 출력 레벨의 2차 도함수를 직접적으로 결정한다. 1을 초과한 순간 k는 결코 1$를 초과하지 않아야 하는데, 이는 임계 원자로가 출력 변화율이 여전히 허용될 수 있게 느린 지발 중성자의 기여 범위 내에서만 제어될 수 있기 때문이다. 이들 조건에서, 제어봉으로 자가발전을 기계적으로 조절하기에 충분한 시간을 허용하도록 하는 지발 중성자의 존재로 인해 변화율이 결정된다. 예컨대, 표준 PWR에서, k=1을 넘는 1/1000의 임계상수는 초당 약 0.9%씩 중성자 수를 늘리며, 반응속도가 과도하게 증가하기 전에 충분한 시간을 두어 제어봉의 도움으로 임계 인수를 보정하게 한다. (k-1)이 지발 중성자로 인해 전체 기여를 초과하면, 원자로는 가장 극적인 결과로 "즉발(prompt)" 임계가 된다. 중성자의 수명은 일반적으로 수 μ초 크기가 될 것이고, 1/1000 만큼 적게 즉발값을 초과한 임계 인수에 대해, 증배율은 인수 (1.001)1000∼2×104씩 증가할 것이다.
아임계 원자로에서, 핵에너지는 양성자빔 전류에 의해 직접적으로 조종된다. 이는 핵분열로 발생한 열출력 Ptherm과 외부 가속기 빔출력 Pbeam= ibeam×Tp/e 간의 정확한 비례에 따르며, ibeam은 암페어 단위로 양성자 전류이고, e는 양성자 기본전하이며, Tp는 eV 단위로 운동에너지이다. Ptherm과 Pbeam간의 곱셈 인수는 핵 연쇄반응에 의해 발생되는 바와 같이 k/(1-k)이다.
현대 가속기들의 발전으로 중성자 구동 고에너지 파쇄중성자원(spallation source)의 도움을 받아 상당한 중성자 플럭스(neutorn flux)가 발생하게 되었다. 가령 용융된 납과 같이 무거운 Z 타겟의 파쇄중성자는 1 GeV의 운동에너지를 갖는 양성자 빔에 대해 30 중성자/양성자만큼이나 많은 중성자를 생성할 수 있다. 에너지 영역에서 가속기들, 가령 싸이클로트론 또는 초전도 선형 가속기(LINAC)들은 필요한 1차 전기 공급의 50% 만큼의 빔출력 Pbeam을 발생할 수 있고, 이에 따라 원자로에 의해 발생된 전기의 적절한 비율만을 가속기로부터 필요로 한다.
이전의 아임계 프로젝트들에서, 임계값(k)은 1에서 아주 멀게 일반적으로 k∼0.97 또는 심지어 더 적게 선택하였으나, 심지어 가장 예외적인 악조건하에서도 충분한 아임계 한계가 선험적으로 보장되는 것을 확실히 하기에 충분하다. "긴급정지(scram)" 메카니즘은 비상차단의 경우 및 원자로가 매우 연장된 시간주기 동안 가동중단 되었을 때에만 필요하다.
이들 조건(k∼0.97)에서, 1.5 GWatt의 열출력으로 통상 작동되는 아임계 EA는 가령 납 파쇄중성자 타겟에 대한 1 GeV 운동에너지의 양성자 빔에 대해 약 24mA의 전류(ibeam)를 필요로 한다. 이는 가속기 자체 및 파쇄중성자 타겟 모두에 대해 상당한 기술적 발전을 나타낸다.
본 발명의 목적은 매우 큰 가속기가 필요치 않고도 (상용 발전소에 적합한) 고출력 모드로 원자로를 효과적으로 컨트롤할 수 있게 하는 대안 모드를 제안하는 것이다.
본 명세서에서는 아임계 상태에서 치수 및 이에 따라 비용과 복잡도를 줄이며 가속기로부터 출력을 더 적게 하도록 가능한 큰 중성자 증배계수(k) 값으로 동작하는 것이 제안되어 있다.
아임계 상태에서 ADS의 동작 방법이 개시되어 있다.
상기 방법은:
파쇄중성자 타겟에 가속 입자를 보내는 단계와,
핵분열 및 핵원료 물질을 포함한 핵연료로 적재된 노심에 파쇄중성자 타겟으로부터 중성자를 증배시키는 단계와,
유효 중성자 증배계수가 0.98 보다 큰 범위로 유지되도록 노심에서의 반응도를 조절하는 단계를 포함한다.
이런 유효 중성자 증배계수(keff)의 더 큰 값(일반적으로 임계 하류로 1$ 또는 수 $)으로 동작함으로써 현상이 완전히 달라지는 것을 알았다. k∼0.97의 종래 추천된 경우에서와는 달리, 빔 발생 파쇄중성자량은 지발 중성자로 인한 비율 βeff과 비교된다. 따라서, 이들 모두 비교가능하게 증배 연쇄반응에 기여한다. 양성자 전류의 어떤 변화로 지발 중성자의 특징 시간 패턴에 따라 결과적으로 발생한 핵에너지에서 조정이 상당히 크게 야기되며, 중성자 증배계수(k) 또는 반응도(ρ)의 정확한 온라인 평가가 가능해 진다.
따라서, 유효 중성자 증배계수(keff)는 (a) 아임계 원자로가 동작하도록 이를 수 있는 최대 k 값 및 (b) 안정적으로 유지될 수 있는 최대 k 값과 비교되도록 제어될 수 있다.
예컨대, (1-k)=3.15×10-3이고 1.5 GWatt의 열출력(Ptherm)을 갖는 고속 U-233 핵분열 구동 아임계 원자로는 상당한 해당 가속기 기술분야의 현재 상태에서 전류 ibeam=2.0mA가 용융된 납 타겟에서 상호작용하는 1 GeV 운동에너지의 양성자빔에 의해 제어될 수 있다. 그런 후 (1-k)=3.15×10-3에서 가속기의 전반적 출력 이득은 일반적으로 G=Ptherm/Pbeam∼750이다.
일반적으로, 본원의 방법은 합당한 가속기 빔출력, 예컨대 0.5에서 5MWatt 범위를 갖는 상업용 에너지 생산 애플리케이션에 잘 맞는다.
일실시예에서, 유효 중성자 증배계수에 대한 상술한 범위는 0.99 보다 크고 0.999 보다 작으며, 따라서 시스템에 매우 큰 출력이득을 제공한다.
노심에서의 반응도는 약 -4$ 범위에서 이점적으로 제어되며, 여기서 반응도 단위 '$'는 원자로 시스템에 대한 것이다. 달러 단위로 반응도에 대한 바람직한 제어범위는 -3$ 내지 -0.5$이다.
매우 큰 k 범위의 동작은 상업적으로 지향된 더 큰 발전소의 가속기 구동 아임계 노심의 조절 제어를 위해 필요한 모든 주요 측정들을 적합한 상태를 제공한다. 대부분의 기존 핵원자로에서와 같이, 중성자 계수기들이 일반적으로 노심내에 분포되어 있다. 그 후 노심에서의 반응도를 제어하는 것으로
- 가속 입자들의 빔 전류를 줄이기 위해 계단 변화를 가하는 단계와,
- 빔 전류의 계단 변화에 응답해 중성자 계수기에 의해 제공된 중성자 계수율의 변화를 측정하는 단계와,
- 상기 계단 변화로 인한 즉발 중성자의 손실에 대한 계수율의 하강을 평가하는 단계와,
- 상기 계수율의 평가된 하강 대 상기 계단 변화 전에 계수율 값을 비를 평가하는 단계를 포함할 수 있다.
심지어 온도 변화가 있어도 중성자 계수율의 하강에 대한 통계적으로 신뢰할 수 이는 평가를 얻기 위해, 계수율의 변화는 상기 계단 변화의 시간 부근에서 빔 전류의 계단 변화 후로부터 이점적으로 외삽된다. 계단 변화 시에서의 외삽값은 계단 변화 바로 앞의 안정 상황에서 붕괴된 중성자들의 관련 레벨에 대한 표시를 제공하며, 이는 달러 단위의 반응도(ρ)와 직접 관련있다. 빔 전류의 계단 변화 바로 후에 중성자들의 양은 일반적으로 바로 측정될 수 없는데, 이런 "준안정" 레벨은 (i) 계단 변화 후 더 이상 새로운 핵분열을 야기하지 않는 손실 파쇄중성자들과 관련된 지발 중성자들의 붕괴 및 (ii) 노심 내부에서의 온도 변화로 인해 유발된 증배계수에서의 변화로 인해 충분히 오래 유지되지 않기 때문에 실제로 달성될 수 없는 상당한 계수 통계를 계수기들이 필요로 하기 때문임에 유의하라.
특히, 빔 전류가 감소된 값으로 유지되고 외삽 동안 중성자 계수율의 변화가 측정되는 계단 변화에 잇따른 주기는 100 밀리세컨드보다 클 수 있다. 이 주기는 이점적으로 1초보다 클 수 있다. 노심 구조에서 열스트레스를 제한하기 위해, 계단 변화는 빔 전류의 일부에만 해당한다. 일반적으로 계단변화는 50% 미만으로 빔 전류를 줄인다.
본원의 방법의 실제 실행시, 파쇄중성자 타겟으로 보내진 가속 입자들은 연속 입자빔의 형태이다. 펄스빔은 잘 맞지 않는데 이는 심지어 상대적으로 짧은 시간주기 동안 전체 양성자빔의 너무 자주 반복해서 갑작스럽게(㎲ 단위로) 스위칭 오프하는 것은 노심 구조의 과도한 반복된 열충격 회수와 관련된 안정 요건으로 인해 임의의 대형 원자로에 거의 적용될 수 없기 때문이다.
가속기 구동 아임계 시스템에서, 주요 제어요소는 양성자 전류의 변이성이다. 전류의 변화는 일반적으로 허용가능한 작은 변화율을 가지며 가능하면 언제든지 진폭 제한되어야 한다. 따라서, 일부 실시예로, 입자빔은 노심내 반응도를 평가하는 단계들을 제외하고 공칭 빔전류에서 동작하며, 반응도 제어는 노심내 중성자 흡수 제어요소들의 위치를 조절하는 것을 포함한다.
유지될 수 있는 가장 큰 k 값은 빔 변화로 인한 k의 성장과 관련 있고, 이는 일반적으로 노심의 (음) 온도계수와 관련 있다. 특히, k의 동작 온도는 가속기의 우발적 장애로 인한 빔의 불가피한 갑작스런 손실, 소위 "트립(trip)"이 결코 k=1인 조건을 초과하지 않도록 보장하기 위해 임계로부터 충분히 멀리 떨어져 있어야 한다. 이는 임계를 막기 위해 보정 비상조치들이 취해질 수 있도록 매우 재빨리 빔 "트립"을 검출하는 것이 바람직하다. 양성자빔 손실로 인한 예외적인 갑작스런 "트립"의 발생 후 연료 핀의 온도 하강은 상대적으로 빨라, 1차 붕괴시간이 불과 몇 초이다. 양성자 전류의 예상치 못한 변화 또는 손실의 갑작스런 발생은 가령 심지어 원자로를 구성하는 연료봉의 온도에서 주요 변화가 발생하기 전에 원자로를 잠재적 임계 상태로부터 상당히 멀리 이르게 하기 위해 반응도가 저하되는 상태("긴급정지(scam)")로 고속 이동 제어봉의 즉각적 삽입을 자동적으로 가동시킨다. 따라서, 방법의 실시예는 가속 입자의 임의적 차단을 검출하는 것과, 차단의 검출에 응답해, 노심에 긴급정지 중성자 완충재를 삽입하는 것을 포함한다. 일부의 실시예로, 가속 입자의 차단을 검출한 다음 100 밀리세컨드보다 큰 주기 후에 노심에 긴급정지 중성자 완충재가 삽입된다. 일부의 대안의 실시예로, 이 주기는 1초보다 큰 주기이다. 노심에 분포된 중성자 계수기에 의해 제공된 중성자 계수율의 변화가 상기 주기에서 측정될 수 있다. 상기 차단으로 인한 즉발 중성자의 손실과 관련된 계수율의 하강이 평가되고 반응도 값을 도출하기 위해 평가된 계수율의 하강 대 상기 차단 전에 계수율의 값의 비가 평가된다.
(노심내 반응도를 평가하는 단계를 제외하고) 공칭빔 전류에서 입자빔을 동작시키면서 노심의 안정적인 동작 상태를 유지하기 위해, 반응도 제어는:
- 노심에 분포된 중성자 계수기에 의해 제공된 중성자 계수율을 계속 모니터링하는 것과,
- 모니터링된 계수율의 편차 상태의 검출에 응답해, 노심내 반응도를 평가하는 단계를 수행하는 것을 포함할 수 있다.
이로써 이동 제어봉과 같이 반응도를 교정하기 위한 어떤 동작이 필요한지 여부를 확실히 하기 위해 필요할 때만 동작의 안정성을 검사하고 (열적 변화를 일으키는 관련된 빔 감소로) 반응도 평가를 구할 수 있다.
앞서의 옵션과 결합될 수 있는 또 다른 옵션은 반응도 평가 단계를 주기적으로 실행하는 것이다. 그러나, 이런 단계의 주기성은 (일반적으로 1 시간 이상) 노심에 열적 스트레스를 충분히 최소화시켜야 한다.
또한, 빔 "트립"의 우발적 발생은 노심의 구조의 반복된 열적 충격을 피하기 위해 바람직하게는 (종래 양성자 가속기에서 통상적인 상태에 비해) 매우 제한되어야 한다. 이는 가속기와 관련된 모든 구성요소들에 적절한 추가를 도입함으로써 방지될 수 있다. 예컨대, 가속 입자들이 빔 전류의 연속성을 보장하기 위해 중복 구성요소들을 갖는 가속기 복합체에 제공될 수 있다.
특히, 가속기 복합체는 각각의 에너지 이득을 적용하기 위해 복수의 직렬로 장착된 가속 공동들을 갖는 적어도 하나의 가속 구조를 가질 수 있다. 공동들 중 하나의 에너지 이득이 손실되면, 손실 이득이 가속 RF-위상각을 이용해 다른 공동들 사이에 재분포된다. 가속기 복합체는 또한 복수의 가속 구조들을 가질 수 있고, 가속 구조들 중 하나가 고장날 경우, 적어도 하나의 다른 가속 구조물의 빔 전류가 가속 입자의 전체 전류를 유지하기 위해 증가된다. 일실시예로, 복수의 가속 구조물로부터의 2개의 입자빔들이 자기 구조 및 셉텀을 이용한 파쇄중성자 타겟의 상류에 나란히 병합된다. 이들 2개의 입자빔들은 제 1 양성자빔과 동일한 운동에너지를 갖는 음 이온 빔을 포함할 수 있고, 전자들이 파쇄중성자 타겟의 상류에 제 1 양성자빔과 병합된 제 2 양성자빔을 제공하기 위해 음 이온 빔으로부터 갈라진다.
본 발명의 또 다른 태양은
- 적어도 하나의 입자 가속기 (필요에 따라 가능한 추가 대기 중복으로 사용되는 가속기);
- 가속된 입자를 수용하는 파쇄중성자 타겟;
- 핵분열 물질을 포함한 핵연료가 적재되는 파쇄중성자 타겟에 인접한 노심;
- 상기 노심으로부터 열을 수용하기 위한 냉각재 서킷;
- 상기 노심내 분포된 중성자 계수기; 및
- 유효 중성자 증배계수가 0.98 보다 큰 범위에 유지되도록 반응도를 제어하기 위해 중성자 계수기와 협동하는 제어시스템을 구비하는 아임계 가속기 구동 핵 시스템에 관한 것이다.
본 명세서에 개시된 방법 및 시스템의 다른 특징 및 이점은 첨부도면을 참조로 하기에 비제한적인 실시예의 설명으로 명백해진다.
본 발명의 내용에 포함됨.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 사용될 수 있는 아임계 원자로 노심의 개략도이다.
도 2는 양성자 에너지의 함수로서 두껍게 용융된 납 타겟에 각각 입사한 양성자에 대한 대표적인 파쇄중성자 산출율을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명을 실행하는데 사용될 수 있는 이중 스탠바이 유닛을 포함한 양성자 가속기 복합체의 예를 도식으로 도시한 것이다.
도 4는 가속기 복합체의 다른 예를 도시한 것이다.
도 5는 지발 임계에서 떨어진 $ 넘버의 함수로서 양성자 전류의 계단식 감소 직후에 남은 지발 중성자율의 기여를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 U-233을 기초로 한 증식로의 경우 총 중성자 증배계수(k) 또는 $의 넘버의 함수로서 다른 동작 상태들을 나타낸 도면이다.
도 7은 t=0 시간에서 빔 "트립" 후 시간의 함수로서 임의 단위(a.u.)로 중성자 계수율을 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 t=0 시간에서 빔전류의 30% 계단 변화 후 시간의 함수로서 임의의 단위로 중성자 계수율을 그래프로 도시한 것이다.
도 2는 양성자 에너지의 함수로서 두껍게 용융된 납 타겟에 각각 입사한 양성자에 대한 대표적인 파쇄중성자 산출율을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명을 실행하는데 사용될 수 있는 이중 스탠바이 유닛을 포함한 양성자 가속기 복합체의 예를 도식으로 도시한 것이다.
도 4는 가속기 복합체의 다른 예를 도시한 것이다.
도 5는 지발 임계에서 떨어진 $ 넘버의 함수로서 양성자 전류의 계단식 감소 직후에 남은 지발 중성자율의 기여를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 U-233을 기초로 한 증식로의 경우 총 중성자 증배계수(k) 또는 $의 넘버의 함수로서 다른 동작 상태들을 나타낸 도면이다.
도 7은 t=0 시간에서 빔 "트립" 후 시간의 함수로서 임의 단위(a.u.)로 중성자 계수율을 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 t=0 시간에서 빔전류의 30% 계단 변화 후 시간의 함수로서 임의의 단위로 중성자 계수율을 그래프로 도시한 것이다.
하기의 바람직한 실시예의 설명을 도움으로 본 발명의 목적, 특징 및 이점을 더 상세히 예시할 것이다. 다른 목적 및 이점은 잇따른 설명 및 첨부도면을 참작하면 명백해질 것이다. 이들 모든 특정 예들은 단지 예시용이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 ADS에서, 1 GeV 크기의 운동에너지를 가진 양성자와 같이 고에너지 입자를 타겟을 이루는 무거운 핵(核)에 지향시킴으로써 원자로 노심(100)의 중심 영역에 위치된 타겟(101)에서 파쇄중성자들이 발생된다. 파쇄중성자 타겟에 적절한 다른 재료들 가운데, 납이 이점적으로 사용되는데, 이는 고에너지 양성자가 타격할 경우 중성자를 많이 산출하기 때문이다. 또한 액상의 납은 노심으로부터 열출력을 회수하기 위한 냉각재로서 사용될 수 있다. 비스무스를 포함한 다른 원소들도 파쇄중성자 타겟으로 사용되는 매력적인 속성들을 갖는다.
도 1에 도시된 예시적인 노심(100)은 액상의 납을 포함한 인클로저(102)를 갖는다. 상술한 파쇄중성자 타겟을 이루는 노심의 중심영역(101)은 연료 어셈블리(103)에 의해 둘러싸여 있다. 핵연료는 중성자를 포획한 후 핵분열 원소(U-233 또는 Pu-239)를 증식할 수 있는 Th-232 또는 U-238과 같은 원소를 포함한다. 핵분열 원소는 또 다른 중성자와 반응함으로써 분열될 수 있다. 타겟으로부터 새로운 파쇄중성자들과 함께 핵분열로 발생한 즉발 및 지발 중성자들이 증식 및 분열 과정을 계속한다. 전체 중성자 증배계수(k)는 임계를 피하기 위해 1 보다 낮게 유지된다.
도 1에 도시된 구성에서, 연료 어셈블리(103)는 핵분열 파편들로부터 운동에너지의 전달로 가열된 용융된 납에 담겨져 있다. 납 냉각재로부터 열을 회수하기 위해 인클로저에 하나 이상의 열교환기들(104)이 제공된다. 보조 서킷은 가령 터빈을 동작시키기 위한 스팀을 기반으로 한다. 입사한 양성자빔(105)은 빔채널(107)의 단부에 있는 빔윈도우(106)를 통해 노심의 중심 타겟영역(101)에 들어간다. 노심(100)의 레이아웃은 전반적으로 또한 해당 물리학을 설명하는 WO 95/12203에 기술된 바와 같을 수 있다.
종래 임계 원자로에서와 같이, 중성자 계수기들(110)이 노심의 연료 영역에 분포되어 있어 계속해서 노심 내 중성자 플럭스를 나타내는 중성자 계수율을 얻는다. 제어봉 시스템(111)도 또한 후술된 바와 같이 반응도를 조절하도록 노심 영역에 제공된다. 마지막으로, 다른 중성자 흡수봉들이 어떤 동작 상태들이 검출되면 반응을 중단시키도록 작동되는 긴급정지 완충시스템(112)을 이룬다.
제어시스템(미도시)은 가속기 복합체, 제어봉 시스템(111) 및 긴급정지 완충시스템(112)을 포함한 설비를 작동시키기 위해 가속기 복합체 및 원자로 노심에 제공된 중성자 계수기(110)를 포함한 다양한 센서들로부터 정보를 수집한다. 어떻게 이런 제어가 수행되는지 하기에 더 설명한다.
도 2는 양성자 에너지의 함수로서 용융된 납으로 된 두꺼운 타겟의 예시적인 경우에서 하나의 유입 양성자에 의해 발생된 파쇄중성자들의 평균 개수를 나타낸 곡선을 도시한 것이다.
최신 기술의 많은 선택이 가속기에 이용될 수 있다. 연속적인 양성자 세기가 즉시 그리고 폭넓은 범위 내에서, 필요하다면, 양성자원의 제어 그리드의 도움을 받아 0으로 변할 수 있다.
표시를 위해, 이중 중복유닛을 갖는 1 GeV 초전도 LINAC의 경우가 도 3에 개략적으로 기술되어 있다. 등가의 성능을 갖는 다른 가속 방법들이 선택될 수 있음이 자명할 것이다. 도 3에 도시된 가속기 시스템은 잘 확립된 설계로 되어 있다. 이는 3개의 주요 부분으로 나누어질 수 있다:
- 약 10 keV의 에너지 범위로 양성자를 제공하는 소스, 약 5 MeV까지 양성자를 가속시키는 고주파 4중극(RadioFrequency Quadrupole, RFQ)에 이어 표시적으로 15 MeV의 양성 에너지까지 가속시키는 드리프트 튜브 선형가속기(Drift Tube Linac, DLT)로 이루어진 인젝터(1);
- 통상적 또는 초전도의 DTL 구조와 함께 약 85 MeV까지 양성자를 가속시키기 위한 중간부(2);
- 그리고 마지막으로 예정된 에너지(본 예시에서 1 GeV)까지 가속 과정을 마치는 초전도 LINAC 구조(3).
다른 경우의 종래 가속구조의 바람직한 특징은 빔 장애로 인한 매우 적은 비율의 우발적 "트립(trips)"의 요건이다. 2가지 방법이 하기에 있으며, 각각은 능동 구성요소들의 적절한 중복과 가속 구조의 적절한 복제를 기초로 한다.
중복은 가속기의 모든 능동 구성요소에 구현될 수 있다. 각 가속 공동은 RF 동기 위상각(φs)을 가지며, 상기 위상각 주위로 가속 동안 개개의 입자들이 길이방향 위상공간 공진을 수행한다. 하나(또는 아마도 다수)의 공동들에서 RF의 우발적 손실은 다른 공동들이 전압이득의 필요한 증분들을 해당하는 더 큰 sin(φs)로 자발적으로 재분포시키기 위해 여분의 RF 전압이 충분히 있다면 가속된 빔전류를 유지할 것이다.
복제물은 2개가 가까이 있으나 별도로 차폐된 인클로저에 수용된 2개(또는 아마 그 이상) 및 완전히 별개의 채널들로 소스로부터 최종 에너지까지 2개의 완전한 가속 구조물로 있다. 이는 필요하다면 도 3에 도시된 바와 같이 다른 하나가 동작중일 때 구조물 중 하나에 통제된(수리) 접근을 가능하게 한다. 채널들 각각이 통상적으로 가령 ibeam/2로 동작하도록 제어될 수 있으나, 각각의 별개의 가속채널은 총 필요한 전류(ibeam)를 제공할 수 있다. 2개의 가속 양성자 전류가 각각의 변류기(4 및 5)로 정확하게 연속적으로 측정된다. 구조들 중 하나의 우발적 장애("트립")의 경우, 다른 이미 동작중인 구조물에 의해 총 전류(ibeam)가 무시할 수 있는 짧은 시간(μ초 크기)에 걸쳐 취해진다. 잘 알려진 실시에 따르면, 가속기의 단부에서, 2개의 빔 트랜스포트들이 나란히 가령 적절한 자기 셉텀(magnetic septum)(6)과 함께 병합되고 공통 벤딩 및 포커싱 자기 트랜스포트 구조(7)의 도움을 받아 아임계 원자로 노심(100) 내부의 파쇄중성자 타겟(101)으로 옮겨진다. 빔전류의 합이 전용 중복 변류계(10)에 의해 상시 측정되다.
다른 시나리오로, 가속기들 중 하나는 음이온 H-≡H0e-≡(pe-)e-으로 동작하며, 다른 하나는 여전히 양성자(H+)로 동작한다. 부호가 반대인 2개의 빔들이 자기적으로 함께 가져와지고 매우 얇은 스트립핑 호일(stripping foil)이 전자, 즉, e-를 제거하며, 이에 따라 특이하게 병합된 양성자빔을 만든다. 도 4에 도시된 바와 같이, 양성자빔이 변류계(4)에 의해 측정되는 한편, 또 다른 변류계(11)가 음이온 전류를 측정한다. 2개의 빔들은 2개의 별도의 벤딩 자석(12,13) 및 공통 자석(14)의 도움으로 함께 가져와 진다. 음의 빔은 얇은 호일(15)로 갈라지고 결과적으로 발생한 양성자빔이 (중복) 합계 변류계(10)의 도움으로 파쇄중성자 타겟으로 수송된다.
중복 및 복제를 기초로 한 유사한 고려들이 가령 싸이클로트론의 대안처럼 임의의 다른 대안 가속방법에 적용된다.
본 발명에 따르면, 원자로내 3개의 주요 구성요소들이 추출된 양성자빔 전류에 의해 동작되는 가속기 구동 아임계 노심을 제어하고 조절하는데 필요한 공정을 제공한다. 이들은:
- 가속기 전류가 고장날 경우 특히 양성자빔의 우발적 "트립"의 경우 신속히 즉발 EA 운전중지를 수행하기 위한 긴급정지 완충시스템(112). 이는 중성자 증배계수(k)의 수치를 안전 수치로 내리기 위해 노심에 고속 중성자 흡수 "긴급정지봉"을 삽입함으로써 즉시 작동된다. 이 운전중지는 특히 연료 핀이니 또는 다른 노심의 등가 구조물에서의 온도변화의 결과를 최소화하기 위해 매우 조기(즉, 1초 크기로)에 수행되어야 한다.
- 중성자 감지 계수기들(110)의 균일하게 분포된 어레이. 잘 알려진 실시에 이어, 이런 종류의 계수들은 단지 중성자에만 민감하며 가령 α,β,γ 방사선 또는 다른 이온화 입자와 같이 뚜렷한 다른 신호들을 기록하지 않는다. 어레이의 N개 계수기들은 중성자 계수율 dCi/dt(i=1,…,N)을 기록하기 위해 노심 내부에 균일하게 배열되어 있다. 핵분열 과정이 지배적인 발전 과정이므로, 조합된 중성자 계수율의 적절히 가중된 합
은 노심의 순간 발생된 열출력에 직접 비례한다. 따라서, 오히려 실제 순간 출력의 간접 측정이 현장 계수기 어레이의 측정에 의해 상시적으로 대체될 수 있다. 고도의 중복이 조합된 중성자 계수율에 추천된다: 이는 통상적으로 가령 3개의 복제된 채널 어레이들 중 2개 간에 일치로 수행된다.
- 정교한 기계적 이동의 도움으로 중성자 증배계수(k)의 필요한 변화를 도입하기 위해 원자로 노심의 체적에 걸쳐 분포된 적절한 개수의 중성자 흡수장치들(제어봉들)을 제공하는 제어봉 시스템(111)이다.
마지막 2개 항목들은 통상의 임계 원자로들 중 하나와 매우 닮았으나, 적절한 입자 가속기에 의해 제공된 외부 중성자원으로부터 나온 핵분열 에너지에 의해 촉진되는 아임계 원자로의 동작을 위해 의도되어 있기 때문에 이들의 적용성은 매우 다르다.
여러 가지 다른 그리고 상보적인 절차들이 상술한 시스템들의 도움으로 수행될 수 있다. 이들 절차들을 조합함으로써 가속기 구동 아임계 노심의 동작 및 제어를 위한 유용한 측정이 제공된다.
제 1 차 및 연속 진행 절차는 아임계 원자로의 안정적 동작과 연관있다. 외부의 파쇄중성자원에 의해 구동된 아임계 동작으로 즉시 확장되는 임계 원자로가 갖는 확장 경험은 원자로들이 제어요소들의 위치에 있어 변화의 필요성 없이 여러 시간 동안 일정한 출력으로 안정상태에서 통상적으로 운영되는 것으로 보였다. 안정상태 작동으로부터의 이탈 원인 및 효과들은 시스템 온도, 양전자 전류, 냉각재 흐름 또는 부하 등에서 어떤 변화 때문에 순간적이거나 확장될 수 있다. 이들은 가령 원자로내 핵분열 생성물의 연료 연소 및 누적으로 인해 긴 시간 주기에 걸쳐 천천히 전개될 수 있다. 원자로 출력이 일정하게 유지되는 경우, k 값의 변화를 보상하는 몇몇 수단들이 필수적이다. 이들 변화들에 대한 보상은 종종 원자로 자체에 의해 자기조절된다.
이들 정상상태에서, 양성자 가속기 전류는 정상값으로 유지되고 중성자 계수율 dC/dt는 가능한 변수들에 주의를 환기하기 위해 시간의 함수로서 연속적으로 기록된다. 이는 일반적으로 조합된 중상자 계수율(및 이에 따른 핵분열로 발생된 열출력 Ptherm)은 여전히, 제어요소들의 위치에서의 큰 변화없이, 하지만 중성자 흡수 제어봉의 적은 기계적 이동의 도움으로 필요할 때마다 약간 조절될 수 있어 사전 할당된 값에 가까이 유지될 것으로 예상된다. 특히, 노심(100)에서 온도변화로부터 발생한 k의 기여는 시스템 온도, 냉각재 흐름 또는 부하가 원자로의 제어봉에 의해 자동으로 규제되도록 충분히 안정적인 한 거의 일정하게 유지되어야 한다.
중성자 계수율의 상당한 변화가 발생할 때마다 또는 주기적으로, 예정된 상태를 회복하고 중성자 증배계수가 어떤 상황하에서 임계로부터 안정적으로 떨어져 있는 것을 보장하는 주요 목적에 따라 후술된 적절한 절차에 이어 노심내 반응도를 측정하는 단계가 수행된다.
이는 가령 원자로 출력을 온/오프하거나 원자로를 전기 발생에 필요한 레벨로 조절하도록 제어된 양성자 전류의 변화를 촉진시키는 것이 필요하다. 드물지만 반드시 일어나는 사건은 양성자 전류의 총 손실이다. 심지어 매우 짧은 시간(심지어 밀리세컨드)동안 시스템적으로 전체 양성자빔을 온/오프 스위칭하는 것이 예외적인 사건으로 고려될 수 있으나, 이 예외적인 사건은 매우 신중하게 고려되어야 한다.
심지어 몇 초 동안, 양성자 전류에서 어떤 변화는 노심의 연료의 온도 및 이에 따라 원자로 체적에 대해 적절히 평균된 평균온도계수 <ΔkT>=<dk/dT>, 냉각재의 보이드 계수 dk/(dρ/ρ) 및 노심의 구조의 팽창에 해당하는 변화를 의미한다. 열적 변화로 인한 이들 현상의 다른 특징 시간상수들은 실험적으로 확인되고 지연된 증배계수(kd)로 인한 영향들로부터 분리되어야 한다.
양성자 전류의 변화를 설명하기 위해, 일정하게 유지된 채로 있는 양성자 전류의 성분과 계단함수로서 변하는 (더 작은) 진폭으로 그 효과를 분해한다.
전체 빔 전류의 갑작스런 스위칭 오프로 실제로 원자로, 특히 제어봉 내부의 연료 물질의 모든 구성요소들 모두가 아니지만 대부분에 중대한 온도변화가 초래될 것이다. 따라서, 이는 루틴 동작으로서 중지되어야 한다. 다른 한편으로, 중상자 계수기의 높은 비율 및 그 결과 높은 통계적 정확성을 고려해, 심지어 상대적으로 작은 계수율의 변화가 정확하게 평가될 수 있다.
양성자빔 전류의 즉각적 계단형 변화 후에, 측정된 바와 같이 중성자 계수율에서 (A) 핵분열 즉발 중성자(kp), (B) 핵분열 파편들로 인해 발생한 지발 중성자 (kd), 및 (C) 온도(ktemp)의 효과에 기인한 변화로 인한 중성자 증배계수(kd)의 기여를 확인할 수 있다. 3가지 효과들의 각 하나는 후술된 자신의 고유한 시간의존성을 갖는다.
(A) 핵 연쇄반응의 빠른 성분은 양성자 전류의 표시된 계단함수에 의해 재빨리 스위치 오프된다. 거의 1인 kp에 대한 제 1 근사에 유효한 포인트 원자로 동역학 모델에 따르면, 중성자 집단의 붕괴는 시간 상수 α=(1-kp)/Λ를 갖는 고속 지수함수적 붕괴에 의해 특징되며, kp는 즉발 중성자 증배계수이고 Λ∼1㎲는 평균 즉발 수명이다. 따라서, α의 측정은 Λ를 알고 있고 α가 상수이면 kp를 추론하는데 이용될 수 있다. 실제로, α값은 중성자 에너지의 함수로서 시간 순(順)의 중성자 레서지(neutron lethargy) 및 중성자 에너지의 함수로서 복잡한 횡단면의 존재를 반영하기 때문에 상수로부터 크게 벗어난다. 소위 kp 방법에 의해 파라미터(α)의 시간 변화의 실험적 관찰로부터 즉발 증배계수를 결정하기 위해 이런 매우 빠른 변화를 평가하는 것이 이미 제안되었다(A. Billebaud et al. "Prompt multiplication factor measurements in subcritical systems: From MUSE experiment to a demonstration ADS", Progress in Nuclear Energy, 49 (2007), pp. 142-160 참조). 이는 가령 실제 연료 조성물이 도입된다면 몬테 카를로 계산의 도움을 받아 다양한 계수(kp) 값들로부터 Λ를 선험적으로 알고 있음을 필요로 한다. 또한, 전이가 매우 빠르게 1ms 미만으로 발생하기 때문에, 충분한 통계적 정확도로 이 짧은 시간에서의 붕괴 분포를 판단하기 위해 큰 계수율 dC/dt이 필요하다. 이 방법은 본 사례에 즉시 적용될 수 있는 것으로 여겨지지 않는다.
(B) 다음으로 핵분열 파편들에 의해 발생된 지발 중성자들의 효과가 고려된다. 이 효과로, 계수율 R = dC/dt의 관찰이 지발 중성자들의 생존 및 후속 붕괴에 의해 특징되는 준안정 레벨에 도달할 때까지 소정 시간 동안 일반적으로 몇 초간 계속된다. R0 + RB를 양성자 빔의 계단 변화 전에 비율이라 하고, 여기서, R0는 계단 함수에 의해 소거되는 빔의 부분과 관련된 중성자 계수율에 대한 기여이며, RB는 불변의 빔성분으로 인한 비율이다. R1을 지발 중성자의 준안정 레벨로 인한 R0의 생존 기여라 하자. 파쇄중성자처럼 지발 중성자들도 또한 중성자 증배계수(k)가 곱해지는 것에 주목하라. 최종발생한 반응도 ρ/βeff($ 단위)는
를 이용해 평가될 수 있고, 여기서 ρ=(k-1)/k이다.
도 5는 지발 임계로부터 떨어진 $의 넘버의 함수로서 1 , 0.5, 0.3 및 0.15와 같은 중성자 전류의 계단식 감소 바로 후에 생존한 지발 중성자 비율(Δi/i)의 기여를 나타낸 것이다. 더 작은 $ 값에 접근하면, 생존 지발 중성자 비율의 영향이 점진적으로 늘어난다.
핵분열 동위원소로서 U-233을 이용한 경우, 도 5는 가로축에 지발 중성자의 준안정(초기) 레벨로 인한 기여 R1/(R0+RB)를, 세로축에 (지발) 임계로부터 크기 및 $ 에서 모두 k 값을 도시한 것이다. 4개의 곡선(20, 21, 22 및 23)이 도시되어 있고, 각각 Δibeam/ibeam=R0/(R0+RB)=1, 0.5, 0.3, 및 0.15, 즉, 중성자빔에서 계단의 감소 값들에 해당하며, Δibeam은 빔전류의 계단 변화 크기이고, ibeam은 계단 변화 바로 전에 빔 전류값이다. 앞서와 같이, R0는 계단 함수를 0으로 가하는 초기 양성자빔의 부분이고, RB는 불변의 빔 성분으로 인한 부분이다. (지발) 임계로부터 1.5$에 해당하는 k 값이 대시선(24)으로 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, k가 1로 접근함에 따라, 지발 중성자로 인한 상대 기여는 크기가 더 커진다. 예컨대, (1-k)=1.5$에 대해, 부분적 지발 중성자 준안정 고원은 Δibeam/ibeam=0.3에 대해 R1/(R0+RB)=0.12이며, Δibeam/ibeam=0.5에 대해 R1/(R0+RB)=0.20 늘어나고 Δibeam/ibeam=0.15에 대해 R1/(R0+RB)=0.06 줄어든다. 신호 R1/(R0+RB)=(0.120±0.005)는 (1 - k)=(1.5±0.1)$로 불확실성을 제공한다.
지발 중성자들의 준안정(초기) 레벨로 인한 효과에 대한 감도는 더 작은 k값에 대해 훨씬 덜 중요한 것이 도 5로부터 명백하다. 예컨대, k=0.975 및 다시 Δibeam/ibeam=0.3인 종래 아임계 시스템에서, 지발 중성자 신호는 훨씬 더 작아진다. 즉, R1/(R0+RB)=(0.0259±0.005)로, 에너지 이득 
에서 오히려 더 크게 측정된 불확실도로 중성자 증배계수에 훨씬 더 큰 불확실도를 초래한다.
도 5로부터, 유효 중성자 증배계수 값은 0.98 보다 큰 범위(및 물론 여전히 아임계를 유지하기 위해 1 보다 작은) 및 바람직하게는 0.99 보다 크고 0.999보다 작은 범위에 있어야 한다고 결정될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 운영 다이어그램이 도출될 수 있다. 임의의 값 k≥1(또는 ρ>0)은 반응도 ρ를 감시하기 위해 충분한 감도를 보장하도록 k>0.98 또는 0.99로 임계를 방지하기 위해 피해져야 한다. 도 6의 경우, 도 5(U-233의 경우 k∼0.9965)에서 라인(24)에 해당하는 원자로의 동작에 대해 -1.5$의 아임계 값을 설정한다. ρ가 -0.5$(k≤∼0.999) 아래로 유지되는 한, 동작 상태는 정상이다.
원자로의 동작 범위는 (종래 임계 원자로와 같이) 달러, 즉, 반응도 값으로 또한 정의될 수 있다. 이는 달러 값이 실제로 감시되고 k 값으로 전환은 노심에 사용된 핵분열 동위원소(들)의 특정 종류에 의존하기 때문에 편리하다. 도 5 및 도 6을 기초로, ρ에 대한 범위는 이점적으로 -4.0$ 보다 크며, 대표적인 범위는 -3.0$ 내지 -0.5$이다.
(C) 마지막으로, 온도 변화로 인한 영향이 언급된다. 상술한 바와 같이, 양성자 전류에서 임의의(갑작스런) 변화로 온도 변화 및 그 결과 중성자 증배계수(k)의 변화가 야기된다. 이들 변화는 아임계 원자로의 실제 구조에 의존하며, 이들 변화는 실질적으로 상황에 따라 변할 수 있다. 지금까지 고려된 대부분의 시나리오들은 작은 음의 전체 온도계수를 특징으로 한다. 그런 후 양성자빔의 감소 또는 총 손실이 중성자 증배계수(k)의 증가를 야기하고, 이는 명백히 원자로를 임계에, 심지어 지연된 임계에로도 이르지 않게 해야 한다.
원자로 출력의 변화로 인한 효과들은 실제 조성물 및 연료 노화에 크게 의존한다. 이들은 2개의 파라미터, 즉, 열전도도(kth) 및 연료 원소들의 열용량(cth)에 주로 의존한다. 종래의 핀구조 산화물 연료봉에 큰 온도변화들이 예상되는데, 이는 kth가 상대적으로 낮기 때문이다. 다른 한편으로, 금속 연료봉들은 높은 kth로 인해 온도변화가 훨씬 더 작다. 카바이드 또는 니트라이드와 같은 다른 연료들은 아마도 산화물의 경우와 금속 중 하나 사이의 중간 값이다.
핵에너지의 각 (갑작스런) 변화에서, 연료온도의 변화는 cth에 저장된 열의 점진적 변화 및 kth를 통해 구조의 나머지들에 열소산으로 인해 발생한다. 온도의 변화는 차례로 중성자 증배계수(k)의 값에 영향을 준다. kth는 연소가 증가함에 따라 악화되는 구조적 속성에 의존하기 때문에 일반적으로 연료의 자연적 진화 동안 매우 많이 줄어들 것임이 주목된다.
예시를 위해, 1.6 GWattth 및 표준 연료핀 형태로 약 50톤의 토륨 우라늄 MOX 연료의 큰 납-냉각 아임계 에너지 증폭기를 고려하자. 전체 노심에 걸쳐 평균된 도플러 효과는 작고 음인 <ΔkT>∼-0.8×10-5K- 1것으로 밝혀졌다. 주요 온도효과는 훨씬 더 작은 영향과 일반적으로 훨씬 더 긴 시간 상수를 갖는 연료봉, 냉각재 및 노심의 나머지의 온도에서 빠른 변화로 인한 것이다. 연료봉과 적절한 조성물에 걸쳐 합쳐진 2차 미분방정식의 도움으로 갑작스런 전류 변화에 대한 시간 응답이 쉽게 계산된다. 이는 지발 중성자들의 특징 시간보다 훨씬 더 짧은 시간 상수(τth)로 지수함수에 의해 잘 표현된다. 대표적인 값들은 초기 토륨 우라늄 MOX 연료에 대해 τth=1.38s이고 20% 질량 연소 후에 τth=3.94s이며, 냉각재의 온도에 대해 연료핀의 중심의 최대 온도변화에 있어 143℃에서 386.9℃까지 인수가 2.8로 증가한다. 결론적으로, 중성자 증배계수(k)에 대한 온도 시간 응답은 아임계 원자로의 동작 동안 실험적으로 측정되고 주기적으로 감시되어야 하는 양이다.
양성자 전류의 계단적 변화로 인한 상술한 (A), (B) 및 (C)를 염두에 두면, 여러 대안들이 다음에 고려된다.
도 7에서, 드물기는 하지만 불가피한 빔 "트립", 즉 시간 t=0에서 전체 양성자 전류이 즉시 0으로 가는 계단 변화가 도시되어 있다. 평균 중성자 계수율 R=dC/dt은, 도 5의 곡선(20) 다음에 그리고 본원의 경우 임계로부터 1.5$ 떨어지도록 설정된 k 값으로 예시된(도 5에서 레벨(24)), t<0에 대해 25로 도시된 초기값 R0+RB로부터 다음에 지발 중성자들로 인해 t∼0에서 준안정 고원(26)까지 붕괴된다.
원자로 온도는 예컨대 도 7에 도시된 곡선 군들 중 하나를 따라 중성자 계수율의 변화를 야기하며 중재 없이 자발적으로 붕괴된다. 선택된 값은 τth=4s이며, 상기 예시된 토륨 우라늄 MOX 연료에 대해 20% 질량 연소의 최악의 경우에 해당한다. 다양한 곡선들(27 내지 37)은 각각 0℃, 100℃, 200℃, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃, 700℃, 800℃, 900℃ 및 1000℃의 연료 평균 피크의 연료 노심 온도변화(ΔTmax)를 나타낸다. 작은 ΔTmax(27)에 대해, ΔTmax가 커지자마자 계수율은 붕괴된 중성자들 중 하나에 잇따르고, 중성자 계수율은 k의 변화에 크게 영향받는다. 20% 질량 연소 후 이전 예에 대해 측정된 값은 곡선(31)에 가깝다. 기록된 중상자 계수율은 평가된 초기 ΔTmax 이상으로 아주 안정적으로 유지된다. ΔTmax가 증가함에 따라, 본 명세서에서 오로지 지발 중성자로 인한 중상자 계수율은 더 긴 시간까지 연장되고, 임계값에 접근할 때 거의 일정한 값에 접근하나, 이는 지발 중성자들만 연료 핵에서 고온으로 유지될 수 있기 때문에 배제된다.
도 7의 삽입(38)에서, "트립" 후 첫번째 5초를 더 상세히 도시한 것이다. 적절한 통계로, t∼0에서 준안정 고원(26)의 값 R1+RB을 현저한 정확도로 부드럽게 외삽할 수 있다.
$ 단위로 반응도는 또한 수학식 1로부터 결정될 수 있다:
여기서, 
는 도 7에 나타낸 바와 같이 t∼0에서 준안정 고원(26)의 레벨 R1+RB 대 t<0에서 중성자 계수율(25)의 레벨 R0+RB의 비이다(도 7의 경우, Δibeam=ibeam이므로, RB=0이다). 명확히, 주어진 전류 하강 Δibeam/ibeam에 대한에 대해 ρ/βeff를 계산하고 이를 타겟값 또는 타겟범위와 비교하기보다, 단지 중성자 계수기의 출력으로부터 관련비 X를 계산하고 X 값으로 타겟값 또는 타겟범위를 표현할 수 있다. R0+RB는 빔 전류의 계단 변화 전에 안정적인 계수율로서 직접 측정된다. 이 비율은 안정적이기 때문에, 이를 신뢰할 수 있게 측정하기 위해 흡족한 통계를 가질 시간이 충분하다. R1+RB 값은 단지 매우 짧은 시간주기, 즉, 삽입 38에 볼 수 있는 바와 같이 수십 밀리세컨드 크기 동안의 실제 계수율을 나타낸다. 실제로, 계수기(110)는 이런 짧은 주기에서 신뢰할 수 있는 측정을 제공하기 위해 충분한 중성자 붕괴 이벤트들을 누적할 수 없다. 그러나, 신뢰할 수 있는 R1+RB 값을 얻기 위해 빔 전류의 계단 변화 후 100 밀리세컨드 보다 큰 또는 심지어 1초보다 큰 상대적으로 긴 시간 주기 동안, 측정된 중성자 계수율을 이용할 수 있다. 이는 빔 전류가 떨어져 있는 동안 t=0 부근에서 계단 변화 후 측정된 중성자 계수율의 값을 외삽함으로써 행해진다. 최소평균자승, 곡선 피팅 등을 포함한 잘 알려진 수치방법을 이용해 외삽이 수행될 수 있다. t=0에서, 외삽 값은 매우 양호한 정확도로 R1+RB를 제공한다. 필요하다면, 계수 통계가 수 초에 걸쳐 획득될 수 있다.
곡선(27)은 무시할 수 있는 온도효과(ΔTmax∼0℃)에 대한 상황을 나타내고 곡선(37)은 냉각재의 온도에 대한 평균 중심 노심온도 ΔTmax=1000℃에 대한 상황을 나타낸다. 온도 시나리오가 무엇이든지 간에, t∼0에서 준안정 고원(26)의 레벨 R1+RB가 안정적으로 평가된다.
실제로, "트립" 후 핵분열 속도의 시간 의존성은 본 명세서에 예시된 간단한 지수함수 분석 중 하나와 특히 τth 값이 이들 기본 기대치와 다를 수 있는 의존성을 가질 수 있다. 그럼에도 불구하고, 점 26에서 R1+RB 값이 삽입(38)에 나타낸 절차를 따라 분석적 "연속" 외삽에 의해 정확하게 평가될 수 있다.
중상자 집단의 관점에서 도 7에 도시된 바와 같은 결과를 갖는 "트립" 이벤트는 가속기 복합체의 변류계(4,5,10)를 이용해 검출된다. 검출 후 몇 초 만에, 이는 핵에너지를 거의 0으로 내리는 대응하는 큰 반응도 감소로 고속으로 움직이는 "긴급정지" 완충소자(112)의 즉각적 삽입에 의해 자동적으로 멈춰진다. 그러나, 본원의 분석은 심지어 긴급정지 시스템의 고장도 수리불가능한 손상을 일으키지 않는 것을 나타낸다. 또한, 긴급정지 시스템이 작동되기 전에, 이는 도 7에 대해 상술한 평가 절차를 이용해 빔 트립 바로 전에 반응도 ρ($ 단위)의 평가를 얻을 수 있다.
반응도 또는 중상자 증배계수를 모니터하기 위해 필요한 범위내에 있고 제어봉 시스템(111)을 이용한 어떤 보정 측정을 하게 확실히 하도록 노심(100)에서 반응도를 평가하는 다른 국면들이 ADS의 정상 수명 동안 이용된다.
바람직하기로, 이런 단계들은 반복될 경우, 노심의 열적-기계적 안정성에 위험을 나타낼 수 있는 빔 전류의 완전한 가동중지를 포함하지 않는다. 도 5를 참조하면, 이는 50% 미만으로 빔 전류(ibeam)의 계단 감소가 적절한 것으로 판단될 수 있다.
도 8은 Δibeam/ibeam=0.3인 예에서 도 7 중 하나와 하나와 유사한 도면이다. 다시, (A) 고속 성분, (B) 지발 성분 및 (C) 시간 함수로서 온도변화의 행동을 고려하였다. -30%까지 빔 전류의 계단 변화에 이은 시간 함수로서 중성자 계수율을 시뮬레이션하였다. 몇 초 후, 전류는 원래 값(ibeam)으로 다시 복귀되었다. 지발 임계 아래의 1.5$에 해당하는 초기 k값과 τth=4s를 장래의 파라미터로 선택하였다. 39에서 중성자 신호 R0+RB는 지발 중성자로 인한 완전한 초기 기여를 유지하면서 40에서 R1+RB로 줄었다. 다양한 곡선들(41 내지 49)은 각각 0℃, 40℃, 80℃, 120℃, 160℃, 200℃, 240℃, 320℃ 및 400℃의 연료 평균 피크의 연료 노심 온도변화(ΔTmax)를 나타낸다. 예상된 바와 같이, ΔTmax가 커지자마자, 중성자 계수율은 k의 변화에 의해 크게 영향받는다. 20% 질량 연소 후 이전 예에 대한 평가값은 곡선 43에 가깝다. 도 8의 삽입(50)에서, 계단 변화 다음 첫번째 5초가 더 상세히 도시되어 있다. 다시, 적절한 통계로, t∼0에서 준안정 고원(40)의 값 R1+RB을 현저한 정확도로 부드럽게 외삽할 수 있다. 그런 후 중성자 증배계수(k)의 값이 도 5 및 곡선 22의 도움으로 추출된다. 반응도 ρ/βeff도 또한 수학식 2를 이용해 평가될 수 있다.
가속기 전류의 점진적 변화에 대한 상술한 절차는 필요에 따라 음 또는 양 Δibe am 모두로 아임계 원자로의 전체 동작 동안 확장될 수 있다. 각 단계에서, 중성자 계수율 dC/dt 및 해당하는 핵분열 발생 출력이 시간의 함수로 기록되고 새로운 증배계수(k) 값 또는 달러 값이 계산된다. 연료의 온도가 발생된 출력에 따라 증가하기 때문에, k값이 크게 변한다. 각 단계에서, 제어봉은 프로세스를 통해 필요한 k 값을 유지하기 위해 이동될 수 있다.
시동 또는 가동중지 프로세스 또는 어떤 이유로 원자로를 변경하는 프로세스를 포함한 원자로 성능의 몇몇 편성 변화는 가끔 발생해야 한다. 그런 후 가속기 전류는 일련의 연속적 증분 또는 감분 단계로 필요한 값으로 차츰 이끌어진다. 이런 빔 전류의 계단 변화에 이어, 결과적으로 발생한 계수율은 도 7 또는 도 8을 참조로 상술한 절차와 유사한 절차로 정확하게 측정된다: t>0에 대한 값은 즉발 및 지발 중성자 성분에 관한 준안정 고원의 값을 추출하기 위해 곡선의 우측으로부터 t=0 부근에서 부드럽게 외삽되어 온도 변화의 점진적으로 증가하는 영향을 제거한다. t≤0에 대한 해당 값을 나눈 이 외삽 값으로부터, $ 단위의 k를 계산할 수 있다. 각 단계에서, 필요에 따라 핵에너지 생산 설정의 상태를 유지하기 위해 제어봉이 점진적으로 조절된다. 필요한 원자로의 성능을 최적화하기 위해 절차는 선택적으로 반복될 수 있다.
상술한 실시예는 본 명세서에 개시된 본원의 예이며 특허청구범위에 정의된 바와 같은 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 변경들이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
Claims (18)
- 파쇄중성자 타겟에 가속 입자를 보내는 단계와,
핵분열 및 핵원료 물질을 포함한 핵연료로 적재되고, 중성자 계수기들이 분포된 노심에 파쇄중성자 타겟으로부터 중성자를 증배시키는 단계와,
유효 중성자 증배계수가 0.98 보다 큰 범위로 유지되도록 노심에서의 반응도를 조절하는 단계를 포함한 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법으로서,
노심에서의 반응도를 조절하는 것은
가속 입자들의 빔전류를 줄이기 위해 계단 변화를 가하는 단계와,
빔 전류의 계단 변화에 응답해 중성자 계수기들에 의해 제공된 중성자 계수율의 변화를 측정하는 단계와,
상기 계단 변화로 인한 즉발 중성자의 손실에 대한 계수율의 하강을 평가하는 단계와,
상기 계수율의 평가된 하강 대 상기 계단 변화 전에 계수율 값을 비를 평가하는 단계를 포함하는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 유효 중성자 증배계수의 범위는 0.99 보다 크고 0.999 보다 작은 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
노심에서의 반응도는 -4$ 보다 큰 범위로 제어되고, 상기 반응도 단위 '$'는 원자로 시스템에 대한 것인 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 3 항에 있어서,
노심에서의 반응도는 -3$ 내지 -0.5$ 범위로 제어되는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 중성자 계수율의 하강의 평가는 상기 계단 변화의 시간 부근에 상기 계단 변화 후의 계수율의 변화를 외삽하는 단계를 포함하는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
빔 전류가 감소된 값으로 유지되고 중성자 계수율의 변화가 외삽을 위해 측정되는 계단 변화에 잇따른 주기는 100 밀리세컨드보다 큰 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 계단 변화에 잇따른 주기는 1초보다 큰 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
계단 변화는 50% 미만씩 빔 전류를 감소시키는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
파쇄중성자 타겟에 보내진 가속 입자들은 연속 입자빔 형태인 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 9 항에 있어서,
입자빔은 노심내 반응도를 측정하는 단계를 제외하고 공칭 빔(nominal beam)전류로 동작되며, 반응도 제어는 노심내 중성자 흡수 제어요소들의 위치를 조절하는 것을 포함하는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 9 항에 있어서,
입자빔은 노심내 반응도를 평가하는 단계를 제외하고 공칭 빔전류로 동작되며, 반응도 제어는
중성자 전류에 의해 제공된 중성자 계수율을 연속으로 모니터링하는 것과,
모니터링된 계수율의 편차 상태의 검출에 응답해, 노심내 반응도를 평가하는 단계를 수행하는 것을 포함하는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
반응도 제어는 노심내 반응도를 주기적으로 평가하는 것을 포함하고, 반응도 평가는 가속 입자들의 전류를 줄이는 것을 포함하는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
반응도 제어는 노심내 반응도를 주기적으로 한 시간 보다 큰 주기로 평가하는 것을 포함하는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
가속 입자의 임의적 차단을 검출하는 것과,
차단의 검출에 응답해, 노심에 긴급정지 중성자 완충재를 삽입하는 것을 더 포함하는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 14 항에 있어서,
가속 입자의 차단을 검출한 다음 100 밀리세컨드보다 큰 주기 후에 노심에 긴급정지 중성자 완충재가 삽입되고, 중성자 계수기에 의해 제공된 중성자 계수율의 변화가 상기 주기에서 측정되며, 상기 차단으로 인한 즉발 중성자의 손실과 관련된 계수율의 하강이 평가되고 반응도 값을 도출하기 위해 평가된 계수율의 하강 대 상기 차단 전에 계수율의 값의 비가 평가되는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 15 항에 있어서,
상기 주기는 1초보다 큰 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
가속 입자들이 빔 전류의 연속성을 보장하기 위해 중복 구성요소들을 갖는 가속도 복합체에 의해 제공되는 아임계 상태에서 가속기 구동 핵시스템을 동작하는 방법. - 적어도 하나의 입자 가속기;
가속된 입자를 수용하는 파쇄중성자 타겟;
핵분열 및 핵연료 물질을 포함한 핵연료가 적재되는 파쇄중성자 타겟에 인접한 노심;
상기 노심으로부터 열을 수용하기 위한 냉각재 서킷;
상기 노심내 분포된 중성자 계수기; 및
유효 중성자 증배계수가 0.98 보다 큰 범위에 유지되도록 반응도를 제어하기 위해 중성자 계수기와 협동하는 제어시스템을 구비하는 아임계 가속기 구동 핵시스템으로서,
제어시스템은 가속 입자의 빔전류를 줄이기 위해 계단 변화를 가하고, 빔 전류의 계단 변화에 응답해 중성자 계수기들에 의해 제공된 중성자 계수율의 변화를 측정하며, 상기 계단 변화로 인한 즉발 중성자의 손실에 대한 계수율의 하강을 평가하고, 상기 계수율의 평가된 하강 대 상기 계단 변화 전에 계수율 값의 비를 평가하기 위해 배열되는 아임계 가속기 구동 핵시스템.
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