KR101568448B1 - 히트 파이프 핵분열 연료 요소 - Google Patents

히트 파이프 핵분열 연료 요소 Download PDF

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무리엘 와이 이시카와
데이비드 지 맥컬리
나탄 피 마이어볼드
토마스 알란 위버
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Abstract

예시적인 실시예는 핵분열 연료 요소와, 이 핵분열 연료 요소와 관련된 시스템, 용례, 장치 및 방법을 제공한다. 예시적인 실시예와 양태는 제한없이 핵분열 연료 요소, 히트 파이프 조립체, 히트 파이프, 핵분열 연료 요소의 제조 방법, 히트 파이프 조립체의 제조 방법 등을 포함한다.

Description

히트 파이프 핵분열 연료 요소{HEAT PIPE FISSION FUEL ELEMENT}
본 발명은 핵분열 연료 요소와, 이 핵분열 연료 요소와 관련된 시스템, 용례, 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 핵분열 연료 요소와, 이 핵분열 연료 요소와 관련된 시스템, 용례, 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
예시적인 실시예는 핵분열 연료 요소와, 이 핵분열 연료 요소와 관련된 시스템, 용례, 장치 및 방법을 제공한다. 예시적인 실시예와 양태는 제한없이 핵분열 연료 요소, 히트 파이프 조립체, 히트 파이프, 핵분열 연료 요소를 제조하는 방법, 히트 파이프 조립체를 제조하는 방법 등을 포함한다.
이 요약은 오직 예시적이고 어떠한 방식으로든 제한하려는 의도는 없다. 전술한 예시적인 양태, 실시예 및 특징외에, 추가의 양태, 실시예 및 특징이 도면 및 이하의 상세한 설명을 참조하여 명백할 것이다.
본 발명에 따르면, 핵분열 연료 요소와, 이 핵분열 연료 요소와 관련된 시스템, 용례, 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1a는 예시적인 핵분열 연료 요소의 개략적인 형태의 사시도.
도 1b는 도 1a의 핵분열 연료 요소의 세부 내용의 개략적인 형태의 사시도.
도 2a는 예시적인 핵분열 연료 요소의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 2b는 다른 예시적인 핵분열 연료 요소의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 2c는 다른 예시적인 핵분열 연료 요소의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 2d는 다른 예시적인 핵분열 연료 요소의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 3a는 도 2a 내지 도 2d의 예시적인 핵분열 연료 요소의 실시예의 일부의 개략적인 형태의 절취 단부도.
도 3b는 도 3a에 도시된 부분의 상세 내용의 도면.
도 4a는 예시적인 히트 파이프의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 4b는 다른 예시적인 히트 파이프의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 4c는 다른 예시적인 히트 파이프의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 4d는 다른 예시적인 히트 파이프의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 5a는 도 4a 내지 도 4d의 예시적인 히트 파이프의 실시예의 일부의 개략적인 형태의 절취 단부도.
도 5b는 도 5a에 도시된 부분의 상세 내용의 도면.
도 5c는 도 4a 내지 도 4d의 예시적인 히트 파이프의 다른 실시예의 일부의 개략적인 형태의 절취 단부도.
도 6은 도 4a 내지 도 4d의 예시적인 히트 파이프의 다른 실시예의 일부의 개략적인 형태의 절취 측면도.
도 7a는 핵분열 연료 요소를 제조하는 예시적인 방법의 흐름도.
도 7b 내지 도 7i는 도 7a의 흐름도의 일부의 상세 내용의 흐름도.
도 8a는 히트 파이프 조립체를 제조하는 예시적인 방법의 흐름도.
도 8b 내지 도 8h는 도 8a의 흐름도의 일부의 상세 내용의 흐름도.
이하의 상세한 설명에 있어서, 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에서, 유사한 부호는 문맥이 달리 지시하지 않는 한 통상적으로 유사한 구성요소를 나타낸다. 상세한 설명, 도면 및 청구범위에 설명된 예시적인 실시예는 제한하려는 의미는 없다. 여기에 제시된 주제의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 다른 실시예가 사용될 수 있고 다른 변경이 이루어질 수 있다.
개략적으로, 예시적인 실시예는 핵분열 연료 요소와, 이 핵분열 연료 요소와 관련된 시스템, 용례, 장치 및 방법에 관한 것이다. 예시적인 실시예 및 양태는 제한없이 핵분열 연료 요소, 히트 파이프 조립체, 히트 파이프, 핵분열 연료 요소를 제조하는 방법, 히트 파이프 조립체를 제조하는 방법 등을 포함한다.
여전히 개략적으로 비제한적인 예로서, 몇몇 실시예는 내부에 배치된 적어도 하나의 히트 파이프를 포함하는 핵분열 연료 요소로서 제공될 수 있지만, 몇몇 실시예는 핵분열 연료 물질이 내부에 배치된 히트 파이프로서 제공될 수 있다.
여전히 개략적으로 도 1a를 참조하여, 예시적인 핵분열 연료 요소(10)를 제한이 아니라 예시로서 논의할 것이다. 예시적인 핵분열 연료 요소(10)는 핵분열 연료 물질(12)을 적절하게 포함한다. 히트 파이프(16)의 적어도 일부(14)(점선으로 도시됨)는 핵분열 연료 물질(12) 내에 배치된다.
핵분열 연료 물질(12)에 관하여 어떠한 제한도 의도하지 않는다. 이를 위해, 핵분열 연료 물질(12)은 특정한 용례를 위해 원할 때에 임의의 종류의 핵분열 연료 물질일 수 있는 것이 적절하다. 따라서, 핵분열 연료 물질(12)은 금속, 화합물, 합금 또는 원한다면 그 임의의 조합의 형태로 제공될 수 있다. 핵분열 연료 물질(12)은 어떠한 중성자 스펙트럼을 갖는 어떠한 종류의 핵분열 리액터에도 사용할 수 있다. 예컨대, 몇몇의 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(12)은 열 중성자 스펙트럼을 갖는 핵분열 리액터에 사용할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(12)은 고속 중성자 스펙트럼을 갖는 핵분열 리액터에 사용할 수 있다.
더욱이, 몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(12)은 증식로, 예컨대 제한없이 핵분열 폭연파 고속 증식로와 같은 고속 증식로(fast breeder reactor)에 사용할 수 있다. 핵분열 폭연파 고속 증식로는 2006년 11월 28일자로 출원되고 발명의 명칭이 장기간 작동을 위한 자동화 원자력 리액터이고 발명자의 이름이 RODERICK A. HYDE, MURIEL Y. ISHIKAWA, NATHAN P. MYHRVOLD, 및 LOWELL L. WOOD, JR.인 미국 특허 출원 제11/605,943호에 기술되어 있는데, 이 출원은 현재 공동 계류중이거나 출원일의 이익의 권리가 있는 출원이며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 합체된다. 이를 위해, 몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(12)은 핵분열성(fissile) 물질 및/또는 친핵연료(fertile) 물질을 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 핵분열성 물질은 233U, 235U 및/또는 239Pu 중 임의의 1종 이상을 포함할 수 있고, 친핵연료 물질은 232Th 및/또는 238U 중 임의의 1종 이상을 포함할 수 있다.
더욱이, 핵분열 연료 요소(10)의 기하학적 형태에 관해서는 어떠한 제한의 의도는 없다. 본 명세서에서 도면에 도시된 기하학적 형태는 예시적인 목적을 위해서만 사용된다. 핵분열 연료 요소(10)의 임의의 특정한 기하학적 형태에 대한 어떠한 제한도 암시하도록 의도되지 않고, 이에 따라 어떠한 것도 추론해서도 않된다.
추가로 도 1b를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(12) 내에 공동(18)이 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 공동(18)은 핵분열 연료 물질(12)의 적어도 부분(14)을 통해 형성되는 통로일 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에 있어서, 공동(18)의 표면(20)은 히트 파이프(16; 도 1a)의 부분(14; 도 1a)의 벽일 수 있다. 공동(18)은 임의의 적절한 방식으로 형성될 수 있다. 예컨대, 몇몇 실시예에 있어서, 공동(18)은, 예컨대 드릴링, 밀링, 스탬핑 등에 의해 원하는 임의의 방식으로 핵분열 연료 물질(12)로부터 공동을 기계 가공함으로써 형성될 수 있다. 몇몇의 다른 실시예에 있어서, 공동(18)은 제한없이 맨드릴(도시 생략) 등의 성형체 둘레에 핵분열 연료 물질(12)의 적어도 일부(22)를 형성함으로써 형성될 수 있다. 그 형성은 원하는 임의의 방식으로, 예컨대 제한없이 용접, 캐스팅, 전기도금, 프레싱, 몰딩 등에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 히트 파이프(16)의 벽(24)은 핵분열 연료 물질(12)의 공동(18)으로부터 연장됨으로써, 표면(20)의 연장부로서 실질적으로 작용한다. 따라서, 공동(18)은 실질적으로 밀봉되는 것으로 고려될 수 있다. 벽(24)은 고온 작동 및/또는 원한다면 중성자속(neutron flux) 환경을 위해 원하는 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다. 비제한적인 예로서 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 벽(24)은 강, 니오븀, 바나듐, 티타늄, 내화성 금속 및/또는 내화성 합금 등의 재료들 중 임의의 1종 이상으로 제조될 수 있다. 비제한적인 예로서 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 내화성 금속은 니오븀, 탄탈, 텅스텐, 하프늄, 레늄 또는 몰리브덴일 수 있다. 내화성 합금의 비제한적인 예로는 미국 특허 제6902809호에 기술된 레늄-탄탈 합금, 탄탈 합금 T-111, 몰리브덴 합금 TZM, 텅스텐 합금 MT-185 또는 니오븀 합금 Nb-1Zr을 포함한다.
히트 파이프(16)의 모세관 구조(26)가 공동(18)의 적어도 일부 내에 형성된다. 즉, 표면(20)은 모세관 구조(26)의 일부를 둘러싸는 벽이다. 몇몇 실시예에 있어서, 모세관 구조(26)는 또한 핵분열 연료 물질(12)의 외측에 있고 벽(24)에 의해 둘러싸이는 히트 파이프(16)의 내부 내에 형성될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 모세관 구조는 심지(wick)일 수 있다. 심지는 토륨, 몰리브덴, 텅스텐, 강, 탄탈, 지르코늄, 탄소 및 내화성 금속 등과 같이 원하는 임의의 적절한 재료로 제조될 수 있다.
몇몇의 다른 실시예에 있어서, 도 3a 및 도 3b를 간단히 참조하면, 모세관 구조(26)는 축방향 홈(28)으로서 제공될 수 있다. 홈(28)은 랜드(30)에 의해 분리된다. 몇몇 실시예에 있어서, 홈(28) 내에는 추가의 홈(32)이 형성된다. 홈(32)은 2개의 랜드(34)에 의해 또는 랜드(30)의 하나와 핸드(34)의 하나에 의해 서로 분리될 수 있다. 홈(28, 32)은 제한없이 기계 가공, 에칭, 캐스팅, 스탬핑 등과 같이 원하는 임의의 적절한 방법에 의해 형성될 수 있다.
다시 도 2a 내지 도 2d와 도 3b를 참조하면, 히트 파이프(16) 내에는 작용유(36; 도 3b)가 제공된다. 작용유(36)는 증발성과 응축성을 갖는 것이 적절하다. 비제한적인 예로 가정하면, 작용유(36)는 제한없이 7Li, 나트륨, 칼륨 등과 같이 원하는 임의의 적절한 작용유를 포함할 수 있다.
도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 히트 파이프(16)는 증발기 섹션(38)과 응축기 섹션(40)을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 도 2a 및 도 2c에 도시된 바와 같이, 증발기 섹션(38)은 전체적으로 또는 실질적으로 핵분열 연료 물질(12) 내에 배치될 수 있다. 그러나, 증발기 섹션(38)은 전체적으로 또는 실질적으로 핵분열 연료 물질(12) 내에 배치될 필요가 없다는 것을 알 것이다. 이를 위해, 몇몇 실시예에 있어서, 도 2b 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 증발기 섹션(38)의 적어도 일부는 핵분열 연료 물질(12) 내에 있지 않다. 도 2a 내지 도 2d에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에 있어서, 응축기 섹션(40)은 전체적으로 핵분열 연료 물질(12) 외측에 배치될 수 있다. 그러나, 몇몇의 다른 실시예(도시 생략)에 있어서, 응축기 섹션(40)의 일부는 핵분열 연료 물질(12) 내에 배치될 수 있고 응축기 섹션(40)의 적어도 일부는 핵분열 연료 물질(12) 내에 있지 않다.
몇몇 실시예에 있어서, 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 히트 파이프(16)는 또한 단열 섹션(42)을 포함할 수 있다. 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 몇몇 실시예에 있어서, 단열 섹션(42)은 전체적으로 핵분열 연료 물질(12) 외측에 배치될 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예(도시 생략)에 있어서, 단열 섹션(42)의 일부는 핵분열 연료 물질(12) 내에 배치될 수 있고 단열 섹션(42)의 적어도 일부는 핵분열 연료 물질(12) 내에 있지 않다.
이하, 도 2a 내지 도 2d를 참조하면, 핵분열 연료 물질(12)로부터의 열은 화살표(44)로 지시된 바와 같이 증발기 섹션(40)으로 전달된다. 증발기 섹션(40) 내의 작용유(36)는 화살표(46)로 지시된 바와 같이 증발함으로써 액체에서 기체로 상변태를 겪는다. 기체 형태의 작용유(36)는 증발기 섹션(38)으로부터 화살표(48)로 지시된 바와 같이 히트 파이프(16)를 통해, 적용될 수 있다면 (몇몇 실시예에서) 단열 섹션(42; 도 2c 및 도 2d)을 통해, 그리고 응축기 섹션(40)으로 이동한다. 응축기 섹션(40)에서, 작용유(36)로부터의 열은 화살표(50)로 지시된 바와 같이 히트 파이프(16) 밖으로 전달된다. 응축기 섹션(40) 내의 작용유(36)는 화살표(52)로 지시된 바와 같이 응축됨으로써 기체에서 액체로 상변태를 겪는다. 액체 형태의 작용유(36)는 모세관 구조(26)의 모세관 작용을 통해 화살표(54)로 지시된 바와 같이 응축기 섹션(40)으로부터 증발기 섹션(38)으로 복귀한다. 적용될 수 있다면, 몇몇 실시예에 있어서 액체 형태의 작용유(36)는 응축기 섹션(40)으로부터 단열 섹션(42; 도 2c 및 도 2d)을 통해 증발기 섹션(38)으로 복귀한다.
따라서, 도 1a, 도 1b 및 도 2a 내지 도 2d를 다시 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 도 1a, 도 1b 및 도 2a 내지 도 2d에 도시된 조립체는 히트 파이프(16)와 핵분열 연료 물질(12)을 포함하는 히트 파이프 조립체일 수 있다는 것을 알 것이다. 전술한 바와 같이, 핵분열 연료 물질(12)은 히트 파이프(16)와 일체형이고 히트 파이프(16)와 열 연통하도록 배치된다. 즉, 핵분열 연료 물질(12)은 내부에 공동(18)을 형성하고 히트 파이프(16)의 적어도 부분(14)은 공동(18) 내에 배치된다.
이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 히트 파이프 조립체(60)는 히트 파이프 장치(62)를 포함한다. 히트 파이프 장치(62)는 벽 섹션(63)을 포함한다. 후술되는 바와 같이, 핵분열 연료 물질(64)은 히트 파이프 장치(62)와 일체형이고 히트 파이프 장치(62)와 열 연통하도록 배치된다. 핵분열 연료 물질(64)은 전술한 핵분열 연료 물질(12; 도 1a, 도 1b 및 도 2a 내지 도 2d)과 유사한 것이 적절하여, 상세 내용은 반복할 필요가 없다.
히트 파이프 조립체(60)의 실시예는 핵분열 연료 요소(10; 도 1a, 도 1b, 도 2a 내지 도 2d, 도 3a 및 도 3b)와 공통으로 몇몇 특징을 공유한다. 공통적인 특징을 가르키도록 공통적인 참조 번호를 사용하며, 이해를 위해 상세 내용을 반복할 필요는 없다.
히트 파이프 장치(62)는 내부에 공동(66)을 형성한다. 벽 섹션(63)의 표면(65)은 공동(66)의 표면을 형성한다. 몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(64)은 공동(66)의 적어도 일부 내에 배치된다. 예컨대, 도 5a 및 도 5b를 추가로 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(64)은 모세관 구조(26) 내에 배치될 수 있다.
그러나, 핵분열 연료 물질(64)은 모세관 구조(26) 내에 배치될 필요는 없고 원한다면 공동(66) 내에 어디라도 배치될 수 있다는 것을 알 것이다. 제한없이 주어진 다른 예시적인 예로서 추가로 도 5c를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서 핵분열 연료 물질(64)은 핵분열 연료 물질(64)을 적소에 유지하는 하나 이상의 지지 구조(67) 상의 공동(64) 내에 배치될 수 있다. 추가의 모세관 구조(26a)가 핵분열 연료 물질(64)의 외부 주위에 배치된다. 지지 구조(67)의 적어도 하나는 핵분열 연료 물질(64)의 외부 주위에 배치된 모세관 구조(26a)와 공동(66)의 표면 주위에 배치된 모세관 구조(26) 사이의 모세관 작용에 의해 액상의 작용유를 운반할 수 있는 채널, 모세관 구조 등과 같은 액체 운반 구조이다.
히트 파이프 장치(62)는 증발기 섹션(38)과 응축기 섹션(40)을 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서 도 4a 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 핵분열 연료 물질(64)은 전체적으로 또는 실질적으로 증발기 섹션(38) 내에 배치될 수 있다. 그러나, 핵분열 연료 물질(64)이 전체적으로 또는 실질적으로 증발기 섹션(38) 내에 배치될 필요는 없다는 것을 알 것이다. 이를 위해, 몇몇 실시예에 있어서 도 4b 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 핵분열 연료 물질(64)의 적어도 일부는 증발기 섹션(38) 내에 있지 않다.
몇몇 실시예에 있어서, 비제한적인 예로 가정하면, 핵분열 연료 물질(64)은 모세관 구조를 가질 수 있다. 원한다면, 몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(64)은 소결된 분말형 연료 미소구조, 발포형 미소구조 또는 고밀도 미소구조 등을 가질 수 있다.
히트 파이프 장치(62)는 모세관 구조(26)를 포함한다. 몇몇 실시예에 있어서, 모세관 구조(26)는 전술한 바와 같이 랜드(30) 사이에 형성되는 홈(28)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 모세관 구조(26)는 전술한 바와 같이 랜드(30, 34) 사이에서 표면(65)에 형성되는 홈(32)을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 모세관 구조는 전술한 바와 같이 심지를 포함할 수 있다.
히트 파이프 조립체(60)는 또한 전술한 바와 같이 작용유(36)를 포함한다. 또한, 몇몇 실시예에 있어서, 히트 파이프 장치(62)는 단열 섹션(42; 도 4c 및 도 4d)을 포함할 수 있다.
이하, 도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 핵분열 연료 물질(64)로부터의 열은 증발기 섹션(40)으로 전달된다. 증발기 섹션(38)내에서 작용유(36)는 화살표(46)로 지시된 바와 같이 증발함으로써 액체에서 기체로 상변태를 겪는다. 기상 형태의 작용유(36)는 화살표(48)로 지시된 바와 같이 증발기 섹션(38)으로부터, 적용될 수 있다면 (몇몇 실시예에서) 단열 섹션(42; 도 4c 및 도 4d)을 통해, 응축기 섹션(40)으로 이동한다. 응축기 섹션(40)에서, 작용유(36)로부터의 열은 화살표(52)로 지시된 바와 같이 히트 파이프 장치(62) 밖으로 전달된다. 응축기 섹션(40)에서 작용유(36)는 화살표(52)로 지시된 바와 같이 응축됨으로써 기체에서 액체로 상변태를 겪는다. 액체 형태의 작용유(36)는 화살표(54)로 지시된 바와 같이 모세관 구조(26)의 모세관 작용에 의해 응축기 섹션(40)으로부터 증발기 섹션(38)으로 복귀한다. 적용될 수 있다면, 몇몇 실시예에 있어서, 액체 형태의 작용유(36)는 응축기 섹션(40)으로부터 단열 섹션(42; 도 4c 및 도 4d)을 통해 증발기 섹션(38)으로 복귀한다.
추가로 도 6을 참조하면, 몇몇의 다른 실시예에 있어서, 히트 파이프 장치(62a)는 구조 물질(68)의 적어도 하나의 층과 핵분열 연료 물질(64a)의 적어도 하나의 층을 포함하는 벽 섹션(63a)을 갖는다. 따라서, 핵분열 연료 물질(64a)은 공동(66)의 외측에 배치될 수 있다. 간결성과 명확성을 기하기 위하여, 핵분열 연료 물질(64a)과 구조 물질(68)의 단 하나의 층이 도시되어 있다. 그러나, 몇몇 실시예에 있어서, 원한다면 핵분열 연료 물질(64a)과 구조 물질(68)의 임의의 개수의 층이 제공될 수 있다. 비제한적인 예로 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 구조 물질(68)은 강, 니오븀, 바나듐, 티타늄, 내화성 금속 및/또는 내화성 합금 등의 임의의 1종 이상의 재료를 포함할 수 있다. 비제한적인 예로 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 내화성 금속은 니오븀, 탄탈, 텅스텐, 하프늄, 레늄 또는 몰리브덴일 수 있다. 내화성 합금의 비제한적인 예로는 미국 특허 제6902809호에 기술된 레늄-탄탈 합금, 탄탈 합금 T-111, 몰리브덴 합금 TZM, 텅스텐 합금 MT-185 또는 니오븀 합금 Nb-1Zr을 포함한다.
몇몇 실시예에 있어서, 핵분열 연료 물질(64a)의 층은 전체적으로 또는 실질적으로 증발기 섹션(38) 내에 배치될 수 있다. 그러나, 다른 실시예(도시 생략)에 있어서, 핵분열 연료 물질(64a)의 하나 이상의 층이 단열 섹션(제공된다면) 및/또는 응축기 섹션의 적어도 일부에 배치될 수 있다.
핵분열 연료 요소와 히트 파이프의 예시적인 실시예를 논의하였고, 이하 그와 관련된 예시적인 방법을 논의한다.
이하는 공정의 수행을 묘사하는 일련의 흐름도이다. 이해를 쉽게 하기 위하여, 처음의 흐름도는 전반적인 "큰 그림"의 관점을 통한 수행을 제공하고, 그 후에 다음의 흐름도는 하위 단계 또는 이전에 제공된 하나 이상의 흐름도에 의지하는 추가의 단계로서 택일적인 수행 및/또는 "큰 그림"의 확장을 제공하도록 흐름도를 구성하였다. 당업계의 숙련자라면 여기에 사용된 설명 스타일(예컨대, 전반적인 관점을 제공하는 흐름도의 설명으로 시작하고 그 후에 다음의 흐름도에서 추가 및/또는 더 상세 내용을 제공하는)이 일반적으로 다양한 공정 수행의 빠르고 용이한 이해를 가능하게 한다는 것을 알 것이다. 또한, 당업계의 숙련자라면 여기에 사용된 설명 스타일이 모듈형 설계 모범에 잘 적합하다는 것을 또한 알 것이다.
이하, 도 7a를 참조하면, 핵분열 연료 요소를 제조하는 예시적인 방법(80)이 제공된다. 방법(80)은 블록(82)에서 시작한다. 블록(84)에서, 핵분열 연료 물질이 제공된다. 블록(86)에서, 적어도 하나의 히트 파이프의 적어도 일부가 핵분열 연료 물질 내에 배치된다. 방법(80)은 블록(88)에서 중지된다.
이하, 도 7b를 참조하면, 몇몇 실시예에서, 블록(86)에서 적어도 하나의 히트 파이프의 적어도 일부를 핵분열 연료 물질 내에 배치하는 것은 추가의 공정을 포함할 수 있다. 예컨대, 블록(90)에서, 핵분열 연료 물질의 적어도 일부 내에 공동이 형성될 수 있다. 또한, 블록(92)에서, 공동의 적어도 일부 내에 모세관 구조가 배치될 수 있다. 또한, 블록(94)에서, 공동 내에 작용유가 배치될 수 있다.
이하, 도 7c를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(90)에서 핵분열 연료 물질의 적어도 일부 내에 공동을 형성하는 것은 블록(96)에서 공동을 기계 가공하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(96)에서 공동을 기계 가공하는 것은 드릴링, 밀링, 스탬핑 등과 같은 기계 가공 작업에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 7d를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(90)에서 핵분열 연료 물질의 적어도 일부 내에 공동을 형성하는 것은 블록(98)에서 제한없이 맨드릴 등의 성형체 둘레에 핵분열 연료 물질의 적어도 일부를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 그 형성은 용접, 캐스팅, 전기도금, 프레싱, 몰딩 등과 같은 작업에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 7e를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(92)에서 공동의 적어도 일부 내에 모세관 구조를 배치하는 것은 블록(100)에서 공동의 표면에 복수 개의 홈을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(100)에서 공동의 표면에 복수 개의 홈을 형성하는 것은 기계 가공, 에칭, 캐스팅, 스탬핑 등과 같은 작업에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 7e를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(92)에서 공동의 적어도 일부 내에 모세관 구조를 배치하는 것은 블록(102)에서 공동의 적어도 일부 내에 심지를 배치하는 것을 포함할 수 있다.
이하, 도 7g를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(86)에서 핵분열 연료 물질 내에 적어도 하나의 히트 파이프의 적어도 일부를 배치하기 전에, 블록(104)에서 공동의 크기가 핵분열 연료 요소의 융통성있는 예정된 전력 생산 특성을 기초로 하여 결정될 수 있다. 일례에 있어서, 공동의 단면적은 작용유의 특정한 축방향 열속에 의해 핵분열 연료 요소의 예정된 전력 생산값을 나눔으로써 선택될 수 있다.
이하, 도 7h를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(86)에서 핵분열 연료 물질 내에 적어도 하나의 히트 파이프의 적어도 일부를 배치하기 전에, 블록(106)에서 공동의 크기가 작용유의 융통성있는 예정된 열전달 특성을 기초로 하여 결정될 수 있다. 일례에 있어서, 공동의 단면적은 히트 파이프 작용유로부터 바람직한 축방향 열전달 능력을 달성하도록 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 이 선택은 적절하게는 작용유의 작동 기체 밀도, 기화 잠열 및 바람직한 유속 또는 마하수를 고려할 수 있다. 다른 예에서, 공동의 측방향 치수는 기체 유동에 대해 바람직한 레이놀즈수를 제공하도록 선택될 수 있다.
이하, 도 7i를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(86)에서 핵분열 연료 물질 내에 적어도 하나의 히트 파이프의 적어도 일부를 배치하기 전에, 블록(108)에서 공동의 크기가 융통성있는 휘발성 분열 생성물을 기초로 하여 결정될 수 있다. 일례에 있어서, 공동 용적은 용적 내에 특정량의 기체 분열 생성물에 의해 생성된 압력을 기초로 하여 선택될 수 있다. 다른 예에 있어서, 공동 용적은 히트 파이프의 열전달 특성에 관한 용적 내에 특정량의 기체 분열 생성물의 관성 효과를 기초로 하여 선택될 수 있다.
이하, 도 8a를 참조하면, 히트 파이프 조립체를 제조하는 예시적인 방법(110)이 제공된다. 방법(110)은 블록(112)에서 시작한다. 블록(114)에서, 히트 파이프 장치가 제공된다. 블록(116)에서, 히트 파이프 장치와 일체형이고 히트 파이프 장치와 열 연통하는 핵분열 연료 물질이 배치된다. 방법(110)은 블록(118)에서 중지된다.
이하, 도 8b를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(114)에서 히트 파이프 장치를 제공하는 것은 추가의 공정을 포함할 수 있다. 예컨대, 블록(120)에서, 벽 섹션을 갖는 히트 파이프 본체가 제공될 수 있다. 블록(122)에서, 벽 섹션의 적어도 일부 내에 공동이 형성될 수 있다. 또한, 블록(124)에서, 공동의 적어도 일부 내에 모세관 구조가 배치될 수 있다. 또한, 블록(126)에서, 공동 내에 작용유가 배치될 수 있다.
이하, 도 8c를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(116)에서 히트 파이프 장치와 열 연통하는 핵분열 연료 물질을 배치하는 것은 블록(128)에서 벽 섹션의 적어도 일부 내에 핵분열 연료 물질을 배치하는 것을 포함할 수 있다. 이하, 도 8d를 참조하면, 몇몇의 다른 실시예에 있어서, 블록(116)에서 히트 파이프 장치와 열 연통하는 핵분열 연료 물질을 배치하는 것은 블록(130)에서 공동의 적어도 일부 내에 핵분열 연료 물질을 배치하는 것을 포함할 수 있다.
이하, 도 8e를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(122)에서 벽 섹션 내에 공동을 형성하는 것은 공동을 기계 가공하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(122)에서 공동을 기계 가공하는 것은 드릴링, 밀링, 스탬핑 등과 같은 기계 가공 작업에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 8f를 참조하면, 몇몇의 다른 실시예에 있어서, 블록(122)에서 벽 섹션의 적어도 일부 내에 공동을 형성하는 것은 블록(134)에서 제한없이 맨드릴 등의 성형체 둘레에 벽 섹션의 적어도 일부를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 그 형성은 용접, 캐스팅, 전기도금, 프레싱, 몰딩 등과 같은 작업에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 8g를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(124)에서 공동의 적ㅇ도 일부 내에 모세관 구조를 배치하는 것은 블록(136)에서 공동의 표면에 복수 개의 홈을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 비제한적인 예로 가정하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(136)에서 공동의 표면에 복수 개의 홈을 형성하는 것은 기계 가공, 에칭, 캐스팅, 스탬핑 등과 같은 작업에 의해 수행될 수 있다.
이하, 도 8h를 참조하면, 몇몇 실시예에 있어서, 블록(124)에서 공동의 적어도 일부 내에 모세관 구조를 배치하는 것은 블록(138)에서 공동의 적어도 일부 내에 심지를 배치하는 것을 포함할 수 있다.
당업자라면 본 명세서에 설명된 구성요소(예컨대, 블록), 장치 및 목적과 그들에 수반된 논의가 개념의 명확성을 기하기 위해 예로서 사용되고, 당업계의 기술 내에 다양한 구성의 변경이 있다는 것을 알 것이다. 따라서, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 기재된 특정례와 수반된 논의는 보다 일반적인 등급을 나타내는 것으로 의도된다. 일반적으로, 본 명세서에서 어떠한 특정례의 사용은 또한 그 등급을 나타내는 것으로 의도되고, 본 명세서에서 그러한 특정한 구성요소(예컨대, 블록), 장치 및 목적의 비포함은 제한이 원하는 것을 지시하는 것으로 취급되어서는 않된다.
본 명세서에서 실질적으로 어떠한 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자라면 문맥 및/또는 용례에 적절하다면 복수로부터 단수로 및/또는 단수로부터 복수로 해석할 수 있다. 명확성을 기하기 위해, 다양한 단수/복수 치환은 명백하게 기재하지 않는다.
명세서에 설명한 본 주제의 특정한 양태를 도시 및 설명하였지만, 본 명세서의 기술을 기초로 하여, 본 명세서에 설명된 주제와 그 광의의 양태로부터 벗어남이 없이 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백하고, 따라서, 첨부한 청구범위는 그 범위 내에서 본 명세서에 주제의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 그러한 변경 및 수정을 모두 포함한다. 더욱이, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정된다는 것을 알아야 한다. 당업자라면, 일반적으로 본 명세서, 특히 첨부한 청구범위(예컨대, 첨부한 청구범위의 대부분)에 사용된 용어는 대체로 "광의의" 용어를 의미하는 것임을 이해할 것이다(예컨대, 용어 "포함하는"은 "한정하는 것은 아니지만 포함하는"으로 해석되어야만 하며, 용어 "구비하는"은 "적어도 구비하는"으로 해석되어야만 하고, 용어 "포함한다"는 "한정하는 것은 아니지만 포함한다"로 해석되어야만 하는 것과 같음). 또한 당업자라면, 특정 개수의 도입된 청구항 기재를 의도하는 경우 그러한 의도는 청구항에 명시적으로 기재되며 이러한 기재가 없을 경우 전술한 의도가 없는 것으로 이해해야 함을 이해할 것이다. 예컨대, 이해를 돕고자, 이하의 첨부된 청구범위는 청구항의 기재를 도입하기 위해 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"과 같은 도입 어구의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 문구의 사용은, 심지어 동일한 청구항이 도입 문구인 "하나 이상" 또는 "적어도 하나"와 단수 표현을 포함할 때조차도, 단수로 기재된 청구항의 도입 문구에 의해 이러한 청구항 기재를 포함하는 임의의 특정 청구항이 단지 하나의 기재를 포함하는 발명으로 한정되는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 되며(예컨대, 단수는 통상적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야만 함), 청구항 기재를 도입하기 위해 상기라는 표현을 사용할 때에도 마찬가지이다. 추가로, 심지어 특정 개수의 도입된 청구항 기재를 명시적으로 기재하는 경우라도, 당업자는 이러한 기재가 보통 적어도 기재된 개수를 의미하는 것으로 해석되어야만 함을 이해할 것이다(예컨대, 있는 그대로의 기재인 "2개의 기재"는 다른 수식어구 없이 보통 적어도 2개의 기재, 또는 2개 이상의 기재를 의미함). 또한, "A, B 및 C 중 적어도 하나"와 같은 어구가 사용되는 경우, 일반적으로 이러한 구문은 당업자가 통상적으로 이해하는 것을 의미한다(예컨대, A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템은, 한정하는 것은 아니지만, A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 모두, A와 C 모두, B와 C 모두, 및/또는 A, B 및 C 모두를 구비하는 시스템을 포함함). 또한, 당업자는, 상세한 설명, 청구범위 또는 도면에서 실질적으로 임의의 접속사 어휘 및/또는 2개 이상의 택일적 물품들을 나타내는 어구가 상기 물품들 중 하나, 상기 물품들 중 어느 하나 또는 양자 모두를 포함할 가능성을 고려한 것으로 이해되어야만 함을 이해할 것이다. 예를 들면, 어구 "A 또는 B"는 "A", 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 청구범위와 관련하여, 당업자라면 일반적으로 그 안에 열거된 작업이 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것을 알 것이다. 그러한 교호적 순서의 예는, 문맥에서 달리 지시하지 않으면, 중첩, 끼움, 중단, 재명령, 증대를 포함할 수 있다. 문맥과 관련하여, "응답하는", "관련되는" 또는 다른 과거 시제 형용사는 일반적으로 문맥에서 달리 지시하지 않으면 그러한 변형을 제외하도록 의도되지 않는다.
본 명세서에는 다양한 양태 및 실시예가 개시되어 있지만, 다른 양태 및 실시예도 당업자에게 명백하다. 본 명세서에 개시된 다양한 양태 및 실시예는 설명을 위한 것이며 이하의 청구범위에 의해 지시되는 범위 및 사상과 관련하여 한정하려는 의도가 아니다.

Claims (115)

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  40. 핵분열 연료 요소로서,
    공동이 내부에 형성된 핵분열 연료 물질과,
    공동의 적어도 일부 내에 배치된 모세관 구조와,
    공동 내에 배치되는 작용유
    를 포함하고,
    상기 공동의 벽 표면은 내부에 형성된 복수 개의 홈들을 가지고, 상기 홈들 내에는 추가의 홈들이 형성되고, 상기 복수 개의 홈들과 상기 추가의 홈들은 상기 모세관 구조를 형성하는 것인 핵분열 연료 요소.
  41. 제40항에 있어서, 상기 공동은 핵분열 연료 물질의 적어도 일부를 통해 형성된 통로를 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  42. 제41항에 있어서, 상기 통로는 모세관 구조의 일부를 실질적으로 둘러싸는 벽을 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  43. 제40항에 있어서, 상기 공동은 실질적으로 밀봉되는 것인 핵분열 연료 요소.
  44. 제40항에 있어서, 상기 핵분열 연료 물질은 핵분열성 물질 및 친핵연료 물질로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  45. 제44항에 있어서, 상기 핵분열성 물질은 233U, 235U 및 239Pu로부터 선택된 적어도 하나의 핵분열성 물질을 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  46. 제44항에 있어서, 상기 친핵연료 물질은 232Th 및 238U로부터 선택된 적어도 하나의 친핵연료 물질을 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  47. 제40항에 있어서, 상기 공동의 벽 표면은 히트 파이프의 벽 표면을 형성하는 것인 핵분열 연료 요소.
  48. 삭제
  49. 제40항에 있어서, 상기 모세관 구조는 심지를 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  50. 제49항에 있어서, 상기 심지는 토륨, 몰리브덴, 텅스텐, 강, 탄탈, 지르코늄, 탄소 및 내화성 금속으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 핵분열 연료 요소.
  51. 제40항에 있어서, 상기 작용유는 증발성과 응축성을 갖는 것인 핵분열 연료 요소.
  52. 제51항에 있어서, 상기 작용유는 7Li, 나트륨 및 칼륨으로부터 선택된 유체를 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  53. 제47항에 있어서, 상기 히트 파이프는 증발기 섹션과 응축기 섹션을 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  54. 제53항에 있어서, 상기 히트 파이프는 단열 섹션을 더 포함하는 것인 핵분열 연료 요소.
  55. 제53항에 있어서, 상기 응축기 섹션의 적어도 일부는 핵분열 연료 물질 내에 없는 것인 핵분열 연료 요소.
  56. 제53항에 있어서, 상기 증발기 섹션의 적어도 일부는 핵분열 연료 물질 내에 없는 것인 핵분열 연료 요소.
  57. 제54항에 있어서, 상기 단열 섹션의 적어도 일부는 핵분열 연료 물질 내에 없는 것인 핵분열 연료 요소.
  58. 히트 파이프로서,
    공동이 내부에 형성된 벽 섹션과,
    상기 공동의 적어도 일부 내에 배치된 모세관 구조와,
    상기 공동 내에 배치되는 작용유
    를 포함하고, 상기 벽 섹션은 적어도 일부가 핵분열 연료 물질을 포함하는 것이고,
    상기 공동의 벽 표면은 내부에 형성된 복수 개의 홈들을 가지고, 상기 홈들 내에는 추가의 홈들이 형성되고, 상기 복수 개의 홈들과 상기 추가의 홈들은 상기 모세관 구조를 형성하는 것인 히트 파이프.
  59. 제58항에 있어서, 상기 히트 파이프는 증발기 섹션과 응축기 섹션을 포함하는 것인 히트 파이프.
  60. 제59항에 있어서, 상기 히트 파이프는 단열 섹션을 더 포함하는 히트 파이프.
  61. 제59항에 있어서, 상기 응축기 섹션의 적어도 일부를 형성하는 벽 섹션 부분은 핵분열 연료 물질을 포함하지 않는 것인 히트 파이프.
  62. 제59항에 있어서, 상기 증발기 섹션의 적어도 일부를 형성하는 벽 섹션 부분은 핵분열 연료 물질을 포함하는 것인 히트 파이프.
  63. 제60항에 있어서, 상기 단열 섹션의 적어도 일부를 형성하는 벽 섹션 부분은 핵분열 연료 물질을 포함하지 않는 것인 히트 파이프.
  64. 제58항에 있어서, 상기 벽 섹션은 구조 물질을 포함하는 적어도 하나의 층과 핵분열 연료 물질을 포함하는 적어도 하나의 다른 층을 포함하는 것인 히트 파이프.
  65. 제64항에 있어서, 상기 구조 물질은 강, 니오븀, 바나듐, 티타늄, 내화성 금속 및 내화성 합금으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인 히트 파이프.
  66. 제58항에 있어서, 상기 핵분열 연료 물질은 핵분열성 물질 및 친핵연료 물질로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 히트 파이프.
  67. 제66항에 있어서, 상기 핵분열성 물질은 233U, 235U 및 239Pu로부터 선택된 적어도 하나의 핵분열성 물질을 포함하는 것인 히트 파이프.
  68. 제66항에 있어서, 상기 친핵연료 물질은 232Th 및 238U로부터 선택된 적어도 하나의 친핵연료 물질을 포함하는 것인 히트 파이프.
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  70. 제58항에 있어서, 상기 모세관 구조는 심지를 포함하는 것인 히트 파이프.
  71. 제70항에 있어서, 상기 심지는 토륨, 몰리브덴, 텅스텐, 강, 탄탈, 지르코늄, 탄소 및 내화성 금속으로부터 선택된 재료로 제조되는 것인 히트 파이프.
  72. 제58항에 있어서, 상기 작용유는 증발성과 응축성을 갖는 것인 히트 파이프.
  73. 제72항에 있어서, 상기 작용유는 7Li, 나트륨 및 칼륨으로부터 선택된 유체를 포함하는 것인 히트 파이프.
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