KR101779730B1 - 핵분열 점화기 - Google Patents

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나탄 피 미르폴트
찰스 휘트머
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Abstract

예시적인 실시형태는 핵분열 원자로용 핵분열 점화기 및 그 운전 방법을 제공한다. 예시적인 실시형태 및 양태는, 이로 한정함 없이, 핵분열 연료 물질에서 핵분열 폭연 파동을 점화하도록 구성된 핵분열 점화기, 핵분열 점화기를 구비한 핵분열 폭연 파동 원자로, 핵분열 폭연 파동을 점화하는 방법 등을 포함한다.

Description

핵분열 점화기{NUCLEAR FISSION IGNITER}
관련 출원들의 상호 참조
본 출원은 다음에 열거된 출원(들)("관련 출원")에 관한 것으로, 이들로부터 가장 빠른 활용가능한 유효 출원일(들)의 이익을 청구한다[예컨대, 관련 출원(들)의 임의의 원출원 및 모든 원출원(parent, grandparent, great-grandparent, etc. applications)에 대하여, 가특허 출원이 아닌 출원에 대한 가장 빠른 활용가능한 우선일을 청구하거나 가특허 출원에 대해 35 USC §119(e) 하의 이익을 청구한다].
관련 출원
미국 특허청 법정특례 요건을 목적으로, 본 출원은 현재 공동 계류중이거나, 현재 공동 계류중인 출원에 출원일의 이익을 부여하는 출원, 즉 "AUTOMATED NUCLEAR POWER REACTOR FOR LONG-TERM OPERATION"을 명칭으로 하고, Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.를 발명자로 하여, 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제11/605,943호의 일부계속출원(CIP)을 구성한다.
미국 특허청 법정특례 요건을 목적으로, 본 출원은 현재 공동 계류중이거나, 현재 공동 계류중인 출원에 출원일의 이익을 부여하는 출원, 즉 "METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING FUEL IN A NUCLEAR RECATOR"를 명칭으로 하고, Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.를 발명자로 하여, 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제11/605,848호의 일부계속출원(CIP)을 구성한다.
미국 특허청 법정특례 요건을 목적으로, 본 출원은 현재 공동 계류중이거나, 현재 공동 계류중인 출원에 출원일의 이익을 부여하는 출원, 즉 "CONTROLLABLE LONG TERM OPERATION OF A NUCLEAR REACTOR"를 명칭으로 하고, Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.를 발명자로 하여, 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제11/605,933호의 일부계속출원(CIP)을 구성한다.
미국 특허청(USPTO)은 USPTO의 컴퓨터 프로그램이 다음의 요건, 즉 특허 출원이 출원번호(serial number) 및 이 출원이 계속출원(CA) 또는 일부계속출원(CIP)인지 여부의 표시 모두를 참조할 것을 요구한다는 점을 공지하였다. http,//www.uspto.gov/web/offices/com/sol/og/2003/week11/patbene.htm에서 얻을 수 있는, Stephen G. Kunin의 "선출원의 이익(Benefit of Prior-Filed Application)" (미국 특허청 관보, 2003년 3월 18일) 참조. 본 출원서(이하, "출원"이라 한다)는 법규에 따라 인용되어 그로부터 우선권을 주장하는 상술한 특정 참조문헌들을 제공하였다. 본 출원인은 이 법규가 그 특정 참조 언어에서 의미가 명백하며 그리고 미국 특허 출원에 대해 우선권을 주장하기 위하여 "계속출원(continuation)" 또는 "일부계속출원(continuation-in-part)"과 같은 임의의 특징이나 출원번호 중 어느 하나를 요구하지 않는다는 점을 이해하였다. 전술한 바에도 불구하고, 본 출원인은 미국 특허청(USPTO)의 컴퓨터 프로그램이 일정한 데이터 항목 요건을 가진다는 점을 이해하였고, 그런 까닭에 출원인은 상술한 바와 같은 원출원들의 일부계속출원으로서 본 출원을 표시하고 있는 반면, 그러한 표시가 본 특허 출원의 주제에 더하여 임의의 신규 주제를 본 출원에 포함하는지 여부에 대한 임의 유형의 주석 및/또는 고백과 같은 임의의 방식으로 이해되지 않아야 한다는 점을 명백히 지적한다.
관련 출원 및 관련 출원의 모든 원출원(parent, grandparent, great-grandparent 등)의 주제는, 그러한 주제가 본원에서 벗어나지 않는 한도 내에서 본원에 포함된다.
기술분야
본 출원은 핵분열 원자로(nuclear fission reactor)와, 그와 관련된 핵분열 점화기(nuclear fission igniter)에 관한 것이다.
이하, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기술되어 있는 "과제"를 일부 또는 전부 해소하기 위한 핵분열 점화기, 및 그 운전 방법 등을 제공하기 위한 것이다.
다음의 본 발명의 실시형태 및 그 양태를, 예시적이고 본 발명의 범위를 제한하지 않는 시스템 및 방법과 관련하여 기술하고 설명한다.
예시적인 실시형태는 핵분열 원자로용 핵분열 점화기 및 그 운전 방법을 제공한다. 예시적인 실시형태 및 양태는, 이로 한정함 없이, 핵분열 연료 물질에서 핵분열 폭연 파동을 점화하도록 구성된 핵분열 점화기, 핵분열 점화기를 구비한 핵분열 폭연 파동 원자로, 핵분열 폭연 파동을 점화하는 방법 등을 포함한다.
전술한 예시적인 실시형태 및 양태에 덧붙여, 도면을 참고하고 다음의 상세한 설명을 검토함으로써 추가의 실시형태 및 양태가 명백해질 것이다.
예시적인 실시형태가 참조 도면에 도시되어 있다. 본원에 개시된 실시형태와 도면은 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
도 1a는 예시적인 핵분열 점화기 모듈을 포함하는 예시적인 핵분열 원자로를 개략적으로 도시한다.
도 1b 및 도 1c는 단면적 대 중성자 에너지의 관계를 그래프로 나타낸다.
도 1d 내지 도 1h는 핵분열 원자로가 출력을 내며 운전되고 있는 기간 동안의 상대 농도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2j는 예시적인 핵분열 원자로 노심 집합체에 설치된 예시적인 핵분열 점화기의 개략적인 형태의 상부 평면도이다.
도 3a는 예시적인 핵분열 점화기의 평면도이다.
도 3b는 예시적인 핵분열 점화기의 사시도이다.
도 4a 내지 도 4c는 예시적인 핵분열 점화기용 이송 집합체의 부분 절단 평면도이다.
도 4d는 예시적인 하우징 내로의 예시적인 핵분열 점화기의 삽입을 도시한다.
도 4e는 예시적인 핵분열 점화기용 이송 집합체의 부분 절단 사시도이다.
도 5a는 붕괴열 제거 장치(decay heat removal device)를 구비한 예시적인 핵분열 점화기의 사시도이다.
도 5b는 예시적인 이송 집합체 내 예시적인 붕괴열 제거 장치를 구비한 예시적인 핵분열 점화기의 부분 절단 평면도이다.
도 5c는 예시적인 붕괴열 제거 장치를 구비한 예시적인 핵분열 점화기의 부분 절단 사시도이다.
도 5d는 예시적인 이송 집합체 내에 붕괴열 제거 장치를 구비한 예시적인 핵분열 점화기의 삽입을 도시한다.
도 5e는 붕괴열 제거 장치를 구비한 다른 예시적인 이송 집합체의 부분 절단 사시도이다.
도 6a 내지 도 6c는 핵분열 점화기를 수납하는 예시적인 방법의 순서도이다.
도 7a 내지 도 7d는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 핵분열 점화기를 배치하는 예시적인 방법의 순서도이다.
도 8a 및 도 8b는 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동을 개시하는 예시적인 방법의 순서도이다.
개략적으로, 실시형태는 핵분열 원자로용 핵분열 점화기 및 그 운전 방법을 제공한다. 예시적인 실시형태 및 양태는, 이로 한정함 없이, 핵분열 연료 물질에서 핵분열 폭연 파동을 점화하도록 구성된 핵분열 점화기, 핵분열 점화기를 구비한 핵분열 폭연 파동 원자로, 핵분열 폭연 파동을 점화하는 방법 등을 포함한다. 우선, 모두 비제한적인 실시예로서 주어지는 예시적인 원자로, 예시적인 노심 핵공학적 기술 및 운전 방법의 상세가 기술된다. 그러한 상세는 "AUTOMATED NUCLEAR POWER REACTOR FOR LONG-TERM OPERATION"을 명칭으로 하여, Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.가 발명자로써 2006년 11월 28일 출원한 미국 특허 출원 제11/605,943호, "METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING FUEL IN A NUCLEAR REACTOR"를 명칭으로 하여, Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.가 발명자로써 2006년 11월 28일 출원한 미국 특허 출원 제11/605,848호, 그리고 "CONTROLLABLE LONG TERM OPERATION OF A NUCLEAR REACTOR"를 명칭으로 하여 Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.가 발명자로써 2006년 11월 28일 출원한 미국 특허 출원 제11/605,933호에 포함되어 있으며, 이들 출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다. 이후, 상세는 수 개의 예시적인 실시형태 및 양태에 관하여 설명될 것이다.
이제 도 1a를 참조해 보면, 실시예로서 비제한적으로 주어진 핵분열 원자로(10)가, 본원에 기술된 실시형태 및 양태에 있어서 예시적인 주요 환경의 역할을 한다. 그러한 목적으로, 핵분열 원자로(10)는 예시적인 핵분열 점화기(110)를 포함한다. 다수 실시형태의 핵분열 원자로(10)를 고려할 수 있지만, 고려될 수 있는 핵분열 원자로(10) 다수의 실시형태들의 공통의 특징은 핵분열 폭연 파동(deflagration wave), 즉 "화염면(burnfront)"의 발생과 전파이다.
과제
핵분열 원자로(10)를 상세히 설명하기에 앞서, 핵분열 원자로(10)의 실시형태의 몇몇 배후 과제를 개략적으로 거론하겠지만, 이들 과제는 제한적인 것으로 해석되어서는 안 된다. 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태는 아래에 후술하는 다수의 과제를 다룬다. 다른 한편으로, 핵분열 원자로(10)의 다른 일부 실시형태는 이들 과제 중에서 하나, 또는 선택된 몇몇만을 다룰 수 있으며, 아래에 후술하는 과제 모두를 조정할 필요는 없다. 이하의 설명 중 일부는, 2003년 7월에 개최된 아스펜 기후변화연구소(Aspen Global Change Institute)의 워크샵에서 Edward Teller, Muriel Ishikawa, Lowell Wood, Roderick Hyde 및 John Nuckolls이 발표한 "Completely Automated Nuclear Power Reactors For Long-Term Operation, III. Enabling Technology For Large-Scale, Low-Risk, Affordable Nuclear Electricity"란 제목의 논문[캘리포니아 대학 로렌스 리버모어 국립연구소 발행, UCRL-JRNL-122708 (2003)]에서 발췌한 정보를 포함하며, 이 논문의 모든 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다(이 논문은 2003년 11월 30일에 'Energy, The International Journal'에 제출하기 위해 준비되었다).
핵분열 원자로(10)의 실시형태에서 사용하도록 되어 있는 일정한 핵분열 연료는, 이로 한정되지 않지만, (천연, 열화, 혹은 농축) 우라늄, 토륨, 플루토늄, 또는 심지어 사전 연소된 핵분열 연료 집합체(fuel assembly)와 같은, 통상적으로 널리 입수 가능한 것이다. 이로 한정되지 않지만, 악티늄계 원소, 또는 그 동위원소와 같이, 널리 입수 가능한 것이 아닌 그 밖의 핵분열 연료가 핵분열 원자로(10)의 실시형태에서 사용될 수도 있다. 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태는 최대 출력에 있어서 약 1/3 세기(century) 내지 약 1/2 세기 정도의 혹은 그 이상의 장기 운전을 고려하지만, 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태의 한 양태는 핵연료 재장전(nuclear refueling)을 고려하지 않는 반면(대신 수명이 다했을 때 그 자리에 매립하는 것을 고려함), 핵분열 원자로(10)의 실시형태의 일부 양태는 핵연료 재장전을 고려하는데, 여기서, 일부 핵연료 재장전은 정지 중에 실시되고 일부 핵연료 재장전은 출력 운전 중에 실시된다. 또한, 일부 경우에, 핵분열 연료의 재처리를 막아서, 군사적 용도로 전환할 가능성과 그 밖의 문제점을 경감시키는 것이 고려된다.
핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태에 대한 선택에 영향을 줄 수 있는 다른 과제는, 운전 중에 발생하는 장수명(long-lived) 방사능을 명백히 안전한 방식으로 처분하는 것을 포함할 수 있다. 핵분열 원자로(10)는 운전자 실수, 냉각제 상실 사고(loss of coolant accident, LOCA)와 같은 불의의 참사 등으로 인한 손상을 경감시킬 수 있도록 계획된다. 일부 양태에서, 폐로(廢爐)는 낮은 위험과 저비용의 방식으로 시행될 수 있다.
예를 들면, 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태는 지하 부지를 수반할 수도 있으며, 따라서 생물권 안으로 이루어지는 방사능의 대량의 갑작스러운 방출 문제 및 소량의 정상상태의 방출 문제를 다룰 수 있다. 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태는 운전자 제어를 최소화하는 것을 수반할 수도 있으며, 그에 따라 이들 실시형태를 실행할 수 있는 한 최대로 자동화할 수 있다. 일부 실시형태에서, 핵분열 원자로(10)의 이들 실시형태가 기동부터 수명 종료 시 정지될 때까지 작동할 수 있는, 수명 주기를 고려한 설계가 고려된다. 수명 주기를 고려한 일부 설계에서, 핵분열 원자로의 실시형태는 실질적으로 완전 자동화된 방식으로 작동할 수도 있다. 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태는 모듈화된 구조가 되기 쉽다. 마지막으로, 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태는 고출력 밀도에 따라 설계될 수도 있다.
핵분열 원자로(10)의 다양한 실시형태의 몇몇 특징은 전술한 과제 중 일부에서 기인한 것이다. 예를 들면, 핵연료 재장전 없이 최대 출력으로 1/3 세기 내지 1/2 세기(또는 그 이상) 동안 작동하는 것과, 핵분열 연료 재처리를 막는 것을 함께 충족시키기 위한 요건은 고속 중성자 스펙트럼의 사용을 수반할 수도 있다. 다른 실시예로서, 일부 실시형태에서, 예컨대 고속 중성자의 강한 흡수체를 이용해 구현되는 국부 반응성에 대한 부(負) 피드백을 통하는 것과 같이, 핵분열 원자로(10)에 대한 반응성의 부(負) 온도 계수(αT)가 공학적으로 정해진다. 또 다른 실시예로서, 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태에서, 분산형 자동 온도 조절 장치가 핵분열 연료 연소의 핵분열 폭연 파동 전파 모드를 가능하게 한다. 이러한 모드는, 높은 평균 연소율의 천연 우라늄 또는 토륨과 같은 비농축 악티늄계 연료를 허용할 뿐만 아니라, 동시에 노심의 연료 장전부에서 핵분열 가능한 물질의 동위원소 농축이 완만히 이루어지는 "핵분열 점화기" 영역을 비교적 적게 사용할 수 있게 한다. 또 다른 실시예로서, 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태에서, 1차 노심 냉각과 2차 노심 냉각에 다중 대리가능성(multiple redundancy)이 제공된다.
핵분열 원자로의 예시적인 실시형태
이제, 핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태의 배후 과제 중 일부를 설명하였으므로, 핵분열 원자로(10)의 예시적인 실시형태에 관한 더 세부적인 사항을 설명한다. 핵분열 원자로(10)의 예시적인 실시형태에 대한 다음의 설명은 제한적인 것이 아니라 단지 비한정적인 실시예로서 주어진 것이라는 점을 강조한다. 전술한 바와 같이, 핵분열 원자로(10)의 수 개의 실시형태와 함께, 핵분열 원자로(10)의 추가의 양태가 고려된다. 핵분열 원자로(10)의 예시적인 일 실시형태에 관한 세부적인 사항을 설명한 후에, 다른 실시형태 및 양태를 또한 설명한다.
계속하여 도 1a를 참조하면, 핵분열 원자로(10)의 예시적인 일 실시형태는, 원자로 압력 용기(12) 내에 배치된 핵분열 원자로 노심 집합체(100)를 포함한다. 핵분열 점화기(110)는 핵분열 원자로 노심 집합체(100) 내에 제거 가능하게 수용된다. 핵분열 점화기(110)의 예시적인 실시예에 관한 상세가 이하에서 설명된다. 이하에서 설명하게 될, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 수 개의 실시형태 및 양태가 고려된다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100)에 관하여 이하에서 상세하게 설명하는 특징의 일부는, 핵분열 연료 물질 및 그 개개의 핵공학 기술, 연료 집합체, 연료의 기하구조, 및 핵분열 폭연 파동의 개시와 전파를 포함한다.
원자로 압력 용기(12)는 적절하게는 당업계에 알려진 임의의 만족스러운 압력 용기이며, 이로 한정되지 않지만, 스테인리스강 또는 그 합금(예컨대, HT-9)과 같은, 원자로 압력 용기에 사용하기에 만족스러운 임의의 재료로 이루어질 수 있다. 원자로 압력 용기(12) 내에서, 중성자 반사체(도시되지 않음) 및 방사선 차폐물(도시되지 않음)이 핵분열 원자로 노심 집합체(100)를 둘러싸고 있다. 일부 실시형태에서, 원자로 압력 용기(12)는 지하에 위치한다. 그러한 경우에, 원자로 압력 용기(12)는 핵분열 원자로 노심 집합체(100)를 위한 매립형 캐스크(burial cask)의 역할을 할 수도 있다. 이들 실시형태에서, 원자로 압력 용기(12)는 적절하게는 장기간의 환경적 격리를 위해 건조 모래와 같은 격리 물질의 영역(도시되지 않음)에 의해 둘러싸인다. 격리 물질의 영역(도시 생략)은 직경 약 100 m 정도의 크기를 가질 수 있다. 그러나, 다른 실시형태에서, 원자로 압력 용기(12)는 지면 상에 혹은 지면에 가까이 위치한다.
원자로 냉각제 루프(14)는 핵분열 원자로 노심 집합체(100)에서 핵분열로부터 나온 열을 특정 용도의 열교환기(16)에 전달한다. 원자로 냉각제는 특정 용도에서 요구되는 바에 따라 선택될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 원자로 냉각제는 적절하게는 헬륨(He) 가스이다. 다른 실시형태에서, 원자로 냉각제는 적절하게는 네온, 아르곤, 크립톤, 크세논과 같은 다른 압축 불활성 가스, 또는 물이나 가스 상태 혹은 초유동체 상태의 이산화탄소와 같은 다른 유체, 또는 나트륨이나 납과 같은 액체 금속, 또는 Pb-Bi와 같은 금속 합금, 또는 폴리페닐과 같은 유기 냉각제, 또는 불화탄소일 수 있다. 원자로 냉각제 루프는 적절하게는, 필요에 따라, 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 강철이나 기타 철계 혹은 비철계 합금, 또는 티타늄계 합금 혹은 지르코늄계 합금으로 이루어지거나, 또는 기타 금속 및 합금으로 이루어지거나, 또는 기타 구조 재료 혹은 복합 재료로 이루어질 수 있다.
일부 실시형태에서, 특정 용도의 열교환기(16)는, 전기 발전소(20) 내의 전기 터빈 발전기(18)와 같은 기계류를 회전시키기 위한 원동기으로서 제공되는, 증기를 발생시키는 증기 발생기일 수 있다. 그러한 경우에, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)는 적절하게는 높은 작동 압력과 온도(예컨대 1,000K를 상회하는 정도의 온도)에서 작동하며, 증기 발생기에서 발생하는 증기는 과열 증기일 수 있다. 다른 실시형태에서, 특정 용도의 열교환기(16)는 낮은 압력과 온도의 증기(즉, 과열 증기가 아닐 필요는 없음)를 발생시키는 임의의 증기 발생기일 수 있고, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)는 약 550K 미만의 온도로 작동한다. 이들 경우에, 특정 용도의 열교환기(16)는 해수 담수화 등과 같은 용도를 위해 또는 증류에 의해 바이오매스(biomass)를 에탄올로 처리하는 등을 위해 공정 열을 제공할 수 있다.
선택적인 원자로 냉각제 펌프(22)는 원자로 냉각제를 핵분열 원자로 노심 집합체(100)와 특정 용도의 열교환기(16)로 순환시킨다. 비록 예시적인 실시형태가 펌프와 중력 기반 순환을 제시하고 있지만, 다른 기법은 펌프 또는 순환 구조를 이용하지 않을 수도 있고, 또는 그렇지 않으면 유사하게 기하학적으로 제한될 수도 있다는 점에 유의한다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100)가 특정 용도의 열교환기(16)와 대략 수직 방향으로 동일 평면 상에 위치하는 경우에는, 열 유발 헤드(수두)가 발생되지 않도록, 원자로 냉각제 펌프(22)를 마련하는 것이 적절하다. 또한, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)가 지하에 위치하는 경우에도, 원자로 냉각제 펌프(22)가 마련될 수 있다. 그러나, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)가 지하에 위치하거나, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)가 특정 용도의 열교환기(16)의 아래에 수직 방향으로 간격을 두고 있는 임의의 방식으로 위치하는 경우에는, 원자로 압력 용기(12)에서 나가는 원자로 냉각제와, 원자로 압력 용기(12)에서 나가는 상기 원자로 냉각제보다 온도가 낮은, 특정 용도의 열교환기(16)에서 나가는 원자로 냉각제 사이에서, 열 유발 헤드가 발생될 수 있다. 충분한 열 유발 헤드가 존재하는 경우에는, 출력 운전 중에 원자로 냉각제를 핵분열 원자로 노심 집합체(100)에 충분히 순환시켜 핵분열로부터의 열을 제거하기 위해, 원자로 냉각제 펌프(22)를 마련하지 않아도 된다.
일부 실시형태에서, 하나보다 많은 수의 원자로 냉각제 루프(14)를 마련하여, 냉각제 상실 사고(loss of coolant accident, LOCA), 유량 상실 사고(loss of flow accident, LOFA), 또는 1차 내지 2차 누설 등과 같은 불의의 사고를 대비해, 나머지 원자로 냉각제 루프(14) 중 어느 하나에 대리가능성을 부여할 수 있다. 각각의 원자로 냉각제 루프(14)는 대개 최대 출력 운전에 대해 그 규격이 정해지지만, 그럼에도 일부 용례에서 이러한 제한을 없앨 수도 있다.
일부 실시형태에서, 원자로 냉각제 차단 밸브 등과 같은 일순(一瞬) 폐쇄부(24)가 원자로 냉각제 시스템의 라인에 마련된다. 마련된 각각의 원자로 냉각제 루프(14)에서는, 원자로 압력 용기(12)로부터의 유출 라인과, 특정 용도의 열교환기(16)의 유출구로부터 원자로 압력 용기(12)로의 회귀 라인에, 폐쇄부(24)가 마련된다. 일순 폐쇄부(24)는 원자로 냉각제 내에 핵분열 생성물이 상당량 혼입되었음을 탐지한 상황 등과 같은 비상 상황 하에서 빠르게 차단되는 급속 작동식 폐쇄부이다. 일순 폐쇄부(24)는 여분의 통상적인 자동 밸브 시스템(도시되지 않음)에 추가하여 마련된다.
사용 후 열(붕괴열)을 제거하기 위해 열 덤프 열교환기(26)가 마련되어 있다. 열 덤프 열교환기(26)는 붕괴열 제거용 냉각제를 핵분열 원자로 노심 집합체(100)를 통해 순환시키도록 구성된 1차 루프를 포함한다. 열 덤프 열교환기(26)는 공학적으로 설계된 열 덤프 전열관 네트워크(도시되지 않음)에 결합된 2차 루프를 포함한다. 일부 상황에서는, 예컨대 예비용으로, 하나보다 많은 수의 열 덤프 열교환기(26)가 마련될 수도 있다. 이렇게 마련된 열 덤프 열교환기(26) 각각은, 붕괴열 제거용 냉각제 펌프를 필요로 하지 않는 붕괴열 제거용 냉각제의 자연적인 유동을 허용하기에 충분한 열 유발 헤드가 제공되도록, 핵분열 원자로 노심 집합체(100) 위에 소정의 수직 방향 거리를 두고 위치할 수 있다. 그러나, 일부 실시형태에서는 붕괴열 제거 펌프(도시 생략)가 마련될 수 있고, 혹은 마련된다면, 원자로 냉각제 펌프가 적당한 곳에서 붕괴열 제거용으로 사용될 수 있다.
핵분열 원자로(10)의 예시적인 실시형태를 개략적으로 설명하였으므로, 그 밖의 실시형태와 양태를 살펴본다. 먼저, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 실시형태와 양태를 살펴본다. 먼저, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)와 그 핵공학적 기술, 그리고 핵분열 폭연 파동의 전파를 개략적으로 설명한 후에, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 예시적인 실시형태와 그 밖의 양태를 설명한다.
개략적이고 보편적인 관점에서, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 구성 원소는 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 또는 탄소 복합재, 세라믹 등으로 이루어질 수 있다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 운전 온도가 높기 때문에, 최대 출력 운전 시 계획된 수명에 걸친 크리프 저항성과, 기계 가공성, 그리고 내식성 때문에 이들 재료가 적합하다. 구성 원소는, 단일 재료로 이루어질 수 있고, 혹은 재료의 조합(예컨대, 코팅, 합금, 다층, 합성 등)으로 이루어질 수 있다. 일부 실시형태에서, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)는, 구성 원소로서, 알루미늄(Al), 강철, 티타늄(Ti) 등과 같은 다른 재료가 단독으로 혹은 조합으로 사용될 수 있도록, 충분히 낮은 온도에서 작동한다.
핵분열 원자로 노심 집합체(100)는 핵분열 점화기(110)와 핵분열 연소 파동 전파 영역을 갖는다. 핵분열 폭연 연소 파동 전파 영역은 적절하게는 토륨 또는 우라늄 연료를 수용하며, 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 증식의 일반적인 원리에 따라 기능한다. 일부 실시형태에서, 국부적인 중성자속(neutron flux)을 규제하여 국부적인 출력 생산을 제어하는 자동 온도 조절 모듈(thermostating module)에 의하여, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)가 전체적으로 균일한 온도로 유지된다.
핵분열 연료의 효율적인 이용과 동위원소 농축 요건의 최소화라는 이유 때문에, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)는 적절하게는 증식로(breeder)이다. 또한, 이제 도 1b와 도 1c를 참조하면, 열중성자에 대한 핵분열 생성물의 흡수 단면적이 커서, 우라늄을 연료로 하는 실시형태에서는 핵분열 생성물을 제거하지 않고서는 약 1%를 초과하는 토륨, 또는 보다 많은 우라늄 동위 원소(238U)를 이용할 수 없게 되므로, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)는 적절하게는 고속 중성자 스펙트럼을 이용한다.
도 1b에서는, 232Th를 연료로 하는 실시형태의 경우에 관심 대상인 지배적인 중성자 기반의 원자핵 반응에 대하여, 10-3 내지 107 eV의 중성자 에너지 범위에 걸쳐서 단면적을 그래프로 나타내고 있다. 핵분열 생성물 원자핵(nuclei)에서의 방사성 포획에 대한 손실이, 접근 열에너지(~0.1 eV)에서는 중성자 경제(neutron economy)를 지배하지만, 공명 포획 영역(~3 내지 300 eV)보다 높은 영역에서는 비교적 무시해도 좋을 정도라는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 핵원료성 물질에서 핵분열성 물질로의 전환 이득이 높은 증식로를 구현하고자 하는 경우에 고속 중성자 스펙트럼을 이용하여 운전하면, 연료 재생 이용을 배제(즉, 핵분열 생성물의 주기적인 혹은 연속적인 제거)하는 데 기여할 수 있다. 도시된 핵분열 생성물에 있어서의 방사성 포획 단면적은, 이후에 무시해도 좋을 정도의 베타 붕괴를 겪게 되는 중성자 유도 핵분열에 기인한 원자번호(Z)가 중간인 원자핵에 있어서의 방사성 포획 단면적이다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 실시형태의 폭연 파동 중앙부에 있는 핵분열 생성물은 약간의 붕괴를 겪게 되어, 중성자 결합 활성이 다소 높아질 것이다. 그러나, 이러한 붕괴의 정확도에 노심 연료 연소의 결과가 영향을 받지 않는 것으로, 파라미터 분석에 나타나 있다.
도 1c에서는, 232Th를 연료로 하는 실시예의 경우에 주요 관심 대상인 지배적인 중성자 기반의 원자핵 반응에 대하여, 도 1c의 상부에 중성자 에너지 범위 중에서 가장 관심 있는 부분인 >104 내지 <106.5 eV 사이에 걸쳐서 단면적을 그래프로 나타내고 있다. 핵분열 원자로(10)의 실시형태의 중성자 스펙트럼은 ≥105 eV의 중성자 에너지 영역에서 최대값에 도달한다. 도 1c의 하부에는, 핵원료성 물질에서 핵분열성 물질로의 증식 단계(그 결과, 238U에 의한 중성자 포획 시의 239U-239Np-239Pu 베타 붕괴 연쇄 반응과 유사하게, 233Th은 233Pa으로 빠르게 베타 붕괴되고, 그 후에 233Pa은 233U으로 비교적 느리게 베타 붕괴됨)에서, 상기 단면적 대 232Th에서의 중성자 방사성 포획 단면적에 대한 중성자 에너지의 비율이 포함되어 있다.
핵분열 폭연 파동의 화염면의 발생과 전파
이제, 핵분열 원자로 노심 집합체(100) 내에서의 예시적인 핵분열 폭연 파동이 설명된다. 가연성 물질을 통한 폭연 연소 파동의 전파는 예측 가능한 수준의 출력을 방출할 수 있다. 또한, 재료의 구성이 적절한 시불변 특징을 갖는다면, 뒤이은 출력 생산은 안정적인 수준으로 이루어질 수 있다. 마지막으로, 노심 내의 폭연 파동의 전파 속도가, 노심 내의 작용 및 반응성을 제어하는 작용의 외부 개시로부터 현실적인 방법으로 조정될 수 있다면, 에너지 방출 속도와 그에 따른 출력 생산은 원하는 대로 제어될 수 있다.
파동 전파의 초기 과정에서 에너지 방출에 따른 유체 역학적 결과로서, 초기 핵분열 연료 구성이 분해되어 버리기 때문에, 어느 정도의 제어 없이는, 지속적인 핵분열 폭연 파동은 사실상 드물다.
그러나, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 실시형태에서는, 그 압력이 실질적으로 그 온도와 무관하여 그 유체 역학적 거동이 실질적으로 '클램프(clamp)'되는 핵분열 가능한 연료에서, 핵분열 폭연 파동은 발생된 후 아음속으로 전파될 수 있다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100) 내에서 핵분열 폭연 파동의 전파 속도는, 예컨대 핵분열 원자로(10)의 실시형태와 유사한 전기 생산 반응기 시스템(electricity-producing reactor system)에서와 같이, 대규모 발전에 도움이 되는 방식으로 제어될 수 있다.
핵분열 폭연 파동의 핵공학적 기술을 이하에서 설명한다. 임의의 에너지의 중성자를 포획함으로써 악티늄계 원소의 선택된 동위원소(핵분열성 동위원소)의 핵분열을 야기하는 것은, 임의의 재료 온도(임의의 낮은 온도 포함)에서 원자핵 결합 에너지를 방출하게 한다. 핵분열성 악티늄계 원소에 의해 포획되는 중성자는 핵분열 점화기(110)에 의해 제공될 수 있다.
실질적으로 임의의 악티늄계 동위원소의 핵분열에 의해 포획된 중성자 당 평균적으로 하나보다 많은 중성자가 방출되면, 그러한 재료에서 기본적으로 중성자에 의해 중개된 핵분열 연쇄 반응이 발산하는 형태로 이루어질 가능성이 있다. 몇몇 악티늄계 동위원소의 핵분열에 의해 (평균적으로, 소정 중성자 에너지 범위에 걸쳐서) 포획된 중성자당 2개보다 많은 중성자가 방출되면, 최초 중성자 포획에 의해 우선 핵분열성이 없는 동위원소의 원자를 (중성자 포획과 이후의 베타 붕괴를 통해) 핵분열성 동위원소의 원자로 전환한 후, 새롭게 생성된 핵분열성 동위원소의 원자핵을 두 번째 중성자 포획 시에 중성자 핵분열하는 것이 허용될 수 있다.
실제로 원자번호(Z)가 매우 높은(Z≥90) 핵종은, 평균적으로 소정의 핵분열 이벤트로부터 나온 하나의 중성자가 핵분열성은 없지만 핵원료성을 갖는 원자핵에서 방사성 포획될 수 있고 이어서 이 원자핵이 핵분열성 원자핵으로 (예컨대 베타 붕괴를 거치면서) 전환되며 이 핵분열성 원자핵에 동일한 핵분열 이벤트로부터 나온 또 하나의 중성자가 포획되어 분열을 유도할 수 있다면, 연소될 수 있다. 특히, 이들 구성 중 어느 것이든 정상 상태라면, 소정 재료에서 핵분열 폭연 파동을 전파시키기 위한 충분 조건이 충족될 수 있다.
핵원료성 원자핵을 핵분열성 원자핵으로 전환하는 과정에서의 베타 붕괴로 인하여, 파동 진행의 특성 속도는 대략, 중성자가 핵분열 탄생에서부터 핵원료성 원자핵에서의 방사성 포획까지 이동하는 거리(즉, 평균 자유 거리) 대 핵원료성 원자핵에서부터 핵분열성 원자핵에 이르게 하는 베타 붕괴의(연쇄 반응에서 가장 오래 남아있는 원자핵의) 반감기의 비 정도의 크기이다. 통상 밀도의 악티늄계 원소 내에서 그러한 특징적인 핵분열 중성자-운반 거리는 대략 10 cm이고 베타 붕괴의 반감기는 가장 중요한 경우에서 105 내지 106 초이다. 그러므로, 일부 경우에, 특성파의 속도는 10-4 내지 10-7 cm sec-1이거나, 또는 통상적인 핵분열 폭발 파동의 속도의 대략 10-13 내지 10-14 배이다. 그러한 상대적으로 느린 진행 속도는 이 파동이 폭발 파동이 아니라 폭연 파동으로써 특징지어질 수 있다는 점을 나타낸다.
이러한 파동이 가속화되는 것을 시도한다면, 파동 중앙의 훨씬 앞에서 핵분열성 원자핵의 농도가 급격히 낮아지므로, 상기 파동의 전연(前緣)이 항상 (핵공학적 기술 관점에서 손실이 매우 큰) 순수한 핵원료성 물질과 마주치게 된다. 따라서, 파동의 전연(본원에서는 "화염면"이라 칭함)이 속도를 잃거나 느려진다. 이와는 반대로, 만일 파동이 느리다면, 연속적인 베타 붕괴에서 발생하는 핵분열성 원자핵의 국부적인 집중이 증가하고, 핵분열 및 중성자 생성의 국부적인 속도가 상승하며, 파동의 전연, 즉 화염면이 가속화된다.
마지막으로, 파동이 전파되고 있는 초기 핵원료성 물질의 구성의 모든 부분으로부터 핵분열과 관련된 열을 신속하게 충분히 제거한다면, 중성자와 핵분열 원자핵 모두의 온도가 약 1 MeV이더라도, 임의의 낮은 재료 온도에서 전파가 일어날 수도 있다.
이와 같은 핵분열 폭연 파동의 발생 및 전파를 위한 조건은 쉽게 입수할 수 있는 재료에 의해 구현될 수 있다. 악티늄계 원소의 핵분열성 동위원소는 악티늄계 원소의 핵원료성 동위원소에 비해 절대적으로 그리고 상대적으로 지각(地殼)에서 희귀하지만, 핵분열성 동위원소는 농축, 농후화 및 합성될 수 있다. 핵분열 폭발 파동의 발생 및 전파에 있어서, 예컨대 235U 및 239Pu 등과 같은 자연 발생적 동위원소 및 인공 동위원소 모두를 각각 사용하는 것이 잘 알려져 있다.
(도 1b 및 도 1c에 도시된) 적절한 중성자 단면적에 대한 고찰에서는, 파동에서의 중성자 스펙트럼이 '강력'하거나 '빠른' 것이면, 핵분열 폭연 파동이, 예컨대 232Th 또는 238U과 같은 자연 발생적 악티늄계 원소로 이루어진 노심의 많은 부분을 연소시킬 수 있음을 시사한다. 즉, 파동에 있어서 연쇄 반응을 유지시키는 중성자가 갖는 에너지가, 중성자가 초기 핵분열 조각(fraction)으로부터 나올 때 갖는 에너지인 약 1 MeV에 비해 너무 작지 않다면, (1몰의 핵분열성 물질이 2몰의 핵분열 생성물 원자핵으로 핵분열 전환된다는 것을 상기해 보면) 핵분열 생성물의 국부적인 질량 분율이 핵원료성 물질의 국부적인 질량 분율과 비슷하여질 때, 시공간적으로 국부적인 중성자 경제에 대한 비교적 큰 손실을 막을 수 있다. 바람직한 고온 특성을 갖는, 예컨대 Ta와 같은, 통상의 중성자 원자로의 구조재에 대한 중성자 손실조차도, 중성자 에너지가 ≤ 0.1 MeV 일 경우에 실제화될 수도 있다.
다른 고려 사항은, 입사 중성자 에너지에 따른 핵분열의 중성자 다중성의 (상대적으로 작은) 편차(ν)와, 전체 중성자 포획 중에서 [감마(γ)선 만을 방출하는 것이 아니라] 핵분열을 초래하는 모든 중성자 포획의 비율이다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 핵분열성 동위원소 각각에 대해, 노심으로부터의 중성자 누출이나, 또는 노심 본체 내에서의(예컨대 핵분열 생성물에서의) 기생 흡수가 없는 경우, 함수 α(ν-2)의 대수 부호는, 전체 핵분열성 동위원소의 질량 공급량(mass budget)과 비교하여, 핵원료성 물질에서의 핵분열 폭연 파동 전파의 실행 가능성에 관한 조건을 구성한다. 대수 부호는, 핵분열 중성자 에너지가 위로는 약 1 MeV에서부터 아래로는 공명 포획 영역에 이르는, 중요한 핵분열성 동위원소 모두에 대하여 일반적으로 양의 부호이다.
물리량[α(ν-2)/ν]은, 핵분열에 의해 생성된 전체 중성자 중에서, 폭연 파동 전파 동안의 기하학적 발산성, 기생 흡수, 또는 누출로 인하여 상실될 수 있는 중성자의 비율의 상한을 정한다. 실제 중요한, 실질적으로 감속되지 않은 모든 악티늄계 동위원소의 구성에서 보편적으로 나타나는 중성자 에너지의 범위(대략 0.1 내지 1.5 MeV)에 걸쳐서, 주요 핵분열성 동위원소에 대한 상기 비율이 0.15 내지 0.30임에 유의한다. (고온) 열에너지를 갖는 중성자에서 보편적으로 나타나는 상황인, 핵분열 생성물로 인한 기생 손실이 핵원료성에서 핵분열성으로의 전환의 기생 손실을 1~1.5 배만큼 능가하는 상황과는 달리(도 1c 참조), 0.1~1.5 MeV의 중성자 에너지 범위에 걸쳐서, 핵원료성 동위원소에서의 포획에 의한 핵분열성 원소 발생은 핵분열 생성물 포획에 비해 0.7~1.5 배만큼 촉진된다. 전자는, 핵원료성 물질에서 핵분열성 물질로의 전환이 열중성자 에너지에서 혹은 그 근방에서 1.5 내지 5% 정도까지만 가능함을 시사하고 있는 반면에, 후자는, 핵분열 에너지의 중성자 스펙트럼에 근접한 경우에 50%를 상회하는 전환이 예상될 수 있음을 시사하고 있다.
일부 접근 방법에서 핵분열 폭연 파동의 전파를 위한 조건을 고려하였을 때, "자기 반사형" 악티늄계 원소가 매우 많이 형성되는 경우, 중성자 누출을 실질적으로 무시할 수 있다. 도 1c와, 악티늄계 원소의 원자핵에 완전히 산란시키는 것에 의한 중성자 감속 정도의 분석 평가를 참조해 보면, 비교적 지각에 풍부한 두 가지 유형의 악티늄계 원소인 232Th 및 238U가 충분히 많은 형태일 때, 폭연 파동 전파가 이루어질 수 있음을 알게 될 것이다. 상기 두 가지 유형의 악티늄계 원소는, 각각 자연 발생적 토륨 및 우라늄의 독점적이고 주요한 (즉, 가장 오래 남아있는) 동위원소 성분이다.
구체적으로, 이러한 악티늄계 동위원소에 있어서 중성자 이동은, 중성자 에너지가 0.1 MeV에 훨씬 못 미치게 줄어들기 전에(그리고, 그 결과 핵분열 생성물 원자핵에서의 포획에 대한 가능성을 무시할 수 없는 상태가 될 수 있기 전에), 핵원료성 동위원소 원자핵에서의 포획 또는 핵분열성 동위원소의 핵분열 중 어느 하나를 초래할 것이다. 도 1b를 참조하면, 핵분열 생성물 원자핵의 농도는 핵원료성 물질의 농도를 훨씬 상회할 수 있고, 핵분열성 원자핵은 사실상 정량적으로 명확하게 잔존하면서, 그 농도가 핵분열 생성물 또는 핵원료성 물질 중에서 적은 것보다 더 적은 크기일 수 있음을 알게 될 것이다. 적절한 중성자 확산 단면적의 고찰에서, 중성자 분열을 일으키기 위해 악티늄계 원소가 실질적으로 매우 농밀하게 충분히 넓은 범위에 걸쳐 있는, 즉 자기 반사되는, 악티늄계 원소로 이루어진 직원기둥형 구조는, 반경 방향 치수로서의 밀도-반경의 곱이 >>200 gm/cm2일 것이고, 즉 고체 밀도의 238U-232Th의 반경이 >>10 내지 20 cm일 것이라는 것을 시사한다.
증식 및 연소 파동은 평균 자유 거리가 1 내지 2인 신규 핵분열성 물질을 아직 연소되지 않은 연료로 증식시키고, 파동 내에서 연소된 핵분열 연료를 대체하기에 충분한 잉여 중성자를 제공한다. 연소 파동에 뒤이어 나타나는 '재(ash)'는, 그 핵분열 부분의 중성자 반응성이 누출량 이외에도 구조물의 기생 흡수와 핵분열 생성물의 재고량에 의하여 정확히 평형을 이루게 되므로, 실질적으로 '중성자공학적으로 중성'이다. 파동이 전파될 때 파동의 중앙과 그 바로 앞에서의 핵분열성 원자 재고량이 시간에 따라 변화하지 않는다면, 이 파동은 매우 안정적으로 거동하고 있는 것이며, 만약 상기 핵분열성 원자 재고량이 줄어든다면, 이 파동은 '사라져가고 있는' 것인 반면에, 만약 상기 핵분열성 원자 재고량이 늘어난다면, 이 파동은 '빨라지고 있는' 것이라고 할 수 있다.
따라서, 핵분열 폭연 파동은, 자연 발생적 악티늄계 동위원소의 구성에서, 실질적인 정상 상태 조건으로 오랜 시구간 동안 전파 및 유지될 수 있다.
이상의 설명에서는, 비제한적인 예로서, 직경이 1 미터 미만 가량인 천연 우라늄 또는 토륨 금속의 원기둥을 고려하였는데, 만약 효과적인 중성자 반사체가 이용된다면 상기 원기둥은 그 직경이 실질적으로 더 작을 수 있으며, 임의의 큰 축방향 거리에 걸쳐서 안정적으로 핵분열 폭연 파동을 전파할 수 있다. 그러나, 핵분열 폭연 파동의 전파는 원기둥, 대칭의 기하구조, 또는 단독 연결형 기하구조에 국한되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 이를 위하여, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 대안적인 기하형태의 추가의 실시형태가 "AUTOMATED NUCLEAR POWER REACTOR FOR LONG-TERM OPERATION"을 명칭으로 하여 Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.에 의해 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제 11/605,943호에 기술되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
핵분열 폭연 파동의 전파는 핵분열 원자로(10)의 실시형태와 밀접한 관계를 갖고 있다. 첫 번째 실시예로서, 폭연 파동의 중성자 경제에서 용납될 수 있는 비용으로, 국부적 재료 온도의 피드백을 국부적 원자핵 반응 속도에 부가할 수 있다. 이러한 중성자 반응성의 큰 부(負)의 온도 계수는, 폭연 파동의 진행 속도를 제어하는 능력을 제공한다. 연소 연료로부터 끌어 내어지는 화력이 매우 적다면, 연소 연료의 온도가 상승하여 온도 의존적 반응성이 떨어지고, 이에 대응하여 파동 중앙에서의 핵분열 속도가 줄어들며, 시간 의존적 파동 방정식은 매우 적은 축방향 진행 속도만을 반영한다. 이와 마찬가지로, 화력 제거율이 크면, 재료 온도가 내려가고 중성자 반응성이 커지며, 파동 내부의 중성자 경제가 비교적 쇠퇴하지 않게 되고, 파동은 축방향으로 비교적 빠르게 진행한다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 실시형태에서 온도 피드백의 예시적인 구현예에 관한 상세가 "CONTROLLABLE LONG TERM OPERATION OF A NUCLEAR REACTOR"을 명칭으로 하여 Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.에 의해 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제 11/605,933호에 기술되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
핵분열 폭연 파동의 전파와 핵분열 원자로(10)의 실시형태의 밀접한 관계의 두 번째 예로서, 핵분열 원자로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생산량 중의 일부가 이용될 수 있다. 예를 들어, 국부적 재료 온도의 자동 온도 조절 모듈은, 핵분열 원자로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생산량 중에서 약 5~10%를 사용할 수 있다. 핵분열 원자로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생성물 중에서 10% 이하의 다른 생성물은, 핵분열 원자로(10)의 구성 원소에 이용되는 고성능, 고온의 구조재(예컨대, Ta, W, 또는 Re 등)에 의해 비교적 다량으로 기생 흡수됨에 따라 상실될 수 있다. 이러한 상실은, 전기로의 전환에 있어서 60% 이상의 열역학적 효율을 구현하고 높은 시스템 안전 성능 지수를 얻기 위하여 발생한다. Ta, W 및 Re 등과 같은 상기 구조재의 원자번호(Z)는 악티늄계 원소의 원자번호의 약 80%이고, 따라서 상기 구조재의 고에너지 중성자에 대한 방사성 포획 단면적은, 도 1b 및 도 1c에서 Ta와 관련하여 나타나 있는 바와 같이, 악티늄계 원소의 방사성 포획 단면적에 비해 그다지 작지 않다. 핵분열 원자로(10)에서의 전체 핵분열 중성자 생산량 중에서 마지막 5 내지 10%는 핵분열 생성물에서 기생 흡수됨에 따라 상실될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 전체 핵분열 중성자 생성물 중의 약 7/10이 누출 및 급격한 기하학적 발산이 없을 시에 폭연 파동의 전파를 유지시키기에 충분하다는 것은, 중성자 경제가 충분히 부유하다는 특징을 잘 보여준다. 이는, 설계 및 운전에 있어서 중성자 경제의 규율이 엄격해야만 하는, 저농축 연료를 이용하는 (고온) 열중성자 동력로(원자로)와 뚜렷한 대조를 이루고 있다.
핵분열 폭연 파동의 전파와 핵분열 원자로(10)의 실시형태의 밀접한 관계의 세 번째 예로서, 핵분열 폭연 파동의 특징인 초기 악티늄계 원소 연료 재고량의 (약 50% 내지 약 80% 정도의) 높은 연소율로 인해, 채굴된 연료를 (게다가 재처리를 필요로 하지 않으면서) 고효율로 사용할 수 있게 된다. 이제 도 1d 내지 도 1h를 참조해 보면, 최대 원자로 출력이 1/3 세기의 시구간에 걸쳐서 요구되는 시나리오에서, 핵분열 폭연 파동의 발생(본원에서 "핵분열 점화"라고도 칭함)에 뒤이은, 원자로의 운전 수명 동안의 4개의 등간격 시기에 있어서, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 실시형태의 연료 장전부의 특징이 도시되어 있다. 도시된 실시형태에서는, 2개의 핵분열 폭연 파동면이, [핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 중앙 부근이고, 핵분열 점화기(110)가 위치하는] 발원점(28)으로부터 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 단부를 향해 전파된다. 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 연료 장전부의 완전 점화에 뒤이은 여러 시점에 있어서, 핵분열 폭연 파동의 쌍의 전연의 대응 위치가 도 1d에 표시되어 있다. 도 1e, 도 1f, 도 1g 및 도 1h는, 세로 좌표의 값으로서, 여러 동위원소 성분의 질량[축방향 노심 길이(㎝)당 총 질량(kg)]을 대표적인 근접축 영역과 표시된 축방향 위치에서의 연료 비출력(W/g)의 세트로 보여주고, 이와 대비하여, 가로 좌표의 값으로서, 핵분열 점화 이후의 대략적인 시기, 즉 약 7.5년, 15년, 22.5년 및 30년에 있어서, 예시적이고 비제한적인 10 미터 길이의 연료 장전부에 따른 축방향 위치를 보여준다. 발원점(28)(도 1d 참조)으로 나타내어진 핵분열 점화기(110)가 존재하기 때문에, 중앙에서 섭동(攝動)이 일어난다.
화염면의 뒤에 있는 가장 강렬한 연소 영역에서의 중성자속은, 화염면의 전연에 있는 핵분열성 동위원소 풍부 영역을 증식시켜, 핵분열 폭연 파동을 진행시키는 역할을 한다는 점을 주목하게 될 것이다. 핵분열 폭연 파동의 화염면이 소정 질량의 연료를 휩쓸고 간 후에는, 중성자의 방사성 포획이 핵분열 생성물 원자핵에서보다는 가용 핵원료성 원자핵에서 일어날 가능성이 훨씬 더 높고, 진행 핵분열이 점점 더 큰 질량의 핵분열 생성물을 발생시키는 한, 핵분열성 원자 농도가 계속 상승한다. 임의의 소정 시기에서도, 원자력 생산 비중은 연료 장전부의 상기 영역에서 가장 크다. 또한, 도시된 실시형태에서, 핵분열 점화기(110)의 좌우측에 있는 서로 다른 두 가지 유형의 자동 온도 조절 유닛의 작동을 달리하면 (이러한 두 가지 유형의 자동 온도 조절 유닛은 앞서 인용한 미국 특허 출원 제11/605,943호에서 상세히 기술됨), 그 결과 그에 대응하여 출력 생산 수준이 달라진다는 점을 주목하게 될 것이다.
다시 도 1d 내지 도 1h를 참조하면, 핵분열 폭연 파동의 진행 화염면의 훨씬 뒤에서는, 핵분열 생성물 원자핵(그 질량은 평균적으로 핵분열성 원자핵 질량의 절반에 근접함)과 핵분열성 물질의 농도비가, 핵분열성 물질과 핵분열 생성물의 방사성 포획 단면적의 비에 필적하는 값까지 상승하며(도 1b 참조), 그 결과 "국부적인 중성자 반응성"이 약간 음성을 띠게 되고, 도 1e, 도 1f, 도 1g 및 도 1f를 서로 비교해 보면 인지하게 되듯이, 핵분열 폭연 파동의 화염면으로부터 멀리 뒤떨어진 곳에서 연소와 증식 모두가 실질적으로 중지된다는 것을 확인할 수 있다.
핵분열 원자로(10)의 일부 실시형태에서는, 핵분열 원자로에서 줄곧 사용되는 모든 핵분열 연료가 핵분열 원자로 노심 집합체(100)를 제조하는 동안에 설치되고, 핵분열 점화 이후에 결코 접근이 허용되지 않는 핵분열 원자로 노심 집합체(100)로부터, 사용 후 (소모된) 연료는 결코 제거되지 않는다. 그러나, 핵분열 원자로(10)의 일부 다른 실시형태에서는, 핵분열 점화 이후에, 추가의 핵분열 연료를 핵분열 원자로 노심 집합체(100)에 추가한다. 그러나, 핵분열 원자로(10)의 일부 다른 실시형태에서는, 사용 후 연료가 핵분열 원자로 노심 집합체로부터 제거된다[그리고, 일부 실시형태에서는, 핵분열 원자로(10)의 출력 운전 중에, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)로부터 사용 후 연료의 제거를 수행할 수도 있다]. 그러한 예시적인 연료 재장전 및 연료 제거는, "METHOD AND SYSTEM FOR PROVIDING FUEL IN A NUCLEAR REACTOR"를 명칭으로 하여 Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.에 의해 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제 11/605,848호에 기술되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다. 사용 후 연료의 제거 여부와는 무관하게, 장전된 연료를 사전에 팽창시키면, 핵분열 폭연 파동이 악티늄계 '연료'의 임의의 소정 축방향 원소를 휩쓸고 가서 이 원소를 핵분열 생성물 '재'로 전환시킬 때, 연료 원소에서의 전체적인 체적 변화없이, 고밀도 악티늄계 원소는 저밀도 핵분열 생성물로 대체될 수 있게 된다.
개략적인 예에서, 핵분열 폭연 파동의 232Th 또는 238U 연료 장전부로의 발진은, 핵분열성 동위원소가 농축되어 있는 '핵분열 점화기 모듈'을 이용하면 쉽게 이루어진다. 예시적인 핵분열 점화기 모듈 및 핵분열 폭연 파동을 발진시키기 위한 방법이 이하에서 더욱 상세히 논의될 것이다. 농축도가 높을수록 모듈이 더 컴팩트해지며, 최소 질량의 모듈은 감속재(moderator) 농도 구배를 이용할 수 있다. 또한, 핵분열 점화기 모듈의 설계는, 부분적으로는 비기술적 과제, 예컨대 재료가 다양한 시나리오로 군사적 용도로 유용되는 것을 억제하는 것 등에 의해 결정될 수 있다.
전술한 실시예의 예시적인 핵분열 점화기는 연소 파동면의 전파를 일으키도록 구성된 핵분열성 물질을 구비하였지만, 다른 기법에서는, 핵분열 점화기가 다른 유형의 반응성 공급원을 구비할 수 있다. 예컨대, 다른 핵분열 점화기는 "연소 잔화(burning ember)", 예컨대 핵분열 폭연 파동 전파형 핵분열 원자로 내에서 중성자에 노출됨으로써 핵분열성 동위원소가 농축되는 핵분열 연료를 포함할 수도 있다. 그러한 "연소 잔화"는 다량의 핵분열 생성물 "재"가 존재함에도 불구하고 핵분열 점화기의 역할을 할 수 있다. 다른 기법에서 핵분열 폭연 파동을 발진시키기 위해서, 본원에서 설명된 예시적인 핵분열 점화기 모듈은 고에너지 이온(양자, 중양자, 알파 입자 등과 같음) 또는 이어서 중성자를 생산할 수 있는 전자의 전기적 구동원을 사용하는 다른 중성자 소스를 보충하기 위해 사용될 수도 있다. 한 가지 예시적인 기법에서는, 이후에 (예컨대, 파쇄를 통해) 상기 중성자를 제공할 수 있는 중간 물질에 고에너지 양자를 제공하도록, 선형 가속기 등과 같은 입자 가속기가 배치될 수 있다. 다른 예시적인 기법에서는, 이후에 [예컨대, 원자 번호(Z)가 높은 원소의 전기 핵분열 및/또는 광 핵분열에 의해] 상기 중성자를 제공할 수 있는 중간 물질에 고에너지 전자를 제공하도록, 선형 가속기 등과 같은 입자 가속기가 배치될 수 있다. 대안으로, 그 밖의 공지된 중성자 방출 프로세스 및 구조, 예컨대 전기 유도 융합 기법 등에 의해, 중성자(예컨대, D-T 융합으로부터의 14 MeV의 중성자)가 제공될 수 있고, 이로써 이 중성자는 본원에서 기술된 예시적인 핵분열 점화기에 추가하여 사용될 수도 있으며 상기 핵분열 파동의 전파를 일으킬 수 있다.
연료 장전부와 핵분열 폭연 파동의 핵공학적 기술을 설명하였으므로, 핵분열 폭연 파동의 "핵분열 점화"와 유지보수에 관련된 더 자세한 사항을 설명한다. 235U 또는 239Pu 등과 같은 핵분열성 물질이 적당히 농축되어 있는 (이하에서 더욱 상세하게 기술된 바와 같은) 중앙에 위치한 핵분열 점화기는, (예컨대, 운전자가 명령한 전기 가열 등에 의해) 그로부터 중성자 흡수 물질(예컨대, 보로하이드라이드 등)이 분리되어, 핵분열 점화기가 중성자공학적으로 임계 상태가 된다. 국부 연료 온도는 설계 설정점으로 상승하고 이후에 국부 온도 자동 조절 모듈에 의해 조정되며, 이 모듈은 "AUTOMATED NUCLEAR POWER REACTOR FOR LONG-TERM OPERATION"을 명칭으로 하여 Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.에 의해 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제11/605,943호에서 상세히 기술되며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다. 235U 또는 239Pu의 고속 핵분열에서 나온 중성자는 처음에는 대부분 소정 구역의 238U 또는 232Th 에 포획된다.
핵분열 점화기와 이를 인접하여 둘러싸는 연료 영역에 흑연과 같은 내화성 감속재의 반경 방향 밀도 구배를 도입함으로써, 핵분열 점화기의 우라늄 농축을 경수로(light water reactor, LWR) 연료의 우라늄 농축에 비해 그다지 크지 않은 수준까지 줄일 수 있음을 인지하게 될 것이다. 감속재 밀도를 높이면 저농축 연료를 충분히 연소시킬 수 있게 되는 반면에, 감속재 밀도를 낮추면 핵분열 증식이 효과적으로 일어날 수 있게 된다. 따라서, 최적의 핵분열 점화기 설계는, 최초 임계 상태로부터 노심의 완전 점화된 연료 장전부에서 최대 규격의 출력을 이용할 수 있게 될 때까지의 기간에 있어서, 핵확산 안정성과 최소 지연 시간 간의 절충을 이루어내는 것을 수반할 수 있다. 핵분열 점화기의 농축이 줄어들수록 증식 사이클(breeding cycles, 중성자 발생 사이클)이 더 많아지며, 그에 따라 노심 내 반응이 안정화되기까지의 지연 시간이 길어진다.
핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 (규제되지 않은) 최대 반응성은 핵분열 점화 과정의 첫 번째 단계에서 천천히 줄어드는데, 이는 핵분열성 동위원소의 총 재고량이 단조롭게 증가하지만, 이러한 총 재고량의 공간으로의 분산이 점차 늘어나기 때문이다. 초기 연료의 기하구조, 연료 농축 대 위치, 및 연료 밀도의 선택 결과로써, 반응성이 최소값에 이르는 시점에도 약간 양성을 나타내도록 최대 반응성을 조정할 수 있다. 증식 영역의 핵분열성 동위원소 재고량이 핵분열 점화기에 남아 있는 동위원소 재고량을 실질적으로 넘어섬에 따라, 바로 그 후에 최대 반응성이 그 최대값을 향해 빠르게 증가되기 시작한다. 준구형의 환형 쉘(quasi-spherical annular shell)이 이 시점에서 최대 비출력 생산량을 제공한다. 이 시점에서, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 연료 장전부는 "점화되었다"라고 한다.
핵분열 원자로 노심 집합체(100)의 연료 장전부가 "점화"되었으므로, 이제 본원에서 또한 "핵분열 연소"라고도 하는 핵분열 폭연 파동의 전파를 설명한다. 최대 비출력 생산량의 구형 발산 쉘은 핵분열 점화기로부터 연료 장전부의 외면을 향해 방사형으로 계속 진행한다. 상기 구형 발산 쉘이 상기 연료 장전부의 외면에 도달하였을 때, 상기 구형 발산 쉘은 2개의 구면 띠 모양의 면으로 자연스럽게 파괴되어, 이들 면은 각각 원기둥의 축을 따라 반대 방향으로 전파된다. 이 시점에서, 노심의 화력 생산 잠재력이 최대가 된다. 이러한 간격은, 축방향으로 전파되는 2개의 핵분열 폭연 파동 화염면의 발진을 특징으로 한다. 일부 실시형태에서, 노심의 연료 장전부의 중앙이 점화되고, 그에 따라 정반대로 전파되는 2개의 파동이 발생된다. 이러한 구성은, 임의의 소정 시간에 출력 생산이 일어나는 노심의 질량과 체적을 배가시키고, 그에 따라 노심의 최대 비출력 발생을 이중으로 감소시켜, 열 전달 과제를 정량적으로 최소화한다. 그러나, 다른 실시형태에서, 노심의 연료 장전부는 특정 용례에서의 필요에 따라 일 단부에서 점화된다. 다른 실시형태에서, 노심의 연료 장전부는 복수의 위치에서 점화될 수도 있다. 또 다른 실시형태에서, 노심의 연료 장전부는 특정 용례에서의 필요에 따라 노심 내의 임의의 3차원 위치에서 점화된다. 일부 실시형태에서는, 2개의 전파형 핵분열 폭연 파동이 발생되어 핵분열 점화 장소로부터 멀어지게 전파될 것이지만, 기하구조, 핵분열 연료 조성, 중성자 변형 구조의 제어 작용, 또는 그 밖의 고려 사항에 따라, 다른 수(예컨대, 1, 3, 또는 그 이상)의 핵분열 폭연 파동이 개시 및 전파될 수도 있다. 그러나, 이해를 목적으로, 본원에서는 2개의 핵분열 폭연 파동 화염면의 전파(이에 제한되는 것은 아님)에 관해 설명한다.
2개의 폭연 파동이 양단부에 도달하는 2개의 폭연 파동의 돌파를 거친 이후로는, 원자력 발생의 물리적 특성은 도 1e 내지 도 1h에 예시된 바와 같이 실질적으로 시불변적(time-stationary)이다. 파동이 연료를 통해 진행하는 속도는, 국부적인 중성자속에 비례하며, 나아가 핵분열 폭연 파동의 중성자 공급량에 대한 자동 온도 조절 모듈(도시 생략)의 집합 작용에 의하여 핵분열 원자로 노심 집합체(100)에서 요구되는 화력에 선형으로 종속된다.
노심에 유입되는 저온 냉각제를 통하여 핵분열로에서부터 보다 많은 출력이 요구될 경우, 노심의 양단부(몇몇 실시형태에서는 냉각제 입구에 가장 가까운 곳)의 온도는 자동 온도 조절 모듈의 설계 설정점에 약간 못 미치게 낮아지고, 이에 의해 중성자 흡수체는 노심의 자동 온도 조절 모듈의 대응하는 일부로부터 인출되며, 이에 의해 국부적인 화력 생산량이 국부적인 재료 온도를 국부적인 자동 온도 조절 모듈의 설정점까지 올리는 수준에 이르게 하도록, 국부적인 중성자속은 증가될 수 있게 된다.
그러나, 상기 2개 화염면을 갖는 실시형태에서, 이러한 과정은 둘로 나누어진 냉각제의 유동이 상기 2개 화염면을 향해 이동할 때까지는 냉각제의 가열에 크게 효과적이지 않다. 이때, 이러한 노심의 연료 장전부의 두 부분, 즉 자동 온도 조절 모듈의 중성자 흡수체에 의해 억제되지 않을 경우 상당 수준의 원자력을 생산할 수 있는 두 부분은, (노심에 도달한 냉각제의 온도와는 무관하게) 핵분열 연료의 온도가 지나치게 높아지지 않는다면 상기 자동 온도 조절 모듈의 설계 설정점에 의해 특정된 온도까지 냉각제를 가열하는 역할을 한다. 그 후에, 두 냉각제 유동은 이미 연소된 연료의 두 섹션을 지나 두 화염면의 중앙을 향해 이동하여, 잔여 핵분열과 이 잔여 핵분열에서 나오는 여열 화력을 없애는데, 상기 잔여 핵분열과 상기 여열 화력은 모두 연료 장전부의 중앙에서 나가는 것이다. 이러한 구성은, 주로 각 화염면의 후미로부터 과잉 중성자를 "트리밍(trimming)"함으로써, 2개 화염면이 연료 장전부의 양단부를 향해 전파되는 것을 촉진한다.
따라서, 노심의 중성자공학적 기술은 실질적으로 자기 조절(self-regulation)되는 것으로 고려될 수 있다. 예를 들어, 원기둥형 노심 실시형태의 경우, 노심의 핵공학적 기술은, 원기둥형 노심의 연료 밀도-반경의 곱이 200 gm/㎠이상일 때(즉, 상당히 빠른 중성자 스펙트럼의 경우에, 통상적인 구성의 노심에 있어서 중성자 유도 핵분열의 평균 자유 경로가 1 내지 2일 때), 실질적으로 자기 조절되는 것으로 고려될 수 있다. 이러한 노심 설계에 있어서 중성자 반사체의 하나의 주 기능은, 원자로의 외측 부분, 예컨대 원자로의 방사선 차폐물, 구조용 지지체, 자동 온도 조절 모듈, 및 최외측 쉘 등에서 나타나는 고속 중성자의 조사량을 급격히 감소시키는 것이다. 비록 중성자 반사체의 가치는 주로 원자로의 경제적 효율성을 높이는 것에 있지만, 상기 중성자 반사체가 노심의 성능에 미치는 부수적인 영향은, 연료의 최외측 부분에서의 증식 효율 및 비출력을 향상시키는 것이다. 연료 장전부의 바깥 부분은, 전반적인 에너지 효율이 낮아서 사용되지 않지만, 동위원소 연소율의 수준은 연료 장전부의 중앙에 필적한다.
마지막으로, 노심의 중성자 반응성의 비가역적 음성화는, 특정 용도의 열교환기(16)에 이르는 1차 루프(도 1a 참조) 또는 핵분열 원자로(10)(도 1a 참조)를 열 덤프 열교환기(26)(도 1a 참조)에 연결하는 여열 덤프 루프를 통하여, 냉각제 흐름에 중성자 독(毒)을 주입하는 것에 의해 언제라도 수행될 수 있다. 예를 들면, 냉각제 흐름에 BF3와 같은 물질을, 필요에 따라서는 H2와 같은 휘발성 환원제와 함께, 약간 넣으면, 다른 경우에는 느린 화학 반응인 2BF3 + 3H2 -> 2B + 6HF가 이 반응에서 나타나는 고온에 의해 기하급수적으로 가속됨으로써, 원자로의 노심을 헤치며 나가는 냉각제 관의 내벽 상에 실질적으로 균일하게 금속 붕소가 침적될 수 있다. 이어서, 붕소는 용해하기 매우 어려운 비금속이며, 침적 장소로부터 이동하지 않을 것이다. 붕소가 노심에 100㎏ 미만의 양으로 실질적으로 균일하게 존재하면, 원자로 부근에 동력 기구를 사용하지 않고도, 매우 오랜 기간동안 노심의 중성자 반응성을 음성화할 수 있다.
핵분열 점화기의 예시적인 실시형태 및 양태
이제, 핵분열 점화기(110)의 예시적인 실시형태와 양태가 논의될 것이다.
이제, 도 2a 내지 도 2j를 참조하면, 핵분열 점화기(110)의 비제한적인 실시형태가, 핵분열 폭연 파동 원자로와 같은 고속 중성자 스펙트럼의 핵분열 원자로의 사용에 적합한 비제한적인 예시적인 실시형태의 핵분열 원자로 노심 집합체(100)에 설치된 것으로 나타난다. 이를 위하여, 핵분열 원자로 노심 집합체(100)는, 내부에서 핵분열 폭연 파동을 전파하도록 구성된 핵분열 연료 물질을 포함하고, 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)로서 칭해질 수 있다.
핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)는 냉각제 채널(112)을 형성한다. 일부 실시형태에서, 원자로 냉각제는 헬륨(He) 가스일 수도 있다. 그러나, 다른 실시형태에서는 특정 용도를 위해 필요에 따라 임의의 적절한 원자로 냉각제가 사용될 수도 있다.
핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)는, 이로 제한함 없이, 예컨대 238U 및/또는 232Th과 같은 핵연료성 물질을 포함하는 핵연료 물질을 포함한다. 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 핵분열 연료 물질은 또한, 이로 제한함 없이, 예컨대 233U, 235U, 및/또는 239Pu와 같은 핵분열성 물질을 포함한다. 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)에서 핵분열 연료 물질의 농축은 특정 용도에 대한 요구에 따라 공간적으로 변경될 수 있다.
핵분열 점화기(110) 및 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)가 개략적으로 도시되어 있음을 이해할 수 있다. 이러한 이유로, 핵분열 점화기(110) 및 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 형상에 관해서는, 기하학적으로 한정하려는 의도는 없다. 앞서 언급한 바와 같이, 임의의 큰 축방향 거리에 걸쳐서 안정적으로 핵분열 폭연 파동을 전파할 수 있는 천연 우라늄 또는 토륨 금속의 원기둥에 대해 상세히 설명하였다. 그러나, 핵분열 폭연 파동의 전파는, 원형 원기둥, 또는 금속 핵분열 연료, 또는 순수 우라늄이나 토륨의 핵분열 연료 물질로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다는 것을 다시 한 번 강조한다. 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 및 그 내부의 연료 장전부의 추가의 실시형태는 특정 용도에 대한 필요에 따라 대안적인 기하형태를 가질 수 있으며, 이 실시형태는 "AUTOMATED NUCLEAR POWER REACTOR FOR LONG-TERM OPERATION"을 명칭으로 하여 Roderick A. Hyde, Muriel Y. Ishikawa, Nathan P. Myhrvold, 및 Lowell L. Wood, Jr.에 의해 2006년 11월 28일 출원된 미국 특허 출원 제 11/605,943호에 기술되어 있으며, 그 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
이제, 예시적인 핵분열 점화기(110)의 비제한적인 상세가 논의될 것이다.
핵분열 점화기(110)는 적절하게는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 안으로 핵분열 폭연 파동을 발진시킬 수 있다. 핵분열 연료 물질 내 핵분열 폭연 파동의 발진과 전파의 핵공학적 기술은 앞서 기술되어 있으며 반복될 필요는 없다.
예시적인 일 실시형태에서, 핵분열 점화기(110)는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 삽입 가능한 핵분열 연료 물질 부분을 포함한다. 핵분열 연료 물질 부분은, 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 외측에 있는 경우에, 1보다 적은 keffective를 갖는다. 핵분열 연료 물질 부분은, 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 설치되어 있는 경우에, 적어도 1의 keffective를 갖는다. 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 외측의 핵분열 점화기(110)를 이송하기 위한 예시적인 이송 집합체가 이하에서 더 상세하게 기술된다.
핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질은, 이로 한정함 없이, 233U, 235U, 및/또는 239Pu와 같은 핵분열성 물질을 포함할 수 있다. 원한다면, 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질은 핵분열성 물질에 더하여 핵연료성 물질을 포함할 수 있다. 비제한적인 실시예로서, 핵연료성 물질은, 이로 한정됨 없이, 238U 및/또는 232Th를 포함할 수 있다. 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질 내 핵분열성 물질의 농도는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 핵분열 연료 물질 내 핵분열성 물질의 농도보다 더 클 수도 있다. 또한, 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질의 농도는 특정 용도에 대한 요구에 따라 공간적으로 변경될 수 있다.
이제 도 2a, 도 2c, 도 2e, 도 2g, 및 도 2i를 참조하면, 일부 실시형태에서 핵분열 점화기(110)는 채널(114)을 형성할 수도 있다. 일부 실시형태에서 채널(114)은 적절하게는 제조상의 편의를 위해 핵분열 연료 물질의 외측 주변에 형성될 수도 있다. 일부 다른 실시형태에서, 채널(114)은 핵분열 연료 점화기의 내측 내부에 형성될 수 있다. 채널(114)이 형성되어 냉각제 채널(112)과 정렬되고 결합된다. 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 안으로 삽입될 때, 채널(114)은 냉각제 채널(112)과 정렬되고, 그에 따라 냉각제 채널(112)과 결합한다. 냉각제 채널(112)과 정렬된 채널(114)과 관련하여, 냉각제 채널(112)을 통해 유동하는 원자로 냉각제는 채널(114)을 거쳐 핵분열 점화기(110)를 통해 안으로 유동할 수 있고, 핵분열 점화기(110)를 나온 이후에 다시 냉각제 채널(112) 안으로 유동할 수 있다. 일부 실시형태에서, 채널(114)은 냉각제 채널(112)과 정렬되지 않는다.
채널(114)이 핵분열 점화기(110)의 선택적인 특징이라는 점이 인식될 것이다. 이를 위하여, 그리고 이제 도 2b, 도 2d, 도 2f, 도 2h, 및 도 2j를 참조하면, 일부 실시형태에서 핵분열 점화기(110)는 어떠한 채널도 형성하지 않는다.
도 2a 내지 도 2j를 다시 참조하고 전술한 바에 따르면, 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질은, 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 외측에 있는 경우에, 1보다 적은 keffective를 갖는다. 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 외측에 있는 경우에, 1보다 적은 keffective의 값을 달성하기 위해서, 일부 실시형태에서 중성자 흡수 물질이 제공된다. 중성자 흡수 물질은 적절하게는 특정 용례에 바람직한 임의의 중성자 흡수 물질, 예컨대 이로 한정됨 없이 10B 및/또는 6Li을 포함할 수도 있다.
일부 실시형태에서, 중성자 흡수 물질은 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질 내에 배치된다. 일부 다른 실시형태에서, 중성자 흡수 물질은 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질의 외측 주변에 배치된다.
일부 실시형태에서 중성자 흡수 물질은 제거 가능하다. 중성자 흡수 물질의 제거는 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 설치되어 있는 경우, 적어도 1의 keffective를 달성하는 데 도움을 줄 수 있다. 추가적으로 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 중성자 흡수 물질은 운전자가 명령한 전기 가열, 포트(118)로부터의 유체의 배출(pumping-out), 포트(118)를 통한 제어봉의 시밍 아웃(shimming-out) 등과 같은, 임의의 바람직한 제거 방법을 통해 제거될 수도 있다.
일부 실시형태에서, 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 설치되어 있는 경우, 적어도 1의 keffective를 달성하는 데 도움을 주기에 바람직한 다른 방식이 채용될 수도 있다. 이하에 기술되는 이들 기타 방식은 특정 용도에 대해 바람직하게, 핵분열 점화기(110) 내에, 또는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에, 또는 핵분열 점화기(110) 및 핵분열 폭연 파동 노심 집합체(100) 양자 내에 채용될 수도 있다. 일부 실시형태에서 이들 방식은 오직 기동 시에만 채용될 수도 있다. 즉, 이러한 방식에 사용된 물질은 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 설치된 이후에 기동 목적으로 추가될 수도 있고, 원한다면 기동 이후에 제거될 수도 있다. 이 방식에 사용된 물질은 바람직한 임의의 방식으로 추가되고 제거될 수도 있다. 예를 들어 그리고 이로 제한됨 없이, 이 방식에 사용된 물질은 포트(118)를 통해 핵분열 점화기(110)로/핵분열 점화기로부터 원할 때 추가되고 제거될 수도 있다.
예를 들면, 다른 한 방식에서, 중성자 감속 물질이 특정 용도에 대해 바람직하게, 핵분열 점화기(110) 내에, 또는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에, 또는 핵분열 점화기(110) 및 핵분열 폭연 파동 노심 집합체(100) 양자 내에 제공될 수도 있다. 비제한적인 실시예로서, 중성자 감속 물질은 중수, 탄소, 및/또는 7Li를 포함할 수도 있다.
다른 한 방식에서, 중성자 반사 물질이 특정 용도에 대해 바람직하게, 핵분열 점화기(110) 내에, 또는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에, 또는 핵분열 점화기(110) 및 핵분열 폭연 파동 노심 집합체(100) 양자 내에 제공될 수도 있다. 비제한적인 실시예로서, 중성자 반사 물질은 흑연 및/또는 베릴륨을 포함할 수도 있다.
다른 방식에서, 중성자 증식 물질이 특정 용도에 대해 바람직하게, 핵분열 점화기(110) 내에, 또는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에, 또는 핵분열 점화기(110) 및 핵분열 폭연 파동 노심 집합체(100) 양자 내에 제공될 수도 있다. 비제한적인 실시예로서, 중성자 증식 물질은 9Be 및/또는 베릴륨화물(beryllide)을 포함할 수도 있다.
핵분열 점화기(110)의 실시형태는 원하는 임의의 형상을 가질 수도 있다. 이를 위하여, 핵분열 점화기(110)의 형상은 그것이 무엇이든 임의의 방식으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 실시예로서 그리고 비제한적인 예로서, 예시적인 핵분열 점화기(110)는 구형(도 2a 및 도 2b), 2개의 반구형(도 2c 및 도 2d), 한 개의 반구형(도 2e 및 도 2f), 원기둥(도 2g 및 도 2h), 그리고 직사각 평행육면체(도 2i 및 도 2j)로 구현된 것으로 도시된다.
핵분열 점화기(110)는 특정 용도를 위해 원하는 임의의 위치에서 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 위치할 수도 있다. 핵분열 점화기의 일부 실시형태는 또한 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 일단부 근처에(예를 들어, 중성자 반사체 부근에) 배치되기에 매우 적합할 수도 있다. 예를 들면 그리고 이로 제한됨 없이, 하나의 고려되는 용례에서 반구형 실시형태의 핵분열 점화기(110)(도 2e 및 도 2f)가 중성자 반사체(116) 부근에서 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 일단부 부근에 도시되어 있다. 그러나, 다른 고려되는 용례에서 반구형 실시형태의 핵분열 점화기(110)는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 일단부로부터 벗어나 (이로 제한되지 않지만, 중심을 향하여) 위치할 수도 있다. 마찬가지로, 다른 고려되는 용례에서 구형(도 2a 및 도 2b), 2개의 반구형(도 2c 및 도 2d), 원기둥(도 2g 및 도 2h), 그리고 직사각 평행육면체(도 2i 및 도 2j)로 구현되는 예시적인 핵분열 점화기(110)는 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100)의 일단부 부근에(예컨대, 중성자 반사체 부근에) 위치할 수도 있다. 따라서, 핵분열 점화기(110)의 배치에 관하여 무엇이든지 어떠한 제한도 의도되지 않는다는 점이 이해될 수 있다.
핵분열 점화기(110)의 형상과 무관하게, [단지 하나의 핵분열 점화기(110)만이 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 설치되어 핵분열 폭연 파동을 발생시키는 경우와 같은] 일부 실시형태에서, 핵분열 점화기(110)는 실질적으로 핵분열 유도 중성자에 관한 1의 평균 자유 거리 이상의 적어도 하나의 치수를 갖는다. 다시 핵분열 점화기(110)의 형상과 무관하게, [하나보다 많은 수의 핵분열 점화기(110)가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(100) 내에 설치되어 핵분열 폭연 파동을 발생시키는 경우와 같은] 일부 다른 실시형태에서, 모든 핵분열 점화기(110)는 핵분열 유도 중성자에 관한 1의 평균 자유 거리 미만의 치수를 갖는다. 그러나, 모든 핵분열 점화기(110)는 결합되어 있고 따라서 핵분열 점화기(110)의 조합은 실질적으로 핵분열 유도 중성자에 관한 1의 평균 자유 거리 이상의 적어도 하나의 치수를 갖는다.
예시적인 핵분열 점화기용 이송 집합체
도 4a 내지 도 4e를 참조하면, 핵분열 점화기(110)는 이송 집합체(120)에서 원하는 대로 이송될 수 있다. 이송 집합체(120)의 예시적인 실시형태는 하나 이상의 핵분열 폭연 파동 원자로(100)로의 이송과 같은, 이송을 위해 하나 이상의 임의 형태의 핵분열 점화기(110)를 수용하도록 구성된다. 간결화를 위하여, 이송 집합체(120)는 설명의 목적으로 단지 반구형 형상의 핵분열 점화기를 수용하기 위한 형상을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이송 집합체(120)는 이송하고자 하는 임의의 형상의 핵분열 점화기(110)를 수용하기 위하여 원하는 대로 무엇이든지 임의의 형상을 가질 수도 있다는 점이 이해될 것이다. 따라서, 이송 집합체(120)의 형상은 무엇이든지 임의의 방식으로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 이송 집합체(120)의 예시적인 실시형태가 이하에서 기술될 것이다.
이송 집합체(120)는 핵 차폐 물질(124)을 수용하도록 구성된 하우징 본체(122)를 포함한다. 일부 실시형태에서, 핵 차폐 물질(124)은 특정 용도에 대해 원하는 대로 추가되거나 제거될 수도 있다. 핵 차폐 물질(124)은 적절하게는, 이로 제한됨 없이 텅스텐 및/또는 탄탈과 같은, 원자번호(Z)가 높은 물질을 포함한다. 일부 실시형태에서, 핵 차폐 물질(124)은 적절하게는 중성자 흡수 물질을 포함한다. 일부 다른 실시형태에서, 핵 차폐 물질(124)은 적절하게는 α 방사선, β 방사선 및/또는 γ 방사선을 차폐하도록 구성되는 방사선 흡수 물질을 포함한다. 일부 다른 실시형태에서, 핵 차폐 물질(124)은 적절하게는, 이로 제한됨 없이 흑연 및/또는 베릴륨과 같은, 중성자 반사 물질을 포함한다.
하우징 본체(122)는 그 안에 적어도 하나의 핵분열 점화기(110)를 수용하도록 구성되는 적어도 하나의 캐비티(126)를 형성한다. 일부 실시형태에서 그리고 도 4a에 도시된 바와 같이, 하우징 본체(122)는 그 안에 하나의 핵분열 점화기(110)를 수용하도록 구성된 하나의 캐비티(126)를 형성한다. 일부 다른 실시형태에서 그리고 도 4b에 도시된 바와 같이, 하우징 본체(122)는 그 안에 적어도 하나의 핵분열 점화기(110)를 수용하도록 구성된 복수의 캐비티(126)를 형성한다. 캐비티(126)는 (임계 질량 결합구조를 회피하는 것을 돕기 위해) 충분히 간격을 두고 떨어져 있으며, 그리고 핵 차폐 물질(124)은 캐비티(126) 사이에 개재되어 이송 집합체(120) 내에 수용되는 핵분열 점화기(110)의 keffective 값을 1 미만으로 유지하도록 돕는다.
적어도 하나의 접근 포트(128)가 하우징 본체(122) 내 적어도 하나의 개구를 형성하도록 구성되며, 따라서 적어도 하나의 핵분열 점화기(110)가 이 접근 포트(128)를 통해 수용될 수 있다. 접근 포트(128)는 또한 하우징 본체의 개구를 막도록 구성될 수 있으며, 그에 따라 하우징 본체(122) 내에 핵분열 점화기(110)를 보유한다.
일부 실시형태에서 그리고 도 4c에 도시된 바와 같이, 접근 포트(128)는, 이를 통하여 핵분열 점화기를 수용하기 위해 개방되고 하우징 본체(122) 내에 핵분열 점화기(110)를 보유하기 위해 폐쇄되는, 하우징 본체 내에 형성된 셔터(130)를 포함할 수 있다.
일부 다른 실시형태에서 그리고 도 4d 및 도 4e에 도시된 바와 같이, 접근 포트(128)는 본체 캡(132)을 포함할 수 있다. 본체 캡(132)은 적절하게는 상술한 바와 같이 핵 차폐 물질(124)을 포함한다.
본체 캡(132)을 포함하는 일부 실시형태에서 그리고 도 4d에 도시된 바와 같이, 본체 캡(132)은 하우징 본체(122)에 힌지식으로 부착될 수도 있다. 본체 캡(132)은 완전히 회전하여 개방되고, 화살표(134)에 의해 표시된 것처럼 핵분열 점화기(110)가 캐비티 안으로 삽입되며, 그리고 화살표(156)에 의해 표시된 것처럼 본체 캡(132)이 완전히 닫힌다. 핵분열 점화기(110)는 따라서 내부에 완전히 수용되고 이송 집합체(120)에 의해 차폐된다.
본체 캡(132)을 포함하는 일부 실시형태에서 그리고 도 4e에 도시된 바와 같이, 본체 캡(132)은 하우징 본체(122)에 제거 가능하게 부착될 수도 있다. 본체 캡(132)은 원하는 대로 무엇이든지 임의의 방식으로 부착될 수도 있다.
일부 실시형태에서 그리고 도 4e에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 표시자(134)가 하우징 본체(122) 위 또는 본체 캡(132) 위와 같이, 원하는 대로 이송 집합체(120) 상에 배치될 수 있다. 표시자(134)는 적절하게는 이송 집합체(120)의 내용물[하나 이상의 핵분열 점화기(110)와 같음]을 가리키도록 구성된다. 내용물의 표시는 원하는 대로 무엇이든지 임의의 방식으로 이루어질 수 있다.
예시적인 붕괴열 제거
도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 일부 실시형태에서 핵분열 점화기(110)는 이미 중성자 개재 핵분열이 진행된(또는 본원에서 이미 "연소된" 것이라고 칭함) 적어도 일부 원소를 포함하는 핵분열 연료 물질을 포함할 수도 있다. 핵분열 점화기(110)가 이미 연소된 적어도 일부 원소를 포함하는 핵분열 연료 물질을 포함할 때, 출력 운전된 이후 특정 시구간 동안 핵분열 점화기(110)는 붕괴열을 생산하게 된다. 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질을 취급하는 출력 운전의 종료 이후에 얼마나 긴 시구간이 경과했는지에 따라, 핵분열 점화기(110)의 이송 중에 핵분열 점화기(110)로부터 붕괴열을 제거하는 것이 바람직할 수 있다. 이를 위하여, 핵분열 점화기(110)의 이송 중의 예시적인 붕괴열 제거가 이하에 논의될 것이다.
적어도 하나의 붕괴열 제거 장치(136)가 핵분열 점화기(110)의 핵분열 연료 물질로부터 붕괴열을 제거하기 위해 제공된다. 붕괴열 제거 장치(136)는 핵분열 점화기(110)와 열적으로 전도되도록 배치되고, 따라서 핵분열 점화기(110)에 의해 생성된 붕괴열이 핵분열 점화기(110)로부터 붕괴열 제거 장치(136)로 전달될 수 있다.
일 실시형태에서 그리고 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 붕괴열 제거 장치(136)는 전열관(heat pipe)을 포함할 수 있다. 튜브 부분(138)이 핵분열 점화기(110)와 열적으로 전도되도록 배치된다. 일부 실시형태에서, 튜브 부분(138)은 이로 제한되지 않지만, 예컨대 마찰 끼움(friction fit)에 의해 채널(116) 내 적소에 유지된다. 히트싱크 부분(140)은 히트싱크 온도의 주변환경과 열적으로 전도되도록 배치되며, 그에 따라 핵분열 점화기(110)와 열적으로 전도되도록 배치되는 튜브 부분(138)의 온도가 히트싱크 온도와 같아지도록 하는 것을 돕는다. "도그렉(dog-leg)" 부분(142)이 튜브 부분(138) 및 히트싱크 부분(140) 사이에 개재된다. 임의의 작동 유체가 온도 조건에 따라 특정 용도를 위해 원하는 대로 사용될 수 있다. 예를 들어, 그리고 이로 제한됨 없이, 작동 유체는 물, 리튬, 나트륨, 수은 등을 포함할 수 있다. 심지와 같은 모세관 구조(간결화를 위해 도시되지 않음)는, 이로 제한됨 없이, 강철, 알루미늄, 니켈, 구리 등으로 제작된 금속 폼 또는 펠트와 같이 임의의 적절한 다공성 물질로 제작될 수 있다.
다른 실시형태에서 그리고 도 5c를 참조하면, 붕괴열 제거 장치(136)는 냉각제 루프를 포함할 수 있다. 튜브 부분(144)이 핵분열 점화기(110)와 열적으로 전도되도록 배치된다. 일부 실시형태에서, 튜브 부분(144)은, 이로 제한되지 않지만, 예컨대 마찰 끼움(friction fit)에 의해 채널(116) 내 적소에 유지된다. 히트싱크 부분(146)은 히트싱크 온도의 주변환경과 열적으로 전도되도록 배치된다. 열은 핵분열 점화기(110)로부터 튜브 부분(144) 내의 냉각제로 전달되고, 냉각제는 일부 실시형태에서 히트싱크 부분(146)으로의 자연 순환을 통해 온도가 상승하고, 여기서 열은 냉각제로부터 히트싱크 온도의 주변 환경으로 전달된다. 히트싱크 온도의 주변환경으로 열이 전달된 이후에, 일부 실시형태에서 냉각제는 자연 순환을 통해 튜브 부분(144)으로 복귀한다. 일부 다른 실시형태에서, 냉각제는 자연 순환을 통해 순환되는 대신, 적절한 냉각제 펌프(도시되지 않음)를 이용하여 펌핑된다. "도그렉" 부분(148)이 튜브 부분(144) 및 히트싱크 부분(146) 사이에 개재된다. 임의의 적절한 유체가 온도 조건에 따라 특정 용도를 위해 원하는 대로 사용될 수 있다. 예를 들어, 그리고 이로 제한됨 없이, 냉각제는 물 등을 포함할 수 있다.
도 5d 및 도 5e를 참조하면, 붕괴열 제거 장치(136)가 핵분열 점화기(110)와 열적으로 전도되도록 배치된 이후에, 핵분열 점화기(110) 및 붕괴열 제거 장치(136)는 하나 이상의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 집합체(도시되지 않음)로의 이송과 같은, 이송을 위한 이송 집합체(150) 내에 배치될 수 있다. 예시적인 실시형태의 이송 집합체(150)는 (도 4a 내지 도 4e의) 이송 집합체(120)와 공통으로 많은 구성 원소를 공유한다. 유사한 참조 번호가 유사한 구성 요소를 지칭하기 위해 사용되며, 그 상세는 반복할 필요가 없다.
하우징 본체(122) 내에는, 하우징 본체(122)의 내부에 형성된 포트와 하우징 본체(122)의 외부에 형성된 포트 사이에 붕괴열 제거 통로(152)가 형성된다. 붕괴열 제거 통로(152)는, 이로 제한되지 않지만, 예컨대 마찰 끼움(friction fit)에 의해 도그렉 부분(142)(도 5a 및 도 5b) 또는 도그렉 부분(148)(도 5c)을 그 안에 수용하도록 배치되고 크기가 형성된다. 따라서 붕괴열 제거 통로(152)는 하우징 본체(122) 내부의 개구부 및 하우징 본체(122) 외부의 개구부와 종방향으로 그리고 횡방향으로 간격을 두고 이격된다. 그 결과로서, 붕괴열 제거 통로(152)는 하우징 본체(122)의 내부로부터 하우징 본체(122)의 외부로의 붕괴 생성물의 직선 경로를 완화시키도록 형상화된다.
이송 집합체(150)의 구성과 동작의 다른 특징의 상세는 상술한 이송 집합체(120)(도 4a 내지 도 4e)의 경우와 동일하며, 이해를 위해 반복할 필요는 없다.
예시적인 방법
이제, 핵분열 점화기(110)의 실시형태와 관련된 예시적인 방법이 논의될 것이다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 핵분열 점화기를 수납하기 위한 예시적인 방법이 제공된다.
이제 도 6a를 참조하면, 핵분열 점화기를 수납하기 위한 예시적인 방법(160)이 블록 162에서 시작된다. 블록 164에서, 핵분열 폭연 파동 원자로용인 적어도 하나의 핵분열 점화기가 하우징의 적어도 하나의 캐비티 내에 수납된다. 핵분열 점화기는 적절하게는 전술한 핵분열 점화기(110) 중 하나 이상일 수 있다. 즉, 핵분열 점화기는 핵분열 폭연 파동 원자로 내에 삽입 가능한 핵분열 연료 물질 부분을 포함하며, 이때 핵분열 연료 물질 부분은 핵분열 점화기가 핵분열 폭연 파동 원자로의 외측에 있는 경우에 1 미만의 keffective을 갖도록, 그리고 핵분열 연료 물질 부분은 핵분열 점화기가 핵분열 폭연 파동 원자로 내에 설치되어 있는 경우에 적어도 1의 keffective을 달성하도록 구성된다. 캐비티는 전술한 바와 같이, 이송 집합체(120)의 하우징 본체(122) 내에 형성된 하나 이상의 캐비티(126)일 수 있다.
블록 166에서 적어도 하나의 핵분열 점화기가 차폐된다. 핵분열 점화기는 원하는 대로 임의의 방식으로 차폐될 수도 있다. 예를 들면, 차폐는 핵분열 점화기의 외측으로 적용될 수도 있다. 다른 실시예로서, 하우징이 이미 차폐되어 있을 수도 있고, 따라서 핵분열 점화기를 수납하는 것은 또한 핵분열 점화기를 차폐하는 결과를 가져온다. 또 다른 실시예로서, 차폐는 핵분열 점화기가 하우징 내에 수납된 이후에 하우징으로 적용될 수도 있다. 일부 실시형태에서, 차폐는 중성자에 대한 차폐일 수 있다. 다른 실시형태에서, 차폐는 예컨대, α 방사선, β 방사선, 및/또는 γ 방사선과 같은 방사선에 대한 차폐일 수도 있다. 이 방법(160)은 블록 168에서 종료한다.
이제 도 6b를 참조하면, 핵분열 점화기를 수납하기 위한 예시적인 방법(170)이 블록 172에서 시작된다. 이 방법(170)은 블록 164를 포함하며, 여기서 핵분열 폭연 파동 원자로용인 적어도 하나의 핵분열 점화기가 하우징의 적어도 하나의 캐비티 내로 수납된다. 이 방법(170)은 또한 블록 166을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 핵분열 점화기가 차폐된다.
블록 174에서, 적어도 하나의 수납된 핵분열 점화기가 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심으로 이송된다. 일부 실시형태에서, 하나 이상의 핵분열 점화기가 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심으로 이송될 수도 있다. 일부 다른 실시형태에서, 하나 이상의 핵분열 점화기가 하나보다 많은 수의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심으로 이송될 수도 있다. 이들 다른 실시형태 중 하나에서, 하나의 핵분열 점화기가 하나보다 많은 수의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심으로 이송될 수도 있다. 그러한 경우에, 하나의 핵분열 점화기는 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심으로 이송될 수 있고, 핵분열 폭연 파동을 발생시키기 위해 사용되며, 기동된 핵분열 폭연 파동 원자로 노심으로부터 제거되고, 원하는 대로 핵분열 점화기가 핵분열 폭연 파동을 발생시키기 위해 사용될 수 있는 다른 핵분열 폭연 파동 원자로 노심으로 이송되는 등으로 사용될 수도 있다. 그러한 경우에, 붕괴열은 핵분열 점화기가 사용되어 핵분열 폭연 파동을 발생시킨 이후 이송되는 도중에 (상술한 바와 같은) 핵분열 점화기로부터 제거될 수도 있다. 이 방법(170)은 블록 176에서 종료된다.
이제 도 6c를 참조하면, 핵분열 점화기를 수납하기 위한 방법(180)이 블록 182에서 시작된다. 이 방법(180)은 블록 164를 포함하며, 여기서 핵분열 폭연 파동 원자로용인 적어도 하나의 핵분열 점화기가 하우징의 적어도 하나의 캐비티 내로 수납된다. 이 방법(180)은 또한 블록 166을 포함하며, 여기서 적어도 하나의 핵분열 점화기가 차폐된다.
블록 184에서, 붕괴열이 핵분열 점화기로부터 제거된다. 예를 들면, 붕괴열은 상술한 바와 같이, 핵분열 점화기가 사용되어 핵분열 폭연 파동을 발생시킨 이후 이송되는 도중에 (상술한 바와 같은) 핵분열 점화기로부터 제거될 수도 있다. 다른 실시예로서, 붕괴열은 핵분열 폭연 파동을 발생시키기 위해 아직 사용되지 않았지만, 이미 중성자 개재 핵분열이 진행된(또는 본원에서 이미 "연소된" 것으로 칭해진다) 적어도 일부 원소를 비롯한 핵분열 연료 물질을 포함하는 핵분열 점화기로부터 제거될 수도 있다. 이 방법(180)은 블록 186에서 종료된다.
이제 도 7a 내지 도 7d를 참조하면, 핵분열 폭연 파동 원자로 내에 핵분열 점화기를 배치하는 예시적인 방법이 제공된다.
이제 도 7a를 참조하면, 예시적인 방법(190)이 블록 192에서 시작된다. 블록 194에서, 적어도 하나의 핵분열 점화기는 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다. 핵분열 점화기는 적절하게는 전술한 핵분열 점화기(110) 중 하나 이상일 수 있다. 즉, 핵분열 점화기는 핵분열 폭연 파동 원자로 내에 삽입 가능한 핵분열 연료 물질 부분을 포함하며, 이때 핵분열 연료 물질 부분은 핵분열 점화기가 핵분열 폭연 파동 원자로의 외측에 있는 경우에 1 미만의 keffective을 갖도록, 그리고 핵분열 연료 물질 부분은 핵분열 점화기가 핵분열 폭연 파동 원자로 내에 설치되어 있는 경우에 적어도 1의 keffective을 달성하도록 구성된다.
일부 실시형태에서, 하나의 핵분열 점화기는 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다. 일부 다른 실시형태에서, 하나보다 많은 수의 핵분열 점화기는 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다. 또 다른 실시형태에서, 하나보다 많은 수의 핵분열 점화기는 하나보다 많은 수의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다.
일부 실시형태에서 그리고 전술한 바와 같이, 핵분열 연료 물질 부분의 외면 상에 형성된 채널은 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 형성된 냉각제 채널과 결합된다. 그러나, 일부 다른 실시형태에서, 하나 이상의 핵분열 점화기를 수납하는 하나 이상의 이송 집합체가 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다. 이 방법(190)은 블록 196에서 종료된다.
이제 도 7b를 참조하면, 예시적인 방법(200)이 블록 202에서 시작된다. 이 방법(200)은 블록 194를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 핵분열 점화기는 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다.
블록 204에서 핵 차폐 물질이 적어도 하나의 핵분열 점화기로부터 제거된다. 전술한 바와 같이, 일 실시예에서 핵 차폐 물질은 핵분열 점화기의 내부 및/또는 외부로부터 제거될 수도 있다. 다른 실시예로서, (이송 집합체와 같은) 하우징이 차폐될 수 있으며, 따라서 하우징으로부터 핵분열 점화기를 제거하는 것은 또한 핵분열 점화기로부터 핵 차폐 물질을 제거하는 결과를 가져온다. 상술한 바와 같이, 일부 실시형태에서, 핵 차폐 물질은 중성자에 대한 차폐를 초래할 수 있고, 다른 실시형태에서 핵 차폐 물질은 α 방사선, β 방사선, 및/또는 γ 방사선에 대한 차폐를 초래할 수도 있다. 이 방법(200)은 블록 206에서 종료된다.
이제 도 7c를 참조하면, 예시적인 방법(210)이 블록 212에서 시작된다. 이 방법(210)은 블록 194를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 핵분열 점화기는 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다.
블록 214에서, 적어도 하나의 붕괴열 제거 장치가 적어도 하나의 핵분열 점화기로부터 제거된다. 예를 들면 그리고 상술한 바와 같이, 붕괴열 제거 장치는 전열관, 또는 냉각제 루프 등일 수 있다. 상술한 바와 같이, 붕괴열 제거 장치는 핵분열 점화기가 핵분열 폭연 파동을 발생시키기 위해 사용된 이후에 이송되는 도중에 핵분열 점화기로부터 붕괴열을 제거하기 위해 사용될 수도 있다. 또한 상술한 바와 같이, 붕괴열 제거 장치는 핵분열 폭연 파동을 발생시키기 위해 아직 사용되지 않았지만 이미 중성자 개재 핵분열이 진행된(또는 본원에서 이미 "연소된" 것이라 칭함) 적어도 일부 원소를 비롯한 핵분열 연료 물질을 포함하는 핵분열 점화기로부터 붕괴열을 제거하기 위해 사용될 수도 있다. 이 방법(210)은 블록 216에서 종료된다.
이제 도 7d를 참조하면, 예시적인 방법(220)이 블록 222에서 시작된다. 이 방법(220)은 블록 194를 포함하며, 여기서 적어도 하나의 핵분열 점화기는 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 배치된다.
블록 224에서 적어도 하나의 핵분열 점화기는 상술한 바와 같은 이송 집합체와 같은, 하우징 본체로부터 제거된다. 이 방법(220)은 블록 226에서 종료된다.
이제 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동을 개시하는 예시적인 방법이 제공된다.
이제 도 8a를 참조하면, 예시적인 방법(230)이 블록 232에서 시작된다. 블록 234에서, 제 1 핵분열 연료 물질을 갖는 적어도 하나의 핵분열 원자로 노심에서 제 2 핵분열 연료 물질을 갖는 적어도 하나의 삽입 가능한 핵분열 점화기를 이용하여 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동이 개시된다.
핵분열 폭연 파동의 개시는 원하는 대로 상술한 바와 같은 방식의 조합 또는 그 중 하나의 작용에 의해 부분적으로 달성될 수 있다. 일부 실시형태에서 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동은 제 1 핵분열 연료 물질 및/또는 제 2 핵분열 연료 물질로부터 중성자 흡수 물질을 제거함으로써 부분적으로 개시될 수 있다. 일부 다른 실시형태에서 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동은 제 1 핵분열 연료 물질 및/또는 제 2 핵분열 연료 물질에 중성자 감속 물질을 추가함으로써 부분적으로 개시될 수 있다. 일부 다른 실시형태에서 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동은 제 1 핵분열 연료 물질 및/또는 제 2 핵분열 연료 물질에 중성자 반사 물질을 추가함으로써 부분적으로 개시될 수 있다. 일부 다른 실시형태에서 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동은 제 1 핵분열 연료 물질 및/또는 제 2 핵분열 연료 물질에 중성자 증식 물질을 추가함으로써 부분적으로 개시될 수 있다. 일부 실시형태에서, 핵분열 폭연 파동을 개시하는 것은 핵분열 점화기로부터 제 1 핵분열 연료 물질 내 핵연료성 물질에 중성자를 제공하는 것을 수반한다. 이 방법(230)은 블록 236에서 종료된다.
이제 도 8b를 참조하면, 예시적인 방법(240)이 블록 242에서 시작된다. 블록 244에서, 적어도 하나의 핵분열 점화기는 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 삽입된다.
이 방법(240)은 블록 234를 포함하며, 여기에서 제 1 핵분열 연료 물질을 갖는 적어도 하나의 핵분열 원자로 노심에서 제 2 핵분열 연료 물질을 갖는 적어도 하나의 삽입 가능한 핵분열 점화기를 이용하여 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동이 개시된다.
일부 실시형태에서, 하나보다 많은 수의 핵분열 점화기는 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에 삽입된다. 이들 실시형태에서, 하나보다 많은 수의 핵분열 폭연 파동이 하나의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심에서 개시될 수 있다. 일부 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 핵분열 점화기는 하나보다 많은 수의 핵분열 폭연 파동 원자로 노심 각각에 삽입된다. 이들 다른 실시형태에서, 적어도 하나의 핵분열 폭연 파동이 핵분열 폭연 파동 원자로 노심의 각각에서 개시될 수 있다. 이 방법(240)은 블록 246에서 종료된다.
이제 도 6a 내지 도 6c, 도 7a 내지 도 7d, 및 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 프로세스 블록들은 원하는 대로 임의의 시간적 순서로 수행될 수도 있다. 프로세스 블록들의 시간적 순서에 관한 어떠한 제한도 그것이 무엇이든지 의도하지 않는다. 이를 위하여, 프로세스 블록들은 원하는 바에 따라 임의의 순차적 순서로(즉, 하나 이후에 다른 하나가) 수행될 수도 있고 프로세스 블록들은 원하는 바에 따라 병행하여(즉, 동시에) 수행될 수도 있다.
프로세스 블록에서 수행되는 프로세스는, 예컨대 원자로가 냉각되고 감압된 상태에서 원자로가 정지된 이후에 원자로 격실 내측이나 원자로 격실 외측에서 수행되는 동작과 같이, 상황이 허용할 때 운전자에 의해 수행될 수도 있다. 대안으로, 프로세스 블록에서 수행되는 프로세스는 임의의 원자로 상태 및 임의의 위치에서 운전자에 의해 원격으로 제어되는 로봇 또는 기기에 의해 수행될 수도 있다. 마찬가지로, 프로세스 블록에서 수행되는 프로세스는 임의의 원자로 상태 및 임의의 위치에서 로봇 또는 기기에 의해 자율적으로 수행될 수도 있다.
다수의 예시적인 실시형태와 양태를 앞에서 예시하고 설명하였지만, 관련 기술에 숙련된 자라면 이들 실시형태와 양태에 대한 어느 정도의 변경, 치환, 추가 및 그 부차적인 조합을 인지할 것이다. 따라서, 다음의 첨부된 청구범위와 이로부터 유도되어 상기 변경, 치환, 추가 및 부차적인 조합 모두를 포함하는 청구범위는 본 발명의 진정한 사상 및 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.
10, 핵분열 원자로 12, 원자로 압력 용기
14, 냉각제 루프 16, 열교환기
18, 전기 터빈 발전기 20, 전기 발전소
22, 냉각제 펌프 24, 일순 폐쇄부
26, 히트 덤프 열교환기 28, 발원점
100, 원자로 노심 집합체 110, 핵분열 점화기
112, 냉각제 채널 114, 채널
118, 포트 120, 이송 집합체
122, 하우징 본체 124, 핵 차폐 물질
126, 캐비티 128, 접근 포트
130, 셔터 132, 본체 캡
134, 156, 지시 화살표 136, 붕괴열 제거 장치
138, 튜브 부분 140, 히트싱크 부분
142, "도그렉" 부분 144, 튜브 부분
146, 히트싱크 부분 148, "도그렉" 부분
150, 이송 집합체 152, 붕괴열 제거 통로

Claims (24)

  1. 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심으로서,
    내부에서 복수의 핵분열 폭연 파동을 개시 및 전파하도록 구성되는 제 1 핵분열 연료 물질,
    이미 연소된 원자로 노심의 중앙을 통해 유동하여 잔여 핵분열과 여열 화력을 없애고, 상기 핵분열 폭연 파동의 화염면의 후미로부터 과잉 중성자를 트리밍하는 원자로 냉각제,
    상기 핵분열 원자로 노심으로부터 제거될 수 있도록 구성되는 복수의 중성자 흡수 물질, 및
    상기 제 1 핵분열 연료 물질에 수용되는 복수의 핵분열 점화기,
    를 포함하고, 상기 복수의 핵분열 점화기 중 적어도 하나의 핵분열 점화기는 제 2 핵분열 연료 물질 부분을 포함하며, 상기 적어도 하나의 핵분열 점화기는 적어도 1의 keffective를 달성하도록 구성되고,
    상기 핵분열 점화기는 원기둥의 형상으로 형성되며,
    상기 핵분열 점화기는 상기 원자로 노심 내에서 중앙에 위치하고 제거 가능하게 수용되며,
    상기 핵분열 점화기의 상기 제 2 핵분열 연료 물질 내 핵분열성 물질의 농도는 상기 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심의 상기 제 1 핵분열 연료 물질 내 핵분열성 물질의 농도보다 더 큰 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  2. 제 1 항에 있어서, 복수의 냉각제 채널을 더 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵분열 점화기는 그 외면 상에 상기 복수 개의 냉각제 채널과 결합되는 복수 개의 채널을 형성하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 핵분열 연료 물질은 핵연료성 물질을 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 핵연료성 물질은 238U 및 232Th로부터 선택된 핵연료성 물질을 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 핵분열 연료 물질은 핵분열성 물질을 더 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 핵분열성 물질은 233U, 235U, 및 239Pu로부터 선택된 핵분열성 물질을 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 핵분열 연료 물질은 핵분열성 물질을 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 핵분열성 물질은 233U, 235U, 및 239Pu로부터 선택된 핵분열성 물질을 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 핵분열 연료 물질은 핵연료성 물질을 더 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 핵연료성 물질은 238U 및 232Th로부터 선택된 핵연료성 물질을 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 핵분열 연료 물질의 농도는 공간적으로 변하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 핵분열 연료 물질의 농도는 공간적으로 변하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵분열 점화기는 핵분열 유도 중성자에 관한 1의 평균 자유 거리 이상인 적어도 하나의 치수를 갖는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 핵분열 점화기는 핵분열 유도 중성자에 관한 1의 평균 자유 거리 미만인 적어도 하나의 치수를 갖는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 10B 및 6Li로부터 선택된 중성자 흡수체를 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 제 2 핵분열 연료 물질 부분 내로부터 제거 가능한 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 중성자 흡수 물질은 제 2 핵분열 연료 물질 부분의 외부로부터 제거 가능한 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  19. 제 1 항에 있어서,
    중성자 감속 물질(neutron moderating material)
    을 더 포함하는 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 중성자 감속 물질은 중수, 탄소, 및 7Li로부터 선택된 중성자 감속체를 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  21. 제 1 항에 있어서,
    중성자 반사 물질
    을 더 포함하는 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 중성자 반사 물질은 흑연 및 베릴륨으로부터 선택된 중성자 반사체를 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  23. 제 1 항에 있어서,
    중성자 증식 물질
    을 더 포함하는 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 중성자 증식 물질은 9Be 및 베릴륨화물로부터 선택된 중성자 증식체를 포함하는 것인 핵분열 폭연 파동 핵분열 원자로 노심.
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