KR20120132492A - 모듈형 핵 분열성 폐기물 변환 원자로 - Google Patents

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Abstract

모듈형 핵 폐기물 변환 원자로는 사용가능한 에너지를 계속하여 발생시키는 한편, U-238 및/또는 핵변환성 폐기물질을 핵변환 가능한 핵종으로 변환시킨다. 이 원자로는 수십 년의 오랜 수명을 갖는 자기-제어되는 코어이고, 상당히 균일하며 적당한 안정성을 유지하도록 작동 동안 활성 코어의 경계면 내에 반응성 제어 기구를 필요로 하지 않는다. 예시적인 실시예는 고온 헬륨 냉각수, 이중 세그먼트(22)인 환형의 초기 임계 코어, 탄화물 연료, 핵분열성 생성물 가스 수집 시스템, 세라믹 클래딩 및 내부 구조를 채택하여, 최소의 핵연료원료만을 첨가하여 한 세대에서 다음 세대로, 원자로 코어의 다중 세대를 통해 경제적으로 에너지를 발생시킬 수 있는 모듈형 원자로 설계를 창출한다.

Description

모듈형 핵 분열성 폐기물 변환 원자로{MODULAR NUCLEAR FISSION WASTE CONVERSION REACTOR}
본 출원은 2010년 2월 4일 출원된 미국 가 출원 번호 61/301,554호와, 2010년 2월 18일 출원된 미국 가 출원 번호 61/305,799호의 우선권을 주장하고, 그 기술사항이 여기에 참고로 통합된다.
본 발명은 원자로 및 그 작동 방법에 관한 것으로, 특히 연료 보급 없이 오랜 기간 동안 작동할 수 있는 원자로에 관한 것이다.
장기간의 작동을 위한 자동화 원자로의 컨셉은, 초기 핵분열성 영역으로부터 이동된 핵 연소파(nuclear burn wave)를 사용하는 재처리 않는 브리딩(breeding) 개념에 초점을 맞춘 에드워드 텔러 등에 위한 1996년 1월 기사의 주제였고, 초기 핵분열성 영역에 있는 본질적으로 임계적인 농축된 핵분열성 물질(enriched fissile material)은, 일차적인 핵분열성 반응으로 전체 원자로 코어 내의 한 위치에서 다른 위치로 이동되어 핵연료원료 물질로 변환된다. 이 개념은 이 1996년 기사의 권위자들에 의해 더욱 개발되어, 출원 번호 2008/0123796호, 2008/0232525호, 및 2009/0080587호를 포함하는 공개된 일련의 미국 출원들에서 이런 이동하는 연소파 원자로를 설명하는 간행물들이 나오게 되었다.
본 발명은, 수십 년 동안 연료 보급 없이 작동될 수 있는 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로를 제공하고, 그 수명 동안 지속적으로 전력을 생산하고, 결과적으로 소비된 연료 물질의 최종 코어가, 초기 코어에 존재하였던 것과 동일하거나 더 많은, 재사용에 적합한 핵분열성 물질을 포함하는, 다른 방식으로 이 목표에 접근한다.
아래에 기술되는 예시적인 실시예는 모듈형 핵 폐기물 변환 원자로 및 그 작동을 위한 방법을 제공한다. 이들 예시적인 실시예는 제한 없이, 고온 헬륨 냉각수, 듀얼-세그먼트인 환상 섹션 코어의 정렬, 다세대 원자로 코어를 통해 에너지를 제공하는 탄화물 연료, 핵분열성 생성물 가스 수집 시스템, 세라믹 클래딩(cladding) 및 개략적인 구조물의 내부 배열을 포함한다.
한 특정 측면에서, 본 발명은 급유 없이 십 년 또는 더 오래 작동하도록 설계된 핵분열성 원자로를 제공하고, 이 원자로는; 원자로 용기와; 코어에서 핵분열성 반응을 통해 열을 만들기 위해 상기 원자로 용기 내에 있는 중앙 코어로서, 상기 코어는 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션 및 인접한(flanking) 변환 섹션을 포함하고, 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션은 중앙 코어의 수명을 통해 임계적 코어 영역의 활성, 통합 부분을 유지하는, 중앙 코어와; 상기 원자로 용기 내 외로의 헬륨의 순환에 의해 상기 코어로부터 열을 추출하여 코어의 온도를 약 700 ℃ 내지 1000 ℃ 로 유지하고 상기 원자로 용기 외부의 가열된 헬륨으로부터 전력을 발생시키는 헬륨 순환 시스템으로서, 상기 코어의 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션은 탄화 규소 컨테이너 형태인 연료 요소를 포함하며, 상기 탄화 규소 컨테이너는 핵분열성 및 핵연료원료 핵종 탄화물(carbide fissile and fertile nuclides)을 포함하는 소결된 연료 체(sinterd fuel bodies)가 들어있는, 헬륨 순환 시스템; 및 정상 작동중에 상기 연료 요소로부터 휘발성 핵분열성 생성물을 인출하기 위한 시스템을 포함한다.
다른 특정 측면에서, 본 발명은 급유 없이 십 년 또는 더 오래 작동하도록 설계된 핵분열성 폐기물 변환 원자로를 제공하고, 이 원자로는; 원자로 용기와; 코어에서 핵분열성 반응을 통해 열을 만들기 위해 상기 원자로 용기 내에 있는 중앙 코어로서, 상기 코어는 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션 및 인접한 변환 섹션을 포함하고, 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션은 원자로의 수명을 통해 임계적 중앙 코어의 일 부분을 유지하는, 중앙 코어와; 상기 원자로 용기 내 외로의 헬륨의 순환에 의해 상기 코어로부터 열을 추출하여 코어의 온도를 약 700 ℃ 내지 1000 ℃ 로 유지하고 상기 원자로 용기 외부의 가열된 헬륨으로부터 전력을 발생시키는 헬륨 순환 시스템으로서, 상기 코어는 탄화 규소 컨테이너 형태인 복수의 연료 요소를 포함하며, 상기 탄화 규소 컨테이너는 핵분열성 및 핵연료원료 핵종 탄화물을 포함하는 소결된 연료 체가 들어있는, 헬륨 순환 시스템; 및 정상 작동중에 상기 복수의 연료 요소로부터 휘발성 핵분열성 생성물을 인출하기 위한 시스템을 포함한다.
다른 특정 측면에서, 본 발명은 급유 없이 십 년 또는 더 오래 작동하도록 설계된 핵분열성 원자로를 제공하고, 이 원자로는; (1)원자로 용기와; (2) 핵분열성 반응을 통해 열을 만들기 위해 상기 원자로 용기 내에 있는 중앙 코어로서, 상기 코어는 (a) 두 개의 수직하게 이격된 수평 영역에 위치하고, 각 수평 영역은 소결된 핵분열성 탄화물 연료 체의 일반적으로 환상인 영역을 포함하는, 두 개의 초기 핵분열성 섹션과, (b) 소결된 핵분열성 연료 체를 포함하는 수평 영역을 포함하고, 상기 수평 영역은 상기 두 개의 초기 핵분열성 섹션을 포함하는 두 개의 수평 영역 사이, 위, 및 아래에 위치되는, 복 수개의 변환 섹션을 포함하고, 상기 두 개의 초기 핵분열성 섹션은 중앙 코어의 수명을 통해 임계적 코어 영역의 활성, 통합 부분을 유지하는, 중앙 코어와; (3) 상기 원자로 용기 내 외로의 헬륨의 순환에 의해 상기 코어로부터 열을 추출하여 코어의 온도를 약 700 ℃ 내지 1000 ℃ 로 유지하고 상기 원자로 용기 외부의 가열된 헬륨으로부터 전력을 발생시키는 헬륨 순환 시스템; 및 (4) 정상 작동중에 상기 연료 요소로부터 휘발성 핵분열성 생성물을 인출하기 위한 시스템을 포함한다.
또 다른 특정 측면에서, 본 발명은 원자로 세대(generations of reactors)를 제공하는데, 여기서, 1 세대 원자로 코어는 저 농축 우라늄 (LEU) 및/또는 무기-급 플루토늄 (WPu) 등의 다운-블렌드(down-blend)를 포함하는 핵분열성 연료 섹션을 갖고, 다음 세대 원자로 코어는, 이전 세대의 원자로로부터 일부 핵분열성 생성물이 분리된, 이전 세대 원자로의 중금속 배출을 포함한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 초기 핵분열성 영역과, 사용된 핵 연료(SNF), 감손 우라늄 (DU) 및/또는 천연 우라늄를 포함하는 핵분열성 영역을 더한(plus) 코어를 갖는 원자로를 제공하며, 이 원자로는 종래의 경수로 (LWRs) 보다 두 배 이상의 연료 효율 및 연료 연소 값으로 작동한다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 한 사이트로 운반될 수 있는 소형 원자로를 제공하며, 이 원자로는 20여 년간 연료 요소의 급유 또는 셔플링(shuffling)이 없어, 제어 중독이 없고, 플랫 반응성(flat reactivity)을 1에 근접하게 유지하도록 설계되고, 클래딩이 제거된 LWRs 로부터 배출된, 처리 안 된 다양한 종류의 핵 연료와 폐기물을 활용할 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 공장에서 조립될 수 있는 소형 원자로를 제공하고, 이 소형 원자로는 DU 를 플루토늄으로 변환하기 위해 중앙 코어 내의 작은 농축 우라늄 임계 영역을 사용하여, 중앙 코어를 통해 외부를 향해 변환된 핵분열성 영역 안으로 임계 코어 영역을 팽창시켜, 15 내지 30여 년간 급유 또는 셔플링이 없어, 제어 중독이 없고, 플랫 반응성을 1에 근접하게 유지하게 된다.
예시적인 실시예가 첨부하는 참조 도면에 도시되어 있으나, 여기서 기술된 실시예들과 도면들은 제한적인 아닌 예시적인 것임을 의미한다.
본 발명의 모듈형 핵 폐기물 변환 원자로는 사용가능한 에너지를 계속하여 발생시키는 한편, U-238 및/또는 핵변환성 폐기물질을 핵변환 가능한 핵종으로 변환시킨다. 이 원자로는 수십 년의 오랜 수명을 갖는 자기-제어되는 코어이고, 상당히 균일하며 적당한 안정성을 유지하기 위해 작동 동안 활성 코어의 경계면 내에 반응성 제어 기구를 필요로 하지 않는다. 예시적인 실시예는 고온 헬륨 냉각수, 듀얼-세그먼트(22)인 환형의 초기 임계 코어, 탄화물 연료, 핵분열성 생성물 가스 수집 시스템, 세라믹 클래딩 및 내부 구조를 채택하여, 최소의 핵연료원료만을 첨가하여 한 세대에서 다음 세대로, 원자로 코어의 다중 세대를 통해 경제적으로 에너지를 발생시킬 수 있는 모듈형 원자로 설계를 제공한다.
도 1은 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 예시적인 한 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 원자로 몸체와 코어의 단면을 도시하는 사시도.
도 3은 약 중간의 코어 레벨에서 취한 도 2의 원자로의 개략적인 단면도.
도 4A는 도 2에 도시된 바와 같은 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에 대한 중성자 에너지 스펙트럼 대 중성자 플럭스를 나타내는 그래프.
도 4B는 탄화 규소에 대한 밀도 변화 대 중성자 선량(中性子線量)(neutron dose)을 나타내는 그래프.
도 4C는 탄화 규소에 대한 밀도 변화 대 방사선조사 온도(irradiation temperature)를 나타내는 그래프.
도 5는 평면 플레이트 형태인 예시적인 개별 연료 요소의 사시도.
도 6은 도 5의 48개의 연료 요소를 포함하는 예시적인 연료 요소 어셈블리의 사시도.
도 7은 도 6의 어셈블리처럼 지지되는 홀더와 예시적인 연료 요소의 내부 구조를 도시하는 부분 확대도.
도 8A는 도 1에서 사용될 수 있는 코어 지지 플레이트의 사시도.
도 8B는 도 2에 도시된 원자로 코어의 한 층을 둘러싸는 보상 형태의 BeO 블록으로 만들어질 수 있는 예시적인 내부 리플렉터 링 어셈블리의 사시도.
도 8C은 도 8B의 링에 인접한 외부 리플렉터 어셈블리 섹션의 사시도.
도 8D는 외부 리플렉터 어셈블리를 즉시 둘러싸는 중성자 실드의 섹션의 사시도로서, 상기 중성자 실드는 B4C 등의 아치형(arcuate) 플레이트로 형성될 수 있다.
도 9는 둘러싸는 관형의 코어 배럴 내의 예시적인 원자로 코어를 통한 횡 단면도.
도 10은 상부, 중앙 및 하부 핵연료원료 변환 섹션으로 둘러싸인 두 개의 초기 핵분열성 섹션을 포함하는 예시적인 원자로 코어를 통해 수직으로 취한 개략도.
도 11A는 변환 섹션과 비교된 핵 핵분열성 섹션에 대한 전력 부분 대 코어 수명을 나타내는 그래프.
도 11B는 LEU 핵분열성 섹션 및 DU 변환 섹션을 갖는 제 1 세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어에 대한 K-효과(K-effective) 대 시간을 나타내는 그래프.
도 11C는 감손된 우라늄과 사용된 핵 연료 변환 섹션을 사용하는 유사한 실시예에 대한 K-효과 대 시간을 나타내는 그래프.
도 12는 두 세대의 원자로 코어에서 초기 핵분열성 섹션 및 변환 섹션에 사용될 수 있는 연료 유형을 보여주는 두-세대 라이프 사이클(two-generational life cycle)의 한 실시예를 도시하는 플로우 차트.
도 13은 도 1의 원자로 시스템에 통합될 수 있는 예시적인 핵분열성 생성물 수집 시스템의 개략도.
도 14는 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 실시예에 대한 중성자 플럭스 대 에너지를 나타내는 그래프.
도 15A는 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에 대한 도플러 계수(Doppler coefficient) 대 시간을 나타내는 그래프.
도 15B는 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에 대한 공극 계수(Void coefficient) 대 시간을 나타내는 그래프.
도 16A는 본 발명의 특징을 구현하는 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에서 사용될 수 있는, 도 5에 도시된 연료 요소의 대안 실시예의 사시도.
도 16B는 도 16A의 선 16B - 16B 를 따라 취한 개략적인 횡단면도.
도 16C는 도 16A에 도시된 유형의 복수의 연료 요소의 예시적인 조립상태의 사시도.
도 16D는 도 16C에 도시된 연료 요소의 조립상태의 크기를 확대한 단편적인 평면도.
이하에는 본 발명의 여러 특징을 구현하는 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로와 그 작동 방법의 실시예를 나타낸다,
원자로 시스템
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 이런 형태의 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로는 그레이드(grade)(1) 아래에 위치할 수 있다. 이 원자로 시스템은 적절하게 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어(2)를 포함하는 용기(5a)와 열 제거 또는 추출 시스템 (3)을 포함하고, 열 제거 또는 추출 시스템은 헬륨 냉각수를 사용하고 있으며 적어도 하나의 열 교환기(4) 또는 대안적인 열 추출기/컨버터에 유체 연통 연결된다, 원자로 용기(5a)와 열 교환기(4)는 내부 및 외부 유동 통로 (11 과 6)을 포함하는 교차 덕트(5)에 의해 연결될 수 있다. 열 교환기(4)는 증기 발생기와 같은 열 변환기를 포함할 수 있고, 대안적으로, 전력의 지속적인 출력을 제공하도록유체 구동 터빈-발전기 등을 포함할 수 있다.
전체 원자로 시스템은 일반적으로 연료 코어, 원자로 용기 내부 구조물, 헬륨 냉각수 및 냉각수 서비스 시스템, 원자로 계측 및 제어, 종료 열 제거 시스템으로 구성되어 있다. 외부 원자로 용기(5a)는 용접 플랜지 (5b)에 의해 연결된 상부 및 하부 부분으로 통상 나누어질 수 있다. 도 2에 도시된 하부 부분은 원자로 코어(2), 리플렉터-코어 지지체(5c) 및 제어 장치를 포함한다. 상부 부분은 종료 냉각 시스템 연결부에 연결되는 선도 라이저를 포함할 수 있고, 상부 영역에서는, 동축 교차 덕트(5)에 열 교환기가 연결되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 한 실시예가 도시된다.
정상 작업중에, 냉각 헬륨 (약 490 ℃ 내지 500 ℃에서)은 교차 덕트의 외부 영역(6)을 통해 용기(5a)로 들어간다. 냉각 헬륨은 원자로 용기(5a)의 내부 벽 표면을 따라 아래로 흘러 용기를 차게(cool) 유지시킨다. 헬륨 흐름은 코어의 바닥에 있는 입구 플레넘(7)에서 180도 회전을 한 다음 코어 지지 구조체 지지부(5c)와 바닥 리플렉터(8)를 통해 위쪽으로 흐른다. 원자로 코어(2)는 연료 어셈블리, 리플렉터 요소, 중성자 실드, 시작 중성자 소스 및 반응성 제어 구성 요소를 포함하고, 이들 모두는 관형 코어 배럴(21) 내에 위치하고 있으며, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 코어 지지 구조체(5C)에 의해 지지된다. 헬륨 냉각수는 플레넘(7)으로부터 활성 코어(2)를 통해, 그리고 상부 플레넘(10)을 통해 코어가 있는 상부 리플렉터(9)를 통해 위쪽으로 이동한다. 출입하는(exiting) 고온 헬륨(약 850℃ 또는 그 이상)은 교차 덕트(5)의 내부 절연 영역(11)을 통해 열 교환기(4) 안으로 흐른다.
클래딩 및 구조 재료
핵분열성 폐기물 변환 원자로의 클래딩 및 구조 성분은 코어에서의 높은 플럭스(high flux)와 온도 조건을 견딜 수 있도록, 바람직하게는 세라믹 소재로 구성된다. 세라믹 재료는 크리프(creep) 및 전체 전력 작업의 가시적인 수명 동안 부식에 대한 적당한 내성이 예상되고, 기계 가공성을 제공한다.
도 4a는 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 일 실시예에 대한 중성자 에너지 스펙트럼 대 중성자 플럭스의 그래프를 도시한다. 열 에너지 수준으로 둔화되지 않은 중성자는 핵연료원료를 핵분열성 물질로 변환하고, 그리고 그 핵분열성 물질을 추가 핵분열하는데 사용되고, 이것은 중성자 에너지를 상당하게 흡수하거나 조절하지 않는 코어 재료를 제조 및 사용하여 달성된다
탄화 규소와 같은 세라믹 재료는 기타 관련 물질의 것보다 낮은 다양한 중성자 에너지를 위한 저 흡수 단면이 있다고 알려져 있다. 탄화 규소 (SiC)는 또한 순수 흑연 재료보다 높은 평균 원자량을 갖는다, 이것은 산란 상호 작용(scattering interactions)당 중성자-둔화의 양을 감소시킨다. 또한, 탄소와 실리콘은 본 출원의 주제인 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에 존재 될 에너지 범위에서 중성자 흡수를 위한 낮은 교차 섹션을 갖는다.
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 연료 클래딩 및 구조 물질은 코어 내에서 그 작동기간 동안 기능적 성능을 유지할 수 있는 능력에 따라서 선택된다. 도 4b는, 탄화 규소가 중성자 영향으로 저밀도 변화하는 것을 나타내고, 이값은 원자(DPa) 증가 당 변위로서 안정화되는 것을 도시한다. 도 4c는 이러한 밀도 변화의 크기가 최적의 온도 범위 내에서 원자로 코어의 작동에 의해 최소화되는 것을 도시한다.
연료 요소와 연료 요소 어셈블리
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 연료는 예를 들어, 바람직하게는 최소량의 디카바이드(dicarbide)와 혼합된 모노 탄화물인 탄화물 형태의 연료가 적재되는 것이 바람직하고, 최소량의 디카바이드를 갖는 우라늄 모노 탄화물은 (UC1.x)라 칭한다. 이전 연료 영역에서의 과잉 탄소는 연료 요소 클래딩을 화학적 공격으로부터 보호하기 위해 핵분열성 생성물과 화학 반응할 수 있게 한다. 연료는 약 50 내지 80 볼륨 %의 충전 밀도(packing density), 바람직하게는 60 내지 80 볼륨 %의 충전 밀도를 갖는 소결체(sintered body) 형태가 바람직하다. 따라서 소결체 연료는 바람직하게는 적어도 약 20 %, 바람직하게는 약 20 내지 40 %의 상호연결된 다공성(porosity)을 가져, 고체 핵분열성 생성물의 증착을 위한 룸(room)을 제공하여, 연료 영역이나 미트(meat)에서 핵분열성 생성물 가스의 이동 경로를 확보하여, 원자로 수명 내내 배기 포트(15)를 통해 탈출하게 된다. 탄화물 연료는 일정한 고체 소결 플레이트 형태일 수 있고, 연료 요소(12)의 외부 표면에 양호한 열 전도성을 제공한다. 핵 연료의 짧은 소결 실린더가 하기에 기술되는 바와 같이 대안적으로 사용될 수 있다.
도 5는 외부 케이싱과 돌출된 배출구(15)를 보여주는, 평면 플레이트를 포함하는 개별 연료 요소(12)의 일 실시예를 도시한다. 도 6은 박스형(boxlike) 연료 어셈블리(13)의 실시예를 도시하는 사시도이고, 여기서, 이러한 유형의 복 수개의 개별 연료 요소(12)는, 즉 48개이고, 바람직하게는 탄화 규소 복합 재료로 제조된 주변 프레임 또는 홀더(13a) 내에 포함된다. 연료 요소(12)는 프레임 내의 슬롯에 수용되고, 연료 요소(12)의 내부 구조를 도시하는 도 7에 도시된 바와 같이, 바람직하게는 지속적인 경화 구조를 보장하는 어닐링 공정을 사용하여 프레임에 견고히 부착된다.
하나의 대표적인 실시예로서, 약 43.3 cm2, 및 16cm 깊이의 홀더(13a)는. 2 열의 평면 연료 요소(12)를 수용할 수 있다.
이런 연료 요소의 실시예에서 중앙 탄화물 연료 플레이트(14)는 상호연결된 다공성(porosity)을 가져, 고체 핵분열성 생성물의 증착을 위한 충분한 룸(room)을 제공하고, 휘발성 핵분열성 생성물 가스가 배기 포트(15)로 통과하게 한다. 배기 포트(15)는 도 5에 도시된 바와 같이, 하나의 코너에 바람직하게 위치하고, 홀더(13a)의 하나 또는 두 개인 중간 부분의 연료 요소의 각 그룹을 위한 공통 커넥터 또는 헤더(도시 없음)에 연결될 수 있다. 이 커넥터는 매니폴드로서의 역할을 하고, 코어 영역으로부터 휘발성 핵분열성 생성물를 제거하도록 설계된 전체 핵분열성 가스 수집 시스템의 일부를 형성한다. 그 계획된 수명 동안, 소결 탄화물 연료 플레이트(14)에서 공극 볼륨(void volume)의 절반 미만이 휘발성 핵분열성 생성물 흐름을 위한 충분한 공간(ample room)을 남기고 고체 핵분열성 생성물로 채워지게 된다. 평면 탄화물 연료 플레이트(14)의 외부 표면은, 우라늄 탄화물 등의 부드러운 내부 열전달 표면층(13b)을 형성하는, 탄화물 연료 슬러리로 바람직하게 코팅되고, 열분해탄소(pyrocarbon)(PyC)의 외부 층으로 코팅되며; 이 PyC 는 연료 플레이트 표면을 밀봉하고 수증기성 SiC 분위기 속에서 연료 플레이트를 추후 클래딩 하게 한다. 구조적 플레이트 클래딩(16)은 폐쇄된 외부 컨테이너를 형성하고, 예를 들어, 교차 직조되어, B-SiC가 침투된 고순도 SiC 재료의 다층인 실리콘 복합 소재로 구성되며, 이 침투 공정에서, 조밀한 열분해탄소 래퍼 밀봉은 연료와의 화학 반응을 방지한다. 대안적인 실시예로서, 이러한 부드러운 층(13b)으로 코팅된 소결 탄화물 연료 플레이트(14)는, 연료 요소(12)를 형성하기 위해, 기계적으로 조립되어 밀봉한 후 분리되어 형성된 탄화 규소 클래드 또는 재킷에 꽉 끼어 맞혀진다.
니어-모노 탄화물 연료(near-monocarbide fuels)의 열 전도성은 온도의 증가로 향상되기 때문에, 그 결과 높은 온도에서의 작동 동안, 연료 플레이트를 통한 온도 상승이 감소된다.
리플렉터기
이러한 박스형 어셈블리(13)의 전체 조립상태는 리플렉터 어셈블리에 의해 모든 면이 둘러싸여 있다. 이 리플렉터의 목적은 중앙 원자로 코어로 중성자를 돌아가게 하여 중성자의 누출을 최소화하는 것이고, 이것은 중성자의 경제성을 개선하고, 핵연료원료 연료를 핵분열성 연료로 변환하거나 또는 핵분열성 연료를 핵분열시키는 가능성을 증가시킨다. 높은 중성자 산란 단면과 낮은 흡수 단면을 갖는 베릴륨 및 흑연 같은, 리플렉터 소재의 사용은 리플렉터의 효율성을 증가시킨다. 코어와 주변의 리플렉터는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 리플렉터 코어 지지체(5c)로 지지된다. 대표적인 지지는 냉각수가 이것을 통해 상부로 흐르는 21개의 사각형 구멍을 포함하는 도 8A에 도시되어있다.
원자로는 (1) BeO 또는 BE2C 와 같은 베릴륨을 포함하는 물질과, (2) 흑연인. 2가지 주요 형태의 물질을 포함하는데: 연료 코어를 인접하게 둘러싸는 것은 베릴륨을 포함하는 내부 리플렉터 어셈블리(18) (도 8B 참조)이고, 이 베릴륨은 상호 결합된 두 개의 서로 다른 모양의 복수의 개별 블록(17)으로 구성되어 있고, 이러한 BeO 또는 BE2C 블록(17)은 코어에서 연료 어셈블리를 둘러싸는데 필요한 다양한 단면 형태와 두께로 제공될 수 있고, 직원기둥(right circular cylinder) 섹션인 외부 표면을 제공하는 바람직한 형태의 내부 리플렉터 어셈블리를 형성할 수 있다. 도 8B는 이런 블록 (17)으로 구성되는 내부 리플렉터 어셈블리(18)의 하나의 수평층의 예시적인 사시도를 도시하며, 이 블록은 도 6 과 7에서 도시된 형태의 21 개의 연료 요소 어셈블리를 포함하는 원자로 코어 내의 하나의 수평 어레이를 둘러싼다.
내부 리플렉터 어셈블리(18)의 방사상 외측에는 외부 리플렉터 어셈블리(19)가 밀착하게 인접하여 위치한다. 도 8C는 12개의 흑연 블록(20)으로 만들어진 하나의 어셈블리의 실시예를 도시한다. 이런 흑연 블록은 특정 원자로 코어에 바람직하게 표준 형태와 두께로 형성될 수 있다.
흑연 리플렉터 어셈블리(19)는 붕소 탄화물 (B4C) 또는 다른 독성물질과 같은, 중성자 흡수 물질 또는 중성자 독성물질을 포함하는 중성자 실드(21)에 의해 둘러싸여 있다. 도 8D는 아치 형태의 비교적 얇은 플레이트로 형성된 중성자 흡수 물질인 하나의 실드(21)의 실시예를 도시한다. 도 2와 관련하여 언급된 상부 및 바닥 리플렉터 어셈블리(9, 8)는 바람직하게는 흑연으로 만들어지고, 이것은 코어의 위와 아래에 위치하고 있으며, 이하에서 설명된다.
도 9는 관형 코어 배럴(21a) 내에 배치된 코어 주변을 둘러싸는 원형 리플렉터 어셈블리(18, 19)와, 중성자 차폐부(21)를 보여주는 3 도과 유사한 개략적인 횡단면도이다. 여기에는 보여주는 평방 횡단면의 21개의 연료 어셈블리(13)가, 도 8A에서 잘 보여주는, 코어 지지 구조체 (5c)에 제공된 21개의 구멍 위에 수직하게 정렬되어 있다.
초기 핵분열성 및 변환 섹션
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 초기 코어는 분리된 연료 섹션을 포함한다. 도 10은 층상 영역 개념(stratified region concept)을 개략적으로 도시하며, 두 개로 분할된, 즉 이격된 초기 핵분열성 섹션(22)과, 인접하는 측면의 핵연료원료 변환 섹션(23)을 포함한다. 이 배열은, 이 실시예에서 21개의 연료 어셈블리(13)가 제공된 복 수개의 수평 영역을 사용한다.
핵분열성 섹션은 저 농축 우라늄(LEU), 무기 급 플루토늄 (WPu)의 다운 블렌드, 또는 일반적으로 약 8 % 내지 18% 사이의 핵분열성 핵종(nuclides)을 포함하는 다른 연료 물질을 포함할 수 있다. 도 11A는 변환 섹션 (선 25 참조)으로부터 얻어지는 전력의 부분과 비교된 초기 핵분열성 섹션 (선 24 참조)으로부터 얻어질 것이 고려되는 코어 수명 동안 힘의 일부를 보여주는 그래프이다. 코어 수명의 시작 에서, 코어 내의 임계 핵분열성 반응(22)은 초기 핵분열성 섹션(22)에서 발생하고, 예시적인 실시예에서, 핵분열성 연료 어셈블리(13)의 두 개의 이격된 환형 영역을 포함한다. 코어 수명을 통해, 두 개의 핵분열성 섹션 (22)으로부터의 초과 중성자는 핵연료원료 변환 섹션(23)과 핵분열성 변환 섹션(22)에서(즉, LEU에서) U-238 를 PU-239로 변환시킨다. 그 결과, 코어의 임계 영역은 확장하여, 추가적인 양성 반응을 제공하도록 확장하고, 핵 분열성 생성물의 존재로부터 얻어진 음성 반응을 보상한다. 전력 밀도는 초기의 핵분열성 섹션(22)에서 본질적으로 모든 방향으로 확장되어, 두 개의 초기 핵분열성 섹션과 함께 여러 변환 섹션(23)을 포함하게 된다.
초기 핵연료원료 연료를 추후 핵분열하여 얻어진 에너지의 비율은, 이제 막 핵분열성 연료로 변환되어, 코어 수명을 통해 증가된다. 작동 수명의 첫 10 년이 끝나기 전에, 코어 내에 초기 적재된 핵분열성 연료를 핵분열하여 얻어진 것보다 더 많은 에너지가 변환된 핵연료원료 연료를 핵분열하여 얻어진다. 도 11A에 도시된 바와 같이, 작동 수명의 말기까지, 상당한 양의 에너지가 변환된 핵종(nuclides)의 핵분열에 의해 발생되나, 그러나, 사용된 코어의 일부에 남아 있는 초기 핵분열성 핵종으로부터도 여전히 어느 정도 발생된다.
도 11B는 LEU 핵분열성 섹션 및 DU 변환 섹션을 갖는 1 세대 코어에 대한 유효 증배 계수(effective multiplication factor), K-eff, 대 시간을 도시하는 그래프이다. 원자로는 실질적으로 30년간 연속으로 100 % 풀 가동 파워로 유지되는 것으로 고려된다. 이 기간 동안 최대 반응성 변화는 오직 약 3.6 % 이다.
예시적인 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어는 작동 수명에 걸쳐 5 % 미만의 예상 값을 갖는 최소 과잉 반응이 있다. 이것은 기존 원자로보다 훨씬 낮으며, 절감 제어 시스템 요구 사항, 감소된 충격을 갖는 부가적인 반응성의 사고 시나리오, 코어 영역 대신 리플렉터에서 작동하도록 제어 시스템을 설계할 수 있는 능력 등의 이점을 제공한다. 제어 드럼(5D)은 도 3에 도시된 바와 같이 내부 리플렉터 어셈블리(18)의 범위 내에 위치될 수 있다, 도 11C는, 변환 섹션 핵연료원료에 대한 DU (라인 26 참조) 또는 핵 소비 연료 (라인 27 참조)를 사용하는 실시예에 대한 예상된 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 반응성 값을 도시하는 그래프이다.
다세대 연료
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 실시예에 사용되기 위해 구상되는 특정한 핵 연료가 일반적으로 널리 사용될 수 있고, 이 핵 연료는 제한적이지 않은, 우라늄 (천연의, 감손된(depleted) 또는 농축된), 플루토늄 및 기타 초우라늄(transuranics), 그리고 이미 연소된 핵분열성 연료 어셈블리 (소비된 핵 연료) 등을 포함한다. 우라늄이나 토륨은 핵분열성 섹션 연료 및 사용될 수 있는 변환 섹션 연료의 여러 형태 중 하나이다. 다른 핵 연료는, 악티니드(actinide) 요소와 같은, 비교적 사용되지 않는 핵분열성 연료가 또한 사용될 수 있다. 이러한 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 일부 실시예는 약 4분의 1 세기에서 반세기 동안 풀 가동하는 장기간 작업을 고려하였고, 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 특징적인 측면은 작동 수명 동안, 연료 요소를 재조정하는 핵 급유 또는 연료 셔플을 필요로 하지 않는 것이다,
작동 수명의 말기에, 상당한 Pu가 소량의 다른 악티니드, 주로 P, Am 및 Cf 와 함께 남아있고, 이 결과 핵분열성 핵종의 전체 농도가 일차 연료 적재의 핵분열성 핵종의 원래 전체 농도보다 높게 된다. 이것은 다음 세대 원자로에서 핵연료원료와 핵분열성 중금속 물질의 재사용을 허용한다. 연료로부터 핵분열성 생성물의 30-90%, 바람직하게는 적어도 약 60%를 제거한 후에, 일부 핵 폐기물질(감손된 우라늄 또는 소비된 핵 연료)을 추가하면, 대략 원래 코어와 같은 총 연료 무게를 갖는 새로운 세대의 코어를 위한 충분한 연료가 되어, 후속 원자로 코어로 재활용할 수 있게 된다,
모듈형 핵분열성 원자로 폐기물 변환 원자로의 다양한 실시예의 몇몇 이점의 특징은 위의 고려 사항의 결과이다. 예를 들어, 4 분의 1 내지 2 분의 1 세기에서 최대 전력에서의 원자로 작동이 핵 급유 없이 얻어질 수 있고, 열 에너지 레벨이 둔화되지 않는 중성자를 사용하여, 핵 연료 재 처리를 회피할 수 있게 된다. 더 예를 들면, 이 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 일부 실시예는, 소비된 핵 연료나 감손된 우라늄 같은 비 농축 악티니드 연료의 높은 평균 연소를 허용하고, 1 세대 코어를 위한 코어의 초기 연료 충전으로, 적당한 동위원소(isotopic)의 농축된 핵분열성 연료의 비교적 작은 핵분열성 영역의 사용을 필요로 한다.
도 12는 이런 모듈형 핵분열성 원자로 폐기물 변환 원자로 시스템의 다 세대 라이프 사이클을 개략적으로 도시한다. 핵분열성 섹션의 초기 연료 적재는 저 농축 우라늄 (또는 다른 핵분열성 연료)를 포함할 수 있고, 변환 섹션은 핵 폐기물(소비된 핵 연료, 감손된 우라늄 또는 다른 적절한 폐기물)을 포함할 수 있다. 이러한 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어의 전체 초기 농축도는 경수로(LWR)의 그것보다 훨씬 크지 않을 수 있고: 그러나, 코어는 그 작동 수명 기간 동안 훨씬 더 높은 연료 연소를 달성할 수 있다. 예를 들어, 탄화물 핵분열성 연료는 약 4 % 내지 18 %의 농축도, 예를 들면 8-18%의 농축도를 포함할 수 있고, 상기에서 기술하였듯이, 이런 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 다음 세대는 추가 농축 우라늄을 필요로 하지 않는다.
정격 전력에서의 수십 년의 작동 후, 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 연료가 제거된다. 감쇄되는 높은 방사성 핵분열성 생성물에 대한 일정 기간 후, 연료는 구조적 및 클래딩 재료로부터 분리되고, 핵분열성 생성물의 일부 부분, 예를 들어, 바람직하게는 최소 60 % 정도가 제거된다. 나머지 무거운 물질(핵분열성 중금속, 핵연료원료 중금속 및 나머지 핵분열성 생성물)은 일부 추가 핵 폐기물 재료, 예를 들어 소비된 핵 연료 또는 DU를 갖는 새로운 연료 요소(12)로 제조되어, 차세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 코어를 제공한다.
상기 프로세스는 여러 세대 동안 계속되는 모델이 된다. 이 순효과(net effect)는 (1 세대 이후에는) 핵 폐기물 물질만이 다음의 코어에 부여되는 한편, 작동 수명 동안 에너지의 거의 계속적인 출력을 제공하고, 수십 년 동안의 작동 수명의 말기 이후에 약간의 핵분열성 생성물만을 제거할 필요가 있다. 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 설계는 핵분열성 생성물 제거 효율 범위를 통해 다음 세대의 작동을 지지하고; 그러나 효율적인 작동 수명의 말기는, 일정 레벨의 핵분열성 생성물 농축이 발생 될 때 도달하게 된다 라고 고려된다. 따라서, 작동 수명과 핵분열성 생성물 제거 효율은 직접적으로 연관된다.
핵분열성 생성물 수집 시스템
핵분열성 생성물 가스가 연료 요소 내에 생성되어 존재할 경우, 클래딩을 파손하거나 파열하게 될 오버 가압 상태로 이어질 수 있다. 도 13은 원자로의 작동 수명을 통해 휘발성 핵분열성 생성물 가스를 수집 및 저장하는 휘발성 생성물 수집 시스템의 실시예를 개략적으로 도시한다. 연료 어셈블리(13)에 대해 설명하였지만, 대안적인 연료 요소(12)의 구조로 쉽게 통합될 수 있다. 도시된 실시예는 각 연료 어셈블리(13)의 연료 요소(12)에 연결하는 매니폴드(48)인 커넥터로 연장하는 분기 네트워크를 이용하고; 이들 분기들은, 중앙 컬렉터 파이프(31)에 연결되어있는 일련의 헤더(30)에 연결된다. 500 내지 700 ℃ 이상에서 휘발성인 핵분열성 생성물은 파이프(31) 내에서의 가스로서, 원자로로부터 필터(32), 세퍼레이터(33), 및 핵분열성 생성물 저장 시스템(34)으로 이동된다.
핵분열성 생성물 수집 시스템은 주 냉각수보다 약간 낮은 압력으로 유지되고,이것은 바깥쪽의 잠재적인 핵분열성 생성물의 가스 흐름보다 안쪽의 헬륨 흐름을 촉진한다. 소량의 안쪽의 헬륨 흐름은, 연료 클래드 또는 수집 시스템에서 제일 작은 핀홀을 통해 주 냉각수 시스템 안으로의 바람직하지않은 임의의 휘발성 핵분열성 생성물의 반-확산을 억제한다. 헤더(30)에 혼입 수집된 임의의 헬륨을 갖는 핵분열성 생성물의 가스는 중앙 컬렉터 파이프(31)을 통해 원자로를 나가고, 이것은 냉각수의 온도가 약 850℃ 이상인 코어의 상부에 위치될 수 있다. 핵분열성 생성물의 가스는, 특정 필터 및 멤브레인 또는 흡착 필터(32), 및 혼입된 고체와 콘덴세이트(condensate)를 제거하는 분리기(33)를 통해 흐른 후에, 이렇게 혼입된 헬륨의 체적으로부터 정화된 핵분열성 생성물이 선택적으로 원자로로 리턴될 수 있다. 마지막으로, 남아있는 핵분열성 생성물 가스는 적당한 저장 탱크(34)에 저장된다.
중성자 경제성
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로는 베릴륨(Be)같은 핵분열성에 따른 (n, 2n) 반응을 일으키는 핵종의 형태인 리플렉터 물질을 사용한다. 이런 반응은 초기 중성자가 흡수되고 두 개의 중성자가 누출될 때 발생되어, 이 결과 중성자 경제성을 개선하고, 코어로부터 회피할 수 없는 중성자 누출을 보상한다.
도 14는 전체 수명을 통해 최소한의 변경을 보여주는 잠재적 중성자 플럭스 스펙트럼을 도시하는 그래프이다. 평균 중성자 에너지는 105 전자 볼트이다. 중성자 스펙트럼 폭은 작동 수명의 상반기 동안은 약간 얇은 폭(즉, 평균 인근에 더 집중된다)을 갖지만, 이 작동 수명의 말기까지 시작 상태의 근처로 돌아온다는 것이 고려된다.
원자로 온도 제어
반응성에 대한 원자로 온도 제어 및 응답은 네거티브 온도 계수(negative temperature coefficient)를 갖는 원자로의 설계를 위한 강한 이유를 제공하고, 반응성의 변화에 대한 자동적인 댐프닝(dampening) 응답을 제공한다. 도 15A는 작동 수명을 통해 네거티브인 도플러 계수를 제공하는, 본 발명의 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어 설계를 도시한다. 도 15B는 아직 도플러 계수보다 훨씬 작은, 보이드 계수(Void coefficient)가 포지티브인 것을 도시한다. 따라서 도플러 및 보이드 계수의 조합은 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어의 작동 수명을 통해 네거티브 온도 계수를 나타낸다.
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 개별 특징이 종래의 것으로 간주 될 수 있지만, 이러한 특징 중 일부의 조합은 독특한 원자로 디자인을 만든다. 특정 디자인의 전체 원자로에서 연장된 작동 수명을 성취하는 중요한 다섯 가지의 특정 기능이 있다; (1) SiC 클래딩, (2) UC1X 연료 종류, (3) 핵분열성 대 핵연료원료 비, (4) 기하학 및 연료 비질량편차(fuel packing fraction), 및 (5) 기체성 핵분열성 생성물 수집 시스템.
소결된 연료 체를 캡슐화하는 밀폐된 용기를 형성하는 SiC 클래딩은, 원자로 코어의 중앙 영역 내에 유지되는 700-1000 ℃의 특정 온도 범위에서 저밀도 변화만을 겪게 된다. 또한, 이 온도 범위 내에서, SiC 물질은 핵 폐기물 변환 원자로에서 경험되는, 높은 중성자 플럭스 환경으로부터의 손상 영향을 최소화하는 자기-어닐링 공정(self-annealing process)을 경험한다. 이 작동 범위보다 상당히 아래의 온도에서, 발생하는 어닐링에 대하여 불충분한 분자 이동성이 있을 수 있으며, 이 범위보다 훨씬 높은 온도에서, 공극이 결합하게 공극 이동성이 증가하고, 밀도 변화가 증가한다. 자기 어닐링 공정의 장점을 얻기 위해, 탄화 규소 클래딩이 선택되고, 원자로의 작동 온도가 700 내지 1000 ℃ 사이에서 유지되어, 이 결과 일반적으로 헬륨 냉각수 순환과 제어 드럼(5d)의 약간의 회전이 얻어진다.
주어진 온도 범위에서 가장 가능한 원자로 냉각수는 헬륨이다. 헬륨은 불활성이고 비교적 높은 열전달 계수/열 전도성과, 적당한 중성자(Neutronics)를 포함하는 여러 긍정적인 특징이 있다. 냉각수로서 헬륨을 사용함에 따라, 연료로부터 냉각수로 흐르는 양호한 열 전도를 보장하여 연료 요소 자체의 수준에서 원하는 코어 온도를 유지하기 위하여 연료 요소(12)를 서로 매우 가까이 배치할 수 있도록 하기 위해 어떤 형태의 인접 연료 요소 사이에 냉각수 채널을 위한 기하학적 요구가 필요하다.
연료, 원자로 코어의 내부 구조 및 연료 요소는 여러 세대의 사용뿐만 아니라 코어 수명 동안 높은 연료 활용도를 보장하고 감손 우라늄 (DU) 또는 사용된 핵 연료를 사용할 수 있는 능력을 보장하기 위해 설계되었다. 연료는 예를 들어, UO2 또는 UCO와 같은, 두 개의 붙어있는 원자를 갖는 전형적인 우라늄 연료보다, 주로 탄화물인, 예를 들면 UC1.x.이다. 이것의 하나의 이점은 단위 부피당 더 많은 우라늄 적재를 제공하는 것이다. 그러나, 이 연료 영역에 일부 과잉 탄소가 존재하는 것이 이점이고, 적어도 약 5%를 초과하는 것이 바람직하다. 과잉 탄소는 평균으로 핵종 당 하나 이상의 탄소 원자를 제공하여 제공된 것이 바람직하다, 중금속 핵종의 밀착 주변에 있는 이 과잉 탄소는 핵분열성 생성물(그 중 두 개가 핵분열성에 의해 생성됨)에 의한 SiC 클래딩 또는 둘러싸이는 물질에 잠재적인 화학적 공격을 중단시킨다. 따라서, 우라늄 비율에 대한 탄소의 하한(lower limit)이 화학적 공격을 방지하게 바람직하게 선택되고, 반면, 우라늄에 대한 탄소의 상한(upper limit)이 중성자의 과도 조정(over-moderation)을 최소화하기 위해 초과되지 않는 것이 바람직하다, 연료는 예를 들어, 약 UC1 .0 내지 UC1 .5 일 수 있어도, 연료 미트에서의 UC2의 존재가 초과 탄소를 제공하는 데 사용될 때, 바람직한 UC1 .05-UC1 .3의 연료 비율이 선택된다. 평면 플레이트가 연료 요소에서 사용될 때, 탄소는 제조 목적을 위하여 소결된 평면 연료 플레이트의 외부 표면과 외부 SiC 클래딩(16) 사이의 영역에 바람직하게 존재한다.
기술된 형태의 핵분열성 및 핵연료원료 연료 요소는, 외부 용기 내에서 원하는 패키징 밀도를 갖는 소결된, 니어-모노 탄화물 연료 플레이트를 캡슐화하여 만들어지고, 이 외부 용기는 수십 년의 기간 동안 원자로의 수명에 걸쳐 자신의 강도와 무결성을 유지한다. 이 원자로 작동은 실질적으로 지속되고 연료 보급 없이 사용가능한 에너지를 생산하는 것이 기대된다. 일부 핵분열성 생성물은 니어-모노 탄화물 연료의 작은 틈(interstices)에 증착되게 되고, 반면, 다른 핵분열성 생성물은 연료로부터 출구 포트 (15)를 통해 연료 요소(12) 밖으로 이동하여 핵분열성 생성물 수거 시스템 안으로 들어간다. 클래드 재료는 자기-어닐(self-anneal)에 대한 능력을 위해 선택되고 상당한 밀도 변화를 방지한다; 그것은 탄화 규소가 바람직하다. 직조된 탄화 규소 섬유 소재는 소결된 연료 플레이트가 수용되는 포켓을 형성하거나, 또는 이 천이 상단부로부터 연장하는 밸브 포트와 함께 연료 플레이트의 전체 외관을 포장하는데 사용될 수 있다. 전체적으로 둘러싸는 SiC 래퍼는 추후 고온 기상 증착 프로세스를 사용하여 결정성 베타 탄화 규소 물질의 증착을 통해 불침투성(impervious)으로 만들어진다.
탄화 규소의 증기 침투 또는 증착에 사용되는 화학 반응물은 모노 탄화물 연료에 잠재적으로 해롭기 때문에, 직조된 탄화 규소 천을 둘러싸는 몸체인 연료 플레이트(14)를 캡슐화하기 전에, 먼저 우라늄 모노 카바이드 등의 부드러운 층을 코팅하고 난 후, 열분해탄소(pyrocarbon)의 밀봉 층이 플레이트의 전체 외부 표면에 코팅된다. 선택적으로, 출구 포트(15)가 위치하게 될 작은 영역은 두 출구 포트 피팅 또는 다른 마스크의 설치에 의해 보호될 수 있다. 외부 탄소 밀봉 층으로 보호되고 둘러싸는 탄화 규소 직조된 몸체 내에 배치되는 탄화물 연료 플레이트에 의해, 서브어셈블리(subassembly)는 전체 캡슐화 몸체의 작은 틈을 통해 탄화 규소를 증착 시키는 상태하에서 가스상 기상 증착을 받게 되어, 본질적으로 완전히 결정성 탄화 규소로 만들어진 모놀리식(monolithic) 고체 컨테이너를 형성한다. 결과적인 탄화 규소 클래딩은 적어도 1mm, 바람직하게는 약 2 내지 3mm 두께의 두께를 가져야한다. 이런 증기 증착 탄화 규소는 소결 연료 플레이트의 외부 표면을 밀봉하는 열분해탄소 층으로부터, 평면 연료 요소(12)의 외부 표면을 통해, 우수한 고체 열 흐름 경로를 또한 제공하고; 따라서, 매우 양호한 열 전달 전도 통로가 외부 표면으로 용이하게 되고, 여기서 핵분열의 열은 도 7에 도시된 바와 같이, 흐르는 헬륨 냉각수 스트림에 전달된다. 밀봉 층 내의 탄소의 양은 사용될 초과 탄소의 최종 양을 결정하는데 기여하도록 고려될 수 있다.
핵분열하는 연료에 의해 생성된 모든 열은, 연료 플레이트를 통한 열 전도를 경유하고, SiC 클래드 및 인접 구조물을 경유하여, 헬륨 냉각수 안으로 들어가, 원자로 코어로부터 제거되어야 한다. 핵분열성 물질의 할당은, 임계값을 유지하는 코어에 대한 능력, 잠재적인 피해시에 최대 온도를 제한할 수 있는 요구사항, 및 원하는 수명에 대한 작동 코어의 활성 부분을 유지시키기 위한 초기 핵분열성 섹션에 대한 요구사항과 같은, 일련의 복잡한 제한 사항에 의해 결정된다. 핵연료원료 물질은 전체의 기능적 요구사항을 얻기 위해 나머지 연료 영역에서 사용된다. 핵연료원료 및 핵분열성 연료의 섬세한 균형은 원자로가 여러 세대를 지원할 수 있게 하여, 비교적 높은 연료 농도를 활용하고, 핵연료원료로서 DU 또는 사용된 핵 연료를 사용하게 한다.
핵분열성 생성물 가스는 핵분열 과정을 통해 만들어지고, 이런 신규하고, 수명이 긴 코어를 보장하고, 연료 요소는 이런 휘발성 핵분열성 생성물의 제거를 허용하도록 설계된다. 핵분열성 생성물 가스 배출 및 제거의 결합은 잠재적인 오버 가압 상태를 방지할 뿐만 아니라, 코어 내에 남아있는 경우 전반적인 작동 효율성, 예를 들어 반응성을 떨어트릴 수 있는 화학적 요소를 제거한다.
고체 핵분열 생성물을 수용하기 위해, 소결된 연료 체의 비질량편차 (packing fraction)는 원자로 코어의 설계에 있어 신중히 제어된다. 비질량편차는 연료 요소 컨테이너 내에서 사용 가능한 공간으로 나누어진 연료로 채워진 공간의 비율로 정의 할 수 있고, 그것은 볼륨 %로 표시할 수 있다. 비질량편차 상한은, 충분히 상호연결된 다공성을 유지하면서, 핵분열 동안 하나의 우라늄 원자가 두 개의 핵분열 생성물로 전환됨에 따라 필요한 추가 공간을 위한 충분한 볼륨을 제공하도록 설정되어, 휘발성 핵분열성 생성물이 연료 요소의 전체 수명 동안 핵분열성 생성물 가스 수집 시스템으로 항시 이동할 수 있게 한다. 비질량편차 하한은 사용 가능한 공간 내에서 충분한 탄소를 포함하면서 원자로 코어 내의 핵분열성 및 핵연료원료 물질을 최대화하고, 양호한 열 전도성을 보장하도록 설정된다. 이러한 목적을 달성하기 위해, 비질량편차 또는 패킹 밀도 (packing density)는 50 % 내지 80 %, 바람직하게는 60% 내지 80 % 사이에 있는 것이 발견된다. 반대로, 적어도 약 20% 의 상호연결된 다공성, 및 약 60 %의 패킹 밀도에서, 소결체에 약 40 %의 공극 공간이 있게 될 것이다.
도 1-3에서 원자로가 원통형 코어를 갖게 도시되었지만, 이 같은 기하학적 배열이나 어떤 종류의 기하학적 배열에는 어떠한 제한도 전혀 의도되지 않음을 이해하여야한다. 이러한 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 모듈은 적당하게 원자로 코어와 원자로 냉각수 시스템을 포함한다. 각각의 이런 원자로 모듈은 원자로 냉각수 시스템을 통해 적어도 하나의 열 변환기에 유체 연통으로 작동가능하게 연결된다. 이런 원자로 모듈은 그 자체로서 각각 완전한 독립형의 원자로로서 간주될 수 있고, 또는 여러 개의 원자로 모듈이 함께 연결될 수 있다. 필요하다면, 이렇게 연결된 모듈은 공통 에너지 변환 시스템으로 사용될 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이, 핵분열성 폐기물 변환 원자로 모듈은 열 에너지 수준으로 둔화되지 않은 중성자를 사용한다. 이를 위해, 이러한 모듈형 원자로 코어의 적어도 한 부분이 전환 섹션 또는 섹션들의 일부로서 핵연료원료 원료 물질을 포함한다. 이런 원자로의 초기 시동에 따라, 코어 핵분열성 섹션 또는 섹션들(22)은 코어 변환 섹션 또는 섹션들(23)에 초과 중성자를 제공한다. 그리고 코어 변환 섹션(23)은 핵분열성 핵종의 상당 부분을 포함하는 연료로 천천히 변환되어 코어의 핵분열 전력의 상당 부분을 제공하게 된다,
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어는 중성자적으로(neutronically) "큰" 장치이다. 따라서, 각 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 코어는 세 가지 특성 차원이 있고, 일반적으로 그 각각은 실질적으로 핵분열을 유발하는 중성자에 대한 자유 통로 하나만을 의미하지 않는다.
각 핵분열성 원자로 폐기물 변환 모듈은 원자로 압력 용기 (5a) 및 기타 구조적 부품을 포함하는 원자로 코어 하우징을 포함한다. 코어 자체에 근접하지 않는 원자로 하우징의 일부는 제한 없이 스테인레스 스틸과 같은, 원자로 압력 용기에 사용될 수 있는 임의의 물질로 만들어질 수 있다. 원자로 코어 하우징 내에서, 중성자 리플렉터(8, 9, 18, 19)와 방사선 실드(21)는 일반적으로 원자로 코어를 둘러싸고 있다. 일부 실시예에서, 원자로 압력 용기는 지하에 위치할 수 있고, 예로서, 원자로 코어 하우징은 주 냉각수 시스템이 누설될 경우 압력 유지 용기로서의 기능을 할 수 있는 케이슨(caisson)에 존재할 수 있다, 내부 리플렉터(18)의 리세스 (recess)에 위치되는 직원기둥 (right circular cylinder ) 제어 드럼(5d)이 원자로 제어에 사용될 수 있으며, 예를 들어, 선형 제어 로드인 다른 공지된 제어 장치가 대안적으로 사용될 수 있다. 12개의 회전가능한 드럼이 도 3에 도시되어 있고, 다른 수효의 드럼이 사용될 수 있다. 제어 드럼은 보통 코어를 향하는 BeO와 함께, 예를 들어, BeO와 흑연 사이에서 분리된 두 개의 반 원통형 반부(two semi-cylindrical halves)로 만들어질 수 있다. 중성자 독성 층 또는 스트립은 일반적으로 코어와 떨어져 위치된 흑연 반부 표면에 부착될 것이다. 제어는 독성 층을 코어에 밀착하게 이동시키는 드럼의 회전으로 얻어진다. 다양한 제어 독극물이 B4C, Gd203, Eu2O3, Er203 및 Hf02를 포함하여 사용될 수 있다. 코어는 비교적 큰 중성자 누출을 갖게 되고, 제어 드럼(5d)은, 독성 층이 코어에서 떨어져 회전하여도, 일부 부정적인 반응 영향을 갖게 된다. 완전히 농축된 B4C 가 선호되고 있으며, 180℃에서 약 1cm 두께의 B4C 층이 약 30 cm 직경의 드럼 표면의 1/2 을 코팅하는데 사용될 수 있다.
원자로 코어는 그 안의 원자로 유체 흐름에 대한 저항을 줄일 수 있도록 실질적으로 수직으로 정렬되는 냉각수 채널을 포함한다. 실질적으로 수직하는 냉각수 채널의 사용은 또한 자연적인 순환 적용에서 열적 구동 헤드의 감소를 완화하는 데 도움이 될 수 있다. 냉각수 채널은 원자로 코어 하우징에서 하부 유입 플레넘(plenum)(7) 및 상부 배출 플레넘(10)과 협력하여 유체 연통으로 연결된다. 원자로 냉각수 시스템의 크로스-덕트(5)의 콜드 레그 파이핑(cold leg piping)(6)과 같은, 원자로 냉각수 시스템의 적어도 일 부분은 유입 플레넘에 연결된다. 원자로 냉각수 시스템의 핫 레그 파이핑(hot leg piping)(11)과 같은, 원자로 냉각수 시스템의 일 부분은 배출 플레넘에 연결된다.
원자로 냉각수가 헬륨(He) 가스 일 때, 콜드 레그 파이핑은 핵 급 강철(nuclear grade steel)로 만들어질 수 있다. 핫 레그 파이핑(11)은 고온 강철, 내화물 금속, 또는 파인 세라믹(advanced ceramics) 복합 재료로 만들어질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 핫 레그 플레넘은 증기 발생기와 같은, 열교환기 또는 변환기(4)의 입구에 대한 출구 통로에 연결되거나, 또는 여러 곳에 연결된다. 콜드 레그 플레넘(6)은 열 변환기 각각의 배출 포트로부터 냉각 유체를 받고 이것을 다시 코어에 되돌리도록 연결된다.
열 변환기(4)는 가스-구동 전기 터빈 발전기와 같은, 유체-구동 전기 터빈 발전기일 수 있고, 또는 증기 발생기와 증기-구동 전기 터빈 발전기의 조합 일 수 있다. 다른 열 교환기가 또한 사용될 수 있다. 열 변환기는 제한하도록 의도되지 않고, 임의의 종류의 열 변환기를 포함할 수 있다. 또한, 특정 적용에 필요한 임의의 수효의 열 변환기가 사용될 수 있음을 인식할 수 있다. 이를 위해, 열 변환기의 수효는, 여러 장치가 사용될 때, 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 모듈의 수와 동일 할 필요는 없다.
일부 실시예에서, 원자로 냉각수 시스템은, 강제 순환이 사용되지 않을 때, 유일한 목적이 코어의 열을 제거하기 위한 경우에, 원자로 냉각수의 자연 순환을 위해 제공될 수 있다. 이러한 적용에서, 열 변환기는 특정 적용에 필요할 때, 열적 구동 헤드를 생성하기에 충분하게 수직 분리되어 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 위에 물리적으로 위치한다. 다른 실시예들에서, 원자로 냉각수 시스템은 강제 순환식 시스템일 수 있고, 여기서, 적절한 원자로 냉각수 서큘레이터(circulators) 또는 기타 유사한 장치가 원하는 대로 원자로 냉각수 파이핑 시스템 내에 포함된다,
모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로와 관련된 설명 방법
플로우 차트인 도 12는 특정 프로세스 및 작동의 구현을 나타낸다. 본 발명에 지식을 가진자는 여기서 사용된 프리젠테이션의 스타일(예를 들어 전체적인 모습을 나타내는 플로우 차트의 프리젠테이션으로 시작하고 이후 후속 플로우차트에서 추가 및/또는 자세한 내용을 제공한다)이 여러 공정의 구현을 신속하고 쉽게 이해하게 된다는 것을 인식하게 될 것이다.
도 12를 참조하면, Th, U, 고등 악티늄원소( higher actinides) 및/또는 초우라늄(transuranics)과 같은, 핵 중금속이 초기 핵분열성 및 변환 섹션 모두에 필요하다. 1 세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에 있어서, 초기 핵분열성 연료 중금속은 LEU 일 수 있다. 이 연료는 화학적으로 탄화물로 변환되어, 클래드 핵분열성 연료 요소(12)로 소결 및 제조된다.
1 세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로는 예를 들어, DU 인 핵연료원료 물질을 포함하고, 사용된 핵 연료가 사용되면, 추가 단계에서 기존의 클래딩을 제거하고 후속 처리를 위해 필요한 연료를 준비한다. 이 단계는 휘발성 핵분열성 생성물을 배출할 수 있으나, 다른 중금속을 분리하지 못하고 고체 핵분열 생성물을 거의 제거할 수 없다. 그러나, 원하는 경우, 일부 핵분열성 생성물은 분리될 수 있다. 이 핵연료원료 연료는 또한 탄화물로 변환하고, 클래드 핵연료원료 연료 요소로 소결 제조된다.
1 세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로 연료/클래드/구조물은 도 12에 도시된 구조의 일부로서 제 1 세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에 삽입된다. 1 세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 작동은 에너지를 생산하고, 적어도 자주, 바람직하게는 지속적으로, 휘발성 핵분열성 생성물은 코어에서 제거된다.
20년 이상의 작동 수명 후에, 클래딩된 연료와 연료 요소 구조물은 1 세대 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로에서 제거된다. 핵분열성 생성물 부식에 대한 대기 기간은 이후 단계에서 방사능 수치를 줄이기 위해 활용될 수 있다. 구조물과 클래딩은 연료 요소로부터 제거되어 폐기되고, 나머지 재료는 중금속(핵연료원료 및 핵분열성) 및 고체 핵분열 생성물로 구성된다. 이 물질은 고체 핵분열 생성물의 중요한 일부를 제거하도록 처리되지만 이러한 처리는 보통 중금속의 효과적인 요소적 분리나, 사용된 연료 물질의 농도를 변경시키지는 않는다.
도 12는 중금속/부분적 고체 핵분열 생성물 물질이 다음 세대의 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 초기 핵분열성 코어 소재가 되는 방법을 보여준다. 1 및 2 세대 모듈형 원자로 코어에 사용되는 핵연료원료 물질의 양은 약간 다를 수 있고, 그러나, 몇 세대가 지난 후, 이 프로세스는 안정한 상태에 도달하여 물질의 부피와 조성이 원자로 코어의 세대 사이에서 상당하게 변경되지는 않는다. 이러한 모듈형 원자로 코어의 1세대 코어의 작동 수명 후에, 일부 깨끗한 핵연료원료 물질( 일반적으로, DU 또는 사용된 핵 연료와 같은 핵 폐기물 )이 후속 코어를 위해 공급되고, 작동 수명 동안 제거된 휘발성 핵분열성 생성물 및 사용된 연료 요소로부터 분리된 핵분열성 생성물이 제거된다.
원자로 코어 실시예 설명
사용할 수 있는 원자로 코어의 물리적 배열의 하나의 실시예가 여러 도면에 도시되어있다. 원자로 코어는 연료 어셈블리, 리플렉터 요소, 중성자 실드, 시작 중성자 소스 및 반응성 제어 부품을 포함하고, 이들 모두는 코어 바렐(21a) 내에 위치하고 있으며 코어 지지 구조체 (5c)에 의해 지지된다. 활성 코어는 직사각형, 세라믹, 연료 요소 홀더(13)의 어셈블리가 제공될 수 있고, 이들 각각은 내부 수직 벽 표면에 전체 길이의 채널 또는 홈을 포함하고, 내부 수직 벽 표면에는 평면 연료 요소(12)가 서로 균일하게 이격되어 활주식으로 설치되어, 헬륨 냉각수 흐름의 수직 채널을 제공한다. 기술된 활성 코어의 실시예는 21개의 병렬 연료 컬럼을 포함한다.{층화 코어(stratified core)의 핵분열성 섹션을 도시하는 활성 코어 중심 면 주변의 원자로 코어의 단면을 도시하는 도 3과 9를 참조 }
평면 연료 요소를 사용하는 예시적인 코어는 적층된 층 또는 배열 형태인 17개의 수평 영역을 포함할 수 있고, 도시된 실시 예에서 각 배열은 21개의 연료 요소 어셈블리(13)를 포함하고, 여기서 48개의 평면인 수직하게 정렬된 연료 요소 (12)가 도 6에 도시된 바와 같이, 2열로 둘러싸는 직사각형의 개방된 박스 또는 홀더(13a)로서 도시된다. 이 구조는 핵분열성 연료 요소와 핵연료원료 연료 요소의 어셈블리(13)와 동일하고; 더욱이, 유사한 구조가 상부 및 하부 리플렉터를 제공하는 데 편리하게 사용된다. 개별 연료 요소(12)는 홀더(13a)를 구성하는 구조 재료의 측벽의 중앙 분배기 내의 절단된 채널 또는 홈에 활주식으로 수용되고, 이 홀더는 바람직하게는 탄화 규소 복합 재료이다. 앞에서 언급한 바와 같이, 설치된 연료 요소(12)는 박막의 녹색 SiC 페이스트(paste)를 사용하여 주변의 프레임에 적당하게 고정 또는 부착될 수 있고, 연료 요소 클래딩을 주변 홀더에 있는 홈의 표면에 부착하기 위해 가열된다. 일반적인 연료 요소의 어셈블리(13)는 약 43 센티미터 제곱이어야 하며 약 16cm의 높이를 갖는다. 상부 및 바닥이 개방된 도시된 홀더(13a)는 냉각수 흐름 채널을 제공하기 위해 약 3mm로 이격된 연료 요소와, 24개의 두 그룹으로 지지되는 48개의 연료 요소를 포함하도록 설계된다.
따라서, 예시적인 코어의 한 실시예에서, 약 2.72 미터의 높이를 가진 활성 코어 영역을 제공하는 17개의 각 수평층에 평방 단면의 21개의 연료 요소 어셈블리(13)가 있게 된다. 이 코어 실시예는, 수직 순서대로, 상부 변환 섹션을 제공하는 4개의 층, 상부 초기 핵분열성 섹션을 제공하는 3개의 층, 중앙 변환 섹션을 제공하는 3개의 층, 하부 초기 핵분열성 섹션을 제공하는 3개의 층, 및 하부 변환 섹션을 제공하는 4개의 층을 포함한다. 상부 및 하부 초기 핵분열성 섹션 수평 영역을 구성하는 여섯 개의 층은, 핵연료원료 연료 요소만을 포함하는 하나의 중앙 박스를 둘러싼 핵분열성 연료 요소로 완전히 채워진 8 평방 박스의 형태인 핵분열성 연료 요소의 환형 패턴 또는 영역을 각각 포함한다. 21열 코어 장치의 중앙에 9 개의 박스 평방 영역의 주변으로 위치한 12개의 나머지 박스는,도 3과 9에 도시된 바와 같이, 각각 각 박스의 바깥쪽 반부에 방사상으로 위치한 핵연료원료 연료 요소와 함께, 2분의 1의 핵분열성 연료 요소와, 2분의 1의 핵연료원료 연료 요소를 포함한다. 따라서, 두 개의 초기 핵분열성 연료 섹션(22)을 구성하는 6개의 수평 어레이의 각 핵분열성 연료 영역은, 각각 도 3에서 검은 테두리로 경계진 환형 영역 내에 위치한 672개의 핵분열성 연료 요소의 패턴을 포함한다. 이것은 48개의 핵연료원료 연료 요소를 포함하는 하나의 중앙 홀더를 둘러싼 어레이 내의 일반적인 환상 패턴을 도시한다. 방사상으로 가장 바깥쪽의 12개의 연료 어셈블리는 각 수평 배열에 총 336개의 핵연료원료 연료 요소에 대하여, 방사상 외부 반부에 288개의 핵연료원료 연료 요소를 포함한다. 변환 섹션(23)을 포함하는 11개의 층은 전체적으로 핵연료원료 연료 요소의 21개의 어셈블리, 즉 각 어레이에 1008개의 연료 요소를 각각 포함한다. 도 9에 잘 도시되어 있는 바와 같이, 박스들의 방향은 어긋나게 되어, 한 층에서의 각 박스에 평면 연료 요소(12)가 임의의 박스에서 임의의 네 가지 방향으로 바로 나란하게 연료 요소(12)에 대해 90도로 정렬한다.
활성 코어 영역의 상하에 리플렉터 영역들이 수직으로 위치하고, 이것은 도 2에 개략적으로 도시되고, 도면 부호(8) 과 (9)로 표시되어 있다. 이 두개의 상부 및 하부 리플렉터 영역들은 핵연료원료 및 핵분열성 연료 요소와 유사한 형태의 흑연 소재의 평면 플레이트의 어레이로 편리하게 만들어지고 유사한 세라믹 홀더에 배치된다. 이 배열은 하부 리플렉터(8), 활성 코어(2), 및 상부 리플렉터(9)를 통해, 상부를 향하는 헬륨 냉각수 흐름에 대한 지속적인 수직 채널을 만든다. 인접한 컬럼에서 평면 연료 요소 방향의 어긋나는 배열은 코어를 횡단하는 냉각수의 불규칙한 분포를 유발할 수 있는 잠재적인 스트리밍을 보호한다.
여기서 기술된 모듈형 핵분열성 폐기물 변환 원자로의 실시예의 배열 및 형상에서, 코어들과 그 부품들은 어떠한 형상 및/또는 배열에 제한하기 위한 것이 아님을 이해하여야 한다. 설명된 부품들(예 : 블록), 장치 및 물체와, 이들을 포함하는 기술설명은 개념적 명확성을 위해서 예로서 사용되었고, 다양한 형상의 변형이 허용된다.
따라서, 여기서 사용된 바와 같이, 명시된 특정 예들과 논의된 사항들은 더 일반적인 클래스를 대표하기 위한 것이다. 일반적으로, 여기에서의 특정 예들의 사용은 그 클래스를 대표하기 위한 것이고, 이러한 특정 부품(예 : 블록), 장치 및 물체의 배제(non-inclusion)는 제한을 필요로 한다는 의미가 아니다.
이미 나타낸 바와 같이, 소결된 탄화물 연료 체를 포함하는 연료 요소는 다양한 형태를 취할 수 있다. 도 5 와 6에서 도시된 평면 플레이트 모양 대신, 연료 요소는 도 16A에 도시된 바와 같이, 가늘고 긴 연료봉(51)의 형태를 취할 수 있다. 이런 연료봉 요소는 커버의 중심에 위치한 배출구(57)를 운반하는 평면 커버(55)를 갖는 관형 탄화 규소 소재 컨테이너(53)를 포함할 수 있다. 이 배출구는 연료봉 요소의 상부나 바닥에 위치할 수 있다. 이러한 가늘고 긴 원통형 관(53)은 각각의 소결된 연료 콤팩트의 컬럼을 유지하고, 이 연료 콤팩트는 몇 센티미터의 직경과 몇 센티미터의 높이인 소결 탄화물 연료의 짧은 실린더일 수 있다. 각각의 연료 체(59)는 둘러싸는 탄화 규소 컨테이너(53)의 측벽에 연료 물질로부터 양호한 열 전달을 보장하기 위해, 우라늄 모노탄화물 등의 부드러운 층(61)으로 그 측면 표면이 코팅될 수 있다. 이러한 봉-형 연료 요소(51)에서 연료 체(59)에 대한 컨테이너 역할을 하는 가늘고 긴 튜브(53)가 독립적으로 제조될 수 있기 때문에, 연료는 잠재적으로 증기 분위기로부터 베타 탄화 규소의 기상 증착에 노출되지 않아, 소결 연료가 열분해탄소 밀봉 층을 필요로 하지 않는다.
이들 연료봉 요소(51)는 원자로 코어의 전체 높이만큼 연장할 수 있다는 것이 고려된다. 이 경우, 각 관형 컨테이너(53)는 핵분열성 및/또는 핵연료원료 탄화물 핵종의 적절한 소결 콤팩트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 두 개의 이격된 초기 핵분열성 섹션(22)의 환상 패턴의 영역을 통해 통과하는 원자로 코어의 수직 컬럼에 위치된 로드-형 연료 요소(51)는 핵연료원료 핵종체로 만들어진 하부 영역을 포함할 수 있다. 그 위에는 핵분열성 핵종을 포함하는 하부 중간 영역이 배치되고, 이것은 코어의 하부 초기 핵분열성 섹션에 기여한다. 핵연료원료 핵종체의 중앙 영역은 핵분열성 핵종을 포함하는 상부 중간 영역체에 의해 그 위에 위치되어 둘러싸이고, 이것은 상부 초기 핵분열성 섹션에 기여한다. 그리고 핵연료원료 연료 체의 영역은 그 위로 연장하는데, 예를 들어, 통풍구 (57)가 상부에 위치하는 커버(55)로 연장한다. 모든 원통형 연료 체 콤팩트는 초기에 기술된 팩킹 밀도가 제공되고; 선택적으로, 중앙 구멍(62)이 연료 체에 제공될 수 있어, 가늘고 긴 연료 요소의 전체 길이를 통해, 상부 또는 바닥의 통풍구(57)를 향해 휘발성 핵분열성 생성물을 위한 통로를 보장한다.
취급을 위하여, 이들 연료 봉 요소(51)는 탄화 규소 등으로 둘러싸인 얇은 박스(63) 내에 배치된다. 도 16C에는 육각형 튜브(63) 형상의 이런 가늘고 긴 박스가 도시되어 있다. 이런 복 수개의 육각형 튜브(63)는 서로 나란한 측벽과 함께 서로 편리하게 고정될 수 있어, 수직 원자로 코어(2)를 형성한다. 대안적으로, 정사각형 박스나 다른 일정한 모양의 박스가 또한 사용될 수 있다. 연료 봉 요소 (51)는 도 16C 와 16D에 도시된 바와 같이, 둘러싸는 박스 또는 프레임(63) 내에 밀집하여 있을 수 있다. 예를 들어, 오픈 메쉬(65)가 육각형 튜브(63)의 상부 표면 또는 바닥 표면에 고정될 수 있어, 연료 봉 요소(51)의 일정한 공간에 도움이 되고, 각 요소들의 전체 표면을 냉각수 채널이 둘러싸 그로부터 균일한 열 전달을 보장한다. 헤더 시스템(도시 없음)은 예를 들어, 육각형 박스(63) 내에 배치된 91개의 독립적인 연료봉 요소(51)인, 통풍구(57)를 서로 연결하는 데 유사하게 사용된다. 각 육각형 박스의 상부 또는 바닥으로부터 이런 헤더는 앞에 기술된 바와 같이 피이핑에 연결되어, 핵분열성 생성물의 분리를 용이하게 한다. 가능하면, 연료 요소(51)는 상부 및 하부 원자로 섹션을 포함하도록 더욱 가늘고 길게 할 수 있다. 그러나, 리플렉터 소재가 핵분열성 생성물을 발생시키는 점을 고려하면, 리플렉터 소재의 유사한 연료봉 박스들이 원자로 코어 영역의 위 아래에 위치되도록 제공하여, 이들 영역을 통해 연료와 냉각수 채널 형태의 패턴을 간단히 지속하게 하는 방법이 있다.
현재 발명자가 알고 있는 최적의 모드를 구성하는 다양한 측면과 실시예들이 여기서 기술되었지만, 다른 측면과 실시예들이 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람들에게 명백할 것이고, 기타 변경 사항이 본 발명으로부터 벗어남 없이 행해질 수 있다, 특정한 특징들이 다음 청구 범위에 강조되어 있다.
12 : 연료 요소 18 : 내부 리플렉터 어셈블리
30 : 헤더 32 : 필터
33 : 분리기 34 : 핵분열성 생성물 저장 시스템
48 : 매니폴드

Claims (22)

  1. 급유 없이 십 년 또는 더 오래 작동하도록 설계된 핵분열성 원자로로서,
    상기 원자로는;
    원자로 용기와,
    코어에서 핵분열성 반응을 통해 열을 만들기 위해 상기 원자로 용기 내에 있는 중앙 코어로서, 상기 코어는 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션들 및 인접한 변환 섹션들을 포함하고, 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션들은 중앙 코어의 수명을 통해 임계적 코어 영역의 활성, 통합 부분을 유지하는, 중앙 코어와,
    상기 원자로 용기 내 외로의 헬륨의 순환에 의해 상기 코어로부터 열을 추출하여 코어의 온도를 약 700 ℃ 내지 1000 ℃ 로 유지하고 상기 원자로 용기 외부의 가열된 헬륨으로부터 전력을 발생시키는 헬륨 순환 시스템으로서, 상기 코어의 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션은 탄화 규소 컨테이너 형태인 연료 요소를 포함하며, 상기 탄화 규소 컨테이너는 핵분열성 및 핵연료원료 핵종 탄화물(carbide fissile and fertile nuclides)을 포함하는 소결된 연료 체(sinterd fuel bodies)가 들어있는, 헬륨 순환 시스템, 및
    정상 작동중에 상기 연료 요소로부터 휘발성 핵분열성 생성물을 인출하기 위한 시스템을 포함하는, 핵분열성 원자로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션들은 상기 핵분열성 연료 체의 일반적으로 환형인 영역을 포함하는 두 개의 이격된 수평 영역들을 포함하고, 상기 인접한 변환 섹션들은 상기 핵분열성 연료 체를 포함하는 상기 두 개의 수평 영역들 위와 사이, 그리고 아래에 위치된 핵연료원료 연료 체의 수평 영역들을 포함하는, 핵분열성 원자로.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 코어는 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션들을 포함하는 각 수평 영역들에서 상기 핵분열성 연료 체의 일반적으로 환형인 영역들의 중심과 주변에 위치된 핵연료원료 연료 체를 더 포함하는, 핵분열성 원자로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션들과 상기 인접한 변환 섹션들을 포함하는 상기 수평 영역들은 복 수개의 연료 요소 어셈블리를 포함하고, 각 어셈블리는 그 안에 배열된 다수의 연료 요소를 갖는 홀더를 포함하고, 상기 연료 요소는 상기 소결된 연료 체를 포함하고 상기 연료 요소에 인접한 통로에서 상기 어셈블리를 통해 수직으로 흐르는 헬륨 냉각수 흐름이 원활하도록 상기 코어 내에 배치되는, 핵분열성 원자로.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 변환 섹션들과 상기 초기 핵분열성 섹션에 수직으로 정렬된 연료 요소의 상기 어셈블리는 상기 중앙 코어를 통해 연장하는 복 수개의 나란한 수직 컬럼을 형성하도록 배치되는, 핵분열성 원자로.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 각 홀더 내의 상기 복 수개의 연료 요소는 그 안의 상기 연료 요소로부터의 복합 스트림인 휘발성 핵분열성 생성물의 철수를 용이하게 하는 공통 커넥터에 대한 매니폴드인, 핵분열성 원자로.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 어셈블리는 탄화 규소 클래딩으로 형성된 컨테이너 형태인 복 수개의 핵분열성 및/또는 핵연료원료 연료 요소를 각각 포함하고, 상기 탄화 규소 클래딩은 소결된 탄화물 핵분열성 및/또는 핵연료원료 핵종을 포함하는 평면 플레이트 형태의 내부 연료 영역을 포함하는, 핵분열성 원자로.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 중앙 코어는 직원기둥(right circular cylinder )의 외부 표면을 갖는 둘러싸는 리플렉터 영역을 제공하기 위해 복 수개의 BeO 또는 Be 2 C 리플렉터 소재의 블록으로 둘러싸이는, 핵분열성 원자로.
  9. 제 8 항에 있어서, 수직 정렬된 직원기둥 제어 드럼 형태인 코어 반응성 제어 기구가 상기 코어 내의 중성자 집단을 제어하기 위해 상기 리플렉터 영역 내의 리세스에 배치되는, 핵분열성 원자로.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 리플렉터 영역은 환형의 흑연 외부 리플렉터에 의해 둘러싸이고, 상기 흑연 외부 리플렉터는 중성자 포획 물질을 포함하는 환형 중성자 실드에 의해 둘러싸이고, 상기 중성자 포획 물질은 그사이에 냉각수 흐름 통로를 제공하기 위해 상기 원자로 용기의 내부 표면으로부터 이격된 관형 코어 바렐과 나란하게 위치하는, 핵분열성 원자로.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 연료 요소 내의 소결된 탄화물 연료는 비휘발성 핵분열성 생성물의 축적을 위한 공간을 제공하기 위해 약 50 내지 80 볼륨 %의 충전 밀도(packing density)로 상기 각 컨테이너의 내부를 점유하고, 휘발성 핵분열성 생성물의 이동 및 배출을 위해 충분하게 상호연결된 다공성을 보장하는, 핵분열성 원자로.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 연료 요소는 핵분열성 생성물과의 잠재적인 화학 반응을 위한 탄소를 제공하기 위해 이전 연료 체 영역에 적어도 약 5%의 초과 탄소를 포함하는 소결된 니어-모노탄화물(near-monocarbides)을 포함하는, 핵분열성 원자로.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 초기 핵분열성 연료 체는 약 4% 내지 18% 사이로 농축된 UC 1 .05 - UC 1.3 을 포함하는, 핵분열성 원자로.
  14. 급유 없이 십 년 또는 더 오래 작동하도록 설계된 핵분열성 폐기물 변환 원자로로서,
    상기 원자로는;
    원자로 용기와,
    코어에서 핵분열성 반응을 통해 열을 만들기 위해 상기 원자로 용기 내에 있는 중앙 코어로서, 상기 코어는 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션 및 인접한 변환 섹션을 포함하고, 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션은 원자로의 수명을 통해 임계적 중앙 코어의 일 부분을 유지하는, 중앙 코어와,
    상기 원자로 용기 내 외로의 헬륨의 순환에 의해 상기 코어로부터 열을 추출하여 코어의 온도를 약 700 ℃ 내지 1000 ℃ 로 유지하고 상기 원자로 용기 외부의 가열된 헬륨으로부터 전력을 발생시키는 헬륨 순환 시스템으로서, 상기 코어는 탄화 규소 컨테이너 형태인 복수의 연료 요소를 포함하며, 상기 탄화 규소 컨테이너는 핵분열성 및 핵연료원료 핵종 탄화물을 포함하는 소결된 연료 체가 들어있는, 헬륨 순환 시스템, 및
    정상 작동중에 상기 복수의 연료 요소로부터의 휘발성 핵분열성 생성물을 인출하기 위한 시스템을 포함하는, 핵분열성 폐기물 변환 원자로.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 하나 이상의 초기 핵분열성 섹션들은 상기 핵분열성 연료 체의 일반적으로 환형인 패턴에 배치된 복 수개의 소결된 핵분열성 연료 체를 각각 포함하는 두 개의 이격된 수평 영역들을 포함하는, 핵분열성 폐기물 변환 원자로.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 핵연료원료의 추가 소결 연료 체가 상기 일반적으로 환형인 패턴의 중앙과 그 외부 주변부의 주위에 위치된, 상기 두 개의 핵분열성 섹션들의 수평 영역에 포함되는, 핵분열성 폐기물 변환 원자로.
  17. 급유 없이 십 년 또는 더 오래 작동하도록 설계된 핵분열성 원자로로서,
    상기 원자로는;
    (1) 원자로 용기와,
    (2) 핵분열성 반응을 통해 열을 만들기 위해 상기 원자로 용기 내에 있는 중앙 코어로서, 상기 코어는 (a) 두 개의 수직하게 이격된 수평 영역에 위치하고, 각 수평 영역은 소결된 핵분열성 탄화물 연료 체의 일반적으로 환상 영역을 포함하는, 두 개의 초기 핵분열성 섹션과, (b) 소결된 핵분열성 연료 체를 포함하는 수평 영역을 포함하고, 상기 수평 영역은 상기 두 개의 초기 핵분열성 섹션을 포함하는 두 개의 수평 영역 사이 위와 아래에 위치되는, 복 수개의 변환 섹션을 포함하고, 상기 두 개의 초기 핵분열성 섹션은 중앙 코어의 수명을 통해 임계적 코어 영역의 활성, 통합 부분을 유지하는, 중앙 코어와,
    (3) 상기 원자로 용기 내 외로의 헬륨의 순환에 의해 상기 코어로부터 열을 추출하여 코어의 온도를 약 700 ℃ 내지 1000 ℃ 로 유지하고 상기 원자로 용기 외부의 가열된 헬륨으로부터 전력을 발생시키는 헬륨 순환 시스템, 및
    (4) 정상 작동중에 상기 연료 요소로부터의 휘발성 핵분열성 생성물을 인출하기 위한 시스템을 포함하는, 핵분열성 원자로.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 코어는 상기 두 개의 초기 핵분열성 수평 영역에 추가 소결된 핵분열성 연료 체를 더 포함하고, 상기 추가 소결된 핵분열성 연료 체는 상기 핵분열성 연료 체의 일반적으로 환형인 영역 내의 중심과 주변에 위치되는, 핵분열성 원자로.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 코어 내에 존재하는 물질들은, 상기 코어 내의 대부분의 핵분열성 반응이 아직 열 에너지 수준으로 둔화되지 않은 중성자를 사용하여 발생하도록 선택되는,
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 초기 코어 내의 소결된 연료 체에서 핵분열성 및 핵연료원료의 양은, 기본적으로 10년간의 지속적인 작동 후에, 에너지의 대부분이 핵분열성 핵종인 초기 원자로 코어에 존재하고 차후에 핵분열성 핵종으로 변환되는, 핵종의 핵분열로부터 발생되는, 핵분열성 원자로.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 중앙 코어 내에 핵 연료를 포함하는 상기 탄화 규소 연료 요소 컨테이너는 상기 중앙 코어를 전체적으로 높은 영향력 레벨에서 작동하도록 700 내지 1000 ℃ 의 온도 범위 내에서 어닐링 방사선 감응 이동 능력을 갖는, 핵분열성 원자로.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 연료 요소는 기상 증착된 β-SiC 를 함유한 직조된 탄화 규소 소재를 포함하는, 핵분열성 원자로.
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