KR20130136533A - 원자로 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

원자로 제어 방법 및 장치
원자로를 제어하는 방법이 제공된다. 본 방법은 원자로의 코어 내에 감속재 존을 제공하는 단계, 감속재 존에 연료를 제공하는 단계, 및 연료 부근에, 각각 캐비티를 가진, 하나 이상의 하우징을 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 하나 이상의 하우징의 하부에서 하나 이상의 하우징의 캐비티와 감속재 존 사이의 감속재 이동을 허용하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 하나 이상의 하우징의 상부에서 하나 이상의 하우징의 캐비티 내로 감속재를 가두는 단계를 포함한다.

Description

원자로 제어 방법 및 장치{NUCLEAR REACTOR CONTROL METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 원자로 제어 방법 및 장치에 관한 것이고, 더욱 상세하게는 액체 감속형(liquid moderated) 원자로의 제어 방법 및 제어 장치에 관한 것이다.
종래의 원자로 제어 시스템을 사용하는 원자로는 몇가지 결점을 가진다. 종래의 제어 시스템을 사용하는 원자로는 원자로 코어 내의 중성자 흡수재의 양에 대한 일정한 조절을 사용하고, 그들이 과도한 양의 중성자를 흡수하기 때문에 감소된 전환비율(conversion ratio)을 가진다. 또한, 종래의 제어 시스템을 사용하는 원자로는 비교적 큰 범위의 반응성 제어를 가지지 못하여서 비교적 좁은 범위의 핵분열성 함유물을 가진 연료를 사용한다. 또한, 종래의 제어 시스템을 사용하는 원자로는 빈번하게 연료가 보충되고 연료에서 높은 퍼센트의 잠재적 에너지를 캡처하지 않으며 발생 전력(KWH)당 비교적 많은 양의 방사성 폐기물을 남긴다.
캐나다형 중수로(CANDU: Canadian Deuterium Uranium reactor)의 제어 방법은 일부 이러한 문제점을 다루고자 하였다. 그러나, CANDU로는 과도한 양의 중성자를 흡수하는 조절봉(adjuster rod)을 사용하였기 때문에 종래의 기술의 결점을 적절하게 극복한 제어 시스템을 제공하지 못했다.
본 발명은 당 분야의 상기 나열된 하나 이상의 단점 및 다른 결점을 극복하고자 한다.
하나의 형태에 따라, 본 발명은 원자로를 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 원자로의 코어 내에 감속재(moderator) 존을 제공하는 단계, 감속재 존 내에 연료를 제공하는 단계, 및 연료 부근에 각각 하나의 캐비티를 가지는 하나 이상의 하우징을 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 하나 이상의 하우징의 하단부에 있는 하나 이상의 하우징의 캐비티와 감속재 존 사이에서 감속재의 이동을 허용하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 하나 이상의 하우징의 상단부에 있는 하나 이상의 하우징의 캐비티 내에 감속재를 가두는 단계를 포함한다.
다른 형태에 따라, 본 발명은 원자로 코어에 관한 것이다. 이 원자로 코어는 감속재 존, 감속재 존 내에 배치된 연료, 및 연료와 인접하게 배치된 하나 이상의 하우징을 포함하고, 각각의 하우징은 하나의 캐비티를 가진다. 각각의 하우징의 하단부는 감속재 존과 캐비티 사이에서의 감속재 이동에 대하여 개방되어 있고, 각각의 하우징의 상단부는 감속재 존과 캐비티 사이의 감속재 이동에 대하여 폐쇄되어 있다.
도 1은 하나의 예시적인 개시된 원자로 시스템의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 원자로 시스템의 제1의 예시적인 원자로의 평면도이다.
도 2a는 도 1의 원자로 시스템의 배열의 평면 축척도이다.
도 3은 도 2에 도시된 원자로의 단면 A-A을 따라 취해진 단면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 원자로의 단면 A-A을 따라 취해진 축척 단면도이다.
도 4는 원자로의 예시적인 연료 튜브 배열의 개략적인 도면이다.
도 5는 도 4의 연료 튜브 배열의 측면도이다.
도 6은 원자로의 다른 예시적인 연료 튜브 배열의 개략적인 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 원자로의 단면 B-B을 따라 취해진 단면도이다.
도 8은 원자로의 예시적인 제어 캐비티 어레이의 상세한 도면이다.
도 8a는 원자로의 예시적인 제어 캐비티 어레이의 다른 상세한 도면이다.
도 8b는 원자로의 예시적인 제어 캐비티 어레이의 다른 상세한 도면이다.
도 8c는 원자로의 예시적인 제어 캐비티 어레이의 개략적인 도면이다.
도 8d는 원자로의 예시적인 제어 캐비티 어레이의 다른 개략적인 도면이다.
도 9는 제2의 예시적인 실시예의 원자로의 단면도이다.
도 10은 도 9의 원자로의 측면도이다.
도 11은 도 9의 원자로의 예시적인 제어 캐비티 어레이의 상세한 도면이다.
도 12a는 제3의 예시적인 실시예의 원자로의 평면도이다.
도 12b는 제3의 예시적인 실시예의 원자로의 단면도이다.
도 12c는 제3의 예시적인 실시예의 원자로의 투시도이다.
도 12d는 제3의 예시적인 실시예의 원자로의 개략적인 도면이다.
도 12e는 제3의 예시적인 실시예의 원자로의 다른 개략적인 도면이다.
도 12f는 제3의 예시적인 실시예의 원자로의 다른 개략적인 도면이다.
도 12g는 제3의 예시적인 실시예의 원자로의 다른 투시도이다.
도 12h는 제4의 예시적인 실시예의 원자로의 평면도이다.
도 12i는 제4의 예시적인 실시예의 원자로의 단면도이다.
도 12j는 제4의 예시적인 실시예의 원자로의 개략적인 평면도 및 개략적인 단면도를 포함한다.
도 12k는 제4의 예시적인 실시예의 원자로의 개략적인 단면도이다.
도 12l은 제4의 예시적인 실시예의 원자로의 개략적인 평면도 및 개략적인 단면도를 포함한다.
도 12m은 제4의 예시적인 실시예의 원자로의 개략적인 평면도 및 개략적인 단면도를 포함한다.
도 12n은 제4의 예시적인 실시예의 원자로의 개략적인 단면도를 포함한다.
도 13은 예시적인 원자로 냉각 서브시스템의 개략적인 도면이다.
도 14는 원자로 냉각 서브시스템의 예시적인 통로의 단면도이다.
도 15는 도 20에 도시된 원자로 제어 서브시스템의 단면 C-C을 따라 취해진 단면도이다.
도 16은 제1의 예시적인 보조 냉각 서브시스템의 개략적인 도면이다.
도 17은 제2의 예시적인 보조 냉각 서브시스템의 개략적인 도면이다.
도 18은 도 17의 제2 보조 냉각 서브시스템의 평면도이다.
도 19는 제3의 예시적인 보조 냉각 서브시스템의 개략적인 도면이다.
도 20은 예시적인 원자로 제어 서브시스템의 개략적인 도면이다.
도 1은 원자로로부터 전력을 발생시키기 위한 하나의 예시적인 원자로 시스템(5)을 도시한다. 원자로 시스템(5)은 발전 서브시스템(10) 및 원자로(15)를 포함할 수 있다. 원자로(15)는 핵반응으로부터 발전 서브시스템(10)에 에너지를 제공할 수 있다. 원자로 시스템(5)은 또한 열교환기(20), 원자로 냉각 서브시스템(25), 및 펌프 서브시스템(30)을 포함할 수 있다. 원자로 냉각 서브시스템(25)은 원자로(15)와 열교환기(20) 사이의 열교환을 용이하게 할 수 있고, 펌프 서브시스템(30)은 원자로 냉각 서브시스템(25)을 가압할 수 있다. 원자로 시스템(5)은 또한 보조 냉각 서브시스템(35) 및 원자로 제어 서브시스템(40)을 포함할 수 있다. 보조 냉각 서브시스템(35)은 원자로(15)로부터의 추가적인 열전달을 제공할 수 있고, 원자로 제어 서브시스템(40)은 원자로(15)의 동작을 제어할 수 있다.
발전 서브시스템(10)은 하나 이상의 터빈(45), 하나 이상의 구동 어셈블리(50), 하나 이상의 발전기(55), 터빈 냉각 서브시스템(60), 및 터빈 증기 서브시스템(65)을 포함할 수 있다. 터빈(45)은 구동 어셈블리(50)를 통해 발전기(55)를 구동할 수 있다. 터빈 증기 서브시스템(65)은 물(H2O)과 수증기(H2O)를 터빈(45)과 터빈 냉각 서브시스템(60) 사이에서 전달할 수 있다.
터빈(45)은, 예컨대, 스팀 터빈과 같은 원자로와 함께 사용하기에 적합한 임의의 타입의 터빈일 수 있다. 터빈(45)은 터빈 증기 서브시스템(65)에 의해 전달된 고압의 수증기(H2O)를 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 예를 들어, 터빈(45)은 회전축 상에 설치된 복수의 엘리먼트들을 포함할 수 있다. 고압의 수증기(H2O)는 터빈(45)으로 들어가 회전축 상에 설치된 엘리먼트를 지나가고, 그로 인해 수증기(H2O)의 운동 에너지가 회전축을 회전시키도록 복수의 엘리먼트를 가압한다. 터빈(45)은 일련의 하나 이상의 고압 실린더와 그 뒤를 따르는 하나 이상의 저압 실린더를 포함할 수 있다. 각각의 실린더는 중앙 부분에서의 수증기(H2O)를 받아들이고, 수증기(H2O)는 일련의 실린더를 통해 점차적으로 팽창하여 터빈(45)의 축상에 설치된 엘리먼트를 움직인다. 터빈(45)은 터빈(45) 내 수증기(H2O) 흐름의 방향을 조절하는 고정 엘리먼트를 포함할 수 있다. 터빈(45)은, 예컨대, 수증기(H2O) 흐름을 조절하기 위한 오일 구동식 밸브를 구비한 유압 제어 밸브 시스템, 실린더를 지지하는 윤활 베어링을 위한 윤활 시스템, 및 및 고압 실린더를 빠져나와 저압 실린더로 들어가기 전에 수증기(H2O)로부터 습기를 제거하기 위한 습기 분리기 등과 같은 추가적인 시스템을 포함할 수 있다.
구동 어셈블리(50)는, 예컨대, 기계 구동축 어셈블리와 같은, 터빈(45)으로부터 발전기(55)로 기계 에너지를 전달하는 임의의 적합한 어셈블리일 수 있다. 구동 어셈블리(50)는 터빈(45)의 회전축 상에 설치된 엘리먼트를 때리는 수증기(H2O)로부터의 운동 에너지가 구동 어셈블리(50)를 통해 발전기(55)에 기계적 에너지로서 전달될 수 있도록, 터빈(45)의 회전축을 발전기(55)에 동작적으로 연결할 수 있다.
발전기(55)는, 예컨대, 전기 발전기와 같이, 원자로와 함께 사용하기 적합한 임의의 타입의 발전기일 수 있다. 예컨대, 발전기(55)는 구동 어셈블리(50)에 의해 전달된 기계 에너지로부터 전기를 발생시키기 위한 자석 및 와이어 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 구동 어셈블리(50)는 전력을 발생시키기 위해 발전기(55) 내에 자성 엘리먼트를 회전시킬 수 있다. 발전기(55)는 예컨대, 50 Hz (50 사이클) 또는 60 Hz (60 사이클) 전력과 같은 임의의 적합한 주파수로 AC 전기를 만들어낼 수 있다. 발전 서브시스템(10)은, 예컨대, 50 또는 60 사이클 전력과 같은 실질적으로 일정한 주파수로 하나 이상의 발전기(55)를 유지하도록 동작할 수 있다.
터빈 냉각 서브시스템(60)은, 예컨대, 응축기, 냉각 탑, 및/또는 열교환을 위한 가압된 기류(airflow)를 사용하는 냉각 시스템과 같이, 원자로와 함께 사용하기에 적합한 임의의 타입의 냉각 시스템일 수 있다. 터빈 냉각 서브시스템(60)은 터빈(45)으로부터 잉여의 수증기(H20)를 제거하고 잉여의 수증기(H20)를 물(H20)로 응축시킬 수 있다. 수증기(H20)를 물(H20)로 응축시키기 위해 응축기, 냉각탑, 및/또는 가압된 기류를 사용하는 것과 더불어, 터빈 냉각 서브시스템(60)은 또한 일차 통과 냉각(once-through cooling)에 사용가능하고 적합하다면, 물(H2O) 주변의 몸체를 사용할 수 있다.
터빈 증기 서브시스템(65)은 열교환기(20), 터빈(45), 및 터빈 냉각 서브시스템(60) 사이에서 물(H2O) 및 수증기(H2O)를 전달하기에 적합한 임의의 타입의 배열일 수 있다. 터빈 증기 서브시스템(65)은 열교환기(20)로부터 터빈(45)으로 뜨거운 수증기(H2O)를 전달하는 통로(70), 터빈(45)으로부터 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 잉여 또는 쇠퇴한(dead) 수증기(H2O)를 전달하는 통로(75), 및 터빈 냉각 서브시스템(60)으로부터 열교환기(20)로 비교적 차가운 물(H2O)을 전달하는 통로(80)를 포함할 수 있다. 통로(70, 75, 및 80)는, 예컨대, 철 파이프와 같은 수증기(H2O) 및 물(H2O)을 전달하기 위한 임의의 적합한 통로일 수 있다.
원자로 시스템(5)은 또한 발전을 위해 터빈에 수증기(H2O)을 제공하는 것과 더불어, 수증기(H2O)가 사용될 수 있는 임의의 다른 목적을 위해 수증기(H2O)를 제공할 수 있다. 예를 들어, 원자로 시스템(5)은 수증기(H2O)가 사용 후 원자로 시스템으로 반환되지 않고, 그리고/또는 터빈 증기 서브시스템(65)과 상이한 소스로부터 유입되는 물(H2O)을 입력하는 구성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 원자로 시스템(5)은 지열 오일 추출에 사용하기 위한 수증기(H2O)를 제공할 수 있다.
열교환기(20)는 발전 서브시스템(10)과 원자로(15) 사이에서 열 에너지를 전달하는데 적합한 임의의 타입의 열교환기일 수 있다. 예를 들어, 열교환기(20)는 원자로 냉각 서브시스템(25)의 뜨거운 원자로 냉각재가 흐르는 복수의 튜브를 구비한 하나 이상의 수증기 발생기를 포함할 수 있다. 각각의 수증기 발생기는, 예컨대, 뜨거운 원자로 냉각재를 수용하기 위한 수천개의 튜브를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 수증기 발생기는 대략 3,000 내지 대략 16,000개의 튜브를 포함할 수 있다. 수증기 발생기 튜브를 통해 흐르는 뜨거운 원자로 냉각재는 터빈 증기 서브시스템(65)에 의해 열교환기(20)로 전달되는 물(H2O)을 끓일 수 있다. 그 다음, 열교환기(20)의 수증기 발생기에 의해 발생된 수증기(H2O)는 터빈 증기 서브시스템(65)을 통해 터빈(45)으로 전달될 수 있다. 열교환기(20)를 통과하는 동안, 원자로 냉각재는 냉각되고, 후속하여 원자로 냉각 서브시스템(25)을 통해 원자로(15)로 되돌아갈 수 있다.
터빈 증기 서브시스템(65)에 의해 열교환기(20)로 전달된 물(H2O)은 열교환기(20)의 상부에서 열교환기(20)로 들어갈 수 있다. 비교적 차가운 물(H2O)은 열교환기(20)의 내벽 상에, 열교환기(20)의 중간 및/또는 상부에, 설치될 수 있는 복수의 노즐(83)(도 20 참조)을 통해 열교환기(20)의 내부로 주입될 수 있다. 복수의 노즐(83)은 아래쪽으로 향할 수 있고, 열교환기(20) 내에 이미 담겨 있는 끓는 물(H2O)에 비교적 차가운 물(H2O)을 주입할 수 있다. 그러므로, 비교적 차가운 물(H2O)은 열교환기(20) 내에 이미 담겨 있는 끓는 물(H2O)과 혼합되어 열교환기(20) 내에 담겨 있는 물(H2O)의 온도 경사(temperature gradient)의 크기를 줄이는데 도움을 준다. 열교환기(20)는 이러한 낮은 온도 경사로 인해 더 높은 온도에서 수증기(H2O)를 산출할 수 있다. 또한, 온도 경사의 크기는 노즐(83)로부터 비교적 차가운 물(H2O)의 하류로의 끓는 물(H2O)의 비말동반(entrainment)과 함께, 재순환 펌프를 사용함으로써 또는 대류(convection current)의 조합을 사용함으로써 더 감소될 수 있다.
원자로(15)는 핵반응으로부터 발전하는데 적합한 임의의 타입의 원자로일 수 있다. 예컨대, 원자로(15)는 액체 감속재를 사용하는 임의의 원자로일 수 있다. 또한, 예컨대, 원자로(15)는 중수 감속형 및/또는 중수 냉각형 원자로일 수 있다. 예컨대, 원자로(15)는 CANDU 로일 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 원자로(15)는 격납 구조(containment structure)(85), 압력 용기(90), 반사기 존(95), 및 원자로 코어(100)를 포함할 수 있다. 격납 구조(85) 및 압력 용기(90)는 반사기 존(95)을 둘러싼다. 원자로 코어(100)는 반사기 존(95) 내에 배치될 수 있다.
격납 구조(85)는 반사기 존(95)과 원자로 코어(100)를 둘러싸고 원자로(15)에 의해 방출되는 방사선 및 중성자로부터 원자로(15)의 외부 환경을 차폐시키기에 적합한 임의의 타입의 구조일 수 있다. 예컨대, 격납 구조(85)는 반사기 존(95) 및 원자로 코어(100)를 둘러싸는 강화 콘크리트 또는 프리스트레스드(prestressed) 콘크리트 벽을 포함할 수 있다. 격납 구조(85)는, 예컨대, 대략 4피트 내지 대략 10피트와 같은, 반사기 존(95)과 원자로 코어(100)를 둘러싸기 위한 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다. 격납 구조(85)는 원자로 냉각 서브시스템(25)의 다양한 엘리먼트, 보조 냉각 서브시스템(35), 또는 원자로 시스템(5)의 다른 엘리먼트를 수용하기 위한 애퍼어처(aperture)를 포함할 수 있다. 격납 구조(85)는 반사기 존(95) 및 원자로 코어(100)를 구조적으로 지지하고, 보호하고, 방사선 장벽으로서 역할할 수 있다. 반사 풀은, 예컨대, 압력 용기(90)의 바닥을 단순히 채울 수 있고, 또는 아래에 더 설명한 바와 같이 별도의 용기 내에 동봉(enclosed)될 수도 있다.
압력 용기(90)는 반사기 존(95)과 원자로 코어(100)를 가압하기에 적합한 임의의 타입의 압력 용기 또는 구조일 수 있다. 예컨대, 압력 용기(90)는 반사기 존(95) 및 원자로 코어(100)를 밀봉 및 가압하는 철 용기일 수 있다. 압력 용기(90)는 밀봉된 용기를 형성하도록 구성 및/또는 연결된 하나 이상의 철 엘리먼트를 포함할 수 있다. 압력 용기(90)는, 예컨대, 균열 및 취화(embrittlement)에 대한 내성을 가진 재료와 같이 압력 용기로서 사용하기에 적합한 특성을 가지는 임의의 다른 적합한 재료를 포함할 수 있다. 압력 용기(90)는 반사기 존(95) 및 원자로 코어(100)가 비교적 고온에서 유지되는 "고온 감속재(hot moderator)"를 포함할 때 사용될 수 있다. 압력 용기(90)는 원자로 냉각 서브시스템(25)의 다양한 엘리먼트, 보조 냉각 서브시스템(35), 또는 원자로 시스템(5)의 다른 엘리먼트를 수용하기 위한 애퍼어처(aperture)를 포함할 수 있다. 압력 용기(90)의 애퍼어처는 압력 용기(90) 내의 반사기 존(95) 및 원자로 코어(100)의 여압(pressurization)을 유지하기 위해 밀봉될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반사기 존(95)은 반사 풀(105) 및 수증기 영역(110)을 포함할 수 있다. 경계(115)는 반사 풀(105)과 수증기 영역(110)을 분리시킬 수 있다.
반사 풀(105)은 액체 상태의 감속재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사 풀(105)은 액체 상태의 D2O("중수")를 포함할 수 있다. 반사 풀(105)은 핵반응을 감속시키기 위해 임의의 적합한 특성을 가지도록 제조된 D2O를 포함할 수 있다. 예컨대, 반사 풀(105)의 D2O는 원자로급 중수(99.75% 순도)일 수 있다. 반사 풀(105)은 또한 액체 상태의 H2O("경수")를 포함할 수 있다. 반사 풀(105)은 "고온 감속재"(예컨대, 도 2) 또는 "저온 감속재"(예컨대, 도 11)를 포함할 수 있다.
수증기 영역(110)은 반사 풀(105)과 동일한 재료로 이루어진 감속재를 포함할 수 있다. 수증기 영역(110)은 기체 상태의 감속재를 포함할 수 있다. 원자로 코어(100)로부터의 열은 반사기 존(95) 내의 감속재를 가열하여, 감속재의 일부가 수증기 영역(110) 내에서 기체 상태로 유지될 수 있게 한다. 수증기 영역(110)의 기체 감속재의 온도는 반사 풀(105)의 액체 감속재의 온도와 대략 동일하다. 실질적으로 모든 감속재가 기체 상태로 가열된다면 수증기 영역(110)이 실질적으로 전체 반사기 존(95)을 채울 수 있다. 또한, 실질적으로 모든 감속재가 액체 상태로 냉각된다면 반사 풀(105)이 실질적으로 전체 반사기 존(95)을 채울 수 있다. 경계(115)는 반사 풀(105)와 수증기 영역(110)을 분리할 수 있다.
원자로 코어의 4가지 예시적인 실시예: 원자로 코어(100), 원자로 코어(100'), 원자로 코어(100a), 및 원자로 코어(100b)가 아래에 서술된다. 적합하다면, 각각의 예시적인 실시예(예컨대, 원자로 코어(100a)에 대한 수식자 "a"를 가지는 참조번호)의 다양한 개시된 특징은 다른 실시예의 특징과 결합될 수 있다. 아래에 더 설명한 바와 같이, 개시된 예시적인 실시예는 개시된 원자로 시스템의 광범위한 가능한 실시예를 설명한다. 예를 들어, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및 100b)는 개시된 원자로 시스템이 수직 및 수평 연료 튜브 배열을 모두 포함할 수 있고, 원자로 코어 내에 고온 및 저온 감속재를 모두 포함할 수 있고, 금속, 산화물, 또는 염류(salts)와 같은 상이한 합성의 우라늄, 플루토늄, 및 토륨과 같은 상이한 핵연료, 육각형 및 정방형과 같은 상이한 연료 튜브 배열, 상이한 타입의 감속재(예컨대, D2O 및 H2O), 상이한 주 냉각재(예컨대, D2O 및 H2O와 같은 액체, 및 유기 액체, 나트륨 및 납과 같은 용융된 금속; 용융된 염류, 및 헬륨과 같은 가스), 및 상기한 감속재 냉각 기술(예컨대, 열교환 및 직접 유체 교환)을 포함할 수 있음을 보여준다. 아래에 개시된 예시적인 실시예를 고려함으로써, 당업자들은 각각의 예시적인 실시예의 다양한 개시된 특징들이 적절하다면 다른 예시적인 실시예의 특징들과 결합될 수 있음을 이해할 것이다.
제1 예시적인 실시예의 원자로 코어로서, 원자로 코어(100)는 연료 어셈블리(125) 및 제어 캐비티 어레이(130)를 포함할 수 있다. 제어 캐비티 어레이(130)는 연료 어셈블리(125) 부근에 감속재 및/또는 감속재 증기의 하나 이상의 포켓(pocket)을 포함할 수 있다. 연료 튜브(135)는 (도 4에 도시된 바와 같이) 모서리가 절단된 코너를 가진 정방형 어레이 내에 수직 방향일 수 있고, 감속재 및 연료 냉각재는 중수(예컨대, D2O)일 수 있다. 감속재는 주 냉각재(연료 냉각재) 일부의 흐름으로부터 전도(conduction)에 의해 냉각될 수 있다.
연료 어셈블리(125)는 핵반응에 사용하기에 적합한 임의의 타입의 핵연료일 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(125)는 복수의 연료 튜브(135) 내에 배치되는 연료봉의 다발을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(125)는 배열된 수백개의 연료 튜브(135)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(125)는 대략 4인치 직경일 수 있는 대략 100 내지 500개의 연료 튜브(135)를 포함할 수 있다. 각각의 연료 튜브(135)는, 예컨대, 12개의 연료 다발과 같은, 임의의 적합한 개수의 연료 다발을 포함할 수 있다. 각각의 연료 다발은, 예컨대, 37개의 연료봉과 같은, 임의의 적합한 개수의 연료봉을 포함할 수 있다. 연료 어셈블리(125)는, 예컨대, 천연 우라늄, 농축 우라늄, 혼합 산화물 핵연료(MOX: mixed oxide fuel), 플루토늄, 토륨, 및/또는 이들 및 다른 재료들의 다양한 혼합물과 같은, 임의의 적합한 연료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(125)는 혼합 우라늄/플루토늄 연료, 또는 혼합 우라늄/토륨 연료를 포함할 수 있다.
연료 어셈블리(125)는 (예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이) 수직으로 배치된 연료 튜브(135)를 포함할 수 있다. 연료 어셈블리(125)는, 예컨대, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 직각 어레이와 같은 임의의 적합한 구성으로 배열된 연료 튜브(135)를 포함할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제어 캐비티 어레이(130)는 제어 캐비티(140)의 3차원 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 캐비티(140)의 3차원 어레이는 연료 어셈블리(125)의 연료 튜브(135) 부근으로 감속재를 가두기 위한 하우징으로서 역할할 수 있다. 도 2, 3, 및 7에 도시된 바와 같이, 복수의 제어 캐비티(140)는 서로 수평으로 배치될 수도 있고, 수직으로 쌓일 수도 있다. 제어 캐비티(140)는 제어 캐비티 어레이(130) 내에 수직 및/또는 수평으로 스태거(stagger)될 수 있다. 예컨대, 제어 캐비티(140)의 수직 스태거링은 도 3에 도시되어 있다. 제어 캐비티(140)는 연료 튜브(135) 부근으로 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 구성으로 배치될 수 있다.
도 2a 및 3a는 원자로(15)의 배열의 다른 도면을 도시한다. 도 2a 및 3a는 원자로(15)의 예시적인 축적의 배열의 도면을 제공한다.
도 2 및 8에 도시된 바와 같이, 각각의 제어 캐비티(140)는 구조적 어셈블리(145) 및 콘 어셈블리(150)를 포함할 수 있다. 콘 어셈블리(150)는 구조적 어셈블리(145) 내로 감속재를 가둘 수 있다. 구조적 어셈블리(145)는 감속재를 가두기 위한 하우징으로서 역할할 수 있다.
도 2, 3, 및 7에 도시된 바와 같이, 구조적 어셈블리(145)는 하나 이상의 상부 부재(155), 하나 이상의 측 부재(160), 하나 이상의 단부 부재(165), 및 하나 이상의 중간 부재(170)를 포함할 수 있다. 상부 부재(155), 측 부재(160), 단부 부재(165), 및 중간 부재(170)는, 예컨대, 지르코늄 합금과 같은, 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 구조적 재료로 형성될 수 있다. 상부 부재(155), 측 부재(160), 단부 부재(165), 및 중간 부재(170)는, 예컨대, 용접과 같은 임의의 적합한 기술에 의해 서로 부착될 수 있다. 상부 부재(155), 측 부재(160), 단부 부재(165), 및 중간 부재(170)는 또한 서로 일체로 형성될 수 있다. 상부 부재(155), 측 부재(160), 단부 부재(165), 및 중간 부재(170)는, 예컨대, 실질적으로 평평하고 그리고/또는 판형 부재와 같은 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 구조적 부재일 수 있다. 상부 부재(155)는, 예컨대, 제어 캐비티(140)의 상부에 실질적으로 수평으로 배치된 평평한 부재일 수 있고, 실질적으로 평평한 측 부재(160)에 부착될 수 있다. 단부 부재(165)는 상부 부재(155)와 측 부재(160)의 끝부분에 부착될 수 있다. 상부 부재(155), 측 부재(160), 및 단부 부재(165)는, 예컨대, 닫힌 상부 및 열린 바닥부를 가진 캐비티를 형성하도록 부착될 수 있다. 그러므로, 상부 부재(155), 측 부재(160), 및 단부 부재(165)는 제어 캐비티(140)의 상부 안밖으로의 감속재 이동을 실질적으로 차단함과 동시에 감속재가 제어 캐비티(140)의 하부 안밖으로 이동하는 것을 허용할 수 있다. 제어 캐비티(140)의 상부는 상부 부재(155), 측 부재(160)의 상부, 및 단부 부재(165)의 상부를 포함할 수 있다. 제어 캐비티(140)의 하부는 측 부재(160)의 하부 및 단부 부재(165)의 하부를 포함할 수 있다.
하나 이상의 중간 부재(170)가 측 부재(160)와 상부 부재(155) 사이에 배치 및 부착될 수 있다. 중간 부재(170)는 제어 캐비티(140)를 따라 임의의 간격으로 배치될 수 있다. 중간 부재(170)는 제어 캐비티(140)의 상부에서 제어 캐비티(140)를 통한 감속재의 이동을 실질적으로 방지할 수 있다. 단부 부재(165) 및 중간 부재(170)는 측 부재(160)의 높이보다 낮은 높이를 가질 수 있다. 주어진 제어 캐비티(140)의 측 부재(160)는, 예컨대, 제어 캐비티(140)가 수직으로 쌓여 있는 경우에, 아래에 배치된 다른 제어 캐비티(140)의 상부 부재(155)에 부착될 수 있다. 단부 부재(165) 및 중간 부재(170)의 높이가 측 부재(160)의 높이보다 작기 때문에, 감속재는 도 7에 도시된 바와 같이 각각 갭(175) 및 갭(180)을 통해 단부 부재(165) 및 중간 부재(170) 이동이 자유로울 수 있다. 그러므로, 단부 부재(165) 및 중간 부재(170)는 제어 캐비티(140)의 상부에서 감속재의 이동을 차단하고 제어 캐비티(140)의 하부에서 감속재의 이동을 허용하기 위한 배플(baffle)로서 역할할 수 있다. 갭(180)은 제어 캐비티(140)의 하부를 통한 감속재의 이동을 허용할 수 있고, 갭(175)은 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140) 사이의 감속재의 이동을 허용할 수 있다. 감속재는 아래에 배치된 제어 캐비티(140)의 상부 부재(155)에 부착될 수 있는 측 부재(160) 아래로 이동하지 않을 수 있다. 그러나, 측 부재(160)의 일부 또는 모두의 아래에서도 감속재의 이동을 허용하도록, 아래에 배치된 제어 캐비티(140)의 상부 부재(155)와 측 부재(160) 사이에 갭이 제공되는 것도 가능하다. 그러므로, 측 부재(160) 아래, 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140) 사이에서 감속재가 자유롭게 이동하는 것이 가능할 수 있다.
도 3 및 7에 도시된 바와 같이, 감속재가 갭(175 및 180)을 통해 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140) 사이에서 이동이 자유롭기 때문에, 제어 캐비티(140)는 반사기 존(95)과 동일한 감속재를 포함할 수 있다. 제어 캐비티(140) 내에 가두어진 감속재가 중성자, 감마선, 및/또는 연료 튜브(135)로부터의 열전도에 의해 가열될 때, 제어 캐비티(140) 내의 일부 또는 모든 감속재는 기체 존(185) 내에 기체 상태로 가열될 수 있다. 또한, 제어 캐비티(140) 내의 일부 또는 모든 감속재는 액체 존(190) 내에서 액체 상태일 수 있다. 기체 존(185) 및 액체 존(190)은 경계(195)에 의해 분리될 수 있다. 기체 존(185) 및 액체 존(190)의 크기는 제어 캐비티(140) 사이, 및 하나의 제어 캐비티(140) 내의 상이한 중간 부재(170) 사이에서 가변적일 수 있다. 그러므로, 경계(195)의 위치는 제어 캐비티(140) 사이, 및 하나의 제어 캐비티(140) 내의 상이한 중간 부재(170) 사이에서 가변적일 수 있다. 예를 들어, 주어진 제어 캐비티(140)는 기체 존(185) 및 액체 존(190)을 모두 가질 수 있고, 실질적으로 기체 존(185)만 또는 실질적으로 액체 존(190)만 가질 수도 있다.
연료 튜브(135)로부터의 중성자, 감마선, 및/또는 전도를 통해 가해지는 열은 액체 존(190)의 액체 감속재가 감속재의 끓는점 또는 끓는점 바로 아래의 온도로 유지될 수 있게 한다. 예를 들어, 액체 존(190)의 감속재는 부글부글 끓는(simmering) 상태로 유지될 수 있다. 액체 존(190) 내의 감속재가 부글부글 끓을 때, 일부 감속재는 증발하여 기체 존(185)으로 올라갈 수 있다. 또한, (예컨대, 아래에 서술된) 원자로 냉각 서브시스템(25)의 컴포넌트 부근에 있는 기체 존(185) 내의 감속재는 응축되어 제어 캐비티(140)의 내측면을 따라 액체 존(190)으로 다시 떨어질 수 있다. 그러므로, 기체 존(185)의 크기는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있고, 경계(195)는 연료 튜브(135)에 의해 가해지는 열의 양 및 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의해 제거되는 열의 양이 실질적으로 동일할 때 비교적 고정적으로 유지될 수 있다. 아래에 더 설명되는 바와 같이, 기체 존(185)의 크기 및 경계(195)의 위치는 중성자의 크세논 및 사마륨 흡수를 기초로 단기간(예컨대, 하루의 기간)에 걸쳐 약간 변할 수 있고, 예컨대, 연료의 연령(예컨대, 소진량)을 기초로 장기간(예컨대, 수년의 기간)에 걸쳐 상당히 변할 수 있다. 기체 존(185)의 크기 및 경계(195)의 위치는 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의한 냉각 속도의 변화 동안 또는 직후에 약간 변할 수 있다.
도 8에 매우 상세하게 도시된 바와 같이, 콘 어셈블리(150)는 내부 콘 어셈블리(200), 외부 콘 어셈블리(205), 및 통로(210)를 포함할 수 있다. 콘 어셈블리(150)는 연료 튜브(135) 사이에 구조적 인터페이스를 제공할 수 있고, 이는 제어 캐비티(140)를 통과할 수 있고, 제어 캐비티(140) 내에서 연료 튜브(135)로부터의 열을 더 균일하게 분산시키는 것을 도울 수 있다. 내부 콘 어셈블리(200)는 연료 튜브(135)의 일부분을 둘러싸고, 외부 콘 어셈블리(205)는 내부 콘 어셈블리(200)를 둘러싸고, 통로(210)는 내부 콘 어셈블리(200)와 외부 콘 어셈블리(205) 사이에 배치될 수 있다.
내부 콘 어셈블리(200)는 연료 튜브(135)의 일부분을 둘러싸는 콘(215)을 포함할 수 있다. 콘(215)은, 예컨대, 지르코늄 합금과 같은, 제어 캐비티(140) 내에 액체 감속재 또는 기체 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있다. 콘(215)은 별개의 엘리먼트로 형성될 수도 있고, 또는 단일 엘리먼트로서 일체로 형성될 수도 있다. 콘(215)은 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 높이를 가질 수 있다. 예를 들어, 콘(215)은 제어 캐비티(140)의 높이의 대략 두배의 높이를 가질 수 있다. 콘(215)은 구조적 어셈블리(145)의 상부 부재(155) 내에 형성된 애퍼어처를 관통할 수 있다. 콘(215)은 각각의 제어 캐비티(140)에 배치될 수 있다. 콘(215)이 제어 캐비티(140)의 높이보다 큰 높이를 가지므로, 콘(215)은 동일한 연료 튜브(135)를 둘러싸는 다른 콘(215)과 중첩될 수 있다. 콘(215)은 연료 튜브(135)와 함께 통로(220)를 형성할 수 있고, 중첩되는 콘(215)은 서로 간에 통로(225)를 형성할 수 있다. 통로(220)는 통로(225)와 이어진 것일 수 있다. 통로(220 및 225)는 연료 튜브(135)를 둘러싸고, 예컨대, 원뿔 형상의 통로와 같은 임의의 적합한 형상일 수 있다. 콘(215)은 통로(220)가 끝이 막히고, 통로(220)가 꼭대기에서 밀봉될 수 있도록, 콘(215)의 꼭대기에서 연료 튜브(135)에 대하여 밀봉될 수 있다. 연료 튜브(135)가 통상적으로 감속재의 끓는점보다 더 뜨겁기 때문에, 통로(220) 내의 임의의 감속재는 끓을 수 있고, 결과적인 기체 감속재는 갭(250)을 통해 액체 감속재가 통로(220 및 225)의 바닥으로부터 제어 캐비티(140)의 하부로 가게 한다. 증기가 액체 감속재보다 낮은 효율로 전도할 수 있기 때문에, 통로(220 및 225)에 의해 형성된 결과적인 더블 증기 갭 및 중첩된 콘(215)은 연료 튜브(135)로부터 제어 캐비티(140) 내의 감속재로의 열 전달을 감소시킬 수 있다. 그러므로, 콘(215)은 통로(220 및 225) 내의 박막의 기체 감속재로 연료 튜브(135)를 효과적으로 둘러쌀 수 있고, 기체 감속재는 반사기 존(95)과 유체 교류한다.
외부 콘 어셈블리(205)는 내부 콘(235) 및 외부 콘(240)을 포함할 수 있다. 내부 콘(235) 및 외부 콘(240)은 콘(215)과 유사한 재료일 수 있고, 연료 튜브(135) 및 콘(215)을 둘러쌀 수 있다. 내부 콘(235)은 상부 부재(155)의 밑면(245)에 부착될 수 있고, 구조적 무결성을 위해 콘(215)의 바닥에 내부 콘(235)의 바닥에서 단속적으로(intermittently) 부착될 수 있으며, 동시에 하나의 캐비티(140)의 하부에서 통로(210)를 통해 위 및 아래의 캐비티(140)로 액체 감속재가 수직으로 흐르는 것을 허용할 수 있는 갭(230)을 남겨둔다. 내부 콘(235)은 제어 캐비티(140)의 높이 보다 약간 작은 높이를 가질 수 있고, 아래에 배치된 인접한 제어 캐비티(140)의 상면(255)과 함께 갭(250)을 형성할 수 있다. 외부 콘(240)은 또한 상부 부재(155)의 밑면(245)에 부착될 수 있고, 내부 콘(235)의 높이보다 작은 높이를 가질 수 있다. 내부 콘(235)과 외부 콘(240) 사이에 캐비티(260)가 형성될 수 있다. 감속재는 캐비티(260)와 제어 캐비티(140)의 액체 존(190) 사이에서 자유롭게 이동할 수 있다. 또한, 감속재는 인접한 연료 튜브(135)의 인접한 외부 콘(240) 사이에 배치된 부분(270)과 액체 존(190) 사이에서 자유롭게 이동할 수 있다. 액체 감속재를 포함하는 액체 존(275)이 캐비티(260) 내에 배치될 수 있다. 연료 튜브(135)로부터의 고속의 중성자 및 감마선이 제어 캐비티(140) 내의 감속재를 가열할 때, 액체 존(275) 내의 액체 감속재는 가열되어 기체 감속재로 될 수 있고, 기체 존(280)을 형성할 수 있다. 또한, 연료 튜브(135)로부터의 더 빠른 속도(예컨대, 고속)의 중성자 및 감마선이 제어 캐비티(140)내의 감속재를 가열할 때, 액체 존(190) 내의 액체 감속재는 가열되어 기체 감속재로 될 수 있고 인접한 외부 콘(240) 사이에 배치된 부분(270) 내에 기체 존(185)의 일부분을 형성할 수 있다. 연료 튜브(135)로부터 더 빠른 속도(예컨대, 고속)의 중성자 및 감마선에 의해 가해지는 열의 양에 따라, 캐비티(260) 및 부분(270)은 각각 기체 존(280 및 185)으로 실질적으로 완전히 채워질 수도 있고, 또는 각각 액체 존(275 및 190)으로 실질적으로 완전히 채워질 수도 있다.
경계(290)는 액체 존(275)과 기체 존(280)을 분리시키고, 경계(195)는 액체 존(190)과 기체 존(185)을 분리시킨다. 액체 존(275), 기체 존(280), 및 경계(290)는 앞서 서술한 액체 존(190), 기체 존(185), 및 경계(195)의 특징과 각각 유사한 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 기체 존(280 및 185)의 크기는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있고, 경계(290 및 195)는 연료 튜브(135)의 더 빠른 속도(예컨대, 고속)의 중성자 및 감마선에 의해 가해지는 열의 양과 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의해 제거되는 열의 양이 실질적으로 동일할 때 비교적 고정적으로 유지될 수 있다.
통로(210)는 콘(215)과 내부 콘(235) 사이에 형성될 수 있다. 갭(300)은 콘(215)의 바닥부와 내부 콘(235)의 바닥부 사이에 형성될 수 있다. 감속재는 갭(230)과 유사한 갭(300)을 통해 제어 캐비티(140)의 하부와 통로(210) 사이에서 이동이 자유로울 수 있다. 그러므로, 제어 캐비티(140)가 반사기 존(95)과 유체 교류할 수 있기 때문에, 감속재는 제어 캐비티(140)를 통해 통로(210)와 반사기 존(95) 사이에서 이동이 자유로울 수 있다. 통로(210)가 꼭대기에서 닫혀있지 않기 때문에, 통로(210)는 액체 감속재로 실질적으로 채워질 수 있고, 감속재 증기 방울이 그것을 통해 빠르게 올라갈 수 있다.
도 8a, 8b, 8c, 및 8d는 콘 어셈블리(150)의 대안의 도면을 도시한다.
도 9, 10, 및 11은 제2의 예시적인 실시예의 원자로(15)를 도시한다. 본 실시예에서, 원자로(15)는 반사기 존(95) 내에 배치된 원자로 코어(100')를 포함할 수 있다. 원자로 코어(100')는 연료 어셈블리(125') 및 제어 캐비티 어레이(130')를 포함할 수 있다. 제어 캐비티 어레이(130')는 연료 어셈블리(125') 부근으로 감속재를 가둘 수 있다. 본 제2의 실시예에서, 연료 튜브(135')는 도 10에 도시된 바와 같이 수평으로 배치될 수 있고 모서리가 절단된 코너를 가진 정방형 어레이로 배열될 수 있다. 감속재는 제어 캐비티(140')로의 비교적 더 차가운 감속재를 펌핑함으로써 냉각될 수 있다. 감속재는 중수(D2O)일 수 있고, 주 냉각재의 구성요소들은 임의의 적합한 냉각재일 수 있다.
연료 어셈블리(125')는 복수의 연료 튜브(135')를 포함할 수 있다. 연료 튜브(135')는 원자로 코어(100)의 연료 튜브(135)와 유사할 수 있다. 연료 튜브(135')는, 예컨대, 실질적으로 수평으로 배치될 수 있다.
제어 캐비티 어레이(130')는 복수의 제어 캐비티(140')를 포함할 수 있다. 도 10에 도시된 원자로 코어(100')의 단면도에 도시된 바와 같이, 제어 캐비티(140')는 연료 어셈블리(125')의 연료 튜브(135') 사이에 배치될 수 있다. 각각의 제어 캐비티(140')는 연료 어셈블리(125')의 길이보다 긴 길이를 가진 튜브일 수 있고 감속재를 가두는 하우징으로서 역할할 수 있는 제어 캐비티(140')를 포함할 수 있는, 구조적 어셈블리(145') 내에 포함될 수 있다.
도 9 및 11에 도시된 바와 같이, 구조적 어셈블리(145')는 하나 이상의 상부 부재(155'), 하나 이상의 단부 부재(165'), 및 하나 이상의 중간 부재(170')를 포함할 수 있는데, 이들은 제어 캐비티(140)의 구조적 어셈블리(145)의 부재들과 유사한 재료로 형성되고 유사한 기술에 의해 부착될 수 있다. 상부 부재(155')는, 예컨대, 제어 캐비티(140')의 상부를 둘러싸는 굽은 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 상부 부재(155')는 제어 캐비티(140')의 상부를 둘러싸는 반구 형상을 가질 수 있다. 또한, 예컨대, 상부 부재(155')는 하부(160')로 이어지는 상부 부재(155')가 제어 캐비티(140')를 완전히 둘러싸도록 하부(160')와 함께 실질적으로 완전한 원형 형상을 가질 수 있다. 단부 부재(165')는 제어 캐비티(140')를 완전히 둘러싸도록 하부(160) 및 상부 부재(155')의 단부에 부착될 수 있다. 구조적 어셈블리(145')는 단부 컴파트먼트(142')를 포함하기 위해 (연료 튜브(135') 내에 배치된) 연료봉의 길이를 넘어서 뻗을 수 있다. 단부 부재(165')는 수직 스탠드파이프(167')와 유체 교류하는 통로(166')를 가질 수 있는데, 이는 액체 감속재가 단부 컴파트먼트(142')의 최상부 부근의 위치에서 흘러나갈 수 있게 하고, 기체 감속재가 단부 컴파트먼트(142')와 스탠드파이프(167') 사이에서 양방향으로 자유롭게 흐를 수 있게 한다. 스탠드파이프(167')의 하단부는 액체 감속재와 기체 감속재를 모두 담을 수 있는 감속재 저장소(168')로 이어질 수 있다. 상부 부재(155')는, 예컨대, 반원형 형상이고, 상부 부재(155') 및 중간 부재(170')는 닫힌 상부 및 열린 바닥부를 가진 캐비티를 형성할 수 있다. 그러므로, 상부 부재(155') 및 중간 부재(170')는 제어 캐비티(140')의 상부 안밖으로의 감속재 이동을 실질적으로 차단할 수 있고, 동시에 제어 캐비티(140')의 하부 안밖으로 감속재가 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 상부 부재(155')가, 예컨대, 실질적으로 완전한 원형일 때, 중간 부재(170')는 하부(160')를 포함하는 상부 부재(155')에 의해 형성된 열린 원형 단면의 상부만 커버할 수 있다. 그러므로, 중간 부재(170') 및 하부(160')를 가진 상부 부재(155')는 제어 캐비티(140')의 상부 안밖으로의 감속재 이동을 실질적으로 차단하고, 동시에 감속재가 제어 캐비티(140')의 하부 안밖으로 이동하는 것을 허용할 수 있다.
하나 이상의 중간 부재(170')가 상부 부재(155')의 내측면 사이에 배치 및 부착될 수 있다. 중간 부재(170')는 제어 캐비티(140')를 따라 임의의 간격으로 배치될 수 있다. 중간 부재(170')는 제어 캐비티(140')의 상부에서 제어 캐비티(140')를 통한 감속재의 이동을 실질적으로 차단할 수 있다. 중간 부재(170')는 제어 캐비티(140')의 높이보다 작은 높이를 가질 수 있다. 그러므로, 중간 부재(170')는 제어 캐비티(140')의 상부에서 감속재의 이동을 차단하고 제어 캐비티(140')의 하부에서 감속재의 이동을 허용하는 배플로서 역할할 수 있다. 감속재는 중간 부재(170') 아래에서 이동함으로써 제어 캐비티(140')의 하부를 통해 이동이 자유로울 수 있고, 중간 부재(170') 아래에서 이동함으로써 반사기 존(95), 단부 컴파트먼트(142'), 및 제어 캐비티(140') 사이에서 이동할 수 있다.
도 9 및 11에 도시된 바와 같이, 제어 캐비티(140')는 감속재가 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140') 사이로 이동할 수 있기 때문에, 단부 컴파트먼트(142') 내의 감속재와 동일한 감속재를 포함할 수 있다. 제어 캐비티(140) 내에 가두어진 감속재가 연료 튜브(135')로부터의 중성자, 감마선, 및 열전도에 의해 가열될 때, 제어 캐비티(140') 내의 일부 또는 모든 감속재는 기체 존(185') 내의 기체 상태로 가열될 수 있다. 제어 캐비티(140) 내의 일부 또는 모든 감속재는 또한 액체 존(190') 내에서 액체 상태일 수도 있다. 기체 존(185') 및 액체 존(190')은 경계(195')에 의해 분리될 수 있다. 기체 존(185') 및 액체 존(190')의 크기는 제어 캐비티(140') 사이에서, 그리고 하나의 구조적 어셈블리(145') 내의 상이한 중간 부재(170') 사이에서 다양할 수 있다. 그러므로, 경계(195')의 위치는 제어 캐비티(140') 사이에서, 그리고 하나의 구조적 어셈블리(145') 내의 상이한 중간 부재(170') 사이에서 다양할 수 있다. 예를 들어, 주어진 제어 캐비티(140')는 기체 존(185') 및 액체 존(190')을 모두 가질 수 있고, 실질적으로 기체 존(185')만 또는 실질적으로 액체 존(190')만 가질 수도 있다.
액체 존(190'), 기체 존(185') 및 경계(195')는 제어 캐비티(140)를 참조하여 앞서 서술한 액체 존(190), 기체 존(185), 및 경계(195)의 특징과 각각 유사한 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 고속 중성자, 감마선, 및 연료 튜브(135')로부터의 전도에 의해 가해지는 열의 양과 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의해 제거되는 열의 양이 실질적으로 동일할 때, 기체 존(185')의 크기는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있고, 경계(195')는 비교적 고정적으로 유지될 수 있다.
도 12a 내지 12f는 제3의 대안의 예시적인 실시예의 원자로(15)를 도시한다. 본 실시예는 (예컨대, 도 12a 및 6에 도시된 바와 같은) 수직 연료 튜브의 육각 어레이, 및 반사 풀 밖으로 고온의 감속재를 펌핑하고, 고온의 감속재를 냉각시키고, 그 감속재를 원자로 냉각 서브시스템(25)을 통해 원자로 코어 및 제어 캐비티로 다시 펌핑함으로써 냉각될 수 있는 고온의 감속재를 포함한다. (도 12f에 도시된) 본 실시예에서, 제어 캐비티의 각각의 어셈블리는 4개의 수직 연료 튜브에 의해 경계를 이룬 공간으로 수직방향으로 핏팅(fit)할 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 원자로 코어(100a)를 포함할 수 있다.
원자로 코어(100a)는 연료 어셈블리(125)와 유사한 연료 어셈블리(125a) 및 제어 캐비티 어레이(130a)를 포함할 수 있다. 제어 캐비티 어레이(130a)는 연료 어셈블리(125a) 부근에 하나의 포켓의 감속재 및/또는 기체 감속재를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 아래에 더 상세하게 서술한 바와 같이, 감속재 냉각재 튜브(335a)는 감속재 냉각재 튜브(335a)의 길이를 따라 뻗어 있고 그 측면에 배치된 작은 홀(337a)을 가질 수 있고, 제어 캐비티(140a)는 감속재 냉각재 튜브(335a)로부터 분사되는 비교적 차가운 감속재의 미세분사(fine spray)에 의해 냉각될 수 있다.
제어 캐비티 어레이(130a)는 제어 캐비티(140a)의 3차원 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 캐비티(140a)의 3차원 어레이는 연료 어셈블리(125a)의 연료 튜브(135a) 부근으로 감속재의 포켓들을 구획화 및/또는 한정하기 위한 하우징으로서 역할할 수 있다. 도 12a 내지 12f에 도시된 바와 같이, 복수의 제어 캐비티(140a)는 수직 스택 내에 배치될 수 있는데, 이 스택은 서로 수평으로 배치됨은 물론 수직으로 쌓여진다. 도 12e에 도시된 바와 같이, 제어 캐비티(140a)는 제어 캐비티 어레이(130a) 내에 수직으로 스태거될 수 있다. 제어 캐비티(140a)는 연료 튜브(135a) 부근으로 감속재의 포켓 및/또는 기체 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 구성으로 배열될 수 있다.
도 12c 내지 12f에 도시된 바와 같이, 각각의 제어 캐비티(140a)는 감속재 냉각재 튜브(335a), 대체로 원뿔형인 상부 부재(155a), 및 측 부재(160a)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 측 부재(160a)는 정방형 연료 튜브 어레이를 위한 (도시되지 않은) 대체로 정방형, 또는 연료 튜브(135a)를 위한 톱니형 코너(161a)를 가진 (예컨대, 도시된 육각형 연료 튜브 어레이에서) 대체로 사다리꼴일 수 있다. 상부 부재(155a)는 연료 튜브(135a) 부근으로 감속재의 포켓 및/또는 기체 감속재를 가두기 위해 측 부재(160a) 및 감속재 냉각재 튜브(335a)와 갭 없이 결합될 수 있다. 감속재는 제어 캐비티(140a)의 열린 바닥을 통해, 그리고 주어진 측 부재(160a)의 바닥과 아래의 캐비티의 측 부재(160a)의 상부 사이의 갭(162a)을 통해, 제어 캐비티(140a) 안밖으로 자유롭게 이동할 수 있다.
상부 부재(155a), 측 부재(160a), 및 감속재 냉각재 튜브(335a)는, 예컨대, 지르코늄 합금과 같은, 감속재의 이동 방향을 조절하고 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 구조적 재료로 형성될 수 있다. 상부 부재(155a), 측 부재(160a), 및 감속재 냉각재 튜브(335a)는, 예컨대, 용접과 같은 임의의 적합한 기술에 의해 서로 부착될 수 있다. 또한, 상부 부재(155a), 측 부재(160a), 및 감속재 냉각재 튜브(335a)는 서로 일체로 형성될 수도 있다. 상부 부재(155a), 측 부재(160a), 및 감속재 냉각재 튜브(335a)는, 예컨대, 닫힌 상부 및 열린 바닥부를 가진 캐비티를 형성하도록 부착될 수 있다. 그러므로, 상부 부재(155a), 측 부재(160a), 및 감속재 냉각재 튜브(335a)는 제어 캐비티(140a)의 상부 안밖으로 감속재가 이동하는 것을 실질적으로 차단하고, 동시에 제어 캐비티(140a)의 하부 안밖으로 감속재가 자유롭게 이동하는 것을 허용할 수 있다. 제어 캐비티(140a)의 상부는 상부 부재(155a), 측 부재(160a)의 상부, 및 감속재 냉각재 튜브(335a)의 일부분을 포함할 수 있다. 제어 캐비티(140a)의 하부는 측 부재(160a)의 하부, 및 감속재 냉각재 튜브(335a)의 일부분을 포함할 수 있다.
갭(162a)은 그 부근의 수평으로 배치된 제어 캐비티(140a) 사이, 또는 제어 캐비티(140a)와 연료 튜브(135a) 사이에 형성된 갭(182a)을 통해, 또는 직접적으로 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140a) 사이에서의 감속재의 이동을 허용할 수 있다.
도 12b 및 12e에 도시된 바와 같이, 제어 캐비티(140a)는 감속재가 갭(162a) 및 갭(182a)을 통해 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140a) 사이에서 자유롭게 이동할 수 있기 때문에 반사기 존(95)과 동일한 감속재를 포함할 수 있다. 제어 캐비티(140a) 내에 가두어진 감속재가 연료 튜브(135a)로부터 방출되는 중성자 및 감마선에 의해 가열되고, 열이 연료 튜브(135a)로부터 전도될 때, 제어 캐비티(140a) 내의 일부 또는 모든 감속재는 가열되어 기체 존(185a)에서 기체 상태로 될 수 있다. 또한, 제어 캐비티(140a) 내의 일부 또는 모든 감속재는 액체 존(190a)에서 액체 상태로 될 수도 있다. 기체 존(185a) 및 액체 존(190a)은 경계(195a)에 의해 분리될 수 있다. 기체 존(185a) 및 액체 존(190a)의 크기는 상이한 제어 캐비티(140a) 간에, 그리고 원자로(15)의 동작 동안의 상이한 시간에 각각의 제어 캐비티(140a) 내에서 상이할 수 있다.
그러므로, 경계(195a)의 위치는 제어 캐비티(140a) 간에 상이할 수 있다. 예를 들어, 주어진 제어 캐비티(140a)는 기체 존(185a) 및 액체 존(190a)을 모두 가질 수도 있고, 실질적으로 기체 존(185a)만, 또는 실질적으로 액체 존(190a)만 가질 수도 있다.
연료 튜브(135a)로부터의 중성자, 감마선, 및/또는 전도를 통해 가해지는 열은 액체 존(190a)의 액체 감속재가 감속재의 끓는점에 매우 근접한 온도로 유지될 수 있게 한다. 예를 들어, 액체 존(190a)의 감속재는 부글부글 끓는 상태로 유지될 수 있다. 액체 존(190a) 내의 감속재가 부글부글 끓을 때, 일부 감속재는 증발되어 기체 존(185a)으로 올라갈 수 있다. 액체 존(190a) 내의 감속재는 감속재 냉각재 튜브(335a) 내의 작은 홀(337a)을 통해 제어 캐비티(140a) 내로 지나가는 비교적 더 차가운 감속재와 혼합함으로써 냉각될 수 있다. 또한, 기체 존(185a) 내의 감속재는 감속재 냉각재 튜브(335a) 내의 작은 홀(337a)을 통해 지나가는 미세하고 비교적 더 차가운 감속재 분무의 방울 주변에서 응축될 수 있고, 또는 제어 캐비티(140a)의 내측면 및/또는 감속재 냉각재 튜브(335a)의 외측면을 따라 액체 존(190a)으로 다시 응축되어 떨어질 수 있다. 그러므로, 연료 튜브(135a)로부터의 중성자 및 감마선에 의해 가해지는 열의 양과 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의해 제거되는 열의 양이 실질적으로 동일할 때, 기체 존(185a)의 크기는 실질적으로 일정하게 유지될 수 있고, 경계(195a)는 비교적 고정적으로 유지될 수 있다. 아래에 더 설명한 바와 같이, 기체 존(185a)의 크기 및 경계(195a)의 위치는 연료의 크세논 및 사마륨 함유량(load)을 기초로 단기간(예컨대, 하루의 기간)에 걸쳐 약간 변할 수 있고, 예컨대, 연료의 연령(예컨대, 소진량)을 기초로 장기간(예컨대, 수년의 기간)에 걸쳐 상당히 변할 수 있다. 기체 존(185a)의 크기 및 경계(195a)의 위치는 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의한 냉각 속도의 변화 기간 동안 또는 직후에 약간 변할 수 있다.
도 12e에 도시된 바와 같이, 제어 캐비티(140a)는 감속재 냉각재 튜브(335a)를 통한 그리고 감속재 냉각재 튜브(335a)의 측면에 위치하는 하나 이상의 홀(337a)을 통한 제어 캐비티(140a)로의 더 차가운 감속재의 이동에 의해 냉각될 수 있다. 홀(337a)은, 예컨대, 소형 홀과 같이, 감속재 이동을 위한 임의의 적합한 크기일 수 있다. 그 다음, 실질적으로 동일한 체적의 더 뜨거운 감속재는 제어 캐비티(140a)의 하부에 있는 갭(162a)을 통해 제어 캐비티(140a)를 빠져나와 반사기 존(95)으로 이동할 수 있다.
도 12c 및 12d에 도시된 바와 같이, 반사기 존(95)의 하부는 감속재 냉각재 튜브(335a)의 하단부 상의 캡(cap) 내에 위치하는 하나 이상의 작은 홀(338a)을 통한 감속재 냉각재 튜브(335a)로부터의 더 차가운 감속재의 이동에 의해 냉각될 수 있다.
도 12g는 원자로 코어(100a)의 제어 캐비티(140a) 배열의 투시도를 제공한다. 원자로 코어(100, 100', 100a 및/또는 100b)의 개시된 다양한 엘리먼트들이 서로 결합되어 사용될 수도 있을 것이다.
도 12h 내지 12m은 뜨거운 감속재를 반사 풀(105) 및 제어 캐비티 어레이(130b) 밖으로 펌핑하고, 그것을 냉각시켜, 제어 캐비티 어레이(130b) 및 반사 풀(105)로 다시 더 차가운 감속재를 펌핑함으로써 냉각되는 뜨거운 감속재 및 수직 연료 튜브의 어레이를 가진 제4 실시예를 도시한다. 본 실시예에서, 제어 캐비티의 각각의 어셈블리는 하나의 수직 연료 튜브 둘레의 환형의 제어 캐비티의 스택(stack)일 수 있다. 도 12h에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 원자로 코어(100b)를 포함할 수 있다.
원자로 코어(100b)는 연료 어셈블리(125)와 유시한 연료 어셈블리(125b) 및 제어 캐비티 어레이(130b)를 포함할 수 있다. 제어 캐비티 어레이(130b)의 제어 캐비티(140b)는 연료 어셈블리(125b) 부근에 감속재의 포켓 및/또는 감속재 증기를 포함할 수 있다.
연료 어셈블리(125b)는 핵반응에 사용하기 적합한 임의의 타입의 핵연료일 수 있다. 예를 들어, 도 12j에 도시된 바와 같은, 연료 어셈블리(125b)는 복수의 연료 튜브(135b) 내에 배치된 연료봉(127b)의 다발을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(125b)는 수십 내지 수백 개의 연료 튜브(135b)의 배열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(125b)는 대략 3인치 내지 대략 18인치 직경인 연료 튜브(135b)를 대략 19개 내지 대략 500개 포함할 수 있다. 각각의 연료 튜브(135b)는 비교적 긴 연료봉(127b)의 단일 연료 다발을 포함할 수 있고, 또는 예컨대, 비교적 짧은 연료봉(127b)의 12개의 연료 다발과 같은, 임의의 적합한 개수의 연료 다발을 포함할 수도 있다. 각각의 연료 다발은 대략 19 내지 대략 1231개의 연료봉, 예컨대, 37개의 연료봉과 같은, 임의의 적합한 개수의 연료봉(127b)을 포함할 수 있다. 연료 어셈블리(125b)는, 예컨대, 천연 우라늄, 농축 우라늄, 플루토늄, 또는 토륨을 개별적으로 또는 다양하게 혼합한 것과 같은, 핵반응을 위한 임의의 적합한 연료를 포함할 수 있다. 연료봉(127b)은 주조된 금속 연료, 또는 클래딩(cladding) 튜브(예컨대, 지르코늄 합금 튜브) 내의 연료봉 또는 연로 산화물 펠릿(pellet)일 수 있다. 예를 들어, 연료 어셈블리(125b)는 혼합된 우라늄/플루토늄 연료, 또는 사용된 경수 원자로 연료 및 토륨의 혼합된 연료를 포함할 수 있다. 또한, 연료 튜브(135b)는, 예컨대, 구 또는 자갈과 같은 봉이 아닌 다른 형태의 연료를 포함할 수도 있다. 또한, 연료 튜브(135b)는 소금의 금속성 이온이 연료의 이온이고, 용융염이 연료 및 냉각재로서 모두 기능하는, 용융염을 포함할 수 있다.
각각의 연료 튜브(135b)는 연료는 물론 주 냉각재를 포함할 수 있다. 주 냉각재는 중수, 경수, 적합한 액체금속(예컨대, 납 또는 나트륨), 적합한 용융염, 적합한 유기 용매, 및/또는 적합한 가스(예컨대, 헬륨)와 같은, 적합한 유체 상태의 임의의 재료를 포함할 수 있다.
연료 어셈블리(125b)는 (예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이) 수직으로 배치된 연료 튜브(135b)를 포함할 수 있다. 연료 어셈블리(125b)는, 예컨대, 도 4 및 5에 도시된 바와 같은 직각 어레이와 같은, 임의의 적합한 구성으로 배열된 연료 튜브(135b)를 포함할 수 있다. 또한, 연료 어셈블리(125b)는, 예컨대, 도 6에 도시된 육각 어레이로 배열된 연료 튜브(135b)를 포함할 수도 있다. 연료 튜브(135b)는, 예컨대, 실질적으로 수직으로 배치될 수 있다.
도 12h 내지 12m을 다시 참조하면, 제어 캐비티 어레이(130b)는 제어 캐비티(140b)의 3차원 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제어 캐비티(140b)의 3차원 어레이는 연료 어셈블리(125b)의 연료 튜브(135b) 부근으로 감속재의 포켓을 구획화 및 한정시키기 위한 하우징으로 역할할 수 있다. 도 12h 내지 12m에 도시된 바와 같이, 복수의 제어 캐비티(140b)는 수직 스택으로 배치될 수 있는데, 이 스택은 서로 수평으로 배치됨은 물론, 수직으로 쌓여진다. 제어 캐비티(140b)는 제어 캐비티 어레이(130b) 내에 수직으로 스태거될 수 있다. 제어 캐비티(140b)는 연료 튜브(135b) 부근으로 감속재의 포켓 및/또는 감속재 증기를 가두기 위한 임의의 적합한 구성으로 배열될 수 있다.
도 12j 내지 12m에 도시된 바와 같이, 각각의 제어 캐비티(140b)는 감속재 냉각재 유입 튜브(335b), 감속재 유출 튜브(337b), 기울어진 상부 부재(155b), 및 측 부재(160b 및 162b)를 포함할 수 있다. 도 12l에 도시된 바와 같이, 측 부재(160b)는, 예컨대, 대략 원형, 또는 육각 연료 튜브 어레이를 위한 대략 육각형, 또는 정방형 연료 튜브 어레이를 위한 대략 정방형일 수 있다. 상부 부재(155b)는 연료 튜브(135b) 부근으로 감속재의 포켓 및/또는 감속재 증기를 가두기 위해 측 부재(160b 및 162b), 감속재 냉각재 유입 튜브(335b), 및/또는 감속재 유출 튜브(337b)에 대하여 갭없이 결합될 수 있다. 감속재는 각각의 제어 캐비티(140b)의 하부에 위치하는 홀(338b)을 통해 감속재 냉각재 유출 튜브(337b)와 제어 캐비티(140b) 사이에서 자유롭게 이동할 수 있다.
상부 부재(155b), 측 부재(160b 및 162b), 및 튜브(335b 및 337b)는, 예컨대, 지르코늄 합금과 같은 감속재의 이동 방향을 조절하고 감속재를 가두기 위한 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있다. 상부 부재(155b), 측 부재(160b 및 162b), 및 튜브(335b 및 337b)는, 예컨대, 용접과 같은 임의의 적합한 기술에 의해 서로 부착될 수 있다. 또한, 상부 부재(155b), 측 부재(160b 및 162b), 및 튜브(335b 및 337b)는 서로 일체로 형성될 수도 있다. 상부 부재(155b), 측 부재(160b 및 162b), 및 튜브(335b 및 337b)는, 예컨대, 닫힌 상부 및 열린 바닥부를 가진 캐비티를 형성하도록 부착될 수 있다. 그러므로, 상부 부재(155b), 측 부재(160b 및 162b), 및 튜브(335b 및 337b)는 제어 캐비티(140b)의 상부 안밖으로의 감소제 이동을 실질적으로 차단함과 동시에, 제어 캐비티(140b)의 하부 안밖으로 감속재가 이동하는 것을 허용한다. 제어 캐비티(140b)의 상부는 상부 부재(155b), 측 부재(160b 및 162b)의 상부, 및 튜브(335b 및 337b)의 일부를 포함할 수 있다. 제어 캐비티(140b)의 하부는 측 부재(160b 및 162b)의 하부, 및 튜브(335b 및 337b)의 하부를 포함할 수 있다. 홀(338b) 및 감속재 유출 튜브(337b)는 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140b) 사이의 감속재 이동을 허용할 수 있다. 감속재 냉각재 유입 튜브(335b)는 그것의 가장 높은 단부(예컨대, 도 12k에 도시된 바와 같은, 주어진 연료 튜브(135b)와 연관된 최상의 제어 캐비티(140b) 내)에서 밀봉될 수 있다. 갭(180b)은 제어 캐비티(140b)와 연료 튜브(135b) 사이에 배치될 수 있고, 비활성 기체 또는 다른 적합한 재료로 채워질 수 있고, 이러한 재료들을 담기 위한, 또는 대류 순환을 줄이기 위한 탑부, 및/또는 바닥부에서 닫혀질 수 있다.
도 12i 및 12l에 도시된 바와 같이, 감속재가 반사기 존(95)과 제어 캐비티(140b) 사이로 감속재 유출 튜브(337b) 및 홀(338b)을 통해 이동할 수 있기 때문에, 제어 캐비티(140b)는 반사기 존(95)과 실질적으로 동일한 감속재를 포함할 수 있다. 제어 캐비티(140b) 내에 가두어진 감속재가 연료 튜브(135b)로부터 방출된 중성자 및 감마선, 및 연료 튜브(135b)로부터의 열전도에 의해 가열될 때, 제어 캐비티(140b) 내의 일부 또는 모든 감속재는 가열되어 기체 존(185b)내의 기체 상태로 될 수 있다. 또한, 제어 캐비티(140b) 내의 일부 또는 모든 감속재는 액체 존(190b) 내의 액체 상태일 수 있다. 기체 존(185b) 및 액체 존(190b)은 경계(195b)에 의해 분리될 수 있다. 기체 존(185b) 및 액체 존(190b)의 크기는 상이한 제어 캐비티(140b) 간에 상이할 수 있다. 그러므로, 경계(195b)의 위치는 제어 캐비티(140b) 간에 상이할 수 있다. 예를 들어, 주어진 제어 캐비티(140b)는 기체 존(185b) 및 액체 존(190b)을 모두 가질 수 있고, 또는 실질적으로 기체 존(185b)만 또는 실질적으로 액체 존(190b)만 가질 수도 있다.
연료 튜브(135b)로부터의 중성자, 감마선, 및/또는 열전도를 통해 가해지는 열은 액체 존(190b)의 액체 감속재가 감속재의 끓는점과 매우 근접한 온도로 유지될 수 있게 한다. 예를 들어, 액체 존(190b)의 감속재는 부글부글 끓는 상태로 유지될 수 있다. 액체 존(190b) 내의 감속재가 부글부글 끓을 때, 일부 감속재는 증발하고 기체 존(185b)으로 올라갈 수 있다. 또한, 감속재 냉각재 유입 튜브(335b) 부근의, 또는 홀(336b)을 통해 감속재 냉각재 유입 튜브(335b)로부터 기체 존으로 분사된 차가운 감속재를 가지는, 기체 존(185b) 내의 감속재는 응축되어 제어 캐비티(140b)의 액체 존(190b)으로 다시 떨어질 수 있다. 홀(336b)은, 예컨대, 소형 홀과 같은, 감속재 이동을 위한 임의의 적합한 크기일 수 있다. 그러므로, 연료 튜브(135b)에 의해(예컨대, 열전도, 중성자 감속, 및/또는 감마선에 의해) 각각의 제어 캐비티(140b)에 가해지는 열의 양과 더 차가운 감속재의 유입에 의해 제거되는 열이 실질적으로 동일할 때, 기체 존(185b)의 크기는 실질적으로 일정하고, 경계(195b)는 비교적 고정적으로 유지될 수 있다. 아래에 더 설명한 바와 같이, 기체 존(185b)의 크기 및 경계(195b)의 위치는 아래에 더 설명되는 바와 같이, 기체 존(185b)의 크기 및 경계(195b)의 위치는 연료의 크세논 및 사마륨 함량을 기초로 단기간(예컨대, 하루의 기간)에 걸쳐 약간 변할 수 있고, 예컨대, 연료의 연령(예컨대, 소진량)을 기초로 장기간(예컨대, 수년의 기간)에 걸쳐 상당히 변할 수 있다. 기체 존(185b)의 크기 및 경계(195b)의 위치는 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의한 냉각 속도의 변화 기간 동안 또는 직후에 약간 변할 수 있다.
도 12j에 도시된 바와 같이, 제어 캐비티(140b)는 감속재 냉각재 유입 튜브(335b)를 통한 그리고 감속재 냉각재 유입 튜브(335b)의 측면의 홀(336b)을 통해 제어 캐비티(140b) 내로의 더 차가운 감속재의 이동에 의해 냉각될 수 있다. 실질적으로 동일한 부피의 더 뜨거운 감속재는 제어 캐비티(140b)를 벗어나 반사기 존(95)으로, 그리고 홀(338b) 및 감속재 유출 튜브(337b)를 통해 원자로 냉각 서브시스템(25)으로 이동할 수 있다.
도 12i, 12j, 및 12k에 도시된 바와 같이, 반사기 존(95)의 하부는 감속재 냉각재 유입 튜브(335b)로부터 감속재 냉각재 유입 튜브(335b)의 하부에 있는 홀(336b)을 통한 더 차가운 감속재의 흐름에 의해 냉각될 수 있는데, 잉여 감속재는 감속재 유출 튜브(337b)를 통해 (아래에 설명된) 감속재 냉각재 서브시스템(315)으로 흐른다.
도 12i, 12j, 및 12k에 도시된 바와 같이, 반사기 존(95)의 하부 및 제어 캐비티 어레이(130b)는 경계(115)에서 발생하는 증발에 의해 냉각될 수 있다. 증발 동안, 잉여 기체 감속재는 전달 튜브(323b)를 통해 (아래에 서술된) 감속재 냉각재 서브시스템(315)으로 이동할 수 있다.
도 12n에 도시된 바와 같이, 가압되지 않은 물(H2O)을 담고 있는 탱크(377b)는 감속재 냉각재 튜브(327b)와 유체 연결된 복수의 감속재 열교환 튜브(390b)를 포함할 수 있다. 감속재 열교환 튜브(390b)는 탱크(377b) 내에 담겨 있는 가압되지 않은 물(H2O)을 통해 뻗을 수 있고, 감속재 냉각재 펌프(350b)와 통로(355b)를 통해 유체 연결될 수 있다. 통로(322b)는 제어 캐비티 어레이(130b) 내에 배치된 감속재 냉각재 유입 튜브(335b)에 감속재 냉각재 펌프(350b)를 유체 연결할 수 있다. 기체 압력 제어 밸브(380b)는 증기 전달 튜브(323b) 내의 압력이 바람직한 압력보다 더 클 때 증기 전달 튜브(323b)로부터 복수의 증기 열교환 튜브(385b)로 일부의 기체 감속재의 통과를 허용할 수 있다. 증기 열교환 튜브(385b) 내의 감속재 증기는 증기 열교환 튜브(385b)의 내벽상에 응축될 수 있고, 또는 증기 열교환 튜브(385b)의 바닥으로부터 탈출하고 감속재 열교환 튜브(390b) 내에 배치된 차가운 감속재로 응축될 수 있다.
탱크(377b)는 그 온도가 물(H2O)의 끓는점을 초과하지 않도록 가압되지 않은 물(H2O)로 실질적으로 채워진 임의의 적합한 탱크일 수 있다. 정상적인 작동에 있어서, 탱크(377b)는 물(H2O)의 끓는점 바로 아래까지 임의의 적합한 방법에 의해 냉각될 수 있다. 원자로(15)로의 전력공급이 중단된 상황, 또는 정상적인 냉각이 비정상적으로 동작하는 상황에서, 탱크(377b)는 탱크(377b) 내에 배치된 물(H2O)의 표면으로부터의 증발에 의해 냉각될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 원자로 냉각 서브시스템(25)은 전달 서브시스템(305), 연료 냉각재 서브시스템(310), 및 감속재 냉각재 서브시스템(315)을 포함할 수 있다. 전달 서브시스템(305)은 열교환기(20)와 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b) 사이에서 원자로 냉각재를 전달할 수 있다. 연료 냉각재 서브시스템(310)은 연료 튜브(135, 135', 135a, 및 135b)로부터 열교환을 용이하게 할 수 있고, 감속재 냉각재 서브시스템(315)은 제어 캐비티(140', 140a, 140b) 및 반사기 존(95)으로부터의 열교환을 용이하게 할 수 있다.
원자로 냉각 서브시스템(25)의 원자로 냉각재는 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)로부터의 열교환을 용이하게 하기 위한 임의의 적합한 유체 재료일 수 있다. 예를 들어, 원자로 냉각재는 D2O("중수"), H2O("경수"), 용융 금속 또는 염, 또는 가스를 포함할 수 있다. 유사한 냉각재가 연료 냉각재 서브시스템(310) 및 감속재 냉각재 서브시스템(315)을 위해 사용될 수도 있고, 또는 상이한 냉각재가 연료 냉각재 서브시스템(310) 및 감속재 냉각재 서브시스템(315)을 위해 사용될 수도 있다.
전달 서브시스템(305)은 저온 원자로 냉각재 통로(320) 및 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 포함할 수 있다. 통로(320 및 325)는, 예컨대, 철 및/또는 지르코늄 합금과 같은 원자로 냉각재를 전달할 수 있는 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있다. 동일한 통로(320 및 325)가 (예컨대, 제1 실시예로서) 연료 냉각재 서브시스템(310) 및 감속재 냉각재 서브시스템(315) 모두를 위한 원자로 냉각재를 전달할 수도 있고, 또는 별개의 통로(320 및 325)가 연료 냉각재 서브시스템(310)을 위해 제공될 수 있고, 통로(322a, 327a, 322b, 327b), 및 유사한 통로들이 감속재 냉각재 서브시스템(315)을 위해 (도시되지 않은) 원자로 코어(100') 내에 제공될 수 있다. 저온 원자로 냉각재 통로(320)는 열교환기(20)로부터 원자로(15)로 저온의 원자로 냉각재를 전달할 수 있다. 저온의 원자로 냉각재는 액체 상태일 수 있고, 원자로(15)로부터의 열교환을 용이하게 하기 위한 임의의 적합한 온도일 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 예컨대, 저온 원자로 냉각재 통로(320)는 격납 구조(85)의 애퍼어처를 통해 반사기 존(95)으로 지나갈 수 있다. 저온 원자로 냉각재 통로(320)는 반사기 존(95) 내부의 감속재 냉각재 서브시스템(315) 및 연료 냉각재 서브시스템(310)의 통로와 통할 수 있고, 그로 인해 열교환을 위해 저온의 원자로 냉각재를 연료 냉각재 서브시스템(310) 및 감속재 냉각재 서브시스템(315)에 공급할 수 있다. 고온 원자로 냉각재 통로(325)는 연료 냉각재 서브시스템(310) 및 감속재 냉각재 서브시스템(315)과 유체 교류할 수 있고, 연료 냉각재 서브시스템(310) 및 감속재 냉각재 서브시스템(315)으로부터 고온의 원자로 냉각재(예컨대, 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내의 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 통과한 원자로 냉각재)를 받을 수 있다. 고온 원자로 냉각재 통로(325)는 원자로(15)로부터 열교환기(20)로 다시 고온의 원자로 냉각재를 전달할 수 있다.
예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 냉각재 서브시스템(310)은 전달 서브시스템(305)의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 및 고온 원자로 냉각재 통로(325)와 유체 교류하는 복수의 통로(330)를 포함할 수 있다. 저온의 원자로 냉각재는 저온 원자로 냉각재 통로(320)에서 통로(330)로 흐를 수 있다. 통로(330)는 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)와 이어지도록 배치될 수 있다. 저온의 원자로 냉각재는 통로(330)를 통과할 수 있고, 그로 인해 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)와의 열교환을 용이하게 하기 위해 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)를 통과한다. 저온의 원자로 냉각재는 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내에 배치된 연료에 의해 가열될 수 있고, 통로(330)를 통해 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 밖으로 전달될 수 있다. 그 다음, 통로(330)는 고온의 원자로 냉각재를 전달 서브시스템(305)의 고온 원자로 냉각재 통로(325)로 전달할 수 있다. 고온의 원자로 냉각재는 실질적으로 완전히 액체 상태이거나, 부분적으로 액체 상태 및 부분적으로 기체 상태일 수 있고, 또는 실질적으로 완전히 기체 상태일 수도 있다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 감속재 냉각재 서브시스템(315)은 전달 서브시스템(305)의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 및 고온 원자로 냉각재 통로(325)와 유체 교류하는 복수의 통로(335)를 포함할 수 있다. 저온의 원자로 냉각재는 저온 원자로 냉각재 통로(320)로부터 통로(335 및 330)로 흐를 수 있다. 저온의 원자로 냉각재는 액체 상태일 수 있다. 통로(335)는 제어 캐비티(140) 내에 배치될 수 있다. 저온의 원자로 냉각재는 통로(335)를 통과하고, 그로 인해 제어 캐비티(140)와의 열교환을 용이하게 하기 위해 제어 캐비티(140)를 통과한다. 저온의 원자로 냉각재는 제어 캐비티(140) 내에 가두어진 감속재에 의해 뜨거운 원자로 냉각재로 가열될 수 있고, 통로(335)를 통해 제어 캐비티(140) 밖으로 전달될 수 있다. 개시된 제어 캐비티 내의 통로(335)에 의해 수행되는 열교환과 유사하게, 통로(330)는 저온의 원자로 냉각재를 저온 원자로 냉각재 통로(320)로부터 반사 풀(105)을 통해 전달한다. 또한, 저온의 원자로 냉각재가 반사 풀(105)의 감속재에 의해 뜨거운 원자로 냉각재로 가열될 수도 있을 것으로 생각된다. 그 다음, 통로(335 및 330)는 뜨거운 원자로 냉각재를 연료 튜브(135)의 하부로, (연료에 의해 뜨거운 원자로 냉각재로 가열되는 곳인) 연료 튜브(135)를 통해, 전달 서브시스템(305)의 고온 원자로 냉각재 통로(325)로 전달한다. 고온의 원자로 냉각재는 실질적으로 완전히 액체 상태이거나, 또는 부분적으로 액체 상태 및 부분적으로 기체 상태일 수 있다.
도 14는 제어 캐비티(140)로부터의 열교환을 용이하게 하기 위해 제어 캐비티(140)를 통과하는 통로(335)의 예시적인 상세 도면을 도시한다. 통로(335)는 중간 통로(345)를 통해 또는 직접적으로 전달 서브시스템(305)의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 및/또는 고온 원자로 냉각재 통로(325)에 연결될 수 있다. 통로(335)는 엔트리 부재(350), 내부 부재(355), 외부 부재(360), 및 출구 부재(365)를 포함할 수 있다. 입구 부재(350)는 내부 부재(355)와 중간 통로(345)를 유체 연결할 수 있다. 내부 부재(355)는 외부 부재(360)의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 내부 부재(355) 및 외부 부재(360)는 하나의 배열의 동심 튜브일 수 있다. 출구 부재(365)는 중간 통로(345)와 외부 부재(360)를 유체 연결할 수 있다. 입구 부재(350)는 출구 부재(365)의 벽내의 애퍼어처를 통과할 수 있고, 출구 부재(365) 내에 부분적으로 배치될 수 있다. 내부 부재(355)는 개방된 단부 부재(370)를 가질 수 있다. 복수의 애퍼어처(375)가 내부 부재(355)의 벽을 통해 형성될 수 있다. 내부 부재(355)의 단부(370)를 향해 이동하는 방향으로, 애퍼어처(375)의 크기가 증가할 수 있고, 애퍼어처(375) 사이의 간격은 줄어들 수 있다. 원자로 냉각재는 입구 부재(350)로부터 내부 부재(355)의 채널(380)을 통해 흐를 수 있다. 일부 원자로 냉각재는 내부 부재(355)의 개방된 단부(370)에 도달하기 전에 애퍼어처(375)를 통해 채널(385)로 지나갈 수 있다. 애퍼어처(375)의 크기 및 빈도가 단부(370)를 향해 이동하는 방향으로 증가할 수 있고, 채널(380 및 385) 간의 원자로 냉각재의 혼합량은 단부(370)를 향해 이동하는 방향으로 증가할 수 있다. 채널(385)은 내부 부재(355) 및 외부 부재(360) 사이에 형성될 수 있고, 환형 형상의 채널일 수 있다. 애퍼어처(375) 및/또는 개방된 단부(370)를 통과한 후, 원자로 냉각재는 채널(385)을 통과하고, 출구 부재(365)를 통해 중간 통로(345)로 흐를 수 있다. 채널(385) 내에 배치된 원자로 냉각재는 외부 부재(360)의 벽을 통해 제어 캐비티(140) 내의 고온의 감속재로부터의 열전도에 의해 가열될 수 있다. 애퍼어처(375)를 통해 채널(380)에서부터 채널(385)로 비교적 더 차가운 냉각재의 일부 흐름을 허용함으로써, 채널(385) 내의 냉각재의 온도가 그 길이를 따라 비교적 일정하게 될 수 있다. (도시되지 않은) 열 전달 핀이 열교환을 용이하게 하기 위해 외부 부재(360)의 내측면 및/또는 외측면에 추가될 수 있다.
다시 도 13을 참조하면, 펌프 서브시스템(30)은 냉각재 펌프(390), H2O 펌프(395), 및 모터(400)를 포함할 수 있다. 모터(400)는 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 구동시킬 수 있다.
냉각재 펌프(390)는 전달 서브시스템(305) 내의 원자로 냉각재의 흐름을 가압하기 위한 임의의 적합한 타입의 펌프일 수 있다. 예를 들어, 냉각재 펌프(390)는 회전식 펌프, 피스톤식(reciprocating-type) 펌프, 또는 선형 펌프와 같은 용적형 펌프(positive displacement pump)일 수 있다. 또한, 예컨대, 냉각재 펌프(390)는, 증기 펌프, 임펄스 펌프, 수압 램(hydraulic ram) 펌프, 또는 원심 펌프(centrifugal pump)일 수 있다. 냉각재 펌프(390)는 열교환기(20)로부터 원자로(15)로의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내의 원자로 냉각재의 흐름을 가압하고, 다시 원자로(15)로부터 열교환기(20)로의 고온 원자로 냉각재 통로(325) 내의 원자로 냉각재의 흐름을 가압한다. 냉각재 펌프(390)는 연료 냉각재 서브시스템(310) 및 감속재 냉각재 서브시스템(315) 모두에 대한 전달 서브시스템(305) 내의 동일한 원자로 냉각재를 가압할 수도 있고, 또는 하나 이상의 냉각재 펌프(390)가 연료 냉각재 서브시스템(310)에 대한 원자로 냉각재 및 감속재 냉각재 서브시스템(315)에 대한 저온의 감속재를 개별적으로 가압할 수도 있다.
H2O 펌프(395)는 냉각재 펌프(390)와 유사한 타입일 수 있고, 터빈 증기 서브시스템(65) 내의 물(H2O) 및 증기(H2O)의 흐름을 가압할 수 있다. H2O 펌프(395)는 열교환기(20)로부터 터빈(45)으로의 통로(70) 내의 고온의 증기(H2O)의 흐름, 터빈(45)에서 터빈 냉각 서브시스템(60)으로의 통로(75) 내의 잉여 또는 쇠퇴한 수증기(H2O)의 흐름, 및 터빈 냉각 서브시스템(60)으로부터 열교환기(20)로의 통로(80) 내의 물(H2O)의 흐름을 가압할 수 있다.
모터(400)는 고정 또는 가변변위(variable-displacement) 모터, 사축식 유압 모터(bent-axis type hydraulic motor), 선형 유압 모터, 유압 실린더, 또는 전기 모터와 같은, 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 구동시키기 위한 임의의 타입의 모터일 수 있다. 모터(400)는, 예컨대, 하나 이상의 기계 축(405)을 통한 것과 같은, 임의의 적합한 방식으로 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 구동시킬 수 있다. 예를 들어, 모터(400)는 하나의 기계 축(405)을 통해 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 모두 구동할 수 있다. 기계 축(405)은 모터(400)가 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 구동할 때 급격한 흐름 변화를 완화시키도록 동작하는 플라이휠(flywheel)을 포함할 수 있다. 또한, 모터(400)는 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 개별적으로 구동할 수 있다. 또한, 모터(400)가, 예컨대, 유압식과 같은, 다른 적합한 기술에 의해 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 구동시킬 수도 있을 것으로 생각된다. 모터(400)는 원자로 시스템(5)이 최대 파워로 동작할 때 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395) 모두를 최적의 수준으로 구동시키도록 구성될 수 있다. 모터(400)는 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)를 모두 구동시킬 수 있고, 모터(400)가 멈추거나 동작 정지된 때 냉각재 펌프(390) 및 H2O 펌프(395)도 동시에 멈춘다. 또한, 각각의 펌프가 별개의 모터를 가질 수도 있을 것으로 생각된다.
도 16-18에 도시된 바와 같이, 보조 냉각 서브시스템(35)은 대류 루프 서브시스템(410) 및 보조 열교환 서브시스템(415)을 포함할 수 있다. 대류 루프 서브시스템(410) 및 보조 열교환 서브시스템(415)은 원자로(15)로부터의 열교환을 용이하게 하기 위한 보조 시스템을 제공할 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 대류 루프 서브시스템(410)은 연결부(425), 통로(430), 통로(435), 복수의 통로(440 및 445), 합류부(450), 연결부(455), 밸브(460), 및 밸브(465)를 포함할 수 있다. 연결부(425), 통로(430), 통로(435), 복수의 통로(440 및 445), 합류부(450), 및 연결부(455)는 원자로 냉각재를 전달하는데 적합한 임의의 재료로 형성될 수 있고, 보조 원자로 냉각재 경로를 제공하기 위해 유체 교류할 수 있다. 연결부(425)는 통로(430)의 주입구에서 압력(A)을 유지하도록 구성될 수 있다. 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 흐르는 원자로 냉각재의 일부분은 연결부(425)에서 통로(430)로 흐를 수 있다. 통로(430)는 원자로 냉각재 흐름을 반사기 존(95)의 경계(115) 밑으로 아래방향으로 안내할 수 있고, 그로 인해 반사 풀(105)의 최상면 아래로 흐름을 안내한다. 원자로 냉각재는 통로(430)로부터, 통로(435)를 통해 위쪽으로 흐를 수 있고, 그 다음 복수의 통로(440)를 통해 격납 구조(85) 및 압력 용기(90)를 향해 흐를 수 있다. 복수의 통로(440)는 복수의 통로(445)와 유체 교류할 수 있다. 통로(440 및 445)는 통로(430 및 435)보다 작은 크기일 수 있고, 예컨대, 복수의 소형 튜브일 수 있다. 복수의 통로(445)는 압력 용기(90)와 우수한 열교환성을 가지기 위해 압력 용기(90)의 표면 부근에 배치될 수 있다. 예컨대, 복수의 통로(445)는 압력 용기(90)에 용접될 수 있다. 복수의 통로(445)는 원자로 냉각재를 압력 용기(90)를 따라 아래쪽으로 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)의 바닥 부근 또는 아래쪽의 위치까지 이동시킬 수 있다.
복수의 통로(445)는 복수의 통로(445)보다 큰 하나 이상의 합류부(450)에서 합쳐지고 합류부(450)와 유체 연결될 수 있다. 예를 들어, 수개의 통로(445)는 각각의 복수의 더 큰 합류부(450)로 합쳐진다. 하나 이상의 합류부(450)는 연결부(455)에서 저온 원자로 냉각재 통로(320)와 유체 연결될 수 있다. 연결부(455)는 하나 이상의 합류부(450)의 배출구에서 압력(B)을 유지하도록 구성될 수 있고, 냉각재 펌프(390)가 최대 파워 동작을 위한 냉각재 흐름을 제공하고 있을 때, 통로(430)에서의 압력(A)이 압력(B)와 균형을 이루어서, 비교적 적은 냉각재가 연결부(425)과 연결부(455) 사이로 통로(430, 435, 440, 445) 및 합류부(450)를 통해 지나갈 수 있다. 냉각재 펌프(390)가 작동하지 않고 원자로 코어(100)가 아직 열을 산출하지 않을 때, 연료 튜브(135) 내의 고온의 냉각재는 통로(325)가 펌프(390)에 의해 실질적으로 차단될 수 있기 때문에 통로(430)로 올라가 흐를 수 있다. 고온의 냉각재는 통로(435 및 440)를 통해 복수의 통로(445)까지 계속 흐를 수 있다. 통로(445)에서, 냉각재는 반사기 존(95) 및 압력 용기(90)로 열을 전달할 수 있고, 냉각되어 응축될 수 있다. 이러한 비교적 응축된 감속재는 통로(445) 및 연결부(455)를 통해 떨어질 수 있고, 연료 튜브(135) 내의 비교적 더 고온의 감속재를 대신하여, 연료 튜브(135)를 냉각시킬 수 있는 대류 순환을 만들어낸다.
밸브(460 및 465)는 원자로 냉각 서브시스템(25)의, 원자로(15) 외부의, 냉각재의 흐름의 방해 및/또는 손실의 경우에, 대류 루프 서브시스템(410) 내에 원자로 냉각재의 흐름을 격리시키기 위해 제공될 수 있다. 밸브(460)는 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내에 배치될 수 있고, 원자로(15) 외부의 원자로 냉각재의 흐름을 실질적으로 차단하기 위한 임의의 적합한 밸브일 수 있다. 예를 들어, 밸브(460)는 원자로 냉각재가 저온 원자로 냉각재 통로(320)를 통해 원자로(15)로 흐르는 것을 허용하지만, 원자로 냉각재가 저온 원자로 냉각재 통로(320)를 통해 원자로(15) 외부로 흐르는 것은 차단할 수 있는, 단방향 밸브(one-way valve) 또는 역류 방지 밸브(reverse blocking valve)일 수 있다. 예를 들어, 밸브(460)는 격납 구조(85)의 외측면에 또는 그 부근의 위치에서 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내에 배치될 수 있다. 밸브(465)는 고온 원자로 냉각재 통로(325) 내에 배치될 수 있고, 원자로 냉각재의 양이 임계 양보다 작을 때 원자로(15) 밖으로의 원자로 냉각재의 흐름을 실질적으로 차단하는 임의의 적합한 밸브일 수 있다. 예를 들어, 밸브(465)는 원자로 냉각재의 수위가 임계 양보다 클 때 원자로 냉각재가 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 원자로(15) 외부로 흐르는 것을 허용하지만, 원자로 냉각재의 수위가 임계 양보다 작을 때 원자로 냉각재가 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 원자로(15) 외부로 흐르는 것을 실질적으로 차단할 수 있는 플로팅 밸브(floating valve)일 수 있다. 예를 들어, 밸브(465)는 고온 원자로 냉각재 통로(325)가 원자로 냉각재의 최대양의 절반보다 작을 때 원자로(15) 밖으로 원자로 냉각재가 흐르는 것을 실질적으로 차단할 수 있다. 밸브(465)는 격납 구조(85)의 외측면에 또는 그 부근의 위치에서 고온 원자로 냉각재 통로(325) 내에 배치될 수 있다.
도 17 및 18에 도시된 바와 같이, 보조 열교환 서브시스템(415)은 하나 이상의 열교환 부재(470), 하나 이상의 열교환 부재(475), 및 하나 이상의 열교환 부재(480)를 포함할 수 있다. 열교환 부재(470), 열교환 부재(475), 및 열교환 부재(480)는 원자로(15)로부터 떨어진 위치까지 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)에 의해 산출된 열에 대한 열교환을 용이하게 할 수 있다.
열교환 부재(470)는 하나의 재료를 둘러싸는 기다란 엘리먼트일 수 있다. 열교환 부재는 격납 구조(85) 내에 배치될 수 있고(예컨대, 격납 구조(85)의 벽 안쪽에 캐스팅된(cast)), 압력 용기(90) 부근에 또는 압력 용기(90)의 외측면과 접촉하게 배치될 수 있다. 열교환 부재(470)는 열교환 부재(470)의 일단이 압력 용기(90)와 인접하거나 접촉하고, 열교환 부재(470)의 타단이 격납 구조(85)의 바깥 부분 부근에 있도록, 격납 구조(85) 내에 방사상으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(470)는 상태 변화 재료를 내장한 기다란 캐비티일 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(470)는 금속 합금으로 채워진 철 튜브일 수 있다. 상태 변화 금속 합금은 반사기 존(95)의 감속재의 정상 동작 온도보다 약간 높은 용융점을 가진 재료일 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(470)는 납, 주석, 및/또는 적합한 용융점을 가진 임의의 다른 재료로 실질적으로 완전히 채워진 속이 뚫힌 철 튜브일 수 있다. 반사기 존(95) 내의 감속재의 온도가 정상 동작 온도를 초과한다면, 열교환 부재(470) 내에 내장된 상태 변화 재료는 가열되어 고체 상태에서 액체 상태가 될 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(470)는 상태 변화 재료로서 납을 포함할 수 있는데, 이는 반사기 존(95) 내의 감속재가 정상 동작 온도를 초과할 때 용융된 납으로 용융될 수 있다. 상태 변화 재료가 상태를 변화할 때(예컨대, 납이 용융될 때), 상태 변화 재료의 전도율(conductivity) 특성이 향상될 수 있다. 그러므로, 열교환 부재(470)의 상태 변화 재료는 상태 변화 재료가 용융될 때 압력 용기(90)로부터 멀어지도록 (낮은 열 전도율을 가질 수 있는) 격납 구조(85)의 외부를 향해 (예컨대, 대류에 의해) 열을 효율적으로 전달할 수 있다. 또한, 열교환 부재(470) 내에 내장된 상태 변화 재료는 정상 동작 온도에서 액체 상태일 수 있고, 감속재의 온도가 정상 동작 온도를 초과할 때 가열되어 기체 상태로 될 수도 있을 것으로 생각된다.
또한, 열교환 부재(475)는 열교환 부재(470)와 유사한, 상태 변화 재료를 내장한 기다란 캐비티일 수 있다. 열교환 부재(475)의 상태 변화 재료는 열교환 부재(470)의 상태 변화 재료보다 낮은 용융점 및/또는 끓는점을 가진 재료일 수 있다. 예를 들어, 상태 변화 재료는 액체 상태의 재료일 수 있고, 열교환 부재(470)가 상태 변화를 겪은 온도(예컨대, 납 또는 열교환 부재(470)의 임의의 다른 적합한 상태 변화 재료의 용융점)보다 낮은 끓는점을 가질 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(475)는 액체 상태인 물(H2O) 또는 임의의 다른 적합한 재료로 채워진 철 튜브일 수 있다. 열교환 부재(475)는 격납 구조(85)(예컨대, 격납 구조(85)의 벽 내의 캐스팅된) 내에 실질적으로 수직으로 배치될 수 있다. 도 17 및 18에 도시된 바와 같이, 열교환 부재(475)는 하나 이상의 열교환 부재(470)의 일단부 부근에 배치되거나 접촉할 수 있고, 격납 구조(85)의 외측면 부근에 배치될 수 있다. 열교환 부재(475)의 상태 변화 재료는 열교환 부재(470)로부터 전달되는 열에 의해 가열될 수 있고, 상태 변화를 겪을 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(470)의 일단부로부터 열교환 부재(475)로 전달되는 열은 상태 변화 재료를 상태 변화시킬 수 있다(예컨대, 철 튜브 내에 내장된 물을 끓게 할 수 있다). 또한, 열교환 부재(475)의 상태 변화 재료가 감속재의 정상 동작 온도에서 고체 상태일 수 있고, 감속재의 온도가 정상 동작 온도를 초과할 때 가열되어 액체 상태로 될 수도 있을 것으로 생각된다.
열교환 부재(480)는 열교환 부재(475)와 유사할 수 있고, 열교환 부재(475)와 유체 교류할 수 있다. 그러므로, 열교환 부재(475)의 상태 변화 재료는 열교환 부재(475)로부터 열교환 부재(480)로 흐를 수 있다. 열교환 부재(480)는 실질적으로 수평 평면으로부터 약간의 각도로 배치될 수 있다. 열교환 부재(480)는, 예컨대, 1:20(높이 대 폭) 또는 1:50(높이 대 폭)과 같은 약간의 경사로 배치될 수 있다. 도 18에 도시된 바와 같이, 열교환 부재(480)는 원자로(15)로부터 산개되어 열을 원자로(15)로부터 멀리 전달할 수 있다. 열교환 부재(480)는 지면 아래에 배치될 수 있고, 그로 인해 원자로(15)로부터의 열을 임의의 적절한 양의 지면 아래로 전달할 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(480)는 넓은 들판 및/또는 주차장 아래에 배치될 수 있고, 그로 인해 열을 흡수하기 위해 지면의 큰 열용량을 사용하고 열을 분산시키기 위해 지면을 사용할 수 있다. 열교환 부재(480)가 약간의 경사를 가질 수 있기 때문에, 열교환 부재(480) 내에 내장된 상태 변화 재료는 원자로(15)로부터 주어진 거리에서 냉각되어 이전 상태로 될 수 있다. 예를 들어, 열교환 부재(475)는 수증기(H2O)로 가열될 수 있고, 열교환 부재(480)로 전달될 수 있는 물을 포함할 수 있다. 외부 단부에서, 열교환 부재(480)는 소형 물탱크 또는 저장소에서 끝나고, 열교환 부재(475 및 480)는 실질적으로 항상 물로 채워져 있다. 열교환 부재(480)는 파이프의 접촉 면적을 증가시키도록(예컨대, 지면을 따라 거리당 접촉면적을 증가시키도록) 구성된 물결 모양의 파이프일 수 있고, 파이프 내측면과 파이프 내의 임의의 수증기(H2O)의 접촉 면적을 증가시킨다. 파이프 내의 물(H2O)의 윗면을 따라 바깥쪽으로 이동하는 수증기(H2O)가 임의의 수증기(H2O)가 파이프 내에서 더 밖으로 이동하기 전에 파이프 내의 각각의 물결 모양의 상부를 채우기 때문에, 이러한 물결 모양은 수증기(H2O)와 접촉하는 파이프 내의 물(H2O)의 표면적을 증가시킨다. 주어진 거리 후, 충분한 열이 발산될 수 있고 수증기(H2O)는 물(H2O)로 응축된다.
도 19에 도시된 바와 같이, 보조 원자로 정지 서브시스템(420)은 가압 저장소(485), 하나 이상의 통로(490), 배수 통로(495), 및 펌프(500)를 포함할 수 있다. 가압 저장소(485)는 통로(490)로 가압된 물(H2O)을 공급할 수 있다. 펌프(500)는 물(H2O)을 배수 통로(495)로 가압할 수 있다.
가압 저장소(485)는, 예컨대, 가압 철 용기와 같은 가압된 물을 저장하는 임의의 적합한 용기일 수 있다. 예컨대, 물(H2O)과 같은, 임의의 적합한 중성자 흡수 재료는 가압 저장소(485)에 저장될 수 있다. 또한, 물(H2O)에 흡수 혼합된 붕소를 가진 붕산수(H2O)가 가압 저장소(485)에 저장될 수 있다. 가압 저장소(485)는 격납 구조(85)의 외측면 상에 배치될 수 있고, 가압 저장소(485)로부터 하나 이상의 통로(490)로 가압 재료의 흐름을 선택적으로 허용 및 차단하도록 흐름을 개폐할 수 있는 밸브(487)를 포함할 수 있다.
통로(490)는 가압된 재료를 전달하기 위한 임의의 적합한 통로일 수 있다. 통로(490)는 가압 저장소(485)와 유체 연결될 수 있고, 가압 저장소(485)로부터 가압된 재료를 격납 구조(85)의 애퍼어처를 통해 전달할 수 있고, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b) 아래의 반사기 존(95)으로 코어 영역을 통해 아래로 지나간 다음 다시 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)로 올라가는 하나 이상의 U-자형 튜브로 나누어질 수 있다. 통로(490)는 임의의 적합한 방법으로 반사기 존(95) 및 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 통해 가압된 재료를 전달할 수 있다. 예를 들어, 도 19에 도시된 바와 같이, 통로(490)는 반사 풀(105)의 상부로 진입하고, 실질적으로 U자형 구성을 형성할 수 있다. 통로(490)는 반사기 존(95) 내에 임의의 적합한 구성으로 형성될 수 있다. 밸브(487)가 가압 저장소(485)로부터 통로(490)로의 가압된 재료의 흐름을 차단할 때, 통로(490)는 이미 수증기(H2O)로 채워질 수 있다. 원자로의 신속한 정지가 요구될 때(예컨대, SCRAM), 밸브(487)가 개방되고, 예컨대, 붕산수(H2O)와 같은 가압된 중성자 흡수 재료가 통로(490)를 채우고, 가압된 중성자 흡수 재료는 통로(490)내에 이미 배치되어 있던 수증기(H2O)를 점점 더 가압할 수 있다. 그러므로, 통로(490) 내에 이미 배치되어 있던 수증기(H2O)는 하나 이상의 통로(490) 각각의 단부(505)에서 점점 더 가압될 수 있고, 추가적인 흐름이 느려지고 점차적으로 정지된다.
배수 통로(495)는 반사 풀(105)의 하부에 배치될 수 있고, 가압 저장소(485)와 통로(490)의 임의의 부분(예컨대, 하부)를 유체 연결할 수 있다. 펌프(500)는 배수 통로(495) 내에 배치될 수 있고, 원자로(15)를 재시동하고자 할 때 중성자 흡수 재료를 통로(490)의 하부에서 가압 저장소(485)로 다시 가압할 수 있다. 펌프(500)는 또한 가압 저장소(485) 내에 배치된 중성자 흡수 재료를 가압할 수 있다. 펌프(500)는, 예컨대, 붕산수(H2O)와 같은 중성자 흡수 재료를 통로(490)로부터 다시 가압 저장소(485)로 펌핑할 수 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 원자로 제어 서브시스템(40)은 제어 서브시스템(510), 로드 팔로우잉 서브시스템(515), 우회 서브시스템(520), 감속재 안정화 서브시스템(525), 원자로 냉각재 안정화 서브시스템(530), 및 차등 흐름 서브시스템(535)을 포함할 수 있다. 제어 서브시스템(510), 로드 팔로우잉 서브시스템(515), 우회 서브시스템(520), 감속재 안정화 서브시스템(525), 원자로 냉각재 안정화 서브시스템(530), 및 차등 흐름 서브시스템(535)은 원자로 시스템(5)의 동작을 제어 및/또는 안정화할 수 있다.
제어 서브시스템(510)은 자동 기계 프로세스에 적합한 임의의 타입의 프로그래밍가능한 로직 컨트롤러일 수 있는 컨트롤러(540)를 포함할 수 있다. 컨트롤러(540)는 (도시되지 않은) 전기선을 통해 원자로 시스템(5)의 컴포넌트에 연결될 수 있고, 전기선을 통해 원자로 시스템(5)의 임의의 적합한 컴포넌트의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(540)는 발전 서브시스템(10), 원자로(15), 열 교환기(20), 원자로 냉각 서브시스템(25), 펌프 서브시스템(30), 보조 냉각 서브시스템(35), 및/또는 원자로 제어 서브시스템(40)의 컴포넌트들과 전기적으로 연결될 수 있고, 이들을 제어할 수 있다. 또한, 제어 서브시스템(510)은, 예컨대, 디스플레이, 모니터, 키보드, 및 원자로 시스템(5)의 운전자가 사용하기 위한 다른 디바이스와 같은, 컨트롤러(540)와 전기적으로 연결된 입력 및/또는 출력 컴포넌트를 포함할 수 있다. 제어 서브시스템(510)은 또한 원자로 시스템(5)의 다양한 통로 및 컴포넌트 내에 배치된 센서를 포함할 수 있다. 이러한 센서는, 예컨대, H2O, 또는 원자로 냉각재의, 예컨대, 온도 및/또는 압력과 같은 임의의 적합한 파라미터를 측정할 수 있다. 센서는 컨트롤러(540)에 전기적으로 연결될 수 있고, 원자로 시스템(5)의 제어에 사용하기 위한 감지된 데이터를 컨트롤러(540)로 입력할 수 있다.
로드 팔로우잉 서브시스템(515)은 게이트(545 및 550), 통로(555, 560, 565, 580, 및 590), 응축기(570), 밸브(575), 열교환기(585), 및 연결부(595)를 포함할 수 있고, 수증기(H2O) 및 물(H2O)을 전달하기 위한 임의의 적합한 엘리먼트일 수 있다.
게이트(545)는 통로(70) 내에 배치될 수 있고, 통로(70)로부터 통로(555)로의 흐름을 선택적으로 허용할 수 있다. 게이트(545)는 통로(70)에서 통로(555)로의 수증기(H2O)의 흐름을 실질적으로 차단하는 닫힌 위치에서부터, 통로(70)에서 통로(555)로의 흐름을 실질적으로 완전히 허용하는 열린 위치, 및 닫힌 위치와 열린 위치 사이의 임의의 원하는 구간에 위치하고, 통로(70)로부터 통로(555)로의 수증기(H2O)의, 게이트(545)가 개방된 크기에 비례하는 부분적인 흐름을 허용하는 부분 개방 위치로 선택적으로 이동할 수 있다. 그로 인해, 게이트(545)는 통로(555)를 통해 수증기(H2O)를 방향 전환함으로써 통로(70)를 통한 수증기(H2O)의 흐름을 선택적으로 줄일 수 있다.
게이트(550)는 통로(555) 내에 배치될 수 있고, 게이트(545)의 동작과 유사한 방식으로 통로(555)로부터 통로(560)로의 흐름을 선택적으로 허용할 수 있다. 게이트(550)는 통로(555)로부터 통로(560)로의 수증기(H2O)의 흐름을 선택적으로, 차단, 부분 허용, 또는 완전 허용할 수 있다. 통로(560)는 터빈(45)을 지나쳐서 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 직접 수증기(H2O)를 전달할 수 있다. 그러므로, 게이트(550)는, 예컨대, 터빈(45)의 신속한 정지가 요구될 때와 같은, 특정한 상황에 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 직접 수증기(H2O)가 전달되는 것을 선택적으로 허용하도록 동작할 수 있다.
통로(555)는 통로(565)와 유체 교류할 수 있다. 통로(565)는 통로(555)로부터 응축기(570)로 수증기(H2O)를 전달할 수 있다. 통로(565)는 열 교환기(20)의 내부를 통과하는 것이 아니라, 열 교환기(20)의 외부를 통과할 수 있다.
응축기(570)는 저온 원자로 냉각재 통로(320)와 접촉하거나 인접하게 배치될 수 있다. 응축기(570)는 수증기(H2O)를 물(H2O)로 응축시키기 위한 임의의 적합한 응축기일 수 있다. 밸브(575)는, 예컨대, 응축기(570)의 바닥과 같은 임의의 적합한 위치에 응축기(570) 내에 배치될 수 있다. 밸브(575)는 응축기(570) 외부로 수증기(H2O)의 흐름을 실질적으로 차단함과 동시에 응축기(570) 외부로 물(H2O)이 흐르는 것을 허용하는 임의의 적합한 밸브일 수 있다. 예를 들어, 밸브(575)는 플로트 밸브일 수 있다. 응축기(570) 및 밸브(575)는 통로(580) 내의 비교적 낮은 압력의 물(H2O)로 통로(565) 내의 높은 압력의 수증기(H2O)를 줄이는, 압력 감소 시스템으로서 역할할 수 있다.
통로(580)는 응축기(570)와 유체 교류할 수 있다. 통로(580)는 응축기(570)로부터 열교환기(585)로 물(H2O)을 전달할 수 있다. 통로(580)는 열 교환기(20)의 내부를 통과하는 것이 아니라, 열 교환기(20)의 외부로 지나간다.
열교환기(585)는 통로(580)를 통해 전달되는 물(H2O)로부터의 열교환을 용이하게 하기 위한 임의의 적합한 디바이스일 수 있다. 열교환기(585)는 물(H2O)을 H2O 펌프(395)의 배출구로부터 열 교환기(20)로 전달하는 터빈 증기 서브시스템(65)의 통로 내에 또는 그 부근에 배치될 수 있다. 열교환기(585)는 터빈 증기 서브시스템(65)의 통로(80)에 의해 전달되는 물(H2O)과 실질적으로 동일한 온도로 물(H2O)의 온도를 냉각시킬 수 있다. 통로(590)는 연결부(595)를 통해 열교환기(585)에서 통로(80)로 물(H2O)을 전달할 수 있다. 통로(590)에 의해 통로(80)로 전달된 물(H2O)은 이미 통로(80)로 흐르는 물(H2O)의 온도와 실질적으로 동일한 온도를 가질 수 있다. 통로(80)는 물(H2O)을 펌프 서브시스템(30)의 H2O 펌프(395)의 주입구로 전달할 수 있다.
우회 서브시스템(520)은 펌프(600) 및 통로(605)를 포함할 수 있다. 통로(605)는 전달 서브시스템(305)의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 및 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 유체 연결할 수 있다. 펌프(600)는 통로(605) 내에 배치될 수 있다. 펌프(600)는, 예컨대, 펌프(390) 용량의 대략 2% 내지 20%와 같은, 비교적 작은 용량을 가질 수 있다. 펌프(600)는 고온 원자로 냉각재 통로(325)로부터의 원자로 냉각재를 저온 원자로 냉각재 통로(320)로 펌핑하기 위해 통로(605) 내의 원자로 냉각재를 가압하고, 그로 인해 열 교환기(20) 및 펌프(390)를 바이패싱하도록 동작할 수 있다. 펌프(600) 및 통로(605)는 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 흐르는 비교적 고온의 원자로 냉각재가 열 교환기(20)를 지나쳐서 저온 원자로 냉각재 통로(320)로 직접 흐르게 하고, 그로 인해 고온의 냉각재가 비교적 저온의 냉각재와 혼합되어, 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내에서 흐르는 냉각재의 온도를 올린다. 우회 서브시스템(520)은, 예컨대, 셧다운 동안 및/또는 원자로 시스템(5)의 초기 원자로 냉각재 로딩(loading) 동안 동작할 수 있다. 우회 서브시스템(520)은 또한 펌프(390 및 395)의 효율적인 흐름 비율을 조절하는 역할을 할 수도 있다(예컨대, 펌프 서브시스템(30)은 전체 파워에서 터빈 스팀 흐름에 대한 원자로 냉각재 흐름의 정확한 비율을 제공하도록 설계될 수 있으나, 더 낮은 파워 동작에서는 약간 상이한 비율이 바람직할 수 있다).
감속재 안정화 서브시스템(525)은 통로(610, 630,640, 및 650), 밸브(615), 저장소(625), 응축기(635), 및 펌프(645)를 포함할 수 있고, 수증기(H2O) 및 물(H2O)을 전달하기 위한 임의의 적합한 엘리먼트일 수 있다.
통로(610)는 반사기 존(95)의 수증기 영역(110)을 저장소(625)와 유체 연결할 수 있는 비교적 큰 통로일 수 있다. 밸브(615)는 통로(610) 내에 배치될 수 있다. 밸브(615)는 정상 동작 동안 기체 감속재의 흐름을 실질적으로 차단하는 닫힌 위치일 수 있다. 밸브(615)가 개방될 때, 기체 감속재는 통로(610)를 통해 저장소(625)로 흐를 수 있다. 저장소(625)는 반사기 존(95)의 수증기 영역(110)의 압력보다 낮은 압력으로 유지될 수 있는 저압 저장소일 수 있다. 저장소(625)는 비교적 크고 저온인 저장 공간일 수 있다. 예를 들어, 저장소(625)는 비교적 많은 양의 물(H2O)로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 저장소(625)는 터빈 증기 서브시스템(65)의 물(H2O)로 냉각될 수 있다. 통로(610)를 통해 저장소(625)로 들어간 후, 기체 감속재는 팽창하고 저장소(625)의 내벽의 비교적 차가운 표면상에 응축된다. 밸브(615)가 개방된 때, 반사기 존(95)의 수증기 영역(110) 밖으로의 감속재 증기의 빠른 흐름은 수증기 영역(110) 내의 기체 감속재의 압력 및 반사기 존(95) 내의 감속재의 압력을 감소시켜, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 외부로의 감속재의 빠른 흐름을 가능하게 하고, 그로 인해 제어 캐비티 내의 감속재의 중량을 줄이고, 핵분열을 일으킬 가능성이 있는 열(느린) 중성자의 개수를 줄여 원자로(15)의 신속한 셧다운을 이끌 수 있다.
통로(630)는 응축기(635)와 통로(610)를 유체 연결할 수 있다. 통로(630)는 비교적 작은 통로일 수 있다. 예컨대, 통로(630)는 통로(610)보다 상당히 작은 직경을 가진 파이프일 수 있다. 통로(630)는 통로(610)를 응축기(635)와 유체 연결할 수 있다. 응축기(635)는 터빈 증기 서브시스템(65)의, 비교적 저온의 물(H2O)을 전달할 수 있는, 통로(80)와 접촉하거나 그 부근에 배치될 수 있다. 응축기(635)는 기체 감속재를 액체 감속재로 응축하기 위한 임의의 적합한 응축기일 수 있다. 통로(610)로부터 통로(630)를 통해 전달되는 기체 감속재는 응축기(635)에 의해 액체 감속재로 응축될 수 있다. 통로(640)는 펌프(645)를 통해 응축기(635)와 유체 연결될 수 있다.
펌프(645)는 통로(640)로부터 통로(650)로의 응축된 액체 감속재의 흐름을 선택적으로 차단할 수 있다. 또한, 펌프(645)는 통로(650)로 응축된 액체 감속재가 흐르는 것을 선택적으로 허용할 수 있고, 통로(650)를 통해 흐르도록 응축된 액체 감속재를 가압하도록 동작할 수 있다. 통로(650)는 응축된 액체 감속재를 다시 원자로(15)로 전달할 수 있다. 예컨대, 통로(650)는 반사기 존(95)의 상부, 예컨대, 수증기 영역(110)과 통로(650)를 유체 연결할 수 있다. 통로(650)를 통해 수증기 영역(110)으로 전달되는 응축된 액체 감속재는 수증기 영역(110) 내의 추가적인 기체 감속재가 응축되게 할 수 있다. 반사기 존(95)은 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)로부터 빠져나온 중성자에 의해 가열될 수 있고, 반사기 존(95) 내의 감속재는 수증기 영역(110) 내의 기체 감속재로 증발할 수 있다. 펌프(645)는 수증기 영역(110) 및 반사기 존(95) 내의 안정한 압력을 유지하기 위해 수증기 영역(110)으로부터 잉여 기체 감속재를 응축시키도록 동작할 수 있다.
원자로 냉각재 안정화 서브시스템(530)은 저장소(655), 가열 엘리먼트(660), 및 통로(665)를 포함할 수 있다. 저장소(655)는 원자로 냉각재를 저장할 수 있는 가압 저장 탱크일 수 있다. 저장소(655)는 고온 원자로 냉각재 통로(325)로부터 통로(665)를 통해 원자로 냉각 서브시스템(25)으로부터의 원자로 냉각재를 공급받을 수 있다. 저장소(655)는 바닥부에 액체 원자로 냉각재, 및 상부에 기체 원자로 냉각재를 포함할 수 있다. 가열 엘리먼트(660)는 저장소(655) 내에 저장된 원자로 냉각재를 바람직한 온도 및/또는 압력으로 유지하기 위해 저장소(655)를 선택적으로 가열할 수 있다. 가열 엘리먼트(660)는, 예컨대, 전기 히터와 같은 저장소(655)를 선택적으로 가열하기 위한 임의의 적합한 디바이스일 수 있다. 저온 원자로 냉각재 통로(320)로부터의 저온의 원자로 냉각재는 저온 원자로 냉각재 통로(320)로부터의 (도시되지 않은) 공급선 및 펌프에 의해 저장소(655)로 선택적으로 펌핑될 수 있다. 예컨대, (도시되지 않은) 펌프는 저온 원자로 냉각재 통로(320)로부터의 저온의 가압된 원자로 냉각재를 저장소(655)의 최상부(수증기)로 분무하는 분사기(injector)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교적 저온의 원자로 냉각재는 기체 원자로 냉각재의 일부를 응축시켜 저장소(655) 및 고온 원자로 냉각재 통로(325) 내의 압력을 줄이기 위해, 저장소(655) 내의 기체 원자로 냉각재의 일부를 응축시키기 위해 저장소(655) 내로 (도시되지 않은) 펌프에 의해 분무될 수 있다.
도 15 및 20에 도시된 바와 같이, 차등 흐름 서브시스템(535)은 저온 원자로 냉각재 통로(320)의 일부분(675)에 배치된 복수의 동심의 통로(670)를 포함할 수 있다. 동심의 통로(670)는 저온 원자로 냉각재 통로(320)의 부분(675)을 대신할 수 있고, 저온 원자로 냉각재 통로(320)의 다른 부분과 부분(675)의 양 끝단에서 유체 연결될 수 있다. 부분(675)은 펌프(390)의 하류(downstream)에 배치될 수 있는 저온 원자로 냉각재 통로(320)의 상승부일 수 있다. 예컨대, 대략 10개의 동심의 통로(670)와 같은, 임의의 적합한 개수의 동심의 통로(670)가 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내에 배치될 수 있다. 동심의 통로(670)는, 예컨대, 동심의 철 파이프일 수 있다. 동심의 통로 사이의 영역은 가장 내측 통로(670)에서 가장 외측의 통로(670)로 갈수록 증가할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 동심의 통로(670) 사이의 영역(A2)은 제1 동심의 통로(670) 내에 형성된 영역(A1)의 2배일 수 있고, 제3 및 제4 동심의 통로(670) 사이의 영역(A3)은 제1 동심의 통로(670) 내에 형성된 영역(A1)의 5배일 수 있고, 제9 및 제10 동심의 통로(670) 사이의 영역(A4)은 제1 동심의 통로(670) 내에 형성된 영역(A1)의 10배일 수 있다. 각각의 연속적인 동심의 통로(670) 사이의 각각의 영역의 일부는 각각의 동심의 통로(670) 안밖으로 실질적으로 동일한 흐름 속도를 유지하기 위해 각각의 끝부에서 차단될 수 있다. 그로 인해, 동심의 통로(670)는 내측의 동심의 통로와 대하여 외측의 동심의 통로 내로 동일한 양의 유체를 전달하기 위해 비례식으로 더 많은 시간이 걸릴 수 있고, 그러므로 저온 원자로 냉각재 통로(320)내의 급격한 온도 변화는 완화될 수 있다.
개시된 원자로 시스템의 적어도 일부의 예시적인 실시예에서, 원자로 제어 방법은 원자로의 코어 내의 감속기를 둘러싸는 제어 캐비티를 가짐으로써 사용될 수 있다. 적어도 일부의 예시적인 실시예에서, 원자로 내의 감속재는 3부분: 연료 소스의 임의의 부분으로부터 대략 1피트 미만인 원자로 내의 임의의 위치에 배치될 수 있는 코어 영역, 코어 영역의 바깥쪽이지만 연료 소스의 임의의 부분으로부터 3 또는 4 피트 미만인 임의의 감속재를 포함할 수 있는 반사기 존, 및 코어 영역과 반사기 존의 외부에 임의의 감속재를 포함할 수 있는 감속재 풀로 나누어질 수 있다. 코어 영역 내의 감속재의 하나의 기능은 연료를 핵분열시킴으로써 방출되는 고속의 중성자를 중성자가 새로운 핵분열을 일으키기 훨씬 더 쉬운 비교적 느린 속도로 감속시키는 것이다. 반사기 존 내의 감속재의 하나의 기능은 원자로로부터 손실된 중성자의 수를 줄이기 위해 코어 영역으로부터 벗어난 중성자를 코어 내로 다시 반사하는 것이다. 감속재 풀 내의 감속재는 원자로에 약한 영향을 미칠 수 있다(예컨대, 감속재는 감속재가 코어 감속재 제어 캐비티로부터 변위될 때 감속재 풀로 갈 수 있고, 감속재가 코어로 돌아갈 때 감속재 존으로부터 올 수 있다). 적어도 일부의 예시적인 실시예에서, 개시된 제어 캐비티는 원자로 코어 영역 내의 대부분의 감속재를 둘러쌀 수 있고, 최상부에서 닫혀 있을 수 있으나, 제어 캐비티의 바닥과, 반사기와, 감속재 풀 영역 사이에서 감속재의 자유로운 이동을 허용한다.
개시된 원자로 시스템의 적어도 일부의 예시적인 실시예에서, 개시된 원자로 시스템이 일정한 속도로 전력을 산출하고 있을 때, 연료는 핵평형 상태에 있을 수 있고 제어 캐비티는 열평형 상태에 있을 수 있다. 두 평형 상태는 하나의 평형의 임의의 변화가 다른 것의 평형의 변화를 일으킬 수 있고, 첫번째의 변화가 반대로 작용하도록 하는, 네거티브 피드백에 의해 연결되어 있다. 개시된 제어 캐비티는 제어 캐비티로 저온의 감속재를 펌핑함으로써 또는 전도에 의해 제어 캐비티를 냉각시키는 제어 캐비티 내의 하나 이상의 튜브를 통해 더 저온의 유체를 통과시킴으로써, 대략 동일한 속도로 (또는 제어 캐비티가 모두 동일한 체적이 아니라면 각각의 제어 캐비티의 체적에 비례하는 속도로) 제어 캐비티를 냉각시키는 감속재 냉각 시스템을 가질 수 있다. 열이 고온의 연료 튜브로부터 열전도에 의해 그리고 고속의 중성자 및 연료로부터의 감마선에 의해 감속재 내에 있는 에너지에 의해 제어 캐비티로 들어갈 수 있다. 제어 캐비티를 빠져나오는 것보다 더 많은 열이 제어 캐비티로 들어갈 때, 캐비티 내의 액체 감속재는 증발하고 제어 캐비티의 상부로 증기 방울 형태로 올라가고, 동시에 액체 감속재는 제어 캐비티의 바닥으로부터 이동하고, 증기가 액체 감속재보다 훨씬 낮은 밀도일 수 있기 때문에 원자로 코어 내의 감속재의 전체 질량을 감소시킨다. 감속재 냉각 시스템에 의해 제거되는 것보다 더 적은 열이 캐비티로 들어가면, 증기 방울 내의 증기 중 일부는 응축되고, 증기 방울의 크기가 줄어들고, 반사기 존 및 감속재 풀로부터 캐비티로 액체 감속재를 끌어당겨, 코어 내의 감속재의 전체 질량이 증가한다.
개시된 원자로 시스템의 적어도 일부의 예시적인 실시예에서, 고속의 중성자가 연료 내의 원자의 각각의 핵분열을 통해 방출된다. 이러한 고속의 중성자의 대부분은 (연료에 의해 방출되는 감마선과 함께) 연료로부터 감속재로 빠져나가고, 감속재와의 충돌에 의해 감속된다. 이러한 감속된 중성자는 감속재로부터 연료로 다시 분산된다. 그러므로, 감속된 중성자의 일부는 연료 내의 핵분열 원자에 의해 흡수되고 새로운 핵분열을 일으킬 수 있고, 일부는 연료 내의 퍼틀(fertile) 원자(예컨대, 존재한다면, 우라늄(238), 플루토늄(240), 및/또는 토륨(232))에 의해 흡수될 수 있고, 핵분열 원료의 새로운 원자를 만들 수 있고, 그리고 일부는 핵분열을 일으키거나 새로운 핵분열 원자의 생성없이 연료 내로 흡수될 수도 있고, 또는 감속재로 다시 분산될 수도 있다. 반응 속도는 평균적으로 각각의 핵분열에 의해 방출된 정확히 하나의 중성자가 새로운 핵분열을 일으킬 때 안정적일 수 있다. 감속재로부터 연료로 다시 들어가는 중성자가 핵분열을 일으킬 확률은 그 속도가 비교적 높을 때 감소하고, 중성자가 새로운 연료를 만들 확률은 속도가 비교적 높을 때 증가한다. 감속재를 빠져나온 중성자는 캐비티 내의 감속재 질량이 더 적을 때 더 높은 평균 속도를 가질 수 있고, 캐비티 내의 감속재 질량이 더 많을 때 더 낮은 평균 속도를 가질 수 있다. 따라서, 증기 방울의 크기가 증가할수록 (그러므로 캐비티 내의 감속재의 질량이 감소할수록), 연료로 들어가는 중성자의 평균 속도는 증가하고, 이는 새로운 핵분열을 일으키도록 효과적으로 전환되는 중성자의 개수를 증가시키고, 새로운 핵분열 원료의 산출로 전환되는 중성자의 개수를 줄인다. 이러한 효과는 핵분열 속도를 낮추고, 감속재로 전달되는 에너지를 줄이고, 증기 방울의 크기를 줄이고, 그로 인해 증기 방울의 안정적인 크기를 유지하고 안정적이고 감속재 냉각 속도에 대략 비례하는 핵분열 속도를 유지하는 네거티브 피드백을 제공한다.
총체적으로, 개시된 원자로 시스템의 적어도 일부의 예시적인 실시예에서, 제어 캐비티는 전체 감속재 냉각 속도에 비례하고 안정적인 전체 파워 출력을 유지한다. 감속재 냉각 속도는 감속재 냉각 온도를 비교적 일정하게 유지함으로써 그리고 전체 냉각 속도를 제어하기 위해 펌핑 속도를 변경함으로써 제어될 수 있다. 개별적으로, 각각의 캐비티는 그 부근에 있는 연료의 핵분열 속도에 영향을 주는데, 이는 반응 속도를, 코어의 중심에서 더 높고 코어의 가장자리 부근에서 더 낮은 것이 아니라, 원자로 내의 모든 포인트에서 거의 동일하게 만든다. 이는 연료 내의 핫스팟(hot spot)을 최소화할 수 있고, 크세논 웨이브를 억제하여, 연료로부터의 열 추출의 더 높은 바람직한 속도를 이끈다.
개시된 원자로 시스템의 적어도 일부의 예시적인 실시예에서 정상 원자로 동작 동안, 주 냉각에 의해 연료 튜브로부터 열이 배출된다. 반응 속도가 증가할 때 주 냉각재 펌핑 속도 또한 증가되어 연료 튜브의 온도는 반응 속도에 따라 변하지 않는다. 비정상 상태하에서는, 주 냉각재의 흐름이 충분하지 않을 수 있고, 연료 튜브가 뜨거워질 수 있다. 이러한 상태에서, 연료 튜브로부터 제어 캐비티로 더 많은 열이 전도될 수 있고, 이는 제어 캐비티 내의 감속재의 증발 속도를 증가시키고 제어 캐비티 내의 증기 방울의 크기를 증가시킬 수 있다. 이는 액체 감속재를 캐비티의 바닥으로부터 이동하게 만들고, 감속재의 평균 밀도가 감소하고, 감속재로부터 연료로 확산하는 중성자의 평균 속도가 증가하여 핵분열 속도가 감소한다.
개시된 원자로 시스템의 적어도 일부의 예시적인 실시예에서, 제어 캐비티 내의 증기 방울이 제어 캐비티 내의 액체 감속재보다 밀도가 훨씬 더 낮을 수 있고 증기 방울이 실질적으로 존재하지 않는 것부터 거의 전체 제어 캐비티의 크기까지 크기가 다양할 수 있기 때문에, 개시된 원자로 시스템은 코어 내의 감속재의 평균 밀도를 액체 감속재의 전체 밀도에서 전체 밀도의 15% 미만까지 다양하게 허용할 수 있다. 이는 크세논을 함유하지 않은 농축된 새로운 연료에서부터, 평형상태의 크세논 함량을 가진 중간정도 사용된 연료는 물론, 높은 연료소모 및 결과적으로 핵분열 부산물을 흡수하여 높은 함량의 중성자를 가진 연료까지의 범위의 다양한 연료 반응성 조건 하에서 원자로의 제어를 가능하게 한다. 이는 흡수제를 제어하기 위해 실질적으로 중성자의 손실없이 달성될 수 있고, 연료 수명 사이클 내의 모든 포인트에서 실질적으로 최대의 새로운 핵분열 연료의 생성 및 실질적으로 최대의 연료 전환비율을 제공한다.
개시된 원자로 시스템은 핵발전 전력을 사용하는 임의의 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 개시된 원자로 시스템은 핵반응으로부터의 파워를 사용함으로써 생성되는 수증기(H2O)를 사용하는 임의의 애플리케이션에 사용될 수 있다. 아래에 서술한 동작은 모든 개시된 실시예의 원자로 시스템(5)의 동작에 일반적으로 적용할 수 있다. 또한, 아래에 서술한 바와 같이, 개시된 원자로 시스템의 몇몇 서브시스템은 핵발전 이외의 다른 추가적인 애플리케이션에 사용될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 원자로 시스템(5)의 작동은 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)를 가진 연료 어셈블리(125, 125', 125a, 또는 125b) 내에 연료가 제공될 때 개시될 수 있다. 원자로(15)가 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내에 신선한 연료와 함께 시동될 때, 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 레벨은 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내에 포함된 연료의 반응성 및 원자로 설계를 기초로 평형 레벨로 안정할 수 있다. 초기 기간(예컨대, 수일)에 걸쳐, 중성자를 흡수한 크세논-135 및 사마륨 149의 레벨이 평형 레벨로 올라가고, 감속재의 냉각 속도는 원자로 냉각 서브시스템(25)의 작동에 의해 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다(원자로 냉각재 서브시스템의 일반적인 동작은 아래에 더욱 상세하게 서술될 것이다). 원자로 냉각 서브시스템(25)이 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 일정한 냉각 속도를 제공하도록 동작하는 동안, 연료 내의 크세논 및 사마륨의 레벨은 높아지고, 원자로(15)의 반응성은 1 미만으로 천천히 떨어질 것이고, 이는 반응 속도가 감속하게 하고 감속재 내에 포함된 에너지를 감소시켜 일부 감속재 증기가 응축시킨다. 그러므로, 더 많은 감속재가 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)로 끌려오고, 이는 감속재의 레벨 및 평균 감속재 밀도를 높인다. 이는 공진 포획 당하는 중성자의 개수를 줄이고, 그로 인해 원자로(15)의 연료 내의 중성자를 크세논 및 사마륨의 양을 점점 증가시킴으로써, 흡수되는 중성자에 대하여 보상할 것이다. 그러므로, 하나의 예로서 제어 캐비티 어레이(130)를 사용하여, 제어 캐비티 어레이(130) 내의 액체 존(190 및 275)의 크기는 증가될 수 있고, 제어 캐비티 어레이(130) 내의 기체 존(185 및 280)의 크기는 감소될 수 있다. 유사한 효과가 다른 개시된 실시예에서도 발생한다.
원자로(15)가 1보다 큰 전환비율을 가지거나 U235 및 U238을 주 연료로 한다면, 정상상태(steady state) 동작 동안, 사용된 것보다 더 많은 핵분열 연료가 생성되기 때문에 또는 Pu239가 U235가 소모될 때 U238로부터 만들어지기 때문에(Pu239가 U235보다 반응성이 높기 때문에), 연료의 반응성이 증가하는 시간 기간이 존재할 수 있다. 이것이 발생한다면, 핵분열 속도는 냉각이 일정하게 유지되는 동안 상승할 것이고, 더 많은 중성자가 감속재 내에 에너지를 제공하고, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 내의 증발 송도가 응축 속도보다 커질 것이고, 액체 감속재가 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)로부터 잉여 기체 감속재에 의해 변위될 것이다. 이는 중성자의 낮은 감속 및 퍼틀 U238(또는 Th232) 내로 흡수되는 중성자의 수의 증가를 야기하고, 핵분열을 일으키기 위해 사용가능한 열중성자의 개수를 줄이고, 반응 속도를 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의해 제거되는 것보다 많은 에너지가 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 내에 있게 하는 속도로 감소시킨다. 액체 감속재의 레벨은 (예컨대, 수일에서 수년까지 지속될 수 있는 기간에 걸쳐) 연료의 반응성이 계속 증가하는 한 점점 줄어들 것이다. 이러한 기간 동안, 연료의 핵분열성 함유물은 증가할 수 있고, 다음 시간 기간으로 계속 증가할 수 있다(아래에 서술됨).
다음 시간 기간(예컨대, 다음 수개월 또는 수년)에 걸쳐, 연료의 핵분열 함유물이 소진되어 감소되고, 중성자를 흡수하는 핵분열 부산물의 레벨이 증가하면, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 네거티브 피드백 메커니즘은 소진되어 감소된 연료의 반응성을 보상하기 위해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 레벨을 매우 느리게 증가시키도록 동작할 수 있다. 결국, 감속재 레벨은 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b)의 최상부까지 올라갈 것이고, 원자로(15)는 준임계(subcritical)로 될 것이고 발전을 멈출 것이다. 그러므로, 하나의 예로서 제어 캐비티 어레이(130)를 사용하여, 이러한 시간에 제어 캐비티 어레이(130) 내에 기체 존(185 및 280)이 실질적으로 존재하지 않을 것이다. 유사한 효과가 다른 개시된 실시예에서도 일어난다. 원자로(15)가 정지한 때 원자로(15)에 의해 만들어진 크세논-135는 계속 붕괴(decay)하고, 비교적 짧은 시간 기간에 충분한 크세논-135이 붕괴하여 원자로(15)는 다시 재가동될 수 있다. 원자로(15)가 재가동된 때, 원자로(15)는 비교적 짧은 시간 기간(예컨대, 수일)에 크세논-135의 농도가 다시 올라갈 때까지 가동될 것이다. 크세논-135의 평형 농도가 파워 레벨에 비례하여 변하기 때문에, 원자로(15)의 작동은 원자로(15)의 파워 레벨을 줄이면 비교적 더 긴 시간 동안 계속될 수 있다.
앞서 서술한 초기 과정에 이어, 원자로(15)는 정상 상태 작동으로 유지될 수 있다. 정상 상태 작동에서, 에너지는 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내의 연료 원자의 핵분열에 의해 산출된다. 대부분의 이러한 에너지는 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내에 배치된 연료봉 내에 열로서 존재하는데, 이는 원자로 냉각 서브시스템(25) 및 펌프 서브시스템(30)의 작동에 의해 제공되는, 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)를 통한 원자로 냉각재의 흐름에 의해 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)로부터 추출된다. 원자로(15) 및 원자로 코어(100)의 정상 상태 작동의 설명을 계속하기에 앞서, 원자로 냉각 서브시스템(25) 및 펌프 서브시스템(30)의 작동이 설명될 것이다.
도 2, 3, 및 13을 참조하면, 원자로 냉각 서브시스템(25)의 전달 서브시스템(305)은 열 교환기(20)와 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b) 사이에서 원자로 냉각재를 전달한다. 펌프 서브시스템(30)의 냉각재 펌프(390)는 원자로(15)의 열 교환기(20)로부터 저온의 원자로 냉각재를 전달하기 위해 전달 서브시스템(305)의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내의 원자로 냉각재의 흐름을 가압할 수 있다. 그로 인해, 통로(320) 내로 흐르는 저온의 원자로 냉각재는 격납 구조(85)의 애퍼어처를 통해 반사기 존(95)으로 흐를 수 있다.
저온 원자로 냉각재 통로(320)로 흐르는 저온의 원자로 냉각재는 연료 냉각재 서브시스템(310)의 통로(330)로 흐를 수 있다. 통로(330)로 흐르는 저온의 원자로 냉각재는 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)와의 열교환을 용이하게 하기 위해 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)를 통과한다. 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)는 통로(330)를 통해 흐르는 저온의 원자로 냉각재에 열전달을 통해 열을 가하고, 그로 인해 저온의 원자로 냉각재를 고온의 원자로 냉각재가 되게 한다. 그러므로, 원자로 냉각재는 원자로 냉각재의 온도를 증가시킴으로써, 또는 원자로 냉각재를 액체에서 기체 상태로 변환함으로써, 또는 이둘 모두에 의해, 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)로 들어갈 때보다 더 많은 파운드당 에너지를 가지고 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)를 빠져나간다. 그 다음, 통로(330)는 전달 서브시스템(305)의 고온 원자로 냉각재 통로(325)로 고온의 원자로 냉각재를 전달할 수 있다.
제1의 서술된 실시예에서, 저온의 원자로 냉각재 통로(330) 내를 흐르는 저온의 원자로 냉각재 중 일부는 또한 감속재 냉각재 서브시스템(315)의 통로(335)로 흐른다. 통로(335)로 흐르는 저온의 원자로 냉각재는 제어 캐비티(140)와의 열교환을 용이하게 하기 위해 제어 캐비티(140)를 통과한다. 통로(335)로 흐르는 저온의 원자로 냉각재는 제어 캐비티(140) 내에 가두어진 감속재에 의한 열교환에 의해 약간 가열되고, 통로(335)를 통해 제어 캐비티(140) 밖으로 전달되고, 다시 통로(330)로 돌아간다. 통로(330)로 흐르는 저온의 원자로 냉각재는 반사 풀(105)을 통과한다. 통로(330)를 통해 흐르는 저온의 원자로 냉각재는 반사 풀(105)의 감속재에 의한 열교환에 의해 약간 가열된다. 그 다음, 통로(330)로 흐르는 원자로 냉각재는 연료 튜브(135)를 통과하여 저온의 원자로 냉각재에서 고온의 원자로 냉각재로 가열된다. 그 다음, 통로(330)는 고온의 원자로 냉각재를 전달 서브시스템(305)의 고온 원자로 냉각재 통로(325)로 전달할 수 있다.
감속재 냉각재 서브시스템(315)의 통로(335)를 통해 흐르는 원자로 냉각재는, 예컨대, 도 14에 도시된 배열로 흐를 수 있다. 전달 서브시스템(305)의 저온 원자로 냉각재 통로(320)로부터의 원자로 냉각재는 중간 통로(330) 및 입구 부재(350)를 통해 통로(335)로 흐를 수 있다. 그 다음, 원자로 냉각재는 내부 부재(355)의 채널(380)을 통해 흐른다. 원자로 냉각재 중 일부는 단부(370)에 도달할때까지 채널(380)의 전체 길이를 따라 흐를 수 있다. 그러나, 원자로 냉각재 중 일부는 또한 단부(370)에 도달하기 전에, 애퍼어처(375)를 통해, 채널(380)에서 채널(385)로 직접 흐를 수도 있다. 비교적 저온의 원자로 냉각재의 일부가 애퍼어처(375)를 통해 채널(385)로 직접 통과하고 채널(385) 내의 비교적 고온의 원자로 냉각재와 혼합되기 때문에, 채널(385) 내의 원자로 냉각재의 온도는 통로(335)의 길이를 따라 비교적 일정하게 유지될 수 있다. 애퍼어처(375)의 크기 및/또는 간격은 채널(385) 내의 대체로 일정한 온도 유지를 최대화하도록 설계될 수 있다. 예컨대, 채널(380 및 385) 간의 원자로 냉각재의 혼합량은 단부(370) 향해 이동하는 방향으로 증가할 수 있다. 그 다음, 원자로 냉각재는 채널(385)을 통해 흐르고 출구 부재(365)를 통해 전달 서브시스템(305)의 원자로 냉각재 통로(330)로 다시 돌아간다.
펌프 서브시스템(30)의 냉각재 펌프(390)는 연료 튜브(135b)를 통한 전달 서브시스템(305)의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내의 저온의 원자로 냉각재의 흐름, 및 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 원자로(15)로부터 열 교환기(20)로 다시 흐르는 고온의 원자로 냉각재의 흐름을 가압할 수 있다.
연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내의 연료의 핵분열은 활동적인 더 고속의 중성자(예컨대, 비교적 중간 속도 또는 고속으로 이동하는 중성자)를 산출한다. 이러한 활동적인 고속의 중성자는 감속재 원자와의 충돌에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b)의 감속재 내에 에너지를 제공한다. 활동적인 고속 중성자는 감속재 원자와의 이러한 충돌에 의해 낮은 에너지 상태("느린 중성자")로 감속되고, 느린 중성자 중 일부는 연료 원자의 핵분열을 일으킨다. 원자로는 연료 원자의 각각의 핵분열에 대하여, 산출된 하나의 중성자가 새로운 핵분열을 일으킬 때 안정한 것(예컨대, 일정한 파워 산출)으로 간주될 수 있다. 그러므로, 원자로는, 평균적으로, 연료 원자의 핵분열에 의해 산출된 중성자 중 정확히 하나가 새로운 핵분열을 일으킬 때, 안정한 것으로 간주될 수 있다.
제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재가 활성 중성자에 의해 가열되기 때문에, 감속재 중 일부는 증발하여 기체 감속재로 될 수 있다(예컨대, 기체 상태로 끓을 수 있다). 기체 상태인 기체 감속재는 (예컨대, 액체 상태인) 액체 감속재보다 밀도가 낮고, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 상부로 올라갈 것이고, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)가 상부에서 폐쇄되어 있어 상부에서 감속재를 가둘 것이므로, 감속재는 상부에서 가두어진다. 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 체적이 일정하기 때문에, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 내에 가두어지고 축적된 저밀도의 기체 증기 감속재는 고밀도의 액체 감속재를 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 하부로부터 벗어나게 할 것이다. 그러므로, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 내의 감속재의 전체 평균 밀도는 감소된다. 기체 감속재로 변하는 것으로부터 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 내의 실질적으로 모든 감속재를 유지하기 위해, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)는 원자로 냉각 서브시스템(25)에 의해 냉각된다. 원자로 냉각 서브시스템(25)은 기체 증기 감속재의 일부를 더 높은 밀도의 액체 감속재로 응축시킬 수 있다. 그러므로, 더 적은 증기 감속재가 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 상부에 가두어질 것이고, 더 적은 비교적 높은 밀도의 액체 감속재가 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)로부터 이동될 것이다. 따라서, 액체 감속재는 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 열린 하부 및/또는 측부를 통해 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)로 다시 흐를 것이다.
도 7 및 8을 참조하고, 하나의 예로서 제어 캐비티 어레이(130)를 사용하여, 원자로 냉각 서브시스템(25)은 제어 캐비티 어레이(130) 내에 가두어진 감속재로부터의 열전달에 의해 적은 에너지를 제거할 것이다. 따라서, 증가하는 감속재의 양은 활성 중성자에 의해 가열될 것이고 기체 감속재로 된다. 그러므로, 증가하는 기체 감속재의 양이 제어 캐비티(140)의 상부 내에 가두어지고 축적되므로, 경계(195b)는 증가하는 액체 감속재의 양이 제어 캐비티(140)를 벗어나 이동되는(예컨대, 중간 부재(170) 및 단부 부재(165) 아래로 이동되는) 만큼 낮아질 것이다. 그러므로, 기체 존(185)은 크기가 증가할 것이고, 액체 존(190)은 크기가 감소할 것이다. 콘 어셈블리(150)와 유사하게, 원자로 냉각 서브시스템(25)이 열전달에 의해 적은 에너지를 제거하기 때문에, 증가하는 양의 기체 감속재는 외부 콘 어셈블리(205) 및 내부 콘 어셈블리(200)의 상부에서 가두어지고 축적된다. 그러므로, 경계(290)는 증가하는 양의 액체 감속재가 내부 콘 어셈블리(200) 및 외부 콘 어셈블리(205)로부터 벗어나게 이동하는(예컨대, 내부 콘(235) 및 외부 콘(240) 아래로 이동하는) 만큼 낮아진다. 그러므로, 기체 존(280)은 크기가 증가할 것이고, 액체 존(190 및 275)은 크기가 감소할 것이다. 유사한 효과가 원자로(15)의 다른 개시된 실시예에서 발생한다.
역의 효과도 일어날 수 있다. 다시, 하나의 예로서 제어 캐비티 어레이(130)를 사용하여, 원자로 냉각 서브시스템(25)은 제어 캐비티 어레이(130) 내에 가두어진 감속재로부터의 열전달에 의해 더 많은 에너지를 제거할 수 있다. 따라서, 감소하는 양의 감속재는 활성 중성자에 의해 가열되어 기체 감속재로 될 것이다. 그러므로, 감소하는 양의 기체 감속재가 제어 캐비티(140)의 상부로 가두어지고 축적되므로, 경계(195)는 액체 감속재가 제어 캐비티(140)로 다시 들어가는(예컨대, 중간 부재(170) 및 단부 부재(165) 아래로 다시 들어가는) 만큼 올라갈 것이다. 그러므로, 기체 존(185b)은 크기가 감소할 것이고, 액체 존(190)은 크기가 증가할 것이다. 콘 어셈블리(150)와 유사하게, 원자로 냉각 서브시스템(25)이 열전달에 의해 더 많은 에너지를 제거하므로, 감소하는 양의 기체 감속재는 내부 콘 어셈블리(200)의 상부 및 외부 콘 어셈블리(205) 내에 가두어지고 축적된다. 그러므로, 경계(290)는 증가하는 양의 액체 감속재가 내부 콘 어셈블리(200) 및 외부 콘 어셈블리(205)로 다시 들어가는(예컨대, 내부 콘(235) 및 외부 콘(240) 아래로 다시 들어가는) 만큼 올라갈 것이다. 그러므로, 기체 존(280)은 크기가 감소할 것이고, 액체 존(190)은 크기가 증가할 것이다. 기체 감속재는 또한 제어 캐비티(140)의 측면을 따라 응축하고 액체 존(190 및 275)으로 다시 떨어질 수 있다. 유사한 효과가 원자로(15)의 다른 개시된 실시예서 일어난다.
원자로 냉각 서브시스템(25)이 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내의 연료로부터 받은 것과 실질적으로 동일한 에너지를 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b)로부터 추출하도록 동작할 때, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 내의 증발 속도와 응축 속도는 실질적으로 동일할 것이고, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 실질적으로 일정하게 유지될 것이다. 그러므로, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b) 안밖으로 감속재의 이동은 실질적으로 존재하지 않을 것이다.
더 높은 속도의 중성자는 감속재 원자가 액체 상태이거나(액체 감속재) 기체 상태일 때(기체 감속재) 감속재 원자와의 충돌에 의해 감속될 수 있다. 감속재의 평균 밀도가 (예컨대, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)의 크기를 증가시킴으로써) 감소한 때, 감속재 원자 간 평균 거리는 증가하고, 충돌간에 중성자가 이동해야 하는 평균 거리도 증가한다. 더 빠른 속도의 중성자가 각각의 충돌 사이에 더 이동할 때, 그들은 더 빠른 속도로 더 많은 시간을 소비하여, 비교적 빠른 속도 및 중간 속도로 이동하는 중성자의 평균 개수가 더 많아진다. 느린 중성자는 느린 중성자가 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내에 배치된 연료 원자와 충돌할 때 핵분열을 일으킬 비교적 높은 확률을 가지고, 더 빠른 속도의 중성자는 핵분열을 일으키지 않고 원자로(15) 내에서 흡수될 비교적 더 높은 확률을 가질 수 있다. 따라서, 핵분열을 일으키기 위해 사용가능한 느린 중성자의 개수는 감소할 것이다.
원자로(15)가 정상상태 동작 레벨로 작동할 때, 원자로 냉각재 서브시스템(25)은 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)을 바람직한 실질적으로 일정한 크기로 유지하도록 작동할 수 있다. 이러한 바람직한 크기의 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내에 바람직한 밀도의 감속재를 제공할 수 있어서, 단지 충분히 고속의 중성자가 중간 및 고속으로 흡수될 것이고, 연료 어셈블리(125, 125', 125a, 또는 125b) 내의 각각의 지난 핵분열에 대하여 하나의 새로운 핵불연을 일으키기 위해 비교적 느린 속도로 이동하는 나머지 저속의 중성자가 바람직한 양으로 존재한다.
기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 네거티브 피드백을 사용함으로써 바람직한 실질적으로 일정한 크기로 유지될 수 있다. 상기 서술한 바와 같이, 원자로 냉각재 서브시스템(25)은 (예컨대, 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b)를 통한 냉각재의 흐름을 제어함으로써) 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)의 냉각 속도와 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)의 핵분열 속도(및 연료 어셈블리(125, 125', 125a, 또는 125b) 내의 핵분열에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재에 가해지는 열의 가열 속도)를 실질적으로 매칭시키도록 제어될 수 있다. 연료 어셈블리(125, 125', 125a, 또는 125b) 내의 핵분열에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b)로 가해지는 열의 가열 속도가 원자로 냉각재 서브시스템(25)에 의해 제공되는 냉각 속도보다 크다면, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 팽창할 것이다. 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)의 팽창은 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 평균 밀도를 감소시키고, 이는 중간 및 고속의 흡수(공진 포획)에 의해 손실되는 중성자의 비율을 증가시켜 핵분열을 일으키는데 사용가능한 느린 중성자의 비율을 감소시키고, 원자로(15)의 가열 속도를 감소시킨다. 가열 속도가 냉각 속도보다 낮다면, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 수축할 것이고, 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 평균 밀도를 증가시키고, 공진 포획에 의해 손실되는 중성자의 비율을 감소시켜, 핵분열을 일으키는데 사용가능한 느린 중성자의 비율을 증가시키고, 가열 속도를 증가시킨다. 그러므로, 원자로(15)는 반응 속도를 원자로 냉각재 서브시스템(25)에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b)의 냉각 속도를 따르게 만들도록 제어된다. 따라서, 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b)의 냉각 속도를 증가 또는 감소시키는 것은 원자로(15)의 전체 파워 출력의 대응하는 증가 또는 감소를 야기할 것이다. 감속재 내에 존재하는 에너지의 양이 원자로(15)에 의해 산출되는 총 에너지 중 낮은 비율(예컨대, 대략 1% 내지 대략 5%, 예컨대, 3%)일 수 있기 때문에, 원자로(15)에 의해 산출되는 총 에너지 중 비교적 작은 양의 에너지만 원자로(15)의 제어를 유지하기 위해 (원자로(15)에 의해 산출되는 총 에너지에 비해) 비교적 낮은 냉각 속도만큼 조절된다. 그러므로, 비교적 작은 냉각 속도를 제어하는 것이, 예컨대, 감속재에 가해지는(그리고 냉각 속도를 조절함으로써 제어될 수 있는) 열 및 에너지의 양보다 대략 30배 더 큰 원자로(15)의 전체 파워 출력의 간단하고 안정적인 제어를 가능하게 한다.
오직 원자로(15)의 비교적 큰 총 파워 출력과 감속재에 가해지는 비교적 작은 양의 에너지 간의 비교를 보여주기 위해, 1000 메가와트 발전기에 동력을 제공하기 위한(powering) 원자로의 예가 고려될 수 있다. 예시적인 발전기에 의해 산출된 총 에너지는 발전기가 전체 파워로 작동할 때 대략 10,000,000,000 BTU/hour일 수 있다. 감속재가 대략 540 화씨도의 중수(D2O)이면, 원자로 코어는, 예컨대, 대략 100톤의 감속재를 포함할 수 있다. 원자로에 의해 산출되는 총 에너지의 3%가 코어 감속재 내에 존재한다고 가정하면, 감속재에 의해 가해지는 에너지의 양은 대략 300,000,000 BTU/hour 또는 감속재 파운드당 1,500 BTU/hour일 수 있다. 이러한 비율로, 냉각이 제공되지 않는다면, 각각 파운드의 감속재를 끓이기 위해 대략 25분이 걸릴 것이다. 기체 증기 감속재가 이러한 예시적인 온도에서 액체 감속재보다 20배 밀도가 낮기 때문에, 본 예에서 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)로부터 일 파운드의 액체 감속재의 잔여물을 옮기기 위해 충분한 감속재를 끓이는데 대략 1분이 걸릴 수 있다. 이러한 예는 순수하게 감속재에 가해지는 에너지의 상대적인 양을 보여주기 위해 제공되는 것이다. 개시된 방법 및 장치는 임의의 타입 또는 크기의 원자로 시스템에 사용될 수 있다.
원자로(15)는 작동동안 임의의 적합한 시간에 핵반응으로부터 발전 서브시스템(10)으로 에너지를 제공할 수 있다. 원자로(15)가 발전 서브시스템(10)으로 파워를 공급하는 방법의 한 예가, 보여주는 예로서 정상 상태 동작을 사용하여, 지금 제공될 것이다. 원자로(15)는 또한 원자로 시스템(5)의 다른 위상(phase) 및 작동 상태 동안 발전 서브시스템(10)과 유사할 수 있다.
도 1 및 13을 참조하면, 냉각재 펌프(390)는 원자로 냉각재 서브시스템(25)의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 및 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통한 원자로 냉각재의 흐름을 가압한다. 원자로 냉각재 서브시스템(25)은 그로 인해 고온의 원자로 냉각재를 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 열교환기(20) 내에 배치된 증기 발생기로 전달한다. 증기 발생기 튜브를 통해 흐르는 고온의 원자로 냉각재는 열 전달을 통해 (아래에 더 설명한 바와 같이) 터빈 증기 서브시스템(65)에 의해 열교환기(20)로 전달된, 물(H2O)을 끓인다. 열교환기(20)를 통과하는 동안, 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 흐르는 원자로 냉각재는 열교환기(20) 내의 원자로 냉각재와 물(H2O) 사이의 열 전달을 통해 냉각된다. 그 다음, 냉각된 원자로 냉각재는 원자로 냉각재 서브시스템(25)의 저온 원자로 냉각재 통로(320)를 통해 원자로(15)로 순차적으로 돌아간다. 원자로 냉각재 서브시스템(25)은 이러한 사이클을 계속 반복하고, 원자로(15)에 의해 가열되었던 고온의 원자로 냉각재의 바람직한 양을 열교환기(20)로 전달하고, 냉각된 원자로 냉각재를 원자로(15)로 순차적으로 돌려보낸다. 그 다음, 열교환기(20)의 증기 발생기에 의해 생성된 고압의 수증기(H2O)는 H2O 펌프(395)에 의해 산출된 수증기(H2O) 및 물(H2O)의 흐름을 기초로, (발전 서브시스템(10)의) 터빈 증기 서브시스템(65)의 통로(70)를 통해 터빈(45)으로 전달된다. H2O 펌프(395)는 수증기(H2O) 및 물(H2O)의 흐름을 열교환기(20), 통로(70), 터빈(45)의 통로, 통로(75), 터빈 냉각 서브시스템(60), 및 통로(80)로 가압한다.
터빈(45)은 터빈 증기 서브시스템(65)의 통로(70)에 의해 전달된 고압의 수증기(H2O)를 기계 에너지로 변환한다. 예를 들어, 수증기(H2O)는 상술된 터빈(45)의 예시적인 회전축 상에 설치된 복수의 엘리먼트를 가압(urge)하고, 터빈(45)의 축을 구동시키기 위해 상술된 예시적인 일련의 실린더를 통해 팽창한다. 터빈(45)의 이러한 동작은 단지 수증기(H2O)로부터 기계 에너지를 만드는 임의의 적합한 방법 중 하나를 설명한 것일 뿐이다. 터빈(45)의 예시적인 축의 기계 에너지는 발전 서브시스템(10)의 구동 어셈블리(50)로 기계적으로 전달된다.
그 다음, 구동 어셈블리(50)는 상술된 예시적인 구동축 어셈블리를 통해, 또는 임의의 다른 적합한 기계적 연결을 통해 전달된 기계적 에너지를 발전 서브시스템(10)의 발전기(55)로 기계적으로 전달한다. 그로 인해, 구동 어셈블리(50)는 전기를 산출하기 위해 발전기(55)를 구동할 수 있다. 하나의 예로서, 발전기(55)는, 예컨대, 50 Hz (50 사이클) 또는 60 Hz (60 사이클)의 전력과 같은 임의의 적합한 주파수의 AC 전기를 발전한다. 그 다음, 발전기(55)로부터의 전기는 전력망(power grid) 또는 전기를 사용하는 임의의 다른 장소 또는 활동(activity)으로 통상적인 전달 기술을 통해 제공된다.
터빈 증기 서브시스템(65)의 통로(75)는 터빈(45)으로부터 잉여 또는 쇠퇴된 수증기(H2O)를 발전 서브시스템(10)의 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 전달한다. 터빈 냉각 서브시스템(60)은 수증기(H2O)를 물(H2O)로 응축시키기 위해, 예컨대, 응축기, 냉각탑, 포싱된 기류, 및/또는 일차 통과 냉각과 같은 임의의 적합한 기술을 사용한다. 그 다음, 비교적 저온의 물(H2O)은 터빈 냉각 서브시스템(60)으로부터 열교환기(20)로 통로(80)를 통해 전달된다.
터빈 증기 서브시스템(65)의 통로(80)를 통해 열교환기(20)로 전달된 비교적 저온의 물(H2O)은 열교환기(20)로 들어간다. 비교적 저온의 물(H2O)의 일부는 열교환기(20)의 내측 하부로 들어가고 비교적 저온의 물(H2O)의 일부는 열교환기(20)의 중앙 및/또는 상부에서 열교환기(20)로 들어간다. 내측 하부로 들어가는 비교적 저온의 물(H2O)은 가열되고, 원자로 냉각재 서브시스템(25)의 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 열교환기(20)로 전달되는 고온의 원자로 냉각재와의 열교환에 의해 끓여진다. 상부로 들어가는 비교적 저온의 물(H2O)은 열교환기(20)의 내측벽상에 열교환기(20)의 중앙 및/또는 상부에 배치된 복수의 노즐(83)을 통해 열교환기(20)의 내측 하부로 주입된다. 복수의 노즐(83)은 열교환기(20)의 내측부에 이미 담겨 있늠 끓고 있는 물(H2O)로 물(H2O)을 주입한다. 비교적 저온의 물(H2O)은 열교환기(20) 내에 담겨 있는 H2O의 온도 경사의 크기를 줄이는 것을 돕기 위해 끓고 있는 물(H2O)과 혼합된다. 열교환기(20)로의 물(H2O)의 전달의 상기 예시적인 설명은 단지 하나의 예로서 제공된 것일 뿐이며, 열교환을 위한 임의의 적합한 주지된 기술이 열교환기(20)에서 사용될 수 있다.
열교환기(20) 내에 수증기(H2O)를 산출하기 위해 원자로(15) 내의 핵반응으로부터의 에너지를 사용하고, 터빈(45)을 구동시키기 위해 수증기(H2O)를 사용하고, 터빈(45)에 의해 발전기(55)를 구동시키는 상기 서술된 프로세스는 원하는 양의 전기를 산출하기 위해 계속 반복될 수 있다. 이와 유사하게, 수증기(H2O)를 물(H2O)로 응축시키고, 물(H2O)을 열교환기(20)로 돌려보내는 프로세스는 바람직하다면 계속 반복된다. 그러므로, 이러한 프로세스는 원자로(15)가, 예컨대, 전기와 같은 에너지를 산출하기 위해 발전 서브시스템(10)에 동력을 제공하는 한 원하는 만큼 계속 반복된다.
원자로 시스템이 정상 상태 동작으로 작동할 때, 전력 수요는 변동할 수 있다. 전력 수요는 일일 기준으로 변동할 수 있다. 낮시간인지 또는 밤인지에 따라, 평균 전력 수요는 변할 수 있다(예컨대, 전력 수요는 평일 아침 또는 주말 밤과 비교할 때 평일밤 심야에 더 낮을 수 있다). 원자로 제어 서브시스템(40)의 컨트롤러(540)는 원자로 시스템(5)의 파워 출력을 변경하도록 동작할 수 있다. 컨트롤러(540)는 원자로(15) 내의 감속재 냉각재 및/또는 원자로 냉각재의 냉각 속도를 변경하고 그로 인해 네거티브 피드백을 사용하여 원자로 시스템(5)의 파워 출력을 변경하기 위해 원자로 제어 서브시스템(40) 및 펌프 서브시스템(30)을 제어하도록 동작할 수 있다.
원자로 시스템(5)이 더 많은 양의 파워를 생산하는 것이 요구될 때, 컨트롤러(540)는 감속재의 냉각 속도가 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)에 의해 감속재의 가열 속도보다 크도록, 원자로(15) 내의 감속재의 냉각 속도를 증가시키도록 원자로 제어 서브시스템(40) 및 펌프 서브시스템(30)을 제어하도록 동작된다. 컨트롤러(540)는 비교적 더 많은 양의 원자로 냉각재가 원자로(15)를 통해 흐르게 하도록 냉각재 펌프(390)를 제어한다. 원자로 냉각재 서브시스템(25)에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재에 제공되는 냉각 속도가 연료 어셈블리(125, 125', 125a, 또는 125b) 내의 핵분열에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재에 가해지는 열의 가열 속도보다 크다면, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 수축할 것이다. 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)의 수축은 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 평균 밀도를 증가시키고, 이는 공진 포획에 의해 손실된 중성자의 비율을 감소시켜 핵분열을 일으키는데 사용가능한 느린 중성자의 비율을 증가시키고 원자로(15)의 가열 속도를 증가시킨다. 원자로(15)의 가열 속도를 증가시킴으로써, 더 많은 양의 열이 고온 원자로 냉각재 통로(325)로 흐르는 원자로 냉각재로 전달될 것이고, 그러므로 더 많은 양의 열이 원자로 냉각재 서브시스템(25)에 의해 열교환기(20)로 전달될 것이다. 그로인해, 열교환기(20)는 더 많은 양의 수증기(H2O)를 산출할 것이고, 더 많은 양의 수증기(H2O)는 열교환기(20)로부터 통로(70)를 통해 터빈(45)으로 전달될 것이다. 컨트롤러(540)는 또한 H2O 펌프(395)가 더 많은 수증기(H2O) 흐름이 터빈(45)으로 전달되게 하도록 동작한다. 더 많은 양의 수증기(H2O)는 터빈(45)이 더 많은 양의 기계 에너지를 산출하게 할 것이고, 이는 터빈(45)으로부터 구동 어셈블리(50)를 통해 발전기(55)로 전달될 때, 발전기(55)가 비교적 더 많은 양의 파워(예컨대, 전기)를 산출하게 할 것이다.
원자로 시스템(5)이 더 적은 양의 파워를 발생시키는 것이 바람직할 때, 컨트롤러(540)는 감속재의 냉각속도가 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b)에 의한 감속재의 가열 속도보다 낮도록 원자로(15) 내의 감속재의 냉각 속도를 낮추도록 원자로 제어 서브시스템(40) 및 펌프 서브시스템(30)을 제어하도록 동작한다. 컨트롤러(540)는 비교적 더 적은 양의 원자로 냉각재가 원자로(15)를 통해 흐르게 하도록 냉각재 펌프(390)를 제어한다. 원자로 냉각재 서브시스템(25)에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재로 제공되는 냉각 속도가 연료 어셈블리(125, 125', 125a, 또는 125b) 내의 핵분열에 의해 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재로 전달되는 열의 가열 속도보다 낮다면, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 팽창할 것이다. 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)의 팽창은 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 평균 밀도를 감소시키고, 이는 공진 포획에 의해 손실되는 중성자의 비율을 증가시켜 핵분열을 일으키는데 사용가능한 느린 중성자의 비율을 감소시키고 원자로(15)의 가열 속도를 감소시킨다. 원자로(15)의 가열 속도를 감소시킴으로써, 더 적은 양의 열이 고온 원자로 냉각재 통로(325)로 흐르는 원자로 냉각재로 전달될 것이고, 그러므로 더 적은 양의 열이 원자로 냉각재 서브시스템(25)에 의해 열교환기(20)로 전달될 것이다. 그로 인해, 열교환기(20)는 더 적은 양의 수증기(H2O)를 산출할 것이고, 더 적은 양의 수증기(H2O)는 열교환기(20)로부터 터빈(45)으로 통로(70)를 통해 전달될 것이다. 컨트롤러(540)는 또한 H2O 펌프(395)가 더 적은 수증기(H2O) 흐름을 터빈(45)으로 전달하게 하도록 동작한다. 더 적은 양의 수증기(H2O)는 터빈(45)이 더 적은 양의 기계 에너지를 산출하게 할 것이고, 이는 터빈(45)으로부터 발전기(55)로 구동 어셈블리(50)를 통해 전달될 때, 발전기(55)가 비교적 더 적은 양의 파워(예컨대, 전기)를 산출하게 한다.
기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)의 수축 및/팽창은 매우 점진적으로 그리고/또는 경미할 수 있고, 여전히 원자로 시스템(5)의 충분한 제어를 제공한다. 이처럼, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)의 체적의 매우 작은 변화는 공진 포획에 영향을 주고, 그리고 네거티브 피드백에 의해 원자로(15)를 충분히 제어하기에 충분히 큰 차이를 제공할 수 있다.
원자로 코어(100b)의 동작은 원자로 코어(100, 100', 및 100a)의 동작을 대체로 따를 수 있다. 도 12i, 12j, 및 12k에 도시된 바와 같이, 원자로 코어(100b)는, 예컨대, 더 많은 비율의 고속 핵분열과 함께 사용될 수 있는 제어 캐비티 어레이(130b) 내에 감속재를 가두는 추가적인 특징을 제공한다.
도 12i, 12j, 및 12k에 도시된 바와 같이, 비교적 저온의 감속재는 반사 풀(105)로부터 감속재 냉각재 인플로우 튜브(335b)로의 이동이 자유롭다. 그 다음, 감속재 냉각재 인플로우 튜브(335b) 내에 놓인 감속재는 홀(336b)을 통해 제어 캐비티(140b)로의 이동이 자유롭고, 그로인해 제어 캐비티(140b) 내의 감속재를 냉각시킨다. 실질적으로 동일한 체적의 고온의 감속재는 제어 캐비티(140b)를 벗어나 홀(338b)을 통해 감속재 아웃플로우 튜브(337b)로 이동한다. 감속재 아웃플로우 튜브(337b) 내의 감속재는 감속재 아웃플로우 튜브(337b)로부터 반사기 존(95)으로의 이동이 자유롭다. 제어 캐비티(140b)가 닫힌 상부를 가지므로, 감속재는 제어 캐비티(140b)의 상부와 반사기 존(95) 사이에서 자유롭게 이동할 수 없다.
도 12n을 참조하면, 개시된 실시예는, 예컨대, 감속재가 반사 풀(105) 및/또는 제어 캐비티(140b)(및/또는 140' 및/또는 140a)를 들어가고 통과하는 비교적 저온의 감속재의 순환에 의해 냉각될 때 동작할 수 있다. 도 12n의 실시예는 시스템 내의 실질적으로 모든 포인트에서 기체 감속재의 압력의 안정화 및 연료봉(127b)(및/또는 원자로 코어(100 및 100a) 내에 배치된 유사한 연료봉) 위의 반사 풀(105)의 최상부에 배치된 경계(115)의 높이의 안정화를 기초로 동작할 수 있다. 감속재 냉각재 튜브(327b)(및/또는 원자로 코어(100' 및 100a) 내에 배치된 유사한 감속재 냉각재 튜브)는 감속재의 흐름을 반사기 존(95) 및 제어 캐비티(140b)(및.또는 제어 캐비티(140' 및/또는 140a)로부터, 탱크(377b)를 통해 통로(355b) 및 감속재 냉각재 펌프(350b)로 지나가는 감속재 열교환 튜브(390b)로 허용한다. 감속재 냉각 속도는, 예컨대, 탱크(377b) 내의 물(H2O) 온도와 반사 풀(105) 내의 감속재 온도 간의 온도차와 펌프 흐름 속도의 곱일 수 있다. 이러한 온도차가 일정한 수준으로 유지되기 때문에, 감속재 제어 캐비티 냉각 속도 및 원자로 전체 파워 출력은 펌프 흐름 속도에 비례한다. 그러므로, 원자로 냉각 펌프(350b)의 부적절한 작동 및/또는 펌프 파워의 중단(disruption)은 원자로(15) 내의 반응을 정지시킬 것이다. 냉각된 감속재는 원자로 냉각 펌프(350b)로부터 통로(322b)(및/또는 원자로 코어(100' 및/또는 100a) 내에 배치된 유사한 통로)를 통해 감속재 냉각재 인플로우 튜브(335b)(및/또는 원자로 코어(100' 및/또는 100a) 내에 배치된 유사한 튜브)로 흐른다. 로드 팔로우잉 서브시스템(515)의 응축기(570) 및 차등 흐름부(675)에 대하여 형태와 기능이 유사한 응축기 및 차등 흐름부가 펌프(350b) 부근에 통로(322b)로 삽입될 수 있다.
원자로 제어 서브시스템(40)의 작동이 지금부터 서술될 것인데, 로드 팔로우잉 서브시스템(515)의 예시적인 동작의 설명으로 시작한다. 원자로 제어 서브시스템의 동작은 제어 서브시스템(510)의 컨트롤러(540)를 통해 제어된다.
도 20에 도시된 바와 같이, 로드 팔로우잉 서브시스템(515)의 게이트(545)는 통로(70)로부터 통로(555)로 수증기(H2O)를 우회시킴으로써 열교환기(20)로부터 통로(70)를 통해 터빈(45)으로의 수증기(H2O) 흐름을 선택적으로 감소시킨다. 수증기(H2O)를 통로(555)로 우회시키기 위해, 게이트(545)는 닫힌 위치에서 부분 개방 위치 또는 완전 개방 위치로 이동된다. 게이트(545)가 닫힌 위치에 있을 때, 실질적으로 모든 수증기(H2O)의 흐름이 통로(70)에서 터빈(45)으로 흐른다. 게이트(545)가 부분 개방 위치로 이동된 때(예컨대, 터빈(45)으로의 바람직한 증기 흐름이 더 낮은 전력 수요를 충족시키기 위해 감소해야만 할 때), 게이트(545)가 개방된 정도에 비례하는 잉여 수증기(H2O)는 통로(70)로부터 통로(555)로 흐른다. 그러므로, 게이트(545)의 동작은 통로(70)로부터 통로(555)로 우회하는 수증기(H2O)의 양을 제어한다. 게이트(545)의 동작과 유사한 게이트(550)의 동작은 통로(555)로부터 통로(560)로 우회하는 수증기(H2O)의 양을 제어한다. 통로(560)로 흐르는 수증기(H2O)는 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 통로(560)를 통해 직접 전달된다. 그러므로, 게이트(550)의 동작은 터빈(45)을 바이패스(bypass) 하고 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 직접 전달되는 수증기(H2O) 흐름의 양을 제어한다. 그 위치에 따라, 그리고 게이트(545)와 유사하게 동작하는 게이트(550)는 수증기(H2O)의 실질적으로 모든 흐름, 또는 일부의 흐름을 통로(555)로부터 통로(560)를 통해 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 우회시킬 수 있고, 전혀 우회시키지 않을 수도 있다. 터빈(45)의 신속한 정지가 바람직할 때, 게이트(545)는 통로(70)로부터 통로(555)로 실질적으로 모든 수증기(H2O) 흐름을 전달하기 위해 개방 위치로 이동되고, 게이트(550)는 통로(555)로부터 통로(560)로 실질적으로 모든 수증기(H2O) 흐름을 전달하기 위해 개방 위치로 이동된다. 그러므로, 열교환기(20)로부터 실질적으로 모든 수증기 흐름(H2O)은 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 우회하고, 터빈(45)의 신속한 정지가 용이하게 된다.
터빈 냉각 서브시스템(60)를 통해 터빈 냉각 서브시스템(60)으로 우회되지 않은, 통로(555)를 통해 흐르는 수증기(H2O)는 통로(565)를 통해 응축기(570)로 흐르고, 또는 도 12n에 도시된 바와 같이, 통로(322b) 내의 (도시되지 않은) 유사한 응축기로 흐를 수 있다. 응축기(570) 내에 놓인 수증기(H2O)와 저온 원자로 냉각재 통로(320)를 통해 흐르는 저온의 원자로 냉각재 간의 열교환 때문에, 응축기(570) 내에 놓인 수증기(H2O)의 일부 또는 실질적으로 모두는 물(H2O)로 응축된다. 밸브(575)는 물(H2O)이 응축기(570) 밖으로 흐르는 것을 허용하고 응축기(570) 밖으로의 수증기(H2O)의 흐름을 실질적으로 차단하도록 동작한다. 그 다음, 물(H2O)은 응축기(570)로부터 열교환기(585)를 통로(580)로 흐른다. 열교환기(585)는 물(H2O)의 온도를 원하는 온도(예컨대, 터빈 증기 서브시스템(65)의 통로(80)에 의해 전달되는 물(H2O)과 실질적으로 동일한 온도)로 냉각시킨다. 그 다음, 통로(590)는 물(H2O)을 열교환기(585)로부터 통로(80)로 연결부(595)를 통해 전달한다. 그 다음, 통로(80)는 물(H2O)을 펌프 서브시스템(30)의 펌프(395)의 주입구로 전달한다.
그러므로, 로드 팔로우잉 서브시스템(515)은 열교환기(20)로부터 더 많은 또는 더 적은 수증기(H2O)를 전력 수요 변동에 따라 터빈(45)을 통과하도록 방향조절하기 위해 게이트(545)를 조절함으로써 터빈(45)의 제어를 가능하게 한다. 정상동작의 몇몇 경우에, 잉여 수증기(H2O)는 터빈 냉각 서브시스템(60)으로부터 열교환기(20)로의 입력 피드스톡(feedstock)을 예열하는데 사용된다. 또한, 잉여 수증기(H2O)의 일부는 통로(322b) 또는 통로(320) 내에 배치된 열교환기(예컨대, 소형 열교환기)를 통해 주 감속재 제어 캐비티 냉각재를 가열하는데 사용될 수 있고, 그러므로 잉여 수증기(H2O)의 양이 증가할 때 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 냉각 및 원자로 파워 출력이 감소한다(또는 잉여 수증기(H2O)의 양이 감소할 때 파워 출력이 증가한다).
이제, 우회 서브시스템(520)이 서술될 것이다. 펌프(600)는 고온 원자로 냉각재 통로(325)로부터 저온 원자로 냉각재 통로(320)로 원자로 냉각재를 펌핑하여 열교환기(20) 및 펌프(390)를 우회하기 위해 통로(605) 내의 원자로 냉각재를 선택적으로 가압하도록 컨트롤러(540)에 의해 제어된다. 그러므로, 펌프(600) 및 통로(605)는 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 흐르는 비교적 고온의 원자로 냉각재가 열교환기(20)를 우회하게 하고 저온 원자로 냉각재 통로(320)로 직접 흐르게 하고, 그로 인해 고온의 냉각재가 비교적 저온의 냉각재와 혼합되게 하고 원자로(15)의 작동 동안 원하는 시간(예컨대, 정지 동안, 낮은 파워 동작, 및/또는 초기 원자로 냉각재 로딩)에 저온 원자로 냉각재 통로(320)로 흐르는 냉각재의 온도를 증가시킨다.
그러므로, 우회 서브시스템(520)은 비교적 소량의 주 냉각재가 정상적인 냉각재 통로로부터 가압되어, 열교환기(20) 및/또는 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 우회하게 한다. 우회 서브시스템(520)은 냉각재 펌프(390) 및/또는 H2O 펌프(395)가 단일 모터에 의해 구동될 때 동작할 수 있고, 비례하는 유체 양이 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통해 열교환기(20)로 들어가는 열의 양과 정상 동작 동안 통로(70)를 통해 터빈(45)으로의 수증기(H2O) 흐름을 통해 열교환기(20)를 빠져나가는 열의 양의 균형을 맞추도록 전달 서브시스템(305)을 통해 펌핑된다. 낮은 파워에서, 상당한 온도 편차가 일어날 수 있고(예컨대, 풀 파워에서보다 큰 온도 편차), 이러한 온도 편차는 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통한 주 냉각재 흐름 속도와 통로(70)를 통한 터빈 피드백 흐름 간의 흐름 비율이 바람직한 흐름 비율을 벗어나게 변경할 수 있다. 우회 서브시스템(520)의 동작은 이러한 온도 편차를 보상하고, 고온 원자로 냉각재 통로(325)를 통한 주 냉각재 흐름 속도와 통로(70)를 통한 터빈 피드백 흐름 속도 간의 흐름 비율을 원하는 흐름 비율로 유지한다. 이러한 온도 편차에 응답하여, 펌프(600)는 비교적 낮은 용량으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 펌프(600)의 용량은 전체 파워에서 펌프(390)의 용량의 3%일 수 있고, 이는 10% 파워에서 펌프(390)의 용량의 30%에 대응할 수 있고, 이는 상당한 불균형을 원하는 흐름 비율로 보상하기에 펌프(600)에 대하여 충분한 용량일 수 있다. 또한 펌프(600)는 통로(70)를 통해 터빈(45)으로 임의의 피드스톡을 구동하는 것이 바람직하지 않지만, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 통한 주 원자로 냉각재의 작은 흐름을 유지하는 것이 바람직한 상황(예컨대, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 작동 온도까지 일정하게 올리기 위해 원자로를 시동할 때)에서 동작할 수 있다.
이제, 감속재 안정화 서브시스템(525)의 예시적인 동작이 서술될 것이다. 원자로(15)의 정상 동작 동안, 밸브(615)는 닫힌 위치에 있고, 반사기 존(95)의 기체 영역(110)으로부터 통로(610)를 통해 저장소(625)로의 증기 흐름을 실질적으로 차단한다. 컨트롤러(540)가 밸브(615)를 개방하도록 제어할 때, 기체 감속재는 기체 영역(110)으로부터 저장소(625)로 통로(610)를 통해 흐른다. 통로(610)를 통해 저장소(625)로 들어간 후, 기체 감속재는 저장소(625)의 내벽의 비교적 저온의 표면상에서 응축한다. 밸브(615)는 원자로의 신속한 정지가 요구될 때 개방될 수 있다. 통로(610)를 통해 흐르는 기체 감속재는 또한 통로(630)를 통해 응축기(635)로 흐른다. 통로(80)를 통해 흐르는 비교적 저온의 물(H2O)과의 열교환으로 인해, 응축기(635) 내에 놓인 기체 감속재는 액체 감속재로 응축된다. 펌프(645)는 통로(640 및 650) 내의 액체 감속재의 흐름을 선택적으로 가압하고, 그로 인해 응축된 액체 감속재는 다시 원자로(15)로, 예컨대, 기체 영역(110)으로 펌핑한다. 통로(650)를 통해 기체 영역(110)으로 전달된 응축된 액체 감속재는 기체 영역(110) 내의 추가적인 기체 감속재가 응축하게 하고, 반사기 존(95) 내의 감속재의 온도를 낮춘다. 펌프(645)는 기체 영역(110) 및 반사기 존(95) 내의 일정한 증기압을 유지하는 흐름 속도로 동작될 수 있다. 또한, 이러한 기능은 도 12n에 도시된 증기압 제어 밸브(380b)에 의해 제공될 수 있다.
그러므로, 감속재 안정화 서브시스템(525)은 잉여 기체 감속재를 응축시키고 기체 영역(110) 내의 기체 감속재의 압력이 원하는 값 위로 올라갈 때 그것을 다시 반사 풀(105)로 펌핑하도록 동작한다. 기체 영역(110) 내의 기체 감속재의 압력을 바람직한 압력 범위로 유지하는 것은 감속재 안정화 서브시스템(525)이 기체 영역(110) 내의 증기압의 안정성을 유지하고, 반사기 존(95)의 경계(115) 부근의 기체 감속재의 온도의 안정성을 유지하고, 그리고 반사기 존(95)의 경계(115) 부근의 액체 감속재의 온도의 안정성을 유지하도록 동작하기 때문에, 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)의 정상 동작을 제공한다.
이제, 원자로 냉각재 안정화 서브시스템(530)의 예시적인 동작이 서술될 것이다. 저장소(655)와 고온 원자로 냉각재 통로(325) 간의 원자로 냉각재의 실질적으로 자유로운 통과는 통로(665)를 통해 일어난다. 가열 엘리먼트(660)는 저장소(655) 내에 저장된 원자로 냉각재를 압력이 바람직한 값 밑으로 떨어진 때 바람직한 온도 및/또는 압력으로 유지하기 위해 저장소(655)를 선택적으로 가열한다. 압력이 바람직한 값보다 높게 올라간 때, 저온 원자로 냉각재 통로(320)로부터의 저온의 원자로 냉각재는 (도시되지 않은) 펌프에 의해 저장소(655)로 선택적으로 주입된다. 저장소(655)로 분무된 비교적 저온의 원자로 냉각재는 저장소(655) 내의 증기 원자로 냉각재의 일부를 응축시키고, 그로 인해 고온 원자로 냉각재 통로(325) 및 저장소(655) 내의 압력을 선택적으로 감소시킨다.
도 15 및 20을 참조하여, 차등 흐름 서브시스템(535)의 예시적인 동작이 서술될 것이다. 각각의 연속적인 동심의 통로(670)의 입구 및 출구 단부에 있는 각각의 영역 부분(예컨대, 영역(A1, A2, A3, 및/또는 A4)이 차단되어 있기 때문에, 각각의 동심의 통로(670) 내의 실질적으로 동일한 흐름 속도는 동심의 통로(670)가 배치되어 있는 저온 원자로 냉각재 통로(320)의 부분을 통해 유지된다. 그러므로, 동심의 통로의 영역이 다양할 수 있기 때문에, 유체가 상이한 동심의 통로를 이동하기 위한 시간이 다양할 수 있고, 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내의 급격한 온도 변화는 시간에 걸쳐 산개된다.
원자로 시스템(5)은 연속 동작의, 예컨대, 수년 또는 수십년의 기간과 같은 임의의 적절한 시간 기간에 걸쳐 동작할 수 있다. 원자로 시스템이 이러한 수년 또는 수십년의 기간에 걸쳐 동작할 때, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)의 크기는 점점 수축될 수 있고, 동작 시간 기간의 끝에서 실질적으로 사라질 수 있다. 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내의 연료의 핵분열성 함유물의 양이 시간이 흐름에 따라 감소할 것이기 때문에, 수축되고 결국 실질적으로 사라질 것이고, 그러므로 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내에 더 높은 밀도의 감속재가 감소되는 핵분열성 함유물을 보상하기 위해 그리고 바람직한 핵분열 성분을 유지하기 위해 사용될 것이다. 또한, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 중성자를 흡수하는 핵분열 부산불이 원자로 시스템(5)의 동작 기간에 걸쳐 지속적으로 축적될 것이기 때문에 수축되고 결국 실질적으로 사라질 수 있다. 따라서, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 또한 시간의 흐름에 따라 중성자를 흡수하는 핵분열 부산물의 증가로 인해 수축되고 결국 실질적으로 사라지게 될 수 있고, 그러므로 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 더 높은 밀도의 감속재가 증가된 중성자 포획을 보상하기 위해 그리고 바람직한 핵분열 속도를 유지하기 위해 사용될 수 있다.
시간의 흐름에 따라, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)이 실질적으로 사라지게 된 후, 연료 튜브(135, 135', 135a, 및/또는 135b) 내의 연료의 핵분열성 함유물의 양은 결국 충분히 적어질 수 있고, 그리고/또는 원자로(15) 내에 산출된 중성자를 흡수하는 핵분열 부산물의 양은 결국 충분히 커져서, 원자로(15)는 준임계 상태가되고, 원자로 시스템(5) 내의 핵분열 속도는 충분하지 않게 된다. 그러므로, 원자로(15)는 정지할 것이다. 이러한 시점에, 새로운 연료가 원자로(15)로 제공될 수 있고, 또는 원자로(15)는 크세논 감쇠를 뒤따르는 정지 후 짧은 기간동안 작동될 수 있다.
원자로 시스템(5)는 또한, 바람직하다면, 상기 서술한 동작 시간 기간의 끝에서 정지되기 전에, 정지될 수 있다. 원자로 시스템은 원자로 제어 서브시스템(40)에 의해 의도적으로 정지될 수 있다. 의도적인 정지의 경우에, 원자로 냉각재 서브시스템(25)의 동작은 원자로(15)의 원자로 냉각재 및/또는 감속재 냉각재를 비교적 소량을 공급하거나 실질적으로 공급하지 않도록 제어될 수 있다. 이러한 경우에, 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재가 매우 고온이될 것이고, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)이 실질적으로 모든 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)를 체우도록 팽창하게 만든다. 상술한 바와 같이, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)이 실질적으로 모든 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)를 채울 때, 제어 캐비티 어레이(130, 130', 130a, 및/또는 130b) 내의 감속재의 평균 밀도를 감소시킨다. 감속재 밀도의 이러한 감소는 중간 및 고속의 흡수(공진 포획)에 의해 손실되는 중성자의 비율을 증가시키고, 그러므로 핵분열을 일으키는데 사용가능한 느린 중성자의 비율을 감소시키고, 원자로(15)의 가열 속도를 감소시킨다. 따라서, 원자로(15)로의 원자로 냉각재 및 감속재 냉각재의 흐름이 작게 유지되거나 실질적으로 중단되면, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 실질적으로 모든 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)를 계속 채울 것이고, 원자로(15)는 정지할 것이다. 의도적인 정지와 유사하게, 원자로 냉각재 서브시스템(25)이 적절하게 작동하지 않고 원자로 냉각재 및/또는 감속재 냉각재를 원자로(15)로 제공하지 않는다면, 기체 존(185, 185', 185a, 280 및/또는 185b)은 실질적으로 모든 제어 캐비티(140, 140', 140a, 및/또는 140b)를 채우도록 팽창할 것이고, 원자로(15)는 결국 의도적인 정지에 대하여 상술한 것과 동일한 방식으로 스스로 정지할 것이다.
이제, 보조 냉각재 서브시스템(35)의 동작이 서술될 것인데, 대류 루프 서브시스템(410)의 예시적인 동작의 설명으로 시작한다.
도 16을 참조하면, 연결부(425 및 455)는 실질적으로 완전한 냉각재 흐름(전체 파워 동작)에서, 통로(430) 내의 압력(A) 및 연결부(455) 내의 압력(B)이 서로 반대로 균형을 이루도록 구성될 수 있고, 실질적으로 통로(430, 435, 440, 및 445), 합류부(450), 및 연결부(455)를 통해 유체가 흐르지 않는다. 냉각재 펌프(390)가 저온의 원자로 냉각재를 저온 원자로 냉각재 통로(320)를 통해, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 통해, 그리고 열교환기(20)의 고온 원자로 냉각재 통로(325) 밖으로 펌핑하는 것을 멈추면, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 빠져나가는 고온의 원자로 냉각재는 연결부(425)에서 대류 루프 서브시스템(410)의 통로(430)로 흐를 수 있다. 고온의 원자로 냉각재는 통로(430)를 통해 아래쪽으로, 반사 풀(105)의 최상면의 높이(elevation) 아래로 흐른다. 그 다음, 고온의 원자로 냉각재는 통로(430)로부터 통로(435)로 위쪽으로 흐르고, 그 다음 격납 구조(85) 및 압력 용기(90)를 향해 복수의 통로(440)를 통해 흐른다. 고온의 원자로 냉각재는 복수의 통로(440)로부터 대응하는 복수의 통로(445)로 흐른다. 고온의 원자로 냉각재는 복수의 통로(445)를 통해 흐르고, 압력 용기(90)에 열겨환기에 의해 열을 전달한다. 원자로 냉각재는 복수의 통로(445)를 통해 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)의 바닥 부근 또는 그 아래의 위치로 흐른다. 그 다음, 원자로 냉각재는 연결부(455)를 통해 저온 원자로 냉각재 통로(320)로 흐른다. 그 다음, 저온 원자로 냉각재 통로(320)로 들어간 원자로 냉각재는 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)로 들어간다. 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 빠져나온 후, 원자로 냉각재의 일부는 연결부(425)에서 대류 루프 서브시스템(410)으로 다시 들어간다.
압력(A)은 펌프(390)가 원자로의 최대 파워 동작에 대응하는 속도로 저온의 감속재 냉각재를 순환시킬 때 압력(B)와 반대이고 균형을 이루어서, 매우 소량의 냉각재가 전체 파워에서 대류 루프를 통해 흐른다. (예컨대, 전체 원자로 냉각재 흐름보다 훨씬 작거나 또는 실질적으로 원자로 냉각재 흐름이 없는) 풀 파워보다 낮은 파워에서, 대류 루프는 대류 루프 서브시스템(410)을 통해 원자로 냉각재를 순환시키도록 동작한다. 그러므로, 바람직하다면, 대류 루프 서브시스템(410)은 원자로 냉각재 서브시스템(25)이 작동하지 않을 때에도 원자로(15)를 통해 원자로 냉각재를 순환시키도록 동작한다. 대류 루프 서브시스템(410) 및 밸브(460 및 465)는 컨트롤러(540) 및 임의의 전력 공급과는 독립적으로 작동하는 자율적(autonomous) 시스템일 수 있다. 예를 들어, 밸브(460 및 465)는 원자로 냉각재 서브시스템(25)의 흐름의 차단, 또는 격납 구조(85) 외부의 임의의 냉각재 서브시스템 컴포넌트에서의 누수의 경우에 대류 루프 서브시스템(410) 내의 원자로 냉각재의 흐름을 격리하도록 동작할 수 있다. 밸브(460)는 외부 압력이 용기 압력(90) 내의 저온 원자로 냉각재 통로(320) 내의 압력 보다 낮을 때 임의의 경우에 저온 원자로 냉각재 통로(320)를 통해 원자로(15) 밖으로의 원자로 냉각재의 흐름을 실질적으로 차단하도록 동작한다. 또한, 밸브(465)는 원자로(15) 내의 원자로 냉각재의 양이 바람직한 임계량보다 작을 때, 원자로(15) 외부로의 원자로 냉각재의 흐름을 실질적으로 차단하도록 동작한다. 그러므로, 대류 루프 서브시스템(410)은, 바람직하다면, 원자로 냉각재 서브시스템(25)의 동작과 독립적으로, 원자로(15)를 통한 원자로 냉각재의 순환을 유지하도록 동작한다.
이제 도 17 및 18을 참조하여, 보조 열교환 서브시스템(415)의 예시적인 동작이 서술될 것이다. 반사기 존(95) 내의 감속재의 온도가 그 정상 작동 온도를 초과할 때, 압력 용기(90)는 또한 감속재 및 감속재 증기로부터의 전도에 의해 대략 동일한 온도로 가열된다. 열교환 부재(470) 내에 포함된 상태 변화 재료는 점진적으로 가열된다. 임계 레벨을 지나 가열된다면, 열교환 부재(470) 내에 배치된 상태 변환 재료는 상태 변화를 일으킬 수 있고(예컨대, 고체 상태에서 액체 상태로 가열되거나, 액체 상태에서 기체 상태로 가열), 이는 열교환 부재(470) 내에 배치된 상태 변화 재료의 전도 특성을 향상시킨다. 열교환 부재(470)의 상태 변화 재료는 대류 또는 증기 전달에 의해 압력 용기(90)로부터 (낮은 열전도성을 가질 수 있는) 열을 격납 구조(85)의 외부로 효과적으로 전달할 것이다.
그 다음, 열교환 부재(475)의 상태 변화 재료는 열교환 부재(470)로부터 전달된 열에 의해 가열된다. 임계 레벨을 넘어서 가열되면, 열교환 부재(475) 내에 배치된 상태 변화 재료는 상태 변화를 일으키게 되고(예컨대, 고체 상태에서 액체 상태로 가열되거나 액체 상태에서 기체 상태로 가열되고), 이는 열교환 부재(475) 내에 배치된 상태 변화 재료의 도전 특성을 향상시킨다.
그 다음, 열교환 부재(475)의 상태 변화 재료는 열교환 부재(475)로부터 열교환 부재(480)로 흐를 것이다. 열교환 부재(480)가 넓은 면적의 지역(벌판 및/또는 주차장) 아래로 뻗은 때, 열교환 부재(480) 내에 배치된 및/또는 흐르는 상태 변화 재료에 의해 전달되는 열은 인접한 지역 및 지면으로 방산될 것이다. 또한, 열교환 부재(480)가 실질적으로 수평면으로부터 위쪽으로 약간의 각도로 배치된 때, 열교환 부재(480) 내에 배치된 및/또는 흐르는 상태 변화 재료는 원자로(15)로부터 거리가 증가할 수록 더 많은 열을 방산한다.
임계 레벨을 지나 냉각될 때, 열교환 부재(480) 내에 배치된 상태 변화 재료는 다시 상태 변화되게 된다(예컨대, 기체 상태에서 액체 상태로 냉각되거나, 고체 상태에서 액체상태로 냉각된다). 예를 들어, 열교환 부재(475 및 480) 내에 배치된 상태 변화 재료가 H2O라면, 수증기(H2O)는 물(H2O)로 응축된다. 열교환 부재(480)가 실질적으로 수평면으로부터 위쪽으로 약간의 각도로 배치된 때, 상태 변화 재료, 예컨대, 물(H2O)은 열교환 부재(475)의 최상부로 빠르게 올라간 다음 그들이 교환 부재(480) 내의 더 차가운 물(H2O)로 응축되고 중력에 의해 다시 원자로(15)로 흐를 때까지 열교환 부재(480)의 최상부를 따라 바깥으로 흐르는, 열교환 부재(475) 내의 수증기 방울을 형성할 것이다. 상태 변화 재료가 열교환 부재(480)로부터 중력에 의해 원자로(15) 및 열교환 부재(475)로 다시 흐를 때, 상태 변화 재료는 다시 점차적으로 가열된다. 임계 레벨을 지나 가열되면, 열교환 부재(475) 내에 배치된 상태 변화 재료는 상태 변화되게 될 것이다(예컨대, 액체 상태에서 기체 상태로 가열되거나, 고체 상태에서 액체 상태로 가열된다. 상태 변화 재료는 반복적으로 가열 및 냉각될 수 있고, 이로 인해 하나의 사이클 내에서 상태가 오락가락 변하고, 열교환 부재(480)가 그 아래로 뻗어 있는 큰 면적의 지역(예컨대, 벌판 및/또는 주차장)을 통해 원자로(15)로부터 방산되는 열을 계속 전달한다. 원자로 시스템(5)에서의 작동과 더불어, 보조 열교환 서브시스템(415)이 열이 중앙 소스로부터 멀리 전달되는 임의의 적합한 열전달 애플리케이션(예컨대, 임의의 타입의 발전소, 상업용 빌딩과 같은 임의의 타입의 열발생 구조, 군사 애플리케이션, 주거용 구조 및 복합건물, 및/또는 스포츠 복합건물)과 결합하여 사용될 수도 있을 것으로 생각된다.
이제, 도 19를 참조하여 보조 원자로 정지 서브시스템(420)의 예시적인 동작이 설명될 것이다. 원자로(15)의 정상 동작 동안, 밸브(487)은 닫힌 상태를 유지할 수 있다. 원자로(15)로의 중성자를 흡수하는 재료의 유입이 요구될 때(예컨대, 원자로(15)의 정지가 요구될 때), 컨트롤러(540)는 가압 저장소(485)로부터 하나 이상의 통로(490)로 가압된 중성자 흡수 재료의 흐름을 허용하기 위해 개방되도록 밸브(487)를 제어한다. 중성자 흡수 재료는 하나 이상의 통로(490)를 통해 흐르고, 그로 인해 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 통해 흐른다. 중성자 흡수 재료가 단부(505)를 향해 흐를 때, 통로(490) 내에 이미 존재하는 수증기(H2O)는 버퍼로서 역할하는 닫힌 단부(505)에서 점점 가압되고, 가압 저장소(485)로부터 통로(490)로의 가압된 흐름으로부터의 힘에 의해 단부(505)에서 벗어나는 중성자 흡수 재료의 흐름의 가능성을 줄인다. 통로(490) 내의 중성자 흡수 재료의 존재로 인해, 증가된 양의 중성자가 원자로(15)로부터 흡수되고, 이는 원자로(15)의 핵분열 속도를 감소시킨다. 컨트롤러(540)는 원자로를 재가동하는 것이 바람직할 때 통로(490)로부터 배수 통로(495)를 통해 저장소(485)로 다시 중성자 흡수 재료를 펌핑하도록 펌프(500)를 제어한다. 중성자 흡수 재료가 통로(490) 내에서 실질적으로 존재하지 않는 것이 바람직할 때, 컨트롤러(540)는 실질적으로 완전히 폐쇄되도록 밸브(487)를 제어하고, 통로(490)로부터 가압 저장소(485)로 중성자 흡수 재료를 증발시키도록 펌프(500)를 제어한다. 펌프(500)는 가압 저장소(485)를 가압된 상태로 유지하고, 상술된 프로세스는 바람직할때까지 반복될 수 있다.
개시된 원자로 시스템은 원자로의 제어를 더 쉽게 만들기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 원자로(15)는 격납 구조(85) 내에 이동하는 부분을 가지지 않도록 구성될 수 있다. 개시된 제어 방법은 비교적 큰 범위(예컨대, 250 mk에 걸친)를 가지고, 이는 광범위한 상이한 반응성을 가진 연료의 사용을 가능하게 하고, 연료 수명 사이클 내의 실질적으로 모든 포인트에서 각각의 상이한 연료에 대한 실질적으로 최대의 전환비율을 달성하게 한다. 개시된 원자로 시스템은 또한 전환비율을 크게 향상시키고 그로 인해 연료 수명을 증가시킨다. 또한, 개시된 제어 방법의 비교적 큰 범위로 인해, 원자로(15)는, 예컨대, 저농축 우라늄, MOX 연료, 사용된 경수 원자로 연료, 및 토륨을 포함하는 연료의 조합과 같은, 더 높은 반응성의 연료를 사용할 수 있다.
개시된 제어 캐비티가 국부적인 중성자 플럭스를 제어하기 위해 서로 독립적으로 반응하기 때문에, 크세논 웨이브는 자연적으로 억제될 수 있고 이는 원자로(15)의 효율을 증가시킨다. 또한, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)를 가로지르는 중성자 플럭스는 크게 평탄화되고, 이는 원자로 시스템(5)의 비교적 더 높은 전체 파워 출력을 가능하게 한다. 또한, 원자로 코어(100, 100', 100a, 및/또는 100b)에 걸친 연료 소진은 비교적 균일할 수 있다.
개시된 원자로 시스템은 잉여 중성자가 더 낮은 전환비율을 가진 오래된 연료의 수명을 덜 효과적으로 연장시키기 위해 사용되는 대신에, 더 높은 변화율의 새로운 연료의 수명을 연장시키기 위해 사용될 수 있기 때문에, 연속적인 또는 부분적인 연료보충을 사용할 필요가 없다. 원자로(15)가 연료로 천연 유라늄을 사용할 수 있기 때문에, 원자로(15)는 동위 원소(예컨대, 우라늄) 농축 기능을 사용하지 않을 수 있고, 그러므로 핵 확산(proliferation) 가능성을 감소시킨다. 원자로(15)의 높은 전환비율로 인해, 많은 파워 출력이 원자로(15) 내의 U238로부터 산출된 플루토늄 동위원소(대게 Pu239)의 핵분열에 의해 만들어지고, 그러므로 채굴된 우라늄의 톤당 산출되는 총 KWH의 파워를 상당히 증가시키고, 산출된 파워의 KWH 당 발생되는 핵폐기물의 양을 상당히 감소시킨다.
개시된 제어 캐비티는 원자로 시스템(5)을 효과적으로 제어하기 위해 간단한 구조를 가진 원자로(15)를 제공할 수 있다. 개시된 제어 캐비티는 고온의 냉각재로부터 감속재로의 열 손실을 줄이기 위해 원자로 냉각재와 감속재 간의 감소된 온도차를 제공할 수 있고, 이는 더 높은 출력 냉각재 온도 및 더 높은 효율의 증기 터빈을 가능하게 한다. 또한, 개시된 제어 캐비티는 원자로(15)에 걸친 감소된 압력차를 제공할 수 있고, 이는 냉각재 압력 튜브가 더 적은 중성자를 흡수하고 연료의 전화비율을 증가시킬 수 있는 덜 구조적인 재료로 만들어지는 것을 허용한다.
개시된 연료 어셈블리는 온도가 연료 튜브에 걸쳐 비교적 균일하도록 외부 연료봉에 의해 열중성자로부터 비교적 덜 그늘진(shaded) 개시된 연료 튜브 내의 내부 연료봉을 제공할 수 있고, 이는 연료 튜브 및 연료 어심블레가 더 많은 연료봉 및/또는 더 큰 직경의 연료봉을 포함하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 원자로 체적당 파워 출력이 증가될 수 있다.
보조 열교환 서브시스템(415)은 원자로(15)로부터 또는 임의의 다른 적합한 열 소스로부터 열을 효과적으로 전달하는 방법을 제공할 수 있다. 보조 열교환 서브시스템(415)은 이동하는 기계 부분 없이 동작할 수 있는 효율적인 열전달 시스템을 제공한다.
개시된 원자로 시스템은 또한 바람직할 때 원자로(15)를 자동적인 그리고/또는 의도적인 정지를 제공할 수 있다. 개시된 원자로 시스템은 또한 우회 시스템을 통해 터빈(45)으로 전달되는 증기의 양을 제어하는 방법을 제공할 수 있고, 이는 파워 산출의 제어를 더 효율적으로 만들 수 있다.
다양한 수정 및 변형이 개시된 원자로 시스템에 대하여 이루어질 수 있음을 당업자들을 이해해야 한다. 다른 실시예는 명세서를 고려하고 개시된 방법 및 장치를 실시함으로써 당업자들에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 예들은 단지 예시로 간주되어야 하고, 실제 범위는 아래의 청구항 및 그 동등물에 의해 지시되도록 의도되었다.

Claims (13)

  1. 원자로 제어 방법으로서,
    원자로의 코어 내에 감속재 존을 제공하는 단계;
    상기 감속재 존 내에 연료를 제공하는 단계;
    상기 연료 부근에, 각각 하나의 캐비티를 가진, 하나 이상의 하우징을 제공하는 단계;
    상기 하나 이상의 하우징의 하부에서 상기 하나 이상의 하우징의 캐비티와 상기 감속재 존 사이의 감속재 이동을 허용하는 단계; 및
    상기 하나 이상의 하우징의 상부에서 상기 하나 이상의 하우징의 캐비티 내로 감속재를 가두는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 감속재는 D2O인 것을 특징으로 하는 원자로 제어 방법.
  3. 감속재 존;
    상기 감속재 존 내에 배치된 연료; 및
    각각의 하우징이 하나의 캐비티를 가지고, 상기 연료 부근에 배치되는 하나 이상의 하우징을 포함하고,
    각각의 하우징의 하부는 상기 감속재 존과 상기 캐비티 사이에서 상기 감속재의 이동에 대하여 개방되어 있고, 각각의 하우징의 상부는 상기 감속재 존과 상기 캐비티 사이에서의 상기 감속재의 이동에 대하여 폐쇄되어 있는 것을 특징으로 하는 원자로 코어.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 감속재는 D2O인 것을 특징으로 하는 원자로 코어.
  5. 원자로 제어 방법으로서,
    원자로 코어의 감속재 존 내에 연료를 제공하는 단계;
    각각의 하우징이 하나의 캐비티를 가지는, 상기 연료 부근에 하나 이상의 하우징을 제공하는 단계;
    상기 하우징의 하부에서 상기 캐비티와 상기 감속재 존 사이에서 상기 감속재의 이동을 허용하는 단계;
    상기 하우징의 상부에서 상기 캐비티와 상기 감속재 존 사이에서 상기 감속재의 이동을 차단하는 단계;
    상기 연료로부터의 열전도, 중성자, 또는 감마선에 의해 상기 캐비티 내의 상기 감속재로 가해지는 열의 양과 실질적으로 동일한 양의 열을 상기 캐비티 내의 상기 감속재로부터 제거하는 단계; 및
    상기 하우징의 상부에서 상기 캐비티 내의 기체 상태인 상기 감속재의 양을 실질적으로 일정하게 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 감속재는 D2O인 것을 특징으로 하는 원자로 제어 방법.
  7. 원자로 제어 방법으로서,
    원자로 코어의 감속재 존 내에 연료를 제공하는 단계;
    각각의 하우징이 하나의 캐비티를 가지는, 상기 연료 부근에 하나 이상의 하우징을 제공하는 단계;
    각각의 하우징의 하부에서 상기 캐비티와 상기 감속재 존 사이의 상기 감속재 이동을 허용하는 단계;
    각각의 하우징의 상부에서 상기 캐비티와 상기 감속재 존 사이의 상기 감속재 이동을 차단하는 단계;
    상기 캐비티 내의 상기 감속재로부터 일정량의 열을 제거하는 단계; 및
    상기 캐비티 내의 상기 감속재로부터 제거되는 열의 양을 변경함으로써, 각각의 하우징의 상기 상부에서 상기 캐비티 내에서 기체 상태로 유지되는 감속재의 양을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 감속재는 D2O인 것을 특징으로 하는 원자로 제어 방법.
  9. 원자로 코어의 반응 속도를 제어하는 방법으로서,
    감속재 존과 상기 감속재 존 내에 배치된 하우징의 캐비티 사이의 감속재 이동을 허용하는 단계;
    상기 캐비티 내의 상기 감속재의 일부를 기체 상태로 가열하기 위해, 닫힌 상부 및 열린 하부를 가지는 상기 하우징 부근에 배치된 연료로부터 방출되는 중성자 또는 감마선을 사용하는 단계;
    상기 닫힌 상부 내의 상기 캐비티 내의 기체 상태인 상기 감속재를 유지하는 단계;
    상기 캐비티 내의 상기 감속재로부터 제거되는 열의 양을 변경함으로써, 상기 기체 상태로 유지되는, 상기 캐비티 내의 상기 감속재의 양을 변경하는 단계; 및
    상기 기체 상태로 유지되는, 상기 캐비티 내의 상기 감속재의 양을 기초로 상기 캐비티 내의 상기 감속재의 일부를 액체 상태로 변경함으로써 공진 포획(resonance capture)에 의해 상기 연료에 의해 포획되는 중성자의 양을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 코어의 반응 속도를 제어하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 감속재는 D2O인 것을 특징으로 하는 원자로 코어의 반응 속도를 제어하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 반응 속도가 바람직한 값보다 클 때,
    상기 더 높은 반응 속도는 기체 상태인 상기 캐비티 내의 감속재의 양을 증가시키고, 상기 캐비티 내의 액체 상태인 상기 감속재의 일부를 상기 캐비티 바깥쪽 아래쪽으로 이동시켜서,
    상기 캐비티 내의 감속재의 질량을 감소시키고,
    공진 포획을 통해 포획된 중성자의 양을 증가시키고,
    열에너지에 도달하고 핵분열을 일으키는 중성자의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 원자로 코어의 반응 속도를 제어하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 반응 속도가 바람직한 값보다 낮을 때,
    상기 낮은 반응 속도는 기체 상태인 상기 캐비티 내의 감속재의 양을 감소시키고, 상기 감속재 존 내의 상기 액체 감속재 중 일부가 상기 캐비티 내로 위쪽으로 이동하는 것을 허용하여,
    상기 캐비티 내의 감속재의 질량을 증가시키고,
    공진 포획을 통해 포획된 중성자의 양을 감소시키고, 그리고
    열 에너지에 도달하고 핵분열을 일으키는 중성자의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 원자로 코어의 반응 속도를 제어하는 방법.
  13. 원자로를 제어하는 방법으로서,
    연료로부터의 중성자 및 감마선에 의해, 코어 내에 배치된, 하우징의 캐비티 내에 배치된 D2O 감속재를 가열함으로써 산출되는 D2O 증기의 네거티브 피드백을 사용함으로써 상기 코어 내의 반응 속도를 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 캐비티 내의 상기 D2O 증기의 양의 증가는 상기 캐비티 내의 D2O 감속재의 양을 감소시키는 것을 특징으로 하는 원자로를 제어하는 방법.
KR1020137027005A 2011-05-13 2012-05-10 원자로 제어 방법 및 장치 KR101412520B1 (ko)

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