KR20170045203A - 도플러 반응도 증대 장치 - Google Patents
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Abstract
고속 중성자 원자로는 장치 위치 어레이를 갖는 원자로 노심을 포함한다. 노심에서 몇몇 장치 위치는 핵분열성 및 핵연료 원료 핵연료 조립체 장치를 포함한다. 노심에서 하나 이상의 다른 장치 위치는, 노심 내에서의 도플러 반응도 계수의 음성(negativity)을 증대시키는 도플러 반응도 증대 장치를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 도플러 반응도 증대 장치는 또한 노심 내에서의 냉각제 온도 계수를 감소시킬 수 있다. 따라서, 도플러 반응도 증대 장치는 보다 안정한 노심에 기여한다.
Description
관련
출원에 대한 교차 참조
본 발명은, 발명의 명칭이 “바나듐 합금 구조 재료를 지닌 증식 및 연소 소듐 고속로(Breed-and-Burn Sodium Fast Reactor with Vanadium Alloy Structural Material)”이고, 2014년 8월 28일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/043,210호의 우선권을 주장하며, 특히 상기 특허가 개시하고 교시하는 모든 것은 본 명세서에 포함된다.
소듐 고속로와 같은 고속 스펙트럼 핵분열로(“중성자 고속로”)는 일반적으로 연료 조립체 장치를 위한 장치 위치 어레이를 형성하는 노심(reactor core)을 포함하는 원자로 베셀(reactor vessel)과 다른 원자로 지지 장치(reactor support device)를 포함한다. 핵분열성 핵연료(fissile nuclear fuel)는, 핵분열 반응을 초래하는 중성자 충돌을 겪는다. 증식 및 연소 중성자 고속로에서, 핵분열 연쇄 반응은, 핵연료 원료 핵연료(fertile nuclear fuel)로부터 핵분열성 핵연료를 증식시키는 “고속 중성자”에 의해 지원된다. 액체 냉각제가 노심을 통해 흘러, 노심에서 발생하는 핵분열 반응으로부터 열에너지를 흡수한다. 그 후, 냉각제가 열교환기와 증기 발생기에 도달하여, 전력을 생산하는 터빈을 구동시키기 위해 열에너지를 증기로 변환한다. 그러한 원자로의 디자인은, 노심 안정성, 효율적인 열 생성 및 장기 구조 무결성 등을 포함하는 소망하는 작동 파라메터를 달성하도록 재료, 구조 및 제어 시스템의 조합을 수반한다.
설명되는 기술은, 장치 위치 어레이를 갖는 원자로 노심을 포함하는 중성자 고속 원자로를 제공한다. 원자로 노심에서 몇몇 장치 위치는 핵분열성 및 핵연료 원료 핵연료 조립체 장치를 포함한다. 원자로 노심에서 하나 이상의 다른 장치 위치는, 원자로 노심 내에서의 도플러 반응도 계수의 음성(negativity)을 증대시키는 도플러 반응도 증대 장치를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 도플러 반응도 증대 장치는 또한 원자로 노심 내에서의 냉각제 온도 계수를 감소시킬 수 있다. 따라서, 도플러 반응도 증대 장치는 보다 안정한 원자로 노심에 기여한다.
일구현예에서, 도플러 반응도 증대 장치는 V-20Ti, V-10Cr-5Ti, V-15Cr-5Ti, V-4Cr-4Ti, V-4Cr-4Ti NIFS Heats 1 & 2, V-4Cr-4Ti US Heats 832665 & 8923864, V-4Cr-4i Heat CEA-J57 등과 같은 바나듐 또는 바나듐 합금을 포함한다. 다른 구현예에서, 티타늄 합금을 포함하는 다른 재료와 합금이 채용될 수 있다. 바나듐 또는 바나듐 합금(여기에서는 “바날로이(vanaloy)”라고 함)이 (예컨대, 핀 클래딩 및 조립체 도관을 위한) 구조 재료로서 채용될 수 있다.
본 개요는 아래의 상세한 설명에 더욱 기술되는 개념들의 선정을 단순한 형태로 소개하기 위해 제공된다. 본 개요는 청구되는 보호 대상의 주요 피쳐(feature) 또는 필수적인 피쳐를 식별하는 것으로 의도되는 것도 아니고, 청구되는 보호 대상의 범위를 제한하기 위해 사용되는 것으로 의도되는 것도 아니다.
다른 구현예도 또한 여기에서 설명되고 인용된다.
도 1은 도플러 반응도 증대 요소를 포함하는 고속 원자로 노심을 지닌 예시적인 핵분열로의 부분 절결 사시도이다.
도 2는 바나듐(V-51)의 중성자 산란 단면에 대한 데이터 차트를 보여주는 도면이다.
도 3은 티타늄(Ti-48)의 중성자 산란 단면에 대한 데이터 차트를 보여주는 도면이다.
도 4는 상이한 중성자 고속로의 중성자 플럭스와 비교한 바나듐 및 소듐의 중성자 산란 단면을 포함하는 데이터 차트를 보여주는 도면이다.
도 5는 고속 원자로 노심의 장치 위치로 삽입되는 하나 이상의 도플러 반응도 증대 장치를 구비하는 고속 원자로 내에서의 예시적인 반응도 계수를 보여준다.
도 6은 시간에 따른 개별 반응도 계수의 통합에 기초한, 시간에 경과에 따른 예시적인 누적 반응도 계수 삽입을 보여주는 도면이다.
도 7은 도플러 반응도 증대 조립체 장치를 포함하는 원자로 노심 장치의 위치 어레이를 갖는 예시적인 고속 원자로 노심의 단면도이다.
도 8은 반응도 제어 도관 형태의 예시적인 도플러 반응도 증대 장치의 측면도와 단면도이다.
도 9는 도플러 반응도 증대 조립체 장치 형태의 예시적인 도플러 반응도 증대 장치의 측면도와 단면도이다.
도 10은 원자로 노심 내에서 도플러 반응도를 증대시키는 예시적인 공정을 보여주는 도면이다.
도 2는 바나듐(V-51)의 중성자 산란 단면에 대한 데이터 차트를 보여주는 도면이다.
도 3은 티타늄(Ti-48)의 중성자 산란 단면에 대한 데이터 차트를 보여주는 도면이다.
도 4는 상이한 중성자 고속로의 중성자 플럭스와 비교한 바나듐 및 소듐의 중성자 산란 단면을 포함하는 데이터 차트를 보여주는 도면이다.
도 5는 고속 원자로 노심의 장치 위치로 삽입되는 하나 이상의 도플러 반응도 증대 장치를 구비하는 고속 원자로 내에서의 예시적인 반응도 계수를 보여준다.
도 6은 시간에 따른 개별 반응도 계수의 통합에 기초한, 시간에 경과에 따른 예시적인 누적 반응도 계수 삽입을 보여주는 도면이다.
도 7은 도플러 반응도 증대 조립체 장치를 포함하는 원자로 노심 장치의 위치 어레이를 갖는 예시적인 고속 원자로 노심의 단면도이다.
도 8은 반응도 제어 도관 형태의 예시적인 도플러 반응도 증대 장치의 측면도와 단면도이다.
도 9는 도플러 반응도 증대 조립체 장치 형태의 예시적인 도플러 반응도 증대 장치의 측면도와 단면도이다.
도 10은 원자로 노심 내에서 도플러 반응도를 증대시키는 예시적인 공정을 보여주는 도면이다.
고속 원자로는 핵분열 반응에서 핵연료(예컨대, 우라늄)의 활용 효율을 증가시키도록 구성된다. 고속로는, 예컨대 전형적인 경수로보다 천연 우라늄에서 잠재적으로 이용 가능한 훨씬 더 많은 에너지를 얻을 수 있다. 고속로 노심에서의 에너지 생성은, 고속 원자로 노심에서 채용되는 고에너지 중성자로 인해 격렬하다. 그러나, 고속로에서의 높은 연료 소비 및 에너지 강도는 또한 핵연료 조립체 장치에서의 구조 재료에 경수로에 비해 더 큰 정도로 응력을 가한다.
“증식 및 연소” 고속로라고 불리는 특정 유형의 고속 원자로는 소비하는 핵분열성 핵연료를 더 많이 생성할 수 있는 원자로이다. 예컨대, 중성자 경제는 우라늄-238 핵 또는 토륨-232 연료와 같은 핵연료 원료 원자로 연료로부터 핵분열성 핵연료를 연소하는 것보다 많이 증식시키기에 매우 충분하다. “연소”는 “연료 소비(burnup)” 또는 연료 활용으로 칭하고, 얼마나 많은 에너지가 핵연료로부터 추출되는지를 나타낸다. 보다 높은 연료 소비는 통상적으로 핵분열 반응이 종료된 후에 잔존하는 핵폐기물의 양을 감소시킨다.
다른 특정 유형의 고속 원자로는 핵분열 반응에서 사용되는 핵연료 타입에 기초한다. 금속 연료 고속 원자로는, 세라믹 연료형 고속로에서보다 높은 열전도성 및 보다 빠른 중성자 스펙트럼의 장점을 갖는 금속 연료를 채용한다. 금속 연료는 높은 핵분열성 원자 밀도를 나타낼 수 있고, 통상적으로 합금형이지만, 몇명 구현예에서는 순수 우라늄 금속이 사용되었다. 고속 원자로에서는, 우라늄 및 플루토늄의 중성자 획득에 의해 생성되는 마이너 액티나이드(minor actinide)가 금속 연료로서 사용될 수 있다. 금속 액티나이드 연료는 통상적으로 지르코늄, 우라늄, 플루토늄 및 마이너 액티나이드의 합금이다.
도 1은 도플러 반응도 증대 장치(104)와 같은 하나 이상의 도플러 반응도 증대 장치를 포함하는 고속 원자로 노심(102)을 지닌 예시적인 핵분열로(100)의 부분 절결 사시도이다. 고속 원자로 노심(102) 내의 다른 요소는 핵연료 조립 장치(106)와 같은 핵연료 조립 장치와 가동 반응도 제어 조립 장치(108)와 같은 가동 반응도 제어 조립 장치를 포함한다. 도면을 간단하게 하기 위해, 냉각제 순환 루프, 냉각제 펌프, 열교환기, 원자로 냉각 시스템 등과 같은 예시적인 핵분열로(100)의 소정 구조가 생략되었다. 따라서, 예시적인 핵분열로(100)는 도 1에 도시하지 않은 다른 구조를 포함할 수 있다는 점을 이해해야만 한다.
핵분열로(100)의 구현예는 소망하는 바와 같이 임의의 어플리케이션을 위해 크기가 정해질 수 있다. 예컨대, 핵분열로(100)의 다양한 구현예가 원하는 바와 같이 낮은 출력(~ 5 메가와트 열)에서 약 1000 메가와트 열 어플리케이션 및 큰 출력(약 1000 메가와트 열 이상) 어플리케이션까지 사용될 수 있다.
고속 원자로 노심(102)의 구조 부품들 중 몇몇은 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re) 또는 탄소 복합재, 세랴믹 등과 같은 내화성 재료로 이루어질 수 있다. 이들 재료는, 고속 원자로 노심(102)이 통상적으로 작동되는 고온에 대처하도록 선택될 수 있다. 크리프 저항, 기계 가공성, 내부식성 등을 포함하는, 이들 재료의 구조적 특징도 또한 선택에 관련될 수 있다. 그러한 구조적 구성요소는 고속 원자로 노심(102) 내에 장치 위치 어레이를 정한다.
고속 원자로 노심(102)은 (액체 소듐과 같은) 냉각제 풀을 포함하는 원자로 베셀(110)에 배치된다. 예컨대, 다양한 구현예에서 원자로 냉각제 시스템(도시하지 않음)은 원자로 베셀(110)에 배치되는 액체 소듐 풀을 포함한다. 그러한 경우, 고속 원자로 노심(102)은 원자로 베셀(110)에서 액체 소듐 냉각제 풀에 침지된다. 원자로 베셀(110)는, 원자로 베셀(110)로부터의 누설이 있는 바람직하지 않은 경우에 액체 소듐 냉각제의 손실을 방지하는 데 기여하는 격납 베셀(116)로 둘러싸인다. 대안의 구현예에서, 냉각제는 핵분열로(100)에 걸친 냉각제 루프를 통해 흐를 수 있다.
고속 원자로 노심(102)은, 중앙 코어 구역(112) 내에 핵연료 조립체 장치, 반응도 제어 조립체 장치 및 도플러 반응도 증대 장치와 같은 다양한 노심 장치를 수용하는 장치 위치 어레이를 포함한다. 베셀내 핸들링 시스템(도시하지 않음)이 위치(114) 주위의 원자로 베셀(110)의 상부 근처에 위치 설정되고, 고속 원자로 노심(102) 내에서 장치 위치 내측으로 및/또는 외측으로 개별 노심 장치를 셔플링(shuffling)하도록 구성된다. 몇몇 노심 장치는 고속 원자로 노심(102)으로부터 제거 가능할 수 있는 반면, 다른 노심 장치는 고속 원자로 노심(102)으로부터 제거 불가능할 수 있다.
고속 원자로 노심(102)은 핵분열 점화기와 대형 핵분열 폭연 번-웨이브-전파 구역(larger nuclear fission deflagration burn-wave-propagating region)을 포함할 수 있다. 핵분열 점화기는 핵분열성 핵연료의 핵분열 반응을 위한 열 중성자를 제공한다. 대형 핵분열 폭연 번-웨이브-전파 구역은 토륨(Th) 또는 우라늄(U) 연료와 고속 중성자 스펙트럼 핵분열 증식의 일반적인 원리에 대한 기능을 포함할 수 있다.
일구현예에서, 핵분열 조립체 장치 내의 핵연료는 핵분열성 핵연료 조립체 장치 또는 핵연료 원료 핵연료 조립체 장치 내에 포함될 수 있다. 핵분열성 핵연료 조립체 장치 또는 핵연료 원료 핵연료 조립체 장치의 차이는 실질적으로 고속 원자로 노심(102) 내에서 시간 경과에 따라 변할 수 있는 핵연료의 농축 수준이다. 구조적으로, 핵분열성 핵연료 조립체 장치 또는 핵연료 원료 핵연료 조립체 장치는 몇몇 구현예에서 동일할 수 있다. 고속 원자로 노심(102)에 있는 핵연료 조립체 장치(106)는, 핵연료 조립체 장치(106) 내에 구성되는 연료 핀과 같은 복수 개의 연료 요소를 둘러싸는 중실형 육각형 튜브를 포함할 수 있다. 비육각형 튜브도 또한 몇몇 구현예에서 사용될 수 있다. 핵연료 조립체 장치(106)에 있는 튜브는 냉각제가 인접한 튜브 벽들 사이의 사이 간극을 통해 연료 핀을 통과해 흐르게 한다. 각각의 튜브는 또한 개별 조립체 오리피싱을 허용하고, 연료 번들을 위한 구조적 지지부를 제공하며, 핸들링 소켓으로부터 유입 노즐로 핸들링 부하를 전달한다. 연료 핀은 통상적으로, 방사성 재료가 냉각제 스트림에 유입되는 것을 방지하는 라이너와 클래딩(그리고 이따금 다른 배리어)으로 둘러싸이는 (우라늄, 플루토늄 또는 토륨과 같은) 다수의 핵연료봉으로 이루어진다. 고속 원자로 노심(102)에 있는 핵연료 조립체 장치(106)의 개별 핀은 핀 내에 삽입되는 원래 핵연료봉 재료와 핀 내에서의 증식 상태에 따라 핵분열성 핵연료 또는 핵연료 원료 핵연료를 포함할 수 있다.
가동 반응도 제어 조립체 장치(108)는 베셀내 핸들링 시스템에 의해 중앙 코어 구역(112) 내로 삽입될 수도 있고/있거나 중앙 코어 구역으로부터 제거될 수 있기 때문에 핵분열 프로세스의 실시간 제어를 제공하여, 핵분열 연쇄 반응이 제어를 벗어나 가속되는 것을 방지하면서 핵분열 연쇄 반응을 활성화 상태로 유지하려는 요구의 균형을 맞춘다. 핵분열 연쇄 반응의 상태는 유효증배율, k로 나타내며, 유효증배율은 연쇄 반응의 연속적인 사이클 동안에 핵분열 이벤트의 총 회수를 나타낸다. 원자로가 정상 상태(즉, 각각의 개별 핵분열 이벤트가 정확히 1회의 후속 핵분열 이벤트를 기동시킴)일 때, k는 1이다. k가 1보다 크면, 원자로는 초임계이며, 반응율은 가속될 것이다. k가 1보다 작으면, 원자로는 아임계이며, 반응율은 감속될 것이다. 중앙 코어 구역(112) 내의 상태는 시간 경과에 따라 변한다. 따라서, 가동 반응도 제어 조립체는 상태가 변함에 따라 핵분열 연쇄 반응의 증배율을 조정하기 위해 사용될 수 있다.
가동 반응도 제어 조립체 장치(108)는, 핵분열 프로세스가 발생하고 있는 동안에 능동적으로 중앙 코어 구역(112)에 삽입될 수도 있고 중앙 코어 구역으로부터 제거될 수도 있는 매우 효율적인 중성자 흡수 기계 구조이다. 가동 반응도 제어 조립체 장치는 그 흡수 단면에 의해 측정되는 핵분열 반응의 에너지 범위 내의 중성자를 흡수하기 위해 충분히 높은 중성자 포획 단면의 화학 원소를 포함한다. 이와 같이, 가동 반응도 제어 조립체 장치(108)는 고속 원자로 노심(102) 내에서 핵분열 반응을 유발하는 데 이용 가능한 중성자의 개수에 영향을 주고, 이에 의해 고속 원자로 노심(102) 내에서의 핵분열성 핵연료의 핵분열 속도를 제어한다. 고속 원자로(100)의 가동 반응도 제어 조립체 장치에 사용되는 예시적인 재료로는 제한하는 것은 아니지만, 탄화붕소, 은, 인듐 및 카드뮴 합금, 또는 수소화 하프늄이 있다. (가동 반응도 제어 조립체의 개수뿐만 아니라) 중앙 코어 구역(112) 내에서 핵분열 반응과 상호 작용하는 가동 반응도 제어 조립체 장치(108)의 부분을 제어하는 것에 의해, 원자로 임계(reactor criticality)를 유지하도록 증배율을 조정할 수 있다. 따라서, 가동 반응도 제어 조립체 장치(108)는 핵분열 반응을 제어하는 조정 가능한 파라메터를 나타낸다.
도플러 반응도 증대 장치(104)는 고속 원자로 노심(102)의 핵분열 반응 내에서 도플러 반응도 계수를 변경할 수 있는 1종 이상의 재료를 포함한다. 예컨대, 도플러 반응도 증대 장치(104)는 고속 원자로 노심(102) 내의 도플러 반응도 계수의 음성을 증폭시킬 수 있다. 몇몇 구현예에서, 도플러 반응도 증대 장치(104)는 또한 고속 원자로 노심(102) 내에서의 냉각제 온도 계수를 감소시킬 수 있다. 도플러 반응도 계수는 핵연료의 온도에서의 변화도 당 반응도에서의 변화를 나타내는, 반응도의 연료 온도 계수로서 간주될 수 있다. 도플러 반응도 계수는 도플러 확대 효과로부터 발생하거나 도플러 확대 효과에 의해 유발되며, 도플러 확대 효과는 고속 원자로 노심(102) 내에서의 중성자와 연료 핵종의 상대 속도 분포에 의해 유발되는 스펙트럼 라인의 확대를 일컫는다. 도플러 반응도 계수는 핵분열로(100)의 스펙트럼을 변경하는 것에 의해 수정된다. 보다 고속의 중성자는, 도플러 확대 효과가 발생할 수 있는 수준의 보다 낮은 에너지로 산란된다. 거의 모든 도플러 확대는 10 keV 미만에서 발생한다. 예컨대, 0.8 내지 3 keV 에너지 범위의 우라늄-238-기반 금속 연료에 있어서의 포획 공진(capture resonance)은, 반응 환경 온도가 상승할 때에 상당한 도플러 확대를 나타낸다. 따라서, 도플러 확대 에너지 범위 내에서 중성자 플럭스를 증가시키는 것은 핵연료 원료 핵연료의 핵분열성 핵연료로의 변화를 증대시킨다.
한가지 구현예에서, 핵분열로(100)는 평균 중성자 에너지가 0.1 MeV 이상인 고속 스펙트럼 핵분열로이다.
한가지 구현예에서, 도플러 반응도 증대 장치(104)에 있는 1종 이상의 재료는, 고속 원자로 노심(102)의 핵연료 원료 핵연료의 도플러 확대 에너지 범위 내의 에너지를 갖는 중성자에 대한 탄성 산란을 증대시키는 것에 의해 매우 긍정적인 기여를 한다. 이러한 방식으로, 핵연료의 주 도플러 확대 에너지 범위에 있는 에너지를 갖는 중성자는 중앙 코어 구역(112) 내에서 탄성 산란되어, 중성자가 핵연료 원료 연료 핵종과 충돌할 가능성을 증대시키고, 증식 핵분열성 핵연료로의 증가된 변화 반응을 초래한다. 이에 따라, 우라늄-238-기반 금속 연료에 있어서, 0.8 내지 3 keV 에너지 범위에서 산란되는 중성자의 개수가 더 많을수록, 도플러 확대에 의해 이루어지는 변화 또는 증식 반응 가능성에 대한 기여가 더 커진다.
바나듐은 우라늄-238-기반 연료의 도플러 확대 에너지 범위와 중첩되는 중성자 산란 단면을 특징으로 하는 예시적인 원소이다. 다수의 바나듐 합금(“바날로이”)도 또한, 제한하는 것은 아니지만 V-20Ti, V-10Cr-5Ti, V-15Cr-5Ti, V-4Cr-4Ti, V-4Cr-4Ti NIFS Heats 1 & 2, V-4Cr-4Ti US Heats 832665 & 8923864, and V-4Cr-4i Heat CEA-J57를 포함하는 우라늄-238-기반 연료의 도플러 확대 에너지 범위와 중첩되는 중성자 산란 단면을 특징으로 한다. 티타늄 및 티타늄 합금은 보다 덜 감지할 수 있지만 유사한 효과를 제공하는 것으로 확인되었다. 적어도 10 질량%의 바나듐 또는 티타늄을 함유하는 합금은, 음의 도플러 반응도 계수 피드백을 증가시키는 것에 의해 상당한 도플러 반응도 증대 이익을 제공하지만, 30 질량% 이상의 바나듐 또는 티타늄을 함유하는 합금은 일반적으로, 50 질량% 미만 또는 그보다 많은 바나듐 또는 티타늄을 함유하는 바나듐 기반 또는 티탄 기반 알루미늄과 같이 보다 양호한 결과를 낳는다.
도 2의 데이터 차트(200)에 도시한 바와 같이, 바나듐은 3회의 큰 공진(204)과 10 keV 부근 또는 미만에서 테일(206)을 갖는 중성자 산란 단면(202)을 특징으로 한다. 구역(208)은 우라늄-238-기반 연료의 주 도플러 확대 구역을 보여준다. 적어도 하나의 공진 및 관련 테일(206)이 주 도플러 확대 구역(208)과 중첩됨에 주목하라. 티타늄 및 티타늄 합금은, 우라늄-238-기반 연료의 도플러 확대 에너지 범위 내에서 중성자 산란을 증대시킬 수 있는 재료들의 다른 예이다. 도 3의 데이터 차트(300)에 도시한 바와 같이, 티타늄은 10 keV 바로 위 부근에 큰 공진(304)과 10 keV 미만에서 큰 테일(306)을 갖는 중성자 산란 단면(302)을 특징으로 한다. 구역(308)은 우라늄-238-기반 연료의 주 도플러 확대 구역을 보여준다. 테일(306)은 주 도플러 확대 구역(308)과 중첩함에 주목하라. 따라서, 바나듐, 티타늄 및 이들의 합금들 중 소정의 것은 도플러 반응도 증대 장치에서 사용하기 위한 예시적인 재료이다.
도 4는 상이한 중성자 고속로의 중성자 플럭스와 비교한 바나듐(402) 및 소듐(404)의 중성자 산란 단면을 포함하는 데이터 차트(400)를 보여주는 도면이다. HT9 스테인리스강을 채용하는 고속로의 중성자 플럭스가 고속로-S 데이터(406)로 도시되어 있고, 고속로-S 노심의 HT9 스테인리스강 중 일부 또는 전부가 바나듐 또는 바나듐 합금으로 대체되는 고속로의 중성자 플럭스가 고속로-V 데이터(406)로 도시되어 있다. 중성자 플럭스는 단위 시간 및 체적당 모든 중성자가 이동하는 총 길이 또는 거의 상응하게 단위 시간에 단위 면적을 통해 이동하는 중성자의 개수를 일컫는다. 어느 경우든, 보다 큰 중성자 플러스는 중성자가 핵연료 원자와 충돌할 가능성을 보다 높인다.
고속 중성자 소듐-냉각 원자로의 4개의 주 반응도 계수가 도플러, 축방향, 소듐 및 반경방향 순으로 열거되어 있다. 반응도 계수는, 다양한 기여 인자에 기인하는 핵연료의 온도에서의 변화도 당 반응도에서의 변화를 파라메터화하였다. 앞서 설명한 바와 같이, 도플러 반응도 계수는, 도플러 확대에 기인하는 핵연료의 온도에서의 변화도 당 반응도에서의 변화를 파라메터화한다. 축방향 반응도 계수는, 코어 축방향 연료 팽창을 유발하는 핵연료 클래딩의 온도에서의 변화도 당 반응도에서의 변화를 파라메터화한다. 소듐 반응도 계수는, 팽창/보이딩(voiding)을 유발하는, 냉각제 온도에서의 변화도 당 반응도에서의 변화를 파라메터화한다. (냉각제 반응도 계수는 소듐 반응도 계수의 보다 일반적인 버전을 나타낸다.) 반경방향 반응도 계수는, 코어 반경방향 연료 팽창을 유발하는 조립체 온도에서의 변화도 당 반응도에서의 변화를 파라메터화한다. 음의 순/총 반응도 계수는 핵연료의 온도가 증가할 때에 반응도에 대한 음의 피드백을 제공하며, 이에 의해 연료 온도가 증가할 때에는 핵분열로의 안정성에 기여하고, 반응도가 증가할 때에는 자기-안정화 핵분열 반응에 기여한다.
도 5는 고속 노심의 장치 위치로 삽입되는 하나 이상의 도플러 반응도 증대 장치를 구비하는 고속 원자로의 예시적인 반응도 계수(500)를 보여준다. 반응도 계수는 좌측에서 우측순으로 열거된다. 도플러 반응도 계수는, 도플러 반응도 증대 장치가 없는 고속 원자로 노심에 비해 하나 이상의 도플러 반응도 증대 장치를 갖는 고속 원자로 코어에서 증가된다. 더욱이, 소듐 반응도 계수는, 도플러 반응도 증대 장치가 없는 고속 원자로 노심에 비해 하나 이상의 도플러 반응도 증대 장치를 갖는 고속 원자로 코어에서 증가된다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 각각의 반응도 계수는 발생 순서대로 반응에 기여한다. 이와 같이, 시간에 있어서 각각의 포인트에서의 누적 반응도 계수 “삽입”은 도 6에서 고려된다.
표 1은 고속로-S와 고속로-V 사이의 고속 중성자 소듐-냉각 원자로에서의 4개의 주 반응도 계수에서의 변화를 나타내는 예시적인 데이터를 보여준다.
| 계수 (cents/K) |
강을 포함하는 고속로 |
바나듐 합금을 포함하는 고속로 | 변화(Δ) | 변화(%) |
| 도플러 | -0.0985 | -0.151 | -0.053 | 53% |
| 축방향 | -0.0939 | -0.0687 | 0.025 | -27% |
| 소듐 | 0.216 | 0.167 | -0.049 | -23% |
| 반경방향 | -0.174 | -0.139 | 0.035 | -20% |
| 순 | -0.150 | -0.191 | -0.041 | 27% |
표 1 - 고속로-S와 고속로-V 에서의 반응도 계수
도 6은 시간에 따른 개별 반응도 계수의 통합에 기초한, 시간 경과에 따른 예시적인 누적 반응도 계수 삽입(600)(“순 반응도 삽입”)을 보여주는 도면이다. 하나 이상의 도플러 반응도 증대 장치를 갖는 고속 원자로 노심에서 도플러 반응도 계수의 조합이 증가되고, 소듐 반응도 계수가 감소되기 때문에, 순 반응도 삽입은 각 시점에서 음으로 유지되어, 연료 온도가 상승할 때에 음의 반응도 피드백을 제공하고 핵분열 반응의 증가된 안정성에 기여한다.
도 7은 도플러 반응도 증대 장치를 포함하는 [장치 위치(704)와 같은] 노심 장치의 위치 어레이를 갖는 예시적인 고속로 노심(702)의 단면도(700)이다. 고속 원자로 노심은 통상적으로 도 7의 예시적인 코어에 도시한 것보다 많은 장치 위치와 장치들을 구비하지만, 설명과 예시를 용이하게 하기 위해 감소된 개수의 장치 위치와 장치가 도시되어 있다는 점을 이해해야만 한다. 각각의 장치는 어레이 내에서 구조적으로 규정된 장치 위치 내로 삽입된다. 장치 위치(704)에 있는 교체형 방사성 리플렉터 장치와 같은 리플렉터 장치와 영구 방사선 리플렉터 재료(714)가 주앙 노심 구역의 경계에 위치 설정되어, 중성자를 중앙 노심 구역으로 다시 반사한다.
도 8a 및 도 8b는 반응도 제어 도관 형태의 예시적인 도플러 반응도 증대 장치(800)의 측면도와 단면도이다. 일구현예에서, 도플러 반응도 증대 장치(800)의 반응도 제어 덕트 형태의 구조 외벽(804)은 10 keV 부근에서 중성자 산란 단면 공진 피크를 갖는 도플러 반응도 증대 재료로 형성되며, 이에 따라 (예컨대, 핵연료 원료 핵연료 우라늄-238의) 핵연료의 도플러 확대 에너지 범위에서의 증대된 탄성 중성자 산란에 기여한다. 예시적인 도플러 반응도 증대 재료는, 제한하는 것은 아니지만 바나듐, 바나듐 합금, 티타늄 및 티타늄 합금을 포함한다. 구조 외벽(804)은 액체 소듐과 같은 액체 냉각제의 흐름을 허용하는 채널을 형성한다. 도플러 반응도 증대 장치(800)는 원자로 노심의 장치 위치 내외로 이동(예컨대, 장치 위치로 삽입되거나 장치 위치로부터 제거)될 수 있지만, 도플러 반응도 증대 장치(800)는 또한 원자로 노심에 고정될 수도 있다.
도 9a 및 도 9b는 도플러 증대 조립체 장치 형태의 예시적인 도플러 반응도 증대 장치(900)의 측면도와 단면도이다. 일구현예에서, 도플러 반응도 증대 장치(900)의 반응도 제어 도관 형태의 구조 외벽(904)은 스테인리스강(예컨대, HT9)으로 형성되고, 10 keV 부근에서 중성자 산란 단면 공진 피크를 갖는 도플러 반응도 증대 재료의 코어(906)를 에워싸며, 이에 따라 (예컨대, 핵연료 원료 핵연료 우라늄-238의) 핵연료의 도플러 확대 에너지 범위에서 증가된 탄성 중성자 산란에 기여한다. 예시적인 도플러 반응도 증대 재료는, 제한하는 것은 아니지만 바나듐, 바나듐 합금, 티타늄 및 티타늄 합금을 포함한다. 일구현예에서, 코어(906)는 액체 소듐과 같은 액체 냉각제의 흐름을 허용하는 [예컨대 채널(908)과 같은] 하나 이상의 채널을 포함한다. 도플러 반응도 증대 장치(900)는 원자로 노심의 장치 위치 내외로 이동(예컨대, 장치 위치로 삽입되거나 장치 위치로부터 제거)될 수 있지만, 도플러 반응도 증대 장치(800)는 또한 원자로 노심에 고정될 수도 있다.
도 10은 원자로 노심 내에서 도플러 반응도를 증대시키는 예시적인 공정(1000)을 보여주는 도면이다. 구성 공정(1002)은 내화재로 형성되는 개별 장치 위치와 같은 정해진 장치 위치의 어레이를 갖는 핵분열 노심을 구성한다. 일구현예에서, 핵분열 노심은 액체 금속 연료형 액체 소듐-냉각 고속 중성자 증식 및 연소 핵분열노 시스템에 존재한다. 다른 구성 공정(1004)은 도플러 반응도 증대 장치의 구조 부품으로서 도플러 증대 재료를 포함하는 도플러 반응도 증대 장치를 구성하지만, 도플러 반응도 증대 장치는 추가로 또는 대안으로서 비구조 재료로서 도플러 증대 재료를 포함한다.
삽입 공정(1006)은 핵분열 노심의 장치 위치 내로 도플러 반응도 증대 장치를 삽입한다. 작동 공정(1008)은, 고속로의 핵분열 코어의 핵연료 원료 핵연료의 확대 범위 내에서 도플러 반응도 증대 장치로부터 중성자의 탄성 산란을 유발하도록 고속로를 작동시킨다. 제거 공정(1010)은 (예컨대, 보수 관리를 위해) 핵분열 노심의 장치 위치로부터 도플러 반응도 증대 장치를 제거한다. 따라서, 몇몇 구현예에서는 도플러 반응도 증대 장치가 이동될 수 있는 반면, 다른 구현예에서는 도플러 반응도 증대 장치가 노심 내에 고정될 수 있다.
상기 상세, 예 및 데이터는 본 발명의 예시적인 실시예의 구조 및 용도에 관한 완벽한 설명을 제공한다. 본 발명의 여러 구현예가 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나는 일 없이 이루어질 수 있기 때문에, 본 발명은 이후에 첨부되는 청구범위에 속한다. 더욱이, 상이한 실시예들의 구조적인 피쳐들은 인용되는 청구범위로부터 벗어나는 일 없이 또 다른 구현예로 조합될 수 있다.
Claims (41)
- 고속 핵분열로로서,
다수의 장치 위치를 갖는 어레이 구조를 포함하는 고속 중성자 원자로 노심;
고속 중성자 원자로 노심의 제1 장치 위치에 삽입되고, 정해진 에너지 범위 내에 구속되는 도플러 확대를 특징으로 하는 핵연료를 포함하는 핵연료 조립체 장치; 및
고속 중성자 원자로 노심의 제2 장치 위치에 삽입되고, 정해진 에너지 범위 내의 적어도 하나의 공진을 갖는 중성자 산란 단면을 특징으로 하는 산란 재료로 적어도 부분적으로 형성되는 도플러 반응도 증대 장치
를 포함하고, 산란 재료는 적어도 10 질량%의 바나듐 또는 티타늄을 함유하는 합금으로 형성되는 것인 고속 핵분열로. - 제1항에 있어서, 산란 재료는 바나듐 또는 바나듐 기반 합금을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 산란 재료는 티타늄 또는 티타늄 기반 합금을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 정해진 에너지 범위는 1 keV 내지 30 keV의 에너지 범위를 포괄적으로 규정하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료로 적어도 부분적으로 형성되는 구조 외벽을 갖는 제어 도관을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제6항에 있어서, 제어 도관은 액체 냉각제가 제어 도관을 통과해 흐르게 하도록 구성되는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 코어를 둘러싸는 구조 외벽을 갖는 조립체를 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제8항에 있어서, 산란 재료의 코어는, 액체 냉각제가 도플러 반응도 증대 장치를 통과해 흐르게 하도록 구성된 하나 이상의 채널을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 고속 중성자 원자로 노심이 액체 소듐 냉각제 풀 내에 침지되는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 고속 핵분열로는 0.1 MeV 이상의 평균 중성자 에너지로 작동하도록 구성되는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 계수, 축방향 반응도 계수, 냉각제 반응도 계수 및 반경방향 반응도 계수의 발생순에 기초한 순(純) 반응도 삽입 프로파일이 고속 핵분열로 내에서의 핵분열 반응 동안에 음의 값으로 유지되는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 반응도 제어 조립체 장치를 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 클래딩을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 와이어 랩을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 복수 개의 핵연료 핀과 핵연료 핀들을 분리하는 하나 이상의 그리드 스페이서(grid spacer)를 포함하며, 하나 이상의 그리드 스페이서는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 복수 개의 핵연료 핀을 포함하며, 하나 이상의 핵연료 핀은 산란 재료의 구조 형태의 라이너로 둘러싸이는 것인 고속 핵분열로.
- 제1항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 복수 개의 핵연료 핀을 포함하며, 하나 이상의 핵연료 핀은 산란 재료의 구조 형태의 배리어로 둘러싸이는 것인 고속 핵분열로.
- 고속 핵분열로로서,
다수의 장치 위치를 갖는 어레이 구조를 포함하는 고속 중성자 원자로 노심;
고속 중성자 원자로 노심의 제1 장치 위치에 삽입되는 핵연료 조립체 장치; 및
고속 중성자 원자로 노심의 제2 장치 위치에 삽입되고 산란 재료로 적어도 부분적으로 형성되는 도플러 반응도 증대 장치
를 포함하고, 산란 재료는 구조 바나듐 또는 구조 바나듐 기반 합금으로 적어도 부분적으로 형성되는 것인 고속 핵분열로. - 제19항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 바나듐 또는 바나듐 기반 합금으로 적어도 부분적으로 형성되는 구조 외벽을 갖는 제어 도관을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제20항에 있어서, 제어 도관은 액체 냉각제가 제어 도관을 통과해 흐르게 하도록 구성되는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 바나듐 또는 바나듐-기반 합금의 코어를 둘러싸는 구조 외벽을 갖는 조립체를 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제22항에 있어서, 바나듐 또는 바나듐 합금의 코어는, 액체 냉각제가 도플러 반응도 증대 장치를 통과해 흐르게 하도록 구성된 하나 이상의 채널을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 고속 중성자 원자로 노심이 액체 소듐 냉각제 풀 내에 침지되는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 고속 핵분열로는 0.1 MeV 이상의 평균 중성자 에너지로 작동하도록 구성되는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 도플러 반응도 계수, 축방향 반응도 계수, 냉각제 반응도 계수 및 반경방향 반응도 계수의 발생순에 기초한 순 반응도 삽입 프로파일이 고속 핵분열로 내에서의 핵분열 반응 동안에 음의 값으로 유지되는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 반응도 제어 조립체 장치를 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 클래딩을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 와이어 랩을 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 제19항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 복수 개의 핵연료 핀과 핵연료 핀들을 분리하는 하나 이상의 그리드 스페이서를 포함하며, 하나 이상의 그리드 스페이서는 산란 재료의 구조 형태를 포함하는 것인 고속 핵분열로.
- 핵분열로의 작동 방법으로서,
다수의 장치 위치를 갖는 어레이 구조를 포함하는 고속 중성자 원자로 노심을 구성하는 단계;
정해진 에너지 범위 내에 구속되는 도플러 확대를 특징으로 하는 핵연료를 포함하는 핵연료 조립체 장치를 고속 중성자 원자로 노심의 제1 장치 위치에 삽입하는 단계; 및
도플러 반응도 증대 장치를 고속 중성자 원자로 노심의 제2 장치 위치에 삽입하는 단계
를 포함하고, 도플러 반응도 증대 장치는 산란 재료로 적어도 부분적으로 형성되며, 산란 재료는 적어도 10 질량%의 바나듐 또는 티타늄을 함유하는 합금으로 형성되는 것인 핵분열로의 작동 방법. - 제31항에 있어서, 바나듐 또는 바나듐 합금은 도플러 반응도 증대 장치의 구조의 적어도 일부를 제공하는 것인 핵분열로의 작동 방법.
- 제31항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 바나듐 또는 바나듐 합금으로 적어도 부분적으로 형성되는 구조 외벽을 갖는 제어 도관을 포함하는 것인 핵분열로의 작동 방법.
- 제33항에 있어서, 액체 냉각제가 제어 도관을 통해 흐르는 단계를 더 포함하는 핵분열로의 작동 방법.
- 제31항에 있어서, 도플러 반응도 증대 장치는 바나듐 또는 바나듐 합금의 코어를 둘러싸는 구조 외벽을 갖는 조립체를 포함하는 것인 핵분열로의 작동 방법.
- 제35항에 있어서, 바나듐 또는 바나듐 합금의 코어는, 액체 냉각제가 도플러 반응도 증대 장치를 통과해 흐르게 하도록 구성된 하나 이상의 채널을 포함하는 것인 핵분열로의 작동 방법.
- 제36항에 있어서, 액체 냉각제가 도플러 반응도 증대 장치의 하나 이상의 채널을 통과해 흐르게 하는 단계를 더 포함하는 핵분열로의 작동 방법.
- 제31항에 있어서, 고속 중성자 원자로 노심을 액체 소듐 냉각제 풀에 침지시키는 단계를 더 포함하는 핵분열로의 작동 방법.
- 제31항에 있어서, 핵분열로를 0.1 MeV 이상의 평균 중성자 에너지로 작동시키는 단계를 더 포함하는 핵분열로의 작동 방법.
- 제31항에 있어서, 도플러 반응도 계수, 축방향 반응도 계수, 냉각제 반응도 계수 및 반경방향 반응도 계수의 발생순에 기초한, 순 반응도 삽입 프로파일이 고속 핵분열로 내에서의 핵분열 반응 동안에 음의 값으로 유지되는 것인 핵분열로의 작동 방법.
- 고속 핵분열로로서,
다수의 장치 위치를 갖는 어레이 구조를 포함하는 고속 중성자 원자로 노심; 및
고속 중성자 원자로 노심 내의 다수의 장치 위치 중 하나 이상의 위치 내에서 음의 도플러 반응도 피드백을 증대시키고 양의 냉각제 온도 반응도 피드백을 감소시키는 수단
을 포함하는 고속 핵분열로.
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