KR20180012735A - 핵 연료 페블 및 이 페블을 제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

핵 연료 요소들을 제조하는 방법은: 연료 요소의 그래파이트 베이스를 형성하고; 베이스 부분에 그래파이트 및/또는 그래파이트 구체들의 제 1 층을 성막하고; 그래파이트 및/또는 그래파이트 구체들의 제 1 층에 연료, 가연성 독물 및/또는 브리더 입자들의 제 1 층을 성막하고; 입자들의 제 1 층에 그래파이트 및/또는 그래파이트 구체들의 제 2 층을 형성하고; 그래파이트 및/또는 그래파이트 구체들의 제 2 층에 연료, 가연성 독물 및/또는 브리더 입자들의 제 2 층을 성막하고; 그리고 연료 요소의 그래파이트 캡 부분을 형성하는 것을 포함할 수도 있다. 제 1 층의 인접한 연료, 가연성 독물 및/또는 브리더 입자들은 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되고, 제 2 층의 인접한 연료, 가연성 독물 및/또는 브리더 입자들은 실질적으로 동일한 거리만큼 이격된다. 연료 요소들은 구형 연료 페블들일 수도 있다. 연료 입자들은 오버코트 없는 3 중 구조 등방성 입자들일 수도 있다.

Description

핵 연료 페블 및 이 페블을 제조하는 방법{NUCLEAR FUEL PEBBLE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
고온 가스 냉각 반응기들 (HTGR) 은 매우 효율적이고 본질적으로 안전한 전력 생산을 위한 중요한 가능성 (promise) 을 보유한다. HTGR 설계는 전형적으로 그래파이트 감속재의 층들 내에 격리되고, 핵분열 생성물 방출을 위한 잠재력을 최소화하도록 다수의 물리적 장벽들을 가지고 구성된 연료를 특징으로 한다. 또한, HTGR 연료의 음의 온도 피드백 반응성 특징들은, 온도가 안전한 레벨들을 초과할 때 핵 분열 연쇄 반응의 자동 셧다운을 유발한다. HTGR 의 이런 고유한 특징들은, 최소 비상 코어 냉각 시스템들에 의존하는 본질적으로 안전한 반응기들의 설계를 가능하게 한다.
한 가지 유형의 HTGR 은 "페블 베드 (pebble bed)" 반응기로서 공지되어 있다. 이런 HTGR 설계에서, 핵분열성 연료는 "페블들" 로 지칭되는 다층의 그래파이트 구체들 내에 그 자체가 캡슐화된 다층의 세라믹 입자들 내에 캡슐화되어 있다. 연료 페블들의 구형 성질은, 자체 조립되는 코어 구조를 제공하면서 반응기로부터 열을 추출하기 위한 구체들 사이에 가스가 유동하는 것을 가능하게 한다. 연료 페블들은, 랜덤하게 패킹된 실린더형 형상으로 유지하도록 페블들을 위한 구조적 지지를 제공하는 느슨하게 패킹된 그래파이트 블록들에 의해 형성된 실린더형 형상의 코어 영역으로 단순히 로딩된다. 재급유 중 소모된 연료는, 단지 중력의 힘만 사용해 소모된 연료 페블을 소모된 연료 컨테이너로 공급하기 전 한 번에 단일 페블을 제거하는 페블 언로딩 기기에 의해 단순히 제거될 수 있다. 새로운 연료 페블들은 또한 중력 공급 시스템을 사용해 코어 배럴의 상단으로 로딩된다.
예시적 실시형태들은 고온 가스 냉각 반응기 (HTGR) 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들의 대량 생산 제조 방법들을 제공한다. 실시형태의 제조 방법들은, 연료 요소 구조의 연료 구역 내에 연료 입자들의 정밀 배치를 가능하게 하는 3 차원 (3D) 인쇄 방법들과 유사한 베이스 부분 첨가제 제조 방법들을 사용해 연료 요소들을 형성하는 것을 포함할 수도 있다. 실시형태의 방법들은 매우 다양한 형상들 및 크기들을 가지는 그래파이트 기반 연료 요소들의 효율적이고 고품질의 제조를 가능하게 한다. 실시형태의 방법들의 한 가지 특정 용도는 페블 베드 HTGR 코어들에서 사용하기 위한, "페블들" 로서 지칭되는, 구형 연료 요소들을 제조하는 것이다.
특정 실시형태에서, 제조 방법은, 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용해 연료 요소의 그래파이트 베이스 부분을 형성하는 단계; 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용해 그래파이트 베이스 부분에 그래파이트 분말, 그래파이트 구체들, 또는 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들의 조합체 중 하나의 제 1 그래파이트 층을 형성하는 단계; 제 1 위치결정 척을 사용해 그래파이트 베이스 부분에 연료 입자들의 제 1 층을 성막하는 단계; 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용해 그래파이트 베이스 부분에 그래파이트 분말, 그래파이트 구체들, 또는 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들의 조합체 중 하나의 제 2 그래파이트 층을 형성하는 단계; 제 2 위치결정 척을 사용해 제 2 그래파이트 층에 연료 입자들의 제 2 층을 성막하는 단계; 및 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용해 연료 요소 및/또는 최종 그래파이트 층의 그래파이트 캡 부분을 형성하는 단계를 포함할 수도 있고, 제 1 위치결정 척은 실질적으로 동일한 거리만큼 이격된 제 1 층에서 특정 로케이션들에 연료 입자들을 배치하고, 제 2 위치결정 척은 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되고 제 1 층에서 연료 입자들의 위치들로부터 수직으로 오프셋된 제 2 층에서 특정 로케이션들에 연료 입자들을 배치한다.
일부 실시형태들에서, 연료 페블의 그래파이트 베이스 부분은 구체의 일부분을 형성하도록 3D 인쇄/첨가제 제조 기법들을 사용해 증가한 반경들을 갖는 그래파이트의 층들을 순차적으로 형성함으로써 형성될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 연료 페블의 연료 구역은 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용해 제 1 및 제 2 층들의 방식으로 연료 입자들을 포함한 층들을 반복 배치함으로써 형성되고 대략 구형의 연료 구역을 형성하도록 다른 기하학적 구조들의 척들을 위치결정할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 제 2 그래파이트 층에서 연료 페블의 그래파이트 캡 부분을 형성하는 단계는 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용해 점증적으로 더 작은 반경들의 복수의 층들을 형성함으로써 달성될 수도 있다.
다양한 실시형태들은 연료 요소들에 오버코트 (overcoat) 를 갖지 않는 3 중 구조 등방성 (TRISO) 연료 입자들의 사용을 가능하게 한다. 예시적 실시형태들은 위에서 요약된 방법에 의해 형성된 연료 요소들 (예컨대, 연료 페블들) 을 포함한다.
본 개시의 예시적 실시형태들은 페블 베드 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 페블을 제공하고, 연료 페블은 연료 입자들의 층들; 연료 입자들의 층들 사이에 배치된 그래파이트 층들을 포함하고, 연료 입자들의 층들 중 적어도 하나의 인접한 연료 입자들은 실질적으로 동일한 거리만큼 서로 이격되어 있다.
본원에 포함되고 이 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 발명의 예시적 실시형태들을 도시하고, 위에서 제공된 일반적인 설명 및 아래에 제공되는 상세한 설명과 함께, 본 발명의 특징들을 설명하는 역할을 한다.
도 1 은 다양한 실시형태들과 사용하기에 적합한 페블 베드 고온 가스 냉각 반응기의 횡단면도이다.
도 2 는 다양한 실시형태들에 따른 연료 페블의 횡단면 이미지이다.
도 3 은 TRISO 코팅된 핵 연료 입자의 횡단면 이미지이다.
도 4 는 다양한 실시형태들과 사용하기에 적합한 연료 페블들 및 연료 입자들을 위한 예시 구성 파라미터들을 열거한 표이다.
도 5a 는 본 개시의 다양한 실시형태들에 따른 연료 페블의 측 단면도를 도시한다.
도 5b 는 밑에 있는 연료 입자 층들을 보여주는, 도 5a 의 연료 페블의 연료 입자 층을 따라서 본 상부 단면도를 도시한다.
도 5c 는 본 개시의 다양한 실시형태들에 따른 연료 페블의 사시 단면도이다.
도 5d 는 본 개시의 다양한 실시형태들에 따른 연료 페블의 사시 단면도이다.
도 6a 는 본 개시의 다양한 실시형태들에 따른 연료 페블을 형성하는 방법을 도시한 블록 흐름도이다.
도 6b 는 도 6a 의 방법의 작동들을 도표로 도시한다.
도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 10a, 도 10b, 및 도 11 은 도 6b 에 포함된 작동들의 확대도들을 포함한다.
다양한 실시형태들은 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이다. 가능하면, 동일하거나 유사한 부품들을 나타내기 위해서 동일한 도면 부호들이 도면들 전체에 사용될 것이다. 특정 실시예들이 참조되고 구현예들은 예시를 위한 것으로, 본 발명 또는 청구항의 범위를 제한하지 않도록 의도된다.
다양한 실시형태들은, 종래의 제조 방법들에서 이용가능한 것보다 더 빠른 생산 속도들, 더 낮은 비용 및 더 높은 품질을 가능하게 하는 고온 가스 냉각 반응기 (HTGR) 코어에서 사용하기 위한 연료 요소들의 대량 생산 제조 방법들을 제공한다. 실시형태의 방법들은, 3 차원 (3D) 인쇄 방법들과 같은, 첨가제 제조 방법들을 사용해 연료 요소들 (예컨대, 연료 페블들) 을 형성하고, 연료 요소 구조의 연료 구역 내에 연료, 가연성 독물 및/또는 브리더 (breeder) 재료들의 입자들을 정밀 배치하는 것을 포함한다.
연료 요소들의 연료 구역에 배치된 입자들은 연료 (즉, 핵분열성) 요소들 (예컨대, U233, U235, Th231 및/또는 Pu239), 브리더 요소들 (예컨대, U238 및 Th232), 가연성 독물들 (예컨대, B, Hf, 등), 및 연료, 브리더와 가연성 독물 요소들의 조합체들을 포함할 수도 있다. 잘 알려진 대로, 우라늄 기반의 연료는 우라늄의 핵분열성 동위원소 (U235) 및 브리더 동위원소 (U238) 의 혼합물을 포함한다. 또한, 반응기의 수명 동안, 브리더 요소들/동위원소들 (예컨대, U238 및 Th232) 은 핵분열성 (즉, 연료) 요소들 (예컨대, Pu239 및 U233) 로 변화되고, 따라서 브리더 입자들은 작동 중 연료 입자들이 된다. 또한, 일부 반응기 설계들은 연료 요소들과 혼합된 가연성 독물들 (예컨대, B, Th) 을 포함할 수도 있다. 따라서, 참조하기 쉽도록 용어 "연료 입자" 는 본원에서 연료 (즉, 핵분열성) 요소들, 브리더 요소들 (즉, 중성자를 흡수할 때 핵분열성 요소들로 변화되는 요소들), 가연성 독물 요소들, 및 그것의 임의의 혼합물을 포함한 입자들을 일반적으로 지칭하는데 사용된다.
연료 요소들을 형성하는 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들 및 연료 입자들의 정밀 배치의 사용은 연료 요소 전체에서 그래파이트 조성의 보다 정확한 제어 및 연료 페블의 연료 구역 내 연료/독물/브리더 입자들 (즉, 연료 구역 내 연료의 "패킹 분획물") 의 제어가능한 분리를 가능하게 한다. 그 결과, 실시형태의 방법들은, 제조 비용을 낮추고, 수율을 증가시키며, 품질 제어 프로세스를 개선하면서, 종래의 방법들로 실현 가능한 것보다 더 높은 품질의 연료 요소들이 제조될 수 있도록 한다. 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들의 사용은 구형 연료 페블들과 같은 복잡한 기하학적 구조들을 갖는 연료 요소들의 효율적이고 높은 수율의 제조를 가능하게 한다. 또한, 실시형태의 방법들은, 비용 효과적으로 그리고 엄격한 품질 제어로 큰 체적의 연료 요소들을 제조할 수 있는 생산 라인들의 스케일 업에 적합하다.
단어 "예시적" 은 본원에서 "예, 예시, 또는 예증으로서 역할을 하는 것" 을 의미하는데 사용된다. 본원에서 "예시적" 으로 설명된 임의의 구현예는 다른 구현예들에 비해 바람직하거나 유리한 것으로 반드시 해석되지는 않는다.
다양한 실시형태의 방법들은 특히 페블 베드 HTRG 들 내에서 사용하기 위한 구형 연료 페블들을 제조하는데 적합하다. 페블 베드 HTGR 반응기의 예는 도 1 에 도시된다. 이 도면은 연료 구역 내에서 연료 페블들의 배치를 보여준다. 연료 페블의 도시된 실시예는, 연료 페블들이 약 3 ㎝ ~ 약 12 ㎝ 의 직경과 같이 더 크거나 더 작을 수 있지만, 약 6 ㎝ 의 직경 (대략 야구공의 크기) 을 갖는 구체이다. 연료 페블들은 반응기 코어를 형성하도록 코어 배럴 내에 로딩된다. 이 실시형태의 설계에서, 강 압력 용기는, 실린더형 반응기 코어를 형성하도록 연료 페블들이 위치결정되는 내부 공간을 규정하는, 그래파이트 반사기 블록들을 지지하는 코어 배럴을 용기 내부에 포함한다. 제어봉들은 압력 용기로 들어가 그래파이트 반사기 블록들로 통과한다. 냉각재 가스는 그래파이트 반사기 블록들을 관통하는 가스 입구 및 연료 페블들에 의해 형성된 코어를 통하여 압력 용기로 유입되고 가스 출구를 통하여 유출된다 (도 1 에 미도시됨). 도 1 에 도시된 실시예의 페블 베드 반응기에서, 코어에 대략 170,000 개의 연료 페블들이 있을 수도 있고, 각각의 연료 페블은 대략 9 그램의 연료 또는 원하는 임의의 중금속 로딩을 포함할 수도 있다.
연료 페블들은, 주로, 개별 연료 입자들을 위한 구조적 지지뿐만 아니라 반응기를 위한 중성자 감속재를 제공하는 그래파이트로 만들어진다. 핵분열로부터의 열은, 연료 페블들 둘레와 코어의 밖으로 흘러 에너지 변환 시스템 (미도시) 까지 흐르는, 냉각 가스 (예컨대, 헬륨 또는 헬륨/아르곤 혼합물) 에 의해 열이 제거되는 표면까지 연료 페블을 통하여 전도된다.
도 2 는 종래의 페블 베드 반응기 연료 페블 (200) 을 횡단면도로 도시한다. 연료 페블 (200) 은, 도 2 에 도시된 연료 페블 (200) 의 중심 (206) 을 향하여 작은 도트로 볼 수 있는, 다수의 작은 연료 입자들 (204) 을 캡슐화한 그래파이트 매트릭스 (202) 로 구성된다. 연료 페블의 외부면은, 구조적 강성을 제공하고 그래파이트가 부식되고 산소에 노출되는 것을 보호하는 세라믹 연료 프리 쉘 (208) 또는 코팅으로 형성될 수도 있다. 연료 페블 (200) 의 바깥쪽 0.5 ㎝ 는, 연료 입자들 (204) 을 함유하지 않고 단지 그래파이트 매트릭스 (202) 재료로만 구성된 연료 프리 구역일 수도 있다.
종래의 연료 페블들 (200) 은, 매트릭스 (202) 를 형성하는 그래파이트에 연료 입자들 (204) 을 배합함으로써 제조된다. 도 2 에 도시된 대로, 이러한 비제어 프로세스는 매트릭스 (202) 내에서 연료 입자들 (204) 의 불균등한 분포를 유발할 수도 있다. 연료 입자들의 불가피한 클럼핑을 수용하면, 연료 페블들이 경험할 수 있는 동력-밀도 및/또는 번 업 (burn up) 에 대한 제한을 감소시키도록 요구한다. 이 프로세스는, 또한, 연료 페블들 (200) 의 생산 속도를 제한하여 일관성 없는 품질의 연료 페블 (200) 을 도입할 수 있는 수동 배치 (batch) 프로세스이다.
도 3 에 도시된 대로, 연료 입자 (204) 는 세라믹과 그래파이트 재료들의 다수의 층들에 의해 포위된 연료 커널 (212) 을 구비한 코팅된 다층 구조를 갖는다. 특히, 연료 커널 (212) 은, 버퍼 층 (213) 에 의해 포위된 핵분열성 산화물 (예컨대, UO2 또는 ThO2/UO2) 또는 탄화물을 포함할 수도 있다. 버퍼 층 (213) 은 그래파이트와 같은 다공성 탄소 재료를 포함할 수도 있다. 버퍼 층 (213) 은 연료 커널 (212) 의 팽창을 수용하고 분열 가스를 위한 리저버로서 역할을 한다. 버퍼 층 (213) 은 조밀한 내부 탄소 층 (214), 예컨대, 열분해 탄소 층에 의해 포위된다. 내부 탄소 층 (214) 은 버퍼 층 (213) 을 실링하고 방사성 핵종들의 이동을 감쇠한다. 내부 탄소 층 (214) 은 세라믹 층 (216), 예컨대, 탄화 규소 또는 탄화 지르콘의 층에 의해 포위된다. 세라믹 층 (216) 은 핵분열 생성물들을 구속하여서 (즉, 커널 내 핵분열 생성물들 보유), 핵분열 생성물들이 커널 밖으로 이동하는 것을 방지하고, 구조적 강성을 개선한다. 세라믹 층 (216) 은, 열분해 탄소를 또한 함유할 수도 있는 외부 탄소 층 (218) 에 의해 덮여있다. 외부 탄소 층 (218) 은 핵분열 가스 방출에 대한 추가 장벽으로서 역할을 한다. 이러한 연료 입자들 (204) 은 3 중 구조 등방성 (TRISO) 연료 입자들로서 지칭될 수도 있다. 연료 입자들의 다층 구조는 잘 테스트되었고 이전의 HTGR 설계로 특징지었고, 극단적인 온도 조건 하에 핵분열 생성물들을 보유하기 위한 매우 양호한 성능을 보여준다.
예시의 연료 페블 및 그것의 포함된 연료 입자들의 추가 세부사항은 도 4 에 나타낸 표에 열거된다. 이 표는 연료 사용자의 예시 직경들, 외부 그래파이트 연료 프리 쉘의 두께들, 연료 커널들의 직경들 및 밀도들, 연료 입자들의 코팅들을 구성하는 예시 재료들, 및 예시 연료 로딩들을 열거한다.
종래에, 그래파이트 연료 페블 형성 기법들은, 사람의 실수가 불량한 품질의 페블들을 유발하지 않도록 보장하기 위해서 다수의 중간 품질 체크들을 요구하는 노동 집약적인 프로세스들을 수반한다. 다시 도 2 를 참조하면, 연료 페블 제조에서 주요 도전 과제들 중 하나는, 연료 입자들 (204) 이 연료 페블 (200) 의 그래파이트 매트릭스의 내부 부분 (206) 전체에 균질하게 분포되도록 보장하는 것이다. 종래에는, 연료 페블이 형성되기 전 균질화는 그래파이트 매트릭스의 랜덤화 혼합에 의해 수행된다.
하지만, 이 프로세스는 코팅된 입자들 및 그래파이트 매트릭스 재료의 통계적 균질한 혼합물 달성에 의존한다. 이 프로세스의 추가 한계점은, 그것이 연료 페블들의 대량 생산에 매우 적합하지 않다는 사실이다. 게다가, 이러한 기법들은 페블 내 연료 입자들을 정확하게 위치시킬 수 없다.
종래의 페블 형성 기법들은 코어 프레싱 단계 및 연료 프리 구역 프레싱 단계를 포함한다. 이 프레싱 단계들 때문에, 이러한 기법들에서 사용된 연료 입자들은 부가적 오버코트 층이 프레싱 단계들 중 적용된 고압을 견디고 랜덤화 연료 입자/그래파이트 매트릭스에서 충분한 연료 입자 간격을 보장하도록 요구한다.
종래의 방법들의 이런 한계점들을 해결하기 위해서, 다양한 실시형태들은, 코어 및 코어를 포위하는 그래파이트 연료 프리 쉘 내에 연료 입자들 및/또는 가연성 독물 입자들을 유지하는 매트릭스의 제조를 단순화시키면서 연료 입자들의 정확한 배치를 가능하게 하는 연료 페블을 형성하는 방법을 포함한다. 특히, 다양한 실시형태들은, 연료 입자들과 거의 동일한 크기의 미세한 그래파이트 분말 및/또는 그래파이트 입자들 또는 구체들로부터 연료 페블들을 형성하기 위해서 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용하는 방법을 제공한다. 대략 구형의 연료 페블들과 같은, 다양한 형상들 및 크기들의 연료 요소들은, 그래파이트의 얇은 층들을 가변 직경들의 디스크들로 바인딩하기 위해서 3D 인쇄/첨가제 제조 기법들을 사용함으로써 형성된다. 그 후, 형성된 구형 연료 페블들은 완성된 연료 페블을 형성하기 위해서 종래의 제조 방법들에 따라 등압 프레스를 사용해 압축된다.
다양한 실시형태의 방법들은, 층들 내 연료 입자들 사이 및 층들 사이 분리 거리를 제어할 수 있는 층별 포맷으로 형성된 연료 구역 내에 연료 입자들 및/또는 가연성 독물 입자들의 제어된 위치결정을 가능하게 한다. 이 방법은 또한 폐기된 그래파이트 셰이빙들 (shavings) 을 유발하는 프레싱 후 선반에 의해 페블을 원하는 크기로 절단하도록 요구하는 종래의 연료 페블 제조 프로세스들과 달리, 지지 분말이 제거 및 재사용됨에 따라 폐기물을 감소시킨다.
부가적으로, 연료 요소들 (예컨대, 연료 페블들) 내에서 연료, 독물 및 브리더 입자들의 배치를 제어함으로써, 다양한 실시형태의 제조 방법들은, 2 개 이상의 입자들이 페블 형성 프로세스들에 수반된 고압의 적용 중 접촉하고 있을 때 연료 입자들에 적용된 응력을 처리할 필요가 없다. 서로에 대해 프레싱하는 입자들로 인한 높은 국부적 응력의 잠재력을 없애면 이러한 응력에 저항하기에 충분한 강도를 연료 입자들에 제공하기 위해서 종래에 적용된 연료 입자들에서 부가적 오버코트에 대한 필요성을 없앤다. 따라서, 종래의 페블 형성 기법들과 달리, 다양한 실시형태들은 본원에서 설명된 오버코팅되지 않은 TRISO 연료 입자들과 같은, 오버코트를 포함하지 않는 연료 입자들을 이용할 수도 있다. 이것은 TRISO 연료 입자들의 제조에서 단계를 감소시켜서, 비용을 감소시키고 프로세스 수율을 증가시킨다.
도 5a 는 본 개시의 다양한 실시형태들에 따른 연료 페블 (500) 의 측 단면도를 도시한다. 도 5b 는 밑에 있는 연료 입자 층들 (532C-A) 을 보여주는, 도 5a 의 연료 입자 층 (532D) 을 따라서 본, 연료 페블 (500) 의 상부 단면도를 도시한다. 다시, 다양한 실시형태들은 여러 가지 형상들 및 크기들의 연료 요소들을 제조하는데 사용될 수도 있고 구형 연료 요소들의 제조에 제한되지 않는다.
도 5a 및 도 5b 를 참조하면, 연료 페블 (500) 은 연료 구역 (510) 및 연료 구역 (510) 둘레에 배치된 연료 프리 쉘 (520) 을 포함한다. 연료 구역 (510) 및 연료 프리 쉘 (520) 양자는 최종 프로세싱 (예컨대, 소결) 까지 어떤 형상으로 그래파이트를 함께 유지하기 위해서 적용된 바인더로 그래파이트 층들 (550) 을 성막함으로써 형성된다. 예를 들어, 동일한 그래파이트 층은 연료 구역 (510) 의 층 및 연료 프리 쉘 (520) 의 층을 형성할 수도 있다. 이와 같이, 종래의 연료 페블들과 달리, 동일한 프로세스들이 연료 구역 (510) 및 연료 프리 쉘 (520) 을 형성하는데 사용되어서, 연료 페블들이 단일 연속 프로세스에서 (압축 및 소결 전) 형성되는 것을 가능하게 한다. 각각의 층에 바인더를 적용하기 위해서 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용함으로써, 연료 페블 (500) 의 형상이 제어될 수도 있다. 도면들에 도시된 바와 같은 일부 실시형태들에서, 연료 페블 (500) 은 구형일 수도 있다. 다시, 다양한 실시형태들에 따라 제조된 연료 요소들은 임의의 특정한 형상 또는 크기에 제한되지 않는다. 예를 들어, 다양한 실시형태들에 따라 제조된 연료 요소들은 타원형, 알약 형상, 각기둥형, 칼럼형, 원추형 등일 수도 있다. 일부 연료 요소들은, 내부 통로들의 로케이션들에서 그래파이트를 성막하지 않음으로써 연료 요소를 통하여 냉각재를 유동시키기 위한 내부 통로들을 갖는 실시형태의 방법들을 사용해 제조될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 연료 페블 (500) 의 형상은 핵분열률 및/또는 열 컨벤션 (heat convention) 특징들과 같은 연료 페블의 대응하는 특징들에 따라 선택될 수도 있다.
핵분열 및 변형가능한 중금속 연료 이외에, 연료 구역 (510) 은 잘 알려진 대로 반응성을 제어하기 위해서 가연성 독물로 로딩될 수도 있다. 가연성 독물은 다양한 방식으로 연료 페블들에 포함될 수도 있고, 그 중 하나는 연료 입자들을 갖는 연료 구역에 포함된 입자들의 형태이고, 다른 하나는 연료 입자들 내에서 혼합물의 형태이다. 이러한 실시형태들에서, 가연성 독물 입자들은 연료 입자들과 동일한 방식으로 연료 구역 (510) 의 층들 내에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 연료 구역 (510) 의 하나 이상의 층들은 연료 입자들 (예컨대, 핵분열성 입자들) 과 가연성 독물 입자들 양자를 포함할 수도 있다. 연료 및 가연성 독물 입자들이 특정한 층에 배치되는 패턴은 실질적으로 규칙적일 수도 있고, 또는 연료 구역 (510) 내 로케이션에 따라 변할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 연료 구역 (510) 은 또한 토륨 핵원료의 원료 (fertile) 입자들과 같은 브리더 입자들을 포함할 수도 있다. 따라서, 설명의 용이성을 위해, 입자들이 가연성 독물들 또는 브리더 입자들을 포함하든지 또는 실질적으로 단지 가연성 독물들 또는 브리더 입자들인지 관계없이, 연료 구역 (510) 의 층들에 배치된 모든 입자들은 본원에서 "연료 입자들" 로서 지칭된다. 따라서, 실시형태의 설명과 청구항에서 연료 입자들에 대한 언급은 입자들 내에 가연성 독물을 포함하는 것을 배제하지 않도록 의도된다. 환언하면, 설명과 청구항에서 연료 입자들에 대한 언급은 단지 연료만 함유한 입자들, 약간의 연료 및 약간의 가연성 독물들을 함유한 입자들, 및 단지 가연성 독물들만 함유한 입자들을 포함하도록 의도된다.
연료 구역 (510) 은 그래파이트 층들 (550) 사이에 배치되고 그리고/또는 내장되는 연료 입자들 (530) 을 포함한다. 연료 입자들 (530) 은 전술한 연료 입자들 (204) 과 유사할 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 연료 페블 (500) 은 일단 완성되면, 즉 프레싱 및 소결되고 나면 약 5 ㎝ ~ 약 7 ㎝, 예를 들어, 약 6 ㎝ 의 직경을 가질 것이다. 연료 프리 쉘은 약 0.3 ㎝ ~ 약 1.5 ㎝, 예를 들어, 약 1 ㎝ 의 두께를 가질 수도 있다. 하지만, 다양한 실시형태들은 임의의 특정 연료 페블 치수들에 제한되지 않는다. 프로세스는 임의의 직경의 연료 구역 (510) 및 최종 연료 페블 (500) 의 제조를 허용한다.
연료 입자들 (530) 은 그래파이트 층들 (550) 에 의해 분리되고 그리고/또는 내장되는 연료 입자 층들 (532) 에 배치된다. 예시를 위해, 단지 4 개의 연료 입자 층들 (532; 층들 (532A-532D)) 만 도 5a 및 도 5b 에 도시된다. 하지만, 연료 페블 (500) 은 연료 구역 (510) 전체에 연료 입자들 (530) 을 분포시키기에 충분한 임의의 수의 연료 입자 층들 (532) 을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 연료 페블 (500) 의 연료 구역 (510) 은 10 ~ 32 개의 연료 입자 층들 (532), 12 ~ 30 개의 연료 입자 층들 (532), 14 ~ 28 개의 연료 입자 층들 (532), 즉, 약 16 개의 연료 입자 층들 (532) 을 포함할 수도 있다. 또한, 주어진 연료 동력 밀도에 따라 입자 패턴들을 바꿀 수 있고, 따라서, 다양한 입자 패턴들은 본 개시의 범위 내에 있다.
연료 페블 (500) 은 별개의 그래파이트 층들 (550) 에 제조되는 것으로 설명되지만, 일단 연료 페블이 모든 제조 단계들을 끝내면, 이런 개별 그래파이트 층들 (550) 은 연료 페블 (500) 에서 서로 구별되지 않을 수도 있다. 구체적으로, 압축 및 소결 프로세스들은 층들이 융합되도록 할 것이다. 환언하면, 그래파이트 층들 (550) 은, 특히 연료 페블들 (500) 이 압축 및 소결된 후, 연료 입자 층들 (532) 이 배치되는 단일 그래파이트 보디로 효과적으로 형성되도록 구성되고 프로세싱될 수도 있다.
설명의 편의상, 세 부분들을 형성하는 프로세스들이 단일 연속 프로세스로 수행될 수 있지만, 연료 페블 (500) 의 제조는 베이스 부분 (560), 연료 구역을 포함하는 중심 부분 (570) 및 캡 부분 (580) 으로 나누어진다. 베이스 부분 (560) 과 캡 부분 (580) 은 연료 입자들을 포함하지 않는 적용된 층들을 포함하고, 중심 부분 (570) 은, 연료 프리 쉘을 형성할 그래파이트의 링 및 연료 구역을 형성하는 연료 입자들을 포함하는 중심 원형 층 양자로 구성된 층들을 포함한다. 베이스 부분 (560) 은 제 1 연료 입자 층 (532A) 아래에 배치된 연료 페블 (500) 의 부분을 포함할 수도 있다. 환언하면, 베이스 부분 (560) 은, 최저 연료 입자 층 (532A) 아래에 배치된 연료 프리 쉘 (520) 및 연료 구역 (510) 의 부분들을 포함할 수도 있다. 베이스 부분 (560) 은 또한 제 1 연료 입자 층 (532A) 이 적어도 부분적으로 내장되는 연료 구역 (510) 의 부분을 포함할 수도 있다. 캡 부분 (580) 은 최상 연료 입자 층 (532; 미도시) 위에 연료 입자 (500) 의 대응하는 부분을 포함한다. 중심 부분 (570) 은 연료 페블 (500) 의 나머지 부분을 포함한다. 베이스 부분 (560) 과 캡 부분 (580) 은 중심 부분 (570) 에 연료 프리 쉘 두께와 같은 코드 치수를 가질 수도 있다.
예로 인접한 연료 입자들 (530) 이 제 1 거리만큼 서로 규칙적으로 이격되도록 그래파이트 층에 개별 연료 입자들을 위치결정하는 배치 척을 사용함으로써, 각각의 연료 입자 층 (532) 에서 연료 입자들 (530) 이 패턴으로 배치된다. 게다가, 층들 (532) 은 또한 제 2 분리 거리를 제공하도록 서로 오프셋된 각각의 층에 입자들을 갖는 층 두께만큼 서로 규칙적으로 이격될 수도 있다. 제 1 및 제 2 거리들은 동일하거나 상이할 수도 있다. 제 1 및 제 2 거리들은 연료 페블 (500) 의 총 중금속 로딩에 의존할 수도 있다. 연료 입자들 (530) 은, 설계 목표치들을 달성하기 위해서 선택된 분리 거리들 및 패킹 패턴들과, 3 차원 패킹 패턴들을 형성하기 위해서 육각형 또는 정사각형과 같은 규칙적 패턴으로 층들에 배치될 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 동일한 층 (532) 에서 인접한 연료 입자들 (530) 사이와 다른 인접한 층들 (532) 에서 인접한 연료 입자들 (530) 사이 최소 거리가 동일하도록 연료 입자들 (530) 이 배치될 수도 있다.
다르게 말하면, 연료 입자들 (530) 은 연료 페블 (500) 의 총 중금속 로딩에 의존하는 최소 거리만큼 3 차원으로 인접한 연료 입자들 (530) 로부터 분리되도록 연료 입자 층들 (532) 이 이격되고 패터닝될 수도 있다. 예를 들어, 도 5b 의 사시도에서 볼 때, 층 (532C) 의 연료 입자들 (530) 은 층 (532D) 의 연료 입자들 (530) 사이에 배치될 수도 있다. 환언하면, 층들 (532D, 532C) 과 같은, 인접한 층들의 연료 입자들이 수직 방향으로 서로 직접 중첩되지 않도록 배치될 수도 있다. 연료 요소들 내에서 연료 입자들의 분포 및 간격은 도면들에 도시된 실시예들에 제한되지 않는다. 다양한 실시형태들에서, 연료 입자들은 다양한 다른 층 패턴들, 특히 연료 입자들 (530) 이 인접한 연료 입자들 (530) 로부터 규칙적으로 이격될 수 있도록 하는 패턴들에 따라 위치결정될 수도 있다. 예를 들어, 연료 입자들은 최고 평균 밀도를 달성하는 2 개의 규칙적 격자들; 면심 입방 (fcc) (또한 입방 최밀 패킹으로도 불림), 또는 육각형 최밀 패킹 (hcp) 중 하나에 실시형태의 방법들을 사용해 연료 요소들에 위치결정될 수도 있다. 두 격자들은, 시트들이 서로 적층되는 방법이 상이한, 삼각형 틸팅의 꼭짓점들에 배치된 구체들 (즉, 이 경우에 연료 입자들) 의 시트들을 기반으로 한다. fcc 격자는 또한 A3 루트 시스템에 의해 생성된 대로 수학자들에게 알려져 있다.
하지만, 일부 실시형태들에서, 연료 입자들 (530) 은 다른 패턴들로 연료 페블들 (500) 내에 배치될 수도 있다. 특히, 연료 입자들은 연료 페블의 연료 구역 (510) 의 다른 영역들에서 다른 밀도들로 성막될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 실시형태들의 제조 방법들은 연료 페블들 내 특정 로케이션들에 연료 입자들을 배치하는데 사용될 수도 있어서 연료 구역 (510) 의 중심으로부터 거리가 증가함에 따라, 연료 입자들 (530) 의 밀도가 또한 증가할 수도 있다. 이런 식으로 연료 페블들을 제조하는 것은, 예로 연료 페블들에서 더 높은 연료 입자 로딩을 가능하게 하면서 연료 페블들의 중심에서 피크 온도를 제어하는 것을 도와줌으로써, 동력 밀도 이점을 제공할 수도 있다. 반경방향 위치를 갖는 연료 입자들의 이러한 밀도 변화는 일관될 수도 있다 (예컨대, 연료 구역 (510) 의 중심으로부터 거리에 따라 선형으로 또는 기하급수적으로 변할 수도 있다). 예를 들어, 연료 구역 (510) 의 연료 입자 밀도는 그것의 중심으로부터 외부면까지 증가할 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 연료 구역 (510) 의 입자 밀도는 연료 페블의 중심으로부터 거리에 따라 단계적으로 될 수도 있다. 예를 들어, 다양한 실시형태들의 제조 방법들은 연료 구역 (510) 내에 비교적 낮은 연료 입자 밀도를 갖는 중심 영역, 및 비교적 높은 연료 입자 밀도를 갖는 중심 영역을 포위하는 주변 영역을 형성하는데 사용될 수도 있다. 다른 실시형태들에서, 다양한 실시형태들의 제조 방법들은 다른 연료 입자 밀도들을 갖는 다수의 동심 주변 영역들을 갖는 연료 구역 (510) 을 형성하는데 사용될 수도 있다.
연료 페블들 내 연료 입자 밀도 변화는, 연료 구역 (510) 의 중심 영역과 같은, 연료 구역 (510) 의 특정 영역으로부터 다수의 연료 입자들 (530) 을 생략함으로써, 그렇지 않으면 연료 입자 층들에서 연료 입자들 (530) 의 간격을 유지함으로써 달성될 수도 있다. 대안예에서, 연료 입자 밀도는, 연료 구역 (510) 의 다른 영역들에서 인접한 연료 입자들 (530) 사이 간격을 가변함으로써 조절될 수도 있다. 예를 들어, 중심 영역에서 연료 입자들 (530) 사이 거리는 연료 구역 (510) 의 하나 이상의 주변 영역들의 거리보다 클 수도 있다. 연료 페블들 내 특정 로케이션들에 연료 입자들을 배치할 수 있는 다양한 실시형태들의 제조 방법들의 능력은 매우 다양한 연료 입자 로딩 구성들이 사용될 수 있게 한다.
도 5c 는 다양한 실시형태들에 따라 제조된 복합 입자 층 (533) 을 포함한 연료 페블의 사시 단면도를 도시한다. 도 5c 를 참조하면, 복합 입자 층 (533) 은 패턴으로 배치된 제 1 입자들 (535) 및 제 2 입자들 (537) 을 포함할 수도 있다. 제 1 및 제 2 입자들 (535, 537) 은, 예를 들어, 핵분열성 입자들, 가연성 독물 입자들 및 브리더 입자들로부터 선택될 수도 있다.
연료 페블 (501) 내 제 1 및 제 2 입자들 (535, 537) 의 상대 밀도는 입자 유형에 따라 선택될 수도 있다. 예를 들어, 복합 입자 층은 비교적 많은 수의 핵분열성 입자들과 비교적 적은 수의 가연성 독물 입자들을 포함할 수도 있다. 대안예에서, 복합 입자 층은 비교적 많은 수의 브리더 입자들 및 비교적 적은 수의 핵분열성 입자들을 포함할 수도 있다. 주요 입자들 (535) 은 핵분열성 입자들 및 제 2 입자들 (537) 일 수도 있다.
다양한 실시형태들에 따라 제조된 연료 페블들은 핵분열성 입자들, 브리더 입자들, 및 독물 입자들을 포함한 다른 유형들의 입자들을 포함한 복합 입자 층들을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 연료 페블의 각각의 연료 입자 층은 패턴으로 배치된 핵분열성 및 독물 입자들을 포함할 수도 있다. 연료 입자들 (예컨대, 핵분열성 입자들) 및 독물 입자들의 분포는 또한 연료 구역 (510) 에서 달라질 수도 있다. 예를 들어, 연료 구역 (510) 의 중심 영역은 연료 구역 (510) 의 하나 이상의 주변 영역들보다 더 높은 밀도의 가연성 독물 입자들 (예컨대, 더 높은 비의 가연성 독물 입자들 대 연료 입자들) 을 포함할 수도 있다. 환언하면, 주변 영역들 중 하나 이상은 중심 영역보다 더 높은 밀도의 핵분열성 입자들을 가질 수도 있다. 주변 영역에서 더 높은 밀도의 연료 입자들을 가지고, 그리고/또는 중심 영역에서 더 높은 비의 독물 대 연료 입자들을 가지는 것은 개선된 열 전달 특징들을 제공할 수도 있어서 각각의 페블에서 더 높은 연료 로딩을 가능하게 하고, 그리고/또는 연료 페블의 연료 이용을 개선할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 제 1 입자들 (535) 은 핵분열성 입자들일 수도 있고 제 2 입자들 (537) 은 가연성 독물 입자들 또는 브리더 입자들일 수도 있다.
예로서, 도 5c 는, 다양한 실시형태들의 제조 방법들이 연료/독물 입자들이 적거나 없는 중심 체적 (V) 을 갖는 연료 페블들을 형성하는데 어떻게 사용될 수 있는지 보여준다. 이러한 구성은 반응기 작동 중 더 평평한 온도 프로파일들을 보이는 연료 페블들을 유발할 수도 있다. 다양한 실시형태들의 제조 방법들은 또한 중심 보이드 (V) 내 그래파이트의 밀도를 제어하고, 예로 중심에 더 낮은 강도의 영역을 제공하는데 사용될 수도 있어서 안쪽으로 확장하는 것은 핵분열 가스로 인한 연료 페블들 내 압력을 완화시킬 수 있다.
도 5d 는 다양한 실시형태들에 따라 제조된 독물 또는 브리더 입자들 (530b) 과 연료 입자들 (530a) 을 혼합한 패터닝된 복합 입자 층 (533) 을 포함한 연료 페블의 사시 단면도를 도시한다.
도 6a 는 다양한 실시형태들에 따른 연료 페블을 형성하는 방법 (5) 을 도시한 프로세스 흐름도이다. 도 6b 는 방법 (5) 의 작동들을 도표로 도시한다. 도 7a, 도 7b, 도 7c, 도 8a, 도 8b, 도 9a, 도 9b, 도 9c, 도 10a, 도 10b 및 도 11 은 도 6b 에 도시된 작동들의 확대도들을 포함한다.
도 6a, 도 6b 및 도 7a 내지 도 7c 를 참조하면, 작동 (10) 에서, 방법 (5) 은 도 5a 에 도시된 대로 연료 페블 (500) 의 그래파이트 베이스 부분 (560) 을 형성하는 것을 포함한다. 특히, 작동 (10) 은 기판 (602) 에 그래파이트 분말을 성막하여서 그래파이트 층 (600) 을 형성하는 것을 포함한다 (단계 1). 그래파이트 분말은, 예를 들어, 슬롯 코팅 장치 (610) 등과 같은 임의의 적합한 방법을 사용해 성막될 수도 있다. 그래파이트 층 (600) 은 그 후 프레싱된다 (단계 2). 그래파이트 층 (600) 은 롤러 (612) 를 사용해 프레싱될 수도 있다. 하지만, 수직 프레스 등과 같은 임의의 적합한 프레싱 기기가 사용될 수도 있다. 프레싱은, 그래파이트 층 (600) 이 균등하게 패킹되도록 보장한다.
바인더 (700) 는 예로 3D 인쇄/첨가제 제조 방법들을 사용함으로써 그래파이트 층 (600) 에 적용될 수도 있다 (단계 3). 바인더 (700) 는, 예를 들어, 잉크젯 인쇄기 (710) 등을 사용해 그래파이트 층 (600) 에 인쇄될 수 있는 액체 바인더일 수도 있다. 특히, 바인더 (700) 는 알콜 기반 바인더 또는 물 기반 바인더일 수도 있다. 바인더 (700) 는 그래파이트 층 (600) 에 특정 패턴으로 적용된다. 예를 들어, 바인더 (700) 는 연료 페블 (500) 의 횡단면 부분에 대응하는 원형 패턴으로 적용될 수도 있다.
작동 (10) (즉, 단계들 1 내지 3) 은, (구형 연료 요소의 경우에) 더 큰 직경을 갖는 각각의 층으로 그래파이트 층 (600) 의 두께를 증가시키도록 다수 회 반복될 수 있어서, 그래파이트 층 (600) 은 페블 연료 프리 쉘의 두께와 대략 동일한 코드 치수를 갖는 구체 부분의 형태로 베이스 부분 (560) 을 형성한다. 예를 들어, 작동 (10) 이 반복될 때마다, 그래파이트 층 (600) 의 두께는 약 0.05 ㎜ ~ 약 0.2 ㎜, 예를 들어, 약 0.1 ㎜ 만큼 증가될 수도 있다. 하지만, 그래파이트 층 (600) 의 두께는 그래파이트 층 (600) 의 그래파이트 입자들의 최소 직경에 의존할 수도 있다.
이런 층 형성 작동 (10) 은, 구형 연료 요소들에서 구체 부분인 베이스 부분 (560) 을 형성하도록 약 50 ~ 약 100 회 반복될 수도 있다. 예를 들어, 작동 (10) 이 반복될 수도 있어서, 베이스 부분 (560) 은 약 0.3 ㎝ ~ 약 1.5 ㎝ (즉, 약 1 ㎝) 의 두께를 가져서, 베이스 부분 (560) 의 두께는 연료 프리 쉘 (520) 의 두께에 대응한다. 전술한 대로, 베이스 부분 (560) 은 또한 제 1 연료 입자 층 (532A) 아래에 배치된 연료 구역 (510) 의 부분을 포함할 수도 있다. 이와 같이, 베이스 부분 (560) 의 두께는 부가량, 예로 약 1 ㎜ ~ 약 2 ㎜ (즉, 약 1.5 ㎜) 만큼 증가될 수도 있어서 (또는 베이스 부분은 중심 부분 (570) 을 형성하도록 그래파이트의 제 1 층을 포함할 수도 있음), 이하 검토된 대로, 베이스 부분 (560) 은, 연료 입자들 (530) 이 내장될 수도 있는 연료 구역 (510) 의 부분을 포함한다. 환언하면, 베이스 부분 (560) 은 전형적인 연료 페블 유형들의 연료 요소들에 대해, 다소 다른 형상들 및 크기들의 연료 요소들에 대해 약 3 ㎜ ~ 약 12 ㎜, 즉, 약 11.5 ㎜ 의 두께를 가질 수도 있다.
성막된 그래파이트 분말 (600) 의 양은 프로세싱 조건들 및 연료 페블 설계 특징들에 따라 달라질 수 있다. 이와 같이, 작동 (10) 이 반복되는 횟수는 그에 맞춰 증가 또는 감소될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 각각의 그래파이트 층들을 형성하기 위해서 그래파이트 분말을 사용하는 대신에 또는 부가적으로, 그래파이트는 그래파이트 분말과 혼합될 수 있는 연료 입자들과 거의 동일한 크기의 그래파이트 구체들의 형태일 수도 있다. 구형 그래파이트는 특히 그래파이트 구체들이 연료 입자들과 크기가 비슷할 때 (예컨대, 대략 동일한 크기) 연료 요소의 연료 구역을 형성하는데 이로울 수도 있다. 적합한 형태의 그래파이트 구체들의 예는, 무분진 그래파이트 구체들을 제조하는 방법들 및 조성들을 개시하는 미국 특허 제 8,173,208 호에 개시된다. 이러한 그래파이트 구체들은 그래파이트 분말 및 수지로 형성될 수도 있다. 그래파이트 구체들을 사용하는 장점은, 연료 입자들과 거의 동일한 크기의 구체들이 그것의 유사한 크기 및 밀도로 인해 미세한 그래파이트 분말의 층보다 층에서 연료 입자들을 더 양호하게 지지할 수 있다는 점이다. 일부 실시형태들에서, 다양한 층 형성 단계들에서 형성된 그래파이트 층 (600) 은 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들의 조합체일 수도 있다. 일부 실시형태들에서, 연료 입자들을 포함하지 않는 그래파이트 층들 (600) (즉, 연료 페블의 베이스 부분 (560) 및 상단 부분을 형성한 층들) 은 미세한 그래파이트 분말을 사용해 형성될 수도 있고, 연료 입자들을 포함한 그래파이트 층들 (즉, 연료 요소의 연료 구역) 은 그래파이트 구체들 또는 그래파이트 구체들 및 그래파이트 분말의 혼합물을 사용해 형성될 수도 있다. 또한, 연료 입자들을 포함한 그래파이트 층들 (연료 구역) 은, 중심 연료 구역 부분에서 그래파이트 구체들, 여기에서 연료를 성막하고 주위 부분 (550; 도 5b 또는 535; 도 5d) 에 그래파이트 분말을 성막함으로써 제조될 수도 있다.
도 6b, 도 8a 및 도 8b 에 도시된 작동 (20) 에서, 위치결정 척과 같은 성막 장치 (800) 는 베이스 부분 (560) 에 형성된 그래파이트의 층 (예컨대, 그래파이트 분말, 그래파이트 구체들, 또는 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들의 조합체) 또는 베이스 부분 (560) 에 연료 입자들 (530) 의 층을 성막하는데 사용된다 (단계 4). 특히, 성막 장치 (801) 는 그래파이트 층들에 연료 입자들 (530) 을 픽업하여 그것의 배치를 제어하도록 구성된 적어도 하나의 성막 헤드 (820) 를 포함할 수도 있다.
성막 헤드 (820) 는 진공 및 정전력을 포함한 연료 입자들 (530) 을 픽업하고 유지하기 위한 다양한 기법들 또는 조합을 사용할 수도 있다.
실시형태에서, 성막 헤드 (820) 는 성막 패턴에 대응하는 특정 패턴으로 배치된 복수의 진공 튜브들 (830) 을 포함할 수도 있다. 이러한 실시형태에서 진공이 진공 튜브들 (830) 에 적용되어서 연료 입자들 (530) 을 픽업하여 성막 헤드 (820) 에 유지한다. 연료 입자들은, 진공을 해제하거나 진공 튜브들 (830) 을 통하여 압력을 적용함으로써 그래파이트 층에 대해 프레싱될 때 방출될 수도 있다. 이러한 실시형태의 성막 헤드 (820) 는 "진공 성막 헤드" 로 지칭될 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 성막 헤드들 (820) 중 하나 이상은 연료 입자들을 픽업하여 유지하는데 정전력을 사용할 수도 있고, 이 성막 헤드는 "정전 성막 헤드" 로 지칭될 수도 있다. 연료 입자들 (530) 은, 전압 (양 또는 음) 을 연료 입자들 (530) 을 끌어당기는 헤드 또는 입자 유지 부분들에, 예로 도시된 대로 위치결정 포어들로 적용함으로써 정전 성막 헤드 (820) 에 의해 픽업될 수도 있다. 성막 헤드들 (820) 은 베이스 부분 (560) 위에 배치되거나 베이스 부분으로 프레싱될 수도 있고, 성막 헤드들 (820) 에 적용된 전하는 중화되거나 극성 반전되어서 연료 입자들 (530) 을 그래파이트로 방출할 수도 있다.
성막 헤드 (820) 는 베이스 부분 (560) 으로 프레싱되어서 베이스 부분에 형성된 그래파이트의 층으로 연료 입자들 (530) 을 내장한다. 위에서 논의한 대로, 그래파이트의 이 층은, 베이스 부분 위에 적용되는 그래파이트 분말, 그래파이트 구체들, 또는 그래파이트 분말과 구체들의 조합체의 층일 수도 있다. 연료 입자들 (530) 을 그래파이트 층으로 프레싱한 후, 연료 입자들 (530) 을 방출하기 위해서 진공이 제거된다. 프레싱한 후, 연료 입자들 (530) 이 베이스 부분 (560) 으로 프레싱되고 그리고/또는 그래파이트 층은, 예를 들어, 롤러 (612) 를 사용해 압축된다 (단계 5). 이런 식으로, 하부 연료 입자 층 (532A) 이 성막된다.
성막 장치 (810) 는 임의의 개수의 성막 헤드들 (820) 을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 성막 장치 (810) 는 연료 입자 층 (532) 에서 연료 입자들 (530) 의 각각의 별개의 패턴에 대해 하나의 성막 헤드 (820) 를 포함할 수도 있다. 대안예에서, 성막 장치 (800) 는 성막 헤드들 (820) 의 하나 이상의 어레이들 (840) 을 포함할 수도 있고, 각각의 어레이의 성막 헤드들 (820) 은 동일한 패턴을 가지고, 다른 어레이들은 다른 패턴들을 갖는다. 부가적으로 또는 대안적으로, 개별 진공 튜브들은 패턴을 형성하도록 각각의 층에 픽업되어 적용된 연료 입자들의 패턴을 바꾸도록 작동될 수도 있다. 성막 장치 (800) 는 어레이 (840) 를 상승 및 하강하기 위해서 액추에터들 (850) 을 포함할 수도 있다.
연료 입자들 (530) 의 층이 성막되고 나면, 방법은 도 6b, 도 9a 및 도 9b 에 도시된 대로 작동 (30) 으로 진행한다. 작동 (30) 에서, 그래파이트 층 (550) 은 그래파이트 입자들을 베이스 부분 (560) 에 성막함으로써 형성된다. 특히, 그래파이트 입자들은 연료 입자들 (530) 을 덮는 그래파이트 층 (600) 을 형성하도록 성막된다 (단계 6). 특히, 그래파이트 층 (600) 은 단계 5 에서 연료 입자들 (530) 을 프레싱함으로써 형성된 구멍들을 충전하도록 작동할 수도 있다. 그래파이트 층 (600) 이 프레싱될 수도 있다 (단계 7). 바인더 (700) 는 그 후 적용된다 (단계 8).
작동 (30; 단계들 6 내지 8) 은 그래파이트 층 (600) 의 두께를 증가시키도록 다수 회 반복되어서, 베이스 부분 (560) 에 그래파이트 층 (550) 을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 작동 (30) 은 약 10 ~ 30 회, 예로 약 16 회 반복될 수도 있다. 따라서, 그래파이트 층 (600) 은 약 1 ~ 3 ㎜ 범위의 두께를 가질 수도 있다. 이와 같이, 그래파이트 층 (550) 은 베이스 부분 (560) 보다 더 얇을 수도 있다.
작동 (40) 에서, 프로세스는 연료 입자 층 성막이 완료되었는지 여부 (즉, 부가적 연료 입자 층들 (532) 이 성막된 상태로 유지되는지 여부) 를 결정할 수도 있다. 부가적 연료 입자 층들 (532) 이 성막된 상태로 유지된다면, 방법은 작동 (20) 으로 복귀하고 부가적 연료 입자 층들 (532) 및 그래파이트 층들 (550) 이 성막될 수도 있다. 부가적 연료 입자 층들 (532) 이 성막된 상태로 유지되지 않는다면, 방법은 작동 (50) 으로 진행한다. 결정할 필요가 없는 규정된 방식으로 층들이 수행되도록 프로세스가 구현될 수 있으므로 작동 (40) 은 선택적이다.
작동 (50) 에서, 도 6b 에 도시된 대로, 캡 부분 (580) 이 형성된다. 특히, 캡 부분 (580) 은, 전술한 작동 (10) 과 유사한 방식으로, 그래파이트 입자들의 층을 성막하고 (단계 9), 그래파이트 층을 프레싱하고 (단계 10), 그 후 바인더를 성막함으로써 (단계 11) 형성된다. 작동 (50; 단계들 9, 10 및 11) 은 또한 작동 (10) 에 대해 설명한 대로 다수 회 반복될 수도 있다. 결과적으로, 캡 부분이 형성된다.
도 6b, 도 10a 및 도 10b 에 도시된 작동 (60) 에서, 산개한 그래파이트 분말이 제거되어서 (단계 12), 연료 요소들, 예컨대, 연료 페블들 (500) 을 노출한다. 그 후, 연료 요소들은 연료 펠릿들 (500) 에 압력을 적용하는 등압 프레스 (1000) 에서 프로세싱된다 (단계 13). 등압 프레싱은 연료 요소들의 크기 감소를 유발할 수도 있다. 예를 들어, 연료 페블들 (500) 의 직경은 등압 프레싱에 의해 6.5 ㎝ 에서 6.0 ㎝ 로 감소될 수도 있다.
도 6b 와 도 11 에 도시된 작동 (70) 에서, 연료 요소들 (예컨대, 연료 페블들 (500)) 은 고온 오븐 (1100) 에서 소결된다 (단계 14). 연료 요소들은 1900 ~ 2100 ℃ 범위의 온도, 예를 들어 2000 ℃ 에서 소결될 수도 있다. 소결 후, 제조 프로세스가 완료될 수도 있고 연료 요소들은 품질 검사를 위해 준비할 수도 있다.
일부 실시형태들에서, 소결 바인더는 소결 전 연료 요소들에 적용될 수도 있다. 특히, 소결 바인더는 그래파이트 분말과 혼합될 수도 있거나 바인더 (700) 에 포함될 수 있다. 다른 실시형태들에서, 바인더 (700) 는 소결 바인더일 수도 있다.
다양한 실시형태들에서, 바인더 (700) 는 단계들 3, 8 및 11 에서 3-D 인쇄/첨가제 제조를 통하여 성막될 수도 있다. 특히, 연료 요소가 3 차원으로, 성막된 그래파이트 분말로부터, 층별로 형성될 수 있도록 바인더 (700) 가 성막될 수도 있다. 다시, 바인더를 적용하는데 3D 인쇄/첨가제 제조를 사용하고 층별로 연료 요소들을 축적하는 것은 제조 프로세스가 동일한 제조 라인에서 다양한 크기들 및 형상들 (예컨대, 도시된 대로 구형, 타원형, 알약 형상, 각기둥형, 칼럼형 및 원추형) 로 연료 요소들을 형성하는 것을 가능하게 한다. 일부 연료 요소들은, 내부 통로들의 로케이션들에 그래파이트를 성막하지 않음으로써 연료 요소를 통하여 냉각재를 유동시키기 위한 내부 통로들을 구비한 실시형태의 방법들을 사용해 제조될 수도 있다.
다양한 실시형태의 제조 방법들의 상기 설명은 다양한 실시형태들을 사용해 제조될 수 있는 한 가지 형태의 연료 요소의 예로서 연료 페블들을 나타낸다. 다양한 실시형태들은 각기둥형 블록들, 로드들, 펠릿들 등을 포함한 임의의 형상 및 구성의 그래파이트 연료 요소들을 제조하는데 사용될 수도 있다. 따라서, "연료 페블들" 에 대한 언급은 제조 프로세스를 설명하는 용이성을 위한 것이고 청구항에서 구체적으로 기술되지 않는 한 연료 페블들 또는 구형 연료 요소들의 제조에 청구항의 범위를 제한하지 않도록 의도된다.
층들의 개수 및 각각의 층의 구성들은, 각각의 층에서 성막된 그래파이트의 밀도 및/또는 양, 연료 요소 내 연료의 패킹 분획물, 형성되는 연료 요소의 형상 등을 포함한 다양한 인자들에 따라 달라질 수도 있다. 따라서, 다양한 실시형태의 제조 작동 및 반복에 대한 설명은, 청구항에서 구체적으로 기술되지 않는 한, 임의의 개수의 층들 또는 작동 사이클들에 청구항의 범위를 제한하지 않도록 의도된다.
다양한 실시형태들에서, 제조 방법은 로봇 공학 및 3D 인쇄/첨가제 제조 기술을 사용해 구현될 수도 있고, 자동화 프로세스에 의해 구현될 수도 있다. 이러한 통합 프로세스는, 그래파이트 기반 핵 연료 요소들을 제조하는 종래의 방법들과 비교해, 더 높은 처리량, 더 높은 제품 품질 및 더 양호한 제품 일관성을 제공할 수도 있다. 또한, 예로 각각의 작동 또는 몇 개의 작동을 위한 스테이지들의 생산 라인을 형성하고 병렬 프로세싱을 위해 스테이지에서 스테이지로 복수의 연료 요소들을 이동시킴으로써, 연료 요소들 (예컨대, 연료 페블들) 을 대량 생산하도록 방법이 구현될 수 있다. 또한, 검사 작동들은 전술한 작동들 각각 또는 선택된 작동 후 부가되어서 각각의 적용된 층의 품질을 평가할 수도 있고, 각각의 작동의 제어 파라미터들은 전체적으로 연료 페블 및 각각의 층에 대한 원하는 품질 레벨 또는 설계 공차를 유지하도록 조절될 수도 있다.
또한, 다양한 실시형태들의 제조 방법들은, 입자들이 연료 요소들 내에 이격되어 있도록 연료, 독물 및 브리더 입자들을 연료 요소들의 층들 내 제어된 위치들에 배치할 수 있고, 이것은 종래 기술의 랜덤하게 배치된 연료 입자들에 대한 개선점이다. 특히, 다양한 실시형태들의 제조 방법들은, 연료 입자들이 결코 서로 접촉하지 않도록 보장하는 연료 입자 패킹 구조들을 갖는 연료 요소들을 제조하는 것을 가능하게 한다.
또한, 위에서 언급한 대로, 다양한 실시형태들은 연료 요소들을 제조하는 최종 프로세스들에 포함된 고압의 적용 중 2 개 이상의 입자들이 서로 접촉할 위험을 없앤다. 결과적으로, 프레싱 중 입자들이 서로 충돌할 가능성이 없어진다. 따라서, 종래의 그래파이트 연료 요소 형성 기법들과 달리, 다양한 실시형태들은, 전술한 오버코팅되지 않은 TRISO 연료 입자들과 같은, 오버코트를 포함하지 않는 연료 입자들의 사용을 가능하게 한다. 이것은 프로세스 단계 및 연료 입자들의 비용을 제거하여서, 보다 효율적인 연료 요소 제조를 유발한다.
개시된 실시형태들의 전술한 설명은 본 기술분야의 당업자가 본 발명을 제조 또는 사용할 수 있도록 제공된다. 이 실시형태들의 다양한 변형예들은 본 기술분야의 당업자들에게 명백할 것이고, 본원에서 규정된 일반 원리들은 본 발명의 사상 또는 범위에서 벗어나지 않으면서 다른 실시형태들에 적용될 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본원에 나타낸 양태들 및/또는 실시형태들에 제한되지 않도록 의도되지만 다음 청구항들 및 본원에 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위를 부여받을 것이다.

Claims (28)

  1. 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법으로서, 상기 방법은:
    상기 연료 요소의 그래파이트 베이스 부분을 형성하는 단계;
    상기 연료 요소의 연료 구역을 형성하는 단계로서:
    상기 그래파이트 베이스 부분에 제 1 그래파이트 층을 형성하는 것;
    입자들의 제 1 층 내에서 각각의 입자의 위치결정을 제어하면서, 상기 제 1 그래파이트 층에 상기 입자들의 제 1 층을 성막하는 것;
    상기 입자들의 제 1 층에 제 2 그래파이트 층을 형성하는 것; 및
    입자의 제 2 층 내에서 각각의 입자의 위치결정을 제어하면서, 상기 제 2 그래파이트 층에 입자들의 제 2 층을 성막하는 것을 포함하는, 상기 연료 요소의 연료 구역을 형성하는 단계; 및
    상기 연료 요소의 그래파이트 캡 부분을 형성하는 단계를 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래파이트 베이스 부분에 제 1 그래파이트 층을 형성하는 것은 그래파이트 구체들을 포함하는 제 1 그래파이트 층을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 입자들의 제 1 층에 제 2 그래파이트 층을 형성하는 것은 그래파이트 구체들을 포함하는 제 2 그래파이트 층을 형성하는 것을 포함하고,
    상기 그래파이트 구체들 및 상기 입자들은 크기가 유사한, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 그래파이트 베이스 부분에 제 1 그래파이트 층을 형성하는 것은 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들의 혼합물을 성막하는 것을 포함하고,
    상기 입자들의 제 1 층에 제 2 그래파이트 층을 형성하는 것은 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들의 혼합물을 성막하는 것을 포함하고,
    상기 그래파이트 구체들 및 상기 입자들은 크기가 유사한, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들의 제 1 층 및 상기 입자들의 제 2 층에서 입자들은 연료 입자들, 가연성 독물 입자들, 및 브리더 (breeder) 입자들 중 하나 이상인, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들의 제 1 층 및 상기 입자들의 제 2 층에서 입자들은 오버코트 (overcoat) 를 갖는 3 중 구조 등방성 (TRISO) 연료 입자들을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들의 제 1 층 및 상기 입자들의 제 2 층에서 입자들은 오버코트를 갖지 않는 3 중 구조 등방성 (TRISO) 연료 입자들을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들의 제 1 층 내에 각각의 입자의 위치결정을 제어하는 것은, 상기 입자들의 제 1 층의 인접한 입자들이 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되도록 상기 입자들의 제 1 층에 입자들을 위치결정하는 것을 포함하고,
    상기 입자들의 제 2 층 내에 각각의 입자의 위치결정을 제어하는 것은, 제 2 층의 인접한 입자들이 실질적으로 동일한 거리만큼 이격되도록 상기 입자들의 제 2 층에 입자들을 위치결정하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 그래파이트 층은, 상기 입자들의 제 1 층의 입자들이 상기 입자들의 제 2 층의 인접한 입자들로부터 실질적으로 동일한 거리만큼 분리되도록 상기 입자들의 제 1 층에 형성되는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들의 제 1 층을 성막하는 것 및 상기 입자들의 제 2 층을 성막하는 것 중 적어도 하나는:
    진공 성막 헤드로 제어된 위치들에 입자들을 로딩하는 것;
    상기 그래파이트 베이스 부분 또는 상기 제 1 그래파이트 층 위에 상기 진공 성막 헤드를 배치하는 것;
    상기 진공 성막 헤드로부터 상기 입자들을 방출하는 것; 및
    상기 입자들을 상기 그래파이트 베이스 부분 또는 상기 제 1 그래파이트 층으로 프레싱하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들의 제 1 층을 성막하는 것 및 상기 입자들의 제 2 층을 성막하는 것 중 적어도 하나는:
    정전 성막 헤드로 제어된 위치들에 입자들을 로딩하는 것;
    상기 그래파이트 베이스 부분 또는 상기 제 1 그래파이트 층 위에 상기 정전 성막 헤드를 배치하는 것;
    상기 정전 성막 헤드로부터 상기 입자들을 방출하는 것; 및
    상기 입자들을 상기 그래파이트 베이스 부분 또는 상기 제 1 그래파이트 층으로 프레싱하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 그래파이트 베이스 부분을 형성하는 단계 및 상기 캡 부분을 형성하는 단계 중 적어도 하나는:
    A) 그래파이트를 성막하는 작동;
    B) 상기 그래파이트를 프레싱하는 작동;
    C) 프레싱된 상기 그래파이트에 바인더를 인쇄하는 작동; 및
    작동들 A, B 및 C 를 반복하여서 상기 그래파이트 베이스 부분 및 상기 캡 부분 중 적어도 하나를 형성하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 그래파이트 베이스 부분 및 상기 캡 부분 중 적어도 하나가 3 ㎜ ~ 12 ㎜ 범위의 두께를 가질 때까지 작동들 A, B 및 C 가 반복되는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 그래파이트 층 및 상기 제 2 그래파이트 층 중 적어도 하나가 약 1 ㎜ ~ 약 3 ㎜ 범위의 두께를 가질 때까지 작동들 A, B 및 C 가 반복되는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    작동 C 는 상기 연료 요소의 얇은 섹션과 동일한 형상을 가지는 패턴으로 상기 바인더를 인쇄하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 그래파이트 층을 형성하는 것 및 제 2 그래파이트 층을 형성하는 것은:
    그래파이트, 그래파이트 구체들 또는 그래파이트와 그래파이트 구체들의 조합체 중 하나를 성막하여서 그래파이트 층을 형성하는 것;
    상기 그래파이트 층을 프레싱하는 것; 및
    프레싱된 층에 바인더를 인쇄하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  16. 제 3 항에 있어서,
    그래파이트 분말 및 그래파이트 구체들의 혼합물을 성막하는 것은, 중심 연료 구역 부분에 그래파이트 구체들을 성막하고 주위 부분에 그래파이트 분말을 성막하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  17. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들의 제 1 층은 제 1 평면에 배치되고;
    상기 입자들의 제 2 층은 상기 제 1 평면에 실질적으로 평행한 제 2 평면에 배치되고;
    상기 제 1 층의 입자들은 상기 제 1 평면과 상기 제 2 평면에 실질적으로 수직 방향으로 상기 제 2 층의 입자들과 중첩하지 않는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  18. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 요소는 페블 베드 (pebble bed) 고온 가스 냉각 반응기에서 사용하기에 적합한 구형 연료 페블인, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소를 제조하는 방법.
  19. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 형성된 연료 요소.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 연료 요소는 약 5.5 ㎝ ~ 약 6.5 ㎝ 범위의 직경을 가지는 구형 연료 페블이고;
    연료 프리 쉘 (fuel free shell) 은 약 0.3 ㎝ ~ 약 1.5 ㎝ 범위의 두께를 가지는, 연료 요소.
  21. 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법으로서,
    상기 방법은 첨가제 제조 방법들 및 로봇식 메커니즘들을 사용하여서 그래파이트의 매트릭스 내에 입자들의 공간적 배치 및 패킹 밀도를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 입자들은 연료 재료, 가연성 독물 재료 또는 브리더 재료 중 하나 이상을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 그래파이트의 매트릭스는 상기 입자들과 대략 동일한 크기를 가지는 그래파이트 구체들을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 첨가제 제조 방법들 및 로봇식 메커니즘들을 사용하여서 그래파이트의 매트릭스 내에 입자들의 공간적 배치 및 패킹 밀도를 제어하는 단계는:
    균일한 그래파이트 층을 이전 층에 형성하고 바인더를 첨가제 제조 방법들을 사용해 적용하여서 제어된 외부 치수들을 갖는 각각의 층을 바인딩하여 연료 요소들의 베이스 부분을 형성하는 것을 포함한 일련의 작동들을 반복적으로 수행하는 것;
    그래파이트 분말, 그래파이트 구체들 또는 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들의 조합체 중 하나의 균일한 그래파이트 층을 이전 층 위에 성막하고, 입자들이 미리 규정된 패턴으로 이격되도록 연료 구역 내에서 상기 균일한 그래파이트 층에 입자들의 층을 형성하고, 바인더를 첨가제 제조 방법들을 사용해 적용하여서 제어된 외부 치수들을 갖는 각각의 층을 바인딩하여 연료 요소들의 연료 구역 부분을 형성하는 것을 포함한 일련의 작동들을 반복적으로 수행하는 것; 및
    균일한 그래파이트 층을 이전 층에 형성하고 바인더를 첨가제 제조 방법들을 사용해 적용하여서 제어된 외부 치수들을 갖는 각각의 층을 바인딩하여 연료 요소들의 캡 부분을 형성하는 것을 포함한 일련의 작동들을 반복적으로 수행하는 것을 포함하고,
    상기 그래파이트 베이스 부분, 상기 연료 구역 부분 및 상기 캡 부분의 외부 치수들은 구형, 타원형, 알약 형상, 각기둥형, 칼럼형 및 원추형으로 구성된 군에서 선택된 제어된 형상의 연료 요소를 형성하도록 제어되는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 연료 요소들은 구형 연료 요소들이고, 상기 첨가제 제조 방법들 및 로봇식 메커니즘들을 사용하여서 그래파이트의 매트릭스 내에 입자들의 공간적 배치 및 패킹 밀도를 제어하는 단계는:
    균일한 그래파이트 층을 이전 층에 형성하고 바인더를 첨가제 제조 방법들을 사용해 적용하여서 연속적으로 증가하는 직경들을 갖는 각각의 층을 바인딩하여 연료 요소들의 베이스 부분을 형성하는 것을 포함한 일련의 작동들을 반복적으로 수행하는 것;
    그래파이트 분말, 그래파이트 구체들 또는 그래파이트 분말과 그래파이트 구체들 층의 조합체 중 하나의 균일한 그래파이트를 이전 층 위에 성막하고, 입자들이 미리 규정된 패턴으로 이격되도록 연료 구역 직경 내에서 균일한 그래파이트 층에 입자들의 층을 형성하고, 바인더를 첨가제 제조 방법들을 사용해 적용하여서 연속적으로 증가한 후 감소하는 직경들을 갖는 각각의 층을 바인딩하여 연료 함유 연료 구역을 포함하는 연료 요소들의 중심 부분을 형성하는 것을 포함한 일련의 작동들을 반복적으로 수행하는 것; 및
    균일한 그래파이트 층을 이전 층에 형성하고 바인더를 첨가제 제조 방법들을 사용해 적용하여서 연속적으로 감소하는 직경들을 갖는 각각의 층을 바인딩하여 연료 요소들의 캡 부분을 형성하는 것을 포함한 일련의 작동들을 반복적으로 수행하는 것을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
  25. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 작동들은, 연료 요소들이 각각의 연속 작동을 수용하기 위해서 생산 라인을 따라 이동하도록 구성된 제조 생산 라인에서 순차적으로 수행되는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
  26. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    모든 상기 작동들은, 연료 요소들을 대량 생산하기 위해서, 복수의 연료 요소들에서 동시에 수행되는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
  27. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    품질 또는 제조 공차에 대한 고수를 위한 작동들 중 하나 이상의 결과들을 검사하는 것; 및
    제조된 연료 요소들의 품질 규격을 유지하도록 검사들을 기반으로 작동들의 파라미터들을 조절하는 것을 더 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
  28. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자들은 오버코트를 갖지 않는 3 중 구조 등방성 (TRISO) 입자들을 포함하는, 고온 가스 냉각 반응기 코어에서 사용하도록 구성된 연료 요소들을 대량 생산하는 제조 방법.
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