KR20190003704A - 중성자 반사 냉각제를 갖는 용융 연료 원자로 - Google Patents

중성자 반사 냉각제를 갖는 용융 연료 원자로 Download PDF

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Abstract

중성자-반사 냉각제 또는 1차 염 냉각제와 2차 중성자-반사 냉각제의 조합을 이용하는 용융 연료 염 원자로의 구성이 기술된다. 원자로 노심의 둘레에 액체 중성자-리플렉터 재료를 순환시켜 원자로의 중성자를 제어하는 추가의 구성이 기술된다. 또한, 순환하는 중성자-리플렉터 재료를 사용하여 격납 용기를 능동적으로 냉각시키는 구성도 기술되어 있다.

Description

중성자 반사 냉각제를 갖는 용융 연료 원자로
본 출원은 PCT 국제 특허 출원으로 2017년 5월 2일자로 출원되고, 2016년 5월 2일자로 출원된 "개선된 용융 연료 원자로 구성"이라는 발명의 명칭의 미국 특허 가출원 제62/330,726호에 대한 우선권의 이익을 청구한다.
도입부
"증식-및-연소" 고속 원자로("breed-and-burn" fast nuclear reactor)라고 불리는 고속 원자로의 특정 분류는 소모되는 것보다 더 많은 핵분열 핵연료를 생산할 수 있는 원자로를 포함한다. 즉, 중성자 경제는 핵분열 반응에서 연소되는 것보다 원료 원자로 연료(예를 들면 우라늄-238)로부터 더 많은 핵분열 핵연료(예를 들면 플루토늄-239)를 증식할 만큼 충분히 높다. 원칙적으로, 증식-및-연소 원자로는 원료 물질의 100% 에너지 추출율에 접근할 수도 있다. 증식 과정을 시작하려면 증식-및-연소 원자로에 우선 농축 우라늄과 같은 소정 량의 핵분열 연료를 공급해야 한다. 그 후, 증식-및-연소 원자로는 연료 재보급을 요구함이 없이 그리고 종래의 원자로의 수반되는 확산 위험 없이 수십 년의 수명기간 동안 에너지 생산을 지속할 수도 있다.
증식-및-연소 원자로의 일 유형은 용융 염 원자로(molten salt reactor: MSR)이다. 용융 염 원자로는, 연료가 우라늄 또는 다른 핵분열성 요소와 같이 혼합 또는 용해된 핵연료를 함유한 용융 염 유체인 고속 스펙트럼 핵분열 원자로의 부류이다. MSR 시스템에 있어서, 연료 염에 의해 제공되는 감속되지 않은 고속 중성자 스펙트럼에서는, 우라늄-플루토늄 연료 사이클을 사용하여 양호한 증식 성능이 달성된다. 원료 연료로부터의 핵분열 연료의 증식을 지배하는 고속 스펙트럼 중성자와는 달리, 열 중성자는 핵분열 연료의 핵분열 반응을 지배한다. 열 중성자와 핵종의 충돌로 발생하는 핵분열 반응은 핵분열 반응에서 핵분열 연료를 소모하여, 고속 스펙트럼 중성자, 감마선, 다량의 열에너지를 방출하고 작은 원자핵 요소와 같은 핵분열 생성물을 축출할 수도 있다. 핵연료를 소모하는 것은 번업(burnup) 또는 연료 이용이라고 불린다. 번업이 높으면, 전형적으로 핵분열 반응이 종료된 후에 남아 있는 핵 폐기물의 양이 감소된다. 고속 중성자 스펙트럼은 또한 분열 생성물 유해화(poisoning)를 완화시켜, 온라인 재처리 및 수반되는 확산 위험 없이 탁월한 성능을 제공한다. 따라서 증식-및-연소 MSR의 디자인 및 작동 매개변수(예를 들면 콤팩트 디자인, 저압, 고온, 고출력 밀도)는 제로 탄소 에너지로의, 비용 효율적이고 세계적으로 확장 가능한 해결책의 가능성을 제공한다.
중성자 반사 냉각제를 갖는 용융 연료 원자로
MSR 시스템의 작동 중에, 용융 연료 염 교환은 순환하는 용융 연료 염의 조성을 변경함으로써 원하는 작동 범위 내에서 원자로 노심 내의 반응도 및 증식에 대한 일부 제어를 허용할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 원자로 노심은 중성자 리플렉터 재료를 수용하는 중성자 리플렉터 조립체 내에 전체적으로 또는 부분적으로 둘러싸여 있다. 개시된 동적 중성자 리플렉터 조립체는 원자로 노심에서 중성자 스펙트럼을 관리하기 위해 중성자 리플렉터 조립체의 반사도 특성을 조정함으로써 반응도 및 증식률에 대한 추가적인 동적 및/또는 증분 제어를 허용한다. 이러한 제어는 원자로 노심에서의 반응도 및 증식률을 관리한다. 동적 중성자 리플렉터 조립체의 중성자 스펙트럼 영향 특성("반사도 특성")을 동적으로 관리하기 위해 중성자 리플렉터, 감속재 또는 흡수체와 같은, 중성자 스펙트럼 영향 재료를 선택적으로 삽입하거나 제거하는 것에 의해서 동적 중성자 리플렉터 조립체 내의 재료의 조성이 변경될 수도 있다. 대안적으로, 이러한 반사도 특성은 동적 중성자 리플렉터 조립체 내의 재료의 온도, 밀도 또는 체적을 변화시킴으로써 조정될 수도 있다. 일부 구현예에 있어서, 동적 중성자 리플렉터 조립체는 연료(예를 들어, 용융 연료 염)와 열 접촉하는 유동하는 중성자 리플렉터 재료를 포함할 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료는 납 비스무트와 같은 유체, 부유 미립자의 슬러리, 분말과 같은 고체 및/또는 탄소 페블(pebble)과 같은 페블을 제한 없이 포함하는 임의의 적절한 형태로 있을 수도 있다. 동적 중성자 리플렉터 조립체는 조립체를 통해 하나 이상의 중성자 흡수 재료를 선택적으로 순환시키거나 유동시킬 수도 있으며, 이로부터 리플렉터 재료를 선택적으로 추가 또는 제거하는 것이 가능하다. 다른 구현예에 있어서, 유동하는 중성자 리플렉터 재료는 1 차 냉각 회로 또는 2 차 냉각 회로를 통해 열 교환기에서 용융 연료 염으로부터 열을 추출할 수 있다.
도 1은 용융 연료 염 고속 원자로 시스템 상의 예시적인 중성자 리플렉터 조립체의 개략도이다.
도 2는 다른 중성자 리플렉터 조립체 구성에 대한 하나 이상의 예시적인 동적 중성자 리플렉터 조립체의 고속 스펙트럼 용융 염 원자로에 있어서의 시간에 대한 반사도의 플롯을 나타낸다.
도 3은 용융 핵연료 염 고속 원자로를 둘러싸는 예시적인 분할된 중성자 리플렉터 조립체의 개략도이다.
도 4는 오버플로우 탱크가 장착된 중성자 리플렉터 조립체를 갖는 예시적인 용융 염 연료 원자로를 도시한다.
도 5는 복수의 슬리브를 갖는 예시적인 중성자 리플렉터 조립체의 하향식 개략도(top-down schematic view)이다.
도 6은 중성자 감속 부재(neutron moderating members)를 포함하는 복수의 슬리브를 갖는 예시적인 중성자 리플렉터 조립체의 하향식 개략도를 도시한다.
도 7은 열 교환기와 열적으로 연통되는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도를 도시한다.
도 8은 중성자 감속 부재를 포함하는 열 교환기와 열적으로 연통하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도를 도시한다.
도 9는 중성자 흡수 부재 및 체적 변위 부재를 포함하는 열 교환기와 열적으로 연통하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도를 도시한다.
도 10은 관 및 쉘 열 교환기를 통해 용융 핵연료 염과 열적으로 연통하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 개략적인 측면도를 도시한다.
도 11은 튜브 및 쉘 열 교환기를 통해 용융 핵연료 염과 열적으로 연통하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다.
도 12는 용융 핵연료 염 고속 원자로에서 동적 스펙트럼 시프팅의 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 13은 용융 핵연료 염 고속 원자로 내의 동적 스펙트럼 시프팅의 또 다른 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 14는 용융 핵연료 염 고속 원자로 내의 동적 스펙트럼 시프팅의 또 다른 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 15는 용융 핵연료 염 고속 원자로 내의 동적 스펙트럼 시프팅의 또 다른 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 16은 용융 핵연료 염 고속 원자로 내의 동적 스펙트럼 시프팅의 또 다른 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 17은 복수의 슬리브 및 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체를 갖는 예시적인 중성자 리플렉터 조립체의 하향식 개략도이다.
도 18은 내부 환형 채널 및 외부 환형 채널을 포함하고 또한 체적 변위 부재를 추가로 포함하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다.
도 19는 내측 환형 채널 및 외측 환형 채널을 포함하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다.
도 20은 내측 환형 채널 및 외측 환형 채널을 포함하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도를 도시하는 것으로서, 여기에서 내부 환형 채널은 소정 체적의 용융 연료 염을 수용한다.
도 21은 변하는 반경 값의 튜브들을 수용하는 환형 채널을 포함하는 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 예시적인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다.
도 22는 순환하는 리플렉터 재료를 이용하는 원자로의 실시형태의 단면도를 도시한다.
도 23은 도 22에서와 같은 원자로의 절반의 동일한 단면도를 사용하는 쉘측 연료/튜브측 1차 냉각제 열 교환기 구성을 갖는 원자로의 일 실시형태를 도시한다.
도 24는 액체 중성자-리플렉터 냉각된 원자로의 일 실시형태를 도시한다.
도 1은 연료 공급부(102) 및 연료 출구(104)를 갖는 개방된 증식-및-연소 연료 사이클(breed-and-burn fuel cycle)을 가능하게 하는 예시적인 용융 염 원자로(molten salt reactor: MSR) 시스템(100)의 개략도이다. 연료 출구(104)는 용융 연료 염(108)을 원자로 용기(107)로부터 1 차 냉각제 루프를 통해 외부의 열 교환기(도시되지 않음)로 유동시키고, 상기 열 교환기는 (예를 들어, 증기 터빈에서 사용하기 위해) 열을 추출하고, 용융 연료 염(108)을 냉각시켜서 연료 공급부(102)를 통해 원자로 용기(107)로 복귀시킨다. 용융 연료 염(108)은 용융 연료 염 입력부(111)를 통해 원자로 용기(107) 내로 유동하고 용융 연료 염 출력부(113)를 통해 원자로 용기(107) 밖으로 유동한다.
원자로 노심 섹션(106)은 용융 염 원자로에 사용하기에 적합한 임의의 재료로 형성될 수도 있는 원자로 용기(107)로 둘러싸인다. 예를 들어, 원자로 노심 섹션(106)의 대부분은 하나 이상의 몰리브덴 합금, 하나 이상의 지르코늄 합금(예를 들면 지르칼로이), 하나 이상의 니오븀 합금, 하나 이상의 니켈 합금(예를 들면 하 스텔로이 N) 또는 고온 스틸 및 기타 유사한 재료로 형성될 수도 있다. 원자로 노심 섹션(106)의 내부 표면(109)은 부식 및/또는 방사능 손상에 대한 내성을 제공하기 위해 하나 이상의 추가 재료로 코팅, 도금 또는 라이닝될 수도 있다.
원자로 노심 섹션(106)은 용융 연료 염(108)의 유동을 유지하도록 설계되며, 이러한 유동이 도 1에서와 같이 속이 빈 끝이 가는 화살표로 표시된다. 일 구현예에 있어서, 원자로 노심 섹션(106)을 에워싸는 원자로 용기(107)는 수직축 또는 Z축을 따라 절단될 때 원형 단면을 가질 (즉, XY 평면에서 원형 단면을 나타낼) 수도 있지만, 제한 없이 타원형 단면 및 다각형 단면을 포함하는 다른 단면 형상도 고려된다.
원자로 시동 운전의 일부로서, MSR 시스템(100)에는, 우라늄-233, 우라늄-235 또는 플루토늄-239와 같은 초기 용융 연료의 농축 연료 충전물이 로딩된다. 일 구현예에 있어서, 우라늄-235는 PuCl3, UCl4, UCl3 및/또는 UF6의 형태로 시동 염으로서 캐리어 염(carrier salt)(예를 들면, NaCl, NaF 등)과 함께 사용된다. 일례에서, 초기의 용융 염 혼합물은 12.5중량%의 농축 우라늄을 함유하지만, 다른 조성이 사용될 수도 있다. 초기의 용융 연료는 MSR 시스템(100)의 원자로 노심 섹션(106)을 통해 순환하며, 이것은 농축 우라늄의 열 중성자의 임계성(criticality) 또는 반응도(reactivity)에 의해 점화된다. 운전 중에, 초기의 용융 연료는 증식-및-연소 공정에 의해 그리고 한 가지 접근법에서 원자로 노심 섹션(106)의 반응도를 관리하기 위해 변하는 조성물 및 양으로 용융 연료 염을 추출 및 보충함으로써 증가될 수도 있다.
중성자 리플렉터 조립체(110)가 원자로 노심 섹션(106) 내의 핵분열 영역의 적어도 일부를 둘러싸도록, 원자로 노심 섹션(106)의 외부 또는 그 부근에 배치된다. 중성자 리플렉터 조립체(110)는 단일의 연속된 피스로서 설계될 수도 있고, 또는 이하에 보다 상세히 설명되는 바와 같이 복수의 분할된 리플렉터로 구성될 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체(110)는, 예를 들어, 지르코늄, 스틸, 철, 흑연, 베릴륨, 탄화 텅스텐, 납, 납-비스무트 등 중 하나 이상의 재료와 같이, 중성자 반사, 중성자 감속 및/또는 중성자 흡수에 적합한 임의의 재료로 형성될 수도 있고 및/또는 그러한 임의의 재료를 구비할 수도 있다.
다른 특징들 중에서도, 중성자 리플렉터 조립체(110)는 동적으로 증분 조정 가능한 반사도 특성에 따라 원자로 노심 섹션(106)으로부터 나오는 중성자를 용융 연료 염(108)으로 다시 반사시키는데 적합하다. 동적으로 증분 조정 가능한 반사도 특성의 한 유형은 중성자 반사, 즉 중성자가 리플렉터 핵과 충돌할 때 중성자의 탄성 산란이다. 충돌하는 중성자는, 그들이 도착할 때와 에너지가 거의 동일하지만 상이한 방향으로 산란된다. 이러한 방식으로, 고 비율의 고속 스펙트럼 중성자가 고속 스펙트럼 중성자로서 원자로 노심 섹션(106)으로 다시 반사될 수 있으며, 그 곳에서 중성자가 핵 원료 물질과 충돌하여 새로운 핵분열 물질을 증식시킬 수 있다. 따라서, 중성자 리플렉터 조립체(110)의 중성자 리플렉터 재료는 증식-및-연소 고속 원자로의 증식 동작을 향상시킬 수도 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 동적으로 조정 가능한 또 다른 반사도 특성은 중성자 감속, 즉 중성자가 감속재 핵과 충돌할 때 중성자의 비탄성 산란이다. 충돌하는 중성자는 그들이 도착할 때보다 에너지가 낮고 (예를 들어, 고속 스펙트럼 중성자가 열 스펙트럼 중성자로서 산란된다) 상이한 방향으로 산란된다. 이러한 방식으로, 고 비율의 고속 스펙트럼 중성자가 열 중성자로서 원자로 노심 섹션(106)으로 다시 반사될 수 있으며, 그 곳에서 중성자는 핵분열 물질과 충돌하여 핵분열 반응을 일으킬 수도 있다. 따라서, 중성자 리플렉터 조립체(110)의 중성자 감속재 물질은 증식-및-연소 고속 원자로의 번업(burn-up) 동작을 향상시킬 수도 있다.
부가적으로 또는 대안적으로, 또 다른 동적으로 조절 가능한 반사도 특성은 중성자 포획이라고도 알려진 중성자 흡수―원자 핵과 하나 이상의 중성자가 충돌하여 합체해서 더 무거운 핵을 형성하는 핵 반응―이다. 흡수된 중성자는 산란되지 않고, 베타 입자의 일부와 같이 나중에 방출되지 않는 한 합체된 핵의 일부로 남아 있다. 중성자 흡수는 0 또는 최소 반사의 반사도 특성을 제공한다. 이러한 방식으로, 원자로 노심에서 나오는 고속 및 열 중성자가 원자로 노심 섹션(106)으로 다시 산란되어 핵분열 또는 원료 물질과 충돌하는 것이 방지될 수도 있다. 따라서, 중성자 리플렉터 조립체(110) 내의 중성자 흡수 물질은 증식 및 연소 고속 원자로의 증식 동작 및 연소 동작을 감소시킬 수 있다.
중성자 리플렉터 조립체(110)의 중성자 반사도 특성에 대한 동적 제어는 원자로 노심 섹션(106)에서 원하는 반응도 레벨의 선택을 허용한다. 예를 들어, 용융 연료 염(108)은 원자로 노심 섹션(106) 내부를 임계로 유지하기 위해 최소 수준의 열 중성자 접촉을 필요로 한다. 동적 중성자 리플렉터 조립체(110)는 원자로 노심 섹션(106)의 내부에서 용융 연료 염(108) 내의 임계성을 유지하거나 임계성에 기여하기 위한 반사도 특성을 제공하도록 조정될 수도 있다. 다른 예로서, 핵분열률을 증가시키기 위해 원자로 노심 섹션(106)에서 중성자의 증가된 열중성자화를 유도하는 최대 출력으로 MSR 시스템(100)을 작동시키는 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, 동적 중성자 리플렉터 조립체(110)의 반사도 특성이 증가되어, 원자로 노심 섹션(106)에 대한 최대 출력을 나타내는 원하는 반응도 레벨에 도달할 때까지 감속을 더욱 더 제공할 수 있을 것이다.
대조적으로, MSR 시스템(100)은 증식-및-연소 원자로이기 때문에, 원자로의 수명주기 동안 다양한 지점에서 증식률을 동적으로 제어하는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 원자로의 수명주기의 초기에는, 원자로 노심 섹션(106)에서 핵분열 물질의 이용 가능성을 증가시키기 위해서 높은 증식률이 소망될 수도 있다. 따라서, 보다 많은 원료 물질을 핵분열 연료로 증식시키기 위해 고속 중성자의 원자로 노심 섹션(106) 내로의 증가된 반사를 제공하도록 동적 중성자 리플렉터(110)의 반사도 특성이 조정될 수도 있다. 보다 많은 고속 중성자가 시간이 지남에 따라 원자로 노심 섹션(106)으로 반사되기 때문에, 고속 중성자는 핵분열 물질의 원하는 농도에 도달했을 때까지 원료 물질을 핵분열 물질로 증식시킬 수도 있다. 원자로의 수명주기의 말기에 증가된 번업을 통해 증가된 동력을 제공하기 위해 번업을 증가시키는 것이 바람직할 수도 있다. 따라서, 원하는 연소율을 유지하기 위해 고속 중성자의 열 중성자로의 감속을 증가시키도록 동적 중성자 리플렉터 조립체(110)의 반사도 특성을 조정할 수도 있다.
이러한 방식으로, 동적 중성자 리플렉터 조립체(110)의 반사도 특성을 조정함으로써, 노심 반응도 및 연소에 대한 증식의 비율을 시간이 경과하면서 정확히 제어할 수도 있다. 예를 들어, MSR 시스템(100)의 운전자는 시간 경과에 따라 높고 일관된 연소 프로파일을 유지하기를 원할 수도 있다. 일부 구현예에 있어서, 원하는 연소 프로파일은 수년 또는 수십년에 걸친 기간과 같이 연장된 기간의 시간 동안 MSR 시스템(100)의 최대 연소율 근방에 유지되는 연소 프로파일이다. 이러한 연소 프로파일을 얻기 위해 동적 중성자 리플렉터 조립체(110)의 반사도 특성이 연장된 기간의 시간에 걸쳐 다양한 간격으로 선택될 수도 있다. 전술한 예에서와 같이, MSR 시스템(100)의 수명주기의 초기에, 핵분열 물질의 원하는 농도에 도달했을 때까지 원료 물질을 핵분열 물질로 증식하기 위해 보다 많은 고속 중성자를 원자로 노심 섹션(106)으로 반사하도록 반사성 특성을 선택할 수도 있다. 핵분열 물질의 농도에 적합한 증가된 열중성자화를 위해 반사도 특성이 다시 조정될 수도 있다. 시간이 지나면서, 핵분열 물질이 연소됨에 따라, 감속을 감소 및/또는 고속 중성자 반사를 증가시킴으로써 고속 중성자 반사를 통해 보다 많은 증식을 도입하도록 동적 중성자 리플렉터 조립체(110)의 반사도 특성을 다시 조정할 수도 있다. MSR 시스템(100)의 연소 프로파일이 높게 유지되고, 원료 물질이 MSR 시스템(100)에 연장된 기간 동안 연료를 공급하기에 충분한 비율로 핵분열 물질로 증식되도록 이러한 조정은 계속될 수도 있다.
도 2는 정적 중성자 영향 특성을 갖는 2 개의 다른 조립체 구성에 대한 하나 이상의 동적 리플렉터 조립체를 갖는 고속 스펙트럼 MSR의 시간에 대한 반응도의 플롯(200)이다. 플롯 선(202)은 원자로 노심을 둘러싸는 정적 납 중성자 리플렉터 조립체를 갖는 고속 스펙트럼 MSR 원자로에 대한 시간 경과에 따른 반응도를 도시하며, 여기에서 납 중성자 리플렉터 조립체는 고속 중성자를 원자로 노심 내로 탄성적으로 산란시키는 경향이 있다. 시간 T0 후에, 초기 연료 충전으로 원자로가 시동될 때, 고속 중성자가 원자로 노심으로 반사되는 것으로 인해, 원료 연료의 증식이 급속하게 발생될 수도 있다. T1 후에, 증식으로 인해, 연소를 위한 이용 가능한 핵분열 물질의 양이 증가됨에 따라 플롯 선(202) 상의 반응도가 시간 경과에 따라 점차 증가하여, T4 근처의 시간에서 최대에 도달한다. 핵분열 생성물과 중성자의 경쟁이 치열해지는 것으로 인해, 원자로 노심 내에 이미 존재하는 원료 연료가 핵분열 물질로 전환되거나 분열됨에 따라 번업이 증가하여, 시간 경과에 따라 증식이 더뎌질 수도 있다. 주기의 시작 근처에서는, 높은 연소율을 지원하기에 충분한 핵분열 물질을 증식시킬 정도로 고속 중성자가 연료 영역에 충분하지 않기 때문에, 플롯 선(202)이 시간의 경과에 따라 일정한 반응도 레벨을 나타내지 않는다. 시간이 지남에 따라, 보다 많은 고속 중성자가 원료 물질을 핵분열 물질로 증식시키고, 반응도는 증가하지만 원자로에서 수용가능한 최대 연소율 미만으로 유지된다. T5 둘레의, 기간의 종료 근방에서, 원료 물질의 공급이 감소하기 시작하면서 반응도가 국부적 최대에 도달해서 감소하기 시작한다.
플롯 선(204)은 정적 흑연 감속재 구성을 갖는 고속 MSR에 대한 시간 경과에 따른 반응도를 도시하며, 여기에서 감속 중성자 리플렉터 조립체는 열중성자화된 중성자를 원자로 노심에 공급하는 경향이 있다. 플롯 선(204)에서, 반응도는 시간 T0 근방에서, 핵분열의 확률을 증가시키는 흑연 감속재에 의해 야기된 열중성자화에 부분적으로 기인하여 플롯 선(202)보다 상대적으로 높은 레벨에서 시작한다. 플롯 선(204)은 시간 T0 근처에서 흑연 리플렉터에 인접한 열 스펙트럼 증배(thermal spectrum multiplication)으로 인해 현저하게 떨어질 수도 있다. 그런 다음 열 중성자가 원자로 노심 내에서 핵분열 연료를 연소함에 따라, 반응도는 시간 경과에 따라 대체로 선형 방식으로 점차적으로 감소할 수도 있다. 플롯 선(204)과 플롯 선(202)은 그 어느 플롯 선도 원자로 노심 내에서 달성 가능한 최대화된 연소율에 도달하거나 그 연소율을 유지하지 않는다는 점에서 서로 유사하다. 기간(T0-T5)을 통해 시간이 경과함에 따라 연소율을 유지할 수 있을 만큼 충분히 증식률을 유지하기에는 고속 중성자가 충분하지 않기 때문에, 플롯 선(204)이 원자로의 최대 연소율에 도달하지 못한다. 플롯 선(202, 204)에서, 연소율은 시간 주기 T0-T5 에 걸쳐 최적화되지 않는다. 대신, 각 플롯은 그래프의 코스에 걸쳐서 상대적으로 높은 연소율의 기간과 상대적으로 낮은 연소율의 기간을 갖는다.
플롯 선(202 및 204)은 플롯 선(206)과 대조적으로 도시된다. 플롯 선(206)은 동적 중성자 리플렉터 조립체를 갖는 고속 MSR 시스템에 대한 시간 경과에 따른 반응도를 도시하는 것으로서, 높은 감속재 구성으로 시작하여 높은 리플렉터 구성으로 변화되고, 그 후 원자로 노심 내의 원하는 반응도 조건을 달성하도록 동적으로 제어된다. 플롯 선(206) 상의 시간 경과에 따른 반응도는, 시간 To 주위에서 초기 연료 충전물이 로딩된 후 비교적 높게 시작하고, 중성자의 중성자화 및 반사의 동적으로 제어 가능한 성질로 인해 높게 유지된다. 시간 To 주위에서, 중성자 리플렉터 조립체의 물질 조성은 그 시간에 연료 영역에서 이용 가능한 핵분열 물질의 농도와 상관되는 감속률로 조정된다. 번업이 진행됨에 따라, 중성자 리플렉터 조립체의 물질 조성은 고속 중성자 반사를 증가시키고, 새롭게 증식된 핵분열 물질을 연료 영역에 계속 공급하도록 감속을 감소시키며, 동시에 연료 영역 내의 현재의 조건과 일치시키기 위해서 적절한 양의 열중성자화를 유지시킨다. 조정은 연속적으로 또는 일괄 처리(batch process)로 수행될 수도 있으며, 시간 경과에 따라 T5를 향해 계속 진행될 수도 있다. 이러한 동적 중성자 리플렉터 조립체 조정의 효과는 전체 기간 T0-T5 에 걸쳐 상대적으로 안정하고 높은 반응도 비율을 유지하는 것으로서, 이것이, 플롯 선(202, 204)으로 각각 나타내는 것과 같은 정적 감속재 및 중성자 리플렉터로는 실현 가능하지 않다. 그럼에도 불구하고, 동일한 동적 중성자 리플렉터 조립체를 사용하여 다른 방식으로 반응도를 제어(예를 들어, 반응도를 감소시키는 등)할 수도 있다.
또한, 중성자 리플렉터 조립체 내에 중성자 흡수체를 포함시키면 원자로 노심 내의 반응도에 영향을 미칠 수도 있다는 것에 주목해야 한다. 중성자 리플렉터 조립체 내에서 중성자 리플렉터, 감속재 및 흡수체 재료 사이의 동적 조정은 정적 중성자 리플렉터 조립체 단독보다 더 풍부한 제어 옵션을 제공할 수 있다.
도 3은 MSR 노심(301)을 둘러싸는 분할된 동적 중성자 리플렉터 조립체(300)의 개략도이다. MSR 노심(301)은 연료 공급부(308) 및 연료 출구(310)를 구비한다. 연료 출구(310)는 용융 연료 염을 원자로 용기(303)로부터 1 차 냉각제 루프를 통해 외부 열 교환기(도시되지 않음)로 유동시키고, 외부 열 교환기는 (예를 들어, 증기 터빈에서 사용하기 위해) 열을 추출하고 용융 연료 염을 냉각시키서 연료 공급부(308)를 통해 원자로 용기(303)로 복귀시킨다. 용융 연료 염은 용융 연료 염 입력부(312)를 통해 원자로 용기(303) 내로 유동하고 용융 연료 염 출력부(314)를 통해 원자로 용기(303) 밖으로 유동한다.
분할된 동적 중성자 리플렉터(300)는 MSR 노심(301)을 부분적으로 또는 실질적으로 둘러쌀 수도 있다. 예를 들어, 세그먼트들(302, 304, 306) 사이에 간극이 있을 수도 있고 또는 세그먼트들(302, 304, 306)이 MSR 노심을 연속적으로 에워쌀 수도 있다. 동적 리플렉터 조립체(300)의 3개의 세그먼트가 도 3에 도시되어 있지만, 동적 리플렉터 조립체가 임의의 수의 세그먼트를 포함할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 동적 리플렉터 조립체(300)의 세그먼트들은 노심을 반경방향으로 완전히 또는 부분적으로 에워싸는 것에 의해 노심을 둘러쌀 수도 있다. 동적 리플렉터 조립체(300)의 세그먼트들은 반경방향 리플렉터 세그먼트와 함께 또는 대신하여 원자로 노심 위 및/또는 아래에 선택적으로 위치될 수도 있다.
어떤 경우에는 분할된 동적 중성자 리플렉터가 중단되지 않는 또는 완전히 연속적인 방식으로 원자로 노심을 둘러싸는 것이 가능하지 않을 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 고속 MSR 노심(301) 주위에 입력/출력 파이핑, 전력 공급 도관, 데이터 도관 및/또는 다른 계장, 제어부 및 지지 하드웨어와 같은 지지 요소와 함께 각종 구조체 및 기구를 배치하는 것이 적절할 수도 있다. 이러한 구조체 및 기구는 동적 리플렉터 조립체(300)의 세그먼트가 접근을 수용하도록 성형되거나 위치될 필요가 있을 수도 있도록 원자로 노심에 직접 또는 간접적으로 접근하는 것이 필요할 수도 있다. 따라서, 일부 구현예에 있어서, 세그먼트들 또는 구조물들 사이에 간극을 허용하는 것이 적절할 수도 있는데, 여기에서는 원자로 노심을 둘러싸는 영역의 일부분이 동적 리플렉터 조립체(300)의 세그먼트에 의해 덮이지 않는다.
동적 리플렉터 조립체(300)의 일부 또는 각각의 세그먼트(302, 304, 306)는 유동하는 리플렉터 재료를 인도하기 위해 하나 이상의 채널(도 3에 도시되지 않음)을 포함할 수도 있다. 이 출원에서 사용된 바와 같이, 채널이라는 용어는 관형 밀폐된 통로 뿐만 아니라 리플렉터 재료를 유동시키는데 적합한 임의의 체적을 지칭한다. 유동하는 리플렉터 재료는 반드시 유체일 필요는 없지만, 조립체를 통해 순환하거나 유동할 수 있는 물질을 포함할 수도 있어, 이로부터 리플렉터 재료를 선택적으로 제거하거나 또는 추가하는 것이 가능하다. 적절한 중성자 리플렉터 재료의 예로는 유체, 부유 미립자의 슬러리 및/또는 분말과 같은 고체, 및/또는 탄소 페블과 같은 페블(pebble) 등을 들 수 있다. 세그먼트(302, 304, 306)는, 유동하는 리플렉터 재료를 예를 들어 각각의 세그먼트의 주변을 따라 하방으로 흐르는 것과 같이 제 1 방향으로 안내하기 위한 하나 이상의 제 1 채널과, 유동하는 리플렉터 재료를 동적 중성자 리플렉터 조립체(300)의 상부까지 역으로 흐르는 것과 같이 제 2 방향으로 안내하기 위한 하나 이상의 제 2 채널을 포함할 수도 있다. 다양한 리플렉터 세그먼트의 채널은, 유동하는 중성자 리플렉터 재료가 세그먼트들 사이에서 흐르도록 유동적으로 커플링될 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 리플렉터 세그먼트는, 유동하는 리플렉터 재료가 단일 세그먼트만의 안으로 또는 밖으로 흐르도록 서로 유체적으로 분리될 수도 있다.
일 구현예에 있어서, 리플렉터 세그먼트 내의 하나 이상의 유체 채널은 냉각제로서 작용하는 열 교환기 및/또는 용융 연료 염과 열적으로 연통 상태에 있을 수도 있다. 따라서, 유동하는 리플렉터 재료는 용융 연료 염과 열을 교환하고, 열을 열 교환기를 통해 2차 냉각제 회로로 전달하여, 열을 원자로로부터 터빈 또는 다른 발전 장치로 공급할 수도 있다. 유동하는 리플렉터 재료가 1 차 냉각 회로 및/또는 2 차 냉각 회로를 통해 원자로 노심과 열을 교환할 때, 유동하는 리플렉터 재료 온도는 변동될 수도 있다. 유동하는 리플렉터 재료의 온도가 변동하기 때문에 그것의 밀도가 변할 수도 있다. 예를 들어, 일 구현예에 있어서, 유동하는 리플렉터 재료는 용융된 납-비스무트이며, 용융된 납-비스무트는 보다 낮은 온도에서 보다 높은 밀도를 경험할 것이다. 용융된 납-비스무트의 온도가 낮아지고 그것의 밀도가 높아지면, 납-비스무트의 단위 체적 당 분자 수가 증가할 것이다. 단위 체적당 분자 수가 증가(즉,보다 높은 밀도)함에 따라, 원자로 노심으로부터 방출되는 고속 스펙트럼 중성자를 반사시킬 가능성이 증가하고, 따라서 재료의 체적의 변화 없이 유동하는 리플렉터 재료의 유효 반사도가 증가된다. 다른 구현예에 있어서, 유동하는 리플렉터 재료의 밀도는, (비반사성 물질 미립자, 유체 가스 기포 등과 같은) 비반사성 물질을 유동하는 리플렉터 재료 내로 도입함으로써 조정될 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 유동하는 리플렉터 재료의 밀도는, 유동하는 리플렉터 재료를 저밀도 증기 상으로 기화시키도록 환경 특성을 조정함으로써 조정될 수도 있다. 이러한 방식으로, 동적 중성자 리플렉터 조립체의 물질 조성이 변경될 수도 있고, 그에 따라 그의 반사도가 변경될 수도 있다.
도 4는 스필오버 저장조(408)가 구비된 동적인 유동하는 중성자 리플렉터 조립체(406)를 갖는 MSR 시스템(400)을 도시한다. 용융 연료 염(402)은 내부 중앙 원자로 노심에서의 핵분열 반응에 의해 가열됨에 따라 상류 방향으로 흐르고, 원자로 용기(401)의 내주 주위에서 냉각됨에 따라 하방으로 흐른다. 도 4에 있어서, 끝의 속이 빈 화살표는 MSR 시스템(400)을 통한 용융 연료 염의 유동을 나타낸다. 용융 연료의 구성 성분은 고속 연료 순환 흐름(예를 들어, 초당 하나의 완전한 순환 루프)에 의해 잘 혼합될 수도 있다. 일 구현예에 있어서는, 하나 이상의 열 교환기(404)가 원자로 용기(401)의 내부 주위에 위치하여 용융 연료 유동으로부터 열을 추출하여 하방 유동을 추가로 냉각시키지만, 원자로 용기(401) 외부에 열 교환기들이 부가적으로 또는 대안적으로 배치될 수도 있다.
MSR 시스템(400)은 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)를 포함한다. MSR 시스템(400)의 작동 온도는 다양한 적절한 중성자 리플렉터 재료를 액화시킬 수 있을 만큼 충분히 높을 수도 있다. 예를 들어, 납 및 납-비스무트는 원자로의 작동 범위 내의 온도인 각각 대략 327℃ 및 200℃에서 용융한다. 일 구현예에 있어서, 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 선택된 중성자 리플렉터 재료(예를 들어, 납, 납-비스무트 등)의 유동 및/또는 순환하는 유체 상을 수용하도록 구성된다. 도 4에 있어서, 끝의 속이 찬 화살표는 중성자 리플렉터 재료의 흐름을 나타낸다. 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 임의의 적절한 온도, 및 하나 이상의 니켈 합금, 몰리브덴 합금(예를 들면 TZM 합금), 텅스텐 합금, 탄탈 합금, 니오븀 합금, 레늄 합금, 탄화 규소, 또는 하나 이상의 다른 탄화물을 제한 없이 포함하는 하나 이상의 내화성 합금과 같은 방사선 저항성 재료로 형성될 수도 있다, 일 구현예에 있어서, 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 원자로 노심 섹션의 외부 표면 상에 배치되고, 이를 가로 질러 분포된다. 일 구현예에 있어서, 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 도 3을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 분할될 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 원자로 노심 섹션의 외부 표면을 가로 질러 반경방향으로 배치된다. 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 원자로 노심 섹션 주위에 연속적인 체적의 중성자 리플렉터 재료를 형성하도록 배열될 수도 있다. 임의의 기하학적 구조 및 개수의 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)가 본 명세서에 기재된 기술에 적합하다. 예를 들어, 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 스택된 링 구성으로 배열될 수도 있으며, 각각의 모듈이 중성자 리플렉터 재료의 흐름으로 채워져 원자로 노심 섹션 주위에 원통형 중성자 반사 체적을 형성한다. 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)는 또한 원자로 노심 섹션의 위와 아래에 배치될 수도 있다.
동적 중성자 리플렉터 조립체(406)의 조성은 예를 들어 리플렉터(406) 내에서 유동하는 리플렉터 재료의 체적을 조정하는 것 등을 함으로써 반사도 특성을 변경하도록 조정될 수도 있다. 리플렉터(406)에서 유동하는 리플렉터 재료의 체적을 조절하는 한가지 방법은 재료를 동적 리플렉터(406) 내로 또는 동적 리플렉터(406)로부터 배관 조립체(410) 및 펌프(414)를 통해 스필오버 저장조(408) 내로 펌핑하는 것이다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 체적을 감소시키고 그에 따라 리플렉터(406)의 반사도 특성을 감소시키기 위해, 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 일부는 배관 조립체(410)를 통해 스필오버 저장조(408) 내로 펌핑되거나 변위될 수도 있다. 밸브(412) 및 펌프(414)는 협력하여, 배관 조립체(410)를 통해, 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 흐름을 조절할 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터의 체적을 증가시키기 위해, 밸브(412)와 펌프(414)는 협력하여, 유동하는 중성자 리플렉터 재료를 오버플로우 탱크(408)로부터 배관 조립체(410)를 통해 리플렉터(406)로 역으로 흐르게 할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)의 반사도는 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 온도를 조절하고 그에 따라서 밀도를 조절함으로써 조정될 수도 있다. 보다 밀한 재료는 단위 체적 당 질량이 더 높기 때문에, 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 밀도를 변화시키면 그것의 중성자 반사도 특성이 변경된다. 보다 밀한 재료는 단위 체적 당 더 많은 분자를 포함할 것이다. 보다 밀한 재료를 통해 이동하는 임의의 중성자는, 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 분자를 타격하여 반사될 가능성이 높을 것이기 때문에, 보다 밀한 재료는 중성자를 반사할 가능성이 더 크다. 펌프(414) 및 밸브(412)는 협력하여, 동적 중성자 리플렉터(406) 안으로의 또는 밖으로의 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 유속을 증가 또는 감소시킴으로써, 반사된 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 온도를 조절할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 스필오버 저장조(408)는 폐회로 루프와 같은 다른 구성으로 대체될 수도 있다.
MSR 시스템(400)은 유동하는 중성자 리플렉터 재료 세정 조립체(416)를 포함할 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료 세정 조립체(416)는 배관 조립체(410)와 유체 연통하고 있으며, 밸브(412) 및 펌프(414)의 어느 한 쪽에 위치할 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료 세정 조립체(416)는 중성자 리플렉터 재료의 화학적 성질을 여과 및/또는 제어할 수도 있다. 예를 들어, 유동하는 중성자 리플렉터 세정 조립체(416)는 산소, 아질산염 및 다른 불순물을 중성자 리플렉터 재료로부터 제거할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 세정 조립체(416) 내의 지르콘 아질산염 코팅은 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 화학적 성질을 제어하도록 구성된다. 다른 구현예에 있어서, 유동하는 중성자 리플렉터 세정 조립체(416)는, 유동하는 중성자 리플렉터 세정 조립체(416)가 산소를 산화물 재료로서 포획하는 "슬래깅(slagging)" 기술을 수행할 수도 있다. 산화물 재료가 용융되면, 그것은 상분리될 수도 있고, 유동하는 중성자 리플렉터 세정 조립체(416)는 예를 들어 산화물 재료를 스크레이핑함으로써 중성자 리플렉터 재료로부터 산화물 재료를 제거할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 유동하는 중성자 리플렉터 세정 조립체(416)는 중성자 리플렉터 재료의 수소 처리를 하여 그 안에 함유된 산소를 제거하도록 구성된다.
동적 중성자 리플렉터(406)의 조성은 또한 유동하는 감속재 재료를 도입함으로써 조정될 수도 있다. 유동하는 감속재 재료는 예비 탱크(도시하지 않음)에 보유될 수도 있고, 유체 감속재 예비 탱크와 유체 연통하고 있는 배관 조립체(410) 및 펌프(414)를 통해 동적 중성자 리플렉터(406) 내로 도입될 수도 있다. 유동하는 감속재 재료는 동적 리플렉터(406) 내에서 순환할 수도 있고, 펌프(414)에 의해 배관 조립체(410)를 통해 예비 탱크 내로 제거될 수도 있다. 일 구현예에 있어서는, 물 또는 중수가 동적 중성자 리플렉터(406) 내의 유동하는 감속재 액체로서 사용될 수도 있다. 다른 구현예에 있어서는, 베릴륨이 동적 중성자 리플렉터(406) 내의 유동하는 감속재 재료로서 사용될 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서는, LiF-BeF2가 동적 중성자 리플렉터(406) 및/또는 연료 염 자체 내의 유동하는 감속재 재료로서 사용될 수도 있다. 펌프(414)는 유동하는 감속재 액체 및/또는 유동하는 중성자 리플렉터 재료를 동적 리플렉터(406)의 내부 및 외부로 연속적으로 및/또는 일괄 처리로 펌핑할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 중성자 흡수 재료는 또한 개별적으로, 또는 중성자 리플렉터 재료 및 중성자 감속재 재료의 다양한 조성 및/또는 구성과의 조합으로 동적 중성자 리플렉터 조립체(406)에 도입될 수도 있다.
도 5는 유동하는 중성자 리플렉터 재료를 관통시켜 안내하는 복수의 내화성 클래드 슬리브(502)를 갖는 동적 중성자 리플렉터 조립체(500)의 하향식 개략도이다. 일 구현예에 있어서, 유동하는 중성자 리플렉터 조립체(500)는 고속 스펙트럼 중성자(506)가 방출되는 핵연료 영역(504)을 실질적으로 둘러싸고 있다. 도 5에 있어서는, 고속 스펙트럼 중성자(506)의 예시적인 경로가 선(508)과 같이 이중 화살표로 끝나는 선으로 표시된다. 예시적인 고속 스펙트럼 중성자(506)는 유동하는 리플렉터 재료로부터 비탄성적으로 산란되어 (또는 반사되어) 다시 핵연료 영역(504)으로 되돌아 간다. 도 5의 리플렉터 구성은 각 채널(502)을 중성자 리플렉터 재료의 체적으로 선택적으로 채움으로써 핵연료 영역(504) 내의 중성자 스펙트럼을 증분적으로 시프트시키는데 사용될 수도 있다.
도 5에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 내화성 클래드 채널(502)을 통해 검사관(viewer)를 향해 상방으로 유동한다. 일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 핵연료 영역(504) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(502)(예를 들어, 셀, 슬리브, 도관 등) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 핵연료 영역(504) 위의 하나의 포트 및 핵연료 영역(504) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(502)을 통해 상향 또는 하향 방향 중 어느 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 채널(502)을 통한 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 반경방향 입력 및 출력 포트를 통해 유동할 수도 있다.
동적 중성자 리플렉터 조립체(500)는 핵연료 영역(504)과 반대쪽에 배치된 열 교환기(510)와 열적으로 연통하고 있다. 열 교환기(510)는 그것을 통해 순환하는 하나 이상의 유형의 액체 냉각제를 수용할 수도 있다. 중성자 리플렉터(500)가 열 교환기(510)와 열을 교환할 때, 열 교환기(510)는 2 차 냉각제 회로의 일부로서 동적 중성자 리플렉터 조립체(500)로부터 멀리 열을 전달할 수도 있다. 2 차 냉각제 회로는 예를 들어 증기 구동 터빈과 같은 발전 설비에 열을 공급할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 용융 연료 염은 핵연료 영역(504)을 통해 상방으로 그리고 열 교환기(510)를 통해 하방으로 흘러서, 1 차 냉각제 회로의 일부로서 열을 교환할 수도 있다. 환언하면, 열 교환기는 용융 연료 염 모두와 열을 교환하고 채널(502) 내의 유동하는 중성자 리플렉터와 열을 교환할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료의 유속을 조정하여, 열 교환기와의 접촉 시간을 변화시킴으로써, 채널(502) 내에서 흐르는 리플렉터 재료의 온도를 변화시킬 수도 있다. 리플렉터 재료의 온도가 변함에 따라 리플렉터 재료의 밀도도 그에 맞춰 변화된다. 보다 밀한 재료는 단위 체적 당 질량이 더 높고 그에 따라서 중성자를 더 많이 반사할 가능성이 높기 때문에 리플렉터 재료의 밀도가 변화되면 그것의 중성자 반사도 특성이 변경된다. 채널(502)은 정사각형, 직사각형, 라운드형, 원형, 다각형 등을 제한 없이 포함한 기하학적 형상으로 형성될 수도 있다.
도 6은 유동하는 중성자 리플렉터 재료를 안내하는 복수의 슬리브(602), 및 복수의 슬리브(604)를 갖는 동적 중성자 리플렉터 조립체(600)의 하향식 개략도로서, 얼마나 많은 어떤 슬리브(602)가 중성자 감속 부재(606)를 수용할 수 있는지에 관해 임의의 원하는 구성으로 슬리브(602, 604)에 선택적으로 삽입된 중성자 감속 부재(606)를 포함한다. 동적 중성자 리플렉터 조립체(600)는 고속 스펙트럼 중성자(610)가 방출되는 연료 영역(608)을 실질적으로 둘러싸고 있다. 도 6에서, 선(612)과 같이 이중 화살표로 끝나는 선은 고속 스펙트럼 중성자를 나타낸다. 삽입시, 중성자 감속 부재(606)는 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 체적을 변위시켜, 동적 중성자 리플렉터 조립체(600)의 중성자 반사도 특성을 변경시킨다. 동적 중성자 리플렉터 조립체(600)가 중성자 반사 및 중성자 감속 재료를 포함하기 때문에, 고속 스펙트럼 중성자 중 일부는 연료 영역(608)으로 다시 반사되고, 다른 고속 스펙트럼 중성자(610)는 중성자 감속 부재(606)를 타격하여 열 중성자로 변환된다.
도 6에서, 열 중성자의 예시적인 경로는 선(614)과 같이 단일 화살표로 끝나는 선으로 표시된다. 고속 스펙트럼 중성자의 예시적인 경로는 이중 화살표로 끝나는 선으로 표시된다. 동적 리플렉터 조립체(600)가 고속 스펙트럼 중성자를 열 중성자로 변환함에 따라, 열 중성자가 채널(602, 604) 내의 유동하는 중성자 리플렉터 재료에 의해 연료 영역(608)으로 다시 반사될 수도 있고, 또는 동적 리플렉터(600) 뒤에 배치된 다른 중성자 리플렉터(도시하지 않음)에 의해 반사될 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 체적 중 일부를 변위시킴으로써, 리플렉터(600)의 전체 반사도 특성이 변화되고, 그에 따라 중성자 감속형 체적 변위 부재(606)가 없는 구성과 비교하여 고속 스펙트럼 중성자의 반사 감소로 인해 연료 영역(608)의 증식률이 감소된다. 도 6에 도시된 변위 부재 구성은, 또한, 변위 부재가 없는 구성에 비해 열 스펙트럼 중성자에 있어서의 증가로 인해 연료 영역(608)의 연소율을 증가시킨다. 중성자 감속형 체적 변위 부재(606)를 리플렉터(600) 내로 선택적으로 삽입함으로써, 연료 영역(608) 내에서 중성자 스펙트럼 뿐만 아니라 증식률 및 연소율도 동적으로 조정될 수도 있다. 체적 변위 부재(606)는 정사각형, 라운드형, 직사각형, 원형, 다각형 등을 제한 없이 포함하는 기하학적 형태로 형성될 수도 있다.
일 실시형태에 있어서, 리플렉터(600)의 전체 반사도 특성은 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 채널(602, 604) 중 하나 이상을 배수시킴으로써 변경되어, 하나 이상의 채널(602, 604)에 빈 공간을 남긴다. 연료 염 및/또는 2 차 냉각제와의 열적 연통을 제공함으로써 능동 냉각이 리플렉터(600)에 제공될 수 있다.
도 6에 있어서, 채널(602) 내에서 유동하는 중성자 리플렉터 재료는 검사관을 향해 상방으로 유동한다. 일 구현예에 있어서, 채널(602) 내에서 유동하는 중성자 리플렉터 재료는, 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 연료 영역(608) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(602) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 채널(602) 내에서 유동하는 중성자 리플렉터 재료는 연료 영역(608) 위의 하나의 포트 및 연료 영역(608) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(602)을 통해 상향 또는 하향 중 어느 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 채널(602)을 통해 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 반경 방향 입력 및 출력 포트를 통해 유동할 수도 있다.
열 교환기(614)는 연료 영역(608)으로부터의 열을 교환하기 위해 동적 리플렉터 조립체(600)와 열적으로 연통할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기(614)는 연료 영역(608)으로부터 동적 리플렉터 조립체(600)의 대향 측부 상에 인접하여 배치된다. 중성자 리플렉터 재료가 동적 리플렉터 조립체(600)의 슬리브를 통해 유동함에 따라, 연료 영역(608)에서 나오는 열을 열 교환기(614)로 전달하여 2 차 냉각제 회로를 형성할 수도 있다. 2 차 냉각제 회로는 배관으로 형성된 하나 이상의 2 차 냉각제 루프를 포함할 수도 있다. 2 차 냉각제 회로는 용융 연료 염 원자로에서의 구현에 적합한 당해 분야에 공지된 임의의 2 차 냉각제 시스템 구조물을 포함할 수도 있다. 2 차 냉각제 시스템은 원자로 노심에 의해 발생되고 열 교환기(614)에 의해 수용된 열을 하류의 열적으로 구동되는 발전 장치 및 시스템으로 전달하기 위해 하나 이상의 2 차 냉각제 루프의 하나 이상의 파이프 및/또는 유체 전달 조립체를 통해 2 차 냉각제를 순환시킬 수도 있다. 2 차 냉각제 시스템은 2 차 냉각제 회로를 통해 2 차 냉각제의 선택된 부분을 각각 운반하는 다수의 평행한 2 차 냉각제 루프(예를 들어, 2 내지 5 개의 평행한 루프)를 포함할 수도 있다. 2 차 냉각제는 액체 나트륨을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
일 구현예에 있어서, 열 교환기(614)는 중성자가 열 교환기(614)와 상호 작용하여 열 교환기(614)에 방사선 손상을 입히기 전에 연료 영역(608)으로부터 나오는 중성자를 포획하기 위해 유해물질 또는 중성자 흡수체로서 유효한 하나 이상의 재료로 보호된다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기(614)는 유해물질 또는 중성자 흡수체로서 유효한 하나 이상의 재료를 포함한다. 또 다른 구현예에 있어서, 유해물질 또는 중성자 흡수체로서 유효한 하나 이상의 재료가 동적 리플렉터 조립체(600)에 포함된다.
도 7은 중성자 리플렉터 조립체(700)로 둘러싸인 연료 영역(702)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다. 중성자 리플렉터 조립체(700)는 채널(712)을 통해 유동하는 중성자 리플렉터 재료(704)를 포함한다. 도 7에서, 중성자 리플렉터 재료(704)는 검사관을 향해서 상향 유동한다. 일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(704)는, 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 연료 영역(702) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(712) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(704)는 연료 영역(702) 위의 하나의 포트 및 연료 영역(702) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(712)을 통해 상향 또는 하향 중 어느 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(704)는 채널(712)을 통해 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(704)는 열 교환기들(706) 사이에 배치된 반경방향 입력 및 출력 포트를 통해 흐를 수도 있다.
유동하는 동적 중성자 리플렉터 재료(704)는 열 교환기(706)와 열적으로 연통한다. 열 교환기(706)는 이를 통해 순환하는 하나 이상의 유형의 액체 냉각제를 포함할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(704)가 열 교환기(706)와 열을 교환함에 따라, 열 교환기(706)는 2 차 냉각 회로의 일부로서 중성자 리플렉터 조립체(700)로부터 열을 전달할 수도 있다. 2 차 냉각제 회로는 예를 들어 증기 구동 터빈과 같은 발전 설비에 열을 공급할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 용융 연료 염은 연료 영역(702)을 통해 상방으로 그리고 열 교환기(706)를 통해 하방으로 흘러서, 1 차 냉각제 회로의 일부로서 열을 교환할 수도 있다. 환언하면, 열 교환기(706)는 용융 연료 염과 열을 교환하고, 유동하는 중성자 리플렉터 재료(704)와 열을 교환할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(704)의 유속을 조정하여 열 교환기(706)와의 접촉 시간을 변화시킴으로써 중성자 리플렉터 재료(704)의 온도를 변화시킬 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(704)의 온도가 변함에 따라, 그 밀도도 그에 맞춰 변화된다. 보다 밀한 재료는 단위 체적당 질량이 높고 따라서 중성자를 잘 반사할 것이기 때문에, 중성자 리플렉터 재료(704)의 밀도가 변화되면 그의 중성자 반사도 특성이 변경된다.
도 7은 연료 영역(702)으로부터 방출되는 예시적인 고속 중성자(710)를 도시한다. 고속 중성자는 이중 화살표로 끝나는 선으로 표시된다. 예시적인 고속 중성자(710)는 연료 영역(702)로부터 출발하며 중성자 리플렉터 재료(704)에 의해 반사되어 연료 영역(702)으로 다시 이동할 수도 있다. 연료 영역(702)으로 다시 반사된 예시적인 고속 중성자(710)는 원료 물질과 접촉시 연료 영역(702) 내의 핵분열 물질을 증가시킬 수도 있다. 유사하게, 도 7은 예시적인 열 중성자(714)를 도시한다. 예시적인 열 중성자(714)는 단일 화살표로 끝나는 선으로 표시된다. 예시적인 열 중성자(714)는 중성자 리플렉터 재료(704)에 의해 반사되어 연료 영역(702)으로 다시 이동할 수도 있다. 연료 영역(702)으로 반사된 예시적인 열 중성자는 연료 영역(702)에 위치한 핵분열 물질과 접촉할 때 연료 영역(702) 내의 반응도를 증가시킬 수도 있다.
도 8은 열 교환기(806)와 열적으로 연통하는 중성자 리플렉터 재료(804)를 갖는 중성자 리플렉터 조립체(800)로 둘러싸인 연료 영역(802)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다. 도 8에서, 중성자 리플렉터 재료(804)는 검사관을 향해 상방으로 유동한다. 일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(804)은, 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 연료 영역(802) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(808) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(804)는 연료 영역(802) 위의 하나의 포트 및 연료 영역(802) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(808)을 통해 상향 또는 하향 중 어느 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(804)는 채널(808)을 통해 반정체 또는 서시히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(804)는 열 교환기들(806) 사이에 배치된 반경방향 입력 및 출력 포트를 통해 유동할 수도 있다.
유동하는 중성자 리플렉터(804)는 열 교환기(806)와 열적으로 연통한다. 열 교환기(806)는 이를 통해 순환하는 하나 이상의 유형의 액체 냉각제를 수용할 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(804)가 열 교환기(806)와 열을 교환함에 따라, 열 교환기(806)가 2 차 냉각제 회로의 일부로서 중성자 리플렉터 조립체(800)로부터 열을 이송할 수도 있다. 2 차 냉각제 회로는 예를 들어 증기 구동 터빈과 같은 발전 설비에 열을 공급할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 용융 연료 염은 연료 영역(802)을 통해 상방으로 그리고 열 교환기(806)를 통해 하방으로 흘러서, 1 차 냉각제 회로의 일부로서 열을 교환할 수도 있다. 환언하면, 열 교환기(806)는 용융 연료 염과 열을 교환하고 유동하는 중성자 리플렉터 재료(804)와 열을 교환할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(804)의 유속을 조정하여, 열 교환기(806)와의 접촉 시간을 변화시킴으로써 중성자 리플렉터 재료(804)의 온도를 변화시킬 수도 있다.
리플렉터 조립체(800)는 유체 채널(808) 내로 삽입된 중성자 감속형 체적 변위 부재(812)를 포함한다. 감속 부재(812)의 삽입시, 채널 내의 반사 액체(804)의 체적이 감소된다. 체적의 감소로, 채널 내의 잔류 중성자 리플렉터 재료(804)는 변경된 중성자 반사도 특성을 가지며, 따라서 감속 부재(812)가 삽입되기 전보다 어쩌면 중성자를 덜 반사할 것이다. 연료 영역(802)을 둘러싸는 영역에서 감속 부재(812)가 존재하면, 예를 들어, 열중성자화된 중성자(810)와 같이 중성자의 열중성자화를 보다 보다 쉽게 일으킬 수도 있을 것이다. 증가된 열중성자화는 연료 영역(802)에서 핵분열 물질의 번업을 연소를 증가시키는 경향이 있을 것이다.
감속형 체적 변위 부재(812)는 채널(808) 내에 단독으로 또는 임의의 복수의 부재로 삽입될 수도 있다. 감속형 체적 변위 부재(812)는 원통 형상, 정사각형 또는 직사각형 프리즘 형상, 삼각형 프리즘 형상, 다각형 프리즘 형상 등을 취할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 감속형 체적 변위 부재(812)는 한 세트의 부재(도시되지 않음)를 포함할 수도 있다. 채널(808) 당 감속형 체적 변위 부재(812)의 수 및 기하학적 형상의 선택은 채널(808) 내에서 리플렉터 재료에 대한 감속 재료의 비율을 결정할 것이다. 감속형 체적 변위 부재(812)를 선택적으로 삽입하면 연료 영역(802)에서의 증식률 및 반응도를 조정할 수 있게 되고 원하는 번업 레벨을 유지하는 것도 가능해진다. 일 구현예에 있어서, 적어도 하나의 서브세트의 감속형 체적 변위 부재(812)를 선택적으로 삽입 및 제거하는 것에 의해서 번업률이 원하는 상한 및 하한 내에서 유지된다.
도 9는 채널(908)을 통해 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)를 갖는 중성자 리플렉터 조립체(900)로 둘러싸인 연료 영역(902)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다. 도 9에서, 중성자 리플렉터 재료(904)는 검사관을 향해 상방으로 유동한다. 일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(904)는, 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 연료 영역(902)의 상부에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(908) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 액체 중성자 리플렉터 재료(904)는 연료 영역(902) 위의 하나의 포트 및 연료 영역(902) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(908)을 통해 상향 또는 하향 중 어느 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 액체 중성자 리플렉터 재료(904)는 채널(908)을 통해 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 액체 중성자 리플렉터 재료(904)는 열 교환기들(914) 사이에 배치된 반경 방향 입력 및 출력 포트를 통해 유동할 수도 있다.
유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)는 열 교환기(914)와 열적으로 연통한다. 열 교환기(914)는 이를 통해 순환하는 하나 이상의 유형의 액체 냉각제를 수용할 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)가 열 교환기(914)와 열을 교환함에 따라, 열 교환기(914)는 2 차 냉각제 회로의 일부로서 중성자 리플렉터 조립체(900)로부터 열을 이송할 수도 있다. 2 차 냉각제 회로는 예를 들어 증기 구동 터빈과 같은 발전 설비에 열을 공급할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 용융 연료 염은 연료 영역(902)을 통해 상방으로 그리고 열 교환기(914)를 통해 하방으로 흘러서, 1 차 냉각제 회로의 일부로서 열을 교환할 수도 있다. 환언하면, 열 교환기(914)는 용융 연료 염의 모두와 열을 교환하고 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)와 열을 교환할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(904)의 유속을 조정하여, 열 교환기(914)와의 접촉 시간을 변화시킴으로써, 중성자 리플렉터 재료(904)의 온도를 변화시킬 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(904)의 온도가 변함에 따라, 그 밀도도 그에 맞춰 변한다. 보다 밀한 액체는 단위 체적당 질량이 높고 그에 따라서 어쩌면 중성자를 더 잘 반사할 것이기 때문에 중성자 리플렉터 재료(904)의 밀도가 변화되면 그것의 중성자 반사도 특성이 변경된다.
리플렉터 조립체(900)는 선택적으로 삽입된 중성자 흡수 부재(906) 및 선택적으로 삽입된 체적 변위 부재(910)를 포함한다. 중성자 흡수 부재(906) 및 체적 변위 부재(910)는 채널(908)의 형상과 양립 가능한 임의의 기하학적 형상을 가질 수도 있다. 중성자 흡수 부재(906) 및 체적 변위 부재(910)는 이들이 삽입되는 채널(908) 내의 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)의 체적을 변위시켜서, 그 채널의 중성자 반사도를 저하시킨다. 중성자 흡수 부재(906) 및 체적 변위 부재(910)를 선택적으로 삽입하면, 중성자 리플렉터 조립체에서 물질의 조성을 변경시킴으로써 원자로 노심에서 중성자 반사도가 조정된다. 예를 들면 고속 중성자(910)와 같이, 체적 변위 부재(910) 내로 이동하는 고속 중성자에 대해서 여러 시나리오가 가능하다. 고속 중성자(912)가 체적 변위 부재(910)를 통과할 수도 있고(도 9에 도시하지 않음), 고속 중성자(912)가 채널 내의 나머지 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)에 의해 반사될 수도 있고, 또는 고속 중성자(912)가 다른 표면에 의해 반사될 수도 있다(도시하지 않음). 예시적인 고속 중성자(912)는, 채널이 유동성 중성자 리플렉터 재료(904)로 가득 차 있을 때보다 체적 변위 부재(910)가 삽입되어 있을 때 다시 연료 영역(902)으로 어쩌면 덜 반사될 것이다.
중성자 흡수 부재(906)를 삽입하는 것은, 중성자 리플렉터 조립체 내의 재료의 조성을 변경함으로써 원자로 노심에서 중성자 반사도를 조정하는 또 다른 방법이다. 중성자 흡수 부재(906)가 채널(908) 내로 삽입되는 경우, 예시적인 고속 중성자(912)는 흡수 부재(906)에 충돌하여 흡수될 수도 있다. 다른 시나리오도 가능하다. 예시적인 고속 중성자는 흡수 부재(906)에 의해 변위되지 않았던 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)에 의해 반사될 수도 있거나, 노심 영역을 빠져 나가고, 그곳에서 다른 재료에 의해 반사 또는 흡수될 수도 있다(도시되지 않음). 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 흡수 부재(906)는 채널(908) 내로 삽입되는 반면 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)는 채널로부터 제거될 수도 있다.
체적 변위 부재(910) 및 중성자 흡수 부재(906)는 임의의 바람직한 구성으로 그리고 중성자 감속 부재와 같이 도 9에 도시되지 않은 다른 부재와의 임의의 조합으로 채널(908) 내에 선택적으로 삽입될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 임의의 수의 체적 변위 부재(910) 및 중성자 흡수 부재(906)가 단일 채널 내에 단독으로 또는 다른 삽입 가능한 부재와의 조합으로 삽입될 수도 있다. 체적 변위 부재(910) 및 중성자 흡수 부재(906)는 채널들(908)의 일부에만 또는 동적 리플렉터(900)의 일부 상의 채널에만 삽입될 수도 있다. 원하는 위치에서 원하는 중성자 활동을 집중시키는 삽입 구성을 선택함으로써 연료 영역(902)에 증식 또는 연소 위치를 집중시키는 것이 바람직할 수도 있다. 예를 들어, 리플렉터 조립체(900)의 상반부에 삽입된 부재를 선택적으로 제거하여 중성자 리플렉터 재료(904)가 리플렉터 조립체(900)의 상반부 상의 채널(908)을 채우도록 하는 것에 의해서, 연료 영역(902)의 상반부에 증가된 증식이 유도될 수도 있다. 또 다른 예에서, 중성자 감속 부재를 리플렉터 조립체(900)의 하반부 상의 채널(908) 내에 선택적으로 삽입함으로써 연료 영역(902)의 하반부에 증가된 연소가 유도될 수도 있다. 또 다른 예에 있어서, 중성자 흡수 부재(906)를 리플렉터 조립체(900)의 원하는 측에 위치한 채널(908) 내에 선택적으로 삽입하는 것에 의해서, 연료 영역(902)의 일부에서의 반응도가 감소될 수도 있다.
도 9의 구현예에 있어서, 채널(908) 내의 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)는 열 교환기(914)와 열적으로 연통된다. 채널(908) 내의 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)의 유속을 변화시키면, 유동하는 반사 액체의 온도가 변경되고, 따라서 그의 밀도 및 그에 따른 중성자 반사도 특성이 변경될 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)의 밀도를 변경하는 것은, 중성자 리플렉터 조립체에서 재료의 조성을 변경함으로써 원자로 노심에서 중성자 반사도를 조정하는 또 다른 방법이다. 열 교환기(914)에 의해, 채널(908) 내의 유동하는 중성자 리플렉터 재료(904)는 연료 영역(902) 내의 용융 연료 염과 열을 교환하여 열 교환기(914)를 통해 원자로 노심 외측으로 전달하도록 작동할 수도 있기 때문에 연료 영역(902)에 대한 2 차 냉각제이다.
도 10은 튜브 및 쉘 열 교환기 내의 용융 핵연료 염(1004)과 열적으로 연통되는 중성자 리플렉터 재료(1002)을 갖는 동적 중성자 리플렉터 조립체(1000)로 둘러싸인 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 개략적인 측면도이다. 유동하는 반사 액체(1002)는 입구(1006)를 통해 외부 채널(1008)로 흐른다. 외부 채널(1008)은 연료 영역(1004)으로부터 나오는 고속 중성자가 연료 영역(1004)으로 다시 반사될 수도 있게 하는 중성자 반사층을 제공한다. 외부 채널(1008)을 떠난 후에, 유동하는 반사 액체(1002)는 하부 채널(1012)을 통해 흐른다. 하부 채널(1012)은 연료 염(1004)으로부터 나오는 고속 중성자가 연료 염(1004)으로 다시 반사될 수도 있게 하는 중성자 반사층을 제공한다. 하부 채널(1012)을 떠난 후에, 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)는 튜브(1014)를 통해 상방으로 흐른다.
튜브(1014)는 쉘-및-튜브 구성으로 튜브(1014)를 둘러싸는 채널(1016) 내에서 하향으로 흐르는 용융 연료 염(1004)과 열적으로 연통하며, 따라서 원자로 노심을 위한 2 차 냉각제로서 기능한다. 튜브(1014)는 임의의 직경 및 단면 기하구조를 갖는 임의의 수의 튜브로서 구성될 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)와 용융 연료 염(1004) 사이의 원하는 열 교환을 위해, 영역(1016) 내의 유동하는 용융 연료 염(1004)과의 원하는 표면적 접촉을 위해 튜브(1014)의 구성이 선택될 수도 있다. 튜브(1014)를 떠난 후에, 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)는 상부 채널(1020)로 진입한다. 상부 채널(1020)은 연료 영역(1004)으로부터 나오는 중성자가 다시 연료 영역(1004)으로 반사될 수도 있게 하는 반사층을 제공한다. 열 교환기(도시하지 않음)는 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)와 열적으로 연통할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기는 채널(1008) 외부에 배치될 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 열 교환기는 유동하는 중성자 리플렉터 재료 입구(1006) 또는 출구(1022) 위에 배치될 수도 있다. 열 교환기에 의해, 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)는, 용융 연료 염과 열을 교환하여 원자로 노심의 외부로 전달하도록 작동할 수도 있기 때문에, 연료 영역(1004)에 대한 2 차 냉각제이다.
원자로 노심 내의 중성자 반사도는 채널(1008, 1012, 1020) 내의 반사 액체의 조성을 변경하는 것에 의해서 조정될 수도 있다. 예를 들어, 소정 양의 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)를 오버 플로우 탱크(1010) 내로 또는 밖으로 펌핑함으로써 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)의 체적을 조정하여 반사도를 각각 증가 또는 감소시킬 수도 있다. 다른 예에서, 채널(1008, 1012, 1020)을 통한 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)의 밀도는 조정될 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)의 밀도가 보다 높으면 증가된 중성자 반사도가 유도될 수도 있는 반면, 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)의 밀도가 보다 낮으면 감소된 중성자 반사도가 유도될 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)의 밀도는 온도를 변화시킴으로써 조정될 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)의 온도는, 유속을 변화시키고 그에 따라 용융 연료 염(1004)과의 열 접촉 시간을 변화시킴으로써 조정될 수도 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)의 유동 방향이 역전될 수도 있다. 그렇기 때문에, 유동하는 중성자 리플렉터 재료(1002)는 튜브(1014)를 통해 하향 방향으로 흐르고 채널(1008)을 통해 오버플로우 탱크(1010)로 흐른다. 용융 핵연료 염(1004)의 유동 방향도 또한 역전될 수도 있다. 그렇기 때문에, 용융 핵연료 염(1004)은 핵분열 영역의 중심 내에서 하향 방향으로 흐르고 튜브(1014) 주위로 상향 방향으로 흐를 수도 있다.
도 11은 중성자 리플렉터 조립체(1100)로 둘러싸인 연료 영역(1102)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도로서, 여기에서 중성자 리플렉터 재료(1104)는 채널(1110)을 통해 유동하고 채널(1112) 내의 튜브(1108)를 통해 유동하며, 튜브(1108)는 튜브 및 쉘 스타일의 열 교환기에서 연료 영역(1102) 및 채널(1112)을 통해 흐르는 용융 핵연료 염과 열적으로 연통한다. 도 11의 관점에서, 용융 연료 염은 연료 영역(1102)을 통해 상방으로 흐르고 채널(1112)을 통해 하방으로 흐른다. 유동하는 반사 액체는 채널(1110)을 통해 하방으로 흐르고 튜브(1108)를 통해 상방으로 흐른다. 이 구현예에 있어서, 유동하는 반사 액체(1104)는 또한 연료 영역(1102) 내의 연료에 대한 2 차 냉각제이다. 튜브(1108)는 각 채널(1112) 내에 임의의 수의 튜브 또는 임의의 기하학적 형상의 튜브를 제한 없이 포함하는 다양한 구성을 취할 수도 있다. 채널(1112) 당 튜브(1108)의 수 및 튜브(1108)의 형상의 선택은 채널(1112) 내에서 상방으로 흐르는 용융 연료 염과 접촉하는 표면적을 결정해서, 유동하는 반사 액체(1104)와 용융 연료 염(1102) 사이에서 교환되는 열의 양을 변경할 것이다. 도 11에는 채널(1112) 당 튜브(1108)의 쌍이 도시되어 있지만, 다양한 구성이 가능하다. 예를 들어, 튜브(1108)는 채널(1112)을 통해 사행 경로를 취해서, 용융 연료 염에 열적으로 노출된 표면적을 증가시킬 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 채널(1112)은 용융 연료 염이 입구 포트와 출구 포트 사이에서 간접 패턴으로 유동해야 하게 하는 일련의 배플을 수용할 수도 있다. 간접 유동 패턴은 용융 연료 염과 튜브 사이의 열 접촉을 증가시키고 튜브와 용융 연료 염 유동 사이의 각도를 증가시켜서 열적 연통을 증가시킨다.
일 실시형태에 있어서, 연료 영역(1102)으로부터 나오는 예시적인 고속 중성자(1114)는 튜브(1108) 내에 수용된 유동하는 반사 액체(1104)에 의해서 반사될 수도 있고, 또는 채널(1110) 내에 수용된 유동하는 반사 액체(1104)에 의해서 연료 영역(1102)으로 다시 반사될 수도 있다. 채널(1112) 내에서 흐르는 용융 연료 염으로부터 나오는 예시적인 고속 중성자(1116)와 같은 고속 중성자는 튜브(1108) 또는 채널(1110) 내의 유동하는 리플렉터 재료(1104)에 의해서 연료 영역(1102)으로 다시 반사될 수도 있다.
도 12는 용융 핵연료 염 고속 원자로 내의 동적 스펙트럼 시프팅의 예시적인 동작(1200)의 흐름도를 도시한다. 지속 동작(1202)은 동적 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 원자로 노심에서 핵분열 반응을 지속시킨다. 중성자 리플렉터 조립체는 적어도 하나의 중성자 리플렉터 재료를 가질 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체가 원자로 노심의 둘레에, 위에 및/또는 아래에 반경방향으로 배치됨으로써 원자로 노심을 둘러쌀 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체가 하나의 연속적인 피스로 형성될 수도 있고, 원자로 노심 둘레에 분포된 불연속 피스들로 형성될 수도 있고, 사이에 간극을 갖는 불연속 피스들로 노심 둘레에 배치될 수도 있고, 및/또는 규칙적 또는 불규칙한 섹션들로 분할될 수도 있다. 리플렉터 조립체는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 하나 이상의 채널을 포함할 수도 있다. 리플렉터 조립체는 하나 이상의 레벨의 채널을 포함하여서, 유동하는 리플렉터 재료가 하나의 레벨에서는 한 방향으로 흐르고 하나 이상의 다른 레벨에서는 다른 방향으로 흐를 수도 있다. 예를 들어, 리플렉터 조립체는, 유동하는 리플렉터 재료가 하방으로 흐르는 외부 채널, 및 유동하는 리플렉터 재료가 원자로 노심 아래의 임의의 입구 또는 출구 배관설비를 피하기 위해 상방으로 흐르는 다른 내부 채널을 포함할 수도 있다.
리플렉터 조립체는 또한 하나 이상의 열 교환기와 열적으로 연통될 수도 있으며, 따라서 원자로 노심에 대한 2 차 냉각제로서 기능한다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 채널에 열적으로 결합된다. 또 다른 구현예는, 제 1 채널이 유동하는 리플렉터 재료를 제 1 방향으로 안내하고, 하나 이상의 추가 채널이 유동하는 리플렉터 재료를 유동하는 용융 연료 염으로 둘러싸인 하나 이상의 튜브를 통해 제 2 방향으로 안내하는 튜브-및-쉘 열 교환기를 이용할 수도 있다.
조정 동작(1204)은 중성자 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 반사도 특성을 변경시킴으로써 지속된 핵분열 반응 동안 원자로 노심 내의 고속 중성자 플럭스 및 열 중성자 플럭스를 조정한다. 중성자 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 반사도 특성을 변경하는 것은, 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 체적을 변경하는 것, 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 밀도를 변경하는 것, 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 조성을 변경하는 것, 중성자 감속 부재를 상기 리플렉터 조립체에 삽입 및/또는 제거하는 것, 중성자 흡수 부재를 상기 리플렉터 조립체에 삽입 및/또는 제거하는 것, 및/또는 상기 체적 변위 부재를 상기 리플렉터 조립체에 삽입 및/또는 제거하는 것 중 단계를 임의의 하나 또는 그 이상을 포함할 수도 있다.
도 13은 용융 핵연료 염 고속 원자로에서의 동적 스펙트럼 시프팅의 다른 예시적인 동작들(1300)의 흐름도를 도시한다. 지속 동작(1302)은 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 원자로 노심에서 핵분열 반응을 지속시킨다. 중성자 리플렉터 조립체는 적어도 하나의 중성자 리플렉터 재료를 가질 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 원자로 노심의 둘레에, 위에 및/또는 아래에 반경방향으로 배치되는 것에 의해서 원자로 노심을 둘러쌀 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 하나의 연속적인 피스로 형성될 수도 있고, 원자로 노심 둘레에 분포된 불연속 피스들로 형성될 수도 있고, 사이에 간극을 갖는 불연속 피스들로 노심 둘레에 배치될 수도 있으며, 및/또는 규칙적 또는 불규칙한 섹션들로 분할될 수도 있다. 리플렉터 조립체는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 하나 이상의 채널을 포함할 수도 있다. 리플렉터 조립체는 하나 이상의 레벨의 채널을 포함하여서, 유동하는 리플렉터 재료가 하나의 레벨에서는 한 방향으로 흐르고 하나 이상의 다른 레벨에서는 다른 방향으로 흐를 수도 있다. 예를 들어, 리플렉터 조립체는, 유동하는 리플렉터 재료가 하방으로 흐르는 외부 채널, 및 유동하는 리플렉터 재료가 원자로 노심 아래의 임의의 입구 또는 출구 배관설비를 피하기 위해 상방으로 흐르는 다른 내부 채널을 포함할 수도 있다.
추가로 리플렉터 조립체는 또한 하나 이상의 열 교환기와 열적으로 연통될 수도 있으며, 따라서 원자로 노심에 대한 2 차 냉각제로서 기능한다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위해 채널에 열적으로 결합된다. 또 다른 구현예는, 제 1 채널이 유동하는 리플렉터 재료를 제 1 방향으로 안내하고, 하나 이상의 추가 채널이 유동하는 리플렉터 재료를, 유동하는 용융 연료 염으로 둘러싸인 하나 이상의 튜브를 통해 제 2 방향으로 안내하는, 튜브-및-쉘 열 교환기를 이용할 수도 있다.
조정 동작(1304)은 중성자 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 체적을 변경함으로써 지속된 핵분열 반응 동안 원자로 노심 내의 고속 중성자 플럭스 및 열 중성자 플럭스를 조정한다. 일 구현예에 있어서, 유동하는 리플렉터 재료의 체적은 스필오버 저장조에 유체 연결된 펌프 및 밸브에 의해 변경될 수도 있다. 유동하는 리플렉터 재료의 체적은 밸브를 통해 스필오버 저장조로 펌핑되어 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 체적을 감소시키고, 그에 따라 원자로 노심 내로 산란된 고속 및/또는 열 중성자의 플럭스를 감소시킬 수도 있다. 반대로, 유동하는 재료의 체적을 스필오버 저장조 외부로 밸브를 통해 펌핑하여, 리플렉터 조립체 내의 체적을 증가시키고 그에 따라서 원자로 노심 내로의 중성자의 반사도를 증가시킬 수도 있다.
다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 조립체 내의 재료 조성을 변경하는 것은, 체적 변위 부재를, 유동하는 리플렉터 재료를 안내하는 하나 이상의 채널로 선택적으로 삽입 또는 제거하는 것을 포함할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 체적 변위 부재는 중성자 감속 부재, 중성자 흡수 부재, 또는 중성자 플럭스에 영향을 미치지 않는 체적 변위 부재(예컨대, 중공형 부재 또는 비-중성자 영향 재료로 형성된 부재)일 수도 있다. 원자로 노심을 둘러싸는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하는 채널 내로 체적 변위 부재를 삽입하면, 채널 내의 리플렉터 재료의 체적이 감소되고, 그에 따라 리플렉터 재료의 감소된 체적으로 인해 어쩌면 보다 적은 중성자가 산란될 것이기 때문에, 중성자의 산란을 감소시킴으로써 리플렉터 조립체의 반사도 특성이 변경된다. 원자로 노심을 둘러싸는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하는 채널로부터 체적 변위 부재를 제거하면, 유동하는 리플렉터 재료의 체적이 증가될 수도 있고, 그에 따라 유동하는 리플렉터 재료가 인출된 체적 변위 부재에 의해 비워진 공간 내로 리플렉터 조립체에 복귀할 수도 있으므로, 중성자의 산란을 증가시킴으로써 리플렉터 조립체의 반사도 특성이 변경될 수도 있고, 그럼으로써 리플렉터 재료의 증가된 체적으로 인해 원자로 노심에서 나오는 중성자가 산란될 가능성이 증가될 것이다.
도 14는 용융 핵연료 염 고속 원자로에서 동적 스펙트럼 시프팅의 다른 예시적인 동작(1400)의 흐름도를 도시한다. 지속 동작(1402)은 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 원자로 노심에서 핵분열 반응을 지속시킨다. 중성자 리플렉터 조립체는 적어도 하나의 중성자 리플렉터 재료를 가질 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 원자로 노심의 둘레에, 위에 및/또는 아래에 반경방향으로 배치되는 것에 의해서 원자로 노심을 둘러쌀 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 하나의 연속적인 피스로 형성될 수도 있고, 원자로 노심 둘레에 분포된 불연속 피스들로 형성될 수도 있고, 사이에 간극을 갖는 불연속 피스들로 노심 둘레에 배치될 수도 있으며, 및/또는 규칙적 또는 불규칙한 섹션들로 분할될 수도 있다. 리플렉터 조립체는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 하나 이상의 채널을 포함할 수도 있다. 리플렉터 조립체는 하나 이상의 레벨의 채널을 포함하여서, 유동하는 리플렉터 재료가 하나의 레벨에서는 한 방향으로 흐르고 하나 이상의 다른 레벨에서는 다른 방향으로 흐를 수도 있다. 예를 들어, 리플렉터 조립체는, 유동하는 리플렉터 재료가 하방으로 흐르는 외부 채널, 및 유동하는 리플렉터 재료가 원자로 노심 아래의 임의의 입구 또는 출구 배관설비를 피하기 위해 상방으로 흐르는 다른 내부 채널을 포함할 수도 있다.
리플렉터 조립체는 또한 하나 이상의 열 교환기와 열적으로 연통될 수도 있으며, 그에 따라서 원자로 노심에 대한 2 차 냉각제로서 기능한다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 채널에 열적으로 결합된다. 또 다른 구현예는, 제 1 채널이 유동하는 리플렉터 재료를 제 1 방향으로 안내하고, 하나 이상의 추가 채널이 유동하는 리플렉터 재료를, 유동하는 용융 연료 염으로 둘러싸인 하나 이상의 튜브를 통해 제 2 방향으로 안내하는 튜브-및-쉘 열 교환기를 이용할 수도 있다.
조정 동작(1404)은 중성자 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 밀도를 변경함으로써 지속된 핵분열 반응 동안 원자로 노심 내의 고속 중성자 플럭스 및 열 중성자 플럭스를 조정한다. 중성자 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 밀도는 리플렉터 조립체 내의 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 온도를 변경함으로써 변경될 수도 있다. 보다 높은 온도에서, 유동하는 중성자 리플렉터 재료는 보다 낮은 밀도를 갖는 경향이 있고, 보다 낮은 온도에서, 유동하는 중성자 리플렉터 재료는 보다 높은 밀도를 갖는 경향이 있다. 밀도에 있어서의 변화는 리플렉터 조립체의 반사도 특성을 변경시킬 것인데, 이는 원자로 노심으로부터 방출되는 고속 및 열 중성자가 리플렉터 조립체 내의 리플렉터 재료의 핵과의 충돌 가능성에 따라 리플렉터 재료에 의해 보다 많이 또는 적게 산란될 것이기 때문이다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 온도를 변경시키는 한 가지 방법은 그것의 유속과, 이에 따라 유동하는 리플렉터 재료의 용융 연료 염과의 열 접촉 시간을 변경하는 것이다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 보다 높은 유속은 고온 연료 염과의 접촉 시간을 감소시킬 수 있어, 유동하는 리플렉터 재료의 온도를 저하시키고 유동하는 리플렉터 재료의 밀도를 증가시킬 수도 있다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 보다 낮은 유속은 유동하는 리플렉터 재료가 상대적으로 더 긴 시간 동안 고온 연료 염과 열적으로 접촉하게 할 수도 있어, 그것의 온도를 증가시키고 유동하는 리플렉터 재료의 밀도를 저하시킬 수도 있다.
다른 구현예에 있어서, 튜브 및 쉘 열 교환기는 유동하는 리플렉터 재료와 용융 연료 염 사이에서 열을 교환하기 위해 사용될 수도 있다. 상기 튜브 및 쉘 열 교환기는 유동하는 리플렉터 재료를 운반하는 튜브 둘레의 사행 경로에서 용융 연료 염을 통과시키는 배플로 구성될 수도 있다. 이동 가능한 배플은 유동하는 리플렉터 재료와 용융 연료 염 사이의 열 접촉 시간을 증가 또는 감소시킬 수도 있다. 전술 한 바와 같이, 유동하는 리플렉터 재료와 용융 연료 염 사이의 열 접촉 시간에 있어서의 변화는 유동하는 리플렉터 재료의 온도를 변경시키는 경향이 있고, 그에 따라서 유동하는 리플렉터 재료의 밀도를 변경시키는 경향이 있을 수도 있다.
도 15는 용융 핵연료 염 고속 원자로에서의 동적 스펙트럼 시프팅의 다른 예시적인 동작(1500)의 흐름도를 도시한다. 지속 동작(1502)은 동적 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 원자로 노심에서 핵분열 반응을 지속시킨다. 중성자 리플렉터 조립체는 적어도 하나의 중성자 리플렉터 재료를 가질 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 원자로 노심의 둘레에, 위에 및/또는 아래에 반경방향으로 배치되는 것에 의해 원자로 노심을 둘러쌀 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 하나의 연속적인 피스로 형성될 수도 있고, 원자로 노심 둘레에 분포된 불연속 피스들로 형성될 수도 있고, 사이에 간극을 갖는 불연속 피스들로 노심 둘레에 배치될 수도 있으며, 및/또는 규칙적 또는 불규칙한 섹션들로 분할될 수도 있다. 리플렉터 조립체는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 하나 이상의 채널을 포함할 수도 있다. 리플렉터 조립체는 하나 이상의 레벨의 채널을 포함하여서, 유동하는 리플렉터 재료가 하나의 레벨에서는 한 방향으로 흐르고 하나 이상의 다른 레벨에서는 다른 방향으로 흐를 수도 있다. 예를 들어, 리플렉터 조립체는, 유동하는 리플렉터 재료가 하방으로 흐르는 외부 채널, 및 유동하는 리플렉터 재료가 원자로 노심 아래의 임의의 입구 또는 출구 배관설비를 피하기 위해 상방으로 흐르는 다른 내부 채널을 포함할 수도 있다.
리플렉터 조립체는 또한 하나 이상의 열 교환기와 열적으로 연통될 수도 있으며, 따라서 원자로 노심에 대한 2 차 냉각제로서 기능한다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 채널에 열적으로 결합된다. 또 다른 구현예는, 제 1 채널이 유동하는 리플렉터 재료를 제 1 방향으로 안내하고, 하나 이상의 추가 채널이 유동하는 리플렉터 재료를, 유동하는 용융 연료 염으로 둘러싸인 하나 이상의 튜브를 통해 제 2 방향으로 안내하는 튜브-및-쉘 열 교환기를 이용할 수도 있다.
조정 동작(1504)은 중성자 감속 부재를 중성자 리플렉터 조립체에 삽입함으로써 지속된 핵분열 반응 동안 원자로 노심 내의 고속 중성자 플럭스 및 열 중성자 플럭스를 조정한다. 중성자 감속 부재의 삽입은 고속 중성자와 탄성 충돌을 일으키는 경향이 있을 수도 있는 핵을 리플렉터 조립체 내로 도입할 수도 있다. 이러한 핵의 존재는 열 중성자를 원자로 노심 내로 다시 산란하여 번업을 증가시킬 수도 있다. 조정 동작(1504)은 또한 중성자 리플렉터 조립체의 중성자 반사도 특성에 영향을 미칠 수도 있는데, 그 이유는 중성자 감속 부재가 중성자 리플렉터 조립체로부터의 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 체적을 변위시킬 것이기 때문이다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 체적에 있어서의 감소는 원자로 노심에서 나오는 중성자와의 탄성 충돌의 양을 감소시키는 경향이 있을 것이며, 따라서 원자로 노심에서 나오는 고속 중성자가 원자로 노심으로 다시 산란되어 원료 물질을 핵분열 물질로 증식시킬 가능성이 감소된다.
도 16은 용융 핵연료 염 고속 원자로에서 동적 스펙트럼 시프팅의 다른 예시적인 동작(1600)의 흐름도를 도시한다. 지속 동작(1602)은 동적 중성자 리플렉터 조립체로 둘러싸인 원자로 노심에서 핵분열 반응을 지속시킨다. 중성자 리플렉터 조립체는 적어도 하나의 중성자 리플렉터 재료를 가질 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 원자로 노심의 둘레에, 위에 및/또는 아래에 반경방향으로 배치되는 것에 의해 원자로 노심을 둘러쌀 수도 있다. 중성자 리플렉터 조립체는 하나의 연속적인 피스로 형성될 수도 있고, 원자로 노심 둘레에 분포된 불연속 피스들로 형성될 수도 있고, 사이에 간극을 갖는 불연속 피스들로 노심 둘레에 배치될 수도 있으며, 및/또는 규칙적 또는 불규칙한 섹션들로 분할될 수도 있다. 리플렉터 조립체는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 하나 이상의 채널을 포함할 수도 있다. 리플렉터 조립체는 하나 이상의 레벨의 채널을 포함하여서, 유동하는 리플렉터 재료가 하나의 레벨에서는 한 방향으로 흐르고 하나 이상의 다른 레벨에서는 다른 방향으로 흐를 수도 있다. 예를 들어, 리플렉터 조립체는, 유동하는 리플렉터 재료가 하방으로 흐르는 외부 채널, 및 유동하는 리플렉터 재료가 원자로 노심 아래의 임의의 입구 또는 출구 배관설비를 피하기 위해 상방으로 흐르는 다른 내부 채널을 포함할 수도 있다.
리플렉터 조립체는 또한 하나 이상의 열 교환기와 열적으로 연통될 수도 있으며, 그에 따라서 원자로 노심에 대한 2 차 냉각제로서 기능한다. 일 구현예에 있어서, 열 교환기는 유동하는 리플렉터 재료를 안내하기 위한 채널에 열적으로 결합된다. 또 다른 구현예는, 제 1 채널이 유동하는 리플렉터 재료를 제 1 방향으로 안내하고, 하나 이상의 추가 채널이 유동하는 리플렉터 재료를, 유동하는 용융 연료 염으로 둘러싸인 하나 이상의 튜브를 통해 제 2 방향으로 안내하는 튜브-및-쉘 열 교환기를 이용할 수도 있다.
조정 동작(1604)은 중성자 리플렉터 조립체로부터 중성자 감속 부재를 제거함으로써 지속된 핵분열 반응 동안 원자로 노심 내의 고속 중성자 플럭스 및 열 중성자 플럭스를 조정한다. 중성자 감속 부재의 제거는 고속 중성자와의 탄성 충돌을 야기하는 경향이 있을 수도 있는 리플렉터 조립체 내의 이용 가능한 핵을 감소시킬 것이다. 이러한 핵이 줄어들면 원자로 노심으로 다시 산란되는 열 중성자가 줄어들 것이므로 번업이 감소할 것이다. 조정 동작(1604)은 중성자 리플렉터 조립체의 중성자 반사도 특성에 영향을 미칠 수도 있는데, 그 이유는 중성자 리플렉터 조립체에 삽입되었을 때 제거된 중성자 감속 부재가 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 체적을 변위시킬 수도 있기 때문이다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료의 체적 증가는 원자로 노심에서 나오는 중성자와의 탄성 충돌의 양을 증가시키는 경향이 있을 수도 있으며, 그에 따라서 원자로 노심에서 나오는 고속 중성자가 원자로 노심으로 다시 산란되어 원료 물질을 핵분열 물질로 증식시킬 가능성을 증가시킬 수도 있다.
도 17은 예시적인 중성자 리플렉터 조립체(1700)의 하향식 개략도를 도시한다. 중성자 리플렉터 조립체(1700)는 2 개의 서브 조립체, 즉 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712) 및 2 차 동적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1716)를 포함한다. 도 17에서, 예시적인 고속 스펙트럼 중성자를 나타내는 선(1708)과 같이, 고속 스펙트럼 중성자의 예시적인 경로(1706, 1714)가 이중 화살표로 끝나는 선으로 표시된다. 일 구현예에 있어서, 유동하는 중성자 리플렉터 조립체(1700)는 고속 스펙트럼 중성자(1706, 1714)가 방출되는 핵연료 영역(1704)을 실질적으로 둘러싸고 있다.
1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)는 중성자 리플렉터 재료를 수용할 수도 있다. 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712) 내에 수용된 중성자 리플렉터 재료는 고체, 액체 또는 유체 중성자 리플렉터 재료, 또는 이들의 조합일 수도 있다. 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)는 연료 영역(1704)을 실질적으로 둘러쌀 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)는 연료 영역(1704)을 연속적인 방식, 분할된 방식 및/또는 모듈형 방식으로 부분적으로 둘러쌀 수도 있다. 핵연료 영역(1704)으로부터 방출되는 예시적인 고속 스펙트럼 중성자(1714)는 1 차 정적 중성자 서브 조립체(1716)로부터 비탄성적으로 산란(또는 반사)되어 핵연료 영역(1704)으로 되돌아 가서, 연료 영역(1704)에서 원료 물질의 증식률을 증가시킨다. 예시적인 중성자들(1706)과 같은 다른 예시적인 고속 스펙트럼 중성자들은 제 1 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)를 통과할 수도 있고, 보다 상세히 후술되는 바와 같이 제 2 동적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1716)로부터 비탄성적으로 산란(또는 반사)될 수도 있다.
1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)는 핵연료 영역(1704)에 인접하여 및/또는 핵연료 영역(1704)과 열 접촉 상태로 배치될 수도 있다. 핵연료 영역(1704)에 대한 1 차 정적 중성자 서브 조립체(1712)의 위치로 인해, 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)는 손상 또는 마모를 야기할 수도 있는 힘에 대해 높은 수준의 노출을 경험할 수도 있다. 예를 들어, 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체는, 높은 수준의 열과, 알파 입자, 베타 입자 및/또는 감마선을 제한 없이 포함하는, 핵연료 영역(1704)에서 나오는 다양한 유형의 방사선에 노출될 수도 있다. 열 및/또는 방사선에 장시간 노출되면, 제 1 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)가 일정 기간 동안 과도한 구조적 열화를 겪을 수도 있다. 따라서, 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)는 유동하는 중성자 리플렉터 조립체(1700)로부터 제거 가능할 수도 있다. 다시 말해, 1 차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체 또는 그의 모듈형 부품들은, 주기적인 유지관리 스케쥴에 따라 또는 1차 정적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1712)의 주기적인 검사에 기초하여 수행될 수도 있는 서브 조립체의 선택적 교체를 허용하기 위해 하우징(도시하지 않음)에 미끄럼이동 가능하게 끼워맞춤될 수도 있다.
또한 도 17은 또한 2 차 동적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1716)를 도시한다. 2 차 동적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1716)는 채널(1702)의 각각을 중성자 리플렉터 재료의 체적으로 선택적으로 채우는 것에 의해서 핵연료 영역(1704)에서 중성자 스펙트럼을 증분적으로 시프트시키는데 사용될 수도 있다. 2 차 동적 중성자 리플렉터 조립체(1716)는 유동하는 중성자 리플렉터 재료를 안내하기 위한 복수의 내화 클래드 슬리브(1702)를 포함할 수도 있다. 도 17에서, 중성자 리플렉터 재료는 내화 클래드 채널(1702)을 통해 검사관을 향해 상방으로 흐른다. 일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 핵연료 영역(1704) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(1702)(예를 들어, 셀, 슬리브, 도관 등) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터는 핵연료 영역(1704) 위의 하나의 포트 및 핵연료 영역(1704) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(1702)을 통해 상향 또는 하향 중 어느 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 채널(1702)을 통한 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료는 반경방향 입력 및 출력 포트를 통해 유동할 수도 있다.
2 차 동적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1716)는 연료 영역(1704)의 반대측에 배치된 열 교환기(1710)와 열적으로 연통한다. 동적 중성자 리플렉터 조립체 및/또는 열 교환기는 정적 리플렉터 서브 조립체 내부에 있거나 정적 리플렉터 서브 조립체 사이에 배치될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 열 교환기(1710)는 이를 통해 순환하는 하나 이상의 유형의 액체 냉각제를 포함할 수도 있다. 2 차 동적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1716)가 열 교환기(1710)와 열을 교환함에 따라, 열 교환기(1710)는 2 차 냉각제 회로의 일부로서 2 차 동적 중성자 리플렉터 서브 조립체(1716)로부터 열을 전달할 수도 있다. 2 차 냉각제 회로는 예를 들어 증기 구동 터빈과 같은 발전 설비에 열을 공급할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 용융 연료 염은 핵연료 영역(1704)을 통해 상방으로 그리고 열 교환기(1710)를 통해 하방으로 흐를 수 있으므로, 1 차 냉각제 회로의 일부로서 열을 교환한다. 환언하면, 열 교환기는 용융 연료 염의 모두와 열을 교환하고 채널(1702) 내에서 유동하는 중성자 리플렉터와 열을 교환할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료의 유속을 조정하여, 열 교환기와의 접촉 시간을 변화시킴으로써, 채널(1702) 내에서 유동하는 리플렉터 재료의 온도를 변화시킬 수도 있다. 리플렉터 재료의 온도가 변화함에 따라 그것의 밀도도 그에 맞춰 바뀐다. 보다 밀한 재료는 단위 체적 당 질량이 높고 그에 따라서 어쩌면 중성자를 보다 잘 반사할 것이기 때문에, 리플렉터 재료의 밀도에 있어서의 변화는 그의 중성자 반사도 특성을 변경시킨다.
도 18은 중성자 리플렉터 조립체(1800)로 둘러싸인 연료 영역(1802)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다. 중성자 리플렉터 조립체는 연료 영역(1802)을 둘러싸는 내부 환형 채널(1808) 및 외부 환형 채널(1810)을 포함한다. 내부 및 외부 환형 채널(1808, 1810)은 각각 중성자 리플렉터 재료(1804 및 1806)를 수용할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)은 그들 각각의 중성자 반사도 특성의 면에서 또는 중성자 리플렉터 조립체의 성능에 영향을 줄 수도 있는 다른 특성(점도, 밀도, 비열값 등)의 면에서 서로 동일할 수도 있고 또는 상이할 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)은 예시적인 고속 중성자(1812)를 연료 영역(1802)으로 다시 반사시키는 경향이 있을 수도 있다.
중성자 리플렉터 조립체(1800)의 시간에 따른 중성자 반사도 특성을 동적으로 변경하기 위해 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)가 채널(1808, 1810)에 선택적으로 추가, 제거 및/또는 교체될 수도 있다. 일 구현예에 있어서 중성자 리플렉터 조립체(1800)의 중성자 반사도 특성을 변경하기 위해 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806) 중 하나 또는 양자가 각각의 채널(1808, 1810)로부터 완전히 제거될 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 동일한 물질일 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 원료 연료의 보다 많은 증식이 있을 때 원자로의 수명의 시작 즈음에는 보다 낮은 중성자 반사를 제공하기 위해 선택적으로 추가, 제거 및/또는 교체될 수도 있고, 원자로가 노화되고 번업이 연료 영역(1802)에서 우세하기 시작함에 따라 보다 큰 중성자 반사를 제공하기 위해 선택적으로 추가, 제거 및/또는 교체될 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 채널(1808, 1810) 중 하나 또는 양자의 내부에서 혼합될 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 두개의 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806) 사이의 비율을 변경하고, 그에 따라서 조립체의 중성자 반사도를 변경하기 위해, 두개의 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806) 중 하나 또는 양자가 시간이 지남에 따라 채널(1808, 1810)에 추가될 수도 있다. 3 개 이상의 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)가 채널(1808, 1810) 내부에서 혼합되면, 분리기 구성 요소(도시하지 않음)는 원한다면 재료들을 분리하도록 작동할 수도 있으며, 두개 이상의 중성자 리플렉터 재료의 화학적 및 물리적 특성에 기초한 하나 이상의 적합한 화학적, 기계적, 자기적, 전기적, 시간-기반의 공정을 포함하는 2 개 이상의 중성자 리플렉터 재료를 분리하기 위해 임의의 적절한 방식으로 작동할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 혼합된 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 플러시 동작을 통해 분리될 수도 있다. 대안적으로, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 채널(1808, 1810) 중 하나 또는 양자로 유동을 선택적으로 공급하기 위해 별도의 저장조(도시되지 않음) 내에 보유될 수도 있다.
일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 연료 영역(1802) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(1808, 1810) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 연료 영역(1802) 위의 하나의 포트 및 연료 영역(1802) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(1808, 1810)을 통해 상향 또는 하향 방향 중 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 채널(1808, 1810)을 통해 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 반경방향 입력 및 출력 포트를 통해 유동할 수도 있다.
다른 구현예에 있어서, 채널(1808, 1810)은 중성자 리플렉터가 아닌 물질로 선택적으로 충전될 수도 있다. 일 예에서, 채널(1808, 1810)은 중성자 감속 재료, 중성자 흡수 재료, 또는 중성자적으로 반투명한 재료로 채워질 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 채널들(1808, 1810) 중 하나 또는 양자가 선택적으로 삽입 가능한 체적 변위 부재들(1814)을 포함할 수도 있다. 체적 변위 부재(1814)는 중성자 감속 재료, 중성자 흡수 재료, 또는 중성자적으로 반투명한 재료를 수용할 수도 있다. 체적 변위 부재(1814)의 삽입시, 체적 변위 부재가 삽입된 채널 내의 반사 액체(1804, 1806)의 체적이 감소된다. 감소된 체적으로, 채널 내의 잔류 중성자 리플렉터 재료(1804, 1806)는 변경된 중성자 반사도 특성을 가지며, 따라서 체적 변위 부재(1814)가 삽입되기 전보다 어쩌면 중성자를 덜 반사할 것이다.
도 19는 중성자 리플렉터 조립체(1900)로 둘러싸인 연료 영역(1902)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다. 중성자 리플렉터 조립체는 연료 영역(1902)을 둘러싸는 내부 환형 채널(1908) 및 외부 환형 채널(1910)을 포함한다. 내부 및 외부 환형 채널(1908, 1910)은 중성자 리플렉터 재료(1904)를 수용할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1904)는, 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 연료 영역(1902) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 채널(1908, 1910) 내에서 순환할 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1904)는 연료 영역(1902) 위의 하나의 포트 및 연료 영역(1902) 아래의 다른 포트를 갖는 채널(1908, 1910)을 통해 상향 또는 하향 방향 중 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1904)는 채널(1908, 1910)을 통한 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1904)는 반경방향 입력 및 출력 포트를 통해 유동할 수도 있다.
일 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(1904)는 연료 영역(1902)을 갖는 원자로의 수명의 시작 즈음의 시간 주기에서 채널(1908, 1910)을 통해 유동할 수도 있다. 원자로가 시간이 지나면서 원료 연료를 증식함에 따라, 증식된 핵연료의 재고(inventory)가 원자로에 연료를 공급하는 데 필요한 양을 초과할 수도 있기 때문에, 중성자 리플렉터 조립체(1900)의 유효성은 감소할 수도 있다. 따라서 시간 경과에 따라 중성자 리플렉터 조립체(1900)의 형상을 변경하기 위해서, 도 20에 도시된 바와 같이 중성자 리플렉터 조립체의 일부에서 중성자 리플렉터 재료의 일부를 교체하는 것이 바람직할 수도 있다.
도 20은 중성자 리플렉터 조립체(2000)로 둘러싸인 연료 영역(2002)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다. 도 20에서, 내부 환형 채널(2008)의 중성자 리플렉터 재료 내용물은 연료 영역(2002)으로부터의 추가의 연료 염으로 선택적으로 대체된다. 결과적으로, 원자로는 중성자 "누출"을 덜 경험하게된다. 예시적인 고속 중성자(2012)는 채널(2010)에서 중성자 리플렉터 재료(2006)에 대한 반사를 계속 경험할 수도 있다. 따라서 원자로가 가동될 때 더 많은 핵분열 연료 물질이 증식될 수도 있기 때문에, 원자로 수명이 시작될 즈음에는, 보다 적은 양의 연료 염으로 원자로 노심에서 핵분열 반응을 시작하는 것이 가능하다. 추가의 증식된 연료가 채널(2008) 내의 중성자 리플렉터 재료의 체적을 대체할 수도 있다. 이것은 원자로 작동의 초기 비용을 낮추며, 수명의 후기에 적어도 부분적으로 축적된 핵분열 생성물로 인해 증식이 더욱 요구될 때 원자로의 증식을 향상시킬 수도 있다. 중성자 리플렉터 재료(2006)는 예를 들어 고속 중성자(2012)가 연료 영역(2002)으로부터 방출되든 또는 내부 환형 채널(2008)로부터 방출되든, 고속 중성자(2012)를 연료 염으로 다시 반사하는 경향이 있을 수도 있다.
도 21은 중성자 리플렉터 조립체(2100)로 둘러싸인 연료 영역(2102)을 갖는 용융 핵연료 염 고속 원자로 노심의 하향식 개략도이다. 중성자 리플렉터 조립체는 연료 영역(2102)을 둘러싸는 복수의 환형 채널(2104)을 포함한다. 환형 채널(2104)은 유동하는 중성자 리플렉터 재료(2106)를 연료 영역(2102)과 중성자적 연통 상태로 수용하는 복수의 튜브(2108)를 수용할 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 복수의 튜브(2108)는 원통형 튜브이다. 유동하는 중성자 리플렉터 재료(2106)는, 원자로 아래에 고정구 또는 포트가 필요 없도록 연료 영역(2102) 위에 입력 및 출력 포트를 갖는 튜브(2108) 내에서 순환될 수도 있다. 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(2106)는 연료 영역(2102) 위의 하나의 포트 및 연료 영역(2102) 아래의 다른 포트를 갖는 튜브(2108)를 통해 상향 또는 하향 방향 중 한 방향으로만 흐를 수도 있다. 또 다른 구현예에 있어서, 중성자 리플렉터 재료(2106)는 튜브(2108)를 통해 반정체 또는 서서히 진행되는 유동을 포함할 수도 있다. 튜브(2108)는 모든 튜브(2108)의 반경이 동일하지 않도록 배치된다. 그렇기 때문에, 다양한 반경 값을 갖는 복수의 튜브(2108)가 채널(2104)에 배치될 수도 있다. 일 구현예에 있어서, 다양한 반경의 튜브(2108)는 채널(2104)의 단면적의 80%의 단면적을 차지하는 체적 내에서 중성자 리플렉터 재료가 흐르게 할 수도 있다. 도 21에 도시된 튜브(2108)가 다수인 관계로 가독성을 향상시키기 위해 모든 튜브에 숫자를 할당하지는 않았다. 본 개시에 있어서, 채널(2104) 내에 도시된 각각의 튜브는 중성자 리플렉터 재료(2106)를 수용하는 튜브(2108)를 표시하고, 심지어 그 안에 번호가 매겨지지 않은 튜브도 마찬가지라는 것을 이해하여야 한다.
전술한 바와 같이, 일부 실시형태에 있어서 리플렉터 또는 리플렉터의 일부는 예를 들어 300-350℃와 800℃ 사이의 작동 온도에서 완전하게 고체일 수도 있거나, 또는 작동 온도에서 고체인 용기 벽을 갖는 밀폐된 용기 내에 수용된 액체 리플렉터 재료일 수도 있을 것이다. 고체 리플렉터 재료의 예는 우라늄, 우라늄-텅스텐, 우라늄 또는 우라늄-텅스텐의 탄화물 및 산화 마그네슘을 포함한다. 액체 냉각제로서 사용될 수 있는 리플렉터 재료의 예는 납, 납 합금, PbBi 공융, PbO, 철-우라늄 공융을 포함한 철-우라늄 합금, 흑연, 탄화 텅스텐, 덴살로이, 탄화 티탄, 감손 우라늄 합금, 탄탈륨 텅스텐, 및 텅스텐 합금을 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 연료 염은 리플렉터 재료로서 사용될 수도 있다. 일 실시형태에 있어서, 액체 냉각제는, 원자로 작동 온도에서 액체이고 10g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 물질을 포함한다. 대안적 실시형태에 있어서, 액체 냉각제는, 원자로 작동 온도에서 액체이고 0.001 MeV 중성자에 대해 0.1반(barns) 이상의 탄성 단면을 나타내는 물질을 포함한다.
전술한 바와 같이, 액체 핵연료의 예로는 PuCl3, UCl4, UCl3F, UCl3, UCl2F2, UClF3, UBr3 또는 UBr4와 같은 브롬화물 연료 염, 및 염화 토륨(예를 들면 ThCl4) 연료 염 중 하나 이상을 함유하는 염이 포함된다. 또한, 연료 염은 NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, ThCl4, AcCl3, NpCl4, AmCl3, LaCl3, CeCl3, PrCl3 및/또는 NdCl3 와 같은 하나 이상의 핵분열 염을 포함할 수도 있지만, 그것에 제한되지 않는다. 원자로 내의 연료의 최소 및 최대 작동 온도는 원자로 전체에 걸쳐 액체상 내에 염을 유지하기 위해 사용되는 연료 염에 따라 달라질 수도 있다는 것에 유의하여야 한다. 최소 온도는 300-350℃ 만큼 낮을 수도 있으며, 최대 온도는 1400℃ 이상만큼 높을 수도 있다. 마찬가지로, 다르게 명시적으로 기재된 것을 제외하고, 본 개시에서, 열 교환기는 일반적으로 한 세트의 튜브를 갖고 양 단부에 튜브 시트가 형성되어 있는 단순한 싱글 패스 쉘-및-튜브 열 교환기의 관점에서 제공될 것이다. 그러나, 일부 설계가 다른 것보다 더 적합할 수도 있다고 하더라도, 일반적으로는 임의의 설계의 열 교환기가 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어 쉘 및 튜브 열 교환기 외에도 플레이트, 플레이트 및 쉘, 인쇄 회로 및 플레이트 핀 열 교환기가 적합할 수도 있다.
도 22는 순환하는 리플렉터 재료를 이용하는 원자로(2200)의 일 실시형태의 단면도를 도시한다. 도면은 격납 용기(2218)의 중심부터 좌측 에지까지의 원자로(2200)의 절반을 도시한다. 원자로(2200)는 상부 리플렉터(2208A), 하부 리플렉터(2208B) 및 내부 리플렉터(2208C)에 의해 형성된 원자로 노심(2204)를 포함한다. 도시된 실시형태에 있어서, 하부 리플렉터(2208B)는 또한 용기 헤드(2238)에 대한 부가적인 보호를 위해 측방으로 격납 용기(2218)의 측부까지 위로 연장된다. 1 차 열 교환기(2210)는 쉘측 냉각제 유동[점선(2214)으로 표시됨]을 갖도록 구성되며, 냉각제가 냉각제 입구 채널(2230)을 통해 유입되고, 가열된 냉각제가 냉각제 출구 채널(2236)로부터 배출된다. 도시된 실시형태에 있어서, 연료는 원자로 노심(2204)으로부터 내부 리플렉터(2208C)를 통과하는 상부 채널을 거쳐서 입구 튜브 시트(2232)를 통해 열 교환기(2210) 내로 흐른다[점선(2206)으로 표시됨]. 튜브 세트를 통과한 후에, 지금 냉각된 연료는 하부 튜브 시트(2231)를 빠져 나와 내부 리플렉터(2208C)를 통과하는 하부 채널을 거쳐서 원자로 노심(2204)으로 다시 흐른다. 연료의 흐름은 샤프트에 의해 모터[본 실시형태에 있어서는 상부 리플렉터(2208A) 위에 위치됨]에 연결된 연료 회로 내의 임펠러[본 실시형태에 있어서는 하부 튜브 시트(2231) 아래에 도시됨]를 포함하는 펌프 조립체(2212)에 의해 구동된다.
도 22에서, 리플렉터(2208A, 2208B, 2208C)는 액체 리플렉터 재료가 원자로 노심(2204) 둘레로 순환하도록 유체 연통한다. 리플렉터 재료의 흐름은 도 22에 큰 회색 화살표(2234)로 도시된다. 도시된 실시형태에 있어서, 리플렉터 재료는 용기 헤드(2238) 내의 입구를 통해 원자로 내부(2200)로 들어와서 격납 용기(2218)의 내부 표면을 따른 다음 격납 용기(2218)의 바닥을 따라 유동하고 그 후 상승하여 U 턴을 만들고, 원자로 노심(2204)의 바닥 근처로 유동한다. 그 다음, 리플렉터 재료는 내부 리플렉터(2208C)를 통해 위로 유동하여 상부 리플렉터(2208A)로 흘러 들어가고, 상부 리플렉터(2208A)로부터 용기 헤드(2238) 내의 출구를 통해 제거되거나 또는 격납 용기(2218)의 내부 표면으로 재순환될 수 있다.
도 22의 순환하는 리플렉터 재료는, 원자로 노심(2204)의 냉각을 돕는데 사용될 수도 있다. 이 구성에서, 가열된 리플렉터 재료는 격납 용기(2218)로부터 제거되어 원자로(2200) 외부의 열 교환기(도시되지 않음)를 통과할 수도 있다. 일 실시형태에 있어서, 열 교환기(2210)를 통해 연료로부터 직접 열을 제거하는 동일한 1 차 냉각제 루프가 또한 리플렉터 재료로부터 열을 제거하기 위해 사용될 수도 있다. 대안적인 실시형태에 있어서, 1 차 냉각제로서 동일한 유형의 냉각제를 사용할 수도 있고 또는 다른 유형의 냉각제를 사용할 수도 있는 리플렉터 재료로부터 열을 제거하기 위해 별개의 독립적인 냉각 시스템이 사용될 수도 있다. 또 다른 실시형태에 있어서, 리플렉터 재료 냉각은, 1 차 냉각 루프에서의 유동 손실시에 리플렉터 재료에 비상 냉각을 제공하는 보조 냉각 시스템에 통합될 수도 있다.
도시된 실시형태에 있어서, 리플렉터 재료가 냉각 루프의 일부인 경우, 도 22에 도시된 구성의 이점은 격납 용기가 능동적으로 냉각되고 과도한 중성자 플럭스로부터 보호된다는 것이다. 냉각된 리플렉터 재료는 원자로 노심(2204) 근처의 위치로 유동하기 앞서 먼저 먼저 격납 용기(2218)의 내부 표면을 따라 흐르기 때문에, 냉각된 리플렉터 재료의 초기 온도를 사용하여 격납 용기(2218)의 온도를 제어할 수도 있다.
또 다른 실시형태에 있어서, 격납 용기(2218)의 내부 표면 상의 순환하는 리플렉터 재료로부터 열을 제거하는 역할을 하는 냉각 재킷(도시되지 않음)이 냉각 용기(2218)의 외부 표면 상에 제공될 수 있다. 이것은 외부의 리플렉터 재료 냉각 회로에 추가하여 또는 대신하여 수행될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 도 22의 리플렉터 구성의 전체 반사도는, 리플렉터를 통과하는 반사 재료의 유속을 제어하는 것 뿐만 아니라 감속 재료 또는 순환하는 반사 재료의 반사도와는 다른 반사도의 재료를 함유하는 봉 또는 다른 구성요소를 삽입 또는 제거하는 것에 의해서 제어될 수도 있다.
도 23은 도 22에서와 같은 원자로의 절반의 동일한 단면도를 사용하는 쉘측 연료/튜브측 1 차 냉각제 열 교환기 구성을 갖는 원자로의 실시형태를 도시한다. 원자로 노심(2304)은 상부 리플렉터(2308A), 하부 리플렉터(2308B), 및 원자로 노심을 1 차 열 교환기(2310)로부터 분리시키는 내부 리플렉터(2308C)로 둘러싸여 있다. 리플렉터(2308A, 2308B, 2308C)를 통해 채널이 제공되어, 연료 염(점선(2306)으로 도시 됨)이 원자로 노심(2304)으로부터 내부 리플렉터(2308C)를 통해 1 차 열 교환기(2310)의 쉘로 순환되도록 한다. 연료는 튜브 세트 주변의 쉘을 통해 흘러서 열을 1 차 냉각제로 전달한다. 냉각된 연료는 쉘을 빠져 나와 내부 리플렉터(2308C)를 통해 원자로 노심(2304)의 바닥으로 다시 통과한다. 보다 효율적인 열 전달을 위해, 쉘 내에 배플(2312)이 제공되어, 연료 염이 열 교환기의 튜브 둘레의 우회 경로를 따라 가게 한다.
냉각제는 열 교환기(2310)의 튜브 측을 통해 흐르지만, 열 교환기의 바닥으로 들어가기 전에 먼저 용기 헤드(2338)의 입구를 통과하여, 하부 리플렉터(2308B)의 일부분에 인접한 냉각제 입구 채널(2330)의 길이를 따라 하방으로 흐른다. 1 차 냉각제는 하부 튜브 시트(2331)를 통해 유동함으로써 열 교환기(2310)의 튜브로 들어가고, 하부 튜브 시트(2331)는 원자로 노심의 바닥과 수평인 것으로 도시되어 있다. 하부 튜브 시트(2331)는 실시형태에 따라 하부 리플렉터(2308B)와 동일 레벨에 있을 수도 있고, 또는 그 아래에 있을 수도 있다. 냉각제는 도 23에 위치된 상부 튜브 시트(2332)에서 열 교환기의 튜브를 빠져 나가며, 도 23에서 상부 튜브 시트는 원자로 노심(2304) 및 격납 용기(2318) 위에 약간을 거리를 두고 위치한다. 냉각제의 흐름은 또한 점선(2314)에 의해 도시된다.
도 23은 원자로 노심(2304)에서 염의 레벨보다 위에 있는 열 교환기의 쉘 내의 영역(2334)을 도시한다. 이 영역은 관통 튜브를 제외하고는 고체일 수도 있고, 또는 불활성 가스로 채워진 헤드 스페이스일 수도 있다.
연료 염 순환, 1 차 냉각제 순환 또는 양자를 돕기 위해 하나 이상의 펌프(도시되지 않음)가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 원자로 노심(2304)의 상부에 있는 가열된 연료 염 입구 채널 또는 (보다 상세히 후술되는 바와 같이) 원자로 노심(2304)의 바닥에 있는 냉각된 연료 염 출구 채널 중 하나 또는 양자에 임펠러가 제공될 수도 있다. 마찬가지로, 1 차 냉각제 흐름의 제어를 돕기 위해 냉각제 입구 채널(2330)에 임펠러가 제공될 수도 있다.
도 23에서, 리플렉터(2308A, 2308B, 2308C)는 액체 리플렉터 재료가 원자로 노심(2304) 둘레로 순환하도록 유체 연통한다. 리플렉터 재료의 흐름은 도 23에 큰 회색 화살표(2334)로 도시된다. 도시된 실시형태에 있어서, 리플렉터 재료는 용기 헤드(2338)의 입구를 통해 원자로(2300) 내로 유입된 후 격납 용기(2318)의 측부의 내부 표면을 따라 리플렉터 채널 내에서 유동한다. 그 후, 리플렉터 채널은 격납 용기(2318)의 바닥을 따른 다음 U 턴을 하고 상승하여 원자로 노심(2304)의 바닥 근처로 유동한다. 그 다음, 리플렉터 재료는 내부 리플렉터(2308C)를 통해 위로 유동하여 상부 리플렉터(2308A)로 들어가고, 도시된 바와 같이 상부 리플렉터(2308A)로부터 용기 헤드(2338)의 출구를 통해 중앙 위치에서 제거되거나 또는 격납 용기(2318)의 내부 표면으로 재순환될 수도 있다.
도 22를 참조하여 논의된 바와 같이, 도 23에서 순환하는 리플렉터 재료(23)는 원자로 노심(2304)의 냉각을 돕기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 구성에서, 가열된 리플렉터 재료는 격납 용기(2318)로부터 제거되어 원자로(2300) 외부의 열 교환기(도시되지 않음)를 통과할 수도 있다. 리플렉터 재료가 냉각 루프의 일부일 경우, 도 23에 도시된 구성의 이점은, 격납 용기가 능동적으로 냉각되고 과도한 중성자 플럭스로부터 보호된다는 점이다. 냉각된 리플렉터 재료는 원자로 노심(2304) 근처의 위치로 유동하기 전에 먼저 격납 용기(2318)의 내부 표면을 따라 유동하기 때문에, 냉각된 리플렉터 재료의 초기 온도를 사용하여 격납 용기(2318)의 온도를 제어할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 도 23의 리플렉터 구성의 전체 반사도는, 리플렉터를 통과하는 반사 재료의 유속을 제어하는 것 뿐만 아니라 감속 부재 또는 순환하는 반사 재료의 반사도와 다른 반사도의 재료를 수용하는 봉 또는 다른 구성요소를 삽입 또는 제거하는 것에 의해서 제어될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 원자로 냉각에 대한 또 다른 접근법은 1 차 냉각제로서 액체 리플렉터를 이용하는 것이다. 이 설계에서, 1 차 냉각제는 리플렉터의 기능과 1 차 냉각 기능의 양자를 수행한다. 일 실시형태에 있어서, 리플렉터 재료는 최소 작동 연료 염 온도(예를 들어, 300℃ 내지 800℃)에서 액체일 것이고 10g/cm3 보다 큰 밀도를 가질 것이다. 대안적인 실시형태에 있어서, 리플렉터 재료는, 낮은 중성자 흡수 단면 및 높은 산란 단면을 가지며 (n, 2n) 반응을 겪을 수도 있는 물질일 수도 있다.
도 24는 리플렉터 냉각된 원자로의 그러한 실시형태를 도시한다. 이 구현예에 있어서, 원자로(2400)의 절반은 도 22 및 도 23에서와 같은 단면으로 도시된다. 원자로 노심(2404)은 상부 리플렉터(2408A), 하부 리플렉터(2408B)로 둘러싸여 있다. 회색 화살표(2414)로 도시된 바와 같이 냉각제 입구 채널을 통해 흐르는 납과 같은 용융된 리플렉터 재료는 내부 리플렉터(2408C)로서 뿐만 아니라 1 차 냉각제로서도 작용한다.
임의의 유형의 시스템이 리플렉터를 순환시키기 위해 사용될 수도 있다. 도 24의 실시형태에 있어서, 예를 들어, 도 22를 참조하여 기술하는 바와 같은 펌프(2413)가 냉각된 재료 입구 채널에 제공된다. 이러한 펌프(2413)는 임펠러가 액체 중성자-반사 냉각제의 순환을 돕거나 구동하기 위해 중성자-반사 냉각제 루프의 임의의 편리한 위치에 있도록 위치될 수도 있다.
도시된 실시형태에 있어서, 연료는 쉘측이고 또한 냉각제이기도 한 리플렉터 재료는 튜브측이다. 셸 및 튜브는 작동 온도에서 고체인 일부 구조적 재료로 만들진다. 연료 염은 점선(2406)으로 도시된 바와 같이 원자로 노심(2404)으로부터 1 차 열 교환기(2410)의 쉘측 내로 및 쉘측을 통해 원자로 노심(2404)의 바닥으로 다시 순환한다. 쉘 내에는 배플(2412)이 제공되어, 연료 염이 열 교환기의 튜브 둘레의 우회 경로를 따르도록 한다.
리플렉터/냉각제는 열 교환기(2410)의 튜브측을 통해 흐르지만, 열 교환기의 바닥으로 들어가기 전에 먼저 격납 용기(2418)의 측부 및 바닥에 인접한 냉각제 입구 채널의 길이로 따라 하방으로 흐른다. 일 실시형태에 있어서, 특히 격납 용기(2418)의 외부가 냉각되는 경우, 격납 용기의 내부 표면 상에 리플렉터 재료의 고체 층이 형성될 수도 있다. 이것은 리플렉터/냉각제의 흐름을 방해하지 않는 한 수용 가능하다. 그 다음, 리플렉터/냉각제는 원자로 노심(2404)의 바닥과 수평인 것으로 도시된 하부 튜브 시트(2431)를 통해 유동함으로써 열 교환기의 튜브로 들어간다. 리플렉터/냉각제는 상부 튜브 시트(2432)에서 열 교환기의 튜브로부터 배출되며, 도 24에서 상부 튜브 시트는 원자로 노심(2404) 및 격납 용기(2418) 위에 약간의 거리를 두고 위치한다.
도 24는 원자로 노심(2404)에서 연료 염의 레벨보다 높은 열 교환기의 쉘 내의 영역(2434)을 도시한다. 이 영역은 관통 튜브를 제외하고 임의의 반사 또는 감속 재료로 채워질 수도 있다(예를 들면 리플렉터/냉각제와 상이한 또는 동일한 리플렉터 재료로 채워짐).
도 24에서, 상부 리플렉터(2408A) 및 하부 리플렉터(2408B)는 순환하는 리플렉터/냉각제 재료와 구별되는 것으로 도시되어 있다. 대안적인 실시형태에 있어서, 상부 리플렉터(2408A), 하부 리플렉터(2408B) 및 내부 리플렉터(2408C)는 모두 도 22 및 도 23에 도시된 바와 같이 유체 연통하고 있을 수도 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 리플렉터 재료는 격납 용기(2418)의 측부의 내부 표면을 따라 원자로(2400) 내로 이동하지만, 그 다음 격납 용기(2418)의 바닥을 따라 이동한 후 상승하며, U- 턴하여서, 도 23에 도시된 바와 같이, 원자로 노심(2404)의 바닥 근처로 유동한다. 리플렉터 재료는 또한 상부 리플렉터(2308A) 내로 이동할 수도 있으며, 도 23에 도시된 바와 같이 중앙 위치에서 상부 리플렉터(2308A)로부터 제거될 수 있다.
연료 염 순환 또는 리플렉터/냉각제 순환을 돕기 위해 펌프(도시되지 않음) 또는 적어도 펌프의 임펠러가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 원자로 노심(2404)의 상부에 있는 1차 열 교환기로의 가열된 연료 염 입구 또는 (보다 상세히 후술되는 바와 같이) 원자로 노심(2404)의 바닥에 있는 1차 열 교환기의 쉘의 냉각된 연료 출구 중 하나 또는 양자에 임펠러가 제공될 수도 있다.
또 다른 구현예에 있어서, 반사 냉각제는 상부 및 하부 축방향 리플렉터를 통해 유동하여 1 차 냉각 루프로부터 분리된 순환 루프에서 이들 리플렉터 내에 발생된 임의의 열을 멀리 이류시킬 수도 있다.
리플렉터 디자인의 또 다른 실시형태에 있어서, '증식 및 연소 블랭킷'이 주 노심을 둘러싸도록 제공될 수도 있다. 이 실시형태에 있어서, 우라늄을 함유하는 리플렉터 '블랭킷'이 단독 리플렉터로서 또는 1차 리플렉터의 내측에 (노심과 1차 리플렉터 사이에) 또는 외측에 위치된 제 2 리플렉터로서 제공될 수 있을 것이다. 리플렉터 내의 우라늄은 액체나 고체중 어느 하나일 수 있을 것이고, 우라늄 금속, 산화 우라늄, 우라늄 염 또는 임의의 다른 우라늄 화합물일 수 있을 것이다. 리플렉터 내의 우라늄은 중성자를 반사하지만 시간이 지남에 따라 플루토늄을 증식시켜 연료원이 되게 할 것이다.
첨부된 청구 범위에도 불구하고, 본 개시는 하기의 조항들로 규정된다.
1. 용융 연료 원자로로서,
격납 용기 및 용기 헤드;
상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고 상부 영역 및 하부 영역을 갖는 원자로 노심; 및
상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고, 상기 원자로 노심 내의 액체 연료로부터의 열을 액체 중성자-반사 냉각제로 전달하도록 구성된 열 교환기
를 포함하는, 용융 연료 원자로.
2. 제 1 조항에 있어서,
상기 중성자-반사 냉각제는 납, 납 합금, 납-비스무트 공융, 산화 납, 철 우라늄 합금, 철-우라늄 공융, 흑연, 탄화 텅스텐, 덴살로이, 탄화 티탄, 감손 우라늄 합금, 탄탈륨 텅스텐 및 텅스텐 합금으로부터 선택되는 것인, 용융 연료 원자로.
3. 제 1 조항에 있어서,
상기 중성자-반사 냉각제는 0.001 MeV 중성자에 대해 0.1 반(barns) 이상의 탄성 단면적을 나타내는 것인, 용융 연료 원자로.
4. 제 1 조항에 있어서,
상기 중성자-반사 냉각제는 액체이고, 원자로 작동 온도에서 10g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 것인, 용융 연료 원자로.
5. 제 1 조항에 있어서,
상기 열 교환기는 쉘 및 튜브 열 교환기인 것인, 용융 연료 원자로.
6. 제 5 조항에 있어서,
상기 액체 연료는 열 교환기의 쉘을 통과하고, 상기 액체 중성자-반사 냉각제는 열 교환기의 튜브를 통과하는 것인, 용융 연료 원자로.
7. 제 5 조항에 있어서,
상기 액체 연료는 열 교환기의 튜브를 통과하고, 상기 액체 중성자-반사 냉각제는 열 교환기의 쉘을 통과하는 것인, 용융 연료 원자로.
8. 제 1 조항 내지 제 7 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 열 교환기는 상부 채널에 의해 상기 원자로 노심의 상부 영역에 유체 연결되고 하부 채널에 의해 상기 원자로 노심의 하부 영역에 유체 연결되며, 상기 원자로 노심, 열 교환기 및 상부 및 하부 채널은 연료 루프를 형성하는 것인, 용융 연료 원자로.
9. 제 1 조항 내지 제 8 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 열 교환기에 유체 연결되고, 냉각된 액체 중성자-반사 냉각제가 유입되는 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 입구; 및
상기 열 교환기에 유체 연결되고, 가열된 액체 중성자-반사 냉각제를 배출하는 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 출구
를 더 포함하는, 용융 연료 원자로.
10. 제 1 조항 내지 제 9 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 입구와 상기 열 교환기 사이의 상기 격납 용기의 제 1 부분의 내부에서 상기 제 1 부분과 접촉하는 입구 냉각제 수송 채널을 더 포함하며,
상기 입구 냉각제 수송 채널은 상기 액체 리플렉터 냉각제 입구로부터, 냉각된 액체 중성자-반사 냉각제가 유입되어서, 상기 격납 용기의 제 1 부분을 냉각하는 것인, 용융 연료 원자로.
11. 제 10 조항에 있어서,
상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
12. 제 10 조항에 있어서,
상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 바닥 벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
13. 제 10 조항에 있어서,
상기 격납 용기의 상기 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부 및 바닥 벽의 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
14. 제 1 조항 내지 제 13 조항 중 어느 한 구절에 있어서,
상기 연료 염은 하기의 핵분열 염: UF6, UF4, UF3, ThCl4, UBr3, UBr4, PuCl3, UCl4, UCl3, UCI3F 또는 UCI2F2 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
15. 제 1 조항 내지 제 14 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 연료 염은 하기의 비핵분열 염: NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, ThCl4, AcCl3, NpCl4, AmCl3, LaCl3, CeCl3, PrCl3 또는 NdCl3 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
16. 용융 연료 원자로로서,
격납 용기 및 용기 헤드;
상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고, 상부 영역 및 하부 영역을 갖는 원자로 노심;
상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고, 상기 원자로 노심 내의 액체 연료로부터의 열을 1차 냉각제로 열을 전달하도록 구성된 제 1 열 교환기;
적어도 일부 중성자-반사 액체를 수용하는 중성자 리플렉터; 및
상기 중성자 리플렉터 내에서 상기 적어도 일부 중성자-반사 냉각제를 순환시키는 순환 시스템
을 포함하는, 용융 연료 원자로.
17. 제 16 조항에 있어서,
상기 중성자-반사 액체는 납, 납 합금, 납-비스무트 공융, 산화 납, 철 우라늄 합금, 철-우라늄 공융, 흑연, 탄화 텅스텐, 덴살로이, 탄화 티탄, 감손 우라늄 합금, 탄탈륨 텅스텐 및 텅스텐 합금을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
18. 제 16 조항 내지 제 17 조항에 있어서,
상기 중성자-반사 액체는 0.001 MeV 중성자에 대해 0.1반 이상의 탄성 단면적을 나타내는 것인, 용융 연료 원자로.
19. 제 16 조항 내지 제 18 조항에 있어서,
중성자-반사 액체는 액체이고 원자로 작동 온도에서 10g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 것인, 용융 연료 원자로.
20. 제 16 조항 내지 제 19 조항에 있어서,
가열된 중성자-반사 액체로부터 열을 제거하고 냉각된 중성자-반사 액체를 방출하는 제 2 열 교환기를 더 포함하는, 용융 연료 원자로.
21. 제 20 조항에 있어서,
상기 제 2 열 교환기는 상기 원자로 용기의 외부에 있는 것인, 용융 연료 원자로.
22. 제 16 조항 내지 제 21 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 열 교환기에 유체 연결되고, 냉각된 액체 중성자-반사 액체가 유입되는 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 입구; 및
상기 열 교환기에 유체 연결되고, 가열된 액체 중성자-반사 액체를 방출하는 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 출구
를 포함하는, 용융 연료 원자로.
23. 제 16 조항 내지 제 22 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 액체 리플렉터 냉각제 입구와 상기 액체 리플렉터 냉각제 출구 사이의 상기 격납 용기의 제 1 부분 내부에서 상기 제 1 부분과 접촉하는 입구 리플렉터 수송 채널을 더 포함하며,
상기 입구 냉각제 수송 채널은 액체 리플렉터 냉각제 입구로부터, 냉각된 액체 중성자-반사 액체가 유입되어서, 상기 격납 용기의 제 1 부분을 냉각하는 것인, 용융 연료 원자로.
24. 제 23 조항에 있어서,
상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
25. 제 23 조항에 있어서,
상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 바닥 벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
26. 제 23 조항에 있어서,
상기 격납 용기의 상기 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부 및 바닥 벽의 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
27. 제 16 조항 내지 제 26 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 연료 염은 하기의 핵분열 염: UF6, UF4, UF3, ThCl4, UBr3, UBr4, PuCl3, UCl4, UCl3, UCI3F 또는 UCI2F2 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
28. 제 16 조항 내지 제 27 조항 중 어느 한 조항에 있어서,
상기 연료 염은 하기의 비핵분열 염: NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, ThCl4, AcCl3, NpCl4, AmCl3, LaCl3, CeCl3, PrCl3 또는 NdCl3 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
본원에 기술된 시스템 및 방법은 본원에서 언급된 목적 및 이점 뿐만 아니라 본원에서 내지된 목적 및 이점을 달성하기에 적합하다는 것이 명백할 것이다. 당업자라면, 본 명세서 내의 방법 및 시스템이 많은 방식으로 구현될 수도 있으며, 전술한 예시적인 실시형태 및 예에 의해 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 이와 관련하여, 본원에 기재된 상이한 실시형태의 임의의 수의 특징이 하나의 단일 실시형태로 조합될 수도 있고, 본 명세서에 기술된 특징의 전부보다 약간 적거나 많은 특징을 갖는 대안적인 실시형태가 가능하다.
본 개시를 위해 다양한 실시형태가 설명되었지만, 본 개시에 의해 의도된 범위 내에 있는 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수도 있다. 당업자에게 쉽게 제안되고 본 개시의 정신에 포함되는 수많은 다른 변경이 이루어질 수도 있다.

Claims (28)

  1. 용융 연료 원자로로서,
    격납 용기 및 용기 헤드;
    상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고, 상부 영역 및 하부 영역을 갖는 원자로 노심; 및
    상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고, 상기 원자로 노심 내의 액체 연료로부터의 열을 액체 중성자-반사 냉각제로 전달하도록 구성된 열 교환기
    를 포함하는, 용융 연료 원자로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자-반사 냉각제는 납, 납 합금, 납-비스무트 공융, 산화 납, 철 우라늄 합금, 철-우라늄 공융, 흑연, 탄화 텅스텐, 덴살로이, 탄화 티탄, 감손 우라늄 합금, 탄탈륨 텅스텐 및 텅스텐 합금으로부터 선택되는 것인, 용융 연료 원자로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자-반사 냉각제는 0.001 MeV 중성자에 대해 0.1 반(barns) 이상의 탄성 단면적을 나타내는 것인, 용융 연료 원자로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중성자-반사 냉각제는 액체이고, 원자로 작동 온도에서 10g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 것인, 용융 연료 원자로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 쉘 및 튜브 열 교환기인 것인, 용융 연료 원자로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액체 연료는 열 교환기의 쉘을 통과하고, 상기 액체 중성자-반사 냉각제는 열 교환기의 튜브를 통과하는 것인, 용융 연료 원자로.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 액체 연료는 열 교환기의 튜브를 통과하고, 상기 액체 중성자-반사 냉각제는 열 교환기의 쉘을 통과하는 것인, 용융 연료 원자로.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기는 상부 채널에 의해 상기 원자로 노심의 상부 영역에 유체 연결되고 하부 채널에 의해 상기 원자로 노심의 하부 영역에 유체 연결되며, 상기 원자로 노심, 열 교환기 및 상부 및 하부 채널은 연료 루프를 형성하는 것인, 용융 연료 원자로.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기에 유체 연결되고, 냉각된 액체 중성자-반사 냉각제가 유입되는 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 입구; 및
    상기 열 교환기에 유체 연결되고 가열된 액체 중성자-반사 냉각제를 배출하는 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 출구
    를 더 포함하는, 용융 연료 원자로.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 입구와 상기 열 교환기 사이의 상기 격납 용기의 제 1 부분의 내부에서 상기 제 1 부분과 접촉하는 입구 냉각제 수송 채널을 더 포함하며,
    상기 입구 냉각제 수송 채널은 상기 액체 리플렉터 냉각제 입구로부터, 냉각된 액체 중성자-반사 냉각제가 유입되어서, 상기 격납 용기의 제 1 부분을 냉각하는 것인, 용융 연료 원자로.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 바닥 벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 격납 용기의 상기 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부 및 바닥 벽의 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  14. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 염은 하기의 핵분열 염: UF6, UF4, UF3, ThCl4, UBr3, UBr4, PuCl3, UCl4, UCl3, UCI3F 또는 UCI2F2 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  15. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 염은 하기의 비핵분열 염: NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, ThCl4, AcCl3, NpCl4, AmCl3, LaCl3, CeCl3, PrCl3 또는 NdCl3 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  16. 용융 연료 원자로로서,
    격납 용기 및 용기 헤드;
    상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고, 상부 영역 및 하부 영역을 갖는 원자로 노심;
    상기 격납 용기 및 용기 헤드 내에 둘러싸이고, 상기 원자로 노심 내의 액체 연료로부터의 열을 1차 냉각제로 열을 전달하도록 구성된 제 1 열 교환기;
    적어도 일부 중성자-반사 액체를 수용하는 중성자 리플렉터; 및
    상기 중성자 리플렉터 내에서 상기 적어도 일부 중성자-반사 냉각제를 순환시키는 순환 시스템
    을 포함하는, 용융 연료 원자로.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 중성자-반사 액체는 납, 납 합금, 납-비스무트 공융, 산화 납, 철 우라늄 합금, 철-우라늄 공융, 흑연, 탄화 텅스텐, 덴살로이, 탄화 티탄, 감손 우라늄 합금, 탄탈륨 텅스텐 및 텅스텐 합금을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 중성자-반사 액체는 0.001 MeV 중성자에 대해 0.1반 이상의 탄성 단면적을 나타내는 것인, 용융 연료 원자로.
  19. 제 16 항에 있어서,
    중성자-반사 액체는 액체이고 원자로 작동 온도에서 10g/cm3보다 큰 밀도를 갖는 것인, 용융 연료 원자로.
  20. 제 16 항에 있어서,
    가열된 중성자-반사 액체로부터 열을 제거하고 냉각된 중성자-반사 액체를 방출하는 제 2 열 교환기를 더 포함하는, 용융 연료 원자로.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 2 열 교환기는 상기 원자로 용기의 외부에 있는 것인, 용융 연료 원자로.
  22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열 교환기에 유체 연결되고, 냉각된 액체 중성자-반사 액체가 유입되는, 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 입구; 및
    상기 열 교환기에 유체 연결되고, 가열된 액체 중성자-반사 액체를 방출하는, 용기 헤드 내의 액체 리플렉터 냉각제 출구
    를 포함하는, 용융 연료 원자로.
  23. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 리플렉터 냉각제 입구와 상기 액체 리플렉터 냉각제 출구 사이의 상기 격납 용기의 제 1 부분 내부에서 상기 제 1 부분과 접촉하는 입구 리플렉터 수송 채널을 더 포함하며,
    상기 입구 냉각제 수송 채널은 액체 리플렉터 냉각제 입구로부터, 냉각된 액체 중성자-반사 액체가 유입되어서, 상기 격납 용기의 제 1 부분을 냉각하는 것인, 용융 연료 원자로.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 격납 용기의 제 1 부분은 상기 격납 용기의 바닥 벽의 적어도 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 격납 용기의 상기 제 1 부분은 상기 격납 용기의 측벽의 적어도 일부 및 바닥 벽의 일부를 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  27. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 염은 하기의 핵분열 염: UF6, UF4, UF3, ThCl4, UBr3, UBr4, PuCl3, UCl4, UCl3, UCI3F 또는 UCI2F2 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
  28. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 염은 하기의 비핵분열 염: NaCl, MgCl2, CaCl2, BaCl2, KCl, SrCl2, VCl3, CrCl3, TiCl4, ZrCl4, ThCl4, AcCl3, NpCl4, AmCl3, LaCl3, CeCl3, PrCl3 또는 NdCl3 중 하나 이상을 포함하는 것인, 용융 연료 원자로.
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