KR20210141730A

KR20210141730A - 특히 ntp 적용의 수학 기반 주기적 고체에 해당하는 형상의 경사 기능 격자 서멧 연료 구조물

Info

Publication number: KR20210141730A
Application number: KR1020217035203A
Authority: KR
Inventors: 벤자민 디. 피셔; 존 알. 살라신; 크레이그 디. 그램리치; 조나단 케이. 위터
Original assignee: 비더블유엑스티 어드밴스드 테크놀로지스, 엘엘씨
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-11-23
Also published as: US20200365290A1; EP3948898A4; WO2021002903A2; US11817225B2; US20240266077A1; US20220351870A1; EP3948898A2; CA3130721A1; JP2022521858A; US20240038405A1; US20240038406A1; US11424041B2; JP7504122B2; WO2021002903A3; CA3209492A1

Abstract

핵추진 핵분열 원자로 구조물은 연료 요소 구조물, 회전 가능한 중성자 흡수체 구조물(예를 들어, 드럼 흡수체 등)가 있는 반사체, 연료 요소 구조물의 외측 표면을 반사체에 등각으로 결합하는 코어 형성자를 포함하는 활성 코어 영역을 갖는다. 연료 요소 구조물은 3피치 설계에서 가장 가까운 이웃 연료 요소 구조물에 인접하여 배열된다. 냉각수 채널을 규정하는 피복재 본체는 격납 구조물의 제1 부분인 연속 구조물로부터 하부 및 상부 코어 판에 삽입되고 결합된다. 핵 추진 핵분열 원자로 구조물은 우주 추진과 같은 추진 용도를 위해 핵 열 추진 엔진에 통합될 수 있다.

Description

특히 NTP 적용의 수학 기반 주기적 고체에 해당하는 형상의 경사 기능 격자 서멧 연료 구조물

기술분야 및 산업상 이용 가능성

본 발명은 핵 연료 세그먼트(들), 및 그 구조물이 수학 기반 주기적 고체(mathematically-based periodic solid)의 표면에 의해 규정되는 채널 네트워크를 포함하는 핵 연료 세그먼트(들)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 수학 기반 주기적 고체의 예에는 3중 주기적 최소 표면이 포함된다. 이러한 고체가 핵 분열성 연료를 포함하는 조성물로 제조되는 경우, 그 구조물은 핵 열 추진(NTP) 원자로 또는 지상 원자로와 같은 핵 응용 분야에서 핵 연료 세그먼트로 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 수학 기반 주기적 고체의 표면에 대응하는 표면을 갖는 구조물에 관한 것으로, 이는 또한 개별 핵연료 세그먼트와 활성 코어 영역 및 원자로 전체의 규모에서 일정한(농축 시 ±2%) 특정 농축(단위 부피당 농축율 %)을 유지한다. 핵연료 세그먼트(들)는 예를 들어 적층 제조 공정에 의해 제조될 수 있다.

다음 설명에서, 특정 구조물 및/또는 방법이 참조된다. 그러나 다음 참조가 이러한 구조물 및/또는 방법이 선행 기술을 구성한다는 것을 인정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 출원인은 그러한 구조물 및/또는 방법이 본 발명에 대한 선행 기술로서 자격이 없음을 입증할 권리를 명시적으로 유보한다.

3중 주기적 최소 표면(TPMS)은 변환(translation)의 랭크-3 격자 아래에서 불변인 3차원 공간 내의 최소 표면이다. TPMS의 표면은 결정학적(crystallographic) 그룹의 대칭성이 있고, 그 예로는 입방정계(cubic), 정방정계(tetragonal), 능면체(rhombohedral), 및 사방정계(orthorhombic)가 있다. 도 1은 행으로 배열된 TPMS 구조물(10)의 예시적인 쌍을 도시한다. 각 쌍(즉, 행 1의 쌍 a~d 및 행 2의 쌍 e~h)은 본체(30)를 형성하는 기본 유닛(또는 부분 기본 유닛)(20) 및 복수의 기본 유닛을 포함한다. 도 1에서, TPMS의 각 표현은 설명을 위해 입방체 형성 인자로 제한된다. 예시적인 TPMS 구조물의 다른 이미지는 다음에서 알 수 있고, 그 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다: http://facstaff.susqu.edu/brakke/evolver/examples/periodic/periodic.html

TPMS는 다양한 목적으로 연구되어 왔다. 예를 들어, TPMS는 자연 과학에서 대중화되었으며(A. Schoen, "자체 교차가 없는 무한 주기 최소 표면(Infinite Periodic Minimal Surfaces without Self-Intersections)" NASA 기술 노트 TN D-5541(1970) 참조), 그 내용은 참고로 본 명세서에 포함되며, 이는 TPMS가 자연 과학에서 대중화되었음을 설명한다.

상기 설명을 고려할 때, 3중 주기적 최소 표면과 같은 수학 기반 주기적 고체의 구조물에 대응하는 핵연료 세그먼트에 대한 구조물을 갖는 것이 유리할 것이며, 이러한 핵연료 세그먼트가 원자로 내부에 조립되는 반면, 또한 수학 기반 주기적 고체의 주기성과 대칭성을 포함한 구조물을 유지한다. 이러한 구조물은 수학 기반 주기적 고체의 표면에 의해 규정된 채널 네트워크를 가지며, 최대 20% 농축율을 갖는 핵 분열성 연료를 포함하는 조성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 핵 분열성 연료는 구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축율 %)가 일정하도록(농축도 ±2%) 수학 기반 주기적 고체의 구조물 내에 분포될 수 있다. 더욱이, 일정한(농축도 ±2%) 특정 농축도는 핵연료 세그먼트 내에서 균일하게 존재할 수 있을 뿐만 아니라 원자로의 전체 활성 코어 영역, 즉 복수의 핵연료 세그먼트에 걸쳐 존재할 수도 있고, 그에 수반하여 원자로 뉴트로닉스(neutronics)가 개선된다. 핵연료 세그먼트(들)는 예를 들어 적층 제조 기술에 의해 제조될 수 있다.

일반적으로, 본 발명은 또한 핵 기반 추진 시스템에서 엔진으로 사용하기에 적합한 핵분열 원자로 구조물에 관한 것이다. 예시적인 실시형태에서, 핵분열 원자로 구조물은 각각이 수학 기반 주기적 고체의 표면에 의해 규정된 채널 네트워크를 갖고 최대 20% 농축율을 갖는 핵 분열성 연료를 포함하는 조성을 갖는 재료로 형성된 복수의 핵 연료 세그먼트를 이용하고, 상기 농축도는 구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축율 %)가 일정하도록(농축도 ±2%) 수학 기반 주기적 고체의 구조물 내에 분포된다. 핵분열 원자로 구조물은 핵 열 추진 원자로와 엔진의 선체에 수용된다. 추진 가스는 핵분열 원자로 구조물의 냉각제(냉각 매체라고도 함)로 사용된다. 핵분열 원자로 구조물에서 과열된 추진가스는 노즐을 통해 배출되어 추력과 충격을 발생시킨다.

핵연료 세그먼트의 실시형태는 수학 기반 주기적 고체에 대응하는 형상의 구조물을 갖는 본체를 포함한다. 수학 기반 주기적 고체의 표면은 본체의 복수의 채널을 형성하고 채널의 적어도 일부는 본체의 제1 외측 표면으로부터 본체의 제2 외측 표면까지 연장된다. 이 구조물은 35% 내지 85%의 체적 밀도를 가지며, 구조물의 조성은 농축도가 최대 20%인 핵 분열성 연료를 포함하며, 구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축율 %)는 ±2%로 일정하다.

핵연료 격자 구조물의 실시형태는 본체의 외피 표면 내에 위치된 상호 연결된 채널의 네트워크를 규정하는 외측 표면을 갖는 복수의 웨빙(webbing)을 포함하는 구조물의 본체를 포함한다. 웨빙의 기준선은 수학 기반 주기적 고체의 음함수 곡면(implicit surface)이다. 채널의 적어도 일부는 본체의 제1 외측 표면으로부터 본체의 제2 외측 표면까지 연장되고, 그 구조물은 35% 내지 85%의 체적 밀도를 가지며, 구조물의 조성은 최대 20% 농축도를 갖는 핵 분열성 연료를 포함하고, 구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축도 %)는 ±2%로 일정하다.

핵연료 세그먼트의 실시형태 및 핵연료 격자 구조물의 실시형태는 원자로 구조물의 활성 코어 영역에 통합될 수 있고, 원자로 구조물은 핵 열 추진 엔진에 통합될 수 있다.

핵연료 세그먼트를 제조하는 방법의 실시형태는 격자형 메쉬에 수학 기반 주기적 고체를 구현하는 단계; 격자형 메쉬를 복수의 층으로 분할하는 단계; 및 수학 기반 주기적 고체에 대응하는 형상의 구조물을 갖는 본체를 제조하기 위해 핵 분열성 연료 조성물을 증착하도록 적층 제조 공정을 제어하기 위한 복수의 층을 사용하는 단계를 포함한다. 수학 기반 주기적 고체의 표면은 본체의 복수의 채널을 형성하며, 채널의 적어도 일부는 본체의 제1 외측 표면으로부터 본체의 제2 외측 표면까지 연장된다. 이 구조물은 35% 내지 85%의 체적 밀도를 가지며, 구조물의 구성은 농축도가 최대 20%인 핵 분열성 연료를 포함하며, 구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축율 %)는 ±2%로 일정하다.

최적화된 원자로 성능을 달성하기 위해 체적 밀도를 조정할 수 있는 격자와 같은 TPMS 구조물을 갖는 연료 요소를 생성하기 위한 개시된 구조물 및 방법이 제공된다. 특히, 핵 분열성 물질(예를 들어 U²³⁵)의 설계된 배치는 연료 요소들 사이의 농축 변화가 아니고, 체적에 따라 연료 집합체와 개별 연료 요소 사이뿐만 아니라 연료 집합체와 연료 요소 자체 내부에서도 최적화를 가능하게 한다. 따라서 핵분열 연료의 우라늄 함량은 본체의 공간적 위치에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, U²³⁵의 함량은 격자의 밀도 상승에 의해 증가시킬 수 있다. 맞춤형(tailored) 체적 밀도는 TPMS 구조물의 상호 연결된 채널 네트워크를 통해 흐르는 매체의 유량과 같은 원자로의 뉴트로닉스 및 기타 특성에 영향을 미치기 위해 수학 기반 주기적 고체의 바이어스와 조합될 수 있다.

실시형태로서 다음의 상세한 설명뿐만 아니라 전술한 요약은 첨부된 도면과 함께 더 잘 이해될 수 있다. 기술된 실시형태는 나타낸 정확한 배열 및 수단에 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
도 1은 3중 주기적 최소 표면의 다양한 예(a 내지 h로 표시)를 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 2는 제1 핵연료 세그먼트가 부분 단면도로 도시되어 있는 복수의 핵연료 세그먼트를 포함하는 활성 코어 영역을 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 3은 핵연료 세그먼트의 부분 단면도를 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 3중 주기적 최소 표면(도 4a) 및 3중 주기적 최소 표면의 한 유닛 셀(도 4b)을 예시한 사시도이다.
도 4c는 상부 우측 코너로부터 정육면체 대각선을 따라 C3 대칭축의 방향에서 본 도 4a의 3중 주기적 최소 표면을 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 5는 자이로이드(gyroid) 구조물의 예를 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 6a 내지 도 6d는 주기성(도 6a), 두께(도 6b), TPMS 유형(도 6c) 및 바이어스(도 6d)를 변경시킴으로써 TPMS의 격자 구조물에 대한 효과를 예시한 도면이다.
도 7a는 본체의 구조물이 TPMS의 자이로이드 형태를 갖는 예시적인 핵연료 세그먼트의 단면을 사시도로 보여주는 개략도이고, 도 7b는 도 7a의 일부 확대도이다.
도 8은 고체 감속재 블록에 분포된 복수의 핵연료 세그먼트를 포함하는 원자로 구조물의 실시형태에 대한 상부 사시도이다.
도 9는 수학 기반 주기적 고체에 대응하는 형상의 구조물을 갖는 본체가 있는 복수의 핵연료 세그먼트를 포함하는 활성 코어 영역을 갖는 원자로 구조물을 포함하는 핵 열 추진 원자로의 구조물 및 특징의 배열을 예시한 도면이다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한, 3중 주기적 최소 표면의 도면은 예시의 목적을 위해 입방체 형성인자에 의해 경계가 정해진다.

도 2는 복수의 핵연료 세그먼트(200)를 포함하는 활성 코어 영역(100)의 개략적인 사시도이다. 제1 핵연료 세그먼트(200a)는 도 2 및 도 3 모두에 부분 단면도로 도시되어 있다. 핵연료 세그먼트(200)는 원자로 구조물(100)의 종축을 규정하는 축 방향 중심선(105)에 대해 축 방향으로 조립된다. 활성 코어 영역(100)에서 연속적으로 인접한 핵연료 세그먼트(200)는 계면(110)에서 서로 짝을 이루고, 그 결과 냉각 매체가 원자로 구조물(100)의 제1 측면(120)으로부터 원자로 구조물(100)의 제2 측면(130)으로 흐르도록 핵연료 세그먼트(200)의 본체(205)를 통하는 경로가 존재한다. 도 2에서, 3개의 핵연료 세그먼트(200)를 갖는 활성 코어 영역(100)이 도시되어 있지만, 활성 코어 영역(100)의 대안적인 실시형태에서, 핵연료 세그먼트(200)의 수는 변할 수 있다. 예를 들어, 대안적인 실시형태에서 활성 코어 영역(100)은 4개, 5개, 6개 또는 다른 수의 핵 연료 세그먼트(200)를 가질 수 있다. 최대 10개, 20개 또는 30개의 핵연료 세그먼트(200)가 축 방향으로 조립되어 활성 코어 영역(100)을 형성할 수 있는 것이 고려된다.

핵 연료 세그먼트(200)의 실시형태는 수학 기반 주기적 고체에 대응하는 형상의 구조물을 갖는 본체(205)를 포함한다. 도 1에 도시된 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 당업계에 공지된 임의의 수학 기반 주기적 고체가 본체(205)로 사용될 수 있다. 수학 기반 주기적 고체의 표면(210)은 본체(205)에서 복수의 채널(215)을 형성한다. 표면(210)이 수학 기반 주기적 고체에 의해 형성된 형태를 따르지만(본 명세서에 설명된 바와 같이 가능한 변형이 있음), 표면(210)에 의해 형성된 채널(215)의 적어도 일부는 본체(205)의 제1 외측 표면(220)으로부터 본체(205)의 제2 외측 표면(225)까지 연장된다. 채널의 적어도 일부, 대안적으로 대부분의 채널 및 추가적인 대안으로 모든 채널은 냉각 매체를 위한 본체(205)를 통하는 경로를 제공한다.

본체(205)의 구조물은 35% 내지 85%의 체적 밀도를 갖는 구조물이다. 다양한 대안적 실시형태에서, 체적 밀도는 40%, 45%, 50% 또는 55% 이상이고, 80%, 75%, 70% 또는 65% 이하이거나, 또는 체적 밀도는 60±10%이다. 체적 밀도는 고체 재료와 열린 공간(즉, 채널)을 모두 포함하는 단위 체적의 총 체적에 대한 본체의 단위 체적에 있는 고체 재료의 양을 고려하여 결정된다.

본체(205) 구조물의 구성은 최대 20%의 농축도를 갖는 핵 분열성 연료를 포함한다. 일부 실시형태에서, 핵 분열성 핵연료 조성물은 5% 초과 20% 미만의 U²³⁵ 분석을 갖는 고분석 저농축 우라늄(HALEU, high-assay low-enriched uranium)일 수 있다. 다른 실시형태에서, 핵 분열성 핵연료 조성물은 U²³⁵가 20% 이상인 고농축 우라늄(HEU)일 수 있다. 핵 연료 세그먼트의 개시된 본체에 적용 가능한 적합한 핵 분열성 핵 연료 조성물은 10 중량%의 몰리브덴 우라늄(U-10Mo), 질화우라늄(UN), 및 기타 안정한 핵 분열성 연료 화합물과 함께 20% 미만 농축된 산화우라늄(UO₂)을 포함한다. 가연성 독극물도 포함될 수 있다. 일반적으로 핵 분열성 핵연료 조성은 W 또는 Mo를 함유하는 UO₂ 및 W 또는 Mo를 함유하는 UN과 같은 세라믹-금속(서멧) 형태이다. 일부 실시형태에서, 용융 금속은 또한 서멧의 "금속" 부분으로서 기능할 수 있다.

본체(205) 구조물의 물리적 형태 및 본체(205)를 제조하는 데 사용되는 조성은 모두 ±2%로 일정한 구조물의 특정 농축도(여기서 특정 농축도는 단위 부피당 농축율 %임)을 제공하도록 변경될 수 있다. 특정 실시형태에서, 특정 농축도는 10±2%, 대안적으로 13±2%, 15±2%, 16±2% 또는 18±2%로 일정하다. 특정 농축도는 본체(205) 구조물의 물리적 형상과 본체(205)의 구조물을 형성하는 데 사용되는 재료의 조성 중 하나 또는 둘 모두를 변경함으로써 ±2%로 일정하게 유지된다. 대안적으로, 및 구성. 예를 들어, 구조물의 모양이 더 두꺼운 경우, 농축도가 더 낮다. 마찬가지로, 구조물의 모양이 더 얇은 경우, 농축도는 더 높다. 각 경우에, 구조물의 모양을 형성하는 재료의 부피와 해당 부피를 형성하는 데 사용되는 조성 사이에 균형이 있으므로, 단위 부피당 농축도(%)(즉, 특정의 농축도)는 ±2%로 일정하다.

본체 구조물의 형상이 대응하는 수학 기반 주기적 고체는 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어, 수학 기반의 주기적 고체는 3중 주기적 최소 표면(TPMS, TPMS)일 수 있다. 일부 양태에서, 3중 주기적 최소 표면은 슈바르츠(Schwarz) 최소 표면이다. 다른 양태에서, 3중 주기적 최소 표면은 자이로이드 구조이다. 또 다른 양태에서, 3중 주기적 최소 표면은 격자 구조이다.

도 4a 및 도 4b는 쉔(Schoen)의 자이로이드 표면(300) 형태의 3중 주기적 최소 표면을 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 4b는 다중 유닛 셀을 나타내고, 도 4b의 확대도는 하나의 유닛 셀(310)을 나타낸다. 두 도면에서 채널(315)을 형성하는 표면(310)을 쉽게 알 수 있다.

도 4c는 상부 우측 코너로부터 정육면체 대각선을 따라 C3 대칭축의 방향에서 본, 도 4a의 3중 주기적 최소 표면을 개략적으로 도시한 사시도이다. 대칭 축은 350으로 표시된다. 표면(310)과 채널(315) 모두 도 4c에서 볼 수 있다.

도 5는 자이로이드 구조물의 예를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도시된 자이로이드 구조물(각각 유닛 입방 셀로 표시됨)은 슈바르츠(Schwarz) P 표면(400), 슈바르츠 D 표면(410) 및 슈바르츠 CLP 표면(420)을 포함한다. 쉔의 자이로이드 표면(300)에서와 같이, 채널(435)을 형성하는 표면(430)은 도 5의 자이로이드 구조물에서 쉽게 볼 수 있다.

3중 주기적 최소 표면(TPMS)이 격자 구조물인 실시형태와 관련하여, 격자 구조물은 임의의 적합한 기술에 의해 형성될 수 있다. 일 실시형태에서, 자이로이드는 격자 구조물을 형성한다. 자이로이드는 다음 자이로이드 수학식(1)으로 정의되는 무한하게 연결된 3중 주기적 최소 표면이다:

<수학식 1>

수학식(1)로 인한 TPMS는 음함수 곡면(implicit surface)을 생성한다. TPMS의 암시적 표면은 기준선이라고 하며 극도로 얇다.

자이로이드와 같은 TPMS의 격자 구조물은 격자 구조물의 최종적 구조물 형태를 얻기 위해 변경될 수 있다. 이러한 변경에는 (i) 주기성, (ii) 두께, (iii) 3중 주기적 최소 표면(TPMS)의 유형, 및 (iv) 바이어스가 포함된다. 예로서, 도 6a 내지 도 6d는 주기성(도 6a), 두께(도 6b), TPMS의 유형(도 6c) 및 바이어스(도 6d)를 변경함으로써 TPMS의 격자 구조물에 대한 효과를 예시한다. 도 6a 내지 도 6d에서, TPMS는 예시의 목적을 위해 입방체 형성인자에 의해 경계가 정해진다.

격자의 웨빙 특성, 그에 따른 TPMS의 표면 및 채널의 특성은, 예를 들어 격자의 웨빙을 넓히거나 두껍게 하고 격자를 나타내는 방정식을 적절하게 수정함으로써 (기준선에 대해) 변경될 수 있다. 이러한 변경을 달성하기 위해 강제 형상을 적용할 수 있다. 한 예에서, 방향과 크기가 모두를 갖는 벡터 필드는 자이로이드 방정식(또는 TPMS의 다른 방정식)에 적용할 수 있으며, 이는 f(x,y,z)로서 변할 수 있는 체적 밀도를 생성한다(이는 핵연료 세그먼트 별로 또는 활성 코어 영역 별로 또는 원자로 구조물 별로 구현될 수 있음). 그 결과 웨빙의 두꺼워짐은 기준선에 대해 대칭 또는 비대칭일 수 있고, 열 및 핵 특성에 영향을 미치기 위해 본체 전체에 웨빙의 두께를 변경시킬 수 있다. 두꺼워지는 것은 상호 연결된 채널의 네트워크에 영향을 미치며, 이는 본체의 전체 온도 구배와 열전도율에 영향을 미친다. 다른 변경에서, 편향을 자이로이드 방정식에 적용하여 본체 내에 수렴 및 발산 영역을 생성할 수 있으며, 이는 상호 연결된 채널 네트워크를 통해 이동하는 냉각 매체의 유량에 영향을 미칠 수 있다.

TPMS 구조물을 사용하고 격자 구조물을 변경하면, 웨빙의 크기와 밀도를 적절히 특정할 수 있고, 선택적으로 웨빙을 형성하기 위해 사용되는 핵 분열성 연료 재료를, 원하는 영역의 부품 밀도를 변경함으로써, 격자 내의 지정된 위치에서 효과적으로 농축할 수 있다. 원자력 용도에서는, 격자 내의 이러한 특정된 장소는 원자로의 특정된 장소에 대응하므로, TPMS 구조물을 사용하고 격자 구조물을 변경함으로써 원자로, 특히 NTP 원자로의 뉴트로닉스, 열 수력학 및 응력 역학을 최적화할 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 핵 연료 세그먼트로 돌아가서, 본체(205)는 하우징에 의해 외측 표면의 적어도 일부 상에서 선택적으로 봉입(enclosed)될 수 있다. 예를 들어, 본체(205)는 디스크 형상일 수 있다(또는 본체(205)의 불규칙한 외측 표면을 고려하여, 디스크 형상인 외피 표면에 대응할 수 있음). 이러한 디스크형 본체(205)는 제1 외측 표면(220)과 제2 외측 표면(225) 사이의 본체(205)의 두께에 대응하는 축 방향 거리(D1)를 연장하는 방사상 측면(250)을 포함하는 체적을 점유한다. 일부 실시형태에서, 하우징은 본체(205)의 방사상 측면(250)의 방사상 외측에 있는 측벽(240)이다. 다른 실시형태에서, 하우징은 제1 외측 표면(220) 및 제2 외측 표면(225) 중 하나 또는 둘 모두를 둘러싸는 측벽 및 구조물을 모두 포함할 수 있다. 하우징이 제1 외측 표면(220) 및 제2 외측 표면(225) 중 하나에 존재할 때, 하우징은 본체(210)의 채널(215)을 통해 흐르는 냉각 매체의 통과를 가능하게 하는 개구를 통합할 수 있다. 일부 실시형태에서, 특히 하우징이 측벽일 때, 하우징은 중성자 열화(thermalizing) 재료를 포함하는 조성물을 갖는다. 중성자 열화 재료의 예로는 지르코늄(Zr) 합금, 베릴륨(Be) 합금 또는 흑연 중 하나 이상을 포함하는 조성물이 있다. 일부 실시형태에서, 중성자 열화 재료는 지르코늄 하이드라이드(ZrH) 또는 베릴륨 산화물(BeO)을 포함하는 조성물을 갖는다.

일부 실시형태에서, 본체(205)는 선택적으로 복수 채널(215)의 표면 상에 증착된 피복재 층을 포함한다. 피복재(cladding)는 냉각재와 핵연료 사이에 위치한 층(또는 코팅)이다. 피복재는 방사성 핵분열 파편이 연료를 냉각재로 빠져나가 오염시키는 것을 방지하는 안전 장벽 역할을 한다. 피복재의 일부 설계 제약에는 중성자 흡수, 방사선 저항 및 온도 거동이 포함된다. 피복재는 일반적으로 열 중성자의 흡수 단면적이 낮은 내부식성 재료로 제조된다. 예시적인 재료는 지르칼로이(Zircaloy) 또는 강철을 포함하지만, 금속 및 세라믹 시스템(Be, C, Mg, Zr, O 및 Si)과 같이 원자로 조건에 적합한 경우 다른 재료뿐만 아니라 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탄탈륨, 하프늄 및 탄화물을 포함한 이들의 합금을 포함하는 조성물이 사용될 수 있다. 다른 예에서, 피복재 층은 강철 합금, 지르코늄 합금, 몰리브덴-함유 금속 합금, 몰리브덴-텅스텐 합금, 지르칼로이-4 또는 하스텔로이-X를 포함하는 조성을 갖는다. 일부 실시형태에서, 피복재 재료는 더 높은 중성자 흡수 단면적을 갖는 동위원소의 환원을 통해 반응성을 향상시키기 위해 동위원소가 풍부할 수 있으며, 예를 들어 몰리브덴이 풍부한 Mo-92는 원소 몰리브덴보다 기생(parasitic) 중성자 흡수 단면적이 작을 것이다. 개시된 핵 연료 세그먼트의 실시형태에서, 핵 연료는 본체(205)에 있고, 일부 양태에서, 피복재는 채널(215)을 형성하는 표면의 부분에 위치된 층이다. 대안적으로, 다른 양태에서, 피복재는 본체의 모든 표면, 즉 표면(210)과 채널(215) 모두에 위치한 층이다.

피복재는 TPMS의 제조 후에 표면(210) 및 채널(215) 상에 증착될 수 있거나 TPMS와 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 피복재는 화학 증기 증착(CVD)과 같은 증기 증착 공정에 의해 증착될 수 있다. 대안적으로, 피복재는 전기도금, 무전해 도금, 또는 기타 침지 증착 공정과 같은 액체 기반 공정으로 증착될 수 있다. 다른 예에서, 피복재는 적층 제조 공정(본 명세서에 추가로 설명)에서 TPMS와 일체로 형성될 수 있다.

도 7a는 본체의 구조물이 TPMS의 자이로이드 형태를 갖는 예시적인 핵연료 세그먼트의 단면을 개략적으로 도시한 사시도이다. 핵연료 세그먼트(500)의 단면은 본체(505)의 직경을 따라 취해진 것이다. 이 실시형태에서, TPMS의 표면(510)은 단면을 따라 주기적인 파동 구조물을 갖는다. 도 7b는 도 7a의 섹션(550)의 확대도이다. 도 7a는 본체(505)의 일부를 확대한 도면이다. 도 7a는 또한 표면(510) 상에 증착된 피복재(555)를 개략적으로 도시한다. 도 7a에서, 피복재는 본체의 양쪽 표면(510), 즉 TPMS의 어느 한 쪽에 형성된 채널(560)과 관련된 표면(510)에 있다.

전술한 바와 같이, 도 2는 원자로 구조물의 종축을 규정하는 축 방향 중심선(105)을 따라 배열된 복수의 핵연료 세그먼트(200)를 포함하는 활성 코어 영역(100)의 개략적인 사시도이다. 복수의 핵연료 세그먼트(200)를 조립할 때, 인접한 핵연료 세그먼트(200)의 본체(205)에 있는 복수의 채널(215)은 활성 코어 영역(100)의 제1 단부 표면(120)으로부터 활성 코어 영역(100)의 제2 단부 표면(130)으로 유체 연통을 제공하도록 정렬된다. 일부 실시형태에서, 하나의 핵연료 세그먼트(200)의 본체(205)에 있는 냉각제 채널(215)과 같은 기능을 인접한 핵연료 세그먼트(200)의 본체(205)에 있는 기능과 정렬하는 것을 돕기 위해 정렬 보조 수단이 사용될 수 있다. 예를 들어, 인접한 핵 연료 세그먼트(200)의 인접 표면 상의 수용 공간에 삽입하거나 수용함으로써 짝을 이루거나 삽입되는 하나의 핵 연료 세그먼트(200)의 표면 상의 돌출 레지스트리 기능을 이용하는 클로킹(clocking) 기술이 적용될 수 있다. 핀, 노치, 형성된 돌기 등을 포함한 다른 레지스트리 기능도 사용될 수 있다. 또한, 정렬 보조 수단은 계면(110)을 형성하는 측벽(240)의 표면과 같은 인접하는 내부 표면 및 연속적인 외부 측면을 포함하는 다양하고 적합한 표면 중 하나 이상에 배치될 수 있다.

통상적으로, 원자로 구조물을 형성할 때, 활성 코어 영역(100)은 다른 구성요소와 조립된다. 예를 들어, 원자로 구조물의 실시형태는, 코어 개질기(reformer)의 방사상 외측에 있고, 활성 코어 영역을 향해 방사상으로 배향된 방사상 내면, 및 (신택적으로) 활성 코어 영역의 방사상 외측 및 코어 개질기의 방사상 내측으로 배향된 코어 형성기를 갖는 반사체를 더 포함할 수 있다. 코어 형성기는 활성 코어 영역의 방사상 외측 표면과 반사체의 방사상 내부 표면 사이에 등각(conformal) 결합을 제공한다. 예를 들어, 코어 형성기의 제1 방사상 내측 표면은 활성 코어 영역의 원형 또는 비원형 외측 표면과 등각으로 짝을 이루어 결합할 수 있다. 이것은 활성 코어 영역(100)의 외측 표면이 불규칙한 표면을 가지거나 일련의 결합된 평면 표면을 갖고, 그리고 코어 개질기가 이러한 형상을 원형 반사체의 방사상 내부 표면으로 전환하는 데 사용되는 경우에 특히 유용하다.

원자로 구조물의 실시형태는 또한 반사체의 체적 내에 배치된 복수의 중성자 흡수체 구조물을 더 포함할 수 있다. 중성자 흡수체 구조물은 제1 위치와 제2 위치 사이에서 회전에 의해 이동 가능한 중성자 흡수체 본체를 포함할 수 있으며, 제1 위치는 제2 위치보다 활성 코어 영역에 방사상으로 더 가깝다. 제1 위치와 제2 위치 사이의 중성자 흡수체의 이동은 활성 코어 영역(100)의 반응성을 제어한다. 예시적인 실시형태에서, 제1 위치는 활성 코어 영역에 방사상으로 가장 가깝고, 제2 위치는 활성 코어 영역으로부터 방사상으로 가장 멀다. 또 다른 예시적인 실시형태에서, 방사상으로 가장 가까운 위치에서, 각각의 중성자 흡수체 본체는 활성 코어 영역(100)의 축 방향 중심선(105)으로부터 방사상으로 등거리에 있다. 예시적인 실시형태에서, 중성자 흡수체는 베릴륨, 산화베릴륨, 흑연, 또는 이들의 조합물을 포함하는 조성을 갖는다.

특정 실시형태에서, 원통형 튜브는 반사체의 내부 체적 내에 각도 있게 분포되어 있다. 각각의 중성자 흡수체 구조물은 각각의 튜브에 들어 있는 원통형 드럼을 포함한다. 중성자 흡수체 본체는 원통형 드럼의 제1 부분을 점유하고 원통형 드럼의 제2 부분은 2차 반사체이다. 원통형 드럼은 제1 위치와 제2 위치 사이에서 그 원통형 축을 중심으로 회전될 수 있으며, 제1 위치는 제2 위치보다 활성 코어 영역에 방사상으로 더 가깝다. 다른 실시형태에서, 중성자 흡수체 본체가 이동될 수 있는 다양한 위치가 활성 코어 영역(100)의 반응성의 제어를 제공하는 한, 다른 방사상 위치 및/또는 이동 방향이 구현될 수 있다.

다른 실시형태에서, 핵연료 세그먼트는 고체 감속재 블록 내에 분포될 수 있다. 도 8은 원자로 구조물(600)의 길이방향 축(610)에 대해 반경방향 및 원주방향으로 분포된 복수의 핵연료 세그먼트(605)를 포함하는 원자로 구조물(600)의 실시형태의 상부 사시도이다. 도 8에 도시된 핵연료 세그먼트(605)는 각각의 핵연료 세그먼트의 본체 구조물이 TPMS의 자이로이드 형태를 갖는 복수의 축 방향으로 적층된 핵연료 세그먼트이고, 그 예가 도 7a에 확대되어 도시되어 있다. 핵연료 세그먼트(605)는 지르코늄 하이드라이드와 같은 고체 감속재 블록(615)에 의해 분리된다.

원자로 구조물의 실시형태는 또한 활성 코어(100)의 제1 단부(120)에 하부 코어 판 및 활성 코어(100)의 제2 단부(130)에 상부 코어 판을 더 포함할 수 있다. 하부 코어 판 및 상부 코어 판 각각은 NTP 원자로에서 추진 가스와 같은 냉각제 매체의 통과를 위해 복수의 구멍을 포함한다. 코어 판은 저항 용접, 완전 관통 용접을 포함하는 용접과 같은 임의의 적절한 수단에 의해, 또는 JB-weld^®와 같은 적절한 에폭시 시스템에 의해 최상부 또는 최하부 핵연료 세그먼트(200)의 측벽(240)의 상부 에지와 같은 하우징의 일부에 결합될 수 있다. 코어 판의 복수의 구멍은 인접한 본체(205)의 채널(215)과 대응하여 짝을 이루거나 짝을 이루지 않을 수 있다. 코어 판의 복수의 구멍이 인접한 본체(205)의 채널(215)과 대응하여 짝을 이루지 않는 경우, 코어 판을 향하는 외측 표면(225)과 본체(205)를 향한 코어 판의 표면 사이에 플레넘이 개재될 수 있어, 냉각제 매체가 채널(215)로부터 각각의 코어 판의 복수의 구멍으로 그리고 이를 통해 흐르는 것을 가능하게 한다.

개시된 원자로 구조물은 핵 열 추진 엔진 내부로 조립될 수 있다. 도 9는 핵 열 추진 엔진의 예를 부분 절단도로 도시한다. 예시적인 핵 열 추진 엔진(700)은 복수의 핵 연료 세그먼트로부터 형성된 활성 코어 영역을 갖는 원자로 구조물(710)을 포함한다. 원자로 구조물, 활성 코어 영역, 및 핵 연료 세그먼트는 본 명세서에 개시된 실시형태 중 어느 하나와 같을 수 있다. 원자로 구조물(710)은 반사체(715) 내에 포함되고, 원자로 구조물(710)/반사체(715)는 선체(720)의 내부 공간에 수용된다. 원자로 구조물(710)은 터보 펌프(735)를 포함하는 터보기계(730) 및 추진 가스를 극저온 저장하기 위한 저장소를 포함하는 다른 배관 및 지지 장비(740)에 작동 가능하게 연결된다. 차폐물(750)는 터보기계(730)를 선체(720)의 구성요소로부터 분리한다. 차폐물(750), 터보기계(730), 및 저장소는 저장소로부터 원자로 구조물(710)로의 유동 경로를 제공하기 위해 선체(720)의 제1 단부에 작동 가능하게 장착된다. 핵 열 추진 엔진(700)은 또한 노즐(765) 및 노즐 스커트(770)를 포함하는 노즐 섹션(760)을 포함한다. 노즐(765)은 선체(720)의 제2 단부에 작동 가능하게 장착되어 핵 추진 원자로(710)를 빠져나가는 과열 추진 가스를 위한 유동 경로를 제공한다.

핵연료 세그먼트(200)의 본체(205)와 같은 핵연료 격자 구조물은 적층 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 이러한 제조 공정이 수 많이 적용될 수 있다. 공정들 간의 주요 차이점은 부품을 생성하기 위해 층이 증착되는 방식과 사용되는 재료에 있으며, 각 방법/재료에는 장점과 단점이 있다. 일부 방법은 재료를 용융하거나 부드럽게 하여 층을 생성한다. 예로서, 융합 증착 모델링(FDM), 융합 입자 가공(FPF) 또는 융합 입상 가공(FGF)라고도 하는 융합 필라멘트 제작(FFF)이 포함된다. 다른 방법은 서로 다른 기술을 사용하여 액체 재료를 경화시키며, 각 기술은 제조된 물체를 구축하기 위해 층별 접근 방식으로 액체 재료를 고형화한다. 예로서, 다양한 광학 또는 화학 기반 경화 공정(관련된 광 반응성 또는 화학 반응성 재료 사용)를 사용하는 스테레오리소그래피(SL)가 포함된다. 각 경우에 제조된 제품은 제조 재료를 기반으로 한 특성을 갖는다.

적층 제조 프로토콜은 임의의 적절한 적층 제조 공정에서 사용하기 위해 개발 및/또는 적응될 수 있다. 이 프로토콜은, 적어도 부분적으로 수학 기반 주기적 고체를 격자 메쉬로 구현하고 격자 메쉬를 복수의 층으로 분할하는 것을 기반으로 한다. 프로토콜은 수학 기반 주기적 고체에 대응하는 형상의 구조물을 갖는 본체를 제조하기 위해 핵 분열성 연료 조성물을 증착하기 위한 적층 제조 공정을 제어하기 위한 복수의 층 각각에 대한 제어 지침을 포함한다. 본 명세서에 개시된 바와 같이, 수학 기반 주기적 고체의 표면은 본체에서 복수의 채널을 규정한다.

예시적인 적층 제조 기술은 디지털 광 프로젝션, 바인더 분사, 및 EBeam 개시 3D 프린팅과 같은 세라믹 3D 프린팅 기술을 포함한다. 다른 적절한 제조 기술에는 포토리소그래피, 세라믹 재료 압출 및 열경화성 중합체 세라믹 재료 압출이 포함된다. 적합한 적층 제조 공정은 ISO/ASTM52900-15에 기재되어 있으며, 여기에는 바인더 분사, 직접 에너지 증착, 재료 압출, 재료 분사, 분말 상(bed) 융합, 시트 적층 및 광중합을 포함하는 적층 제조 공정의 범주를 규정하고 있다. ISO/ASTM52900-15의 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다. 스테레오리소그래피는 광중합 공정을 이용하는 적층 제조의 한 형태이다. 예시적인 실시형태에서, 스테레오리소그래피 적층 제조 기술은 자외선 또는 베타 방사선에 대한 노출로부터 광개시를 포함한다. 일부 예시적인 실시형태에서, 자외선은 디지털 광 프로세서(DLP) 또는 스테레오리소그래피 장치(SLA)에서 생성된다. 다른 예시적인 실시형태에서, 베타 방사선은 전자빔(EBeam) 장비 또는 전자 조사(EBI) 장비에서 생성된다.

적층 제조 기술에 의해 제조될 때, 핵 분열성 연료 물질 또는 피복재 또는 이들의 혼합물을 포함하는 용액은 적층 제조 프로토콜에 의해 제어되는 적층 제조 장비에 의해 이용될 수 있다. 적층 제조 프로토콜은 적층 제조 장비에 제어 지침을 제공하여 용액으로부터의 재료를 층별로 선택적으로 증착하여 그린 바디(green body)를 형성한다. 그 다음, 그린 바디는 예를 들어 소결 공정에서 결합을 제거하여 세라믹 구조물을 형성할 수 있다. 세라믹 구조물은, 예를 들어 증기 증착, 욕(bath)에의 침지 또는 분무 코팅에 의한 코팅층을 추가함으로써 더 처리될 수 있다. 일부 실시형태에서, 패복재는 TPMS의 표면과 일체로 제조될 수 있고, 필요에 따라 그 후 소결 등에 의해 처리될 수 있다.

또한, 개시된 반응기 및 코어는 복잡한 기계적 기하학적 구조물을 갖지만, 원소 금속 또는 금속 합금의 3D 인쇄와 같은 적층 제조 기술을 이용하여 층별로 통합 및 반복 제조를 수행하면 본 명세서에 개시된 구조물 및 기능물(feature)을 보다 쉽게 제조할 수 있다.

개시된 장치는 핵 분열성 핵연료 조성물을 포함하는 열 발생원이, 핵연료 세그먼트의 본체이든 핵 분열성 핵연료 조성물 그 자체이든, 및 피복재에 의해 둘러싸여 있는지 여부에 관계없이 임의의 구성에 관한 것이다. 가스 냉각식 핵 열 추진 원자로(NTP 원자로)와 관련하여 본 명세서에 또한 기술되어 있지만, 본 명세서에 개시된 구조물 및 방법은 또한 다른 핵분열 원자로 시스템에 적용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 핵 추진 핵분열 원자로 구조물은 비-지상 전력 용도, 우주 동력, 우주 전력, 우주 추진, 및 잠수정을 포함하는 해군 용도를 포함하지만 이에 제한되지 않는 적절한 용도에 사용될 수 있다.

본 발명이 실시형태와 관련하여 설명되었지만, 당업자는 첨부된 특허청구범위에 규정된 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 구체적으로 설명되지 않은 추가, 삭제, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 핵 분열성 연료 물질, 원자로 및 연관 구성 요소와 관련하여 설명되었지만, 본 명세서에 기술된 원리, 구성, 구조물, 특징, 배열 및 공정은 다른 물질, 다른 구성, 다른 구조물, 다른 특징, 다른 장치 및 다른 공정뿐만 아니라 제조 및 기타 원자로 유형에도 적용될 수 있다.

본 명세서에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당해 분야의 숙련가는 문맥 및/또는 용도에 적절하게 복수에서 단수로 및/또는 단수에서 복수로 번역할 수 있다. 다양한 단수/복수 순열은 명확성을 위해 본 명세서에서 명시적으로 설명되지 않는다.

본 명세서에 기술된 발명 대상은 때때로 상이한 다른 구성요소 내에 포함되거나 이들과 연결된 상이한 구성요소를 예시한다. 그러한 도시된 아키텍처는 단지 예시적이며, 실제로 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 아키텍처가 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 개념적 의미에서, 동일한 기능을 달성하기 위한 구성 요소의 배열은 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "연관"된다. 따라서, 특정 기능을 달성하기 위해 결합된 본 명세서에서 임의의 2개의 구성요소는, 아키텍처 또는 중간 구성요소와 상관없이 원하는 기능이 달성되도록 서로 "연관된" 것으로 볼 수 있다. 마찬가지로, 그렇게 연관된 임의의 두 구성 요소는 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "작동 가능하게 연결된" 또는 "작동 가능하게 결합된" 것으로 볼 수 있으며, 그렇게 연관될 수 있는 임의의 두 구성 요소도 원하는 기능을 달성하기 위해 서로 "작동 가능하게 연결된" 것으로 볼 수 있다. 작동 가능하게 결합 가능한 특정 예는, 물리적으로 결합 가능하고 및/또는 물리적으로 상호 작용하는 구성 요소, 및/또는 무선으로 상호 작용할 수 있는 구성 요소, 및/또는 무선으로 상호 작용하는 구성 요소, 및/또는 논리적으로 상호 작용하고 및/또는 논리적으로 상호 작용할 수 있는 구성 요소를 포함하지만 이에 국한되지 않는다.

일부 예에서, 하나 이상의 구성요소는 본 명세서에서 "~로 구성되는", "~에 의해 구성되는", "~하도록 구성될 수 있는", "~로 작동 가능한/작동하는", "적응/적응 가능한", "~할 수 있는", "적합할 수 있는/적합한" 등을 지칭할 수 있다. 당업자는, 문맥상 별단의 필요가 없는 한, 이러한 용어(예를 들어, "~하도록 구성된")가 일반적으로 활성 상태 구성 요소 및/또는 비활성 상태 구성 요소 및/또는 대기 상태 구성 요소를 포함할 수 있음을 인식할 것이다.

본 명세서에 기술된 본 발명 대상의 특정 양태가 도시되고 설명되었지만, 본 명세서의 교시에 기초하여, 기술된 발명 대상으로부터 벗어나지 않고 변경 및 수정이 이루어질 수 있고, 따라서 첨부된 청구범위는 본 명세서에 기술된 발명 대상의 진정한 정신 및 범위 내에 있는 모든 변경 및 수정을 그 범위 내에 포함해야 한다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 일반적으로, 본 명세서, 특히 첨부된 청구범위(예를 들어, 첨부된 청구범위의 본문)에 사용된 용어 일반적으로 "개방된" 용어(예를 들어, "포함하는"이라는 용어는 "포함하지만 이에 국한되지 않는"으로 해석되어야 하고, "가지는"이라는 용어는 "적어도 가지는"으로 해석되어야 하고, 용어 "포함하다"는 "포함하지만 제한되지 않는" 등으로 해석되어야 함)로 의도된다는 것은 관련 기술 분야의 전문가에 의해 이해될 것이다. 특정 수의 도입된 청구범위 인용이 의도된 경우, 그러한 의도는 청구범위에 명시적으로 인용될 것이며, 그러한 인용이 없을 경우 그러한 의도가 존재하지 않는다는 것이 본 기술분야의 사람들에 의해 추가로 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해, 다음의 첨부된 청구범위에는 청구 내용을 소개하기 위해 "적어도 하나" 및 "하나 이상"이라는 소개 문구의 사용이 포함될 수 있다. 그러나, 심지어는 동일한 청구범위에 소개 문구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 "a" 또는 "an"과 같은 부정관사가 포함할 때에도(예를 들어, "a" 및/또는 "an"은 일반적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 함), 그러한 문구의 사용은 부정관사 "a" 또는 "an"에 의한 청구범위 인용의 도입이 그러한 도입된 청구범위 인용을 포함하는 특정 청구범위를 그러한 인용 하나만을 포함하는 청구범위로 제한한다는 것을 의미하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 청구범위 인용을 도입하기 위해 사용되는 정관사를 사용하는 경우에도 마찬가지이다. 또한, 도입된 청구항 인용의 특정 번호가 명시적으로 인용되더라도, 당업자는 그러한 인용이 일반적으로 적어도 인용된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인식할 것이다(예를 들어, 다른 수식어가 없는 "2회의 인용"의 순수(bare)인용은 일반적으로 적어도 2개의 인용, 또는 2개 이상의 인용을 의미함). 또한, "A, B, C 등 중 적어도 하나"와 유사한 규정이 있는 경우. 일반적으로 그러한 구성은 해당 기술 분야의 숙련자가 관례를 이해할 수 있는 의미로 의도된다(예를 들어, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A 단독, B 단독, C 단독, A와 B 모두, A와 C 모두, B와 C 모두, 및/또는 A, B, C 모두 등을 갖는 시스템을 포함하지만 이에 국한되는 것은 아님). 일반적으로, 상세한 설명, 청구범위 또는 도면의 어느 것에서도, 2 이상의 대체 용어를 나타내는 선언적인 단어 및/또는 문구는, 문맥이 지시하지 않는 한, 용어 중 하나, 용어들 중 어느 하나, 또는 2 용어를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것을 당업자는 더욱 이해해야 할 것이다. 예를 들어, "A 또는 B"라는 문구는 일반적으로 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

첨부된 청구범위와 관련하여, 당업자는 그 청구범위에 인용된 동작이 일반적으로 임의의 순서로 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 다양한 동작 흐름이 순서(들)로 제시되지만, 다양한 동작이 예시된 순서와 다른 순서로 수행될 수 있거나 동시에 수행될 수 있음을 이해해야 한다. 이러한 대체 순서의 예는, 문맥에서 달리 지시하지 않는 한, 중복, 혼합, 인터리브(interleaved), 중단, 재정렬, 증분, 준비, 보충, 동시, 역 또는 기타 변형 순서를 포함할 수 있다. 또한, "~에 반응하는", "~에 관련된" 또는 기타 과거 시제 형용사와 같은 용어는, 문맥에서 달리 지시하지 않는 한, 일반적으로 그러한 변형을 배제하도록 의도되지 않는다.

당업자는, 전술한 특정 예시적인 공정 및/또는 장치 및/또는 기술은 본 출원에 제공된 청구범위 및/또는 본 출원의 다른 곳에서 교시된 보다 일반적인 공정 및/또는 장치 및/또는 기술을 대표적으로 나타낸다는 것을 이해할 것이다.

다양한 양태 및 실시형태가 본 명세서에 기술되었지만, 다른 양태 및 실시형태도 당업자에게 명백할 것이다. 본 명세서에 기재된 다양한 양태 및 실시형태는 예시를 위한 것이며 제한하려는 것이 아니고, 진정한 범위 및 사상은 다음 청구범위에 의해 나타나 있다.

상세한 설명, 도면 및 청구범위에 기술된 예시적인 실시형태는 제한하는 것을 의미하지 않는다. 본 명세서에 제시된 발명 대상의 정신 또는 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시형태가 이용될 수 있고 다른 변경이 이루어질 수 있다.

당업자는 본 명세서에 기재된 구성요소(예를 들어, 작동), 장치, 객체, 및 이에 수반되는 논의가 개념을 명확하게 하기 위한 예로서 사용되고 다양한 구성 수정이 고려된다는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 본 명세서에 사용된 바와 같이, 설명된 특정 예 및 수반되는 논의는 보다 일반적인 부류를 나타내기 위한 것이다. 일반적으로 특정 예시의 사용은 해당 부류를 대표하기 위한 것이며, 특정 구성 요소(예를 들어, 작동), 장치 및 개체가 포함되지 않은 것을 제한하는 것으로 간주해서는 안 된다.

10: TPMS 구조물 20: 기본 유닛
30,205,505: 본체 100: 활성 코어 영역, 원자로 구조물
105: 축 방향 중심선 110: 계면
120: 제1 측면 130: 제2 측면
200: 핵연료 세그먼트 200a: 제1 핵연료 세그먼트
210,430: 표면 215,315,435,560: 채널
220: 제1 외측 표면 225: 제2 외측 표면
240: 측벽 250: 방사상 측면
300: 자이로이드 표면 310: 유닛 셀
350: 대칭 축 400: 슈바르츠 P 표면
410: 슈바르츠 D 표면 420: 슈바르츠 CLP 표면
500,605: 핵연료 세그먼트 510: TPMS 표면
550: 섹션 555: 피복재
600,710: 원자로 구조물 610: 길이방향 축
615: 감속재 블록 700: 핵 열 추진 엔진
715: 반사체 720: 선체
730: 터보기계 735: 터보 펌프
740: 지지 장비 750: 차폐물
760: 노즐 섹션 765: 노즐
770: 노즐 스커트

Claims

수학 기반 주기적 고체에 대응하는 형상의 구조물을 갖는 본체를 포함하는 핵 연료 세그먼트로서,
수학 기반 주기적 고체의 표면은 본체에서 복수의 채널을 규정하고, 채널의 적어도 일부는 본체의 제1 외측 표면으로부터 본체의 제2 외측 표면까지 연장되고,
구조물은 35% 내지 85%의 체적 밀도를 가지며,
구조물의 조성물은 농축도가 20% 이하인 핵 분열성 연료를 포함하고, 그리고
구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축율 %)는 ±2%로 일정한 핵 연료 세그먼트.
제 1 항에 있어서,
수학 기반 주기적 고체는 3중 주기적 최소 표면(TPMS)인 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 2 항에 있어서,
3중 주기적 최소 표면(TPMS)은 슈바르츠 최소 표면인 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 2 항에 있어서,
3중 주기적 최소 표면(TPMS)은 자이로이드 구조인 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 1 항에 있어서,
수학 기반 주기적 고체는 격자 구조물인 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
핵 분열성 연료는 (a) U²³⁵ 분석이 5% 이상 20% 이하인 고 분석 저 농축 우라늄(HALEU)이거나, 또는 (b) 우라늄이 20% 이상의 U²³⁵ 인 고농축 우라늄(HEU)인 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
핵 분열성 연료는 20% 미만 농축된 산화우라늄, 10 중량% 몰리브덴 함유 우라늄(U-10Mo), 질화우라늄(UN), 또는 그의 서멧을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
복수의 채널 표면 상에 증착된 피복재 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 8 항에 있어서,
피복재 층은 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탄탈륨, 하프늄 및 탄화물을 포함하는 이들의 합금을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 8 항에 있어서,
피복재 층은 강철 합금, 지르코늄 합금, 몰리브덴 함유 금속 합금, 몰리브덴-텅스텐 합금, 지르칼로이-4 또는 하스텔로이-X를 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
본체는 디스크 형상이고, 제1 외측 표면과 제2 외측 표면 사이의 본체의 두께에 대응하는 방사상 측면을 포함하는 체적을 점유하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 11 항에 있어서,
본체의 방사상 측면의 방사상 외측에 측벽을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 12 항에 있어서,
측벽은 중성자 열화 물질을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 13 항에 있어서,
중성자 열화 물질은 지르코늄(Zr) 합금, 베릴륨(Be) 합금, 또는 흑연을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 13 항에 있어서,
중성자 열화 물질은 지르코늄 하이드라이드(ZrH) 또는 베릴륨 산화물(BeO)을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 핵연료 세그먼트를 포함하고, 원자로 구조물의 종축을 규정하는 축 방향 중심선을 갖는 활성 코어 영역을 포함하는 원자로 구조물.
제 16 항에 있어서,
인접한 핵연료 세그먼트의 본체에 있는 복수의 채널은 활성 코어의 제1 단부 표면으로부터 활성 코어의 제2 단부 표면으로 유체 연통을 제공하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
활성 코어 영역의 방사상 외측에 있는 코어 형성기; 및
코어 개질기의 방사상 외측에 있고 활성 코어 영역을 향해 배향된 방사상 내부 표면을 갖는 반사체를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 18 항에 있어서,
코어 형성기는 제2 표면의 방사상 내측으로 제1 표면을 갖고, 제1 표면은 활성 코어 영역의 방사상 외측 표면에 등각이고, 그리고 제2 표면은 반사체의 방사상 내부 표면에 등각인 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 18 항 또는 제 19 항에 있어서,
반사체의 체적 내에 배치된 복수의 중성자 흡수체 구조물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 20 항에 있어서,
복수의 중성자 흡수체 구조물 각각은 제1 위치와 제2 위치 사이에서 이동 가능한 중성자 흡수체 본체를 포함하고, 제1 위치는 제2 위치보다 활성 코어 영역에 방사상으로 더 가까운 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 21 항에 있어서,
중성자 흡수체 본체는 베릴륨, 산화베릴륨, 흑연 또는 이들의 조합물을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
복수의 중성자 흡수체 구조물 각각은 관에 둘러싸인 원통형 드럼을 포함하고, 중성자 흡수체 본체는 원통형 드럼의 제1 부분을 점유하고, 원통형 드럼의 제2 부분은 2차 반사체이고, 그리고 원통형 드럼의 제1 부분은 원통형 드럼의 외측 표면의 일부를 포함하는 원통형 드럼의 체적인 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 16 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
활성 코어의 제1 단부에 하부 코어 판 및 활성 코어의 제2 단부에 상부 코어 판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
제 24 항에 있어서,
하부 코어 판 및 상기 상부 코어 판 각각은 추진 가스의 통과를 위한 복수의 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 원자로 구조물.
핵 열 추진 엔진으로서,
원자로 구조물이 선체의 내부 용적 내에 수용되는, 제 16 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 따른 원자로 구조물;
차폐물;
추진 가스를 극저온에서 저장하기 위한 저장소;
터보기계; 및
노즐을 포함하고;
차폐물, 터보기계 및 저장소는 저장소로부터 원자로 구조물로의 유동 경로를 제공하기 위해 선체의 제1 단부에 작동 가능하게 장착되고, 그리고
노즐은 핵 추진 원자로를 빠져나가는 과열 추진 가스를 위한 유로를 제공하기 위해 선체의 제2 단부에 작동 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 핵 열 추진 엔진.
격자 메쉬에 수학 기반 주기적 고체를 구현하는 단계;
격자 메쉬를 복수의 층으로 분할하는 단계; 및
수학 기반 주기적 고체에 대응하는 형상을 갖는 구조물의 본체를 제조하기 위해 핵 분열성 연료 조성물을 증착하도록 적층 제조 공정을 제어하기 위해 복수의 층을 사용하는 단계를 포함하는, 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 27 항에 있어서,
수학 기반 주기적 고체의 표면은 본체의 복수 채널을 규정하고, 채널의 적어도 일부는 본체의 제1 외측 표면으로부터 본체의 제2 외측 표면까지 연장되고,
구조물은 35% 내지 85%의 체적 밀도를 가지며,
구조물의 조성물은 농축도가 20% 이하인 핵 분열성 연료를 포함하고, 그리고
구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축율 %)는 ±2%로 일정한 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 28 항 또는 제 29 항에 있어서,
채널의 표면 상에 피복재 층을 증착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 29 항에 있어서,
피복재 층을 증착하는 단계는 증기 증착 기술을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 30 항에 있어서,
증기 증착 기술은 화학 증기 증착인 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 29 항에 있어서,
피복재 층을 증착하는 단계는 전기도금 또는 무전해 도금을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 29 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
피복재는 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탄탈륨, 하프늄 및 탄화물을 포함하는 이들의 합금을 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 29 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서,
피복재 층은 강철 합금, 지르코늄 합금, 몰리브덴 함유 금속 합금, 몰리브덴-텅스텐 합금, 지르칼로이-4 또는 하스텔로이-X를 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 27 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
적층 제조 공정은 광중합을 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 27 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
본체는 디스크 형상이고 제1 외측 표면과 제2 외측 표면 사이에 본체의 두께에 대응하는 방사상 측면을 포함하는 체적을 점유하고, 본체의 방사상 측면의 방사상 외측에 측벽을 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 36 항에 있어서,
측벽이 중성자 열화 물질을 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 37 항에 있어서,
중성자 열화 물질은 지르코늄(Zr) 합금, 베릴륨(Be) 합금 또는 흑연을 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
제 37 항에 있어서,
중성자 열화 물질은 지르코늄 하이드라이드(ZrH) 또는 베릴륨 산화물(BeO)을 포함하는 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트의 제조방법.
본체의 외피 표면 내에 배치된 상호 연결 채널의 네트워크를 규정하는 외측 표면을 갖는 복수의 웨빙을 포함하는 구조물을 갖는 본체를 포함하는 핵연료 격자 구조물로서,
웨빙의 기준선은 수학 기반 주기적 고체의 음함수 곡면이고,
채널의 적어도 일부는 본체의 제1 외측 표면으로부터 본체의 제2 외측 표면까지 연장되고,
구조물은 35% 내지 85%의 체적 밀도를 가지며,
구조물의 조성물은 농축도가 20% 이하인 핵 분열성 연료를 포함하고, 그리고
구조물의 특정 농축도(단위 부피당 농축율 %)은 ±2%로 일정한 핵연료 격자 구조물.
제 40 항에 있어서,
수학 기반 주기적 고체는 3중 주기적 최소 표면(TPMS)인 것을 특징으로 하는 핵연료 격자 구조물.
제 41 항에 있어서,
3중 주기적 최소 표면(TPMS)은 자이로이드 구조이고, 그리고 음함수 곡면은 자이로이드 방정식
에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 핵연료 격자 구조물.
제 42 항에 있어서,
각각의 웨빙은 기준선에 대한 두께를 가지며, 본체 내에서 웨빙의 두께는 벡터 필드에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 핵연료 격자 구조물.
제 43 항에 있어서,
웨빙의 두께는 기준선에 대해 대칭 또는 비대칭인 것을 특징으로 하는 핵연료 격자 구조물.
제 40 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
핵 분열성 연료의 우라늄 함량은 본체의 공간적 배치에 의해 변하는 것을 특징으로 하는 핵연료 격자 구조물.
제 45 항에 있어서,
본체의 공간적 배에 따른 우라늄 함량의 변화는 격자의 밀도 증가로 인한 U²³⁵ 함량의 증가를 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 격자 구조물.
제 40 항 내지 제 46 항 중 어느 한 항에 있어서,
수학 기반 주기적 고체는 상호 연결된 채널의 네트워크를 통해 흐르는 매질의 유량에 영향을 미치도록 바이어스 되는 것을 특징으로 하는 핵연료 격자 구조물.
제 40 항 내지 제 47 항 중 어느 한 항에 있어서,
상호 연결된 채널의 네트워크를 규정하는 복수 웨빙의 외측 표면 상에 증착된 피복재 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 48 항에 있어서,
피복재 층은 몰리브덴, 텅스텐, 레늄, 탄탈륨, 하프늄, 및 탄화물을 포함하는 이들의 합금 조성물을 갖는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.
제 40 항 내지 제 49 항 중 어느 한 항에 있어서,
본체는 디스크 형상이고 제1 외측 표면과 제2 외측 표면 사이에 본체 두께에 대응하는 방사상 측면을 포함하는 체적을 점유하는 것을 특징으로 하는 핵연료 세그먼트.