KR20220005035A - 모듈형 노심 용융염 원자로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대체로 수직으로 배열되고 상하 통로를 제공하는 채널에 핵연료-함유 용융염을 수용할 수 있는 원자로 회로에 관한 것이다. 상기 회로들은 제거 가능한 개별형 용융염 핵 회로들로부터 모듈형 원자로를 구축하는 데 사용할 수 있으며, 그 중 한 부분("채널")이 임계 구성에 배치되어 있으며, 여기서 상기 채널은 비-임계량의 핵 물질을 포함하지만, 상기 채널은 함께 원자로 노심의 임계 영역을 생성한다. 본 발명은 또한 모듈형 원자로 회로 및 원자로를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

Description

모듈형 노심 용융염 원자로

본 발명은 모듈형 원자로 회로(modular nuclear reactor circuit), 특히 모듈형 용융염 원자로 회로(modular molten salt nuclear reactor circuit)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 모듈형 원자로, 특히 원자로 회로로 구성된 모듈형 용융염 원자로에 관한 것이다. 본 발명은 또한 모듈형 원자로 회로를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 모듈형 원자로를 작동시키는 방법 및 원자로를 시험/자격을 부여하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 원자로 회로의 일부를 교환하는 방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 에너지 수요가 증가함에 따라 초기 원자력 발전소와 관련된 단점들에도 불구하고 원자력 에너지에 대한 필요성은 여전히 남아 있다. 새로운 세대의 원자력 발전소(4세대 및 5세대의)가 개발되고 있는데, 이것은 특히 안전하고 깨끗하고 풍부한 양의 에너지를 공급함과 동시에 핵 물질의 확산과 핵 폐기물의 발생에 대한 의식적인 접근을 취하는 것을 목표로 하고 있다.

이들 중 하나는 소위 용융염 원자로(molten salt reactors: MSR)이다.

용융염 원자로(MSR)는 1차 냉각재 또는 연료 자체가 용융염 혼합물인 원자로 유형이다. 이러한 유형의 원자로에 대해 많은 설계가 제안되었고 몇 가지 프로토타입이 제작되었다. 초기 개념과 현재의 대다수 개념은 용융 불화물염(fluoride salt)에 용해된 핵연료에 의존한다. 유체는 흑연과 같은 감속재(moderator)가 존재할 수 있는 노심으로 흘러 임계 상태(criticality)에 도달한다. 많은 알려진 개념은 저압, 고온 냉각을 제공하는 용융염과 함께 흑연 매트릭스의 채널을 통해 흐르는 연료에 의존한다. 몇몇 새로 개발된 개념들은 감속재의 사용을 배제하여 고속 중성자 스펙트럼 시스템 특성을 생성하거나, 또는 특정 감속을 채택하여 특정 목적, 예컨대, 핵폐기물 흐름에서 수명이 긴 악티늄 원소(actinides)의 연소를 위해, 국부적으로 전용 중성자 스펙트럼을 생성한다.

용융염 원자로는 과거에 성공적으로 설계, 건설 및 작동되어 왔지만, 이러한 유형의 원자로를 재개발하는 데 필요한 지식과 경험은 제한적이다. 안전성, 최소한의 폐기물 흐름, 최대화된 자원 효율성과 관련된 용융염 원자로 시스템의 주요 이점은 지난 5년에서 10년 동안 빈도가 증가하면서 많은 사례에서 자세히 설명되었다. 최소한의 방사성 폐기물 부담으로 수천 년 동안 안전한 에너지를 제공하기 위해, 특히 토륨 연료 용융염 원자로 시스템의 큰 관점이 의심할 여지 없이 고려될 수 있다. 그러나 미국에서 50년대와 60년대의 용융염 원자로에 관한 노력에 의해 용융염 원자로의 원리에 대해 성공적으로 입증되었음에도 불구하고, 기술적 및 경제적 실행 가능성, 그리고 오랜 상업화 기간은 적시의 구현 및 투자에 대해 주요 장애물이다.

일반적으로, 용융염 원자로는 중성자 흡수 핵분열 및 활성화 생성물에서 염의 빈번한 세척을 가능케 하여, 중성자 손실을 최소화하고, 핵연료 사이클을 종료하는 기회를 제공함으로써 최적화된 중성자 경제성을 제공하는데, 여기서 핵분열에 사용되는 연료가 핵분열 반응에서 과잉 중성자로부터 생성되어, ²³²Th 또는 ²³⁸U와 같은 연료 핵연료 원소들(fertile element)을 ²³³U 및 ²³⁹Pu 와 같은 핵분열성 원소들(fissile elements)로 변환(transmutation)할 수 있다.

특히, 토륨 폐쇄형(Thorium closed) 핵연료 사이클의 경우, 매우 높은 수준의 (수동적) 안전성 및 수명이 긴 폐기물 생성의 최소화와 결부하여, 핵연료 사이클을 폐쇄하고 자원 사용에 있어 매우 높은 효율성을 창출한다는 관점은 용융염 원자로를 책임 있는 미래 에너지원으로 활용하는 데에 매우 양호한 전망을 제공한다.

MSR 시스템에 연료와 냉각재가 결합된 이 기술에는 한 가지 주요한 복잡성이 존재하는데, 모든 물리학 및 엔지니어링 지식체계가 기본 시스템에서 함께 모여 서로에게 현저하게 영향을 미친다. 용융염 1차적 시스템의 구성 요소에는 화학, 중성자 물리학, 재료 과학, 열 수리학, 열역학 등이 모두 망라된다. 따라서, 용융염 원자로를 구축하는 것은 여러 학문 분야에 걸친 분석 및 설계, 종합적인 실험 검증을 포함한 여러 학문 분야에 걸친 접근 방식을 요구한다.

용융염 전개를 위한 다분야 학문적 설계 도구, 코드 및 라이센싱 체계를 개발하고 검증하기 위해서는 상당한 노력이 필요하다. 다분야 학문적 복잡성을 고려할 때, 적절하고 입증된 다분야 학문적 지식과 경험 기반이 결여되어 있다면, 간단한 원자로내(in-pile) 실험이나 소규모 시연이라도 안전 관점에서 완전히 이것을 예측하고 정당화하기는 어려울 것이다.

본 발명은 완전한 다분야 학문적 복잡성을 망라하는 효율적인 원자력 적격성 평가 접근 방식을 제안하고 원자력 적격성 평가 전략을 최대한 활용하는 MSR 발전소 설계 원칙을 제안함으로써, MSR 기반 발전소에 대해 최소한의 시간에 시장에 접근하는 방식을 자세히 설명한다. 이렇게 함으로써 비용과 시간이 많이 소요되는 복잡한 중간 단계를 크게 제거할 수 있다. 효과적인 원자력 적격성 평가 경로와 그러한 적격성 평가와 밀접하게 일치하는 설계와의 이러한 결합은 현재 현실적이라고 여겨지는 20~30년보다 훨씬 짧은 15년의 기간 내에 용융염 기반 원자력 발전소를 상용화하도록 이끌 수 있다. 이러한 추정치는 MSR 기술의 실행 가능성을 가정하는데, 이는 미국에서 50년대와 60년대의 성공적인 운영에 의해 입증된 것으로 간주될 수 있다.

용융염 원자로는, 예를 들어, US2015/0243376, US2017/0117065, WO2017/098228, GB2508537, WO2017/070791에 이미 기술되어 있다.

용융염 원자로에서 냉각재 연료 조성은 조절될 수 있으며, 따라서 작동 중에 조절된다. 이것은 알려진 MSR의 기본 시스템에 있는 구조적 물질 및 구성 요소의 경우가 아니다. 냉각제 연료와 일차적 시스템들의 구성 요소들 및 물질들 사이의 상호작용, 및 노출될 일차 물질들 및 구성 요소들의 강렬한 방사선장 간의 상호작용은 주요 도전 과제이다. 일반적으로 원자력 발전소에 대해 예상되는 40~60년의 수명 동안 이러한 가혹한 조건을 견딜 수 있는 재료가 필요하거나 테스트가 필요하다. 많은 MSR 사전-개념적 설계는 이러한 측면을 무시하거나, 또는 방사선 유발 열화 및 화학적 염 상호작용으로부터 일차 물질을 보호하기 위해 일종의 방사선 차폐 버퍼 또는 희생 물질 층을 포함한다.

이러한 MSR 설계 중 하나가 US 2 999 057에 기술되어 있다. US 2 999 057에서 루프 기반의 설계는 여러 개의 개별 액체 스트림이 반응 노심으로 공급 및 회수되고, 순환되어, 노심 또는 감속재로 피드백되는, 완전한 원자로에 사용된다. 상기한 설계는 가속재가 액체의 흐름이 감속재의 바닥으로 공급되고 단일 흐름의 상부에서 나오는 다수의 채널을 포함하는 다수의 채널들을 포함하도록 구성된다. 전체적 구성은 완전히 고정된 디자인이다.

US2009/0279658은 또한 2-유체 원자로 설계의 용융염 원자로를 개시하고 있다. 이 설계는 기본적으로 용융염으로 채워진 용기인데, 여기서는 개별적인 튜브들이 고정된 구성으로 존재하고 그것을 통해 용융 연료 염이 또한 펌핑된다. 튜브의 치수와 핵분열성 물질 함량은 각 튜브가 임계치 이하(subcritical)이고 튜브들이 서로 근접할 때 임계 상태(criticality)만 달성되도록 하는 것이다. 상기한 설계는 고정 설계로서, 노심(in core) 구성 요소들의 제거 및 교체 가능성 없이 염 순환이 있는 튜브들이 고정된 구성으로 배치되는 하나의 대형 용기/격납으로 구성된다. 상기한 용기에는 하나의 용융염 입구와 출구가 존재한다.

US3403076은 수직으로 배치된 통로들을 갖는 흑연 연료 셀들이 제공되어 그것을 통해 용융 연료 염이 열교환기로서 용융염 블랭킷에 둘러싸여 펌핑될 수 있는 고정형 용융염 연료 증식로(fuel breeder)를 기술하고 있다. 이 시스템에는 하나의 대형 원자로 압력 용기가 있으며 흑연 연료 셀들에는 하나의 입구와 출구를 통해 용융염이 공급된다.

GB2073938은 단일 원자로 용기와, 용융 연료 염을 갖는 튜브가 그것을 통해 통과하는 용융염으로 채워진 격납실을 표시한다. 이것은 하나의 입구와 출구가 있는 염이 제공되는 단일한 격납실이다.

이러한 모든 구성들은 전체 구성이 고정되어 있음을 공유한다. 용융 연료 염을 운반하는 튜브들 또는 연료 셀들은 임계적 구성으로 배치되고, 단일 염 입구 및 출구를 갖춘, 원자로 용기 체적 또는 튜브 또는 연료 셀들에서 중앙에서 1차(primary) 또는 블랭킷염(blanket salt)을 순환시키는, 전체적인 대형 원자로 용기/격납실에 배치된다.

일반적으로, 종래 기술을 사용하여 이루어진 액체 연료-냉각제를 채택하는 원자로 개념은 시스템 노심을 채우고 배관 및 장비를 지원하는 비교적 크고 분리되지 않은 염 볼륨(undivided salt volume)을 사용하는 것을 교시한다. 이것은 이러한 종류의 시스템들의 실현 가능성에 대한 여러 가지의 쟁점들을 제기한다. 핵 물질 억제를 유지하기 위해 대형의 에워싸는 용기가 필요하다. 이러한 대형 용기들은 제조 및 취급하기 복잡하고, 비용이 많이 들고, (쉽게) 교체 불가능하고, 또한 사용 후 (용이하게) 폐기 불가능하다. '심층 방호(defence in depth)' 개념은 원자력 안전 철학의 초석이며, 함유된 핵 소스 조건의 유출을 피하기 위해 여러 가지의 장벽의 사용을 강조하고 있다. 모든 연료를 함유한 하나의 격납 용기는 하나의 장벽에서의 핵 소스 조건을 극대화하고, 유출에 대한 하나의 제 1 라인의 방어를 형성한다. 사용 후 대형 용기는 오염되고 중성자 활성화가 될 수 있으며, 이것은 그 자체가 주요 폐기물 쟁점이다. 게다가, 만일에 그것에 연결된 용기와 구성 요소들이 여전히 높은 활성의 및 독성 연료-냉각제 폐기물로 채워진다면, 더욱 그렇다. 이러한 체적의 취급, 저장 및 폐기는 사이즈 및 잠재적인 방사능 노출 위험 때문에 어렵다. 장벽을 형성하는 대형 용기는, 그 용기가 개방과 진입, 및 구성 요소들의 추출과 도입을 가능하게 할 필요가 있기 때문에, 노심 구성 요소들의 교체를 복잡하게 만든다. 연료-냉각제 기반 시스템의 노심 구성 요소들과 재료는 일반적으로 극심한 온도, 화학적(부식) 조건하에서 방사 손상을 심하게 겪는다. 연장된 기간 중 연료-냉각제 기반 시스템의 중요 구역에서 혹독한 조건을 견딜 수 있는 재료들은 아직 발견되거나 개발되지 않았기 때문에, 노심 재료 및 구성 요소들의 편리한 교체는 이들 시스템의 구현을 현저하게 가속시킬 것이다.

본 발명자들은 따라서, 본질적으로, 용융염 원자로 회로를 위한 개선된 설계를 발견하였다. 상기한 개선된 설계는, 예를 들어, 완전한 원자로로 조립하기 전에, 단일 회로를 구축하고 테스트할 수 있다는 점에서 더 많은 유연성을 제공한다. 상기 회로는 그 회로가 원자로 전체를 분해하거나 원자로의 다른 회로에 영향을 미치지(분해, 제거) 않고 배치되어 원자로 또는 감속재로부터 제거될 수 있도록 구성된다.

본 발명자들이 내린 근본적인 선택은 용융된 연료-냉각제를 분리된, 개별적이고 독립적인 모듈들로 구획화하고, 상기 모듈들의 핵심 부분으로 구성된, 노심(코어) 영역에서 안정적인 핵분열(nuclear fission) 반응이 유지될 수 있는 배좌(constellation)에 배치하는 것이다. 각 모듈은 독립적인 기능을 가지며, 자체적인 펌프, 열교환기(heat exchanger) 및 프로세싱 유닛을 갖는다. 각 모듈은 그 자체의 (이중) 폐쇄(containment)를 갖춘 일체화(self-contained) 시스템이다. 상기 모듈들은 2차 비핵 냉각제 시스템(secondary non-nuclear coolant system) 또는 기타 2차 시스템을 통해서만 연결될 수 있다. 따라서 상기 모듈들은 용융염 또는 핵 물질을 공유하지 않으며, 각 모듈에는 개별적인 양의 용융염 및 핵 물질이 제공된다. 각 모듈은 그 자체로 별도의 원자로이지만 두 개 이상의 모듈이 서로 근접하게 배치되어야 임계 상태(criticality)에 도달할 수 있다.

상기 모듈들은 용이하게 제거될 수 있도록 서로 근접한 위치에 배치된다. 각 모듈 또는 회로는 원자로에서 독립적으로 제거될 수 있다. 도 6 및 7에 예가 제시되어 있다. 상기 모듈의 (예컨대, 원통형의) 디자인은 나란한 배치를 가능하게 하는 반면, 어레이로부터 하나의 모듈을 제거하는 것은, 예를 들어, 관련 모듈을 올리거나 내리는 방식으로 수행될 수 있다.

본 발명은, 일반적으로, 원자로 회로들을 포함하는 원자로, 원자로 회로, 및 상기 원자로 및 원자로 회로를 작동시키는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 원자로 회로는 염으로 채워진 기존의 MSR 원자로 용기가 아니라, 그 염이 개별적이고 독립적인 회로에서 순환되는 파이프들, 파이프 묶음(bundle) 또는 채널형 블록/실린더들의 구성이다. 개별형 원자로 회로와 그 내부의 용융염 회로들은 서로 연결되지 않거나 블랭킷 염 회로에 의해 서로 연결된다.

상기한 개별적 원자로 회로는 서로 독립적이며 독립적으로 작동할 수 있다.

이것은 용융염 회로들이 중앙 1차 또는 블랭킷 염 순환 시스템에 의해 서로 연결된 하나의 시스템인 종래 기술 구성과의 차이점이다. 종래 기술의 용융염 구성은 일반적으로 분할되지 않는다. 따라서 본 발명의 원자로 개념은 모듈 개념이다. 별도로 구성되는 개별화된 원자로 회로들 또는 모듈들 및 모듈형 염 루프들은 다른 근접 위치에 배치되지만 배관(tubing), 용융염 또는 연료를 공유하지는 않는다. 각 모듈에는 그 자체의 용융염, 연료 및 배관이 포함되어 있다. 각 모듈은 원자로의 별도의 구획이다.

US2999057은, 예를 들어, 도 6에서, 도관들이 근방으로 수렴하여 코어를 형성한 다음 발산하는 구성을 보여준다. 그러나 전체적 구성은 고정된 상태로 유지되며, 원자로를 완전히 분해하지 않고는 원자로에서 제거할 수 없다.

본 발명의 모듈형 노심 접근 방식은 다음과 같은 이점을 제공한다:

- 각 모듈은 최소 2개의 격납 용기(즉, 2개의 방어선)를 유지하며, 제 1 및 제 2 격납 용기 사이로 흐르는 가스와 제 2 격납 용기의 외부 냉각제에서 핵분열 생성물 함량을 측정하여, 둘 모두의 무결성(integrity)을 지속적으로 모니터링할 수 있다.

- 격납 용기(containment)의 모니터링을 통해 분리 불가능한 기본 폐쇄 구성 요소들을 사용할 수 있도록 한다. 일반적으로, 1차 경계 무결성은 용접 또는 경납땜(brazing)에 의해 보호되어, 상기 1차 경계를 하나의 단일 구성 요소로 전환하고, 의심의 여지를 남기지 않고 격납 용기가 폐쇄된다. 격납 용기의 무결성을 모니터함으로써 분리 가능한 구성 요소들이 허용될 수 있다.

- 각 모듈은 총 연료-냉각제 체적의 일부를 포함한다. 즉, 격납 용기당 소스 기간이 감소한다.

- 각 모듈에는 임계치 이하의 연료-냉각제가 포함되어 있는데, 이것은 모듈 수준에서 임계 상황을 도입할 수 없다. 다수 모듈의 연료-냉각제가 결합된 상태에서, 특정 구성으로 모듈들을 배치할 때만, 핵분열 반응이 시작되고 유지될 수 있다.

- 모듈에 장애가 발생하면, 해당 모듈의 연료-냉각제가 임계 노심 영역에서 수동으로 배출될 수 있으며, 전체 노심의 임계치가 감소하거나 중지되는 반면, 나머지 모듈 기능은 영향을 받지 않는다.

- 대형 구성 요소를 피하여, 비용을 절감하고, 취급, 운송(가능한 컨테이너 크기로써) 및 교체를 용이하게 한다. 예를 들어, 대형 부품 또는 전체 모듈들을 추출 및 교체할 수 있으므로, 교체를 통해 시스템 수명을 연장할 기회를 제공하지만, 또한 성능이 향상된 새 모듈이나 다른 연료-냉각제를 도입할 수도 있다.

- 총 연료-냉각제 재고가 모듈로 세분화됨에 따라 연료-냉각제 폐기물 부피는 모듈 수준, 즉, 운송 가능하고 개별적 위치에서 추가로 처리될 수 있는 관리 가능한 부피로, 처리된다.

- 원자로의 모듈들은 전체 원자로의 복잡한 분해 없이 원자로에 넣고 빼낼 수 있다. 모듈의 교체는 원자로를 구성하는 모듈들의 어레이에서 모듈을 올리거나 내림으로써 달성할 수 있으며, 계측, 전력, 2차 열교환기 등과 같은 2차적 연결의 분리만 필요하다.

모듈형 노심 접근 방식은 중성자 물리학 관점에서 최적이 아닌 노심 구성으로 이어지는데, 그 이유는 그 구성이 모듈 수준에서의 실용적인 설계 고려 사항, 예컨대, 교체 가능성과 임계 노심 구역에서의 모듈당 격납 용기의 도입에 의해 결정되기 때문이다. 본 발명자들은 핵 안전을 우선시하였는데, 이것은 연료-냉각제 시스템이 실질적으로 실현 가능하기 위한 전제 조건이기 때문이다. 이러한 접근 방식은 중성자 경제성을 최대화하기 위하여 노심 구성을 최적화할 가능성을 제한할지라도, 연료-냉각제를 채택하면 그 선택한 모듈형 접근 방식의 중성자 경제성 단점을 보상하는 이점을 제공한다. 연료-냉각제의 사용은, 특히 연료-냉각제에서의 원치 않는 중성자 흡수 핵분열 생성물이 온라인으로 효과적으로 제거될 수 있는 경우, 고체 연료 원자로보다 더 높은 중성자 효율의 가능성을 제공한다. 연료 냉각 시스템은 압력이 낮기 때문에, 이들은 주로 저압 액체 및 가스 장벽 역할을 하므로 격납 용기들이 상대적으로 얇게 유지될 수 있다. 따라서 원자로 노심 영역에서 격납 물질의 중성자 흡수에 의한 노심 성능에 대한 부정적인 영향을 최소화할 수 있는 반면, 안전성과 상대적으로 빠른 개발, 인허가, 승인 및 구현 기간을 최적화할 수 있다.

본 발명의 원자로 회로(단일 파이프, 다수의 파이프, 파이프 묶음 또는 채널형 블록/실린더들인)의 구성은 적절한 원자로 검사 시설에서 단일 회로 시스템에 의한 핵 테스트 및 회로 시스템의 검증을 가능케 한다.

일 양태에서, 본 발명의 원자로 회로는 핵연료를 함유 및/또는 순환시킬 수 있는 루프를 포함한다. 상기 루프는 대체로 수직인 배열로 된, 선택적으로는 대체로 똑바른 채널(straight channel)을 포함한다. 상기 채널은 루프의 액체에 대한 상하향 통로를 제공한다.

개별적인 용융염 핵 회로, 또는 그의 대표적인 버전은 기존 원자로(예컨대, 적절한 재료 시험 원자로)의 방사선 장에 배치될 수 있으므로, 이는 용융염 원자로 회로에 대한 재료 및 구성 요소들을 설계, 개발, 시험 및 인증하는 데 사용될 수 있다.

개별 용융염 원자로 회로는 용융염 원자로의 일 구성 요소로 사용될 수 있으며, 이는 또한 다수의 그러한 개별적 회로들로 구성된다.

다른 양태에서, 본 발명은 본 발명의 하나 또는 다수의 회로들을 포함하는 원자로에 관한 것이다. 하나의 회로를 포함하는 원자로는 그 회로를 검증하고 테스트하는 데 사용될 수 있다. 다수의 회로가 결합되어 개별적인 용융염 회로에 입각한 원자로를 형성할 수 있다.

원자로는 노심(core) 영역과 외각(shell) 영역을 포함한다. 노심 영역은 외각 영역으로 둘러싸여 있다. 원자로에는 복수의 원자로 회로들이 제공된다. 원자로의 각 원자로 회로는 하나 또는 다수의 채널을 포함하는 루프를 포함한다.

상기 루프는 핵연료 물질(fertile material) 및/또는 핵분열성 물질(fissile material)을 포함하는 액체를 함유할 수 있다. 하나 또는 다수의 액체 탱크가 루프와 연결되어, 선택적으로는 분리 가능하게, 배열되고 핵연료 및/또는 핵분열성 물질들을 포함하는 액체를 수용할 수 있다. 상기 다수의 회로들의 채널들은 노심 영역에 배열된다. 노심에서의 채널들 배열은 원자로의 임계 영역을 형성하여, 핵분열 반응을 유지한다.

다수의 개별 회로들의 채널들은 본질적으로 안전하고 효과적인 구성으로 임계적 구성으로 배치되어 용융염 원자로를 개발하고 운영할 수 있다. 상기 개별 회로들은 각각 아-임계량(sub-critical amount)의 핵연료를 함유한다. 개별 회로 구성의 채널들은 각각 아임계량의 핵연료를 함유할 수 있다.

개별 회로들로부터 제작된 원자로는 연료 사이클의 유연성(회로에는 다른 연료/염 조합을 포함할 수 있거나 연료/염 조합은 변경될 수 있음)을 허용하고, 그 회로들, 따라서 원자로의 주요 구성 요소들의 교체가 가능하다. 1차 구성 요소들이 교체 가능한 회로와 원자로를 가짐으로써, 원자로의 수명 사이클이 연장되고 안정적으로 관리될 수 있다. 원자로 회로들 및 그로부터 구축된 원자로들은 시스템의 구성 요소들이 새롭고 개선된 구성 요소들로 대체될 수 있으므로 추가적인 최적화를 가능케 한다. 회로의 설계는 회로의 구성 요소들이 개별적으로 테스트되고 인증될 수 있도록 되어 있다. 원자로 회로(또는 루프)의 설계 및 이러한 루프들로 제작된 원자로의 설계는, 하나 또는 다수의 용융염 원자로들이 그의 원하는 기능에서 벗어날 때 그 원자로가 작동을 멈추는 설계를 허용하기 때문에, 개선된 안전 측면을 나타낸다.

본질적으로 원자로는 원형 배열로 배치될 수 있는 여러 개의 개별 회로를 기반으로 하며, 각 회로의 한 부분은 작은 반경("채널" 또는 "핫 레그(hot leg)")에 위치하여, 핵 반응('임계 영역')을 유지하는 임계적 구성을 생성하고, 또한 회로의 나머지 부분은 비-임계적 구성으로, 대부분 임계 영역의 방사장 외부에, 더 큰 반경에 위치한다. 회로 채널들이나 배관은 염과 직접 접촉하는 상태이다. 상기 채널들은 결합된 채널에 의해 형성된 임계적 구성에서 적절한 양의 핵분열성 물질을 제공하고, (에피-)서멀(epi-thermal) 중성자(thermal neutron) 스펙트럼 원자로가 목표일 경우 감속 물질을 사용함으로써, 염을 함유하고 원자로의 임계 영역을 형성한다. 채널들은 높은 방사선 플럭스에 노출된다. 파이프의 사용은 방사선 노출 및/또는 염분 노출 측면에서 재료 한계에 도달하는 즉시 교체를 가능케 하고 교체가 비교적 용이하다. 채널들은 단일한 파이프 또는 파이프 묶음들 또는 채널이 있는 블록들일 수 있으며, (부식성) 염 및 핵분열 생성물과의 접촉과 함께 원자로 임계 영역에서 높은 방사선 플럭스에 노출되기 때문에 상대적으로 빠르게 열화하며, 또한 교체 가능한 상대적으로 소형의 구성 요소들로서, 원자로 수명을 늘린다. 1차 배관 및 채널 교체에는 상당한 원격 처리작업 개발이 필요하지만, 이것은 수십 년 동안 MSR 조건을 견딜 수 있는 재료들을 찾고 검증하려고 시도하는 것보다 오히려 더 실현 가능한 것으로 간주된다.

대안으로서는, 도 6 및 7에 예시된 것처럼, 채널들이 회로의 상단 절반에 있고 다른 구성 요소들은 하단에 있는 수직 배치로 회로가 제작될 수 있다. 수직으로 배치된 회로를 함께 배치하면, 채널들은 서로의 근방에 존재하고, 모듈 간의 중성자 교환을 허용하고, 핵분열 반응이 유지될 수 있는 임계적 노심 구성을 설정한다. 하나의 회로를 제거하거나 용융염을 채널들로부터 하반부의 탱크로 배출하여 회로를 비활성화함으로써 원자로의 임계 상황(criticality)이 중단된다.

복수의 분리된 개별형 원자로 회로들 또는 모듈들을 포함하는 원자로로서, 각 모듈은 1차 시스템으로서 비-임계적 양의 핵연료로서 용융염 액체 및 핵연료 또는 핵분열성 물질을 포함하되,

각 모듈은 원자로의 2차 시스템에 연결되고,

각 모듈은 다른 모듈과의 구성으로 원자로에 위치되고,

각 모듈은 하나 또는 다수의 다른 모듈들의 중성자 플럭스 내에 배치되고,

상기 다수의 모듈들은 상기 하나 또는 다수의 다른 모듈들의 구성 및 중성자 플럭스 내에 결합 및 배치될 때 임계적 양의 핵연료 및/또는 핵분열성 물질을 포함하고,

각 모듈은 원자로에서 다른 모듈들의 구성을 유지하면서 2차 시스템에서 모듈(그의 일부분들)을 분리함으로써 원자로 시스템에서 개별적으로 제거되고,

모듈의 1차 시스템은 펌프, 1차 열교환기 및 회로에 분리되거나 통합된 배수 탱크(drainage tank)와 같은 1차 처리 수단을 포함하고,

상기 2차 시스템은 2차 제어 수단 및 모듈들의 1차 열교환기와 열을 교환할 수 있는 2차 비-핵 열교환기를 포함한다.

실시 예들에 있어, 모듈들은 수직으로 길쭉한 다각형 또는 원통형 모양을 가질 수 있다. 실시 예들에서, 주 시스템은 모듈에서의 수직 구성의 (폐쇄형) 루프이다. 실시 예들에서, 용융염 루프들을 포함하는 모듈들은 주로 수직으로 길쭉한 다각형 또는 원통형 모양의 상반부에 배치되며, 펌프, 1차 열교환기, 및 배수 탱크와 같은 1차 처리 수단과 같은 1차 시스템의 추가 요소는 하반부에 배치되어 있다. 모듈들이 구성으로 배치될 경우, 그 구성은 일 모듈의 용융염 루프를 다른 모듈들의 중성자 플럭스 내에 배치하여 핵반응을 유지하고 에너지를 생성하는 임계적 구성을 달성한다.

추가적 양태에 있어, 본 발명은 원자로 회로의 채널, 또는 상기 원자로 회로의 대표적인 버전을 다른 원자로의 노심 근처에 배치함으로써 상기 회로의 채널이 원자로의 중성자 플럭스에 노출되도록 하는 원자로 회로를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 이것은 MSR 종합적 학문 분야를 포함한, 대표적인 테스트 환경에서, 회로 재료들, 회로 유체들 및 회로 구성 요소들의 테스트, 특성화 및 검증을 목적으로, 다수의 원자로 회로들로 구성된 원자로의 회로 작동을 시뮬레이션한다.

추가적인 양태에 있어, 본 발명은 본 발명의 원자로 회로 및 가능하게는 (중성자) 감속재(moderator)를 포함하는 원자로를 제공하는 과정들을 포함하는 원자로 작동 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 핵연료 물질 및/또는 핵분열성 물질을 함유하는 다수의 핵연료들을 제공하는 동작과 및 다수의 회로에 상기 다수의 핵연료들을 제공하는 동작을 더 포함한다. 채널의 일부 또는 전체에서의 핵연료와, 감속재 및/또는 채널의 구성은 핵분열 반응이 지속될 수 있는 임계 영역을 생성한다. 본 발명의 방법은 본 발명의 회로들이 다양한 목적을 위해 원자로에서 사용될 수 있게 하며, 그 목적 중 일부는 에너지의 생성, 중성자/중성자들 흡수를 사용하여 핵연료 요소를 핵분열 요소로 전환함으로써 증식 시설로 사용하고, 그럼으로써 핵연료를 생성하는 것, 및/또는 동위원소 및 다른 응용 분야를 위한 물질의 생성 및 그들의 조합이다. 본 발명의 원자로 회로들을 갖는 원자로의 모듈형 구조는 원자로의 구성에 대하여 극단적인 변경이 없이도, 개별 회로들의 변경, 및/또는 상기 회로들에 포함된 액체들의 변경, 및/또는 감속재의 변경에 의해, 원자로의 작동이 동일한 또는 후속 시간에 다양한 요구를 충족하도록 사용될 수 있도록 한다.

도 1은 채널들이 원자로의 노심에 배치되어 있는 원자로의 평면도의 개략적인 표현을 나타낸다.
도 1a는 파이 모양의 표시 지점에 채널들이 위치한 4개의 개별 회로들(도식적인 점선으로 구분)의 평면도를 개략적인 표현으로 나타낸 것이다. 원자로에 배치될 때, 채널(4)은 개별형 (임계치 이하의) 중성자 기여(neutron contribution)를 통해 결합된 임계적 균형의 중성자들을 생성함으로써, 원자로 노심을 함께 형성하는 다른 개별형 원자로 회로들에 가장 근접한 원자로 회로의 부분이다.
도 2는 원자로 회로의 개략도를 도시한다.
도 3A 내지 3C는 채널이 리턴 라인의 거리에서 대체로 수직 위치에 배치되어 있는 원자로 회로(측면도)의 개략도를 도시한다. 채널에는 U-bend 튜브 또는 U-bend 튜브들, 튜브-내-튜브(tube-in-tube) 또는 채널형 블록 구성에 의해 형성된 양방향 흐름이 포함된다.
도 4는 원자로 회로의 구성 요소들 및 입출력 스트림의 개략도를 도시한다.
도 5는 하나의 원자로 회로의 측면도의 개략도를 도시한다.
도 6은 원통형 배열에서 원자로 회로의 측면도(왼쪽)와 평면도(오른쪽)의 개략도를 도시한다. 위쪽 부분에서 채널들은 수직의 상하 채널들이 있는 원형 배열로 배치된다. 펌프들, 열 교환기들, 팽창 탱크들 및 핵분열 생성물 추출, 저장 장치들 및 기기들은 중성자 자속 필드 외부의 채널 아래 하부에 배치된다. 상단 도면은 상하 채널들의 바람직한 배치를 도시한다.
도 7a는 본 발명의 일 실시 예에서 원자로 회로들(여기서는 원형 구성의 7개 회로)의 개별 배치를 도시한다. 개별 회로들이 서로 근접하게 배치되면, 각각의 개별 회로의 채널들도 또한 서로 근접하게 배치되며, 채널들에서 적절한 양 및 농도의 연료를 선택하여 임계 상태가 달성될 수 있다. 회로들은 구성으로부터 제거 가능하다.
도 7b는 정사각형 어레이의 원자로에 있는 회로들의 배치를 도시한다.
도 7c는 원자로의 원형 노심 영역 주위에 노심 영역의 핵분열 반응에 기여하거나 또는 증식 또는 중성자 활성화에 의한 연료 생성과 같은 또 다른 기능을 가질 수 있는, 방사상으로 노심 영역에서 나오는 중성자들을 사용하는, 다수의 대체 회로들이 배치되어 있는 실시 예를 도시한다. 중성자가 주로 흡수되고 주변 회로들에 의해 생성되지 않는 경우, 이들은 원자로의 소위 외각(또는 블랭킷) 영역을 형성한다.

일 측면에 따르면, 본 발명은 루프(3)를 포함하는 원자로 회로에 관한 것으로서,

상기 루프(3)는 핵연료로서 핵 원료 물질 및/또는 핵분열성 물질을 함유하고, 선택적으로 순환시키는 액체를 함유할 수 있고,

상기 루프(3)는 루프의 일부이고 대체로 수직 배치로 배열된, 바람직하게는 대체로 똑바른 채널(4)을 포함하고, 상기 채널(4)은 상기 루프에 있는 액체를 위한 상하 통로(4a, 4b)를 제공한다.

본 발명에 따른 원자로 회로는 채널(4)을 포함하고 액체 탱크(5)에 연결될 수 있는 루프(3)를 포함할 수 있다. 루프에는 공급 라인(6), 채널(4), 배출 라인(7), 리턴 라인(8)이 포함될 수 있다. 루프에서, 공급 라인, 채널, 배출 라인 및 리턴 라인은 액체를 함유할 수 있는 루프를 형성하도록 연결되고 배열된다. 상기 액체는 핵 원료(fertile) 및/또는 핵분열성(fissile) 물질들을 포함할 수 있다. 액체 탱크는 루프에 연결되고 액체를 함유할 수 있도록 배열된다. 각 루프의 채널은 대체로 수직 배열로 독립적으로 배치될 수 있다.

본 발명의 유리한 특징은 그것이 대체로 수직인 배열로 위치할 때 채널에서의 상향류, 역류 및 하향류의 개별 회로에 수용된다는 점이다. 이러한 구성은 일단에서, 바람직하게는 상단에서 닫힐 수 있고, 또한 채널이 연결되어 있는 위치에서 회로에 연결될 수 있는 격납 용기들에 상기 채널을 에워싸는 것을 가능하게 한다. 이것은 원자로 격납 용기의 상부 리플렉터(reflector) 및/또는 방사선 차폐(radiation shield)를 통해 격납 용기들과 채널을 수직으로 분리, 제거 및 교체하는 것을 편리하게 만든다. MSR 시스템에 대하여, 노심 구성 요소들이 고온, 높은 방사선 플럭스 및 용융염 및 그 구성 요소들과의 잠재적으로 유해한 화학적 상호 작용의 조합에 노출되는 상태에서, 노심 재료들 및 구성 요소들을 정기적으로 편리하게 교체하는 것은 원자로 수명과 경제성에 중요한 측면이다.

채널은 해제 가능하게 연결될 수 있다(즉, 선택적으로 격납 용기(29)와 함께 해제될 수 있도록 연결됨). 채널을 상하 통로로 제공함으로써, 공급 및 배출구가 상기 회로의 동일한 측면(상단 또는 하단)에 위치한다. 이를 통해 회로(및/또는 채널)가 주변 환경, 즉 회로가 방사능을 받거나 원자로의 방사선과 상호 작용하도록 배치된 근처의 원자로 노심으로부터 또는 회로의 채널이 원자로의 감속재에 배치된 경우 그 감속재로부터 제거될 수 있다. 그 다음, 원자로를 분해할 필요 없이, 원자로에서 (해제된) 채널 및/또는 전체 회로를 들어올리거나 낮춤으로써 제거가 수행될 수 있다. 이것은 원자로(그것의 대부분)를 분해할 필요 없이 원자로의 일부분들을 교체, 수리 또는 조작할 수 있도록 하기 때문에 기존의 (용융염) 원자로에 비해 큰 이점을 제공한다.

상기 채널은 또한 제거 및/또는 교체 가능한 격납 용기에 포함되거나 둘러싸일 수 있다. 격납 용기와 채널 사이에 불활성 가스가 존재할 수 있으며, 이는 단열재로 작용할 수 있으며 염 누출을 감지하기 위해 (온라인으로) 모니터링될 수 있으며, 주요 구성 요소들의 (사전)가열에 사용될 수 있다.

회로의 나머지 부분은 또한 폐쇄(containment) 또는 밀폐(confinement)에 의한 방사성 물질 방출을 피하기 위해 적절한 방어 계층에 의한 심층 방어 설계를 존중한다. 채널 폐쇄 기능 및 가스 갭과 유사하게 회로 시스템은 가열 및/또는 누출 모니터링/감지 기능이 포함될 수 있다.

분리된(포함된) 채널들 사이에는 감속재 물질을 배치하거나 회피함으로써 시스템에 의해 예상되는 연료 주기(예를 들어, 단순한 우라늄 연소 주기, 토륨-우라늄 또는 우라늄-플루토늄 증식 주기)에 맞춰 중성자 스펙트럼을 조절 및 최적화할 수 있다. 열 원자로 설계의 경우, 개별형 원자로 회로를 채택하여 감속재를 염과의 접촉으로부터 분리할 수 있다. 감속재 기능과 용융염 폐쇄(containment) 또는 용융염 흐름 안내 기능은, 알리어져 있거나 개발 중인 것으로 알려진 다른 열 MSR 시스템 설계와 달리, 분리되어 있다.

따라서, 본 발명의 또 다른 양태에 있어, 채널, 채널 격납 용기, 및/또는 액체 탱크를 회로로부터 분리하여, 채널, 채널 격납 용기 및/또는 액체 탱크를 회로로부터 제거함으로써, 또는 원자로에서 전체 회로를 제거함으로써, 원자로 회로의 구성 요소가 제거되는 방법이 제공된다. 회로가 원자로 구성에 배치되는 경우, 교체 가능한 연결된 채널, 채널 격납 용기 및 액체 탱크들이 원자로의 외각 또는 노심 영역에서 제거 및/또는 교체될 수 있다. 특정 실시 예에 있어, 회로로부터 채널, 채널 격납 용기 및/또는 액체 탱크의 제거는 회로로부터 채널, 채널 격납 용기 및/또는 액체 탱크를 제거하기 전에 원자로로부터 전체 원자로 회로를 제거하는 동작을 포함한다. 다른 실시 예들에서, 회로로부터의 채널, 채널 격납 용기 및/또는 액체 탱크는 원자로 회로의 나머지가 원자로 내에 남아 있는 동안 원자로로부터 제거될 수 있다.

채널의 공급 라인은 채널의 일단에 있다. 출구 라인은 채널의 타단에 위치한다. 상기 채널은 루프의 양쪽 부분에 있거나 및/또는 루프에 연결되는 공급 단부(공급 라인) 및 배출 단부(출구 라인)를 구비함으로써 채널로의 액체 공급과 그 채널로부터의 배출이 채널의 동일한 측면에서 되도록 한다.

상기 회로는 액체를 포함하고 순환시킬 수 있다. 상기 회로는 채널(4)을 가지는 루프를 포함한다.

여기에서 사용되는 바와 같이, 채널(종종 핫 레그(hot leg)로서 식별됨)은 채널 내부 및/또는 채널 외부(외부 중성자 방사선에 노출되었을 때)에서의 핵분열 반응에 의해 중성자 방사선에 가장 많이 노출된 회로의 일부이며, 채널 및 채널의 유체는 핵분열 반응 및/또는 핵 가열(nuclear heating)(방사선 흡수에 의한 유체 및 채널 물질에 축적된 에너지)에 의해 가열된다. 회로 유체는 양방향 방식(위에서 아래로 또는 아래로 위로)으로 채널을 통해 흐른다. 채널은 위아래로 움직이는 단일 파이프, 파이프 묶음, 파이프-인-파이프 또는 채널형 블록/실린더 중에서 선택된 형태일 수 있다. 채널은 단방향 또는 양방향 염류(salt flow)를 가능하게 할 수 있다. 채널은 공급 라인(6) 및 리턴 라인(8)에 연결되어 채널에 액체를 공급하고 그 채널에서 액체를 회수할 수 있다. 파이프 묶음, 파이프-내-파이프 또는 채널형 블록/실린더와 같은 양방향 흐름을 허용하는 채널이 선호된다.

채널의 실질적으로 직선적인 위치는, 바람직하게는 회로의 채널의 외부 위치에 적용된다. 대안적인 실시 예들에서, 채널은 채널의 외부 둘레에서 위로(또는 아래로) 코르크 마개처럼 회전하는 상하 통로를 가질 수 있으며 코르크 마개 나사의 루프를 통해 아래로(또는 위로) 그 통로를 완성할 수 있다.

채널은 일단에서 공급 라인에 연결될 수 있다. 채널은 타단에서 출구 라인(7)에 연결된다. 출구 라인은 일단으로 채널에 연결된다. 출구 라인은 타단으로 리턴 라인에 연결된다. 리턴 라인은 일단으로 출구 라인에 연결된다. 리턴 라인은 타단에서 공급 라인에 연결된다. 공급 라인, 채널, 출구 라인 및 리턴 라인의 이러한 구성은 본 발명에서 사용되는 것과 같이 폐쇄 회로 또는 루프를 제공한다.

일반적으로, 채널은 그 채널이 액체를 함유하고 순환시킬 수 있는 폐쇄 루프의 일부가 되도록 채널의 두 단부들(입구 및 출구)에 연결된다. 이러한 단부들 중 하나에서, 공급 라인이 채널의 상류 측에 존재하고 배출 라인은 채널의 하류 측에 제공될 수 있다. 리턴 라인은 채널을 포함하는 루프가 제공될 수 있도록 배출 라인의 하류 측 및 공급 라인의 상류 측에 위치할 수 있다.

상기 회로에는 하나 또는 다수의 액체 탱크들(5)이 연결될 수 있다. 상기 회로는 액체를 함유할 수 있다. 상기 액체는 핵연료 원료 물질 및/또는 핵분열성 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 원자로 회로는, 작동 중일 때 채널이 기존 원자로(즉, 적절한 재료 시험 원자로)의 플럭스에 배치될 수 있는 방식으로, 그 채널이 회로의 나머지 부분과 일정 거리를 두고 배치될 수 있는 루프를 형성한다. 채널 자체와 그 채널의 내용물은 기존의 (테스트) 원자로의 방사선에 노출될 수 있다. 원자로 회로의 다른 요소들은 기존 원자로의 플럭스 외부에 더 멀리 배치될 수 있다.

이것은 원자로 회로 자체의 재료와 구성을 테스트하고 검증할 수 있는 구성을 제공한다. 따라서 상기 원자로 회로는 테스트 원자로의 플럭스 내에 그것을 배치함으로써 새로운 원자로 개념의 일반적인 테스트, 모델 유효성 확인 및 자격 검증에 사용될 수 있다. 상기 회로에 연결된 하나 또는 다수의 액체 탱크들은 원자로 회로를 채우는 데 사용될 수 있고 액체 내용물을 저장하는 데 사용될 수 있다.

일 실시 예에서, 바람직하게는, 상기 채널은 임계량의 핵 물질을 포함하지 않는데, 즉 채널은 임계 이하(sub-critical: 아-임계)이다.

특정 실시 예들에서, 상기 회로는 액체를 포함할 수 있다. 상기 액체는 핵연료 원료 및/또는 핵분열성 요소들을 포함할 수 있다. 상기 액체는 용융염일 수 있다. 상기 액체는, 예를 들어, 회로에 통합된 대류(convection) 및/또는 펌프에 의해 회로를 통해 순환될 수 있다.

일반적으로, 용융염은 높은 열팽창 계수를 갖는다. 따라서, 용융염을 사용할 경우 루프 내에서 자연적인 순환이 일어날 수 있다. 핵분열 반응에 의해 가열되는 채널 내의 염은, 채널의 상부로 상승하거나, 또는 더 밀리게 되는데, 여기서, 예를 들어, 선택적인 열 교환기를 통해 용융된 염으로부터 열이 추출될 수 있다. 높은 열팽창 계수를 갖는 용융염은 밀도가 높아져 루프의 배출 라인과 리턴 라인을 통해 뒤로 이동하는 경향이 있으며, 활성 영역 내에서 가열된 염으로 대체된다. 냉각된 염이 회로를 통과할 때, 채널의 "임계 영역(critical zone)", 즉 외부 복사를 받을 수 있는 곳을 통과한다. 임계 영역을 통과하면 용융염에 열이 발생하여 그 밀도가 낮아지도록 하고, 용기 채널의 상단으로 순환하여 그 프로세스를 반복한다. 따라서 자연적 흐름은 열이 추출될 수 있는 선택적 열 교환기와 상기 회로를 통해 뜨거운 염을 순환시키고, 그것이 가열되는 임계 영역 영역을 통해 더 차가운 염을 다시 가져온다. 이러한 자연 순환은 회로 내부의 흐름의 주요 추진 요인(primary driver)을 형성할 수 있다.

회로에서의 자연 순환 효과는 노심 반응 용기를 통해 물질을 순환시키기 위해 루프 또는 회로에 펌프를 포함할 필요성을 줄일 수 있다. 이러한 자연 순환 효과를 보완하기 위해 펌프가 제공될 수 있으며 및/또는 순환을 위한 주요한 동력으로 필요할 수도 있다. 예를 들어, 회로에서 많은 양의 에너지가 발생하는 경우, 채널로부터 열이 제거되는 회로 부분으로 열을 능동적으로 이동시키기 위해 펌프가 선호된다.

특정 실시 예들에서, 채널은 대체로 수직 배열로 배치된다. 이러한 맥락에서 대체로 수직이란 채널의 액체가 대류 및/또는 중력을 통해 채널을 통해 이동할 수 있음을 의미한다. 상기 채널은 수직과 최대 약 45도의 각도를 가질 수 있는데, 약 20도, 15도 또는 10도 이하가 바람직하며, 각도가 약 5도 미만인 것이 더 선호된다. 상기한 루프 및 회로의 요소들은 회로가 중력에 의해 액체 탱크 내로 유체의 수동적 배수(draining)를 허용하거나 용이하게 하는 방식으로 배열되고 위치되는 것이 바람직하다.

원자로 회로가 핵연료 원료 물질 및/또는 핵분열성 물질을 함유할 수 있는 용융염 원자로인 실시 예에서, 액체 탱크는 능동 또는 수동형 활성화 밸브 또는 통과를 통해 회로에 연결될 수 있다.

수동형 활성화 통과의 예는 회로와 액체 탱크 사이의 연결부에서 용융염이 응고하도록 섹션의 능동형 냉각에 의해 전형적으로 달성되는 염 플러그(또는 동결 플러그)(11)이다. 이 섹션은 일반적으로 루프와 탱크 사이에 배치된다. 일단 냉각이 비활성화 또는 제거되거나, 온도가 상승하면, 플러그는 용융되고, 회로의 내용물은 탱크에 배수된다. 염 플러그는 원자로 회로가 과열되는 경우에 일반적으로 유용하며, 염 플러그를 통한 수동형 배출에 의해 핵분열 물질이 노심으로부터 제거되어, 핵분열 반응을 효과적으로 감소시키거나 정지시킨다. 바람직하게는, 액체 탱크는 원자로 회로의 가장 낮은 지점의 근처에 위치된다. 적어도 채널의 대체로 수직인 배치와 염 플러그 및 회로의 최하점 부근의 액체 탱크 배치의 조합에 의해 비상시일 경우(즉, 폭주(runaway) 또는 과열 시) 탱크 내 회로의 내용물을 비우는 것을 가능케 하며, 이로써 상기 회로에서 그리고 원자로의 중요한 노심 영역의 핵분열 물질을 제거하거나, 회로에서의 핵분열 반응을 정지 또는 감소시킴으로써 원자로 시스템은 더 이상은 위태롭지 않도록 한다. 바람직하게는, 탱크는 원자로의 플럭스의 외부에 또는 원자로의 플럭스가 회로 핵반응을 유지할 수 없는 위치에 적어도 위치한다. 액체 탱크는 회로에서 액체를 배출하는데(셧-다운 시나리오) 및/또는 회로에 액체를 채우는데(시동 시나리오)에 사용될 수 있다. 액체 탱크는 액체를 저장하도록 구성될 수 있으며 염 조절 목적으로 온도 조절 능력을 구비한다. 액체 탱크는 제거 및 교체될 수 있다. 분리 및 교체 가능한 액체 탱크를 구비하는 것은 새로운 용융염 조성물을 주입하거나 또 다른 위치에서 용융염의 정제 또는 변경을 관리하는 것을 가능하게 한다. 대안적으로, 개별적인 탱크들이 제거 및 대체될 수 있는 운송 탱크 또는 용기로 배출될 수 있다.

특정 실시 예들에서, 상기 회로는, 예를 들어, 열 팽창으로 인한 압력 변화 및 염 부피 변화를 처리하기 위해 팽창 용기와 같은 다른 구성 요소들을 더 포함할 수 있다. 상기 회로는 회로 내의 액체를 이송하기 위한 펌프들, 회로 내의 유체를 가열하거나 회로 내의 유체로부터 2차 매체로 열을 제거하여 에너지 발생 장치로 전달하는 데 사용되는 열 교환기를 더 포함할 수 있다. 상기 회로는, 예를 들면, 불순물, 원치 않는 부산물, 중성자 흡수 활성화 또는 핵분열 생성물, 또는 부식 또는 침착에 의한 시스템 열화를 향상시키는 염에서 생성되는 요소들의 제거를 위한 화학적 처리 수단을 더 포함하거나 이에 연결될 수 있다. 물질 추출과 관련된 잠재적인 비확산 문제는 설계에 의해 관리되어야 하고 관리될 수 있다. 상기 회로는 핵연료 원료 물질, 핵분열성 물질, 핵분열 생성물들, 중성자 활성화를 위한 소스 물질들 및 중성자 활성화 물질들 중 하나 또는 다수, 및 용융염과 같은 액체의 추가 및/또는 제거를 위한 수단을 더 포함하거나 이에 연결될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 액체 탱크는 복수의 액체 탱크들이다. 회로 및/또는 채널 내의 핵 물질의 양은 임계량 미만일 수 있다(즉, 회로의 채널은 임계량 이하의 핵 물질을 포함함). 이 실시 예에서, 바람직하게는, 상기 채널은 임계량의 핵 물질을 함유하지 않으며, 즉 채널은 임계치 이하(sub-critical)이다. 따라서, 특정 실시 예들에서, 하나의 액체 탱크가 회로에 포함된 액체의 일부를 포함할 수 있고, 이에 따라서 임계량 이하의 핵연료만을 포함할 수 있도록 다수의 액체 탱크들이 제공될 수 있다.

상기 액체 탱크는 구조물에서 제거되고 운송 컨테이너에 넣어져 염 청소, 염 조성 최적화 또는 폐기물 저장 및 처리를 위한 컨디셔닝을 포함한 다른 염 처리 목적을 위한 장소로 액체를 이동할 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 회로(및 이에 따른 원자로 내)의 액체는, 바람직하게는, ²³²Th, ²³⁸Pu, ²³⁸U, ²⁴⁰Pu, ²⁴²Pu 및 기타 악티늄족 동위원소(actinide isotopes) 중 하나 또는 다수 중에서 선택되는 핵연료 원료 물질들(fertile materials)을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 회로(따라서 원자로 내)에서의 액체는, 바람직하게는, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹PU, ²⁴¹PU 및 다른 악티늄 동위 원소들 중의 하나 또는 다수로부터 선택된 핵분열 물질들을 함유할 수 있다.

이와 관련하여, 핵연료 원료 물질(fertile material) 이라는 용어는 중성자 변환(neutron transmutation) 및 후속적인 핵붕괴(nuclear decay)에 의해 핵분열성 물질로 변환될 수 있는 물질이다. 이와 관련하여, 핵분열성 물질(fissile　material)이라는 용어는 중성자 방사(irradiation)에 의해 핵분열을 겪도록(즉, 핵분열 가능한) 만들어지고 또한 올바른 환경에서 핵반응을 유지할 수 있는 이러한 핵분열로부터 중성자를 생성할 수 있는 물질이다. 중성자를 흡수하여 핵연료 원료 물질을 핵분열성 물질로 변환하는 과정을 연료 증식(fuel breeding)이라 지칭한다.

본 발명에 따른 원자로 회로(따라서 원자로)에서의 액체는, 바람직하게는, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹PU, ²⁴¹PU 및 다른 악티늄 동위 원소 중의 하나 또는 다수 중에서 선택되는 핵분열 물질을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 회로(및 이에 따른 원자로)의 액체는, 예를 들어, 핵폐기물 수명 단축의 목적을 위해 넵투늄(Neptunium), 플루토늄(Plutonium), 아메리슘(Americium), 큐륨(Curium) 및 기타 악티늄으로부터의 동위원소와 같은 핵폐기물에서 추출된 수명이 긴 동위원소를 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 회로(따라서 원자로 내)의 액체는, 다른 것들 중에서도, ¹⁷⁶Yb(¹⁷⁷Lu를 생성하는), ¹⁶⁰Gd(¹⁶¹Tb를 생성하는)와 같은 농축한 안정적 동위원소(enriched stable isotopes)들로부터, ²³⁵U/²³³U/²³⁹Pu(핵분열에 의해 ⁹⁹Mo, ⁹⁰Sr 및 ¹³¹I를 생성하는), ²³⁷Np(²³⁸Pu를 생성하는) 및 ²²⁶Ra(²²⁷Ac, ²²⁸Th, ²²⁹Th, ²²⁵Ac 등을 생성하는)와 같은 선택된 반-안정적(semi-stable) 또는 불안정한 동위원소들로 변화하는, 의학적 또는 산업적 용도를 갖는 활성화 또는 핵분열 생성물을 생성하도록 특히 의도된 동위원소들을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 원자로 회로의 액체는 용융염일 수 있다. 바람직한 실시 예들에 있어, 용융염은 불화물 및/또는 염화물, 바람직하게는, LiF, NaF, KF, RbF, BeF₂, ZrF₄, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, BeCl₂, ZrCl₄ 및 이들의 혼합물들 중의 하나 또는 다수로부터 선택된다.

본 발명의 채널은 중성자 플럭스와 방사선으로 인한 열화를 최소화하면서 회로의 용융염에 의한 부식을 충분히 견딜 수 있는 재료로 만들어지면서도, 중성자 경제성을 최적화할 수 있도록 중성자 흡수를 최소화한다. 용융염의 부식 효과에 대해 높은 내성을 가지는 물질은 방사선 손상에 비교적 잘 견딜 수 있으며, 중성자 흡수가 낮은 재료이다. 적합한 재료는 몰리브덴 합금, 흑연, 실리콘- 및 기타 탄화물일 수 있다.

본 발명의 채널은 가장 단순한 형태로 단일 튜브(파이프) 또는 채널이다. 일 실시 예에서, 채널(4)은 상부 또는 하부에서 서로 연결되는 상부 튜브(4a) 및 하부 튜브(4b)를 포함한다. 이것은 또한 상단 또는 하단(단일 파이프), 바람직하게는, 상단에서 굴곡이 있는 U자형 튜브로 상정할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 상기 채널은 U자형 튜브이고, 여기서 공급 라인과 배출 라인은 각각 채널의 하단(하반부)에 또는 그 근처에 독립적으로 위치한다(도 3A 참조).

일 실시 예에 있어, 채널은 파이프-내-파이프이다(도 3B). 파이프-내-파이프(이중 파이프, 양방향)는 외부 튜브(15) 내부에 위치한 내부 튜브(14)를 포함하며, 여기서 내부 튜브는 외부 튜브의 내경보다 작은 외경을 가지며, 내부 튜브의 일단(바람직하게는 하단부)은 공급 라인에 연결되고 외부 튜브(바람직하게는 하단부)의 일단은 출구 라인에 연결되며, 외부 튜브는 배출 라인(바람직하게는, 상부에서)에 연결된 단부로부터 폐쇄된 먼 단부를 갖거나, 또는

내부 튜브의 일단은 배출 라인에 연결되고, 외부 튜브의 일단은 공급 라인에 연결되며, 여기서 상기 외부 튜브는 상기 공급 라인에 연결된 단부로부터 폐쇄된 먼쪽 단부를 가지며, 내부 튜브의 타단은 개구를 가지며 외부 튜브의 폐쇄된 상단 근처에 위치하며, 외부 튜브 내에서 내부 튜브의 길이는 외부 튜브보다 짧다. 이것은 액체 흐름의 방향이 반전되는 부분을 생성한다.

채널의 다른 실시 예들에서, 내부 또는 상승(riser) 튜브는 리턴 또는 외부 튜브에 대해 동축으로 배치되고 그 반대도 마찬가지이다.

다른 실시 예들에서, 채널은 액체가 위로(또는 아래로) 흐르는 하나의 튜브와 액체가 아래로(또는 위로) 흐르는 복수의 튜브를 포함할 수 있다. 상기 튜브들은 이것을 수용하기 위한 상이한 직경을 가질 수 있다. 이와 관련하여, 도 3C를 참조한다.

또 다른 실시 예들에서, 채널은 통합된 상향 흐름, 흐름 반전(flow reversal) 및 하향 흐름을 수용하기 위해 블록 또는 실린더를 통해 채널이 제공되는 고형의 블록 또는 실린더로 제공될 수 있다(도 3C 참조). 블록 설계는 최적의 연료 분배를 위해 최적화될 수 있으며, 감속 요소들을 포함할 수도 있으며, 및/또는 그 자체가 감속 재료로 구성된다.

채널은 상향 및 하향 흐름을 수용하는 것이 바람직하며, 흐름 방향 반전 섹션은, 회로의 나머지 부분, 바람직하게는, 하단부에 연결되는, 단부 위치에서 전체 채널을 분리하는 것을 가능하게 하므로, 중요하다. 채널을 둘러싸는 격납 용기에도 동일한 것이 적용되며, 이것은 동일한 단부, 바람직하게는 하단부에서도 연결되어, 격납 용기를 분리하고 상부 중성자를 리플렉터 및/또는 방사선 차폐를 통해 격납 용기를 원자로 밖으로 수직으로 이동시킴으로써, 교체될 수 있는 폐쇄부(enclosure)를 형성하도록 할 수 있다.

채널을 포함하는 루프를 포함하는 원자로 회로는 본질적으로, 그 밖의 곳에서 설명된 바와 같이, 열교환기, 펌프, 화학 처리 수단 등과 같은 다른 요소들 및/또는 기능들을 포함하거나 이에 연결되어, 개별적인 독립 회로를 형성한다.

다른 양태에서 본 발명은 노심 영역 및 외각 영역을 포함하는 원자로에 관한 것으로, 여기서 상기 원자로는 다수의 분리된 개별형 원자로 회로들 또는 모듈들로 구성되며, 각각의 회로는 다음을 포함한다:

루프(3), 여기서 상기 루프(3)는 핵연료로서 핵 원료(fertile) 물질 및/또는 핵분열성(fissile) 물질들을 함유하고, 선택적으로는 순환시키는, 액체를 함유할 수 있고,

여기서 상기 루프는 루프의 일부이고 대체로 수직인 배열로 배치된, 바람직하게는 대체로 곧바른 채널(4)을 포함하고, 상기 채널은 다수의 회로들의 채널 각각이 노심 영역에 배열되고 각 회로가 원자로로부터 독립적으로 제거 가능한 루프에서 액체를 위한 상하 통로(4a, 4b)를 제공한다.

따라서, 상기 원자로는 노심(core) 영역(1)과 외각(shell) 영역(2)을 포함한다. 상기 노심 영역은 외각 영역으로 둘러싸여 있다. 상기 외각 영역은 중성자 활성화에 의해 물질 및 동위원소를 생성하기 위한 중성자 리플렉터, 방사선 차폐 또는 중성자 흡수 블랭킷으로서의 기능 또는 이들 기능의 조합을 가질 수 있다. 상기 외각의 블랭킷 기능은 중성자 활성화를 위한 표적 물질을 포함하는 외각에 유체를 공급 및 회수하는 회로에 의해 달성될 수 있다. 상기 원자로에는 복수의 원자로 회로들이 제공된다.

상기 채널은 원자로 임계 영역에 위치한 회로의 일부이며, 즉, 중성자 플럭스에 영향을 받는다.

상기 원자로는 개별형 원자로 회로들의 그룹(복수)으로 이루어진다.

상기 회로들은 별도의 회로들 또는 모듈들이며 다른 모듈들과 간섭 없이 원자로에서 제거될 수 있다. 상기 회로의 채널들은 서로 인접하여 배열된다. 다수의 회로들은 원형, 직사각형 또는 다른 구성과 같은 원자로를 형성하는 구성으로 배치될 수 있다. 원형 구성이 선호된다. 회로의 채널들은 그 회로를 구성하는 다른 구성 요소들보다 서로 더 작은 거리에(즉, 서로 더 근접하게) 위치할 수 있다. 효과적인 구상은 평면도로 파이 모양의 원자로를 사용하여 개별 회로들이 파이의 조각들을 형성하고, 그 각각은 파이의 중심을 향한 회로의 채널이 있는 형태이다. 이것은 회로의 다른 요소들을 원자로의 임계 영역 외부에 또는 더 멀리 효과적으로 배치하도록 한다. 상기 회로에는 여러 채널이 포함될 수 있다. 원형 구성에서, 채널은 다른 요소보다 원자로 중심에서 더 작은 반경에 존재한다. 채널들은 함께 원자로 코어가 되는 하나의 임계 영역(critical zone)을 형성한다. 특정 실시 예들에서, 채널들은 임계 영역을 형성하도록 다중 원으로 배치될 수 있다. 채널들(9)의 다른 원은 임계 영역을 둘러쌀 수 있다. 임계 영역은 중성자 리플렉터, 중성자 감속재, 방사선 차폐 또는 블랭킷 기능을 제공할 수 있는 외각 영역으로 둘러싸여 있다. 블랭킷 기능은 임계 영역을 둘러싼 외각 영역에 위치한 채널들(9)에 블랭킷 대상 물질을 제공하는 추가 회로들에 의해 달성될 수 있다. 상기 블랭킷은 농축된 원료 물질로부터 핵분열성 물질(증식)을 생성하거나 다양한 목적을 위한 동위원소를 만드는 데 사용할 수 있다. 블랭킷 기능은 노심에 사용된 채널(4)과 동일하거나 다른 형상(단면)을 갖는 채널들에 의해 제공될 수 있다. 노심(4) 내부와 코어(9) 외부의 회로 채널들은, 외각에서, 원형(도 1 참조)인 기하학적 구조(단면)를 가질 수 있지만, 독립적으로 계란형 및/또는 타원형일 수 있다. 외각 영역의 채널들은 원자로의 임계 영역에서 중성자를 흡수하는 것을 의도할 수 있고, 그 목적에 따라, 전용 및 그 기능에 최적화된 노심 회로 채널들과는 매우 다른 구성을 가질 수 있다. 채널들은 외각 영역에서 중성자 플럭스에 의해 활성화될 핵연료 원료 및/또는 핵분열성 물질 또는 다른 표적 물질을 포함할 수 있는 액체를 각각 독립적으로 포함할 수 있다.

원자로의 노심을 임계 상태로 적절하게 가져오기 위해, 선택된 회로 또는 모든 회로가 원자로의 임계 영역에 임계 이하 량의 핵연료를 개별적으로 제공할 수 있다. 따라서, 노심에서의 결합된 채널들(및 채널들 및/또는 채널들 사이에서의 선택적인 감속재)은 원자로의 노심에서 임계 상태가 달성되도록 충분한 임계 질량 및 감속을 제공한다. 임계 상태는 온도에 크게 의존하므로, 온도가 상승하는 경우 채널의 핵분열 물질 밀도가 감소하고, 그 반대일 경우 핵분열 반응에 수동적으로 안전 제어를 추가한다. 핵분열 반응을 추가로 제어하거나 중지하기 위해, 제어봉은 채널들 사이에 존재한다면 감속재에 또는 외각 영역에서 채널들 사이에 또는 가까이에서 이동하여 노심 영역에서 중성자 흡수 물질을 도입하거나 제거할 수 있다.

특정 실시 예들에서, 상기 노심은 2개 이상, 4개 이상, 6개 이상, 10개 이상 또는 25개 이상, 바람직하게는, 6 내지 20개의 채널을 포함한다. 특정 실시 예에서, 상기 원자로는 2개 이상, 4개 이상, 6개 이상, 8개 이상 또는 10개 이상의 회로를 포함한다.

전형적인 실시 예에서, 원자로는 원형 배열로 배치될 수 있는 루프들을 포함하는 다수의 개별 회로들을 기반으로 하며, 각 회로의 일부분은 작은 반경("채널" 또는 "핫 레그")에 위치하여, 핵반응을 유지하는 임계 구성('임계 영역')을 생성하며, 그리고 회로의 나머지 부분(기타 요소들, 기능들)은 더 큰 거리 또는 반경에서, 대부분 임계 구역의 방사장의 외부, 즉 비-임계 구성에 위치한다.

채널은 분리, 제거 및 교체될 수 있는 별도의 분리 가능한 구성 요소이다. 채널 격납 용기(29)는 분리, 제거 및 교체될 수 있는 별도의 구성 요소이다. 채널 격납 용기는 다수의 에워싸는 격납 용기들을 포함할 수 있다. 채널 격납 용기(들)와 채널 사이에는 열 절연을 제공할 수 있는 불활성 가스가 존재할 수 있고, 이것은 핵분열 생성물 또는 기타 염(휘발성) 성분을 모니터링하여 누출을 감지할 수 있으며, 채널 격납 용기와 채널 사이의 공간을 고온 가스로 스위핑함으로써 채널 (예비-)가열에 채택될 수 있다. 채널 및/또는 격납 용기는 개별적으로 분리, 제거 및 교체할 수 있는 개별 구성 요소이다. 채널은 하나 또는 다수의 개별형 격납 용기에 의해 (부분적으로) 둘러싸일 수 있다. 대안적으로는, 교체를 위해 전체 회로를 노심 영역에서 제거할 수 있다.

바람직하게는, 격납부가 있는, 다수의 회로의 각각의 채널은 노심 영역에 배열된다. 특정 실시 예들에서, 노심 영역은 감속재(10)를 포함할 수 있다. 감속재(10)는 채널 사이 또는 그 주변에 위치할 수 있다. 이러한 방식으로, 채널(및 감속재)은 함께 원자로 노심의 임계 영역을 형성한다. 적절한 감속재는 탄소 기반 물질을 포함하여 중성자 흡수가 낮은 원자량의 낮은 고체 물질일 수 있다.

특정 실시 예들에서, 감속재(moderator)가 없는 원자로, 즉 고속 중성자 스펙트럼을 제공하는 소위 고속 원자로를 제공하는 것이 가능하다. 이러한 유형의 원자로는 재료의 빠른 열화와 같은 특정 기술적인 문제가 있지만, 본 발명의 회로를 사용하는 개념은 채널 및 회로들 또는 전체적으로 회로에서부터의 채널 격납 용기들과 같은, 회로들을 형성하는 일차적 물질들의 상대적으로 신속하고 용이한 교체를 가능하게 할 것이다.

더 많은 에피-서멀(epi-thermal) 스펙트럼(토륨 사이클과 같은 고속 중성자보다 더 열적인) 또는 열 스펙트럼이 필요한 여러 응용 분야에서, 원자로에 감속재가 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

감속재는 채널 및 채널 격납 용기들의 재료 선택에 의해 그리고 회로 채널들 사이에 감속재 재료를 추가함으로써 더 추가될 수 있으며, 또는 회로에 비-감속재 재료들을 채택하고 비-감속재 매체 또는 재료로써 회로 채널 들사이의 공간을 채움으로써 최소화될 수 있다.

이러한 관점에서 임계 상태(criticality)는 핵연료가 핵분열 반응을 지속하는 원자로의 정상적인 작동 조건을 의미한다. 원자로는 각 핵분열 이벤트가 진행 중인 일련의 핵분열 반응을 지속하기에 충분한 수의 중성자를 방출할 때 임계에 도달한다(그리고 임계 상태로 언급된다).

원자로의 채널은 각각의 채널(및 그 안의 액체)이 유사한 중성자 플럭스와 중성자 스펙트럼을 경험하는 방식으로 배열될 수 있다. 대안적으로, 임계 영역들은 그 임계 영역의 각 채널이 다른 플럭스 및/또는 다른 중성자 스펙트럼을 경험할 수 있도록 배열될 수 있다. 이러한 배열은 특정 임계 영역, 예를 들어, 중성자 활성화, 또는 중성자/중성자 흡수를 사용하여 핵연료 원료 요소를 핵분열성 요소로 전환함으로써, 특정 동위원소 생성에 전용인 회로의 일부인 채널이 위치한 구역에 대해 특정 중성자 플럭스가 필요한 경우에 유용할 수 있다.

기존의 원자로와 달리, 임계 상태 및 이에 따른 핵분열 연쇄 반응은 전체 노심을 비-임계 상태로 가져오기 위해 원자로의 모든 회로에 간섭을 요구하는 대신 회로들 중의 하나 또는 다수를 간섭함으로써 이미 적절하게 중단되거나 하향 조절될 수 있다. 이러한 방식으로, 모든 회로들이 '오프-라인'으로 설정되거나 하향 조절되어야 하는 것은 아니다. 이는 유지 보수 및 안전 측면에서 매우 편리할 수 있다. 예시를 위해, 핵 물질의 임계적 양의 10%를 노심에 기여하여 노심에 대해 임계 상태가 달성되도록 하는 10개의 회로로 구성된 원자로를 고려해 보자. 비상시, 하나의 회로만 오프라인 상태(액체 탱크로 그의 내용물을 배출함)를 취할 필요가 있고, 나머지 9개 회로는 영향을 받지 않은 상태로 유지되는 동안 전체 원자로는 비-임계 상태가 된다.

추가적인 양태에서, 본 발명은 본 발명의 복수의 개별형 원자로 회로들을 포함하는 원자로를 작동시키는 방법을 제공한다. 상기 방법은 복수의 원자로 회로들을 포함하는 원자로가 제공할 수 있는 유연성을 이용한다.

상기 방법은 핵연료 원료 물질들 또는 핵분열성 물질들 및/또는 중성자 플럭스에 의해 활성화되는 다른 물질들을 포함하는 다수의 핵연료들 또는 표적 물질들을 제공하는 동작, 및 다수의 회로들에 상기 다수의 핵연료들 및/또는 표적 물질들을 제공하는 동작을 더 포함한다. 상기 방법은 핵연료 원료 및/또는 핵분열성 물질을 함유하는 다수의 핵연료를 회로들, 바람직하게는, 회로들의 각각에 제공하는 동작을 더 포함한다. 상기 회로들의 채널에 있는 핵연료는 임계 배치(critical configuration)로 이동된다.

임계적 원자로 노심은 회로의 채널들에 의해 형성될 수 있으며, 핵분열성 물질을 원자로 노심 영역에 적절한 양과 적절한 구성으로 도입할 수 있다.

원자로 스펙트럼은 염, 채널 물질, 격납 물질 및/또는 회로 채널들 사이 또는 주변의 전용 감속재에 의해 조절될 수 있다.

감속은 원하는 중성자 스펙트럼, 즉, 고속 중성자 스펙트럼 원자로 노심(최소 감속) 또는 (에피-)서멀((epi-)thermal) 중성자 스펙트럼 원자로 노심, 또는 다른 위치에서 다른 회로들에서의 핵분열, 증식 또는 활성화를 최적화하기 위한 노심 영역의 별도 섹션에 있는 다른 전용의 중성자 스펙트럼들로 조절될 수 있다.

모듈형 노심 원자로 시스템(modular core reactor system)은 또한 개별 회로를 증식에서 증식-연소(breeding-burning) 기능으로, 연소에서 증식 기능으로, 단계별로 변경하는 것을 가능하게 한다. 다수의 회로들이, 예를 들어, ²³⁵U의 분열('연소')에 의해, 노심 영역에서의 핵분열 반응을 유지하기 위해 적절한 임계 상태를 공급하는 경우, 하나 또는 다수의 회로들은, 증식-연소 평형 상태가 회로에서 형성될 때까지, 예를 들어, 핵연료 원료인 ²³²Th('증식')으로부터 핵분열 ²³³U를 변환/변화(transmute)시키기 위해 노심에서 핵분열 반응으로부터 잉여 중성자들을 사용할 수 있으며, 이 경우, 핵분열 반응에 의해 소비되고 있는 것처럼 많은 ²³³U가 ²³²Th로부터 생성된다. 원자로 및 회로 중성자 경제성은 중성자의 너무 많은 손실을 피하기 위해 충분히 최적화되어야 한다. 이전에 주로 연소를 위해 채택된 회로들은 염을 변경하거나 염에 토륨을 추가하여, 일반 연소 기능에서 증식 기능으로 변경될 수 있다. 시간이 지남에 따라, 이 회로는 이어서 증식에서 증식 연소 회로로 변경되어 궁극적으로 증식 연소 평형 상태를 달성한다. 이러한 방식으로, 원자로는 폐쇄된 토륨 사이클에서 작동하도록 단계적으로 전환되며, 여기서 ²³²Th는 ²³³U 연료로 전환되며, 핵분열 반응을 유지하기 위해 원자로 회로에 핵분열성 물질을 전혀 추가할 필요가 없거나 또는 단지 소량만 추가하는 것이 필요하다.

본 발명은 궁극적으로 임계 원자로 구역에서의 핵분열 반응이 플루토늄 핵분열에 의해 유지될 수 있고, 과잉 중성자를 사용하여 농축된 ²³⁸U를 적절한 양의 핵분열성 ²³⁹Pu로 변화시키는 것인 우라늄-플루토늄 사이클을 폐쇄하기 위한 방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 핵폐기물 수명을 줄이기 위해 핵폐기물에서 회수된 긴 수명의 동위원소들을 연소시키기 위해 사용될 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 이 경우, 원자로가 중요하지만, 임계 영역/노심 또는 외각 영역에 있는 하나 또는 다수의 회로들은 특정한 염 조성을 가지며, 여기서 핵폐기물에서 추출된 이러한 긴 수명의 동위원소들은 짧은 수명 내지 중간 수명의 동위 원소들 및 핵분열 생성물들로 변화(trnasmuted) 및/또는 핵분열(fissioned)될 수 있다.

본 발명은 특정 원소의 중성자 활성화에 의해 특정 동위원소를 생산하는 방법을 제공할 수 있다. 이 경우, 원자로는 임계적이지만, 임계 영역/노심 영역 또는 외각 영역에 있는 하나 또는 다수의 회로는 특정 염 조성을 가지며, 여기에는 이들 대상 물질들이 포함되고, 원하는 활성화 생성물이 회로로부터 추출되어 예상되는 응용 분야에 사용된다.

본 발명의 (폐쇄) 핵연료 사이클 관점에서의 접근의 이점은 원자로에서와 같이 회로에서 모두 다음의 조합이다:

- 용융염의 채택으로서, 온라인 염 청소 및 조절을 가능하게 하고, 중성자 흡수 핵분열 또는 활성화 생성물들의 제거에 의해 중성자 흡수 손실을 최소화하여 중성자 경제성을 최적화하는 것. 물질 추출과 관련된 잠재적인 비-확산 문제는 설계에 의하여야 하고 설계에 의해 관리될 수 있음.

- 임계 영역을 함께 형성하는 회로들의 개별 채널의 채택으로서, 원칙적으로 각 회로가 다른 염 혼합물 및 핵연료 원료/핵분열 물질 함량을 함유하는 것을 가능하게 하고, 이것은 염 조절 또는 교체에 의해 변경될 수 있음.

대부분 고체연료 형태로 운영되는 기존의 원자로 시스템은, 핵분열 생성물이 핵연료에 포함되어 있어 별도의 위치에서 정교한 고체 연료 재처리를 통해서만 제거할 수 있기 때문에, 핵분열 생성물의 제거에 의해 활성화 및 핵분열 생성물의 중성자 흡수를 최소화할 가능성이 없으며, 또한 노심 내용물을 편리하게 (부분적으로) 변경, 최적화 또는 조절할 유연성을 갖지 않는다. 본 발명의 회로 및 원자로는 핵분열 생성물의 제거를 가능하게 한다.

기존의 용융염 원자로 시스템은 대부분 하나의 염 체적으로 동작하는데, 이는 그 변경이 전체 염 부피에 영향을 미치기 때문에 단계별 염 조성의 조절을 복잡하게 하고, 여기서 염은 비-최적화(non-optimized) 및 비-국부화(non-localized) 증식 및 연소 기능을 갖는다. 본 발명의 원자로 및 회로는 다양한 염과의 작동을 가능하게 하고 단계적 염 조성의 조절을 비교적 쉽고 편리하게 허용한다.

다른 용융염 원자로 설계와 비교하여 모듈형 노심 원자로 시스템의 상술한 단점은, 용융염 원자로 환경에서 교체하기 어렵고 빠르게 저하되는 대형 구성 요소들과 같이 대형의 염 부피를 처리한다는 단점에 추가하여, 연료가 배치된 위치에 대한 통찰력의 제한성, 소규모 테스트를 전체 규모 동작으로 용이하게 외삽될(extrapolated) 수 없는 자격 요건상의 문제 및 인허가 경로, 및 최적화된 구성 요소들의 교체에 의해 원자로 성능을 최적화하는 데에서의 제한된 유연성 등인데, 이들 모두는 본 발명의 모듈형 노심 원자로 시스템에 의해 회피될 수 있다.

개별형 원자로 회로로 구성된 원자로로써 원자로 회로와 관련하여 설명된 요소들 및 실시 예들도 또한 원자로의 요소 및 실시 예를 형성하고, 원자로 회로의 일부이거나 이와 관련된 원자로의 요소들 및 실시 예들은 원자로 회로의 요소들 및 실시 예들이기도 하다는 점이 명백할 것이다.

본 발명은 또한, 원자로 회로를 제공하고, 또 다른 (시험) 원자로의 노심 근처에서 원자로 회로의 채널을 배열함으로써, 회로의 채널의 임계 영역이 다른 원자로의 방사선 플럭스에 노출되도록 하는, 본 명세서 다른 곳에서 설명한 바와 같은 원자로 회로를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 액체를 회로에 제공하는 동작, 상기 회로를 통해 액체를 순환시키는 동작, 및 액체를 채널의 테스트 원자로 플럭스에 놓이게 하는 동작을 더 상세히는 포함한다. 상기 방법은 또한 회로 및/또는 액체(이것은 용융염일 수 있고 핵분열 및/또는 핵연료 원료 물질들 또는 다른 화학 요소들을 포함할 수 있음)의 (요소들의) 성능을 모니터링하는 동작을 더 포함한다. 상기 방법은 또한 핵분열 및/또는 핵연료 원료 물질들을 함유하는 핵연료를 제공하는 동작을 더 포함할 수 있다. 상기 핵연료는 회로에 제공될 수 있다. 핵연료는 회로에서 순환될 수 있으며, 바람직하게는, 임계 영역에서, 다른 원자로의 방사 플럭스에 놓일 수 있다.

원자로 회로, 특히 회로의 채널을 다른 원자로의 중성자 플럭스 내에 배치함으로써, 그 구성, 회로가 만들어지는 재료, 및/또는 액체(용융염) 및/또는 핵연료의 원료물질 및 핵분열성 물질이, 조합 또는 단독으로, 시험 및 적격성 평가가 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일 실시 예에서, 상기 방법은 여기 다른 곳에서 설명된 바와 같은 회로를 제공하고, 액체(바람직하게는 용융염)를 제공하고, 상기 회로 및 액체를 기존 원자로의 플럭스에 노출시켜 회로 물질의 거동으로써 상기 액체 및 전체 회로의 성능을 모니터링, 테스트 및 실험하는 동작을 포함할 수 있다. 이렇게 얻은 데이터는 회로 자체를 개선하고 그 회로에 사용되는 액체의 조성을 개선하고, 궁극적으로는 본 발명의 원자로의 추가 설계 및 최적화에 유용하다.

따라서, 본 발명의 특정 실시 예들에서, 회로(의 구성 요소)에 대한 파라미터들은, 다른 것들 중에서, 용융염, 고온 및 (중성자) 방사선과의 접촉과 같은, 용융염 원자로 조건하에서 분해 메커니즘에 노출된 재료들의 거동, 일반적으로 내-부식성, 강도, 취성(embrittlement), 크리프(creep), 파괴 인성(fracture toughness), 열팽창, 열전도율(thermal conductivity)과 같은 거동 측면들이다.

따라서, 본 발명의 특정 실시 예들에서, 액체의 성능에 대한 파라미터는, 다른 것들 중에서, 화학적 조성, 핵분열 생성물 용해 또는 침착(deposition), 활성화 생성물의 거동, 방사선 하에서의 저하/분해, 염 내 원소의 응고(coagulation), 열 및 전기 전도도, 부식성, 불화/염화물 전위, 점도 등이다.

따라서, 본 발명의 특정 실시 예에서, 핵연료에 대한 파라미터는, 다른 것들 중에서도, 용융염에서의 용해, 침착 전위, 염 내의 다른 원소와의 응집이다.

따라서, 본 발명의 특정 실시 예들에서, 회로의 성능을 위한 파라미터는, 무엇보다도, 열 발생, 작동 안전성, 열 발생 및 열 전달 효율, 회로 구성 요소의 테스트 및 적격성 등이다.

이러한 방식으로 회로를 작동함으로써, 본 명세서의 다른 곳에서 논의될 다수의 응용들, 예를 들어, 핵연료 원료 물질로부터 핵분열성 물질의 중성자 활성화에 의한 특정 동위원소의 생성 등을 위해 본 발명의 회로를 사용하는 것이 또한 가능하다.

특정 실시 예에서, 상기 방법은, 예를 들어, 의료, 진단 또는 영상화 응용을 위한 동위원소 생성 단계를 더 포함할 수 있다. 이 실시 예는 회로에 특정 요소들을 제공하고, 상기 요소들을 원자로의 중성자 플럭스에 놓이도록 하고, 상기 요소들이 다른 요소들로 변환되어 그 결과 요소들을 액체로부터 분리하는 단계를 포함한다. 절연은 온라인 또는 오프라인일 수 있다(즉, 회로에서 액체를 제거하고 다른 곳에서 절연을 수행할 수 있음). 유사한 방식으로, 핵분열 생성물은, 예를 들어, 의료, 진단 또는 영상 응용 분야에서 핵분열 반응이 일어나는 회로들에서 회수될 수 있다.

본 발명의 회로의 설계 및 본 발명의 회로들을 포함하는 원자로는 다음과 같은 특정한 이점들을 갖지만 이에 제한되지는 않는다:

- 회로들을 개선된 회로 및 회로 채널 설계로 교체함으로써 교체 전략 및 원자로 성능 최적화를 가능케 한다.

- 여러 개의 원자로 회로들이 함께 원자로의 임계 영역을 형성한다. 따라서 임계 영역의 임계 질량은 개별적 격납 용기로 분할된다. 회로가 배수되는 경우, 임계 영역의 임계 질량이 효과적으로 감소하여 핵반응을 감소시키거나 중지한다.

- 개별 채널들(또는 회로들)은 다른 핵연료 원료 물질, 핵분열성 물질 또는 기타 물질과 함께 다른 염 조성을 포함할 수 있다.

- 원자로의 노심 구성은 최적화된 성능을 위해 핵분열, 증식 및 중성자 활성화와 같은 다양한 목적을 수행하기 위해 개별 회로 채널들이 임계 영역의 다른 위치에 배치되도록 선택될 수 있다.

- 원자로의 각 위치에서 각 채널에 대한 성능을 최적화하기 위해 중성자 플럭스 스펙트럼 플럭스 및 분포를 생성하기 위해 개별 회로 채널들이 임계 영역에서 다른 위치에 배치되도록 코어 구성이 선택될 수 있다.

- 채널의 염은 원자로 임계 영역 또는 외각 영역에서의 채널 목적을 변경하기 위해 다른 염 조성으로 대체될 수 있다.

- 상대적으로 작은 많은 구성 요소를 생산하는 것이 매우 큰 구성 요소 몇 개를 생산하는 것보다 더 비용 효율적일 수 있다. 숫자의 경제는 규모의 경제를 능가할 수 있다.

- 상대적으로 작은 구성 요소는 대표적인 규모에서 편리한 테스트를 가능케 하므로, 이것은 구성 요소 및 원자로 개발 및 능력 검증의 비용과 기간을 용이하게 하고 줄일 수 있다.

- 다른 (열) 용융염 원자로 설계와는 달리, 흑연과 같은 특정 감속재 물질은 핵연료 함유 염과 직접 접촉하는 대신 채널 외부와 채널 사이에 위치할 수 있다. 따라서 감속재 기능은 용융염 흐름 안내 또는 봉쇄(격납 용기) 기능과 분리될 수 있다. 이것은 매우 적절한 감속재이지만 원자로 환경에서 매우 복잡한 거동을 나타내는 흑연에 대해 특히 편리하다. 유지 보수 및 수명 연장 조치로서, 채널 주변의 별도 감속재는 원래의 재료 특성을 복원할 수 있는 작동 사이클 동안 또는 작동 사이클 사이에 방사선 손상을 어닐링하기 위해 온도 상승을 받을 수 있다. 흑연의 경우 이것은 매우 효과적일 수 있으며, 감속재 재료가 원자로 수명 동안 더 이상은 교체가 필요하지 않을 정도로 (반복적인) 어닐링에 의해 감속재의 적절한 특성을 확보할 수 있다.

채널 사이에 있는 감속재에서 채널에 있는 염의 물리적 분리는 또한 채널 및 염 온도와 크게 독립적인 감속재의 열 최적화를 가능하게 한다. 예를 들어, 감속재 물질은 염 또는 채널 온도가 아닌 다른 온도로 변경되고 유지되어, 작동 중 방사선 손상의 영향을 최소화하고 수명을 최대화할 수 있다. 예를 들어, 흑연 감속재는 일반적인 염 온도보다 더 낮은 온도로 유지되어, 방사선 손상의 영향을 감축하여 수명을 최대화할 수 있다.

모듈형 노심 원자로가 분리된, 개별적 및 독립형 원자로 회로들의 조립으로 형성되기 때문에, 시스템과 각각의 개별 회로는 저압에서 작동하는 비교적 작은 구성 요소들로 구성된다. 작은 구성 요소들로 구성된 상기 시스템은, 예를 들어, 회로에서 채널을 분리하고 그것을 회로에서 차폐 용기로 옮겨서, 조절, 폐기 또는, 적용 가능한 경우, 재활용을 위해 현장으로 운송될 수 있다. 그 후에 새로운 채널(또는 다른 요소)이 도입될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 원자로 상단의 방사선 차폐물을 통해 수직으로 발생할 수 있다. 회로의 다른 부분들 및 구성 요소들, 또는 회로 전체에 대해 동일한 접근 방식이 채택될 수 있다.

1: 노심(코어) 영역
2: 외각 영역
3: 루프
4: 채널
4a: 상향 채널
4b: 하향 채널
5: 액체 탱크
6: 공급 라인
7: 배출 라인
8: 리턴 라인
9: 외각 채널
10: 감속재 또는 비-감속재 매체
11: 액체 탱크에 대한 능동형 또는 수동형 밸브(동결 플러그)
12: 상향 튜브
13: 하향 튜브
14: 내부 튜브
15: 외부 튜브
16: 팽창 탱크
17: 열교환기
18: 펌프
19: 프로세싱(처리)
20: 재료 공급
21: 2차 가열 시스템
22: 핵분열 및 활성화 생성물
23: 핵분열 및 활성화 생성물
24: 핵연료 원료, 핵분열성 물질 및 표적 물질
25: 차폐
26: 임계 영역
27: 단일 상향 튜브
28: 다중 하향 튜브
29: 채널 격납 용기
30: 채널 격납 용기-루프 연결
31: 제거/교체용 채널 및 채널 격납 용기를 위한 중성자 리플렉터 및/또는 방사선 차폐를 통한 통로.
32: 액체 탱크 제거/교체를 위한 중성자 리플렉터 및/또는 방사선 차폐를 통한 통로.

Claims (19)

1. 노심(코어) 영역 및 외각 영역을 포함하는 원자로로서, 상기 원자로는 다수의 분리된 개별형 원자로 회로들 또는 모듈들로 구성되며, 각각의 회로는,
   루프(3)를 포함하되, 상기 루프(3)는 핵연료로서 핵연료 원료 및/또는 핵분열성 물질을 함유하고, 선택적으로 순환시키는 액체를 포함할 수 있고,
   상기 루프는 상기 루프의 일부이고 대체로 수직인 배열로 배치된, 바람직하게는 대체로 곧바른 채널(4)을 포함하고, 상기 채널은 상기 루프에서의 액체를 위한 상하 통로(4a, 4b)를 제공하고, 상기 다수의 회로들의 각각의 채널은 상기 노심 영역에 배열되고, 및
   상기 각각의 분리된 개별형 원자로 회로는 원자로로부터 독립적으로 제거 가능한 것인 원자로.
   
2. 제1항에 있어서,
   개별 회로는 원자로의 임계 영역에서 임계-이하 량의 핵연료를 포함하는 것인 원자로.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 분리된 개별형 원자로 회로들 또는 모듈들은 원자로, 바람직하게는, 임계 영역에서 핵반응이 유지될 수 있도록 임계량의 연료를 제공하는 것인 원자로.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 회로의 채널은 단일 파이프, 파이프 묶음, 파이프-내-파이프 또는 (모놀리식) 채널형 본체인 것인 원자로.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널은 해제 가능한 것인 원자로.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널에는 선택적으로 해제 가능한 격납 용기(29)가 제공되는 것인 원자로.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널로의 액체의 공급 및 상기 채널로부터의 배출이 원자로 채널의 같은 측면에 있도록, 상기 채널이 상기 루프의 일부 및/또는 그 루프에 연결된 공급 단부 및 배출 단부를 갖는 것인 원자로.
   
8. 제5항에 있어서,
   상기 채널들의 배열은 원자로의 임계 영역을 형성하는 것인 원자로.
   
9. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   각각의 채널은 원자로의 임계 영역에서 아-임계량의 핵연료를 포함하는 것인 원자로.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 원자로의 임계 영역은 감속재를 더 포함하는 것인 원자로.
    
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널들은 노심에, 바람직하게는, 하나 또는 다수의 원, 바람직하게는, 하나의 동심원으로 배열되는 것인 원자로.
    
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널은 감속재에, 바람직하게는 하나 또는 다수의 원, 바람직하게는 하나의 동심원으로 배열되는 것인 원자로.
    
13. 원자로 작동 방법에 있어서,
    - 다수의 회로들을 포함하는 제 1항 내지 제 10항에 정의된 원자로를 제공하는 단계;
    - 핵연료 원료 및/또는 핵분열성 물질들을 포함하는 다수의 핵연료를 제공하는 단계;
    - 상기 다수의 회로들에 다수의 핵연료를 제공하는 단계;
    - 임계적 구성에서 상기 회로들의 채널들에서 핵연료를 가져오는 단계를 포함하는 방법.
    
14. 회로의 채널이 또 다른 원자로의 중성자 플럭스에 노출되도록 상기 다른 원자로의 노심 근처에 제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 정의된 원자로 회로의 채널을 배열함으로써 원자로 회로를 작동하는 방법.
    
15. 제12항에 있어서,
    - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 정의된 원자로 회로를 제공하는 단계;
    - 핵연료 원료 및/또는 핵분열성 물질들을 포함하는 핵연료를 제공하는 단계;
    - 상기 회로에 핵연료를 제공하는 단계;
    - 선택적으로, 상기 회로에서 핵연료를 순환시키는 단계;
    - 상기 회로의 임계 영역에 있는 핵연료를 다른 원자로의 중성자 플럭스에 놓이도록 하고, 다음 파라미터 중 하나 또는 다수를 모니터링 및/또는 모델링하는 단계,
    i. 회로(의 구성 요소들),
    ⅱ. 액체,
    ⅲ. 재료 샘플 거동
    ⅳ. 핵연료 및/또는
    ⅴ. 회로의 성능.
    
16. 제13항에 있어서,
    - 임계 구성에서 원자로를 작동하는 단계로서, 여기서 핵분열 반응을 지속하기 위해, 상기 회로의 적어도 일부가 핵분열 물질을 감속재와 함께 또는 감속재 없이 임계 영역에 제공하는 단계;
    - 상기 회로들의 일부를 임계 영역에서 증식-연소 모드에서 동작시키는 단계로서, 여기서 핵분열 반응의 과잉 중성자들은 ²³²Th 에서 ²³³U, 또는 ²³⁸U에서 ²³⁹Pu, 바람직하게는, ²³²Th에서 ²³³U와 같은, 핵연료 원료 물질들에서 핵분열성 물질을 생성하고, 생성된 핵분열성 물질의 적어도 일부를 핵분열하도록 허용되는 것인 단계;
    - 하나 또는 다수의 회로들에서 증식과 연소 사이의 평형 상태를 확립하는 단계;
    - 하나 또는 다수의 다른 원자로 회로에서 액체를 교체함으로써 상기 다른 회로를 연소 모드에서 증식 모드로 변경하는 단계;
    - 상기 회로들이 평형을 이루도록 함으로써 폐쇄형 증식-연소 핵연료 사이클로 작동하는 원자로 시스템을 제공하는 단계를 포함하는 방법.
    
17. 원자로 회로에서 채널, 채널 격납 용기 및/또는 액체 탱크를 분리하고, 원자로 회로에서 채널, 채널 격납 용기 및/또는 액체 탱크를 제거 및/또는 교체함으로써, 원자로 회로의 구성 요소들을 제거 및/또는 교체하는 방법.
    
18. 제15항에 있어서,
    상기 원자로 회로가 다수의 원자로 회로들를 포함하는 원자로 구성에 배치되고, 원자로 회로들 중 하나로부터, 교체 가능한 연결 채널, 채널 격납 용기 및 액체 탱크가 원자로의 외각 또는 노심 영역으로부터 제거 및/또는 교체되는 것인 방법.
    
19. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    제거 또는 교체가 상기 교체 가능한 연결된 채널, 채널 격납 용기 및/또는 액체 탱크의 대체로 수직인 전위(translocation)에 의해 수행되는 것인 방법.

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